(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
線材をコイル巻線として巻き取り機で巻き取るにあたって、巻き取りテンションを均一になるよう制御して巻き取る方法であって、前記線材を、磁場を印加することによって粘性が変化する磁気粘性流体中に走行せしめて巻き取るとともに、前記磁気粘性流体を通過した後の走行する線材のテンションを検出して、その検出したテンション値により、前記磁気粘性流体に印加する磁場を変化せしめて磁気粘性流体の粘性を制御して、前記線材の巻き取りテンションを均一に制御することを特徴とするコイル巻線用テンション制御方法。
【請求項２】
磁気粘性流体はスポンジ等の多孔質材に含浸せしめてなることを特徴とする請求項１記載のコイル巻線用テンション制御方法。
【請求項３】
線材をサーボモータで駆動する巻き取り機にコイル巻線として均一なテンションで巻き取るコイル巻線用のテンション制御装置であって、線材が巻き取り機に向け走行する線材走行路を有する磁気粘性流体を貯液した貯液槽に磁場を印加する電磁石を配してなる磁気粘性流体ブレーキ装置と、磁気粘性流体ブレーキ装置を走行した後の線材の走行テンションと線速を検出する検出器と、該検出した線速とテンション値を入力して、所定の設定テンションにすべき信号を発信する制御器と、該制御器よりの信号を受信して、それに相応した適切な磁場を前記磁気粘性流体ブレーキ装置の電磁石に印加せしめる磁場発生装置とよりなり、付与する磁場を適宜変化せしめて前記磁気粘性流体の粘性を適正に制御して、該磁気粘性流体中を走行する線材の走行を制動し、巻線の線材のテンションを前記設定テンションに制御することを特徴とするコイル巻線用テンション制御装置。
【請求項４】
磁気粘性流体はスポンジ等の多孔質材に含浸せしめてなることを特徴とする請求項３記載のコイル巻線用テンション制御装置。
【請求項５】
制御器がＰＩＤ（比例−積分−微分）制御であることを特徴とする請求項３記載のコイル巻線用テンション制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電線等の線材をコイル巻線に巻き取るに当たって、巻線を所望する一定のテンションに制御する、コイル巻線用テンション制御方法と装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電線等の線材を巻き取り機によりコイル巻に巻く場合、整列巻であるため線材は一定のテンション（張力）で巻き取る必要がある。そして、この巻線のテンションの制御には、従来、巻き取る線材をプーリーを介して走行せしめ、そして線材を巻き付けたこのプーリーを機械的な摩擦ブレーキやヒステリシスブレーキを利用して制動し、走行する線材に制動力を与えて、線材にテンションを付与する装置が多用されている。しかし、これらの装置では、原理的にプーリー等の回転体の慣性モーメントが系に存在するために、テンションのリアルタイム制御が困難で、巻線の走行線速の急激な変化に対しては、その回転体を線材で加・減速するためにテンションの変動が顕著になることが必然的であるとの問題あった。
又、巻き取り線中はテンションが一定となっていることから、非円形コイルの場合には、回転経が時々刻々変化するため、テンション変動は避けることが出来ず、滑らかな巻線作業が困難となる等の問題があった。
【０００３】
又、安定したテンション値を得るための装置として、サーボモータを使用して線材を繰り出して、巻線作業工程を［巻始め時加速］−［定速巻き取り］−［巻終わり減速］の状態にして全工程を操業するようにしたサーボモータ使用の巻線テンション制御装置も使用されている。しかし、この装置では、工程開始、中間時、終了時の３工程のそれぞれの工程に伴う制御であって、きめ細かい制御は困難であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した事情に鑑みなされたもので、線材をプーリー等の回転体により制動することにより巻線にテンションを付与すること無く、高速な線速下でのテンションの変動や、線速の変動に起因するテンションの変動を著しく抑制し得て、非円形コイルにおいても安定したテンションで巻き取りを可能にする、制御性が高く、安定したテンション値が得られるコイル巻線用テンション制御方法とその装置を提供することを本発明の解決すべき課題とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決するため、本発明は以下の如き手段を講じたものである。
