(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
細径ワイヤを高張力にて巻き付けるように構成されたスプールであって、
前記細径ワイヤを受けるための外径を有するコア材料から作製された管状コアと、
前記管状コアを支持するように構成された少なくとも２つの支持体であって、前記管状コアに内側から接触するように構成され、前記スプールを回転可能に取り付けるように形成された中心孔部を有し、かつ前記中心孔部及び前記管状コア間に複数の半径方向弾性要素を有する少なくとも２つの支持体と
を備えるスプールにおいて、
前記管状コアが厚みをさらに有しており、前記支持体により支持された前記管状コアの支持部分を構成する前記コア材料の支持部分が、前記支持体同士の間に位置する前記管状コアの合間部分を構成する前記コア材料の合間部分よりも少なくなるように、前記管状コアの支持部分の厚みが前記管状コアの合間部分の厚みよりも薄くなっており、
前記半径方向弾性要素が機械バネとなっており、前記機械バネは、その変位が前記機械バネを形成する材料内に生じる曲げモーメント及び／又は捩りモーメントによって弾性抵抗を受けるように形成されている、スプール。
【請求項２】
前記スプールの設計負荷時に、前記管状コアの支持部分の外径と前記管状コアの合間部分の外径との間における直径差が、前記管状コアの合間部分の外径に対して０．５％未満となるように構成されている、請求項１に記載のスプール。
【請求項３】
前記少なくとも２つの支持体が少なくとも３つの前記機械バネを有し、前記少なくとも３つの機械バネが、前記管状コアの周方向にて、前記中心孔部及び前記管状コア間にて取り付けられ、かつ等しい角度間隔にて配置されている、請求項１に記載のスプール。
【請求項４】
前記機械バネが円形を成すように隣接して配置されている、請求項３に記載のスプール。
【請求項５】
前記機械バネが前記支持体と一体になっている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のスプール。
【請求項６】
２つの前記支持体が前記管状コアの両端部に取り付けられている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスプール。
【請求項７】
前記管状コアの外径が少なくとも２５０ｍｍになっている、請求項１〜６のいずれか一項に記載のスプール。
【請求項８】
前記管状コアの両端部にフランジをさらに備え、
前記フランジがフランジ外径を有し、
前記フランジ外径が、前記管状コアの外径よりも大きいか又は等しく、かつ前記管状コアの外径の１．３倍よりも小さくなっている、請求項１〜７のいずれか一項に記載のスプール。
【請求項９】
前記フランジの近傍に位置する前記管状コアのフランジ近傍部分を構成する前記コア材料のフランジ近傍部分の内側が除去されている、請求項８に記載のスプール。
【請求項１０】
前記フランジが、半径方向弾性要素又は接線方向弾性要素を有している、請求項８又は９に記載のスプール。
【請求項１１】
前記コア材料が、鋼、普通炭素鋼、鋳鉄、ステンレス鋼、高張力鋼、アルミニウム若しくはアルミニウム合金、プラスチック材料、複合材料、又は木材を含む群から選択される一種のものとなっている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のスプール。
【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にて巻き付けるように構成されたスプールに関する。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ことに特に適している。このスプールは、ワイヤの損傷を最小限に抑えるように、再使用に適するように、及びワイヤソー機械の一部を成すように設計されたものとなっている。本発明はまた、このようなスプールを設計する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
長尺のワイヤの運搬は、もっぱらコイル巻きされた形態にて行われている。細径ワイヤの場合において「ワイヤパック」と呼ばれる当該コイルは、キャリア（運搬手段）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、又はスプールであってもよい。以下、「スプール」という用語は、ボビン又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、巻き取り中又は巻き戻し中に軸又はスピンドル（紡錘）を受けるための軸方向孔を有する円筒形状を含んでいる。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（縁部）又はリッジ（隆起部）が円筒の一端部又は両端部に設けられていてもよい。このようなリム又はリッジは、以下、「フランジ」と呼ばれることになる。代替的又は付加的に、このフランジの機能は、スプールが転がされる際にスプール上のワイヤが損傷しないように保護することにある。
【０００３】
スプールの主たる機能は、ワイヤの運搬を容易にし、かつ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にある。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、又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るように設計されている。
【０００４】
ますます多くのスプールが、単なる運搬の機能を超える他の目的にて、すなわち、機械の不可欠な一部分として用いられてきている。これまでのスプールは、典型的には、特定の接触面によって機械に密着して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所定の役割を果たすようになってきている。注目すべき一例として、ワイヤソーがある。ワイヤソーの場合、長尺かつ（典型的には、１５０μｍよりも細い）極細径の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は、例えば、シリコンインゴットが太陽光産業又は半導体産業において用いられるウエハとして切断されることとなる。ワイヤは、約２５Ｎ（ニュートン）の張力にて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、２５Ｎ（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、複雑であり、従って、機械のコストを高くするので、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、かつ該液体が切断ヘッド内にて移動するワイヤに注がれるプロセスが用いられる場合、切断は一方向又は双方向にて行うことができる。一方向モード（一方向の態様）では、ワイヤは、スプールから巻き戻され、切断ヘッド内に送られ、重たい機械スプールに収集され、そして、破棄されることになる。このような重たい機械スプールの一例については、特許文献２を参照されたい。このようなスプールの一例は、使用済みワイヤをスプールから切り離す手段を有するものとなっている。また、他の一例については、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つの嵌合型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が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取り外すために、軸方向に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又は特許文献５に記載されているようなシート状金属スプールとなっていてもよい。
【０００６】
代替的に、上記のプロセスにおいては、双方向の駆動が行われるようになっていてもよい。この場合、未使用ワイヤが、前進方向において前進側長さＦＬに渡ってスプールから引き出され、次いで、ソーイング方向が、後退側長さＢＬに渡って反転されることになる。ＦＬはＢＬよりも長くなっている。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」、又は「ピルグリム（pilgrim）モードソーイング」と呼ばれることがある。後退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に渡って清浄ワイヤ上に巻き戻されることになる。この巻き戻し中に張力は、約２５Ｎ以上の切断ヘッドにおける張力となるが、その一方で、ワイヤ製造中のスプールの巻き付け張力は、典型的には、３Ｎ（ニュートン）から５Ｎ（ニュートン）に過ぎない。これによって、いくつかの問題が生じることとなる。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、かつ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の破断が生じることがある（内部切断）。
【０００７】
スプールはまた、高張力及び多数の巻線部分の相互作用によって著しく変形することとなる。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、一回用いた後には廃棄されなければならなくなっている。特許文献２に記載されているスプール又は特許文献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又は組立スプールの形態にある代替例も試みられている。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、かつ購入費及び移送費が極めて高いものとなっている。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】
