(57)【要約】【課題】任意の接合形状にて、接合強度が高く信頼性の高い接合を実現する、金属材料と樹脂材料との接合方法を提供する。【解決手段】本発明により、金属部材と樹脂部材とをレーザ接合する接合方法が提供される。かかる接合方法は、凹凸部を有し、水酸基または反応性官能基が導入された第一接合予定表面を備える金属部材を用意すること；水酸基または反応性官能基との反応性を有する官能基が導入された第二接合予定表面を備える樹脂部材を用意すること；金属部材の第一接合予定表面と樹脂部材の第二接合予定表面とを当接させること；金属部材の第一接合予定表面にレーザ光を照射することで、樹脂部材の第二接合予定表面を軟化または溶融させて金属部材の凹凸部に係合させるとともに、水酸基または反応性官能基と官能基とを反応させて、金属材料と樹脂部材とを接合すること；を含む。【選択図】図１
2016016429.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属部材と樹脂部材とを接合する接合方法であって：
凹凸部を有し、水酸基または反応性官能基が導入された第一接合予定表面を備える金属部材を用意すること；
前記導入された水酸基または反応性官能基に対して反応性を有する官能基が導入された第二接合予定表面を備える樹脂部材を用意すること；
前記金属部材の第一接合予定表面と前記樹脂部材の第二接合予定表面とを当接させること；
前記金属部材の第一接合予定表面にレーザ光を照射することで、前記第一接合予定表面を加熱し、該熱により前記樹脂部材の第二接合予定表面を軟化または溶融させて前記金属部材の前記凹凸部に係合させるとともに、前記水酸基または反応性官能基と前記官能基とを反応させて、前記金属材料と前記樹脂部材とを接合すること；
を含む、レーザを用いた部材の接合方法。
【請求項２】
前記反応性官能基および前記官能基の少なくとも一方は、修飾された又は修飾されていないカルボキシ基を含む、請求項１に記載のレーザを用いた部材の接合方法。
【請求項３】
前記凹凸部は、表面粗さＲａが０．２μｍ以上５μｍ以下である、請求項１または２に記載のレーザを用いた部材の接合方法。
【請求項４】
前記凹凸部は、さらに多孔質構造を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザを用いた部材の接合方法。
【請求項５】
前記多孔質構造は、陽極酸化法により形成されている、請求項４に記載のレーザを用いた部材の接合方法。
【請求項６】
前記反応性官能基または前記官能基の導入は、当該反応性官能基または官能基を含む有機化合物またはその誘導体をプラズマ活性種の存在下で前記第一接合予定表面または前記第二接合予定表面に供給することにより実施する、請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザを用いた部材の接合方法。
【請求項７】
前記第一接合予定表面または前記第二接合予定表面に、前記有機化合物又はその誘導体を供給したのち、プラズマを照射する、請求項６に記載のレーザを用いた部材の接合方法。
【請求項８】
前記有機化合物又はその誘導体を含有するプラズマ発生ガスを用いてプラズマを発生させ、該プラズマを前記第一接合予定表面または前記第二接合予定表面に照射する、請求項６に記載のレーザを用いた部材の接合方法。
【請求項９】
前記有機化合物又はその誘導体は、アクリル酸およびマレイン酸からなる群から選択される少なくとも１つである、請求項６〜８のいずれか１項に記載のレーザを用いた部材の接合方法。
【請求項１０】
金属部材と樹脂部材とが、請求項１〜９のいずれか１項に記載の接合方法により接合されてなる、接合部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザを用いて樹脂部材と金属部材とを接合する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車産業や航空宇宙産業等の分野においては、自動車や航空機の燃費の向上等を目的として、構造物の軽量化および高強度化が進められている。そしてこの目的を達成するために、比較的高強度な素材である金属材料と、比較的軽量な素材である樹脂材料とを所望の部位に選択的に用いるようにした構造部材等を実現すべく、異種材料を強固に接合する技術が求められている。
【０００３】
例えば、金属材料からなる部材と樹脂材料からなる部材との異種材料間を接着剤を用いて接合するに際し、予め接合面にプラズマ処理を施して水酸基を導入することで、当該接着剤による接合強度を向上させ得ることが知られている。また、射出成形法を利用して、例えば金属部材の一部に樹脂材料を一体的に形成することが行われている。さらに、金属部材の表面に凹凸部を設け、樹脂部材と重ね合わせたのち、樹脂部材の表面からレーザ光を照射して樹脂を軟化または溶融させることにより両部材を接合させる方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２７４２７９号公報
【特許文献２】特開２０１３−２１６０２８号公報
