JP2010046831A - 樹脂と金属との接合方法および装置 - Google Patents

樹脂と金属との接合方法および装置 Download PDF

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    • B29C65/10—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using hot gases (e.g. combustion gases) or flames coming in contact with at least one of the parts to be joined
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    • B29C65/02—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure
    • B29C65/14—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using wave energy, i.e. electromagnetic radiation, or particle radiation
    • B29C65/1403—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using wave energy, i.e. electromagnetic radiation, or particle radiation characterised by the type of electromagnetic or particle radiation
    • B29C65/1412—Infrared [IR] radiation
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    • B29C65/18—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using heated tools
    • B29C65/24—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using heated tools characterised by the means for heating the tool
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    • B29C65/18—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using heated tools
    • B29C65/24—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using heated tools characterised by the means for heating the tool
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    • B29C65/34—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using heated elements which remain in the joint, e.g. "verlorenes Schweisselement"
    • B29C65/36—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using heated elements which remain in the joint, e.g. "verlorenes Schweisselement" heated by induction
    • B29C65/3604—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using heated elements which remain in the joint, e.g. "verlorenes Schweisselement" heated by induction characterised by the type of elements heated by induction which remain in the joint
    • B29C65/3644—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using heated elements which remain in the joint, e.g. "verlorenes Schweisselement" heated by induction characterised by the type of elements heated by induction which remain in the joint being a ribbon, band or strip
