(57)【要約】【課題】接着層を介して金属材料に樹脂材料等の異なる材料を貼り付けた場合にこの異なる材料が金属材料から剥離しにくくなる金属材料の表面処理方法及びこの方法を用いたフォースセンサを提供する。【解決手段】金属材料の表面をレーザ光により粗面化させる表面処理方法において、個々のレーザ照射によって円状に形成される各粗面化領域のうち、隣り合う粗面化領域１１０のそれぞれの外輪が近接している金属材料１０の表面処理方法であって、個々のレーザ照射による各粗面化領域の外輪の直径をａとし、個々のレーザ照射による粗面化領域１１０の隣り合う中心ピッチをｄとした時、０．５ａ＜ｄ＜１．５ａになるようにして金属材料１０の表面の所望の部位に粗面接着部１００を形成した金属材料の表面処理方法である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料の表面をレーザ光により粗面化させる表面処理方法において、個々のレーザ照射によって円状に形成される各粗面化領域のうち、隣り合う粗面化領域のそれぞれの外輪が近接している金属材料の表面処理方法であって、
個々のレーザ照射による各粗面化領域の外輪の直径をａとし、個々のレーザ照射による粗面化領域の隣り合う中心ピッチをｄとした時、０．５ａ＜ｄ＜１．５ａになるようにして前記金属材料の表面の所望の部位に粗面接着部を形成したことを特徴とする金属材料の表面処理方法。
【請求項２】
前記各粗面化領域の外輪の直径ａと、前記粗面化領域の隣り合う中心ピッチｄとの関係が、ａ＝ｄになるように前記金属材料の表面の所望の部位に粗面接着部を形成したことを特徴とする請求項１の金属材料の表面処理方法。
【請求項３】
前記１つの粗面化領域の外輪の周囲に４つの粗面化領域の外輪がそれぞれ近接するように前記金属材料の表面の所望の部位に前記粗面接着部を形成したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の金属材料の表面処理方法。
【請求項４】
前記１つの粗面化領域の外輪の周囲に６つの粗面化領域の外輪がそれぞれ近接するように前記金属材料の表面の所望の部位に粗面接着部を形成したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の金属材料の表面処理方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の金属材料の表面処理方法で加工された金属材料からなる起歪体の前記粗面接着部において接着材料を介してひずみゲージを貼り付け固定したことを特徴とするフォースセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属材料の表面を粗面化して樹脂部品等を確実に接着するようにした金属材料の処理方法及びこの方法を用いたフォースセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
金属部品の表面に粗面を形成して、金属部品と樹脂部品との密着性を向上させる従来技術としてサンドブラスト（細かい砂を金属面にぶつけて表面を粗面化させる技術）が知られている。
【０００３】
サンドブラストを行うにあたって、最初に金属面にマスキングテープを貼ると共に、サンドブラストにより前記金属面の所望の部分を活性化（粗面化）させる。次いで、サンドブラストで用いた研磨材や金属くずを除去し、マスキングテープを剥がす。最後に金属面を含む全体を洗浄する。この際、研磨材や金属くずの一部が金属面に残り、樹脂部品等を金属部品に接着した場合に、この研磨材や金属くずの一部が接着層の異物と判断され工程内の歩留まり原因となったり、接着を阻害し接着強度を下げ、最悪の場合、両者が剥離するといった不具合が発生しやすくなる。
【０００４】
一方、このようなサンドブラストを用いない金属材料の表面処理方法として例えば特許文献１及び特許文献２に記載のレーザを用いる技術が知られている。
【０００５】
レーザを用いる技術によると、レーザ照射の精度で活性化させたい部位のみ狙えるため、サンドブラストをレーザ加工に置き換えることでマスキングテープが不要となり、マスキング工程やサンドブラストを行った金属面の洗浄工程を省略できる。また、洗浄工程が不要となることでサンドブラストの研磨材や金属くずの一部が引き起こす樹脂部品と金属部品との接着力低下等の不良モードが生じなくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−１１１８８１号公報
