JP2019111791A - エラストマー−金属複合体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エラストマー−金属複合体において、エラストマー−金属の接合強度の面内異方性を抑制して、エラストマー−金属の接合強度を確保する。【解決手段】金属部材１０と、金属部材１０の表面に接合されたエラストマー部材２０とを備えたエラストマー−金属複合体３０であって、金属部材１０におけるエラストマー部材２０が接合された表面は、金属部材１０からなる互いに直径の異なる複数の粒状体が不規則に積み重なった堆積構造Ｃを有している。【選択図】図１

Description

本発明は、エラストマー−金属複合体及びその製造方法に関するものである。

従来より、例えば、樹脂−金属複合体において、金属材料と樹脂との接合強度を向上させるために、樹脂を接合する金属材料の表面をレーザー光の照射により粗面化する技術が広く知られている。

例えば、特許文献１には、金属表面を第１の走査方向にレーザースキャニング加工を複数回重畳的に実施する工程と、その金属表面を第１の走査方向とクロスする第２の走査方向にレーザースキャニング加工を複数回重畳的に実施する工程とを含む、金属表面のレーザー加工方法が開示されている。

特開２０１０−１６７４７５号公報

ところで、上記特許文献１に開示された金属表面のレーザー加工方法では、互いに異なる走査方向にレーザースキャニング加工を実施することになるので、レーザー加工により粗面化された金属表面に方向性が発現するおそれがある。そうなると、その金属表面に接合したエラストマー部材は、一方の走査方向に沿って相対的に高い接合強度を有すると共に、他方の走査方向に沿って相対的に低い接合強度を有することになり易いので、接合強度の面内異方性が顕著になってしまう。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、エラストマー−金属複合体において、エラストマー−金属の接合強度の面内異方性を抑制して、エラストマー−金属の接合強度を確保することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係るエラストマー−金属複合体は、金属部材と、上記金属部材の表面に接合されたエラストマー部材とを備えたエラストマー−金属複合体であって、上記金属部材における上記エラストマー部材が接合された表面は、該金属部材からなる互いに直径の異なる複数の粒状体が不規則に積み重なった堆積構造を有していることを特徴とする。

上記の構成によれば、金属部材と、その金属部材の表面に接合されたエラストマー部材とを備えたエラストマー−金属複合体において、エラストマー部材が接合された金属部材の表面は、粒状体の堆積構造を有している。ここで、堆積構造は、金属部材からなる互いに直径の異なる複数の粒状体が不規則に積み重なって構成されているので、金属部材の表面に積み重なった複数の粒状体の一部の集合とエラストマー部材との局所的な接合が金属部材の接合表面全体に不規則（ランダム）に配置する。これにより、エラストマー−金属複合体において、金属部材とエラストマー部材との接合強度を金属部材の接合表面に沿う全方向で揃えることができるので、エラストマー−金属の接合強度の面内異方性を抑制して、エラストマー−金属の接合強度を確保することができる。

上記金属部材は、アルミニウム合金又は鉄合金により構成され、上記エラストマー部材は、含フッ素エラストマー組成物により構成されていてもよい。

上記の構成によれば、金属部材がアルミニウム合金又は鉄合金により構成され、エラストマー部材が含フッ素エラストマー組成物により構成されているので、一般的に接着剤で接着し難い含フッ素エラストマー組成物からなるエラストマー部材であっても、アルミニウム合金又は鉄合金からなる金属部材に強固に接合することができる。

上記堆積構造は、１μｍ以上１００μｍ以下の直径を有する上記複数の粒状体を混在してなってもよい。

上記の構成によれば、堆積構造が１μｍ以上１００μｍ以下の直径を有する複数の粒状体を混在してなるので、金属部材とエラストマー部材とを確実に接合することができる。ここで、粒状体の直径が１μｍよりも小さい場合には、堆積構造を構成する凹凸が小さくなるので、金属部材とエラストマー部材との接合強度が小さくなる傾向がある。また、粒状体の直径が１００μｍよりも大きい場合には、堆積構造を構成する凹凸の個数が少なくなるので、金属部材とエラストマー部材との接合強度が小さくなる傾向がある。

上記堆積構造は、平面視で互いに対向する一対の辺を有し、上記堆積構造の上記一対の辺の一方に沿う端部における上記複数の粒状体は、上記堆積構造の上記一対の辺の他方に沿う端部における上記複数の粒状体よりも多くなっていてもよい。

上記堆積構造は、平面視で円形状に形成され、上記堆積構造の径方向の一方の端部における上記複数の粒状体は、上記堆積構造の径方向の他方の端部における上記複数の粒状体よりも多くなっていてもよい。

上記構成によれば、堆積構造を形成する領域（堆積構造形成領域）において、例えば、最初の走査ラインでは、金属部材の表面の金属がパルス発振のレーザー光の照射により溶融し、溶融した金属の一部が走査ライン周辺に飛散し、飛散した先で粒状体として堆積する。引き続き、次の走査ラインでパルス発振のレーザー光を照射する際に、その走査ライン上に粒状体が存在すると、金属部材の表面の金属及び／又は粒状体が溶融し、一部が飛散し、飛散した先で粒状体として堆積する。このようなパルス発振のレーザー光の照射が繰り返されることにより、堆積構造が形成される。そして、堆積構造形成領域において、最後の走査ラインでは、金属部材の表面の金属及び／または粒状体が溶融し、一部が飛散する状態となるので、他の走査ラインに比べて粒状体の堆積が少ない状態（粒状体の堆積構造が占める割合より、溶融凝固した構造が占める割合が大きい状態）となる。つまり、最後の走査ライン（最後のパルス発振のレーザー光の照射）以外では、堆積構造が十分に形成されているので、エラストマー部材と金属部材との接合が良好となる。ここで、本発明では、レーザー光の照射により形成される溝がエラストマー部材と金属部材との接合に寄与するものではなく、粒状体の堆積構造がエラストマー部材と金属部材との接合に寄与している、と推測する。

