JP2019126989A

JP2019126989A - 金属／樹脂接合体

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Publication number: JP2019126989A
Application number: JP2018010977A
Authority: JP
Inventors: 房郎北條; Fusao Hojo; 佐竹　弘之; Hiroyuki Satake; 弘之佐竹; 正浩三宅; Masahiro Miyake; 亮吉沢; Akira Yoshizawa; 祐典望月; Yusuke Mochizuki; 優太前野; Yuta Maeno; 孝一小宅; Koichi Koyake; 義正藤井; Yoshimasa Fujii
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2018-01-25
Filing date: 2018-01-25
Publication date: 2019-08-01

Abstract

【課題】特定方向から作用する負荷に対する接合部の接合強度を高めた金属／樹脂接合体を提供することを目的とする。【解決手段】金属体２００Ａと樹脂体１０１とが接合された金属／樹脂接合体１００であって、金属体２００Ａは、樹脂体１０１との接合面１０３に形成された複数の凹部と、前記複数の凹部の各々の開口辺縁に形成され、樹脂体１０１に埋設された第１の突起部と、前記第１の突起部より高さの低い、樹脂体１０１に埋設された複数の第２の突起部とを有し、前記複数の第１の突起部のうち少なくとも１つは、接合面１０３に平行な第１の軸に沿う壁面を有する突起部であることを特徴とする。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、金属体と樹脂体とが接合されてなる金属／樹脂接合体に関する発明である。

従来の金属／樹脂接合体として、特許文献１には、金属成形体と樹脂成形体が接合された複合成形体であって、前記金属成形体が、レーザー光の照射により接合面に形成された独立した細孔の組み合わせからなる細孔群を有しており、前記細孔群が、それぞれの開口部の周囲の面上に形成された突起群を有しているものであり、前記複合成形体が、前記金属成形体が有している細孔群内に樹脂が入り込み、さらに前記突起群が樹脂に埋設された状態で接合されている複合成形体が開示されている。そして、特許文献１には、レーザー照射により形成される突起群（バリ）が複合成形体の接着強度向上に有効であること、バリの高さが大きくなり、量が多くなると、接合強度が大きくなり、逆にバリの高さが小さくなり、量が少なくなると、接合強度が小さくなることが記載されている。

特開２０１４−６５２８８号公報

ここで、金属体と樹脂体とが接合されてなる金属／樹脂接合体（以下、単に接合体という場合がある）の場合、必ずしも樹脂体と金属体の接合部に均等に負荷が加わるとは限らず、特定の方向からより過大な負荷が加わる場合が多い。そこで、特定の方向から作用する負荷に対して、他の方向よりも接着強度を高める必要があるが、特許文献１の複合成形体（接合体）では、この要請に対応できないという問題があった。

そこで本発明は、特定方向から作用する負荷に対する接合部の接合強度を高めた金属／樹脂接合体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、金属体と樹脂体とが接合された金属／樹脂接合体であって、前記金属体は、前記樹脂体との接合面に形成された複数の凹部と、前記複数の凹部の各々の開口辺縁に形成され、前記樹脂体に埋設された第１の突起部と、前記第１の突起部より高さの低い、前記樹脂体に埋設された複数の第２の突起部とを有し、前記複数の第１の突起部のうち少なくとも１つは、前記接合面に平行な第１の軸に沿う壁面を有する突起部であることを特徴とする。

本発明によれば、特定方向から作用する負荷に対する接合部の接合強度を高めた金属／樹脂接合体を提供することができる。なお、本発明に係る好ましい形態又は他の形態の効果については、下記の実施形態の項で、詳細に説明する。

本発明の第１の実施形態に係る金属／樹脂接合体の側面図である。図１Ａを上方から見た平面図である。本発明の第１の実施形態に係る金属／樹脂接合体を構成する金属体の表面を示す部分拡大斜視図である。図２の平面図である。クロスハッチングの部位は、第１の突起部２０３を表し、灰色の部位は、第２の突起部２０４を表す。図３におけるＡ−Ａ矢視図である。図２の金属体の形成方法を説明するための図である。図２の金属体の形成方法を説明するための別の図である。本発明の第２の実施形態に係る金属／樹脂接合体を構成する金属体の平面図である。図６の金属体の形成方法を説明するための図である。図６の金属体の形成方法を説明するための別の図である。図６の金属体の形成方法を説明するためのさらに別の図である。本発明の第３の実施形態に係る金属／樹脂接合体を構成する金属体の平面図である。本発明の第４の実施形態に係る金属／樹脂接合体を構成する金属体の拡大断面図である。実施例の金属体の第１の溝及び第１の突起部の断面のＳＥＭ観察結果を示す図である。実施例の金属体の第２の溝及び第２の突起部の断面のＳＥＭ観察結果を示す図である。実施例の金属／樹脂接合体の接合部断面のＳＥＭ観察結果を示す図である。比較例の金属体の第１の溝及び突起部の断面のＳＥＭ観察結果を示す図である。比較例の金属／樹脂接合体の接合部断面のＳＥＭ観察結果を示す図である。