【特許文献３】特開２０１２−２２３８８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、接着剤を用いた金属材料と樹脂材料との接合においては、例えば接合面に任意のパターンで接着剤を供給することが難しく、また、自動車や航空機等が曝される環境において長期に亘り十分な接合強度を維持するのが難しいという問題があった。射出成形法を利用した金属材料と樹脂材料との接合においては、既に成形されている樹脂部材を金属部材に接合することは不可能であった。また、所望の製品ごとに射出成形用の金型を用意する必要があり、比較的高コストとなり、かつ、設計変更に柔軟に対応するのが困難であった。そしてレーザを用いた樹脂部材と金属部材との接合については、接着剤を用いた接合に比べると高価であるため、簡便で、かつ、接着剤等を用いた接合に比較して優位に接合強度を高めることが求められている。
【０００６】
本発明は、上記の事情に鑑みて創出されたものであり、任意の接合形状にて、接合強度の高い接合を実現する、金属材料と樹脂材料とのレーザを用いた接合方法を提供することを目的としている。また、この接合方法を用いて形成される、金属材料と樹脂材料との接合部材を提供することを他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するものとして、金属部材と樹脂部材とを接合するレーザを用いた部材の接合方法を提供する。かかる接合方法は、下記の工程を含むことで特徴づけられる。
（Ｓ１）凹凸部を有し、水酸基または反応性官能基が導入された第一接合予定表面を備える金属部材を用意すること。
（Ｓ２）上記導入された水酸基または反応性官能基との反応性を有する官能基が導入された第二接合予定表面を備える樹脂部材を用意すること。
（Ｓ３）上記金属部材の第一接合予定表面と上記樹脂部材の第二接合予定表面とを当接させること。
（Ｓ４）上記金属部材の第一接合予定表面にレーザ光を照射することで、上記第一接合予定表面を加熱し、該熱により上記樹脂部材の第二接合予定表面を軟化または溶融させて上記金属部材の上記凹凸部に係合させるとともに、上記水酸基または反応性官能基と上記官能基とを反応させて、上記金属材料と上記樹脂部材とを接合すること。
【０００８】
かかる構成により、金属材料と樹脂部材とを、金属材料の凹凸部を利用した機械的結合に加えて、各部材に導入した官能基による化学的結合により、直接的にかつ強固に接合することができる。また、接合部はレーザ光の照射により形成されるため、例えば、任意の走査線上を連続的または断続的にレーザ照射することで、部分的な接合や、点状または線状の接合等といった微細で複雑な接合部形状等を容易に実現することができる。これにより、高い接合強度で信頼性の高い接合が実現される。
【０００９】
なお、特許文献２には、樹脂と金属の接合面をレーザ接合するに際し、樹脂と金属とを加圧材で加圧しながらこの加圧材にレーザ光を照射して、加圧材からの伝熱で接合面を接合することや、接合面に突起を設けること等が開示されている。また、特許文献３には、樹脂と金属の接合面をレーザ接合するに際し、樹脂側の接合界面に酸素官能基を導入し、樹脂と金属との被接合部材間に液状の中間材を介在させること等が開示されている。これらの手法では、樹脂の主鎖や側鎖のＣＣ、ＣＨ結合を切断し、ＣＯ、ＣＯＯ、Ｃ＝Ｏなどの酸素官能基を生成・増加させることによって接合が実現される。しかしながら、このような接合により得られる接合強度は十分満足できるものではなかった。また、樹脂自体の強度低下ならびに樹脂の外観および質感を低下させるといった問題があった。さらに、特許文献２の技術については、接合部の形状が加圧材の形態（形状および寸法等）ならびに金属の熱伝導方向に大きく依存し、微細で複雑な接合部形状等を実現することは不可能である。また、特許文献３の技術についても、金属の背面側からレーザを照射するため、金属部材の形状が薄板状に限定されるとともに、微細で複雑な接合部形状等を実現することは不可能である。これに対し、ここに開示される技術によると、任意の接合部形状で、より強固な接合を実現することができる。
【００１０】
ここに開示されるレーザを用いた部材の接合方法の好ましい一態様において、上記反応性官能基および上記官能基の少なくとも一方は、修飾された又は修飾されていないカルボキシ基を含むことを特徴としている。これにより、例えばレーザ照射時の接合面の発熱により、金属部材側の水酸基と樹脂部材側のカルボキシ基とがエステル結合するなどして、強固な接合が実現される。
【００１１】
ここに開示されるレーザを用いた部材の接合方法の好ましい一態様において、上記凹凸部は、表面粗さＲａが０．２μｍ以上５μｍ以下であることを特徴としている。かかる構成によると、金属部材の接合予定表面におけるレーザ光の吸収効率を好適に高めることができ、より少ないレーザ出力で樹脂部材の接合予定表面を軟化または溶融させることができ、効率よく強固な接合を実現することができる。
なお、本明細書における「表面粗さ」とは、ＪＩＳ Ｂ０６０１：２００１に準拠して、市販の表面粗さ測定器を用いて測定される算術平均粗さ（Ｒａ）を意味する。
【００１２】
ここに開示されるレーザを用いた部材の接合方法の好ましい一態様において、上記凹凸部は、さらに多孔質構造を有することを特徴としている。かかる構成によると、レーザ光の吸収効率は高く維持したまま、金属部材と樹脂部材との接合界面を増大させることができ、より接合強度を高めることができる。
