JP5584976B2 - 接合体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、主として電子機器用の筐体に用いられる、樹脂と金属部材の接合体の製造方法に関するものである。

携帯電話に代表される近年の移動用モバイルは、小型化、軽量化、高強度化の要請から、筐体に金属部材を使用することが注目されている。またデザイン上の面からも筐体に金属部材を用いることで、従来にない質感を持たせることが求められている。このような背景のもと、接着剤を塗布した金属に樹脂を射出成型して、筐体を製造する方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。
特開平７−１２４９９５号公報

このような接着剤を塗布した金属を金型内に挿入して射出成型する方法は、接着剤が金型に付着してしまい、生産性を落としてしまうことが懸念される。ここで接着剤を使用せずに樹脂と金属部材を接合する方法として、アンカー効果によるものがある。具体的には穴を開けたり、樹脂との接合面に凹凸形状を形成した金属部材に、樹脂を射出成型する方法である。射出成型された樹脂が金属部材の凹凸形状に入り込むことで、両者を接合することが可能となる。

ここで電子部品の筐体として用いる際に、デザイン上の要請から金属部材そのものが筐体として使用されることがある。樹脂はリブやボスとして金属部材の補強および固定に用いられることから、筐体の内側に配置される。この時樹脂そのものは筐体の外観に表れることはないが、樹脂との接合部も外観に現れないようにする必要がある。このため筐体に穴を開けて樹脂を食い込ませることはできず、また筐体の外側に接合面の凹凸形状が表れないようにする必要があるため、接合面の凹凸形状は小さくなり、樹脂と金属部材との接合力は弱くなる。

本発明は接合面の凹凸形状が小さくても、樹脂と金属部材を強固に接合することができる、接合体の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の接合体の製造方法は少なくとも樹脂との接合面に凹凸形状を形成した金属部材を設置する第１の金型と、金属部材が設置された第１の金型と型締めされた状態で樹脂を成型する第２の金型と、第１の金型を樹脂の常用耐熱温度を超える温度に設定して、成型された樹脂と金属部材とを接合することを特徴とする。

本発明の接合体の製造方法および射出成型装置によれば、金型に設置した金属部材を加熱する金型温度と、樹脂の成型に必要な金型温度とをそれぞれ独立して調整することができる。本構成により、射出成型された樹脂は金型内部で徐々に冷却され金型に応じた所定の形状を形成するが、金属部材との接合面においては温度が高いために接合面の凹凸形状に樹脂が十分入り込むことが可能となり、樹脂と金属部材とを強固に接合することができる。

本発明の請求項１に記載の発明は、少なくとも樹脂との接合面に凹凸形状を形成した金属部材を設置する第１の金型と、前記金属部材が設置された前記第１の金型と型締めされた状態で樹脂を成型する第２の金型と、を備え、前記第１の金型温度を、前記樹脂の常用耐熱温度を超える温度であって、前記樹脂の射出温度以下に設定して、前記第２の金型温度を前記樹脂の通常樹脂成型を行う際の一般的な温度に設定して、前記金属部材を加熱する前記第１の金型温度と、前記樹脂の成型に必要な前記第２の金型温度とをそれぞれ独立して調整して、前記成型された樹脂と前記金属部材とを接合する接合体の製造方法である。

これにより、射出成型された樹脂は金型内部で徐々に冷却され金型に応じた所定の形状を形成するが、高温環境下での樹脂の劣化を抑え、金属部材との接合面においては温度が高いために接合面の凹凸形状に樹脂が十分入り込むことが可能となり、樹脂と金属部材とを強固に接合することができる。

本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１記載の接合体の製造方法において、前記第１の金型と前記第２の金型の型開きの際には、設定温度の高い 前記第１の金型から離間させ、前記第２の金型に前記接合体が追随するようにしたもので、接合体を速く冷却することができる。

本発明の請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載の接合体の製造方法において、第１の金型と第２の金型は、型締めにおいて接触する面に断熱材、または中空部分を有していることにより、２つの金型の間で熱が伝わりにくくなり、第１、第２の金型それぞれの温度制御がしやすくなる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。

図１は本発明の実施の形態の射出成型装置の概略図、図２は本発明の実施の形態の樹脂と金属部材の接合体の概略図、図３は本発明の実施の形態の樹脂と金属部材の接合体の製造工程図である。

最初に、図１、図２を参照しながら、本発明の実施の形態の射出成型装置の構成および機能について説明する。射出成型装置１は、上下に分割された上金型２および下金型３と、下金型３を昇降させる昇降装置４と、上金型２に内蔵されている熱媒体５の温度調整を行う上金型温調装置６と、下金型３に内蔵されている熱媒体７の温度調整を行う下金型温調装置８と、上金型２のキャビティ９に溶融樹脂１０を射出する射出装置１１で構成されている。下金型３には金属部材を設置するための凹部１２が形成されている。上金型２の下面のキャビティ９の開口縁部を除く領域と、下金型３の上面の凹部１２を除く領域には断熱材１３が備わり、独立して温度管理が可能な上金型２と下金型３の間の熱移動を極力抑制する構造になっている。これにより型締め時における２つの金型の温度変化を抑え、所望の温度で管理することが、より有利に行える。なお、断熱材１３の代わりにこれらの領域の内部を中空にし、熱伝導率が低下する構造にすることもできる。

