JPH02100968A - 糸条の巻取装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、糸条の巻取装置に関し、詳しくは巻き取りス
ピンドルが小径、かつ長尺でめりながら振動防止にも優
れた高速巻き取りが可能な糸条の巻取装置に関する。

［従来の技術］ 近年、糸条の巻取装置において、生産性の向上を図るた
め、糸条を５０００ｍ／分以上の高速で巻き取るスピン
ドルの高速化と生産性のより一層の効率化を図るため、
−回の巻取で複数の巻取パッケージが得られるボビンの
多山化、すなわちスピンドルの長尺化が試みられている
。

ところで、ボビンの多山化は、スピンドルへの装着ボビ
ン数が多いため、ボビンの消費量も膨大な数に上るが、
昨今ではボビンの管理費、回収費およびこれらに要する
人件費などに多額の費用を要することからボビンは殆ど
回収されることなく、−回の使用で使い捨てにされてい
るのが現状である。一般にボビンコストは材料費が支配
的であるから、ボビン径の小さいものが当然に安価にな
る。

また、ボビン径が小さくなると、−回の巻取で巻き取れ
る糸条重量が増加するから、ラージパック−一ジ化にも
寄与することになる。

従って、糸条の巻取装置においては、上記スピンドルの
高速化、長尺化の他にボビンの小径化、すなわちスピン
ドルの小径化も同時に要求されている。

従来、このようなスピンドルの高速化、長尺化、小径化
を同時に解決した巻取装置としては、実用的なものが見
出されていないのが現状である。すなわち、従来の巻取
装置の性能としては、ボビン内径が１２０ｍｍ、装着ボ
ビン全長が１２００ｍｍ、材質が金属製のスピンドルに
よる巻取装置で糸速が６０００ｍ／分の糸条を巻き取る
のが精−杯であった。

一方、繊維強化複合材料を回転体の材質として用いたも
のが遠心分離機の分野では散見されてはいるが、糸条の
巻取装置の分野においては、スピンドルを繊維強化複合
材料で構成すると、繊維強化複合材料製のスピンドルは
従来の金属製スピンドルに比べて表面硬度、耐衝撃性、
耐摩耗性などの機械的強度が格段に劣るため、すなわら
ボビンを保持する保持持回とボビンホルダとの間の１占
動部、ボビンホルダとボス、ボスとボビンホルダの駆動
軸との結合部分、ボビンホルダの駆動軸を支承する軸受
部などにおいて度重なる使用による摩耗、この摩耗によ
るガタ、振動な、どが発生して信頼性、耐久性に部分と
劣るため、未だ実用には供されていないのが現状であっ
た。

［発明が解決しようとする課題］ 従って、繊維強化複合材料からなる糸条の巻取装置のス
ピンドルは、その高速性能を発揮させるためには、上記
摺動部、結合部、軸受部などにおける加工精度、表面硬
度などが高精度であること、しかもこの精度は回転によ
る振動、パッケージ型組、上記結合部での締付は力など
の外乱、応力などによって経時変化せず、維持されるこ
とが必要である。

また、金属製の長尺の小径スピンドルで高速巻き取りが
可能な巻取装置を得ようとすると、スピンドルの長尺化
は必然的にスピンドルの剛性、支持構造の脆弱化を招く
ことより、スピンドルの強度不足に基因する振動の問題
が新たに発生し、高速巻取の障害となる。

一般に回転体、特に高速スピンドルは、巻き始めから巻
終りまでの回転数領域において、激しい曲げ振動を発生
させる危険速度のない領域で使用することが安定した巻
取をするための必須条件とされる。この場合、危険速度
ωｉは、スピンドル質量をｍ１スピンドルの剛性をｋ、
スピンドル長さをし、スピンドルの支持条件で定まる定
数をαｉとすると、ｉ＝ｎのときの第ｎ次危険速度ωｉ
（機械工学便覧（日本は械学会編）、Ａ３編第５２頁） ここで、ボビン径、ボビン全長を決めると、このボビン
を装着するスピンドル全長し、スピンドル外径が必然的
に定まるので、スピンドルの断面二次モーメントＩ、断
面積Ａが定まる。次いでスピンドル材質を決めると密度
ρ、ヤング率Ｅが定まるので、スピンドルの貿１ｍ（ｍ
−ρＡＬ＞、ＥＩに比例する剛性にの概略値およびスピ
ンドルの支持条件で定まる定数α・などが順次確定し、
これらの数値を上式（１）に代入すると危険速度ωが第
一義的に定まり、結局、スピンドルの製作仕様と巻取可
能な速度範囲とがほぼ確定することとなる。