【００１３】
ここに開示されるレーザを用いた部材の接合方法の好ましい一態様において、上記多孔質構造は、陽極酸化法により形成されていることを特徴としている。陽極酸化法によると、例えば金属部材がアルミニウムの場合には、いわゆるアルマイトと呼ばれる多孔質型酸化皮膜（ＪＩＳ Ｈ８６０３：１９９９で規定される硬質陽極酸化皮膜であり得る）が形成され、凹凸部の表面粗さを維持したまま比表面積を大幅に増大させることができる。
【００１４】
ここに開示されるレーザを用いた部材の接合方法の好ましい一態様において、上記反応性官能基または上記官能基の導入は、当該反応性官能基または官能基を含む有機化合物又はその誘導体をプラズマ活性種の存在下で上記第一接合予定表面または上記第二接合予定表面に供給することにより実施することを特徴としている。
【００１５】
例えば、上記第一接合予定表面または上記第二接合予定表面に、上記有機化合物又はその誘導体を供給したのちプラズマを照射することで、上記反応性官能基または官能基を上記第一接合予定表面または上記第二接合予定表面に導入することができる。また或いは、上記有機化合物又はその誘導体を含有するプラズマ発生ガスを用いてプラズマを発生させ、該プラズマを上記第一接合予定表面または上記第二接合予定表面に照射することで、上記反応性官能基または官能基を上記第二接合予定表面に導入することもできる。
かかる構成により、樹脂部材に上記のカルボキシ基等の反応性官能基または官能基を簡便かつ確実に導入することができ、より一層強固な接合を信頼性の高いものとして実現することができる。
【００１６】
ここに開示されるレーザを用いた部材の接合方法の好ましい一態様において、上記有機化合物は、アクリル酸およびマレイン酸からなる群から選択される少なくとも１つであることを特徴としている。これにより、金属部材と樹脂部材との強固な接合を簡便に実現することができる。
【００１７】
他の側面において、ここに開示される技術は、金属部材と樹脂部材とが、上記のいずれかに記載の接合方法により接合されていることで特徴づけられる接合部材を提供する。
かかる接合部材は、金属部材と樹脂部材とが接着剤等を介することなく、直接的に、そして機械的かつ化学的に、接合されている。また、接合部は、例えばレーザにより任意の形状に形成可能である。したがって、かかる複合材料は、例えば所望の強度を金属部材により実現し、その他の部位を軽量な樹脂材料で構成すること等が可能とされ、かつ、金属部材と樹脂部材とが高い接合強度で信頼性よく接合されたものとすることができる。このような接合部材は、例えば、高い強度と軽量化が要求される自動車や航空機等を構成する構成部材として好ましく用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】一実施形態に係るレーザを用いた部材の接合方法を示すフロー図である。
【図２】Ｎｏ．１〜７の接合部材の接合強度を例示した図である。
【図３】Ｎｏ．８〜１７の接合部材の接合強度を例示した図である。
【図４】反応性官能基を導入した樹脂表面のＦＴＩＲスペクトルを例示した図である。
【図５】一実施形態に係る接合部材の破断面の金属部材側表面の（ａ）ＳＥＭ像と（ｂ）ＥＤＸスペクトルを例示した図である。
【図６】一実施形態に係る接合部材の破断面の樹脂部材側表面の（ａ）ＳＥＭ像と（ｂ）ＥＤＸスペクトルを例示した図である。
【図７】Ｎｏ．１８〜２１の接合部材の接合強度を例示した図である。
【図８】（ａ）（ｂ）は、他の実施形態に係る接合部材の接合形態を例示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
【００２０】
図１は、ここに開示される接合方法の一実施形態を示すフロー図である。かかるフローに従い、ここに開示される接合方法について以下に詳細に説明する。
Ｓ１．金属部材の用意
ここに開示される技術において、金属部材としては、各種の金属材料からなる部材を特に制限なく用いることができる。ここで金属材料とは、金属元素の単体もしくはその合金からなる金属的な性質を示す物質を特に制限なく包含することができる。また、合金は、任意の金属元素と、他の１種以上の元素からなり、その混ざり方は、固溶体、金属間化合物およびそれらの混合のいずれであっても良い。具体的には、例えば、アルミニウム，鉄，マグネシウム，タンタル，ニオブ，タングステン，チタン，ニッケル，クロムおよびこれらの合金等であり得る。そして、この金属部材は、表面の少なくとも一部に、樹脂部材と接合される第一接合予定表面を備えている。ここで第一接合予定表面は、凹凸部を有し、水酸基または反応性官能基が導入されている。なお、金属部材は、少なくともこの第一接合予定表面以外の部位において、金属材料以外の他の材料が含まれていてもよい。
【００２１】
凹凸部は、金属部材の表面におけるレーザ光の吸収率を高める機能を有している。そしてまた、この凹凸部の存在により、金属部材と樹脂部材との機械的な接合を実現することができる。この凹凸部の形状は、接合に使用する波長のレーザ光に対して、吸収を高め得る程度の凹凸であればその詳細は特に制限されない。例えば、かかる凹凸としては、使用する波長のレーザ光の波長にもよるものの、表面粗さが０．２μｍ以上５μｍ以下（好ましくは０．５μｍ以上３μｍ以下、例えば０．５μｍ以上２μｍ以下）程度とすることで、レーザ光の吸収率を効果的に高められるために好ましい。
