JP2016159577A - 接合構造体 - Google Patents

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Abstract

【課題】熱衝撃に対する耐性が低下するのを抑制することが可能な接合構造体を提供する。【解決手段】接合構造体１００は、表面１１に穿孔部１２が形成された金属部材１と、充填剤２１を含む樹脂部材２とを備え、穿孔部１２に樹脂部材２が充填されることにより、金属部材１および樹脂部材２が接合されている。そして、接合構造体１００は、穿孔部１２の内部に対する充填剤２１の侵入が抑制されるように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、接合構造体に関する。
従来、金属部材と樹脂部材とを備える接合構造体が知られている（たとえば、特許文献１参照）。このような接合構造体では、金属部材に形成された凹状部に樹脂部材が充填されることにより、金属部材および樹脂部材が接合されている。
特許文献１の接合構造体では、繊維状の充填剤が樹脂部材に含まれている。そして、この接合構造体は、金属部材に微細凹凸面が形成され、その微細凹凸面に充填剤が侵入可能に構成されている。これにより、金属部材および樹脂部材の接合界面において、充填剤が有する補強効果を発揮させることが可能である。
特開２０１４−２２３７８１号公報
しかしながら、繊維状の充填剤では、その形状に起因して線膨張係数に異方性があることから、微細凹凸面に充填剤が侵入している場合には、接合界面に応力が集中しやすくなり、熱衝撃に対する耐性が低下することが考えられる。
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、熱衝撃に対する耐性が低下するのを抑制することが可能な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は、表面に凹状部が形成された金属部材と、充填剤を含む樹脂部材とを備え、凹状部に樹脂部材が充填されることにより、金属部材および樹脂部材が接合されている。そして、接合構造体は、凹状部の内部に対する充填剤の侵入が抑制されるように構成されている。
上記接合構造体において、充填剤は、繊維状、板状または針状に形成されており、金属部材の表面に対して水平方向を向くように配置されていてもよい。なお、充填剤が表面に対して水平方向を向くとは、たとえば、樹脂部材に含まれる全ての充填剤の中に、水平方向に対する傾斜が±４５度以内の充填剤が６０％以上あることをいう。
上記接合構造体において、金属部材の凹状部は、平面的に見て円形に形成され、充填剤は、繊維状、板状または針状に形成されており、長手方向の長さが凹状部の開口径よりも大きくてもよい。なお、この凹状部の開口径は表面の開口径である。また、充填剤の長手方向の長さが凹状部の開口径よりも大きいとは、たとえば、樹脂部材に含まれる全ての充填剤の中に、長手方向の長さが凹状部の開口径よりも大きい充填剤が８０％以上あることをいう。
上記接合構造体において、金属部材の凹状部は、平面的に見て円形に形成され、その内周面に内側に突出する突出部を有していてもよい。
本発明の接合構造体によれば、熱衝撃に対する耐性が低下するのを抑制することができる。
本発明の第１実施形態による接合構造体を模式的に示した断面図である。 接合構造体の製造方法を説明するための図であって、金属部材に穿孔部を形成する工程を示した図である。 接合構造体の製造方法を説明するための図であって、穿孔部を有する金属部材の表面に樹脂部材が配置された状態を示した図である。 本発明の第２実施形態による接合構造体を模式的に示した断面図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
まず、図１を参照して、本発明の第１実施形態による接合構造体１００について説明する。
接合構造体１００は、図１に示すように、金属部材１および樹脂部材２を備え、その金属部材１および樹脂部材２が接合されている。
金属部材１には、表面１１に複数の穿孔部１２が形成されている。穿孔部１２は、平面的に見て円形に形成されるとともに、その内周面が円筒状に形成されている。すなわち、穿孔部１２では、深さ方向（Ｚ方向）における開口径が同じになっている。この穿孔部１２は、たとえば、開口径が５０μｍ程度であり、深さが８５μｍ以上である。なお、穿孔部１２は、本発明の「凹状部」の一例である。
金属部材１の材料としては、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、金属成型体であってもよく、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２は、金属部材１の表面１１に設けられるとともに、穿孔部１２の内部に充填されている。これにより、金属部材１および樹脂部材２がアンカー効果により機械的に接合されている。この樹脂部材２は、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂である。
