(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
細径ワイヤを高張力で巻き付けるのに適するスプールであって、
前記細径ワイヤを受けるためのコア材料から作製された管状コアであって、
前記コア材料は、Ｎ／ｍｍ２で表される弾性率「Ｅｃｏｒｅ」を有しており、
前記コアは、ｍｍで表される内径「ＩＤ」および外径「ＯＤ」を有している、
管状コアを
備えている、スプールにおいて、
前記外径ＯＤ、前記内径ＩＤ、および前記弾性率Ｅｃｏｒｅは、
【数１】
0005941140.tif 000016
を満たしている、ことを特徴とするスプール。
【請求項２】
前記コア材料は、Ｎ／ｍｍ２で表される０．０５％オフセット降伏応力Ｙｃｏｒｅをさらに有しており、
【数２】
0005941140.tif 000017
である、ことを特徴とする請求項１に記載のスプール。
【請求項３】
前記コア外径ＯＤは、２５０ｍｍよりも大きくなっている、ことを特徴とする請求項１または２のいずれか１つに記載のスプール。
【請求項４】
前記コアは、１９００００Ｎ／ｍｍ２よりも大きい弾性率Ｅｃｏｒｅおよび３５０Ｎ／ｍｍ２よりも大きい０．０５％オフセット降伏応力Ｙｃｏｒｅを有する鋼から作製されている、ことを特徴とする請求項１−３のいずれか１つに記載のスプール。
【請求項５】
前記コアは、６５０００Ｎ／ｍｍ２よりも大きい弾性率Ｅｃｏｒｅおよび２００Ｎ／ｍｍ２よりも大きい０．０５％オフセット降伏応力Ｙｃｏｒｅを有するアルミニウム合金から作製されている、ことを特徴とする請求項１−３のいずれか１つに記載のスプール。
【請求項６】
前記スプールは、前記コアを支持するための少なくとも２つの支持体をさらに備えており、前記支持体は、前記コアに内側から接触するようになっており、前記支持体は、前記スプールを回転可能に取り付けるための中心孔と、前記中心孔と前記コアとの間に位置する半径方向弾性要素とを備えている、ことを特徴とする請求項１−５のいずれか１つに記載のスプール。
【請求項７】
前記スプールの設計負荷時において、前記支持体におけるコア外径と前記支持体の中間におけるコア外径との間の直径差が、前記支持体の中間における前記コア外径の０．５％未満であることを特徴とする請求項６に記載のスプール。
【請求項８】
前記コアは、厚みを有しており、前記コアの前記厚みは、前記支持体の中間におけるよりも前記支持体において薄くなっており、それによって、前記支持体に存在するコア材料は、前記支持体間に存在するコア材料よりも少なくなっている、ことを特徴とする請求項６または７のいずれか１つに記載のスプール。
【請求項９】
ソーイングワイヤスプールであって、前記スプールのコア上に巻き付けられたワイヤのコイルを備えている、スプールを設計する方法であって、
−Ｎ／ｍｍ２で表される弾性率「Ｅｃｏｒｅ」を有する前記コア用コア材料を選択するステップと、
−ｍｍで表される内径「ＩＤ」および外径「ＯＤ」を有するコアを選択するステップと、
を含む方法において、
前記選択は、
【数３】
0005941140.tif 000018
を満たすように行われる、ことを特徴とする方法。
【請求項１０】
Ｎ／ｍｍ２で表される０．０５％オフセット降伏応力Ｙｃｏｒｅを有するコア材料を選択するステップをさらに含んでおり、
【数４】
0005941140.tif 000019
である、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記外径「ＯＤ」は、２５０ｍｍよりも大きくなっている、ことを特徴とする請求項９または１０のいずれか１つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スプール、さらに詳細には、細径金属ワイヤを高張力で巻き付けるためのスプールに関する。本発明のスプールは、細径ソーイングワイヤ、さらに具体的には、砥粒被膜を有するソーイングワイヤを巻き付けるのに特に適している。このスプールは、ワイヤ損傷を最小限に抑えるように、再使用に適するように、およびワイヤソー機械の一部をなすように、設計されている。本発明は、このようなスプールを設計する方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
長尺のワイヤの移送は、もっぱらコイル巻きされた形態で行われている。細径ワイヤの場合、「ワイヤパック」と呼ばれるこのコイルは、キャリアに巻き取られている。キャリアは、ボビンであってもよいし、またはスプールであってもよい。以下、「スプール」という用語は、ボビンまたはリールのような同意語と置き換えて用いられることもあることを理解されたい。「スプール」は、巻取り中または巻戻し中に軸またはスピンドルを受けるための軸方向穴を備える円筒形状を有している。任意選択的に、スプールがより多くのワイヤを保持することを可能にするために、リムまたはリッジが円筒の一端または両端に設けられていてもよい。このようなリムまたはリッジは、以下、「フランジ」と呼ばれることになる。代替的または付加的に、このフランジの機能は、スプールが転がされるときに、スプール上のワイヤを損傷しないように保護することである。
【０００３】
スプールの主たる機能は、ワイヤの移送を容易にし、ワイヤのさらなる処理においてワイヤの使用を円滑にすることである。金属ワイヤ、特に、鋼ワイヤは、大きく延びることがなく、著しく重く、かつ高張力を有しているので、鋼ワイヤ工業のような金属ワイヤ分野に用いられるスプールは、織物用糸、光ファイバー、または任意の他の工業において知られているスプールと全く異なって設計されている。
【０００４】
ますます多くのスプールが、単なる移送機能を超える他の目的に、すなわち、機械の不可欠な一部として用いられている。これまで、スプールは、典型的には、特定の接触面によって機械にぴったりと嵌合するように設計されていたが、現在のスプールは、機械によって行われる実際のプロセスにおいてある役割を果たすようになってきている。注目に値する例は、ワイヤソーである。ワイヤソーの場合、長尺の（典型的には、１５０μｍよりも細い）極細径ワイヤがスプールから巻き戻され、切断ヘッド内に送られ、該切断ヘッドにおいて、例えば、シリコンインゴットが太陽光産業または半導体産業において用いられるウエハに切断されることになる。ワイヤは、約２５ニュートンの張力で切断ヘッドのワイヤウエブに送られるようになっている。旧式の機械では、切断ヘッド内のワイヤ張力をスプールから切り離す手段が講じられており、これによって、２５ニュートンの高張力がスプール上のワイヤパックに伝達しないようになっている。このような手段は、複雑さ、従って、機械のコストを高め、それ故、これらの手段をなくすための努力が常に払われている（特許文献１参照）。
【０００５】
遊離砥粒式切断プロセス、すなわち、砥粒が液体内に保持され、該液体が切断ヘッド内で移動するワイヤに注がれるプロセスを用いる場合、切断は一方向または双方向に行うことができる。一方向モードでは、ワイヤは、スプールから巻戻され、切断ヘッド内に送られ、重い機械スプールに収集され、破棄されることになる。このような重い機械スプールの例として、特許文献２を参照されたい。このスプールの例は、使用済みワイヤをスプールから切り離す手段を有している。他の例が、特許文献３に記載されている。この文献では、スプールのコアは、２つの嵌合円錐部から作製されており、その外側のワイヤを受ける部分は、半径方向圧縮性セグメントを備えている。これらの部分は、そこに収集された使用済みワイヤを放出するために、軸方向において互いに分離可能になっている。一方向モードにおいて、ペイオフスプールは、特許文献４または５に記載されているようなシート状金属スプールであってもよい。
【０００６】