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    • B29C66/01—General aspects dealing with the joint area or with the area to be joined
    • B29C66/02—Preparation of the material, in the area to be joined, prior to joining or welding
    • B29C66/022—Mechanical pre-treatments, e.g. reshaping
    • B29C66/0224—Mechanical pre-treatments, e.g. reshaping with removal of material
    • B29C66/02241—Cutting, e.g. by using waterjets, or sawing
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Abstract

【課題】従来、樹脂部材を溶融温度または軟化温度まで加熱して樹脂部材と金属部材とを接合した場合、十分な接合強度が得られなかった。
【解決手段】樹脂部材４と金属部材３とを加熱により接合する接合方法であって、前記樹脂部材４と金属部材３との接合界面を、樹脂部材４の分解温度ｔｂ以上かつ樹脂部材４に気泡が発生する温度ｔｃ未満の範囲の温度に加熱するとともに、樹脂部材４の金属部材３との接合面５とは反対側の面を、樹脂部材４の融点ｔａ未満の温度に冷却することにより、樹脂部材４と金属部材３との接合を行う。
【選択図】 図２

Description

本発明は、樹脂と金属とを加熱により接合する接合方法および装置に関する。
従来、樹脂部材と金属部材とを接合する際には、接着剤を用いて両者を接合することが一般的に行われているが、接合工程の簡略化や、ＶＯＣ（Volatile Organic Compounds）規制への対応等を図るために、金属部材の樹脂部材との接合面に酸・アルカリ処理やプライマー処理等の表面処理を施して、前記接合面に物理的な凹凸を形成したり化学的官能基を修飾したりするとともに、その金属部材の接合面に熱可塑性樹脂をインサート成形することにより樹脂と金属との接合体を得ることも行われている。
前述のように金属部材の接合面に表面処理を施して金属部材と樹脂部材との接合を行う場合、接着剤は使用しないものの、酸やアルカリやプライマー処理剤等の表面処理剤を多く使用するため、使用済の表面処理剤を廃棄することにより環境負荷が生じる原因となる。
また、表面処理後の金属部材は洗浄・乾燥する必要があるが、この洗浄・乾燥に長時間を要するため、自動車用途等に用いられる部品のように高生産性が必要とされる部品に適用するのには不適である。
さらに、金属部材と樹脂部材との接合が金属部材に熱可塑性樹脂をインサート成形することにより行われるため、接合体の形状に制約が生じるという問題がある。
従って、従来においては、接着剤や表面処理剤を用いることなく、環境負荷を生じさせずに簡単な工程で短時間に樹脂部材と金属部材とを接合する方法として、例えば特許文献１に記載される技術のように、樹脂部材を加熱溶融することにより金属部材と接合する技術が考案されている。
特開平５−１８５５２１号公報
しかし、前述のごとく樹脂部材を溶融温度または軟化温度まで加熱した場合、軟化した樹脂部材が金属部材表面の凹凸に沿って変形してアンカー効果を発揮することにより両者の接合が行われるが、アンカー効果による接合のみでは十分な接合強度が得られなかった。
一方、樹脂部材は、オーブン内の加熱雰囲気やヒータ等により加熱されるが、加熱温度が高くなり過ぎると樹脂内部に気泡が発生して、接合後に樹脂部材にクラックが生じる原因となってしまう。
さらに、樹脂部材を全体的に加熱すると、樹脂部材が全体的に溶融してしまい、樹脂部材の外表面の意匠性が損なわれてしまうため、樹脂部材と金属部材との接合体の用途が限られてしまうといった問題もある。
そこで、本発明においては、環境負荷を生じさせることなく簡単な工程で短時間に樹脂部材と金属部材とを接合することができるとともに、十分な接合強度を得ることができ、樹脂部材の外表面の意匠性を損なうこともない樹脂と金属との接合方法および装置を提供するものである。
上記課題を解決する樹脂と金属との接合方法および装置は、以下の特徴を有する。
即ち、請求項１記載の如く、樹脂と金属とを加熱により接合する接合方法であって、前記樹脂と金属との接合界面を、樹脂の分解温度以上かつ樹脂に気泡が発生する温度未満の範囲の温度に加熱することにより、前記樹脂と金属との接合を行う。
これにより、表面処理剤を用いることなく、必要十分な接合強度を短時間で得ることができ、樹脂と金属との接合工程における環境負荷を低減することが可能となる。
また、樹脂と金属との接合後に、樹脂と金属との接合界面に気泡を起点とするクラックが発生することを防止することができ、樹脂と金属との接合強度を確保することが可能となる。
また、請求項２記載の如く、樹脂と金属とを加熱により接合する接合方法であって、前記樹脂と金属との接合界面を、前記金属の樹脂との接合面とは反対側の面から加熱するとともに、前記樹脂の金属との接合面とは反対側の面を、樹脂の融点未満の温度に冷却することにより、前記樹脂と金属との接合を行う。
