JP2010532430A - 複合ロープ構造体と、複合ロープ構造体を作製するシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】 複数の形成済み複合ストランドを有するロープ構造体。前記複数の形成済み複合ストランドは、それぞれファイバー材料（繊維材料）およびマトリックス材料（充填材料）を有する。前記マトリックス材料内の前記ファイバー材料は、加撚されている（有撚状態である）。前記複数の形成済み複合ストランドの形状は、当該複数の形成済み複合ストランドが組み合わされて前記ロープ構造体になるのを促進するよう事前に決定されている。
【選択図】 図１Ａ

Description

本願は、２００７年５月１８日付け出願済み米国仮特許出願第６０／９３０，８５３号の優先権を主張するものである。また本願は、２００７年５月１９日付け出願済み米国仮特許出願第６０／９３１，０８８号の優先権を主張するものである。上記に記載した関連出願の内容は、すべて参照により本明細書に組み込むものとする。

本発明は、複合ロープ構造体と、複合ロープ構造体を作製するシステムおよび方法とに関する。

２つの物体の間には、引張を伴ったロープ構造体の構成が必要になることが多い。所与のタイプのロープ構造体の特性がわかると、そのタイプのロープ構造体が特定の使用目的に適しているかどうかが決定する。ロープ構造体の特性としては、破壊強度、伸長度、柔軟性、重量、および耐摩耗性や摩擦係数などの表面特性などがある。また、加熱、冷却、水分、紫外線へのばく露（露光）、摩耗、曲がりなどの環境要因も、ロープ構造体の特性に影響を及ぼす。

そのため、ロープの使用目的により、一般にロープの各特性の許容範囲が決定される。本明細書でロープに適用される用語「破壊（ｆａｉｌｕｒｅ）」は、少なくとも１つのロープ特性に伴う許容範囲を超えた条件下に置かれるロープに言及して使用される。

このように、特定の環境に対して改善されたロープ特性を有するロープ構造体が必要であり、またそのようなロープを製造するシステムおよび方法も必要である。

本発明は、複数の形成済み複合ストランドを有するロープ構造体として具体化（具現化）することができる。前記複数の形成済み複合ストランドは、それぞれファイバー材料（繊維材料）およびマトリックス材料（充填材料）を有する。前記マトリックス材料内の前記ファイバー材料は、加撚されている（有撚状態である）。前記複数の形成済み複合ストランドの形状は、当該複数の複合ストランドが組み合わせされて前記ロープ構造体になるのを促進するよう事前に決定されている。

本発明は、ロープ構造体を形成する方法としても具体化（具現化）でき、この方法は以下の工程を有する。ブランク材料（ブランク材）を得るため、マトリックス材料内にファイバー材料を配置構成する。未形成の複合ストランドを得るため、前記ブランク材料の前記マトリックス材料内の前記ファイバー材料を加撚する。所定の形状をそれぞれ有する形成済み複合ストランドを得るため、前記複数の未形成の複合ストランドを加工する。前記形成済み複合ストランドを組み合わせて前記ロープ構造体にする。

また、本発明は、複数の形成済み複合ストランドを有するロープ構造体としても具体化（具現化）することができる。前記形成済み複合ストランドは、ファイバー材料およびマトリックス材料を有する。前記マトリックス材料内の前記ファイバー材料は、加撚されている（有撚状態である）。前記形成済み複合ストランドのうち少なくとも１つは、実質的に円柱形である。複数の前記形成済み複合ストランドは、実質的にらせん状である。前記ロープ構造体を得るため、前記実質的にらせん状の形成済み複合ストランドは、前記少なくとも１つの実質的に円柱形の形成済み複合ストランドの周囲に形成される。

図１Ａは、複数の形成済み複合ストランドがコアストランドの周囲に組み合わされて、複合ロープ構造体を形成している状態を示した図である。 図１Ｂは、図１Ａに示した前記複合ロープ構造体の断面である。 図２は、本発明のシステムおよび方法の一部として使用される複合ブランク（素材）を形成する工程を実施するブランク形成システムのやや概略的な図である。 図３は、図２に示した前記システムで生成された前記複合ブランクを示した断面図である。 図４は、本発明のシステムおよび方法の一部として使用される工程であって、図２に示したシステムで生成された複合ブランクを未形成の複合ストランドに変換する工程、を実施するブランク加撚システムのやや概略的な図である。 図５および図６は、図４の前記システムで生成された前記未形成の複合ストランドを形成済み複合ストランドに変換する工程を実施するシステムのやや概略的な図である。 図５および図６は、図４の前記システムで生成された前記未形成の複合ストランドを形成済み複合ストランドに変換する工程を実施するシステムのやや概略的な図である。 図７は、図５および図６の前記システムで生成された形成済み複合ストランドの例を示した図である。 図８は、本発明のシステムおよび方法の一部として使用される工程であって、複合ブランクを形成する工程と、当該複合ブランクを線形の複合ストランドに変換する工程と、を実施する別の空白形成システムの例のやや概略的な図である。 図９は、図８に示した前記ブランク形成システムで形成されたストランドを使って製造された複合ロープ構造体の例の断面である。 図１０は、本発明の原理に基づいて複合ロープ構造体を製作する工程の第２の例に使用できる加撚システムの非常に概略的な図である。 図１１は、前記製作工程の第２の例に使用できる第１の撚合（組み合わせ）システムの非常に概略的な図である。 図１２は、前記製作工程の第２の例に使用できる第２の撚合（組み合わせ）システムの非常に概略的な図である。 図１３は、本発明の複合ロープ構造体に使用できるヤーン例の断面である。 図１４は、本発明の複合ロープ構造体に使用できるストランド例の断面である。 図１５は、本発明の複合ロープ構造体に使用できる別のストランド例の断面である。