代替的に、上記のプロセスは、双方向に駆動されるようになっていてもよい。この場合、未使用ワイヤは、前方向において前方長さＦＬにわたってスプールから引き出され、次いで、ソーイング方向が、後方長さＢＬにわたって反転されることになる。ＦＬは、ＢＬよりも長い。従って、「双方向ソーイング」は、「前後ソーイング」、「往復ソーイング」、または「ピルグリム（pilgrim）モードソーイング」と呼ばれることがある。後方向ソーイング中に、砥粒で汚れた使用済みワイヤは、距離ＢＬにわたって清浄ワイヤ上に巻き戻されることになる。この巻戻中に、張力は、約２５Ｎ以上の切断ヘッドにおける張力となるが、その一方、ワイヤを製造中のスプールの巻付け張力は、典型的には、３から５ニュートンにすぎない。これによって、いくつかの問題が生じる。例えば、使用済みワイヤが未使用ワイヤパックの巻線部分内に侵入し、使用済みワイヤが未使用ワイヤから抜け出す瞬間にワイヤ破断が生じることがある（内部切断）。
【０００７】
また、スプールは、高張力および多数の巻線部分の相乗効果によって、著しく変形することになる。従って、シート状金属スプールは、一度しか用いることができず、一回用いた後に廃棄されねばならない。特許文献２に記載されているスプールまたは特許文献６に図示されているスプールのように、頑丈な機械加工スプールまたは組立スプールの形態にある代替例も試みられてきた。これらのスプールは、再使用可能であるが、その上のワイヤコイルよりも重く、購入費および移送費が極めて高いものになる。この点に関して、特許文献７に記載のスプールは、軽量であり、かつ少なくとも１０サイクル再使用することができる点において、進歩している。
【０００８】
扱いにくく、汚れがつき、環境を損なう遊離砥粒ソーイングに代わって、固定砥粒ソーイングを用いるという最新の試みは、用いられるスプールにさらに特別の要件をもたらすことになる。「固定砥粒ソーイング」では、砥粒は、キャリアワイヤに強く付着されており、ソーイングプロセスでは、冷媒しか用いられないようになっている。通常、（典型的に、１０から５０μｍの大きさ）の微細ダイモンド粒子が、砥粒として用いられている。このようなワイヤは、その切断作用を極めて長く維持することになる。何故なら、ワイヤがソーイングされる細片と同じように摩耗する遊離砥粒ソーイングプロセスに反して、このワイヤは、砥粒がワイヤに固着しているので、砥粒によって摩耗しないからである。砥粒の付着は、電解手段によって、樹脂によって、ろう付けまたは半田付けによって、または機械的押込みによって、行うことができる。固定砥粒ソーイングワイヤは、このワイヤに特有のピルグリムモード、具体的には、後方長さＢＬが前方長さＦＬ長さよりもわずかに短いモードで用いられるようになっている。従って、同じワイヤ長さが多数回（遊離砥粒ソーイングの場合よりも軽く１００倍の回数）用いられることになる。
【０００９】
これは、各サイクルにおいてごくわずかなワイヤしかウエブ内に入らず、使用済みワイヤは、ワイヤウエブに入る前に多数回それ自体の上に巻き戻されることを意味している。例えば、ワイヤの未使用長さ（ＦＬ−ＢＬ）がウエブに完全に入ってペイオフスプールに戻らない前に、ワイヤは、ペイオフスプールにＢＬ／（ＦＬ−ＢＬ）回だけ再巻付けされることになる。これは、ＦＬ／ＢＬ比にもよるが、ペイオフスプールに巻き戻される回数が、軽く１００回、さらには、２００回に達することを意味している。さらに、ソーイングに用いられる張力は、減少せず、ウエハ切断の場合、約２５ニュートンで維持され、トリミングまたはインゴット形取りの場合、７０ニュートンを超えることになる。殆どのソーイング機において、この張力は、減少することなく、スプールへの巻線部分に伝達されるようになっている。
【００１０】
本出願では、ワイヤが消耗するスプールは、（仮にワイヤを巻き上げる、すなわち、ワイヤを受け入れるスプールとして一時的に作用することがあっても）、「ペイオフスプール」と呼ばれ、その一方、使用済みワイヤを受け入れるスプールは、（仮にワイヤを送達するスプールとして一時的に用いられることがあっても）、「巻取スプール」と呼ばれることに留意されたい。
【００１１】
さらに悪いことに、砥粒は、ワイヤ表面から突出しており（そうでなければ、切断されておらず）、多数回の後方巻付け中、スプール上のワイヤおよびスプールに達するワイヤは、相互に損傷することになる。これは、「自己損傷問題」と呼ばれる。この問題は、ペイオフ側において最も深刻である。何故なら、ワイヤは、後で使用されることになる未使用ワイヤ上に巻き戻されるからである。その結果、すでに損傷した状態にあるワイヤがウエブに入ることになる。巻取側では、この問題は、それほど深刻ではない。何故なら、ワイヤは、摩耗しており、砥粒は、鈍化しており、巻取スプールに入るワイヤは、すでに摩耗したワイヤ上に載るからである。従って、巻取スプールに巻き取られるワイヤは、巻取スプール上にあるワイヤを大きく損傷させることがない。
【００１２】
ソーイングプロセスに用いられた高ワイヤ張力は、前後巻付け中に、スプールのワイヤパック上に直接加えられることになる。これによって、下側の緩く巻かれたワイヤパック内の再巻き付けされたワイヤの内部切断が生じ、またワイヤ間においてわずかな接線方向のワイヤ擦れが生じる。これが、自己損傷をもたらす機構である。その結果、引っかき傷、圧痕、および砥粒の脱落が生じることになる。
【００１３】
この問題は、高張力で巻かれたワイヤが下側の緩く巻かれたワイヤの層内で切断しないようにするために、ワイヤパックを当初から高張力、好ましくは、ソーイング中に用いられるのと同じ張力で巻き付けることによって、解消することができる。しかし、ワイヤループの高張力での巻付けは、下側のワイヤおよびスプールコア上のワイヤに圧力を累積的に加えることになる。従って、スプールは、通常、この非常に大きい圧力に耐えるために重くかつ強靭に作製されている。その結果、スプールのコアの近くのワイヤは、その上の層の圧力によって横断方向に極めて強く圧縮されることになる。高張力ワイヤ、すなわち、３５００Ｎ／ｍｍ２を超える引張強度を有するワイヤは、特に、この横断方向の圧力に対して破損しやすく、（ワイヤが高張力で巻き付けられるこの場合におけるような）張力で保持される場合、確実に破損することになる。従って、このような破損がスプール内においてすでに生じていることも驚くことではない。これは、「層間圧力問題」である。
【００１４】
この問題を解消する試みが、（特許文献８に記載されているように）、点接触を阻止し、接触圧を分散させるために、ワイヤを六角形状または三角形状の関係を保ってスプール上に層状に注意深く巻き付けることによって、なされている。しかし、固定砥粒ソーイングワイヤの繊度−典型的には、約１５０μｍを考慮すると、これは、容易ではない。
【００１５】
他の問題は、スプールの全体にわたって一定の巻付け品質を補償するために、スプールのコアは、コアの幅の全体にわたって等しく変形されねばならないことである。コアを支持するためにフランジが用いられているので、コアは、フランジの近くにおいて半径方向においてより剛性になる傾向がある。その結果、フランジの位置ではなく、フランジの中間において、コアの直径が絞られる傾向にある。すなわち、コアの中間部分は、コアの両側におけるよりも外径が小さくなり、これによって使用中に巻付け問題を引き起こすことになる。この問題は、「不均一コア変形の問題」：すなわち、使用中の軸に沿ったコアの不均一半径方向変形と呼ばれている。
【００１６】
コアの変形は、スプールの再使用中に永久的損傷をもたらすことがある。すなわち、スプールコアは、フランジにおけるよりもフランジの中間においてコア直径が永久的に縮小する現象を使用サイクルごとに除々に呈することになる。特許文献９は、円筒コアがカバープレートによって、それらの間に間隙を介在させて、覆われるスプールを用いることによって、この再使用の問題を解消しようと試みている。間隙の目的は、カバープレートに加えられた巻付け圧力を吸収し、コアが圧縮されないようにすることである。本発明者らは、このような手法によれば、コアの近くにおいてワイヤ巻線部分の座屈が生じる可能性があると確信している。
【００１７】
以上の観点から、本発明者らは、以下に述べるスプールの設計によって、前述の問題を解消する試みを本格的に行った。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】独国特許出願公開第１９８２８４２０号明細書
【特許文献２】国際特許出願公開第２０１１／０３５９０７号パンフレット
【特許文献３】国際特許出願公開第２００９／０７７２８２号パンフレット
