JP6922946B2 - 樹脂部材、および、樹脂部材の製造方法 - Google Patents
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Description
第1実施形態の樹脂部材を図1および図2に示す。樹脂部材10は、フィラー及び絶縁性を有するベースポリマーを主成分とする樹脂材料で構成されている。図3に示すように、樹脂部材10の表面11の近傍には、配向層12が形成されている。配向層12は、表面11に対して平行な方向(以下、表面方向)に配向した多数のフィラー13、および、各フィラー13間に充填されたベースポリマー14を含む。
成形工程P1では、図6に示すように、フィラー13及び絶縁性を有するベースポリマー14で構成される樹脂材料を所定の可塑化温度で溶融させ、溶融樹脂16を所定の形状の金型90に高速射出し、圧力を付加しながら冷却固化させる。その過程において、金型90表面と溶融樹脂16の表面との間、あるいは充填の過程で金型90からの抜熱により金型面に固着した樹脂材料と肉厚中心近傍で流動性を保持した溶融樹脂16との間にせん断応力を作用させる。これにより、フィラー13が表面法線方向よりも表面方向に優先的に配向し、さらにその間をベースポリマー14が伸長して水平に充填された配向層12が成形体17の表面近傍に形成される。
図9に示すように、炭化工程P2では、成形体17の表面近傍に形成された配向層12に例えばレーザビーム照射等により少なくとも1000℃以上の熱を付加し、材料となる高分子の結合の開裂を生じさせ、炭素以外の構成元素を二酸化炭素、一酸化炭素、窒素、水素等の分解ガスとして離脱させて炭化させる。さらに望ましくは2000℃以上の熱を付加し、炭素原子の六員環が平面状に繋がったグラファイトに一部を変換する事で、配向層12の表面局所にグラファイトを含む炭化部15を生成する。炭化部15は導電性あるいは熱伝導性を付与する。炭化処理時の雰囲気としては炭素成分の減少を抑制するため不活性ガス中が望ましい。不活性ガスとしてはアルゴン、ヘリウム等が挙げられる。
以上説明したように、第1実施形態では、樹脂部材10の表面11近傍には、表面方向に配向したフィラー13、および、各フィラー13間に充填されたベースポリマー14を含む配向層12が形成されている。配向層12は、ベースポリマー14の炭化物であってグラファイトを含み、導電性及び熱伝導性を付与する炭化部15を有している。
第2実施形態では、図10、図11に示すように、樹脂部材10は、単純な平板形状ではなく、互いに交差する第1面31、第2面32および第3面33を含む段部を形成している。第1面31から第2面32にかけて、および、第2面32から第3面33にかけて立体的に炭化部15が形成されている。炭化物形成前の成形体の形状としては、炭化すべき箇所において、なるべく成形時に表面にせん断力が加わりフィラーや分子鎖が配向するように溶融樹脂が流動する形状が望ましい。そのため、第1面31と第2面32との角部34、および、第2面32と第3面33との隅部35は、比較的大きなR形状(すなわちラウンド形状)になっている。角部34および隅部35の曲率半径は、出来る限り大きい事が望ましく、具体的な大きさとしては少なくとも5mm以上が望ましい。
第3実施形態では、図14に示すように、成形体17の凹部41の底面がR形状となっている。これにより、凹部41の底壁部42においてフィラーや分子鎖の配向度を向上することができる。
第4実施形態では、図15に示すように、炭化部15は、成形体17の凹部45の底壁部42および側壁部44が炭化されてなる。凹部45の溝幅W2は、少なくとも成形体17の表面(すなわち凹部45の開口)におけるレーザビームの集光径以下である。配線状の導電性パターンを構成する炭化部15が形成される場合、導電性パターンの間隔を狭小化しながら導電性を向上するために、樹脂部材10の肉厚方向に炭化部15の断面積を増大させるのが望ましい。第4実施形態では、炭化前の成形体17に予め凹部45を形成し、側壁部44を炭化させることで深さ方向に断面積を増加させている。
