JP2023059623A - 金属部材の製造方法及び金属樹脂接合体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】十分な接合強度を有して、気密性にも優れた金属樹脂接合体を得るために、樹脂成形体を接合する接合面を備えた金属部材の製造方法を提供する。【解決手段】表面に接合対象物との接合面を備えた金属部材の製造方法であって、金属基材にレーザー光を照射するレーザー照射工程を備えて、該レーザー照射工程では、式（１）に基づき式（２）から求まるエネルギーＥが０．１８≦Ｅ≦０．７５となるようにする。単位面積当たりの照射エネルギー＝（ピークパワー）×（パルス幅）×（設定出力％）×（照射時間）×（周波数）／（照射面積） ・・・式（１）金属基材が受けるエネルギーＥ＝（単位面積当たりの照射エネルギー）×（基材吸収率）２×√（熱拡散定数）／（レーザー照射前の金属基材の温度からレーザー照射後の金属基材の沸点までの温度上昇の差） ・・・式（２）【選択図】図１

Description

この発明は、接合対象物との接合面を備えた金属部材の製造方法、及び当該金属部材に接合対象物である樹脂成形体を接合させる金属樹脂接合体の製造方法に関する。

近年、自動車の各種センサー部品、家庭電化製品部品、産業機器部品等の分野では、放熱性や導電性が非常に高い銅又は銅合金からなる銅基材や、放熱性が高く、かつ、他金属と比較して軽量なアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミ基材等の金属基材と、絶縁性能が高く、軽量でしかも安価である樹脂成形体とを一体に接合した金属樹脂接合体が幅広く用いられるようになり、その用途も拡大している。

このような異種材質である金属基材と樹脂成形体とを互いに一体的に接合した金属樹脂接合体を製造するための工業的に好適な方法として、代表的には、金属製材料を射出成形用金型内にインサートし、このインサートされた金属製材料の表面に向けて溶融した熱可塑性樹脂を射出して樹脂成形体を成形する方法がある。

その際、金属基材と樹脂成形体との接合強度をより向上させることを目的として、レーザー光を照射して金属基材を加熱したり、酸水溶液で金属基材をエッチングしたりするなどして、金属基材を粗化処理して表面凹凸を形成することが知られている。なかでも、樹脂を接合したい箇所のみが処理できる選択性の面で好都合であったり、処理後の廃液処理が問題にならないなどの理由から、金属基材にレーザー光を照射する方法についての検討がいくつかなされている。

例えば、特許文献１では、アルミダイカスト部材における高分子部材との接合面にレーザーを照射して、接合面の表層を融解させる上で、レーザーの照射密度を２Ｊ／ｍｍ^２以上４０Ｊ／ｍｍ^２以下にするのがよいことを記載している。

また、特許文献２では、金属成形体と樹脂成形体とからなる複合成形体を得る上で、エネルギー密度を１ＭＷ／ｃｍ^２以上にすると共に、照射速度を２０００ｍｍ／秒以上にして金属成形体にレーザー光を照射することで、金属成形体の表面に複雑な構造の孔が形成されることを記載する。

再公表２０１９／０６４３４４号公報 特開２０１９－６３８７５号公報

金属基材と樹脂成形体とが互いに一体的に接合された金属樹脂接合体を得るにあたり、その接合強度を向上させるために、上述した特許文献１、２のように、金属基材に照射するレーザー光の諸条件について最適化を図ることはこれまでにも行われている。

しかしながら、従来の方法では、専らレーザー装置側での発振出力に関するものだけ着目され、レーザー光が照射される金属基材側の特性については考慮されていない。そのため、金属基材に対して所定の発振出力でレーザー光を照射しても、金属基材が受けるエネルギーが適切でない場合には、得られる金属樹脂接合体の接合強度が不十分であったり、金属基材と樹脂成形体との気密性が劣ってしまったりすることがある。

そこで、本発明者らは、上記問題を解決するために鋭意検討した結果、レーザー光の照射エネルギーを考慮しながら、金属基材が受けるエネルギーを制御できるようにすることで、接合強度や気密性に優れた金属樹脂接合体が再現性良く得られるようになることを見出し、本発明を完成させた。

したがって、本発明の目的は、十分な接合強度を有して、かつ気密性にも優れた金属樹脂接合体を再現性良く製造することができる金属樹脂接合体の製造方法を提供することにある。
また、本発明の別の目的は、このような金属樹脂接合体を得るために、接合対象となる樹脂成形体を接合するための接合面を備えた金属部材の製造方法を提供することにある。

すなわち、本発明の要旨は、次のとおりである。
〔１〕表面に接合対象物との接合面を備えた金属部材の製造方法であって、
金属製の金属基材の表面へレーザー光を照射するレーザー処理によって、前記金属基材に凹凸部を有した前記接合面を形成するレーザー照射工程を備え、
前記レーザー照射工程において、下記式（１）によって求められる単位面積当たりの照射エネルギーをもとに算出される、下記式（２）又は下記式（３）によって求められるレーザー光の照射によって前記金属基材が受けるエネルギーＥが０．１８≦Ｅ≦０．７５である
ことを特徴とする金属部材の製造方法。
単位面積当たりの照射エネルギー＝（ピークパワー）×（パルス幅）×（設定出力％）×（照射時間）×（周波数）／（照射面積） ・・・式（１）
金属基材が受けるエネルギーＥ＝（単位面積当たりの照射エネルギー）×（基材吸収率）^２×√（熱拡散定数）／（レーザー照射前の金属基材の温度からレーザー照射後の金属基材の沸点までの温度上昇の差） ・・・式（２）
金属基材が受けるエネルギーＥ＝（単位面積当たりの照射エネルギー）×（基材吸収率）×（蒸気吸収率）×√（熱拡散定数）／（レーザー照射前の金属基材の温度からレーザー照射後の金属基材の沸点までの温度上昇の差） ・・・式（３）
〔２〕前記金属基材は、アルミニウム、銅、鉄又はこれらの各金属を含む合金であることを特徴とする〔１〕に記載の金属部材の製造方法。
〔３〕前記接合面の表面粗さ（Ｒｚ）が、３０μｍ以上、１８０μｍ以下であることを特徴とする〔１〕又は〔２〕に記載の金属部材の製造方法。
〔４〕〔１〕に記載の製造方法によって得られた金属部材の表面に、樹脂成形体を形成する樹脂成形工程を備え、
前記金属部材の接合面と前記樹脂成形体とが接合された金属樹脂接合体を製造する
ことを特徴とする金属樹脂接合体の製造方法。
〔５〕前記樹脂成形工程において、前記金属部材上に熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂を含む樹脂成形体を成形することを特徴とする金属樹脂接合体の製造方法。

本発明によれば、レーザー光の照射エネルギーを考慮しながら、金属基材が受けるエネルギーの制御が可能になることから、接合強度と気密性に優れた金属樹脂接合体を再現性良く製造することができるようになる。しかも、レーザー光の諸条件や金属基材の種類によらずに適用できることから、実用性に優れた方法であると言える。

図１は、レーザー光のビーム径と照射間隔との関係を示す模式図である。 図２は、接合強度評価（１）（せん断試験）の概要を説明するための図である。 図３は、接合強度評価（２）（せん断試験）の概要を説明するための図である。 図４は、金属樹脂接合体の気密性の評価の概要を説明するための図である。 図５は、金属樹脂金属接合体の気密性の評価の概要を説明するための図である。 図６は、接合強度評価に用いた金属樹脂接合体における金属部材について説明する模式図であり、（ａ）は金属部材における接合面を示すものであり、（ｂ）は接合面におけるレーザー光の軌跡を示すものである。 図７は、気密性評価に用いた金属樹脂接合体における金属部材について説明する模式図であり、（ａ）は金属部材の接合面を示すものであり、（ｂ）は接合面におけるレーザー光の軌跡を示すものである。 図８は、接合強度評価の金属樹脂接合体の概要を示すための図である。 図９は、気密性の評価の金属樹脂接合体の概要を示すための図である。 図１０は、実施例２５に係る、接合強度評価の金属樹脂金属接合体の概要を示すための図である。 図１１は、実施例２５に係る、気密性の評価の金属樹脂金属接合体の概要を示すための図である。 図１２は、比較例１の金属樹脂接合体を厚さ方向に切断して断面の様子を観察した走査型電子顕微鏡写真である。 図１３は、実施例１の金属樹脂接合体を厚さ方向に切断して断面の様子を観察した走査型電子顕微鏡写真である。 図１４は、比較例２の金属樹脂接合体を厚さ方向に切断して断面の様子を観察した走査型電子顕微鏡写真である。 図１５は、実施例１～２５、比較例１～８の金属樹脂接合体について、その金属部材の接合面を形成する際の「金属基材が受けるエネルギーＥ」とその接合面の表面粗さＲｚとの関係をグラフにしたものである。

以下、本発明における金属部材の製造方法、及び、金属樹脂接合体の製造方法について詳しく説明する。本発明の以下に説明する構成要素は、一部又は全部を適宜組み合わせることができる。