【特許文献４】米国デザイン特許第５６３２０７Ｓ号明細書
【特許文献５】米国デザイン特許第４４１７７２Ｓ号明細書
【特許文献６】米国デザイン特許第３９９８５７号明細書
【特許文献７】国際特許出願公開第２００９／０８０７５０号パンフレット
【特許文献８】欧州特許出願公開第１６９８４３３Ａ１号明細書
【特許文献９】欧州特許出願公開第１４１９９８６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明のスプールの目的は、自己損傷問題を低減または排除し、少なくともコアの近くの層間ワイヤ圧力を低減させ、使用中にスプールの軸に沿って均一なコア変形をもたらし、少なくとも１０回再使用可能とし、ワイヤ送達スプールまたはワイヤ受容スプールに高張力を伝達する機械において使用可能となるスプールを提供することによって、先行技術の問題を解消することにある。本スプールは、ペイオフスプールまたは巻取スプールに同じように使用可能である。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本スプールは、細径ワイヤを高張力で巻き付けるのに特に適している。「細径ワイヤ」は、４００μｍ未満または３００μｍ未満、好ましくは、２００μｍ未満、例えば、１５０μｍの全径を有するワイヤと見なされており、「高張力」は、１０Ｎを超える張力、例えば、２５Ｎから７０Ｎまでの張力、さらに７０Ｎを超える張力と見なされている。巻付けは、ワイヤの製造中またはワイヤの使用中に行われることになる。「巻付け」という用語は、文脈が許容する限り、「巻戻し」の意味も含んでいる。ワイヤは、好ましくは、ソーイングワイヤ、特に、固定砥粒ソーイングワイヤである。
【００２１】
本スプールのいずれも、細径ワイヤが巻き付けられるコアを備えている。本出願の文脈内において、「コア」という用語は、ワイヤを受け入れることを意図しており、ワイヤパックの始端から終端まで軸方向に広がっている、スプールの構成要素を意味している。円滑な作業のために、このコアは、コアの軸に沿って一定の外径を有する管状または円筒状になっている。
【００２２】
スプールは、少なくとも２つ（３つ、４つ、５つ、または６つ以上とすることができる）支持体をさらに備えている。支持体は、スプールを使用する任意の機械、例えば、巻取機またはワイヤソーにスプールを取り付けるための中心孔を有している。取付けは、スピンドル、ピントル（軸、pintles）、軸(axis)、または任意の他の周知の手段によって行うことができる。少なくとも２つの支持体の機能は、コアを保持すること、すなわち、コアを支持することであり、これによって、少なくともスプール上にワイヤパックが存在するとき、力がコアによって支持体に加えられることになる。支持体は、それらがコアに内側から接触するように取り付けられている。これは、使用中に、支持体がコアの内側から負荷を受けることを意味している。従って、支持体の少なくとも一部は、コアに内側から接触しなければならない。例えば、支持体の中心孔がコアの外側に位置することも排除されるものではないが、その場合でも、支持体は、コアを内側から保持することになる。殆どの場合、コアに実質的に内側から取り付けられる支持体が、取扱いおよび取付けの理由から好ましい。「実質的に内側から」という用語は、支持体の質量の殆ど、例えば、支持体の質量の半分よりも多くが、コアの内部にあることを意味している。
【００２３】
スプールについて、支持体が中心孔とコアとの間に半径方向弾性要素を備えていると好ましい。「弾性要素」という用語は、（変形が永久的である「塑性」と対照的に）力によって変形した後その元の形状に戻る任意の装置または任意の材料片を意味している。この要素は、少なくとも半径方向において弾性的である。好ましくは、支持体は、軸方向において剛性的である。これは、例えば、ピントルによって軸方向に押されたときに、中心孔があまりに大きく移動しないようにするためである。
【００２４】
ワイヤがコアに巻き付けられると、コアへの半径方向圧力が生じることになる。コアに巻き付けられたワイヤの第１の層は、コアに内向きの半径方向応力または半径方向圧力（局部的接触応力の平均値）を与えることになる。この半径方向圧力「ｐ」（単位：Ｎ／ｍｍ２）は、巻付け張力「Ｔ」（単位：ニュートン）に比例し、巻付け半径「Ｒ」（単位：ｍｍ）およびワイヤの直径「ｄ」（単位：ｍｍ）に逆比例する。
【数１】
0005941140.tif 000002
従って、半径方向圧力は、高張力で巻き付けられた細径ワイヤ（小径ｄ）の場合、より大きくなる。半径方向圧力は、コアの直径減少をもたらすことになる。最新のスプールでは、一般的に、フランジがコアに対する支持体として作用するようになっている。これらのフランジは、半径方向の剛性が高いので、半径方向圧力下において、コアと同程度に変形せず、これによって、コアは、フランジにおけるよりも中心においてより直径が減少することになる。
【００２５】
本発明のスプールでは、コアと中心孔との間の半径方向弾性要素の存在が、支持体の半径方向剛性を低減させるようになっている。弾性要素は、スプールの全設計負荷時において、支持体におけるコアの外径減少が支持体の中間におけるコアの外径減少と実質的に等しくなるように設計されている。「実質的に等しい」という用語は、設計負荷時において、支持体におけるコア外径「ＯＤｓｕｐｐｏｒｔ」と支持体の中間におけるコア外径「ＯＤｃｏｒｅ」との間の直径差「ΔＯＤ」が、支持体の中間におけるコア外径「ＯＤｓｕｐｐｏｒｔ」の０．５％未満であることを意味している。もしこの相対差が０．２％であるとさらに好ましいが、本発明者らは、この偏差を０．１％未満に維持することを達成している。「支持体の中間」という用語は、２つの互いに隣接する支持体間の約中央、例えば、これらの支持体の中央を意味している。「設計負荷」という用語は、使用されることが意図されている張力である直径のワイヤがある量だけスプールに充填されたときの負荷を意味している。設計負荷が定まっていない場合、公称直径１４８μｍのソーイングワイヤが巻付け張力２５Ｎで５０ｋｍにわたって巻き付けられたときの負荷が、設計負荷とみなされる。従って、このような設計において、不均一コア変形の問題が解消されることになる。
【００２６】
この偏位を測定することができる多くの方法がある。
・支持体におけるコアの内径および支持体の中間におけるコアの内径を内測キャリパーによって測定することができる。負荷が加えられていないコアの厚みを加えることによって、ワイヤパック下のコアの外径を計算することができる。コア壁の軸方向圧縮が直径減少の一部をなすので、この測定値は、常に、直径減少の真の値と等しいかまたはいくらか大きくなる。
・代替的に、スプールの有限要素モデリング（ＦＥＭ）によって、スプールがいかに半径方向圧力下において変形するかを見出すこともできる。このようなモデリングは、Abaqus または任意の他の周知のＦＥＭモデリングソフトウエアによって行うことができる。
【００２７】
負荷時における支持体における偏位が負荷時における支持体の中間における偏位からそれほど大きく異なるべきではないことを表す代替的方法として、「半径方向係数（radial modulus）ｋｘ」（単位：Ｎ／ｍｍ３）による方法が挙げられる。「ｋｘ」は、スプールの軸に沿った位置「ｘ」における半径方向変形「ΔＲｘ」と（巻付け張力またはワイヤ直径が軸方向において変化しない限り）軸方向において一定とみなされる半径方向圧力「ｐ」との間の比例定数である。「ｐ」は、設計負荷における圧力に等しい。
【数２】
0005941140.tif 000003
従って、
【数３】
0005941140.tif 000004
【００２８】
均等な肉厚を有する均質的かつ等方的なコア材料からなる円筒コアを用いることによって、スプールの軸方向長さの全体にわたって一定の半径方向係数が得られることになる。このようなコアに支持体が導入されると、支持体の中間における半径方向係数と支持体における半径方向係数との間にいくらかの差が生じることになる。何故なら、支持体がいくらかの半径方向剛性を不可避的に加えるからである。これは、これらの支持体が半径方向弾性要素を備えていても同様である（ただし、この場合、半径方向係数の軸方向変動は、周知の設計と比較して大きく減少する）。従って、さらなるステップは、これらの支持体におけるコアの半径方向係数も減少させることによって、支持体におけるスプールの半径方向係数を適合させることである。これは、支持体の位置においてコア材料を除去することによって、行うことができる。
