JP4449673B2 - 繊維束の巻取装置、繊維束パッケージの製造装置および繊維束パッケージの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、繊維束の巻取装置および繊維束パッケージの製造装置に関し、特に扁平糸のように、拡幅されて扁平な断面形状を持つテープ状繊維束を、綾振りさせながらボビンに巻取る際に、高品位な巻取りパッケージを巻き取ることを可能にする繊維束の綾振り機構を用いた繊維束の巻取装置および繊維束パッケージの製造装置に関するものである。
炭素繊維やガラス繊維に代表される樹脂補強に用いられる繊維（以下、補強繊維という）の多くは、それら繊維の束（以下、補強繊維束という）にマトリックス樹脂を含浸させて、いわゆるプリプレグとした後、これを所定形状にプリフォームし、加熱硬化させて繊維強化プラスチック成形体として製品化される。
近年、この繊維強化プラスチック成形体の軽量化指向に伴い、厚みが薄く、かつ厚さむらが少ない高品位なプリプレグが要望されてきている。
このようなプリプレグを製造する際には、補強繊維束を構成する１本１本の単繊維の高弾性特性をいかんなく発揮させるために、無撚りの状態で、薄く広く開繊させる必要がある。
このため、プリプレグの原材料となる補強繊維束の製造過程においても、予め、薄く均一に拡げた状態でボビンに巻取ること、そして、その状態を維持したままでプリプレグの製造工程に提供できることが重要な課題となってきている。
すなわち、ボビンに巻き取られた際において、薄く均一に繊維束が拡げられている均斉なテープ状の繊維束の状態でボビンに巻取られていることが重要であり、例えば、テープ状繊維束の端部付近で、該繊維束をなす繊維が他の部分の繊維と比べてバラけていたり、あるいは、ゆるんでいたり、あるいは、端部が折りたたまれた状態で巻き取られていたりすることは、良好な繊維強化プラスチック成形体の原材料とするには問題がある。
一方で、ボビンに繊維束を巻き取るに際しては、通常は、繊維束を綾振りさせて、すなわち、ボビン軸方向に往復運動をするようにして繊維束をトラバースガイド装置により導いて、所定量の繊維束を、所定の巻取り幅で巻き取るものである。
図１は、綾振り装置１、巻取装置２の全体を示した外観モデル斜視図であり、綾振り装置１は、繊維束を案内するトラバースガイド３を有している。
図１において、通常の巻取装置２における繊維束の概略の流れを説明すると、図示していない上流工程から搬送ロールを経て、糸道ガイド４を通過した繊維束Ｙは、図の矢印Ｐ方向に往復運動するトラバースガイド３により、前記糸道ガイド４を支点とする綾振り運動を与えられて最終的に巻糸パッケージ（巻取りボビン）５として巻取られる。９はプレッシャーロールである。
トラバースガイド３部分は、特にその具体的構造が限定されるものではないが、図２に示したように、第１のガイドロール６、中間ガイドロール７、最終ガイドロール８を有している。
第１のガイドロール６は、通常、その回転軸方向は巻取りボビンの回転軸方向と直交する方向に設けられているものである。７は中間ガイドロールであり、通常、巻取りボビン回転軸方向と３０°〜７０°くらいの角度で交わるような構成で用いられる。
この７の中間ガイドロールは、図２や図４に示したように、例えば、２本もしくはそれ以上の本数のロールをそれぞれ上述した適宜の角度で巻取りボビン回転軸方向と交わるようにして複数本用いてもよく、あるいは一本のみを用いて構成してもよい。
また、中間ガイドロール７は上記の角度のもののみでなく、最終ガイドロール８の真上に最終ガイドロールと平行に設けられてもよい。
本発明は、上述の最終ガイドロール８に関係するものであり、この最終ガイドロール８とは、本発明においては、プレッシャーロール９のすぐ上流に位置する、巻取りボビンの回転軸方向と実質的に平行な回転軸方向を有した自由回転するロールであり、より下流の１個のガイドロールをいうものである。
該最終ガイドロール８は、巻取りボビン５の回転軸方向と実質的に平行な回転軸方向を有した自由回転するロールであり、最終ガイドロール８上において糸道自体は直角に直進する方向を有するものであるが、繊維束は左右に綾振りされながらガイドされるものであるために、通常、繊維束は、該最終ガイドロール８から斜めに出ていくこととなる。このような走行状態を呈する場合、走行する繊維束が、薄く均一に拡げられている均斉なテープ状の形態のものであるときには、該繊維束の屈曲を引き起こすことがある。この状態を図３の（ａ）にモデル的に示した。
