JP2016129942A - 接合構造体の製造方法および接合構造体 - Google Patents
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Abstract
【課題】金属部材と樹脂部材との接合性の向上を図ることが可能な接合構造体および接合構造体の製造方法を提供する。
【解決手段】この接合構造体１００の製造方法は、金属部材１０の表面１３に開口を有する穿孔部１１を形成する工程と、穿孔部１１を形成した後に、金属部材１０に表面改質を行う工程と、表面改質された金属部材１０と樹脂部材２０とを接合する工程とを備える。
【選択図】図１
【解決手段】この接合構造体１００の製造方法は、金属部材１０の表面１３に開口を有する穿孔部１１を形成する工程と、穿孔部１１を形成した後に、金属部材１０に表面改質を行う工程と、表面改質された金属部材１０と樹脂部材２０とを接合する工程とを備える。
【選択図】図１
Description
本発明は、接合構造体の製造方法および接合構造体に関する。
従来、金属部材と樹脂部材とが接合された接合構造体の製造方法および接合構造体が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
特許文献１には、樹脂部材の接合界面側（金属部材側）に表面改質処理を施すことにより酸化層を形成し、その後、樹脂部材と金属部材とをレーザ照射により接合する技術が開示されている。
しかしながら、金属材料と樹脂部材とを物理的に接合させる場合、特に金属部材の接合界面側（樹脂部材側）の表面に穿孔部を設け、この穿孔部に対して樹脂部材を埋没させて接合する場合、レーザ照射により加熱された金属部材側からの伝熱により、樹脂部材の表面は表層から数十μｍ程度の深さまで溶融された状態になり、樹脂部材側に設けた表面改質効果を十分に機能させることができず、金属部材と樹脂部材との接合性（接合強度）の向上を図ることが困難になるという問題点がある。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、金属部材と樹脂部材との接合性の向上を図ることが可能な接合構造体の製造方法および接合構造体を提供することである。
本発明による接合構造体の製造方法は、金属部材と樹脂部材とが接合された接合構造体の製造方法であって、前記金属部材の表面に開口を有する穿孔部を形成する工程と、前記穿孔部を形成した後に、前記金属部材に表面改質を行う工程と、前記表面改質された金属部材と前記樹脂部材とを接合する工程とを備えることを特徴とする。
また、上記接合構造体の製造方法において、前記金属部材に表面改質を行う工程は、プラズマ処理、コロナ処理、ＵＶオゾン処理、または、レーザ処理のいずれかにより、前記金属部材の表面に酸化膜を形成する工程であってもよい。
また、上記接合構造体の製造方法において、前記表面改質された金属部材と前記樹脂部材とを接合する工程は、レーザ照射、射出成形、または、熱プレスのいずれかの工程であってもよい。
また、上記接合構造体の製造方法において、前記穿孔部を形成する工程は、１パルスが複数のサブパルスで構成されるレーザを照射することにより前記穿孔部を形成する工程であってもよい。
本発明による接合構造体は、上記したいずれか１つの接合構造体の製造方法によって製造されている。
本発明の接合構造体の製造方法および接合構造体によれば、金属部材と樹脂部材との強力なアンカー接合効果による接合性（接合強度）の向上を図ることができる。
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
−全体構成−
まず、図１〜図３を参照して、本実施形態による接合構造体１００の全体構成について説明する。
まず、図１〜図３を参照して、本実施形態による接合構造体１００の全体構成について説明する。
本実施形態による接合構造体１００は、図１に示すように、異なる材料からなる金属部材１０および樹脂部材２０が接合されたものである。金属部材１０の表面１３には、表面改質処理が施された改質層（酸化膜）１０ａが形成されている。この表面改質は、金属部材１０と樹脂部材２０との接合時に、金属部材１０と溶融した樹脂部材２０との親和性を向上させるために実施されるものである。また、金属部材１０の表面１３には、開口を有する穿孔部１１が形成されている。
穿孔部１１の内周面には、内側に突出する突出部１２が形成されている。そして、金属部材１０の穿孔部１１には、樹脂部材２０が充填されて固化されている。なお、図１は、金属部材１０および樹脂部材２０の接合界面を拡大して模式的に示した図であり、実際には穿孔部１１が複数設けられているが、図１では１つだけ示した。
