(57)【要約】【課題】  重量が軽く、慣性モーメント（ＧＤ２）が小さい炭素繊維強化プラスチック製カッターロールとその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】  マトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維を巻き付けて積層した炭素繊維の層、またはマトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維プリプレグを巻き付けて積層した炭素繊維の層によって形成された中空構造のロール本体の両端部にジャーナルを取り付け、表面にはカッター刃を取り付けてなることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維を巻き付けて積層した炭素繊維の層、またはマトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維プリプレグを巻き付けて積層した炭素繊維の層によって形成された中空構造のロール本体の両端部にジャーナルを取り付け、表面にはカッター刃を取り付けてなることを特徴とする炭素繊維強化プラスチック製カッターロール。
【請求項２】
マトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維を軸方向に対して略９０度に巻き付けて積層した後、マトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維を軸方向に対して一定の角度を付け巻き付けて積層し、このように軸方向に対して略９０度に巻き付けた層と一定の角度を付けて巻き付けた層とを複数回繰り返して炭素繊維の層を形成することを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維強化プラスチック製カッターロール。
【請求項３】
マトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維を軸方向に対して一定の角度を付け巻き付けて積層した後、マトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維を軸方向に対して略９０度に巻き付けて積層し、このように軸方向に対して一定の角度を付けて巻き付けた層と略９０度に巻き付けた層とを複数回繰り返して炭素繊維の層を形成することを特徴とする請求項２に記載の炭素繊維強化プラスチック製カッターロール。
【請求項４】
炭素繊維は、曲げ弾性率が２００ＧＰａ以上であることを特徴とする請求項１又は３に記載の炭素繊維強化プラスチック製カッターロール。
【請求項５】
ロール本体の表面を研磨した後にマトリックス樹脂をコーティングしてあることを特徴とする請求項１又は３に記載の炭素繊維強化プラスチック製カッターロール。
【請求項６】
軸方向に対して１つ以上の平面部を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の炭素繊維強化プラスチック製カッターロール。
【請求項７】
マンドレルの外面に、マトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維を巻き付けて積層し、または炭素繊維にマトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維プリプレグを巻き付けて積層する積層工程、次いで、加熱硬化させる硬化工程、冷却後表面を研磨する研磨工程、マンドレルを抜き取った中空構造のロール本体の両端部にジャーナルを取り付け、表面にはカッター刃を取り付けるカッター刃の取付工程を含むことを特徴とする炭素繊維強化プラスチック製カッターロールの製造方法。
【請求項８】
積層工程と硬化工程の間に型締めによる成型工程を含むことを特徴とする請求項７に記載の炭素繊維強化プラスチック製カッターロールの製造方法。
【請求項９】
積層工程では、マトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維を軸方向に対して略９０度に巻き付けて積層した後、マトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維を軸方向に対して一定の角度を付けて巻き付けて積層し、このように軸方向に対して略９０度に巻き付けた層と一定の角度を付けて巻き付けた層とを複数回繰り返して炭素繊維の層を形成することを特徴とする請求項７又は８に記載の炭素繊維強化プラスチック製カッターロールの製造方法。
【請求項１０】