このように幅広のテープ状の繊維束が屈曲をすると、屈曲した繊維束の外側と内側とで糸走行経路長さの差を生じ、この差が該繊維束を構成している一部の単繊維のたるみを引き起こし、その状態で張力が加わり引っ張られると、繊維束が図３の（ｂ）にモデル的に示したようにバラけてしまうこととなる。特に、炭素繊維やガラス繊維に代表される樹脂補強に用いられるような繊維は、一般には、該繊維自体が伸びにくいという性質を有するものであり、図３（ａ）に示したような「張り」側が優先し、反対側端部では「弛み」が明確に発生することが多い。
上述のバラけた状態を起こすことは、そのまま不均斉なテープ状の繊維束として巻き取られたり、繊維束端部で折り畳まれた状態で巻き取られたり、あるいは繊維束が一部重なったりして巻き取られる状態を引起こすこととなり、いずれの場合にあっても、そのままでは高品位で優れたプリプレグを製造するための原材料としては不適当なものとなる。
従来からも、テープ状の拡幅された無撚りの繊維束を綾振りさせながら巻取りボビン等に巻き取る場合には、上述したような問題があり、かかる問題点を解決して、薄く均一に拡げられた状態で巻き取ることを目的として、巻取ボビンの回転軸と実質的に直角にねじれた位置に回転軸が配された第１のガイドローラーと、該巻取ボビンの回転軸と実質的に平行に回転軸が配された最終のガイドローラーとを有した綾振りガイド装置において、該最終のガイドローラーと繊維束との接触長が１５ｍｍ以上であるようにして、しっかりと繊維束をグリップして把持した状態でガイドするという技術思想の綾振りガイド装置が提案されている（特許文献１）。
しかし、特許文献１にて提案されている発明は、ある程度、テープ状繊維束の幅が狭めのものには前述した高いグリップ力が有効であったが、特に繊維束の幅が広めになってくると、高いグリップ力がかえって繊維束を屈曲させることとなり、屈曲した繊維束の内外の糸走行経路長さの差が大きくなり、前述したようなバラケ発生は解決できないものであった。
また、上述のような予め薄く広げた扁平テープ状の補強繊維束を、巻始めから巻終わりまで安定した繊維束の幅で巻取る繊維束巻取装置として、巻取ボビンの回転軸に平行に往復動するガイドスタンドと、該ガイドスタンドの上部にその回転軸が巻取ボビンの回転軸と直交して配置された一対の上部ガイドローラと、前記ガイドスタンドの下部にその回転軸が巻取ボビンの回転軸と平行に配された一対の下部ガイドローラと、その間に繊維束を軸線方向に９０°捻転させるための円錐状ガイドローラとを有する繊維束の巻取装置が提案されている（特許文献２）。
しかし、特許文献２に開示されている繊維束巻取装置においては、ガイドスタンドの上部に設置された一対の上部ガイドロールにおいて、その一方を中央が凹んだ湾曲周面を持つ鼓形状とし、この湾曲により繊維束を拘束して一定経路のもとに巻き取られるようにしている。しかしながら、鼓形状のガイドロールにより繊維束を拘束することは、テープ状の繊維束の幅方向に力を掛けるということであり、そのこと自体が、繊維束のつぶれを引き起こし単繊維どうしの絡まりや繊維束端部での折畳みの原因となるほか、巻き取った繊維束の糸幅も狭くなってしまうので、何ら本質的な解決は得られない。
そもそも、円錐状や鼓状のガイドロールを用いることは、巻き取られる繊維束の幅も狭くなってしまったり、また繊維束幅方向で周速差が生じながらトラバースして巻き取るものであるがため、繊維束にダメージを与えたり品位の低下につながる方向なのである。
特開２００４−１５５５９０号公報
特開２００１−３４８１６６号公報（図２）
本発明の目的は、上述したような点に鑑み、一般に伸びにくいという繊維特性を有する炭素繊維などの補強繊維が薄く均一に幅広く広げられてなるテープ状繊維束を巻き取るに際しても、該均一に薄く拡幅されたままに均斉に高品位に巻取ることを可能とし、ひいては、プリプレグなどの該補強繊維の２次加工製品を高品質・高品位なものとして製造することを可能にすることができる繊維束の巻取装置を提供することにある。
また、他の目的は、そのような巻き取りを可能にする巻取装置を用いた繊維束パッケージの製造装置と製造方法を提供することにある。
上述した目的を達成する本発明の繊維束の巻取装置は、以下の(1) の構成からなる。