本発明に係る金属／樹脂接合体は、例えば、樹脂を含む接着剤を介して間接的に樹脂体と金属体を接合する方法や、インサート成形等により溶融した樹脂（樹脂体）を直接的に金属体と接合する方法によって製造することができる。そして、本発明に係る接合体は、金属体における樹脂体との接合面に複数の凹部が形成されている。この凹部に樹脂が入り込むことで金属体と樹脂体とが接合されるが、当該凹部による接合面の表面積の増加やアンカー効果により、接合体の接合強度を高めることができる。なお、以下の説明において、接着剤を介して樹脂体と金属体とを接合する場合には、接着剤により形成される接着層は、樹脂体を構成する要素であるものとする。

また、本発明に係る接合体は、前記複数の凹部の各々の開口辺縁に形成された複数の第１の突起部、及び、前記第１の突起部より高さの低い複数の第２の突起部を有している。すなわち、接合体において、第１の突起部及び第２の突起部は、いずれも接合面に作用する負荷に対し抗するように、樹脂体に埋設された状態となっている。そして、前記複数の第１の突起部のうち少なくとも１つは、前記接合面に平行な第１の軸に沿う壁面を有する、具体的には壁状の突起部である。しかして、特定の方向から作用するより大きな負荷へ対向するよう、第１の突起部を配置することにより、特定の方向から作用するより大きな負荷に対する接合部の強度を高めることができる。なお、第２の突起部の高さを適宜設定することにより、他の方向から作用する負荷にも耐え得る接合体を構成することができる。

一方、上述の特許文献１には、特定の方向から作用する負荷に対する接合強度を高めることに関する開示は無い。なお、特許文献１に記載の発明において、特定の方向から作用する負荷に対応できるようにする場合、突起群（本発明における第１の突起部、第２の突起部に相当する）全体の高さを高くすることが考えられる。しかしながら、レーザー加工で溝（本発明における凹部に相当する）を削孔し、当該溝の開口部の両側辺に突起群を形成する場合、突起群全体の高さを高くするためには、溝の深さを深くしなければならない。この溝（凹部）の深さが深くなると、樹脂体と金属体を接合する際に金属体の接合面の溝に樹脂が含侵しづらく、溝の先端部に空孔（ボイド）が形成される原因となる。溝に含浸した樹脂に空孔が形成されると、空孔内部の空気が熱サイクルにより膨張収縮して樹脂に亀裂を生じせしめたり、空孔に水分が吸収されて樹脂を劣化せしめたりする等、樹脂の耐久性の低下という問題を招く。この点、本発明に係る接合体では、特定の方向から作用する負荷に対し抗するように第１の突起部を配置して接合部の接合強度を向上させるとともに、以下詳細に説明するように、凹部の深さを相対的に浅くすることにより、上記特許文献１の問題を解消している。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

［第１の実施形態］
本発明に係る金属／樹脂接合体の第１の実施形態について、図１Ａ〜図４を参照して説明する。図１Ａは、金属／樹脂接合体の側面図、図１Ｂは図１Ａを上方から見た平面図、図２は接合体を構成する金属体の表面を示す部分拡大斜視図、図３は図２の平面図、図４は図３におけるＡ−Ａ矢視図である。なお、図３では、第１の突起部及び第２の突起部が明確に理解できるよう、第１の突起部が存在する部分をクロスハッチで、第２の突起部が存在する部分を灰色で示している（以下の図５Ａ〜８についても同様）。また、本実施形態に係る接合体は、いずれも直方体の金属体及び樹脂体が接合された形状であるが、金属／樹脂接合体は、例えば自動車のタイヤにおけるホイール等、実際の用途に応じて様々な形状を取り得るのであり、図１Ａ及び図１Ｂの形態に限定されないことは無論である。

図１Ａ及び図１Ｂに示すように、本実施形態に係る接合体１００は、樹脂体１０１と金属体２００Ａとが各々の接合面１０３及び１０４において接合されてなる接合体である。

樹脂体１０１は、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂から構成される成形体であり、特に内部に繊維を含んだ繊維強化樹脂から構成される成形体であることが好ましい。この繊維としては、短繊維、チョップド繊維、長繊維、連続繊維、不織布、織布、編布等の種々の形態の繊維を用いることができる。また、繊維の材質は有機繊維、無機繊維、金属繊維等を用いることができ、具体的にはガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、ナイロン繊維、セラミック繊維等を用いることができる。繊維強化樹脂におけるマトリックス樹脂としては、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂が適用可能である。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂及び不飽和ポリエステル樹脂等を用いることができる。熱可塑性樹脂としては、特に限定されるものではなく、加熱溶融する樹脂であれば用いることができる。例えば、ポリアミド、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル、ＡＢＳ、ナイロン、ポリフェニレンエーテル、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリブチレンテレフタレート等を用いることができる。

金属体２００Ａとしては、金属体の表面に凹凸形状を形成することができる金属であれば良く、例えば、鉄、銅、アルミニウム、マグネシウム、チタンや、それらを主成分とする合金を用いることができ、圧延、押出、鋳造、ダイカスト等各種製造方法により形成されたもの等を用いることができる。

