(57)【要約】【課題】製造工程において簡単な構成を追加するだけで樹脂と金属部材との接合強度を高めることが可能な技術を提供する。【解決手段】本明細書が開示する樹脂と金属部材との複合成形体の製造方法は、金属部材のうち樹脂が配置される面に液体を張って当該液体を通してパルスレーザを照射する工程と、面に樹脂を接合する工程とを備える。この複合成形体の製造方法によれば、製造工程において簡単な構成（レーザを照射する際に金属表面に液体を張ること）を追加することによって、樹脂と金属部材との接合強度を高めることができる。【選択図】図２
2019031054.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂と金属部材との複合成形体の製造方法であって、
前記金属部材のうち、前記樹脂が配置される面に液体を張って当該液体を通してパルスレーザを照射する工程と、
前記面に前記樹脂を接合する工程と、
を備える、加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、樹脂と金属部材との複合成形体の製造に関する技術を開示する。
【背景技術】
【０００２】
樹脂と金属部材との複合成形体は、例えば、車両用の冷却器等の種々の用途で使用されている。特許文献１および２には、樹脂と金属部材との複合成形体の製造に関する技術が記載されている。特許文献１では、樹脂の接合面となる金属部材の表面に、レーザ光等の高密度エネルギーを照射する。特許文献２では、樹脂の接合面となる金属部材の表面に、短パルス光を照射する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−７１３１２号公報
【特許文献２】特開２０１５−７１２５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、このような複合成形体においては、樹脂と金属部材との接合面におけるせん断強度、引張強度、シール性能を向上させるために、樹脂と金属部材との接合強度を高めることが好ましい。そこで、本明細書は、製造工程において簡単な構成を追加するだけで樹脂と金属部材との接合強度を高めることが可能な技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する樹脂と金属部材との複合成形体の製造方法は、金属部材のうち樹脂が配置される面に液体を張って当該液体を通してパルスレーザを照射する工程と、面に樹脂を接合する工程とを備える。
【０００６】
この形態の複合成形体の製造方法によれば、金属部材のうち、樹脂が配置される面に液体を張って当該液体を通してパルスレーザを照射する。この液体によって、パルスレーザ照射後に金属部材の表面が急冷されるため、金属部材の表面にナノ構造を形成することができる。また、液体を通してパルスレーザが照射されることによって、金属部材の表面に液体からの衝撃波が当たるため、金属部材の表面に多孔質構造（ポーラス構造）を形成することができる。これらの結果、本形態の複合成形体の製造方法によれば、製造工程において簡単な構成（レーザを照射する際に金属表面に液体を張ること）を追加することによって、樹脂と金属部材との接合強度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】複合成形体の概略構成を示す断面図である。
【図２】複合成形体の製造方法を示すフローチャートである。
【図３】ステップＳ１０について説明する図である。
【図４】ステップＳ１２について説明する図である。
【図５】ステップＳ１２について説明する図である。
【図６】複合成形体の物性評価の結果を表す表である。
【図７】試験用の金属部材と、パルスレーザの粗化範囲について説明する図である。
【図８】試験用の金属部材と、パルスレーザの粗化範囲について説明する図である。
【図９】サンプル＃２の冷却について説明する図である。
【図１０】サンプル＃２の冷却について説明する図である。
【図１１】試験用の樹脂部材について説明する図である。
【図１２】接合強度評価について説明する図である。
