(57)【要約】【課題】  炭素繊維パッケージから引き出された炭素繊維束を、擦れ、折れ畳みを防ぎつつ方向転換させて整列させることができるクリール装置を提供する。【解決手段】  複数個の炭素繊維パッケージが装架される架台と、前記複数個の炭素繊維パッケージから引き出される炭素繊維束が一方向に引き揃えられるように、引き出される炭素繊維束の進行方向を転換する方向転換ガイドロールと、該方向転換ガイドロールを介して搬送される炭素繊維束を整列させる整列ガイドロールとを備え、前記方向転換ガイドロールは、前記複数個の炭素繊維パッケージ毎に配置され、該炭素繊維パッケージにおける炭素繊維束巻き量変化による引き出し位置の変動に対応して軸心が傾動して炭素繊維束を案内するように構成されているクリール装置とする。【選択図】  図２
2006348390.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の炭素繊維パッケージが装架される架台と、前記複数個の炭素繊維パッケージから引き出される炭素繊維束が一方向に引き揃えられるように、引き出される炭素繊維束の進行方向を転換する方向転換ガイドロールと、該方向転換ガイドロールを介して搬送される炭素繊維束を整列させる整列ガイドロールとを備え、前記方向転換ガイドロールは、前記炭素繊維パッケージにおける炭素繊維束巻き量変化による引き出し位置の変動に対応して軸心が傾動して炭素繊維束を案内するように構成されていることを特徴とするクリール装置。
【請求項２】
前記整列ガイドロールは、任意に駆動運転できる強制駆動手段を有し、かつ、前記方向転換ガイドロールを介して搬送されてくる炭素繊維束の進入角度を調整できるように軸心を傾動させる機能を備えていることを特徴とする請求項１に記載のクリール装置。
【請求項３】
前記方向転換ガイドロールは、軸心を±１０°の範囲で傾動させることにより炭素繊維束の進入角度の変動を±７°の範囲で吸収するとともに、炭素繊維束の進行方向を９０°〜１３０°の範囲内で転換し、前記整列ガイドロールは、軸心を±１０°の範囲で傾動させることにより方向転換ガイドロールを介して搬送されてくる炭素繊維束の進入角度の変動を±５°の範囲で吸収し、さらに、炭素繊維束の搬送速度をＳとしたとき、ロール表面の回転速度Ｕが次式で示す範囲となるように駆動回転するものであることを特徴とする請求項１または２に記載のクリール装置。
−１／２Ｓ≦Ｕ≦３／２Ｓ
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のクリール装置と、該クリール装置の下流側に設けられた、炭素繊維束をシートに引き揃える手段と、引き揃えられた炭素繊維束のシートに樹脂を含浸させる手段とを備えていることを特徴とするプリプレグの製造装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の装置を用い、炭素繊維パッケージから炭素繊維束を引き出して一方向に引き揃えシートを形成し、該シートに樹脂を含浸して硬化させることで一方向性プリプレグを製造することを特徴とするプリプレグの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数個の炭素繊維パッケージから炭素繊維束を引き出し、一方向に互いに並行かつシート状に引き揃えるのに好適なクリール装置と、そのクリール装置を用いた一方向性プリプレグの製造装置および製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）の成形に用いられる一方向性プリプレグは、炭素繊維等の強化繊維束が巻かれた多数のパッケージから強化繊維束を引き出し、一方向に互いに並行かつシート状に引き揃え、樹脂を含浸することによって製造する。炭素繊維束を引き出すガイドロールや整列部を設けたクリール装置は、そのような一方向性プリプレグを製造するような場合に用いられる。
