JP5773809B2 - ゴムローラの押出し成形機 - Google Patents

Description

本発明は、ゴムローラを製造するための押出し成形機、およびゴムローラの製造方法に関する。

電子写真装置に用いられる帯電ローラや現像ローラなどには、芯金を中心とする円柱状のゴム部材であるゴムローラが用いられる。一般的に、ゴムローラの製造過程において、押出し成形機が用いられる。

一般的な押出し成形機は、クロスヘッドに、溶融状態のゴム材料と、所定の長さの芯金と、が同時に送り込まれ、芯金の外周に所定の厚さのゴム材料が均等に被覆されたゴム形成体がクロスヘッドの出口から押し出される構成である。このような押出し成形機では、クロスヘッドの出口から、各芯金について１つのゴム形成体が連続的に得られる。

ゴム形成体におけるゴム材料の厚さは、芯金のクロスヘッドへの送り速度や、ゴム材料のクロスヘッドへの送り速度を変化させることにより調整可能である。ゴムローラは、たとえば、図６（ａ）に示すようなクラウン形状と呼ばれるゴム材料５２の中央部が膨らんだ形状に成形される。

押出し成形機でゴム形成体の両端部のゴム材料は、後の別工程にて除去され、ゴムローラが完成する。したがって、図６（ａ）に示すように、完成したゴムローラ５７では芯金５１の両端部が露出している。

近年、電子写真装置の高性能化に伴い、ゴムローラの形状精度の向上が求められている。ゴムローラの形状精度を向上させるための押出し成形機のフィードバック制御の技術が特許文献１および特許文献２に開示されている。

特許文献１および特許文献２に開示された押出し成形機のフィードバック制御では、クロスヘッドの出口の近傍におけるゴム形成体の外径を測定する測定器による測定結果に基づいて芯金の送り速度やゴム材料の送り速度を制御する。これにより、ゴムローラの形状誤差の低減を図っている。

特開２００９−０６６８０８号公報 特開２０１０−０５８２７８号公報

特許文献１および特許文献２に開示された押出し成形機のフィードバック制御では、ゴム材料の物性や温度等の環境のばらつきに起因するゴム形成体の形状の誤差を低減することができる。

しかし、一般にクロスヘッドに複数本の芯金を連続的に供給してゴムローラを製造する場合、図６（ａ）に示すように各芯金５１の端面同士が当接している部分５１ａに対応する部分に、ゴム材料が急峻に盛り上がるバリ５２ａが発生しやすい。このようなバリ５２ａが生じたゴム材料の部分は外径が大きくなっている。そのため、特許文献１や特許文献２に開示された押出し成形機においては、バリ５２ａの外径に応じてフィードバック制御がかり、芯金の送り速度の大きな変動や操作量の飽和を生じ、正常な押出し成形動作が阻害されたることがあった。また、このような場合に、正常な押出し成形動作への復帰に時間がかかったりすることがあった。

そこで、本発明は、芯金周囲のゴム材料にバリが生じたとしても、安定してゴムコーラの成形を行うことのできるゴムローラの押出し成形機、および安定してゴムローラを製造することのできるゴムローラの製造方法を提供することを目的とする。

本発明によれば、所定の長さの芯金の複数本を、該芯金の軸方向に連続してクロスヘッドに送り込むとともに、溶融状態のゴム材料を該クロスヘッドに送り込み、該各芯金の周りを該ゴム材料で覆った状態のゴム形成体を前記クロスヘッドの出口から押し出すゴムローラの押出し成形機であって、前記クロスヘッドの前記出口の近傍に設けられ、前記ゴム形成体の外径を測定する外径測定手段と、前記外径測定手段を通過している前記各芯金の位置を計算し、該各芯金の端部が前記外径測定手段を通過する端部通過期間を検出する芯金位置計算手段と、前記芯金と前記ゴム材料との少なくとも一方の前記クロスヘッドへの送り込み速度の制御を行う制御手段と、を有し、前記制御手段は、前記外径測定手段の測定結果を前記送り込み速度の制御にフィードバックするフィードバック制御を、第１のモードと、該第１のモードとは異なる第２のモードと、により行い、前記端部通過期間以外の期間に前記第１のモードによる制御を行い、前記端部通過期間に前記第２のモードによる制御に切り替えるゴムローラの押出し成形機が提供される。