これにより、表面処理剤を用いることなく、必要十分な接合強度を短時間で得ることができ、樹脂と金属との接合工程における環境負荷を低減することが可能となる。
また、樹脂と金属との接合時における樹脂の熱変形を防止しつつ、樹脂と金属との接合を行うことができるので、樹脂と金属との接合体における樹脂側の外面の意匠性を低下させることがなく、前記接合体の製品価値を向上することができる。
また、請求項３記載の如く、前記樹脂と金属との接合界面の加熱温度は、前記樹脂の分解温度以上かつ樹脂に気泡が発生する温度未満の範囲の温度である。
これにより、表面処理剤を用いることなく、必要十分な接合強度を短時間で得ることができ、樹脂と金属との接合工程における環境負荷を低減することが可能となる。
また、樹脂と金属との接合後に、樹脂と金属との接合界面に気泡を起点とするクラックが発生することを防止することができ、樹脂と金属との接合強度を確保することが可能となる。
また、請求項４記載の如く、樹脂と金属との接合界面に、前記金属よりも高い電気抵抗を有する薄膜を介装し、前記薄膜を、前記樹脂の金属との接合面側とは反対の面側から高周波加熱することにより、前記樹脂と金属との接合を行う。
これにより、金属が、熱伝導率が高く電気抵抗が小さな材料で構成されている場合でも、金属と樹脂との接合範囲への入熱効率を高めることができ、金属と樹脂との接合界面を簡単な工程かつ短時間で適切に加熱して接合することができ、十分な接合強度を得ることが可能となる。
また、請求項５記載の如く、樹脂と金属との接合界面に、前記金属よりも低いレーザー反射率を有する薄膜を介装し、前記樹脂をレーザー光が透過可能な素材にて構成し、前記樹脂の金属との接合面側とは反対の面側から前記薄膜へ向けてレーザー光を照射して、前記薄膜を加熱することにより、前記樹脂と金属との接合を行う。
これにより、金属がレーザー光の反射率が高い部材であっても、金属と樹脂との接合範囲への入熱効率を高めることができ金属と樹脂との接合界面を簡単な工程かつ短時間で適切に加熱して接合することができ、十分な接合強度を得ることが可能となる。
また、請求項６記載の如く、前記金属と樹脂との接合界面における、前記樹脂と金属との接合範囲の周辺箇所に、加熱された樹脂が侵入可能な凹部を形成した。
これにより、金属と樹脂との接合時に、軟化した樹脂が前記凹部の内部に侵入して、アンカー効果が生じるため、接合後の金属と樹脂との接合強度を向上させることが可能となる。
また、請求項７記載の如く、樹脂と金属とを加熱により接合する際に用いる接合装置であって、前記樹脂と金属との接合界面を、前記金属の樹脂との接合面とは反対側の面から加熱する加熱具と、前記樹脂の金属との接合面とは反対側の面を、樹脂の融点未満の温度に冷却する冷却具とを備える。
これにより、表面処理剤を用いることなく、必要十分な接合強度を短時間で得ることができ、樹脂と金属との接合工程における環境負荷を低減することが可能となる。
また、樹脂と金属との接合時における樹脂の熱変形を防止しつつ、樹脂と金属との接合を行うことができるので、樹脂と金属との接合体における樹脂側の外面の意匠性を低下させることがなく、前記接合体の製品価値を向上することができる。
また、請求項８記載の如く、前記加熱具は、前記樹脂と金属との接合界面を、前記樹脂の分解温度以上かつ樹脂に気泡が発生する温度未満の範囲の温度に加熱する。
これにより、表面処理剤を用いることなく、必要十分な接合強度を短時間で得ることができ、樹脂と金属との接合工程における環境負荷を低減することが可能となる。
また、樹脂と金属との接合後に、樹脂と金属との接合界面に気泡を起点とするクラックが発生することを防止することができ、樹脂と金属との接合強度を確保することが可能となる。
本発明によれば、表面処理剤を用いることなく、必要十分な接合強度を短時間で得ることができ、樹脂と金属との接合工程における環境負荷を低減することが可能となる。
次に、本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。
図１に示すように、本例の樹脂部材（樹脂）４と金属部材（金属）３との接合方法においては、前記樹脂部材４と金属部材３とを互いに重ね合わせた状態で、加熱具である加熱体１により樹脂部材４と金属部材３との接合界面を所定の温度に加熱することにより両者の接合が行われる。
具体的には、例えば金属部材３の樹脂部材４との接合面とは反対側の面に加熱体１を当接させることにより樹脂部材４と金属部材３との接合界面を加熱する。
また、前記加熱体１による加熱は、樹脂部材４の金属部材３との接合面５が、樹脂部材４の分解温度以上かつ樹脂部材４に気泡が発生する温度未満の範囲の温度となるように行う。
この場合、図２に示すように、樹脂部材４の分解温度ｔｂは樹脂部材４の融点ｔａよりも高く、樹脂部材４に気泡が発生する温度ｔｃは樹脂部材４の分解温度ｔｂよりも高い温度である。また、加熱体１の温度ｔｄは樹脂部材４に気泡が発生する温度ｔｃよりも高い温度となっている（つまり、（加熱体１の温度ｔｄ）＞（樹脂部材４に気泡が発生する温度ｔｃ）＞（樹脂部材４の分解温度ｔｂ）＞（樹脂部材４の融点ｔａ）となっている）。
そして、樹脂部材４と金属部材３との接合を行う際には、樹脂部材４と金属部材３との接合界面、より厳密には樹脂部材４の前記接合面５を、樹脂部材４の分解温度以上かつ樹脂部材４に気泡が発生する温度未満の範囲（図２においてハッチングにて示した部分に含まれる範囲）の温度に所定の時間ΔＴだけ保持することにより、両者の接合が行われる。