【００２９】
これを達成する１つの方法は、例えば、支持体が存在する箇所に（例えば、使用中にスプールの直径変化分よりも広い）周方向切込みを設けることである。これによって、コアが局部的に弱くなり、半径方向係数がスプールの軸方向長さの全体にわたって均一になる。他の可能性のある方法は、コアの内側からのみ材料を除去することである。これによって、コア厚みが支持体の近傍において薄くなり、該箇所においてコアの半径方向係数が局部的に弱くなり、この弱くなったコアの半径方向係数が、支持体の半径方向係数によって相殺されることになる。
【００３０】
本発明者らは、支持体に一体化されるいくつかの可能性のある半径方向弾性要素を想定している。第１の可能性は、支持体をなす他の材料よりも低い弾性率を有するエラストマー材料を用いることである。この要素は、コアと孔を有する中心片との間に半径方向にスポーク状に配置された個別要素として実施されることが可能である。または、エラストマーがコアと中心片との間に半径方向に薄い（しかし、軸方向に広い）周方向層として一体化されてもよい。
【００３１】
可能性のあるエラストマー材料は、当業者に周知の材料、例えば、天然ゴムまたは合成ゴム、例えば、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、またはエチレン−プロピレン（ＥＰＭ，ＥＰＤＭ）のような高性能ゴム、またはシリコンゴムまたはウレタンゴムのような高性能ゴムである。代替的に、いくつかの熱可塑性ポリマー、例えば、ポリオレフィンおよび熱可塑性ポリウレタンもこの目的に有用である。適切なプライマを用いることによって、中心片とコアとの間に良好な付着性をもたらすように適切な注意を払うべきである。
【００３２】
代替的に、前記弾性要素は、機械バネに基づいていてもよい。「機械バネ」は、バネを形成する材料内に生じる曲げモーメントおよび／またはねじりモーメントが変位に対抗する幾何学的形状を有する弾性要素である。
【００３３】
機械バネを有する好ましい実施形態では、これらのバネは、支持体内において回転対称性をもたらすように配向されている。バネは、少なくとも３回回転対称性をもたらすように取り付けられていなければならない。すなわち、３つのバネは、支持体内に１２０°の周期で取り付けられることになる。もちろん、支持体の位置におけるコアの周方向均一性を高めるために、より高次の対称性、例えば、４回，５回，６回，７回，または一般的にＮ回の対称性が好ましい。本発明者らは、１２回対称性を有する実施形態を試験した。奇数回の対称性がいくらか好ましい。何故なら、この場合、支持体の鋳込みが良好になるからである。各バネが半径方向において反対側のバネと向き合っていないという事実が、冷却中に均一性を維持することを助長することになる。
【００３４】
この対称性を実現させる具体的な方法は、支持体内において中心孔およびコアを有する中心片の中間に「スポーク」を用いることである。これらのスポークは、板バネ、螺旋バネ、または任意の他の適切な形状のバネの形態を取ることができる。
【００３５】
無限回転対称、すなわち、円対称の場合が、特に好ましい。支持体は、任意の回転角度において同一性を維持することができる。この場合、バネの曲げ面は、スプール軸を構成することになる。
【００３６】
好ましくは、機械バネは、（例えば、スポークの場合）、単一の材料片からバネ形状をフライス加工することによって、得られる、さらに好ましくは、円形状の場合、単一の材料片から旋盤によって機械バネを切り出すことである。このようなバネは、支持体と「一体化している」と呼ばれる。すなわち、バネは、支持体と一体である。このような一体バネは、機械バネがコアと中心片との間に取り付けられる必要がないという利点を有している。バネを固定するという課題が存在しないことになる。
【００３７】
支持体の数は、少なくとも２つである。支持体の軸方向位置は、軸の全体にわたってコアの半径方向圧縮を制限するように選択されるとよい。例えば、３つの支持体の場合、これらの支持体は、コアの軸方向長さの４分の１，４分の２，４分の３の位置に取り付けられるとよい。もし、２つの支持体の場合、これらの支持体は、好ましくは、コアの両端に取り付けられることになる。可能であれば、これらの支持体は、コアの両端においてまたはコアの縁からコアの軸方向長さの約３分の１以下の位置においてコアを内側から支持するようになっている。
【００３８】
前述したように、コアの両側にフランジを付加的に設けると有利である。「フランジ」は、ワイヤによって覆われることがない、またはワイヤによって覆われることが意図されていない円筒体の一部である（円筒体の残りが、コアとして画定されることになる）。場合によっては、「ゼロフランジ」設計、すなわち、フランジの外径がコアの外径と等しくなっている設計も有利である。この場合、フランジは、例えば、材料に関してコアとは依然として異なっているが、代替的に管状コアと一体になっていてもよい。すなわち、この場合、コア部分が中断することなく連続しているが、フランジ部分においてワイヤを受け入れるように意図されていない。
【００３９】
非ゼロフランジ、すなわち、スプールの端にリムをなすフランジは、より好ましい。何故なら、ワイヤの層を徐々に重ねて巻き付けることによって、スプール上に多量のワイヤを重ね、これによって、「ワイヤパック」を形成することができるからである。しかし、ワイヤパックの厚みが大きくなると、コアの半径方向圧力が増大し、ワイヤ間の層間圧力も増大する。従って、フランジは、コアの外方にあまり大きく延在するべきではないことが重要である。本発明者らの経験では、フランジは、前記管状コアの外径よりも大きいか、または等しく、かつ前記管状コアの外径の１．３倍よりも小さいフランジ外径を有するべきである。
【００４０】
勿論、フランジの存在は、該フランジの近傍におけるスプールの半径方向剛性を高めることになり、この半径方向剛性は、コアの不均一変形を阻止するために、補償されねばならない。この補償は、フランジの近くにおいてコアからいくらかの材料を除去することによって、例えば、コアの側部への円形切込みによって、またはコアの内側から材料を除去することによって、行うことができる。他の可能な方法は、フランジにその半径方向剛性をもたらすフープ応力（周方向応力）を弱めるために、フランジに半径方向切込みを設けることである。
【００４１】
代替的に、フランジの半径方向剛性がコアに伝達されることを妨げるために、支持体に対してなされるのと全く同様に、半径方向弾性要素がフランジに一体化されてもよい。他の可能性のある解決策は、フランジに接線方向弾性要素を設けることである。例えば、前述の半径方向切込みに前述の弾性材料が充填されてもよい。
【００４２】
スプールおよび支持体は、この目的に適する材料から作製されることになる。この場合、技術的基準（弾性率、降伏強度、比重）のみならず、材料のコストおよび入手可能性も関与することになる。金属は、勿論、好ましい選択肢であり、特に、鋼は、例えば、普通炭素鋼、ステンレス鋼、高張力鋼の順に、より一層好ましい選択肢になる。鋼は、より高い弾性率を有しているので、より軽量で特定の弾性柔軟性を達成するために、より高い降伏強度を有していると、好ましい。鋼は、任意選択的に、焼入れされていてもよく、好ましくは、管の形態で得られるとよい。例えば、４２ＣｒＭｏ４−Ｖおよび３４ＣｒＮｉＭｏ６−Ｖ（WerkstoffNr.．１．６５８２．０５）非焼入鋼管、また１００ＣｒＭｏ７−Ｇ（ＨＲＣ４７に焼入、WerkstoffNr．１．３５３７）のような焼入鋼管材料は、好ましい組成物と考えられる。他の代替例は、鋳鉄を用いることである。この場合、支持体をいくらか容易に形成することができる。
【００４３】