従って、小径の長尺スピンドルで高速巻き取りを達成し
ようとすると、上式（１）から明らかなようにボビンの
小径化は剛性ｋを低下させ、更にスピンドルの長尺化は
スピンドル全長しの３乗で作用するため、危険速度ω・
を極端に低下させることとなる。

従って、金属製の小径、長尺スピンドルで糸条の高速巻
取を行なうと、従来発生しなかった危険速度が巻取速度
範囲まで低下してくるため、巻取時に激しい撮動が発生
し、安定して糸条の巻き取りが続行できないばかりでな
く機械的な破損をもたらすので、安全の面からも側底実
用に供することができなかった。

本発明は、上述した問題点を解消し、スピンドル構造お
よびその使用材質の最適化を図ることにより、スピンド
ルの長尺化、小径化を達成すると共に、併せて振動の問
題をも解決した信頼性、耐久性の高い高速巻き取りが可
能な糸条の巻取装置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記目的を達成するため、糸条を巻き取る筒
状のボビンと、該ボビンを着脱自在に保持するボビンホ
ルダと該ボビンホルダの駆動軸とを有するスピンドルと
、該スピンドルの駆動手段とを備えた糸条の巻取装置に
おいて、前記ボビンホルダは、材質が繊維強化複合材料
からなる筒状体と、該筒状体の少なくとも内外周面の一
方に、該筒状体と一体化された材質が金属材料からなる
筒状体とを備えていることを特徴とする糸条の巻取装置
を要旨とする。

ここで、糸条を巻き取る筒状のボビンとは、上記スピン
ドルに挿入され、かつ保持されて走行する糸条を直接巻
き取る筒状体であり、例えば公知の紙製、合成樹脂製な
どのボビンであり、その材質には特に限定されない。

この発明のスピンドル形状には、ボビンホルダの形状を
、上述した繊維強化複合−材料からなる筒状体と金属材
料からなる筒状体とで一体化した筒状のボビンホルダと
し、そしてこのボビンホルダ内部の中央部近傍で、おる
いはボビンホルダのいずれか一端面で、ボビンホルダと
、ボスと、ボビンホルダの駆動軸とを一体化したものの
他、筒状のポどンホルダの内部に、例えば金属材料、繊
維強化複合材料等で構成された軸を嵌合することによっ
て、スピンドル全体を中軸状のスピンドルとしたものも
本発明に含まれる。

また、本発明のボビンホルダが、繊維強化複合材料と金
属材料とで一体化されていることを要する理由は、この
ような構成とするとスピンドル材料として従来常用され
てきた炭素鋼やアルミニュームなどの材料に比べて、曲
げ振動に対する比ヤング率が高いからである。

すなわち、スピンドルの危険速度を決定する前式（１）
は、上述したようにｍ＝ρＡＬ、に〆ＥＩであるから、 と展開することができるが、本式（２）から明らかなよ
うに繊維強化複合材料の比ヤング率Ｅ／ρは金属に比べ
て３〜１０倍と大きいから、危険速度ωを同様に著しく
上げることができるからである。

また、内外周面のうちの少なくとも一面が金属材料で構
成される理由は、上述したように軸受部、固動部など、
機械的強度、耐摩耗性等が要求される部位の材質として
は繊維強化複合材料よりは金属の方が当然に好ましいか
らである。内外周面のいずれに金属材料を用いるかはス
ピンドルの支持構造により適宜決定すればよい。

繊維強化複合材料としては、ポリアクリルニトリル、セ
ルロースピッチなどを高温で焼成して得られる高弾性炭
素繊維や、芳香族ポリアミドなどを主成分とする例えば
、米国デュポン社製の“ケブラーパなどの高弾性炭素繊
維おるいはガラス繊維などの強化繊維に対し、マトリク
ス樹脂として例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステ
ル樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂などの熱硬化
性樹脂、ポリスルホン樹脂などの熱可塑性樹脂を用いた
ものがよい。