【特許文献２】特許第４０２０９５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の発明は、連続したレーザを照射して線上に形成し、この形成したレーザ照射跡の間隔が２５０μｍ以下にしている。この発明は、レーザで金属部品の表面に粗面を形成して、金属部品と樹脂部品との密着性を向上させる技術である。具体的には、隣り合う粗面の間隔（ハッチング幅）を２５０μｍ以下に調整し、粗面を形成する凹凸の深さを５０μｍ以下に調整する方法である。そして、より好ましいハッチング幅の範囲については同文献の（００２５）に記載されたように１００μｍ以上２５０μｍ以下となっている。また、係る特許文献１に記載の発明におけるレーザ光の照射範囲については、同文献の段落（００３０）に記載されたように円の直径が２００μｍ以下が好ましいとされ、最も好ましいのは６０〜１３０μｍとされている。つまり、本発明では、個々のレーザの照射範囲がかなり広くなっている。
【０００８】
このようなレーザ光の照射範囲が広くかつハッチング幅も大きい状態の粗面部を金属部材の表面に形成することは、樹脂を金型に高圧で充填する射出成型技術を用いて金属部材の粗面部に樹脂部材を固着させる場合に適用されるのが一般的である。したがって、射出成型技術を用いる代わりにこの金属部材に接着剤等の接着層を介して樹脂部材を貼り付ける場合、金属部材表面のレーザ光による未加工の素地領域が広く残っているので、この未加工領域から接着層の剥離が生じてしまい接着力強度を十分に保つことができない。
【０００９】
また、特許文献２に記載の発明は、レーザ加工技術を利用して、金属部材と異種部材を接合する技術であって、異種部材との接合部を有する金属部材において、ある走査方向についてレーザースキャニング加工した後、走査方向と交差する別の走査方向についてレーザースキャニング加工することで上記接合部を形成している。
【００１０】
そして、特許文献２に記載の発明は、射出成型に使用すること前提としている。このような前提条件のもと、レーザで荒らした金属表面を意図的に隆起させて隣同士でブリッジさせることで、樹脂が射出成型時の圧力によってそのブリッジの下まで入り込んで固まり、これによってアンカー効果の役目を持たせている。しかしながら、接着剤等の接着層を介して樹脂部品を金属部品に貼り付けた場合、射出成型時の圧力を利用することができず、図８に示すようにブリッジの下まで接着剤等が入り込まないため、本来アンカー効果を果たすべきブリッジの下やその近傍に空気層ができてしまう。その結果、仮にこの金属部材に接着剤等の接着層を介して樹脂部材を貼り付けたとしても、接着層が金属部材の表面に密着する面積がかなり小さくなり、接着強度を十分に保つことができず樹脂部材が金属部材から剥離しやすくなってしまう。
【００１１】
本発明の目的は、接着層を介して金属材料に樹脂材料等の異なる材料を貼り付けた場合にこの異なる材料が金属材料から剥離しにくくなる金属材料の表面処理方法及びこの方法を用いたフォースセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の金属材料の表面処理方法は、
金属材料の表面をレーザ光により粗面化させる表面処理方法において、個々のレーザ照射によって円状に形成される各粗面化領域のうち、隣り合う粗面化領域のそれぞれの外輪が近接している金属材料の表面処理方法であって、
個々のレーザ照射による各粗面化領域の外輪の直径をａとし、個々のレーザ照射による粗面化領域の隣り合う中心ピッチをｄとした時、０．５ａ＜ｄ＜１．５ａになるようにして前記金属材料の表面の所望の部位に粗面接着部を形成したことを特徴とする金属材料の表面処理方法である。
【００１３】
また、請求項２に係る金属材料の表面処理方法は、請求項１に記載の金属材料の表面処理方法において、
前記各粗面化領域の外輪の直径ａと、前記粗面化領域の隣り合う中心ピッチｄとの関係が、ａ＝ｄになるように前記金属材料の表面の所望の部位に粗面接着部を形成したことを特徴としている。
【００１４】
また、請求項３に係る金属材料の表面処理方法は、請求項１又は請求項２に記載の金属材料の表面処理方法において、
前記１つの粗面化領域の外輪の周囲に４つの粗面化領域の外輪がそれぞれ近接するように前記金属材料の表面の所望の部位に前記粗面接着部を形成したことを特徴としている。
【００１５】
また、請求項４に係る金属材料の表面処理方法は、請求項１又は請求項２に記載の金属材料の表面処理方法において、
前記１つの粗面化領域の外輪の周囲に６つの粗面化領域の外輪がそれぞれ近接するように前記金属材料の表面の所望の部位に粗面接着部を形成したことを特徴としている。
