JP2021041649A

JP2021041649A - 金属体と樹脂体の通電加熱接合方法

Info

Publication number: JP2021041649A
Application number: JP2019166596A
Authority: JP
Inventors: 芳伸水野; Yoshinobu Mizuno; 中村　武; Takeshi Nakamura; 武中村; 伊藤　誠; Makoto Ito; 伊藤　　誠
Original assignee: ECO A CO Ltd; ECO-A CO Ltd
Current assignee: ECO A CO Ltd; ECO-A CO Ltd
Priority date: 2019-09-12
Filing date: 2019-09-12
Publication date: 2021-03-18

Abstract

【課題】強度や耐久性の高い金属体と樹脂体の通電加熱接合方法の提供。【解決手段】金属体と樹脂体を接合する通電加熱接合であって、微細凹凸構造１１の表面に金属と樹脂の接合力を高める材料による化学処理が施された金属体１の接合面１５と、樹脂体２の接合面２５とを通電加熱接合によって接合する。通電加熱接合は、高周波誘電加熱を用いる。【選択図】図２

Description

本発明は、金属体と樹脂体の通電加熱接合方法に関する。

従来、自動車部品や電気機器などの多く分野において、高強度、高剛性を保ちながら、軽量化することが要求されている。そこで、金属からなる部材の一部を樹脂とするために、金属体と樹脂体を接合することが行われている。

このような接合方法には種々のものがあるが、金属体と樹脂体を接合面で当接して加圧し、当該接合面を加熱することにより接合する通電加熱接合もそのうちの一つである（例えば、特許文献１参照）。通電加熱接合においては、金属体と樹脂体の材質が限定されずに、熱影響も少ないという利点がある。

特開２０１３−１６６３４９

しかしながら、上述した従来技術は金属と樹脂の接合のため、両者の線膨張係数の違いにより常温、加熱、冷却の接合プロセスにおいて、接合表面に平行方向に力が作用する。この応力は主に冷却時に接合面の剥離応力として作用するため、加熱密着時は正常に接合されていても、接合面において部分的な剥離を誘発する場合がある。したがって、製品に変形が起こり易く、高品質を維持でき難いという欠点を有するものであった。

そこで本発明は、強度や耐久性の高い金属体と樹脂体の通電加熱接合方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の通電加熱接合方法は、金属体と樹脂体を接合する方法であって、微細凹凸構造の表面に金属と樹脂の接合力を高める材料による化学処理が施された前記金属体の接合面と、前記樹脂体の接合面とを通電加熱接合によって接合することを特徴とする。

ここで、前記微細凹凸形状は、ショットブラストによって形成されたものであってもよい。

また、前記化学的処理は、ＴＥＳ処理であってもよい。

また、前記通電加熱接合は、高周波誘電加熱を用いるものであってもよい。

また、前記通電加熱接合は、前記金属体に電源の出力をアップスロープで制御して通電するものである方が好ましい。

また、前記通電加熱接合は、前記金属体と前記樹脂体同士の接合面に一定の応力を印加する方が好ましい。

本発明は、金属側被接合部材の表面を微細凹凸構造とすることにより、通電加熱時、金属側に接している樹脂が瞬間的に溶融し凹凸に入り込むため、接合面積が拡大されると共に、引っ張り強度の向上が図れる。また、主に冷却時の金属と樹脂の収縮率の違いによる剥離・破断が抑制される。また、金属側表面に化学処理を実施することで、金属と樹脂表面に化学結合が生じ、気密性の向上及び接合強度の向上が図れる。

本発明に係る金属体の微細凹凸構造を示す断面図である。本発明に係る金属体の化学処理を施された微細凹凸構造を示す断面図である。本発明の通電加熱方法で接合した金属体と樹脂体を示す断面図である。本発明に係る通電加熱装置を示す断面図である。本発明に係る別の通電加熱装置を示す断面図である。