図１６は、本発明の複合ロープ構造体例の断面である。

図１７は、本発明の別の複合ロープ構造体例の断面である。

まず図１Ａおよび図１Ｂを参照すると、本発明の原理に基づき構成され、またこれを具体化した複合ロープ構造体２０が示されている。この複合ロープ構造体２０は、複数の形成済み複合ストランド（子縄）２２と、コアストランド２４とを有する。可能性として図７で最適に示しているように、前記形成済み複合ストランド２２は、これら複数の（２若しくはそれ以上の）形成済み複合ストランド２２が前記コアストランド２４と組み合わされて当該複合ロープ構造体２０を形成するよう、実質的にらせん状の構成で予備成形されている。この例示した複合ロープ構造体２０は６本の複合ストランド２２を有し、これらが１本のコアストランド２４を囲んでいる。

以下、例示した前記形成済み複合ストランド２２の組成および製造についてさらに詳しく説明する。図２に示しているのは、ブランク（素材）形成システム３０の例である。このブランク形成システム３０は、複数の送りローラー３２を有し、その各送りローラー３２は一定の長さのファイバー（繊維）３４を含んでいる。明瞭性のため、例示したこのブランク形成システム３０では、５つの送りローラー３２および５本のファイバー３４を例示している。５本またはそれ以下のファイバーを図示したように使用することも可能だが、通常は、５本を超えるファイバーが使用される。

これらのファイバー３４は柔軟性があるため、前記送りローラー３２から引き出し、組み合わせて、束３６にすることができる。この例示したファイバー３４の束３６は、単に平行なファイバー群を有する。以下さらに詳しく説明するように、この束は、前記ファイバーを加撚し、編み、あるいは機械的に絡み合わせることにより、形成できる。

前記ファイバー３４の前記束３６に、マトリックス槽（充填材槽）４０および成形ダイ（成形金型）４２を通過させると、未硬化の（キュアリングしていない）複合ブランク材４４が得られる。図３に示すように、前記マトリックス槽４０には、前記ファイバー４６の周囲および当該ファイバー４６間でマトリックス４６を形成するマトリックス材料（充填材料）が含まれている。この時点で、このマトリックス材料は、前記ファイバー３４間およびそれらの周囲を流れる十分な流動性がある一方、前記成形ダイ４２通過後も自らの形状を保つ十分な塑性がある。前記マトリックス槽４０を加圧すると、前記ファイバー３４間およびそれらの周囲の前記マトリックス材料の流れを促進できる。

図３は、さらに、例示した前記成形ダイ４２が、前記未硬化の複合ブランク材４４を実質的に円柱形状に形成することを示している。ただし、このダイ４２は、前記マトリックスを他の形状に形成するように構成することもできる。例えば前記ダイ４２は、以下さらに詳しく説明するように、完成した前記複合ロープ構造体２０に望ましい特性がもたらされるよう設計された形状に前記マトリックス４６を形成するよう構成できる。

再び図２を参照すると、前記未硬化の複合ブランク材４４を乾燥機５０で処理して、処理済みの複合ブランク材５２を得ている。この処理済みの複合ブランク材は、硬化（キュアリング）済み、一部硬化済み、または未硬化の状態であってよい。この時点で、処理済みの前記マトリックス材料は、塑性形態または柔軟な形態であってよく、あるいは塑性形態から剛性（硬質）形態に変換された状態であってよい。このように、例示した前記マトリックス４６は、前記処理済みの複合ブランク材５２が実質的に円柱形で実質的に直線状の形態を保つよう、前記ファイバー３４の周囲で固化される。

次に、例示した前記処理済みの複合ブランク材５２は、カッター６０内へ送られ、前記マトリックス４６および前記ファイバー３４を有する複合ブランク（素材）６２へと切断される。例示したこれらの複合ブランク６２は、本体が剛性で細長く、実質的に円柱形で、実質的に直線状または線形であり、前記カッター６０のパラメータにより事前に決定される長さを有する。ただし前記複合ブランク材５２は、一部硬化済み、または未硬化の場合、柔軟性または半剛性を保っていることもあり、その場合は、前記カッター６０を使って当該処理済みの複合ブランク材をブランク６２へと切断する必要はない。その代わり、以下説明するように、前記複合ブランク材５２をボビンなどに巻きつけて格納および／または追加処理することができる。

別の複合ロープ構造体例は、コミングルド（混繊）ヤーンにより形成された複合ストランド２２を有することができる。コミングルドヤーンは、カーボンヤーンなど少なくとも２つのタイプの高性能ヤーンと、ポリエチレンヤーンなどマトリックスを形成する熱可塑性ヤーンとの組み合わせから成る。加熱状態では、前記マトリックスを形成している比較的溶融温度の低いヤーンが溶融し、前記高性能ヤーンのマトリックスを形成する。前記コミングルドヤーンは、上述の含浸ヤーンと同様な工程を経て、加熱チャンバーおよび成形ダイを通過する。これを冷却すると、前記複合ストランド２２が形成される。

ここで図４を参照すると、例示した前記複合ブランク６２を未形成の複合ストランド７２に変換するブランク加撚システム７０が示されている。このブランク加撚システム７０は、アンカー（固定）アセンブリ７４と、加撚アセンブリ７６と、加熱アセンブリ７８とを有する。特に、前記複合ブランク６２は、前記アンカーアセンブリ７４と前記加撚アセンブリ７６との間に連結されており、前記加熱アセンブリ７８を使って実質的に当該複合ブランク６２の長さ全体に沿って加熱される。