【００１６】
また、請求項５に記載のフォースセンサは、
請求項１乃至請求項４の金属材料の表面処理方法で加工された金属材料からなる起歪体の前記粗面接着部において接着材料を介してひずみゲージを貼り付け固定したことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によると、接着層を介して金属材料に樹脂材料等の異なる材料を貼り付けた場合にこの異なる材料が金属材料から剥離しにくくなる金属材料の表面処理方法及びこの方法を用いたフォースセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る金属材料の表面処理方法を用いたフォースセンサの概略斜視図である。
【図２】図１に示したフォースセンサの金属部分と樹脂部分を離して示す側面図である。
【図３】レーザ照射によって粗面化された隣接する粗面化領域の寸法関係を示す説明図である。
【図４】本発明の実施形態に係る粗面接着部の一部を拡大して示す平面図である。
【図５】本発明の実施例を説明する説明図である。
【図６】本発明の実施例の評価試験結果を説明する説明図である。
【図７】図４とは異なる粗面接着部の一部を拡大して示す平面図である。
【図８】従来のレーザ照射による金属部材と樹脂部材の接着層を介した接着時の不具合を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施形態に係る金属材料の表面処理方法及びこの方法を用いたフォースセンサについて説明する。最初に本実施形態に係るフォースセンサの概略構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る金属材料の表面処理方法を用いたフォースセンサの概略斜視図である。また、図２は、図１に示したフォースセンサの金属部分と樹脂部分を離して示す側面図である。
【００２０】
本実施形態に係るフォースセンサ１は、例えば、直方体形状を有し両側面が貫通されかつ上面の長手方向にそれぞれ間隔を隔てて形成された粗面接着部１０１，１０２（１００）（図２参照）を有する起歪体１０と、起歪体１０の粗面接着部１００に接着されたひずみゲージ２１，２２（２０）等から構成されている。
【００２１】
起歪体１０は金属でできており、測定する荷重に応じてアルミニウム合金や鉄、ステンレス鋼などの金属材料が適宜選択されている。両ひずみゲージ２０はそれぞれポリイミド等の樹脂で形成され、起歪体１０への加重のかかり具合に応じて抵抗値が変化するひずみゲージ素子（図示せず）が内部に備わっている。各ひずみゲージ２１，２２からは起歪体１０に作用する荷重に応じた信号を取り出すための電線２１ｃ，２２ｃが導出している。また、両ひずみゲージ２１，２２の底面には、ひずみゲージ２１，２２をそれぞれ起歪体１０の上面１０ａの所定箇所に貼り付けるための接着剤等でできた接着層２１ａ，２２ａが形成されている（図２参照）。
【００２２】
起歪体１０の上面１０ａには、粗面接着部１０１，１０２（１００）が前記接着層２１ａ，２２ａが貼り付けられる領域に対応する部位に形成されている。なお、本実施形態においては、粗面接着部１００は、従来のサンドブラスト工法に代えて、本実施形態に係る金属材料の表面処理方法によって形成されている。
【００２３】
続いて、上述した粗面接着部１００を形成するための本実施形態に係る金属材料の表面処理方法について説明する。本実施形態に係る金属材料の表面処理方法は、アルミニウム合金や鉄、ステンレス鋼などの金属材料の表面をレーザ光により粗面化させる表面処理方法であり、個々のレーザ照射によって形成される隣り合う円状の粗面化領域（表面加工領域）の外周（外輪）のそれぞれが互いに近接していることを特徴としている。
【００２４】
即ち、本実施形態に係る粗面接着部１０１，１０２は、金属材料（金属部材）である起歪体１０の上面１０ａの予め定められた部位に互いに極めて小さい間隔で、極めて小さい直径を有する円状の粗面化領域１１０を多数密接して形成することで構成されている。
【００２５】
図３は、レーザ照射によって粗面化された隣接する粗面化領域１１０の寸法関係を示す説明図である。なお、図３において上側の２つの円は、隣接する粗面化領域１１０を平面視で示した図であり、左側の円Ｘの粗面化領域１１０を実線及び点線で、右側の円Ｙの粗面化領域１１０を想像線（二点鎖線）で示している。また、左側の円Ｘの粗面化領域１１０に対応するレーザ照射Ｌの焦点Ｌｆとなる中心部を通る直径方向に沿って切断した断面図を左下側に断面ハッチングを省略して示している。
