(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部被覆の内側に非金属の抗張力体の撚り合わせ層を有する高強度ケーブルにおいて、該抗張力体が、被覆体と、該被覆体内に配置されたコポリパラフェニレン−３，４’−オキシジフェニレンテレフタルアミドの繊維体、及び該繊維体の間を充填する充填材とから構成されている高強度ケーブルであり、且つ、該コポリパラフェニレン−３，４’−オキシジフェニレンテレフタルアミドの繊維体が、その横圧縮応力が７５ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であることを特徴とする深海探査機用高強度テザーケーブル。
【請求項２】
コポリパラフェニレン−３，４’−オキシジフェニレンテレフタルアミドの繊維体は、その表面硬さが、雲母の表面硬さに対する割合で１％以上であることを特徴とする請求項１に記載の深海探査機用高強度テザーケーブル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐疲労性を上げて破断までの寿命を向上させた高強度ケーブル、特に大深度の深海の無人探査システムに用いられて電力と光信号を送るための深海探査機用テザーケーブルに好適な高強度ケーブルに関する。
【背景技術】
【０００２】
高強度ケーブルが様々な分野で求められている。そのひとつとして、例えば海中または水中にて使用されるテザーケーブルがある。
海中または水中にて使用される無人探査システムでは、電力と光信号を送るためにテザーケーブルが用いられている。図６は、テザーケーブルの断面構造を示しており、テザーケーブル１０００は、複数本の動力線１００１と、複数本の光ファイバユニット１００２と、抗張力体１００３，１００４と、外部被覆１００５を有している。抗張力体１００３，１００４は、撚り合わせ層を構成しており、長手方向の張力に抵抗できると共にねじり方向への力に抵抗してテザーケーブル１０００が伸びるのを防ぎ、屈曲されてしまうことを防止している。
【０００３】
テザーケーブル１０００の抗張力体１００３，１００４は、被覆体内に複数の繊維体を配置しており、繊維体は、アラミド繊維であるＰＰＴＡ：ポリパラフェニレンテレフタルアミドである。ＰＰＴＡは、東レ・デュポン株式会社のケブラー（登録商標）、テイジンアラミド社のトワロン（登録商標）などが用いられる。このように繊維体としてアラミド繊維を用いるのは、ケーブルが長くなると重くなり自重で破断しないようにケーブル重量を軽くする目的と高強度を得るためである。この抗張力体１００３，１００４は、２層に反対方向に撚られ、外部被覆の内側において樹脂で固められている。(例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特公平７―５４６５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、従来のＰＰＴＡの繊維体を用いた抗張力体１００３，１００４を使用すると、テザーケーブル１０００を長期間使用した場合に、テザーケーブル１０００の強度が張力と屈曲、側圧及び水圧により疲労劣化して徐々に低下してしまい、テザーケーブル１０００をそのまま使用し続けると破断してしまうおそれがある。特に、従来のＰＰＴＡの繊維体を用いた抗張力体を大深度の深海の無人探査システムに用いようとする場合には、前述した強度の低下はさらに顕著になるという問題があった。
そこで、本発明は上記課題を解消するために、耐疲労性を上げて破断までの寿命を向上させた高強度ケーブル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】
【０００５】