前記加熱アセンブリ７８が加える熱により、前記複合ブランク６２のマトリックス材料は塑性形態に戻る。前記アンカーアセンブリ７４が前記複合ブランク６２の一端を保持する一方、前記加撚アセンブリ７６は、当該複合ブランク６２の長手方向の軸に関してこれを加撚する。前記マトリックス材料は塑性であることから、前記複合ブランク６２が加熱されるに伴い前記マトリックス４６が変形して、当該複合ブランク６２内の前記ファイバー３４の加撚を可能にする。望ましい程度の撚りが前記複合ブランク６２に与えられた時点で、前記マトリックス材料を冷却すると、加撚された（有撚の）前記ファイバー３４の周囲において、前記マトリックス４６が新たな形態で固化し、未形成の複合ストランド７２が得られる（図５）。前記複合ブランク材５２を、例示した前記複合ブランク６２へと切断せずにボビンなどで回収する場合は、前記ボビン自体を回転させて前記複合ブランク材５２をその軸に関し加撚することができる。

外側からは前記マトリックス４６だけが見える。前記未形成の複合ストランド７２の本体は剛性で細長く、実質的に円柱形で、実質的に直線状または線形であり、前記カッター６０のパラメータにより事前に決定される長さを有する。そのため、この未形成の複合ストランド７２の外観は、前記複合ブランク６２と非常によく似ている。ただし、前記ファイバー３４は、前記複合ブランク６２内では実質的に平行な態様で構成されているのに対し、前記未形成の複合ストランド７２内では内部で加撚されている（有撚状態である）。

ここで図５および図６を参照すると、前記未形成の複合ストランド７２を前記形成済み複合ストランド２２に変換する形成システム８０が示されている。この形成システム８０は、ガイド（誘導）アセンブリ８２と、送りアセンブリ８４と、加撚アセンブリ８６とを有する。前記ガイドアセンブリ８２は、ガイド（誘導）部材９０と、ガイドベアリング９２と、ガイドクランプ９４とを有する。前記送りアセンブリ８４は、ヒーターアセンブリ９６および送りスリーブ９８を有する。

前記ガイド部材９０は、細長い剛性の部材で、前記コア部材２４と同様な形状および長さを有する。当該ガイド部材９０の一端は前記ガイドベアリング９２により回転可能に支持され、当該ガイド部材９０の他端は前記加撚アセンブリ８６により支持される。前記送りアセンブリ８４は、前記ガイドベアリング９２と所定の関係で保持される。

図５に示すように、前記未形成の複合ストランド７２は、ガイドクランプ９４により前記ガイド部材９０に固定される。次に、当該未形成の複合ストランド７２は、前記マトリックス材料が再び塑性になるよう、前記ヒーターアセンブリ９６により加熱される。次いで前記加撚アセンブリ８６が、矢印Ａで示すように、前記ガイド部材９０の長手方向の軸により画成されるガイド（誘導）軸に関して回転し、矢印Ｂで示すように、前記ガイド軸に沿ってガイドベアリング９２から遠ざかるよう移動する。

この加撚アセンブリ８６が前記ガイド軸に関して回転し、これに沿って移動するに伴い、前記未形成の複合ストランド７２は、前記ヒーターアセンブリ９６および前記送りスリーブ９８を通過して引っ張られ、前記ガイド部材９０に巻き付けられる。また、前記ガイド部材９０に巻き付いた当該未形成の複合ストランド７２の一部は、前記送りアセンブリ８４の前記ヒーターアセンブリから遠ざかるよう移動するため、前記マトリックス材料が冷却されて実質的に剛性に戻る。

前記未形成の複合ストランド７２の加撚および引張りは、このストランド７２が全部前記送りアセンブリ８４から引き出され、前記ガイド部材９０に巻き付けられるまで続く。前記未形成の複合ストランド７２がすべて前記ガイド部材９０に巻き付けられ、前記マトリックス材料が冷却された時点で、前記未形成の複合ストランド７２は、前記形成済み複合ストランド２２に変換されたことになる。次に、この形成済み複合ストランド２２は、前記ガイド部材９０から取り外される。

例示した前記形成済み複合ストランド２２は、その長手方向に沿ったすべての点で断面が略円形であるが、実質的にらせん状の形態になり、この携帯は、前記ガイド部材９０の直径と、前記加撚アセンブリ８６が前記ガイド軸に関して回転する回転速度（と、前記加撚アセンブリ８６が前記ガイド軸に沿って移動する変位速度とにより決定される。そのため、当該形成済み複合ストランド２２のこのらせん状の構成は、前記ガイド部材９０の直径により決定される内径Ｄと、前記加撚アセンブリ８６の回転速度および変位速度により決定されるピッチＰとのパラメータを使って定量化することができる。

当該形成済み複合ストランド２２のこのらせん状構成は、図１Ａおよび図１Ｂに示したように複数の前記複合ストランド２２を前記コア２４と組み合わせて前記複合ロープ構造体２０を得ることができるよう、事前に決定される。特に、６本の形成済み複合ストランド２２を前記コア２４に巻き付ける場合は、前記内径Ｄを前記コア２４の直径と実質的に等しくし、また前記６本のストランド２２を実質的に隙間なく前記コア２４に巻き付けることができるよう、前記ピッチＰを十分な大きさにする。そのため、当該形成済み複合ストランド２２の幾何学的形状は、コアおよびストランド数に応じて異なる。

例示した前記形成済み複合ストランド２２を形成するため使用される前記マトリックス材料は、熱可塑性のポリウレタン系で、前記ファイバー３４はガラス繊維（グラスファイバー）である。ただし、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、およびそれらの混合物など、他の熱可塑性の樹脂系材料を使っても、前記マトリックスを形成することができる。また、炭素繊維（カーボンファイバー）、アラミド繊維、ポリエステル繊維、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール）繊維、ＰＢＩ（ポリベンゾイミダゾール）繊維、玄武岩繊維、ベクトラン（登録商標）繊維、ＨＭＰＥ（超高分子量ポリエチレン）繊維、およびセラミック繊維などの高性能繊維（ファイバー）も使用できる。

ここで図８を参照すると、上述した前記ブランク形成システム３０および前記ブランク加撚システム７０に置き換えて使用できる別のブランク（素材）形成システム１２０の例が示されている。

