(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に三次元網目構造の多孔質領域を部分的に有するセラミック部材と、突起部を有する樹脂部材とを備え、上記多孔質領域と上記突起部とを接合してなる接合領域を有する樹脂−セラミック接合体であって、上記接合領域は、上記突起部を形成する樹脂の一部を上記セラミック部材の多孔質領域中に含浸して形成されていることを特徴とする樹脂−セラミック接合体。
【請求項２】
上記接合領域における気孔及び該気孔中に含浸した樹脂の占める割合は、上記接合領域の気孔に対して１５〜４０体積％であることを特徴とする請求項１に記載の樹脂−セラミック接合体。
【請求項３】
上記セラミック部材の多孔質領域は、気孔率が５〜３０％であることを特徴とする請求項１または２に記載の樹脂−セラミック接合体。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかに記載の樹脂−セラミック接合体の製造方法であって、上記突起部を上記多孔質領域に対して超音波溶着することによって、上記セラミック部材と上記樹脂部材とを接合したことを特徴とする樹脂−セラミック接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック部材と樹脂部材の接合体に関するもので、特に、接合領域が部分的に多孔質なセラミック部材を用い、該多孔質領域に樹脂を含浸させることにより、高精度な寸法精度を求められる樹脂−セラミック接合体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、セラミック部材と樹脂部材を組み付ける方法として、セラミック部材を樹脂モールドして一体化する技術が知られている。例えば、セラミック部材の外周面に樹脂成形材料からなる樹脂部が接合された樹脂成形品が知られている。そして、セラミック部材の樹脂部材と接触する箇所に複数箇所の欠け、チッピングによる凹部を設け、樹脂部材のフィラー平均粒径以上の気孔を備える緻密層をセラミック部材の外周面の表層部に設けることで、セラミック部材の接合面に樹脂部材が回り込むアンカー効果が生まれ、接合強度が改善されるころが提案されていた（特許文献１）。
【０００３】
また、樹脂モールド以外の方法として、熱可塑性の樹脂部材を用いて、セラミック部材と樹脂部材の接触面に超音波振動により溶着することで接合することにより、セラミック部材からなる絶縁プレートと熱可塑性樹脂のプレートを超音波振動によって溶着した温度ヒューズが示されていた（特許文献２）。
【０００４】
そして、超音波振動による溶着において多孔質の部材を用いる技術としては、ウレタンフォームなどの熱可塑性の多孔性芯材と熱可塑性接着シートを挟んで布製生地と重ね合わせて超音波溶着した装飾用ボタンが提案されていた（特許文献３）。
【０００５】
更には、三次元網目状の開放気孔を有する多孔質セラミックの開放気孔中に樹脂を充填させたセラミック複合体を用いた電子回路用多層基盤が提案されていた。この電子回路用多層基板を構成するセラミック複合体は、結晶構造が三次元網目状であって、その開放気孔中に樹脂が充填されていることにより、気体不透過性を保ちながら、機械加工性を良好にする技術が知られていた（特許文献４）。
【特許文献１】特開２００２−３０９０３１号公報
【特許文献２】特開２００２−２３７２４０号公報
【特許文献３】特開平８−１０００９号公報
【特許文献４】特公平６−３４４３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示されているような樹脂モールドによる方法では、セラミック部材を樹脂モールド成形する際に、金型内部に射出する樹脂の成形圧力により、セラミック部材が破損する問題があった。そのため樹脂モールド時に成形圧力を通常よりも低く設定して成形する必要があり、樹脂成形品の寸法精度が劣ることが多かった。
【０００７】
また、金型内部に射出する樹脂は、一般に２００〜２５０℃に加熱された状態にあるので、セラミック部材が射出された樹脂と接触することにより急加熱されて、ヒートショックによる破損する問題があった。
【０００８】
そして、インサートするセラミック部材と樹脂モールド金型のクリアランスが大きいと、セラミック部材が金型内部で動くので、位置決めにバラツキが生じる問題があった。逆にクリアランスを小さくするためには、セラミック部材を高精度に加工する必要があった。セラミック部材は難加工材料であるため、高精度な寸法精度とするためにコストが高くなっていた。