また、本発明に係るエラストマー−金属複合体の製造方法は、金属部材の表面にパルス発振のレーザー光を該金属部材の表面に沿う第１の方向に走査しながら照射することにより、上記金属部材の表面を上記第１の方向に交差する該金属部材の表面に沿う第２の方向に所定ピッチで１走査単位ずつ処理して、上記金属部材の表面に該金属部材からなる複数の粒状体の堆積構造を形成する堆積構造形成工程と、上記堆積構造にエラストマー組成物を配置した後に、該エラストマー組成物を加熱及び加圧することにより、上記堆積構造に該エラストマー組成物を食い込ませると共に該エラストマー組成物を架橋して、上記堆積構造に接合されたエラストマー部材を形成する接合成形工程とを備えるエラストマー−金属複合体の製造方法であって、上記堆積構造形成工程では、平均出力が２０Ｗ〜１００Ｗであり、パルス幅が８０ｎｓｅｃ〜１５０ｎｓｅｃであり、上記金属部材の表面に集光したスポット直径が３０μｍ〜６０μｍであり、パルス間隔が上記スポット直径の０．１倍〜０．４倍であり、上記所定ピッチが上記スポット直径の０．１倍〜１．５倍であるように、上記レーザー光を照射することにより、互いに直径の異なる上記複数の粒状体が不規則に積み重なった上記堆積構造を形成することを特徴とする。

上記の方法によれば、堆積構造形成工程において、金属部材の表面に対し、平均出力が２０Ｗ〜１００Ｗであり、パルス幅が８０ｎｓｅｃ〜１５０ｎｓｅｃであるパルス発振のレーザー光を３０μｍ〜６０μｍのスポット直径に集光し、パルス間隔がスポット直径の０．１倍〜０．４倍であるように第１の方向に走査し、第２の方向への所定ピッチ（走査間隔）がスポット直径の０．１倍〜１．５倍であるように走査する。これにより、レーザー光の照射により溶融した金属部材の一部が周りにランダムに飛散して凝固することにより、複数の粒状体が不規則に積み重なった堆積構造を形成することができる。その後、接合成形工程において、堆積構造が形成された金属部材の表面にエラストマー組成物を未架橋状態又は半架橋状態で配置した後に、そのエラストマー組成物を加熱及び加圧することにより、堆積構造にエラストマー組成物を食い込ませると共にエラストマー組成物を架橋して、堆積構造に接合されたエラストマー部材を形成する。そのため、金属部材の表面に積み重なった複数の粒状体の一部の集合とエラストマー部材との局所的な接合が金属部材の接合表面全体に不規則（ランダム）に配置する。これにより、金属部材とエラストマー部材との接合強度を金属部材の接合表面に沿う全方向で揃えることができるので、エラストマー−金属複合体において、エラストマー−金属の接合強度の面内異方性を抑制して、エラストマー−金属の接合強度を確保することができる。

また、本発明に係るエラストマー−金属複合体の製造方法は、金属部材の表面にパルス発振のレーザー光を該金属部材の表面に沿う第１の方向に走査しながら照射することにより、上記金属部材の表面を上記第１の方向に交差する該金属部材の表面に沿う第２の方向に所定ピッチで１走査単位ずつ処理して、上記金属部材の表面に該金属部材からなる複数の粒状体の堆積構造を形成する堆積構造形成工程と、上記堆積構造に溶融したエラストマー組成物を圧入した後に、該エラストマー組成物を架橋することにより、上記堆積構造に接合されたエラストマー部材を形成する圧入架橋工程とを備えるエラストマー−金属複合体の製造方法であって、上記堆積構造形成工程では、平均出力が２０Ｗ〜１００Ｗであり、パルス幅が８０ｎｓｅｃ〜１５０ｎｓｅｃであり、上記金属部材の表面に集光したスポット直径が３０μｍ〜６０μｍであり、パルス間隔が上記スポット直径の０．１倍〜０．４倍であり、上記所定ピッチが上記スポット直径の０．１倍〜１．５倍であるように、上記レーザー光を照射することにより、互いに直径の異なる上記複数の粒状体が不規則に積み重なった上記堆積構造を形成することを特徴とする。

上記の方法によれば、堆積構造形成工程において、金属部材の表面に対し、平均出力が２０Ｗ〜１００Ｗであり、パルス幅が８０ｎｓｅｃ〜１５０ｎｓｅｃであるパルス発振のレーザー光を３０μｍ〜６０μｍのスポット直径に集光し、パルス間隔がスポット直径の０．１倍〜０．４倍であるように第１の方向に走査し、第２の方向への所定ピッチ（走査間隔）がスポット直径の０．１倍〜１．５倍であるように走査する。これにより、レーザー光の照射により溶融した金属部材の一部が周りにランダムに飛散して凝固することにより、複数の粒状体が不規則に積み重なった堆積構造を形成することができる。その後、圧入架橋工程において、堆積構造に溶融したエラストマー組成物を圧入した後に、そのエラストマー組成物を架橋することにより、堆積構造に接合されたエラストマー部材を形成する。そのため、金属部材の表面に積み重なった複数の粒状体の一部の集合とエラストマー部材との局所的な接合が金属部材の接合表面全体に不規則（ランダム）に配置する。これにより、金属部材とエラストマー部材との接合強度を金属部材の接合表面に沿う全方向で揃えることができるので、エラストマー−金属複合体において、エラストマー−金属の接合強度の面内異方性を抑制して、エラストマー−金属の接合強度を確保することができる。