上記課題を解消するために、本発明の高強度ケーブルは、外部被覆の内側に非金属の抗張力体の撚り合わせ層を有する高強度ケーブルにおいて、該抗張力体が、被覆体と、該被覆体内に配置されたコポリパラフェニレン−３，４’−オキシジフェニレンテレフタルアミドの繊維体、及び該繊維体の間を充填する充填材とから構成されている高強度ケーブルであり、且つ、該コポリパラフェニレン−３，４’−オキシジフェニレンテレフタルアミドの繊維体が、その横圧縮応力が７５ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であることを特徴とする。
本発明の高強度ケーブルでは、好ましくはコポリパラフェニレン−３，４’−オキシジフェニレンテレフタルアミドの繊維体は、その表面硬さが、雲母の表面硬さに対する割合で１％以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、耐疲労性を上げて破断までに達する寿命を向上させた高強度ケーブルの実現が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。  
図１は、本発明の高強度ケーブルの好ましい実施形態が用いられている無人探査システムを示す斜視図である。
図１において、無人探査システム１は、海洋探査開発に用いられ、支援母船２と、ランチャ３と、ビークル４を備える。支援母船２とランチャ３は、１次ケーブルであるテザーケーブル１０により接続されている。ランチャ３とビークル４は、２次ケーブル１１により接続されている。本発明の実施形態の高強度ケーブルは、１次ケーブルであるテザーケーブル１０としても、２次ケーブル１１としても用いることができるが、ここでは１次ケーブルであるテザーケーブル１０として本発明の高強度ケーブルを用いた例を示す。テザーケーブル１０は、支援母船２の船上のシーブ５により繰り出されるようになっている。テザーケーブル１０と２次ケーブル１１は、共に動力と光信号を送ることができる。
【０００８】
図２は、図１に示すテザーケーブル１０の構造例を示す。図３は、テザーケーブル１０の断面構造例を示す。
図２と図３に示すように、テザーケーブル１０は、外部被覆２０の内側に非金属の抗張力体の撚り合わせ層２１を有するケーブルである。外部被覆２０は、例えばポリエステル編組であり、外部被覆２０の内側には抗張力体の撚り合わせ層２１と、内部被覆２２と、三相の動力線２３，２４，２５と、光ファイバユニット２６，２７と、接地線２８を有している。内部被覆２２は、例えば架橋ポリエチレン製であり、三相の動力線２３，２４，２５と接地線２８は銅線である。
内部被覆２２内には、三相の動力線２３，２４，２５と、光ファイバユニット２６，２７と、接地線２８を内蔵しており、内部被覆２２の内側の隙間には例えばシリコンゴムなどの充填材２９が充填されている。
【０００９】
図２と図３に示すように、撚り合わせ層２１は、外部被覆２０の内面から離れている内側の第１抗張力体層３１と、外部被覆２０の内面に接する外側の第２抗張力体層３２とを備える。第１抗張力体層３１は、複数本の抗張力体４１から構成されており、第２抗張力体層３２は、複数本の抗張力体４２から構成されている。抗張力体４１は、抗張力体４２に比べて太く、図２に示すように中心軸ＣＬに対してＸ１方向に傾斜して配列されている。一方、抗張力体４２は中心軸ＣＬに対してＸ１方向とは逆のＸ２方向に傾斜して配列されている。
これにより、第１抗張力体層３１と第２抗張力体層３２は、長手方向の張力に抵抗できると共にねじり方向への力に抵抗してテザーケーブル１０が伸びるのを防ぎ、屈曲されることを防止している。
【００１０】
図４（Ａ）は、抗張力体４１の断面構造例を示し、図４（Ｂ）は、抗張力体４２の断面構造例を示している。
図４（Ａ）に示すように、抗張力体４１は、被覆体５０と、被覆体５０の内側に配置されたコポリパラフェニレン−３，４’−オキシジフェニレンテレフタルアミドの複数の繊維体５１と、これらの繊維体５１の間を充填する充填材５２とを有する。同様にして、図４（Ｂ）に示すように、抗張力体４２は、被覆体６０と、被覆体６０の内側に配置されたコポリパラフェニレン−３，４’−オキシジフェニレンテレフタルアミドの複数の繊維体６１と、これらの繊維体６１の間を充填する充填材６２とを有する。被覆体５０，６０としては、例えばポリエチレン樹脂により形成され、充填材５２，６２は、例えばビニルエステルなどである。コポリパラフェニレン−３，４’−オキシジフェニレンテレフタルアミドは、例えば帝人テクノプロダクツ株式会社のテクノーラ（登録商標）を用いることができる。