【０００３】
クリール装置としては、複数個の炭素繊維パッケージが装架される架台を有し、パッケージ軸が炭素繊維束の最終的な進行方向（引き揃え方向）に対して直交するようにパッケージを装架して炭素繊維束をまっすぐに引き出すものや、パッケージ軸が炭素繊維束の最終的な進行方向に対して４５°になるように炭素繊維パッケージを配置し、斜め方向あるいは最終的な進行方向（引き揃え方向）に対して直交する方向に炭素繊維束を引き出した後、炭素繊維束を方向転換させて引き揃えるものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
たとえば特許文献１に記載のクリール装置は、２本の方向転換ガイドをクリール架台に対して線対称に進出自在に設けている。しかしながら、このように２本の方向転換ガイドを進出自在に設けるということは、これらガイドを退避させるスペースが必要ということになり、このような機能がないクリール装置で行うことができた空きスペースでの作業ができないということになる。そして、作業スペースが狭くなるため生産性に劣るという問題がある。また、特許文献１に記載のクリール装置において、方向転換ガイドは進出自在であるが、各ガイドロールは傾動せず軸心角度が固定されている。したがって、炭素繊維束の巻き量が変化して引き出し位置が変動すると、炭素繊維束は方向転換ガイドロールの鍔部分で擦れたり、折れ畳まれたりして糸束幅の変動が大きくなるという問題がある。
【０００５】
さらに、クリール装置としては、複数個の炭素繊維束パッケージが装架される架台を有し、複数個の炭素繊維パッケージを炭素繊維引き出し方向からみて左右に階段状になるように、かつ、上下方向に隣り合う炭素繊維パッケージが互いに半分ずつオーバーラップするようにしたものも提案されている（たとえば、特許文献２参照）。このクリール装置は、たとえば一方向に引き揃えられる炭素繊維束群の延長線上に配置することが提案されているが、そのように配置することは設置スペースの問題から一般的でない。また、幅広の製品を製造する場合にはクリール装置を並設させる必要があるが、並設したクリール装置の幅方向中央部において運転中に一つの炭素繊維パッケージがなくなり交換が必要になった場合などには、その炭素繊維パッケージの設置場所に到達するために並設しているクリール装置までも停機しなければならず、生産性が劣る。仮に運転したままクリール装置を退避させると、コーム（コームピン）への炭素繊維束振り角が大きくなりコームでの炭素繊維束の擦過、捻れが発生する。さらに、一方向性プリプレグを製造するには複数個（約４０〜８００本）の炭素繊維パッケージを使用するのが一般的であるが、このような場合に前記クリール装置を適用して一方向性プリプレグを製造すると、引き出された炭素繊維束の重なりが生じ、炭素繊維束の毛羽、糸傷みが発生する問題がある。
【特許文献１】特開２００４−９９２２６号公報
【特許文献２】特開２００２−２００３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、上述した従来のクリール装置の上記問題点を解決し、炭素繊維パッケージから引き出された炭素繊維束を、擦れ、折れ畳みを防ぎつつ方向転換させ整列させることができるクリール装置と、そのクリール装置を用いたプリプレグの製造装置および製造方法とを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。すなわち、
（１）複数個の炭素繊維パッケージが装架される架台と、前記複数個の炭素繊維パッケージから引き出される炭素繊維束が一方向に引き揃えられるように、引き出される炭素繊維束の進行方向を転換する方向転換ガイドロールと、該方向転換ガイドロールを介して搬送される炭素繊維束を整列させる整列ガイドロールとを備え、前記方向転換ガイドロールは、前記炭素繊維パッケージにおける炭素繊維束巻き量変化による引き出し位置の変動に対応して軸心が傾動して炭素繊維束を案内するように構成されていることを特徴とするクリール装置。