上記金属部材は、アルミニウム合金又は鉄合金により構成され、上記エラストマー組成物は、含フッ素エラストマー組成物であってもよい。

上記の方法によれば、金属部材がアルミニウム合金又は鉄合金により構成され、エラストマー組成物が含フッ素エラストマー組成物であるので、一般的に接着剤で接着し難い含フッ素エラストマー組成物からなるエラストマー部材であっても、アルミニウム合金又は鉄合金からなる金属部材に接着剤を介さなくても強固に接合することができる。

上記第１の方向は、上記金属部材の表面において、直線状に延びていてもよい。

上記の方法によれば、第１の方向が金属部材の表面において直線状に延びているので、金属部材の表面に、例えば、平面視で矩形状の堆積構造を形成することができる。

上記第１の方向は、上記金属部材の表面において、曲線状に延びていてもよい。

上記の方法によれば、第１の方向が金属部材の表面において曲線状に延びているので、金属部材の表面に、例えば、平面視で円形状や楕円形状の堆積構造を形成することができる。

本発明によれば、金属部材におけるエラストマー部材が接合された表面には、金属部材からなる互いに直径の異なる複数の粒状体が不規則に積み重なった堆積構造が設けられているので、エラストマー−金属複合体において、エラストマー−金属の接合強度の面内異方性を抑制して、エラストマー−金属の接合強度を確保することができる。

本発明の第１の実施形態に係るエラストマー−金属複合体を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るエラストマー−金属複合体の製造方法における堆積構造形成工程を示す平面図である。 本発明の第１の実施形態に係るエラストマー−金属複合体の製造方法における堆積構造形成工程の変形例を示す平面図である。 本発明の第１の実施形態に係るエラストマー−金属複合体の製造方法における接合成形工程を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るエラストマー−金属複合体の実験例１〜５の内容を示す表である。 本発明の第１の実施形態に係るエラストマー−金属複合体の実験例２の条件で処理された金属部材の表面のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真である。 本発明の第１の実施形態に係るエラストマー−金属複合体の実験例６〜１０の内容を示す表である。 本発明の第１の実施形態に係るエラストマー−金属複合体の実験例７の条件で処理された金属部材の表面のＳＥＭ写真である。 本発明の第１の実施形態に係るエラストマー−金属複合体の実験例１１〜１５の内容を示す表である。 本発明の第１の実施形態に係るエラストマー−金属複合体の実験例１６〜１９の内容を示す表である。 本発明の第１の実施形態に係るエラストマー−金属複合体の実験例１６の条件で処理された金属部材の表面の４５°の斜め方向から撮影したＳＥＭ写真である。 本発明の第１の実施形態に係るエラストマー−金属複合体の実験例２０の条件で処理された金属部材の表面のＳＥＭ写真である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の各実施形態に限定されるものではない。

《第１の実施形態》
図１〜図１２は、本発明に係るエラストマー−金属複合体及びその製造方法の第１の実施形態を示している。ここで、図１は、本実施形態のエラストマー−金属複合体３０を示す断面図である。

エラストマー−金属複合体３０は、図１に示すように、例えば、板状の金属部材１０と、金属部材１０上に設けられ、金属部材１０の表面に接合されたエラストマー部材２０とを備えている。

金属部材１０は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、ステンレスのような鉄合金等の金属材料により構成されている。また、金属部材１０におけるエラストマー部材２０が接合された表面は、金属部材１０を構成する金属材料からなる互いに直径の異なる複数の粒状体Ｇ（後述する図６及び図１１参照）が不規則に積み重なって形成された堆積構造Ｃを有している。ここで、堆積構造Ｃの表面形状には、例えば、後述する図６及び図１１のＳＥＭ写真に示すように、方向性がない。

粒状体Ｇの直径は、例えば、１μｍ〜１００μｍ程度である。ここで、粒状体Ｇの直径が１μｍよりも小さい場合には、堆積構造Ｃを構成する凹凸が小さくなるので、金属部材１０とエラストマー部材２０との接合強度が小さくなる傾向がある。また、粒状体Ｇの直径が１００μｍよりも大きい場合には、堆積構造Ｃを構成する凹凸の個数が少なくなるので、金属部材１０とエラストマー部材２０との接合強度が小さくなる傾向がある。さらに、粒状体Ｇの直径は、２５０倍で撮影したＳＥＭ写真において、任意の１０個の粒状体を選択し、選択された各粒状体Ｇの最大長さ（Ａ）を測定すると共に、その最大長さ（Ａ）が測定された方向に直交する方向における最大長さ（Ｂ）を測定し、最大長さ（Ａ）と最大長さ（Ｂ）との相加平均（（Ａ＋Ｂ）／２）により算出することができる。なお、上記ＳＥＭ写真において、写った全ての粒状体Ｇの直径が１μｍ〜１００μｍの範囲内に入る必要はなく、１μｍ〜１００μｍの直径の粒状体Ｇが混在していればよい。

エラストマー部材２０は、例えば、ヘキサフルオロプロピレン−ビニリデンフルオリド−テトラフルオロエチレン共重合体、ヘキサフルオロプロピレン−ビニリデンフルオリド共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルエーテル共重合体等を主成分とする含フッ素エラストマー組成物を架橋したフッ素ゴムにより構成されている。

なお、金属部材１０としては、上述したアルミニウム、アルミニウム合金、鉄、鉄合金に限定されるものではなく、例えば、銅、銅合金、チタン（チタニウム）、チタン合金、ニッケル、ニッケル合金等を適用することができる。