このブランク形成システム１２０の例では、前記ブランク形成システム３０および前記ブランク加撚システム７０の双方の機能を組み合わせて、図９に表した複合ロープ構造体１２２を生成している。

特に、このブランク形成システム１２０では、上述した未形成の複合ストランド７２と組成的に同様な未形成の複合ストランド１２４を作製する。当該未形成の複合ストランド１２４は、前記未形成の複合ストランド７２の幾何学的形状と同じ幾何学的形状を有してもよいが、以下さらに詳しく説明するように、例示した前記未形成の複合ストランド７２とは異なる幾何学的形状を有する。

当該未形成の複合ストランド１２４は、形成済み複合ストランド１２６へと変換され、それら形成済み複合ストランド１２６は、コア１２８と組み合わされて前記複合ロープ構造体１２２を形成する。

ここで再び図８を参照すると、前記ブランク形成システム１２０は、複数の送りローラー１３０を有し、その各送りローラー１３０は一定の長さのファイバー１３２を含んでいる。明瞭性のため、この例示したブランク形成システム１２０では、５つの送りローラー１３０および５本のファイバー１３２を例示している。ここでも５本またはそれ以下のファイバーを図示したように使用することが可能だが、前記形成済み複合ストランド１２６を作製する場合は、通常、５本を超えるファイバーが使用される。

これらのファイバー１３２は柔軟性があるため、前記送りローラー１３０から引き出し、撚合（組み合わせ）アセンブリ１３６を使って組み合せて、有撚束１３４にすることができる。前記撚合アセンブリ１３６は、前記有撚束１３４内で前記ファイバー１３２が有撚状態になるよう、前記ファイバー１３２同士を絡み合わせる。また、前記有撚束１３４は、それらファイバーを編み、または機械的に絡み合わせても形成できる。

前記ファイバー１３２の前記有撚束１３４に、マトリックス槽１４０および成形ダイ（成形金型）１４２を通過させると、未硬化の（キュアリングしていない）複合ブランク材１４４が得られる。前記マトリックス槽１４０には、前記ファイバー１３２の周囲および当該ファイバー４６間でマトリックスを形成するマトリックス材料（充填材料）が含まれている。この時点で、このマトリックス材料は、前記ファイバー１３２間およびそれらの周囲を流れて前記有撚束１３４を形成する十分な流動性がある一方、前記成形ダイ１４２通過後も自らの形状を保つ十分な塑性がある。

例示した前記成形ダイ１４２は、前記未硬化の複合ブランク材１４４を、その断面が実質的に台形の形状になるよう形成する。そのため、以下の説明から明確に理解されるように、例示した前記ダイ１４２は、完成した前記複合ロープ構造体１２２に望ましい特性がもたらされるよう設計された形状にマトリックスを形成するよう構成されている。

再び図８を参照すると、前記未硬化の複合ブランク材１４４を乾燥機１５０で硬化させ（キュアリングし）て、予備成形した複合ブランク材１５２を得ている。この時点で、前記マトリックス材料は硬化済みで、塑性形態から剛性形態に変換された状態であってよい。あるいは、当該マトリックス材料は、未硬化または一部のみ硬化済みで、前記複合ブランク材１４４にまだ塑性または柔軟性が残っている状態であってもよい。この例示したマトリックスは、前記予備成形した複合ブランク材１５２が実質的に台形で（台形の断面を保ち）、実質的に直線状の形態を保つよう、前記ファイバー１３２の周囲で十分固化される。

次に、硬化済みの前記複合ブランク材１５２は、カッター１６０内へ送られ、切断されて、前記未形成の複合ストランド１２４になる。そのため、この例示した複合ストランド１２４は、本体が剛性で細長く、実質的に直線状または線形であり、前記カッター１６０のパラメータにより事前に決定される長さを有する。

ここでも外観的には前記マトリックス１４６だけが見えている。前記未形成の複合ストランド１２４の本体は剛性で細長く、実質的に直線状または線形であり、前記カッター１６０のパラメータにより事前に決定される長さを有する。また、前記ファイバー１３２は前記加撚アセンブリ１３６により加撚されている（有撚状態である）ため、前記未形成の複合ストランド１２４内で有撚状態になっている。次いで、上述した形成システム８０例などの形成システムを使って前記未形成の複合ストランド１２４を処理すると、前記形成済み複合ファイバー１２６が得られる。

次に当該形成済み複合ファイバー１２６は、前記コア１２８に巻き付けられて、前記複合ロープ構造体１２２を形成する。上述のとおり、前記未形成の複合ストランド１２４は、略台形の断面を有する。この幾何学的形状により、当該形成済み複合ストランド１２６は、互いにほとんど、またはまったく隙間がない状態で、前記コア１２８に巻き付くことができる。これら形成済み複合ストランドの内面は、互いにほとんど、またはまったく隙間がない状態で、前記コア１２８に係合する。また、これら形成済み複合ストランド１２６の外面は、当該ロープ構造体が実質的に円柱形の外面を有するよう構成される。

ここで図１０、１１、および１２を参照すると、本発明の原理に基づき、これを具体化した別の複合ロープ例を形成するシステムおよび方法が示されている。

まず図１０を参照すると、含浸ヤーン２２２を加撚するための加撚システム２２０が示されている。当該含浸ヤーン２２２は、加撚されていない（無撚）状態では参照符号２２２ａで、加撚された（有撚）状態では参照符号２２２ｂで、それぞれ識別される。

これら含浸ヤーン２２２は、ファイバー（繊維）および樹脂を有した複合構造である。それらのファイバーは、主に引張荷重下における前記ヤーン２２２の強度特性をもたらす。前記樹脂は、前記ファイバーを取り囲むマトリックス材料（充填材料）を形成し、前記ファイバー間で負荷を伝達する。さらに、この樹脂マトリックスは、周囲環境から前記ファイバーを保護する。その例として、この樹脂マトリックスは、熱、紫外線、摩耗、および他の外的環境要因から前記ファイバーを保護するよう配合することができる。