第5実施形態では、図17に示すように、凹部45は凹部41の内部に形成されている。これにより、第2実施形態と同様に互いに近接する炭化部15間の沿面絶縁性を向上させつつ、第4実施形態と同様に導電性パターンの間隔を狭小化しながら導電性を向上することができる。
第6実施形態では、図18に示すように、第6実施形態と同様に凹部45は凹部41の内部に形成されている。しかし、第6実施形態と異なる点は、凹部45と凹部41の側壁部44が連続的に形成されている。また、側壁部44の勾配θgがレーザビームの集光角度θlよりも大きく設定されている。また、凹部41の溝幅は、その高さにおけるレーザビームの集光径よりも小さく設定されている。これにより、凹部41および凹部45を含む溝には、内壁部が炭化されて深さ方向に断面積を増大させる箇所と、内壁部が炭化されずに沿面絶縁性を向上させる箇所とが形成される。このように凹部41と凹部45とが一体形成されてもよい。
第7実施形態では、図19に示すように樹脂部材10は、樹脂材料を含んで形成されている樹脂体であって、例えばエアフロメータまたは回転角センサなどの電子装置のハウジングまたはカバーとして用いられる。樹脂部材10は、ベース部61および炭化部15を備える。
以上説明したように、第7実施形態では、樹脂部材10はベース部61と炭化部15とを備えている。ベース部61は、樹脂材料により形成され且つ絶縁性を有するベースポリマー14と、ベースポリマー14よりも強度が高いフィラー13とを有し、ベースポリマー14に混じった状態のフィラー13により強化されている。炭化部15は、ベース部61の外面62に設けられ、炭化物66を含んでいることで導電性を有する。フィラー13は、フィラー13の少なくとも一部が炭化部15に入り込んでベース部61からの炭化部15の離脱を規制している。
第8実施形態では、図28〜図30に示すように炭化部15は、配向フィラー13に平行な方向に延びている。炭化工程P2(図23参照)では、図31〜図32に示すように、配向フィラー13に平行な方向に炭化部15が延びるように、レーザビームが配向フィラー13に平行な方向に走査されてスキン層63が加熱される。すなわちレーザビームの走査方向と配向フィラー13の配向方向とが平行である。
第9実施形態では、図33に示すように樹脂部材10のベース部61の外面62は、「第1外面」としての第1面70と、第1面70に交差する方向に延びる「第2外面」としての第2面71と、第1面70と第2面71とが交差する部分(すなわち入隅部分)を面取りしている「面取り外面」としての面取り面73とを有している。また、外面62は、第2面71に交差する方向に延びる「第1外面」としての第3面72と、第3面72と第2面71とが交差する部分(すなわち出隅部分)を面取りしている「面取り外面」としての面取り面74とを有している。
第10実施形態では、図38および図39に示すように炭化部15は格子状に形成されている。炭化部15は、例えばエアフロメータまたは回転角センサなどの電子装置においてハウジングの外壁面に設けられ、静電気除去回路として利用される。
実施例1では、図41に示すように、成形体17は、ポリフェニレンスルフィドを主成分とするベースポリマーに、フィラーとしてガラス繊維が40wt%添加され、体積抵抗率1013Ωm以上を有する絶縁性樹脂材料で構成されている。配向層12は、成形体17の表面から少なくとも0.3mm以上の深さにおいて形成されている。図41、図42に示すように、幅および奥行ともに80mm、厚さ3mmの平板状に形成された成形体17の表面の所定の箇所の配向層12に圧力0.15MPaのアルゴンガス雰囲気下で、焦点距離を表面に対してジャストフォーカス近傍となるよう調整した発振波長940nm、集光径0.6mmの半導体レーザを、出力100Wにて50mm/sの速度で直線40mmの区間を走査し、配向層12の一部を炭化させた。