（２）前記整列ガイドロールは、任意に駆動運転できる強制駆動手段を有し、かつ、前記方向転換ガイドロールを介して搬送されてくる炭素繊維束の進入角度を調整できるように軸心を傾動させる機能を備えていることを特徴とする上記（１）に記載のクリール装置。
（３）前記方向転換ガイドロールは、軸心を±１０°の範囲で傾動させることにより炭素繊維束の進入角度の変動を±７°の範囲で吸収するとともに、炭素繊維束の進行方向を９０°〜１３０°の範囲内で転換し、前記整列ガイドロールは、軸心を±１０°の範囲で傾動させることにより方向転換ガイドロールを介して搬送されてくる炭素繊維束の進入角度の変動を±５°の範囲で吸収し、さらに、炭素繊維束の搬送速度をＳとしたとき、ロール表面の回転速度Ｕが次式で示す範囲となるように駆動回転するものであることを特徴とする上記（１）または（２）に記載のクリール装置。
【０００８】
−１／２Ｓ≦Ｕ≦３／２Ｓ
（４）上記（１）〜（３）のいずれかに記載のクリール装置と、該クリール装置の下流側に設けられた、炭素繊維束をシートに引き揃える手段と、引き揃えられた炭素繊維束のシートに樹脂を含浸させる手段とを備えていることを特徴とするプリプレグの製造装置。
（５）上記（１）〜（４）のいずれかに記載の装置を用い、炭素繊維パッケージから炭素繊維束を引き出して一方向に引き揃えシートを形成し、該シートに樹脂を含浸して硬化させることで一方向性プリプレグを製造することを特徴とするプリプレグの製造方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、擦れによる毛羽の発生や折り畳みを防ぎつつ炭素繊維パッケージから炭素繊維束を巻き出すことができ、その結果、炭素繊維束は巻き出されたままの糸幅を保持できる。そして、その炭素繊維束をシート状に引き揃え、樹脂を含浸して一方向性プリプレグを製造すると、毛羽、糸傷み、割れ欠点の少ない一方向性のプリプレグを製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面に示す実施例に基づいて、本発明をさらに詳細に説明する。
【００１１】
図１は、本発明のクリール装置の一例を示す概略平面図である。この装置には、炭素繊維パッケージ１から引き出される炭素繊維束２の進行方向を転換する方向転換ガイドロール３と、方向転換ガイドロール３を介して搬送される複数本の炭素繊維束２を所定間隔に整列させる整列ガイドロール４とが設けられている。方向転換ガイドロール３は炭素繊維パッケージ毎に対応して配置されている。さらに図１には、後述するプリプレグ製造装置における引き揃え手段の一部、すなわち引き揃えロール８と炭素繊維束２の引き揃えピッチを整えるコ−ム５と炭素繊維束２の高さを揃える搬送ロール６も示されている。
【００１２】
炭素繊維束２は、炭素繊維パッケージ１から引き出され、方向転換ガイドロール３によって案内走行されながら方向転換し、整列ガイドロール４に搬送されて他の炭素繊維パッケージから引き出された炭素繊維束２と共に整列させられ、さらに引き揃えロール８を介してコーム５に導かれ、コーム５のコームピンによって炭素繊維ピッチが揃えられる。そして、搬送ロール６にて、均等に配置された炭素繊維束の高さも揃えられ、糸条群７となり次工程に搬送される。
【００１３】
ここで、方向転換ガイドロール３は、炭素繊維パッケージ１における炭素繊維束２の巻き量変化によって変動する引き出し位置に対応してその軸心が傾動するように構成されている。図２に、図１のクリール装置における方向転換ガイドロール３の概略立面図を示す。この図は、炭素繊維パッケージ１における炭素繊維束２（2a,2b）の引き出し位置に対応して方向転換ガイドロール３の軸心が傾動する様子を例示している。また、図３に、炭素繊維束２（2a,2b）の引き出し位置によって方向転換ガイドロール３への進入角度が変動する様子（方向転換ガイドロール３が傾動しない場合）を示す。
