JP4495964B2 - 弾性材料のためのフィードフォワード制御 - Google Patents

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Description

本発明は、大きい材料の取扱い工程或いは変換工程の一部として送られる弾性材料の量を制御するフィードフォワード制御を提供するための方法に関する。
吸収性衣類その他の用途において、ストレッチボンデッドラミネートのような弾性材料の連続ウェブを、配置に先立って切断するために、多くの異なる製造方法が用いられる。このような方法は、多くの場合フィードバック制御を含むもので、切断長さの誤差が検出されたときに材料の切断長さを補正するものである。この「切断長さ」は、縦方向に相前後する切断部の間のストレッチボンデッドラミネート(SBL)その他の弾性材料の長さである。弾性材料の切断長さのためのフィードバック制御は、測定された切断長さと目標切断長さとの差である切断長さ誤差に通常依存して工程補正量を定めるものである。
SBLのロールの始まりから終りまでに「伸長性」勾配が存在することが研究により示されている。例えば、SBLの切断片が所定の張力のかかった状態でロールの始まりで切断され、同じ張力でロールの終りで切断片が切断される場合には、ロールの終りでの切断片の方が長くなる。フィードバック制御システムにおいては、材料特性の変化によってもたらされる切断長さの変化は、パネルが切断された後に切断長さの誤差が検出されるまでは補正できない。その結果、材料特性或いは工程条件における突然の変化は、弾性材料が切断され、切断長さの変化が生じるまでは、システムが気付くことはないので、切断長さの大きい誤差を招く。
以上議論された困難性及び従来技術が直面する問題に対応して、弾性材料の送り速度を制御する新しい方法が見出された。
本発明は、材料の接続部のような材料特性の変化或いは工程変動が弾性材料の切断長さに与える影響を低減させるための、フィードフォワード制御又は予測制御システムを用いる方法に関する。一般的に、この方法は、工程から与えられる情報に基づいて、送られるウェブ材料の長さを制御し、必要に応じてそれを迅速に修正するための方法を提供する。上述のように、この方法は、送り速度を制御するために使用されるが、切断長さ及びウェブ張力のような他の特性を制御するためにも使用することができる。
材料の特性は、ロール又は箱の内部又はそれらの間で制御することはできないであろうが、本発明は、変換工程内でウェブが送られる速度の制御を与える。送り速度は、ゼロ張力の状態での材料の長さに適応する目標送り速度に対応して制御される。材料の特性が変化するのに従って、目標送り速度もまた変化することになる。
より詳細には、この方法は、切断に先立って弾性材料上の位置合わせマークの間の距離を測定する段階を含む。これらの測定は、切断長さを直接に制御するため、或いは測定された切断長さに関連して、弾性材料切断長さを目標切断長さに維持するために必要な送りロール速度補正を定めるための、制御システムへの入力として使用される。
本発明は、位置合わせされた図形を有する弾性材料の切断を、弾性材料の各切断片が図形を含むように位置合わせさせるためにもまた使用できる。
前述のことを念頭に、本発明の特徴及び利点は、弾性材料の切断長さを制御するためのフィードフォワード制御を与えるための方法を提供することである。
本発明の他の特徴及び利点は、工程から与えられる情報に基づいて、ウェブ送り速度を制御し、工程内で送られるウェブ材料の長さを制御し、必要に応じてそれを迅速に修正するための手法を与える方法を提供することである。
定義
「吸収性衣類」は、トレーニングパンツ、おむつ、失禁用製品、医用衣類を含むその他のパーソナルケア又はヘルスケア衣類、などをいう。
「弾性の」及び「弾性」は、変形を生じされる力が除去されたのち、その元の寸法及び形状を回復する材料或いは複合材料の性向をいう。
「機械方向」は布地が製造される方向での布地の長さをいい、これに対し「横方向」は機械方向にほぼ垂直な方向での布地の幅をいう。
「ストレッチボンデッドラミネート」は、1つの層がギャザー寄せ可能な層であり他の層が弾性層である少なくとも2つの層を有する複合材料をいう。これらの層は、弾性層が伸長された状態で結合され、そのため、弾性層が緩められたとき、ギャザー寄せ可能な層がギャザー寄せされる。
「張力」は物体の伸長を生じさせようとする力或いは該伸長に抗するその物体内部の釣り合い力である。