少なくとも比重の観点から良好な代替例は、アルミニウム合金である。好ましい合金は、マンガンおよびケイ素を含む６０００系列の展伸アルミニウム合金、例えば、６０６１−Ｔ６、６０８２―Ｔ６、または銅およびマンガンを含む２０００系列、例えば、２０２４−Ｔ３または２０２４−Ｔ３５１である。名称は、国際合金識別体系（ＩＡＤＳ）によるものであり、添字Ｔは、後処理の種類を示している。アルミニウム合金の他の利点は、いくつかの組成物が容易に鋳造できることであり、例えば、Ａ０２０１０−Ｔ７、Ａ０７７１０−Ｔ５、Ｔ５２、Ｔ６，Ｔ７１が好ましい例である。いずれにしても、２００Ｎ／ｍｍ２を超える降伏強度を有する展伸アルミニウム合金または鋳造アルミニウム合金が好ましい。
【００４４】
さらに他の代替例は、プラスチック材料、例えば、工業用ポリアミド（Ertalon（登録商標））またはアクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）および複合材料、例えば、ガラス繊維強化複合材料である。本発明者の一人は、木材が強度／重量比の観点から良好な代替例であることを見出している。
【００４５】
また、スプールのコアが金属（例えば、前述の鋼またはアルミニウム合金）から作製され、支持体がプラスチック材料から作製される「ハイブリッド」設計も、極めて良好な可能性を有しており、一層好ましい。何故なら、プラスチックの低弾性率が、支持体を容易に圧縮するのを助長するからである。逆にプラスチックのコアと金属の支持体を組み合わせる他の方法も可能であるが、この組合せは、それほど好ましくない。
【００４６】
本発明のさらに他の態様によれば、細径ワイヤを受け入れるためのコア材料から作製された管状コアを備える、細径ワイヤを高張力で巻き付けるためのスプールが提供されている。コア材料は、ヤング率としても知られている弾性率Ｅｃｏｒｅ（単位：Ｎ／ｍｍ２）を有している。コアは、内径「ＩＤ」（単位：ｍｍ）および外径「ＯＤ」（単位：ｍｍ）を有する管状コア、さらに好ましくは、円筒コアである。ＯＤ、ＩＤ、および  Ｅｃｏｒｅは、以下の不等式を満足するように選択されている（「柔軟性基準」）。
【数４】
0005941140.tif 000005
もし不等式の境界条件が以下のように設定されていると、さらに一層好ましい。
【数５】
0005941140.tif 000006
１４８μｍのソーイングワイヤからなる５０ｋｍのワイヤパックが２５Ｎの張力でスプールに巻き付けられた極めて特別の場合において、以下の境界条件が特に適していることが見出されている。
【数６】
0005941140.tif 000007
【００４７】
前述したように、本発明者らの目標の１つは、固定砥粒ワイヤをスプールに巻き付けるときに生じるワイヤの自己損傷を解消することである。この自己損傷の原因の１つは、ワイヤパック内の半径方向圧力が、スプールに巻き付けられる層の数が増すと共に蓄積されること、すなわち、層間圧力問題である。この圧力を低減させるために、本発明者らは、この種のスプールの標準である非圧縮性コアよりもむしろ圧縮性コアに行き着いた。圧縮性の程度は、ここでも、「半径方向係数ｋｘ」によって表される。ただし、ｘは、コアに沿った軸方向位置を示している。ここで、ｋｘは、軸方向において変化せず、「ｋ」と等しいと仮定することにする。
【００４８】
弾性理論から、弾性率「Ｅｃｏｒｅ」を有する厚肉管の場合、ここでは、スプールのコアが管とみなされる場合、外側から内方に向く半径方向圧力「ｐ」による外径の減少分「ΔＲｏ」は、
【数７】
0005941140.tif 000008
によってよく表される。「ｇ」は、
【数８】
0005941140.tif 000009
に等しい。
「Ｒｉ」は、「ＩＤ／２」と等しく、「Ｒｏ」は、「ＯＤ／２」と等しく、「ｖ」は、材料のポアソン比である（すなわち、殆どの金属材料に対して、１／３に近似する）。もしコアの「ＯＤ」がコアの肉厚（Ｒｏ−Ｒｉ）の１０倍よりも大きい場合、半径方向係数は、以下の式によって十分な精度で近似されることになる。
【数９】
0005941140.tif 000010
従って、コアの半径方向係数は、前述の境界値の間になければならないことになる。厳密式による半径方向係数「ｋ」は、常に、近似式によるものよりも小さいかまたは（薄肉条件と合致する場合には）等しくなるので、近似式による「ｋ」の境界値よりも制限されている。
【００４９】
本発明者らは、もし半径方向係数「ｋ」を当業界において一般的に容認されている半径方向係数から低減させたなら、パック内におけるワイヤ間の半径方向における層間圧力が大きく（５倍以上）低減することを見出している。ワイヤ層は、巻付け中に半径方向圧力を累積的に加えるので、スプールのコア（圧力が最大になると予測される箇所）におけるワイヤ層間圧力は、（細径のワイヤが高張力で巻き付けられているので）、極めて大きくなる可能性がある。この圧力は、スプールのコアを圧縮し、これによって、ワイヤのフープ張力、従って、層間圧力を小さくすることによって、低減させることができる。従って、層間圧力を低減させる方法の１つは、半径方向係数「ｋ」を低くすることである。本発明者らは、この「ｋ」を少なくとも前述の値未満（３００Ｎ／ｍｍ３未満、さらに良好には、１００Ｎ／ｍｍ３未満、さらに６０Ｎ／ｍｍ３未満）にするべきであることを見出している。層間ワイヤ圧力の低減は、自己損傷問題に好影響をもたらし、従って、「ｋ」の選択的な範囲設定は、ワイヤの自己損傷を大きく低減させることになる。
【００５０】
「ｋ」のあまりにも低い値、例えば、３未満の値は、避けるべきである。何故なら、このような低い値は、スプールのコアの近くのワイヤにあまりにも大きい圧縮応力をもたらし、ワイヤの座屈をもたらす可能性があるからである。座屈したワイヤは、ワイヤ内に塑性変形したキンク（kink）をもたらし、このキンクは、もはや延びることができない。このようなキンクは、ソーイング作業において許容されるものではない。
【００５１】
上記の考察は、材料が全ての応力に対して弾性を維持していると仮定しているが、これは、勿論、実際には当てはまらない。従って、スプールの変形は、材料が使用中に塑性変形しないような大きさであるべきである。それ故、本発明者らは、コア材料の０．０５％オフセット降伏応力「Ｙｃｏｒｅ」（単位：Ｎ／ｍｍ２）に対して以下の制限を設けることを提案している（降伏応力基準）。
【数１０】
0005941140.tif 000011
さらに、
【数１１】
0005941140.tif 000012
３０００Ｎ／ｍｍ、５０００Ｎ／ｍｍ、または１００００Ｎ／ｍｍのようなより大きい値も排除されるものではないが、このような大きな値は、柔軟性基準に相反することになる。
【００５２】
材料の「降伏応力」または「弾性限度」は、ある応力値、すなわち、該応力値を超えて加えられた応力が除去された後に永久変形が観察されるような、応力値である。高強度鋼およびアルミニウム合金におけるように、降伏応力が容易に定義できない場合があるが、このような場合、「０．０５％オフセット降伏応力（単位：Ｎ／ｍｍ２）の定義が用いられる。すなわち、この限界値を超えて応力がある材料に加えられた場合、加えられた全ての応力が取り除かれた後、０．０５％を超える変形が観察されることになる。この「０．０５％オフセット降伏応力」は、ＩＳＯ６８９２：１１９８（Ｅ）「金属材料−大気温度における引張試験」―４．９．３項に記載されているように、「Ｒｐ０．０５」の定義、すなわち、０．０５％に規定された「耐力、非比例延び」と等しい。勿論、材料の降伏強度がコアの耐えることができる圧力の大きさを制限するのみならず、（ＯＤ，ＩＤによって与えられる）その幾何学的形状もコアの圧力の大きさを制限することになる。もし前述の降伏強度基準が満たされているなら、これらの３つが組み合わされることによって、細径ワイヤの巻付けに最も適するスプールが規定されることになる。この降伏強度基準を満足するスプールは、実質的に塑性変形を生じることなく、繰り返し用いることができる。本発明者らは、スプールを少なくとも１０回再使用することができ、これによって、再使用の問題を解消することができる、と推測している。
【００５３】