【００１４】
図２に示すように、方向転換ガイドロール３は、たとえば炭素繊維パッケージ１の巻き量変化によって変動する引き出し位置に対応して軸心の傾きθ１、θ２が±１０°の範囲で変動するように傾動し、図３に示すような炭素繊維束２の方向転換ガイドロールへの進入角度θ３、θ４の変動を±７°の範囲で吸収する。なお、炭素繊維束２の方向転換ガイドロールへの進入角度θ３、θ４は、最大径パッケージの炭素繊維束巻き出し位置と最小径パッケージの炭素繊維束巻き出し位置と方向転換ガイドロールの軸心中央部とでできる角を２分する線を０度（これに垂直な線をθ１、θ２の０度）とした場合の、炭素繊維束の方向転換ガイドローラ軸心中央部への入射角度である。
【００１５】
この結果、方向転換ガイドロール３上での炭素繊維束２の走行位置が一定になり、炭素繊維束２はたとえば方向転換ガイドロール３の中心部をたえず走行することができる。方向転換ガイドロール３の軸心の傾き角度θ１、θ２が±１０°の範囲を越えると炭素繊維束２が転がり易く、方向転換ガイドロール３の鍔部分に接触して、捻れるといった問題が発生しやすい。そしてその場合、炭素繊維束２が折れ畳まれ、糸束幅変動が生じるので好ましくない。また、方向転換ガイドロール３の±１０°の範囲の傾動角度に対し、炭素繊維束２の方向転換ガイドロールへの進入角度θ３、θ４は炭素繊維巻き量変化による引き出し位置で変動するが、この角度が±７°の範囲を外れると方向転換ガイドロール３の鍔への当たりが発生し易く、その場合炭素繊維束２の傷つきや毛羽立ちが生じるので好ましくない。
【００１６】
そして、本発明においては、図１に示す実施形態において整列ガイドロール４を図４に示すようなものに変更することも好ましい。図４は、軸心を傾動させる機能を有する整列ガイドロール４を設けたクレール装置の概略平面図であり、整列ガイドロール４の軸心が傾動する様子と、整列ガイドロール４に対して炭素繊維束の進入角度が変化する様子（整列ガイドロール４が傾動しない場合）を示している。図４に示すように、方向転換ガイドロール３を介して搬送されてくる複数本の炭素繊維束２を整列させる整列ガイドロール４では、軸心角度θ５、θ６を変動させることにより、方向転換された炭素繊維束２の進入角度θ７、θ８の変動を吸収することができる。その結果、炭素繊維束２の糸幅をより均等に保持した状態で整列させることができる。
【００１７】
ここで整列ガイドロール４は、炭素繊維束２の進入角度が±５°の範囲内で変動するのを吸収するように、ロール面を±１０°の範囲で傾動できる機能があれば、糸幅のバラツキが小さくなるので、より好ましい。この炭素繊維束２の進入角度及び軸心の角度は、例えば図４の場合で、炭素繊維束の進入角度θ７が０〜５°変化する時、θ８が０〜−５°変化することを意味し、整列ガイドロール４の軸心角度θ５が０〜１０°に変化する時、他の整列ガイドロール４の軸心角度θ６が０〜−１０°変化することを意味する。なお、炭素繊維束２の整列ガイドロールへの進入角度θ７、θ８は、整列ガイドロールの軸心を糸条群の進行方向（図１における各炭素繊維束２の進行方向ではなく糸条群７となったときの最終的な進行方向）に対して垂直に配置し、さらにそれに垂直な線を０度とした場合の、炭素繊維束の整列ガイドロールへの入射角である。
【００１８】
更に、整列ガイドロール４がフリーロールであって駆動回転しない場合、ロール面と炭素繊維束２間で擦れが生じ、張力変動などにより炭素繊維が転がるといった問題が生じる場合がある。ロール面で炭素繊維束２が転がると隣り合う炭素繊維束２が重なり、毛羽、糸傷みが発生し炭素繊維束２の走行位置が安定しない。そこで、整列ガイドロール４に任意に駆動運転できる強制駆動手段を設け、炭素繊維束２に動摩擦力（滑り）を付与、コントロールすることで、ロール面と炭素繊維束２との擦れを防ぐことが好ましい。