金属部材１０の一例としては、鉄系金属、ステンレス系金属、銅系金属、アルミ系金属、マグネシウム系金属、および、それらの合金が挙げられる。また、金属成形体であってもよく、亜鉛ダイカスト、アルミダイカスト、粉末冶金などであってもよい。
樹脂部材２０は、熱可塑性樹脂、または、熱硬化性樹脂である。熱可塑性樹脂の一例としては、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＡＳ（アクリロニトリル・スチレン）、ＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル）、ＰＡ６（ポリアミド６）、ＰＡ６６（ポリアミド６６）、ＰＯＭ（ポリアセタール）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＳＦ（ポリサルホン）、ＰＡＲ（ポリアリレート）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルホン）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、ＰＶＤＣ（ポリ塩化ビニリデン）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、および、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）が挙げられる。また、ＴＰＥ（熱可塑性エラストマ）であってもよく、ＴＰＥの一例としては、ＴＰＯ（オレフィン系）、ＴＰＳ（スチレン系）、ＴＰＥＥ（エステル系）、ＴＰＵ（ウレタン系）、ＴＰＡ（ナイロン系）、および、ＴＰＶＣ（塩化ビニル系）が挙げられる。
熱硬化性樹脂の一例としては、ＥＰ（エポキシ）、ＰＵＲ（ポリウレタン）、ＵＦ（ユリアホルムアルデヒド）、ＭＦ（メラミンホルムアルデヒド）、ＰＦ（フェノールホルムアルデヒド）、ＵＰ（不飽和ポリエステル）、および、ＳＩ（シリコーン）が挙げられる。また、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）であってもよい。
なお、上記した熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂には、充填剤が添加されていてもよい。充填剤の一例としては、無機系充填剤（ガラス繊維、無機塩類など）、金属系充填剤、有機系充填剤、および、炭素繊維などが挙げられる。
−穿孔部−
金属部材１０の表面１３に形成された穿孔部１１は、予めレーザ加工処理、ブラスト処理、サンドペーパ処理、陽極酸化処理、放電加工処理、エッチング処理、または、プレス加工処理などにより形成されている。
金属部材１０の表面１３に形成された穿孔部１１は、予めレーザ加工処理、ブラスト処理、サンドペーパ処理、陽極酸化処理、放電加工処理、エッチング処理、または、プレス加工処理などにより形成されている。
穿孔部１１は、平面的に見てほぼ円形の非貫通孔であり、金属部材１０の表面１３に複数形成されている。穿孔部１１の表面１３の開口径Ｒ１は、３０μｍ以上、１００μｍ以下が好ましい。これは、開口径Ｒ１が３０μｍを下回ると、樹脂部材２０の充填性が悪化してアンカー効果が低下する場合があるためである。一方、開口径Ｒ１が１００μｍを上回ると、単位面積あたりの穿孔部１１の数が減少してアンカー効果が低下する場合があるためである。
また、穿孔部１１の間隔（所定の穿孔部１１の中心と、所定の穿孔部１１と隣接する穿孔部１１の中心との距離）は、２００μｍ以下であることが好ましい。これは、穿孔部１１の間隔が２００μｍを上回ると、単位面積あたりの穿孔部１１の数が減少してアンカー効果が低下する場合があるためである。
また、穿孔部１１は、深さ方向（Ｚ方向）において表面１３側から底部１１３に向けて開口径が大きくなる拡径部１１１と、深さ方向において表面１３側から底部１１３に向けて開口径が小さくなる縮径部１１２とが連なるように形成されている。拡径部１１１は、曲線状に拡径するように形成され、縮径部１１２は、曲線状に縮径するように形成されている。
そして、拡径部１１１が表面１３側に配置されるとともに、縮径部１１２が底部１１３側に配置されている。このため、穿孔部１１において、拡径部１１１と縮径部１１２との境界部分の開口径（内径）Ｒ２が最も大きくなっており、開口径Ｒ１が開口径Ｒ２よりも小さくなっている。これにより、突出部１２が金属部材１０の表面１３側に配置されている。この突出部１２は、たとえば、周方向における全長にわたって形成されており、環状に形成されている。