請求項１に係わる発明として、線材をコイル巻線として巻き取り機で巻き取るにあたって、巻き取りテンションを均一になるよう制御して巻き取る方法であって、前記線材を、磁場を印加することによって粘性が変化する磁気粘性流体中に走行せしめて巻き取るとともに、前記磁気粘性流体を通過した後の走行する線材のテンションを検出して、その検出したテンション値により、前記磁気粘性流体に印加する磁場を変化せしめて磁気粘性流体の粘性を制御して、前記線材の巻き取りテンションを均一に制御するコイル巻線用テンション制御方法としたものである。
請求項２に係わる発明として、磁気粘性流体はスポンジ等の多孔質材に含浸せしめてなる請求項１記載のコイル巻線用テンション制御方法としたものである。
【０００６】
請求項３に係わる発明として、線材をサーボモータで駆動する巻き取り機にコイル巻線として均一なテンションで巻き取るコイル巻線用のテンション制御装置であって、線材が巻き取り機に向け走行する線材走行路を有する磁気粘性流体を貯液した貯液槽に磁場を印加する電磁石を配してなる磁気粘性流体ブレーキ装置と、磁気粘性流体ブレーキ装置を走行した後の線材の走行テンションと線速を検出する検出器と、該検出した線速とテンション値を入力して、所定の設定テンションにすべき信号を発信する制御器と、該制御器よりの信号を受信して、それに相応した適切な磁場を前記磁気粘性流体ブレーキ装置の電磁石に印加せしめる磁場発生装置とよりなり、付与する磁場を適宜変化せしめて前記磁気粘性流体の粘性を適正に制御して、該磁気粘性流体中を走行する線材の走行を制動し、巻線の線材のテンションを前記設定テンションに制御するコイル巻線用テンション制御装置としたものである。
請求項４に係わる発明として、磁気粘性流体はスポンジ等の多孔質材に含浸せしめてなる請求項３記載のコイル巻線用テンション制御装置としたものである。
請求項５に係わる発明として、制御器がＰＩＤ（比例−積分−微分）制御である請求項３記載のコイル巻線用テンション制御装置としたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、電線等の線材を巻き取り機によりコイル状に巻き取るに当たって、印加する磁場の強さによって粘性が変化する磁気粘性流体（Ｍagneto Ｒheolo-gical Ｓuspension、以下「ＭＲ流体」と称す）中に線材を走行せしめて、磁気粘性流体により線材の走行に制動をあたえて、巻き取り機で巻き取る線材のテンションを一定に制御する方法と装置である。
【０００８】
本発明で使用するＭＲ流体は、シリコンオイル等の油を分散媒とし、その中にミクロン規模の粒子寸法の強磁性体粒子をコロイド状に分散させた流体であり、外部から磁場を印加することにより、粘性特性が変化する機能性流体である。
特にその粘性を数ミリ秒のオーダーで可逆的に変化せしめることが出来る特性を有するものである。その変化特性は、磁場印加により降伏せん断応力が変化するビンガム流体に類似した挙動を示し、その誘起降伏せん断応力が大きいのが特徴である。このようなことより、このＭＲ流体をブレーキ装置に活用することで、従来のテンション制御装置にはない、高速応答性と高い制御性を確保し、テンション変動の吸収や緩衝に威力を発揮せしめるようにしたものである。
【０００９】
次に、本発明のコイル巻線用のテンション制御装置について、図１を参照して説明する。図１は本発明のコイル巻線用テンション制御装置を用いたコイル巻線巻き取り装置の系統概略図である。図１において、線材Ｗを素巻きしてある線材ボピン１からの線材Ｗは、複数のローラーｒ1、ｒ2、…、…、ｒ10を介して矢印→に沿って走行し、サーボモーターで回転速度が制御されている巻き取り機２によりコイル状に巻き取られる。そしてその間線材Ｗは、電磁石３で磁場が印加されているＭＲ流体Ｚが充填されている貯液槽４よりなるＭＲブレーキ５の前記ＭＲ流体Ｚ中を走行した後、バックテンションアーム６に支持されてテンションを保持し、次いでテンション・線速検出器７によりテンション（Ｆ）及び線速（ＶW）を計測されて前記巻き取り機２に巻き取られる。そして、線材Ｗは前記ＭＲブレーキ５のＭＲ流体Ｚ中を走行することにより、走行が制動されるようになっている。