上記構成のエラストマー−金属複合体３０は、例えば、半導体製造装置用のゲートシール構造体等に用いることができる。

次に、エラストマー−金属複合体３０の製造方法について説明する。ここで、図２は、エラストマー−金属複合体３０の製造方法における堆積構造形成工程を示す平面図である。また、図３は、エラストマー−金属複合体３０の製造方法における堆積構造形成工程の変形例を示す平面図である。また、図４は、エラストマー−金属複合体３０の製造方法における接合成形工程を示す断面図である。なお、本実施形態のエラストマー−金属複合体３０の製造方法は、堆積構造形成工程及び接合成形工程を備える。

＜堆積構造形成工程＞
図２に示すように、加工ステージ（不図示）上に載置された金属部材１０の表面の照射領域Ｒに、パルス発振のレーザー光ＬをＸ方向に走査しながら照射することにより、金属部材１０の照射領域ＲをＹ方向に所定ピッチＰで１走査単位ずつ処理して、金属部材１０の照射領域Ｒの全域に堆積構造Ｃを形成する。ここで、図２に示すように、Ｘ方向は、金属材料１０の表面に沿う第１の方向であり、Ｙ方向は、金属材料１０の表面に沿う第２の方向であり、Ｘ方向及びＹ方向は、互いに直交する。また、照射領域Ｒは、図２に示すように、平面視で互いに対向する一対の辺Ｅａ及びＥｂを有し、金属部材１０の表面に矩形状に規定されている。なお、本実施形態では、Ｘ方向とＹ方向とが直交する方法を例示したが、Ｘ方向及びＹ方向は、９０°以外の角度で交差してもよい。また、本実施形態では、矩形状の照射領域Ｒを平行直線状に繰り返し走査する製造方法を例示したが、例えば、図３に示すように、円形状の照射領域Ｒを同心円状に繰り返し走査する製造方法であってもよい。さらには、照射領域Ｒの平面形状に合わせて、直線状（図２参照）及び曲線状（図３参照）を組み合わせてレーザー光Ｌを走査してもよい。また、レーザー光Ｌは、例えば、平均出力が２０Ｗ〜１００Ｗであり、パルス幅が８０ｎｓｅｃ〜１５０ｎｓｅｃである。そして、レーザー光Ｌの照射（走査）条件としては、金属部材１０の表面において、例えば、３０μｍ〜６０μｍのスポット直径にレーザーＬを集光し、パルス間隔を、例えば、スポット直径の０．１倍〜０．４倍とするようにＸ方向に走査し、Ｙ方向への所定ピッチＰ（走査（ライン）間隔）を、例えば、スポット直径の０．１倍〜１．５倍とするように走査する。

＜接合成形工程＞
上記堆積構造形成工程で堆積構造Ｃが形成された金属部材１０の表面に、図４に示すように、エラストマー組成物２０ｅを配置した後に、下側金型Ｍａ及び上側金型Ｍｂを介してエラストマー組成物２０ｅを加熱及び加圧することにより、堆積構造Ｃにエラストマー組成物２０ｅを食い込ませると共に、エラストマー組成物２０ｅを架橋（硬化）して、金属部材１０の表面に接合されたエラストマー部材２０を形成する（コンプレッション成形）。ここで、エラストマー組成物２０ｅには、架橋剤（硬化剤）、架橋助剤、充填剤及びその他の添加剤等が含まれている。

なお、本実施形態では、上記のような接合成形工程を備える製造方法を例示したが、接合成形工程の代わりに、堆積構造Ｃに溶融したエラストマー組成物を圧入した後に、そのエラストマー組成物を架橋することにより、堆積構造Ｃに接合されたエラストマー部材２０を形成する圧入架橋工程を備えてもよい（インジェクション成形）。

以上のようにして、本実施形態のエラストマー−金属複合体３０を製造することができる。

次に、具体的に行った実験について説明する。最初に、スポット直径を３６μｍとし、ライン間隔を１８μｍとして、走査速度（及びそれに連動するパルス間隔）を増減させた実験例１〜５について説明する。ここで、図５は、エラストマー−金属複合体３０の実験例１〜５の内容を示す表である。また、図６は、エラストマー−金属複合体３０の実験例２の条件で処理された金属部材の表面のＳＥＭ写真である。

まず、厚さ２ｍｍ×幅２５ｍｍ×長さ６０ｍｍのアルミニウム板（Ａ６０６１−Ｔ６）の一方の表面に対して、図５の表に示す条件（平均出力、パルス幅、パルス周波数、スポット直径、走査速度、パルス間隔、ライン間隔）でパルス発振のレーザー光を照射することにより、アルミニウム板の表面を処理した。なお、図５、並びに後述する図７、図９及び図１０における表中のライン間隔は、上述した走査間隔（図２中のピッチＰ）である。ここで、レーザー装置としては、ＩＰＧ製のパルス発振−ファイバーレーザ（ＹＬＰ−１／１００／２０）を用いた。

続いて、アルミニウム板の処理した表面に、ＪＩＳ Ｋ６２５６−２に基づいて、厚さ６ｍｍ×幅２５ｍｍ×長さ１２０ｍｍのヘキサフルオロプロピレン−ビニリデンフルオリド−テトラフルオロエチレン共重合体を主成分とする含フッ素エラストマー組成物シートを１６５℃で１０分間加圧プレスして架橋することにより、アルミニウム板の処理した表面に含フッ素エラストマー部材が接着された試験片を作製した。なお、試験片において、架橋後の含フッ素エラストマー部材の硬度は、タイプＡデュロメータで７０程度である。