【図１３】シール性能評価について説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（複合成形体の構成）図１は、一例の複合成形体１の概略構成を示す断面図である。複合成形体１は、金属部材１０と、樹脂部材２０とが接合された材料である。複合成形体１は、車両用部品、車両搭載用品、電子機器、家電機器等の種々の用途で使用される。例えば、複合成形体１は、電気自動車のインバータにおいて、冷却フィン（金属部材）と、モールド樹脂（樹脂部材）との接合体等のシール性能（封止性能）が必要な部分に使用される。図１は、金属部材１０の樹脂部材２０が接合される面１１の微細構造を模式的に表している。
【０００９】
金属部材１０は、第１の面１１と第２の面１２を有する板状である。金属部材１０は、アルミニウム（Ａｌ）により形成されている。なお、金属部材１０は、パルスレーザにより粗面を形成可能な限りにおいて任意の材料を用いてよい。
【００１０】
樹脂部材２０は、金属部材１０の一方の面に配置された板状の部材である。樹脂部材２０は、金属部材１０の第１の面１１に接合されている。樹脂部材２０は、エポキシ樹脂を材料とする部材である。なお、樹脂部材２０は、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂の分類に属する高分子材料、エラストマー等、樹脂のあらゆる異種材料の組み合わせを任意に採用できる。
【００１１】
金属部材１０のうち、樹脂部材２０が配置される第１の面１１には、ナノ構造体１１Ｎと、多孔質層１１Ｐとが形成されている。ナノ構造体１１Ｎは、金属部材１０の第１の面１１が隆起して形成された複数の隆起部１０１を含む。各隆起部１０１は、第１の面１１からの高さがナノメートルレベルの微細な隆起である。多孔質層１１Ｐは、金属部材１０の第１の面１１の側に形成された複数の細孔１０２を含む。各細孔１０２は、直径がナノメートルレベルの微細な穴である。
【００１２】
図１に示すように、金属部材１０の各隆起部１０１の隙間、および、金属部材１０の各細孔１０２の内部には、樹脂部材２０が入り込んでいる。このため、本実施例の複合成形体１は、樹脂部材２０と金属部材１０との接合強度が高い。その詳細は後述する。
【００１３】
（複合成形体の製造方法）図２は、複合成形体１の製造方法を示すフローチャートである。図３は、ステップＳ１０の処理について説明する図である。図４および図５は、ステップＳ１２の処理について説明する図である。
【００１４】
図２のステップＳ１０では、金属部材１０を準備し、金属部材１０のうち、樹脂部材２０が配置される第１の面１１（樹脂配置面）に液体を張る。具体的には、図３に示すように、金属部材１０の第１の面１１を鉛直方向の上側に向け、その上にカバーガラス３０を裁置し、第１の面１１とカバーガラス３０との間を液体４０で満たす。なお、図３−図５は、理解を助けるため、金属部材１１の面１１に生じる現象を模式的に表している。金属部材１０の第１の面１１とカバーガラス３０の間隔は例えば１［ｍｍ］であり、液体の表面張力により、液体はカバーガラス３０の縁から漏れることなく、カバーガラス３０と金属部材１１の間に留まることができる。
【００１５】
本実施例では液体４０として水を用いるが、パルスレーザを透過可能な他の液体（油類、溶融塩等）を利用してもよい。なお、カバーガラス３０に代えてパルスレーザを透過可能な他の部材を利用してもよく、液体４０が漏れないように金属部材１０の縁を囲うことでカバーガラス３０を省略してもよい。
【００１６】
図２のステップＳ１２では、液体４０を通して金属部材１０にパルスレーザを照射する。具体的には、図４に示すように、カバーガラス３０の上側から、液体４０を通して金属部材１０へとパルスレーザＰＬを照射する。
【００１７】
パルスレーザＰＬの照射によって、金属部材１０の第１の面１１には、短時間に高エネルギーが入力される。この高エネルギーによって、第１の面１１近傍の金属が局所的に激しく溶融し、隆起部１０１と金属飛沫１０３とが生じる。ここで、上述の通り第１の面１１には液体４０が張られている。この液体４０によって、溶融した金属が急冷され、隆起部１０１と金属飛沫１０３とは、溶融時の形状を維持したまま固化する。