上記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。
上記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。
また、樹脂部材２には、樹脂部材２を補強する機能を有する充填剤（フィラー）２１が含まれている。この充填剤２１は、繊維状、板状または針状に形成された無機系充填剤である。すなわち、充填剤２１は、所定の方向に延びるように形成され、その形状に起因して線膨張係数に異方性を有する。なお、樹脂部材２には、充填剤２１の他に、その他の充填剤（たとえば、有機系充填剤や球状の無機系充填剤など）が含まれていてもよい。
繊維状の無機系充填剤の一例としては、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、ビニロン繊維、アルミナ繊維および金属繊維などが挙げられる。板状の無機系充填剤の一例としては、タルク、マイカ、ガラスフレークおよび黒鉛などが挙げられる。針状の無機系充填剤の一例としては、ウォラストナイト、チタン酸カリウムおよびゾノトライトなどが挙げられる。
ここで、充填剤２１は、金属部材１の表面１１に対して水平方向（Ｘ方向）を向くように配置されている。すなわち、充填剤２１の長手方向が表面１１に沿うように配置されている。このため、穿孔部１２の内部に対する充填剤２１の侵入が抑制されるようになっている。なお、樹脂部材２に含まれる全ての充填剤２１が厳密に水平方向を向いていなくてもよい。つまり、第１実施形態における充填剤２１が表面１１に対して水平方向を向くとは、たとえば、樹脂部材２に含まれる全ての充填剤２１の中に、水平方向に対する傾斜が±４５度以内の充填剤２１が６０％以上あることをいう。
また、充填剤２１は、長手方向の長さが穿孔部１２の開口径よりも大きくなっている。これによっても、穿孔部１２の内部に対する充填剤２１の侵入を抑制することが可能である。なお、長手方向の長さが穿孔部１２の開口径よりも小さい充填剤２１が含まれていてもよい。つまり、第１実施形態における充填剤２１の長手方向の長さが穿孔部１２の開口径よりも大きいとは、たとえば、樹脂部材２に含まれる全ての充填剤２１の中に、長手方向の長さが穿孔部１２の開口径よりも大きい充填剤２１が８０％以上あることをいう。
そして、深さ方向における下半分の領域まで充填剤２１が侵入していない穿孔部１２の割合が５０％以上であることが好ましい。さらに好ましくは、充填剤２１が全く侵入していない穿孔部１２の割合が８０％以上であることである。
−接合構造体の製造方法−
次に、図１〜図３を参照して、第１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１の表面１１に加工用のレーザＬ１を照射することにより、金属部材１の表面１１に穿孔部１２を形成する。加工用のレーザＬ１は、たとえばファイバレーザである。
そして、インサート成形により、金属部材１の表面１１に、充填剤２１を含む樹脂部材２を形成する。具体的には、溶融された樹脂部材２が穿孔部１２に充填され、その後樹脂部材２が固化される。これにより、金属部材１と樹脂部材２とがアンカー効果によって機械的に接合される。ここで、インサート成形時に、溶融された樹脂部材２が金属部材１の表面１１に沿って流れるため、樹脂部材２が固化されたときに充填剤２１が水平方向（Ｘ方向）を向くようになる。
このようにして、図１に示す接合構造体１００が製造される。
なお、金属部材１に対する樹脂部材２の接合はインサート成形以外の方法で行うようにしてもよい。たとえば、熱プレス、レーザ、超音波または電磁誘導によって樹脂部材２を金属部材１に接合するようにしてもよい。
これらの場合には、図３に示すように、穿孔部１２が形成された金属部材１の表面１１に樹脂部材２が配置される。このとき、樹脂部材２に含まれる充填剤２１は予め水平方向を向くように配置されている。そして、樹脂部材２が溶融されることにより、その溶融された樹脂部材２が穿孔部１２に充填される。その後樹脂部材２が固化される。これにより、金属部材１と樹脂部材２とがアンカー効果によって機械的に接合される。なお、充填剤２１は、樹脂部材２が溶融されて固化した後も、水平方向を向いた状態でほぼ維持される。
−効果−
第１実施形態では、上記のように、穿孔部１２の内部に対する充填剤２１の侵入を抑制するように構成することによって、形状に起因して線膨張係数に異方性を有する充填剤２１が穿孔部１２内の深い領域（たとえば、下半分の領域）に配置されにくくすることができる。すなわち、穿孔部１２の内部の深い領域を樹脂部材２で占めることができる。これにより、金属部材１および樹脂部材２の接合界面に応力が集中するのを抑制することができるので、熱衝撃に対する耐性が低下するのを抑制することができる。
また、第１実施形態では、金属部材１の表面１１に対して水平方向（Ｘ方向）を向くように充填剤２１を配置することによって、穿孔部１２の内部に充填剤２１を侵入しにくくすることができる。
また、第１実施形態では、充填剤２１の長手方向の長さを穿孔部１２の開口径よりも大きくすることによって、穿孔部１２の内部に充填剤２１を侵入しにくくすることができる。