積層工程では、マトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維を軸方向に対して一定の角度を付けて巻き付けて積層した後、マトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維を軸方向に対して略９０度に巻き付けて積層し、このように軸方向に対して一定の角度を付けて巻き付けた層と略９０度に巻き付けた層とを複数回繰り返して炭素繊維の層を形成することを特徴とする請求項７又は８に記載の炭素繊維強化プラスチック製カッターロールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
技術分野
この発明は、長尺の紙又は板紙を連続的に所定の長さに切断するロータリーカッター装置における炭素繊維強化プラスチック製カッターロールとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、長尺の紙又は板紙を連続的に所定の長さに切断するには、ロータリーカッター装置が用いられている。ロータリーカッター装置は、ナイフを取り付けたカッターロールとそのカッターロールに対向し、回転軸が平行なボトムロールによって構成され、駆動装置によって駆動される前記カッターロールとボトムロールとの間を紙又は板紙を通すことによって裁断するようにしている。これらのロータリーカッター装置としては、例えば、特開平１１−１２３６９４号公報あるいは特許第２９８１４０５号公報に記載されているものがある。
【０００３】
これらのロータリーカッター装置では、ボトムロールの外周面はカッター刃が当たっても摩耗し難くしかも裁断する紙に切り残しが出ないように硬い金属で形成されているから、裁断する際にカッター刃には強い衝撃を受けることになる。また、その衝撃によってカッターロールが変形し裁断できなくなるおそれもある。そのために、従来カッターロールには金属製ロールが用いられ、かつ金属には焼き入れを行って強度（弾性率）を向上させている。
【特許文献１】特開平１１−１２３６９４号公報
【特許文献２】特許第２９８１４０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように、カッターロールは、硬い金属で形成されているために、重量が非常に重くなってロール全体の撓みが大きくなる。また、重くなると、慣性モーメント（ＧＤ２）も大きくなり、駆動にも非常に大きなエネルギーが必要となる。また、慣性モーメント（ＧＤ２）が大きくなると、ラインスピードも上げられないという問題がある。
【０００５】
この発明は、かかる現状に鑑みてされたものであり、重量が軽く、従って、慣性モーメント（ＧＤ２）も小さい炭素繊維強化プラスチック製カッターロールとその製造方法を提供することを目的とする。また、この発明は、軽量化によって駆動エネルギーが小さく、ラインスピードもアップできる炭素繊維強化プラスチック製カッターロールとその製造方法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】
【０００６】
この発明は上記目的を達成するために次のような構成とした。即ち、この発明に係る炭素繊維強化プラスチック製カッターロールは、マトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維を巻き付けて積層した炭素繊維の層、またはマトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維プリプレグを巻き付けて積層した炭素繊維の層によって形成された中空構造のロール本体の両端部にジャーナルを取り付け、表面にはカッター刃を取り付けてなることを特徴とする。マトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維を軸方向に対して略９０度に巻き付けて積層した後、マトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維を軸方向に対して一定の角度を付けて巻き付けて積層し、このように軸方向に対して略９０度に巻き付けた層と一定の角度を付けて巻き付けた層とを複数回繰り返して炭素繊維の層を形成することが好ましい。また、マトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維を軸方向に対して一定の角度を付けて積層した後、マトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維を略９０度に巻き付けて積層し、このように軸方向に対して一定の角度を付けて巻き付けた層と略９０度に巻き付けた層とを複数回繰り返して炭素繊維の層を形成してもよい。前記炭素繊維は、曲げ弾性率が２００ＧＰａ以上であることが好ましい。炭素繊維層の表面は、炭素繊維層を形成する際に生じるワインディングパターンのために必ずしも平滑な平面部ではない。そこで、表面の凹凸をなくすために、表面を研磨し、その後にマトリックス樹脂等をコーティングすることが好ましい。また、前記ロール本体は、軸方向に対して１つ以上の平面部を有するものであってもよい。