【００２２】
また、この凹凸部は、さらに多孔質構造を有していることが好ましい。上記の凹凸部が多孔質構造を有することで、樹脂部材との接合面積を増大でき、接合強度を大幅に高めることができるために好ましい。なお、この場合の多孔質構造とは、第一接合予定表面の上記の凹凸形状を概ね維持しつつ、さらに第一接合予定表面を構成する金属部材が細孔を備える微細構造を実現していることを意味する。したがって、かかる多孔質構造においては、平均細孔径が１μｍ以下（好ましくは５０ｎｍ以上１μｍ以下、例えば６０ｎｍ以上１μｍ以下）の細孔とするのが好ましい。この多孔質構造における平均細孔径の上限については厳密には規定されないものの、上記の表面粗さとの兼ね合いで、１μｍ以下程度を目安とすることができる。また、多孔質構造における平均細孔径が５０ｎｍよりも小さすぎると、かかる細孔に軟化または溶融状態にある樹脂材料が入り込みにくくなる虞があるために好ましくない。第一接合予定表面に設けられる多孔質構造の厚み（深さであり得る）については特に制限はなく、典型的には５０ｎｍ以上２μｍ以下（例えば５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下）程度を目安とすることができる。
【００２３】
以上の凹凸部は、例えば、各種の粗面化処理の手法を利用して形成することができる。かかる粗面化処理方法としては特に制限されず、化学的処理方法による粗面化処理、又は、機械的（物理的）処理による粗面化処理方法のいずれか一方または両方を採用することができる。
化学的処理方法による粗面化処理としては、金属部材の第一接合予定表面を酸性水溶液又はアルカリ性水溶液に浸漬し、必要に応じて電解する酸エッチング処理又はアルカリエッチング処理や、その併用が挙げられる。例えば、金属部材が純鉄，鋼，各種耐熱合金等の非軽金属からなる場合等に、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を使用したアルカリエッチングを好適に採用することができる。また、凹凸部に多孔質構造を付与する場合には、例えば、陽極酸化処理を好ましく採用することができる。陽極酸化処理の条件は特に制限されないが、例えば、研磨浴として所定濃度のリン酸水溶液等を用い、２０℃〜３０℃程度の温度で、１０Ｖ〜４０Ｖ程度の電圧を印加して、数分間から数１０分間程度処理することが例示される。例えば、金属部材がアルミニウム、チタン、マグネシウム、タンタル、ニオブ、タングステンおよびこれらの合金からなる場合等に、陽極酸化処理を好適に採用することができる。研磨浴としてリン酸水溶液を用いる場合、細孔径が比較的大きく、孔が厚み方向に沿って伸びる特長的な多孔質構造が得られるために好ましい。なお、陽極酸化の条件はこの例に限定されることなく、例えば、研磨浴として硫酸水溶液等を用い、所望の多孔質構造が実現さるように硫酸の濃度や添加剤，処理温度，印加電圧等を制御することができる。陽極酸化処理は、軟化または溶融状態にある樹脂部材に対する濡れ性が向上する点においても好ましい。
【００２４】
機械的処理方法による粗面化処理としては、金属部材の第一接合予定表面に高硬度の研磨粒子を吹き付けて微細な凹凸を形成するブラスト処理が挙げられる。かかるブラスト処理は、研磨粒子の適切な選択により各種の金属材料の表面に所望の凹凸を簡便に付与できる点で好ましい。研磨粒子の粒径等は特に制限されないが、例えば、３０番（＃３０）〜２２０番（＃２２０）程度の粒度で、頂角を有する多角形粒子からなる研磨粒子を用いるのが好ましい。所望の凹凸表面が形成されるよう、研磨粒子の吹き付け量や吹き付け速度、処理時間等については任意に調整することができる。
【００２５】
なお、凹凸部を形成するための粗面化処理については、例えば、ブラスト処理を採用することで、インラインでの処理が可能となるために好ましい。
また、より高強度な接合を実現するとの観点からは、上記のいずれか２以上の粗面化処理を併用することが好ましい。例えば、第一接合予定表面を大きく粗面化するブラスト処理と、微細に粗面化する陽極酸化処理とを組み合わせて実施するのが好ましい。このとき、ブラスト処理は、陽極酸化の前処理（汚染層の除去処理）を兼ね得る点においても好適である。あるいは、金属部材として鉄鋼（例えばＳＵＳなど）を用いる場合等には、第一接合予定表面を大きく粗面化するブラスト処理と、アルカリエッチングとを組み合わせて実施するのが好ましい。
【００２６】
また、水酸基（−ＯＨ基）は、主として、金属部材の第一接合予定表面を活性化させる目的で導入され、後述の軟化または溶融した樹脂の濡れ性を高めるとともに、かかる樹脂との化学的な接合の基点となる機能を有すると考えることができる。