このように、穿孔部１１の内周面に内側に突出する突出部１２を形成することによって、突出部１２と穿孔部１１に充填された樹脂部材２０とが剥離方向（Ｚ方向）において係合されることにより、剥離方向の接合強度の向上を図ることができる。これにより、せん断方向に加えて剥離方向についても接合強度の向上を図ることができる。さらに、熱サイクル環境下において、金属部材１０および樹脂部材２０の線膨張係数差に起因する剥離応力が発生しても、接合強度を維持することができる。すなわち、熱サイクル環境下における耐久性の向上を図ることができる。
この穿孔部１１は、たとえば、レーザが照射されることによって形成される。レーザの種類としては、パルス発振が可能な観点から、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ4レーザ、半導体レーザ、炭酸ガスレーザ、エキシマレーザが選択でき、レーザの波長を考慮すると、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＡＧレーザの第２高調波、ＹＶＯ4レーザ、半導体レーザが好ましい。なお、レーザの出力は、レーザの照射径、金属部材１０の材料の種類、金属部材１０の形状（たとえば厚み）などを考慮して設定される。たとえば、レーザの出力上限は４０Ｗが好ましい。これは、レーザの出力が４０Ｗを超えると、エネルギが大きく、突出部１２を有する穿孔部１１を形成することが困難であるためである。
穿孔部１１を形成する装置の一例としては、オムロン製のファイバレーザマーカＭＸ−Ｚ２０００またはＭＸ−Ｚ２０５０を挙げることができる。このファイバレーザマーカでは、１パルスが複数のサブパルスで構成されるレーザを照射することが可能である。このため、レーザのエネルギを深さ方向に集中させやすいので、穿孔部１１を形成するのに好適である。具体的には、金属部材１０にレーザが照射されると、金属部材１０が局部的に溶融されることにより穿孔部１１の形成が進行する。このとき、レーザが複数のサブパルスで構成されているため、溶融された金属部材１０が飛散されにくく、穿孔部１１の近傍に堆積されやすい。そして、穿孔部１１の形成が進行すると、溶融された金属部材１０が穿孔部１１の内部に堆積されることにより、突出部１２が形成される。なお、レーザの照射方向は、たとえば、表面１３に対して垂直方向であり、穿孔部１１の軸心が表面１３に対して垂直になる。
なお、上記ファイバレーザマーカによる加工条件としては、サブパルスの１周期が１５ｎｓ以下であることが好ましい。これは、サブパルスの１周期が１５ｎｓを超えると、熱伝導によりエネルギが拡散しやすくなり、突出部１２を有する穿孔部１１を形成しにくくなるためである。なお、サブパルスの１周期は、サブパルスの１回分の照射時間と、そのサブパルスの照射が終了されてから次回のサブパルスの照射が開始されるまでの間隔との合計時間である。
また、上記ファイバレーザマーカによる加工条件としては、１パルスのサブパルス数は、２以上５０以下であることが好ましい。これは、サブパルス数が５０を超えると、サブパルスの単位あたりの出力が小さくなり、突出部１２を有する穿孔部１１を形成しにくくなるためである。
−表面改質−
レーザ照射にて穿孔部１１が形成される過程においては、金属部材１０の表面１３は少なからず改質層が形成された状態を呈している。ただし、レーザ照射は穿孔部１１を形成するのが目的であり、金属部材１０の表面１３に一様に均一な改質層を形成するには至っていない。さらには、特に穿孔部１１と穿孔部１１との間隔が広い場合などでは、穿孔部１１と穿孔部１１との間隙部でレーザ照射による改質層の形成が一層不均一、もしくは、改質層が形成されていない状態となる。
レーザ照射にて穿孔部１１が形成される過程においては、金属部材１０の表面１３は少なからず改質層が形成された状態を呈している。ただし、レーザ照射は穿孔部１１を形成するのが目的であり、金属部材１０の表面１３に一様に均一な改質層を形成するには至っていない。さらには、特に穿孔部１１と穿孔部１１との間隔が広い場合などでは、穿孔部１１と穿孔部１１との間隙部でレーザ照射による改質層の形成が一層不均一、もしくは、改質層が形成されていない状態となる。
そのため、穿孔部１１の形成後の金属部材１０の表面改質を一様に実施するために、プラズマ処理、コロナ処理、ＵＶオゾン処理、または、レーザ処理のいずれかを行う。なお、表面改質を実施する部位に、異物などが付着している場合は、アルコール、または、アセトンなどを用いて超音波洗浄を行うことが好ましい。
プラズマ処理では、大気圧プラズマ処理装置を用いて、金属部材１０の表面１３に形成された穿孔部１１（２０×２０ｍｍ）に処理を行う。
