(57)【要約】【課題】材料強度の低下を抑制する熱可塑性樹脂複合材料の加工方法、結合方法及び加工装置並びに熱可塑性樹脂複合材料を提供する。【解決手段】熱可塑性樹脂複合材料の加工方法は、針状工具の錐体状の先端部を熱可塑性樹脂複合材料に接触させることにより熱可塑性樹脂複合材料に熱を与える工程と、熱を与えられて軟化した熱可塑性樹脂複合材料に、針状工具の先端部を侵入させる工程と、を含む。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
針状工具の錐体状の先端部を熱可塑性樹脂複合材料に接触させることにより前記熱可塑性樹脂複合材料に熱を与える工程と、
熱を与えられて軟化した前記熱可塑性樹脂複合材料に、前記針状工具の前記先端部を侵入させる工程と、
を含む、熱可塑性樹脂複合材料の加工方法。
【請求項２】
前記熱可塑性樹脂複合材料に熱を与える工程は、前記針状工具に高周波振動を与えつつ前記熱可塑性樹脂複合材料に接触させる工程である、請求項１に記載の熱可塑性樹脂複合材料の加工方法。
【請求項３】
前記熱可塑性樹脂複合材料に熱を与える工程は、前記熱可塑性樹脂複合材料の軟化点以上に加熱した前記針状工具を前記熱可塑性樹脂複合材料に接触させる工程である、請求項１に記載の熱可塑性樹脂複合材料の加工方法。
【請求項４】
前記熱可塑性樹脂複合材料に熱を与える工程は、前記針状工具の前記先端部を前記熱可塑性複合材料に接触させた状態で、移動を停止して行う、請求項１から３のいずれか１項に記載の熱可塑性樹脂複合材料の加工方法。
【請求項５】
前記熱可塑性樹脂複合材料の表面の軟化を判別する工程を更に備え、
前記熱可塑性樹脂複合材料の表面が軟化された後、前記針状工具の前記先端部を侵入させる工程を行う、請求項４に記載の熱可塑性樹脂複合材料の加工方法。
【請求項６】
前記熱可塑性樹脂複合材料の表面の軟化を判別する工程は、
前記熱可塑性樹脂複合材料の表面の温度を測定することによって行う、請求項５に記載の熱可塑性樹脂複合材料の加工方法。
【請求項７】
前記針状工具は前記先端部の後端につながる胴体部を備え、前記針状工具をその胴体部まで前記熱可塑性樹脂複合材料に貫通させる、請求項１から６のいずれか１項に記載の熱可塑性樹脂複合材料の加工方法。
【請求項８】
貫通した前記針状工具の前記先端部を前記胴体部の径よりも大きな径を有するように変形させる工程をさらに含む、請求項７に記載の熱可塑性樹脂複合材料の加工方法。
【請求項９】
前記針状工具の前記先端部は、頂角が１〜３０°の円錐形であり、先端は半径が１〜１００μｍの半球状である、請求項１から８のいずれか１項に記載の熱可塑性樹脂複合材料の加工方法。
【請求項１０】
複数の熱可塑性樹脂複合材料の少なくとも一部を重ね合わせる工程と、
錐体状の先端部に返しを備える針状工具の当該先端部を熱可塑性樹脂複合材料に接触させることにより前記熱可塑性樹脂複合材料に熱を与える工程と、
熱を与えられて軟化した前記熱可塑性樹脂複合材料の重ね合わせた部分に、前記針状工具の前記先端部を侵入させる工程と、
を含む、熱可塑性樹脂複合材料の結合方法。
【請求項１１】
錐体状の先端部を有する針状工具と、
前記針状工具に高周波振動を与える振動発振器と、
熱可塑性樹脂複合材料又は前記針状工具を移動させる駆動機構と、
を備える、熱可塑性樹脂複合材料の加工装置。
【請求項１２】
錐体状の先端部を有する針状工具と、
前記針状工具に熱を与える加熱源と、
熱可塑性樹脂複合材料又は前記針状工具を移動させる駆動機構と、
を備える、熱可塑性樹脂複合材料の加工装置。
【請求項１３】
前記針状工具が前記熱可塑性樹脂複合材料に接触したことを検知する接触検知部を更に備える、請求項１１又は１２に記載の熱可塑性樹脂複合材料の加工装置。
【請求項１４】
前記熱可塑性樹脂複合材料の表面が軟化したことを検知する軟化検知部を更に備える、請求項１１から１３のいずれか１項に記載の熱可塑性樹脂複合材料の加工装置。
【請求項１５】
前記軟化検知部は、前記熱可塑性樹脂複合材料の表面温度を測定する温度測定部である、請求項１４に記載の熱可塑性樹脂複合材料の加工装置。
【請求項１６】
前記針状工具の先端部を変形させるかしめ機構をさらに備える、請求項１１から１５のいずれか１項に記載の熱可塑性樹脂複合材料の加工装置。
【請求項１７】
前記針状工具は、前記先端部につながる胴体部を備え、前記胴体部の後端部に前記胴体部の径よりも大きな径の拡径部を有する、請求項１１から１６のいずれか１項に記載の熱可塑性樹脂複合材料の加工装置。
【請求項１８】
前記針状工具の前記先端部は、頂角が１〜３０°の円錐形であり、先端は半径が１〜１００μｍの半球状である、請求項１１から１７のいずれか１項に記載の熱可塑性樹脂複合材料の加工装置。
【請求項１９】
結合穴を有する熱可塑性樹脂複合材料であって、
前記熱可塑性樹脂複合材料は熱可塑性樹脂に繊維材料を組み合わせた材料であり、
前記結合穴の周囲に沿って前記繊維材料が湾曲している、
熱可塑性樹脂複合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱可塑性樹脂複合材料の加工方法、結合方法及び加工装置並びに熱可塑性樹脂複合材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
樹脂複合材料としての繊維強化樹脂は、様々な種類の繊維と樹脂とを組み合わせた構造材料である。繊維強化樹脂は、軽量で成型の容易な樹脂をマトリックス材とし、樹脂の機械的性質を改良するための繊維を補強材として、両者を組み合わせて製造される。樹脂としては熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂が用いられ、繊維としてはガラス繊維、炭素繊維、合成繊維などが用いられる。繊維強化樹脂は、金属材料よりも比重が軽く、同じ厚さの金属材料に比べて引っ張り強度等の機械的強度が高いという性質を持つため、様々な産業分野で利用されている。
【０００３】
例えば、樹脂と補強材としての炭素繊維との複合材料である炭素繊維強化樹脂（Carbon Fiber-Reinforced Plastics, ＣＦＲＰ）は、航空宇宙産業、自動車産業、建設業、医療器具等、多くの産業分野において用途が拡大している。ＣＦＲＰは炭素繊維と樹脂との一体成形が可能であるため、複雑な曲面を持つ部材を自由に成形することができるが、成形後の部材の結合には穴あけ加工が必要となる。例えば特許文献１には、ドリルを用いた炭素繊維複合材の孔あけ加工方法が開示されている。また特許文献２には、繊維強化プラスチックその他の材料を、レーザーを用いて加工する加工装置が開示されている。
【０００４】
現在、主流となっているＣＦＲＰは、熱硬化性樹脂をマトリックス材に使用したＣＦＲＰであるが、オートクレーブなどを用いて焼成を行う必要があるため、設備にコストがかかることや成形に時間を要することが課題となっている。そのため、熱可塑性樹脂をマトリックス材に使用したＣＦＲＰの適用が検討され始めている。熱可塑性ＣＦＲＰの成形には従来技術のプレス法を使用することができるため、設備コストが安価である。また成形加工時間の大幅な短縮が可能なため、量産化にも容易に対応することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−２８８３８号公報
【特許文献２】特開２０１４−１６１９０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＣＦＲＰに限らず、繊維強化樹脂製の部材を所定の製品として組み立てるには、部材に穴あけ加工等の二次加工を施す必要がある。繊維強化樹脂部材に対する二次加工手法としては、ドリルを用いた切削加工が主であるが、特にＣＦＲＰのように高強度の炭素繊維を用いた繊維強化樹脂部材の加工では、工具の磨耗が激しく、また加工時に炭素繊維を損傷するという問題がある。また、複数の薄層繊維強化樹脂を積層した部材を加工した場合、層間剥離（デラミネーション）などの発生が問題となる。
【０００７】
