(57)【要約】【課題】金属部材と樹脂部材との間に接着剤が介在する場合であっても、より良好な接合強度が得られる金属部材と樹脂部材との接合方法を提供すること。【解決手段】金属部材１１と樹脂部材１２とを重ね合わせると共に、両者間に接着剤３を介在させた状態で、圧力および熱を金属部材側から付与することにより樹脂部材を溶融させて金属部材と樹脂部材とを接合する熱圧式接合方法による金属部材と樹脂部材との接合方法であって、前記金属部材１１または前記樹脂部材１２の少なくとも一方の部材が他方の部材との対向面に凸状部１２２を有し、該凸状部と他方の部材との間で、前記樹脂部材１２を溶融させることにより、溶融した樹脂を、平面視において前記凸状部１２２からその外周側に向けて、前記接着剤と共に流動させる、金属部材と樹脂部材との接合方法。【選択図】図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属部材と樹脂部材とを重ね合わせると共に、両者間に接着剤を介在させた状態で、圧力および熱を金属部材側から付与することにより樹脂部材を溶融させて金属部材と樹脂部材とを接合する熱圧式接合方法による金属部材と樹脂部材との接合方法であって、
前記金属部材または前記樹脂部材の少なくとも一方の部材が他方の部材との対向面に凸状部を有し、該凸状部と他方の部材との間で、前記樹脂部材を溶融させることにより、溶融した樹脂を、平面視において前記凸状部からその外周側に向けて、前記接着剤と共に流動させる、金属部材と樹脂部材との接合方法。
【請求項２】
前記樹脂部材が前記金属部材との対向面に凸状部を有し、該凸状部と前記金属部材との間で、前記凸状部をその頂部から溶融させることにより、該溶融した樹脂を前記接着剤と共に流動させる、請求項１に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
【請求項３】
前記金属部材が前記樹脂部材との対向面に凸状部を有し、該凸状部と前記樹脂部材との間で、前記樹脂部材における前記凸状部の頂部の接近部から溶融させることにより、該溶融した樹脂を前記接着剤と共に流動させる、請求項１または２に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
【請求項４】
前記接着剤は、前記金属部材または前記樹脂部材の少なくとも一方における前記対向面に層形態で提供されている、請求項１〜３のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
【請求項５】
前記接着剤は、前記樹脂部材における前記金属部材との対向面に層形態で提供されている、請求項１〜４のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
【請求項６】
前記接着剤は、前記金属部材または前記樹脂部材の少なくとも一方における対向面にビード状に提供されている、請求項１〜３のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
【請求項７】
前記凸状部は局所的隆起部である、請求項１〜６のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
【請求項８】
前記凸状部は、断面視において、波形隆起形状、波形隆起台形状、錐形状または錐台形状を有する、請求項１〜７のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
【請求項９】
前記圧力が押圧部材により付与され、
前記凸状部の頂部の面積Ｓ１および前記押圧部材による押圧面積Ｓ２が以下の関係式を満たす、請求項１〜８のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
Ｓ１／Ｓ２≦０．８
【請求項１０】
前記圧力が押圧部材により付与され、
前記凸状部の最大幅Ｗ１および前記押圧部材の最大幅（直径）Ｄ１が以下の関係式を満たす、請求項１〜９のいずれかに記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
１．０≦Ｗ１／Ｄ１≦１０．０
【請求項１１】
熱圧式接合方法が摩擦撹拌接合方法であり、
該摩擦撹拌接合方法が以下のステップを含む請求項１〜１０のいずれかに記載の接合方法：
前記金属部材と前記樹脂部材とを重ね合わせる第１ステップ；および
押圧部材としての回転ツールを回転させつつ、前記金属部材に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱で前記樹脂部材を溶融させた後、固化させて金属部材と樹脂部材とを接合する第２ステップ。
【請求項１２】
前記第２ステップが、前記回転ツールを前記金属部材に押し込んで前記金属部材と前記樹脂部材との境界面に達しない深さまで進入させる押込み撹拌工程を備えている請求項１１に記載の接合方法。
【請求項１３】
前記第２ステップが、押込み撹拌工程の前に、前記回転ツールのショルダー面を前記金属部材の表面部に接触させた状態で前記回転ツールを回転させる予熱工程をさらに備えている請求項１２に記載の接合方法。
【請求項１４】
前記予熱工程では前記回転ツールを第１の加圧力で押圧しつつ第１の加圧時間だけ回転させ、
前記押込み撹拌工程では前記回転ツールを前記第１の加圧力より大きい第２の加圧力で押圧しつつ前記第１の加圧時間より短い第２の加圧時間だけ回転させる請求項１３に記載の接合方法。
【請求項１５】
前記第２ステップが、前記回転ツールを前記境界面に達しない深さまで進入させた位置で、前記回転ツールの回転動作を継続させる撹拌維持工程をさらに備え、
前記撹拌維持工程では前記回転ツールを前記第１の加圧力より小さい第３の加圧力で押圧しつつ前記第１の加圧時間より長い第３の加圧時間だけ回転させる請求項１４に記載の接合方法。
【請求項１６】
前記第２ステップが、撹拌維持工程の後に、前記回転ツールの回転を停止し、その状態で前記回転ツールを所定の加圧力で所定の加圧時間だけ保持する保持工程をさらに備えている請求項１５に記載の接合方法。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれかに記載の接合方法において使用され、前記樹脂部材との対向面に前記凸状部を有する金属部材。
【請求項１８】
請求項１〜１６のいずれかに記載の接合方法において使用され、前記金属部材との対向面に前記凸状部を有する樹脂部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属部材と樹脂部材との接合方法およびその方法において使用される金属部材または樹脂部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自動車、鉄道車両、航空機等の分野では軽量化が求められている。例えば、自動車の分野では、ハイテン材の利用により薄鋼板化が進められ、あるいはスチール材の代替材としてアルミ合金材が用いられ、さらには樹脂材の利用も進んでいる。このような分野において金属部材と樹脂部材との接合技術の開発は、単に軽量化に留まらず、接合部材の高強度化および高剛性化、ならびに生産性の向上を実現させる観点からも重要である。
【０００３】
