JP6519008B2 - 処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂製の被処理物を処理する処理装置に関する。

従来、熱可塑性樹脂から成る複数の被処理物どうしを超音波振動するホーンを用いた超音波溶着技術を利用して溶着する技術が知られている（例えば特許文献１，２参照）。特許文献１には、ホットメルト剤を間に挟んで重ね合わされた複数の被処理物（熱可塑性樹脂製品）の全幅に渡ってホーンの押圧面を一軸状に接触させることにより、熱可塑性樹脂製品の全幅に渡って一軸状に超音波振動を付与した状態で、熱可塑性樹脂製品を所定方向に連続的に移動させることによって、ホーンの押圧面から熱可塑性樹脂製品の接合が必要な箇所の全体に超音波振動を付与し、摩擦熱を生じさせることにより樹脂（ホットメルト剤）を溶融させて複数の被処理物どうしを接合する技術が開示されている。特許文献２には、重ね合わされた複数の樹脂フィルム（被処理物）どうしを、ホーンの押圧面から超音波振動を印加して摩擦熱を生じさせることによって溶着させるプレヒートを行った後に、プレヒートを行った箇所に対して仕上げのヒートシールを行うことにより、複数の樹脂フィルムの熱可塑性樹脂層どうしを溶着する技術が開示されている。

特開２００５−２２４９６６号公報（段落００３１，００３６、図１，２、要約書など） 特開２０１５−１３３９０号公報（段落００２５，００３０，００３６、図２，３、要約書など）

ところで、超音波振動するホーンの押圧面から印加される超音波振動エネルギーの大きさを調整して被処理物の昇温状態を適切に管理するのは難しいため、超音波振動エネルギーの不足により被処理物が溶融不足になったり、過剰な超音波振動エネルギーにより被処理物が破損するなどの問題が生じるおそれがある。したがって、従来では、被処理物を超音波振動を用いて処理する際に、被処理物に印加される超音波振動エネルギーの大きさを該被処理物が破損しない程度の大きさに制限すると共に、ホットメルト剤等の補強剤や仕上げのヒートシール処理等の処理を併用することによって、超音波振動エネルギーの不足分を補っていた。

この発明は、上記した課題に鑑みてなされたものであり、超音波振動エネルギーを印加することにより被処理物に生じた熱エネルギーを該被処理物内に閉じ込めることによって、被処理物が破損しない程度の適度な大きさの超音波振動エネルギーにより確実に被処理物を所定温度まで昇温させることができる技術を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明にかかる処理装置は、樹脂製の被処理物を処理する処理装置において、前記被処理物が当接する支持面を有する支持体と、前記被処理物を押圧する押圧面を有する押圧体と、前記押圧体に前記支持面に直交する押圧方向への超音波振動を印加する振動手段と、前記支持体の前記支持面と前記被処理物との間に、移動可能に配置された断熱フィルムから成り、前記被処理物に生じる熱の前記支持体への伝熱を遮蔽する支持体側遮蔽手段と、前記押圧体の前記押圧面と前記被処理物との間に、移動可能に配置された断熱フィルムから成り、前記被処理物に生じる熱の前記押圧体への伝熱を遮蔽する押圧体側遮蔽手段と、前記支持面と前記押圧面との間に樹脂製の被処理物を挟んだ状態で前記振動手段により前記押圧体を超音波振動させて、前記押圧面から前記被処理物に超音波振動エネルギーを印加することにより該被処理物を発熱させる制御手段とを備えることを特徴としている。

本発明によれば、超音波振動エネルギーを印加して樹脂分子を振動、回転させて分子運動を促進させることで被処理物を発熱させた際に、該被処理物に生じた熱が支持体および押圧体に伝導して逃げるのを防止することができるので、被処理物内に熱をこもらせることができる。したがって、被処理物に生じた熱エネルギーを該被処理物内に閉じ込めることができるので、過剰な超音波振動エネルギーを印加しなくても、被処理物が破損しない程度の適度な大きさの超音波振動エネルギーにより確実に被処理物を所定温度まで昇温させることができる。

本発明の第１実施形態にかかる処理装置を示す正面図である。 図１の処理装置を左側面側から見た要部拡大図である。 図２の要部を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態にかかる処理装置を示す正面図である。 本発明の第３実施形態にかかる処理装置のホーンを示す図である。 本発明の第４実施形態にかかる処理装置の支持体を示す図である。 本発明の第５実施形態にかかる処理装置を示す正面図である。 本発明の第６実施形態にかかる処理装置を示す正面図である。 本発明の第７実施形態にかかる処理装置の要部を示す斜視図である。 本発明の第８実施形態にかかる処理装置において処理される一方向強化繊維束および樹脂フィルムを示す横断面図である。

＜第１実施形態＞
この発明の第１実施形態にかかる処理装置について図１〜図３を参照して説明する。図１は本発明の第１実施形態にかかる処理装置を示す正面図、図２は図１の処理装置を左側面側から見た要部拡大図、図３は図２の要部を示す斜視図である。なお、図３では一方向強化繊維束Ｂの下面側に配置される樹脂フィルムＳと支持体２とが図示省略されている。また、図１〜図３では、本発明にかかる主要な構成のみが図示されており、説明を簡易なものとするために、その他の構成は図示省略されている。また、後の説明で参照する図４〜図１０についても、図１〜図３と同様に主要な構成のみが図示されているが、以下の説明においてはその説明は省略する。

（処理装置）
図１および図２に示す処理装置１は、支持体２の支持面２１と、支持面２１に直交する押圧方向Ｚに超音波振動するホーン３５の押圧面３５ａとの間に一方向強化繊維束Ｂを挟んだ状態で、一方向強化繊維束Ｂを長手方向Ｙに走行させることにより押圧面３５ａによる一方向強化繊維束Ｂの押圧箇所を一方向強化繊維束Ｂの長手方向Ｙに沿って移動させて、一方向強化繊維束Ｂに長手方向Ｙに沿って押圧面３５ａから押圧方向Ｚの超音波振動を印加することによって、一方向強化繊維束Ｂを長手方向Ｙに沿って連続的に開繊するものである。