その後、作製した試験片に対して、ＪＩＳ Ｋ６２５６−２に基づいて、剥離強さを測定して、９０°剥離試験を行った。

実験結果としては、パルス間隔／スポット直径の比が相対的に低い実験例１、２及び３では、図５の表に示すように、１３０Ｎ／２５ｍｍ以上の高水準の剥離強さが得られ、金属表面と含フッ素エラストマー部材との間の界面隔離でなく、含フッ素エラストマー部材自体の破壊（ゴム破断）が確認された。また、パルス間隔／スポット直径の比が相対的に高い実験例４及び５では、図５の表に示すように、１００Ｎ／２５ｍｍ以下の低水準の剥離強さが得られ、金属表面と含フッ素エラストマー部材との間の界面隔離が確認された。さらに、パルス間隔／スポット直径の比が相対的に低い実験例１及び２では、図６のＳＥＭ写真に示すように、複数の粒状体Ｇが不規則に積み重なった堆積構造Ｃが確認された。また、パルス間隔／スポット直径の比が相対的に高い実験例４及び５では、堆積構造Ｃが確認されなかった。

次に、スポット直径を５５μｍとし、ライン間隔を２７μｍとして、走査速度（及びそれに連動するパルス間隔）を増減させた実験例６〜１０について説明する。ここで、図７は、エラストマー−金属複合体３０の実験例６〜１０の内容を示す表である。また、図８は、エラストマー−金属複合体３０の実験例７の条件で処理された金属部材の表面のＳＥＭ写真である。

まず、厚さ２ｍｍ×幅２５ｍｍ×長さ６０ｍｍのアルミニウム板（Ａ６０６１−Ｔ６）の一方の表面に対して、図７の表に示す条件（平均出力、パルス幅、パルス周波数、スポット直径、走査速度、パルス間隔、ライン間隔）でパルス発振のレーザー光を照射することにより、アルミニウム板の表面を処理した。ここで、レーザー装置としては、ＩＰＧ製のパルス発振−ファイバーレーザ（ＹＬＰ−１／１００／２０）を用いた。

続いて、アルミニウム板の処理した表面に、ＪＩＳ Ｋ６２５６−２に基づいて、厚さ６ｍｍ×幅２５ｍｍ×長さ１２０ｍｍのヘキサフルオロプロピレン−ビニリデンフルオリド−テトラフルオロエチレン共重合体を主成分とする含フッ素エラストマー組成物シートを１６５℃で１０分間加圧プレスして架橋することにより、アルミニウム板の処理した表面に含フッ素エラストマー部材が接着された試験片を作製した。なお、試験片において、架橋後の含フッ素エラストマー部材の硬度は、タイプＡデュロメータで７０程度である。

その後、作製した試験片に対して、ＪＩＳ Ｋ６２５６−２に基づいて、剥離強さを測定して、９０°剥離試験を行った。

実験結果としては、パルス間隔／スポット直径の比が相対的に低い実験例６及び７では、図７の表に示すように、１２０Ｎ／２５ｍｍ以上の高水準の剥離強さが得られ、金属表面と含フッ素エラストマー部材との間の界面隔離でなく、含フッ素エラストマー部材自体の破壊（ゴム破断）が確認された。また、パルス間隔／スポット直径の比が相対的に高い実験例８、９及び１０では、図７の表に示すように、７０Ｎ／２５ｍｍ以下の低水準の剥離強さが得られ、金属表面と含フッ素エラストマー部材との間の界面隔離が確認された。さらに、パルス間隔／スポット直径の比が相対的に低い実験例６及び７では、複数の粒状体Ｇが不規則に積み重なった堆積構造Ｃが確認された。なお、実験例７を示す図８のＳＥＭ写真では、複数の粒状体Ｇが不規則に積み重なった堆積構造Ｃが撮像領域の一部に確認された。また、パルス間隔／スポット直径の比が相対的に高い実験例９及び１０では、堆積構造Ｃが確認されなかった。

次に、スポット直径を３６μｍとし、ライン間隔を３６μｍとして、走査速度（及びそれに連動するパルス間隔）を増減させた実験例１１〜１５について説明する。ここで、図９は、エラストマー−金属複合体３０の実験例１１〜１５の内容を示す表である。

まず、厚さ２ｍｍ×幅２５ｍｍ×長さ６０ｍｍのアルミニウム板（Ａ６０６１−Ｔ６）の一方の表面に対して、図９の表に示す条件（平均出力、パルス幅、パルス周波数、スポット直径、走査速度、パルス間隔、ライン間隔）でパルス発振のレーザー光を照射することにより、アルミニウム板の表面を処理した。ここで、レーザー装置としては、ＩＰＧ製のパルス発振−ファイバーレーザ（ＹＬＰ−１／１００／２０）を用いた。

続いて、アルミニウム板の処理した表面に、ＪＩＳ Ｋ６２５６−２に基づいて、厚さ６ｍｍ×幅２５ｍｍ×長さ１２０ｍｍのヘキサフルオロプロピレン−ビニリデンフルオリド−テトラフルオロエチレン共重合体を主成分とする含フッ素エラストマー組成物シートを１６５℃で１０分間加圧プレスして架橋することにより、アルミニウム板の処理した表面に含フッ素エラストマー部材が接着された試験片を作製した。なお、試験片において、架橋後の含フッ素エラストマー部材の硬度は、タイプＡデュロメータで７０程度である。