その他、上記強化繊維に対し、アルミニューム、マグネ
シューム、銅など、一般に金属強化繊維と称される金属
マトリクスを用いたものであってもよい。これら、繊維
強化複合材料のうち、本発明の糸条の巻取装置により適
している繊維強化材料は、強化繊維として高弾性繊維を
用い、マトリクス樹脂としてエポキシ樹脂を用いたもの
が好ましい。なお、引張強度、層間剪断強度などスピン
ドルの構成材料に必要な機械的強度を上げるためには、
強化繊維のマトリクス樹脂に対する混合体積比率Ｖｆは
、４０〜７５％が好ましく、５０〜７０％がより好まし
い。

また、強化繊維のスピンドル軸に対する巻き付は角度θ
は、理論的には０度に近い方がボビンホルダの曲げ撮動
に対するヤング率Ｅが高くなるので最も効果的であるが
、反面捩れに対する強度が低下するので、この巻き付は
角度０は、ボビンへの伝達トルク、必要とされる比ヤン
グ率などにより適宜設計するのがよい。一般には、３〜
４５度とするのが好ましく、３〜３０度とするのがより
好ましい。

次に、上記繊維強化複合材料の少なくとも内外周面の一
面に用いられる金属材料は、従来常用されている炭素鋼
、工具鋼、ステンレス鋼、ひいては−膜構造用圧延鋼材
など公知の金属材料で十分である。

また、上述した繊維強化複合材料と金属材料とを一体化
する方法としては、両者をそれぞれ筒状に加工したうえ
で両者を焼嵌め、圧入、冷し嵌め、接着剤による接着な
どで一体化する方法が挙げられる。なお、繊維強化複合
材料に金属マトリクスを用いたものであれば、予め筒状
体に形成された繊維強化複合材料の外周に同質あるいは
異質の金属を溶射、または蒸着し、その後に所定の寸法
に加工すれば加工精度の高いボビンホルダを得ることが
できる。

上述したボビンホルダに要求される機械的強度、撮動特
性等は、駆動軸にも要求さ、れるので、ボビンホルダを
上記構成とすると共に、ボビンホルダの駆動軸について
も同様の構成とするとより好ましい結果が得られる。更
に、ボビンホルダの駆動軸の外周面を金属化する場合、
その部位は駆動軸全体でなく、例えば、軸受部、ｌ習動
部、モータとの締結部などの局部に限ることもできる。

次に、ボビンホルダの駆動手段とは、上記駆動軸の回転
手段であり、例えばモータとしては直流モータ、誘導モ
ータ、同期モータなどの公知のものが用いられ、また、
その動力伝達手段もカップリング、ベルト、ギアなど如
何なるものでもにい。

本発明においては、ボビンホルダの駆動軸とモータとを
直結し、しかも駆動軸にモータの回転子を固定し、フレ
ーム側に回転子を固定する方がスピンドルをコンパクト
にできるのでより好ましい。

なお、この発明は、上述した糸条の巻取装置のイ也、タ
ッチローラ、ホットローラ、ゴデーローラ、合成樹脂フ
ィルムの搬送ローラなどにも同様に好ましく適用するこ
とができる。

［作用］ ボビンホルダに駆動手段によって駆動軸を経て回転トル
クが伝達されると、ボビンホルダは、材質が繊維強化複
合材料からなる筒状体と、この筒状体の少なくとも内外
周面の一方に材質が金属材料からなる筒状体とで一体に
構成されているので、ボビンホルダ全体としての比ヤン
グ率が著しく向上し、危険速度を従来の金属のみで構成
されたボビンホルダの場合よりも引き上げる作用を奏す
る。

また、その内外周面のうちの少なくとも一面が金属材料
で構成されているので、繊維強化複合材料単独で構成し
た場合に比べ、表面強度、摺動特性等の機械的強度が優
れ、上記繊維強化複合材料単独で構成した場合の欠点を
補完する作用を奏する。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて具体的に説明
する。