【００１８】
また、パルスレーザＰＬは、液体４０を通して照射される。このため、金属部材１０の第１の面１１には、パルスレーザＰＬの高エネルギーが液体４０を通過することで生じた、液体４０からの衝撃波ＳＷがぶつかる。この衝撃波ＳＷによって、パルスレーザＰＬの高エネルギーにより溶融または軟化した金属が多孔質化し、細孔１０２（図１参照）が形成される。
【００１９】
このように、ステップＳ１２（液体４０を通したパルスレーザＰＬの照射）によって、図５に示すように、金属部材１０の第１の面１１に対して、ナノ構造体１１Ｎと、多孔質層１１Ｐとを形成することができる。
【００２０】
図２のステップＳ１４では、ナノ構造体１１Ｎと、多孔質層１１Ｐとが形成された第１の面１１（樹脂配置面）に対して、樹脂部材２０を接合する。具体的には、平板状の樹脂部材２０を準備し、予熱された金属部材１０の第１の面１１に対して樹脂部材２０を裁置し、所定の成形圧を掛けて所定時間保持する。圧力および時間は任意に決定できる。その後、金属部材１０と樹脂部材２０とを恒温槽にて所定温度で所定時間加熱することで、金属部材１０と樹脂部材２０とを接合する。温度および時間は任意に決定できる。なお、樹脂部材２０の接合方法は種々の方法を採用でき、例えば、金属部材１０に対して樹脂部材２０が射出成形されてもよい。
【００２１】
（複合成形体の物性評価：サンプルの作成）図６は、一例の複合成形体１の物性評価の結果を表す表である。図６では、異なる製造方法によって作成された３つの複合成形体１のサンプル＃１〜＃３について、金属部材１０と樹脂部材２０との接合強度と、シール性能とについて評価した。サンプル＃１は、本実施例で説明した製造方法によるサンプルである。サンプル＃２と＃３は比較例である。接合強度は、金属部材１０と樹脂部材２０の接合面におけるせん断強度と、金属部材１０と樹脂部材２０の接合面における引張強度とを評価した。
【００２２】
図７および図８は、試験用の金属部材１０ｔと、パルスレーザＰＬの粗化範囲１１Ａについて説明する図である。各サンプル＃１〜＃３では、試験用の金属部材として、中央に第１の面１１と第２の面１２とを貫通する円形の孔ＨＯが形成された平板状のアルミ基板１０ｔを用いた。アルミ基板１０ｔの幅Ｗは５０ｍｍ、奥行きＤは５０ｍｍ、高さＨは３ｍｍとした（図７）。また、孔ＨＯの直径Ｌ１は８ｍｍとし、孔ＨＯの周囲の直径Ｌ２（１８ｍｍ）の範囲をパルスレーザＰＬの粗化範囲１１Ａとした（図８）。
【００２３】
各サンプル＃１〜＃３では、アルミ基板１０ｔの第１の面１１の粗化範囲１１Ａに対して、図８のように同心円状にパルスレーザＰＬを照射した。使用設備は、パナソニック社製ＳＵＮＸ ＬＰ−ＭＡ０５を使用した。粗化条件は、定格出力を８０Ｗとし、パルス幅を１５０ｎｍとし、エネルギー密度を２６．７Ｊ／ｃｍ２とした。この際、サンプル＃１では、図２のステップＳ１０，Ｓ１２で説明したように、液体４０を通してパルスレーザＰＬを照射した。液体４０は水である。一方、サンプル＃２および＃３では、液体４０を通さずにパルスレーザＰＬを照射した。
【００２４】
サンプル＃１では、液体４０を通してパルスレーザＰＬを照射したため、図２のステップＳ１２で説明したように、アルミ基板１０ｔの粗化範囲１１Ａには、隆起部１０１からなるナノ構造体１１Ｎと、細孔１０２を含んだ多孔質層１１Ｐとが形成される。
【００２５】
図９および図１０は、サンプル＃２の冷却について説明する図である。サンプル＃２では、パルスレーザＰＬ照射中に、エアノズル２を用いた空冷を実施した。空冷は、エアノズル２の空気排出口２１とアルミ基板１０ｔとの間の距離Ｌ３を１５ｍｍとし、エアノズル２の軸線Ｏとアルミ基板１０ｔとの角度θを４５度とした条件で実施した。
【００２６】
サンプル＃２では、空冷しつつパルスレーザＰＬを照射した。このため、図１０に示すように、アルミ基板１０ｔの第１の面１１（粗化範囲１１Ａ）に生じた隆起部１０１と金属飛沫１０３とが急冷され、隆起部１０１と金属飛沫１０３とが、溶融時の形状を維持したまま固化する。この結果、サンプル＃２においても、サンプル＃１と同様に、隆起部１０１からなるナノ構造体１１Ｎが形成される。一方で、サンプル＃２では衝撃波の媒体となる液体４０が存在しない。このためサンプル＃２には、細孔１０２を含んだ多孔質層１１Ｐは形成されない。