【００１０】
このような巻き取り操作で、前記テンション・線速検出器７で計測されたテンション（Ｆ）及び線速（ＶW）は制御器８に送信され、該制御器８は送信されてきたテンション（Ｆ）及び線速（ＶW）の値に基づいて、予め設定しておいた所望する設定テンション値（Ｆ0）と比較して、その設定テンション値（Ｆ0）にするよう制御信号Ｓcを直流電源よりなる磁場発生装置９に送信する。そして、該直流電源よりなる磁場発生装置９は制御信号Ｓcを受信して、それに相当する直流電流ＩAをＭＲブレーキ５の電磁石３に導線１０により印加する。この結果、貯液槽４に貯液されているＭＲ流体Ｚは電磁石３に印加された電流ＩAに相当する磁場で制御された粘性となる。そして、その制御された粘性のＭＲ流体Ｚにより、ＭＲ流体Ｚを走行する線材Ｗが制動されて、線材Ｗのテンション（Ｆ）が所望する設定テンション（Ｆ0）に制御される。
【００１１】
次に、本発明に使用するＭＲブレーキ５について、図２に図示するＭＲブレーキの概略斜視図を参照して説明する。導線１０をコイル巻きした電磁石３はＳ極とＮ極との間に一部空隙３１を有して磁気閉回路を形成している。そして、前記空隙部３１に貯液槽４を配して、該貯液槽４にＭＲ流体Ｚが充填されている。該貯液槽４の両端４ａ、４ｂは線材が貯液槽４に出入走行可能なように開口通路が形成されているとともに、ＭＲ流体Ｚを槽４内に保持するためスポンジの如きシール部材３２が配されていて液密構造となっている。
【００１２】
そして、電磁石３のコイルの導線１０に電流ＩAを流すと空隙部３１に磁場が印加され、該空隙３１に配した貯液槽４に充填したＭＲ流体Ｚが液状から固体状に向け粘性変化する。その粘性変化の程度は、印加される磁場強度によって可変となる。このような状態のＭＲ流体Ｚ中に直接線材Ｗを走行せしめることによって、線材Ｗの表面にＭＲ流体Ｚからのせん断抵抗が働き、線材Ｗの走行に制動がかかるため、印加磁場の強さで線材Ｗのテンション（Ｆ）が制御できる。なお、走行する線材Ｗに、より大きなＭＲ流体Ｚの抵抗を付与せしめてテンションの制御をより精密にするため、ＭＲ流体Ｚ中に線材Ｗを複数回走行せしめると効果的である。又、ＭＲ流体Ｚの貯液槽４への充填態様としては、ＭＲ流体Ｚをそのまま充填する方法と、前記シール部材３２を除いて、スポンジ２枚にＭＲ流体Ｚを含浸せしめて、これら２枚を重ね合わせて装填し、重ね合わせ部を線材Ｗの走行通路としても良い。
【００１３】
更に、制御器８は、テンション・線速検出器７で検出した計測値に基づいて、ＭＲブレーキ５のＭＲ流体Ｚの粘性を変化せしめて、ＭＲ流体Ｚ中を走行する線材Ｗの走行制動を可変して、所望する設定テンション（Ｆ0）に保持するようＰＩＤフィードバックテンション制御系でなっている。即ち、ステップ入力されるテンション（Ｆ）の設定テンション（Ｆ0）に対する応答から、ＰＩＤパラメータ（比例ゲイン、積分時間、微分時間）を調節して、それらの最適値を求めて、制御信号Ｓcを直流電源よりなる磁場発生装置９に送信するものである。
【００１４】
なお、制御器８としてテンションのＰＩＤフィードバック制御を用いた例について説明したが、更に、線材Ｗの速度ＶWや加速度、テンション等の多変数をフィードバックする、より高度な制御系を用いると、なお一層精密なコイル巻線の線材Ｗのテンション制御をすることが出来る。
【００１５】
【実施例】
上記した、本発明のコイル巻線用テンション制御装置を使用して線材Ｗのテンションの制御性能について、実施例１で検証した。
＜実施例１＞
図１に図示した本発明のＭＲブレーキ５を使用したコイル巻線用テンション制御装置により、その制御性能の評価を行った。装置の主たる仕様諸元は以下の通りである。
【００１６】
（主たる仕様諸元）
・コイル巻き取り機２は巻線の線速度の変動が必然的に生ずる５角形の非円形コイルを使用した。
・使用した線材Ｗの線径ｄ＝０．２１ｍｍ
・平均線速ＶW＝０.２８ｍ／ｓｅｃ