これまで、金属部材と樹脂部材との接合方法として、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：friction stir welding）方法、抵抗加熱接合方法（通電加熱接合方法）、誘導加熱接合方法、超音波加熱接合方法等のような、加圧しながら加熱を行う熱圧式接合方法が知られている（例えば、特許文献１、２）。
【０００４】
一方、熱圧式接合方法において、樹脂部材または金属部材の少なくとも一方に、溶融樹脂を流入させるための溜まり溝を形成する技術が開示されている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−０２３５８３号公報
【特許文献２】特開２０１１−０８８１９７号公報
【特許文献３】特開２０１５−１３１４４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の発明者等は、従来の熱圧式接合方法による金属部材と樹脂部材との接合に際し、両者間に接着剤およびシール材等のような第３成分が介在すると、十分な接合強度を確保することが困難であることを見い出した。
【０００７】
例えば、摩擦撹拌接合方法においては、図７Ａに示すように、金属部材２１１と、接着層２０３を有する樹脂部材２１２とを重ね合わせ、回転ツール２１６を金属部材２１１に押し込む。次いで、図７Ｂに示すように、回転ツール２１６をさらに押し込み、その回転動作を継続する。その結果、十分な接合強度が得られなかった。金属部材２１１と樹脂部材２１２との間に接着層２０３由来の接着剤が残存し、両者の接合を阻害するため、十分な接合強度が得られないものと考えられる。
【０００８】
摩擦撹拌接合方法以外の他の熱圧式接合方法においても、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせると共に、両者間に接着剤を介在させると、十分な接合強度が得られなかった。
【０００９】
本発明は、金属部材と樹脂部材との間に接着剤が介在する場合であっても、より良好な接合強度が得られる金属部材と樹脂部材との接合方法およびその方法において使用される金属部材または樹脂部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、
金属部材と樹脂部材とを重ね合わせると共に、両者間に接着剤を介在させた状態で、圧力および熱を金属部材側から付与することにより樹脂部材を溶融させて金属部材と樹脂部材とを接合する熱圧式接合方法による金属部材と樹脂部材との接合方法であって、
金属部材または樹脂部材の少なくとも一方の部材が他方の部材との対向面に凸状部を有し、該凸状部と他方の部材との間で、樹脂部材を溶融させることにより、溶融した樹脂を、平面視において前記凸状部からその外周側に向けて、前記接着剤と共に流動させる、金属部材と樹脂部材との接合方法
に関する。
【００１１】
本発明はまた、上記接合方法において使用される金属部材または樹脂部材に関する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の接合方法によれば、あらゆる熱圧式接合方法において、金属部材と樹脂部材との間に接着剤が介在する場合であっても、より良好な接合強度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明にかかる金属部材と樹脂部材との接合方法に好適な摩擦撹拌接合装置の一部の一例を示す模式図である。
【図２Ａ】本発明の一実施態様に係る接合方法における予熱工程を説明するための概略断面図である。
【図２Ｂ】本発明の一実施態様に係る接合方法における押込み撹拌工程を説明するための概略断面図である。
【図２Ｃ】本発明の一実施態様に係る接合方法における押込み撹拌工程、撹拌維持工程及び保持工程を説明するための概略断面図である。
【図３Ａ】本発明の一実施態様に係る接合方法における予熱工程を説明するための概略断面図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施態様に係る接合方法における押込み撹拌工程を説明するための概略断面図である。
【図３Ｃ】本発明の一実施態様に係る接合方法における押込み撹拌工程、撹拌維持工程及び保持工程を説明するための概略断面図である。
【図４Ａ】上図は、図１に示される樹脂部材の概略上面見取り図であり、下図は、上図のＭ−Ｍ断面を矢印方向で見たときの概略断面図である。
【図４Ｂ】上図は、本発明の接合方法に使用される樹脂部材の一例の概略上面見取り図であり、下図は、上図のＭ−Ｍ断面を矢印方向で見たときの概略断面図である。
【図４Ｃ】上図は、本発明の接合方法に使用される樹脂部材の一例の概略上面見取り図であり、下図は、上図のＭ−Ｍ断面を矢印方向で見たときの概略断面図である。
【図４Ｄ】上図は、本発明の接合方法に使用される樹脂部材の一例の概略上面見取り図であり、下図は、上図のＭ−Ｍ断面を矢印方向で見たときの概略断面図である。
【図５】本発明の接合方法に使用される回転ツールの一例の先端部近傍の拡大図である。
【図６】本発明の一実施態様に係る接合方法で得られた接合体から金属部材を強制的に剥離させて得られた樹脂部材の概略平面図である。
【図７Ａ】従来技術における金属部材と樹脂部材との接合方法における予熱工程を説明するための概略断面図である。
【図７Ｂ】従来技術における金属部材と樹脂部材との接合状態における押込み撹拌工程、撹拌維持工程及び保持工程を説明するための概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の接合方法は、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせ、圧力および熱を、金属部材側から付与することにより、好ましくは金属部材側から局所的に付与することにより、樹脂部材を軟化させて金属部材と樹脂部材とを接合する熱圧式接合方法に関する。本発明の接合方法において採用される接合方式は、加圧しながら加熱を行う方法であれば特に限定されるものではなく、例えば、摩擦撹拌接合方法、抵抗加熱接合方法（通電加熱接合方法）、誘導加熱接合方法、超音波加熱接合方法等であってもよい。中でも、好ましくは摩擦撹拌接合方法が採用される。
【００１５】
摩擦撹拌接合方法においては、後で詳述するように、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせ、押圧部材として回転ツールを回転させつつ金属部材に対して押圧することにより発生する摩擦熱を利用して、金属部材と樹脂部材との接合を行う。
抵抗加熱接合方法においては、電極（押圧部材）により金属部材側から加圧しながら、金属部材に電流を流すことにより生じる熱を利用して、金属部材と樹脂部材との接合を行う）。
誘導加熱接合方法とは、押圧部材により金属部材側から加圧しながら、電磁誘導作用により金属部材に誘導電流を生じさせ、該電流により生じる熱を利用して。金属部材と樹脂部材との接合を行う。
超音波加熱接合方法とは、押圧部材により金属部材側から加圧しながら、超音波の印加により板間の微小すべりにより生じる摩擦熱を利用して、金属部材と樹脂部材を行う。
【００１６】