【００１９】
さらに、整列ガイドロール４は、炭素繊維束２の搬送速度をＳとしたとき、そのロール表面の回転速度Ｕ度が次の範囲となるように駆動回転するのが好ましい。
【００２０】
−１／２Ｓ≦Ｕ≦３／２Ｓ
整列ガイドロール４は、ロール表面の回転速度Ｕが炭素繊維束２の搬送速度Ｓの１．５倍超、すなわちＵ＞（３／２）Ｓになると、動摩擦力が大きくなるので、炭素繊維束２が擦過され毛羽が発生しやすく、また、回転速度Ｕが逆回転で、搬送速度Ｓの１／２未満、すなわちＵ＜（−１／２）Ｓになると、急激に毛羽が発生しやすくなる
本発明において炭素繊維束２としては、たとえばポリアクリロニトリル系やピッチ系などのフィラメント数１，０００〜１００，０００本の炭素繊維束を用いることができる。特に、フィラメント数が３，０００〜７０，０００本の炭素繊維束に適用することで、従来の方法では得ることが難しい走行糸幅の安定したものがクリール装置から引き出され、後述するような次工程に搬送できる。
【００２１】
図５に、本発明のクリール装置を組み込んだ一方向性プリプレグの製造装置の概略立面図を示す。図５に示す一方向性プリプレグの製造装置は、上述のクリール装置２０と、複数本の炭素繊維束をシート状に引き揃える引き揃え手段３０と、シート状に引き揃えられた炭素繊維束に樹脂を含浸させる樹脂含浸手段４０とを備えている。引き揃え手段３０は、炭素繊維束２をシート状に引き揃える引き揃えロール８と、炭素繊維束２の引き揃えピッチを整えるコ−ム５と、炭素繊維束２の高さを揃える搬送ロール６と、各炭素繊維束２に付着しているサイジング剤を軟化するためのヒータ９などから構成されている。また、樹脂含浸手段４０は、シートになった炭素繊維束糸条群７を挟み込む離型紙を導入するための導入ロール１２と、離型紙に付着していたマトリクス樹脂を軟化するためのヒータ１３と、軟化したマトリクス樹脂を炭素繊維束糸条群７に転移、含浸させるための転移ロール１４と、上側の離型紙を除去するための導出ロール１５などから構成されている。
【００２２】
このプリプレグ製造装置において、クリール装置２０から引き出された炭素繊維束２は、引き揃えロール８でシート状に引き揃えられ、コ−ム５で炭素繊維束ピッチが揃えられる。その後、複数個の搬送ロール６で高さを揃えられた炭素繊維束糸条群７は、ヒータ９で各炭素繊維束２に付着していたサイジング剤が軟化させられ、導入ロール１２に通される。そして、マトリクス樹脂を塗布した２枚の離型紙１０、１１で上下から挟み込まれ、ヒータ１３で予熱された後、転移ロール１４で離型紙上のマトリクス樹脂が炭素繊維束糸条群７に転移、含浸される。その後、導出ロール１５を通り上側の離型紙１０が除去され、一方向性プリプレグが下紙の離型紙１１と共に巻きとられ一方向性プリプレグのロール体１６となる。
【実施例】
【００２３】
＜実施例１＞
図１に示したクリール装置を用い、東レ（株）製トレカ（登録商標）Ｔ７００ＳＣ−１２Ｋ（フィラメント数１２０００本）で、糸幅が約７ｍｍの扁平状炭素繊維束を案内した。
【００２４】
なお、方向転換ガイドロールには、図２に示す傾動機構を付与したものを使用し、整列ガイドロールには、図４に示す傾動および駆動回転できるロールを用いた。使用した炭素繊維パッケージ１は巻き量が少なく、図２の２ａで示した糸道に近い状態であり方向転換ガイドロール３への進入角度（図３に示すように方向転換ガイドロール３が傾動しない場合）はおよそ５°であった。方向転換ガイドロール３は傾動角度が±１０°の範囲で変わるものを使用し、整列ガイドロール４の駆動回転速度は５ｍ／分とした。また、炭素繊維束の搬送速度は１０ｍ／分とした。
【００２５】
そして、整列ガイドロール４からコーム５までの間で、整列ガイドロール４で整列された炭素繊維束２の幅をレーザー透過型の糸幅測定器にてサンプリング周期１ｓで１０分間（測定数ｎ＝６００）測定した。その結果、炭素繊維束２の幅の標準偏差は０．３９であり、幅平均値は７．１ｍｍであった。また、幅の標準偏差を幅平均値で除して１００倍した炭素繊維束２の幅のバラツキは５．５％であった。