一方、前述のように前記加熱体１による加熱を行うのと同時に、樹脂部材４の接合面５とは反対側の面に冷却具である冷却体２を当接させ、前記樹脂部材４の接合面５とは反対側の面が、樹脂部材４の融点未満の温度に冷却される。
つまり、樹脂部材４と金属部材３とを互いに重ね合わせた状態で、樹脂部材４の金属部材３との接合界面に接する接合面５を、樹脂部材４の分解温度以上かつ樹脂部材４に気泡が発生する温度未満の範囲の温度となるように加熱するとともに、樹脂部材４の接合面５とは反対側の面を樹脂部材４の融点未満の温度に冷却することで、樹脂部材４と金属部材３との接合を行うようにしている。
ここで、樹脂部材４を融点ｔａにまで加熱して樹脂部材４と金属部材３との接合を行った場合、溶融温度に達して軟化した樹脂部材４の接合面５が金属部材３の接合面の凹凸に沿って変形してアンカー効果を発揮することのみにより両者の接合が行われる。
これに対し、前述のごとく樹脂部材４の接合面５を樹脂部材４の分解温度以上に加熱すると、前記接合面５における樹脂部材４が分解して該接合面５に溶着活性基が創生される。
樹脂部材４の接合面５に創生される溶着活性基は、金属部材３の樹脂部材４との接合面との間で分子間力による結合を行うものであり、樹脂部材４と金属部材３との接合界面において前記アンカー効果による接合に加えて、この溶着活性基の分子間力による接合が行われることにより、大きな接合強度を得ることが可能となっている。
このように、樹脂部材４と金属部材３との接合界面を、前記金属部材３の樹脂部材４との接合面とは反対側の面から加熱する加熱体１と、前記樹脂部材４の金属部材３との接合面５とは反対側の面を、樹脂部材４の融点未満の温度に冷却する冷却体２とを備える接合装置により接合している。
つまり、樹脂部材４の接合面５を、樹脂部材４の分解温度以上かつ樹脂部材４に気泡が発生する温度未満の範囲の温度に加熱して、樹脂部材４と金属部材３とを接合することで、接着剤を用いたり、酸やアルカリやプライマー処理剤等の表面処理剤を用いたりすることなく、必要十分な接合強度を短時間で得ることができ、樹脂部材４と金属部材３との接合工程における環境負荷を低減することが可能となっている。
また、樹脂部材４の接合面５の加熱温度は、樹脂部材４に気泡が発生する温度未満であるので、加熱により樹脂部材４の接合面５に気泡が発生することがなく、樹脂部材４と金属部材３との接合後に、樹脂部材４と金属部材３との接合界面に気泡を起点とするクラックが発生することを防止することができ、樹脂部材４と金属部材３との接合強度を確保することが可能となる。
さらに、樹脂部材４と金属部材３とを接合する際、前記樹脂部材４の接合面５とは反対側の面が、樹脂部材４の融点未満の温度に冷却されるので、当該面が熱により変形することがない。
このように、樹脂部材４と金属部材３との接合時における樹脂部材４の熱変形を防止することができるので、樹脂部材４と金属部材３との接合体の樹脂部材４側の外面の意匠性を低下させることがなく、前記接合体の製品価値を向上させることができる。
また、金属部材３を構成する素材としては、例えば各種鉄鋼材料、ステンレス材、アルミニウム材（アルミニウム合金材含む）、マグネシウム材（マグネシウム合金材含む）、銅材（銅合金材含む）等が用いられるがこれに限るものではなく、他の金属材を適用することもできる。
また、樹脂部材４を構成する素材としては、熱可塑性を有する素材が用いられ、例えばナイロン樹脂、ポリエステル樹脂、ＡＢＳ樹脂、その他汎用熱可塑性樹脂、汎用エンジニアリングプラスチック（汎用エンプラ）、スーパーエンジニアリングプラスチック（スーパーエンプラ）、および熱可塑性エラストマーが用いられる。
さらに、樹脂部材４は、機械的強度等を向上するための炭素繊維、ガラス繊維、タルク、マイカ、カオリン、および炭酸カルシウム等のフィラーを、前述の素材に混入させて構成することもできる。
また、樹脂部材４が官能基を全く有しない無極性樹脂にて構成されている場合は、樹脂部材４の接合面５に対して、酸やアルカリやプライマー処理剤等の表面処理剤を使用しない、プラズマ処理やコロナ放電等の一般的な乾式表面処理を施した後に、樹脂部材４と金属部材３との接合を行うことが望ましい。
このように乾式表面処理を施した後に樹脂部材４と金属部材３との接合を行うことで、環境負荷が少ない表面処理方法にて前記接合面５に溶着活性基を導入することができ、接合強度の向上を図ることができる。
また、樹脂部材４が官能基を全く有しない無極性樹脂にて構成されている場合、サンドペーパーなどの研磨具を用いて金属部材３の樹脂部材４との接合面に粗さを付与したり、電子ビーム加工やレーザー加工により金属部材３の樹脂部材４との接合面に凹凸を付与したりした後に、樹脂部材４と金属部材３との接合を行うことも望ましい。
このように金属部材３の樹脂部材４との接合面に粗さや凹凸を付与することで、加熱された樹脂部材４が金属部材３の接合面に入り込んでアンカー効果を発揮することが可能となる。
また、前記加熱体１は、樹脂部材４の接合面５を樹脂部材４の分解温度以上かつ樹脂部材４に気泡が発生する温度未満の範囲の温度に加熱することができるだけの高温の物体（固体、液体、または気体）にて構成することができ、この高温の物体を金属部材３の樹脂部材４との接合面とは反対側の面に当接させることで、前記接合面５の加熱を行うように構成することができる。