【００２６】
本実施形態の場合の寸法関係は、レーザ照射による粗面化領域１１０の外輪の直径をａとし、レーザ照射による粗面化領域１１０の隣り合う中心ピッチをｄとした時、全ての隣接する円形状の粗面化領域同士の寸法関係がａ＝ｄになるように粗面接着部１００が形成されている。
【００２７】
なお、図３において、ｂは、粗面化領域１１０における最も高さの高い環状部分の直径であり、ｃは、レーザ照射する前の金属表面の高さから見た粗面化領域１１０の最も深くなった谷の部分の深さである。なお、本実施形態では、ａ≒２０μｍ、ｄ≒２０μｍ、ｃ≒５μｍとなっている。
【００２８】
図４は、本実施形態に係る粗面接着部１００の一部を拡大して示す平面図である。本実施形態の場合、１つの円状の粗面化領域１１０の外輪に４つの円状の粗面化領域１１０の外輪が接するように粗面接着部１００が形成されている。そして、４つの円状の粗面化領域１１０で囲まれた小さい面積の部分はレーザ照射によって粗面化（活性化）されることなく、元々の平坦な金属素地のままとなった非粗面化領域１５０となっている。
【実施例】
【００２９】
続いて、本発明の有用性を確認するために評価試験を行ったのでその評価試験の内容及び評価試験結果について説明する。この実施例においては、隣り合うレーザ光照射部のピッチを細かく変化させた粗面接着部を有する試験片を数多く作成し、この粗面接着部に接着剤を介してポリイミド（ＰＩ）からなる樹脂板を接着し、各粗面接着部に対応した樹脂板の剥離力を測定した。なお、粗面接着部の粗面度合いについては、算術平均粗さＲａ（μｍ）を測定し、剥離力についてはピール力（Ｎ）を測定した。
【００３０】
図５は、本実施例において多数評価した試験片のうちから代表的な試験片である３つの粗面接着部を拡大して示した図であり、中央に示した（２）の試験片（１００−２）が上述した実施形態に対応する寸法関係を有するように粗面化領域を配置した試験片である。また、（３）に示す試験片（１００−３）は、隣接する粗面化領域の中心ピッチを上述の実施形態よりも大きくした試験片である。また、（１）に示す（１００−１）は、隣接する粗面化領域の各中心ピッチを上述の実施形態よりも小さくした試験片である。この場合、隣接する各粗面化領域の外輪が互いに一部交わっている配置形態となっている。つまり、各粗面化領域の外周縁部分が一部干渉し合っている形態となっている。なお、これらの試験片における評価試験結果は、図６に示す（１００−１）乃至（１００−３）の該当箇所にプロットした試験値に対応している。
【００３１】
図６は、示す本発明の実施例の評価試験結果を示している。この評価試験結果から明らかなように、算術平均粗さＲａ（μｍ）とピール力（Ｎ）との間には密接な相関関係があるとともに、本発明において目的とする接着力向上のための表面粗さを有する粗面接着部を形成するための最良の寸法関係については、上述した実施形態で説明したように、レーザ照射によって形成される円状の粗面化領域１１０の外輪をａとし、隣り合う粗面化領域１１０の中心ピッチをｄとした時、ａ＝ｄになるように配置した場合が最も好ましいことが分かった（図５及び図６における（１００−２）参照）。しかしながら、本発明における効果を発揮しうる観点から考察すると、この粗面化領域１１０の直径をａ、隣り合う粗面化領域１１０の中心ピッチｄとの関係が、０．５ａ＜ｄ＜１．５ａになるようにしても、粗面接着部において十分な接着力を確保できることが分かった（図５及び図６における（１００−１）及び（１００−３）参照）。
【００３２】
以下に、上述した本発明の作用について説明する。本発明によると、レーザ照射による代わりにサンドブラストによって粗面接着部を形成した場合に「最初に金属面にマスキングテープを貼ると共にサンドブラストを行った後にサンドブラストを除去してマスキングテープを剥がす」という従来必要とされていた余分な工程が必要なくなり、接着工程の作業効率を高めることができる。また、金属面を含む全体を洗浄する際にサンドブラストが接着層に残って樹脂部品を金属部品に接着した場合に剥離力が低下するような不具合が発生しなくなる。
【００３３】
また、本発明のような寸法関係で金属部材としての起歪体にレーザ照射を行うことによって、先行技術で問題となっていた「レーザ光の照射範囲が広くかつハッチング幅も大きい状態の粗面部を金属部材（起歪体）の表面に形成した場合に金属部材表面のレーザ光による粗面化していない未加工の素地領域（平坦領域）が広く残って仮にこの金属部材に接着剤を介して樹脂部材を貼り付けてもこの未加工領域から接着層の剥離が生じ接着力強度を十分に保てない」という不具合の発生を阻止することができる。