層間圧力を軽減させるさらに他の方法は、コアの外径ＯＤを大きくすることである。コアの直径が大きくなれば、ワイヤがコアに加える圧力が小さくなる。大きいＯＤを選択することによって、（ワイヤの長さが一定であれば）、ワイヤパックの厚みが減少する。薄いワイヤパックは、コアへのワイヤ半径方向応力の蓄積を少なくし、その結果、層間圧力が小さくなる。加えて、より大きいＯＤは、ワイヤパックがより湾曲しないことを意味している。層間圧力を生じるのは、この湾曲である。
【００５４】
加えて、より大きな直径は、スプールに巻き戻されるワイヤの巻線部分の数を少なくする。巻戻しの巻線部分の数は、ＢＬ／πＯＤと等しい（またはワイヤパックがある厚みを有しているので、ＢＬ／πＯＤよりも少ない）。従って、自己損傷の機会が少なくなる。何故なら、ワイヤは、小さい直径を有している場合よりもスプールのワイヤ上に重なる回数が少なくなるからである。従って、好ましくは、スプールの外径は、２５０ｍｍよりも大きく、好ましくは、３００ｍｍよりも大きくなっているとよい。
【００５５】
コアを作製するための好ましい材料は、鋼またはアルミニウム合金である。鋼が用いられるとき、該鋼は、１９００００Ｎ／ｍｍ２よりも大きい弾性率Ｅｃｏｒｅを有し、３５０Ｎ／ｍｍ２よりも大きい０．０５％オフセット降伏応力Ｙｃｏｒｅを有するべきである。アルミニウム合金が用いられるとき、６５０００Ｎ／ｍｍ２よりも大きい弾性率Ｅｃｏｒｅおよび２００Ｎ／ｍｍ２よりも大きい０．０５％オフセット降伏応力Ｙｃｏｒｅを有する合金を選択するべきである。
【００５６】
スプールは、本発明の第１の態様において記載されているように、少なくとも２つの支持体をさらに備えることができる。支持体は、コアに内側から接触するようになっており、巻取機またはワイヤソー上にスプールを取り付けるときにスピンドルを受け入れる中心孔を有している。好ましくは、支持体は、コアと中心孔との間に半径方向弾性要素を備えている。
【００５７】
さらに、半径方向要素およびコアは、支持体におけるコアの外径減少が支持体の中間におけるコアの外径減少と実質的に等しくなるように、互いに適合されている。支持体におけるコアの半径方向圧縮率が弱くなるように支持体の存在を補償するために、特別の対策が講じられねばならない。これは、支持体の近傍においてコア材料を除去し、コアを局部的に弱くすることによって達成することができる。可能であれば、これは、支持体の位置においてコアに周方向切込みを作ることによって、行われるとよい。代替的に、コアの厚みが、外側コア材料または内側コア材料を除去することによって（後者が好ましい）、局部的に減らされてもよい。
【００５８】
本発明の第１の態様および第２の態様の原理によって設計されるスプールは、細径ワイヤを高張力で巻き付けることが意図されている。それ故、本発明の第３の態様によれば、以下の特徴を有するワイヤのコイルを備えるスプールが、記載されている。ワイヤのコイルを備えるスプールであって、ワイヤのコイルは、前記スプールのコアに巻き付けられており、前記ワイヤは、ｍｍ２で表される断面積「Ａ」を有しており、前記ワイヤは、ニュートンで表される張力「Ｔ」で前記スプールに巻き付けられており、前記コイルの外側巻線部分におけるワイヤ引張応力Ｔ／Ａは、１０００Ｎ／ｍｍ２を超えている、スプールにおいて、コアに最も近いワイヤは、前記コイルの外側巻線部分におけるワイヤ引張応力Ｔ／Ａの８０％よりも低い引張応力を有している。
好ましくは、前記ワイヤによって加えられる前記スプールのコアへの半径方向圧力は、４０ＭＰａよりも小さくなっている。
好ましくは、前記コアと接触するワイヤは、座屈しないようになっている。
好ましくは、このワイヤは、ソーイングワイヤ、特に、固定砥粒ソーイングワイヤである。この本発明態様について、以下、さらに詳細に説明する。
【００５９】
ワイヤは、横断面積［Ａ］（単位：ｍｍ２）を有している。「横断面積」という用語は、ワイヤ上に負荷を支えるワイヤ断面の一部を意味している。ソーイングワイヤが金属被膜（例えば、銅またはニッケル）が施されているかまたは施されていない金属コアワイヤを有しており、該ワイヤが砥粒を含んでいるかまたは含んでいない場合、（どのような金属被膜も含む）全金属断面がワイヤ断面を意味することを理解されたい。ワイヤは、巻付け中一定に維持される張力「Ｔ」（単位：ニュートン）で巻き付けられることになる。張力および横断面積は、ワイヤがスプールに巻き付けられるときに１０００Ｎ／ｍｍ２よりも大きいワイヤ張力Ｔ／Ａがワイヤ上に存在するように、組合わされねばならない。
【００６０】
この出願の目的のために、基準負荷は、１４８μｍの公称直径を有するソーイングワイヤの５０ｋｍが２５Ｎの張力で巻き付けられるときの負荷である。従って、ワイヤがスプールに巻かれると、ワイヤに１４５０Ｎ／ｍｍ２の張力が加えられることになる。
【００６１】
本スプールの設計によれば、ワイヤの下側の巻線部分の張力は、さらなる層がスプールに巻き付けられるにつれて、除々に小さくなる。実際、本発明による材料選択およびスプールの寸法によって、ワイヤの巻線部分のワイヤ張力は、制御されてスプールのコアを圧縮することになる。コアの直径収縮によって、ワイヤの張力は、小さくなり、層間圧力を低減させ、これによって、ワイヤの損傷を少なくすることができる。直感的に、コアに最も近い巻線部分のワイヤ応力は、それらの巻線部分が巻付け中の累積的収縮の利得を最も大きく受けるので、最も小さくなることが明らかである。外側の巻線部分は、最も高い応力、すなわち巻付け中に受ける応力、すなわち、Ｔ／Ａを受けることになる。
【００６２】
コアに最も近いワイヤの応力は、外側の巻線部分の引張応力の８０％未満の引張応力を有している。さらに良好には、７０％未満または５０％未満である。実際、引張応力は、コアに近いワイヤに対して、正負が逆転し、すなわち、圧縮応力に変わっている。これは、この圧縮応力が約１０００Ｎ／ｍｍ２よりも大きくならない限り、問題にならない。このレベルを超える圧縮応力の場合、ワイヤの座屈が生じるので、回避されるべきである。何故なら、これによって、ソーイングワイヤの永久キンクが生じるからである。
【００６３】
外側の巻線部分内のワイヤ応力は、以下のようにして測定することができる。ワイヤのコイルを有するスプールをスタンド上に回転可能に取り付ける。軸と平行の細いマーキンラインをワイヤパック上に施す。ワイヤのある長さ（少なくとも３ｃｍの精度で数メートル、例えば、２５ｍｍ、これを測定長さＬと呼ぶ）を低張力でスプールから手動で真っ直ぐに引っ張る。ワイヤの端を無張力でワイヤパック上の略同じ軸方向位置に注意深く巻き戻す。ワイヤパック上のマークに対するワイヤ上のマークの変位を比較する。ワイヤは、（もし引張負荷下にあったなら）短くなっているので、ワイヤ上のマークは、ワイヤコイル上のマークの手前で終端する。この変位「ΔＬ」を測定する。長さの相対的な変化ΔＬ／Ｌおよびワイヤの応力−歪図によって、ワイヤパックの外側におけるワイヤの応力が見出されることになる。
【００６４】
コアに近い張力は、スプールからのワイヤ巻戻し前およびスプールからのワイヤ巻戻し後のコアの内径を測定することによって、最もよく導き出される。内径の相対的な変化は、コアの圧縮によってコアの近くのワイヤが短縮していることを示す尺度である。ここでも、応力の変化は、ワイヤの応力−歪図から導き出すことができる。この応力の変化は、外側巻線部分内の引っ張り応力の２０％を超えているべきである。もしスプールコアがコイルによって塑性的に変形しているなら、この変化は、それよりも小さくなる、すなわち、ワイヤコイルを有するスプールは、請求項の規定から逸脱することになる。
【００６５】
発明者らは、好ましくは、半径方向圧力が、ワイヤ損傷を生じないために、４０ＭＰａ未満でなければならないことを見出している。もし３０ＭＰａ未満、さらに２０ＭＰａ未満であれば、さらに一層好ましい。これは、形状を測定し、材料特性を決定した後、かつワイヤ張力、ワイヤ長さ、直径、および引張特性に関してワイヤを解析した後、スプールの挙動をシミュレーションすることによって導き出すことができる。
【００６６】