コロナ処理では、金属部材１０の表面１３に形成された穿孔部１１（２０×２０ｍｍ）が露出するように、穿孔部１１以外を樹脂でマスキングして処理を行う。
ＵＶオゾン処理では、卓上コンベア型ＵＶ改質装置を用いて、金属部材１０の表面１３に形成された穿孔部１１（２０×２０ｍｍ）を含む表面全体に処理を行う。
レーザ処理は、半導体レーザ８０８ｎｍを用いて、金属部材１０の表面１３に形成された穿孔部１１（２０×２０ｍｍ）に焦点径１ｍｍで走査速度１ｍｍ／ｓｅｃで処理を行う。
−接合−
上記のように、樹脂部材２０は、穿孔部１１が形成された金属部材１０の表面１３に接合されている。この樹脂部材２０は、たとえば、レーザ接合、射出成形接合、熱プレス接合、注型硬化、超音波溶着、または、振動溶着によって金属部材１０に接合されている。これにより、樹脂部材２０が穿孔部１１に充填された状態で固化されている。
上記のように、樹脂部材２０は、穿孔部１１が形成された金属部材１０の表面１３に接合されている。この樹脂部材２０は、たとえば、レーザ接合、射出成形接合、熱プレス接合、注型硬化、超音波溶着、または、振動溶着によって金属部材１０に接合されている。これにより、樹脂部材２０が穿孔部１１に充填された状態で固化されている。
このような接合構造体１００は、たとえば、光電センサの金属ケース（図示省略）に樹脂カバー（図示省略）を接合させる場合に適用可能である。この場合には、金属ケースが金属部材１０に相当し、樹脂カバーが樹脂部材２０に相当する。
以下に、接合工程の一例として、レーザ接合、射出成形接合および熱プレス接合について説明する。
（１）レーザ接合
レーザ接合では、金属部材１０と樹脂部材２０とを治具などで加圧して面接触させた後に、レーザ照射を行う。レーザ照射は、樹脂部材２０側（レーザ透過性を有する場合のみ）、および／または、金属部材１０側から照射する。なお、接合用のレーザの種類としては、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ4レーザ、半導体レーザ、炭酸ガスレーザ、または、エキシマレーザが選択できる。
レーザ接合では、金属部材１０と樹脂部材２０とを治具などで加圧して面接触させた後に、レーザ照射を行う。レーザ照射は、樹脂部材２０側（レーザ透過性を有する場合のみ）、および／または、金属部材１０側から照射する。なお、接合用のレーザの種類としては、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ4レーザ、半導体レーザ、炭酸ガスレーザ、または、エキシマレーザが選択できる。
金属部材１０の材料として、ＳＵＳ３０４を用いる。金属部材１０は、板状に形成されており、長さが１００ｍｍであり、幅が２９ｍｍであり、厚みが３ｍｍである。
樹脂部材２０の材料として、ＰＭＭＡ樹脂（三菱レイヨン製のアクリライト（登録商標）を用いる。樹脂部材２０は、板状に形成されており、長さが１００ｍｍであり、幅が２５ｍｍであり、厚みが３ｍｍである。
レーザ照射の実施例条件は、以下の通りである。
＜レーザ照射条件＞
レーザ：半導体レーザ（波長８０８ｎｍ）
発振モード：連続発振
出力：３０Ｗ
焦点径：４ｍｍ
走査速度：１ｍｍ／ｓｅｃ
密着圧力：０．６ＭＰａ
レーザ：半導体レーザ（波長８０８ｎｍ）
発振モード：連続発振
出力：３０Ｗ
焦点径：４ｍｍ
走査速度：１ｍｍ／ｓｅｃ
密着圧力：０．６ＭＰａ
（２）射出成形接合
射出成形接合では、金属部材１０を射出成型金型にインサートして、樹脂部材２０と射出成型にて接合した。金属部材１０の材料として、ＳＵＳ３０４を用いる。金属部材１０は、板状に形成されており、長さが１００ｍｍであり、幅が２９ｍｍであり、厚みが３ｍｍである。
射出成形接合では、金属部材１０を射出成型金型にインサートして、樹脂部材２０と射出成型にて接合した。金属部材１０の材料として、ＳＵＳ３０４を用いる。金属部材１０は、板状に形成されており、長さが１００ｍｍであり、幅が２９ｍｍであり、厚みが３ｍｍである。
樹脂部材２０の材料として、ＰＢＴ（ウィンテックポリマー製のジュラネックス（登録商標）３３１６）を用いる。また、成形機は、日本製鋼所製のＪ３５ＥＬ３を用いる。樹脂部材２０は、板状に形成されており、長さが１００ｍｍであり、幅が２５ｍｍであり、厚みが３ｍｍである。
成形条件は以下のとおりである。
＜成形条件＞
予備乾燥：１２０℃×５時間
金型温度：１２０℃
シリンダ温度：２７０℃
保圧：１００ＭＰａ
予備乾燥：１２０℃×５時間
金型温度：１２０℃
シリンダ温度：２７０℃
保圧：１００ＭＰａ
（３）熱プレス接合