このとき、処理装置１は、支持面２１と押圧面３５ａとの間に、一方向強化繊維束Ｂを樹脂フィルムＳ（本発明の「被処理物」に相当）と重ねあわせて配置した状態で一方向強化繊維束Ｂ（樹脂フィルムＳ）を長手方向Ｙに走行させる。これにより、処理装置１は、一方向強化繊維束Ｂの両面それぞれに重ね合わせた樹脂フィルムＳを超音波振動エネルギーを印加して発熱させることにより溶融させて含浸させながら一方向強化繊維束Ｂを開繊する。したがって、重ね合わされた一方向強化繊維束Ｂおよび樹脂フィルムＳが処理装置１により処理されることによって、開繊された一方向強化繊維束Ｂの強化繊維のフィラメントが所定幅で一方向に引き揃えられた扁平な状態の帯状の繊維束Ｂ＊（図３参照）に樹脂フィルムＳの樹脂が含浸されて成る一方向プリプレグＰが形成される。

処理装置１は、支持体２と、一方向強化繊維束Ｂ（樹脂フィルムＳ）に押圧方向Ｚの超音波振動（エネルギー）を印加する共振器３１を備えるヘッド部３と、支持手段３３に支持された共振器３１を駆動して押圧方向Ｚに往復移動させる加圧手段４と、その両面に樹脂フィルムＳが重ね合わされた一方向強化繊維束Ｂをステージ２とヘッド部３との間に供給する供給手段５と、樹脂フィルムＳから共振器３１（ホーン３５）への伝熱を遮蔽する押圧体側遮蔽手段６ａと、処理装置１の各部の制御を行う制御装置７とを備えている。なお、一方向強化繊維束Ｂは、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等の強化繊維により形成され、マトリックス樹脂を成す樹脂フィルムＳは、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリオレフィン系樹脂や脂肪族ポリアミド系樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂等の熱可塑性樹脂により形成される。また、図３に示すように、樹脂フィルムＳは、その幅Ｗｓが一方向強化繊維束Ｂが開繊されて形成された帯状の繊維束Ｂ＊の幅Ｗｂよりも若干幅広のテープ状に形成されている。

支持体２は、ヘッド部３の下方に配置され、被処理物である樹脂フィルムＳが当接する平面状の支持面２１と、支持体２内に埋設されたヒータ２２とを有し、両面に樹脂フィルムＳが重ね合わされた状態の一方向強化繊維束Ｂをヘッド部３が備えるホーン３５の押圧面３５ａとの間に挟み込むものである。また、ヒータ２２（本発明の「支持体側遮蔽手段」に相当）は、支持体２の本体を所定温度に昇温しておくことにより、超音波振動エネルギーが印加された際に樹脂フィルムＳと支持体２との間に生じる熱勾配を緩和することで樹脂フィルムＳから支持体２への伝熱を遮蔽する。なお、支持体２は、チタン、チタン合金、鉄、ステンレス、アルミニウム、ジュラルミン等のアルミニウム合金などの種々の金属材料、ガラス、セラミックスなど、適宜、種々の材料により形成される。

ヘッド部３は、共振器３１に押圧方向Ｚへの超音波振動を印加する振動子３２（振動手段）がその一方端に接続された共振器３１と、共振器３１を支持する支持手段３３とを備え、振動子３２が共振器３１（ホーン３５）を超音波振動させることにより押圧面３５ａから一方向強化繊維束Ｂ（樹脂フィルムＳ）に超音波振動（エネルギー）が印加される。

具体的には、共振器３１は、制御装置７に制御された振動子３２が生成する超音波振動に共振してその中心軸の方向（押圧方向Ｚ）に超音波振動するものであって、ブースタ３４とホーン３５とを備え、ブースタ３４の他方端とホーン３５の一方端とが、互いの中心軸が同軸になるように無頭ねじにより連結されている。

ブースタ３４は、この実施形態では、例えば図２中の矢印Ｚ方向におけるそのほぼ中央の位置と、その両端位置とが最大振幅点となるように、共振周波数の一波長の長さに形成されている。このとき、矢印Ｚ方向において各最大振幅点から１／４波長離れた２つの位置が、それぞれブースタ３４の第１および第２最小振幅点に相当する。また、ブースタ３４は、その断面形状が円形状である円柱状に形成されている。そして、ブースタ３４の一方端に、ブースタ３４の中心軸と同軸になるように振動子３２が無頭ねじにより接続されている。

また、ブースタ３４の第１および第２最小振幅点に相当する位置の外周面には、それぞれの周方向に沿って凹状の溝が形成されることによりブースタ３４（共振器３１）が支持手段３３に把持されるための被把持部が形成されている。なお、この実施形態では、ブースタ３４の中心軸にほぼ直交する断面形状が八角形状となるように被把持部が形成されているが、その断面形状が円形状やその他の多角形状となるように被把持部を形成してもよい。

ホーン３５（本発明の「押圧体」に相当）は、一方向強化繊維束Ｂ（樹脂フィルムＳ）を支持体２の支持面２１に直交する押圧方向Ｚに押圧する平面状の押圧面３５ａを有し、振動子３２の振動に共振して超音波振動することにより押圧面３５ａから一方向強化繊維束Ｂ（樹脂フィルムＳ）に超音波振動（エネルギー）を印加するものである。ホーン３５は、例えば図２中の矢印Ｚ方向におけるその両端位置が最大振幅点となるように、共振周波数の半波長の長さに形成されている。このとき、矢印Ｚ方向におけるホーン３５のほぼ中央の位置が第３最小振幅点に相当する。また、図２および図３に示すように、ホーン３５は、直方体状に形成されている。そして、ホーン３５の押圧面３５ａは、樹脂フィルムＳ（開繊後の帯状の繊維束Ｂ＊）に対して、押圧方向Ｚおよび長手方向Ｙにほぼ直交する幅方向Ｘにおいて幅広に形成されている（ホーン３５の幅Ｗｈ≧樹脂フィルムＳの幅Ｗｓ≧帯状の繊維束Ｂ＊の幅Ｗｂ）。