また、本発明によれば、所定の長さの芯金の複数本を、該芯金の軸方向に連続してクロスヘッドに送り込むとともに、溶融状態のゴム材料を該クロスヘッドに送り込み、該各芯金の周りを該ゴム材料で覆った状態のゴム形成体を前記クロスヘッドの出口から押し出すゴムローラの押出し成形機を用いたゴムローラの製造方法であって、前記押出し成形機は、前記クロスヘッドの前記出口の近傍に設けられ、前記ゴム形成体の外径を測定する外径測定手段と、前記外径測定手段を通過している前記各芯金の位置を計算し、該各芯金の端部が前記外径測定手段を通過する端部通過期間を検出する芯金位置計算手段と、前記芯金と前記ゴム材料との少なくとも一方の前記クロスヘッドへの送り込み速度の制御を行う制御手段と、を有し、前記制御手段は、前記外径測定手段の測定結果を前記送り込み速度の制御にフィードバックするフィードバック制御を、第１のモードと、該第１のモードとは異なる第２のモードと、により行い、前記端部通過期間以外の期間に前記第１のモードによる制御を行い、前記端部通過期間に前記第２のモードによる制御に切り替えるものであり、所定の長さの芯金の複数本を、該芯金の軸方向に連続して該クロスヘッドに送り込むとともに、溶融状態のゴム材料を該クロスヘッドに送り込み、該各芯金の周りを該ゴム材料で覆った状態のゴム形成体を前記クロスヘッドの出口から押し出す工程を有し、前記工程において、前記芯金の端部が、前記押出し成形機の外径測定手段を通過する期間以外の期間に前記第１のモードによる制御を行い、前記端部通過期間においては前記第２のモードによる制御を行うゴムローラの製造方法が提供される。

本発明によれば、芯金周囲のゴム材料にバリが生じたとしても、安定してゴムコーラの成形を行うことのできるゴムローラの押出し成形機、および安定してゴムローラを製造することのできるゴムローラの製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るゴムローラの押出し成形機の概略構成図である。 図１に示した押出し成形機の制御系のブロック図である。 図２に示した制御系の制御機能のシミュレーション結果を示した図である。 本発明の第２の実施形態に係る制御系の制御機能のシミュレーション結果を示した図である。 本発明の第３の実施形態に係る制御系の制御機能のシミュレーション結果を示した図である。 一般的なゴムローラの概略構成図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るゴムローラの押出し成形機１００の概略構成図である。押出し成形機１００は、芯金１の全周にわたってゴム材料を均等に被覆して、中心に芯金１が入ったゴム形成体７を製造するための装置である。

押出し成形機１００には、芯金１と溶融状態のゴム材料が送り込まれるクロスヘッド３と、該クロスヘッド３に芯金１を送り込むローラ６と、該クロスヘッド３にゴム材料２を送り込むシリンダ４と、が設けられている。

ローラ６は、複数本の芯金１を軸方向に連続的にクロスヘッド３に送り込む。シリンダ４は内部にスクリュ５を備え、スクリュ５の回転により溶融状態のゴム材料をクロスヘッド３内に送り込む。

芯金１は、クロスヘッド３内に送り込まれると、シリンダ４からクロスヘッド内に送り込まれた溶融状態のゴム材料２に全周を覆われる。そして、芯金１は、クロスヘッド３の出口３ａから、表面にゴム材料２が付着した状態のゴム形成体７として送り出される。

押出し成形機１００では、各芯金１の長手方向の中央部においてゴム材料２の外径が大きい、いわゆるクラウン形状のゴム形成体７を形成する。そのために、芯金１のローラ６による送り速度や、ゴム材料２のシリンダ４からの送り速度を変化させる。

芯金１に付着するゴム材料２の厚さは、ローラ６によるクロスヘッド３への芯金１の送り速度を速くすると薄くなり、ローラ６によるクロスヘッド３への芯金１の送り速度を遅くすると厚くなる。

また、芯金１に付着するゴム材料２の厚さは、シリンダ４からクロスヘッド３へのゴム材料２の送り速度を速くすると厚くなり、シリンダ４からクロスヘッド３へのゴム材料２の送り速度を遅くすると薄くなる。

このように、芯金１に付着するゴム材料２の厚さは、クロスヘッド３への芯金１の送り速度と、クロスヘッド３へのゴム材料２の送り速度と、によって制御することができる。

しかし、芯金の周囲のゴム材料２の厚さの変化の応答の速さは、クロスヘッド３へのゴム材料２の送り速度より、クロスヘッド３への芯金１の送り速度の方が早い。そのため、芯金１に付着するゴム材料２の厚さは、ローラ６によるクロスヘッド３への芯金１の送り速度を制御することにより調整することがより有効である。