そのため、二次加工手法として研削加工、放電加工、レーザー加工など様々な加工手法が検討されている。しかしながら、これらの方法でも強度の要となる炭素繊維（補強繊維）を加工時に切断するため、二次加工による材料強度の低下を招くという問題がある。
【０００８】
本発明は上記のような問題を解決するためになされたものであり、材料強度の低下を抑制する熱可塑性樹脂複合材料の加工方法、結合方法及び加工装置並びに熱可塑性樹脂複合材料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】
【０００９】
上記の目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る熱可塑性樹脂複合材料の加工方法は、
針状工具の錐体状の先端部を熱可塑性樹脂複合材料に接触させることにより前記熱可塑性樹脂複合材料に熱を与える工程と、
熱を与えられて軟化した前記熱可塑性樹脂複合材料に、前記針状工具の前記先端部を侵入させる工程と、
を含む。
【００１０】
また、本発明の第２の観点に係る熱可塑性樹脂複合材料の結合方法は、
複数の熱可塑性樹脂複合材料の少なくとも一部を重ね合わせる工程と、
錐体状の先端部に返しを備える針状工具の当該先端部を熱可塑性樹脂複合材料に接触させることにより前記熱可塑性樹脂複合材料に熱を与える工程と、
熱を与えられて軟化した前記熱可塑性樹脂複合材料の重ね合わせた部分に、前記針状工具の前記先端部を侵入させる工程と、
を含む。
【００１１】
また、本発明の第３の観点に係る熱可塑性樹脂複合材料の加工装置は、
錐体状の先端部を有する針状工具と、
前記針状工具に高周波振動を与える振動発振器又は前記針状工具に熱を与える加熱源と、
熱可塑性樹脂複合材料又は前記針状工具を移動させる駆動機構と、
を備える。
【００１２】
また、本発明の第４の観点に係る熱可塑性樹脂複合材料は、
結合穴を有する熱可塑性樹脂複合材料であって、
前記熱可塑性樹脂複合材料は熱可塑性樹脂に繊維材料を組み合わせた材料であり、
前記結合穴の周囲に沿って前記繊維材料が湾曲している。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、材料強度の低下を抑制する熱可塑性樹脂複合材料の加工方法、結合方法及び加工装置並びに熱可塑性樹脂複合材料を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態に係る熱可塑性樹脂複合材料の加工装置の機器構成図、（ｂ）は結合加工装置の機器構成図である。
【図２】（ａ）は針状工具の斜視図、（ｂ）はその先端部の拡大図である。
【図３】（ａ）は本発明の変形例に係る加工装置の機器構成図、（ｂ）は変形例に係る結合加工装置の機器構成図である。
【図４】熱可塑性樹脂複合材料の加工の進行状態を示す断面図であり、（ａ）は材料を加工装置に載置した図、（ｂ）は針状工具を材料に接触させた図、（ｃ）は針状工具を材料に向けて押し進めた図、（ｄ）は針状工具が材料を貫通した図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る熱可塑性樹脂複合材料の加工方法を示すフローチャートである。
【図６】（ａ）は本発明の加工方法により加工された熱可塑性樹脂複合材料の補強用繊維材料の状態を示す模式図、（ｂ）は従来技術により加工された熱可塑性樹脂複合材料の補強用繊維材料の状態を示す模式図である。
【図７】（ａ）は加工材料を結合するための結合部材としての針状工具の概略図、（ｂ）は２枚の加工材料を針状工具で結合した断面図、（ｃ）は変形例に係る針状工具の概略図である。
【図８】熱可塑性樹脂複合材料の結合方法を示すフローチャートである。
【図９】（ａ）は変形例に係る針状工具の概略を示す断面図、（ｂ）は、図９（ａ）に示す針状工具の概略を示す斜視図、（ｃ）は別の変形例に係る針状工具の概略を示す側面図である。
【図１０】針状工具へ振動を付与して穿孔加工を行う場合における、孔の拡大と縮小とを説明するための図である。
【図１１】変形例に係る加工装置の構成例を示す図である。
【図１２】変形例に係る加工方法を示すフローチャートである。
【図１３】本発明の実施例に係る穴あけ加工装置である。
【図１４】（ａ）は本発明の実施例１に係る針状工具の半径が２μｍの先端の写真、（ｂ）は半径が１２μｍの先端の写真、（ｃ）は半径が２５μｍの先端の写真である。
【図１５】（ａ）は本発明の実施例１に係る加工穴の入口側から見た写真、（ｂ）は側面から見た写真、（ｃ）は出口側から見た写真、（ｄ）は加工穴の概略斜視図である。
【図１６】（ａ）は本発明の実施例１に係る穴あけ前の炭素繊維の状態を示す模式図、（ｂ）は穴あけ後の炭素繊維の状態を示す模式図である。
【図１７】本発明の実施例１に係る針状工具が加工材料を貫通するまでの加工時間を示すグラフである。
【図１８】（ａ）〜（ｃ）は、実施例２に係る加工後の針状工具の写真を示し、（ａ）は半径が２μｍの先端の写真、（ｂ）は半径が１２μｍの先端の写真、（ｃ）は半径が２５μｍの先端の写真である。
【図１９】（ａ）は本発明の実施例３に係る加工材料の表面温度の測定方法を横方向から説明する図であり、（ｂ）は加工材料の表面における加工領域と測定領域とを説明する図である。
【図２０】針状工具に超音波振動を付与した場合における、加工時間に対する加工材料表面の温度変化を示すグラフである。
【図２１】針状工具に超音波振動を付与した場合における、加工時間に対する加工材料表面の温度変化を示すグラフである。
【図２２】はんだごてを使用して針状工具を加熱した場合における、加工時間に対する加工材料表面の温度変化を示すグラフである。
【図２３】通電後の時間に対するはんだごての表面の温度変化を示すグラフである。
【図２４】はんだごてを使用して針状工具を加熱した場合における、加工時間に対する加工材料表面の温度変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施の形態に係る熱可塑性樹脂複合材料の加工方法及び結合方法、それに用いる加工装置並びに加工された熱可塑性樹脂複合材料について、図面を参照して説明する。
【００１６】
（加工対象材料）
本発明の加工の対象である熱可塑性樹脂複合材料は、熱可塑性樹脂中にさまざまな補強用の繊維材料を包含させて強度を高めた材料であり、繊維強化熱可塑性樹脂材料とも称する。熱可塑性樹脂複合材料は、長繊維を一定の方向に向けて配列して樹脂を含浸させる方法、又は短繊維をランダムに分散させて樹脂を含浸させる方法などによって製造される。成型には、繊維材料を所定の型に入れて樹脂を注入する方法や、樹脂と繊維材料を混合してプレス成型する方法などがある。
【００１７】
長繊維を一定の方向に向けて配列して樹脂を含浸させた熱可塑性樹脂複合材料は、方向により強度の差が生じる。そのため、薄層に形成した熱可塑性樹脂複合材料を複数枚、繊維の方向が直交する方向に交互に向きを変えて積層した複合材料がある。
【００１８】
熱可塑性樹脂は、軟化点（又はガラス転移温度、樹脂が軟化する温度）を有する樹脂であり、軟化点以上に加熱することにより軟化し、温度が軟化点より低下すると再び固化する性質を持つ樹脂である。熱可塑性樹脂には、例えばポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ酢酸ビニル（ＰＶＡ）、ポリウレタン（ＰＵＲ）、フッ素樹脂、アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂（ＡＢＳ）、アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、変性ポリフェニレンエーテル（ｍ−ＰＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、環状ポリオレフィン（ＣＯＰ）、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）、ポリスルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、非晶ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、熱可塑性ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）などがある。ほとんどの熱可塑性樹脂の軟化点は３００℃以下であるので、熱可塑性樹脂を軟化させることは比較的容易である。