以下、摩擦撹拌接合方法を採用した本発明の接合方法について、図１〜図６を用いて説明する。以下の摩擦撹拌接合方法に関する説明を参照すれば、当該摩擦撹拌接合方法における作用および効果と同様の作用および効果が、他の熱圧式接合方法においても得られることは明らかである。例えば、他の熱圧式接合方法においても、金属部材または樹脂部材の少なくとも一方の部材が他方の部材との対向面に凸状部を有し、該凸状部と他方の部材との間で、樹脂部材を溶融させる。これにより、溶融した樹脂を、平面視において前記凸状部からその外周側に向けて、前記接着剤と共に流動させることができる。その結果、より良好な接合強度が得られる。図１〜図６において、共通する符号は、特記しない限り、同じ部材、部位、寸法または領域を示すものとする。平面視とは、押圧部材（例えば後述の回転ツール）の軸方向について上方から見たときの平面図のことである。断面視とは、押圧部材（例えば後述の回転ツール）の軸方向について平行な断面図のことである。
【００１７】
［摩擦撹拌接合方法による金属部材と樹脂部材との接合方法］
図１は、本発明の接合方法を実施するのに適した摩擦撹拌接合装置の一部の一例を模式的に示す図である。図１に示される摩擦撹拌接合装置１は、金属部材１１と樹脂部材１２とを摩擦撹拌接合する装置として構成されており、押圧部材としての円柱状の回転ツール１６を具備している。回転ツール１６は、図示したように、金属部材１１が上、樹脂部材１２が下になるように重ね合わされたワーク１０に対し、図外の駆動源により、矢印Ａ１のように該回転ツール１６の中心軸線Ｘ（図５参照）回りに回転しつつ、押圧領域Ｐ（押圧予定領域）において、矢印Ａ２のように下方に向けて金属部材１１を押圧する。この回転ツール１６の押圧により摩擦熱が発生し、樹脂部材１２に伝導する。
【００１８】
回転ツール１６の下方には、回転ツール１６と同径又は回転ツール１６よりも大径の円柱状の受け具１７が回転ツール１６と同軸に配置されている。受け具１７は、上記ワーク１０に対し、図外の駆動源により、矢印Ａ３のように上方に移動される。受け具１７は、遅くとも回転ツール１６がワーク１０の押圧を開始するまでに、上端面がワーク１０の下面（より詳しくは樹脂部材１２の下面）に当接する。そして、受け具１７は、回転ツール１６との間にワーク１０を挟んで、回転ツール１６による押圧期間中、つまり摩擦撹拌接合中、上記押圧力に抗してワーク１０を下方から支持する。なお、受け具１７は必ずしも矢印Ａ３方向へ移動させる必要はなく、受け具１７にワーク１０を載せた後に回転ツール１６を矢印Ａ２の方向に移動させる方法を採用することもできる。
【００１９】
摩擦撹拌接合装置１は、多関節ロボット等からなる図外の駆動制御装置に装着されている。そして、回転ツール１６及び受け具１７の座標位置、回転ツール１６の回転数（ｒｐｍ）、加圧力（Ｎ）、加圧時間（秒）等が上記駆動制御装置により適宜制御される。なお、図１には図示を省略したが、摩擦撹拌接合装置１は、予めワーク１０を固定し、また回転ツール１６を押圧したときの金属部材１１の浮き上がりを防止するためのスペーサやクランプ等の治具を備えている。
【００２０】
本発明において金属部材１１または樹脂部材１２の少なくとも一方は他方の部材との対向面に凸状部を有している。
例えば、図２Ａに示すように、樹脂部材１２は金属部材１１との対向面１２０に凸状部１２２を有し、かつ金属部材１１は樹脂部材１２との対向面１１０に凸状部を有さず、平面形状を有していてもよい（以下、「態様１」という）。
また例えば、図３Ａに示すように、金属部材１１は樹脂部材１２との対向面１１０に凸状部１１２を有し、かつ樹脂部材１２は金属部材１１との対向面１２０に凸状部を有さず、平面形状を有していてもよい（以下、「態様２」という）。
また例えば、樹脂部材１２は図２Ａに示すように金属部材１１との対向面１２０に凸状部１２２を有し、かつ金属部材１１は図３Ａに示すように樹脂部材１２との対向面１１０に凸状部１１２を有してもよい（以下、「態様３」という）。
【００２１】
本発明においては金属部材１１または樹脂部材１２の少なくとも一方が凸状部を有するので、当該凸状部と他方の部材との間で、圧力および熱が集中する。このため、樹脂部材が溶融すると、溶融した樹脂が平面視において凸状部からその外周側に向けて流動する。溶融した樹脂が平面視において凸状部からその外周側に向けて流動するとは、回転ツール１６の軸方向から観察したとき、溶融樹脂が凸状部を中心として放射状に（すなわち、あらゆる半径方向に）移動するという意味である。このとき、溶融樹脂の流動速度（移動速度）は、凸状部が存在しない場合と比較して、より速い。このことは、凸状部の存在により、溶融樹脂の量が多くなること、および流動方向が半径方向に決定付けられ易くなることに基づくものと考えられる。
【００２２】
すなわち、例えば、態様１においては、図２Ａ〜図２Ｃに示すように、凸状部１２２はその頂部１２２０から溶融され、すなわち樹脂部材の溶融開始点は局所的となるため、流動方向はその頂部１２２０からの半径方向に決定付けられ易くなる。しかも凸状部の分だけ溶融樹脂の量は多くなる。これらの結果、樹脂部材１２が凸状部１２２を有する場合において、溶融樹脂の流動速度は、凸状部が存在しない場合と比較して、より速くなる。
【００２３】
また例えば、態様２においては、図３Ａ〜図３Ｃに示すように、樹脂部材１２における凸状部頂部の接近部１２５０から溶融され、すなわち樹脂部材の溶融開始点は局所的となるため、流動方向は当該近傍部からの半径方向に決定付けられ易くなる。しかも凸状部により押し退けられる溶融樹脂の分だけ、溶融樹脂の量は多くなる。これらの結果、金属部材１１が凸状部１１２を有する場合において、溶融樹脂の流動速度は、凸状部が存在しない場合と比較して、より速くなる。樹脂部材１２における凸状部頂部の接近部１２５０とは、樹脂部材１２において金属部材１１の凸状部１１２が最接近している部分という意味である。
【００２４】
例えば、態様３においては、上記した態様１および態様２の相乗効果により、溶融樹脂の流動速度は、凸状部が存在しない場合と比較して、より一層、速くなる。
【００２５】
このように溶融樹脂の流動速度がより速くなると、金属部材１１と樹脂部材１２との間に介在する接着剤３は、凸状部が存在しない場合と比較して、当該溶融樹脂の流れに沿って、溶融樹脂とともに放射状に流動および移動し易くなる。この結果、金属部材と樹脂部材との間の接合領域に接着剤が残存し難くなり、より良好な接合強度が得られるようになるものと考えられる。なお、図２Ａにおいて、接着剤３は、接着層として、樹脂部材１２の平面部だけでなく、凸状部１２２（特にその頂部）にも形成されているが、回転ツール１６による圧力とその後の樹脂の溶融とにより、容易に破れ、溶融樹脂の移動の起点となる。図３Ａにおいて、接着剤３は、接着層として、樹脂部材１２の平面部に形成され、樹脂部材１２における金属部材１１の凸状部１１２との接触部にも形成されているが、回転ツール１６による圧力とその後の樹脂の溶融とにより、容易に破れ、溶融樹脂の移動の起点となる。
【００２６】
溶融樹脂流動の高速化による接合強度のさらなる向上の観点から、少なくとも樹脂部材１２が凸状部を有することが好ましい。当該好ましい実施態様においては、上記した態様１および態様３が包含される。同様の観点と、製造コストの観点とのバランスから、より好ましくは態様１である。
【００２７】