なお、この実施形態では、共振器３１は、その共振周波数が約１５ｋＨｚ〜約６０ｋＨｚ、その振動振幅（矢印Ｚ方向における伸縮の振幅）が約２μｍ〜約３００μｍとなるように構成されており、振動子３２により生成される超音波振動に共振して共振器３１が超音波振動することによって、ホーン３５の押圧面３５ａから一方向強化繊維束Ｂ（樹脂フィルムＳ）に対して押圧方向Ｚの超音波振動（エネルギー）が印加される。また、共振器３１（ブースタ３４、ホーン３５）は、チタン、チタン合金、鉄、ステンレス、アルミニウム、ジュラルミン等のアルミニウム合金など、一般的に共振器を形成するのに用いられる種々の金属材料により形成される。

支持手段３３は、基部３６とクランプ手段３７とを備え、クランプ手段３７でブースタ３４の被把持部を把持することにより共振器３１を支持するものであり、基部３６には、加圧手段４のボールねじ４２に螺合するねじ穴が矢印Ｚ方向に形成されている。

また、クランプ手段３７は、ブースタ３４に形成された２つの被把持部を把持できるように、基部３６の２ヶ所に設けられており、それぞれ、ブースタ３４の被把持部を挟持する第１および第２部材を備えている。具体的には、クランプ手段３７の第１および第２の部材には、被把持部の断面形状に係合可能な形状を有する凹部がそれぞれ設けられている。そして、第１および第２部材の凹部でブースタ３４の被把持部を狭持するように、被把持部を形成する凹状の溝に、基部３６に支持されたクランプ手段３７の第１および第２部材が嵌挿され、ボルトで第１および第２部材が固定されることにより、ブースタ３４の被把持部がクランプ手段３７により把持される。

なお、共振器３１を支持する支持手段３３の構成は、上記したように、ブースタ３４に形成された被把持部を把持（クランプ）した状態でボルトにより固定されるクランプ手段３７に限られず、例えば、電気制御可能に構成された機械的なクランプ機構や、ワンタッチで取り付け可能なクランプ機構など、ブースタ３４の被把持部を支持することができる構成あればどのようなものであってもよい。

また、共振器３１に形成される被把持部の位置は、最小振幅点に限らず、共振器３１の任意の位置に被把持部を形成すればよい。また、被把持部の構成は、共振器３１の外周面に周方向に沿って凹状の溝が形成された構成に限られず、例えば、共振器３１の外周面に周方向に沿って凸状のフランジが形成された構成など、支持手段３３により把持することができれば、被把持部がどのような形状に構成されてもよい。また、被把持部が支持手段３３により、Ｏリングやダイアフラム等の弾性部材を介して支持されていてもよい。

加圧手段４は、ホーン３５の押圧面３５ａが支持体２の支持面２１と対向するように支持手段３３に支持された共振器３１を、押圧方向Ｚに駆動して支持体２に近接または支持体２から離間させるものであって、駆動モータ４１とボールねじ４２とを備えている。また、架台（図示省略）に立設された支柱（図示省略）にガイド４３が結合されており、加圧手段４は、フレーム４４を介して支柱およびガイド４３に連結されている。

そして、制御装置７に制御されて駆動モータ４１が回転することにより、ガイド４３に矢印Ｚ方向に設けられた凸状のレール４３ａと支持手段３３に設けられたガイド（図示省略）とが摺接しつつ、ボールねじ４２に螺合された支持手段３３が移動方向Ｚにおいて上下動し、これにより、支持手段３３に支持された共振器３１が支持体２に近接しまたは支持体２から離間する。

また、加圧手段４は、制御装置７による制御に基づいて駆動モータ４１の駆動トルクを調整することにより、所定の加圧力で支持手段３３に支持された共振器３１を支持体２に近接させることができるように構成されている。また、支柱にはリニアエンコーダ（図示省略）が設けられており、これにより矢印Ｚ方向（押圧方向）におけるヘッド部３の高さが検出されて、リニアエンコーダの検出信号に基づいて制御装置７により駆動モータ４１を制御することにより、ヘッド部３の高さを調整することができる。

そして、共振器３１の中心軸の方向が基部３６に形成されたねじ穴とほぼ同じ方向、すなわち、共振器３１の中心軸の方向と加圧手段４による共振器３１の移動方向（押圧方向Ｚ）とがほぼ同方向となり、ホーン３５の押圧面３５ａが支持体２と対向するように、支持手段３３により共振器３１が支持されている。したがって、加圧手段４により基部３６が下動されることで共振器３１（ホーン３５）が押圧方向Ｚに駆動されて一体的に支持体２に近接し、これにより、加圧手段４による加圧力が押圧面３５ａから支持体２の支持面２１に支持された一方向強化繊維束Ｂ（樹脂フィルムＳ）に加えられる。すなわち、加圧手段４により制御されることによって、超音波振動するホーン３５の押圧面３５ａにより一方向強化繊維束Ｂ（樹脂フィルムＳ）が支持体２の支持面２１に対して押圧されて加圧される。

なお、この実施形態では、押圧面３５ａにより一方向強化繊維束Ｂ（樹脂フィルムＳ）が支持面２１に対して所定の一定の加圧力で押圧されるように駆動モータ４１が制御装置７により制御される。また、共振器３１（基部３６）の押圧方向Ｚにおける高さ位置が、図２中の矢印Ｌに示すように共振器３１が最大に伸長したときの押圧面３５ａと支持面２１との間隔が所定間隙Ｇとなる位置Ｈに達したときには、共振器３１が位置Ｈを越えて支持体２側に移動しないように、駆動モータ４１が制御装置７により制御される。なお、押圧面３５ａによる一方向強化繊維束Ｂ（樹脂フィルムＳ）に対する加圧力の大きさや、押圧面３５ａと支持面２１との間隙Ｇの大きさは、開繊後の帯状の繊維束Ｂ＊の幅や厚み、一方向プリプレグＰの幅や厚みに応じて、適宜、最適な値を設定すればよい。例えば、一方向強化繊維束Ｂや樹脂フィルムＳに対する処理試験を繰り返し行うことにより、最適な加圧力や間隙Ｇの値を設定してもよい。