例示した前記含浸ヤーン２２２の前記樹脂部分は、未硬化の（キュアリングしていない）状態および硬化済みの状態で存在する。前記未硬化の状態において、前記樹脂材料は柔軟であるため、前記マトリックスは、前記含浸ヤーン２２２の曲げや加撚などを可能にする。一般に、前記樹脂マトリックスは、加熱すると硬化温度になるまでは塑性または可鍛性を増す。硬化温度を超えると、前記樹脂マトリックスは硬化し（キュアリングされ）、実質的により剛性になる。この樹脂マトリックスの特性は、最終的な複合ロープ構造体の製造上の利便性および／または意図された特定の作用（動作）環境に応じて調整できる。

例示した前記含浸ヤーン２２２は、約９０重量％のファイバーと、約１０重量％の樹脂とを有する。前記ファイバーの割合は、当該ヤーンの重量に対し実質的に８５％〜９５％の第１の範囲であってよいが、いかなる場合も当該ヤーンの重量に対し実質的に７０％〜９８％の第２の範囲内にしなければならない。前記樹脂の割合は、当該ヤーンの重量に対し実質的に５％〜１５％の第１の範囲であってよいが、いかなる場合も当該ヤーンの重量に対し実質的に２％〜３０％の第２の範囲内にしなければならない。

前記含浸ヤーン２２２の代替例は、約８０重量％のファイバーと、約２０重量％の樹脂とを有する場合がある。前記ファイバーの割合は、当該ヤーンの重量に対し実質的に７５％〜９０％の第１の範囲であってよいが、いかなる場合も当該ヤーンの重量に対し実質的に５０％〜９５％の第２の範囲内にしなければならない。前記樹脂の割合は、当該ヤーンの重量に対し実質的に１０％〜２５％の第１の範囲であってよいが、いかなる場合も当該ヤーンの重量に対し実質的に５％〜５０％の第２の範囲内にしなければならない。

例示した前記ファイバーはガラス繊維であるが、炭素繊維、アラミド繊維、ポリエステル繊維、ＰＢＯ繊維、ＰＢＩ繊維、玄武岩繊維、ＨＭＰＥ繊維、およびセラミック繊維のうちの１つ、またはこれらの組み合わせであってもよい。前記樹脂は熱可塑性ポリウレタンであるが、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ＰＶＣ、プラスチゾル、およびそれらの混合物など、他の熱可塑性材料を使ってもよい。

例示した前記加撚システム２２０は、前記無撚含浸ヤーン２２２ａを格納する第１のボビン２２４ａと、前記有撚含浸ヤーン２２２ｂを格納する第２のボビン２２４ｂとを有する。前記無撚含浸ヤーン２２２ａは、前記第１のボビン２２４ａから引き出され、加撚されて、前記有撚含浸ヤーン２２２ｂとして前記第２のボビン２２４ｂに巻き取られる。

この例示した加撚システム２２０では、前記第２のボビン２２４ｂが主回転軸Ａに関し回転し、また前記含浸ヤーン２２２により画成される撚りの回転軸Ｂに関しても回転する。この第２のボビン２２４ｂの前記主軸Ａおよび前記加撚軸Ｂに関する回転により、前記無撚含浸ヤーン２２２ａは、前記有撚含浸ヤーン２２２ｂに変換されて、前記第２のボビン２２４ｂに巻き取られる。前記無撚含浸ヤーン２２２ａを形成するファイバーは、実質的に直線状で平行である一方、前記有撚含浸ヤーン２２２ｂを形成するファイバーは、全体としてらせん状の構成になる。

前記無撚含浸ヤーン２２２ａは、室温で加撚することができる。ただし、この加撚工程を容易にするため、当該加撚システム２２０は、さらに任意選択で、前記無撚含浸ヤーン２２２ａの加撚前および／または加撚後に、当該無撚含浸ヤーン２２２ａを加熱する加熱ステージ２２６を有する。前記加熱ステージ２２６は、前記無撚含浸ヤーン２２２ａの樹脂マトリックスを、当該樹脂マトリックスの硬化温度未満の高温に加熱する。

前記無撚含浸ヤーン２２２ａのマトリックス部分を形成している樹脂を軟化させることにより、前記ファイバーは、より容易に前記実質的にらせん状の構成へと加撚することができる。また、加撚前、加撚中、および／または加撚後に加熱したのち、冷却することにより、前記有撚含浸ヤーン２２２ｂの樹脂マトリックス部分が、前記ファイバーを実質的にらせん状の構成に保つ可能性は高まる。

例示した前記加撚システム２２０は、さらに任意選択で、前記有撚含浸ヤーン２２２ｂが前記第２のボビン２２４ｂに巻き取られる際、当該有撚含浸ヤーン２２２ｂに剥離剤を適用する剥離剤ステージ２２８を有する。前記剥離剤またはそれと同様な化学物質は、前記有撚含浸ヤーンが高温で結合しあうのを防ぎ、またはその後、後述するように前記有撚含浸ヤーン２２２ｂと他のロープ構成要素とを組み合わせる際の硬化時に前記有撚含浸ヤーンが結合しあうのを防ぐ上で役立つ。

図１１は、複数の未硬化の有撚含浸ヤーン２２２ｂを１本のストランド２３２へと組み合わせる第１の撚合（組み合わせ）システム２３０を例示したものである。この例示したストランド２３２は、１×７構成と呼ぶ態様で、７本の有撚含浸ヤーン２２２ｂを有する。ただし、これら有撚含浸ヤーン２２２ｂは、これより少数または多数のヤーンを使って、また１×７構成以外の組み合わせ構成で組み合わせることもできる。

