張力制御の芸術と科学：フィルムスリッターの安定稼働の核心となる秘密について

フィルム加工業界において、スリッターは幅・コイル径の大きな原反コイルを、細径・小径のコイルからなる複数のロールに切断する重要な設備です。その稼働品質は、製品の最終価値を直接左右します。そして、この精密機械の核心技術の中でも、張力制御は紛れもなくその魂です。それは、厳密な計算と対応を必要とする高度な科学であると同時に、経験の蓄積と直感の調整を必要とする繊細な芸術でもあります。その核心技術を習得することは、スリッターの安定稼働の鍵を握ることに等しいのです。

1. 科学：張力制御の厳密な基盤

張力制御の「科学」は、その定量化、モデル化、自動化が可能な特性に反映されています。これは、システムの安定した動作を物理的に保証するものです。

1. 基本原則：フックの法則と慣性モーメント

張力は本質的に弾性力です。フィルムは伸張時にフックの法則（F = k·x）に従いますが、その挙動はより複雑で、材料の弾性率、幅、厚さなどの要因が関係します。同時に、スリッターの各ローラーとリールには慣性モーメント（I）があります。起動、加速、減速、停止の際には、慣性力が張力に激しく干渉します。科学的制御の核心は、これらの物理的な干渉をリアルタイムの計算と補正によって克服し、フィルムの張力（F）を常に一定に保つことです。

2. システム構成：認識、意思決定、実行

従来の閉ループ張力制御システムは、次の 3 つの部分で構成されます。

• センシングユニット（張力検出）：通常は張力センサー（圧電式またはひずみゲージ式）またはフローティングローラーポテンショメーターを使用します。前者は実際の張力値を直接かつ正確に測定します。後者は、フローティングローラー自体が一定の緩衝効果と減衰効果を持つため、その位置を検出することで張力の変化を間接的に反映します。

• 決定ユニット（制御頭脳）：その中核はPLCまたは専用の張力制御装置です。センシングユニットからのフィードバック信号を受信し、設定された張力目標値と比較した後、内蔵のPID制御アルゴリズム（比例・積分・微分）に基づいて補正量を算出します。PIDパラメータ（P、I、D）の調整は科学の真髄であり、材料特性と機械システムの応答速度の正確な一致が求められます。

• アクチュエータ（パワーテイクオフ）：通常、交流モーターは周波数変換器、サーボモーターはサーボドライブ、または粒子／ヒステリシスブレーキ／クラッチで駆動されます。これらはコントローラからの指令を受け取り、巻出し軸の制動トルク、巻取り軸の駆動トルク、またはトラクションローラーの線速度を精密に制御することで、最終的な張力調整を可能にします。

3. 制御モード:

• オープンループトルク制御：コイル径の変化に応じてモーターの出力トルク（T = F × R）を計算し、制御します。計算は簡単ですが、フィードバックがなく、耐干渉性が低く、精度が低くなります。

• 閉ループ直接張力制御：張力センサーからのフィードバックを直接利用したリアルタイム調整。最高レベルの制御精度は、ハイエンドスリッターの標準です。

• 閉ループ間接張力制御（フローティングローラー制御）：フローティングローラーの位置を制御することで、間接的に張力を安定化します。コスト効率が高く、安定性に優れており、従来のほとんどのスリット加工シナリオに適しています。

2. 芸術：緊張をコントロールする柔軟な知恵

科学が骨格だとすれば、芸術は血肉です。緊張をコントロールする「芸術」は、無数の変数の経験的理解と微妙なトレードオフに反映されています。

1. 素材の「特徴」の解釈：

フィルム素材によって「特性」は大きく異なります。PET（マイラー）は強度が高く延性が低いため、より安定した正確な張力が求められます。PE（ポリエチレン）とPP（ポリプロピレン）は延性が高く、過度の張力は引張変形を招きやすいです。CPP（キャストポリプロピレン）やアルミホイルなどはシワになりやすいため、低く均一な張力が求められます。専門家は、素材の「感触」や「音」に基づいて、張力が適切かどうかを事前に判断できます。これは長年の経験から蓄積された勘です。

2. テーパーテンションの使用：

これは巻き取り工程における最大の「技」です。巻き取り径（R）が大きくなると、一定の張力（F）を維持した場合、コアにかかる圧力は劇的に増加します（P = F / (2πR²)）。その結果、以下のようになります。