また、第１実施形態では、レーザＬ１により穿孔部１２を形成することによって、ケミカルエッチングで凹凸を形成する場合に比べて、穿孔部１２を精度よく形成することができるとともに、金属部材１の表面１１が腐食するのを抑制することができる。
（第２実施形態）
次に、図４を参照して、本発明の第２実施形態による接合構造体２００について説明する。
接合構造体２００は、図４に示すように、金属部材１ａおよび樹脂部材２を備え、その金属部材１ａおよび樹脂部材２が接合されている。
金属部材１ａには、表面１１に複数の穿孔部１２ａが形成されている。穿孔部１２ａは、平面的に見て円形に形成されるとともに、その内周面に突出部１３ａが形成されている。この穿孔部１２ａは、たとえば、表面１１の開口径が５０μｍ程度であり、深さが８５μｍ以上である。突出部１３ａは、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。なお、穿孔部１２ａは、本発明の「凹状部」の一例である。
具体的には、穿孔部１２ａは、深さ方向において表面１１側から底部に向けて開口径が小さくなる第１縮径部と、深さ方向において表面１１側から底部に向けて開口径が大きくなる拡径部と、深さ方向において表面１１側から底部に向けて開口径が小さくなる第２縮径部とが連なるように形成されている。第１縮径部は、直線状に縮径するように形成され、拡径部は、曲線状に拡径するように形成され、第２縮径部は、曲線状に縮径するように形成されている。すなわち、第１縮径部と拡径部とにより突出部１３ａが構成されている。
この穿孔部１２ａは、たとえば加工用のレーザによって形成されている。なお、レーザの種類としては、パルス発振が可能なものが好ましく、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、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。
このような穿孔部１２ａは、１パルスが複数のサブパルスで構成されるレーザによって形成される。このレーザでは、エネルギを深さ方向に集中させやすいので、穿孔部１２ａを形成するのに好適である。このようなレーザを照射可能な加工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。
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、穿孔部１２ａ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、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、穿孔部１２ａを形成しにくくなるためである。
第２実施形態では、上記のように、穿孔部１２ａの内部に突出部１３ａを形成することによって、穿孔部１２ａ内の深い領域に充填剤２１をより侵入しにくくすることができる。
なお、第２実施形態のその他の構成および効果は、第１実施形態と同様である。
（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。
たとえば、第１実施形態では、穿孔部１２が円筒状である例を示したが、これに限らず、穿孔部がすり鉢状に形成されていてもよい。すなわち、深くなるにつれて開口径が小さくなるように穿孔部が形成されていてもよい。
また、第１実施形態では、凹状部の一例として平面的に見て円形の穿孔部１２を示したが、これに限らず、凹状部として溝部が形成されていてもよい。
本発明は、充填剤を含む樹脂部材と金属部材とが接合された接合構造体に利用可能である。
１ 金属部材
２ 樹脂部材
１１ 表面
１２ 穿孔部（凹状部）
２１ 充填剤
１００ 接合構造体
１ａ 金属部材
１２ａ 穿孔部（凹状部）
１３ａ 突出部
２００ 接合構造体

Claims (4)

  1. 表面に凹状部が形成された金属部材と、
    充填剤を含む樹脂部材とを備える接合構造体であって、
    前記凹状部に前記樹脂部材が充填されることにより、前記金属部材および前記樹脂部材が接合されており、
    前記凹状部の内部に対する前記充填剤の侵入が抑制されるように構成されていることを特徴とする接合構造体。
  2. 請求項１に記載の接合構造体において、
    前記充填剤は、繊維状、板状または針状に形成されており、前記金属部材の表面に対して水平方向を向くように配置されていることを特徴とする接合構造体。
  3. 請求項１または２に記載の接合構造体において、
    前記金属部材の凹状部は、平面的に見て円形に形成され、
    前記充填剤は、繊維状、板状または針状に形成されており、長手方向の長さが前記凹状部の開口径よりも大きいことを特徴とする接合構造体。
  4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の接合構造体において、
    前記金属部材の凹状部は、平面的に見て円形に形成され、その内周面に内側に突出する突出部を有することを特徴とする接合構造体。
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