供給手段５は、図１に示すように、一方向強化繊維束Ｂを巻回保持する第１の供給ローラ５１と、それぞれ樹脂フィルムＳを巻回保持する第２、第３の供給ローラ５２，５３と、引出ローラ５４と、張力調整用ローラ５５と、収納ローラ５６とを備えている。一方向強化繊維束Ｂおよび両樹脂フィルムＳそれぞれは、引出ローラ５４の矢印方向に回転する駆動ローラ５４ａおよび従動ローラ５４ｂによりニップされることによって、各供給ローラ５１〜５３から引き出されると共に、両樹脂フィルムＳ間に挟まれた状態の一方向強化繊維束Ｂがホーン３５の押圧面３５ａと支持体２の支持面２１との間に供給される。

このとき、両面に樹脂フィルムＳが重ね合わされた一方向強化繊維束Ｂは、ヘッド部３よりも下流側に配置された張力調整用ローラ５５の矢印方向に回転する駆動ローラ５５ａおよび従動ローラ５５ｂによりニップされることによって、その張力を調整されながら押圧面３５ａと支持面２１との間に挟まれた状態で長手方向Ｙに走行する。したがって、この実施形態では、一方向強化繊維束Ｂ（樹脂フィルムＳ）とホーン３５とが長手方向Ｙにおいて相対的に移動するので、一方向強化繊維束Ｂ（樹脂フィルムＳ）が押圧面３５により所定の一定の加圧力で押圧される箇所が、一方向強化繊維束Ｂの長手方向Ｙに沿って移動する。そして、両面に樹脂フィルムＳが重ね合わされた一方向強化繊維束Ｂがホーン３５の押圧面３５ａと支持体２の支持面２１との間を通過することにより形成された一方向プリプレグＰが、収納ローラ５６に巻回されて収納される。なお、第２、第３の供給ローラ５２，５３のいずれか一方のみが設けられることにより、一方向強化繊維束Ｂの片面のみに樹脂フィルムＳが重ね合わされるようにしてもよい。

押圧体側遮蔽手段６ａは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂（ＰＦＡ）、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体（ＦＥＰ）、エチレン・四フッ化エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）等の各種のフッ素樹脂やガラス繊維入りのフッ素樹脂のような熱伝導率の小さい樹脂材料、熱伝導率の小さいニチアス株式会社製のパイロジェル（登録商標）など、熱伝導率の小さい材料により形成された帯状の断熱フィルムＩａを巻回保持する供給ローラ６１ａと、収納ローラ６２ａとを備え、供給ローラ６１ａおよび収納ローラ６２ａそれぞれが矢印方向に回転することによって、供給ローラ６１ａから引き出された断熱フィルムＩａをホーン３５の押圧面３５ａと樹脂フィルムＳ（一方向強化繊維束Ｂ）との間に供給することにより、樹脂フィルムＳから共振器３１（ホーン３５）への伝熱を遮蔽する。このとき、断熱フィルムＩａは、両面に樹脂フィルムＳが重ね合わされた一方向強化繊維束Ｂとほぼ同じ速度で長手方向Ｙに走行するように供給ローラ６１ａから引き出されて収納ローラ６２ａに収納される。

なお、断熱フィルムＩａを離型性に優れたフッ素樹脂等により形成することにより、ホーン３５の押圧面３５ａに溶融した樹脂フィルムＳが粘着等するのを防止することができ、両面に樹脂フィルムＳが重ね合わされた一方向強化繊維束Ｂ（一方向プリプレグＰ）を矢印Ｙ方向に良好に走行させることができる。また、断熱フィルムＩａを上記したように矢印Ｙ方向に走行させずに、ホーン３５の押圧面３５ａと樹脂フィルムＳ（一方向強化繊維束Ｂ）との間に断熱フィルムＩａが固定配置されていてもよい。

制御装置７（本発明の「制御手段」に相当）は、上記したように処理装置１の各部の制御を行うことによって、支持体２の支持面２１とホーン３５の押圧面３５ａとの間に樹脂フィルムＳ（一方向繊維束Ｂ）を挟んだ状態で振動子３２により共振器３１（ホーン３５）を超音波振動させる。これにより、制御装置７は、押圧面３５ａから樹脂フィルムＳに超音波振動エネルギーを印加して樹脂フィルムＳを発熱させて該樹脂フィルムＳを溶融させる。なお、この実施形態では、ヒータ２２により支持体２が昇温されているため、ホーン３５の押圧面３５ａから樹脂フィルムＳに印加された超音波振動エネルギーにヒータ２２の熱エネルギーをかさ上げすることができるので、温度を十分に上昇させて樹脂フィルムＳを確実に溶融することができる。

ところで、従来、ホーン３５の押圧面３５ａから超音波振動が印加されると、重ね合わされた樹脂フィルムＳ等の樹脂製の被処理物どうしが擦り合わされて摩擦熱が生じ、樹脂が溶融すると考えられていた。本願発明者は、ホーン３５の押圧面３５ａから超音波振動が印加されている樹脂製の被処理物をサーモグラフィにより観察し、被処理物の温度分布を詳細に検討した。その結果、本願発明者は、押圧面３５ａが接触していない被処理物の端縁部の温度も上昇していることを見出した。これは、電子レンジの原理と同様に、ホーン３５の押圧面３５ａから超音波振動エネルギーが樹脂フィルムＳ等の被処理物に印加されることで、樹脂分子が振動、回転して分子運動が促進されて被処理物全体の温度が上昇するためと考えられる。

また、本願発明者は、超音波処理後にホーン３５の押圧面３５ａが被処理物から離間する際に、ホーン３５が昇温したままの状態であることを見出した。これは、超音波振動エネルギーが印加されることにより被処理物において生じた熱エネルギーがホーン３５に伝導して被処理物の外部に逃げたことによって該ホーン３５が昇温したためと考えられる。これらの考察結果から、本願発明者は、ホーン３５の押圧面３５ａから超音波振動エネルギーを印加して被処理物を処理する際に、超音波振動エネルギーを効率よく利用して被処理物を処理するためには、超音波振動エネルギーが印加されることにより被処理物全体で発生した熱エネルギーがホーン３５や支持体２に逃げるのを防止し、発生した熱エネルギーを被処理物内に閉じ込めることが重要との知見を得た。