前述の説明から、スプールが開示されているのみならず、特定のソーイングワイヤコイルに対してスプールをいかに設計しなければならないか（例えば、直径、張力）に関する全手法が開示されていることが明らかであろう。これは、本発明の第４の態様、すなわち、ソーイングワイヤスプールを設計する手法である。
【００６７】
この方法は、以下のステップを含んでいる。
・スプールのコアのためのコア材料を選択する。コア材料は、弾性率Ｅｃｏｒｅ（単位：Ｎ／ｍｍ２）を有するものである。
・内径［ＩＤ］および外径「ＯＤ」（単位：ｍｍ）を有するコアを選択する。好ましくは、最初に、重要な種々の制限事項、例えば、
−スプール巻取機および／またはソーイング機内の利用可能な空間（これは、明らかに、コアの外径の上限となる）、
−ワイヤ上に収集することが意図されるワイヤの量（外径が大きくなるほど、同一ワイヤパック厚みに対して、ワイヤの量が多くなる）、
−材料の入手可能性、移送、スプールの重量、などの他の制限条件
に関して、スプールの外径を設定するとよい。
例えば、最初に少なくとも２５０ｍｍの外径を設定することができる。
・最終的に、
【数１２】
0005941140.tif 000013
を満たすように、内径を設定することになる。
【００６８】
この方法は、特定の順序に従って記載されているが、この順序は、制限的なものではない。例えば、
・材料を選択することから開始し、次いで、内径を特定し、最後に外径の範囲を特定することも可能であり、または
・内外径の設定から開始し、半径方向圧縮性の要件に適合する材料を見出すことも可能である。
前述の方法のいずれか１つによれば、低層間応力と組合せて最適なコアワイヤ応力を有するソーイングワイヤスプールが得られることなる。
【００６９】
さらなる改良および組合せにおいて、選択をさらに一層特定のものとする「降伏応力基準」を含むこともできる。もし「降伏応力基準」が満たされたなら、スプールは、良好な再使用可能性を呈することになる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】図１ａおよび図１ｂは、圧縮されたコアの問題を示す、従来技術による空スプールおよび充填スプールを示す図である。
【図２】図２ａおよび図２ｂは、本発明の第１の態様の原理を説明するための本発明による空スプールおよび充填スプールを示す図である。
【図３】図３ａは、円対称性を有する本発明のスプールを示す図であり、図３ｂは、スプール内の半径方向弾性支持体の詳細を示す図である。
【図４】図４ａは、１２回回転対称性を有する本発明のスプールを示す図であり、図４ｂは、スプール内の半径方向弾性支持体の詳細を示す図である。
【図５】本発明のスプールと比較して、種々のスプールにおいてワイヤ層間の層間圧力がいかにワイヤパックの深さに依存しているかを示す図である。
【図６ａ】先行技術のスプールにおいて、巻付け中、フープ応力がワイヤパック内およびスプール内においていかに変化するかを概略的に示す図である。
【図６ｂ】本発明のスプールにおいて、巻付け中、フープ応力がワイヤパック内およびスプール内においていかに変化するかを概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００７１】
図１ａは、フランジ１０４を両端に有するコア１０２を備える先行技術によるスプール１００を示している。コアは、「ＯＤ」によって示される外径および中心線１０６を有している。巻付け後、スプールは、高張力で巻き付けられた細径ワイヤのワイヤパック１０８を備えることになる。ワイヤの繊度および高張力によって、半径方向圧力「Ｐ」がワイヤによって加えられ、スプールのコアに伝達されている。コアに近いワイヤ１１０は、それらの上に巻き付けられた全てのワイヤ巻線部分の累積された圧力を受けている。モノクロ階調の程度は、増大する半径方向圧力を示している。この圧力によって、コア１０２は、コア１０２’に変形している。このコアは、フランジにおける外径ＯＤ’’よりも圧縮されたフランジ間における外径ＯＤ’を示している。また、フランジ１０４’は、ワイヤによってフランジに加えられた圧力によって外方に変形し、膨出する傾向にある。このようなスプールは、最使用可能性が低く、コアの変形による巻戻し問題をもたらすことになる。外側の巻線部分におけるワイヤの張力は、最大であり、巻付け張力と等しい。ワイヤパック内のワイヤ張力は、コアの圧縮挙動に依存し、減少することになる。
【００７２】
図２ａ，２ｂは、本発明による空スプール２００および充填スプール２００’の一般図を示している。ここでも、外径ＯＤを有するコア２０２、フランジ２０４、および中心線が特定されている。スプールは、支持体２１０を備えており、該支持体２１０は、スプール２００のコア２０２を内側から支持しており、巻付け中または巻戻し中に軸またはスピンドルを受け入れるための中心孔２１４を有している。このスプールの特徴として、ここではバネによって代表されている半径方向弾性要素２１２が、コアと支持体との間に設けられている。さらに、支持体の存在を補償するために、支持体２１０の近傍においてコア材料がコアから除去されている。
【００７３】
高張力下にある細径ワイヤのワイヤパック２１６がスプールに巻き付けられると、コア２０２’は、半径方向に圧縮され、スプールの外径がＯＤ’に減少し、その結果、半径がΔＲｏだけ縮小することになる。スプールは、コアがスプールの軸方向の全長にわたって均一に収縮するように、すなわち、支持体２１０における直径の減少が支持体の中間における直径の減少と実質的に等しくなるように、構成されている。
【００７４】
図３は、本発明の第１の好ましい実施形態を記載している。図３ａは、スプールの斜視図であり、図３ｂは、軸を含む面に沿った断面によって支持体の詳細を示している。スプール３００は、基本的に、コア３０２と、コア３０２の両端における２つの支持体３１０からなっている。支持体３１０は、コア３０２を内側から支持しており、スプールを取り付けるための中心孔３１４を有している。コアは、３２７ｍｍの外径ＯＤおよび２９３ｍｍの内径ＩＤを有しており、従って、１７ｍｍの壁厚を有している。コアは、７００００Ｎ／ｍｍ２の弾性率Ｅｃｏｒｅおよび２６０Ｎ／ｍｍ２の０．０５％オフセットオフセット降伏応力を有するアルミニウム合金６０８２Ｔ６から作製されている。
【００７５】
支持体は、円対称性を備える弾性要素３１２を有している。弾性要素３１２は、Ｚ状リッジ３１３を有するものとして示されている。Ｚ状リッジ３１３は、高張力下にある細径ワイヤがスプールに巻き付けられたとき、支持体上のコアによって加えられた圧力によって、曲がるようになっている。この曲がりは、弾性的であり、スプールが巻き戻されたとき、リッジは、その元の形状に戻ることになる。リッジ３１３は、アルミニウム合金円板の単一片からフライス加工によって得られている。従って、弾性要素は、支持体と一体である。支持片に用いられるアルミニウム合金も、タイプ６０８２Ｔ６である。支持体は、高さ７．５ｍｍの小さいフランジ３０４も含んでいる。
【００７６】
（フランジを含む）支持体の半径方向係数を補償するために、支持体が存在する箇所において、コアの圧縮性が小さくなっていなければならない。この実施形態では、これは、箇所３２０においてコアからいくらかの材料を除去することによって、実現されている。支持体の位置において、コア厚みは、４ｍｍに減少されている。この材料の除去によって、支持体におけるコアの半径方向係数が減少し、支持体３１０の存在およびフランジ３０４の存在による半径方向係数の増大が、最適に補償されることになる。
【００７７】
１４８μｍの公称直径を有する５０ｋｍのソーイングワイヤが、２５Ｎの張力でこのスプールに巻き付けられている。その結果、コアの外径が（内側から測定して）０．７８ｍｍ変化している。支持体の中間におけるコア内径と支持体におけるコア内径との差は、ワイヤパックに対して、すなわち、３２７ｍｍのＯＤに対して０．１ｍｍ未満であり、ワイヤパックに対するコア直径の軸方向の変動は、わずかに０．０３％である。
【００７８】