【００１９】
熱可塑性樹脂に組み合わせる補強用の繊維材料としては、炭素繊維、ガラス繊維、金属繊維、合成繊維などがある。
【００２０】
炭素繊維は、合成繊維や石炭系又は石油系のピッチを繊維状にしたものを高温で加熱処理して炭素化又は黒鉛化したものである。カーボンナノチューブやグラフェンを繊維状にしたものも炭素繊維に含まれる。ガラス繊維は、ガラスを融解し、融解液を糸状に引き出す方法や、融解液を遠心力で糸状に分散させる方法などにより、繊維状にしたものである。ガラス繊維のガラスの組成は限定されない。金属繊維は、金属又は金属酸化物を繊維状に形成したものであり、金属の種類は限定されない。また、金属繊維にボロンを蒸着させたボロン繊維等の金属複合繊維も含む。合成繊維は、樹脂を含む有機高分子材料を繊維状に形成したものであり、有機高分子材料の種類は限定されない。
【００２１】
熱可塑性樹脂複合材料の加工形態として、シート状又は不定形の熱可塑性樹脂複合材料を所定の位置に取り付ける場合や、複数の熱可塑性樹脂複合材料をつなぎ合わせて必要な形状に加工する場合がある。このような場合、熱可塑性樹脂複合材料に結合用の穴（結合穴）を開ける穴あけ加工を施す必要が生じる。穴あけ加工方法として、現在は主にドリルによる穿孔方法が用いられているが、本発明では以下に説明する装置及び方法を用いて加工する。
【００２２】
（加工装置、加工工具）
最初に、本発明の実施の形態に係る熱可塑性樹脂複合材料（以下、「加工材料」ともいう。）の加工装置１について説明する。加工装置１は、図１（ａ）に示すように、加工工具である針状工具１０と、針状工具１０に高い周波数（振動数）の振動を与える振動発振器２０と、針状工具１０を移動させる駆動機構３０と、加工材料を載置する加工材料載置台４０と、を備える。
【００２３】
この実施の形態では、駆動機構３０は針状工具１０を固定した振動発振器２０を移動させるように構成している。この場合、「針状工具を移動させる」とは、「針状工具を固定した振動発振器を移動させる」という意味で用いる。また、針状工具１０は加工材料の大きさや種類等に応じて交換可能である。
【００２４】
針状工具１０は、図２（ａ）に示すように、胴体部１２と先端部１４とを有する。胴体部１２は円柱形である。先端部１４は、加工材料に侵入させるため、胴体部１２の前端部から次第に径が先細りとなる、円錐形である。ミクロ的に見れば、図２（ｂ）に示すように、先端部１４の先端１６は半径がＲの半球状となっている。先端部１４の頂角Ａは、０°より大きく、１８０°未満の任意の値であってよい。先端部１４の頂角Ａは鋭角であることが好ましく、１〜３０°であることが好ましい。針状工具１０の具体的な寸法は、加工材料の組成及び厚さ、加工寸法に応じて、それに適した数値範囲を選択する。例えば、先端部１４の頂角Ａは１〜３０°、先端１６の半径Ｒは、１〜１００μｍとすることができ、２５μｍ〜１００μｍであることが好ましい。また先端部１４の形状は円錐形に限らず、先細りの錐体状であればよく、円錐台形状であってもよい。針状工具１０の胴体部１２の全長Ｌや直径Ｄは、加工材料の厚さや必要な加工穴径に応じて適宜設定することができる。なお、加工材料の厚さについては、特に制限はない。
【００２５】
針状工具１０の材質は、加工材料の軟化点以上の融点を有し、加工材料を貫通可能な硬度を有するものであればよい。また、摩擦熱を利用するため、加工材料との間で十分な摩擦熱を発生する程度の摩擦係数を有する材質とする。具体的には、例えばタングステン、ステンレス鋼、アルミニウム、チタン、ニッケル等の金属や硬質プラスチックなどを用いることができる。加工材料の組成は、熱可塑性樹脂と繊維材料の種類、これらの配合形態や配合比などにより決定され、軟化点や強度が異なるが、針状工具１０として金属を用いる場合はほとんどの加工材料に適用できる。
【００２６】
振動発振器２０は、例えば超音波発振器を用いることができる。振動発振器２０は、振動発振器制御部２１により制御される。振動発振器２０の出力は、加工材料の組成及び厚さ、加工寸法に応じて適宜設定する。具体的には、数十ワットから数百ワットの範囲で設定できることが好ましい。振動周波数は、少なくとも１５ｋＨｚ以上であり、２０ｋＨｚ以上であることが好ましく、３０ｋＨｚ以上であることがより好ましい。
【００２７】
針状工具１０は振動発振器２０に取り付け固定する。振動発振器２０は、針状工具１０を軸方向、即ち長さ方向に振動させるものでも、軸方向に垂直な方向、即ち幅方向に振動させるものでもよいが、軸方向に振動させるものが加工材料の繊維材料の損傷を低減するという観点でより好ましい。
【００２８】
針状工具１０を移動させる駆動機構３０は、駆動機構制御部３１により制御される。駆動機構３０は、移動速度、移動距離、移動方向などの必要な機能と性能を有する。移動速度は最大で数ｍｍ／秒程度である。移動距離は加工材料の厚さ、又は加工深さにより決定される。移動方向は加工穴の方向（加工方向）により決定される。
【００２９】
加工装置１は、載置台を有する従来の作業台にそれぞれ必要な性能を有する振動発振器２０と駆動機構３０を組み付けて製造してもよい。例えば、振動発振器２０を載置する移動架台を駆動機構３０に連結して移動可能なように構成する。単純な穴あけ加工であれば、駆動機構３０は直線的に往復運動可能な機能があればよい。もしも特殊な加工穴を形成したい場合は、それに合わせた移動経路を有する駆動機構３０を用いる。そして針状工具１０を取り付けた振動発振器２０を移動架台に固定し、加工材料載置台４０を作業台に固定して加工装置１とすることができる。
【００３０】
このような装置を用いることにより、補強材料としての繊維材料を損傷することがなく、材料強度の低下を抑制した加工材料の穴あけ加工を行うことができる。
【００３１】
（変形例１）
上記の実施の形態では、針状工具１０（振動発振器２０）を移動させる形態としたが、これに限らず、加工材料を移動させてもよい。即ち、針状工具１０を取り付けた振動発振器２０を作業台に固定し、加工材料載置台４０を駆動機構３０に連結した移動架台に固定してもよい。この場合は、加工材料を針状工具１０の方向に移動させて針状工具１０に接触させ、穴あけ加工する。
【００３２】
上記の実施の形態では、振動発振器２０を移動させるため、駆動機構３０に振動が伝わり、駆動機構３０の故障の原因となるおそれがある。しかし変形例１の場合、駆動機構３０には振動が直接伝わらないので、このようなおそれがない。
【００３３】
（変形例２）
上記の実施の形態では、摩擦熱を用いて加工材料を軟化させた。しかしこれに限らず、針状工具１０を用いて加工材料を直接加熱して軟化させてもよい。具体的には、図３（ａ）に示す加工装置１ａのように、加熱源（ヒータ等）２５を設けて針状工具１０を加熱する。加熱方法として、加熱源２５と針状工具１０とを接触させて伝熱により加熱することができる。また、針状工具１０の太さが十分太い場合、電熱線などの加熱源（発熱源）２５を針状工具１０の内部に埋め込んで針状工具１０を加熱してもよい。
【００３４】
加熱源２５は、加熱源制御部２６により制御される。加熱源２５は、針状工具１０の温度が加工材料の軟化点以上に上昇するように制御される。針状工具１０の温度は、加工材料の条件、伝熱方法、周囲の環境条件などにより変動するため、実際に加工作業を行う前に、加熱制御条件と針状工具１０が加熱される温度の相関関係を取得しておくことが望ましい。
【００３５】
（変形例３）
上記の実施の形態では、針状工具１０を振動発振器２０に直接固定して振動を与える構造とした。しかし針状工具１０に振動を与える方法はこれに限定されない。例えば、針状工具１０の後端部を振動発振器２０の振動体（振幅拡大ホーンなど）に接触させた状態で、その振動体とは独立して針状工具１０を支持してもよい。この場合、針状工具１０は振動体から振動打撃を受けて振動する。針状工具１０は、例えば、ボルトやクランプで針状工具１０の数カ所を挟み込んで支持することができる。