【００２７】
サンプル＃３では、液体４０を通さず、かつ、空冷を行わずにパルスレーザＰＬを照射した。このため、サンプル＃３には、隆起部１０１からなるナノ構造体１１Ｎも、細孔１０２を含んだ多孔質層１１Ｐも形成されない。
【００２８】
図１１は、試験用の樹脂部材２０ｔについて説明する図である。粗化範囲１１Ａを加工した各サンプル＃１〜＃３のアルミ基板１０ｔを、専用金型内に入れて１７５度で３．５分間、予熱した。予熱後の各サンプル＃１〜＃３のアルミ基板１０ｔに対して、それぞれ、粗化範囲１１Ａを覆う円形のエポキシ樹脂２０ｔ（試験用の樹脂部材２０ｔ）を裁置し、７Ｍｐａの成形圧にて２分間保持した。冷却後、専用金型から各サンプル＃１〜＃３を取り出し、恒温槽を用いて１８０度で１時間加熱することで、アルミ基板１０ｔに対してエポキシ樹脂２０ｔを接合した。
【００２９】
（複合成形体の物性評価：評価）図１２は、接合強度の評価方法について説明する図である。図１２では、図１１のＡ−Ａ断面を図示している。まず、上述のように作成した各サンプル＃１〜＃３に対して、せん断強度を測定した。具体的には、アルミ基板１０ｔとエポキシ樹脂２０ｔの接合面ＪＳに平行な方向Ｔ１に対して、接合面ＪＳの界面剥離が生じるか、あるいは、エポキシ樹脂２０ｔが破断するまで５ｍｍ／分の荷重を加え続けることで、アルミ基板１０ｔとエポキシ樹脂２０ｔとの引張強度（Ｍｐａ）を測定した。
【００３０】
せん断強度（引張強度）の測定値と、せん断強度の判定結果を、図６の「強度：せん断強度」に示す。サンプル＃１および＃２は、引張強度３０Ｍｐａ以上となり、接合面ＪＳの界面剥離は生じなかった。このため、サンプル＃１および＃２の判定はＡ判定とした。一方、サンプル＃３は、引張強度５Ｍｐａ以下となり、接合面ＪＳの界面剥離が生じたため、Ｃ判定とした。なお、図６の表における判定結果は、Ａ判定が最も優れ、Ｃ判定が最も劣ることを示す。
【００３１】
次に、各サンプル＃１〜＃３に対して、引張強度を測定した。具体的には、アルミ基板１０ｔの孔ＨＯから荷重部３を挿入して、接合面ＪＳに垂直な方向Ｔ２に対して、接合面ＪＳの界面剥離が生じるか、エポキシ樹脂２０ｔが破断するまで５ｍｍ／分の荷重を加え続けることで、アルミ基板１０ｔとエポキシ樹脂２０ｔとの引張強度（Ｍｐａ）を測定した。
【００３２】
引張強度（接着強さ）の測定値と、引張強度の判定結果を、図６の「強度：引張強度」に示す。サンプル＃１は、引張強度３０Ｍｐａ以上となり、接合面ＪＳの界面剥離は生じなかったため、Ａ判定とした。一方、サンプル＃２は、引張強度１０Ｍｐａとなり、接合面ＪＳの界面剥離が生じたため、Ｂ判定とした。サンプル＃３は、引張強度５Ｍｐａ以下となり、接合面ＪＳの界面剥離が生じたため、Ｃ判定とした。
【００３３】
図１３は、シール性能評価について説明する図である。図１３では、図１１のＡ−Ａ断面を図示している。各サンプル＃１〜＃３に対して、シール性能を測定した。具体的には、アルミ基板１０ｔに対して図示のようにＯリング４を装着した上で、アルミ基板１０ｔの孔ＨＯからヘリウム（Ｈｅ）ガスを充填する。Ｈｅリークレート５．０×１０−５Ｐａ・ｍ３／ｓを規格値として、接合面ＪＳから漏出したＨｅリーク量を測定した。
【００３４】
Ｈｅリーク量の測定値と、シール性能の判定結果を、図６の「シール性能」に示す。サンプル＃１は、Ｈｅリーク量が１．１０Ｅ−０９となり、非常に漏れが少なく、Ａ判定とした。サンプル＃２は、Ｈｅリーク量が１．６８Ｅ−０８となり、漏れが少なく、Ａ判定とした。サンプル＃３は、Ｈｅリーク量が１．０６Ｅ−０４となり、Ｃ判定とした。
【００３５】
このように、図２で説明した製造方法に沿って作成された本発明のサンプル＃１は、せん断強度、引張強度、シール性能の全てにおいてＡ判定を得ることができた。これは、アルミ基板１０ｔ（金属部材１０）に形成された、ナノ構造体１１Ｎの隆起部１０１の隙間と、多孔質層１１Ｐの細孔１０２の内部と、の両方に対して、エポキシ樹脂２０ｔ（樹脂部材２０）が入り込むことで、アルミ基板１０ｔとエポキシ樹脂２０ｔとが強固に接合しているためである。