・ＭＲ流体Ｚは、ハイドロカーボンオイル中に平均粒子径３μｍの強磁性体（カーボニルアイロン）を３２容量％で分散させたＭＲ流体（Ｌoad社製「ＭＲＸ-１３２ＬＤ」）を使用した。
・電磁石の空隙部長さ５０ｍｍ、幅５.０ｍｍにＭＲ流体Ｚを充填した貯液槽４を配した。
このようなテンション制御装置で、電磁石３への供給電流ＩAはフィードバック制御を行った場合とＩAを一定とした場合とで実験を行った。
ＩA＝０.５Ａの一定電流を印加した場合のテンションＦ（ｇ）の変動を電流値のＩA（Ａ）の変動と対応して測定した。その結果を図３にテンション制御性能として、テンションと線速度の時間的変動のグラフを図示する。図３において横軸に時間ｔ（秒）、縦軸にテンションＦ（ｇ）と線速（ｍ／ｓｅｃ）を示している（縦軸、横軸は図４でも同じ）。また、テンションフィードバック制御の場合の結果を図４に示す。張力変動は図３同様に僅少であり、フィードバックが適用されているため、図３で観察された平均張力の時間的な変動も抑制され、良好な制御性能を示している。
【００１７】
＜比較例＞
本発明のテンション制御装置の性能を評価するため、比較例として、プーリーの回動を機械的な摩擦ブレーキで制動する、従来のテンション制御装置によるテンションＦ（ｇ）について、線速ＶWは実施例１と同様０.２８ｍ／ｓｅｃに保持するようにして、テンションの時間的な変動状態を線速の変動と共に測定した。その結果を、横軸に時間ｔ（秒）、縦軸にテンションＦ（ｇ）と線速（ｍ／ｓｅｃ）の変動を示して、図５に図示した。
【００１８】
図３、図４の実施例１の本発明のテンション制御装置の結果と、図５の比較例の従来のテンション制御装置の結果を比較する、以下の事項が確認された。
▲１▼いずれの場合も巻き取り始めと終了時における加速及び減速過程でテンション変動が若干著しくなる。
▲２▼定速時には、図５の従来のプーリーを用いた機械的なテンション制御装置では、全領域にわたって振幅１０ｇ程度のテンション変動が存在するが、図３、図４の本発明のテンション制御装置ではテンション変動は振幅２ｇと激減し、その変動が著しく抑制された。
これは、本発明のテンション制御装置では、プーリー等の回転体を用いておらず、直接線材に制動力を与えているので、系に慣性モーメントが殆ど存在しないため、線速度の変動に起因するテンション変動が著しく抑制されることが判明した。
▲３▼このようなことにより、線速が変動する非円形コイルの巻線に当たって、一定のテンションを保持して巻くのに、極めて有効であることが確認された。
【００１９】
＜実施例２＞
実施例２として、電磁石３のＳ極とＮ極との間に形成される磁場の空隙部３１に配した貯液槽４に直接ＭＲ流体Ｚを充填した方式（Ａ方式）とＭＲ流体Ｚをスポンジに含浸せしめて配置せしめた方式（Ｂ方式）とのテンション制御特性について検証した。それぞれの装置の仕様諸元は以下の通りで、共通の仕様とした。
（仕様諸元）
・磁場空隙部３１の寸法：長さ５０ｍｍ、幅２.５ｍｍ
・コイル巻き取り機２は巻線の線速度の変動が必然的に生ずる５角形の非円形コイルを使用した。
・使用した線材Ｗの線径ｄ＝０．２１ｍｍ
・平均線速ＶW＝０.２８ｍ／ｓｅｃ
・ＭＲ流体Ｚは、ハイドロカーボンオイル中に平均粒子径３μｍの強磁性体（カーボニルアイロン）を３２容量％で分散させたＭＲ流体（Ｌoad社製「ＭＲＸ-１３２ＬＤ」）を使用した。
・制御系は、図１に図示した系統図に従い、テンション・線速検出器７で検出した計測値に基づいて、制御器８でＰＩＤフィードバック制御して設定テンション（Ｆ0）に保持する。
【００２０】
このような仕様条件で、前記Ａ方式、Ｂ方式を用いたテンション制御装置において、設定テンションＦ0を、Ａ方式では６５→８０ｇ、Ｂ方式では９０→１０５ｇの如くステップ状に変化させた時のテンション値Ｆの時間的変化を測定し、その結果のグラフを、Ａ方式のテンション制御装置については図６に、又Ｂ方式のテンション制御装置については図７に、それぞれ図示した。
【００２１】
図６と図７とをそれぞれ比較検討すると、以下の事項が確認された。
（i）Ａ方式（図６）、Ｂ方式（図７）のいずれの方式も、設定テンションのステップ状変化に対して若干のテンション変動が認められるが、目標のテンションに満足し得る状態で追従していることが確認された。