（開繊・含浸処理）
次に、処理装置１において実行される開繊・含浸処理の一例について説明する。

まず、所定の強化繊維の集合体から成る一方向強化繊維束Ｂを用意する。そして、その両面に所定の厚みの樹脂フィルムＳを重ねあわせた状態で一方向強化繊維束Ｂを、超音波振動するホーン３５の押圧面３５ａにより支持体２の支持面２１に対して所定の加圧力で押圧しながら、長手方向Ｙに走行させることにより、図３に示すように、一方向強化繊維束Ｂの幅が幅Ｗｂまで広げられ、その厚みが所定の値になるように薄く形成された帯状の繊維束Ｂ＊に、樹脂フィルムＳの樹脂が含浸されて成る一方向プリプレグＰが形成される。

以上のように、この実施形態では、超音波振動エネルギーを印加して樹脂分子を振動、回転させて分子運動を促進させることで樹脂フィルムＳを発熱させた際に、該樹脂フィルムＳからホーン３５および支持体２への伝熱が遮蔽されるので、樹脂フィルムＳに生じた熱が支持体２およびホーン３５に伝導して逃げるのを防止することができ、樹脂フィルムＳ内に熱をこもらせることができる。したがって、超音波振動が印加されることにより樹脂フィルムＳに生じた熱エネルギーを該樹脂フィルムＳ内に閉じ込めることができ、その結果、過剰な超音波振動エネルギーを印加しなくても、樹脂フィルムＳが破損しない程度の適度な大きさの超音波振動エネルギーにより確実に樹脂フィルムＳを所定温度まで昇温させて溶融させることができる。

また、支持体２の支持面２１と、超音波振動するホーン３５の押圧面３５ａとの間に樹脂フィルムＳ（一方向強化繊維束Ｂ）を挟んだ状態で、押圧面３５ａによる押圧箇所を樹脂フィルムＳの長手方向Ｙに沿って所定速度で連続的に移動させると、超音波振動エネルギーが印加（注入）される樹脂フィルムＳ上の位置が時々刻々と移動するが、従来の構成では、超音波振動エネルギーが印加されることにより生じた熱エネルギーが支持体２やホーン３５に伝導して逃げてしまうので、超音波振動エネルギーを効率よく利用して樹脂フィルムＳの押圧面３５ａが接触した箇所の温度を上昇させることができない。一方、この実施形態のように、樹脂フィルムＳからホーン３５および支持体２への伝熱を遮蔽して該樹脂フィルムＳ内に熱エネルギーを閉じ込めることにより、超音波振動エネルギーを効率よく利用して樹脂フィルムＳの押圧面３５ａが接触した箇所の温度を上昇させることができる。したがって、加熱が必要な範囲よりも小さい押圧面３５ａを有するホーン３５を利用し、押圧面３５ａによる押圧箇所を連続的に移動させることによって、押圧面３５ａよりも大面積の樹脂フィルムＳ等の樹脂製の被処理物を処理することができる。

また、支持体２の支持面２１と、該支持面２１に直交する押圧方向Ｚに超音波振動するホーン３５の押圧面３５ａとの間に一方向強化繊維束Ｂを挟んだ状態で、押圧面３５ａによる一方向強化繊維束Ｂの押圧箇所を一方向強化繊維束Ｂの長手方向Ｙに沿って移動させることにより、一方向強化繊維束Ｂを開繊することができる。したがって、例えば気流を利用した従来の公知技術と比較すると、開繊する際に一方向強化繊維束Ｂに強い張力を作用させることができるので、一方向強化繊維束Ｂを安定して高速に処理して開繊することができる。

また、一般的に、開繊後の帯状の繊維束Ｂ＊は、不安定で絡まりやすいが、支持面２１と押圧面３５ａとの間に一方向強化繊維束Ｂと樹脂フィルムＳとを重ねあわせて配置した状態で、一方向強化繊維束Ｂ（樹脂フィルムＳ）を長手方向Ｙに走行させることによって、一方向強化繊維束Ｂを開繊すると同時に樹脂フィルムＳを溶融させた樹脂を帯状の繊維束Ｂ＊に含浸させることができる。したがって、従来必要であった含浸装置が不要であり、１工程で一方向プリプレグＰを形成することができるので、一方向強化繊維束Ｂの処理コストを低減することができる。また、ホーン３５から物理的な超音波振動が印加されながら樹脂フィルムＳの樹脂と帯状の繊維束Ｂ＊とが接触することにより、強化繊維の各フィラメントと樹脂との接合界面の反応を促進させて良好な接合状態にすることができ、樹脂フィルムＳの樹脂を帯状の繊維束Ｂ＊に良好に含浸させることができる。したがって、一方向プリプレグＰを用いた成形品の物性を向上させることができる。また、開繊と同時に帯状の繊維束Ｂ＊に樹脂が含浸されるので、開繊後の帯状の繊維束Ｂ＊に毛羽等が発生するおそれがなく、開繊後の繊維束Ｂ＊の取り扱いが容易である。

また、処理対象である一方向強化繊維束Ｂの太さや開繊処理後の帯状の繊維束Ｂ＊の幅Ｗｂや厚みの目標値に応じて予め設定された所定の加圧力で一方向強化繊維束Ｂを押圧しながら開繊することで、開繊後の繊維束Ｂ＊の幅Ｗｂおよび厚みを精度よく調整することができる。