さらに加熱体１としては、例えば通電抵抗、高周波、赤外線、およびレーザー等を用いて前記接合面５を加熱するものや、振動または超音波等による摩擦熱を用いて前記接合面５を加熱するものに構成することができるが、これらのものに限定するものではなく、他の加熱手段を用いることもできる。
また、前記冷却体２は、樹脂部材４の接合面５とは反対側の面を樹脂部材４の融点未満の温度に冷却することができるだけの低温の物体（固体、液体、または気体）にて構成することができるが、これに限定するものではなく、他のものを用いることもできる。
次に、図３に示すように、加熱体１および冷却体２として棒状部材を用い、この棒状の加熱体１を金属部材３の樹脂部材４との接合面とは反対側の面に当接させて加熱を行うとともに、同じく棒状の冷却体２を樹脂部材４の接合面５とは反対側の面に当接させて冷却を行うことで金属部材３と樹脂部材４との接合を行うように構成した例について説明する。
本例の加熱体１および冷却体２は、スポット溶接機のガンと同様の形状に形成されている。具体的には、加熱体１および冷却体２は、それぞれ金属部材３および樹脂部材４に当接する側の端部が先細り形状に形成された略円柱状の部材であり、重ね合わせた状態の金属部材３および樹脂部材４の両側に配置されている。
そして、前記加熱体１を金属部材３に押し付けるとともに冷却体２を樹脂部材４に押し付けて、重ね合わせた状態の金属部材３および樹脂部材４をプレスすることにより、加熱体１からの熱で樹脂部材４の接合面５が溶融し、さらに分解することで、金属部材３と樹脂部材４とが接合される。
この場合、樹脂部材４の冷却体２が当接している側の面は、該冷却体２により冷却されているので、熱変形することがない。
このように、加熱体１および冷却体２をスポット溶接機のガンと同様の形状に形成することで、金属部材３と樹脂部材４とを接合する工程に、従来から使用しているスポット溶接機のラインやシステムを流用することができる。
また、図４に示すように、加熱体１および冷却体２は、それぞれローラー部材にて構成することもできる。
ローラー部材にて構成された加熱体１と冷却体２とは、重ね合わした状態の金属部材３と樹脂部材４との厚み寸法、またはその厚み寸法より若干小さい寸法だけ間隔を隔てて対向配置されている。
そして、対向配置される加熱体１と冷却体２との間に重ね合わせた状態の金属部材３と樹脂部材４とを送り込み、該加熱体１と冷却体２とで重ね合わせた状態の金属部材３および樹脂部材４を挟み込むことにより、加熱体１からの熱で樹脂部材４の接合面５が溶融し、さらに分解することで、金属部材３と樹脂部材４とが接合される。
この場合、樹脂部材４の冷却体２が当接している側の面は、該冷却体２により冷却されているので、熱変形することがない。
金属部材３と樹脂部材４との接合を行う際には、ローラー状の加熱体１と冷却体２との間に送り込まれた金属部材３および樹脂部材４を、該加熱体１と冷却体２とを回転させて順次送り出すことで、金属部材３と樹脂部材４との接合をシーム溶接のように連続的に行うことが可能となる。
前記金属部材３は、次のように構成することができる。
つまり、図５〜図７に示すように、金属部材３における、金属部材３と樹脂部材４との接合範囲６の周囲にスリット（空洞）３ａを形成することができる。
スリット３ａは、金属部材３の樹脂部材４に対する接合方向に貫通しており、前記接合範囲６の周囲の複数箇所に形成されている。
金属部材３におけるスリット３ａが形成された部分は空洞になっているため、金属部材３のスリット３ａを挟んだ両側の間（スリット３ａの内側と外側との間）では、熱の伝達が阻害されることとなる。
従って、加熱体１から金属部材３を通じて該金属部材３と樹脂部材４との接合界面に供給される熱が接合範囲６の平面方向外側へ拡散することを防止でき（図６参照）、前記接合範囲６を効率的に加熱することができる。
また、スリット３ａの外側には熱が伝達されずに金属部材３と樹脂部材４との接合が行われないので、前記接合範囲６を精度良く制御することができる。
また、樹脂部材４の接合面５においては、前記接合範囲６よりも若干広い範囲で樹脂部材４が溶融するため、図８に示すように、溶融して軟化した樹脂部材４が前記スリット３ａの内部に侵入することとなる。
このように、樹脂部材４が金属部材３のスリット３ａ内に入り込んだ部分ではアンカー効果が生じるため、接合後の金属部材３と樹脂部材４との接合強度を向上させることが可能となる。
このように、金属部材３における接合範囲６の周囲にスリット３ａを形成することで、スリット３ａを挟んだ両側の間での熱の伝達を妨げることができ、加熱体１から金属部材３を通じて該金属部材３と樹脂部材４との接合界面に供給される熱が、接合範囲６の平面方向外側へ拡散することを防止することができる（図６参照）。
なお、図７に示すように、スリット３ａは、本例では、前記接合範囲６の周囲の略全域を覆うように形成されているが、前記接合範囲６の周囲を覆う割合は適宜変更することが可能である。
すなわち、前記接合範囲６へ伝達される熱の平面方向への拡散を抑える程度に応じて、スリット３ａにより覆う範囲を適宜決定することができる。
また、金属部材３に形成されるスリット３ａは、刃具による切削やパンチングなどの加工により形成する他、レーザーや電子ビームによる加工などにて形成することができる。