射出装置１１は、溶融樹脂１０を内蔵する射出シリンダ２０と、射出シリンダ２０に内蔵されている溶融樹脂１０をキャビティ９に送り出すスクリュ２１と、スクリュ２１に駆動力を供給するスクリュ駆動装置２２と、射出シリンダ２０に外部から溶融樹脂７を供給するためのホッパ２３で構成されている。射出シリンダ２０には、内蔵する溶融樹脂１０が硬化しないように加熱するためのヒータ２４が備わっている。

図２は射出成型装置１により製造された樹脂成型品と金属部材の接合体である。金属部材は、少なくとも樹脂との接合面においては、物理的、化学的方法により凹凸形状となっているが、反対面まで表れるような深い凹凸形状ではない。凹凸形状の形成方法は切削、研削、放電のように機械的な方法やエッチングや陽極酸化のような化学的な方法によって形成してもよいし、プレス加工や鍛造、転造のように表面を変形させて形成してもよい。また溶射のように、金属部材表面に微細粒子を堆積させて凹凸形状の被覆を形成してもよい。凹凸形状はこれが大きく、また複雑な形状ほどアンカー効果が期待できるが、各工法により形成できる凹凸形状や大きさ、処理にかかる時間、コストが異なるため、優先度合いに応じて選択すればよい。

また樹脂材料はＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＡＢＳ（アクリロニトリルブタジエンスチレン）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、ＰＩ（ポリイミド）、ＰＡ（ポリアミド）のように射出成形に用いられる熱可塑性樹脂であればよい。

射出成型装置１の下金型３は、後述する金属部材３０を設置する第１の金型であり、上金型２は、下金型３と型締めされた状態でキャビティ９と金属部材との間に樹脂成型空間を形成する第２の金型である。上金型２と下金型３を型締めした状態で上金型２側からキャビティ９に射出された溶融樹脂１０は、樹脂成型空間に射出され次第に凝固していくが、金属部材との接合面においては樹脂の常用耐熱温度を超える温度に保持されていて軟化した状態であるため、凝固することなく金属部材の凹凸形状に入り込むことができる。

ここで樹脂の常用耐熱温度とは、それぞれの樹脂の一般的な使用方法における耐熱温度である。具体的にはそれぞれの樹脂のグレードによっても異なるが、ＰＰＳは２００〜２５０度、ＰＢＴは６０度〜１４０度、ＡＢＳは７０度〜１００度、ＰＡは８０度〜１４０度である。

次に、図３を参照しながら、樹脂と金属部材の接合体の製造工程について説明する。最初に、少なくとも樹脂との接合部に凹凸形状を有する金属部材３０を下金型３の凹部に設置する。凹部に設置された金属部材３０の上面は下金型３の上面と同一平面上にあり、型締めの際に上金型２の下面と段差なく平面接触できるようになっている。その後、型締めにより上金型２の下面と下金型３の上面を密着させる。これにより、上金型２のキャビティと下金型３に設置された金属部材３０との間に樹脂成型空間４０が形成される。

ここで上金型２は、熱媒体５および上金型温度調整装置６により、下金型３の金型温度と独立した一定温度に保たれている。また熱媒体７および下金型温調装置８により、下金型３に設置された金属部材３０は、接合面の温度が樹脂の常用耐熱温度を超える温度に保持されている。このため上金型２側から射出された溶融樹脂１０は、上金型２と接する部分から次第に凝固して所定の形状を形成していくが、金属部材３０との接合面においては軟化した状態であるため、金属部材３０の凹凸形状に入り込むことができる。

樹脂射出から所定時間を経過した後に、型開きにより上金型２と下金型３を分離させる。この時点で溶融樹脂１０は凝固して樹脂成型品３１となっており、その下端部は金属部材の凹凸形状に入り込んでいるため金属部材３０と接合している。従って、型開きの際に樹脂成型品３１は上金型２に追随するか、上金型２から外れて金属部材３０とともに下金型３に追随するかの何れかとなるが、ここでは後に記載する理由により上金型２に追随するようにした方が好ましい。最後に、上金型２から樹脂成型品３１を抜き出し、樹脂成型品３１と金属部材３０が接合した接合体３２が完成する。

次に、（表１）を参照しながら、上金型２と下金型３の温度管理について説明する。（表１）は、凹凸形状を形成した金属部材として、陽極酸化で片側面に凹凸形状を形成したマグネシウム合金と、樹脂としてＰＰＳを用いた場合の上下金型の温度、および前記マグネシウム合金と前記ＰＰＳとの接合状態との関係を表している。なお今回使用したグレードの常用耐熱温度は２５０度であり、凹凸形状を形成したマグネシウム合金の表面粗さはＲａ０．１６〜０．３４程度であった。