【０００９】
また、特許文献２に開示されているような、熱可塑性の樹脂部材を用いて、セラミック部材と樹脂部材の接触面に超音波振動により溶着することで接合する方法では、接触面の接合強度が小さい課題があった。
【００１０】
接触面に接合強度を高める方法としては、特許文献１に開示されているように、セラミック部材の樹脂部材と接触する箇所に複数箇所の欠け、チッピングによる凹部を設けたり、樹脂部材のフィラー平均粒径以上の気孔を備える緻密層をセラミック部材の外周面の表層部に設けることで、セラミック部材の接合面に樹脂部材が回り込むアンカー効果をねらうことが提案されているが、上述のように、セラミック部材を樹脂モールドする場合には、射出成形圧力を低く設定する必要があり、表面層のみに気孔を設けても、上述のアンカー効果を十分に生むことが困難であった。
【００１１】
また、特許文献３に開示されている超音波振動による溶着は、ウレタンフォームのような軟質の多孔質部材を利用するもので、セラミック部材に関するものではなかった。
【００１２】
そして、特許文献４に開示されている三次元網目状の開放気孔を有する多孔質セラミックの開放気孔中に樹脂を充填させたセラミック複合体は、製品の機械加工性を良くしながら、気体不透過性を維持するために開放気孔に樹脂を充填したものであり、充填された樹脂は他部品との接合を目的にするものではないため、接合強度が十分ではないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は上記課題に鑑み、表面に三次元網目構造の多孔質領域を部分的に有するセラミック部材と、突起部を有する樹脂部材とを備え、上記多孔質領域と上記突起部とを接合してなる接合領域を有する樹脂−セラミック接合体であって、上記接合領域は、上記突起部を形成する樹脂の一部を上記セラミック部材の多孔質領域中に含浸して形成されていることを特徴とする。
【００１４】
また、上記接合領域における気孔及び該気孔中に含浸した樹脂の占める割合は、上記接合領域に対して１５〜４０体積％であることを特徴とする樹脂−セラミック接合体としたものである。
【００１５】
さらに、上記セラミック部材の多孔質領域は、気孔率が５〜３０％であることを特徴とする。
【００１６】
そして、上述の樹脂−セラミック接合体の製造方法であって、上記突起部を上記多孔質領域に対して超音波溶着することによって、上記セラミック部材と上記樹脂部材とを接合したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、上記多孔質領域と上記突起部との接合領域は、上記突起部を形成する樹脂の一部を上記多孔質領域中に含浸して形成されていることにより、接合強度の強い樹脂−セラミック接合体を得ることができる。
【００１８】
また、上記接合領域における気孔及び該気孔中に含浸した樹脂の占める割合を、上記接合領域に対して１５〜４０体積％とすることで、更に接合強度の高い樹脂−セラミック接合体を得ることができる。
【００１９】
さらに、上記セラミック部材の多孔質領域は、気孔率が５〜３０％であることから、樹脂部材の樹脂が多孔質領域の気孔に含浸して接合強度が高くでき、多孔質領域自体の材料強度も高いものとして保持することができる。
【００２０】
そして、部材に対して高強度や高硬度等が要求される部分のみをセラミック部材とすることにより、全体をセラミック部材から形成する場合に比し、製造コストが安く、経済的にも有利である。
【００２１】
更に、予め樹脂部材に突起部を設け、該突起部をセラミック部材の多孔質領域に対して超音波溶着させることで、位置決め精度に優れた樹脂−セラミック接合体を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施するための最良の形態について説明する。
【００２３】
図１は本発明の樹脂−セラミック接合体１を示す斜視図であり、図２は図１の分解斜視図である。そして、図３は、図１のＸ−Ｘ線断面を模式的に示した断面図であり、図４はその接合領域を拡大した断面図である。
【００２４】
本発明は、図１、２に示すように、セラミック部材２と樹脂部材６とを接合してなる接合領域３を有する接合体１であり、接合領域３に三次元網目構造の多孔質領域４を部分的に有するセラミック部材２と、該セラミック部材２の多孔質領域４の一部に、樹脂部材６を成す樹脂を含浸させることにより接合体１としたものである。