ローラ６によるクロスヘッド３への芯金１の送り速度は、ローラ６に接続されたモータ８の回転速度によって調整する。モータ８はエンコーダ９を備え、該エンコーダ９によってモータ８の回転速度や回転数を検出可能である。

ゴム材料２のシリンダ４からの送り速度は、スクリュ５の回転速度によって制御可能である。スクリュ５は誘導モータ（不図示）を備え、誘導モータによってスクリュ５の回転速度を検出可能である。

クロスヘッド３の出口３ａから送り出されたゴム形成体７は、引取機１５によって、１つの芯金１あたり１つずつ受け取られ、順次パレット（不図示）に載置される。

次に、押出し成形機１００におけるフィードバック（ＦＢ）制御について説明する。ＦＢ制御系は、外径測定器１０、制御演算器１１、ドライバ１２、芯金位置計算器１３、制御切替器１４等により構成されている。

外径測定器１０は、クロスヘッド３の出口３ａの近傍に配置され、該出口３ａから送り出されたゴム形成体７の外径を測定し、その測定結果を制御演算器１１に伝達する。また、芯金位置計算器１３は、エンコーダ９で検出したモータの回転数または回転数に基づいて、各芯金１の送り速度を計算する。

制御演算器１１は、ゴム形成体７の目標外径と、外径測定器１０によるゴム形成体７の実測外径と、の差分である外径誤差が小さくなるようにドライバ１２を介してモータ８の回転速度または回転数を制御する。これにより、芯金１は、ゴム形成体７の実測外径が目標外径に近づくようにローラ６によってクロスヘッド３内に送り込まれるようになる。

ゴム形成体７を受け取る引取機１５には、通過センサ１６が接続されている。通過センサ１６は、芯金１の端部（ゴム形成体７の端部）が外径測定器１０を通過するときにタイミング信号を発生する。通過センサ１６は制御切替器１４に接続されており、通過センサ１６が発生したタイミング信号は制御切替器１４に伝達される。

押出し成形機１００では、通過センサ１６により、芯金１の端部が外径測定器１０を通過中か否かを判別することができる。

各芯金の端面同士が当接部に対応する部分においては、図６ｂに示すようにバリ５２ａが生じ、芯金周囲のゴム材料の層の外径が他の部分とは大きく異なっている。そのため、押出し成形機の単一のフィードバック制御では、各芯金の端部同士の当接部に対応する部分おける外径の変化に対応して芯金の送り速度の大きな変化や操作量の飽和を生じ、正常な押出し成形動作の阻害されることがある。あるいは、このような場合に、正常な押出し成形動作への復帰時間がかかってしまうことがある。

これに対し、押出し成形機１００では、複数の補償モードによって芯金１の送り速度を制御することができ、制御切替器１４によって補償モードを第１のモードと第２のモードとに切り替えることが可能である。これにより、各芯金１の端面同士の当接部分に対応する部分のバリ５２ａの発生部分における外径の大きな変化に対して、他の部分とは異なるフィードバック制御を行うことで、上記した課題の解決を図ることができる。

制御切替器１４は、通過センサ１６により芯金１の端部以外の部分が外径測定器１０を通過している端部通過期間と判断すると補償モードを第２のモードとする。一方、制御切替器１４は、通過センサ１６により芯金１の端部が外径測定器１０を通過している端部通過期間以外の期間での補償モードを第１のモードとする。

各芯金の長さは、Ａ４サイズの用紙に対応するもので２４０ｍｍ以上２６０ｍｍ以下であり、Ａ３サイズの用紙に対応するもので３３０ｍｍ以上３８０ｍｍ以下である。芯金の外径は４ｍｍ以上８ｍｍ以下である。本実施形態では、芯金１の両端部は、芯金１の長さに関わらず芯金１の両端から１０ｍｍまでの間の部分とした。

芯金１の両端部は、芯金１の両端から１０ｍｍまでの間の部分に限らず、芯金１の両端から所定の距離までの部分として規定することができる。本実施形態においては、当該所定の距離としては１ｍｍ以上２００ｍｍ以下の間が適当である。当該所定の距離は、芯金の外径に応じて決定され、芯金の外径の１０％以上５００％以下であることが適当である。

図２は、押出し成形機１００の制御系のブロック図である。記号Ｃは制御演算器１１の伝達関数を示し、記号Ａはドライバ１２およびモータ８の伝達関数を示し、記号Ｅはエンコーダ９および芯金位置計算器１３の伝達関数を示し、記号Ｂは制御切替器１４の伝達関数を示している。記号Ｐは当該制御系の成形動特性の伝達関数を示している。