【００３６】
針状工具１０を振動発振器２０に直接固定する場合、針状工具１０の振動の節（ノード）の位置を固定することが考えられるが、針状工具１０を振動発振器２０から独立して局所支持（数点支持）する方法を採用することにより、支持位置の選定にあたって針状工具１０の固有振動数に基づく振動の節を考慮する必要がないため、様々なサイズや形状の針状工具１０を容易に装着することができる。さらに、振動体から振動打撃を加える方法を採用することにより、打撃振動に含まれる幅広い範囲の周波数の振動を利用できるため、針状工具１０の固有振動数を考慮した振動数を選択する必要がなくなる。
【００３７】
（結合加工装置）
次に、結合加工装置２について説明する。結合加工装置２は、加工材料を穴あけ加工するとともに、穴あけ加工した加工材料を結合する装置（穴あけと結合の両方を行う加工装置）である。図１（ｂ）に示すように、結合加工装置２は、加工装置１に、針状工具１０ｂの先端部を変形させるかしめ機構３をさらに備える。この構成により、複数の加工材料を穴あけ加工したあとに、針状工具１０ｂを結合リベット（結合部材）として利用して、その場でこれらの加工材料を結合することができる。即ち、加工材料の結合加工装置として構成することができる。なお、この場合、後述する図７（ａ）に示す形状の針状工具１０ｂを用いる。
【００３８】
かしめ機構３としては、例えば加工材料載置台４０に、針状工具１０ｂの先端部１４に打撃を加える打撃機構を備えるように構成する。そして打撃機構で針状工具１０ｂの先端部１４に打撃を加えることにより、先端部１４をかしめることができる。この場合、振動発振器２０は打撃に耐える構造としておく。又は、針状工具１０ｂを振動発振器２０からはずし、加工材料に貫通させたままの針状工具１０ｂを後端部から打撃可能なように構成してもよい。
【００３９】
かしめ機構３として、針状工具１０ｂを軸方向に強い圧力で押圧するプレス機構を加工材料載置台４０に付加してもよい。この構成では、針状工具１０ｂを先端部１４から押圧することにより、先端部１４をかしめることができる。振動発振器２０は上記と同様、プレス圧力に耐える構造としておく必要がある。あるいは、針状工具１０ｂを振動発振器２０からはずし、針状工具１０ｂを加工材料に貫通させたまま上下側からプレスするプレス機構を設けてもよい。
【００４０】
また図３（ｂ）に示すように、加熱源２５を有する加工装置１ａにかしめ機構３を付加して結合加工装置２ａを構成してもよい。
【００４１】
このように針状工具１０ｂを加工工具及び結合部材として用いることにより、穴あけ加工と結合加工をその場で連続して行うことができ、作業の効率化を図ることができる。
【００４２】
（熱可塑性樹脂複合材料の加工方法）
次に、加工装置を用いて加工材料を穴あけ加工する方法について図４、図５を参照して説明する。なお加工装置には、先端部が円錐状の針状工具１０があらかじめ取り付けられている。針状工具１０は、超音波発振器に接続されており、高周波振動を付与可能となっている。
【００４３】
まず、図４（ａ）に示すように、加工材料Ｍを、針状工具１０に対向するように加工装置の加工材料載置台４０に載置する（図５のステップＳ１０）。加工材料載置台４０には、針状工具１０の進行方向に針状工具１０が貫通可能な孔４０ａが設けられている。次に、超音波発振器を作動させ、これに接続した針状工具１０に超音波による高周波振動を与える（ステップＳ１１）。振動発振器の出力や振動周波数は、加工材料Ｍの組成や厚さ、加工寸法等に応じて調整することができる。次に、図４（ｂ）に示すように、載置した加工材料Ｍに向けて、針状工具１０を近づけ、針状工具１０の先端１６を接触させる（ステップＳ１２）。針状工具１０の先端１６と加工材料Ｍとを接触させることにより、振動する針状工具１０の先端１６と接触する加工材料Ｍの領域（点線で囲まれた領域）Ｑが摩擦熱により加熱される。
【００４４】
この摩擦熱により、領域Ｑが軟化点以上に加熱されて軟化する。次に針状工具１０をさらに加工材料Ｍの方向に押圧して押し進める（ステップＳ１３）。図４（ｃ）に示すように、さらに押し進めることにより、その先端部１４が軟化した領域Ｑに侵入してゆく。針状工具１０が領域Ｑに侵入してゆくと同時に、加工材料Ｍに先端部１４の振動によって新たに発生した摩擦熱により軟化した領域Ｑがさらに進行方向に広がる。これを連続的に繰り返すことにより、先端部１４が次第に深く侵入してゆく。次に針状工具１０が胴体部１２まで加工材料Ｍを貫通したか否かを判断し（ステップＳ１４）、貫通していなければ（ステップＳ１４：Ｎｏ）、ステップＳ１３に戻って貫通するまで針状工具１０を押し進める。図４（ｄ）に示すように、針状工具１０が加工材料Ｍを貫通すれば（ステップＳ１４：Ｙｅｓ）、穴あけ加工作業は終了である。加工が終わって針状工具１０を引き抜くと、加工材料Ｍは温度が低下して穴があいたまま固化する。
【００４５】
ステップＳ１４で針状工具１０が加工材料Ｍを貫通したか否かは、例えば針状工具１０が貫通させるために必要な距離を進んだか否かで判断することができる。
【００４６】
加工材料Ｍの熱可塑性樹脂が摩擦熱により軟化点以上まで加熱され、可塑性を有するようになった状態で針状工具１０を加工材料Ｍに向けてゆっくりと押し進めることで、軟化した熱可塑性樹脂は針状工具１０に押しのけられて変形する。このとき繊維材料は軟化しないが、柔軟性（弾力性）があるため、熱可塑性樹脂の変形に伴って針状工具１０によって押しのけられるように変形する。
【００４７】
以上説明したように、針状工具１０の先端部１４が加工材料Ｍに侵入するとき、繊維材料はその多くが切断されることがなく、針状工具１０の先端部１４によって熱可塑性樹脂とともに両側に押しのけられるだけである。そのため、繊維材料によって確保された加工材料Ｍの材料強度は、大きく低下することがない。
【００４８】
針状工具１０を押し進めるタイミングや速さは、加工材料Ｍの組成及び厚さや、加工穴の大きさ、即ち針状工具１０の径により適宜設定することができる。例えば数ミリ程度の厚さの加工材料Ｍであれば、０．５〜１ｍｍ／秒程度の一定の速さで押し進めることができる。つまり、ステップＳ１２とステップＳ１３を連続的に行うことができる。あるいは、材料表面がわずかに陥凹する程度に接触した段階（ステップＳ１２）でいったん停止して、それから押し進める（ステップＳ１３）ようにしてもよい。また、厚い加工材料Ｍを用いる場合などで、加工途中で加工条件を適宜変更してもよい。
【００４９】
加工材料Ｍは、主にシート状又は平板状のものが対象であるが、あらかじめ所定の形状に成型された材料であってもよい。いずれの場合にも必要なことは、加工材料Ｍを加工位置に合わせて載置し、加工方向と針状工具１０の進行方向を一致させることである。
【００５０】
また、針状工具１０（又は、針状工具１０を固定した振動発振器２０）を移動させるかわりに、加工材料Ｍを針状工具１０に向けて移動させてもよい。この場合は、加工材料Ｍを移動台に固定する。この場合も、針状工具１０の設置方向と加工材料Ｍの加工位置及び加工方向を一致させることが必要である。
【００５１】
以上に説明した加工方法の原理から理解されるように、この方法を適用可能な熱可塑性樹脂複合材料Ｍは、加熱することにより軟化する熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂として用いた材料であればその種類は限定されない。
【００５２】
上記の方法では、針状工具１０と熱可塑性樹脂複合材料Ｍとの間の摩擦熱で熱可塑性樹脂複合材料Ｍが軟化することによって加工が進行する。この際、摩擦熱により熱可塑性樹脂複合材料Ｍの温度が上昇すると、軟化が進行して針状工具１０との間の接触力が減少する。すると摩擦熱の発生が減少し、温度の上昇が抑制される。温度が低下すると再び針状工具１０と熱可塑性樹脂複合材料Ｍとの間の接触力が増加して摩擦熱の発生が増加する。これを繰り返すため、熱可塑性樹脂複合材料Ｍが過度に加熱されることがない。つまり、振動数や加工速度の微調整をしなくとも加工材料Ｍが過熱されない、という加熱温度の自己制御性を有している。