［１．金属部材および金属樹脂接合体］
本発明における金属部材は、表面に接合対象物との接合面を備えており、金属製の金属基材の表面にレーザー光を照射して凹凸部を有した接合面を形成するレーザー照射工程を経て得られたものである。また、本発明における金属樹脂接合体は、上記によって得られた金属部材の接合面と樹脂成形体とが接合されたものである。

［１－１．金属部材］
＜金属基材＞
先ず、本発明の金属部材に使用する金属製の金属基材については、銅又は銅合金からなる銅基材や、鉄又は鉄合金からなる鉄基材や、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミ基材等、素材は制限されるものではなく、これを用いて形成される金属樹脂接合体の用途やその用途に要求される強度、耐食性、加工性等の種々の物性に基づいて決めることができる。また、所望の形状に適宜加工して得られる加工材、更にはこれらの加工材を適宜組み合わせて得られる組合せ材等が挙げられる。また、使用する用途にもよるが、通常はその厚みが０．３ｍｍ～１０ｍｍ程度のものを用いる。通常、金属基材の表面には、酸化皮膜が形成されている。酸化皮膜は、大気中で自然に形成される自然酸化皮膜であってもよく、陽極酸化によって形成される陽極酸化皮膜であってもよい。また、熱間圧延によって形成される圧延酸化皮膜であってもよい。

＜接合対象物＞
金属基材との接合対象物としては、金属基材と接合可能な材料であれば特に限定されない。接合対象物は、金属基材の融点よりも低い温度で接合可能な材料を用いること好ましい。このような接合対象物は、好適には、樹脂材料からなる樹脂成形体である。樹脂成形体については後述する。

＜接合面＞
金属基材に形成する接合面については、金属基材の一面の一部だけでもよいし、一面の全部や、或いは、両面の一部又は全部などでもよく、使用する用途などに応じて、必要な部分に接合面が形成されればよい。また、接合面の形状、大きさ、配置等についても特に限定されない。組合せ材などの場合においても同様である。なお、本開示において、「接合面」とは、金属基材と樹脂との接合が予定されている領域であって、樹脂との接合のために金属基材の表面に所定の処理が施された領域を称呼するものとする。これに対して、金属基材と樹脂とが接合した領域を「接合部」と称呼して区別する。

＜凹凸部＞
接合面には、水酸基を含有する水酸基含有皮膜が形成されていることが好ましい。また、接合面には、水酸基含有皮膜が全面にわたって形成されていることがより好ましい。接合面は凹凸部を有するが、この凹凸部にはレーザー処理によって形成された水酸基含有皮膜が全面にわたって形成されていることが好ましい。また、この凹凸部については、巨視的には凹部と凸部が交互に連続して形成された「マクロ凹凸部」と、そのマクロ凹凸部の表面に形成された「微細凹凸部」とを有している。

水酸基含有皮膜は、金属基材を構成する金属に応じて、例えば、水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）₃）、酸化水酸化アルミニウム（ＡｌＯ（ＯＨ））、水酸化銅（Ｃｕ（ＯＨ）₂）、水酸化鉄（ＩＩ）（Ｆｅ（ＯＨ）₂）、酸化水酸化鉄（ＩＩＩ）（ＦｅＯ（ＯＨ））、等の金属基材を構成する金属の水酸化物（金属水酸化物）、または金属基材を構成する金属の酸化水酸化物（金属酸化水酸化物）を含んでいる。また、水酸基含有皮膜は、金属基材を構成する金属に応じて、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化銅（Ｉ）（Ｃｕ₂Ｏ）、酸化銅（ＩＩ）（ＣｕＯ）、酸化鉄（ＩＩ）（ＦｅＯ）、酸化鉄（ＩＩ，ＩＩＩ）（Ｆｅ₃Ｏ₄）、酸化鉄(ＩＩＩ)（Ｆｅ₂Ｏ₃）、等の金属基材を構成する金属の酸化物（金属酸化物）を含んでいてもよい。

金属基材の表面には、レーザー照射に起因して形成される金属酸化物が照射部の周辺に堆積した堆積物が皮膜状に形成されている。このような堆積物からなる金属溶融層は、前記のとおりの金属酸化物として酸素を含有している。金属溶融層は、最表層に水酸基を有する水酸基含有皮膜を有している。本発明においては前記のとおり、接合面の全面が、マクロ凹凸部及び微細凹凸を有する水酸基含有皮膜で覆われていることが好ましい。

従来より、金属樹脂接合体の接合強度を高めるために、金属製材料をレーザー光で処理した際に所定の開口径及び深さを有するマクロ凹凸部を形成することにより、樹脂が入り込むことで機械的な相互作用を起こしやすい構造を形成することが有効であるとされている。また、該レーザー処理により生じる金属基材の溶融部が酸素を含有する酸素含有皮膜であり、この酸素含有皮膜が接合強度の発現に寄与することが知られていた。本発明者らが詳細に検討した結果、この酸素含有皮膜にはナノサイズの微細な開口部を有する構造（微細凹凸部）を持つことを新たに突き止めた。金属樹脂成形体の接合強度や気密性をより高めるためには、樹脂がこのような微細凹凸部に入り込むことや、酸素含有皮膜の官能基と樹脂中の官能基との化学的な結合による作用を有効に発揮させることが効果的であるとの考えに至った。さらには、このような酸素含有皮膜が接合面の全面に亘って形成されることで樹脂と酸素含有皮膜との作用を十分なものとできること、及びマクロ凹凸部の形状について、特に、凹部の開口径に対して深さを適正なものとすることで、比較的樹脂が入り込みやすい構造になるとともに、入り込む樹脂が浅くなりすぎない（樹脂と酸素含有皮膜との作用が比較的弱まらない）ようにすることが、さらに有効であるとの考えに至り、このような視点で金属基材の表面に接合面を構成することにより、樹脂成形体と接合した場合には、実際に高い接合強度が得られ、また十分な気密性を担保できる金属樹脂成形体が得られることを突き止めた。

また、マクロ凹凸部及び微細凹凸を有する水酸基含有皮膜を備えることによって、金属部材の表面に存在する水酸基と樹脂成形体の表面に存在する官能基との間で水素結合による化学的接合が発揮される。また、水酸基含有皮膜が、μｍオーダーであって所定の開口径（Ｄ）、深さ（Ｌ）、及びアスペクト比（Ｌ／Ｄ）を満たすマクロ凹凸部を有することにより、マクロ凹凸部と樹脂成形体との間で機械的接合（アンカー効果）が発揮される。ここで、水酸基含有皮膜は、所定の形状のマクロ凹凸部を有することにより、マクロ凹凸部の凹部の深部にまで樹脂を入り込ませることができる。また、水酸基含有皮膜は、μｍオーダーのサイズのマクロ凹凸部を有するとともに、マクロ凹凸部の表面にｎｍオーダーのサイズの微細凹凸部を有している。これにより、接合面の表面に提示される水酸基含有皮膜の表面積が増大し、樹脂成形体と相互作用する水酸基の量を増大させることができる。さらに、本発明の金属部材および金属樹脂接合体では、接合面の全体にわたって水酸基含有皮膜が形成されていることによって、水酸基含有皮膜が存在しない部位に起因して生じる、接合強度や気密性の低下を抑えるができる。このように、本発明によれば、機械的接合と化学的接合による作用を接合面の全面にわたって発揮させるとともに、マクロ凹凸部と微細凹凸部に樹脂が入り込んだ状態で金属部材と樹脂成形体との接合を行うことが可能となることで、機械的接合と化学的接合に寄与する接合面の面積を増大させている。よって、本発明の金属部材および金属樹脂接合体によれば、金属部材と樹脂成形体との機械的接合と化学的接合による作用が強まり、接合強度と気密性を向上させることが可能となっている。

なお、本明細書において、「接合面の全面」とは、必ずしも接合面の表面積の１００％のみに限定されるわけでなく、未照射部によって水酸基含有皮膜に覆われていない面がごく微小のスポット的に存在している場合を排除するものではない。接合面は、好ましくは９０％以上、より好ましくは９５％以上が水酸基含有皮膜に覆われていることがよい。

＜マクロ凹凸部＞
マクロ凹凸部は、μｍオーダーサイズの凹凸形状を有する構造体であって、水酸基含有皮膜の表面に形成されている。マクロ凹凸部は、レーザー光の照射を受けて金属基材が穿孔されることで生じる凹部と、レーザー光の照射によって生じた金属酸化物の堆積物からなる凸部とからなる構造を有している。そして、複数回のレーザー光の照射が互いに隣接して行われることで、凹部と凸部とからなる繰り返し構造を有している。マクロ凹凸部は、金属部材の表面または断面を、例えば、走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＥＭ）を用いて観察することで確認することができる。

＜微細凹凸部＞
微細凹凸部は、ｎｍオーダーサイズの凹凸形状を有する構造体であって、水酸基含有皮膜の表面のマクロ凹凸部上に形成されている。微細凹凸部は、レーザー照射によって水酸基含有皮膜を有する金属溶融層が形成された際に、水酸基含有皮膜の表面に形成される。微細凹凸部は、金属部材の表面または断面を、例えば、走査電子顕微鏡を用いて観察することで確認することができる。