【００１１】
このように、本発明の実施形態の複数の繊維体５１，６１が、コポリパラフェニレン−３，４’−オキシジフェニレンテレフタルアミドであることにより、従来の複数の繊維体がポリパラフェニレンテレフタルアミドであることに比べて、次のような効果がある。すなわち、コポリパラフェニレン−３，４’−オキシジフェニレンテレフタルアミド自身がエーテル結合を含むことにより、分子にフレキシビリティが付与され、坐屈やフィブリル化を起こしにくくなっているものと考えられる。また、横圧縮応力が大きいことから、テザーケーブルが実使用時に受ける屈曲、水圧、側面からの圧縮などの負荷に対して、接触する充填材との剥離が抑えられ、その結果、テザーケーブル１０の実使用時の強度低下が少なくなり、テザーケーブル１０の寿命を向上させることができると考えられる。
【００１２】
本発明における横圧縮応力とは、単繊維を繊維軸に垂直な方向に圧縮し、圧縮率が８０％となった時の１ｄｔｅｘあたりの荷重で表したものであり、本発明においては７５ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であることが必要で、好ましくは８０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上である。さらに繊維体５１，６１の繊維表面硬さが高いことが好ましく、このように繊維体５１，６１の繊維表面硬さを高くすることにより、ケーブル使用時に受ける屈曲、水圧、側面の圧縮等が加わる環境下でも、複数の繊維体５１，６１と、樹脂である充填材５２，６２とをよりいっそう強固に密着させることができ、これによりテザーケーブル１０の寿命をさらに向上させることを知見した。
【００１３】
本発明における繊維表面硬さとは、バネ定数１５４Ｎ／ｍのプローブを、繊維軸と垂直方向に、電圧０．３Ｖの押し込み力（深さ３５ｎｍに相当）で押し当てた時の硬度であり、標準サンプルとして、プローブを押し当てる際の単繊維の土台として用いた雲母を用い、その硬度に対して１％以上が好ましく、さらに好ましくは１．５％以上である。また、前記硬度測定に用いた雲母板は、ロシア産の白雲母（モスコバイト）を用いた。
【００１４】
繊維表面硬度が雲母の硬度に対して１％未満であるコポリパラフェニレン−３，４’−オキシジフェニレンテレフタルアミド繊維を１％以上に向上させる方法としては、繊維に４００℃以上の高温で熱処理を行う方法などが例示されるが、この方法に限定されるものではなく、硬度を雲母の硬度に対して１％以上に向上できるいずれの方法を用いても良い。
以上のような特性を持つ繊維体を用いて抗張力体とし、更に複数本撚り合わせてテザーケーブルとすることにより、実使用時に掛かる様々な負荷、特に屈曲、側面からの圧縮に対しても高い耐疲労性を持ち、高寿命なテザーケーブルを提供することができる。
【実施例】
【００１５】
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。なお、実施例で用いた評価方法は下記のとおりである。
（１）単繊維の横圧縮応力
単繊維１本をダイアモンド板上に並べて端部を固定し、直上よりダイアモンド板を押し当て、圧縮率が８０％となった時の１ｄｔｅｘあたりの荷重を計測した。また圧縮率は、圧縮前の単繊維径Ｄと圧縮時の直上方向の単繊維径Ｄ１から下記式を用いて算出した。
圧縮率（％）＝（Ｄ−Ｄ１）／Ｄ×１００
【００１６】
（２）単繊維表面の表面硬さ