接着剤３は、図２Ａ〜図２Ｃおよび図３Ａ〜図３Ｃにおいて、接着層として、樹脂部材１２における金属部材１１との対向面１２０に形成されているが、金属部材１１または樹脂部材１２の少なくとも一方における対向面に形成されていればよい。例えば、接着剤３は、金属部材１１における樹脂部材１２との対向面１１０に層形態で提供されていてもよいし、または樹脂部材１２の対向面１２０および金属部材１１の対向面１１０の両方に層形態で提供されていてもよい。また例えば、接着剤３は、金属部材１１および樹脂部材１２のいずれの対向面にも形成されず、これらの対向面から独立して、接着剤シートの形態で金属部材１１と樹脂部材１２との間に介在してもよい。また例えば、接着剤３は、金属部材１１または樹脂部材１２の少なくとも一方における対向面にビード状に提供され、接合時における両部材の接近により金属部材１１と樹脂部材１２との間で層形態を有するようになってもよい。接着剤３は、溶融樹脂の流動の高速化による接合強度のさらなる向上の観点から、樹脂部材１２における金属部材１１との対向面１２０のみに層形態で提供されていること、または樹脂部材１２における対向面１２０のみにビード状に提供され、接合時における両部材の接近により層形態を有するようになることが好ましい。
【００２８】
接着剤３が凸状部を有する樹脂部材１２に層形態で提供される場合、接着剤（層）３は、図２Ａに示すように、樹脂部材１２における金属部材１１との対向面１２０において、平面部だけでなく、凸状部にも形成されてもよい。当該接着剤（層）３は、溶融樹脂流動の高速化による接合強度のさらなる向上の観点から、樹脂部材１２の対向面１２０における凸状部１２２の頂部以外の領域に形成されることが好ましい。同様の観点から、当該接着剤（層）３は、樹脂部材１２の対向面１２０における凸状部１２２以外の領域に形成されることが好ましい。このような形成領域の調整は、接着剤（層）３の形成時の塗布装置におけるコンピュータ制御により容易に可能である。
【００２９】
接着剤３は、従来から金属部材１１と樹脂部材１２との接着に寄与し得るあらゆる接着剤を包含する。従って、接着剤３は、接着剤として使用される材料だけでなく、金属部材１１と樹脂部材１２との間のシーリングに使用されているシール材も包含する概念で用いるものとする。接着剤３を構成する材料として、例えば、エポキシ系樹脂、ウレタン系樹脂、アクリル系樹脂およびこれらの混合物等の熱硬化性樹脂、合成ゴム系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂およびこれらの混合物等の熱可塑性樹脂が挙げられる。
【００３０】
接着剤３が層形態で提供される場合、当該接着剤（層）３は、上記構成材料またはその有機溶剤溶液を層状に塗布し、所望により熱硬化することにより形成されてもよい。塗布後、乾燥することにより、接着剤（層）３を形成してもよい。
【００３１】
接着剤３がビード状で提供される場合、当該接着剤３は、上記構成材料またはその有機溶剤溶液をビード状に塗布することにより提供されてもよい。塗布後、乾燥してもよい。
【００３２】
接着剤３の塗布量は通常、接合後の接着層の厚みが０．１〜１．５ｍｍ、特に０．２〜０．５ｍｍとなるような量である。接着剤３の塗布量は通常、１０〜５００ｍｇ／ｍ２であり、接着剤と溶融樹脂流動の高速化とによる接合強度のさらなる向上の観点から、好ましくは５０〜３００ｍｇ／ｍ２である。
【００３３】
金属部材１１の凸状部１１２および樹脂部材１２の凸状部１２２の形状および寸法は共通する。金属部材１１の凸状部１１２は通常、金属部材１１の本体部と同様の材料から一体的に形成される。樹脂部材１２の凸状部１２２は通常、樹脂部材１２の本体部と同様の材料から一体的に形成される。
【００３４】
凸状部は局所的隆起部である。局所的隆起部とは、その周辺で隆起しておらず、隆起部が点状に存在しているという意味である。このような凸状部の形状として、例えば、波形隆起形状、波形隆起台形状、錐形状または錐台形状が挙げられる。
【００３５】
波形隆起形状とは、図４Ａに示すように、断面視（例えば、図４Ａの下図）において、隆起部の縁部から波状に緩やかにかつ湾曲して隆起した形状のことである。図４Ａの上図は、波形隆起形状の平面視形状を示す。
【００３６】
波形隆起台形状とは、上記した波形隆起形状の頂部に頂面を有する形状のことである。
【００３７】
錐形状とは、図４Ｂおよび図４Ｃに示すように、断面視（例えば、図４Ｂおよび図４Ｃの下図）において、隆起部の縁部から直線的に隆起した形状のことである。錐形状は、図４Ｂに示すような円錐形状、図４Ｃに示すような四角錐形状等の多角形状を包含する。図４Ｂおよび図４Ｃの上図はそれぞれ、円錐形状および四角錐形状の平面視形状を示す。
【００３８】
錐台形状とは、上記した錐形状の頂部に頂面を有する形状のことであり、例えば、図４Ｄに示すように、断面視（例えば、図４Ｄの下図）において頂面１２３を有する。図４Ｄの上図は、円錐台形状の平面視形状を示す。
【００３９】
凸状部においては、溶融樹脂流動の高速化による接合強度のさらなる向上の観点から、凸状部の頂部（頂面）の面積Ｓ１（ｍｍ２）および押圧部材（回転ツール１６）による押圧面積Ｓ２（ｍｍ２）は以下の関係式（１）を満たすことが好ましく、関係式（２）を満たすことがより好ましく、関係式（３）を満たすことがさらに好ましく、関係式（４）を満たすことがさらに好ましい。
Ｓ１／Ｓ２≦０．８    （１）
Ｓ１／Ｓ２≦０．６    （２）
Ｓ１／Ｓ２≦０．４    （３）
Ｓ１／Ｓ２≦０．２    （４）
【００４０】
凸状部の頂部（頂面）の面積Ｓ１は通常、６０ｍｍ２以下、特に０〜６０ｍｍ２であり、好ましくは０〜５０ｍｍ２であり、より好ましくは０〜３０ｍｍ２、さらに好ましくは０〜１５ｍｍ２である。凸状部が波形隆起形状または錐形状を有するときの頂部（頂面）の面積Ｓ１は０（ｍｍ２）である。
【００４１】
押圧部材（回転ツール１６）による押圧面積Ｓ２は、例えば、回転ツール（押圧部材）１６による押圧により熱と圧を直接的に付与される金属部材１１上の領域の面積であり、具体的には図１において斜線で示される押圧領域Ｐの面積である。面積Ｓ２は通常、２８〜７１０ｍｍ２であり、好ましくは５０〜２０５ｍｍ２である。
【００４２】
凸状部においては、溶融樹脂流動の高速化による接合強度のさらなる向上と、フランジ等の限られた面積への施工とのバランスの観点から、凸状部の最大幅Ｗ１（ｍｍ）および押圧部材（回転ツール１６）の最大幅（直径）Ｄ１（ｍｍ）（図４Ａ〜図４Ｄ参照）は以下の関係式（１）を満たすことが好ましく、関係式（２）を満たすことがより好ましく、関係式（３）を満たすことがさらに好ましく、関係式（４）を満たすことが最も好ましい。最大幅Ｗ１およびＤ１は、断面視における最大幅である。
１．０≦Ｗ１／Ｄ１≦１０．０    （１）
１．５≦Ｗ１／Ｄ１≦５．０      （２）
１．５≦Ｗ１／Ｄ１≦４．０      （３）
１．５≦Ｗ１／Ｄ１≦２．５      （４）
【００４３】
凸状部の最大幅Ｗ１は通常、５〜５０ｍｍであり、溶融樹脂流動の高速化による接合強度のさらなる向上の観点から、好ましくは５〜３０ｍｍであり、溶融樹脂流動の高速化による接合強度のさらなる向上とフランジ等の限られた面積への施工の観点から、より好ましくは１０〜４５ｍｍ２であり、さらに好ましくは２０〜３０ｍｍ２である。
【００４４】
押圧部材（回転ツール１６）の最大幅（直径）Ｄ１は通常、後で詳述する回転ツール１６の直径と同様の範囲内である。
【００４５】
凸状部の高さＨ（図４Ａ〜図４Ｄ参照）は通常、０．５〜６ｍｍであり、溶融樹脂流動の高速化による接合強度のさらなる向上の観点から、好ましくは０．５〜４ｍｍである。