［１－２．樹脂成形体］
次いで、所定の接合面を有する金属部材に対して、接合対象物として好適に用いられる樹脂成形体について説明する。樹脂成形体は樹脂組成物を金属部材表面に成形させることにより形成することができる。樹脂成形体は、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂を含んでいる。

熱可塑性樹脂としては、用途に応じて適宜公知のものから選択することができるが、例えば、ポリアミド系樹脂（ＰＡ６、ＰＡ６６等の脂肪族ポリアミド、芳香族ポリアミド）、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂等のスチレン単位を含む共重合体、ポリエチレン、エチレン単位を含む共重合体、ポリプロピレン、プロピレン単位を含む共重合体、その他のポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリカーボネート系樹脂、アクリル系樹脂、メタクリル系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアセタール系樹脂、ポリフェニレンスルフィド系樹脂を挙げることができ、これらを１種又は２種以上で使用することができる。この中でも、樹脂成形時の流動性が高く凹部に入り込みやすいなどの理由から、ポリアミド系樹脂、ポリフェニレンスルフィド系樹脂を用いることが好ましい。

熱硬化性樹脂としては、用途に応じて適宜公知のものから選択することができるが、例えば、尿素樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、レソルシノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン、ビニルウレタンを挙げることができ、これらを１種又は２種以上で使用することができる。この中でも、反応硬化型接着剤は水酸基含有皮膜との相性がよく、反応面積が大きくなるに伴い高い接合強度が得られるなどの理由から、エポキシ樹脂系、アクリル樹脂系、ウレタン樹脂系を用いることが好ましい。

また、樹脂成形体として、例えば、接着剤を用いることもできる。接着剤としては、上述した熱可塑性樹脂もしくは熱硬化性樹脂、またはその他のエラストマーまたはゴムを含み、接着性を示す化合物を用いることができる。接着剤としては、用途に応じて適宜公知のものから選択することができるが、例えば、乾燥固化型背着剤として、アクリル樹脂系エマルジョン形、ゴム系ラテックス形、酢酸ビニル樹脂系溶剤形、ビニル共重合樹脂系溶剤形、ゴム系溶剤形などが挙げられ、また、反応硬化型接着剤として、エポキシ樹脂系、ウレタン樹脂系、変性シリコーン樹脂系ものなどを挙げることができ、これらを１種又は２種以上で使用することができる。この中でも、反応硬化型接着剤は水酸基含有皮膜との相性がよく、反応面積が大きくなるに伴い高い接合強度が得られるなどの理由から、エポキシ樹脂系、アクリル樹脂系、ウレタン樹脂系を用いることが好ましい。

さらに、熱可塑性エラストマーを用いることができ、例えば、スチレン系エラストマー、塩化ビニル系エラストマー、オレフィン系エラストマー、ウレタン系エラストマー、ポリエステル系エラストマー、ニトリル系エラストマー、ポリアミド系エラストマーを挙げることができ、これらを１種又は２種以上で使用することができる。

また、上記のそれぞれの樹脂（樹脂組成物）においては、金属部材との間の密着性、機械的強度、耐熱性、寸法安定性（耐変形、反り等）、電気的性質等の性能をより改善するために、繊維状、粉粒状、板状等の充填剤や、各種のエラストマー成分を添加することができる。

更に、樹脂（樹脂組成物）には、一般的に添加されてもよい公知の添加剤、すなわち難燃剤、染料や顔料等の着色剤、酸化防止剤や紫外線吸収剤等の安定剤、可塑剤、潤滑剤、滑剤、離型剤、結晶化促進剤、結晶核剤等を、要求される性能や本発明の目的を阻害しない範囲において、適宜添加することができる。

［１－３．金属樹脂接合体］
金属樹脂接合体は、樹脂が金属部材表面の接合面（マクロ凹凸部、微細凹凸部）に入り込んだ状態で成形され、接合面を介して金属部材と樹脂成形体とが一体的に接合されている。金属部材及び樹脂成形体をそれぞれ１つずつ用いて接合させてもよいし、或いは、それらのいずれか又は両方を複数用いて接合させてもよく、さらには、それらの複数のセットを任意に積層させたような態様であってもよく、用途に応じて適宜決定することができる。

例えば、金属樹脂接合体は、金属部材と樹脂成形体とが、積層または連続して配置された状態で接合している金属－樹脂接合体であってもよい。または、金属樹脂接合体は、金属部材と樹脂成形体と金属部材とが、この順で積層または連続して配置された状態で接合している金属－樹脂－金属接合体であってもよい。または、金属樹脂接合体は、樹脂成形体と金属部材と樹脂成形体とが、この順で積層または連続して配置された状態で接合している樹脂－金属－樹脂接合体であってもよい。

金属樹脂接合体が、樹脂成形体を介して２以上の金属部材を接合する金属－樹脂－金属接合体である場合には、金属部材に挟まれた状態で熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂を成形した樹脂成形体を備えるものであってもよい。または、熱可塑性樹脂もしくは熱硬化性樹脂等を含む接着剤を樹脂成形体として用いて、金属部材が接着剤を介して接合されたものであってもよい。

［２．金属部材および金属樹脂接合体の製造方法］
本発明の金属部材の製造方法は、表面に接合対象物との接合面を備えた金属部材の製造方法であって、金属製の金属基材の表面へレーザー光を照射するレーザー処理によって、前記金属基材にマクロ凹凸部を有した接合面を形成するレーザー照射工程を備えている。また、本発明の金属樹脂接合体の製造方法は、上記で得られた金属部材の表面に樹脂成形体を接合させる樹脂成形工程を備えている。

［２－１．金属部材の製造方法］
＜準備工程＞
本発明の金属部材の製造方法では、レーザー照射工程に先駆けて、金属基材の表面の前処理として、脱脂処理、エッチング処理、デスマット処理、化学研磨処理、及び電解研磨処理等の前処理を施す準備工程を備えていてもよい。

＜レーザー照射工程＞
本発明は、金属製の金属基材の表面にレーザー光を照射する処理（以下、単に「レーザー処理」などという。）を施す。レーザー処理によって、接合対象物との接合面を形成させて、本発明に係る金属部材を得る。ここで、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るが、本発明のようにスポット的に金属基材を加工することに好都合であることから、パルス発振レーザーを用いることが好ましく、例えば、ＹＡＧレーザー、ＹＶＯ4レーザー、半導体レーザー、ファイバーレーザーを用いることがよい。

このレーザー処理によって金属基材にマクロ凹凸部を有した接合面を形成する原理は概ね次のとおりである。すなわち、レーザー照射によるエネルギーによって金属基材が溶融・蒸発するが、蒸発によって穿孔されることでその空間が凹部の基となり、その凹部の両側（両隣）のレーザーが照射されない部分が凸部の基となる。それと同時に、溶融した金属部分は一部又は全部が酸化されて金属酸化物となり、これが凹部となる照射部の周辺に堆積することにより、凸部が形成される。金属酸化物からなる堆積物は、凹部と凸部を覆って皮膜状に形成される。このように、金属基材の表面に形成された金属酸化物からなる堆積物によって、マクロ凹凸部の凹凸形状を形作る金属溶融層が形成される。さらに、金属酸化物は少なくとも多少の部分的イオン性を持っており、金属酸化物の新性表面には金属イオン（Ａｌ^３＋）と酸化物イオン（Ｏ^２－）が存在している。静電的中和性から、空気中の水分と反応することで、金属溶融層の表面に存在する金属酸化物の水酸基化が起こり、金属溶融層の表面が水酸基で覆われることになる。このようにして金属基材にマクロ凹凸部が形成されると共に、その金属溶融層の最表層には水酸基を含有する水酸基含有皮膜が形成される。なお、この水酸基含有皮膜に着目すれば、巨視的に凹部と凸部が交互に連続して形成されたマクロ凹凸部と、そのマクロ凹凸部の表面に形成された微細凹凸部とを有している。

なお、金属部材にレーザー照射を受けないレーザー未照射部が存在している場合には、レーザー未照射部には金属溶融層が存在しておらず、上記のような水酸基含有皮膜も存在してない。通常、レーザー未照射部には、酸化皮膜が形成されている。レーザー未照射部は、水酸基含有皮膜を有さないため、樹脂成形体と接合する際における水酸基に起因する化学的接合による気密性の向上が生じない。また、レーザー未照射部が平坦な場合には、マクロ凹凸部に起因する機械的接合による接合強度の向上が見られない。したがって、接合面にレーザー未照射部が広く残存して、接合面の全体に水酸基含有皮膜が形成されていないような場合には、金属樹脂接合体の気密性および接合強度は低下する。