そして反応性官能基は、レーザ照射により加熱された環境下において、他の化学官能基との反応性を有するものを考慮することができる。かかる反応性官能基としては、例えば、具体的には、水酸基と任意の化学結合を形成し得る化学官能基とすることができる。かかる化学結合としては特に制限されず、典型的には、例えば、エステル結合、ウレタン結合、シロキサン結合等の、不飽和結合を有し、脱水縮合反応や架橋反応等を生じ得る化学結合を好ましい例として考慮することができる。また、水酸基に対する脱水縮合反応性を有する官能基としては特に制限されず、典型的には、例えば、カルボキシ基、カルボニル基、シラノール基、イソシアネート基等が代表例として挙げられる。より好ましくはカルボキシ基、イソシアネート基であり得る。
【００２７】
なお、第一接合予定表面には、少なくとも水酸基か反応性官能基が導入されていれば、これらの官能基は修飾されていても修飾されていなくてもよい。例えば、当該官能基は、修飾された又は修飾されていないカルボキシ基や、修飾された又は修飾されていないイソシアネート基等であってよい。また、少なくとも水酸基または反応性官能基が導入されていれば、当該官能基以外の官能基（例えば、アミノ基やアルコキシシリル基等）が導入されていても良い。ここに開示される技術においては、このような官能基の積極的な導入により、金属部材と樹脂部材との接合強度を確実に向上させるようにしている。
なお、第一接合予定表面への水酸基または反応性官能基の導入量は特に制限されない。例えば、水酸基の導入について、接合強度を十分に高めるとの観点からは、例えば、平面の表面粗さＲａが４μｍ以下（例えば、Ｒａが１〜４μｍ）の金属部材の水との接触角が３０°以下（例えば、５〜２０°）となる量に相当する量の水酸基が導入されていることが好ましい。
【００２８】
以上の水酸基または反応性官能基の導入方法については特に制限されない。
水酸基の導入方法については特に制限されず、例えば、各種の表面処理技術を応用することができる。具体的には、例えば、第一接合予定表面に、強い酸化力を有する高濃度オゾン水等を供給したり、窒素ガス等を用いた大気圧プラズマや、ヒドロキシラジカルを含むプラズマを照射したりすること等で、この第一接合予定表面に水酸基を導入することができる。なお、プラズマ照射に用いるプラズマの種類は特に制限されず、コロナ放電、グロー放電、ホローカソード放電およびアーク放電等による大気圧プラズマであるのが好ましい。
【００２９】
また、反応性官能基の導入方法についても特に制限されない。例えば、好適な導入方法として、上記の官能基を含む有機化合物又はその誘導体を、プラズマ活性種の存在下で第一接合予定表面に供給することが挙げられる。かかる反応性官能基の導入方法は、より具体的には、例えば、以下の手法により実施することができる。
即ち、一つ目の手法としては、上記の反応性官能基を有する有機化合物又はその誘導体を第一接合予定表面に供給したのち、プラズマを照射することである。例えば、第一接合予定表面にカルボキシ基を導入する場合、まず、カルボキシ基を有するアクリル酸やマレイン酸等の有機化合物を含む組成物等を、塗布、浸漬（ディップ）、スプレー、印刷等の供給方法により第一接合予定表面に供給する。次いで、かかる有機化合物を含む組成物が供給された表面に、プラズマを照射する。これにより、第一接合予定表面および有機化合物が、プラズマ中に含まれるイオンやラジカル、電子、分子等の活性種の作用により活性化されて、互いが化学的に結合する等して、カルボキシ基等の官能基を第一接合予定表面に導入（グラフト）することができる。
【００３０】
また、二つ目の手法としては、上記の反応性官能基を含む有機化合物又はその誘導体を含有するガスをプラズマ発生用の反応性ガスとして用いてプラズマを発生させ、このプラズマを第一接合予定表面に照射することである。例えば、第一接合予定表面にカルボキシ基を導入する場合、まず、カルボキシ基を有するアクリル酸やマレイン酸等の有機化合物を含む液を用意し、これに通常のプラズマ発生ガス（例えば、少量の酸素ガスを含む不活性ガス；アルゴン，ネオン，クリプトン等の希ガスや、窒素ガス等）を吹き込んでバブリングすることで、当該有機化合物を蒸気として含む混合ガスを調製することができる。そして、かかる混合ガスをプラズマ発生用ガスとして用いることで、当該有機化合物又はその励起種等を含むプラズマを発生させることができる。次いで、このように発生させた有機化合物又はその励起種等を含むプラズマを第一接合予定表面に照射する。これにより、第一接合予定表面が、プラズマ中に含まれるイオンやラジカル、分子等の活性種の作用により活性化されるとともに、有機化合物又はその励起種と化学的に結合するため、カルボキシ基等の官能基を第一接合予定表面に導入（グラフト）することができる。なお、このように有機化合物をプラズマ化して官能基を導入する手法によると、非接触で接合部材に官能基を導入することができる。そのため、かかる手法は、例えば、被接合部材の構造が複雑な場合や、有機化合物に浸漬できない被接合部材を接合対象とする場合等に、特に有効な手段となり得る。
なお、以上の官能基の導入に利用するプラズマは、特に限定されるものではないが、大気圧プラズマであるのが簡便であって好ましい。
【００３１】
さらに、上記反応性官能基を導入する他の方法として、上記の反応性官能基を含む有機化合物又はその誘導体としてカップリング剤を利用する方法が挙げられる。具体的には、例えば、上記の水酸基に対する反応性を有する上記反応性官能基を備えるカップリング剤により第一接合予定表面を化学的に修飾することで、当該官能基を導入することができる。