図４ａには、本発明のスプールの代替的実施形態４００が斜視図で示されており、図４ｂは、スプールの弾性要素の詳細を軸と直交する平面に沿った断面で示している。スプールの全体寸法は、第１の実施形態の全体寸法と同じである。この実施形態では、弾性要素は、中心孔４１４を有する支持体４１０と一体のスポーク４１２である。１２個の等角に配置されたスポークが、支持体に１２回回転対称性をもたらしている。Ｓ字状のスポークは、スプールのコアに弾性支持体をもたらし、負荷が取り除かれた後、それらの元の位置に完全に戻ることになる。支持体は、ポリアミド（Ertalon（登録商標）、６ＸＡＵ＋）の単一片からフライス加工によって得られている。
【００７９】
表１は、市場で入手可能な既存のスプールと共に第１の実施形態による本発明のスプール（「本発明スプール」）の種々の特質をまとめたものである。全てのスプールは、アルミニウム製であり、７００００Ｎ／ｍｍ２の弾性率および２６０Ｎ／ｍｍ２の降伏応力を有するタイプ６０８２Ｔ６の特性を有している。行頭の「ＯＤ」は、コアの外径であり、「ＩＤ」は、コアの内径であり、「ｔ」は、コアの肉厚であり、「スプール幅」は、スプール自体の実測によって得られたコアの長さである。
【００８０】
行頭の［ワイヤパックの厚み］は、２５Ｎの張力で巻き付けられた５０ｋｍの公称直径１４８μｍのソーイングワイヤのワイヤパックの半径方向高さであり、「コアの圧力」は、ワイヤパックによってコアに加えられた半径方向圧力であり、「ΔＯＤ」は、スプール上のワイヤパックの有無とは無関係な外径の変化であり、「（数値計算）ｋ」は、数値シミュレーションの結果による半径方向係数である。
【００８１】
行頭の「（厳密計算）ｋ」は、Ｒｏ，Ｒｉ，およびＥｃｏｒｅに基づく「厚肉」半径方向係数計算の結果である。「（近似計算）ｋ」は、「薄肉」近似の結果である。（「厳密計算」ｋ）は、常に「（近似計算）ｋ」よりも大きいことに留意されたい。しかし、肉厚が外径の約１０倍小さい（ｔ＜１０×ＯＤ）とき、これらの結果は、収斂する。「降伏基準」は、以下の計算の結果である。
【数１３】
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【００８２】
表１は、本発明の以下の点を示している。
・ＯＤを増大させることによって、全てのスプールにおいて、最小のワイヤパック厚みがもたらされている。ワイヤパックの厚みが薄くなると、層間ワイヤ圧力およびコア圧力が小さくなる。
・実際、コアへの圧力、すなわち、コアに近い下側のワイヤの層が受ける圧力は、全てのスプールのなかで最も低い値１８．９ＭＰａである。図５は、この点を実例で示している。すなわち、この図は、ワイヤパック内のワイヤの半径方向圧力をワイヤの長さの関数として示している（コアの位置では、長さが０であり、外側巻線部において、長さが５０ｋｍである）。パックの外側における圧力は、明らかにゼロである。何故なら、他のワイヤがこれらの層を押圧していないからである。絶対圧は、スプールのコアの位置において最も高くなっている。ＴＷ３２０スプールまたはＴＫ３０スプールと比較して、本コアの層間圧力は、少なくとも５倍小さくなっている。この圧力は、好ましくは、最大４０ＭＰａ未満であるべきである。
・本スプールの弾性設計によって、ワイヤパックは、全ての他のスプールと比較してコアの最大変形をもたらすことになる。実際、ワイヤパックがコアに巻き付けられたとき、その外径が０．７８ｍｍ減少している。
・この変形の増大は、コアの半径方向係数が低いことによる。この半径方向係数は、いかに計算するかにもよるが、約４８Ｎ／ｍｍ３から５０Ｎ／ｍｍ３である。この値は、最も似ているＭＢ８０スプールの１／７にすぎない。もし肉厚が本発明スプールの場合におけるように十分に小さい（ｔ＜１０×ＯＤ）場合、半径方向係数を計算する方法は、重要ではないことに留意されたい。
・本発明スプールでは、コアＯＤが大きく、かつ半径方向係数ｋが低いことによって、コア材料に加えられる圧力が他の従来技術によるスプールにおけるよりも著しく低いという事実によって、該スプールは、過度に強靭である必要がない。しかし、本発明のスプールは、降伏基準において、再使用可能となるのに十分な強度（２５００Ｎ／ｍｍを超える強度）を依然として有している。
【００８３】
ワイヤパックがコア内の応力にいかに影響を与え、かつワイヤパックがコア変化によっていかに影響されるかについての本発明の原理が、図６ａ，６ｂにさらに示されている。これらの図は、本発明の作用原理を例示するにすぎず、数字の絶対値は、制限的なものではなく、例示を目的にすぎないことに留意されたい。いずれの図においても、縦軸に、ワイヤ巻線部分の層（１，２，４、８、１２、各層の厚み：１ｍｍ）がスプール上に巻かれたときのワイヤおよびコア材料のフープ応力、すなわち、周方向応力（フープ応力「ＨＳ」、単位：Ｎ／ｍｍ２）が、それぞれ、白丸および黒丸で示されている。横軸には、コアおよびワイヤパックの半径「ｒ」（単位：ｍｍ）が示されている。コアの内径および外径は、いずれの実施形態においても等しくなっている。
【００８４】
ワイヤパック応力ＷＰＳは、実線によって示されており、いずれの場合も約８００Ｎ／ｍｍ２である。ワイヤパック応力ＷＰＳは、ワイヤパックを金属表面Ａ（単位：ｍｍ２）を有するワイヤが張力Ｔ（単位：Ｎ）で巻き付けられた均質な層とみなしたときの応力であり、ワイヤ巻線部分間に自由空間が想定されている。例えば、１４８μｍのワイヤを２５Ｎの張力で巻き付けたとき、１４５３Ｎ／ｍｍ２のワイヤ応力が生じ、充填度５５％のとき、８００Ｎ／ｍｍ２のＷＰＳが得られることになる。
【００８５】
図６ａの先行技術によるスプールでは、ワイヤパック内の応力がほぼ一定に維持されている。何故なら、コアは、その高いｋ値（この値は、薄肉近似によって４５０Ｎ／ｍｍ３になっている）によって変形していないからである。ワイヤパックの圧力は、コアに完全に伝達されるので、層が互いに積み重なるにつれて、コアのフープ応力が劇的に増大する。これによって、コア内のフープ応力を減少させるために、すなわち、コア材料の塑性変形を阻止するために、コアをさらに強靭にしなければならないというパラドックがもたらされ、今日用いられている重量のある嵩張ったスプールに至ることになる。
【００８６】
本発明者らは、スプールのｋ値を低減させることによって、図６ｂに示されているような結果を得ている（図６ｂでは、ｋ値は、１７Ｎ／ｍｍ３に設定されている）。本発明のスプールでは、ワイヤ巻線部分の張力は、さらなる巻線部分が上に巻き付けられると、減少することになる。これは、圧力下において、コアが変形し、直径が減少するという事実による。追加的に、コア材料内のフープ応力は、同等の先行技術によるスプールにおけるよりも低く、これによって、スプールの最使用可能性を高めることができる。コアの近くでは、ワイヤ張力が負になり、すなわち、ワイヤが圧縮されることに留意されたい。このような圧縮は、ワイヤが座屈しない限り、許容されることになる。制限値として、ワイヤに対する約１０００Ｎ／ｍｍ２の圧縮応力が想定されている。
【００８７】
前述の説明から、スプールが発明されているのみならず、ソーイングワイヤのような細径ワイヤを高張力で巻き付けるためのスプールがいかに開発されるべきかに関する手法の全体が開示されていることが明らかだろう。
【００８８】
【表１】
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【符号の説明】
【００８９】
１００  従来のスプール
１０２，１０２´  コア
１０４，１０４´  フランジ
１０６  中心線
１０８  ワイヤパック
１１０  ワイヤ
２００  空スプール
２００´  充填スプール
２０２，２０２´  コア
２０４  フランジ
２０６  中心線
２１０  支持体
２１２，２１２´  弾性要素
２１４  中心孔
２１６  ワイヤパック
３００  スプール
３０２  コア
３０４  フランジ
３１０  支持体
３１２  弾性要素
３１３  リッジ
３１４  中心孔
３２０  （コア材料の）切除個所
４００  スプール
４０２  コア
４０４  フランジ
４１０  支持体
４１２  スポーク
４１４  中心孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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