図２〜図４に示すように、金属体２００Ａの接合面１０３には、複数の凹部である溝２０１、２０２が形成されている。本実施形態においては、溝２０１、溝２０２はそれぞれ、略一定間隔で平行に形成された複数本の溝２０１ａ〜ｄ、溝２０２ａ〜ｃである。なお、溝（以下、第１の溝という）２０１は、第１の軸２０５に沿う方向に形成されており、溝（以下、第２の溝という）２０２は、第２の軸２０６に沿う方向に形成されている。そして、第１の溝（凹部）２０１ａ〜ｄの各々の開口辺縁には、第１の突起部２０３が立設されている。同様に、第２の溝（凹部）２０２ａ〜ｃの各々の開口辺縁にも、第２の突起部２０４が立設されており、図４に示すように、接合面１０３を基準とする第２の突起部２０４の高さＨ_２は、第１の突起部２０３の高さＨ_１に比べて低く形成されている。

第１の突起部２０３は、接合面１０３に平行な第１の軸２０５に沿う壁面２０９を有する、具体的には壁状の突起部である。なお、本明細書において、「第１（第２）の軸に沿う」とは、図２及び図３において各々一本のみ描かれた第１の軸２０５及び第２の軸２０６上に重なって位置する意味ではなく、第１の軸２０５及び第２の軸２０６から離れた位置で、第１の軸２０５及び第２の軸２０６と並行することを意味する。そして、本実施形態においては、図２及び図３に示すように、壁状の第１の突起部２０３の少なくとも２つ（図２及び図３では、各列４つ）が、第１の軸２０５に沿って隣接するように設けられている。このように、第１の突起部２０３の形状が異方性を有し、特定の方向に対向して壁面２０９を有することにより、その特定方向に作用する負荷に対して接合部の接合強度を高めることができる。

特に、図３に示すように、第１の軸２０５は、接合体１００の具体的な用途を考慮し、接合面１０３に平行に作用する応力の方向を推測し、そのうち最大の応力が加わる方向に対して直交するような向きを選択することが好ましい。これにより、第１の軸２０５に沿い配置された第１の突起部２０３の壁面が最大応力が作用する方向に対して抗うこととなり、特定方向への大きな負荷に対する接合強度の向上効果が最大限に発揮される。

本実施形態においては、第２の突起部２０４も同様に、接合面１０３に平行でかつ第１の軸２０５と交差する第２の軸２０６に沿う壁面を有する突起部である。これにより、第１の軸２０５のみならず、第２の軸２０６に直交する方向に加わる応力に対しても、第２の突起部２０４の壁面が抗い、接合強度が向上する。第２の突起部２０４の高さＨ_２は、第１の突起部２０３の高さＨ_１に比べて低いため、第２の突起部２０４を設けるために形成する第２の溝２０２の深さＤ_２（図示せず）が小さくて良い場合もある。この場合には、接合面１０３上の第２の溝２０２を形成するための平均的な除去量を抑制すると同時に、特定方向の負荷に対向する第１の突起部２０３の高さＨ_１を大きくすることができ、また、より深い溝において発生し得るボイドの可能性も低減できる点で、本実施形態に係る接合体は、従来の接合体に比べて優位である。

第１の溝２０１ａ〜ｄの間隔Ｌ_１及び第２の溝２０２ａ〜ｃの間隔Ｌ_２については、間隔Ｌ_１及びＬ_２が短ければ短いほど接合強度は高くなり、間隔Ｌ_１及びＬ_２が長ければ接合強度は低くなる。しかし、例えば、レーザー照射によって形成する溝同士の間隔Ｌ_１及びＬ_２が極端に短過ぎると、第１の突起部２０３又は第２の突起部２０４同士が干渉し、樹脂が浸透しにくい空間が形成されるため、接合強度がむしろ低くなる場合がある。したがって、第１の溝２０１ａ〜ｄ及び第２の溝２０２ａ〜ｃの相互の間隔Ｌ_１及びＬ_２は、望ましくは、５０μｍ以上１０００μｍ以下である。なお、本実施形態の第１の溝２０１ａ〜ｄの間隔Ｌ_１、第２の溝２０２ａ〜ｃの間隔Ｌ_２は各々同一であるが、異なっていても良い。

第１の突起部２０３の高さＨ_１は、高過ぎると破損し易くなる。また、高さＨ_１が低過ぎると負荷に対して接合強度を高める効果が十分に現れないため、これらを考慮して適宜設定される。望ましくは、第１の突起部２０３の高さＨ_１は、１μｍ以上１０００μｍ以下である。

第１の溝（凹部）２０１の深さＤ_１は、小さ過ぎると接合強度を十分に高くできず、逆に大き過ぎると樹脂が含浸しにくくなりボイドが形成され易くなる。望ましくは、深さＤ_１は、１μｍ以上１０００μｍ以下であり、さらに望ましくは５μｍ以上５００μｍ以下である。

そして、本発明の一つの特徴は、下記詳述する特定のレーザー加工方法で、第１の溝２０１及び第２の溝２０２を形成することにより、第１の溝２０１の深さＤ_１に対する第１の突起部２０３の高さＨ_１の比Ｈ_１／Ｄ_１を従来よりも高めた点にある。すなわち、Ｈ_１／Ｄ_１を従来よりも高めることにより、従来と同一の高さＨ_１を有する第１の突起部２０３であれば、従来よりも深さＤ_１が浅い第１の溝（凹部）２０１を形成することができ、第１の溝（凹部）２０１の深さＤ_１が過大になることに伴い発生するボイドの問題を抑制できる。具体的には、Ｈ_１／Ｄ_１の値は、１．０以上とすることが望ましく、より望ましくは１．２以上である。なお、第１の突起部２０３の高さＨ_１、及び第１の溝２０１の深さＤ_１は、接合面１０３上の任意の２０箇所において測定した値の平均値をいう。