• 内側は締まっていて外側はゆるい：芯が強く圧縮され、「菊型」または「星型」の折り目が形成されます。

• 巻き: フィルムロールの端が不均一です。

• 巻き戻せない: フィルムロールが石のように硬くなり、芯まで潰れてしまいます。

テーパー張力制御は、この問題に対する芸術的な解決策です。コイル径の増加に伴い、巻線張力を一定の曲線（直線、二次曲線など）に沿って徐々に減少させることができます。その「芸術」とは、テーパー曲線と開始点・終了点の選択にあります。

• テーパー率設定：10%～50%が一般的な範囲です。PEのように柔らかく変形しやすい材料の場合はテーパー率を大きくし、PETのように硬い材料の場合はテーパー率を小さくします。

• 経験と実験：万能の公式は存在しません。最適なテーパー曲線は、フィルムコイルを切断して内部の層間状態を観察し、「外側はタイト、内側はルーズ」という理想的な巻き形状を追求することで、複数回のテストを経て決定する必要があります。

3. 動的プロセスの微調整：

• 加速補償：起動および立ち上がり段階では、システムの慣性により瞬間的な張力上昇が発生する可能性があります。このショックを予測し、事前に逆方向の補償（例えば、巻出しモーターに短時間のブーストを与えるなど）を適用して、遷移をスムーズにすることが技術の鍵となります。

• 材料受入時の対応：新旧ドラムが接続された瞬間、張力システムは大きな外乱に遭遇します。この振動をいかに迅速に鎮め、安定状態を回復させるかが、コントローラーのアルゴリズムとオペレーターの予測能力の試練となります。

3. 核となる秘密：科学と芸術の融合

スリッター機の究極の安定動作を実現するには、科学と芸術を完璧に融合させる必要があります。

1. 正確なシステムキャリブレーションは前提条件です。張力センサー、速度エンコーダ、フローティングローラーシリンダーのゼロ点と範囲が絶対的に正確であることを保証するためです。これはあらゆる科学計算の基礎となります。

2.「剛性と柔軟性」のパラメータ設定：

◦ スケール（P）：システムの応答速度を決定します。P値が大きすぎると振動しやすくなり（硬くなりすぎ）、小さすぎると応答が遅くなります（軟らかすぎます）。

◦ 積分（I）：静的誤差を除去します。I値が高すぎると、オーバーシュート振動が発生します。

◦ 微分型（D）：トレンドを予測し、振動を抑制します。ただし、ノイズの影響を受けやすいです。

重要なのは、異なる材質（例えば、硬質と軟質）に対して、素早く反応し、かつスムーズに摂動を抑制するPIDパラメータのセットを見つけることです。これには、多くの場合、試行錯誤と豊富な経験が必要です。

3. コイル全体の直径のアクティブ補正：先進的なシステムは、コイルの直径の変化をリアルタイムで計算し、張力が変動するのを待ってから補正するのではなく、巻き出し/巻き戻しローラーによる慣性モーメントの変化の影響をアクティブに補正し、「国外の敵に抵抗する」というアクティブ制御を実現します。

4. 良好な機械的メンテナンスが基盤：制御システムがいかに優れていても、堅牢な機械的基盤が必要です。ローラーの平行度や振れ、ベアリングの滑らかさ、伝達システムのバックラッシュなど、あらゆる機械的な問題は張力の安定性を直接損ないます。

結論

フィルムスリッターの張力制御は、決して単純な「張力」や「緩和」ではありません。動的にバランスが取れたエコシステムです。

• 科学は、システムの「頭脳と神経」を構成する高精度センサー、高速 PLC、高度なアルゴリズム モデルなどの強力なツールを提供します。

• 芸術はシステムの魂を与えます。それは、エンジニアの材料特性に対する深い理解、テーパー張力曲線の独創性、および PID パラメータの正確な把握です。

真の核心となる秘密は、芸術的な思考と経験を駆使し、科学的なツールと原理に基づいて調和と最適化を図り、最終的に冷間加工機械がセミの羽のように薄いフィルムを優しく、そしてしっかりと制御できるようにすることにあります。原材料から高付加価値の完成品への魔法のような変化を実現します。この方法を習得することによってのみ、スリッターを制御し、滑らかに、安定して稼働させ、完璧なフィルムロールを生産することができます。