＜レーザー照射工程で金属基材が受けるエネルギーＥ＞
本発明では、下記式（１）で求められる単位面積当たりのレーザー光の照射エネルギーをもとに、下記式（２）又は（３）で求められる金属基材が受けるエネルギーＥが０．１８≦Ｅ≦０．７５の範囲になるようにする。
単位面積当たりの照射エネルギー（Ｊ／ｍ²）＝（ピークパワー（Ｗ））×（パルス幅（ｓ））×（設定出力（％））×（照射時間（ｓ））×（周波数（Ｈｚ））／（照射面積（ｍ²）） ・・・式（１）
金属基材が受けるエネルギーＥ（Ｊ／（ｍ・Ｋ・√s））＝（単位面積当たりの照射エネルギー（Ｊ／ｍ²））×（基材吸収率（％））^２×√（熱拡散定数（ｍ²／ｓ））／（レーザー照射前の金属基材の温度からレーザー照射後の金属基材の沸点までの温度上昇の差（Ｋ）） ・・・式（２）
金属基材が受けるエネルギーＥ（Ｊ／（ｍ・Ｋ・√s））＝（単位面積当たりの照射エネルギー（Ｊ／ｍ²））×（基材吸収率（％））×（蒸気吸収率（％））×√（熱拡散定数（ｍ²／ｓ））／（レーザー照射前の金属基材の温度からレーザー照射後の金属基材の沸点までの温度上昇の差（Ｋ）） ・・・式（３）

上述したように、金属基材にレーザーを照射すると、レーザーが照射された金属基材は、与えられたエネルギーにより温度上昇し、溶融、蒸発して爆発するように弾けて、金属基材の一部が飛び散ることで孔が形成される。その際、蒸発しきれなかった金属基材の一部は爆発により弾け飛んだ後、孔の周囲に堆積する。このとき、レーザーにより与えられたエネルギーは金属基材に吸収され、基材の温度上昇に使用される。その後、蒸発した金属基材にもエネルギーは吸収され、金属基材に与えられるエネルギーは低下する。また、そのとき金属基材は温度上昇するが、熱拡散によりエネルギーは拡散する。

これらの考えにより、本発明に係る式（１）～（３）を算出した。すなわち、先ず、レーザー光の照射による金属基材の影響を把握するためには、レーザー照射に伴う金属基材の溶融や蒸発現象を明らかにする必要があるところ、これらの現象は微小領域で生じ、尚且つそれが短時間に起こるため直接観察するのが難しい。そのため、例えば、分子動力学シミュレーション等による解析が進められており、参考文献１（大村悦二ほか、レーザーアブレーション現象の分子動力学シミュレーション、レーザー研究 26，800（1998））には、高エネルギー密度の短パルスレーザー光を照射して材料表面が瞬間的に溶融し、蒸発するレーザーアブレーションのシミュレーションが記載されている。

この参考文献１のなかで、アルミニウムに対してパワー密度１０ＧＷ／ｃｍ^２、ビーム幅約２８ｎｍのガウシャンビームを３ｐｓ照射したときのＡｌの蒸発過程が図示されており、はじめ熱膨張によって表面が盛り上がり、液相中に小さなボイドが多数発生し、それらが結合して次第に大きくなるとボイドが爆発するようにはじけて、原子が比較的大きな固まりとなって散乱し、また、蒸発しきれなかった溶融金属は、表面張力により球状になって孔（穴）の周囲に堆積して、その結果、孔の周囲に盛り上がりが形成されると説明されている（Fig 5、804頁左欄の1段落目参照）。

一方、同じアルミニウムであってもパワー密度１ＧＷ／ｃｍ^２のガウシャンビームを３０ｐｓ照射した場合には（ビーム幅は同じ）、蒸発原子は小さなクラスターを作りながらバラバラに飛散する。このときは先の場合のような爆発的な蒸発は見られずに、溶融金属は孔からあふれるように流出して周囲に堆積するとして、孔の深さも先の場合に比べて浅くなる（Fig 6、804頁左欄の2段落目参照）。

そのため、本発明では、レーザー光の照射によって金属基材が受けるエネルギーＥとして、上記式（２）又は（３）で定義したものを使用する。つまり、レーザー光の照射によるエネルギーは熱拡散して金属基材に吸収され、金属基材の温度が上昇して蒸発が生じ、また、その金属基材では、金属蒸気によるエネルギーの吸収と溶融部の形成が起こり、結果として表面凹凸が形成されると考えられる。そのため、式（２）、（３）はこれらを考慮したものである。

上記式（２）又は（３）について、式中の『単位面積当たりの照射エネルギー(J/m²)』は、上記式（１）で求められる。『単位面積当たりの照射エネルギー(Ｊ／ｍ²)』は、所定のピークパワー、所定のパルス幅、及び所定の周波数を有するパルスを含むパルスレーザーからなるレーザー光を、所定の設定出力、及び所定の照射時間での照射を行った場合に、レーザー光が照射される対象物（ワーク）において、レーザー光が照射されるレーザー被照射部が単位面積当たりに受けるレーザー光の照射エネルギーを表す。また、『基材吸収率』は、レーザー光源に対する金属基材（固体）の吸収率を示すが、レーザー光源の波長に対してその吸収率は変化することから、実際に金属樹脂接合体の製造に用いる金属基材の反射率（%）を１００（%）から引いて求めるようにする（100－反射率）。その際、金属基材の反射率はＪＩＳ Ｋ ０１１５：２０２０の測定規則に準拠して、使用するレーザー光の波長の相対反射率を紫外線可視分光光度計により測定する。また、『熱拡散定数』は、金属基材内の熱の広がりやすさを示し、それが高いと形成されるマクロ凹凸部の凹凸構造が浅くなると考えられる。ここでは、金属基材の「熱伝導率／(比重×比熱)」により算出し、その際の熱伝導率、比重、及び比熱は、金属基材ごとの物性値である。更に、『レーザー照射前の金属基材の温度からレーザー照射後の金属基材の沸点までの温度上昇差』は、その金属基材の沸点Ｔ_２（物性値）からレーザー光を照射する前の実際の金属基材の温度Ｔ_１を引いた温度差（T₂－T₁）である。

なお、上記式（２）及び（３）で『熱拡散定数』のルート（1/2乗）を採用しているのは、参考文献２（菊地竜也ほか、Alのアノード酸化とレーザー照射を利用した金属微細構造の作製－新LIGAプロセスを目指して－、表面化学,vol.50,No.8（1999）697-704）において、金属基材がレーザーアブレーションを引き起こすために必要な最小エネルギーＥ_abは下記の式で表されることが知られていることから（参考文献２の698頁右欄31～39行参照）、これに基づいている。
Ｅ_ab＝２Ｈ₁ρｋ^1/2τ^-1/2
（式中、Ｈ₁、ρ、ｋはそれぞれ金属の蒸発潜熱、密度、熱拡散定数を表し、τはパルス幅を表す。）

また、式（３）における『蒸気吸収率』は、前述の『基材吸収率』と同様の考え方に基づき、金属基材（蒸気）の吸収率を求めることもできるが、実際に、金属蒸気を測定するのは難しいことから、金属基材(固体)のエネルギー吸収率である『基材吸収率』と同じであるとみなして、式（２）で示したように『基材吸収率』の２乗として取り扱ってもよい。

また、本発明では、レーザー装置側の発振出力としては上記の式（１）を使用する。ここで、式（１）における『ピークパワー』は、パルスレーザーに含まれる一つのパルス分のエネルギーを表すパルスエネルギーをパルス幅で割ったものであり、この値が高いほどレーザー光の照射によって形成される金属基材の表面凹凸は、深い凹凸構造になると考えられる。また、『パルス幅』は、パルスレーザーから発振された１パルスあたりの時間幅であり、上記のピークパワーに影響を及ぼす。『設定出力』は、レーザーの発振出力を表わすことから、やはり、これが高いほど表面凹凸は深い凹凸構造となる。また、『周波数』は、１秒間あたりのレーザー照射数を表す。これらのうち、通常、ピークパワー、及び周波数は、レーザー装置に固有の値である。これに対して、パルス幅、設定出力は、通常、レーザー光の照射に際して、数値を変更して設定することができるようになっている。もちろん、ピークパワー、及び周波数について、数値を変更して設定することのできるレーザー装置を用いてもよい。

『照射時間』及び『照射面積』は金属基材にレーザー光を照射する際の照射条件である。このうち、『照射時間』は、金属基材にレーザー光を照射する際に、金属基材の表面にレーザー光を照射している時間と、レーザー光を照射していない時間との積算値（合計値）である。レーザー光を照射している時間とは、金属基材にパルスレーザーを照射している時間をいう。ここで、一例として、図６に示すように、黒色に図示された直線状の部分にレーザー光を照射してから、白色に図示された直線状の部分の間隔を空けて、縞模様を描くようにしてレーザー光を照射する場合を考える。この場合、まず、一方向に向けて始点から終点に向けてレーザー光を照射しながら走査する。次に、レーザー光を照射しないで逆方向に折り返すようにして、所定の間隔を空けた次の始点まで移動する。そして、再度一方向に向けて始点から終点に向けてレーザー光を照射しながら走査する。以後、この動作を繰り返す。このように、レーザー光を照射する際には、対象物（ワーク）において、レーザー光の出力をＯＮにして照射する区間と、レーザー照射を行わず（ＯＦＦにして）移動するだけの区間と、これらの区間の切り替わり位置でのレーザー光の出力を行わない区間とが存在する。レーザー光を照射していない時間とは、このようなレーザー照射を行わっていない区間に要する時間をいう。また、『照射面積』は、樹脂成形体を接合させるための接合面の面積と同義である。