実施例2では、フィラーを添加せずにポリフェニレンスルフィドを主成分とするベースポリマーのみで構成された体積抵抗率1013Ωm以上を有する絶縁性樹脂材料を用いて、実施例1と同様の方法で成形体を形成し、実施例1と同様の方法にて炭化処理を行った。この場合、炭化物が激しく飛散し、炭化物が定着しなかった。その後、実施例1と同様の方法にて電気抵抗を測定した結果、少なくとも50MΩ以上であった。また、レーザビームの出力のみを5W、10W、50W、100W、150W、200Wと変化させ、電気抵抗を測定したが、いずれの水準も少なくとも50MΩ以上の電気抵抗値を示した。
ポリフェニレンスルフィドを主成分とするベースポリマーに、フィラーとして炭素繊維が30wt%程度添加された体積抵抗率10Ωm程度の導電性樹脂材料を用いて、実施例1と同様の方法で成形体を形成し、実施例1と同様の方法にて炭化処理を行い、実施例1と同様の導電性パターンを形成した。実施例1と同様の方法にて電気抵抗を測定した結果、21.8Ωであった。また、この時の導電性パターンの体積抵抗率を長さ、断面形状、電気抵抗値から概算すると、8.4×10-5Ωmであった。
実施例1と同様の要領で、レーザビームの照射時における雰囲気の圧力のみを0.001MPaの減圧雰囲気に変更し、炭化物を形成すると、発生した分解ガスの温度が瞬時に低下し、第3領域A3がほとんど形成されず、第3領域A3における層状の炭化物の層が形成されなかった(図46参照)。この時、形成した配線パターンの形状は、巾が0.6mm、樹脂部材表面から厚さ方向に向けて炭化された深さが0.05mm、長さ40mmの直線状であった。導電性パターンの両端に市販の銀ペーストを塗布・硬化し中央20mmの電気抵抗値を測定すると、両端の電気抵抗値が1124Ωであった。
図47に示すように、実施例1と同様の要領で長さ40mmの直線状に炭化部を形成し、それを表面垂直方向に0.8mmずつレーザビームを走査する軌道をずらしながら50本形成する事で、直線状に炭化部同士が導通し、40mmの正方形形状の導電性パターンを形成する事が出来た。この時生成した炭化物の電気伝導度は実施例1で形成した炭化物と同等程度であった。この時、表面には実施例1と同等の凹凸が形成された。
ポリフェニレンスルフィドを主成分とするベースポリマーに、フィラーとしてガラス繊維33wt%と炭化カルシウムが33wt%の合計66wt%が添加された、体積抵抗率1013Ωm以上を有する絶縁性樹脂材料を用いて、実施例1と同様の方法で成形体を形成し、実施例1と同様の方法にて炭化処理を行うと、実施例1と同様の配線パターンが形成された。実施例1と同様の方法にて電気抵抗を測定した結果、1270Ωであった。
ポリフェニレンスルフィドを主成分とするベースポリマーに、フィラーとしてガラス繊維30wt%が添加された、体積抵抗率1013Ωm以上を有する絶縁性樹脂材料を用いて、実施例1と同様の方法で成形体を形成し、実施例1と同様の方法にて炭化処理を行うと、実施例1と同様の配線パターンが形成した。実施例1と同様の方法にて電気抵抗を測定した結果、139.3Ωであった。
ポリフェニレンスルフィドを主成分とするベースポリマーに、フィラーとしてガラス繊維45wt%が添加された、体積抵抗率1013Ωm以上を有する絶縁性樹脂材料を用いて、実施例1と同様の方法で成形体を形成し、実施例1と同様の方法にて炭化処理を行うと、実施例1と同様の配線パターンが形成した。実施例1と同様の方法にて電気抵抗を測定した結果、169.1Ωであった。
フェノール樹脂を主成分とするベースポリマーに、ガラス繊維35wt%とその他無機フィラー15wt%の合計50wt%のフィラーが添加された、体積抵抗率1013Ωm以上を有する絶縁性樹脂材料を用いて、圧縮成形法にて成形体を作製した後、実施例1と同様の方法にて炭化処理を行い、巾0.75mm、樹脂部材表面から厚さ方向に向けて炭化された深さが0.05mm、長さ40mmのパターンを形成した。この時、実施例1と同様にして区間20mmの電気抵抗値を測定すると、171.2Ωであった。
実施例9と同じ樹脂材料を用いて射出成形法にて成形体を作製した後、実施例1と同様の方法にて炭化処理を行い、実施例9と同様の導電性パターンを形成した。この時、実施例1と同様にして区間20mmの電気抵抗値を測定すると、133.3Ωであった。
実施例1と同様の要領で、レーザビームの照射時における雰囲気圧力のみを1.0MPaの加圧雰囲気に変更し、炭化物を形成すると、実施例1に対して30%電気伝導度が向上した導電性パターンが形成された。