【００５３】
上記の実施の形態のように、熱可塑性樹脂複合材料Ｍを摩擦熱で熱可塑性樹脂だけを軟化させ、その部分を針状工具１０で物理的に押し分けて侵入することにより貫通させる穴あけ加工方法は、従来技術のドリルやレーザー等による穴あけ加工方法に比較して、補強材である繊維材料を切断することが少ないため、熱可塑性樹脂複合材料Ｍの材料強度の低下を抑制しつつ加工することができる。
【００５４】
また、ドリル等は穿孔時に繊維材料を切断することによる摩耗が進むため、工具寿命が短いが、本発明の針状工具は繊維材料の切断が少なく摩耗がほとんど生じないため、工具として用いる場合の寿命が長い。
【００５５】
また、加工材料Ｍとして複数の層を積層した構造の複合材料を用いる場合、従来技術のようにドリルによる穴あけ加工を行うと、ドリルのスラスト力によって層間剥離（デラミネーション）が発生することがある。しかし本発明によれば、ドリル等に比べて加工時の針状工具１０のスラスト力が小さいため、層間剥離が生じにくい。
【００５６】
さらに、従来技術では加工時に微小な繊維材料を含んだ加工屑が発生することがあり、作業環境を清浄に保つためにこのような加工屑が飛散するのを防ぐ対策をとる必要がある。しかし本発明の方法は切削ではなく、熱可塑性樹脂複合材料Ｍを加熱、変形させる方法を用いるため、加工屑がほとんど発生しない。
【００５７】
（変形例）
上記の方法は、針状工具１０を振動させ、熱可塑性樹脂複合材料Ｍとの間で摩擦熱を発生させることにより、熱可塑性樹脂複合材料Ｍを軟化させて物理的に穴あけ加工する方法であるが、熱可塑性樹脂複合材料Ｍを局所的に加熱する方法であれば摩擦熱法に限らない。例えば、針状工具１０自体を別な加熱源を用いて加熱してもよい。例えば、ヒータ等の加熱源と針状工具１０を接触させて伝熱により針状工具１０を加熱してもよい。また、針状工具１０内に電熱線を埋め込んでおき、電流を流してジュール熱で加熱してもよい。この場合も上述の加工方法が適用可能である。即ち、熱可塑性樹脂複合材料Ｍの軟化点以上に加熱した針状工具１０をゆっくりと熱可塑性樹脂複合材料Ｍに接触させ、押し進める。針状工具１０と接触した部分の熱可塑性樹脂複合材料Ｍが加熱され軟化するため、押し進めた針状工具１０が熱可塑性樹脂複合材料Ｍを次第に貫通する。
【００５８】
この場合、加熱源が必要となるが、振動発振器２０は不要となる。そしてこの方法でも、上述の実施の形態と同じ効果が得られる。なお、加熱源による加熱が強すぎると、熱可塑性樹脂複合材料Ｍが損傷又は劣化する可能性があるため、加熱源の制御の程度と針状工具が加熱される実際の温度を事前に確認しておく。
【００５９】
前述の摩擦熱法と上述の直接加熱法を組み合わせてもよい。例えば、加工開始時に直接加熱と摩擦熱法を同時に行ってもよい。
【００６０】
また、すでに穴をあけた加工済の熱可塑性樹脂複合材料Ｍに対して、さらに穴径を拡大する加工を行う場合にも、上述の加工方法を適用することができる。
【００６１】
また、加工材料を貫通させる必要がない場合は、針状工具１０を押し進めることを所定の深さ（前進距離）で停止して引き戻すようにすればよい。これにより、所定の深さの有底穴が形成される。
【００６２】
（加工された熱可塑性樹脂複合材料）
次に、加工された熱可塑性樹脂複合材料Ｍについて説明する。本発明に係る方法で穴あけ加工された熱可塑性樹脂複合材料（加工材料）Ｍは、図６（ａ）に示すように、針状工具１０によって形成された加工穴（結合穴）６の周囲に、押しのけられた繊維材料Ｆが加工穴６の湾曲に沿って湾曲して存在するようになる。図６（ａ）では、縦方向に配列された長繊維の繊維材料Ｆの湾曲を示しているが、横方向の繊維では加工穴６の湾曲に沿って上下方向に広がるように湾曲する。短繊維でも同様である。
【００６３】
繊維材料Ｆがこのような形状になるのは、本発明では熱可塑性樹脂複合材料Ｍが切削されるのではなく、加熱されて軟化した熱可塑性樹脂が針状工具１０に押しのけられて穴があくためである。繊維材料Ｆ自体は軟化しないが、柔軟性があり熱可塑性樹脂に密着しているため、熱可塑性樹脂の変形に伴って繊維材料Ｆも変形して湾曲する。そのため、熱可塑性樹脂の種類や繊維材料Ｆの種類にかかわらず、このような湾曲形状が生じる。
【００６４】
これに対して、従来技術の方法で穴あけ加工した場合、図６（ｂ）に示すように、繊維材料Ｆが加工穴６の周囲で切断されてしまう。これにより、熱可塑性樹脂複合材料Ｍの強度低下を引き起こすおそれがあるが、本発明ではそのようなおそれが抑制される。
【００６５】
（熱可塑性樹脂複合材料の結合方法）
次に、熱可塑性樹脂複合材料Ｍの結合方法について説明する。針状工具１０は穴あけ加工に用いるほか、加工した材料の結合部材として用いる。例えば、針状工具１０を穴あけ加工した複数の加工材料Ｍを結合するためのリベットとして用いることができる。
【００６６】
針状工具１０を加工材料Ｍの結合リベットとして利用する場合、図７（ａ）に示すように、先端部１４とは反対側の端部（後端部）に、あらかじめ胴体部１２の径よりも径の大きい拡径部１３を形成した針状工具１０ｂを用いる。このような針状工具１０ｂを用いて２つの加工材料５ａ、５ｂを結合すると、図７（ｂ）に示すような形状で加工材料５ａ、５ｂが結合される。即ち、針状工具１０ｂの先端部１４がかしめられて、かしめ部（第２の拡径部）１４ａが形成され、２つの加工材料５ａ、５ｂはかしめ部１４ａと拡径部１３との間に挟まれて固定される。針状工具１０ｂの材料としては、かしめやすいように比較的硬度の低い金属を選択することが好ましい。
【００６７】
加工材料の結合方法について図８を参照して説明する。まず結合したい複数の加工材料を、結合する部分を重ね合わせて載置する（図８のステップＳ２０）。以下、重ね合わせた位置に穴あけ加工を図５のステップＳ１１〜Ｓ１４までと同じ方法で行う。具体的には、超音波発振器に接続した針状工具に高周波振動を与える（ステップＳ２１）。次に、載置した加工材料の方向に向けて針状工具を移動させ、針状工具の先端部を最上部の加工材料に接触させる（ステップＳ２２）。針状工具の先端部と加工材料とを接触させることにより、振動する針状工具の先端部と加工材料との接触部が摩擦熱により加熱される。
【００６８】
この摩擦熱により、加工材料と針状工具の先端部との接触部が軟化点以上に加熱され、接触部の加工材料が軟化する。そして針状工具をさらに加工材料の方向に押圧して押し進める（ステップＳ２３）。押し進めることによりその先端部が軟化した部分に連続的に侵入してゆく。このとき、繊維材料はその多くが切断されることがなく、針状工具の先端部によって両側に押しのけられるだけである。
【００６９】
針状工具を少しずつ押し進めると同時に、先端部において新たに加工材料の軟化が生じて先端部が次第に深く侵入してゆく。そして針状工具が胴体部まで全ての加工材料を貫通したか否かを判断し（ステップＳ２４）、貫通していなければ（ステップＳ２４：Ｎｏ）ステップＳ２３に戻って貫通するまで針状工具を押し進める。貫通すれば（ステップＳ２４：Ｙｅｓ）穴あけ加工作業が完了する。針状工具が加工材料を貫通したか否かの判断は、加工方法で述べたようにして行うことができる。
【００７０】
ここまでは穴あけ加工方法と同じである。次に、針状工具１０ｂの先端部１４を変形させ（かしめ）て、図７（ｂ）に示すように、先端部１４にその径が胴体部１２の径よりも大きいかしめ部（第２の拡径部）１４ａを形成する（ステップＳ２５）。このかしめ作業により、複数の加工材料５ａ、５ｂが針状工具１０ｂの両端部の拡径部１３とかしめ部１４ａとで挟み込まれる。これで結合加工が終了となる。
【００７１】
針状工具１０ｂの先端部１４をかしめる方法としては、前述のように針状工具１０ｂの先端部１４又は後端部を打撃してかしめる方法や、針状工具１０ｂを両側からプレスする方法がある。打撃の場合は、打撃側と反対側を強度のある基台に当接させておく。打撃やプレスをすることにより、断面積の小さい先端部１４が後端部の拡径部１３よりも先につぶれるので、先端部１４をかしめることができる。