取り扱いが難しく、汚れが付着し、かつ環境が損なわれるような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においては、用いられるスプールにさらに特別な条件が加えられることとなる。「固定砥粒ソーイング」では、砥粒が、キャリアワイヤに強固に付着されており、ソーイングプロセスでは、冷媒のみが用いられるようになっている。通常、（典型的には、１０μｍ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ものとなっている。なぜならば、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対して、このワイヤは、砥粒をワイヤに固着させているので、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、ろう付け若しくは半田付けによって、又は機械的な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、後退側長さＢＬが前進側長さＦＬ長さよりも僅かに短いモードにて用いられるようになっている。従って、同じワイヤ長さ範囲が多数回（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】
このことは、各サイクルにおいて極僅かなワイヤしかウエブ内に入らず、かつ使用済みワイヤが、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）範囲がウエブに完全に入ってペイオフスプールに戻っていない前段階にて、ワイヤは、ペイオフスプールにＢＬ／（ＦＬ−ＢＬ）回だけ再度巻付けられることになる。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２５Ｎ（ニュートン）にて維持され、トリミング又はインゴット形取りの場合、７０Ｎ（ニュートン）を超えることになる。ほとん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、その一方で、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き出ており（そうでなければ、切断が成されておらず）、多数回の後退側巻き付け中に、スプール上のワイヤ及びスプールに達するワイヤは相互に損傷する。このことは「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となる。なぜならば、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、既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。巻き取り側では、この問題はそれほど深刻ではない。なぜならば、ワイヤは摩耗し、砥粒は鈍化して、巻取スプールに入るワイヤは、既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、前後巻き付け中に、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度巻き付けされたワイヤの内部切断が生じ、ワイヤ間においてもまた僅かな接線方向のワイヤ擦れが生じることとなる。これが自己損傷をもたらすメカニズムである。その結果、引っかき傷、圧痕、及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にて巻き付けることによって、解消することができる。しかしながら、ワイヤループの高張力での巻き付けは、下側のワイヤ及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、この非常に大きな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、スプールのコア近傍のワイヤは、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易く、（このようにワイヤが高張力で巻き付けられる場合のような）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既に生じていることも驚くことではない。これが「層間圧力問題」である。
【００１４】
この問題を解消する試みは、（特許文献８に記載されているように）、点接触を防止し、かつ接触圧を分散させるために、ワイヤを六角形状又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、成されている。しかしながら、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、このことは容易ではない。
【００１５】
他の問題は、スプールの全体に渡って一定の巻き付け品質を補償するためにスプールのコアがコアの幅の全体に渡って等しく変形されなければならないことにある。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、フランジ近傍にて半径方向においてより剛体的となる傾向がある。その結果、フランジの位置ではなく、フランジ同士の間の位置において、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、コアの両側部分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恒久的な損傷をもたらすことがある。すなわち、スプールコアは、フランジの位置よりもフランジの間の位置においてコアの直径が恒久的に縮小する現象を使用サイクル毎に除々に呈することになる。特許文献９においては、円筒コア及びカバープレート間に間隙を介在させるように円筒コアをカバープレートにより覆った構成であるスプールを用いて、この再使用の問題を解消しようと試みられている。間隙の目的は、カバープレートに加えられた巻き付け圧力を吸収して、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、コアの近傍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考えられている。
【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】米国意匠特許第５６３２０７Ｓ号明細書
【特許文献５】米国意匠特許第４４１７７２Ｓ号明細書
【特許文献６】米国意匠特許第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又は排除し、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又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、ペイオフスプール又は巻取スプールにて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にて巻き付けることに特に適している。「細径ワイヤ」は、４００μｍ未満又は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。巻き付けは、ワイヤの製造中又はワイヤの使用中に行われることになる。「巻き付け」という用語は、文脈が許容する限り、「巻き戻し」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、細径ワイヤを巻き付け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、該コアの軸に沿って一定の外径を有する管状又は円筒状になっている。
【００２２】
スプールは、少なくとも２つ（さらには、３つ、４つ、５つ、又は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、巻取機又はワイヤソーにスプールを取り付けるための中心孔部を有している。取り付けは、スピンドル、ピントル、軸、又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、支持体の中心孔部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。ほとんどの場合、コアに実質的に内側から取り付けられる支持体が、取り扱い及び取り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、支持体の質量のほとんど、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、支持体が中心孔部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、（変形が恒久的である「塑性」と対照的に）力によって変形した後その初期の形状に戻る任意の装置又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、軸方向において剛体的である。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、中心孔部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又は半径方向圧力（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）及びワイヤの直径「ｄ」（単位：ｍｍ）に反比例する。
【００２５】
【数１】
0005956567.tif 000002
【００２６】
従って、半径方向圧力は、高張力にて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、コアの直径の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、フランジの位置よりも中心位置においてより直径が減少することになる。
【００２７】
本発明のスプールでは、コアと中心孔部との間における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、支持体の位置におけるコアの外径の減少が支持体同士の間の位置におけるコアの外径の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、支持体の位置におけるコアの外径「ＯＤｓｕｐｐｏｒｔ」と支持体同士の間の位置におけるコアの外径「ＯＤｃｏｒｅ」との間における直径差「ΔＯＤ」が、支持体同士の間の位置におけるコアの外径「ＯＤｓｕｐｐｏｒｔ」における０．５％未満であることを意味している。もしも当該相対差が０．２％であるならばさら好ましいが、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。「支持体同士の間の位置」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に渡って巻き付けられたときの負荷が、設計負荷と見なされる。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。