単繊維１本を雲母板上に並べて固定し、その表面にバネ定数１５４Ｎ／ｍのプローブを、繊維軸と垂直方向に、電圧０．３Ｖの押し込み力（深さ３５ｎｍに相当）で押し当て、押し込んだ時の荷重からくぼんだ部分の体積で割って算出し、更に同様の方法で測定した雲母の硬度との割合を下記式にて算出した。
表面硬度割合（％）＝（単繊維の硬度）／（雲母の硬度）×１００
【００１７】
（３）抗張力体の耐圧縮疲労性
抗張力体の側面から２２ｍｍ角のアルミ製プレートで両側を挟み込み、圧縮試験機にて５０ｋｇｆの荷重を付与した。これを１サイクルとして７秒／サイクルの割合で繰返し荷重を付与し、１００サイクル、１０００サイクル後の抗張力体の引張強度を測定した。また圧縮前の抗張力体の引張強度を用いて下記式にて強度保持率を算出し、これを耐圧縮疲労性とした。
耐圧縮疲労性（％）＝（圧縮後引張強度）／（圧縮前引張強度）×１００
【００１８】
（４）抗張力体の圧縮後の断面扁平率
前記（３）記載の圧縮試験を行った後の抗張力体の短径、長径を用いて下記式にて断面扁平率を算出した。
断面扁平率＝（圧縮後の長径）／（圧縮後の短径）
【００１９】
（５）抗張力体の耐水圧疲労性
抗張力体を高水圧試験槽に挿入後、試験槽内を水で満たした状態で水圧を印加し１２０ＭＰａで３０分保持した後、０ＭＰａまで減圧した。これを１サイクルとして２００サイクル後の抗張力体の引張強度を測定した。また試験前の抗張力体の引張強度を用いて下記式にて強度保持率を算出し、これを耐水圧疲労性とした。
耐水圧疲労性（％）＝（水圧後引張強度）／（水圧前引張強度）×１００
【００２０】
（６）疲労試験
図５（Ａ）に示す疲労試験装置６５を用い、疲労試験を行った。図５（Ａ）に示す疲労試験装置６５は、シーブ７０とローラ７１を有しており、シーブ７０とローラ７１には、高強度ケーブル１０とワイヤー７２が掛けられている。高強度ケーブル１０とワイヤー７２の接続部分にはロードセル８０が設けられており、高強度ケーブル１０に荷重ＬＤを掛けている。なお、シーブ７０の直径は４００ｍｍであり、荷重ＬＤは２９．４ｋＮである。この状態でシーブ７０を交互に約１８０度ずつ回転させ、高強度ケーブル１０その破断に到るまでの回転回数を測定した。
【００２１】
［実施例１］
単糸繊度１．６７ｄｔｅｘ、横圧縮応力９４ｃN／ｄｔｅｘ、単繊維表面の硬度割合が雲母に対して１．７％であるコポリパラフェニレン−３，４’−オキシジフェニレンテレフタルアミド繊維（帝人テクノプロダクツ株式会社製、テクノーラ（登録商標）Ｔ７４１）をトータル繊度が６６００ｄｔｅｘとなるように束ねて繊維束とした後、ビニルエステル樹脂を含浸・硬化させ、更にポリアミド樹脂を被覆して、直径１．３ｍｍの抗張力体を得た。また、同様の方法でトータル繊度４４００ｄｔｅｘのコポリパラフェニレン−３，４’−オキシジフェニレンテレフタルアミド繊維束にビニルエステル樹脂を含浸・硬化させ、更にポリアミド樹脂で被覆して直径１．１ｍｍの抗張力体を得た。
この直径１．１ｍｍの抗張力体について耐圧縮疲労性を測定したところ、１００サイクル後、１０００サイクル後でいずれも１００％であった。またその時の断面扁平率は、１００サイクル後で１．０７、１０００サイクル後で１．１４であった。
また、この抗張力体を用いて耐水圧疲労性を測定したところ、１００％であった。
更に、この抗張力体を用いて内部被覆上に２層交互に撚合わせを行い、高強度ケーブル１０を得た。
この高強度ケーブルを、図５に示したように疲労試験装置６５に設置し、２９．４ｋＮの荷重下で疲労させたところ、６００００サイクル後でも破断には至らなかった。
【００２２】
［比較例１］
単糸繊度１．５８ｄｔｅｘ、横圧縮応力７０ｃN／ｄｔｅｘ、単繊維表面の硬度割合が雲母に対して１．８％であるポリパラフェニレンテレフタルアミド繊維（東レ・デュポン株式会社製、ケブラー（登録商標）４９）をトータル繊度が６６００ｄｔｅｘとなるように束ねて繊維束とした後、ビニルエステル樹脂を含浸・硬化させ、更にポリアミド樹脂を被覆して、直径１．３ｍｍの抗張力体を得た。また、同様の方法でトータル繊度４４００ｄｔｅｘのポリパラフェニレンテレフタルアミド繊維束にビニルエステル樹脂を含浸・硬化させ、更にポリアミド樹脂で被覆して直径１．１ｍｍの抗張力体を得た。