本発明について、図１〜３を用いて説明する。

本発明の通電加熱接合方法は、金属体１と樹脂体２を接合する方法であって、微細凹凸構造11の表面に化学処理が施された金属体１の接合面15と、樹脂体２の接合面25を通電加熱接合によって接合するものである。

金属体１は、通電可能な金属であれば、その材質は特に限定されない。例えば、ステンレス鋼などの鉄鋼材料、銅、アルミニウム、亜鉛などの単体非鉄金属、アルミニウム、ニッケル、クロム、チタン、銅等を含む各種合金などの金属材料が挙げられる。

また、金属体１の接合面15とは、樹脂体２の接合面25と接合される部分であり、当該接合面15には図１（ｂ）に示すように微細凹凸構造11が形成されている。これにより、樹脂体２との接合面積が拡大され、引張強度の向上を図ることができる。また、冷却時の金属と樹脂の収縮率の違いによる剥離や破断を抑制することができる。微細凹凸構造11の表面粗さは、結合する金属体１と樹脂体２に応じて任意に決定すればよいが、例えば、４５μｍ以上６０μｍ以下にすることができる。また、下記で述べるショットブラストで微細凹凸構造11を作成する場合は粒子径４５〜５３μｍのもので作成することができる。
微細凹凸構造11はどのように形成してもよいが、例えば、図１（ａ）に示すような基礎となる金属体の表面にショットブラストやサンドブラスト等のブラスト処理を施して作製すればよい。ブラスト処理とは投射材と呼ばれる粒体を加工物（ワーク）に衝突させ、ワークの表面を研削し、微細凹凸構造11を作製する処理方法である。もちろん、レーザ処理やエッチング処理等、従来から知られているその他の方法で作製することも可能である。また、粉末冶金等によりあらかじめ接合面に微細凹凸構造11が形成されるよう金属体１を形成することも可能である。

また、微細凹凸構造11の表面には、金属と樹脂の接合力を高める材料による化学処理が施されている。化学処理とは金属体１と樹脂体２の接合力を高めるための材料を塗布したり結合させたりする処理で、例えば、ＴＥＳ処理等が該当する。化学処理は凹凸構造の全部でもよいし、一部でもよい。

ここで、化学処理に用いる材料は、金属と樹脂の接合力を高めるものであればどのようなものでもよいが、例えばＴＥＳ処理には、図２に示すように、ＴＥＳ３（トリエトキシシリルプロピルアミノ-1,3,5-トリアジン-2,4-ジチオール）を用いることができる。これにより、図３のように金属体と樹脂体を化学的に結合できる。

樹脂体２は、樹脂であれば、その材質は特に限定されない。例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）ポリアミド（ＰＡ）を含む各種合成樹脂や天然樹脂が挙げられる。

また、樹脂体２の接合面25とは、金属体１の接合面と接合される部分である。当該接合面は、図３に示すように、通電加熱接合時の加熱で溶融した接合面上の樹脂が金属体１の微細凹凸構造11に入り込める形状であればどのようなものでもよい。

通電加熱接合は、金属体１又は金属体１を加熱するための金属からなる治具に通電して、その抵抗発熱により樹脂体２を溶融して接合するものである。通電加熱接合では、金属体１と樹脂体２の接合部の変形が小さく、精密な接合が可能であるという利点がある。

通電加熱接合を用いる場合には、接合面Ｓの温度を制御する必要がある。したがって、金属体１と樹脂体２の接合面Ｓは巨視的には略同一な面で作製されているのが好ましい。これは通電加熱接合時、接合面Ｓの温度を均一にするためである。なお、金属体１および樹脂体２の全体形状は接合面Ｓで接合できる限りは、どのようなものでもよい。

通電加熱接合には、例えば、図４に示す通電加熱接合装置10を用いることができる。通電加熱接合装置10は、金属体１又は金属体１を加熱するための金属からなる治具13に通電して発熱を行うものであって、電極12と、電源３と、温度情報提供部４と、出力制御部５と、加圧部８とで主に構成される。