【０００７】
一般に、炭素繊維強化プラスチック成形に使用する炭素繊維は、高強度炭素繊維（引張り弾性率約２４０ＧＰａ）、中弾性炭素繊維（引張り弾性率約４００ＧＰａ）あるいは高弾性炭素繊維（引張り弾性率約６４０ＧＰａ）があるが、この発明に係る炭素繊維強化プラスチック製カッターロール使用する炭素繊維は高弾性炭素繊維が好ましい。また、この発明に係る炭素繊維強化プラスチック製カッターロール使用する炭素繊維としては、ＰＡＮ系炭素繊維であることとピッチ系炭素繊維であることを問わない。さらに、マトリックス樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等を使用することができる。
【０００８】
また、この発明に係る炭素繊維強化プラスチック製カッターロールの製造方法は、マ    ンドレルの外面に、マトリックス樹脂を含浸させながら巻き付けた炭素繊維を積層し、または炭素繊維にマトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維プリプレグを巻き付けて積層する積層工程、次いで、加熱硬化させる硬化工程、冷却後表面を研磨する研磨工程、マンドレルを抜き取った中空構造のロール本体の両端部にジャーナルを取り付け、表面にはカッター刃を取り付けるカッター刃の取付工程を含むことを特徴とする。また、積層工程と硬化工程の間に型締めによる成型工程を含めることができる。積層工程では、マトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維を軸方向に対して略９０度に巻き付けて積層した後、マトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維を軸方向に対して一定の角度を付けて巻き付けて積層し、このように軸方向に対して略９０度に巻き付けた層と一定の角度を付けて巻き付けた層とを複数回繰り返して積層することが好ましい。また、積層工程では、マトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維を軸方向に対して一定の角度を付けて積層した後、マトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維を略９０度に巻き付けて積層し、このように軸方向に対して一定の角度を付けて巻き付けた層と略９０度に巻き付けた層とを複数回繰り返して炭素繊維の層を形成してもよい。前記ロール本体の炭素繊維層の肉厚は、３５〜５５ｍｍ、好ましくは４０〜４８ｍｍとする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明に係る炭素繊維強化プラスチック製カッターロールは、軽量でかつ慣性モーメント（ＧＤ２）が小さいために、駆動エネルギーが少量でよいとともに、ランニングコストの低減を図ることができる。また、軽量でかつ慣性モーメント（ＧＤ２）が小さいために、ラインのスピードアップによる高速化を図ることができる。
また、この発明に係る炭素繊維強化プラスチック製カッターロールの製造方法によれば、加熱硬化後にマンドレルを抜き取って中空構造のロール本体を得るようにしたから、炭素繊維層のみによる軽量な中空構造のロール本体を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に、この発明に係る炭素繊維強化プラスチック製カッターロールの実施形態について詳細に説明する。図１及び図２に示すように、カッターロール１は、マトリックス樹脂を含浸させながら巻き付けて積層した炭素繊維の層２の内部を中空３としたロール本体４の両端部にジャーナル５を取り付けると共に、ロール本体４の表面には軸方向にカッター刃６を取り付けてなる。この実施形態では、ロール表面に平らな平面部７を軸方向に対して平行に設けた略小判型断面のロール本体４について説明したが、ロール本体の断面形状は種々に変形させることができる。例えば、断面が円形である場合の他、断面が正三角形のもの、正方形のもの、正五角形のもの等とすることができる。この場合、カッター刃６は、いずれも断面で頂点の位置に取り付けられる。
【００１１】
前記炭素繊維の層２は、炭素繊維にマトリックス樹脂を含浸させながら巻き付けて形成してもよいし、あるいは炭素繊維にマトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維プリプレグを巻き付けて形成してもよい。炭素繊維の層２を炭素繊維にマトリックス樹脂を含浸させながら巻き付けて形成する場合には、樹脂を含浸させた炭素繊維を軸方向に対して略９０度に巻き付けて積層した後、樹脂を含浸させた炭素繊維を軸方向に対して一定の角度を付けながら巻き付けて積層し、このように軸方向に対して略９０度に巻き付けた層と一定の角度を付けて巻き付けた層とを交互に複数回繰り返して形成することが好ましい。