第１図は、本発明に係る４山取りの糸条の巻取装置の縦
断面図である。

図において、１ａ〜１ｄは、それぞれの外周に糸条Ｙを
巻き取るためのボビンで、本実施例では４個が直列にボ
ビンホルダ３に挿入されている。

ボビン下部の２は、ボビンをボビンホルダ３に着脱する
ための弾性リングで、各ボビン毎にスペーサ４ａ、４ｂ
を介してボビンホルダ３に挿入されている。ボビンホル
ダ３は、繊維強化複合材料製の円筒部材５と、その両側
に位置する金属製の円筒部材６．７とで三層構造に一体
的に構成されている。このボビンホルダ３内の中心部に
は、ボス８が溶接され、ボス８には更に貫通孔９を有す
る材質が円筒部材５と同質（詳細後述）のｌ１ＩＩｂ１
ｏとその外周を金属製の筒状体１１とで一体に構成され
たボビンホルダの駆動軸１２が挿入され、軸端において
ナツト１３でボス８に固定されている。

従って、これらボビンホルダ３、ボス８、駆動軸１２等
でスピンドルを構成している。また、駆動軸１２は、フ
レーム１４と一体の支持円筒部材１５に収納された軸受
１６ａ〜１６ｃで回転自在に支持され、軸受１６ｂと、
１６Ｇとの間にはモータの回転子１８が固着されている
。また、フレーム１４には、モータの固定子１つが固定
され、駆動軸１２に固定された回転子１８とフレーム１
４に固定された固定子１つとで、駆動軸１２の駆動手段
２０を形成している。

本実施例では、ボビン１ａ〜１ｄの内径、外径および長
さをそれぞれ９４ｍｍ、１１０ｍｍ、３００ｍｍ（全長
１２０Ｑｍｍ）とし、両者の材質をステンレス鋼（ＳＵ
Ｓ３０４、ＪＩＳ　　Ｇ３４５９）を用い、円筒部材７
とボス８とを溶接により一体化した後、円筒部材７上で
炭素繊維“′トレ力Ｍ−５０”（東し株式会社製）をエ
ポキシ樹脂に浸漬しつつ、ｖｆが６０％、巻付角度θが
０度となるように巻き付け、次いで乾燥炉で１３０℃に
加熱してエポキシ樹脂を硬化させることにより円筒部材
５を形成した。しかる後に円筒部材５の表面を研磨し、
表面にエポキシ系接着剤を塗イｔｒシ、外周に円筒部材
６を挿入、接着することにより三層構造のボビンホルダ
３を得た。また、駆動軸１２は、筒状体１１の材質を炭
素鋼（３５５Ｇ、ＪＩｓ　　Ｇ４０５１）とした他は上
−記ボビンホルダ３の円筒部材５と同様に製作した。

一方、２１は、ボビン１ａ〜１ｄをボビンホルダ３から
着脱する保持具であり、それぞれピストン２２、バネ２
３、バネ座２４、Ｏリング２５とで構成されている。ピ
ストン２２は、円筒部材７の内周面でＯリングによって
気密が保持された状態でｌ言動可能にされている。

よって、糸条Ｙの巻取状態においては、ボビン１ａ〜１
ｄは、円筒部材７の左端に設りられた突起２６を起点と
するバネ２３の反発力によってピストン２２が図の右方
向に移動し、次いで弾性リング２が拡開することによっ
てボビンホルダ３と一体に保持される。また、巻取終了
時においては、ボビン１８〜１ｄは、軸１０の貫通孔９
の右端から加圧流体を送り、ピストン２２をバネ２３の
反発力に逆らって図の左方向に移動させ、弾性リング２
の外径を元の状態に復元させることによってボビンホル
ダ３から外すことができる。

上記のように構成された巻取装置に対し、スピンドル回
転数とその娠幡との関係を調べるため、内径９４ｍｍ、
外径１１０ｍｍの紙管を挿入し、単糸繊度が２．１デニ
ール、フィラメント数が３６本のポリエステルマルチフ
ィラメントを毎分６０００ｍの速度で巻き取り、所定回
転数の１７３６２ｒｐｍまで昇速したときのスピンドル
回転数とボビン１ａの左端における振幅との関係を測定
したのが第２図である。

この第２図から明らかなように、第１次、第２次危険速
度がそれぞれ、１８００．２４４Ｏｒｐｍ近傍に現われ
たが、１７３６２ｒｐｍ近傍においても第３次危険速度
は何ら現われなかったので、スピンドルが小径、長尺で
ありなから１辰動のない状態で巻取速度６０００ｍ／分
もの高速巻き取りが満巻きまで７時間達成することがで
きた。