実施例1と同様にして形成した成形体の表面から厚さ方向に1.5mm湿式研磨を行う事により配向層を除去したのち、十分に乾燥させた樹脂部材表面に、実施例11と同様にして炭化物を形成し、実施例1と同様の導電性パターンを形成した。この時、実施例1と同様にして区間20mmの電気抵抗値を測定すると、558Ωであった。
図48に示すように、実施例1と同様に形成した成形体17の配向層12と、鉄、銅または黄銅等の金属部材51とを密着させ、実施例1と同じ条件で配向層12と金属部材51との接触界面52にレーザビームを照射して、図49に示すように炭化部15を形成した。この炭化部15と金属部材51との間には十分な導通を確保することができた。
図50に示すように、実施例1と同様の樹脂材料を用いて成形体17の所定の箇所を0.1mm程度の薄肉に形成し、その薄肉箇所を金属部材51に密着させ、実施例1と同じ条件で金属部材51に向けて成形体17の薄肉箇所の厚さ方向にレーザビームを照射して、図51に示すように炭化部15を形成した。上記薄肉箇所に対応する炭化部15は厚さ方向において金属部材51に到達し、炭化部15と金属部材51との間に十分な導通が得られた。
実施例1〜14で形成した炭化物をエポキシ樹脂からなる注型材で被覆したところ、炭化物の導電性は変化せずに、内部に導電性良好なパターンが形成された樹脂部材が得られた。
他の実施形態では、炭化部は、パターン状に限らず、膜状に形成されてもよい。その場合、樹脂材料に導電性のフィラーを混合・分散させて導電性を付与した樹脂部材に比べて、樹脂部材表面に緻密な導電性の膜を形成する事が出来る。そのため、より優れた電磁波シールド性を樹脂部材に付与する事ができる。厚みが300μmよりも大きい厚肉の樹脂部材の導電性や熱伝導性を向上させるとともに、電磁波シールド性を向上させることができる。
11:表面
12:配向層
13:フィラー
14:ベースポリマー
15:炭化部
61:ベース部
62:外面
66:炭化物
Claims (29)
- フィラー(13)及び絶縁性を有するベースポリマー(14)を主成分とする樹脂材料で構成された樹脂部材(10)であって、
前記樹脂部材の表面(11)近傍には、複数の前記フィラー、および、各前記フィラー間に充填された前記ベースポリマーを含む配向層(12)が形成されており、
前記配向層では、前記樹脂部材の肉厚中心部と比べて多くの前記フィラーが、前記表面に対して平行な方向である表面方向に配向しており、
前記配向層は、前記表面方向に配向した各前記フィラー間に充填された前記ベースポリマーが炭化されてなる炭化物であってグラファイトを含み、導電性及び熱伝導性を付与する炭化部(15)を有している、樹脂部材。 - 前記樹脂部材のうち前記炭化部が形成された箇所の肉厚は300μm以上である、請求項1に記載の樹脂部材。
- 前記樹脂部材に対する前記フィラーの重量比率は30wt%〜66wt%である、請求項1または2に記載の樹脂部材。
- 前記樹脂部材に対する前記フィラーの重量比率は30wt%〜45wt%である、請求項1または2に記載の樹脂部材。
- 前記フィラーはガラス繊維である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の樹脂部材。
- 前記配向層には凹部(41)が形成されており、
前記炭化部は、前記凹部の底壁部(42)、または、前記凹部の側壁部(44)および前記底壁部が炭化されてなる、請求項1〜5のいずれか一項に記載の樹脂部材。 - 前記炭化部の一部または全部は被覆部(53,55)に被覆されている、請求項1〜6のいずれか一項に記載の樹脂部材。
- 前記樹脂部材は金属部材(51)と一体に設けられ、