本発明では、上記の式（２）又は式（３）で求められる金属基材が受けるエネルギーＥ(Ｊ／（ｍ・Ｋ・√s）)が、通常０．１８以上、好ましくは０．２以上、より好ましくは０．３以上、さらに好ましくは０．４以上であり、通常０．７５以下、好ましくは０．７以下、より好ましくは０．６以下、さらに好ましくは０．５以下である。このような範囲となるようにして、金属基材の表面にレーザー光を照射して表面凹凸を形成し、接合対象物である樹脂成形体を接合するための接合面を備えた金属部材を得る。このエネルギーＥ(Ｊ／（ｍ・Ｋ・√s）)が上記下限値以上であると、金属基材がレーザーからのエネルギーを受けることで、十分な深さの孔を有したマクロ凹凸部が形成され、アンカー効果が十分に働き、樹脂成形体の接合が良好となりやすくなる。反対に、エネルギーＥ(Ｊ／（ｍ・Ｋ・√s）)が上記上限値以下になると、エネルギーが適度に抑えられ、孔の開口径に比べて孔の深さが相対的に深くなり過ぎることを防ぎ、空隙が残らないように樹脂が孔の深部まで到達して、気密性が十分に担保されやすくなる。

＜レーザー処理条件＞
本発明では、上述したように、式（１）で求められる単位面積当たりのレーザー光の照射エネルギーをもとに、式（２）又は（３）で求められる金属基材が受けるエネルギーＥが所定の範囲になるようにして金属基材のレーザー処理を行うが、これを踏まえた上で、レーザー処理における個別の処理条件については以下のように設定するのが好ましい。

なお、レーザー処理は、エネルギー密度の影響も受ける。エネルギー密度は、レーザー光が照射されるレーザー処理の対象となる対象物（ワーク）において、レーザー光が照射されるレーザー被照射部が、単位面積と単位時間当たりに受けるレーザー出力を表す。エネルギー密度（Ｊ／ｍｍ²）は、レーザー光の出力Ｗ（Ｗ）、レーザー光の走査回数Ｎ（回）、レーザー光の照射間隔Ｃ（ｍｍ）、レーザー光の走査速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）、レーザー被照射部におけるレーザー光の照射方向と直行する長さＬｅｎｇｔｈ、レーザー被照射部におけるレーザー光の照射方向と平行な幅Ｗｉｄｔｈ、から、下記式（Ａ１）によって表すこともできる。
エネルギー密度＝（（（Ｌｅｎｇｔｈ／Ｃ）×Ｗｉｄｔｈ×Ｎ）／Ｖ）×Ｗ）／（Ｌｅｎｇｔｈ×Ｗｉｄｔｈ） ・・・式（Ａ１）
また、この式（Ａ１）を変形すると以下の式（Ａ２）が得られて、エネルギー密度は、式（Ａ２）によって算出することができる。
エネルギー密度＝（Ｗ×Ｎ）／（Ｃ×Ｖ） ・・・式（Ａ２）

エネルギー密度は、好ましくは０．５Ｊ／ｍｍ²以上である。エネルギー密度が増加すると、レーザー処理を受けた金属部材の接合面には、水酸基を有する微細凹凸部が形成されやすくなる。また、所定の水酸基存在率を有する水酸基含有皮膜が形成されやすくなる。さらに、エネルギー密度が増加すると、金属基材の表面に形成されるマクロ凹凸部の凹部が深く形成されて、レーザー処理後の金属部材の表面粗さが大きくなる傾向にある。なお、金属基材を構成する金属の融点が高く、熱拡散が大きいほど、金属基材がレーザー光による作用を受けにくくなる傾向にある。上述した事情を考慮して、エネルギー密度は、レーザー処理の対象となる金属にあわせて変更することが望ましい。

アルミニウムを主金属とする金属基材に対してレーザー処理を行う場合には、エネルギー密度は、好ましくは０．５Ｊ／ｍｍ²以上、より好ましくは１Ｊ／ｍｍ²以上、さらに好ましくは１．５Ｊ／ｍｍ²以上である。また、アルミニウムを主金属とする金属基材に対してレーザー処理を行う場合には、エネルギー密度は、好ましくは５Ｊ／ｍｍ²以下、より好ましくは４Ｊ／ｍｍ²以下、さらに好ましくは３Ｊ／ｍｍ²以下である。

鉄を主金属とする金属基材に対してレーザー処理を行う場合には、エネルギー密度は、好ましくは１Ｊ／ｍｍ²以上、より好ましくは２Ｊ／ｍｍ²以上、さらに好ましくは３Ｊ／ｍｍ²以上である。また、鉄を主金属とする金属基材に対してレーザー処理を行う場合には、エネルギー密度は、好ましくは１０Ｊ／ｍｍ²以下、より好ましくは８Ｊ／ｍｍ²以下、さらに好ましくは６Ｊ／ｍｍ²以下である。

銅を主金属とする金属基材に対してレーザー処理を行う場合には、エネルギー密度は、好ましくは２Ｊ／ｍｍ²以上、より好ましくは４Ｊ／ｍｍ²以上、さらに好ましくは６Ｊ／ｍｍ²以上である。また、銅を主金属とする金属基材に対してレーザー処理を行う場合には、エネルギー密度は、エネルギー密度は、好ましくは２０Ｊ／ｍｍ²以下、より好ましくは１５Ｊ／ｍｍ²以下、さらに好ましくは１０Ｊ／ｍｍ²以下である。

エネルギー密度が上記下限値以上であることにより、レーザー処理を受けた金属部材の表面に、水酸基を有する微細凹凸部が形成されやすくなる。また、所定の水酸基存在率を有する水酸基含有皮膜が形成されやすくなる。したがって、水酸基を有する微細凹凸部及び水酸基含有皮膜によって、金属樹脂接合体の気密性及び接合強度が向上しやすくなる。また、エネルギー密度が上記下限値以上であることにより、金属基材の表面に形成されるマクロ凹凸部の凹部の深さ（Ｌ）が大きくなり、アスペクト比（Ｌ／Ｄ）が大きくなる傾向にある。したがって、マクロ凹凸部に樹脂成形体が入り込むことで、マクロ凹凸部と樹脂成形体との機械的接合（アンカー効果）が発揮されることにより、接合強度が向上しやすくなる。エネルギー密度が上記上限値以下であることにより、金属基材の表面に形成されるマクロ凹凸部の凹部深さ（Ｌ）が過度に大きくなり、アスペクト比（Ｌ／Ｄ）が過度に大きくなることを防ぎやすくなる。したがって、マクロ凹凸部の凹部の深部にまで樹脂成形体が入り込むことができ、マクロ凹凸部の全体で金属部材の水酸基と樹脂成形体との官能基との化学的接合が発揮されることにより、気密性が向上しやすくなる。また、マクロ凹凸部の凸部の構造が細長く尖った形状となることを防いで、凸部が折れるなどによる機械的強度の低下を抑えることができる。また、金属樹脂接合体が破断する際に金属部材での破壊が生じることを防ぐことができる。

レーザー処理におけるレーザー条件（レーザー処理条件）は、上述したエネルギー密度を達成するように適宜設定すればよい。レーザー処理条件のパラメータとしては、レーザー光の出力（Ｗ）、レーザー光の周波数（ｋＨｚ）、レーザー光のビーム径（μｍ）、レーザー光の照射間隔（μｍ）、レーザー光の走査速度（ｍｍ／ｓ）、レーザー光の走査回数（回）が挙げられる。なお、走査回数とは、同一の照射軌跡に沿ってレーザー光を繰り返し照射する回数をいう。ここで、レーザー光のビーム径と照射間隔との関係について、図１を参照して説明する。レーザー光の照射間隔とは、対象物に照射される一のレーザー光の軌跡６と、当該レーザーと隣接して照射される他のレーザー光の軌跡６’との間の間隔をいう。より具体的には、レーザー光の照射間隔は、当該一のレーザー光の軌跡６における走査方向３と直行する方向のいずれか一方側の端部と、当該他のレーザー光の軌跡６’における当該一のレーザー光と同じ側の端部との間の距離をいう。パルスレーザ―を照射した場合には、レーザー光の軌跡は、個々のレーザーパルスによって形成される細孔が連続した軌跡として表される。この場合、レーザー光の照射間隔５は、連続する細孔によって形成されるレーザー光の軌跡に挟まれた領域の幅と、ビーム径４の大きさとを足し合わせた長さに相当する。
レーザー処理の対象となる金属基材の主金属がアルミニウム、鉄、銅である場合について、レーザー処理条件の例を表１に示す。

本発明により得られる金属部材の接合面は、表面粗さＲｚが、好ましくは３０μｍ以上、より好ましくは４０μｍ以上、さらに好ましくは６０μｍ以上、特に好ましくは８０μｍ以上であり、好ましくは１８０μｍ以下、より好ましくは１６０μｍ以下、さらに好ましくは１４０μｍ以下である。この表面粗さＲｚが上記下限値以上であれば、得られる金属樹脂接合体の接合強度が向上して、界面破壊を防いで樹脂破壊が生じやすくなる。また、表面粗さＲｚが上記上限値以下であれば、得られる金属樹脂接合体の気密性が向上しやすくなる。なお、この表面粗さＲｚはＪＩＳ Ｂ ０６０１－２００１に準拠する最大高さを表す。表面粗さＲｚは実施例で説明する方法で測定することができる。