熱プレス接合では、予め加熱調整されたプレス機の下型に金属部材１０を設置し、金属部材１０の接合面に樹脂部材２０の接合面を対面して設置した状態でプレスして接合する。金属部材１０の材料として、ＳＵＳ３０４を用いる。金属部材１０は、板状に形成されており、長さが１００ｍｍであり、幅が２９ｍｍであり、厚みが３ｍｍである。
熱プレス接合では、予め加熱調整されたプレス機の下型に金属部材１０を設置し、金属部材１０の接合面に樹脂部材２０の接合面を対面して設置した状態でプレスして接合する。金属部材１０の材料として、ＳＵＳ３０４を用いる。金属部材１０は、板状に形成されており、長さが１００ｍｍであり、幅が２９ｍｍであり、厚みが３ｍｍである。
樹脂部材２０の材料として、ＰＢＴ（ウィンテックポリマー製のジュラネックス（登録商標）３３１６）を用いる。樹脂部材２０は、板状に形成されており、長さが１００ｍｍであり、幅が２５ｍｍであり、厚みが３ｍｍである。
熱プレス接合の実施例条件は以下の通りである。
＜熱プレス条件＞
下型温度：３３０℃（金属部材を設置する側）
上型温度：１００℃（樹脂部材を設置する側）
プレス圧力：２．０ＭＰａ
プレス時間：６０秒
下型温度：３３０℃（金属部材を設置する側）
上型温度：１００℃（樹脂部材を設置する側）
プレス圧力：２．０ＭＰａ
プレス時間：６０秒
−接合構造体の製造方法−
次に、図１〜図３を参照して、本実施形態による接合構造体１００の製造方法について説明する。
次に、図１〜図３を参照して、本実施形態による接合構造体１００の製造方法について説明する。
まず、図２に示すように、金属部材１０の表面１３に穿孔部１１を形成するとともに、その穿孔部１１の内周面に突出部１２を形成する。この穿孔部１１および突出部１２は、たとえば、１パルスが複数のサブパルスで構成されたレーザを照射することによって形成される。具体例としては、上記したファイバレーザマーカＭＸ−Ｚ２０００またはＭＸ−Ｚ２０５０を用いて形成する。
次に、図３に示すように、穿孔部１１が形成された金属部材１０の表面１３に、プラズマ処理、コロナ処理、ＵＶオゾン処理、または、レーザ処理のいずれかを行うことにより、金属部材１０の表面１３に改質層（酸化膜）１０ａを形成する。
その後、表面改質された金属部材１０の穿孔部１１に樹脂部材２０を充填し、その樹脂部材２０を固化させる。これにより、金属部材１０および樹脂部材２０が接合され、接合構造体１００（図１参照）が形成される。なお、樹脂部材２０は、たとえば、上記したレーザ接合、射出成形接合、熱プレス接合、注型硬化、超音波溶着、または、振動溶着によって接合される。
−実験例−
次に、図４および図５を参照して、上記した本実施形態の効果を確認するために行った実験例１〜３について説明する。
次に、図４および図５を参照して、上記した本実施形態の効果を確認するために行った実験例１〜３について説明する。
［実験例１］
この実験例１では、本実施形態に対応する実施例Ａ１、Ａ２、Ａ３およびＡ４による接合構造体５００（図５参照）と、比較例Ａによる接合構造体とを作製し、それぞれについての接合評価を行った。その結果を表１に示す。
この実験例１では、本実施形態に対応する実施例Ａ１、Ａ２、Ａ３およびＡ４による接合構造体５００（図５参照）と、比較例Ａによる接合構造体とを作製し、それぞれについての接合評価を行った。その結果を表１に示す。
まず、表１に示す実施例Ａ１〜Ａ４による接合構造体５００の作製方法について説明する。
実施例Ａ１〜Ａ４の接合構造体５００では、金属部材５０１の材料としてＳＵＳ３０４を用いた。この金属部材５０１は、図４および図５に示すように、板状に形成されており、長さが１００ｍｍであり、幅が２９ｍｍであり、厚みが３ｍｍである。
実施例Ａ１による接合構造体５００の金属部材５０１の表面改質は、プラズマ処理により行った。実施例Ａ２による接合構造体５００の金属部材５０１の表面改質は、コロナ処理により行った。実施例Ａ３による接合構造体５００の金属部材５０１の表面改質は、ＵＶオゾン処理により行った。実施例Ａ４による接合構造体５００の金属部材５０１の表面改質は、レーザ処理により行った。これらの表面改質の条件は、上述の通りである。
そして、図４および図５に示すように、金属部材５０１の表面の所定領域Ｒにレーザを照射する。この所定領域Ｒは、接合構造体５００が接合される領域であり、１２．５ｍｍ×２０ｍｍとした。また、このレーザの照射は、オムロン製のファイバレーザマーカＭＸ−Ｚ２０００を用いて行った。レーザの照射条件は、上述の通りである。
次に、比較例Ａによる接合構造体の作製方法について説明する。