前記炭化部は、前記配向層のうち前記金属部材との接触界面(52)を含む箇所に形成されている、請求項1〜7のいずれか一項に記載の樹脂部材。 - 前記ベースポリマーは、ポリアクリロニトリル、ポリアクリルスチレン、ポリアリレート、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルニトリル、ポリエーテルスルフォン、ポリオキシベンジルメチレングリコールアンハイドライド、ポリオキシベンゾイルポリエステル、ポリスルフォン、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリパラキシレン、ポリエチレンテレフタラート、ポリブチレンテレフタラート、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンエーテル、液晶ポリマー、ビスフェノールA共重合体、および、ビスフェノールF共重合体のうち、少なくとも1種類以上の高分子からなる請求項1〜8のいずれか一項に記載の樹脂部材。
- 樹脂材料を含んで形成された樹脂部材(10)であって、
前記樹脂材料により形成され且つ絶縁性を有するベースポリマー(14)と、前記ベースポリマーよりも強度が高いフィラー(13)とを有し、前記ベースポリマーに混じった状態の前記フィラーにより強化されたベース部(61)と、
炭化物(66)を含んでいることで導電性を有する炭化部(15)と、
を備え、
前記ベース部は、表層に位置するスキン層(63)と、前記スキン層の内側に設けられたコア層(64)とにより形成され、
前記スキン層では、前記コア層と比べて多くの前記フィラーが、前記ベース部の表面に対して平行な方向である表面方向に配向しており、
前記炭化部は、前記スキン層に形成されるか或いは前記スキン層から前記コア層まで到達するように形成された凹面(65)上に設けられ、
前記ベース部に含まれる複数の前記フィラーのうち前記凹面から突き出したものは、一端が前記ベース部に保持されつつ他端が前記炭化部に入り込んで引っかかっていることで、前記ベース部からの前記炭化部の離脱を規制している、樹脂部材。 - 前記炭化部は、前記スキン層において前記コア層から離間した位置に設けられている、請求項10に記載の樹脂部材。
- 前記炭化部は、前記表面方向に対して平行な方向に配向した前記フィラーに交差する方向に延びている、請求項10又は11に記載の樹脂部材。
- 前記ベース部は、第1外面(70,72)と、前記第1外面に交差する方向に延びる第2外面(71)と、前記第1外面と前記第2外面とが交差する部分を面取りしている面取り外面(73,74)と、を有しており、
前記炭化部は、前記第1外面に設けられた第1炭化部(75,77)と、前記第2外面に設けられた第2炭化部(76)と、前記面取り外面に設けられ前記第1炭化部と前記第2炭化部とを接続する接続炭化部(78,79)と、を有している、請求項10又は11に記載の樹脂部材。 - 前記ベース部の表面のうち前記炭化部が無い部分には、前記ベース部の一部が溶融して固化した跡である変形跡(85)が形成されている、請求項11〜13のいずれか一項に記載の樹脂部材。
- 前記変形跡は、前記ベース部の少なくとも一部が発泡した状態になっている発泡部(86)、及び、前記凹面とは異なる複数の凹部(87)の少なくとも一方を有している、請求項14に記載の樹脂部材。
- 前記フィラーは、前記炭化部において前記炭化物を貫通している、請求項1〜15のいずれか一項に記載の樹脂部材。
- フィラー及び絶縁性を有するベースポリマーを主成分とする樹脂材料で構成された樹脂部材の製造方法であって、
前記樹脂材料を溶融させて所定の金型に高速射出し、圧力を付加しながら冷却固化することで、前記金型の表面と溶融樹脂との間、あるいは射出充填の過程で前記金型からの抜熱により前記金型に固着した樹脂と流動性を保持した溶融樹脂との間にせん断応力を作用させ、前記樹脂部材の表面に対して平行な方向である表面方向に配向した前記フィラー、および、各前記フィラー間に充填された前記ベースポリマーを含む配向層を前記表面近傍に形成する成形工程と、
前記配向層を局所的に加熱処理し、前記配向層に含まれる前記ベースポリマーを炭化させ、グラファイトを含み導電性及び熱伝導性を付与する炭化部を生成する炭化工程と、
を含む樹脂部材の製造方法。 - 前記炭化工程では、レーザビーム照射を用いて前記配向層を局所的に加熱処理する、請求項17に記載の樹脂部材の製造方法。
- 前記成形工程では前記配向層に凹部を形成し、