［２－２．金属樹脂接合体の製造方法］
金属樹脂接合体は、樹脂組成物を原料として、金属部材表面に樹脂成形体を成形させることによって製造する。

ここで、樹脂組成物の成形（樹脂成形体の形成）方法としては、使用される樹脂に合わせて適宜好ましい成形方法を採用することができる。例えば、熱可塑性樹脂を用いる場合には、金属部材上に熱可塑性樹脂を含む組成物を射出成形することにより樹脂成形体を一体的に接合させて金属樹脂接合体として得ることや、或いは、射出成形で予め樹脂成形体として得たうえで、得られた樹脂成形体を金属部材表面にレーザー溶着、振動溶着、超音波溶着、ホッとプレス溶着、熱板溶着、非接触熱板溶着又は高周波用着などの手段を用いた熱圧着により一体的に接合させる方法などを挙げることができるが、これらに限定されない。

また、例えば、熱硬化性樹脂を用いる場合には、金属部材上に熱硬化性樹脂を含む組成物の射出成形することにより樹脂成形体を一体的に接合させて金属樹脂接合体として得ることや、或いは、所定の粘度に調整した組成物を金属部材上に塗布するなどしてから一体的に加熱・加圧する圧縮成形する方法などを挙げることができるが、これらに限定されない。

また、接着剤を用いる場合には、金属部材上に塗布し、乾燥させて硬化させることができるが、必要により加温などの操作を行っても構わず、使用する接着剤に合った成形条件を採用することができる。

［３．作用効果］

本発明における金属部材の製造方法では、金属基材の表面にレーザー光を照射するレーザー処理によって、凹凸部を有した接合面を形成する。そのため、得られた金属部材と樹脂成形体の接合強度と気密性を向上させることが可能となる。しかも、本発明によれば、レーザー光の照射エネルギーを考慮しながら、金属基材が受けるエネルギーの制御が可能になることから、接合強度と気密性に優れた金属樹脂接合体を再現性良く製造することができる。また、本発明は、レーザー光の諸条件や金属基材の種類によらずに適用することができ、実用性に優れた方法である。言い換えれば、本発明は、レーザー光照射装置の性能や金属基材の種類に応じてレーザー処理条件を設定することで、金属基材が受けるエネルギーＥを適切に設定してレーザー光を照射することができる。

以下、実施例、比較例及び試験例に基づいて、本発明の好適な実施の形態を具体的に説明するが、本発明がこれにより限定されて解釈されるものでもない。

＜接合強度の評価（１）（せん断試験）＞
金属樹脂接合体の接合強度の評価を、ＩＳＯ１９０９５に準じたせん断強度の測定によって行った。具体的には図２に示すように、金属部材８と樹脂成形体７とを接合した金属樹脂接合体９を専用治具１０に固定し、１０ｍｍ/ｍｉｎの速度で、接合面に対して平行な方向にせん断力が加わるように荷重を印加し、金属部材 と樹脂成形体との間の接合部を破壊する試験を実施した。金属樹脂接合体が破断したときの破断力を引張せん断強度（ＭＰａ）として求めた。

さらに、せん断試験を行った後の金属部材側の破断面を目視で観察し、破断形態を確認した。樹脂成形体で母材破壊が生じた場合を樹脂破壊（良）と判断した。金属部材と樹脂成形体との界面破壊が生じた場合は界面破壊（不良）と判断した。金属部材で母材破壊が生じた場合は金属破壊（不良）と判断した。樹脂成形体の射出成形を行った後に、金型から離型した際に、金属部材と樹脂接合体との間に破断が見られたものは、せん断強度を０ＭＰａとした。

＜接合強度の評価（２）（せん断試験）＞
金属樹脂金属接合体の接合強度の評価を、ＪＩＳ Ｋ ６８５０を参考にしたせん断強度の測定によって行った。具体的には図３に示すように、２枚の金属部材８及び８’を、後述の熱硬化性接着剤を用いて貼り合わせた金属樹脂金属接合体１１を専用治具１０に固定し、５ｍｍ/ｍｉｎの速度で、接合面に対して平行な方向にせん断力が加わるように荷重を印加し、接着剤を介した金属部材どうしの接合体の接合部を破壊する試験を実施した。金属樹脂金属接合体が破断したときの破断力を引張せん断強度（ＭＰａ）として求めた。

さらに、せん断強度の評価後の破断面を目視で観察し、破断形態を確認した。接着剤で凝集破壊が生じ、接合部全体に接着剤が残っていた場合は「樹脂破壊」（良）と判断した。金属部材と接着剤との界面破壊が生じた場合は「界面破壊」（不良）と判断した。

＜気密性の評価＞
金属樹脂接合体、又は金属樹脂金属接合体の気密性の評価を、エアーリーク試験によって行った。具体的には図４に示すように、金属部材８と樹脂成形体７とを接合した金属樹脂接合体９を専用気密性冶具１５にクランプして固定した状態で、エアーを最大で正圧０．５ＭＰａまで印加し、１分間保持した。その後，エアー漏れの有無を目視で確認した。または、図５に示すように、２枚の金属部材８及び８’を、後述の熱硬化性接着剤を用いて貼り合わせた金属樹脂金属接合体１１を専用気密性冶具１５にクランプして固定した状態で、エアーを最大で正圧０．５ＭＰａまで印加し、１分間保持した。その後、エアー漏れの有無を目視で確認した。上述した専用気密性治具１５では、金属樹脂接合体９、又は金属樹脂金属接合体１１を、Ｏ－リング１３を介装した状態で上下から固定治具で挟みこんで固定している。金属樹脂接合体９、又は金属樹脂金属接合体１１を挟んで、専用気密性治具１５の上側の開放部には水１２が存在しており、専用気密性治具１５の下側の密閉部には空気が存在している。通気管１４を通じて密閉部にエアーを印加することで、接合界面から気泡が発生するかどうかを機序として、金属樹脂接合体９、又は金属樹脂金属接合体１１を通じて、開放部側にエアーが漏れるかどうかを確認することができる。評価時間内においてエアーリークがない場合を「合格（良）」、エアーリークが観察された場合を「不合格（不良）」として評価した。

＜接合面の表面粗さの評価＞
接合面の表面粗さとして、キーエンス社製ワンショット３Ｄ形状測定機ＶＲ－３２００を用いて、最大高さＲｚを測定した。測定は、３６００×２８００μｍの測定範囲において、倍率８０倍、カットオフλsなし、カットオフλcなしとして、基準長数１の条件で４１箇所の平均値を測定値とした。レーザー光の縞模様状の軌跡と、測定器の投光レンズから照射される縞状の光とが、直角に交差する位置関係となるようにして測定を行った。

〔実施例１〕
ＪＩＳ Ｈ０００１に示された調質記号Ｈ３４で処理したＡ５０５２アルミニウム合金（A5052-H34）から厚さ１．５ｍｍ×幅１８ｍｍ×長さ４５ｍｍのアルミ板材と、厚さ２ｍｍ×外径Φ５５ｍｍ×内径Φ２０ｍｍのドーナツ状のアルミ円形材とを切り出して、前者のアルミ板材は接合強度の評価（１）に使用するための金属基材とし、後者のドーナツ状アルミ円形材は気密性の評価に使用するための金属基材とした。

表２には、このＡ５０５２アルミニウム合金材の物性値が示されている。このうち、『比重』、『熱伝導』、『比熱』、及び『沸点』は文献値であり、『熱拡散定数』は「熱伝導率／(比重×比熱)」より算出したものである。また、吸収率は、その金属基材の反射率（%）を１００（%）から引いて求めたものである。その際、金属基材の反射率はＪＩＳ Ｋ ０１１５：２０２０に準拠し、使用するレーザー光の波長の相対反射率を紫外線可視分光光度計により測定した。吸収率Ａは、本実施例１を含めて実施例１～２３、２５、及び比較例１～８で使用したレーザー光照射装置Ａを用いた場合の値である。なお、吸収率Ｂは、後述の実施例２４で使用したレーザー光照射装置Ｂを用いた場合の値を表す。

上記で準備した２つの金属基材に対して、レーザー光照射装置Ａを用いて、それぞれレーザー光を照射した。ここで、レーザー光照射装置Ａは、キーエンス社製レーザーマーカーＭＤＦ－５２００である。この装置の仕様は、パルス式ファイバーレーザー、波長１０９０ｎｍ、最大出力５０Ｗ、ビーム径６０μｍであり、本実施例１において接合面を形成するためのレーザー条件は、表３に示したように、出力８５％、照射間隔９０μｍ、走査速度３４０ｍｍ/ｓ、周波数６０ｋＨｚ、走査回数１回とした。また、そのときのピークパワーは６．７ｋＷ、パルス幅は２２０ｎｓであり、照射時間については、下記における接合強度の評価（せん断試験）に使用する金属基材では６．３５ｓであり、気密性の評価に使用する金属基材では５．２０ｓである。
なお、表３では、接合強度の評価（せん断試験）に使用する金属基材でのレーザー加工と気密性の評価に使用する金属基材でのレーザー加工について、それぞれ条件が区別される場合は前者を「せん断」、後者を「気密」として表記している。また、条件が共通の場合には「共通」としてまとめて表記している（下記の表４及び５についても同様）。