本発明は、大きい材料の取扱い工程或いは変換工程の一部として送られる材料の量を制御するためのフィードフォワード制御を提供する方法に関する。フィードフォワード制御又は予測制御は、工程段階の間に送られる弾性材料の量に対する材料特性の変化或いは工程の変調の影響を軽減させる。フィードフォワード制御は、弾性材料上にある位置合わせマークの間の距離を測定することにより遂行される。これらの測定値は、送られる材料の量を直接に制御し、或いは送られる量を送られた材料の測定量に関連させて制御して、送られる弾性材料の量を目標レベルに維持するために必要な送りロール速度補正を決定するための、制御システムへの入力として使用される。説明を簡単にするため、この後の記述は、弾性材料の切断長さを制御する方法についてのものとする。
図1は、移動ウェブ22上に、ストレッチボンデッドラミネート(SBL)のような弾性材料20の切断片を切り出して配置するために用いられる方法の1例の図である。この場合においては、弾性材料20の切断片は吸収性衣類のサイドパネルを形成するために使用することができる。
まず、弾性材料20は、イリノイ州ロックフォードのMartin Automatic,Inc.から入手できる繰り出し装置のような繰り出し装置24から繰り出される。或いはまた、2つ又はそれ以上の繰り出し装置を使用して、例えば1つの繰り出し装置が第1の面を送り出し、他の繰り出し装置が第2の面を送り出すようにすることができる。弾性ウェブ20は、ウェブ20の張力を制御するための手段として働くことができる、図1に示されるダンサーロール26上を通ることができる。或いはまた、ウェブの張力は、ウェブ張力を測定するローラバー28に続く被駆動ロール(図1に示されるダンサーロール26の代わりに)の周りでウェブ20を動かすことにより制御することができる。ウェブ20は、次いでウェブガイド30を通過することができる。ウェブガイド30は、真空送りロール32上に送るのに備えて、工程の横方向に沿ってウェブ20を位置決めするのを制御するために使用することができる。本発明の目的にとって、横方向は、工程中を通って移送される材料の平面内で、機械方向に対してほぼ垂直の方向である。機械方向は、図1に矢印34によって示される。
真空送りロール32は、弾性材料20がアンビルロール36に送られる速度を制御するものであり、ウェブ張力及び材料特性の変化に従って切断長さを決定する。弾性材料20は、アンビルロール36と、1つ或いはそれ以上のブレードのような切断機構を含むニップロール40との間に位置したとき、区分長さの切断片に切り離される。アンビルロール36には、真空吸引孔が適当に形成されており、該吸引孔は、弾性材料20がサイドパネル取付機44その他の取付装置に引き渡されるまで弾性材料の切断片を保持する。好適なサイドパネル取付機44の例は、米国特許第5,224,405号に詳細に記載されており、この特許は引用によりここに組み入れられる。
システム内にフィードフォワード制御を備えさせるために、弾性材料上には、図3に示されるように、規則正しく間隔をもって位置合わせマーク46が配置され、位置合わせマーク46の間の距離が真空送りロール32に弾性材料20を送り込む直前に測定される。これらの測定は、制御システム48(図6)への予測用入力を提供し、次に該システム48は、弾性材料の送り速度を調整する送りロール32の速度を調整し、材料特性の予期されない変化の影響を低減させる。或いはまた、送りロール32の速度を調整する代わりに、制御システム48は、弾性ウェブ20の張力を調整して材料切断の量を変化させることができる。
弾性材料の特性及びそれらの特性が工程切断長さにどのように関係するかを考察する式が研究により示されている。この式は、図2に示される例示的な弾性材料20の張力対変形曲線50に関するものである。式は、
C=(E)(LS)/(E+T−A) (1)
であって、式中LCは切断長さ、すなわち、切断され例えばセンチメートル/製品の単位で測定された弾性材料の機械方向の量であり、
Eは初期弾性率、すなわち、張力対弾性材料変形曲線(図2)上の10−30%の変形を通る線の傾斜であって、例えばグラム/センチメートルの単位で測定することができ、
Sは弾性材料の送り速度、すなわち、真空送りロールの速度であって、例えばセンチメートル/製品の単位で測定することができ、
Tは弾性材料に印加される張力の量であって、例えばグラム/センチメートルの単位で測定することができ、
Aは初期切片、すなわち、初期弾性率(E)直線のy−切片であって、例えばグラム/センチメートルの単位で測定することができる。
弾性率及び切片を推定する1つの方法は、次式、
変形=ΔL/L (2)
を適用することであって、式中Lはゼロ張力の状態での弾性材料の長さでありΔLは材料が張力Tのもとに置かれたときにもたらされる長さの変化である。式(2)に従えば、変形は長さに反比例する。結果として、オンラインで長さ測定値を取得し、図2のグラフの1部分を推定するためにそれを張力に関連させることが可能である。