【００２５】
接合領域３の様子を図４に示す断面図を用いて説明すると、セラミック部材２の接合領域３には部分的に三次元網目構造の多孔質領域４が備えられており、多孔質領域４に樹脂部材６の一部の樹脂が含浸することにより接合したものである。
【００２６】
ここで、セラミック部材２の接合領域３に備えられた三次元網目構造を成す多孔質領域４とは、図５に模式図を示すように、表面では独立した開気孔１０を備え、この開気孔１０が内部では互いに連通している部分を有するものである。
【００２７】
なお、多孔質領域４の状態は、水銀圧入法を測定原理とする、ｍｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓ社製（ポアサイザー―９３１０型）を用いて測定し、平均気孔径と気孔率を求めることができる。
【００２８】
また、接合領域３とは、図３、４に示すようにセラミック部材２の多孔質領域と突起部９とが接する面の断面において、セラミック部材２の表面から深さ方向に見て樹脂部材６の樹脂が含浸した領域を示すものである。
【００２９】
また、接合領域３における気孔及び該気孔中に含浸した樹脂の占める割合（占有割合）の測定は、予めセラミック部材２の多孔質領域４より測定用試料を作製して多孔質の全細穴容量（Ｌ１）を測定し、多孔質領域４に樹脂部材２を含浸せしめた後の接合体１の接合領域３より測定用試料を製作して測定した全細穴容量（Ｌ２）の比率から計算して求める。
【００３０】
これを接合領域３における気孔及び該気孔中に含浸した樹脂の占める割合（占有割合）は、（Ｌ１−Ｌ２）／Ｌ１の計算式で求めたものである。
【００３１】
多孔質領域４の開気孔１０に樹脂部材６の一部が含浸することにより、樹脂部材が三次元網目構造で連通する開気孔１０の内部に回り込むアンカー効果が生まれ、接合領域３を形成している。該接合領域３における気孔及び該気孔中に含浸した樹脂の占める割合（占有割合）は、上記接合領域３に対して１５〜４０体積％とすることが好ましい。接合領域３における樹脂が占める割合を１５体積％以上にすることで、上述した含浸された樹脂部材６の回り込みによるアンカー効果が十分となり、接合体１の接合強度を高めることができると同時に、接合領域３自体の材料強度を高めることになる。但し、接合領域３における樹脂の占める割合が４０体積％以上を超える場合、樹脂部材２を多孔質領域３へ含浸させる際の含浸負荷により多孔質領域３の３次元網目構造を破壊するので、樹脂部材６の回り込みによるアンカー効果が減少し、接合体１の接合強度を高めることができない。
【００３２】
また、セラミック部材２の多孔質領域４の多孔質の状態は、気孔率が５〜３０％の範囲であることが好ましい。気孔率が５％未満であると樹脂部材６が多孔質領域４へ含浸しないため接合が不十分であり、気孔率が３０％を超えると多孔質領域４自体の材料強度が低下して含浸した樹脂部材６を保持することが困難となり、接合強度が低下する。
【００３３】
また、三次元網目構造である多孔質領域４の平均気孔径は３〜１０μｍであることが好ましい。気孔率の場合と同様に、多孔質領域４の三次元網目構造の平均気孔径が３μｍ未満であると樹脂部材６が多孔質領域４へ含浸しないため接合が不十分であり、多孔質領域４の平均気孔径が１０μｍを超えると多孔質領域４自体の材料強度が低下して含浸した樹脂部材６を保持することが困難となり、接合強度が低下する。
【００３４】
更に、このような三次元網目構造を持つ多孔質領域４は、接合面の接合領域のみに形成することで、接合領域３の樹脂部材の変形を抑えることができる。つまり、セラミック部材２と樹脂部材６には熱膨張率の差があるので、接合面全体を接合すると接合体１が温度差による熱膨張の影響を受けやすくなる。また、セラミック部材２の製造コストを抑えるためには、セラミック部材２の接合面を焼き放ちで研削加工しない仕様とすべきであるが、焼き放ちの状態では接合面にうねりがあるので、接合面全面を樹脂部材６と接合すると樹脂部材に歪みが生じる不都合がある。
【００３５】
このようなセラミック部材２としては、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミに代表されるような、高剛性のセラミックを用いると良い。
【００３６】