比較例Ａの接合構造体では、金属部材および樹脂部材の材料として実施例Ａ１〜Ａ４と同じものを用いた。ここで、比較例Ａの接合構造体では、金属部材の表面改質を実施していない。また、比較例Ａの接合構造体の接合方法は、実施例Ａ１〜Ａ４と同じ設定にした。
そして、実施例Ａ１〜Ａ４の接合構造体５００および比較例Ａの接合構造体についての接合評価を行った。
熱衝撃試験は、エスペック製の冷熱衝撃装置ＴＳＤ−１００を用いて行った。具体的には、−４０℃で３０分間の低温さらしと、８５℃で３０分間の高温さらしとを接合界面が剥離に至るまで繰り返し行った。
本実験例の金属部材に穿孔部を形成することにより実現できる接合レベルは、熱サイクル試験をかけない場合、接合強度評価では樹脂部材の破断となる。つまり、接合強度は樹脂の破壊強度となり、表面改質効果の有無が判断できない。よって、本実験例の表面改質効果の評価方法としては、熱サイクル疲労耐性を観測することが有効となる。
そして、熱サイクル環境下での信頼性を判断するために、以下の基準で合否判断を行った。すなわち、本実験例の効果を判断するため、金属部材の表面改質を実施していない検体の熱サイクル環境下での耐性（樹脂部材の破断を初期として、接合界面に部分剥離が観測され始める熱サイクル数）を基準として、基準を超えるものを合格（○）とした。熱サイクル数の確認は、０、１００、２５０、５００、７５０、１０００、１５００、および、２０００サイクルまでとした。
上記した表１に示すように、比較例Ａ（基準）では、熱サイクル数が２５０の場合に、接合界面に部分剥離が観測された。これに対して、実施例Ａ１では、熱サイクル数が７５０の場合に、接合界面に部分剥離が観測された。また、実施例Ａ２およびＡ３は、熱サイクル数が５００の場合に、接合界面に部分剥離が観測された。また、実施例Ａ４では、熱サイクル数が７５０の場合に、接合界面に部分剥離が観測された。
これにより、実施例Ａ１〜Ａ４の接合構造体５００では、金属部材５０１に表面改質を行うことにより、比較例Ａの接合構造体（表面改質を行わない場合）に比べて、熱サイクル疲労耐性が高くなっていた。これにより、実施例Ａ１〜Ａ４の接合構造体５００のように、金属部材５０１の表面改質を行うことにより、熱応力による剥離を抑制可能であるとともに、接合性の向上が図られることが判明した。
［実験例２］
この実験例２では、本実施形態に対応する実施例Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３およびＢ４による接合構造体５００（図５参照）と、比較例Ｂによる接合構造体とを作製し、それぞれについての接合評価を行った。その結果を表１に示す。
この実験例２では、本実施形態に対応する実施例Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３およびＢ４による接合構造体５００（図５参照）と、比較例Ｂによる接合構造体とを作製し、それぞれについての接合評価を行った。その結果を表１に示す。
次に、表２に示す実施例Ｂ１〜Ｂ４による接合構造体５００の作製方法について説明する。
実施例Ｂ１〜Ｂ４の接合構造体５００では、金属部材５０１の材料としてＳＵＳ３０４を用いた。この金属部材５０１は、図４および図５に示すように、板状に形成されており、長さが１００ｍｍであり、幅が２９ｍｍであり、厚みが３ｍｍである。
実施例Ｂ１による接合構造体５００の金属部材５０１の表面改質は、プラズマ処理により行った。実施例Ｂ２による接合構造体５００の金属部材５０１の表面改質は、コロナ処理により行った。実施例Ｂ３による接合構造体５００の金属部材５０１の表面改質は、ＵＶオゾン処理により行った。実施例Ｂ４による接合構造体５００の金属部材５０１の表面改質は、レーザ処理により行った。これらの表面改質の条件は、上述の通りである。
そして、金属部材５０１を射出成形金型にインサートして、樹脂部材５０２と射出成形にて接合した。成形条件は、上述の通りである。
次に、比較例Ｂによる接合構造体の作製方法について説明する。
比較例Ｂの接合構造体では、金属部材および樹脂部材の材料として実施例Ｂ１〜Ｂ４と同じものを用いた。ここで、比較例Ｂの接合構造体では、金属部材の表面改質を実施していない。また、比較例Ｂの接合構造体の接合方法は、実施例Ｂ１〜Ｂ４と同じ設定にした。
そして、実施例Ｂ１〜Ｂ４の接合構造体５００および比較例Ｂの接合構造体についての接合評価を行った。
熱衝撃試験は、エスペック製の冷熱衝撃装置ＴＳＤ−１００を用いて行った。具体的には、−４０℃で３０分間の低温さらしと、８５℃で３０分間の高温さらしとを接合界面が剥離に至るまで繰り返し行った。