例示した前記ストランド２３２を形成するには、第１の回転部アセンブリ２３４で、前記第２のボビン２２４ｂを７つ支持する。前記第１の回転部アセンブリ２３４は、従来のものであり、または従来のものであってよく、本明細書では、単に本発明の完全な理解を助けるため必要に応じて説明する。例示した前記第１の回転部アセンブリ２３４は、中央ボビン取り付け部２３６と、６つの外周ボビン取り付け部２３８とを有する。前記中央ボビン取り付け部２３６上には、前記第２のボビン２２４ｂを取り付けて支持し、当該第２のボビン２２４ｂをその主軸Ａに関し回転させることができる。前記外周ボビン取り付け部２３８は、前記第２のボビン２２４ｂを支持し、これらを各々の主軸Ａに関し回転させる。

さらに、当該外周ボビン取り付け部２３８は、前記第２のボビン２２４ｂを支持し、それら第２のボビン２２４ｂを、前記第１の回転部アセンブリ２３４により画成されるシステム軸Ｃに関し一体的に回転させる。前記中央ボビン取り付け部２３６は、当該中央ボビン取り付け部２３６の支持する前記第２のボビン２２４ｂが、前記外周ボビン取り付け部２３８の支持する前記第２のボビン２２４ｂとともに、前記システム軸Ｃに関し回転するよう、前記外周ボビン取り付け部２３８を使って支持することができる。あるいは、前記中央ボビン取り付け部２３６は、当該中央ボビン取り付け部２３６の支持する前記第２のボビン２２４ｂが、その主軸Ａだけに関し回転し、前記システム軸Ｃに関しては回転しないよう、前記外周ボビン取り付け部２３８とは無関係に支持することができる。

前記有撚含浸ヤーン２２２ｂが前記第１の回転部アセンブリ２３４から引き出されるに伴い、前記外周ボビン取り付け部２３８の前記第２のボビン２２４ｂから引き出された前記有撚含浸ヤーン２２２ｂは、前記中央ボビン取り付け部２３６の前記第２のボビン取り付け部２２４ｂから引き出された前記有撚含浸ヤーン２２２ｂと組み合わされて、前記ストランド２３２を形成する。この例示したシステム２３０では、前記ストランド２３２がストランドボビン２４０に巻き取られる。

前記中央ボビン取り付け部２３６の前記第２のボビン取り付け部２２４ｂから引き出された前記有撚含浸ヤーン２２２ｂは、前記ストランド２３２のコア含浸ヤーンを形成する。このコア含浸ヤーン中のファイバーは、前記加撚システム２２０で生成された実質的にらせん状の構成を保つ。コアヤーンの周囲の前記有撚含浸ヤーン２２２ｂは、外周ヤーンと呼ばれる。これら外周ヤーン中のファイバーは、前記加撚システム２２０で生成された前記実質的にらせん状の構成を保つが、前記コアヤーンを中心とした二次的ならせん状の構成も有する。これにより、当該外周ヤーン中のファイバーは、実質的に二重らせん状の構成を有する。

前記有撚含浸ヤーン２２２ｂは、室温で組み合わせて前記ストランド２３２を形成することができる。ただし、この組み合わせ工程を容易にするため、当該第１の撚合システム２３０は、さらに任意選択で、前記無撚含浸ヤーン２２２ａの加撚前および／または加撚後に、当該無撚含浸ヤーン２２２ａを加熱する加熱ステージ２４２を有する。この加熱ステージ２４２は、前記有撚含浸ヤーン２２２ｂの樹脂マトリックスを、当該樹脂マトリックスの硬化温度未満の高温に加熱する。

前記有撚含浸ヤーン２２２ｂのマトリックス部分を形成している樹脂を軟化させることにより、前記有撚含浸ヤーン２２２ｂは、前記コアヤーンのファイバーが実質的にらせん状構成で、かつ前記外周ヤーンのファイバーが実質的に二重らせん状構成に維持された状態で、前記ストランド２３２に組み入れることがより容易になる。また、加撚前、加撚中、および／または加撚後に加熱したのち、冷却することにより、前記有撚含浸ヤーン２２２ｂの樹脂マトリックス部分が、前記コア含浸ヤーンのファイバーをらせん状の構成に保ち、前記外周含浸ヤーンのファイバーを実質的に二重らせん状の構成に保つ可能性は高まる。

例示した前記撚合システム２３０は、さらに任意選択で、前記ストランド２３２が前記ストランドボビン２４０に巻き取られる際、各前記ストランド２３２に剥離剤を適用する剥離剤ステージ２４４を有する。前記剥離剤またはそれと同様な化学物質は、前記ストランド２３２が高温で結合しあうのを防ぎ、またはその後、後述するように前記ストランド２３２と他のロープ構成要素とを組み合わせる際の硬化時に前記ストランド２３２が結合しあうのを防ぐ上で役立つ。

例示した前記第２の撚合システム２３０は、さらに、任意選択の成形ダイ（成形金型）２４６を有する。この成形ダイ２４６は、端部が加撚および結合（接合）される箇所に配置される。

例示した前記ストランド２３２は、その硬化温度を超えて加熱し、硬化させると、第１の複合ロープ構造体の例を形成することができる。特に、当該ストランド２３２は、硬化させると、意図された作用（動作）環境の要件を満たす特性が得られる。他の作用環境では、複数の前記ストランド２３２を組み合わせて最終的な複合ロープ構造体を形成することが必要になる場合もある。この場合、当該ストランド２３２の樹脂マトリックスは、未硬化のままにされ、または一部のみ硬化される。

図１２は、複数のストランド２３２を１本のロープ構造体２５２へと組み合わせる第２の撚合（組み合わせ）システム２５０を例示したものである。この例示したロープ構造体２５２は、７×７構成と呼ぶ態様で、７本のストランド２３２を有する。ただし、これらのストランド２３２は、これより少数または多数のヤーンおよび／またはストランドを使って、また７×７構成以外の組み合わせ構成で組み合わせることもできる。