また、第２の突起部２０４の高さＨ_２は、第１の突起部２０３の高さＨ_１より低いことを条件として適宜設定される。望ましくは、０．７μｍ以上５００μｍ以下である。

第２の溝（凹部）２０２の深さＤ_２（図示せず）は、第１の溝（凹部）２０１の深さＤ_１と同様に、小さ過ぎると接合強度を十分に高くできず、逆に大き過ぎると樹脂が含浸しにくくなりボイドが形成され易くため、これらのバランスを考慮して適宜設定される。望ましくは、１μｍ以上１０００μｍ以下であり、さらに望ましくは５μｍ以上５００μｍ以下である。

さらに、第２の突起部２０４の高さＨ_２、及び第２の溝２０２の深さＤ_２（図示せず）について、Ｈ_２／Ｄ_２の値は、０．１以上とすることが望ましく、より望ましくは０．５以上である。第２の突起部２０４の高さＨ_２、及び第２の溝２０２の深さＤ_２は、接合面１０３上の任意の２０箇所において測定した値の平均値をいう。

なお、上記第１の突起部２０３、第２の突起部２０４並びに第１の溝（凹部）２０１及び第２の溝（凹部）２０２の凹凸形状（高さや深さ）は、例えば、レーザーや触針法による形状測定や断面のＳＥＭ写真により観測・測定することができる。

第１の突起部２０３及び第２の突起部２０４を各々の開口辺縁に有する第１の溝２０１及び第２の溝２０２の形成方法は特段限定されないが、好ましくはレーザー加工で形成できる。使用するレーザーとしては公知のレーザーを使用することができ、例えば、ＹＶＯ４レーザー、ＹＡＧレーザー、ファイバーレーザー、ＣＯ_２レーザー、半導体レーザー、エキシマレーザー等を使用することができる。レーザーを照射する際の照射条件、例えば、出力、周波数、波長、ビーム径等は、金属体２００Ａの材質や、必要とされる接合強度等に応じて適宜設定することができる。

レーザーで第１の溝２０１及び第２の溝２０２を形成する場合には、例えば、第１の軸２０５に沿う走査方向に沿って同一箇所を繰り返しレーザー照射して第１の溝２０１を加工した後、第１の軸２０５と交差する第２の軸２０６に沿う走査方向について同一箇所を繰り返しレーザー照射して第２の溝２０２を加工することによって形成することができる。そして、第２の突起部２０４の高さＨ_２を第１の突起部２０３の高さＨ_１より小さくするには、第１の溝２０１を形成するためのレーザー照射回数よりも第２の溝２０２を形成するためのレーザー照射回数を少なくしたり、第１の溝２０１を形成するためのレーザー照射強度よりも第２の溝２０２を形成するためのレーザー照射強度を小さくする等の適宜手段を採用して行うことができる。

また、レーザーをスキャンせずに一ヶ所に複数回、照射角度を付けてレーザー照射し、場所を変えてこれを繰り返すことによっても、第１の突起部２０３及び第２の突起部２０４を形成することができる。

一方で、本願発明者らは、特定の方法で交差する第１の溝２０１及び第２の溝２０２をレーザー加工して各々の開口辺縁に突起部を形成すると、後に加工した溝に沿って形成された突起部が、先に加工した溝に沿って形成される突起部よりも高くなることを知見した。以下、当該知見に基づく第１実施形態の金属体２００Ａにおける第１の突起部２０３、第２の突起部２０４の形成方法を具体的に説明する。本実施形態の形成方法は、第２の軸２０６に沿う方向に配置される複数の第２の溝２０２を形成する溝形成工程１と、第１の軸２０５に沿う方向に配置される複数の第１の溝２０１を形成する溝形成工程２とを有し、溝形成工程１の後に溝形成工程２を行う点に特徴がある。すなわち、本実施形態の形成方法では、このように溝形成工程１の後に溝形成工程２を実施することにより、例えば溝形成工程１と溝形成工程２の加工条件が同一である場合（つまり第１の溝と第２の溝の深さが同程度である場合）でも、溝形成工程２で形成される第１の突起部２０３が、溝形成工程２より先の溝形成工程１で形成される第２の突起部２０４よりも高くなるのである。

第２の溝２０２を形成する溝形成工程１について、図５Ａを参照しつつ説明する。溝形成工程１では、同じ位置で繰り返して複数回（ｎ回）レーザーを走査しながら照射することにより、浅い溝（前駆溝）を重複させて所定の深さを有する第２の溝２０２ａ〜ｃを形成する。例えば、第２の溝２０２ａは、以下のようにして形成される。まず、第２の溝２０２ａが形成されるべき位置にレーザーが照射されるよう位置決めし、第２の軸２０６に沿う方向にレーザーを走査しながら照射し、最初の前駆溝（この最初の前駆溝を１次溝という）２０２ａ−１を形成する。次いで、１次溝２０２ａ−１と同じ位置でレーザーを照射し、１次溝２０２ａ−１に重複するよう２つ目の前駆溝（１次溝に重複する２つ目の前駆溝を２次溝という、以下３つ目以降の前駆溝について同じ）２０２ａ−２を形成する。２次溝２０２ａ−２以降、所定回数（ｎ回）までレーザーの走査を繰り返し、３次溝〜ｎ次溝を重複させながら形成して徐々に溝の深さを深くしていき、ｎ次溝２０２ａ−ｎに達した段階で、所望の深さを有する第２の溝２０２ａが形成される。そして、形成された第２の溝２０２ａの開口辺縁には、第２の突起部２０４が形成されている。