そして、熱サイクル環境下での信頼性を判断するために、以下の基準で合否判断を行った。すなわち、本実験例の効果を判断するため、金属部材の表面改質を実施していない検体の熱サイクル環境下での耐性（樹脂部材の破断を初期として、接合界面に部分剥離が観測され始める熱サイクル数）を基準として、基準を超えるものを合格（○）とした。熱サイクル数の確認は、０、１００、２５０、５００、７５０、１０００、１５００、および、２０００サイクルまでとした。
上記した表２に示すように、比較例Ｂ（基準）では、熱サイクル数が５００の場合に、接合界面に部分剥離が観測された。これに対して、実施例Ｂ１〜Ｂ４では、熱サイクル数が１５００の場合に、接合界面に部分剥離が観測された。
これにより、実施例Ｂ１〜Ｂ４の接合構造体５００では、金属部材５０１に表面改質を行うことにより、比較例Ｂの接合構造体（表面改質を行わない場合）に比べて、熱サイクル疲労耐性が高くなっていた。これにより、実施例Ｂ１〜Ｂ４の接合構造体５００のように、金属部材５０１の表面改質を行うことにより、熱応力による剥離を抑制可能であるとともに、接合性の向上が図られることが判明した。
［実験例３］
この実験例３では、本実施形態に対応する実施例Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３およびＣ４による接合構造体５００（図５参照）と、比較例Ｃによる接合構造体とを作製し、それぞれについての接合評価を行った。その結果を表３に示す。
この実験例３では、本実施形態に対応する実施例Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３およびＣ４による接合構造体５００（図５参照）と、比較例Ｃによる接合構造体とを作製し、それぞれについての接合評価を行った。その結果を表３に示す。
次に、表３に示す実施例Ｃ１〜Ｃ４による接合構造体５００の作製方法について説明する。
実施例Ｃ１〜Ｃ４の接合構造体５００では、金属部材５０１の材料としてＳＵＳ３０４を用いた。この金属部材５０１は、図４および図５に示すように、板状に形成されており、長さが１００ｍｍであり、幅が２９ｍｍであり、厚みが３ｍｍである。
実施例Ｃ１による接合構造体５００の金属部材５０１の表面改質は、プラズマ処理により行った。実施例Ｃ２による接合構造体５００の金属部材５０１の表面改質は、コロナ処理により行った。実施例Ｃ３による接合構造体５００の金属部材５０１の表面改質は、ＵＶオゾン処理により行った。実施例Ｃ４による接合構造体５００の金属部材５０１の表面改質は、レーザ処理により行った。これらの表面改質の条件は、上述の通りである。
そして、金属部材５０１を予め加熱調整されたプレス機の下型に設置し、金属部材５０１の接合面に樹脂部材５０２の接合面を対面して設置した状態でプレスして接合した。熱プレス接合の条件は、上述の通りである。
次に、比較例Ｃによる接合構造体の作製方法について説明する。
比較例Ｃの接合構造体では、金属部材および樹脂部材の材料として実施例Ｃ１〜Ｃ４と同じものを用いた。ここで、比較例Ｃの接合構造体では、金属部材の表面改質を実施していない。また、比較例Ｃの接合構造体の接合方法は、実施例Ｃ１〜Ｃ４と同じ設定にした。
そして、実施例Ｃ１〜Ｃ４の接合構造体５００および比較例Ｃの接合構造体についての接合評価を行った。
熱衝撃試験は、エスペック製の冷熱衝撃装置ＴＳＤ−１００を用いて行った。具体的には、−４０℃で３０分間の低温さらしと、８５℃で３０分間の高温さらしとを接合界面が剥離に至るまで繰り返し行った。
そして、熱サイクル環境下での信頼性を判断するために、以下の基準で合否判断を行った。すなわち、本実験例の効果を判断するため、金属部材の表面改質を実施していない検体の熱サイクル環境下での耐性（樹脂部材の破断を初期として、接合界面に部分剥離が観測され始める熱サイクル数）を基準として、基準を超えるものを合格（○）とした。熱サイクル数の確認は、０、１００、２５０、５００、７５０、１０００、１５００、および、２０００サイクルまでとした。
上記した表３に示すように、比較例Ｃ（基準）では、熱サイクル数が２５０の場合に、接合界面に部分剥離が観測された。これに対して、実施例Ｃ１では、熱サイクル数が１０００の場合に、接合界面に部分剥離が観測された。また、実施例Ｃ２およびＣ３は、熱サイクル数が７５０の場合に、接合界面に部分剥離が観測された。また、実施例Ｃ４では、熱サイクル数が１０００の場合に、接合界面に部分剥離が観測された。
これにより、実施例Ｃ１〜Ｃ４の接合構造体５００では、金属部材５０１に表面改質を行うことにより、比較例Ｃの接合構造体（表面改質を行わない場合）に比べて、熱サイクル疲労耐性が高くなっていた。これにより、実施例Ｃ１〜Ｃ４の接合構造体５００のように、金属部材５０１の表面改質を行うことにより、熱応力による剥離を抑制可能であるとともに、接合性の向上が図られることが判明した。