【００２３】
この直径１．１ｍｍの抗張力体について耐圧縮性を測定したところ、１００サイクル後で７９％、１０００サイクル後で５５％であった。またその時の断面扁平率は、１００サイクル後で１．３１、１０００サイクル後で１．４７であった。
また、この抗張力体を用いて耐水圧疲労性を測定したところ、６７％であった。
更に、この抗張力体を用いて内部被覆上に２層交互に撚合わせを行い、高強度ケーブル１０００を得た。
この高強度ケーブルを、図５に示したように疲労試験装置６５に設置し、２９．４ｋＮの荷重下で疲労させたところ、１５０００サイクルで破断した。
【００２４】
図５（Ｂ）に本発明の実施形態のコポリパラフェニレン−３，４’−オキシジフェニレンテレフタルアミドからなる複数の繊維体５１，６１と、従来のポリパラフェニレンテレフタルアミドからなる複数の繊維体と、を比較した疲労試験結果を示す。
図５（Ｂ）に示すように、従来の高強度ケーブル１０００は１５０００回で破断したが、単繊維の横圧縮応力が７５ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であるコポリパラフェニレン−３，４’−オキシジフェニレンテレフタルアミド繊維体を用いて高強度ケーブルとすることにより、従来の高強度ケーブル１０００に比べて４倍以上の耐久性向上が図れた。
【００２５】
ところで、本発明は、上記実施形態に限定されず種々の変形例を採用できる。
例えば、本発明の実施形態の高強度ケーブルは、無人探査システムだけではなく、海底に敷設する海底敷設用ケーブルとしても用いることができる。
本発明の実施形態の高強度ケーブルは、１次ケーブルであるテザーケーブル１０だけでなく、２次ケーブル１１としても用いることができる。
（さらには、エレベーターケーブル等のロープ類への適用も可能である。）
撚り合わせ層２１は、第１抗張力体層３１と第２抗張力体層３２とを備えているが、これに限らず３層以上の抗張力体層を備えるようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の高強度ケーブル（テザーケーブル）の好ましい実施形態が用いられている無人探査システムを示す斜視図である。
【図２】本発明の高強度ケーブル（テザーケーブル）の実施形態を示す斜視図である。
【図３】本発明の高強度ケーブル（テザーケーブル）の実施形態を示す断面図である。
【図４】本発明の高強度ケーブル（テザーケーブル）に配置されている抗張力体の例を示す断面図である。
【図５】（Ａ）は本発明の実施形態の高強度ケーブルと従来例の高強度ケーブルについて疲労試験を行った疲労試験装置を、（Ｂ）はその疲労試験結果を示す図である。
【図６】従来の高強度ケーブル（テザーケーブル）を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１        無人探査システム
３        ランチャ
４        ビークル
１０      高強度ケーブル（テザーケーブル）
２１      抗張力体の撚り合わせ層
２２      内部被覆
２３，２４，２５    動力線
２６，２７    光ファイバユニット
２８      接地線
３１      第１抗張力体層
３２      第２抗張力体層
４１      抗張力体
４２      抗張力体
５１      繊維体
６１      繊維体
５２      充填材
６２      充填材
【図１】
0005320527.tif 000002
【図２】
0005320527.tif 000003
【図３】
0005320527.tif 000004
【図４】
0005320527.tif 000005
【図５】
0005320527.tif 000006
【図６】
0005320527.tif 000007