電極12は、金属体１又は金属体１を加熱するための金属からなる治具13に電源３から出力された電気を導通させるためのものである。通電加熱接合装置10には、金属体１又は治具13に電気を導通させるために少なくとも２つの電極12を備えていればよい。もちろん、金属体１の形状等によっては３以上の電極12を備えていてもよい。電極12の材質としては、金属体１に電気を導通させることができればどのような材質でも良く、例えば、銅、モリブデン、タングステン等を用いることができる。また、電極12はケーブルを介して電源３と接続される。

電源３は複数の電極12に電力を出力するためのものである。当該電源３としては、複数の電極12に付与する出力を連続的に変更可能であればどのようなものでもよいが、例えば、公知のインバータ電源を用いることができる。

なお、図５に示すように、電極12を用いずに、交流電源に接続されたコイル19を用いて非接触で金属体１を加熱する高周波誘導加熱を利用することも可能である。この場合、出力を変えることにより温度制御が容易であることや、コイル19の配置と周波数の選定により、金属体１の任意の箇所を加熱することができるという利点がある。

温度情報提供部４は、出力制御部５に接合面Ｓ又は電極12の温度情報を提供するためのものである。なお、温度情報とは、接合面Ｓ又は電極12の温度に関する情報を意味し、温度そのままの情報であってもよいし、例えば電源３の電圧を決める電圧値等、温度から計算によって変換された情報であってもよい。温度情報提供部４としては、例えば、接合面Ｓ又は電極12の温度を検出する温度センサを用いることができる。温度センサは、接合面Ｓ又は電極12の温度を検出できればどのようなものでもよいが、例えば、赤外線放射温度計等のように非接触で温度を検出する非接触式センサや、接合面Ｓ又は電極12に接触させて温度を検出する熱電対等の接触式センサを用いればよい。また、非接触式のものと接触式のものを併用することも可能である。

また、通電加熱接合は、金属体１に電源３の出力をアップスロープで制御して通電するものである方が好ましい。したがって、出力制御部５は、温度情報提供部４からの温度情報に基づいて電源３の出力をアップスロープで制御するものが好ましい。従来は一定の電流を一定時間通電するか、あるいは一定の電流をＯＮ／ＯＦＦ制御で通電していたため、電流の集中した箇所の温度が急激に上昇することがあった。この場合、当該箇所の接合面Ｓの樹脂の溶融が不均一になり接合状態のばらつきにつながる。これに対しアップスロープ制御では、電流を徐々に上げていくため急激な電流集中が抑制され接合面Ｓの温度を均一にすることができる。したがって、接合面Ｓの樹脂の溶融が均一となり、強度の均一化を図ることができる。特に、上述したように、接合する前の金属体１の接合面に微細凹凸構造11があり、樹脂体２の接合面が平面状に形成されたものである場合には、接合する際の電流の集中を抑制し、より均一に樹脂を溶融させることができる。

また、出力制御部５は、温度センサで検出した温度情報に基づいてリアルタイムで電源３の出力をアップスロープで連続制御し、接合面Ｓの緻密な温度管理を可能とすることができる。したがって、金属体１と樹脂体２の接合面Ｓにおける接合強度が高く、ばらつきの小さい接合を行うことができる。更に、このような連続制御は、ＯＮ／ＯＦＦ制御と比べて熱膨張を一定に維持することができるため、熱膨張による圧力変動の影響を低減することができる。

出力制御部５としては、温度情報提供部４からの温度情報に基づいて電源３の出力をアップスロープで制御することができればどのようなものでもよいが、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ等から構成され、操作部51及び表示部52が電気的に接続されているものを用いることができる。具体的には、高速サンプリング温度調節計のような公知のＰＩＤ温度制御装置を用いることができる。なお、操作部51は、ここでは、起動スイッチ、スタートスイッチ等の各種の操作スイッチ、タッチパネル等からなる入力盤などから構成されている。操作部51から入力された情報は、出力制御部５に送信される。また、表示部52は、出力制御部５への入力、又は出力制御部５での演算結果に基づく情報を出力制御部５から受信し、その情報を表示する。表示部52は、ここでは、デジタル表示パネル、ランプなどから構成されている。