その後、作製した試験片に対して、ＪＩＳ Ｋ６２５６−２に基づいて、剥離強さを測定して、９０°剥離試験を行った。

実験結果としては、パルス間隔／スポット直径の比が相対的に低い実験例１１及び１２では、図９の表に示すように、１４０Ｎ／２５ｍｍ以上の高水準の剥離強さが得られ、金属表面と含フッ素エラストマー部材との間の界面隔離でなく、含フッ素エラストマー部材自体の破壊（ゴム破断）が確認された。また、パルス間隔／スポット直径の比が相対的に高い実験例１３、１４及び１５では、図９の表に示すように、９０Ｎ／２５ｍｍ以下の低水準の剥離強さが得られ、金属表面と含フッ素エラストマー部材との間の界面隔離が確認された。さらに、パルス間隔／スポット直径の比が相対的に低い実験例１１及び１２では、複数の粒状体Ｇが不規則に積み重なった堆積構造Ｃが確認された。また、パルス間隔／スポット直径の比が相対的に高い実験例１４及び１５では、堆積構造Ｃが確認されなかった。

次に、スポット直径を３６μｍとし、走査速度を２００ｍｍ／ｓｅｃとして、ライン間隔を増減させた実験例１６〜１９について説明する。ここで、図１０は、エラストマー−金属複合体３０の実験例１６〜１９の内容を示す表である。また、図１１は、エラストマー−金属複合体３０の実験例１６の条件で処理された金属部材の表面の４５°の斜め方向から撮影したＳＥＭ写真である。

まず、厚さ２ｍｍ×幅２５ｍｍ×長さ６０ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３１６Ｌ）の一方の表面に対して、図１０の表に示す条件（平均出力、パルス幅、パルス周波数、スポット直径、走査速度、パルス間隔、ライン間隔）でパルス発振のレーザー光を照射することにより、ステンレス板の表面を処理した。ここで、レーザー装置としては、ＩＰＧ製のパルス発振−ファイバーレーザ（ＹＬＰ−１／１００／２０）を用いた。

続いて、ステンレス板の処理した表面に、ＪＩＳ Ｋ６２５６−２に基づいて、厚さ６ｍｍ×幅２５ｍｍ×長さ１２０ｍｍのヘキサフルオロプロピレン−ビニリデンフルオリド−テトラフルオロエチレン共重合体を主成分とする含フッ素エラストマー組成物シートを１６５℃で１０分間加圧プレスして架橋することにより、ステンレス板の処理した表面に含フッ素エラストマー部材が接着された試験片を作製した。なお、試験片において、架橋後の含フッ素エラストマー部材の硬度は、タイプＡデュロメータで７０程度である。

その後、作製した試験片に対して、ＪＩＳ Ｋ６２５６−２に基づいて、剥離強さを測定して、９０°剥離試験を行った。

実験結果としては、ライン間隔／スポット直径の比が相対的に低い実験例１６、１７及び１８では、図１０の表に示すように、１６０Ｎ／２５ｍｍ以上の高水準の剥離強さが得られ、金属表面と含フッ素エラストマー部材との間の界面隔離でなく、含フッ素エラストマー部材自体の破壊（ゴム破断）が確認された。また、ライン間隔／スポット直径の比が相対的に高い実験例１９では、図１０の表に示すように、１００Ｎ／２５ｍｍ程度の低水準の剥離強さが得られ、金属表面と含フッ素エラストマー部材との間の界面隔離が確認された。さらに、ライン間隔／スポット直径の比が相対的に低い実験例１６、１７及び１８では、図１１のＳＥＭ写真に示すように、複数の粒状体Ｇが不規則に積み重なった堆積構造Ｃが確認された。また、ライン間隔／スポット直径の比が相対的に高い実験例１９では、堆積構造Ｃが確認されず、表面形状に走査方向に沿う方向性が確認された。

以上の実験結果から、パルス間隔／スポット直径の比が０．１倍〜０．４倍（好ましくは０．１倍〜０．３倍）であり、ライン間隔／スポット直径の比が０．１倍〜１．５倍（好ましくは０．３倍〜１．０倍）であれば、複数の粒状体Ｇが不規則に積み重なった堆積構造Ｃが形成され易くなると共に、剥離試験の破断タイプがゴム破断になり易くなる、と言える。なお、レーザー光を照射する金属部材については、その材質（アルミニウム板、ステンレス板）が異なっていても、パルス間隔／スポット直径の比、及びライン間隔／スポット直径の比について同様な数値範囲が成立すると考えられる。

次に、実験例２０について、説明する。ここで、図１２は、エラストマー−金属複合体３０の実験例２０の条件で処理された金属部材の表面のＳＥＭ写真である。具体的に実験例２０では、厚さ２ｍｍ×幅２５ｍｍ×長さ６０ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３１６Ｌ）の表面に対して、平均出力５０Ｗ、パルス幅１４０μ、パルス周波数５０ｋＨｚ、スポット直径３６μｍ、走査速度２００ｍｍ／ｓｅｃ、ライン間隔３６μｍでパルス発振のレーザー光を照射しながら４ライン分（図１２中の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）参照）走査することにより、ステンレス板の表面を処理した。そして、処理したステンレス板の表面の形状をＳＥＭ写真により観察した。ここで、レーザー装置としては、ＩＰＧ製のパルス発振−ファイバーレーザ（ＹＬＰ−１／１００／２０）を用いた。