オンラインでの長さ測定値は、弾性材料20上の位置合わせマーク46の間の距離を測定することによって取得できる。位置合わせマーク46は、直線、点、孔、蛍光増白剤、或いは近赤外線又は一般的に可視光範囲の外側で検出できる材料のような、適切なマークの何れかの型とすることができる。位置合わせマーク46は、弾性材料を作製する工程である製造工程の間に弾性材料に付けることができる。或いはまた、位置合わせマークは、変換工程の間に、好ましくは低ウェブ張力になる位置で、弾性材料に付けることができる。ミネソタ州ミネアポリスのBanner Engineering Corp.から入手できるフォトアイのようなセンサ52を、変換工程の間で位置合わせマークを検出するために使用することができ、ここで、変換工程は、ロール又はフェストゥーンからのような、その製造されたときの状態を残した材料から、製品内への材料の組み込みまでに行われる工程である。例えば、変換工程は、真空送りロール32からサイドパネル取付機44までにおいて行うることができる。
弾性材料20が弛緩状態にあるときは、弾性ウェブ内の張力T0は無視できる。製造工程の間での弾性材料内の張力T1は、位置合わせマーク46を付ける間の弾性ウェブ内の張力の量である。変換工程の間の弾性ウェブの張力T2は、真空送りロール32上を送られているときの弾性ウェブ20内の張力の量である。
弾性ウェブ20がゼロ張力T0の状態にあるときの位置合わせマーク46の間の距離L0は、図3に示される。弾性ウェブ20が製造張力T1の状態にあるときの位置合わせマーク46の間の距離L1は、図4に示される。弾性ウェブ20が加工張力T2の状態にあるときの位置合わせマークの間の距離L2は、図5に示される。位置合わせマーク46の間の距離L2は、真空送りロール上32への弾性材料20の送りの直前或いは弾性材料20が真空送りロール32上にあるときの何れかで測定することができる。
点(S1、T1)及び(S2、T2)を用いて、張力対弾性材料変形の関係は直線によって近似させることができる。結果として、初期弾性率及び初期切片は、2点(S1、T1)及び(S2、T2)を用いて推定することができ、これは図2に示される。次の各式において、張力は単位幅当りの力として測定される。
1=(L1−L0)/L0 (3)
2=(L2−L0)/L0 (4)
Eは線の傾斜であるので、それは次式:
E=(T2−T1)/(S2−S1) (5)
となる。
式5に式3及び式4を代入すれば、次式:
E=(T2−T1)L0/(L2−L1) (6)
の結果となる。
よく知られている直線の式は:
y=mx+b (7)
であり、式中mは直線の傾斜(Δy/Δx)、bは定数、且つx及びyはそれぞれの軸に沿った距離である。式7に点(S2、T2)、傾斜(E)及び初期切片(A)を代入すれば、次の関係:
2=(E)(S2)+A (8)
が誘導される。
式8に式4及び式6を代入すれば、次式:
A=T2−[(T2−T1)(L2−L0)]/(L2−L1) (9)
の結果となる。
式1に式6及び式9を代入すれば、次式:
C=L0S/L2 (10)
の結果となる。
式10から、弾性材料の送り速度LSは:
S=LC2/L0 (11)
である。
弾性材料がゼロ張力T0の状態にあるときの位置合わせマーク46の間の距離L0は、3つの異なる方法によって決定することができる。第1に、距離L0は、オフライン測定値の取得によって実験的に決定することができる。第2に、小さい変換工程張力では、距離L1をL0の許容できる推定値とすることができる。最後に、距離L0は、理論的に計算され、既知量によって表現することができる。材料は、工程の間のどんな点においてもゼロ張力の状態になることはできないので、工程内で距離L 0 を求める場合には、距離L 0 は材料があたかもゼロ張力の状態にあるとして推定されることになる。小さい製造工程張力では、L 0 はL 1 にほぼ等しいとすることができる。
式11の再表示は、張力と弾性材料変形との間の、前述の近似直線関係(図2)に基づく。Tの値は、グラフ上でSの値と相関するので、直線の傾斜mは次式
m=(T2−T1)/(S2−S1) (12)
として表することができる。
式12に、式3及び式4を代入すれば次式
m=(T2−T1)/{((L1−L0)/L0)−((L1−L0)/L0)} (13)
が得られる。
直線の標準式(y=mx+b)に点(T2、L2)を代入し同類項をキャンセルすれば式14
2={(T2−T1)(L2−L0)/(L2−L1)}+b (14)
が形成される。
式14から、y切片bは:
b=T2−{(T2−T2)(L2−L0)/(L2−L1)} (15)
として計算することができる。
式12と式12とを結合して標準の直線の式とすると、次の線形式
y={(T2−T1)/(L2−L1)]x+{T2−((T2−T2)(L2−L0)/(L2−L1))} (16)
の結果となる。
張力T(y値)がゼロのとき、変形(x値)もまたゼロであり、この式の第1項は消える。従って、式16はL0について、次の処理
0=L2−{T2(L2−L1)/(T2−T1)} (17)
で解くことができる。
式17を式11に代入すると、次式:
S=LC2/{L2−(T2(L2−L1)/(T2−T1))} (18)
の結果となる。
式11及び式18に使用される切断長さLCは、目標切断長さ又は目標距離である。式11及び式18は、切断長さのフィードバックを行う場合も或いは行わない場合も、制御システムにおいて弾性材料20の送り速度LS(或いは真空送りロール(VFR)32の速度)を増減するための基準として用いられる。弾性材料20の送り速度LS(或いはVFR32の速度)は、各々目標切断長さにほぼ等しい長さを有する弾性材料20の切断切断片が得られるようにするために調整される。調整係数Kは、式19に示される調整関数に使用することができる。
KL2/L1或いはKL2/L0、式中K>0 (19)
或いはまた、測定された長さを目標長さと比較する代わりに、本発明の方法は測定された送り速度を目標送り速度と比較することができる。コンパレータとして用いられるL2/L1、又はL2/L0の比率が変らない間は、切断長さはほぼ一定であろう。
図6は、例えば図1に示される方法に関連して使用されることのできる実行可能な制御システム48の例を示す。図6に示されるように、目標切断長さ又は切断長さ設定値、及び切断長さフィードバックがシステム48に入力される。切断長さフィードバック、すなわち工程において既に切断された弾性材料20の切断片の実際の測定値は、自動位置合わせ及び検査システムによって取得することができる。切断長さ誤差の検出は、比例積分(PI)コントローラ54のような第1の制御アルゴリズムに信号を促すことができる。第1のコントローラ54は、目標比率を計算することができる。弾性材料20が加工張力T2の状態にある間での位置合わせマーク46の間の測定された距離L2と、位置合わせマークの間の製造距離L1との実際の比率もまた計算することができる。次いで、目標比率と実際の比率を比較することができる。先に説明されたように、低張力ではL1はL0に接近し、L0の見積もり値を求めるために使用することができる。加えて、L1とL0との間の正確な関係は、実験的に決定することができる。位置合わせマークの間の距離は、応答時間に影響する可能性がある。距離を短くすると、応答時間を短くすることができる。
目標比率と実際比率との比較は、比率誤差をもたらす。このシステムは、比率誤差に「1」を加えて結果をVFR速度基準と比較し、更に修正VFR速度基準をもたらす。修正VFR速度基準は、VFR速度フィードバックと比較される。VFR誤差の検出は、第2のPIコントローラ56のような制御アルゴリズムに信号を促す。第2のPIコントローラは、VFRトルク基準を計算し、これは次いでVFR32の速度を調整する。
制御システム48は、切断長さフィードバックなしでもまた機能することができ、代わりに目標切断長さ及び位置合わせマークの間の測定比率L2/L1に基づいてVFR32の速度を調整することができる。
本発明の方法は、図5に示されるような機械方向位置合わせ図形58を含む弾性材料20を切断するためにもまた使用することができる。より詳細には、切断エッジに対して図形58が中心となるようにVFRの速度が初期に増加或いは減少されたのち、弾性材料20の送り速度が、図形58が切断の間での概略中心であり続けるように制御することができる。このようにして、図形58は、位置合わせマーク46に対して機械方向に位置合わせされ、そのため、図形58は、連続した位置合わせマーク46の間にあるか、或いは位置合わせマーク46に位置合わせすることができる。このように用いられて、本発明の方法は、中心に図形58を有する切断弾性材料20の個々の切断片を提供することができる。
前述の実施形態の詳細は、説明の目的で提供されたものであり、本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきでないことを理解すべきである。本発明の僅かな例示的な実施形態が詳細に記述されているのみであるが、当業者は、本発明の新規な教示及び利点から実質的に逸脱することなく、多くの修正が該例示的な実施形態において可能であることを容易に理解するであろう。従って、全てのそのような修正は、添付の特許請求の範囲及び全てのその均等技術内に定められる、本発明の範囲に含まれることが意図されている。更に、多くの実施形態が、ある種の実施形態、とりわけ好ましい実施形態の利点の全ては達成しないと思われることが認められるが、特定の利点がないことが、そのような実施形態が本発明の範囲外であることを必ず意味するとは解釈されるべきではない。