以上説明したように、本実施形態による接合構造体５００および接合構造体５００の製造方法によれば、以下に列記するような効果が得られる。すなわち、本実施形態では、上記のように、穿孔部１１が形成された金属部材１０の表面改質を行うことにより改質層（酸化膜）１０ａを形成することによって、金属部材１０と樹脂部材２０との接合工程において金属部材１０の表面１３に設けた穿孔部１１への樹脂部材２０の埋没性（充填性）が向上するので、金属部材１０と樹脂部材２０との強力なアンカー接合効果による接合性の向上を図ることができる。
（他の実施形態）
なお、今回開示した実施形態は、すべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、本発明の技術的範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
なお、今回開示した実施形態は、すべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、本発明の技術的範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
たとえば、上記実施形態では、表面改質を行う工程の一例として、プラズマ処理、コロナ処理、ＵＶオゾン処理、または、レーザ処理のいずれかを行う例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、表面改質を行う工程において、上記の工程以外の工程により表面改質を行ってもよい。
また、上記実施形態では、表面改質を行う工程により金属部材の表面に改質層（酸化膜）を形成する例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、金属部材と樹脂部材との接合において金属部材の表面に設けた穿孔部への樹脂部材の馴染み性（濡れ性）を向上させることが可能であれば、金属部材の表面に酸化膜以外の改質層を形成してもよい。
また、上記実施形態では、表面改質された金属部材と樹脂部材とを接合する工程の一例として、レーザ照射、射出成形、または、熱プレスのいずれかを行う例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、表面改質された金属部材と樹脂部材とを接合する工程は、上記以外の工程であってもよい。
また、上記実施形態では、穿孔部に突出部が形成されている例を示したが、穿孔部に突出部が形成されていなくてもよい。すなわち、穿孔部の断面形状が矩形状や三角形状などの凹形状であってもよい。また、穿孔部は、連続するように溝状に形成されていてもよい。
本発明は、金属部材と樹脂部材とが接合された接合構造体の製造方法および接合構造体に利用可能である。
１０ 金属部材
１０ａ 改質層
１１ 穿孔部
１２ 突出部
１３ 表面
２０ 樹脂部材
１００ 接合構造体
５００ 接合構造体
５０１ 金属部材
５０２ 樹脂部材
１０ａ 改質層
１１ 穿孔部
１２ 突出部
１３ 表面
２０ 樹脂部材
１００ 接合構造体
５００ 接合構造体
５０１ 金属部材
５０２ 樹脂部材
Claims (5)
- 金属部材と樹脂部材とが接合された接合構造体の製造方法であって、
前記金属部材の表面に開口を有する穿孔部を形成する工程と、
前記穿孔部を形成した後に、前記金属部材に表面改質を行う工程と、
前記表面改質された金属部材と前記樹脂部材とを接合する工程とを備えることを特徴とする接合構造体の製造方法。 - 請求項１に記載の接合構造体の製造方法において、
前記金属部材に表面改質を行う工程は、プラズマ処理、コロナ処理、ＵＶオゾン処理、または、レーザ処理のいずれかにより、前記金属部材の表面に酸化膜を形成する工程であることを特徴とする接合構造体の製造方法。 - 請求項１または２に記載の接合構造体の製造方法において、
前記表面改質された金属部材と前記樹脂部材とを接合する工程は、レーザ照射、射出成形、または、熱プレスのいずれかの工程であることを特徴とする接合構造体の製造方法。 - 請求項１〜３のいずれか１つに記載の接合構造体の製造方法において、
前記穿孔部を形成する工程は、１パルスが複数のサブパルスで構成されるレーザを照射することにより前記穿孔部を形成する工程であることを特徴とする接合構造体の製造方法。 - 請求項１〜４のいずれか１つに記載の接合構造体の製造方法によって製造されたことを特徴とする接合構造体。
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