【００３４】
また、先行技術で問題となっていた「射出成型時にアンカー効果を生じさせる金属部材に接着剤等の接着層を介して樹脂材料を貼り付けた場合に生じる不具合の発生」を阻止することができる。すなわち、従来技術において射出成型に使用すること前提としてレーザ照射を行う場合、図８に示すようにレーザ光で金属表面を意図的にかなり荒らして極端に隆起させることにより隣同士でブリッジさせそのブリッジＢの下を通ってアンカー効果の役目を果たすようにしているが、接着剤等の接着層を介して樹脂部品を金属部品に貼り付けた場合、ブリッジＢの下まで接着剤等が入り込まないために本来アンカー効果を果たすべきブリッジＢの下やその近傍に空気層（図８における空気層の形成された空間Ｓ１〜Ｓ５参照）ができてしまっていた。そのため、金属部材として起歪体１０を用いた場合、図８に示すように起歪体１０に接着剤等の接着層２１ａ（２２ａ）を介してひずみゲージ２０を貼り付けたとしても、接着層２１ａ（２２ａ）が起歪体１０の表面に密着する面積がかなり小さくなって接着力強度を十分に保つことができずにひずみゲージ２０が起歪体１０から剥離しやすくなってしまう（図８における実質的接着部分Ａ１〜Ａ３の面積参照）。しかしながら、本発明の場合、そのような不具合の発生を阻止することができる。
【００３５】
なお、上述の実施形態において説明したように隣接する粗面化領域１１０の寸法関係は、全ての隣接する円状の粗面化領域同士の寸法関係がａ＝ｄになるように粗面接着部１００が形成されていることが最も好ましいが、上述した実施例の評価試験結果から分かるように、本発明に係る寸法関係はこの実施形態の寸法関係に限定されることはない。
【００３６】
即ち、評価試験結果からレーザ照射による全ての粗面化領域１１０の外輪の直径をａとし、レーザ照射による粗面化領域１１０の隣り合う中心ピッチをｄとの関係が、０．５ａ＜ｄ＜１．５ａになるように粗面接着部を形成しても本発明の作用を十分に発揮することができる。
【００３７】
また、本発明に係る粗面接着部の形態は、図４に示す本実施形態のようなものに限定される必要はない。すなわち、図７に示す粗面接着部１００’のようにレーザ照射による１つの円状の粗面化領域１１０の外輪の周囲に６つの円状の粗面化領域１１０の外輪が近接するように配置しても良い。各粗面化領域１１０をこのように配置して形成することで、起歪体１０の粗面接着部１００における非粗面化領域（レーザ照射によって粗面化されることのない平坦な素地領域）を１つの粗面接着部１００の外輪の周囲に４つの粗面接着部１００の外輪が近接する場合（図４の非粗面化領域１５０参照）に比べて１つの粗面接着部１００の外輪の周囲に６つの粗面接着部１００が近接する場合（図６の非粗面化領域１６０参照）の方が非粗面化領域面積を小さくすることができ、その分接着力向上に寄与しない非粗面化領域の総面積を減らすことで耐剥離性を向上させることができる利点がある。
【００３８】
なお、上述した本発明の説明においては、金属からなる起歪体に接着剤等からなる接着層を介してポリイミドの樹脂板で構成されたフォースセンサを貼り付けた場合について行ったが、必ずしもこれに限定することはなく、例えば金属からなる支持体に金属泊をパターンニングした樹脂板からなる温度センサを接着するような場合に適用しても良い。
【００３９】
このような場合であっても、従来のサンドブラスト工法による粗面接着部の形成方法によると例えば両者の熱膨張率の違いにより温度センサが支持体から剥離しやすくなっていた不具合を、本発明による金属材料の表面処理方法を介して支持体に粗面接着部を形成することで解決することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１    フォースセンサ
１０    起歪体
１０ａ    上面
２１，２２（２０）    ひずみゲージ
２１ａ，２２ａ    接着層
２１ｃ，２２ｃ    電線
１００−１    試験片
１００−２    試験片
１００−３    試験片
１０１，１０２（１００）    粗面接着部
１００’    粗面接着部
１１０    粗面化領域
１５０，１６０    非粗面化領域
Ａ１〜Ａ３    実質的接着部分
Ｓ１〜Ｓ５    空間
【図１】
2016010811.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2016010811.tif 000009
【図８】
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