上記のように第２の溝２０２ａを最初に形成した後、次の第２の溝２０２ｂを形成する。すなわち、第２の溝２０２ａから間隔Ｌ_２だけ離れた第２の溝２０２ｂが形成されるべき位置で、上記第２の溝２０２ａと同様にレーザー照射を繰り返し、１次溝２０２ｂ−１からｎ次溝２０２ｂ−ｎまで重複するよう加工し、第２の溝２０２ｂを形成するとともにその開口辺縁に第２の突起部２０４を形成する。そして第２の溝２０２ｂに引き続き、上記の操作を間隔Ｌ_２ごとに繰り返し行うことにより、金属体２００Ａの接合面１０３に、第２の溝２０２ｃ等、各々の開口辺縁に第２の突起部２０４を有する複数の第２の溝を形成する。

なお、本実施形態の溝形成工程１では、第２の溝２０２ａ〜ｃを、第２の溝２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃの順序で形成しているが、この順序を入れ替えても支障は無い。また、第２の溝２０２ａ〜ｃを１つ毎に最終的な深さになるまで形成するのではなく、まず１次溝を接合面１０３の全面に形成し、その後、１次溝に重複するように、接合面１０３の全面に対する２次溝〜ｎ次溝の形成を繰り返しても良い。（次に説明する、溝形成工程２でも同様である。）

上記溝形成工程１の後に行う、第１の溝２０１を形成する溝形成工程２について、図５Ｂを参照しつつ説明する。溝形成工程２でも、溝形成工程１と同様に、同じ位置で繰り返して複数回（ｎ回）レーザーを走査しながら照射することにより、前駆溝を重複させて所定の深さを有する第１の溝２０１ａ〜ｄを形成する。例えば、第１の溝２０１ａは、以下のようにして形成される。まず、第１の溝２０１ａが形成されるべき位置にレーザーが照射されるよう位置決めし、第１の軸２０５に沿う方向にレーザーを走査しながら照射し、１次溝２０１ａ−１を形成する。次いで、１次溝２０１ａ−１と同じ位置でレーザーを照射し、１次溝２０１ａ−１に重複するよう２次溝２０１ａ−２を形成する。２次溝２０１ａ−２以降、所定回数（ｎ回）までレーザー走査を繰り返して徐々に溝の深さを深くしていき、ｎ次溝２０１ａ−ｎに達した段階で、所望の深さを有する第１の溝２０１ａが形成される。そして、形成された第１の溝２０１ａの開口辺縁には、第１の軸２０５に沿う壁面を有する第１の突起部２０３が形成されている。

上記のように第１の溝２０１ａを最初に形成した後、次の第１の溝２０１ｂを形成する。すなわち、第１の溝２０１ａから間隔Ｌ_１だけ離れた第１の溝２０１ｂが形成されるべき位置で、上記第１の溝２０１ａと同様にレーザー照射を繰り返し、１次溝２０１ｂ−１からｎ次溝２０１ｂ−ｎまで重複するよう加工し、第１の溝２０１ｂを形成するとともにその開口辺縁に第１の突起部２０３を形成する。そして第１の溝２０１ｂに引き続き、上記の操作を間隔Ｌ_１ごとに繰り返し行うことにより、金属体２００Ａの接合面１０３に、第１の溝２０１ｃ、２０１ｄ等、各々の開口辺縁に第１の軸２０５に沿う壁面が形成された第１の突起部２０３を有する複数の第１の溝を形成する。なお、上記の方法により形成された第１の突起部２０３及び第２の突起部２０４は、互いの端部で隣接するよう配置されている。

上記のように本実施形態の形成方法は、溝形成工程１と溝形成工程２とを行う方法であり、すなわち、（１）第１の溝２０１ａ〜ｄと第２の溝２０２ａ〜ｃとが交差するように形成するとともに、（２）第１の突起部２０３を開口辺縁に有する第１の溝２０１ａ〜ｄを、第２の突起部２０４を開口辺縁に有する第２の溝２０２ａ〜ｃの後に形成するものである。この形成方法により第１の溝２０１ａ〜ｄと第２の溝２０２ａ〜ｃとを形成することで、理由は明らかではないが、同一条件で加工した場合でも、隣接する第１の突起部２０３及び第２の突起部２０４は、後に形成された第１の突起部２０３の高さが、先に形成された第２の突起部２０４より高くなるのである。すなわち、上記した加工方法でレーザー加工することにより、下記の実施例で形成した第１の突起部及び第２の突起部の断面のＳＥＭ写真である図１０及び図１１に示すように、同一条件でレーザー加工された第１の溝及び第２の溝の深さはそれぞれ３７．８μｍ及び３６．２μｍとほぼ同一であるが、第１の突起部の高さは５４．４μｍとなり、３６．２μｍであった第２の突起部の高さに比べて高いことが確認された。また、このことから第１の溝の深さＤ_１に対する第１の突起部の高さＨ_１の比Ｈ_１／Ｄ_１を、従来に比べて高めることができ、充填された樹脂におけるボイドの発生が抑制される程度の深さを有する第１の溝であっても、充分な高さの第１の突起部を形成できることも知見された。