例示した前記ロープ構造体２５２を形成するには、第２の回転部アセンブリ２５４で、前記ストランドボビン２４０を７つ支持する。前記第２の回転部アセンブリ２５４は、従来のものであり、または従来のものであってよく、本明細書では、単に本発明の完全な理解を助けるため必要に応じて説明する。例示した前記第２の回転部アセンブリ２５４は、中央ボビン取り付け部２５６と、６つの外周ボビン取り付け部２５８とを有する。前記中央ボビン取り付け部２５６上には、前記ストランドボビン２４０を取り付けて支持し、当該ストランドボビン２４０をその主軸に関し回転させることができる。前記外周ボビン取り付け部２５８は、前記ストランドボビン２４０を支持し、これらを各々の主軸に関し回転させる。

さらに、当該外周ボビン取り付け部２５８は、前記ストランドボビン２４０を支持し、それら前記ストランドボビン２４０を、前記第２の回転部アセンブリ２５４により画成されるシステム軸Ｄに関し一体的に回転させる。前記中央ボビン取り付け部２５６は、当該中央ボビン取り付け部２５６の支持する前記ストランドボビン２４０が、前記外周ボビン取り付け部２５８の支持する前記ストランドボビン２４０とともに、前記システム軸Ｄに関し回転するよう、前記外周ボビン取り付け部２５８を使って支持することができる。あるいは、前記中央ボビン取り付け部２５６は、当該中央ボビン取り付け部２５６の支持する前記ストランドボビン２４０が、その主軸Ａだけに関し回転し、前記システム軸Ｄに関しては回転しないよう、前記外周ボビン取り付け部２５８とは無関係に支持することができる。

前記ストランド２３２が前記第２の回転部アセンブリ２５４から引き出されるに伴い、前記外周ボビン取り付け部２５８の前記ストランドボビン２４０から引き出された前記ストランド２３２は、前記中央ボビン取り付け部２５６の前記ストランドボビン２４０から引き出された前記ストランド２３２と組み合わされて、前記ロープ構造体２５２を形成する。この例示したシステム２５０では、前記ロープ構造体２５２がロープボビン２６０に巻き取られる。

前記中央ボビン取り付け部２５６の前記ストランドボビン２４０から引き出された前記ストランド２３２は、前記ロープ構造体２５２のコアストランドを形成する。前記コアストランド内のファイバーは、前記第１の撚合システム２３０により生成された形状を保つ。前記コアストランドの周囲の前記ストランド２３２は、外周ストランドと呼ばれる。これら外周ストランドの外周ヤーン中のファイバーは、前記第１の撚合システム２３０で生成された形状を保つが、前記コアストランドを中心とした三次的ならせん状の構成も有する。これにより、当該外周ヤーン中のファイバーは、実質的に三重らせん状の構成を有する。

前記ストランド２３２は、室温で組み合わせて前記ロープ構造体２５２を形成することができる。ただし、この組み合わせ工程を容易にするため、当該第２の撚合システム２５０は、さらに任意選択で、前記ストランド２３２が組み合わされる前および／または後で、当該ストランド２３２を加熱する加熱ステージ２６２を有する。この加熱ステージ２６２は、前記ストランド２３２の樹脂マトリックスを、当該樹脂系の硬化温度または溶融温度より低い高温に加熱する。

前記ストランド２３２のマトリックス部分を形成している樹脂を軟化させることにより、当該ストランド２３２は、そのファイバーが適切ならせん状の構成を維持した状態で、より容易に組み合わせることができる。また、加撚前、加撚中、および／または加撚後に加熱したのち、冷却することにより、前記ストランド２３２の樹脂マトリックス部分が、前記ファイバーを前記適切ならせん状の構成に保つ可能性は高まる。

例示した前記第２の撚合システム２５０は、さらに、任意選択の成形ダイ（成形金型）２６４を有する。この成形ダイ２６４は、端部が加撚および結合（接合）される箇所に配置される。

ここで図１３〜１７を参照すると、本発明の原理を使って作製できる含浸ヤーン、ストランド、およびロープ構造体の断面をやや図式的に表現した図が示されている。図１３は、前記有撚含浸ヤーン２２２ｂの１つの断面を表している。図１４は、前記有撚含浸ヤーン２２２ｂを７本有する上記で例示したストランド２３２の断面を表している（１×７構成）。図１５は、前記有撚含浸ヤーン２２２ｂを１９本組み合わせて形成できる別のストランド２７０の例の断面を表している（１×１９構成）。図１６は、例示した前記ストランド２３２を７本有する上記ロープ構造体２５２の断面を表している（７×７構成）。図１７は、上記で例示した前記ストランド２７０を７本組み合わせて得られる別のロープ構造体例の断面を表している（７×１９構成）。

以上を考慮すると、本発明は、上記以外の形態で具体化（具現化）できることが明確に理解されるべきである。本発明の範囲は、本発明の例に関する前述の詳細な説明ではなく、本明細書に添付された請求項を参照して決定されるべきである。

Claims (24)