【００１２】
カッター刃６の取り付け構造は、特に限定されるものではなく公知の構造によって取り付ければよい。例えば、図２に示すように、一対の略Ｌ字形カッターホルダー７ａ，７ｂをロール本体４の外周面上に対向状に固定し、これらのカッターホルダー７ａ，７ｂ間にカッター刃６を介装する取り付け構造とすることができる。この場合には、前記一対の略Ｌ字形カッターホルダー７ａ，７ｂは、ロール本体４の外周面上に接着剤を用いて接着すると共に、ボルト９によって固定することが好ましい。ボルト９だけではなく接着剤を用いることによって一層強固に固定することができると共に、ボルト９の数を減らすことができる。
【００１３】
次に、この発明に係る炭素繊維強化プラスチック製カッターロールの製造方法の実施形態について詳細に説明する。この発明に係るカッターロールの製造方法は、図３に示すように、マトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維を巻き付けて炭素繊維の層２を形成する積層工程１０と、ロール本体の外周面の形状を整える成型工程２０と、加熱炉による硬化工程３０と、表面を平滑にする研磨工程４０と、カッター刃の取付工程５０とからなる。
【００１４】
積層工程１０では、まず、ロール本体の外面形状に応じたマンドレル１１を用意する。図４は、図１及び図２に示すロール本体４を成形するためのマンドレル１１を示し、、軸方向に対して平面部１１ａ，１１ａが平行に設けられ、ジャーナル１１ｂには前記平面部１１ａ，１１ａと同一方向に、後述する押し型を固定するための穴１１ｃが穿設されている。前記構成のマンドレル１１は、外径寸法が１９０ｍｍ、長さ寸法が１５００ｍｍである。この実施形態では、炭素繊維にマトリックス樹脂を含浸させながらマンドレルに巻き付けて炭素繊維の層を形成するフィラメントワインディング製法に基づいている。
【００１５】
積層工程１０では、ボビン１２から炭素繊維を引き出し、マトリックス樹脂含浸装置１３によって樹脂を含浸させながらマンドレル１１に巻き取られる。ボビン１２は、５列三段に配列されており、炭素繊維は一対の引き出しロール１４によって引き出されて１本にまとめられる。この実施形態では、炭素繊維としてピッチ系炭素繊維である三菱化学産資製のダイヤリードＫ６３７１２（商品名）を使用した。前記マトリックス樹脂含浸装置１３は、図５に示すように、樹脂槽１３ａ内の樹脂に直径の２分の１以下、好ましくは３分の１程度を浸漬する付着ロール１３ｂを配設することによって構成されている。
【００１６】
前記マトリックス樹脂含浸装置１３とマンドレル１１との間には、炭素繊維を前記付着ロール１３ｂに押し付ける押付ロール１５、ガイドロール１６が配設されている。前記樹脂槽１３ａ内の樹脂には、電気絶縁用エポキシ樹脂としてハンツマン・アドバンストマテリアルズ社製のアラルダイトＣＹ１７９（商品名）１００重量部に対して、硬化剤としてアラルダイトＨＹ９１７（商品名）を１１５重量部、促進剤としてアラルダイトＤＹ０７０（商品名）を０．８重量部混合したものを使用した。
マトリックス樹脂としては、前記エポキシ樹脂の他に、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等を使用することができる。
【００１７】
前記構成によって、ボビン１２から繰り出された炭素繊維は、引き出しロール１４によって引き出されて付着ロール１３ｂに接触しながらマンドレル１１に巻き取られる。付着ロール１３ｂは炭素繊維の巻き取り速度とほぼ同調して回転しており、樹脂槽１３ａ内の樹脂を付着させる。マンドレル１１への炭素繊維の巻き取りは次のようにして行った。
【００１８】
まず、第１ステップでは、軸方向に対して９０度方向に６プライ巻き付け、その上に軸方向に対して２０度傾けたヘリカル巻きを４プライ巻き付け、第２ステップでは、軸方向に対して９０度方向に４プライ巻き付け、その上に軸方向に対して１２度傾けたヘリカル巻きを４プライ巻き付け、第３ステップでは、第２ステップと同様とし、第４ステップでは、軸方向に対して９０度方向に４プライ巻き付け、その上に軸方向に対して１５度傾けたヘリカル巻きを４プライ巻き付けた。このようにして、炭素繊維の層を形成した中間ロール体１ａを得た。前記中間ロール体１ａの外径寸法は２８２ｍｍであった。この場合、先に炭素繊維を軸方向に対して一定の角度を付けながら巻き付けて積層し、その後に炭素繊維を軸方向に対して略９０度に巻き付けて積層してもよいが、先に炭素繊維を軸方向に対して略９０度に巻き付けて積層した方が、中間ロール体１ａからマンドレル１１を引き抜く際の抵抗が小さいため、マンドレル１１に接する炭素繊維が挫屈するおそれがない。
【００１９】
次の成型工程２０では  平面部１１ａ，１１ａを平行に成型するために、図６及び図７に示す押し型２１を用いた。尚、押し型は、図示する実施形態に限定されるものではなく、ロール本体の外面形状に応じて変更されることは当然である。