【００４６】
（１）樹脂部材
樹脂部材１２は、凸状部１２２を有する場合、本体部１２１および凸状部１２２からなり、凸状部１２２を有さない場合、本体部１２１からなる。樹脂部材１２が凸状部１２２を有し、かつ本体部１２１および凸状部１２２が同じ材料からなる場合、本体部１２１と凸状部１２２とは一体的に成形されていることが好ましい。すなわち、樹脂部材１２を、例えば、射出成形法、プレス成形法、押出成形法、引抜成形法、オートクレーブ成形法等のあらゆる公知の溶融成形方法により製造するに際し、使用される金型の成形面を転写させることにより、本体部１２１と凸状部１２２とを一体的に成形することが好ましい。本発明は、本体部１２１と凸状部１２２とを個別に成形し、接着剤結合法等のあらゆる結合方法により、これらを結合させることを妨げるものではないが、強固な結合および製造の容易さの観点から、上記したように、溶融成形方法において金型成形面の転写により、本体部１２１と凸状部１２２とを一体的に成形することが好ましい。樹脂部材１２が凸状部１２２を有さない場合においても、樹脂部材１２は、上記と同様の溶融成形方法により、製造することができる。
【００４７】
樹脂部材１２、すなわち本体部１２１および凸状部１２２は、ポリマーおよびその他所望の添加剤からなっている。ポリマーとしては、熱可塑性ポリマーが使用されてもよいし、または熱硬化性ポリマーが使用されてもよい。
【００４８】
樹脂部材１２を構成する熱可塑性ポリマーとしては、熱可塑性を有するあらゆるポリマーが使用可能である。中でも、自動車の分野で使用されている熱可塑性ポリマーが好ましく使用される。そのような熱可塑性ポリマーの具体例として、例えば、以下のポリマーおよびそれらの混合物が挙げられる：
ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂；
ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリトリメチレンテレフタレート（ＰＴＴ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ））などのポリエステル系樹脂；
ポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）などのポリアクリレート系樹脂；
ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）などのポリエーテル系樹脂；
ポリアセタール（ＰＯＭ）；
ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）；
ＰＡ６、ＰＡ６６、ＰＡ１１、ＰＡ１２、ＰＡ６Ｔ、ＰＡ９Ｔ、ＭＸＤ６などのポリアミド系樹脂（ＰＡ）；
ポリカーボネート系樹脂（ＰＣ）；
ポリウレタン系樹脂；
フッ素系ポリマー樹脂；および
液晶ポリマー（ＬＣＰ）。
【００４９】
熱可塑性ポリマーの分子量は、接合時に軟化・溶融可能な限り特に限定されるものではなく、通常はメルトフローレート（ＭＦＲ）が２〜２００、好ましくは２〜５５の熱可塑性ポリマーが使用される。
【００５０】
本明細書中、ＭＦＲはメルトフローレートであって、ＪＩＳ  Ｋ７２１０に基づいて２３０℃で測定された値（ｇ／１０分間）を用いている。
【００５１】
熱硬化性ポリマーとしては、自動車の分野で使用されている熱硬化性ポリマーが好ましく使用される。そのような熱硬化性ポリマーの具体例として、例えば、以下のポリマーおよびそれらの混合物が挙げられる：
エポキシ樹脂（ＥＰ）；
フェノール樹脂（ＰＦ）；
不飽和ポリエステル樹脂（ＵＰ）；
メラミン樹脂（ＭＦ）；
ポリウレタン（ＰＵＲ）。
【００５２】
樹脂部材１２に含まれる添加剤としては、タルク等のフィラー、炭素繊維、ガラス繊維等の強化繊維が挙げられる。
【００５３】
以上、樹脂部材１２の本体部１２１は全体形状として略平板形状を有するものについて説明したが、これに限定されるものではなく、少なくとも凸状部の直下の部分が略平板形状を有する限り、いかなる形状を有していてもよい。樹脂部材１２の厚みｔは特に限定されず、通常は１ｍｍ以上、特に１〜２０ｍｍである。
【００５４】
（２）金属部材
金属部材１１は、凸状部１１２を有する場合、本体部１１１および凸状部１１２からなり、凸状部１１２を有さない場合、本体部１１１からなる。金属部材１１が凸状部１１２を有し、かつ本体部１１１および凸状部１１２が同じ材料からなる場合、本体部１１１と凸状部１１２とは一体的に成形されていることが好ましい。すなわち、金属部材１１を、例えば、ダイカスト鋳造等のあらゆる公知の成形方法により製造するに際し、使用される金型の成形面を転写させることにより、本体部１１１と凸状部１１２とを一体的に成形することが好ましい。本発明は、本体部１１１と凸状部１１２とを個別に成形し、溶接等のあらゆる結合方法により、これらを結合させることを妨げるものではないが、強固な結合および製造の容易さの観点から、上記したように、金属溶融成形方法において金型成形面の転写により、本体部１１１と凸状部１１２とを一体的に成形することが好ましい。金属部材１１が凸状部１１２を有さない場合においても、金属部材１１は、上記と同様の溶融成形方法により、製造することができる。
【００５５】
金属部材１１の本体部１１１全体形状として略平板形状を有するものについて説明したが、これに限定されるものではなく、少なくとも凸状部の直上の部分が略平板形状を有する限り、いかなる形状を有していてもよい。金属部材１１の厚みＴは特に制限されるものではなく、通常、０．６〜３．０ｍｍ程度である。
【００５６】
金属部材１１を構成する金属としては、融点が、樹脂部材１２を構成するポリマーよりも高いあらゆる金属が使用可能である。中でも、自動車の分野で使用されている以下の金属および合金が好ましく使用される：
アルミニウムおよび５０００系、６０００系などのアルミニウム合金；
スチール；軟鋼板、高張力鋼板など
マグネシウムおよびその合金；
チタンおよびその合金。
【００５７】
（３）回転ツール
図５は、回転ツール１６の先端部近傍の拡大図である。図５において、右半分は回転ツール１６の外観を示し、左半分は断面を示している。図５に示すように、円柱状の回転ツール１６は、先端部（図５では下端部）にピン部１６ａ及びショルダ面１６ｂを有している。ショルダ面１６ｂは、回転ツール１６の円形の先端面のことである。回転ツール１６はショルダ面１６ｂにピン部１６ａを有する。ピン部１６ａは、回転ツール１６の中心軸線Ｘ上において、回転ツール１６の円形の先端面から外方（図９では下方）に突設された、ショルダ面１６ｂよりも小径の円柱状の部分である。ピン部１６ａは、回転している回転ツール１６をワーク１０に最初に接触させて押圧するときに回転ツール１６を位置決めするためのものである。
【００５８】
回転ツール１６の素材及び各部の寸法は、主として、回転ツール１６が押圧する金属部材１１の金属の種類に応じて設定される。例えば、金属部材１１がアルミニウム合金よりなる場合、回転ツール１６は工具鋼（例えばＳＫＤ６１等）で作製され、ショルダ面１６ｂの直径Ｄ１は１０ｍｍ、ピン部１６ａの直径Ｄ２は２ｍｍ、ピン部１６ａの突出長さｈは０．５ｍｍに設定される。また、例えば、金属部材１１がスチールよりなる場合、回転ツール１６は窒化珪素やＰＣＢＮ（立方晶窒化ホウ素焼結体）等で作製され、ショルダ面１６ｂの直径Ｄ１は１０ｍｍ、ピン部１６ａの直径Ｄ２は３ｍｍ、ピン部１６ａの突出長さｈは０．５ｍｍに設定される。もっとも、これらは例示に過ぎず、これらに限定されないことはいうまでもない。例えば、回転ツール１６の直径は通常、ショルダ面１６ｂの直径Ｄ１のことであり、通常、５〜１００ｍｍ、特に５〜２０ｍｍである。