（ii）Ｂ方式の方がＡ方式に比べてテンション変動が少なく滑らかな追従性を示していることが確認された。
（iii）ＰＩＤパラメータを適切に調節することにより、比較的良好な制御特性を得ることが出来、テンション制御装置として優れた機能を果たすことが確認された。
（iv）総じて、スポンジにＭＲ流体を含浸させて用いるＢ方式のＭＲブレーキを用いたものが、安定な制動力が発生でき、かつ線材のテンション変動が少なく滑らかな追従性を示し、良好な制御性能を有することが確認され、コイル巻線用テンション制御装置として有効であることが確認された。
【００２２】
上記した各実施例では電磁石としてＵ字状の形状のもので説明したが、本発明はこれに限定されるものでなく、コイルの巻かれた２つの分離した電磁石の磁極間にＭＲ流体を配置する方法等、磁場内にＭＲ流体を配置する状態であれば如何なる電磁石でも同様な作用効果を奏するものである。
又、本発明のテンション制御方法と装置は、電線の巻き取りに限定されるものでなく、電線以外にも電線と同様な線条帯であれば、それらの巻き取りにも適用することが出来ることは勿論である。更に、本発明のテンション制御方法と装置は線条帯の送り出しにも適用することが出来る。
【００２３】
【発明の効果】
本発明のコイル巻線用テンション制御方法と装置は上記した如き形態で実施され、以下の如き効果を奏する。
巻線用の線材を直接ＭＲ流体中に走行せしめて制動をかけるようにしたので、巻線プーリーの介在等による慣性モーメントによる制御の遅れや、惰性回転による線速変動が抑制され、テンションの変動が軽減され、高速応答性の安定したテンション制御が出来る効果を奏する。
【００２４】
そして、ブレーキ部となるＭＲ流体中に線材を繰り返し、複数回走行せしめることにより、より大きなテンションを付与せしめることが出来て、より精密にテンションを制御することが可能となる。
その上、高速な線速下でのテンションの変動や、線速の変動に起因するテンションの変動を著しく抑制し得て、非円形コイルにおいても安定したテンションで巻き取りを可能にすることが出来る。
【００２５】
又、ＭＲ流体中に直接線材を走行せしめて制動させるため、ブレーキ部の構成が簡素化され小型化することが出来る。その上、機械的なブレーキ機構が無いため、摩耗する部品が少なく、装置の寿命が著しく延長することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のコイル巻線用テンション制御装置を用いたコイル巻線巻き取り装置の系統概略図。
【図２】  ＭＲブレーキの概略斜視図。
【図３】  本発明の実施例１におけるコイル巻線用テンション制御装置のテンション制御性能として、テンションと線速度の時間的変動を示すグラフであり、ＩAを一定とした場合を示す。
【図４】  本発明の実施例１におけるコイル巻線用テンション制御装置のテンション制御性能として、テンションと線速度の時間的変動を示すグラフであり、電磁石への供給電流ＩAのフィードバック制御を行った場合を示す。
【図５】  比較例１における、従来の機械的制動によるテンション制御装置のテンション制御性能として、テンションと線速度の時間的変動を示すグラフ。
【図６】  本発明の磁場の空隙部に直接ＭＲ流体Ｚを充填配置した方式（Ａ方式）のＭＲブレーキのテンション制御特性を示すグラフ。
【図７】  本発明の磁場の空隙部にＭＲ流体Ｚをスポンジに含浸せしめて配置せしめた方式（Ｂ方式）のＭＲブレーキのテンション制御特性を示すグラフ。
【符号の説明】
１…ボピン、  ２…巻き取り機、  ３…電磁石、４…貯液槽、
５…ＭＲブレーキ、  ６…バックテンションアーム、
７…テンション・線速検出器、  ８…制御器、  ９…磁場発生装置、
１０…導線、  ３１…空隙部、  ３２…シール部材、  Ｗ…線材、
ｒ1、ｒ2、…、…、ｒ10…ローラ、  Ｆ…テンション、  Ｓc…制御信号、
Ｆ0…設定テンション、  ＩA…印加電流
【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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