【００３６】
一方、空冷により作成された比較例としてのサンプル＃２は、せん断強度とシール性能はＡ判定であったものの、引張強度がＢ判定であった。これは、アルミ基板１０ｔに形成されたナノ構造体１１Ｎにより、アルミ基板１０ｔとエポキシ樹脂２０ｔとのシール面積が増加するものの、アルミ基板１０ｔに多孔質層１１Ｐが無いことから、接合面ＪＳに垂直な方向Ｔ２（図１２）における十分な接合強度が得られなかったことに起因する。
【００３７】
また、水冷および空冷を行わなかった比較例としてのサンプル＃３は、せん断強度、引張強度、シール性能のいずれもＣ判定であった。これは、アルミ基板１０ｔにナノ構造体１１Ｎと多孔質層１１Ｐとのいずれもが形成されないため、アルミ基板１０ｔとエポキシ樹脂２０ｔとの十分な接合強度が得られなかったことに起因する。
【００３８】
以上の通り、図６に示す複合成形体１（サンプル＃１〜＃３）の物性評価の結果からも明らかなように、図２で説明した製造方法に沿って作成された本発明の複合成形体１（サンプル＃１）では、金属部材１０に形成されたナノ構造体１１Ｎにより、各隆起部１０１の隙間に樹脂部材２０が入り込むことによって、優れたせん断強度と、シール性能とを得ることができる。また、本発明の複合成形体１（サンプル＃１）では、金属部材１０に形成された多孔質層１１Ｐにより、各細孔１０２の内部に樹脂部材２０が入り込むことによって、優れた引張強度を得ることができる。この結果、図２に示す本発明の複合成形体１の製造方法によれば、簡単な構成（液体４０）を追加することによって、樹脂部材２０と金属部材１０との接合強度を高めることができる。
【００３９】
さらに、本発明の複合成形体１の製造方法によれば、複合成形体１において十分な接合強度を得るために、パルスレーザＰＬを繰り返し照射する必要がないため、処理に要する時間を短縮することができる。また、本発明の複合成形体１の製造方法によれば、設備の導入や維持にコストがかかる短パルスレーザ等を使用しなくても、高い接合強度を持つ複合成形体１を製造することができる。
【００４０】
以上、実施形態を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、上述した実施形態を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面において説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載した組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面において説明した技術は、複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００４１】
１：複合成形
２：エアノズル
３：荷重部
４：Ｏリング
１０：金属部材
１０ｔ：アルミ基板
１１：第１の面
１１Ａ：粗化範囲
１１Ｎ：ナノ構造体
１１Ｐ：多孔質層
１２：第２の面
２０：樹脂部材
２０ｔ：エポキシ樹脂
２１：空気排出口
３０：カバーガラス
４０：液体
１０１：隆起部
１０２：細孔
１０３：金属飛沫
【図１】
2019031054.tif 000003
【図２】
2019031054.tif 000004
【図３】
2019031054.tif 000005
【図４】
2019031054.tif 000006
【図５】
2019031054.tif 000007
【図６】
2019031054.tif 000008
【図７】
2019031054.tif 000009
【図８】
2019031054.tif 000010
【図９】
2019031054.tif 000011
【図１０】
2019031054.tif 000012
【図１１】
2019031054.tif 000013
【図１２】
2019031054.tif 000014
【図１３】
2019031054.tif 000015