【００７２】
このように加工することにより、針状工具１０ｂが複数の加工材料５ａ、５ｂを結合するリベットとしての役割を果たす。この場合も、繊維材料によって確保された加工材料の材料強度が大きく低下することがない、という特徴は保たれている。
【００７３】
穴あけ加工を施した複数の加工材料を結合する場合、専用のリベットを用いて、又は他の方法で結合することも可能であるが、上述のように穴あけ加工用の針状工具１０ｂをリベットとして用いる結合方法を用いることにより、加工材料の穴あけ加工と結合加工とを連続して行うことができ、作業効率を向上させることができる。この場合、針状工具１０ｂは、結合部材として用いられて消費される。そのため、加工するごとに新たな針状工具１０ｂを補充する。
【００７４】
なお、加工材料を加熱する方法として、摩擦熱法に限らず、振動発振器に代えて加熱源を用いて針状工具１０ｂを加熱する方法を用いてもよい。つまり、図３（ｂ）に示す結合加工装置２ａを用いて結合加工を行ってもよい。
【００７５】
（変形例）
針状工具１０ｂを結合部材として用いる例として、上記の実施の形態では針状工具１０ｂをリベットとして用いた。これは針状工具１０ｂで複数の加工材料をすべて貫通させてから結合する方法である。しかしこれに限らず、途中まで穴あけ加工して、かしめないで結合することもできる。
【００７６】
この場合、図７（ｃ）に示すように、先端部１４に抜け防止のための１つ又は複数の返し（抜け止め）１４ｂを設けた針状工具１０ｃを用いる。これは、複数の加工材料を貫通させず、途中まで針状工具１０ｃを打ち込んでそのまま固定するための固定部材である。先端部１４をかしめなくても、返し１４ｂによって抜けが防止されるため、加工材料を結合することができる。図７（ｃ）に示す針状工具１０ｃは２つの返し１４ｂを有しているが、その数はこれに限定されない。
【００７７】
このような針状工具１０ｃは、複数の加工材料を貫通させることなく結合するための結合部材として用いることができる。このような針状工具１０ｃは、加工材料が厚くて針状工具１０ｃを加工材料に貫通させることができない場合や、外観に結合部材を見せたくない場合等に用いることができる。これを用いる結合方法の場合、結合加工装置２、２ａのかしめ機構３は不要となる。
【００７８】
更に、図９（ａ）及び（ｂ）に示す針状工具１０ｄのように、針状工具１０ｄは、胴体部１２の側面に溝１２ａが形成されていてもよい。なお、図９（ａ）は、針状工具１０ｄの断面図であり、図９（ｂ）は針状工具１０ｄの斜視図である。溝１２ａは、図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、胴体部１２の外側面に、胴体部１２の外周に沿って各々が独立して形成される。なお、溝１２ａを形成する数は、図示のように２つである場合に限られず、１つ、若しくは３つ以上等、任意の数とすることができる。また、溝１２ａは、各々が独立して形成される場合に限られず、図９（ｃ）に示すように、ねじ溝のようならせん状に形成されることも可能である。また、溝１２ａは、胴体部１２の外側面に形成されていれば図示した例に限られず、任意に形成することができ、例えば図９（ａ）の構成と図９（ｃ）に示す構成とを組み合わせることも可能である。
【００７９】
特に針状工具へ振動を付与することで穴あけ加工（穿孔加工）を施す場合、図１０に模式的に示すように、針状工具へ振動（図１０に示す縦方向）を付与している間、形成された孔は、針状工具の接触による発熱に基づく孔径の拡大と、樹脂のひずみ回復による縮小とを繰り返す（図１０に示す横方向）。これを利用し、樹脂のひずみ回復によって孔径が縮小する際、加工材料の一部が溝１２ａに入り込み、加工材料と針状工具との結合をより強固とすることができる。
【００８０】
なお、針状工具１０ｄ及び１０ｅは、リベットのようにかしめる構成、途中まで打ち込んで固定する構成のいずれにも採用することが可能である。
【００８１】
（加工装置及び加工方法の変形例）
以下、加工装置及び加工方法の変形例について説明する。
変形例に係る加工装置及び加工方法では、針状工具を加工材料に接触させ、接触した状態で一旦停止させ、加工材料を加熱した上で穿孔加工を施すことを特徴とする。上記実施形態と同様の構成については、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００８２】
加工装置７としては、図１１に示す装置を利用する。加工装置７は、加工工具である針状工具１０、針状工具１０に高い周波数（振動数）の振動を与える振動発振器２０と、針状工具１０を移動させる駆動機構３０と、加工材料を載置する加工材料載置台４０と、針状工具１０が加工材料に接触したことを検知する接触検知部５０と、加工材料の表面温度を測定するための軟化検知部６０と、各部を制御する制御部７０と、を備える。
【００８３】
接触検知部５０は、針状工具１０が加工材料Ｍの表面へ接触したことを検知する。接触検知部５０は、例えば接触検知法を使用して接触を検知する。接触検知部５０は、電源と、電圧計と、を備える（いずれも図示せず）。電源によって、針状工具１０と加工材料Ｍとの間に電圧が印加され、電圧計は加工材料Ｍと電源との間に設けられる。針状工具１０が加工材料Ｍに接触していない場合は、電圧計は０Ｖを示す。炭素繊維を含む加工材料（ＣＦＲＴＰ）は導電性を有するため、針状工具１０が加工材料Ｍに接触すると、電圧計により電圧が検出される。これにより針状工具１０と加工材料Ｍとの接触を検知することができる。
【００８４】
接触検知部５０は、針状工具１０の加工材料Ｍの表面への接触を検知することができれば任意の方法を採用することができ、例えば、針状工具１０及び／又は載置台４０の変位を利用する方法、針状工具１０による接触力の計測を利用する方法等を使用することができる。
【００８５】
軟化検知部６０は、加工材料Ｍの表面の軟化を検知する。加工材料の表面の軟化は、加工材料の表面温度を検知することによって行い、この場合、軟化検知部６０は、温度計、例えば放射温度計を備える。軟化検知部６０は、加工対象領域（穴あけされる領域）の近傍の温度を測定する。なお、加工材料表面の軟化の検知は、温度の計測以外の手法によってもよい。例えば、一定時間加熱することによって加工材料の表面が軟化されたと判別してもよい。
【００８６】
制御部７０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等を備え、ＣＰＵが、ＲＯＭに記憶されている制御プログラムを読み出して、ＲＡＭをワークメモリとして用いながら、振動発振器２０、駆動機構３０、接触検知部５０及び軟化検知部６０を制御する。なお、制御部７０の構成は任意であって、図１（ａ）等に示すように、各部にそれぞれ制御部を有することも可能である。
【００８７】
次に、上記の加工装置７を用いた加工方法について、図１２に示すフローチャートを用いて説明する。
まず、図４（ａ）と同様に、加工材料Ｍを、針状工具１０に対向するように加工装置の加工材料載置台４０に載置する（ステップＳ３０）。加工材料載置台４０には、針状工具１０の進行方向に針状工具１０が貫通可能な孔４０ａが設けられている。
【００８８】
次に、制御部７０は、駆動機構３０を制御し、加工材料Ｍに向けて、針状工具１０を進め、加工材料Ｍに針状工具１０を近づける（ステップＳ３１）。接触検知部５０が、針状工具１０の先端１６が加工材料Ｍの表面に接触したことを検知すると（ステップＳ３２；Ｙｅｓ）、制御部７０は、駆動機構３０を制御し、針状工具１０の移動を停止する（ステップＳ３３）。ここで、針状工具１０は、加工材料Ｍの表面に接触された状態で保持される。なお、針状工具１０は、加工材料Ｍの表面がわずかに陥凹する程度に接触してもよい。
【００８９】
一方、針状工具１０の先端１６が加工材料Ｍの表面に接触していない場合（ステップＳ３２；Ｎｏ）、ステップＳ３１に戻り、針状工具１０を更に加工材料Ｍに対して進める。
【００９０】