前記炭化工程では、前記凹部の底壁部、または、前記凹部の側壁部および前記底壁部を炭化し、
前記側壁部の勾配はレーザ集光角度以上である、請求項18に記載の樹脂部材の製造方法。 - 前記成形工程では射出成形により前記樹脂材料の成形が行われる、請求項17〜19のいずれか一項に記載の樹脂部材の製造方法。
- 前記成形工程では、前記樹脂部材と金属部材を一体化し、
前記炭化工程では、前記金属部材と一体化した状態の前記樹脂部材の前記配向層のうち前記金属部材との接触界面を含む箇所を炭化する、請求項17〜20のいずれか一項に記載の樹脂部材の製造方法。 - 樹脂材料を含んで形成される樹脂部材の製造方法であって、準備工程と炭化工程とを含み、
前記準備工程では、前記樹脂材料により形成され且つ絶縁性を有するベースポリマー(14)と、前記ベースポリマーよりも強度が高いフィラー(13)とを有し、前記ベースポリマーに混じった状態の前記フィラーにより強化されたベース部(61)が準備され、
前記ベース部は、表層に位置するスキン層(63)と、前記スキン層の内側に設けられたコア層(64)とにより形成され、
前記スキン層では、前記コア層と比べて多くの前記フィラーが、前記ベース部の表面に対して平行な方向である表面方向に配向しており、
前記炭化工程では、前記スキン層の一部が加熱されることにより、加熱部位に含まれる前記ベースポリマーが炭化してなる炭化物(66)を含んでいることで導電性を有する炭化部(15)が、前記スキン層の非加熱部位に形成された凹面(65)上に設けられ、前記加熱部位と前記非加熱部位とにまたがって配置された前記フィラーのうち前記凹面から突き出した端部が前記炭化部に入り込んで前記ベース部からの前記炭化部の離脱を規制する状態とされる、樹脂部材の製造方法。 - 前記炭化工程では、前記炭化部が前記コア層から離間した位置に形成されるように前記スキン層を加熱する、請求項22に記載の樹脂部材の製造方法。
- 前記炭化工程では、前記表面方向に対して平行な方向に配向した前記フィラーに交差する方向に前記炭化部が延びるように前記スキン層を加熱する、請求項22又は23に記載の樹脂部材の製造方法。
- 第1外面(70,72)と、前記第1外面に交差する方向に延びる第2外面(71)と、を有する前記ベース部に、前記第1外面と前記第2外面とが交差する部分を面取りする面取り外面(73,74)を形成する面取り工程をさらに含み、
前記炭化工程では、前記炭化部として、前記第1外面に沿って延びる第1炭化部(75,77)と、前記第2外面に沿って延びる第2炭化部(76)と、前記面取り面に沿って延び且つ前記第1炭化部と前記第2炭化部とを接続する接続炭化部(78,79)とが設けられるように、前記ベース部を加熱する、請求項22〜24のいずれか一項に記載の樹脂部材の製造方法。 - 前記炭化工程では、前記第1炭化部と前記第2炭化部とが前記接続炭化部により接続された状態になるように、前記第1外面及び前記第2外面のうち一方から前記面取り面を経由して他方まで連続して前記ベース部を加熱する、請求項25に記載の樹脂部材の製造方法。
- 前記炭化工程の後、前記ベース部の一部が溶融して固化した跡である変形跡(85)が前記ベース部の表面のうち前記炭化部が無い部分に形成されるように、前記ベース部の一部を溶融して固化させる変形工程をさらに備える請求項22〜26のいずれか一項に記載の樹脂部材の製造方法。
- 前記変形工程では、前記ベース部に前記変形跡が形成されるように、且つ前記炭化工程での前記ベース部の加熱よりも低い温度になるように、前記ベース部及び前記炭化部のそれぞれの少なくとも一部を加熱する、請求項27に記載の樹脂部材の製造方法。
- 前記炭化工程では、前記ベース部に電磁波を照射することで前記ベース部を加熱して前記炭化部を形成し、
前記変形工程では、前記炭化工程にて前記ベース部に照射される前記電磁波よりも強度が低くなるように、前記ベース部に前記電磁波を照射することで前記ベース部を加熱して前記変形跡を形成する、請求項27又は28に記載の樹脂部材の製造方法。
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