かかるカップリング剤としては、上記の水酸基に対する反応性を有する官能基とともに、第一接合予定表面を構成する金属材料に対して親和性の高い官能基を有する各種のカップリング剤を特に制限なく用いることができる。かかるカップリング剤としては、例えば、いわゆるシランカップリング剤、チタネートカップリング剤、アルミネートカップリング剤、ポリカルボン酸系カップリング剤（ポリマーカップリング剤ともいう）、チオール系カップリング剤、リン酸系カップリング剤等が挙げられる。なかでも、水酸基や、金属表面との結合を強固に実現し得る点から、シランカップリング剤やポリカルボン酸系カップリング剤、チオール系カップリング剤等を用いるのが好ましい。特に制限されるものではないが、以下に、シランカップリング剤の好適例を挙げる。
【００３２】
シランカップリング剤は、典型的には、一般式：Ｙ−Ｓｉ（ＣＨ３）ｎ−（ＯＲ）３−ｎで表される化学構造を有している。ここで、式中Ｙは反応性官能基であり、例えば上記の水酸基に対する反応性を有する官能基と共に、ビニル基、エポキシ基、スチリル基、メタクリル基、アクリル基、アミノ基、ウレイド基、メルカプト基、スルフィド基、イソシアネート基等であってよい。また、Ｒは加水分解性を示す有機官能基であり、例えば、メトキシ基、エトキシ基、アセチル基等であり得る。また、ｎは１または２である。シランカップリング剤としては、具体的には、反応性官能基の種類に応じて、例えば、ビニル系シランカップリング剤、エポキシ系シランカップリング剤、スチリル系シランカップリング剤、メタクリル系シランカップリング剤、アクリル系シランカップリング剤、アミノ系シランカップリング剤、ウレイド系シランカップリング剤、メルカプト系シランカップリング剤、スルフィド系シランカップリング剤およびイソシアネート系シランカップリング剤等が挙げられる。
上記カップリング剤の導入方法は、使用するカップリング剤の種類等により異なるため、所定の処理方法に従い処理することができる。一般的には、例えば、所望のカップリング剤を含む水溶液を調製し、塗布、浸漬、スプレー、印刷等の供給方法でこの水溶液を第一接合予定表面に供給すればよい。このとき必要に応じて、カップリング剤を含む水溶液を温めたり、環境温度を昇温させたりして、カップリング剤の導入効率を高めるようにしても良い。
【００３３】
Ｓ２．樹脂部材の用意
樹脂部材は、各種の熱可塑性樹脂からなる部材を特に制限なく用いることができる。ここで熱可塑性樹脂とは、常温（２５℃）では固体状態であるものの、加熱等による昇温で成形できる程度の熱可塑性が得られる合成樹脂を広く制限なく包含することができる。本明細書において、「熱可塑性」とは、可逆的に、加熱すると軟化して塑性変形が可能となり、冷却すると可逆的に硬化する性質である。一般に、線状あるいは分枝状の高分子からなる化学構造を有する樹脂を考慮することができる。例えば、具体的には、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ），ポリエチレン（ＰＥ），ポリプロピレン（ＰＰ），ポリスチレン（ＰＳ），アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ），アクリロニトリル・スチレン（ＡＳ），ポリメチルメタアクリル（ＰＭＭＡ），ポリビニルアルコール（ＰＶＡ），ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ），ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の汎用樹脂、ポリアミド（ＰＡ），ポリアセタール（ＰＯＭ），ポリカーボネート（ＰＣ），ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ），変性ポリフェニレンエーテル（ｍ-ＰＰＥ；ｍ−ＰＰＯともいう。），ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ），超高分子量ポリエチレン（ＵＨＰＥ），ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）等のエンジニアリング・プラスチック、ポリスルフォン（ＰＳＦ），ポリエーテルスルフォン（ＰＥＳ），ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ），ポリアリレート（ＰＡＲ），ポリアミドイミド（ＰＡＩ），ポリエーテルイミド（ＰＥＩ），ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ），ポリイミド（ＰＩ），液晶ポリマー（ＬＣＰ），ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のスーパーエンジニアリング・プラスチック等が例示される。なかでも、ポリアミド，ポリアミドイミド，ポリメチルメタアクリル等の樹脂であるのが好ましい。
【００３４】