針状工具１０の移動が停止されると、制御部７０は、超音波発振器２０を作動させ、これに接続した針状工具１０に超音波による高周波振動を与える（ステップＳ３４）。振動発振器の出力や振動周波数は、加工材料Ｍの組成や厚さ、加工寸法等に応じて調整することができる。針状工具１０は、加工材料表面に接触して停止した状態であるため、針状工具１０が接している加工材料Ｍの表面が摩擦熱により加熱され、軟化する。例えば、図４（ｂ）に示すように振動する針状工具１０の先端１６と接触する加工材料Ｍの領域（点線で囲まれた領域）Ｑが摩擦熱により加熱される。本実施形態では、針状工具１０の移動が停止された状態で、振動が付与されるため、領域Ｑを十分に加熱し、軟化させることができる。針状工具１０に超音波による高周波振動を与えるタイミングは、接触後に限らず、針状工具１０を加工材料Ｍへ向かって近づける前であってもよい（ステップＳ３１の前）。
【００９１】
特に針状工具に振動を付与した場合、加工材料の温度は、時間の経過とともに上昇し、ある温度に達した後は、振動の付与を継続しても温度の上昇が抑えられ、温度がほぼ横ばいとなるという特徴がある。このため、針状工具１０の移動を停止して加工材料の表面を加熱しても、加工材料が過熱されることが抑えられる。
【００９２】
次に、軟化検知部６０により加工材料Ｍの表面の温度を測定し、表面が設定した温度に満たないと判別された場合（ステップＳ３５；Ｎｏ）、ステップＳ３４に戻り、高周波振動の付与を継続する。
【００９３】
一方、軟化検知部６０により、加工材料Ｍの表面が設定した温度以上に上昇したことが判別された場合（ステップＳ３５；Ｙｅｓ）、制御部７０は、駆動機構３０を制御し、針状工具１０を加工材料Ｍ内に押し進める（ステップＳ３６）。例えば、図４（ｃ）に示すように、その先端部１４が軟化した領域Ｑに侵入し、加工材料Ｍに先端部１４の振動によって新たに発生した摩擦熱により軟化した領域Ｑがさらに進行方向に広がる。これを連続的に繰り返すことにより、先端部１４が次第に深く侵入してゆく。また、針状工具１０を加工材料Ｍ内に侵入させた後は、針状工具１０と加工材料Ｍとが接触する面積が増大するため、更に摩擦熱が多く発生する。また、超音波振動を与える時間を事前に設定し、事前に設定した時間の経過により、設定した温度以上に上昇したと判別することも可能である。
【００９４】
針状工具１０を加工材料Ｍ内に押し進めた後、針状工具１０の胴体部１２が加工材料Ｍを貫通したことが判別された場合（ステップＳ３７；Ｙｅｓ）、制御部７０は、駆動機構３０を制御し、針状工具１０の移動を停止させる。一方、針状工具１０が加工材料Ｍを貫通していない場合（ステップＳ３７；Ｎｏ）は、ステップＳ３６に戻り、制御部７０は、針状工具１０を更に押し進める。ここで、針状工具１０が加工材料Ｍを貫通したか否かは、針状工具１０又は／及び載置台４０の変位を利用し、針状工具１０を貫通させるために必要な距離の変位が生じたか否かで判別することができる。なお、その他の方法で加工材料Ｍを貫通したか否かを判別してもよい。
【００９５】
針状工具１０が加工材料Ｍを貫通した後、制御部７０は、設定された時間、針状工具１０に対する振動の付与を継続する（ステップＳ３８）。この間は、図１０に模式的に示すように、加工材料中の熱可塑性樹脂によるひずみ回復に基づく孔径の縮小と、加工材料と針状工具との接触による摩擦熱の発生による孔径の拡大と、を交互に繰り返す。これにより、加工された孔の径が維持される。また、孔径が拡大した後は加工材料と針状工具との接触によって拡大した後は、加工材料と針状工具との接触による摩擦熱の発生が抑えられるため、加工材料が過熱されることもない。なお、貫通後に振動の付与を継続する時間は任意に設定することができる。貫通した後、振動の付与を継続する時間を短くし、速やかに振動の付与を停止してもよい。
【００９６】
設定された時間振動の付与を継続した後、制御部７０は、超音波発振器２０を停止し、振動の付与を停止する（ステップＳ３９）。振動の付与の停止後、針状工具１０を加工材料Ｍから引き抜く。加工材料Ｍは、振動の付与の停止後は、温度が低下するため、穴があいたまま固化する。以上で、穿孔加工を終了する。
【００９７】
なお、加工装置７は、図３（ａ）に示すような加熱源から直接加熱する構成とすることもできる。また、加工装置７に図１（ｂ）等に示すようなかしめ機構３を更に加えることで、結合加工装置とすることも可能である。また、上記の加工方法に、図８等に示す針状工具の先端をかしめる工程を更に加え、結合方法とすることもできる。
【００９８】
上述した加工装置及び加工方法では、針状工具が加工材料に接触した状態で、針状工具の移動を一旦停止させ、針状工具に振動を付与し、加工材料の表面を軟化させた上で穿孔加工を行う。加工材料Ｍの表面が十分に軟化した後に、針状工具を加工材料内に押し進めることができるため、更に穿孔加工を安定して実施することができる。
【００９９】
また、加工装置において針状工具への入熱は、振動を付与する構成、加熱源から直接加熱する構成と、いずれによっても穿孔加工を施すことが可能である。しかし、発熱体を利用して直接加熱する構成では、孔の周辺の領域に熱が伝達することにより、周辺領域に必要以上のダメージを与えることがある。特に、炭素繊維強化樹脂は炭素繊維を含有するため、熱伝導率が高く、熱拡散により孔の周辺の領域へダメージを与えることが発生し、特に入熱が緩やかな速度で行われる場合にダメージが顕著に発生する。このため、直接加熱する構成では、熱によるダメージを防ぐために、入熱方法、入熱時間等の調整が必要であり、更に加工材料の厚さ、加工する孔の寸法等に応じた入熱量の調整等が必要となる。これに対し、振動を付与して入熱する構成では、摩擦熱を使用することで加工領域周辺の過熱が抑えられるため、このような細かな調整が不要である。従って、振動を付与する構成は、より簡易に穿孔加工を施すことができ好ましい。
【０１００】
（実施例１）
本発明の加工方法を用いて、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）に穴あけ加工を行った。加工材料として、綾織のポリアクリロニトリル系繊維の炭素繊維（商品番号ＨＴＳ４０３Ｋ、繊維の直径が５μｍ）を含む炭素繊維強化樹脂（商品番号Ｗ−３１６１／Ｐ−Ｂ３２、東邦テナックス株式会社）を用いた。この炭素繊維強化樹脂は、厚さが１ｍｍ（０．２ｍｍ×５層）であり、炭素繊維にマトリックス樹脂として熱可塑性樹脂のポリエーテルスルホン（Polyether Sulfone, ＰＥＳ）を含浸させたものである。なお、炭素繊維の含有量は５７体積％であり、樹脂の含有量は３７重量％であった。
【０１０１】
加工装置として、図１３に示すように、超音波発振器を備え付けた作業台を用いた。超音波発振器は、ソニックカッターＳ−１５ＣＢＳ（ナカニシ株式会社）を用いた。この超音波発振器は、ＰＺＴ発振方式であり、最大出力３０Ｗ、振動周波数は３９．５ｋＨｚである。振動方向は軸方向、即ち前後方向に振動する。この超音波発振器の先端に、針状工具を取り付けた。なお超音波発振器には、冷却用の空気圧縮器が接続されている。
【０１０２】
針状工具を先端に固定した超音波発振器を、針状工具の先端部が上向きになるように作業台に取り付けた。この針状工具に対向する位置に、直線的に移動可能な移動架台に取り付けた加工材料載置台を配置した。加工材料載置台には円形の穴が設けられており、針状工具が貫通するようにしている。この加工材料載置台に加工材料であるＣＦＲＰを水平にして載せ、加工材料載置台を降下させると、針状工具がＣＦＲＰに接触し、さらに降下させるとＣＦＲＰがその自重で針状工具に押し付けられるようにした。針状工具の振動方向はその長軸方向、即ち図１３での上下方向である。
【０１０３】
針状工具はタングステン製で、長さが２５ｍｍ、直径が５００μｍ、先端部の頂角Ａが５°であり、先端の半球部の半径Ｒがそれぞれ２μｍ、１２μｍ及び２５μｍの３種類を用いて実験した。３種類の針状工具の先端の写真を図１４に示す。
【０１０４】