なお、第１の溝２０１及び第２の溝２０２の加工条件は、樹脂体と金属体との必要とされる接合強度を実現するため、各々の溝深さ並びに第１の突起部及び第２の突起部の高さが所望の大きさとなるよう、適宜調整すれば良い。例えば、第２の溝２０２を形成するためのレーザーの走査回数（ｎ）を第１の溝２０１よりも少なくし、または、第２の溝２０２を形成するためのレーザーの強度を第１の溝２０１よりも小さくし、第２の溝２０２の深さＤ_２を、第１の溝２０１の深さＤ_１よりも浅くするとともに、第２の突起部２０４の高さＨ_２をより低くしても良い。

樹脂体１０１と金属体２００Ａとを接着剤により接合する場合、レーザー照射により形成された金属体２００Ａの接合面の凹凸に接着剤を含侵、硬化させることにより樹脂体１０１と金属体２００Ａとを接合することができる。

接着剤としては、熱硬化系接着剤、熱可塑性接着剤、ゴム系接着剤や、無機系の接着剤を用いることができるが、その中でもエポキシ系接着剤、ウレタン系接着剤、アクリル系接着剤、シアノアクリレート系接着剤、フェノール系接着剤等の熱硬化系接着剤が好ましく用いられる。エポキシ系接着剤としては、一液硬化型接着剤や二液硬化型接着剤を用いることができる。また、繊維強化樹脂のマトリックス樹脂として熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を用いる場合、接着剤を用いず、繊維強化樹脂を成形する際に金属体を一体成形する方法（インサート成形）によっても樹脂体と金属体との接合を行うことができる。この場合、繊維強化樹脂のマトリックス樹脂がレーザー照射により形成された金属体表面の凹凸に含侵、硬化することにより繊維強化樹脂からなる樹脂体と金属体とを接合することができる。

［第２の実施形態］
続いて、本発明に係る金属／樹脂接合体の第２の実施形態を、図６に基づき説明する。図６は、金属／樹脂接合体を構成する金属体２００Ｂの平面図である。

本実施形態においては、第１の実施形態と同様に、複数の第１の突起部２０３のうち少なくとも１つは、接合面１０３に平行な第１の軸２０５に沿う壁面を有する突起部である。そして、複数の第１の突起部２０３のうち別の少なくとも１つは、接合面１０３に平行でかつ第１の軸２０５と交差する第２の軸２０６に沿う壁面を有する突起部になっている。すなわち、接合面１０３上に、壁面が第１の軸２０５に沿っている第１の突起部２０３と、壁面が第２の軸２０６に沿っている第１の突起部２０３とが存在する。

例えば、図６に示すように、金属体と樹脂体とを結合するためのボルト孔２０７Ｂが接合面１０３上に設けられている場合には、壁面が第１の軸２０５に沿っている第１の突起部２０３と、壁面が第２の軸２０６に沿っている第１の突起部２０３とによってボルト孔２０７Ｂを４方向から囲むように金属体２００Ｂの凹凸形状を設計することができる。ボルト孔に対しては一方向のみでなく他方向からも応力が作用する場合もあり、他方向から作用する負荷にも耐え得る接合部を得ることができる。

上記第２実施形態の金属体２００Ｂの形成方法について、図７Ａ〜Ｃを参照して説明する。第２実施形態の金属体２００Ｂの形成方法は、第１実施形態の金属体２００Ａと同様であり、（１）２つの溝が交差するように形成するとともに、（２）第１の突起部を開口辺縁に有する溝を第２の突起部を開口辺縁に有する溝の後に形成する、ことを基本とする。

すなわち、図７Ａに示すように、まず、第２の突起部２０４を有する第１の溝２０１ｂ及び２０１ｃを形成する。具体的には、上記第１実施形態の形成方法と同様に、レーザー照射を繰り返し、１次溝２０１ｂ−１（２０１ｃ−１）からｎ次溝２０１ｂ−ｎ（２０１ｃ−ｎ）まで重複するよう加工し、第１の溝２０１ｂ及び２０１ｃを形成するとともに、その開口辺縁に第２の突起部２０４を形成する（溝形成工程１）。

次いで、第２の軸２０６に沿う壁面を有する第１の突起部２０３を形成するため、図７Ｂに示すように、上記第１実施形態の形成方法と同様にして、１次溝２０２ａ−１〜２０２ｄ−１からｎ次溝２０２ａ−ｎ〜２０２ｄ−ｎまで重複するようレーザー加工し、第２の溝２０２ａ〜２０２ｄを形成する（溝形成工程２）。溝形成工程２で形成された第２の溝２０２ａ〜２０２ｄの各々の開口辺縁には第１の突起部２０３が形成されるが、当該第１の突起部２０３のうち溝加工工程１で形成された第２の突起部２０４に隣接する一定領域の高さは、当該第２の突起部２０４よりも高くなっている。