【００５９】
（４）摩擦撹拌接合方法に基づく金属部材と樹脂部材との接合方法の具体例
本発明に係る摩擦撹拌接合方法に基づく接合方法は少なくとも以下のステップを含むものである：
金属部材１１と樹脂部材１２とを重ね合わせるとともに、両者間に接着剤３を介在させる第１ステップ；および
押圧部材としての回転ツール１６を回転させつつ、金属部材１１に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱で樹脂部材１２を軟化・溶融させた後、固化させて金属部材１１と樹脂部材１２とを接合する第２ステップ。
なお、第１ステップにおいて得られる金属部材１１と樹脂部材１２とが重ね合わされたものを「ワーク」１０と呼ぶ。
【００６０】
第１ステップ：
第１ステップにおいては、金属部材１１と樹脂部材１２とを、それらの対向面１１０および１２０が相互に対向するように重ね合わせる。詳しくは、金属部材１１または樹脂部材１２の少なくとも一方が有する凸状部が金属部材１１の本体部１１１と樹脂部材１２の本体部１２１との間に配置されるように、金属部材１１と樹脂部材１２とを重ね合わせる。例えば、樹脂部材１２が凸状部１２２を有する場合には、図２Ａに示すように、当該凸状部１２２が金属部材１１と接触するように、金属部材１１と樹脂部材１２とを重ね合わせる。また例えば、金属部材１１が凸状部１１２を有する場合には、図３Ａに示すように、当該凸状部１１２が樹脂部材１２と接触するように、金属部材１１と樹脂部材１２とを重ね合わせる。凸状部と金属部材１１または樹脂部材１２との接触は接着剤３の介在により間接的であってもよい。
【００６１】
接着剤３は金属部材１１と樹脂部材１２との間に介在する限り、いかなる形態で提供されていてもよい。上記したように、例えば、接着剤３は、金属部材１１または樹脂部材１２の少なくとも一方における対向面に接着層の形態で提供されていてもよい。また例えば、接着剤３は、金属部材１１および樹脂部材１２のいずれの対向面にも提供されず、これらの対向面から独立して、接着剤シートの形態で金属部材１１と樹脂部材１２との間に提供されていてもよい。また例えば接着剤３は、金属部材１１または樹脂部材１２の少なくとも一方における対向面にビード状に提供され、第２ステップにおける両部材の接近により層形態を有するようになってもよい。接着剤３は、溶融樹脂の流動の高速化による接合強度のさらなる向上の観点から、樹脂部材１２における金属部材１１との対向面１２０のみに接着層の形態で提供されているか、または樹脂部材１２の対向面１２０のみにビード状に提供されて、それらの接近により層形態を有するようになることが好ましい。
【００６２】
第２ステップ：
第２ステップにおいては、回転ツール１６を金属部材１１に押し込んで、金属部材１１と樹脂部材１２との接合境界面１３０に達しない深さまで進入させる押込み撹拌工程Ｃ２を少なくとも行う。このとき、回転ツール１６により金属部材１１を介して凸状部に圧力および熱を付与するようにする。
【００６３】
例えば、樹脂部材１２が凸状部１２２を有する場合には、図２Ａおよび図４Ａ〜図４Ｄに示すように、金属部材１１上における回転ツール１６の押圧領域Ｐ（図１参照）の直下に対応する樹脂部材１２表面上の領域Ｐ’内に凸状部１２２の形成領域が配置されるように、回転ツール１６を金属部材１１に押し込む。接合強度およびその信頼性のさらなる向上の観点から、好ましくは、当該領域Ｐ’が、図２Ａおよび図４Ａ〜図４Ｄに示すように、凸状部１２２の形成領域の中央に位置するように、回転ツール１６を金属部材１１に押し込む。
【００６４】
また例えば、金属部材１１が凸状部１１２を有する場合には、図３Ａに示すように、金属部材１１上における回転ツール１６の押圧領域Ｐ（図１参照）の直下に凸状部１１２の形成領域が配置されるように、回転ツール１６を金属部材１１に押し込む。接合強度およびその信頼性のさらなる向上の観点から、好ましくは、当該領域Ｐの直下領域が、図３Ａに示すように、凸状部１１２の形成領域の中央に位置するように、回転ツール１６を金属部材１１に押し込む。
【００６５】
本発明においては、第２ステップにおいて、押込み撹拌工程の前に、回転ツール１６のショルダー面１６ｂ（先端部のみ）を金属部材１１の表面部に接触させた状態で上記回転ツール１６を回転させる予熱工程Ｃ１を行うことが好ましいが、必ずしも行わなければならないというわけではない。
押込み撹拌工程の後には、回転ツール１６を接合境界面に達しない深さまで進入させた位置で、回転ツール１６の回転動作を継続させる撹拌維持工程Ｃ３を行うことが好ましいが、当該工程も必ずしも行わなければならないというわけではない。
【００６６】
以下、各工程について詳しく説明する。
【００６７】
（予熱工程Ｃ１）
予熱工程Ｃ１は、回転ツール１６と受け具１７とを相互に近接させることにより、図２Ａおよび図３Ａに示すように、回転ツール１６のショルダー面１６ｂ（先端部のみ）を金属部材１１の表面部（図例では上面部）に接触させた状態で回転ツール１６を回転させる工程である。予熱工程Ｃ１では、回転ツール１６を、第１の加圧力（例えば、９００Ｎ）で、第１の加圧時間（例えば、１．００秒）だけ、所定回転数（例えば、３０００ｒｐｍ）で回転させる。図２Ａおよび図３Ａは、図１におけるＺ−Ｚ断面を矢印方向で見たときの概略断面図であって、本発明の接合方法における予熱工程を説明するための概略断面図である。
【００６８】
具体的には、予熱工程Ｃ１では、回転ツール１６の押圧により金属部材１１の表面部（図例では上面部）で摩擦熱が発生する。摩擦熱は金属部材１１の内部に伝わり、金属部材１１の上記押圧領域Ｐの範囲及び上記押圧領域Ｐの近傍の範囲が予熱される。これにより、次の押込み撹拌工程Ｃ２で、回転ツール１６を金属部材１１に押込み易くなる。また次の押込み撹拌工程Ｃ２において、溶融樹脂は、平面視で、凸状部からその外周側に向けて、すなわち該直下領域６０の中心から外周領域６１に向けて、放射状に接着剤３と共に流動および移動し易くなる。
【００６９】
予熱工程Ｃ１では、摩擦熱は、金属部材１１と樹脂部材１２との境界面を介して樹脂部材１２に伝導する。例えば、樹脂部材１２が凸状部１２２を有する場合（図２Ａ）、摩擦熱は、樹脂部材１２において凸状部１２２の頂部１２２０にまず伝導するため、当該頂部１２２０が局所的かつ最初に溶融し易くなる。また例えば、金属部材１１が凸状部１１２を有する場合（図３Ａ）、摩擦熱は、樹脂部材１２において、凸状部１１２の頂部１１２０が接近する部分１２５０にまず伝導するため、当該接近部分１２５０が局所的かつ最初に溶融し易くなる。
【００７０】
予熱工程Ｃ１の第１の加圧力及び第１の加圧時間は、上記のような回転ツール１６の押込み易さの観点及び樹脂部材１２の軟化・溶融し易さの観点から設定され、その値は、例えば回転ツール１６の回転数や金属部材１１の厚みおよび素材の種類等に依存して変化する。例えば、１ｍｍ以上２ｍｍ以下の厚みのアルミニウム合金製金属部材１１を使用する場合、予熱工程Ｃ１における第１の加圧力は、７００Ｎ以上１２００Ｎ未満の値、第１の加圧時間は、０．５秒以上２．０秒未満の値、回転ツールの回転数は５００回転/分以上１００００回転/分以下の値が好ましい。