【００２８】
この偏位を測定可能とする多くの方法がある。
・支持体の位置におけるコアの内径及び支持体同士の間の位置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成すので、この測定値は、常に、直径減少の真の値と等しいか又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 又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。
【００２９】
負荷時における支持体の位置における偏位が負荷時における支持体同士の間の位置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（巻き付け張力又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見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。
【００３０】
【数２】
0005956567.tif 000003
【００３１】
【数３】
0005956567.tif 000004
【００３２】
なお、前者の式は、後者の式を言い換えたものである。均等な肉厚を有する均質的かつ等方的なコア材料から成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渡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、支持体同士の間の位置における半径方向係数と支持体の位置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。なぜならば、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、当該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。
【００３３】
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）周方向切り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渡って均一になる。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、コアの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。
【００３４】
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、支持体を成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（その一方で、軸方向に広い）周方向層として一体化されてもよい。
【００３５】
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、天然ゴム又は合成ゴム、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）、若しくはエチレン−プロピレン（ＥＰＭ，ＥＰＤＭ）のような高性能ゴム、又はシリコンゴム若しく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、ポリオレフィン及び熱可塑性ポリウレタンも当該目的に有用である。適切なプライマ（primer）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。
【００３６】
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及び／又は捩りモーメントが変位に対抗するように形成された幾何学的形状を有する弾性要素となっている。
【００３７】
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，又は一般的に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。なぜならば、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。
【００３８】
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部及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、又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。
【００３９】
無限回転対称の場合、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。
【００４０】
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。
【００４１】
支持体の数は少なくとも２つとなっている。支持体の軸方向位置は、軸の全体に渡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。もしも２つの支持体の場合、これらの支持体は、好ましくは、コアの両端部（either end）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、コアの両端部において、又はコアの縁部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。
【００４２】
前述したように、コアの両側部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又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また有利である。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。
【００４３】
非ゼロフランジ、すなわち、スプールの端部にリムを成すフランジがより好ましい。なぜならば、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。しかしながら、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又は等しく、かつ前記管状コアの外径の１．３倍よりも小さなフランジ外径を有するべきである。
【００４４】
もちろん、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、フランジ近傍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、又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り込みを設けることである。
【００４５】
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、支持体に対して成されることと全く同様に、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、前述の半径方向切り込みに前述の弾性材料が充填されてもよい。
【００４６】
スプール及び支持体は、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、材料のコスト及び入手可能性も関与することになる。金属は、もちろん、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、焼き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及び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。
【００４７】
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、マンガン及びケイ素を含む６０００系列の展伸アルミニウム合金、例えば、６０６１−Ｔ６、６０８２―Ｔ６、又は銅及びマンガンを含む２０００系列、例えば、２０２４−Ｔ３若しくは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又は鋳造アルミニウム合金が好ましい。
【００４８】
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））又はアクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）及び複合材料、例えば、ガラス繊維強化複合材料である。本発明者の一部は、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。
【００４９】
また、スプールのコアが金属（例えば、前述の鋼又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」設計が、極めて良好な可能性を有しており、一層好ましい。なぜならば、プラスチックの低弾性率が、支持体を容易に圧縮すること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。
【００５０】
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スプールであって、細径ワイヤを高張力で巻き付けるように構成された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）及び外径「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、及び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」）。
【００５１】
【数４】
0005956567.tif 000005
【００５２】
もしも不等式の境界条件が以下のように設定されているのであれば、さらに一層好ましい。
【００５３】
【数５】
0005956567.tif 000006
【００５４】
１４８μｍのソーイングワイヤから成る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な場合において、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。
【００５５】