金属基材にレーザー光を照射して実際に接合面を形成するにあたり、先ず、接合強度評価用のアルミ板材からなる金属基材１では、図６（ａ）のように、一方の主面側の長手方向の端部において、長手方向に縦（t₁）１０ｍｍ×短手方向に横（t₂）１８ｍｍの接合面１aを形成した。接合面１ａの照射面積は、１８０ｍｍ^２であった。詳しくは、図６（ｂ）に示したように、前述のビーム径（D）６０μｍのレーザー光を照射間隔（L）９０μｍにして、接合面1aに縞模様を描くようにして照射した。そして、この接合面１ａに縞模様を描く軌跡を１回の走査により、接合強度評価用の金属部材を得た。
接合強度評価用の金属部材に対して、接合面の表面粗さの評価を行った。結果を下記の表５に示す。

また、気密性評価のドーナツ状アルミ円形材からなる金属基材２では、図７（ａ）のように、その中心の直径（R₁）２０ｍｍの開口部２ｂの周りを幅２ｍｍで縁取るようにして、外径（R₂）２４ｍｍ、内径（R₁）２０ｍｍからなるドーナツ状の接合面２ａを形成した。接合面２ａの照射面積は、１３８ｍｍ^２であった。詳しくは、図７（ｂ）に示したように、ビーム径（D）６０μｍのレーザー光を照射間隔（L）９０μｍにして、接合面２ａに同心円を描くようにして照射した。そして、この接合面２ａに同心円を描く軌跡を１回の走査により、気密性評価用の金属部材を得た。

ここで、表３に示したレーザー処理の設定条件の項目のなかの「処理面積（mm²）」は、上述の２種類の金属基材１、２における接合面１ａ、２ａの面積を表す。また、レーザー出力の項目における「照射エネルギー（J）」は、式（１）に含まれる「（ピークパワー）×（パルス幅）×（設定出力）×（照射時間）×（周波数）」の値を表す。「単位面積照射エネルギー（J/m²）」は、式（１）から算出される単位面積当たりのレーザー光の照射エネルギーを表す。また、表５において、式（２）で求められる金属基材が受けるエネルギーＥは、接合強度の評価（せん断試験）用のアルミ板材からなる金属基材の場合と、気密性の評価用のーナツ状アルミ円形材からなる金属基材の場合とのそれぞれについての計算値を表す。なお、この実施例１では、レーザー照射前の金属基材の温度は常温（２５℃）として計算している。

上記のようにして接合面が形成された各金属部材（レーザー処理後のアルミ板材及びアルミ円盤）を、射出成形機（日精樹脂工業製、ＦＮＸ１１０３－１８Ａ）を用いて、ＩＳＯ１９０９５に準拠して作製した金型内にそれぞれインサート後、これらに対して、熱可塑性樹脂としてポリアミドＭＸＤ１０をベースレジンとする芳香族ナイロン（三菱エンジニアリングプラスチックス社製、商品名：Ｒｅｎｙ（登録商標）、グレード：ＸＬ１００２Ｕ）を使用して、これを樹脂温度２５０℃、金型温度１４０℃、射出速度３０ｍｍ/ｓ、保圧８０ＭＰａで射出成形した。それにより、樹脂成形体の厚さが３ｍｍ×幅１０ｍｍ×長さ４５ｍｍの長方形状であって、アルミ板材と樹脂成形体との長方形状の接合部の面積（接合面積）が５ｍｍ×１０ｍｍである、アルミ板材（金属部材）８と樹脂成形体７との接合体（金属樹脂接合体９、図８）を作製した。また、樹脂成形体が厚さ２ｍｍ×Φ２４ｍｍの円盤状であって、アルミ円盤の内径側面との円環状の接合部の接合幅が２．０ｍｍ、接合面積が１３８．２ｍｍ^２である、アルミ円盤（金属部材）８と樹脂成形体７との接合体（金属樹脂接合体９、図９）を作製した。

上記で得られた接合強度評価用の金属樹脂接合体について、前述の接合強度の評価（１）により、アルミ板材（金属部材）８と樹脂成形体７との間の接合部を破壊する試験を実施し、金属樹脂接合体が破断したときの破断力を引張せん断強度（MPa）として求めた。また、引張せん断試験後の破断形態を目視で観察した。また、気密性評価用の金属樹脂接合体については、前述の気密性の評価により、エアーリークの有無を確認した。結果を併せて表３に示す。なお、表３においては、接合状態（破断形態）と気密性（エアー漏れ）のどちらか少なくともひとつで不良（×）又は不合格（×）となった場合には総合判断として「ＮＧ」を付している。また、いずれも良好（〇）又は合格（〇）の場合には「ＯＫ」を付している。

〔比較例１～３、実施例２～９〕
レーザー処理の条件を表３に示したように変更した以外は実施例１と同様にして、接合強度評価用及び気密性評価用の各金属樹脂接合体をそれぞれ得て、各種の評価を行った。結果を表５にまとめて示す。

〔実施例１０～１４、比較例４〕
ＩＳＯ１９０９５に準拠し、ＪＩＳ Ｈ０００１に示された調質記号Ｔ５で処理したＡ６０６３アルミニウム合金（Ａ６０６３－Ｔ５）の中空押出し材から厚さ１．５ｍｍ×幅１８ｍｍ×長さ４５ｍｍのアルミ板材と、厚さ２ｍｍ×外径Φ５５ｍｍ×内径Φ２０ｍｍのドーナツ状のアルミ円形材とを切り出して、前者をせん断強度評価（接合強度評価）に使用するための金属基材とし、後者を気密性評価に使用するための金属基材とすると共に、レーザー処理の条件を表３に示したように変更した以外は実施例１と同様にして、接合強度評価用及び気密性評価用の各金属樹脂接合体をそれぞれ得て、各種評価を行った。結果を表２にまとめて示す。

〔実施例１５～２０、比較例５～６〕
ＪＩＳ Ｈ３１００に示された無酸素銅（Ｃ１０２０）の圧延材から厚さ１．５ｍｍ×幅１８ｍｍ×長さ４５ｍｍのアルミ板材と、厚さ２ｍｍ×外径Φ５５ｍｍ×内径Φ２０ｍｍのドーナツ状のアルミ円形材とを切り出して、前者をせん断強度評価（接合強度評価）に使用するための金属基材とし、後者を気密性評価に使用するための金属基材とすると共に、レーザー処理の条件を表２に示したように変更して接合面を形成した。また、金属樹脂接合体を得るにあたり、熱可塑性樹脂としてポリフェニレンスルフィド（PPS）（ポリプラスチック社製、商品名：ジュラファイド、グレード：１１５０ＭＦ１）を使用し、射出成形条件として、樹脂温度３２０℃、金型温度１５０℃、射出速度３０ｍｍ/ｓ、保圧８０ＭＰａで実施し、これら以外は実施例１と同様にして接合強度評価用及び気密性評価用の各金属樹脂接合体をそれぞれ得て、各種評価を行った。結果を表４にまとめて示す。

〔実施例２１～２３、比較例７～８〕
ステンレス板材（ＳＵＳ３０４）から厚さ１．５ｍｍ×幅１８ｍｍ×長さ４５ｍｍのアルミ板材と、厚さ２ｍｍ×外径Φ５５ｍｍ×内径Φ２０ｍｍのドーナツ状のアルミ円形材とを切り出して、前者をせん断強度評価（接合強度評価）に使用するための金属基材とし、後者を気密性評価に使用するための金属基材とすると共に、レーザー処理の条件を表４に示したように変更して接合面を形成した。また、金属樹脂接合体を得るにあたり、熱可塑性樹脂としてポリフェニレンスルフィド（PPS）（ポリプラスチック社製、商品名：ジュラファイド、グレード：１１５０ＭＦ１）を使用し、射出成形条件として、樹脂温度３２０℃、金型温度１５０℃、射出速度３０ｍｍ/ｓ、保圧８０ＭＰａで実施し、これら以外は実施例１と同様にして接合強度評価用及び気密性評価用の各金属樹脂接合体をそれぞれ得て、各種評価を行った。結果を表４にまとめて示す。

〔実施例２４〕
レーザー光照射装置をレーザー光照射装置Ｂに変えて、レーザー処理の条件を表３に示したように変更した以外は実施例１と同様にして、接合強度評価用及び気密性評価用の各金属樹脂接合体をそれぞれ得て、各種の評価を行った。結果を表２に示す。ここで、レーザー光照射装置Ｂは、キーエンス社製ＭＤＶ－９６００Ａである。この装置の仕様は、Ｑスイッチ式ＹＶＯ４レーザー、波長１０６４ｎｍ、最大出力８Ｗ、ビーム径４０μｍであり、本実施例２４において接合面を形成するためのレーザー条件は、表４に示したように、出力９５％、照射間隔１００μｍ、走査速度３０ｍｍ/ｓ、周波数２０ｋＨｚ、走査回数１回とした。また、そのときのピークパワーは３２ｋＷ、パルス幅は１０．１ｎｓであり、照射時間については、接合強度の評価（せん断試験）に使用する金属基材では３５．００ｓであり、気密性の評価に使用する金属基材では５１．０４ｓである。