樹脂部材は、上記の樹脂のいずれか１種の単独の樹脂から構成されていても良いし、２種以上の樹脂の組み合わせ（ブレンド）から構成されていても良い。そして、この樹脂部材は、表面の少なくとも一部に、上記の金属部材と接合される第二接合予定表面を備えている。ここで第二接合予定表面には、上記の水酸基または反応性官能基との反応性を有する官能基が導入されている。なお、樹脂部材は、少なくともこの第二接合予定表面以外の部位において、樹脂材料以外の他の材料が含まれていてもよい。
【００３５】
第二接合予定表面に導入される官能基としては、上記第一接合予定表面に導入される水酸基または反応性官能基と、任意の化学結合を形成し得る化学官能基を考慮することができる。かかる化学結合としては特に制限されず、典型的には、例えば、エステル結合、ウレタン結合、シロキサン結合等の脱水縮合反応や架橋反応等を含む化学結合を考慮することができる。すなわち、上記第一接合予定表面と第二接合予定表面とに、レーザ照射環境下で互いに化学結合を生じ得る組み合わせの化学官能基が導入されていればよい。第二接合予定表面に導入される個々の官能基としては、特に限定されるものではないが、好適例として、上記に例示された第一接合予定表面に導入される水酸基および反応性官能基と同様のものの中から、実際に第一接合予定表面に導入される水酸基または反応性官能基との反応性等を考慮して決定することができる。
また、第二接合予定表面にかかる官能基を導入する手法については、上記の第一接合予定表面に官能基を導入する手法を同様に採用することができる。
【００３６】
Ｓ３．金属部材と樹脂部材との当接
上記のように用意した金属部材の第一接合予定表面と、樹脂部材の第二接合予定表面とを、対向させて当接する。このとき、必ずしも必要ではないが、金属部材と樹脂部材とがより密着し得るよう押圧してもよい。このように押圧することで第一接合予定表面と第二接合予定表面の密着性が高められ、次工程で樹脂が軟化または溶融されたとき、軟化または溶融状態にある樹脂が金属部材の第一接合予定表面の凹凸部や多孔質構造（細孔）等に侵入し易くなるために好ましい。かかる押圧時の圧力は特に制限されず、例えば、金属部材および樹脂部材の材質や形状等に応じて適宜調整することができる。例えば、０．１ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下（好ましくは０．５ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下、例えば１ＭＰａ以上２ＭＰａ以下）程度の圧力を加えることがおおよその目安として例示される。
【００３７】
Ｓ４．レーザを用いた接合
次いで、金属部材の第一接合予定表面にレーザ光を照射する。具体的には、樹脂部材側から第一接合予定表面にレーザ光を照射する。ここで、レーザ光は、直接的に樹脂部材に作用しないよう、樹脂部材による吸収率が低く、金属部材による吸収率が高い波長の光を好適に使用することができる。例えば、半導体レーザ、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ等の樹脂部材に対しては透過可能であって、金属部材の熱加工を好適に行える近赤外領域の波長を有するレーザ光を用いることが好ましい。かかる波長としては、特に制限されるものではないが、おおよそ１．５μｍ以下（好ましくは８００ｎｍ以上１．５μｍ以下、例えば８００ｎｍ以上１．１μｍ以下）とすることが例示される。
【００３８】
金属材料は、一般に光反射率が高く、特にアルミニウムや金は例えば可視光や近赤外光に対して８０％以上（例えば９０％以上）の高い反射率を有する。ここに開示される技術においては、金属部材の第一接合予定表面に凹凸部を設けることにより、レーザ光の吸収率を高めるようにしている。また、レーザ光は指向性や収束性に優れていることから、第一接合予定表面の凹凸部の所望の部位のみに局所的に照射することが可能である。そしてこの凹凸部がレーザ光を吸収して加熱されると、第一接合予定表面で生じた熱は当接させた樹脂部材の第二接合予定表面およびその近傍の局所領域に伝導する。これにより、第二接合予定表面およびその近傍の局所領域の樹脂を加熱し、軟化または溶融させることができる。
【００３９】
軟化または溶融状態にある樹脂は、金属部材の凹凸部および多孔質構造の細孔に侵入し、レーザ光の照射が終わった後に冷却されて硬化する。これにより、金属部材と樹脂部材とが、機械的に噛み合い構造が形成され、いわゆるアンカー効果が発現される。なお、第一接合予定表面の凹凸部の形成に陽極酸化処理を採用した場合、かかるアンカー効果は、軟化または溶融した樹脂が、第一接合予定表面の凹凸部に食い込むことによるアンカー効果に加えて、陽極酸化処理等により形成される多孔質構造の細孔に食い込むことによるアンカー効果を得ることができる。また、例えば、第一接合予定表面に水酸基等の官能基を導入した場合や陽極酸化を採用した場合は、これらの作用等によって、軟化または溶融した樹脂の濡れ性が向上されている。そのため、例えば、複雑な表面形状を有する凹凸部および多孔質構造の細孔のより深部にまで樹脂が侵入し得る。ここに開示される技術によると、これらの効果の重畳により、金属部材と樹脂部材との接合面積がより一層増大されて、より密着して強固な接合が実現される。
【００４０】