そして、第１の軸２０５に沿う壁面を有する第１の突起部２０３を形成するため、図７Ｃに示すように、上記第１実施形態の形成方法と同様にして、１次溝２０１ａ−１（２０１ｄ−１）からｎ次溝２０１ａ−ｎ（２０１ｄ−ｎ）まで重複するようレーザー加工し、第１の溝２０１ａ及び２０１ｄを形成する（溝形成工程３）。溝形成工程３で形成された第１の溝２０１ａ及び２０１ｄの各々の開口辺縁には第１の突起部２０３が形成されるが、溝形成工程２で形成された第２の突起部２０４に隣接する第１の突起部２０３の高さは、当該第２の突起部２０４よりも高くなっている。以上により、第２実施形態の構成を有する金属体２００Ｂが形成される。

［第３の実施形態］
次に、本発明に係る金属／樹脂接合体の第３の実施形態を、図８に基づき説明する。図８は、金属／樹脂接合体を構成する金属体２００Ｃの平面図である。

この実施形態では、第１の突起部２０３及び第２の突起部２０４が、第１及び第２の実施形態のように接合面１０３の全体にわたって均一に設けられるのではなく、局所的に設けられている。この場合も、第１の突起部２０３の壁面を、接合面１０３に加わる負荷に対して対向するように構成することで、特定方向における接合強度を高めることができる。また、第１の突起部２０３及び第２の突起部２０４を局所的に設けることで、レーザー光により除去する量を全体的に低減でき、ボイドの発生をより抑制することができる。

［第４の実施形態］
さらに、本発明に係る金属／樹脂接合体の第４の実施形態を図９に示す。図９は、第１の実施形態における図４に対応する、金属体２００Ｄの拡大断面図である。

本実施形態では、凹部が、第１〜第３実施形態のように溝ではなく、ドット状の孔２０８として接合面１０３に形成されている。ドット状の孔２０８の各々の開口辺縁には、第１の突起部２０３と、第１の突起部２０３よりも高さの低い第２の突起部２０４とが形成されている。このような高さの異なる第１の突起部２０３及び第２の突起部２０４は、例えば、ドット状の孔２０８をレーザー照射により形成する際に、複数の方向からレーザー光を照射し、方向によってレーザーの強度、照射時間等を変えて除去することによって得ることができる。

また、図９に示すように、本実施形態においては、孔２０８は有底孔（平らな底部を有する孔）になっている。本実施形態においても、上記実施形態と同様に、特定の方向から作用するより大きな負荷へ対向するよう、第１の突起部２０３を配置することにより、特定の方向から作用する大きな負荷に対する接合部の強度を高めることができる。また、第２の突起部２０４の高さを適宜設定することにより、他の方向から作用する負荷にも耐え得る接合体を構成することができる。

以上の第２〜第４の実施形態において、金属体及び樹脂体の構成等、その他の構成については第１の実施形態に準ずる。また、第１〜第３の実施形態における溝２０１、２０２の先端を、第４の実施形態のように有底孔になるよう形成しても良い。

（実施例）
実施例は、図２〜５Ｂを参照し説明した第１実施形態の金属体を使用し、金属／樹脂接合体を作製した例である。縦：１００ｍｍ×横：２０ｍｍ×厚さ：２．５ｍｍの大きさを有する、アルミニウム（材質：ＪＩＳ−ＡＣ４ＣＨ）からなる金属体を準備した。その１００ｍｍ×２０ｍｍの表面の１２．５ｍｍ×２０ｍｍの範囲に設定した接合面１０３に、図５Ａに示すように、当該接合面１０３と平行になるよう設定した第２の軸２０６に沿って下記の条件でレーザー照射を行った（溝形成工程１）。なお、接合面１０３にはＬ_２が１００μｍの等間隔で複数の第２の溝２０２ａ〜ｃ等を形成したが、１つの第２の溝２０２に対し繰り返し５回レーザー照射を行い、１次溝〜５次溝を重複させて第２の溝２０２ａ〜ｃ等を形成した。次いで、図５Ｂに示すように、第２の軸２０６に直交するとともに接合面１０３に平行に設定した第１の軸２０５に沿って下記の条件でレーザー照射を行った（溝形成工程２）。なお、接合面１０３にはＬ_１が１００μｍの等間隔で複数の第１の溝２０１ａ〜ｄ等を形成したが、１つの第１の溝２０１に対し繰り返し５回レーザー照射を行い、１次溝〜５次溝を重複させて第１の溝２０１ａ〜ｄ等を形成した。なお、実施例の第１の軸２０５は、上記大きさの金属体の横方向（２０ｍｍ方向）に設定した。実施例で形成された第１の溝及び第２の溝（各々第１の突起部、第２の突起部を含む）の断面のＳＥＭ写真を図１０及び図１１に示す。下記引張せん断試験への供試体と同一条件で製作した実施例の金属体について、任意の２０カ所の断面で確認した第１の溝及び第２の溝の深さの平均値はそれぞれ３７．８μｍ、３６．２μｍであり、第１の突起部及び第２の突起部の高さの平均値はそれぞれ５４．４μｍ、３６，２μｍであった。第１の突起部の高さＨ_１と第１の溝の深さＤ_１の比Ｈ_１／Ｄ_１は１．４であった。
レーザー照射条件レーザー：ＹＶＯ４、平均出力：１１Ｗ、波長：１０６４ｎｍ、パルス幅：３０ｎｓｅｃ、周波数：１０ｋＨｚ、加工速度：１００ｍｍ／ｓｅｃ、スキャン間隔：１００μｍ