【数６】
0005956567.tif 000007
【００５６】
前述したように、本発明者らの目的の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、ここでもまた「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の位置を示している。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。
【００５７】
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見なされる場合、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、
【００５８】
【数７】
0005956567.tif 000008
【００５９】
によってよく表される。「ｇ」は、
【００６０】
【数８】
0005956567.tif 000009
【００６１】
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、ほとんどの金属材料に対して、１／３に近似する）。もしもコアの「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。
【００６２】
【数９】
0005956567.tif 000010
【００６３】
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又は（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。
【００６４】
本発明者らは、もしも半径方向係数「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ば、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、巻き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。
【００６５】
「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。なぜならば、このような低い値は、スプールのコア近傍のワイヤにあまりにも大きな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。
【００６６】
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、もちろん、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ある。そのため、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）。
【００６７】
【数１０】
0005956567.tif 000011
【００６８】
【数１１】
0005956567.tif 000012
【００６９】
すなわち、前者の式、さらには、後者の式のような制限が設けられる。３０００Ｎ／ｍｍ、５０００Ｎ／ｍｍ、又は１００００Ｎ／ｍｍのようなより大きな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。
【００７０】
材料の「降伏応力」又は「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恒久的変形が観察されるような、応力値である。高強度鋼及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。もちろん、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。もしも前述の降伏強度基準が満たされているのであれば、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ずることなく、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。
【００７１】
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。大きな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、より大きな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当該湾曲である。
【００７２】
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（又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。なぜならば、ワイヤは、小さな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。
【００７３】
コアを作製するための好ましい材料は、鋼又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よりも大きな弾性率Ｅｃｏｒｅを有し、３５０Ｎ／ｍｍ２よりも大きな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よりも大きな弾性率Ｅｃｏｒｅ及び２００Ｎ／ｍｍ２よりも大きな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。
【００７４】
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ているとよい。支持体は、コアに内側から接触するようになっており、巻取機又はワイヤソー上にスプールを取り付ける場合にスピンドルを受け入れる中心孔部を有している。好ましくは、支持体は、コアと中心孔部との間に半径方向弾性要素を備えている。
【００７５】
さらに、半径方向要素及びコアは、支持体の位置におけるコアの外径の減少が支持体同士の間の位置におけるコアの外径の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。支持体の位置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、外側コア材料又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。
【００７６】
本発明の第１の態様及び第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。そのため、本発明の第３の態様によれば、ワイヤのコイルを備えるスプールが、請求項に記載されている。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となっているとよい。
【００７７】
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、銅又はニッケル）を施されているか又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又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、巻き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。張力及び横断面積は、ワイヤをスプールに巻き付けるときに１０００Ｎ／ｍｍ２よりも大きなワイヤ張力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。
【００７８】
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範囲が２５Ｎの張力で巻き付けられる場合の負荷である。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。
【００７９】
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従って、除々に小さくなる。実際、本発明による材料選択及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き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、巻き付け中に受ける応力、すなわち、Ｔ／Ａを受けることになる。
【００８０】
コアに最も近いワイヤの応力は、外側の巻線部分における引張応力の８０％未満の引張応力を有している。さらに良好には、７０％未満又は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。なぜならば、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。
【００８１】
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。軸と平行である細いマーキングラインをワイヤパック上に施す。ワイヤの所定の長さ（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。ワイヤの端部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、（もしも引張負荷下にあったならば）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及びワイヤの応力−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。
【００８２】
コアに近い張力は、スプールからのワイヤ巻き戻し前及びスプールからのワイヤ巻き戻し後における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近傍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。もしも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ば、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。
【００８３】
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。もしも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、及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。