また、接合範囲６以外への熱の伝達を阻害する構造として、金属部材３に前述のスリット３ａを形成する他、図９、図１０に示すように溝３ｂを形成することもできる。
溝３ｂは、金属部材３の樹脂部材４との接合面とは反対側の面から、前記接合界面側へ向けて形成されている。つまり、溝３ｂにおいては、金属部材３の樹脂部材４との接合面とは反対側の面に開口しており、金属部材３の樹脂部材４との接合界面側は閉じて底部を有している。
また、溝３ｂは、前記スリット３ａと同様に、前記接合範囲６の周囲の複数箇所に形成されており、加熱体１から金属部材３を通じて該金属部材３と樹脂部材４との接合界面に供給される熱が、接合範囲６の平面方向外側への拡散を防止することが可能となっている。
このように、接合範囲６へ伝達される熱の平面方向への拡散を抑える構成として、溝３ｂを形成した場合、溝３ｂにおける金属部材３と樹脂部材４との接合界面側には底部が形成されていて、溝３ｂが金属部材３を前述のスリット３ａのように貫通していないので、金属部材３にスリット３ａを形成した場合に比べて金属部材３の剛性を高くすることができる。
また、接合範囲６以外への熱の伝達を阻害する構造としては、図１１に示すように、金属部材３の樹脂部材４との接合界面側、および前記接合界面側とは反対の面側に、それぞれ溝３ｃおよび溝３ｄを形成することもできる。
溝３ｃは金属部材３の樹脂部材４との接合面に開口し、金属部材３の樹脂部材４との接合方向における途中部に底部を有している。
溝３ｄは前記接合界面とは反対側の面に開口し、金属部材３の樹脂部材４との接合方向における途中部に底部を有している。
本例の場合、溝３ｃと溝３ｄとは、金属部材３と樹脂部材４との接合方向において略同じ位置に配置されており、前記溝３ｃの底部と溝３ｄの底部とは共通している。
また、溝３ｃ・３ｄは、前記スリット３ａと同様に、前記接合範囲６の周囲の複数箇所に形成されており、加熱体１から金属部材３を通じて該金属部材３と樹脂部材４との接合界面に供給される熱が、接合範囲６の平面方向外側へ拡散することの防止が可能となっている。
このように、接合範囲６へ伝達される熱の平面方向への拡散を抑える構成として、溝３ｃ・３ｄを形成した場合、金属部材３内の溝３ｃと溝３ｄとの間に各溝３ｃ・３ｄの底部が形成されていて、溝３ｃ・３ｄが金属部材３を前述のスリット３ａのように貫通していないので、金属部材３にスリット３ａを形成した場合に比べて金属部材３の剛性を高くすることができる。
また、接合範囲６以外への熱の伝達を阻害する構造として、図１２、図１３に示すように溝３ｅを形成することもできる。
溝３ｅは、金属部材３の樹脂部材４との接合面から、該接合面とは反対側の面へ向けて形成されている。つまり、溝３ｅは、金属部材３の樹脂部材４との接合面に開口しており、金属部材３の樹脂部材４との接合面とは反対側の面は閉じて底部を有している。
また、溝３ｅは、前記スリット３ａと同様に、前記接合範囲６の周囲の複数箇所に形成されており、金属部材３と樹脂部材４との接合界面に供給される熱が、接合範囲６の平面方向外側への拡散を防止することが可能となっている。
このように、接合範囲６へ伝達される熱の平面方向への拡散を抑える構成として、溝３ｅを形成した場合、金属部材３の樹脂部材４との接合面とは反対側の面には溝３ｅの底部が形成されていて、溝３ｅが金属部材３を前述のスリット３ａのように貫通していないので、金属部材３にスリット３ａを形成した場合に比べて金属部材３の剛性を高くすることができる。
なお、前記図９、図１０に示した溝３ｂを金属部材３に形成する構成は、図３等に示した加熱体１を金属部材３の樹脂部材４との接合面側とは反対の面側に配置して、金属部材３と樹脂部材４との接合界面を金属部材３側から加熱を行うように構成した場合に特に適している。
また、図１２、図１３に示した溝３ｅを金属部材３に形成する構成は、後述する高周波加熱装置１１やレーザー照射装置１２を用いて金属部材３と樹脂部材４との接合界面を樹脂部材４側から加熱するように構成した場合に特に適している。
さらに、図５〜図７に示したスリット３ａ、および図１１に示した溝３ｃ・３ｄを金属部材３に形成する構成は、金属部材３側から加熱を行うように構成した場合、および樹脂部材４側から加熱するように構成した場合の両方に適している。
また、図１４に示すように、金属部材３の樹脂部材４との接合界面を加熱する場合、加熱具として高周波加熱装置１１を用いることもできる。
高周波加熱装置１１を用いて前記接合界面を加熱する場合、金属部材３の樹脂部材４との間に薄膜８を介装し、前記高周波加熱装置１１を樹脂部材４の接合面５側とは反対の面側に配置する。
本例のように、金属部材３の樹脂部材４との間に薄膜８を介装し、高周波加熱装置１１を用いて金属部材３の樹脂部材４との接合界面を加熱する加熱方法は、金属部材３がアルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）等の熱伝導率が高く、かつ電気抵抗が小さく、かつ非磁性体の材料系であるときに適用することができる。
この場合、前記薄膜８としては、金属部材３よりも電気抵抗が高く、かつ磁性体である材料、例えば鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、およびコバルト（Ｃｏ）等の金属材料が用いられる。
また、薄膜８は、例えば金属部材３の樹脂部材４との接合面に前記金属材料をメッキ、溶射、またはコールドスプレー等の種々の方法を施すことにより薄膜として付与することができる。