【００７１】
（押込み撹拌工程Ｃ２）
押込み撹拌工程Ｃ２は、回転ツール１６と受け具１７とを相互に近接させることにより、図２Ｂ〜図２Ｃおよび図３Ｂ〜図３Ｃに示すように、回転ツール１６を金属部材１１に押し込む工程である。押込み撹拌工程Ｃ２を予熱工程Ｃ１に次いで行う場合には、回転ツール１６と受け具１７とをさらに相互に近接させることにより、図２Ｂ〜図２Ｃおよび図３Ｂ〜図３Ｃに示すように、回転ツール１６を金属部材１１に押し込む。すなわち、回転ツール１６を金属部材１１と樹脂部材１２との境界面１３０に達しない深さまで進入させる。これにより、溶融樹脂を、平面視で、矢印方向（図２Ｂ〜図２Ｃおよび図３Ｂ〜図３Ｃ）において凸状部からその外周側に向けて、すなわち該直下領域６０の中心から外周領域６１に向けて、放射状に接着剤３と共に流動および移動させる。
【００７２】
詳しくは、押込み撹拌工程Ｃ２では、回転ツール１６を、第１の加圧力より大きい第２の加圧力（例えば、１５００Ｎ）で、第１の加圧時間より短い第２の加圧時間（例えば、０．２５秒）だけ、所定回転数（例えば、３０００ｒｐｍ）で回転させる。
【００７３】
押込み撹拌工程Ｃ２では、加圧力が予熱工程Ｃ１よりも大きくなることにより、回転ツール１６が金属部材１１に押し込まれる。すなわち、回転ツール１６が金属部材１１の内部に深く進入する。この回転ツール１６の押込みにより、図２Ｃおよび図３Ｃに示すように、金属部材１１の回転ツール直下部１１５において、金属部材１１と樹脂部材１２との接合境界面１３０が受け具側（図例では下側）に移動し、当該直下部１１５が樹脂部材１２側に突出変形する。これによっても、接合境界面１３０において回転ツールの直下領域６０の溶融樹脂が、平面視で、矢印方向において、凸状部からその外周側に向けて、すなわち該直下領域６０の中心から外周領域６１に向けて、放射状に流動および移動する。これに伴い、接着剤３も移動する。溶融樹脂は、回転ツール直下領域６０を中心とする略円形状で広がる。
【００７４】
仮に、回転ツール１６がさらに押し込まれると（つまり加圧力が高過ぎ及び／又は加圧時間が長過ぎると）、回転ツール１６のショルダ面１６ｂが上記接合境界面を超える。すなわち、回転ツール１６が金属部材１１を貫通し、樹脂部材１２に接触する。すると、金属部材１１に回転ツール１６が通過した孔が開いた孔開き状態となり、接合不良が起きる。
【００７５】
そこで、本発明では、この押込み撹拌工程Ｃ２において、回転ツール１６のショルダ面１６ｂが上記接合境界面に達しない深さまで進入した時点で、回転ツール１６の押込みを停止する。換言すれば、回転ツール１６を上記接合境界面に達しない深さまで進入させる。これにより、次の撹拌維持工程Ｃ３で、樹脂部材１２に近い基準位置で摩擦熱が発生し、多量の摩擦熱が樹脂部材１２に伝わり、樹脂部材１２の溶融および流動（移動）が促進される。これに伴い、接着剤３の移動も促進される。
【００７６】
押込み撹拌工程Ｃ２の第２の加圧力及び第２の加圧時間は、上記のような金属部材１１の孔開き回避の観点及び回転ツール１６をできるだけ樹脂部材１２に近接させる観点から設定され、その値は、例えば回転ツール１６の回転数や金属部材１１の厚みおよび素材の種類等に依存して変化する。例えば、１ｍｍ以上２ｍｍ以下の厚みのアルミニウム合金製金属部材１１を使用する場合、押込み撹拌工程Ｃ２における第２の加圧力は、１２００Ｎ以上１８００Ｎ未満の値、第２の加圧時間は、０．１秒以上０．５秒未満の値、回転ツールの回転数は５００回転/分以上１００００回転/分以下の値が好ましい。
【００７７】
（撹拌維持工程Ｃ３）
撹拌維持工程Ｃ３は、回転ツール１６と受け具１７との相互近接を停止することにより、同じく図２Ｃおよび図３Ｃに示すように、上記接合境界面１３０に達しない深さまで進入させた位置（これを「基準位置」という）で回転ツール１６の回転動作を継続させる工程である。撹拌維持工程Ｃ３では、回転ツール１６を、第１の加圧力より小さい第３の加圧力（例えば、５００Ｎ）で、第１の加圧時間より長い第３の加圧時間（例えば、５．７５秒）だけ、所定回転数（例えば、３０００ｒｐｍ）で回転させる。
【００７８】
撹拌維持工程Ｃ３では、加圧力が予熱工程Ｃ１よりも小さくなることにより（もちろん押込み撹拌工程Ｃ２よりも小さくなることにより）、回転ツール１６が上記基準位置に維持される。この樹脂部材１２に近い基準位置で回転ツール１６の回転動作が継続されるため、多量の摩擦熱が発生し、発生した摩擦熱の大部分が樹脂部材１２に移動する。そのため、樹脂部材１２は、上記押圧領域Ｐ直下の領域６０の範囲を超えて、広い範囲で十分に軟化・溶融し、平面視で、より一層、有効に矢印方向において、凸状部からその外周側に向けて、すなわち該直下領域６０の中心から外周領域６１に向けて、放射状に流動および移動する。これに伴い、接着剤３も移動する。
【００７９】
撹拌維持工程Ｃ３の第３の加圧力及び第３の加圧時間は、上記のような樹脂部材１２の広い範囲での十分な軟化・溶融の観点から設定され、その値は、例えば回転ツール１６の回転数や金属部材１１の厚みおよび素材の種類等に依存して変化する。例えば、１ｍｍ以上２ｍｍ以下の厚みのアルミニウム合金製金属部材１１を使用する場合、撹拌維持工程Ｃ３における第３の加圧力は、１００Ｎ以上７００Ｎ未満の値、第３の加圧時間は、１．０秒以上１０秒未満の値、回転ツールの回転数は５００回転/分以上１００００回転/分以下の値が好ましい。
【００８０】
（保持工程Ｃ４）
押込み撹拌工程Ｃ２または撹拌維持工程Ｃ３の後には、上記回転ツール１６の回転を停止し、その状態で上記回転ツール１６を所定の加圧力で所定の加圧時間だけ保持する保持工程Ｃ４を行ってもよい。
保持工程Ｃ４は、同じく図２Ｃおよび図３Ｃに示すように、回転ツール１６の回転を停止し、その状態で回転ツール１６を所定の加圧力で所定の時間だけ保持する工程である。保持工程Ｃ４では、回転ツール１６を、第３の加圧力より大きいが第２の加圧力より小さい第４の加圧力（例えば、１０００Ｎ）で、第３の加圧時間より短いが第２の加圧時間より長い第４の加圧時間（例えば、５．００秒）だけ保持する。
【００８１】
保持工程Ｃ４では、回転ツール１６の回転が停止されることにより、摩擦熱の発生が終了する。すなわち、摩擦撹拌接合としての実質的な動作が終了し、ワーク１０の冷却が開始する。ワーク１０の冷却期間中、加圧力が押込み撹拌工程Ｃ２よりも小さいが撹拌維持工程Ｃ３よりも大きくなることにより、回転が停止された回転ツール１６が金属部材１１と樹脂部材１２とを受け具１７との間に挟んでクランプする。これにより、金属部材１１と樹脂部材１２との間の冷却中の密着力が高められ、冷却・固化完了後の接合強度が高められる。
【００８２】
保持工程Ｃ４の第４の加圧力及び第４の加圧時間は、上記のような冷却期間中の押圧領域Ｐの密着力向上の観点から設定され、その値は、例えば金属部材１１の素材の種類等に依存して変化する。例えば、アルミニウム合金製金属部材１１を使用する場合、保持工程Ｃ４における第４の加圧力は、例えば７００Ｎ以上１２００Ｎ未満の値が好ましい。第４の加圧時間は、例えば１秒以上の値が好ましい。
【００８３】