伝達関数Ｃでは、目標外径ｒと実測外径との誤差である外径誤差ｅが入力されると、操作量ｕが出力される。ＰＩＤ制御における伝達関数Ｃは以下のように示される。

ここで、係数Ｋ_pは比例ゲイン、係数Ｋ_iは積分ゲイン、係数Ｔ_dは微分時定数を示している。また、ｓはラプラス演算子である。

記号ｏは、芯金１を一定の速度で送るためのオフセット信号である。伝達関数Ａでは、操作量ｕまたは信号ｏが入力されると、芯金の送り速度ｗが出力される。伝達関数Ｐでは、芯金１の送り速度ｗが入力されると、外径ｘが出力される。

実際には、ゴム材料２の送り速度の変化による外径変化量ｄの要因も加わり、外径測定器１０が測定する実測外径ｙとなる。実測外径ｙは、フィードバックされて、新たに外径誤差ｅが伝達関数Ｃに入力される。

押出し成形機１００の制御系では、補償モードが第１のモードのときに以上の動作を繰り返す。一方、補償モードが第２のモードのときには、上記の伝達関数Ｃにおける各係数、比例ゲインＫｐ、積分ゲインＫｉ、微分時定数Ｔｄを全てゼロにする。これにより、押出し成形機１００では、ゴム形成体７の目標外径ｒに対する外径誤差ｅを低減することができる。

図３は、本実施形態に係る制御機能のシミュレーション結果を示している。

図３（ａ）は、目標外径ｒと実測外径ｙの時間変化の波形を重ねて示している。実測外径ｙには、芯金１の両端部は、約５秒ごとに外径測定器１０を通過するため、約５秒ごとにゴム材料２のバリが発生している。

図３（ｂ）は、目標外径ｒと実測外径ｙとの差分である外径誤差ｅの時間変化の波形を示している。本図から、ゴム材料７のバリが外径測定器１０を通過するタイミングで比較的大きな外径誤差ｅが発生していることがわかる。

図３（ｃ）は、ＦＢ操作量ｕの時間変化の波形を示している。０から１０秒までの期間は一般的なＰＩＤ制御における波形を示し、１０秒以降の期間は本実施形態に係る制御を適用した際の波形を示している。１０秒以降の期間では、芯金１の位置計算器Ｅの結果から芯金１の端部が外径測定器１０を通過する端部通過期間を制御切替器１４が特定し、制御切替器１４の指令によって、上記の伝達関数における比例ゲインＫｐ、積分ゲインＫｉ、微分時定数Ｔｄをゼロにする。

図３（ｂ）に示すように、１０秒以降の期間では、０から１０秒までの期間に比べて、破線で示した部分において外径誤差ｅが小さくなっていることがわかる。また、図３（ｃ）に示すように、１０秒以降の期間では、０から１０秒までの期間に比べて、ＦＢ操作量ｕの変化が抑制されていることがわかる。これにより、本実施形態では、芯金１の送り速度の大きな変化やＦＢ操作量ｕの飽和を防止することができる。
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る制御機能のシミュレーション結果を示している。本実施形態に係る押出し成形機は、以下に示す制御方法以外の構成は、第１の実施形態に係る押出し成形機１００と共通している。

本実施形態では、芯金１の端部が外径測定器１０を通過する端部通過期間において、比例ゲインＫｐ、積分ゲインＫｉおよび微分時定数Ｔｄをゼロにするとともに、積分器の出力をゼロにリセットする。

図４は、図３に対応する図である。図４では、図３と同様に０秒から１０秒までの期間は一般的なＰＩＤ制御における波形を示し、１０秒以降の期間は本実施形態に係る制御を適用した際の波形を示している。

図４（ｂ）に示すように、１０秒以降の期間では、０から１０秒までの期間に比べて、破線で示した部分において外径誤差ｅが小さくなっていることがわかる。また、図４（ｃ）に示すように、１０秒以降の期間では、０から１０秒までの期間に比べて、ＦＢ操作量ｕの変化が抑制されていることがわかる。これにより、本実施形態では、芯金１の送り速度の大きな変化やＦＢ操作量ｕの飽和を防止することができる。
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係る制御機能のシミュレーション結果を示している。本実施形態に係る押出し成形機は、以下に示す制御方法以外の構成は、第１の実施形態に係る押出し成形機１００と共通している。

本実施形態では、芯金１の端部が外径測定器１０を通過する端部通過期間において伝達関数Ｃの出力を一定値に保持する。

図５は、図３に対応する図である。図５では、図３と同様に０秒から１０秒までの期間は一般的なＰＩＤ制御における波形を示し、１０秒以降の期間は本実施形態に係る制御を適用した際の波形を示している。