【００８４】
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。
【００８５】
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］及び外径「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、
−スプール巻取機及び／又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、スプールの重量等の他の制限条件
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、
【００８６】
【数１２】
0005956567.tif 000013
【００８７】
を満たすように、内径を設定することになる。
【００８８】
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、又は
・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。
【００８９】
さらなる改良及び組合せにおいて、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。もしも「降伏応力基準」が満たされたのであれば、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】
【００９０】
【図１】図１ａ及び図１ｂは、圧縮されたコアの問題を説明するための従来技術の空スプール及び充填スプールを示す図である。
【図２】図２ａ及び図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及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、巻き付け中、フープ応力がワイヤパック内及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、巻き付け中、フープ応力がワイヤパック内及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】
【００９１】
図１ａは、フランジ１０４を両端部に有するコア１０２を備える先行技術に係るスプール１００を示している。コアは、「ＯＤ」によって示される外径及び中心線１０６を有している。巻き付け後、スプールは、高張力にて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。ワイヤの繊度及び高張力によって、半径方向圧力「Ｐ」がワイヤによって加えられて、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。
【００９２】
図２ａ及び図２ｂは、本発明による空スプール２００及び充填スプール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、及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、巻き付け中又は巻き戻し中に軸又はスピンドルを受け入れるための中心孔部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。
【００９３】
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渡って均一に収縮するように、すなわち、支持体２１０の位置における直径の減少が支持体同士の間の位置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。
【００９４】
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の両端部における２つの支持体３１０とから成っている。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部３１４を有している。コアは、３２７ｍｍの外径ＯＤ及び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及び２６０Ｎ／ｍｍ２の０．０５％オフセットの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。
【００９５】
支持体は、円対称性を有する弾性要素３１２を含んでいる。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り加えられた圧力に伴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、リッジは初期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またタイプ６０８２Ｔ６となっている。支持体はまた、高さ７．５ｍｍの小さなフランジ３０４を含んでいる。
【００９６】
（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に減少している。この材料の除去によって、支持体の位置におけるコアの半径方向係数が減少し、支持体３１０の存在及びフランジ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。
【００９７】
１４８μｍの公称直径を有する５０ｋｍのソーイングワイヤが、２５Ｎの張力にて当該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。支持体同士の間の位置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、僅かに０．０３％である。
【００９８】
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、中心孔部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。
【００９９】
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」）の種々の特性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の弾性率及び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。
【０１００】
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。
【０１０１】
行頭の「（厳密計算）ｋ」は、Ｒｏ，Ｒｉ，及び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。しかしながら、肉厚が外径の約１０倍小さい（ｔ＜１０×ＯＤ）とき、これらの結果が得られる。「降伏基準」は、以下の計算の結果である。
【０１０２】
【数１３】
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【０１０３】
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、層間ワイヤ圧力及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。なぜならば、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スプール又は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。
・本スプールの弾性の設計によって、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に過ぎない。もしも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。しかしながら、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。
【０１０４】
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及び図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過ぎず、数字の絶対値は、制限的なものではなく、例示を目的に過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及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、白丸及び黒丸により示されている。横軸には、コア及びワイヤパックの半径「ｒ」（単位：ｍｍ）が示されている。コアの内径及び外径は、いずれの実施形態においても等しくなっている。
【０１０５】
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見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。
【０１０６】
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。なぜならば、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従っ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ス（paradox）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。
【０１０７】
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、同等の先行技術に係るスプールのものよりも低く、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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
【表１】
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【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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