表面に三次元網目構造の多孔質領域を部分的に有するセラミック部材２とするためには、セラミック部材の製造工程において、焼成前の成形体の生密度を所定の値よりも低い状態に成形して、焼成すれば良い。特に、セラミック部材２の接合領域３を部分的に生密度の低い状態として成形し、焼成することで、セラミック部材２の一部分のみを３次元網目構造を有する多孔質領域４とすることが可能になる。具体的には、セラミック粉体を成形する金型の一部に凹部を設け、セラミック粉体を成形するときの圧縮比に差をつけることで、焼成前の成形体の生密度を制御することが可能になる。
【００３７】
また、樹脂部材６としては、ＡＢＳ、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリアセタール、ＰＥＴ、ＰＰＳ、などの熱可塑性樹脂を用いる。樹脂部材の剛性を上げるために、ガラスファイバーにて強化したタイプの樹脂を用いても良い。
【００３８】
多孔質領域４に樹脂部材６を含浸させて接合体１を得る方法としては、超音波溶着による方法が特に好ましい。そして、樹脂部材６の接合面７に予め突起部９を設け、上記セラミック部材２の多孔質領域４と該突起部９が接するように組み合わせた後、該突起部９を超音波溶着させることで、上記多孔質領域４に樹脂を含浸させて樹脂−セラミック接合体を得ることができる。
【００３９】
樹脂部材６に設けた突起部９は、超音波振動により溶解し、接触するセラミック部材２に含浸させるためのものであり、その突起部９の断面は三角形もしくは台形が好ましく、そのサイズは底辺幅１ｍｍ以下で高さ０．２ｍｍ〜０．５ｍｍとすることで、溶解した突起部９がセラミック部材２の多孔質領域４に均一に広がり、含浸することが可能になる。
【００４０】
そして、良好な超音波溶着を行うためには、加圧する圧力は０．１〜０．４ＭＰａ、超音波振動の周波数は１０ｋ〜３０ｋＨｚ、溶着時間は０．１〜１秒に設定すると良い。
【００４１】
特に、セラミック部材２の超音波伝達力は高いため、加圧する圧力が高い場合や、溶着時間が長い時には、超音波振動により突起部９が過度に溶解するので、接合が不完全になる。
【実施例】
【００４２】
以下に本発明の実施例を説明する。
【００４３】
図１に示す樹脂―セラミック接合体の各資料を表１に示す仕様条件で製作した。
【００４４】
接合体のサイズは、外径φ２０ｍｍ、セラミック部材の厚み３０ｍｍ、樹脂部材の厚み３０ｍｍ、全体厚み６０ｍｍ、樹脂部材の突起部の接合面に円状に形成し、その中心径φ１７ｍｍに１カ所とした。
【００４５】
接合は超音波用着機を用い、超音波加圧の条件を、加圧する圧力が０．２ＭＰａ、超音波振動の周波数が１５ｋＨｚ、溶着時間が０．５秒の設定で接合体の試料を製作した（実施例  Ｎｏ．２〜Ｎｏ．９）。
【００４６】
また、比較例として、セラミック部材に部分的な三次元網目構造の多孔質を形成しないで、全てを緻密質にて製作した試料を実施例と同様に製作した。
【００４７】
この接合体の同軸度および引張破壊荷重を測定した。
【００４８】
接合体の同軸度は、セラミック部材の外径を基準として接合体を回転させたときの、樹脂部材の振れ具合を測定して求めた。
【００４９】
引張破壊荷重は、得られた接合体を接合時の加圧面と反対方向に引っ張った際に接合面が剥離する荷重を測定した。
【００５０】
その結果を表１に示す。
【表１】
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【００５１】
本発明のセラミック部材と樹脂部材の接合体は、比較例に比べ引張破壊荷重強度が５０Ｎ以上あり、高い接合強度があることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に係る樹脂−セラミック接合体を示す斜視図である。
【図２】本発明に係る樹脂−セラミック接合体を接合する前の状態を示す斜視図である。
【図３】図１の樹脂−セラミック接合体におけるＸ−Ｘ線断面図である。
【図４】本発明に係る樹脂−セラミック接合体における接合領域を示す断面図である。
【図５】本発明に係る樹脂−セラミック接合体における接合領域の三次元網目構造を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５３】
１…接合体
２…セラミック部材
３…接合領域
４…多孔質領域
５…加圧面
６…樹脂部材
７…接合面
８…樹脂部材の加圧面
９…突起部
１０…開気孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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