そして、薄膜８が付与された金属部材３と樹脂部材４とを重ね合わせたうえで、前記高周波加熱装置１１にて、金属部材３の樹脂部材４との接合界面に介装されている薄膜８を高周波加熱することにより、金属部材３の樹脂部材４との接合を行う。
一般的に、金属部材３がアルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）等の熱伝導率が高く、電気抵抗が小さな材料で構成されている場合、金属部材３を樹脂部材４との接合面とは反対側の面から加熱して、金属部材３に伝達された熱により前記接合界面を加熱するように構成すると、前記接合面とは反対側の面から金属部材３に伝達された熱が広範囲に拡散してしまい、金属部材３と樹脂部材４との接合範囲６への入熱効率が低く、入熱範囲の制御も困難である。
これに対し、本例では、金属部材３と樹脂部材４との接合界面に薄膜８を介装し、樹脂部材４側に配置した高周波加熱装置１１により前記薄膜８を直接加熱することで、樹脂部材４の接合面５を、樹脂部材４の分解温度以上かつ樹脂部材４に気泡が発生する温度未満の範囲の温度となるように加熱している。
このように、金属部材３と樹脂部材４との接合界面に配置される薄膜８を直接加熱することで、金属部材３が熱伝導率が高く電気抵抗が小さな材料で構成されている場合でも、前記接合範囲６への入熱効率を高めることができる。
また、加熱体１を高周波加熱装置１１にて構成し、該高周波加熱装置１１の加熱コイルを接合範囲６の大きさに応じた大きさに形成することで、金属部材３と樹脂部材４との接合界面に対する入熱範囲を制御することができる。
これにより、金属部材３と樹脂部材４との接合界面を簡単な工程かつ短時間で適切に加熱して接合することができ、十分な接合強度を得ることが可能となる。
なお、本例では金属部材３の樹脂部材４との接合界面を加熱する加熱具として高周波加熱装置１１のみを用いているが、該高周波加熱装置１１と前記加熱体１および／または冷却体２とを併用することも可能である。
また、図１５に示すように、金属部材３の樹脂部材４との接合界面を加熱する場合、加熱体１としてレーザー照射装置１２を用い、レーザー照射装置１２からレーザー光を前記接合界面に照射して加熱を行うように構成することもできる。
レーザー照射装置１２からレーザー光を前記接合界面に照射して加熱を行う場合、金属部材３と樹脂部材４との間に薄膜９を介装し、前記レーザー照射装置１２を樹脂部材４の接合面５側とは反対の面側に配置する。
本例のように、金属部材３と樹脂部材４との間に薄膜９を介装し、レーザー照射装置１２からのレーザー光を用いて金属部材３の樹脂部材４との接合界面を加熱する加熱方法は、金属部材３がアルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）等の熱伝導率が高く、かつ赤外域のレーザー光の反射率が高い材料系であるときに適用することができる。
この場合、樹脂部材４はレーザー光を透過可能な部材にて構成し、前記薄膜９としては、金属部材３よりも赤外域のレーザー光の反射率が低い材料、例えば鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、および亜鉛（Ｚｎ）等の金属材料が用いられる。
また、薄膜９は、例えば金属部材３の樹脂部材４との接合面に前記金属材料をメッキ、溶射、またはコールドスプレー等の種々の方法を施すことにより薄膜として付与することができる。
そして、薄膜９が付与された金属部材３と樹脂部材４とを重ね合わせたうえで、前記レーザー照射装置１２から、金属部材３と樹脂部材４との接合界面に介装されている薄膜９に対してレーザー光を照射することにより前記接合界面を加熱して、金属部材３と樹脂部材４との接合を行う。
なお、前記レーザー照射装置１２は、ＹＡＧレーザーや、半導体レーザーや、ＣＯ２レーザー等の赤外レーザー光を照射する装置に構成することが望ましい。
一般的に、金属部材３がアルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）等といった赤外レーザー光の反射率が大きい材料で構成されている場合、金属部材３の樹脂部材４との接合面にレーザー光を照射しても、その多くが前記接合面上で反射されてしまうため加熱効率が悪く、レーザー光を照射しての加熱により金属部材３と樹脂部材４との接合を行うことは困難である。
これに対し、本例では、金属部材３と樹脂部材４との接合界面に薄膜９を介装し、樹脂部材４側に配置したレーザー照射装置１２から前記薄膜９に対してレーザー光を照射することで、樹脂部材４の接合面５を、樹脂部材４の分解温度以上かつ樹脂部材４に気泡が発生する温度未満の範囲の温度となるように加熱している。
このように、金属部材３と樹脂部材４との接合界面に配置される薄膜９をレーザー光により加熱することで、金属部材３がレーザー光の反射率が高い部材であっても、前記接合範囲６への入熱効率を高めることができ、レーザー光を照射しての加熱により金属部材３と樹脂部材４との接合を行うことを容易に実現することが可能となる。
また、加熱体１をレーザー照射装置１２にて構成し、該レーザー照射装置１２からのレーザー光の照射範囲を接合範囲６の大きさに応じた大きさに形成することで、金属部材３と樹脂部材４との接合界面に対する入熱範囲を制御することができる。