先端の半球部の半径Ｒが異なる上述の３種類の針状工具を用いて、同じ加工条件で穴あけ加工をそれぞれ２０回ずつ繰り返した。その結果、図１５（ａ）〜（ｃ）に示すように、いずれの針状工具でも直径が５００μｍ程度の加工穴を形成することができた。なお、図１５（ｄ）は、加工穴の概略斜視図である。また加工穴の外周部には、図１５（ｂ）に示すように、入口側と出口側に盛り上がりが見られた。加工穴の周囲を観察したところ、加工前の炭素繊維は図１６（ａ）に示すように整列した状態であったが、加工後は、加工穴周辺の炭素繊維は大部分が図１６（ｂ）に示すように加工穴の外周に沿って押しのけられて湾曲していることが確認された。つまり、切断された炭素繊維も一部観察されたが、大部分は切断されずに残っていることが確認された。
【０１０５】
上述の３種類の針状工具を用いた場合の穴あけ加工に要した時間、即ち針状工具が加工材料を貫通するまでの時間をそれぞれ２０回測定した結果、図１７に示す結果が得られた。図中の細線は２０回の加工の最小加工時間と最大加工時間とを結ぶ線分である。矩形で示した量は２０回の加工の平均加工時間である。図１７に示すように、加工時間はややばらつきはあるものの、平均していずれの場合も約０．５〜０．６秒であった。なお、同じ針状工具を用いて１０００回の加工を繰り返しても、加工時間に大きな変化は見られなかった。
【０１０６】
（実施例２）
次に、上記実施例１と同様の加工方法を用いて、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）に穴あけ加工を１０回行った後の針状工具の先端を観察した。
【０１０７】
針状工具は、実施例１と同様にタングステン製であり、長さが２５ｍｍ、直径が５００μｍ、先端部の頂角Ａが５°であり、先端の半球部の半径（先端半径）Ｒがそれぞれ２μｍ、１２μｍ及び２５μｍの３種類を用いて実験した。３種類の針状工具の加工前の先端の写真は実施例１における図１４に示されている。加工材料は実施例１と同じ綾織のポリアクリロニトリル系繊維の炭素繊維を含む炭素繊維強化樹脂（商品番号Ｗ−３１６１／Ｐ−Ｂ３２、東邦テナックス株式会社）を用いた。加工装置も実施例１と同様に、図１３に示す超音波発振器を備え付けた作業台を用いた。
【０１０８】
次に、穴あけ加工を１０回行った後の針状工具の先端の画像を図１８（ａ）〜（ｃ）に示す。図１８（ａ）に示す先端半径２μｍ、図１８（ｂ）に示す先端半径１２μｍでは、先端の消耗がみられた。一方、図１８（ｃ）に示す先端半径２５μｍでは、先端に消耗はみられなかった。従って、複数回穿孔加工を行う場合、針状工具の先端は、先端半径２５μｍ以上であることが好適である。
【０１０９】
（実施例３）
次に、上記実施例１の測定装置に更に放射温度計を設置し、穿孔加工時の加工材料の表面温度を測定した。放射温度計（株式会社ＫＥＹＥＮＣＥ製  ＦＴ−Ｈ１０）は、図１９（ａ）に示すように、加工材料の表面（穿孔加工が施される面、図１９（ａ）に示す上面）に対向するように、試料ステージ上に設置した。なお、加工点の温度測定は困難であるため、図１９（ａ）及び（ｂ）に示すように、加工領域より１ｍｍ離れた位置の温度を測定した。具体的には、加工領域の中心点と測定領域の中心点との距離を１ｍｍとした。また、放射温度計の測定時の視野径を１．５ｍｍ、測定距離３５ｍｍとした。加工領域は、φ０．５ｍｍであり、測定領域はφ１．５ｍｍであった。
【０１１０】
熱可塑性ＣＦＲＰに対して超音波穿孔加工を施した場合における、加工材料表面の温度測定結果を図２０に示す。加工材料として、綾織のポリアクリロニトリル系繊維の炭素繊維（商品番号ＨＴＳ４０３Ｋ、繊維の直径が５μｍ）を含む炭素繊維強化樹脂（商品番号Ｗ−３１６１／Ｐ−Ｂ３２、東邦テナックス株式会社）を用いた。振動周波数等の穿孔加工の条件及び加工方法は実施例１と同じである。加工材料の表面温度は、加工開始後、数秒間で急激に上昇した。針状工具は加工開始後０．５秒程度で、加工材料を貫通した。その後も超音波振動を付与し続けると、１〜２秒後に約１４０℃近くまで上昇した後、約２０秒後までに、ゆっくりと約１８０℃まで上昇し、その後は約１８０℃でほぼ一定の値を維持した。加工開始６０秒後に超音波振動の付与を停止したところ、表面温度は急激に降下した。
【０１１１】
次に、各種の熱可塑性樹脂に対して超音波穿孔加工を施した場合における、加工材料表面の温度測定結果を図２１に示す。振動周波数等の穿孔加工の条件は、実施例１と同じである。熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂（ＡＢＳ）を用いた。それぞれの熱可塑性樹脂は、厚さが１ｍｍ（０．２ｍｍ×５層）のシートである。いずれの樹脂でも、表面温度は、加工開始後の数秒間で急激に上昇し、その後ほぼ一定の値を維持するという傾向を示した。ＰＰは約１００℃で、ＰＥは約７０℃、ＡＢＳは約６０℃の温度でほぼ一定の値を維持した。いずれも穿孔加工時間は０．５秒程度であった。
【０１１２】
（実施例４）
加工材料として図２１と同じＡＢＳ、ＰＰ、ＰＥからなるシートを使用し、はんだごてを用いて針状工具を加熱して穿孔加工を行った場合における、シート表面の表面温度の測定結果を図２２に示す。はんだごてとしては、太洋電機産業株式会社製ＫＸ−３０（１００Ｖ、３０Ｗ）を使用した。このはんだごてに通電を開始した後のはんだごて表面（先端部分）の温度変化を図２３に示す。はんだごての温度測定は、はんだごての先端部分表面に熱電対を接触させることによって行った。図２３に示すように、通電後、はんだごての表面は緩やかに温度上昇し、約６分後に約３４５℃まで上昇し、その後は約３４５℃を維持した。本実施例では、はんだごての表面温度が約３４５℃に達した後に、はんだごてを針状工具に接触させ、針状工具を加熱し、加工材料を針状工具に対して下降させることによって穿孔加工を施した。
【０１１３】
はんだごてを用いて針状工具を加熱した場合においても、超音波を使用した穿孔加工と同様に、約０．５〜０．６秒程度で針状工具は加工材料を貫通し、穿孔加工が施された。その後の針状工具の加熱を続けると、加工材料の表面温度は上昇を続け、その後針状工具周辺の加工材料から白煙が発生した。
【０１１４】
（比較例）
実施例４と同じはんだごてを使用して針状工具を加熱し、加工材料として実施例１と同じ熱可塑性ＣＦＲＰを使用して穿孔加工を施した場合における加工材料表面の温度変化を図２４に示す。はんだごての先端にはφ０．５ｍｍの針状工具を取り付けて、穿孔加工を行った。また、比較例では、はんだごてを針状工具へ接触させた後に、はんだごてへ通電して温度上昇させた。
【０１１５】
図２４に示すように、加工開始から加工材料の表面の温度上昇は緩やかであって、約５０秒後に約８０℃に達してからはほぼ一定の値を示した。しかし、この表面温度では、穿孔加工を実現することができなかった。これは、炭素繊維の熱伝導性が高いため、熱拡散により針状工具の周辺の領域に熱が伝達していることにより、加工領域が穿孔加工可能な程度に軟化しないためと考えられる。
【０１１６】
本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また上述した各実施形態は、任意に組み合わせることが可能である。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。
【符号の説明】
【０１１７】
１、１ａ、７・・・加工装置、２、２ａ・・・結合加工装置、３・・・かしめ機構、５ａ、５ｂ・・・加工材料（熱可塑性樹脂複合材料）、６・・・加工穴、１０、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ・・・針状工具、１２・・・胴体部、１２ａ・・・溝、１３・・・拡径部、１４・・・先端部、１４ａ・・・かしめ部（第２の拡径部）、１４ｂ・・・返し、１６・・・先端、２０・・・振動発振器（超音波発振器）、２１・・・振動発振器制御部、２５・・・加熱源、２６・・・加熱源制御部、３０・・・駆動機構、３１・・・駆動機構制御部、４０・・・加工材料載置台、４０ａ・・・孔、５０・・・接触検知部、６０・・・軟化検知部、７０・・・制御部
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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