レーザー照射を施した金属体の接合面とＣＦＲＰからなる樹脂体とを、接着剤としてＨＵＮＴＳＭＡＮ製Ａｒａｌｄｉｔｅ２０１４（商標）を用いて接合し、金属／樹脂接合体を得た。下記引張せん断試験への供試体と同一条件で製作した実施例の金属／樹脂接合体の接合部の断面のＳＥＭ写真を図１２に示す。第１の溝には樹脂が充填されているが、充填された樹脂には、耐久性に影響を及ぼす等価円直径が３５μｍ以上の空孔（ボイド）は観察されなかった。

得られた実施例の金属／樹脂接合体について、上記大きさの金属体の縦方向（１００ｍｍ方向）に負荷が作用するよう、ＪＩＳＫ６８５０１９９９に従い引張せん断試験を行った。最大荷重時の引張せん断応力は１８．０ＭＰａ〜１９．８ＭＰａであった。

（比較例）
比較例では、金属体への第１の溝及び第２の溝の加工手順が異なる点以外は、実施例と同じ条件で金属／樹脂接合体を作製した。比較例では、実施例のように第２の溝を形成する溝形成工程１と、第１の溝を形成する溝形成工程２とを区別することなく、従来技術のように第１の溝及び第２の溝を同時に形成した。すなわち、実施例を示す図５Ａ及び図５Ｂを参照するが、比較例の第１の溝２０１ａ〜ｄ及び第２の溝２０２ａ〜ｃは、第２の軸２０６に沿って接合面１０３にＬ_２が１００μｍの等間隔でレーザー照射を１回行い第２の溝の前駆溝である１次溝２０２ａ−１〜２０２ｃ−１を形成し、その後、第１の軸２０５に沿って接合面１０３にＬ_１が１００μｍの等間隔で１回レーザー照射を行い第１の溝の前駆溝である１次溝２０１ａ−１〜２０１ｄ−１を形成し、この動作を６回繰り返すことにより１次溝〜６次溝を重複させ、第１の溝２０１ａ〜ｄ及び第２の溝２０２ａ〜ｃを形成した。比較例で形成された第１の溝及び第１の溝に沿い形成された突起部の断面のＳＥＭ写真を図１３に示す。下記引張せん断試験への供試体と同一条件で製作した比較例の金属体について、任意の２０カ所の断面で確認した第１の溝及び第２の溝の深さの平均値は各々６０．５μｍ、６０．８μｍ、第１の溝及び第２の溝の開口辺縁の突起部の高さの平均値は、各々５７．３μｍ、５７．８μｍであった。また、第１の溝の開口辺縁の突起部の高さＨ_１と第１の溝の深さＤ_１の比Ｈ_１／Ｄ_１は０．９５であった。引張せん断試験への供試体と同一条件で製作した比較例の金属／樹脂接合体の接合部の断面のＳＥＭ写真を図１４に示す。第１の溝および第２の溝に充填された樹脂には、等価円直径が３５μｍ以上の空孔（ボイド）が観察された。

また、比較例の引張せん断試験の最大荷重時の引張せん断応力は１５．４ＭＰａ〜１８．４ＭＰａであった。

１００接合体
１０１樹脂体
１０３接合面
１０４接合面
２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、２００Ｄ金属体
２０１溝
２０２溝
２０３第１の突起部
２０４第２の突起部
２０５第１の軸
２０６第２の軸
２０７Ｂボルト孔
２０８孔
２０９壁面

Claims

金属体と樹脂体とが接合された金属／樹脂接合体であって、
前記金属体は、前記樹脂体との接合面に形成された複数の凹部と、前記複数の凹部の各々の開口辺縁に形成され、前記樹脂体に埋設された第１の突起部と、前記第１の突起部より高さの低い、前記樹脂体に埋設された複数の第２の突起部と、を有し、
前記複数の第１の突起部のうち少なくとも１つは、前記接合面に平行な第１の軸に沿う壁面を有する突起部である金属／樹脂接合体。
前記複数の第１の突起部のうち少なくとも２つが、接合面に平行な第１の軸に沿う壁面を有する突起部であって、隣接している請求項１に記載の金属／樹脂接合体。
前記凹部が、溝である請求項１又は２に記載の金属／樹脂接合体。
前記凹部が、ドット状に接合面に形成される孔である請求項１又は２に記載の金属／樹脂接合体。
前記凹部が、有底孔である請求項３又は４に記載の金属／樹脂接合体。
前記第１の突起部の高さをＨ、前記凹部の深さをＤとしたとき、Ｈ／Ｄが１．０以上である請求項１〜５のいずれか一項に記載の金属／樹脂接合体。
前記複数の第１の突起部のうち少なくとも１つは、接合面に平行な第１の軸に沿う壁面を有する突起部であるととともに、前記複数の第１の突起部のうち別の少なくとも１つは、前記接合面に平行でかつ前記第１の軸と交差する第２の軸に沿う壁面を有する突起部である請求項１〜６のいずれか一項に記載の金属／樹脂接合体。
前記第１の軸は、接合面に平行に作用する応力の方向に対して直交するように選択される請求項１〜７のいずれか一項に記載の金属／樹脂接合体。