本発明では、少なくとも前記した工程Ｃ２を経て、好ましくは前記した工程Ｃ１およびＣ２を経て、より好ましくは前記した工程Ｃ１〜Ｃ３を経て、最も好ましくは前記した工程Ｃ１〜Ｃ４を経て、最終的に、図６に示すように、金属部材１１と樹脂部材１２とが広い範囲で高強度に接合された金属部材１１と樹脂部材１２との接合体２０が得られる。図６は、本発明の接合方法で得られた接合体から金属部材を強制的に剥離させて得られた樹脂部材の表面状態を示す概略平面図である。
【００８４】
第２ステップにおいて所定の工程を行った後、通常は冷却を行い、溶融樹脂を固化させる。冷却方法は特に限定されず、例えば、放置冷却法等が挙げられる。
【００８５】
（５）接合体
本発明の接合方法により接合された金属部材１１と樹脂部材１２との接合体２０は、接合境界面１３０における樹脂部材１２の回転ツール直下領域６０およびその外周領域６１において、金属部材１１と樹脂部材１２との接合が達成されている。このことは、接合体２０の接合境界面１３０において、溶融樹脂が固化してなる溶融固化域が回転ツール直下領域６０を中心とする略円形状で広がっていることを確認することにより、検知できる。
【００８６】
以下、特記しない限り、本発明の一実施態様に係る接合方法により接合された接合体について説明する。
具体的には、接合体２０から金属部材１１を強制的に剥離させると、例えば、図６に示すような、樹脂部材１２における金属部材１１との接触面１２２ａが観察できる。このような樹脂部材１２の接触面１２２ａにおいて、溶融固化域は回転ツール直下領域６０にある樹脂溶融域１３１Ａ（斜線領域）と、その外周領域にある溶融樹脂流動域１３２Ａ（格子領域）とからなっている。
【００８７】
樹脂溶融域１３１Ａは、その表面に、金属部材１１の突出変形により、回転ツール径と略同等の径の凹形状が形成されている。また、金属部材１１表面の微小形状が転写されており、接合強度によっては変色する場合もあることから、元の樹脂部材１２の表面性状（表面粗さ、色他）との比較により、目視による認識は容易に可能である。
【００８８】
溶融樹脂流動域１３２Ａは、その表面に、金属部材１１表面の微小形状が転写されており、接合強度によっては変色する場合もあることから、元の樹脂部材１２の表面性状（表面粗さ、色他）との比較により、目視による認識は容易に可能である。
【００８９】
本発明においては、接着剤３が溶融樹脂により流動および移動するため、溶融樹脂流動域１３２Ａ（特に外周部分）における接着剤３由来成分の含有割合は、樹脂溶融域１３１Ａにおける当該含有割合よりも高くなっている。
【００９０】
本発明の接合方法により接合された金属部材１１と樹脂部材１２との接合体において、金属部材１１と樹脂部材１２との間隙距離は通常、２ｍｍ以下であり、接着剤による接着強度への寄与の観点から、好ましくは１ｍｍ以下、より好ましくは０．８ｍｍ以下、さらに好ましくは０．５ｍｍ以下である。当該間隙距離は短いほど好ましく、その下限値は通常、０．１ｍｍまたは０．２ｍｍである。この間隙距離は、樹脂部材１２が凸状部１２２を有し、かつ金属部材１１が凸状部１１２を有さない場合における「潰れ残り高さ」のことである。
【実施例】
【００９１】
［実施例１］
（樹脂部材）
炭素繊維を４０重量％含むポリプロピレンペレット（ＰＰ−ＣＦ４０−１１；ダイセルポリマー社製）を用いて射出成形法により、図４Ａに示すような、波形隆起形状を有する凸状部１２２を備えた樹脂部材１２を製造した。凸状部１２２は射出成形法で使用される金型の成形面を転写させることにより形成した。樹脂部材１２における凸状部１２２の形成面１２０の全面に接着剤（エポキシ系樹脂；ＢＦ９０５０Ｌ；ダウ・ケミカル社製）を、接合後の接着層３の厚みが０．２ｍｍとなるように、塗布量１００ｍｇ／ｍ２にて塗布した。
樹脂部材１２の寸法は以下の通りであった（図４Ａ参照）：
全体寸法；縦１００ｍｍ×横６０ｍｍ
凸状部最大幅Ｗ１＝１０ｍｍ；
凸状部高さＨ＝２ｍｍ；
ｔ＝３ｍｍ。
【００９２】
（金属部材）
金属部材１１としては、６０００系のアルミニウム合金製の平板状部材を用いた。
金属部材１１の寸法は以下の通りであった：
全体寸法；縦１００ｍｍ×横６０ｍｍ×厚み（Ｔ）１．２ｍｍ
【００９３】
（回転ツール）
回転ツールとしては、図５の各部の寸法がＤ１＝１０ｍｍ、Ｄ２＝２ｍｍ、ｈ＝０．２５ｍｍの工具鋼製のものを用いた。
【００９４】
（接合方法）
以下の方法により、金属部材１１と樹脂部材１２との接合体を製造した。
第１ステップ：
金属部材１１と樹脂部材１２とを図１および図２Ａに示すように重ね合わせた。
【００９５】
第２ステップ：
金属部材１１上における回転ツール１６の押圧領域Ｐ（図１参照）の直下に対応する樹脂部材１２表面上の領域Ｐ’（図４Ａ参照）の中心が凸状部１２２の中心に位置するように、回転ツール１６を金属部材１１に押し込んだ。
詳しくは、図２Ａに示すように、回転ツール１６のピン部１６ａのみを金属部材１１に押し込み、かつ回転ツール１６のショルダー面１６ｂを金属部材１１の表面部に接触させた状態で回転ツール１６を回転させた（予熱工程Ｃ１：加圧力９００Ｎ、加圧時間１．００秒、ツール回転数３０００ｒ）。
次いで、図２Ｂおよび図２Ｃに示すように、回転ツール１６を金属部材１１にさらに押し込んで金属部材１１と樹脂部材１２との接合境界面に達しない深さまで進入させた（押込み撹拌工程Ｃ２：加圧力１５００Ｎ、加圧時間０．２５秒、ツール回転数３０００ｒｐｍ）。
次いで、図２Ｃに示すように、回転ツール１６を接合境界面に達しない深さまで進入させた位置で、回転ツール１６の回転動作を継続させた（撹拌維持工程Ｃ３：加圧力５００Ｎ、加圧時間５．７５秒、ツール回転数３０００ｒｐｍ）。
次いで、金属部材１１から回転ツール１６を抜き取り、放置冷却した。
【００９６】
（接合強度）
ＪＩＳ  Ｚ  ３１３６に規定されている方法により、金属部材と樹脂部材とが接合された接合体を図１の矢印Ｙ，Ｙに示す方向に引っ張り、せん断引張試験を行った。せん断強度Ｓに基づいて評価した。
◎；５．０ｋＮ≦Ｓ（優）；
○；２．０ｋＮ≦Ｓ＜５．０ｋＮ（良）；
△；１．０ｋＮ≦Ｓ＜２．０ｋＮ（実用上問題なし）；
×；Ｓ＜１．０ｋＮ（実用上問題あり）。
【００９７】
［実施例２〜１１および比較例１］
樹脂部材において、凸状部の形状および寸法を表に示すように変更したこと以外、実施例１と同様の方法により、金属部材と樹脂部材との接合および評価を行った。
比較例１で使用された樹脂部材は凸状部を有さない。
【００９８】
【表１】
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【産業上の利用可能性】
【００９９】
本発明に係る接合方法は、自動車、鉄道車両、航空機、家電製品等の分野における金属部材と樹脂部材との接合に有用である。
【符号の説明】
【０１００】
１：摩擦撹拌接合装置
３：接着剤（接着層）
１０：ワーク
１１：金属部材
１２：樹脂部材
１１１：金属部材本体部
１１２：金属部材凸状部
１２１：樹脂部材本体部
１２２：樹脂部材凸状部
１６：回転ツール
１７：受け具
２０：接合体
１２０：樹脂部材における金属部材との接合側の表面
Ｐ：金属部材表面における回転ツールによる押圧領域（押圧予定領域）
Ｐ’：押圧領域Ｐの直下に対応する樹脂部材表面の領域
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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