実験結果としては、図１２のＳＥＭ写真に示すように、１及び２番目に走査したライン（ａ）及び（ｂ）では、複数の粒状体Ｇが積み重なった堆積構造Ｃが確認され、３及び４番目に走査したライン（ｃ）及び（ｄ）では、走査により形成された溝による凹凸形状が確認された。これにより、本実施形態の製造方法によれば、最初の走査によって、その走査ライン上の金属材料の表面が溶融して、溶融した金属材料を周囲に飛散させることにより、その走査ライン上に溝が形成され、その溝上には、それ以降の走査によって、溶融した金属材料が飛来して凝固することにより粒状体Ｇが形成されて、堆積構造Ｃが形成される、と考えられる。また、最初の走査によって、飛散して付着した粒状体の中には、それ以降の走査ライン上に飛散することもあるので、金属材料の表面の金属以外に、粒状体の溶融、飛散と堆積が繰り返され、最終的に粒状体の堆積構造が所望の範囲で形成される。図１２のＳＥＭ写真では、（ａ）及び（ｂ）が堆積構造となり、（ｃ）及び（ｄ）が溝による凹凸形状となっているが、これは、（ｄ）が、最終走査ラインであるからであり、（ｄ）以降も走査（パルス発振のレーザー光の照射）を継続すると、（ｃ）及び（ｄ）も（ａ）及び（ｂ）のように堆積構造となる、と考えされる。したがって、本実施形態の堆積構造Ｃにおいては、最初に走査した辺Ｅａ（図２参照）に沿う端部における複数の粒状体Ｇは、最後に走査した辺Ｅｂ（図２参照）に沿う端部における複数の粒状体Ｇよりも多くなる。なお、本実施形態の製造方法では、最初の走査ラインに沿ったパルス発振のレーザー光の照射により、金属表面に溝（図２では直線状、図３では円周状）が主に形成され、それ以降の走査ラインに沿ったパルス発振のレーザー光の照射により、粒状体Ｇの堆積構造Ｃが主に形成される、と考えられる。また、本実施形態の製造方法では、パルス発振のレーザー光の照射による溶融した金属材料の粒状体Ｇの飛散距離がその照射条件により決まるので、その照射条件が一定であれば、粒状体Ｇの飛散距離がある程度一定になる、と考えられる。そのため、粒状体Ｇは、金属部材１０の表面において、一定の飛散距離の範囲で堆積し、その飛散範囲を超えると堆積しないので、粒状体Ｇの堆積構造Ｃの高さは、一定になる、と考えられる。そうなると、金属部材１０の表面において、エラストマー部材２０に対して、安定した接合表面が形成されるので、金属部材１０とエラストマー部材２０との間に安定した接合強度を得ることができる。また、本実施形態の製造方法で形成される粒状体Ｇは、パルス発振のレーザー光の照射による溶融、飛散、付着、凝固してなる粒状体Ｇだけでなく、隣り合う粒状体Ｇがパルス発振のレーザー光の照射により溶融して合体したものも含むので、堆積構造Ｃでは、粒状体Ｇの平均直径でなく、１μｍ以上１００μｍ以下の範囲の直径の異なる粒状体Ｇが混在する。

以上説明したように、本実施形態のエラストマー−金属複合体３０及びその製造方法によれば、堆積構造形成工程において、金属部材１０の表面に対し、平均出力が２０Ｗ〜１００Ｗであり、パルス幅が８０ｎｓｅｃ〜１５０ｎｓｅｃであるパルス発振のレーザー光を３０μｍ〜６０μｍのスポット直径に集光し、パルス間隔がスポット直径の０．１倍〜０．４倍であるようにＸ方向に走査し、Ｙ方向への所定ピッチ（走査間隔）がスポット直径の０．１倍〜１．５倍であるように走査する。これにより、レーザー光Ｌの照射により溶融した金属部材１０の一部が周りにランダムに飛散して凝固することにより、複数の粒状体Ｇが不規則に積み重なった堆積構造Ｃを形成することができる。その後、接合成形工程において、堆積構造Ｃが形成された金属部材１０の表面にエラストマー組成物２０ｅを配置した後に、エラストマー組成物２０ｅを加熱及び加圧することにより、堆積構造Ｃにエラストマー組成物２０ｅを食い込ませると共にエラストマー組成物２０ｅを架橋して、堆積構造Ｃに接合されたエラストマー部材２０を形成する。そのため、金属部材１０の表面に積み重なった複数の粒状体Ｇの一部の集合とエラストマー部材２０との局所的な接合が金属部材１０の接合表面全体に不規則（ランダム）に配置する。これにより、金属部材１０とエラストマー部材２０との接合強度を金属部材１０の接合表面に沿う全方向で揃えることができるので、エラストマー−金属複合体３０において、エラストマー−金属の接合強度の面内異方性を抑制して、エラストマー−金属の接合強度を確保することができる。

また、本実施形態のエラストマー−金属複合体３０及びその製造方法によれば、金属部材１０がアルミニウム合金又は鉄合金により構成され、エラストマー組成物２０ｅが含フッ素エラストマー組成物であるので、一般的に接着剤で接着し難い含フッ素エラストマー組成物からなるエラストマー部材２０であっても、アルミニウム合金又は鉄合金からなる金属部材１０に接着剤を介さなくても強固に接合することができる。

また、本実施形態のエラストマー−金属複合体３０及びその製造方法によれば、パルス発振のレーザー光Ｌを用い、連続発振のレーザー光を用いないので、金属部材１０の熱変形を抑制することができ、また、シングルモードのレーザー光を用いないので、製造設備に要するコストを抑制することができる。

また、本実施形態のエラストマー−金属複合体３０及びその製造方法によれば、金属部材１０の照射領域Ｒに照射するレーザー光Ｌの１走査ライン当たりの走査回数が１回で済むので、レーザー光Ｌの照射時間を短くすることができる。

《その他の実施形態》
上記実施形態では、含フッ素エラストマー組成物を備えたエラストマー−金属複合体を例示したが、本発明は、これに限定されるものでなく、エラストマー部材は、例えば、シリコーンゴム組成物、ニトリルゴム組成物、エチレン−プロピレンゴム組成物等を架橋（加硫）したものでもよい。