なお、上述した温度情報提供部４では、温度センサを用いて金属体１と樹脂体２の接合面Ｓ又は電極12の温度をリアルタイムで取得し、出力制御部５に当該接合面Ｓ又は電極12の温度情報を提供する場合について説明した。しかし、通電加熱接合装置を使って同じ材料の金属体１と樹脂体２を同一環境で接合する場合、経過時間とその接合面Ｓ又は電極12の温度の関係は同様の結果となる。そのため、予め経過時間と接合部材の接合面Ｓ又は電極12の温度の関係を示す温度情報を取得しておけば、温度センサを用いなくても当該温度情報を提供することが可能となる。したがって、温度情報提供部４は、接合部材の接合面Ｓ又は電極12の経過時間と接合部材の接合面Ｓ又は電極12の温度の関係を示す温度情報が格納された温度情報格納部であってもよい。これにより、出力制御部５は、温度情報格納部に格納された温度情報に基づいて電源３の出力を制御することができる。温度情報格納部は経過時間と電源３の出力の関係を決定するための温度情報が格納できればどのようなものでもよいが、例えば、公知のメモリ等を用いればよい。

また、通電加熱接合は、金属体１と樹脂体２の接合面Ｓに一定の応力を印加する方が好ましい。当該接合面Ｓに適正な圧力を印加することで、加熱時の樹脂溶融部の押し込み量が一定になり、かつ通電加熱部を高精度に温度制御することにより、樹脂溶融量が適正にコントロールできると共に、化学的結合の安定化が図れる。

加圧部８は、金属体１と樹脂体２の接合面Ｓに圧力を付与するためのものである。加圧部８の構成は、金属体１と樹脂体２の接合面Ｓに圧力を付与できればどのようなものでもよいが、例えば、電極12が固定された加圧部材81と、加圧部材81を駆動させるための駆動源82と、駆動源82の駆動力を伝達し、加圧部材81を上下動させるボールねじ機構83とで構成すればよい。

加圧部材81は、金属体１と樹脂体２の形状に合わせて形成してもよいし、金属体１と樹脂体２の形状に合わせた中間部材を間に挟んでも良い。加圧部材81の材質としては、加圧力に対する剛性があればどのようなものでもよいが、例えば、ステンレス、銅、モリブデン、タングステンなどの金属を用いればよい。

なお、加圧部材81は、金属体１と樹脂体２を冷却するための冷却手段を有していてもよい。冷却手段としては、金属体１と樹脂体２を冷却可能なものであればどのようなものでもよいが、例えば、流路に水道水等の冷却流体を循環させる構成とすることができる。当該流路は、加圧部材81自体に設けてもよいし、流路が形成された冷却ブロックを加圧部材81に密接して配置してもよい。

駆動源82は、例えば減速機付きのサーボモータを用いることができる。サーボモータには、エンコーダ74が付設されており、架台に配置されている。

ボールねじ機構83は、上下方向に延び外周面にねじ溝が形成されたねじ軸と、内周面にねじ溝が形成されたナットと、これらのねじ溝間に収容された複数のボールとから構成されている。ナットは、加圧部材81の上部にベークライト等からなる絶縁体及び圧力センサ73を介して固定されている。ねじ軸は、サーボモータの回転軸に減速機を介して接続されている。サーボモータが回転駆動することにより、ねじ軸が回転して、ナット、ひいては加圧部材81がねじ軸に対して相対的に上下移動する。また、サーボモータの駆動を停止させると、加圧部材81の位置が維持される。このとき、加圧部８は、金属体１と樹脂体２の変位を規制して接合面Ｓに圧力を付与することになる。