また、処理対象である一方向強化繊維束Ｂの太さや開繊処理後の帯状の繊維束Ｂ＊の厚みや幅Ｗｂの目標値に応じて予め設定された所定間隙Ｇよりも支持面２１との間隔が狭くならないように押圧面３５ａを配置した状態で一方向強化繊維束Ｂを開繊することで、開繊後の帯状の繊維束Ｂ＊の厚みおよび幅Ｗｂを精度よく調整することができる。なお、超音波振動するホーン３５の最大伸長時の押圧面３５ａと支持面２１との間隔が常に所定間隙Ｇとなるように、共振器３１を押圧方向Ｚにおける位置Ｈに固定配置した状態で（図２参照）、一方向強化繊維束Ｂ（樹脂フィルムＳ）を長手方向Ｙに走行させてもよい。このようにしても、開繊後の帯状の繊維束Ｂ＊の厚みおよび幅Ｗｂを精度よく調整することができる。

＜第２実施形態＞
この発明の第２実施形態にかかる処理装置について図４を参照して説明する。図４は本発明の第２実施形態にかかる処理装置を示す正面図である。

図４に示す処理装置１ａが上記した第１実施形態と異なるのは、図４に示すように、ヒータ２２の代わりに支持体側遮蔽手段６ｂが設けられている点である。その他の構成および動作は、上記した第１実施形態の構成および動作と同様であるため同一符号を引用することによりその構成および動作の説明を省略する。

支持体側遮蔽手段６ｂは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂（ＰＦＡ）、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体（ＦＥＰ）、エチレン・四フッ化エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）等の各種のフッ素樹脂やガラス繊維入りのフッ素樹脂のような熱伝導率の小さい樹脂材料、熱伝導率の小さいニチアス株式会社製のパイロジェル（登録商標）など、熱伝導率の小さい材料により形成された帯状の断熱フィルムＩｂを巻回保持する供給ローラ６１ｂと、収納ローラ６２ｂとを備え、供給ローラ６１ｂおよび収納ローラ６２ｂそれぞれが矢印方向に回転することによって、供給ローラ６１ｂから引き出された断熱フィルムＩｂを支持体２の支持面２１と樹脂フィルムＳ（一方向強化繊維束Ｂ）との間に供給することにより、樹脂フィルムＳから支持体２への伝熱を遮蔽する。このとき、断熱フィルムＩｂは、両面に樹脂フィルムＳが重ね合わされた一方向強化繊維束Ｂとほぼ同じ速度で長手方向Ｙに走行するように供給ローラ６１ｂから引き出されて収納ローラ６２ｂに収納される。

なお、断熱フィルムＩｂを離型性に優れたフッ素樹脂等により形成することにより、支持体２の支持面２１に溶融した樹脂フィルムＳが粘着等するのを防止することができ、両面に樹脂フィルムＳが重ね合わされた一方向強化繊維束Ｂ（一方向プリプレグＰ）を矢印Ｙ方向に良好に走行させることができる。また、断熱フィルムＩｂを上記したように矢印Ｙ方向に走行させずに、支持体２の支持面２１と樹脂フィルムＳ（一方向強化繊維束Ｂ）との間に断熱フィルムＩｂが固定配置されていてもよい。

このように構成しても、上記した第１実施形態と同様に、断熱フィルムＩｂにより樹脂フィルムＳから支持体２への伝熱を遮蔽することができ、超音波振動エネルギーが印加されることにより生じた熱エネルギーを樹脂フィルムＳ内に閉じ込めることができるので、超音波振動エネルギーを効率よく利用して樹脂フィルムＳを処理することができる。

なお、図１に示す処理装置１と同様に、支持体２を所定温度に昇温するためのヒータ２２が設けられていてもよい。このようにすると、発生した熱エネルギーをさらに確実に樹脂フィルムＳ内に閉じ込めることができる。

＜第３実施形態＞
この発明の第３実施形態にかかる処理装置について図５を参照して説明する。図５は本発明の第３実施形態にかかる処理装置のホーンを示す図である。

この実施形態のホーン３５が上記した第１実施形態と異なるのは、図５に示すように、押圧体側遮蔽手段６ａの代わりに、上記したポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の各種のフッ素樹脂やジルコニア等の熱伝導率が小さい材質により形成された断熱層８（本発明の「押圧体側遮蔽手段」に相当）がホーン３５（押圧面３５ａ）の表面に形成されて、押圧面３５ａと樹脂フィルムＳ（一方向強化繊維束Ｂ）との間に断熱層８が配置されている点である。その他の構成および動作は、上記した第１実施形態の構成および動作と同様であるため同一符号を引用することによりその構成および動作の説明を省略する。

このように構成しても、上記した第１実施形態と同様に、断熱層８により樹脂フィルムＳからホーン３５への伝熱を遮蔽することができ、超音波振動エネルギーが印加されることにより生じた熱エネルギーを樹脂フィルムＳ内に閉じ込めることができるので、超音波振動エネルギーを効率よく利用して樹脂フィルムＳを処理することができる。

なお、図１に示す処理装置１と同様に、押圧体側遮蔽手段６ａが設けられていてもよい。このようにすると、発生した熱エネルギーをさらに確実に樹脂フィルムＳ内に閉じ込めることができる。

＜第４実施形態＞
この発明の第４実施形態にかかる処理装置について図６を参照して説明する。図６は本発明の第４実施形態にかかる処理装置の支持体を示す図である。

この実施形態の支持体２が上記した第１実施形態と異なるのは、図６に示すように、ヒータ２２の代わりに、上記したポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の各種のフッ素樹脂やジルコニア、（ファイン）セラミックス、ガラス等の熱伝導率が小さい材質により形成された断熱層９（本発明の「支持体側遮蔽手段」に相当）が支持体２（支持面２１）の表面に形成されて、支持面２１と樹脂フィルムＳ（一方向強化繊維束Ｂ）との間に断熱層９が配置されている点である。その他の構成および動作は、上記した第１実施形態の構成および動作と同様であるため同一符号を引用することによりその構成および動作の説明を省略する。

このように構成しても、上記した第１実施形態と同様に、断熱層９によりにより樹脂フィルムＳから支持体２への伝熱を遮蔽することができ、超音波振動エネルギーが印加されることにより生じた熱エネルギーを樹脂フィルムＳ内に閉じ込めることができるので、超音波振動エネルギーを効率よく利用して樹脂フィルムＳを処理することができる。