〔実施例２５〕
ＪＩＳ Ｈ０００１に示された調質記号Ｔ５で処理したＡ６０６３アルミニウム合金（Ａ６０６３－Ｔ５）の中空押出し材から厚さ５ｍｍ×幅２５ｍｍ×長さ５０ｍｍの長方形状のアルミ板材を２枚と、厚さ２ｍｍ×外径Φ５５ｍｍ×内径Φ２０ｍｍの円環状のアルミ円盤と、厚さ２ｍｍ×外径Φ２４ｍｍの円形状のアルミ円盤を、それぞれ金属基材として切り出して準備した。

次に、レーザー処理の条件を表４に示したように変更した以外は実施例１と同様にして、レーザー照射して、接合面を形成した。なお、２枚のアルミ板材では、一方の主面側の長手方向の端部において、長手方向に６ｍｍ×短手方向に２５ｍｍの長方形状の領域にそれぞれレーザー照射した。接合面の照射面積は、１８０ｍｍ^２であった。また、円環状のアルミ円盤では、内側から幅２．０ｍｍの円環状の領域にレーザー照射した。また、円形状のアルミ円盤では、内側から幅２．０ｍｍの円環状の領域にレーザー照射した。接合面の照射面積は、１３８ｍｍ^２であった。

接合面が形成された各金属部材（レーザー処理後のアルミ板材及びアルミ円盤）に対して、樹脂として熱硬化性接着剤（一液加熱硬化型エポキシ接着剤）（スリーエムジャパン株式会社社製、商品名：スコッチ・ウェルド（登録商標）ＳＷ２２１４）を使用して、接着剤の厚さが０．２ｍｍとなるようにＳＵＳワイヤーで調整して接合面に塗布した。接着剤の塗布後、２枚のアルミ板材どうしを貼り合わせ、０．０１ＭＰａの圧力をかけて、試験片温度が１５０℃到達した後に３０分加熱した接着条件で、２枚のアルミ板材の長方形状の接合部の接合面積が６ｍｍ×２５ｍｍである、接着剤を介したアルミ板材（金属部材）８及び８'の接合体（アルミ板材と樹脂成形体とアルミ板材との接合体）（金属樹脂金属接合体１１、図１０）を作製した。また、接着剤の塗布後、円環状のアルミ円盤と円形状のアルミ円盤とを貼り合わせ、同様の接着条件で、円環状のアルミ円盤と円形状のアルミ円盤との円環状の接合部の接合幅が２．０ｍｍ、接合面積が１３８．２ｍｍ^２である、接着剤を介した円環状のアルミ円盤（金属部材）８と円形状のアルミ円盤（金属部材）８'との接合体（円環状のアルミ円盤と樹脂成形体と円形状のアルミ円盤との接合体）（金属樹脂金属接合体１１、図１１）を作製した。得られた金属樹脂接合体について、前述の接合強度の評価（２）と気密性の評価を行った。評価結果を表３にまとめて示す。

［検討］
上記の実験のうち、比較例１、実施例１、及び比較例２で得られた金属樹脂接合体について、それを厚さ方向に切断して断面を走査型電子顕微鏡（日本電子製、ＪＳＭ－７２００Ｆ）により倍率５００倍で観察したものを図１２、１３及び１４に示す。これらによれば、いずれも金属基材の表面に凹凸部を有した接合面が形成されていることが分かる。
このうち、図１２は、比較例１における気密性評価用の金属樹脂接合体の断面を示したものである。この比較例１では気密性評価が不合格（×）であるところ、そのＳＥＭによれば、金属部材（金属基材）の接合面に形成された表面凹凸での凹部が、細長く深い位置にまで形成されていることが分かる。つまり、樹脂が凹部の深部まで到達することができずに、気密性を低下させたと考えられる。また、金属部材の接合面に形成された表面凹凸での一部の突起が、互いに隣接するもの同士でその頂部が接触していることが分かる。つまり、突起の頂部が接触してその下方に閉ざされた孔（空間）が形成されたことで、樹脂成形体が侵入できない箇所が発生して気密性が低下したと考えられる。

また、図１４は、比較例２における接合強度評価用の金属樹脂接合体の断面を示したものである。この比較例２では接合状態が不合格（×）であるところ、そのＳＥＭによれば、金属部材の接合面に形成された表面凹凸の凹み（谷又は孔）が比較的小さいことが分かる。つまり、金属部材の接合面への樹脂成形体の食い込みが足りずに、アンカー効果（機械的結合・投錨効果）が不十分であったと考えられる。さらに、比較例２では、ＳＥＭによる断面の観察により、レーザー未照射部が存在していることが確認された。比較例２では、レーザー未照射部の影響により、気密性および接合強度が低下したと考えられる。

それに対して、図１３は、実施例１における接合強度評価用の金属樹脂接合体の断面を示したものである。この実施例１では気密性、接合状態共に良好な結果を示している。実際に、そのＳＥＭによれば、金属部材の接合面に形成された表面凹凸では、頂部側に十分な開口を有して、適度な深さの凹部を有し、形状の揃った突起が形成されていることが分かる。

また、図１５には、上記実施例１～２５、比較例１～８で得られた接合強度評価用の金属樹脂接合体について、その金属部材の接合面を形成する際の「金属基材が受けるエネルギーＥ」（式（２）で求められるエネルギーＥ、表３中での「計算値」）とその接合面の表面粗さＲｚとの関係をグラフにしたものである。また、この図１５のグラフでは、破断形態と気密性との評価結果に応じて、破断形態と気密性との両方が良好（○）の場合を『接合ＯＫ』とし、破断形態と気密性とのいずれかが不良（×）の場合を『接合ＮＧ』としている。また、図１５では、接合ＯＫのものを黒塗丸印でプロットして、接合ＮＧのものを黒塗三角印でプロットしている。これによると、「金属基材が受けるエネルギーＥ」が０．１８≦Ｅ≦０．７５の範囲であれば、引張せん断試験後の破断形態が良好であり、尚且つ、この範囲内であれば気密性（エアー漏れ）についても合格であることが分かる。

以上のとおり、本発明によれば、接合強度や気密性に優れた金属樹脂接合体を得ることができる。特に、本発明では、レーザー光の照射エネルギーを考慮しながら、金属基材が受けるエネルギーの制御が可能になることから、接合強度と気密性に優れた金属樹脂接合体を再現性良く製造することができ、しかも、レーザー光の諸条件や金属基材の種類が変わっても適用できることから、実用性に優れた方法であると言える。

１，２…金属基材、１ａ，２ａ…接合面、２ｂ…開口部、３…走査方向、４…ビーム径、５…照射間隔、６(６’)…レーザー光の軌跡、７…樹脂成形体、８…金属部材、９…金属樹脂接合体、１０…せん断試験用の専用治具、１１…金属樹脂金属接合体、１２…水、１３…Ｏ－リング、１４…エアー吹込み用の管、１５…専用気密性治具。

Claims (5)

1. 表面に接合対象物との接合面を備えた金属部材の製造方法であって、
   金属製の金属基材の表面へレーザー光を照射するレーザー処理によって、前記金属基材に凹凸部を有した前記接合面を形成するレーザー照射工程を備え、
   前記レーザー照射工程において、下記式（１）によって求められる単位面積当たりの照射エネルギーをもとに算出される、下記式（２）又は下記式（３）によって求められるレーザー光の照射によって前記金属基材が受けるエネルギーＥが０．１８≦Ｅ≦０．７５である
   ことを特徴とする金属部材の製造方法。
   単位面積当たりの照射エネルギー＝（ピークパワー）×（パルス幅）×（設定出力）×（照射時間）×（周波数）／（照射面積） ・・・式（１）
   金属基材が受けるエネルギーＥ＝（単位面積当たりの照射エネルギー）×（基材吸収率）^２×√（熱拡散定数）／（レーザー照射前の金属基材の温度からレーザー照射後の金属基材の沸点までの温度上昇の差） ・・・式（２）
   金属基材が受けるエネルギーＥ＝（単位面積当たりの照射エネルギー）×（基材吸収率）×（蒸気吸収率）×√（熱拡散定数）／（レーザー照射前の金属基材の温度からレーザー照射後の金属基材の沸点までの温度上昇の差） ・・・式（３）
2. 前記金属基材は、アルミニウム、銅、鉄又はこれらの各金属を含む合金であることを特徴とする請求項１に記載の金属部材の製造方法。
3. 前記接合面の表面粗さ（Ｒｚ）が、３０μｍ以上、１８０μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属部材の製造方法。
4. 請求項１に記載の製造方法によって得られた金属部材の表面に、樹脂成形体を形成する樹脂成形工程を備え、
   前記金属部材の接合面と前記樹脂成形体とが接合された金属樹脂接合体を製造する
   ことを特徴とする金属樹脂接合体の製造方法。
5. 前記樹脂成形工程において、前記金属部材上に熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂を含む樹脂成形体を成形することを特徴とする請求項４に記載の金属樹脂接合体の製造方法。
   

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