これにより、金属部材３と樹脂部材４との接合界面を簡単な工程かつ短時間で適切に加熱して接合することができ、十分な接合強度を得ることが可能となる。
なお、本例では金属部材３の樹脂部材４との接合界面を加熱する加熱具としてレーザー照射装置１２のみを用いているが、該レーザー照射装置１２と前記加熱体１および／または冷却体２とを併用することも可能である。
加熱体と冷却体とを備える接合装置を用いて金属部材と樹脂部材とを接合する様子を示す側面図である。 樹脂部材における接合面の温度と加熱時間との関係を示す図である。 加熱体および冷却体をスポット溶接機のガンと同様の形状に形成した接合装置を示す側面図である。 加熱体および冷却体をローラー部材にて構成した接合装置を示す側面図である。 金属部材と樹脂部材との接合範囲の周囲にスリットを形成した金属部材を示す斜視図である。 金属部材と樹脂部材との接合範囲の周囲にスリットを形成した金属部材における熱の伝達状態を示す側面断面図である。 金属部材と樹脂部材との接合範囲の周囲にスリットを形成した金属部材を示す平面図である。 金属部材に形成されたスリットに軟化した樹脂部材が侵入した状態を示す側面断面図である。 樹脂部材との接合面とは反対側の面に開口する溝が、金属部材と樹脂部材との接合範囲の周囲に形成された金属部材を示す斜視図である。 樹脂部材との接合面とは反対側の面に開口する溝が、金属部材と樹脂部材との接合範囲の周囲に形成された金属部材を示す側面断面図である。 樹脂部材との接合面に開口する溝、および樹脂部材との接合面とは反対側の面に開口する溝が、金属部材と樹脂部材との接合範囲の周囲に形成された金属部材を示す側面断面図である。 樹脂部材との接合面に開口する溝が、金属部材と樹脂部材との接合範囲の周囲に形成された金属部材を示す斜視図である。 樹脂部材との接合面に開口する溝が、金属部材と樹脂部材との接合範囲の周囲に形成された金属部材を示す側面断面図である。 加熱体として高周波加熱装置を用いて金属部材の樹脂部材との接合界面を加熱する様子を示す側面断面図である。 加熱体としてレーザー光を用いて金属部材の樹脂部材との接合界面を加熱する様子を示す側面断面図である。
符号の説明
１ 加熱体
２ 冷却体
３ 金属部材
３ａ スリット
３ｂ・３ｃ・３ｄ・３ｅ 溝
４ 樹脂部材
５ （樹脂部材の）接合面
６ 接合範囲
８・９ 薄膜
１１ 高周波加熱装置
１２ レーザー照射装置

Claims (8)

  1. 樹脂と金属とを加熱により接合する接合方法であって、
    前記樹脂と金属との接合界面を、樹脂の分解温度以上かつ樹脂に気泡が発生する温度未満の範囲の温度に加熱することにより、前記樹脂と金属との接合を行う、
    ことを特徴とする樹脂と金属との接合方法。
  2. 樹脂と金属とを加熱により接合する接合方法であって、
    前記樹脂と金属との接合界面を、前記金属の樹脂との接合面とは反対側の面から加熱するとともに、
    前記樹脂の金属との接合面とは反対側の面を、樹脂の融点未満の温度に冷却することにより、
    前記樹脂と金属との接合を行う、
    ことを特徴とする樹脂と金属との接合方法。
  3. 前記樹脂と金属との接合界面の加熱温度は、
    前記樹脂の分解温度以上かつ樹脂に気泡が発生する温度未満の範囲の温度である、
    ことを特徴とする請求項２に記載の樹脂と金属との接合方法。
  4. 樹脂と金属との接合界面に、前記金属よりも高い電気抵抗を有する薄膜を介装し、
    前記薄膜を、前記樹脂の金属との接合面側とは反対の面側から高周波加熱することにより、
    前記樹脂と金属との接合を行う、
    ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の樹脂と金属との接合方法。
  5. 樹脂と金属との接合界面に、前記金属よりも低いレーザー反射率を有する薄膜を介装し、
    前記樹脂をレーザー光が透過可能な素材にて構成し、
    前記樹脂の金属との接合面側とは反対の面側から前記薄膜へ向けてレーザー光を照射して、前記薄膜を加熱することにより、
    前記樹脂と金属との接合を行う、
    ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の樹脂と金属との接合方法。
  6. 前記金属と樹脂との接合界面における、前記樹脂と金属との接合範囲の周辺箇所に、加熱された樹脂が侵入可能な凹部を形成した、
    ことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の樹脂と金属との接合方法。
  7. 樹脂と金属とを加熱により接合する際に用いる接合装置であって、
    前記樹脂と金属との接合界面を、前記金属の樹脂との接合面とは反対側の面から加熱する加熱具と、
    前記樹脂の金属との接合面とは反対側の面を、樹脂の融点未満の温度に冷却する冷却具とを備える、
    ことを特徴とする樹脂と金属との接合装置。
  8. 前記加熱具は、前記樹脂と金属との接合界面を、
    前記樹脂の分解温度以上かつ樹脂に気泡が発生する温度未満の範囲の温度に加熱する、
    ことを特徴とする請求項７に記載の樹脂と金属との接合装置。

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