（１）繊維束を案内するトラバースガイドと該トラバースガイドのトラバース機構により該繊維束に糸道ガイドを支点とする綾振り運動を与え、巻取りボビン全幅にわたって前記繊維束に圧接するように配置されたプレッシャーロールを経て前記巻取りボビン上に前記繊維束を巻き取る繊維束の巻取装置であって、該トラバースガイドは少なくとも巻取りボビンの回転軸と実質的に直角にねじれた位置に回転軸が配された第１のガイドロールと、前記巻取りボビンの回転軸と実質的に平行に回転軸方向が配された自由回転最終ガイドロールを有するとともに、前記第１のガイドロールと前記自由回転最終ガイドロールの間には少なくとも１個の中間ガイドロールを有し、かつ該第１のガイドロールと該自由回転最終ガイドロールおよび該中間ガイドロールはいずれも円柱状のロールからなり、前記自由回転最終ガイドロールはそのガイド位置の調整機構を有し、該ガイド位置の調整機構によって該自由回転最終ガイドロールへの繊維束の巻付け角を調整するように構成されていることを特徴とする繊維束の巻取装置。
（１）繊維束を案内するトラバースガイドと該トラバースガイドのトラバース機構により該繊維束に糸道ガイドを支点とする綾振り運動を与え、巻取りボビン全幅にわたって前記繊維束に圧接するように配置されたプレッシャーロールを経て前記巻取りボビン上に前記繊維束を巻き取る繊維束の巻取装置であって、該トラバースガイドは少なくとも巻取りボビンの回転軸と実質的に直角にねじれた位置に回転軸が配された第１のガイドロールと、前記巻取りボビンの回転軸と実質的に平行に回転軸方向が配された自由回転最終ガイドロールを有するとともに、前記第１のガイドロールと前記自由回転最終ガイドロールの間には少なくとも１個の中間ガイドロールを有し、かつ該第１のガイドロールと該自由回転最終ガイドロールおよび該中間ガイドロールはいずれも円柱状のロールからなり、前記自由回転最終ガイドロールはそのガイド位置の調整機構を有し、該ガイド位置の調整機構によって該自由回転最終ガイドロールへの繊維束の巻付け角を調整するように構成されていることを特徴とする繊維束の巻取装置。
また、かかる本発明の繊維束の巻取装置において、好ましくは、以下の(2) 〜(4) のいずれかの具体的構成を有するものである。
（２）前記自由回転最終ガイドロールへの繊維束の巻付け角を３０°以上７０°以下の範囲内に調整することが可能なように、該ガイド位置の調整機構が構成されてなることを特徴とする上記（１）記載の繊維束の巻取装置。
（３）ガイドされる前記繊維束が拡幅されたテープ状繊維束を呈しているものであって、前記自由回転最終ガイドロールの糸離れ点において、該テープ状繊維束の繊維束幅が５ｍｍ以上１２ｍｍ以下を呈する繊維束を綾振りするものであることを特徴とする上記（１）または（２）記載の繊維束の巻取装置。
（４）ガイドされる前記繊維束が、引張弾性率５０ＧＰａ以上１０００ＧＰａ以下のものであることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の繊維束の巻取装置。
（２）前記自由回転最終ガイドロールへの繊維束の巻付け角を３０°以上７０°以下の範囲内に調整することが可能なように、該ガイド位置の調整機構が構成されてなることを特徴とする上記（１）記載の繊維束の巻取装置。
（３）ガイドされる前記繊維束が拡幅されたテープ状繊維束を呈しているものであって、前記自由回転最終ガイドロールの糸離れ点において、該テープ状繊維束の繊維束幅が５ｍｍ以上１２ｍｍ以下を呈する繊維束を綾振りするものであることを特徴とする上記（１）または（２）記載の繊維束の巻取装置。
（４）ガイドされる前記繊維束が、引張弾性率５０ＧＰａ以上１０００ＧＰａ以下のものであることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の繊維束の巻取装置。
また、本発明の繊維束パッケージの製造装置は、以下の(5) の構成を有するものである。
（５）上記(1)〜(4)のいずれかに記載の繊維束の巻取装置を備えてなることを特徴とする繊維束パッケージの製造装置。
（５）上記(1)〜(4)のいずれかに記載の繊維束の巻取装置を備えてなることを特徴とする繊維束パッケージの製造装置。
また、本発明の繊維束パッケージの製造方法は、以下の(6) の構成を有するものである。