1. ロープ構造体であって、
   ファイバー材料（繊維材料）とマトリックス材料（充填材料）とを有する複数の形成済み複合ストランド
   を有し、
   前記マトリックス材料内の前記ファイバー材料は加撚されており（有撚状態であり）、
   前記複数の形成済み複合ストランドの形状は、当該複数の複合ストランドが組み合わされて前記ロープ構造体になるのを促進するよう事前に決定されたものである
   ロープ構造体。
2. 請求項１記載のロープ構造体において、前記形成済み複合ストランドは、実質的にらせん状である。
3. 請求項１記載のロープ構造体において、前記形成済み複合ストランドの形状は、当該ロープ構造体の幾何学的形状に基づき事前に決定さたものである。
4. 請求項１記載のロープ構造体において、前記形成済み複合ストランドの前記マトリックス材料は、硬化（キュアリング）されているものである。
5. 請求項１記載のロープ構造体において、前記ファイバー材料は、炭素繊維（カーボンファイバー）、アラミド繊維、ポリエステル繊維、ＰＢＯ繊維、ＰＢＩ繊維、玄武岩繊維、ＨＭＰＥ（超高分子量ポリエチレン）繊維、およびセラミック繊維からなる群から選択される少なくとも１つのファイバーで作製されるものである。
6. 請求項１記載のロープ構造体において、前記マトリックス材料は、熱可塑性ポリウレタン、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ＰＶＣ、およびナイロンからなる材料群から選択される少なくとも１つの材料である。
7. 請求項１記載のロープ構造体において、
   前記ファイバー材料は、炭素繊維、アラミド繊維、ポリエステル繊維、ＰＢＯ繊維、ＰＢＩ繊維、玄武岩繊維、ＨＭＰＥ繊維、およびセラミック繊維からなるファイバー群から選択される少なくとも１つのファイバーであり、
   前記マトリックス材料は、熱可塑性ポリウレタン、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ＰＶＣ、およびナイロンからなる材料群から選択される少なくとも１つの材料である。
8. 請求項１記載のロープ構造体において、前記形成済み複合ストランドは複数のヤーンを有するものである。
9. 請求項８記載のロープ構造体において、前記形成済み複合ストランドは、実質的に７０重量％〜９８重量％の前記ファイバー材料を有するものである。
10. 請求項８記載のロープ構造体において、前記形成済み複合ストランドは、実質的に２重量％〜３０重量％の前記マトリックス材料を有するものである。
11. 請求項８記載のロープ構造体において、前記形成済み複合ストランドは、
    実質的に７０重量％〜９８重量％の前記ファイバー材料と、
    実質的に２重量％〜３０重量％の前記マトリックス材料と
    を有するものである。
12. 請求項８記載のロープ構造体において、前記形成済み複合ストランドは、実質的に５０重量％〜９５重量％の前記ファイバー材料を有するものである。
13. 請求項８記載のロープ構造体において、前記形成済み複合ストランドは、実質的に５重量％〜５０重量％の前記マトリックス材料を有するものである。
14. 請求項８記載のロープ構造体において、前記形成済み複合ストランドは、
    実質的に５０重量％〜９５重量％の前記ファイバー材料と、
    実質的に５重量％〜５０重量％の前記マトリックス材料と
    を有するものである。
15. ロープ構造体を形成する方法であって、
    ファイバー材料（繊維材料）を提供する工程と、
    マトリックス材料（充填材料）を提供する工程と、
    前記マトリックス材料内に前記ファイバー材料を配置して、ブランク材料（ブランク材）を生成するものである配置する工程と、
    前記ブランク材料のマトリックス材料内の前記ファイバー材料を加撚して、未形成の複合ストランドを生成するものである加撚する工程と、
    前記複数の未形成の複合ストランドを加工して、それぞれが所定の形状を有する形成済み複合ストランドを生成するものである加工する工程と、
    前記形成済み複合ストランドを組み合わせて前記ロープ構造体にする工程と
    を有する方法。
16. 請求項１５記載の方法において、前記複数の形成済み複合ストランドを加工する工程は、当該未形成の複合ストランドを加熱する工程を有するものである。
17. 請求項１５記載の方法において、この方法は、さらに、
    前記ロープ構造体の幾何学的形状に基づき、前記形成済み複合ストランドの形状を事前に決定する工程を有するものである。
18. 請求項１５記載の方法において、この方法は、さらに、
    前記形成済み複合ストランドの前記マトリックス材料を硬化させる（キュアリングする）工程を有するものである。
19. 請求項１５記載の方法において、この方法は、さらに、
    炭素繊維、アラミド繊維、ポリエステル繊維、ＰＢＯ繊維、ＰＢＩ繊維、玄武岩繊維、ＨＭＰＥ繊維、およびセラミック繊維からなる群から前記ファイバー材料を選択する工程と、
    ポリウレタン、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ＰＶＣ、およびナイロンからなる材料群から前記マトリックス材料を選択する工程と
    を有するものである。
20. ロープ構造体であって、
    ファイバー材料とマトリックス材料とを有する複数の形成済み複合ストランド
    を有し、
    前記マトリックス材料内の前記ファイバー材料は加撚されており（有撚状態であり）、
    前記形成済み複合ストランドのうち少なくとも１つは、実質的に円柱形であり、
    前記複数の形成済み複合ストランドは、実質的にらせん状であり、
    前記実質的にらせん状の形成済み複合ストランドは、前記少なくとも１つの実質的に円柱形の形成済み複合ストランドの周囲に形成されて前記ロープ構造体を構成するものである
    ロープ構造体。
21. 請求項２０記載のロープ構造体において、前記形成済み複合ストランドの前記マトリックス材料は、硬化（キュアリング）されているものである。
22. 請求項２０記載のロープ構造体において、
    前記ファイバー材料は、炭素繊維、アラミド繊維、ポリエステル繊維、ＰＢＯ繊維、ＰＢＩ繊維、玄武岩繊維、ＨＭＰＥ繊維、およびセラミック繊維からなるファイバー群から選択される少なくとも１つのファイバーであり、
    前記マトリックス材料は、熱可塑性ポリウレタン、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ＰＶＣ、およびナイロンからなる材料群から選択される少なくとも１つの材料である。
23. 請求項２０記載のロープ構造体において、
    前記形成済み複合ストランドは、実質的に７０重量％〜９８重量％の前記ファイバー材料を有し、
    前記形成済み複合ストランドは、実質的に２重量％〜３０重量％の前記マトリックス材料を有するものである。
24. 請求項２０記載のロープ構造体において、
    前記形成済み複合ストランドは、実質的に５０重量％〜９５重量％の前記ファイバー材料を有し、
    前記形成済み複合ストランドは、実質的に５重量％〜５０重量％の前記マトリックス材料を有するものである。

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