なお、図１に示す処理装置１と同様に、ヒータ２２が設けられていてもよいし、図４に示す処理装置１ａと同様に、支持体側遮蔽手段６ｂが設けられていてもよい。このようにすると、発生した熱エネルギーをさらに確実に樹脂フィルムＳ内に閉じ込めることができる。

＜第５実施形態＞
この発明の第５実施形態にかかる処理装置について図７を参照して説明する。図７は本発明の第５実施形態にかかる処理装置を示す正面図である。

この実施形態の処理装置１ｂが上記した第１実施形態と異なるのは、図７に示すように、押圧体側遮蔽手段６ａの代わりに、共振器３１（ホーン３５）を加熱するヒータ３８が設けられている点である。その他の構成および動作は、上記した第１実施形態の構成および動作と同様であるため同一符号を引用することによりその構成および動作の説明を省略する。

ヒータ３８（本発明の「押圧体側遮蔽手段」に相当）は、共振器３１（ホーン３５）を所定温度に昇温しておくことにより、超音波振動エネルギーが印加された際に樹脂フィルムＳと共振器３１（ホーン３５）との間に生じる熱勾配を緩和することで樹脂フィルムＳから共振器３１（ホーン３５）への伝熱を遮蔽する。なお、この実施形態では、ヒータ３８により共振器３１（ホーン３５）が昇温されているため、ホーン３５の押圧面３５ａから樹脂フィルムＳに印加された超音波振動エネルギーにヒータ３８の熱エネルギーをかさ上げすることができるので、温度を十分に上昇させて樹脂フィルムＳを確実に溶融することができる。

このように構成しても、上記した第１実施形態と同様に、ヒータ３８により樹脂フィルムＳからホーン３５への伝熱を遮蔽することができ、超音波振動エネルギーが印加されることにより生じた熱エネルギーを樹脂フィルムＳ内に閉じ込めることができるので、超音波振動エネルギーを効率よく利用して樹脂フィルムＳを処理することができる。

なお、図１に示す処理装置１と同様に、押圧体側遮蔽手段６ａが設けられていてもよいし、図５に示すホーン３５と同様に、断熱層８が設けられていてもよい。このようにすると、発生した熱エネルギーをさらに確実に樹脂フィルムＳ内に閉じ込めることができる。

＜第６実施形態＞
この発明の第６実施形態にかかる処理装置について図８を参照して説明する。図８は本発明の第６実施形態にかかる処理装置を示す正面図である。

この実施形態の処理装置１ｃが上記した第１実施形態と異なるのは、図８に示すように、押圧体側遮蔽手段６ａおよびヒータ２２が設けられておらず、共振器３１（ホーン３５）および支持体２が、いずれも、熱伝導率が小さいチタン合金（例えば熱伝導率が７．５／（ｍ・Ｋ）のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ）により形成されている点である。その他の構成および動作は、上記した第１実施形態の構成および動作と同様であるため同一符号を引用することによりその構成および動作の説明を省略する。

このように構成しても、共振器３１（ホーン３５）および支持体２の熱伝導率が、いずれも小さく設定されているため、上記した第１実施形態と同様に、超音波振動エネルギーが印加されることにより生じた熱エネルギーが樹脂フィルムＳからホーン３５および支持体２に伝導して逃げるのを防止できる。したがって、超音波振動エネルギーが印加されることにより生じた熱エネルギーを樹脂フィルムＳ内に閉じ込めることができるので、超音波振動エネルギーを効率よく利用して樹脂フィルムＳを処理することができる。

なお、共振器３１（ホーン３５）および支持体２の熱伝導率が、いずれも、１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも小さく設定されていればよく、例えば、水晶（８Ｗ／（ｍ・Ｋ））、ガラス（１Ｗ／（ｍ・Ｋ））、ファインセラミックス（ムライト、フォルステライト、コージライト、ジルコニア、ステアタイト等）などの材質により支持体２が形成されてもよい。

また、上記した第１〜第５実施形態において、この実施形態のように、共振器３１（ホーン３５）および支持体２の少なくともいずれか一方の熱伝導率が、１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも小さく設定されていてもよい。このようにすると、発生した熱エネルギーをさらに確実に樹脂フィルムＳ内に閉じ込めることができる。また、共振器３１（ホーン３５）および支持体２のいずれか一方の熱伝導率を１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも小さく設定し、他方に、ヒータ２２，３８や遮蔽手段６ａ，６ｂ、断熱層８，９などを設けるようにしてもよい。

＜第７実施形態＞
この発明の第７実施形態にかかる処理装置について図９を参照して説明する。図９は本発明の第７実施形態にかかる処理装置の要部を示す斜視図である。なお、図９では、図３と同様に帯状の繊維束Ｂ＊の下面側に配置される樹脂フィルムＳと、支持体２とが図示省略されている。

この実施形態の処理装置１ｄが上記した第１実施形態と異なるのは、図９に示すように、含浸手段１０において含浸処理が行われる点である。すなわち、樹脂フィルムＳが重ね合わされていない状態で押圧面３５ａと支持面２１との間を通過することにより一方向強化繊維束Ｂが開繊された後に、帯状の繊維束Ｂ＊に樹脂フィルムＳが重ね合わされて含浸手段１０において含浸処理が行われる。その他の構成および動作は、上記した第１実施形態の構成および動作と同様であるため同一符号を引用することによりその構成および動作の説明を省略する。

含浸手段１０は、図９に示すように、開繊処理に用いられるホーン３５とほぼ同様の構成のホーン１３５を備えている。そして、含浸手段１０のホーン１３５の押圧面１３５ａと、支持体２の支持面２１との間を、樹脂フィルムＳが重ね合わされた帯状の繊維束Ｂ＊が通過することにより、上記した第１実施形態と同様に、押圧面１３５ａから超音波振動が印加されて溶融した樹脂フィルムＳの樹脂が帯状の繊維束Ｂ＊に含浸されて、プリプレグＰが形成される。