（６）上記(5) に記載の繊維束パッケージの製造装置を用いて繊維束パッケージを製造することを特徴とする繊維束パッケージの製造方法。
（６）上記(5) に記載の繊維束パッケージの製造装置を用いて繊維束パッケージを製造することを特徴とする繊維束パッケージの製造方法。
請求項１にかかる本発明の繊維束の巻取装置によれば、一般に伸びにくいという繊維特性を有する炭素繊維などの補強繊維が薄く均一に幅広く広げられてなるテープ状繊維束を巻き取るに際して、均一に薄く拡幅されたままに、均斉かつ高品位に巻取りボビンに巻取ることを可能にできる繊維束の巻取装置が提供されるものである。
そして、本発明の繊維束の巻取装置を用いれば、均一に薄く拡幅されたままに均斉かつ高品位に巻取りされた補強繊維のテープ状繊維束を用いて、均斉で、より厚みが薄く、かつ厚さむらなどもなく高品質・高品位なプリプレグを製造することができるものである。
また、本発明によれば、上述のような補強繊維が薄く均一に幅広く広げられてなるテープ状繊維束を、高品位・高品質に巻き取ることを可能にする巻取り装置、繊維束パッケージの製造装置、製造方法が提供されるものである。
以下、更に詳しく本発明の繊維束の巻取装置について、説明する。
本発明の繊維束の巻取装置は、繊維束を案内するトラバースガイドと、該トラバースガイドのトラバース機構とを有し、該トラバースガイドは少なくとも巻取ボビンの回転軸と実質的に直角にねじれた位置に回転軸が配された第１のガイドロールと、前記巻取りボビンの回転軸と実質的に平行に回転軸方向が配された自由回転最終ガイドロールを有するとともに、該自由回転する最終ガイドロールはそのガイド位置の調整機構を有するものである。そして、該第１のガイドロールと該自由回転最終ガイドロールの間には少なくとも１個の中間ガイドロールを有し、かつ該第１のガイドロールと該自由回転最終ガイドロールおよび該中間ガイドロールはいずれも円柱状のロールからなっている。
自由回転最終ガイドロールはそのガイド位置の調整機構を有していて、該ガイド位置の調整機構によって該自由回転最終ガイドロールへの繊維束の巻付け角を調整するように構成されている。
自由回転最終ガイドロールはそのガイド位置の調整機構を有していて、該ガイド位置の調整機構によって該自由回転最終ガイドロールへの繊維束の巻付け角を調整するように構成されている。
図４の（ａ）、（ｂ）に本発明にかかる繊維束の巻取装置の概略説明モデル正面図を示した。本発明の繊維束の巻取装置は、自由回転をする最終ガイドロール８のガイド位置を調整する機構を有するものであり、該最終ガイドロールの回転軸方向を巻取りボビンの回転軸方向と実質的に平行な状態を保ちつつ、そのガイド位置が調整可能なように構成されているものである。
該ガイド位置の調整機構は、例えば、図５に概略構造モデルを例示したように、ベース板１１上の孔にボルトを通してガイドロール８の支持部材１０を固定するような態様であれば、該ボルト通し孔を長い孔にする等の手段でガイド位置を調整できるものである。また、ガイドロール８の支持部材１０をスライド上に設置するという手段によりガイド位置を調整できるようにしてもよい。
ガイド位置の調整は、主に、該ガイド位置の調整を行うことによって、最終ガイドロールへの繊維束の巻付け角の大小を調整することを主目的に行うのがよいものである。
具体的には、例えば、図４（ａ）においてＲ1 にて示した最終ガイドロールへの繊維束の巻付け角を、図４（ｂ）においてＲ2 にて示したように、最終ガイドロールのガイド位置を調整して、最終ガイドロールへの繊維束の巻付け角をＲ1 からＲ2 の如くに変更すること等が自在にできるようにするのである。
最終ガイドロールへの繊維束の巻付け角は、本発明者らの各種知見によれば、特にテープ状繊維束の幅が５〜１２ｍｍなどの、特に幅が広くかつ薄い場合には、３０°以上７０°以下の範囲内になるようにガイド位置の調整機構を用いてガイド位置を調整することがよい。
該調整は、繊維束の品種、特に、テープ状の繊維束のテープ幅に対応させて行うのがよい。例えば、テープ状の繊維束のテープ幅が小さくなるほど、巻付け角が大きくなるようにするのがよい。具体的には、本発明者らの各種知見によれば、最終のガイドロールの糸離れ点においてテープ幅５ｍｍ程度となる繊維束では該巻付け角を７０°程度、同じくテープ幅１２ｍｍ程度となる繊維束では該巻付け角を３０°程度にするのがよい。