＜実施例２＞
巻き量の多い炭素繊維パッケージ１を使用した以外は実施例１と同様にして炭素繊維束２を搬送し（図２の２ｂで示した糸道に近い状態）、整列された炭素繊維束２の幅を測定した。なお、炭素繊維束２の方向転換ガイドロール３への進入角度はおよそ−５°であった。
【００２６】
整列ガイドロール４で整列された炭素繊維束２の幅の標準偏差は０．４１であり、幅平均値が７．３ｍｍであった。また、幅の標準偏差を幅平均値で除して１００倍した炭素繊維束２の幅のバラツキは５．６％であった。
＜実施例３＞
整列ガイドロールの駆動回転速度を−２ｍ／分（逆回転）した以外は、実施例１と同様にして炭素繊維束２を搬送し、整列された炭素繊維束２の幅を測定した。
【００２７】
その結果、炭素繊維束２の幅の標準偏差は０．４０であり、幅平均値は７．５ｍｍであった。また、幅の標準偏差を糸幅平均値で除して１００倍した炭素繊維束２の幅のバラツキは５．３％であった。
＜比較例１＞
方向転換ガイドロール３の傾動機構を取り外し、このロールを図３に示すように固定した以外は、実施例１と同様にして炭素繊維束を搬送し、整列された炭素繊維束２の幅を測定した。
【００２８】
その結果、炭素繊維束は方向転換ガイドロール３の鍔へ当たって幅が変化してしまい、幅の標準偏差が０．７１に増加し、幅平均値も６．５ｍｍであった。また、幅の標準偏差を幅平均値で除して１００倍した炭素繊維束２の幅のバラツキは１０．９％であった。
＜比較例２＞
方向転換ガイドロール３の傾動機構を取り外し、このロールを図３に示すように固定するとともに、整列ガイドロール４をフリーロールとした以外は、実施例１と同様にして炭素繊維束２を搬送し、整列された炭素繊維束２の幅を測定した。
【００２９】
その結果、炭素繊維束２の幅の標準偏差は０．６１であり、幅平均値は６．０ｍｍであった。また、幅の標準偏差を幅平均値で除して１００倍した炭素繊維束２の幅のバラツキは１０．２％であった。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態に係るクリール装置の概略平面図である。
【図２】図１のクリール装置における方向転換ガイドロール３を示す概略立面図である。
【図３】固定された方向転換ガイドロールへの炭素繊維束の入角を示す概略立面図である。
【図４】本発明の他の実施形態を示す、傾動機構を有する整列ガイドロールを備えたクリール装置の概略平面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る一方向性プリプレグの製造装置を示す概略立面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１：炭素繊維パッケージ
２：炭素繊維束
２ａ：小巻パッケージの引き出し位置
２ｂ：太巻パッケージの引き出し位置
３：方向転換ガイドロール（フリー回転ロール）
４：整列ガイドロール（駆動回転ロール）
５：コーム
６：搬送ロール
７：炭素繊維束糸条群
θ１、θ２：方向転換ガイドロールの軸心の傾動角
θ３、θ４：固定された方向転換ガイドロールへの炭素繊維束の入角
θ５、θ６：整列ガイドロールの軸心の傾動角
θ７、θ８：整列ガイドロールへの炭素繊維束の入角
８：引き揃えロール
９：ヒータ
１０：上紙離型紙
１１：下紙離型紙
１２：導入ロール
１３：ヒータ
１４：転移ロール
１５：導出ロール
１６：一方向性プリプレグのロール体
２０：クリール装置
３０：引き揃え手段
４０：樹脂含浸手段
【図１】
2006348390.tif 000003
【図２】
2006348390.tif 000004
【図３】
2006348390.tif 000005
【図４】
2006348390.tif 000006
【図５】
2006348390.tif 000007