また、図示省略されているが、ホーン１３５に対して、押圧体側遮蔽手段６ａや断熱層８、ヒータ３８が設けられたり、ホーン１３５が、例えばチタン合金により形成されてその熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも小さく設定されることによって、超音波振動エネルギーが印加されることにより発生した熱エネルギーが、樹脂シートＳからホーン１３５に伝導して逃げるのが防止されている。

このように構成しても、超音波振動エネルギーが印加されることにより生じた熱エネルギーが樹脂フィルムＳからホーン３５および支持体２に伝導して逃げるのを防止して、該熱エネルギーを樹脂フィルムＳ内に閉じ込めることができるので、超音波振動エネルギーを効率よく利用して樹脂フィルムＳを処理することができる。

＜第８実施形態＞
この発明の第８実施形態にかかる処理装置について図１０を参照して説明する。図１０は本発明の第８実施形態にかかる処理装置において処理される一方向強化繊維束および樹脂フィルムを示す横断面図である。

この実施形態が上記した第１〜第７実施形態と異なるのは、図１０に示すように、２束の一方向強化繊維束Ｂ、または、２束の開繊後の帯状の繊維束Ｂ＊により樹脂フィルムＳが挟み込まれた状態で含浸処理が実行される点である。その他の構成および動作は、上記した第１〜第７実施形態のうちのいずれかの構成および動作と同様であるため同一符号を引用することによりその構成および動作の説明を省略する。

このように、一方向強化繊維束Ｂ（帯状の繊維束Ｂ＊）と樹脂フィルムＳとを図１０に示すように重ねあわせても、上記した各実施形態と同様の効果を奏することができる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能であり、上記した各実施形態の構成をどのように組み合わせてもよい。例えば、本発明の樹脂製の被処理物は上記した例に限られるものではなく、重ね合わされた複数の樹脂フィルム（樹脂シート、樹脂テープ）を本発明の被処理物として処理することにより、樹脂フィルム（樹脂シート、樹脂テープ）どうしを互いに溶着したり、複数の樹脂構造体を本発明の被処理物をして処理することにより、複数の樹脂構造体どうしを互いに溶着するようにしてもよく、被処理物は、樹脂製であればその形状や材質はどのように形成されていてもよい。

また、例えば、ホーン３５（共振器３１）を長手方向Ｙに移動させることにより、ホーン３５の押圧面３５ａによる樹脂フィルムＳ（一方向強化繊維束Ｂ）の押圧箇所が移動するようにしてもよい。また、ホーン３５（共振器３１）および樹脂フィルムＳ（一方向強化繊維束Ｂ）の両方を相対的に長手方向Ｙに移動させることにより、ホーン３５の押圧面３５ａによる樹脂フィルムＳ（一方向強化繊維束Ｂ）の押圧箇所が移動するようにしてもよい。

また、上記した加圧手段４にシリンダを追加することにより、シリンダの差圧を利用してホーン３５の押圧面３５ａによる樹脂フィルムＳ（一方向強化繊維束Ｂ）に対する加圧力を設定するようにしてもよい。

また、押圧体および押圧面の形状等の構成は上記したホーン３５の構成に限定されるものではなく、平面状や曲面状の押圧面を有し、樹脂フィルムＳ等の樹脂製の被処理物を支持面２１に対して押圧面により押圧できる構成であれば、押圧体をどのような形状に構成してもよい。例えば、その側面視形状が押圧面３５ａ，１３５ａに向ってくちばし状に先細りする形状にホーン３５，１３５を構成することができる。また、例えば、押圧面が、被処理物を幅方向に渡って一軸状に支持面２１に対して押圧できる構成であれば、押圧面による被処理物の押圧箇所を所定方向（例えば押圧面の長手方向にほぼ直交する方向）に１回スキャン（移動）するだけで、被処理物を全面に渡って処理することができる。

また、上記した加圧手段４は上記した構成に限られるものではなく、共振器３１を移動させることができれば、リニアモータやシリンダ等の周知のアクチュエータを用いるなど、どのように加圧手段４を構成してもよい。

また、押圧体および支持体それぞれの配置位置は、図１の紙面に向かって上下方向に並べて配置された上記した例に限定されるものではなく、押圧体および支持体の上下方向の位置を入れ換えて配置してもよいし、押圧体および支持体を図１の紙面に向かって左右方向に並べて配置してもよい。

また、押圧体の押圧面と支持体の支持面との間に樹脂性の被処理物が固定配置し、押圧面による被処理物の押圧箇所が移動しないようにして該被処理物に超音波振動エネルギーを印加して処理するようにしてもよい。

そして、樹脂製の被処理物を処理する処理装置に本発明を広く適用することができる。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ…処理装置
２…支持体
２１…支持面
２２…ヒータ（支持体側遮蔽手段）
３２…振動子（振動手段）
３５…ホーン（押圧体）
３５ａ…押圧面
３８…ヒータ（押圧体側遮蔽手段）
６ａ…押圧体側遮蔽手段
６ｂ…支持体側遮蔽手段
７…制御装置（制御手段）
８…断熱層（押圧体側遮蔽手段）
９…断熱層（支持体側遮蔽手段）
Ｓ…樹脂フィルム（被処理物）
Ｚ…押圧方向

Claims (1)

1. 樹脂製の被処理物を処理する処理装置において、
   前記被処理物が当接する支持面を有する支持体と、
   前記被処理物を押圧する押圧面を有する押圧体と、
   前記押圧体に前記支持面に直交する押圧方向への超音波振動を印加する振動手段と、
   前記支持体の前記支持面と前記被処理物との間に、移動可能に配置された断熱フィルムから成り、前記被処理物に生じる熱の前記支持体への伝熱を遮蔽する支持体側遮蔽手段と、
   前記押圧体の前記押圧面と前記被処理物との間に、移動可能に配置された断熱フィルムから成り、前記被処理物に生じる熱の前記押圧体への伝熱を遮蔽する押圧体側遮蔽手段と、
   前記支持面と前記押圧面との間に樹脂製の被処理物を挟んだ状態で前記振動手段により前記押圧体を超音波振動させて、前記押圧面から前記被処理物に超音波振動エネルギーを印加することにより該被処理物を発熱させる制御手段と
   を備えることを特徴とする処理装置。

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