移動するウェブ上に、弾性材料の切断片を切断して配置するための工程ダイアグラムである。 ストレッチボンデッドラミネート材料についての張力対変形のグラフである。 ゼロ張力T0での弾性材料の切断片の平面図である。 製造張力T1での弾性材料の切断片の平面図である。 加工張力T2での弾性材料の切断片の平面図である。 フィードフォワード切断制御システムの概要図である。
符号の説明
48 制御システム
54 第1のPIコントローラ
56 第2のPIコントローラ

Claims (10)

  1. 弾性材料が加工工程に送られる際の製品当たりの長さとして与えられる送り速度 フィードフォワード制御する方法であって、
    一定の間隔で複数の位置合わせマークが形成された弾性材料を、該弾性材料の送り方向である機械方向に送る段階と、
    前記加工工程に先立つ前記弾性材料の製造工程中に、前記弾性材料が第1の張力T の状態で前記機械方向に送られているときに前記位置合わせマークを第1のセンサ手段によって検出し、前記弾性材料上の先行する第1の位置合わせマークと後に続く第2の位置合わせマークとの間の第1の距離L を求める段階と、
    前記弾性材料が前記第1の張力Tとは異なる第2の張力Tの状態で前記加工工程に送られるときに前記位置合わせマークを第2のセンサ手段によって検出し、前記弾性材料上の前記第1の位置合わせマークと前記第2の位置合わせマークとの間の第2の距離Lを求める段階と、
    前記弾性材料の前記送り速度L 目標送り速度に適合するように調整する段階とを含み、
    前記弾性材料の前記送り速度L が、次式に従うように制御手段によって調整され、
    =L /L
    ここで、L は目標切断長さであり、L は、前記弾性材料がゼロ張力状態にあるときの前記第1の位置合わせマークと前記第2の位置合わせマークとの間の距離であり、
    =L −[T (L −L )/(T −T )]
    によって与えられることを特徴とする方法。
  2. 前記加工工程が、前記弾性材料がゼロ張力状態のときに前記目標切断長さLにほぼ等しい長さとなるように前記弾性材料を弾性材料片に切断する段階を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 前記弾性材料が前記第1の張力状態 にあるときに前記弾性材料上に前記第1の位置合わせマークと前記第2の位置合わせマークを付与する段階を含むことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の方法。
  4. 前記弾性材料は送りロールを用いて送られ、前記目標切断長さを制御するために前記送りロールの速度を調整する段階を含むことを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の方法。
  5. 前記弾性材料が前記第2の張力状態 にあるときの前記第1の位置合わせマークと前記第2の位置合わせマークとの間の前記第2の距離Lは、該弾性材料が前記送りロール上にあるときに測定されることを特徴とする請求項4に記載の方法。
  6. 前記弾性材料が前記第2の張力状態 にあるときの前記第1の位置合わせマークと前記第2の位置合わせマークとの間の前記第2の距離Lは、該弾性材料が前記送りロールに達する前に測定されることを特徴とする請求項4に記載の方法。
  7. 前記弾性材料の前記送り速度Lが、該弾性材料の切断長さのフィードバック値に応答して更に調整されることを特徴とする請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載の方法。
  8. 前記弾性材料が前記第1の張力 で繰出し装置から送り出されることを特徴とする請求項1から請求項までのいずれか1項に記載の方法。
  9. 前記第1及び第2の位置合わせマークは、前記弾性材料の製造工程中に該弾性材料に付与されることを特徴とする請求項1から請求項8までのいずれか1項に記載の方法。
  10. 前記弾性材料片から吸収性衣類用の側部片を形成することを特徴とする請求項2に記載の方法。
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