また、加圧部８は、接合面Ｓの圧力を検出する圧力センサを有していてもよい。圧力センサは、例えば、上下方向の圧力を測定する一軸のロードセルであるが、多軸の圧力センサを用いてもよい。圧力センサにより、金属体１と樹脂体２同士の接合面Ｓに付与される圧力を間接的に検知することができる。

また、加圧部８は、金属体１と樹脂体２同士の接合面Ｓに弾性力を付勢する弾性力付勢手段84を更に備えていてもよい。例えば、加圧部材81が配置されるベース部材６と通電加熱接合装置の基台９との間に弾性力付勢手段84を配置する。弾性力付勢手段84としては、例えば、ばね84aと、ばね84aをベース部材６との間で自由長より短い予め設定された長さに規制するためのブロック体84bとから構成されている。なお、弾性力付勢手段84によって押し上げられるベース部材６から金属体１と樹脂体２に作用する圧力は、ばね84aを交換することによって変更可能である。このように構成することにより、金属体１と樹脂体２に熱膨張や熱収縮が生じても、接合面Ｓに作用する圧力の急激な変化を緩和することができる。

なお、加圧部８として上記のような構成について説明したが、加圧部８は、金属体１と樹脂体２同士を接合面Ｓで押圧するためのものであれば他の構成でも構わない。例えば、単に、金属体１と樹脂体２の上に錘を乗せて、金属体１と樹脂体２同士を押圧するものを用いることも可能である。

また、通電加熱接合装置は、更に接合面Ｓに付与する圧力を制御するための圧力制御部を有していてもよい。圧力制御部は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ等から構成されており、操作部及び表示部が電気的に接続されている。操作部は、ここでは、起動スイッチ、スタートスイッチ等の各種の操作スイッチ、タッチパネル等からなる入力盤などから構成されている。操作部から入力された情報は、圧力制御部に送信される。また、表示部は、圧力制御部への入力、又は圧力制御部での演算結果に基づく情報を圧力制御部から受信し、その情報を表示する。表示部は、ここでは、デジタル表示パネル、ランプなどから構成されている。なお、当該圧力制御部は、上述した出力制御部５と共通のものを用いることも可能である。

また、圧力制御部には、エンコーダ、圧力センサ及び温度センサから検知信号が入力される。圧力制御部は、これら検知信号、操作部から入力された情報及びその記憶部に格納された設定圧力Ｐｓ、下限設定圧力Ｐｓ１、設定温度Ｔｓ、設定保持時間Ｈｓなどの制御情報に基づき、電源３及びサーボモータに制御信号を出力する。

１：金属体
２：樹脂体
３：電源
４：温度情報提供部
５：出力制御部
６：ベース部材
７：圧力制御部
８：加圧部
９：基台
10：通電拡散接合装置
11：微細凹凸構造
12：電極
13：治具
15：接合面
19：コイル
25：接合面
51：操作部
52：表示部
53：電圧降下検出手段
71：操作部
72：表示部
73：圧力センサ
74：エンコーダ
81：加圧部材
82：駆動源
83：ボールねじ機構
84：弾性力付勢手段
84a：ばね
84b：ブロック体
Ｓ：接合面

Claims

金属体と樹脂体を接合する方法であって、
微細凹凸構造の表面に金属と樹脂の接合力を高める材料による化学処理が施された前記金属体の接合面と、前記樹脂体の接合面とを通電加熱接合によって接合することを特徴とする金属体と樹脂体を接合する通電加熱接合方法。
前記微細凹凸形状は、ショットブラストによって形成することを特徴とする請求項１記載の通電加熱接合方法。
前記化学的処理は、ＴＥＳ処理であることを特徴とする請求項１又は２記載の通電加熱接合方法。
前記通電加熱接合は、高周波誘電加熱を用いることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の通電加熱接合方法。
前記通電加熱接合は、前記金属体に電源の出力をアップスロープで制御して通電するものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の歯科医療用器具の製造方法。
前記通電加熱接合は、前記金属体と前記樹脂体同士の接合面に一定の応力を印加することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の通電加熱接合方法。