以上説明したように、本発明は、エラストマー−金属複合体において、エラストマー−金属の接合強度の面内異方性を抑制することができるので、例えば、半導体製造装置用のゲートシール等について有用である。

Ｃ 堆積構造
Ｅａ 堆積構造の一方の辺
Ｅｂ 堆積構造の他方の辺
Ｇ 粒状体
Ｌ レーザー光
１０ 金属部材
２０ エラストマー部材
２０ｅ エラストマー組成物
３０ エラストマー−金属複合体

Claims (10)

1. 金属部材と、
   上記金属部材の表面に接合されたエラストマー部材とを備えたエラストマー−金属複合体であって、
   上記金属部材における上記エラストマー部材が接合された表面は、該金属部材からなる互いに直径の異なる複数の粒状体が不規則に積み重なった堆積構造を有していることを特徴とするエラストマー−金属複合体。
2. 請求項１に記載されたエラストマー−金属複合体において、
   上記金属部材は、アルミニウム合金又は鉄合金により構成され、
   上記エラストマー部材は、含フッ素エラストマー組成物により構成されていることを特徴とするエラストマー−金属複合体。
3. 請求項１又は２に記載されたエラストマー−金属複合体において、
   上記堆積構造は、１μｍ以上１００μｍ以下の直径を有する上記複数の粒状体を混在してなることを特徴とするエラストマー−金属複合体。
4. 請求項１〜３の何れか１つに記載されたエラストマー−金属複合体において、
   上記堆積構造は、平面視で互いに対向する一対の辺を有し、
   上記堆積構造の上記一対の辺の一方に沿う端部における上記複数の粒状体は、上記堆積構造の上記一対の辺の他方に沿う端部における上記複数の粒状体よりも多くなっていることを特徴とするエラストマー−金属複合体。
5. 請求項１〜３の何れか１つに記載されたエラストマー−金属複合体において、
   上記堆積構造は、平面視で円形状に形成され、
   上記堆積構造の径方向の一方の端部における上記複数の粒状体は、上記堆積構造の径方向の他方の端部における上記複数の粒状体よりも多くなっていることを特徴とするエラストマー−金属複合体。
6. 金属部材の表面にパルス発振のレーザー光を該金属部材の表面に沿う第１の方向に走査しながら照射することにより、上記金属部材の表面を上記第１の方向に交差する該金属部材の表面に沿う第２の方向に所定ピッチで１走査単位ずつ処理して、上記金属部材の表面に該金属部材からなる複数の粒状体の堆積構造を形成する堆積構造形成工程と、
   上記堆積構造にエラストマー組成物を配置した後に、該エラストマー組成物を加熱及び加圧することにより、上記堆積構造に該エラストマー組成物を食い込ませると共に該エラストマー組成物を架橋して、上記堆積構造に接合されたエラストマー部材を形成する接合成形工程とを備えるエラストマー−金属複合体の製造方法であって、
   上記堆積構造形成工程では、平均出力が２０Ｗ〜１００Ｗであり、パルス幅が８０ｎｓｅｃ〜１５０ｎｓｅｃであり、上記金属部材の表面に集光したスポット直径が３０μｍ〜６０μｍであり、パルス間隔が上記スポット直径の０．１倍〜０．４倍であり、上記所定ピッチが上記スポット直径の０．１倍〜１．５倍であるように、上記レーザー光を照射することにより、互いに直径の異なる上記複数の粒状体が不規則に積み重なった上記堆積構造を形成することを特徴とするエラストマー−金属複合体の製造方法。
7. 金属部材の表面にパルス発振のレーザー光を該金属部材の表面に沿う第１の方向に走査しながら照射することにより、上記金属部材の表面を上記第１の方向に交差する該金属部材の表面に沿う第２の方向に所定ピッチで１走査単位ずつ処理して、上記金属部材の表面に該金属部材からなる複数の粒状体の堆積構造を形成する堆積構造形成工程と、
   上記堆積構造に溶融したエラストマー組成物を圧入した後に、該エラストマー組成物を架橋することにより、上記堆積構造に接合されたエラストマー部材を形成する圧入架橋工程とを備えるエラストマー−金属複合体の製造方法であって、
   上記堆積構造形成工程では、平均出力が２０Ｗ〜１００Ｗであり、パルス幅が８０ｎｓｅｃ〜１５０ｎｓｅｃであり、上記金属部材の表面に集光したスポット直径が３０μｍ〜６０μｍであり、パルス間隔が上記スポット直径の０．１倍〜０．４倍であり、上記所定ピッチが上記スポット直径の０．１倍〜１．５倍であるように、上記レーザー光を照射することにより、互いに直径の異なる上記複数の粒状体が不規則に積み重なった上記堆積構造を形成することを特徴とするエラストマー−金属複合体の製造方法。
8. 請求項６又は７に記載されたエラストマー−金属複合体の製造方法において、
   上記金属部材は、アルミニウム合金又は鉄合金により構成され、
   上記エラストマー組成物は、含フッ素エラストマー組成物であることを特徴とするエラストマー−金属複合体の製造方法。
9. 請求項６〜８の何れか１つに記載されたエラストマー−金属複合体の製造方法において、
   上記第１の方向は、上記金属部材の表面において、直線状に延びていることを特徴とするエラストマー−金属複合体の製造方法。
10. 請求項６〜８の何れか１つに記載されたエラストマー−金属複合体の製造方法において、
    上記第１の方向は、上記金属部材の表面において、曲線状に延びていることを特徴とするエラストマー−金属複合体の製造方法。