また、本発明の装置を用いる場合、所期の効果を良好に得る上で、綾振りされる繊維束の特性にも好ましい範囲があり、本発明者らの各種知見によれば、ガイドされる繊維束が引張弾性率５０ＧＰａ以上１０００ＧＰａ以下のものであることが最も好ましいものである。
本発明の技術思想は、テープ状の繊維束のテープ幅が大きい繊維束では、巻付け角を大きくとってガイドでのグリップ力を大きくすると繊維束の屈曲により、該繊維束の屈曲側の内外間で繊維通過経路長さの差が大きく、繊維束がよりバラケやすくなる方向であるので、巻付け角を小さくしてガイドによるグリップ力を小さくするというものである。
ただし、グリップ力が小さすぎると、擦過による毛羽が増える傾向にあるので、上述のように、巻付け角の下限で３０°は少なくともあるのがよく、またグリップ力はある程度あれば十分であり、それ以上に大きくしても効果はほとんど変わりないので、巻付け角の上限で７０°近辺までで十分である。
最終ガイドロールは、設置する場所の関係でその大きさには制約を受けることも多く、一般には、ロール直径で１０ｍｍ〜２５ｍｍの範囲内とするのがよい。
該最終ロール直径と上述した巻付け角との関係に基づいて、繊維束と最終ガイドロール１本のロール表面での接触長でいうと、該接触長は１５ｍｍ以下であるのがよく、１０〜１５ｍｍの範囲内であるのが好ましい。
本発明にかかる繊維束の巻取装置は、繊維束パッケージの製造装置に組込まれて、それぞれの装置を構成し、本発明の該繊維束パッケージの製造装置を用いて本発明の繊維束パッケージの製造方法を実施することができるものである。
１：綾振り装置
２：巻取装置
３：トラバースガイド
４：糸道ガイド
５：巻糸パッケージ（巻取りボビン）
６：第１のガイドロール
７：中間ガイドロール
８：最終ガイドロール
９：プレッシャーロール
１０：最終ガイドロールの支持部材
１１：ベース板
Ｙ：繊維束
Ｐ：トラバース往復運動方向
Ｒ1 、Ｒ2 ：巻付け角
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Ｒ1 、Ｒ2 ：巻付け角
Claims (6)
- 繊維束を案内するトラバースガイドと該トラバースガイドのトラバース機構により該繊維束に糸道ガイドを支点とする綾振り運動を与え、巻取りボビン全幅にわたって前記繊維束に圧接するように配置されたプレッシャーロールを経て前記巻取りボビン上に前記繊維束を巻き取る繊維束の巻取装置であって、該トラバースガイドは少なくとも巻取りボビンの回転軸と実質的に直角にねじれた位置に回転軸が配された第１のガイドロールと、前記巻取りボビンの回転軸と実質的に平行に回転軸方向が配された自由回転最終ガイドロールを有するとともに、前記第１のガイドロールと前記自由回転最終ガイドロールの間には少なくとも１個の中間ガイドロールを有し、かつ該第１のガイドロールと該自由回転最終ガイドロールおよび該中間ガイドロールはいずれも円柱状のロールからなり、前記自由回転最終ガイドロールはそのガイド位置の調整機構を有し、該ガイド位置の調整機構によって該自由回転最終ガイドロールへの繊維束の巻付け角を調整するように構成されていることを特徴とする繊維束の巻取装置。
- 前記自由回転最終ガイドロールへの繊維束の巻付け角を３０°以上７０°以下の範囲内に調整することが可能なように、該ガイド位置の調整機構が構成されてなることを特徴とする請求項１記載の繊維束の巻取装置。
- ガイドされる前記繊維束が拡幅されたテープ状繊維束を呈しているものであって、前記自由回転最終ガイドロールの糸離れ点において、該テープ状繊維束の繊維束幅が５ｍｍ以上１２ｍｍ以下を呈する繊維束を綾振りするものであることを特徴とする請求項１または２記載の繊維束の巻取装置。
- ガイドされる前記繊維束が、引張弾性率５０ＧＰａ以上１０００ＧＰａ以下のものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の繊維束の巻取装置。
- 請求項１〜４のいずれかに記載の繊維束の巻取装置を備えてなることを特徴とする繊維束パッケージの製造装置。
- 請求項５に記載の繊維束パッケージの製造装置を用いて繊維束パッケージを製造することを特徴とする繊維束パッケージの製造方法。
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