一般にＰＰＳは２８０度〜３３０度で射出され、金型温度は上下金型とも１３０度〜１６０度に設定される。そこで図３に示した製造工程において、上下金型とも１４０度に設定したところ、樹脂と金属部材とがほとんど接合しておらず、両者にせん断力をかけたところ、接合界面から剥がれてしまった。

今度は上金型２と下金型３を独立した温度管理に変更し、金属部材３０を設置する下金型３のみを１７０度まで上昇させて両者にせん断力をかけたところ、接合界面から剥がれてしまった。

次に下金型３の温度を２００度まで上昇させて両者にせん断力をかけると、１７０度の場合よりせん断力は増えていたが、接合界面から剥がれてしまった。このときの剥がれた状態を観察すると、金属部材の一部に樹脂の付着があったもののそのほかの部分は樹脂が付着しておらず、金属表面の凹凸に樹脂が十分に入り込んでいない状態であった。

さらに下金型３の温度を、２２０度、２４０度と上昇させるにつれてせん断力も上昇し、金属部材の接合界面の樹脂の付着も温度上昇に併せて増えていった。下金型の温度を２６０度に設定した場合は、せん断力をかけると、金属部材と樹脂は接合界面から破壊することなく、樹脂そのものが破断し、十分な接合力を有していることが確認された。

この結果から、金型を用いて樹脂と少なくとも樹脂との接合部に凹凸形状を有する金属部材を一体成型した接合体を製造する場合には、溶融樹脂１０を成型する上金型２と金属部材３０を設置する下金型３の温度管理を独立して行い、下金型３の金型温度においては通常の成型温度より高い常用耐熱温度を超える温度になるよう温度管理することが好ましい。

このように、上金型２と下金型３では設定温度が大きく異なるので、型開きの際には設定温度の低い上金型２に接合体３２が追随するようにした方が好ましい。設定温度の高い下金型３から離間させることで、接合体３２を速く冷却することができるからである。

また、上述したように下金型３の上面の凹部１２を除く領域には断熱材１３が備えているため、設定温度が大きく異なる温度が低い上金型２に熱が伝わりにくくなり、上金型２と下金型３とのそれぞれの温度制御がしやすくなる。

また、凹凸形状をつけた金属部材と接合する樹脂は、先に記載したＰＰＳに限られるものではない。実際に接合させた樹脂の種類とそのときに設定した金型温度について（表２）に示す。

ＰＰＳの他にＡＢＳ（アクリロニトリルブタジエンスチレン）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＡ（ポリアミド）について、（表２）に示した設定温度で上下金型を温度管理することで、それぞれの樹脂の成型と凹凸形状をつけた金属部材との接合が良好に行われた。ここで上金型の温度範囲は各樹脂毎の通常の成型時の金型温度と同等であることが好ましい。また下金型温度の温度範囲は各樹脂の常用耐熱温度の温度を超える温度であって、各樹脂の射出温度以下であることが好ましい。

なお、上記の上金型２の温度は通常樹脂成型を行う際の一般的な温度であって、成形する樹脂の形状等により変化するため、上記温度範囲の限りではない。

本発明にかかる樹脂と少なくとも接合面に凹凸形状を形成した金属部材との接合体の製造方法は、凹凸形状を形成した金属部材を設置する第１の金型温度を、樹脂の常用耐熱温度より高く設定する。そうすることで接合面の凹凸形状に樹脂が入り込み、樹脂と金属部材とを強固に接合することができる。これにより例えば携帯電話やパーソナルコンピュータのような電子機器用の筐体として利用可能となる。

本発明の実施の形態の射出成型装置の概略図 本発明の実施の形態の樹脂と接合面に凹凸形状を形成した金属部材の接合体の概略図 本発明の実施の形態の樹脂と接合面に凹凸形状を形成した金属部材の接合体の製造工程図

符号の説明

１ 射出成型装置
２ 上金型
３ 下金型
６ 上金型調温装置
８ 下金型調温装置
３０ 金属部材
３１ 樹脂成型品
３２ 接合体

Claims (3)

1. 少なくとも樹脂との接合面に凹凸形状を形成した金属部材を設置する第１の金型と、前記金属部材が設置された前記第１の金型と型締めされた状態で樹脂を成型する第２の金型と、を備え、前記第１の金型温度を、前記樹脂の常用耐熱温度を超える温度であって、前記樹脂の射出温度以下に設定して、前記第２の金型温度を、前記樹脂の通常樹脂成型を行う際の一般的な温度に設定し、前記金属部材を加熱する前記第１の金型温度と、前記樹脂の成型に必要な前記第２の金型温度とをそれぞれ独立して調整して前記成型された樹脂と前記金属部材とを接合する接合体の製造方法。
2. 前記第１の金型と前記第２の金型の型開きの際には、前記第１の金型から離間させ、前記第２の金型に前記接合体が追随するようにした請求項１に記載の接合体の製造方法。
3. 前記第１の金型と前記第２の金型は、型締めにおいて接触する面に断熱材、または中空部分を有している請求項１または２に記載の接合体の製造方法。

Images