また、長時間に渡る巻き取りでも何ら変化がなかったこ
とから、本実施例装置は信頼性、耐久性の高い高速巻取
装置であることが確証された。

［比較例］ 一方、上記実施例装置に対し、ボビンホルダ３および駆
動軸１２の材質を、共に何ら繊維強化複合材料を用いな
い炭素鋼（Ｓ５５Ｃ，ＪＩＳ　　Ｇ４０５’ｌ）だけで
構成し、他の条件は全て上記実施例と同様にしてスピン
ドル回転数とその振幅との関係を調べたところ、第３図
の結果が得られた。

すなわち、第３次危険速度が、１２５０ｏｒｐｍ（巻取
速度４３２０ｍ／分）で現われ、本発明の目的とする高
速巻き取りをすることができなかった。

［発明の効果］ 本発明の糸条の巻取装置は、以下に）ホベる優れた効果
を奏することができる。

（１〉　　スピンドルは、外径形状が小径、かつ長尺化
されても、その材質が繊維強化複合材料からなる筒状体
と、この筒状体の少なくとも内外周面の一方に材質が金
属材料からなる筒状体とで一体に構成されているので、
従来の金属材料のみで構成されたスピンドルに比べて曲
げ撮動に対する比ヤング率が高くなり、巻取時の危険速
度をより高い領域に引き上げることができる。

よって、危険速度が引き上げられた分だけ小径ボビンで
巻取速度をより高速化することができる。

また、ボビン径の小径化は、ボビンコストを低減化させ
、従来の大径ボビンに比べて１ボビン当りの巻取重量が
増加するので、ラージパッケージ化も可能となるなど生
産性が向上する。

（２〉　　また、ボビンホルダは、繊維強化複合材料を
用いながらも、摺動部や、嵌合部、ネジ部などの結合部
、軸受部などは金属材料で構成されているので、従来の
繊維強化複合材だけで構成されたものに比べ、格段に耐
久性、信頼性の点で優れた巻取装置が得られる。

（３）　　更に、ボビンホルダは、繊維強化複合材料の
使用により、従来の金属製ボビンホルダに比べてスピン
ドル重量が軽減されるので、少ない駆動トルクでより高
速化が達成できる。

また、ボビンホルダ内部に用いられている繊維強化複合
材料は減衰効果が大きいため、糸条の巻取時の撮動が小
さくなる。よって、巻姿が向上し、騒音が低下し、軸受
寿命が延長するという効果も併せて奏することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る糸条の巻取装置の縦断面図、第
２図は、第１図の糸条の巻取装置にあける回転数と撮動
との関係を示すグラフである。 第３図は、従来の糸条の巻取装置における回転数と振動
との関係を示すグラフである。 １ａ〜１ｂ・・・・・・ボビン ２・・・・・・弾性リング ３・・・・・・ボビンホルダ ４ａ、４ｂ・・・・・・スペーサ ５〜７・・・・・・円筒部材 ８・・・・・・ボス １０・・・・・・軸 １・・・・−・筒状体 ２・・・・・・ボビンホルダの駆動軸 ８・・・・・・回転子 ９・・・・・・固定子 Ｏ・・・・・・駆動手段 ２・・・・・・ピストン Ｙ・・・・・・糸条

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）糸条を巻き取る筒状のボビンと、該ボビンを着脱
   自在に保持するボビンホルダと該ボビンホルダの駆動軸
   とを有するスピンドルと、該スピンドルの駆動手段とを
   備えた糸条の巻取装置において、前記ボビンホルダは、
   材質が繊維強化複合材料からなる筒状体と、該筒状体の
   少なくとも内外周面の一方に、該筒状体と一体化された
   材質が金属材料からなる筒状体とを備えていることを特
   徴とする糸条の巻取装置。
2. （２）ボビンホルダの駆動軸は、材質が繊維強化複合材
   料からなる筒状体と、該筒状体の外周に設けられた材質
   が金属材料からなる筒状体とで一体に構成されているこ
   とを特徴とする請求項（１）記載の糸条の巻取装置。