【００２０】
押し型２１は、平面部を成型する押圧板２２、２２と、前記押圧板２２、２２を固定するとともに、マンドレルのジャーナルに取り付けられる連結板２３とからなる。前記押圧板２２、２２は、長尺板２２ａの両端部にリブ２２ｂ、２２ｂを直角に立設した断面凹状であって、長尺板２２ａの両端部にボルト挿通用の長孔２２ｃが穿設されている。一方、連結板２３は、２つに分割された分割片２３ａと分割片２３ｂとからなり、それぞれの分割片の突き合わせ面にはジャーナル１１ｂを挟持するための凹部２４が設けられている。
【００２１】
前記分割片２３ａ、２３ｂの上下面には、ボルトと螺合するネジ穴２５が穿設されており、分割片２３ａの側面には反対の突き合わせ面に貫通する貫通孔２６が設けられている。一方の分割片２３ｂの凹部２４にはジャーナル１１ｂの穴１１ｃに挿入されるピン２７が突設されており、前記貫通孔２６と対向する面にボルトを螺合するネジ穴２８が穿設されている。
【００２２】
上記構成に係る押し型２１を用いるには、分割片２３ｂのピン２７をジャーナル１１ｂの穴１１ｃに嵌入するとともに、分割片２３ａを分割片２３ｂに突き合わせて凹部２４でジャーナル１１ｂを挟持し、ボルト２９ａを貫通孔２６に挿入して先端部をネジ穴２８に螺合することによって一体に組み立てる。ピン２７がジャーナル１１ｂの穴１１ｃに嵌入しているから、連結板２３は回動することなく、一体に取り付けられている。
【００２３】
次いで、押圧板２２を前記連結板２３の上下面に対峙させて両端部の長孔２２ｃからボルト２９ｂを挿入させてネジ孔２５と螺合させて緊締すればよい。押圧板２２は、連結板２３に平行に固定されており、しかも連結板２３自体は回動することがないから、中間ロール体１ａの表面に平行な平面部を成型することができる。
【００２４】
硬化工程３０は、前記押し型２１で型締めされた中間ロール体１ａを加熱硬化炉３１で硬化させる。加熱硬化炉３１での硬化は、約１時間かけて８０℃まで上げて約４時間加熱した後、さらに１時間かけて１４０℃まで上げて約４時間加熱し、その後加熱硬化炉３１から取り出して自然冷却した。冷却後、押し型を取り外し、中間ロール体１ａを得た。
【００２５】
次に、中間ロール体１ａは研磨工程４０に移される。中間ロール体１ａの表面は、均一な平滑面ではないために、表面を研磨加工することが必要である。研磨後は、表面の炭素繊維が脱落するおそれがあり、表面をコーティングすることが好ましい。表面のコーティングは、炭素繊維に含浸させたマトリックス樹脂をそのまま用いてもよいし、マトリックス樹脂にフッ素系パウダーやシリコーン樹脂を混ぜて紙粉がカッターロール表面に付着し難くしたり、マトリックス樹脂にセラミックス系パウダーを混ぜてカッターロール表面の耐磨耗性を向上させることも可能である。実施形態では、エポキシ樹脂をコーティングした。この種のカッターロールに要求される曲げ弾性率が２００ＧＰａであるのに対して、この発明に係る炭素繊維強化プラスチック製カッターロールの製造方法によって得られたロール本体４の曲げ弾性率は２２０ＧＰａであった。
【００２６】
最後に、カッター刃の取付工程５０でカッター刃６を取り付ければよい。このカッター刃の取付工程５０では、カッター刃６を公知の手段によって取り付ければよく、特に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この発明に係る炭素繊維強化プラスチック製カッターロールの正面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】製造工程を示す説明図である。
【図４】マンドレルの斜視図である。
【図５】製造工程中における積層工程を示す説明図である。
【図６】成型工程における押し型の組立状態を示す側面図である。
【図７】成型工程における押し型の分解した状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００２８】
１：カッターロール
２：炭素繊維の層
３：中空
４：ロール本体
５：ジャーナル
６：カッター刃
７ａ，７ｂ：カッターホルダー
９：ボルト
１０：積層工程
１１：マンドレル
１１ｂ：ジャーナル
１１ｃ：穴
１２：ボビン
１３：マトリックス樹脂含浸装置
１４：引き出しロール
１５：押付ロール
１６：ガイドロール
２０：成型工程
２１：押し型
２２：押圧板
２３：連結板
３０：硬化工程
４０：研磨工程
５０：カッター刃の取付工程
【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６】
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【図７】
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