JPH0679958B2

JPH0679958B2 - 糸条の巻取装置

Info

Publication number: JPH0679958B2
Application number: JP63254634A
Authority: JP
Inventors: 通夫大野; 勝美長谷川; 浩充金森
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1988-10-07
Filing date: 1988-10-07
Publication date: 1994-10-12
Anticipated expiration: 2009-10-12
Also published as: JPH02100968A; DE68913121T2; KR900006581A; KR950012531B1; DE68913121D1; EP0363227B1; US4993651A; EP0363227A1

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、かつ長尺であ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、一回の
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、一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、一回の巻取で巻き
取れる糸条重量が増加するから、ラージパッケージ化に
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一杯であっ
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、すなわち
ボビンを保持する保持持置とボビンホルダとの間の摺動
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、耐久性に随分と劣る
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、パッケージ重量、上記結合部での締付け力など
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ｍ、スピンドルの剛性をｋ、
スピンドル長さをＬ、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
は下式（１）で決まる。

（機械工学便覧（日本機械学会編）、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Ｌ、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、スピンドルの質量ｍ（ｍ
＝ρAL）、EIに比例する剛性ｋの概略値およびスピンド
ルの支持条件で定まる定数αｉ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ωｉ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
ょうとすると、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Ｌの３乗で作用するため、危険速度ωｉ
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、巻取時に激しい振動が発生
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、安全の面からも到底実
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、前記スピンドルは、（Ａ）前記ボビンホルダが、強化繊維とマトリクス樹脂
又はマトリクス金属とからなる繊維強化複合材料で構成
された筒状体と、該筒状体の少なくとも内外周面の一方
に固定されて一体化された、材質が金属材料で構成され
る筒状体とからなると共に、（Ｂ）該ボビンホルダの内部には、ボスが固定され、（Ｃ）前記ボビンホルダの駆動軸は、その一方が前記ボ
スに固定され、前記ボビンホルダ内部で軸受により回転
自在に支持されていると共に、他方が前記スピンドルの
駆動手段と接続され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、あるいは
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であ
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、Ｋ∝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ωｉ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、摺動部など、
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”などの高弾性有機
繊維あ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マト
リクス金属を用いたものであってもよい。これら、強化
繊維とマトリクス樹脂又はマトリクス金属とからなる繊
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け角度θ
は、理論的には０度に近い方がボビンホルダの曲げ振動
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
け角度θ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、ひいては一般構造用圧延鋼
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
異質の金属を容射、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、振動特
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、摺動
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
何なるものでもよい。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他、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
捕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の挿入されている。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）の軸10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、
軸端においてナット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、16c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19が固定され、駆動軸12に固定された回転
子18とフレーム14に固定された固定子19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1200mm）とし、円筒
部材７とボス８の材質としてステンレス鋼（SUS304、JI
S G3459）を用い、両者を溶接により一体化した後、円
筒部材７上で炭素繊維“トレカＭ−50"（東レ株式会社
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布し、外周に円筒部材
６を挿入し、装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（S55C、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23、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
状態で摺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〜1d
は、円筒部材７の左端に設けられた突起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1a〜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
転数とその振幅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、2440rpm近傍に現われたが、17362
rpm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、長尺でありながら振動のな
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認された。

［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 G4051）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、12500rpm（巻取速度4320
m/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、以下に述べる優れた効果を
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、ボビンホルダの構造が、強化繊維とマトリクス樹
脂又はマトリクス金属とからなる繊維強化複合材料で構
成された筒状体と、この筒状体の少なくとも内外周面の
一方に固定されて一体化された、材質が金属材料で構成
される筒状体とからなるので、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振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。

従って、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り生産性も向上す
る。

（２）また、ボビンホルダは、上記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、軸受部などの機械的強度を要する部位は金属材料で
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、上記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、糸条の巻取時の振動が小
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おける回転数と振動
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。図面中の符号の説明 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 11……筒状体 12……ボビンホルダの駆動軸 18……回転子 19……固定子 20……駆動手段 22……ピストンＹ……糸条

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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、前記スピンドルは、（Ａ）前記ボビンホルダが、強化繊維とマトリクス樹脂
又はマトリクス金属とからなる繊維強化複合材料で構成
された筒状体と、該筒状体の少なくとも内外周面の一方
に固定されて一体化された、材質が金属材料で構成され
る筒状体とからなると共に、（Ｂ）該ボビンホルダの内部には、ボスが固定され、（Ｃ）前記ボビンホルダの駆動軸は、その一方が前記ボ
スに固定され、前記ボビンホルダ内部で軸受により回転
自在に支持されている共に、他方が前記スピンドルの駆
動手段と接続されていることを特徴とする糸条の巻取装
置。
【請求項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。