図５（ｂ）に示すように、１０秒以降の期間では、０から１０秒までの期間に比べて、破線で示した部分において外径誤差ｅが小さくなっていることがわかる。また、図５（ｃ）に示すように、１０秒以降の期間では、０から１０秒までの期間に比べて、ＦＢ操作量ｕの変化が抑制されていることがわかる。これにより、本実施形態では、芯金１の送り速度の大きな変化やＦＢ操作量ｕの飽和を防止することができる。

１ 芯金
２ ゴム材料
３ クロスヘッド
４ シリンダ
５ スクリュ
６ ローラ
７ ゴム形成体
８ モータ
９ エンコーダ
１００ 押出し成形機

Claims (6)

1. 所定の長さの芯金の複数本を、該芯金の軸方向に連続してクロスヘッドに送り込むとともに、溶融状態のゴム材料を該クロスヘッドに送り込み、該各芯金の周りを該ゴム材料で覆った状態のゴム形成体を前記クロスヘッドの出口から押し出すゴムローラの押出し成形機であって、
   前記クロスヘッドの前記出口の近傍に設けられ、前記ゴム形成体の外径を測定する外径測定手段と、
   前記外径測定手段を通過している前記各芯金の位置を計算し、該各芯金の端部が前記外径測定手段を通過する端部通過期間を検出する芯金位置計算手段と、
   前記芯金と前記ゴム材料との少なくとも一方の前記クロスヘッドへの送り込み速度の制御を行う制御手段と、を有し、
   前記制御手段は、前記外径測定手段の測定結果を前記送り込み速度の制御にフィードバックするフィードバック制御を、第１のモードと、該第１のモードとは異なる第２のモードと、により行い、前記端部通過期間以外の期間に前記第１のモードによる制御を行い、前記端部通過期間に前記第２のモードによる制御に切り替えるゴムローラの押出し成形機。
2. 前記制御手段はＰＩＤ制御を行い、前記第２のモードでは、ＰＩＤ制御の伝達関数の係数をすべてゼロにする、請求項１に記載のゴムローラの押出し成形機。
3. 前記制御手段はＰＩＤ制御を行い、前記第２のモードでは、ＰＩＤ制御の伝達関数の積分器の出力をゼロにする、請求項１または２に記載のゴムローラの押出し成形機。
4. 前記制御手段はＰＩＤ制御を行い、前記第２のモードでは、ＰＩＤ制御の伝達関数の出力を一定値に保持する、請求項１から３のいずれか１項に記載のゴムローラの押出し成形機。
5. 前記各芯金の前記端部は、該各芯金の両端から、１ｍｍ以上２００ｍｍ以下の部分である、請求項１から４のいずれか１項に記載のゴムローラの押出し成形機。
6. 所定の長さの芯金の複数本を、該芯金の軸方向に連続してクロスヘッドに送り込むとともに、溶融状態のゴム材料を該クロスヘッドに送り込み、該各芯金の周りを該ゴム材料で覆った状態のゴム形成体を前記クロスヘッドの出口から押し出すゴムローラの押出し成形機を用いたゴムローラの製造方法であって、
   前記押出し成形機は、
   前記クロスヘッドの前記出口の近傍に設けられ、前記ゴム形成体の外径を測定する外径測定手段と、
   前記外径測定手段を通過している前記各芯金の位置を計算し、該各芯金の端部が前記外径測定手段を通過する端部通過期間を検出する芯金位置計算手段と、
   前記芯金と前記ゴム材料との少なくとも一方の前記クロスヘッドへの送り込み速度の制御を行う制御手段と、を有し、
   前記制御手段は、前記外径測定手段の測定結果を前記送り込み速度の制御にフィードバックするフィードバック制御を、第１のモードと、該第１のモードとは異なる第２のモードと、により行い、前記端部通過期間以外の期間に前記第１のモードによる制御を行い、前記端部通過期間に前記第２のモードによる制御に切り替えるものであり、
   所定の長さの芯金の複数本を、該芯金の軸方向に連続して該クロスヘッドに送り込むとともに、溶融状態のゴム材料を該クロスヘッドに送り込み、該各芯金の周りを該ゴム材料で覆った状態のゴム形成体を前記クロスヘッドの出口から押し出す工程を有し、
   前記工程において、
   前記芯金の端部が、前記押出し成形機の外径測定手段を通過する期間以外の期間に前記第１のモードによる制御を行い、前記端部通過期間においては前記第２のモードによる制御を行うことを特徴とするゴムローラの製造方法。

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