一方で、レーザ照射による当接部の加熱により、金属部材の第一接合予定表面と樹脂部材の第二接合予定表面とでは、それぞれに導入されている官能基の間の反応性が高められている。したがって、例えば、第一接合予定表面と第二接合予定表面のいずれか一方に水酸基が導入されている場合は、他方にカルボキシ基が導入されると、金属部材と樹脂部材との当接部が脱水縮合反応を生じ得る温度（典型的には１００℃）にまで加熱されることで、水酸基とカルボキシ基との間で脱水縮合反応が生じ、エステル結合が形成され得る。また、他方の接合予定表面にカルボニル基およびアミノ基が導入されている場合は、脱水縮合反応を生じ得る温度にまで加熱されることで、ウレタン結合が生じ得る。
【００４１】
そして、例えば、第一接合予定表面と第二接合予定表面のいずれか一方に水酸基が導入されている場合であって、他方にカップリング剤に基づく反応性官能基が導入されているときは、これらの反応性官能基と水酸基との間で所定の化学結合が生じ得る。なお、カップリング剤の種類によっては、該カップリング剤が有する特殊官能基の存在により水酸基と強固な結合を形成し得る。例えば、カップリング剤としてシランカップリング剤を用いた場合、シラノール基と水酸基との脱水縮合反応により、比較的強固なメタロキサン結合が形成され得る。また、カップリング剤としてチオール系カップリング剤を用いた場合、かかるカップリング剤が有するチオール基（−ＳＨ）は金属材料と比較的強固な化学結合を形成し得る。なお、これらの化学反応が生じるためには、必ずしもレーザ照射による加熱が必要とされない場合がある。しかしながら、レーザ照射による加熱が行われることで、当該化学反応が促進され得るために好ましい。
【００４２】
なお、以上のような水酸基と反応性官能基との化学結合は、例えば、第一接合予定表面又は第二接合予定表面に水酸基が導入され、第二接合予定表面又は第一接合予定表面に反応性官能基が導入されている場合や、第一接合予定表面と第二接合予定表面に互いに反応する反応性官能基が導入されている場合であっても、特殊な場合（例えば、上記チオール基にみられるような金属材料に対する選択的結合等）を除き、ほぼ同じように生じ得る。したがって、ここに開示される技術によると、以上のような化学結合の形成によっても金属部材と樹脂部材との接合が実現されるため、より一層強固な接合が実現される。かかる接合は、例えば、樹脂部材が軟化または溶融されない程度の高温で長期に亘り維持され得るため、例えば、一般的な接着剤による接合に比べて高い信頼性を有するものとなり得る。
【００４３】
かかる金属部材と樹脂部材との接合に用いるレーザの出力やスポット径等の条件は、例えば、金属部材の材質や表面形状等に応じて、第一接合予定表面に所望のパワー密度でレーザエネルギーを供給できるよう調整することができる。かかるパワー密度とは、例えば、樹脂部材の第二接合予定表面を構成する樹脂材料を軟化または溶融するに十分な値を目安に決定することができる。また、他の観点からは、例えば、上述の第一接合予定表面と第二接合予定表面とに導入された官能基間の化学結合反応に必要な、またはかかる反応を促進し得る温度を達成するのに十分なパワー密度とすることができる。
【００４４】
レーザ発振を行う媒体は特に制限されず、固体レーザ、ダイオード励起固体レーザ、液体レーザ、ガスレーザ、半導体レーザ等のいずれのレーザを用いるようにしても良い。なかでも比較的安価で、発振装置を小型化できる半導体レーザを好適に用いることができる。例えば、半導体レーザ発振装置から出力されたレーザ光は、光ファイバにより伝送されて、コリメート光学系で成型された後、光学系から出力される。そして、樹脂部材の第二接合予定表面と当接されている金属部材の第一接合予定表面に、例えば、所定のスポット形状およびパワー密度を実現するように照射される。これにより、金属部材の第一接合予定表面で半導体レーザ光が吸収され、第一接合予定表面が発熱する。また、かかる発熱が樹脂部材の第二接合予定表面に伝導して、第二接合予定表面およびその近傍を局所的に軟化または溶融させる。これにより、金属部材と樹脂部材との異種材料間を強固に接合することができる。
【００４５】
上述のレーザを用いた接合方法によると、金属部材の第一接合予定表面に照射するレーザのビーム形状とパワー密度分布とを調整することで、金属部材と樹脂部材とを接合している接合部の形状を任意に制御することができる。例えば、レーザのビーム形状（例えば、スポット径）は、常法に従い集光光学系等を利用することにより適宜調整することができる。具体的には、スポット形状は、例えば、直径が凡そ１ｍｍ〜３ｍｍ程度の円形とすることで、その直径に略対応した幅の比較的細い線状の接合部を形成することができる。また、スポット形状を、例えば、１０ｍｍ×１ｍｍ程度の方形とすることで、その幅（ここでは１０ｍｍ）の比較的太い線状の接合部を形成することができる。また、レーザは任意の走査線上を、連続的または断続的にレーザ発振しながら走査可能である。したがって、金属部材と樹脂部材とを、レーザの照射領域にほぼ対応する任意の接合形状で接合することが可能である。例えば、上記のレーザのスポット径に対応する線幅の直線状、曲線状、連続線状、点線状等の接合部形状による接合が可能である。また、この同一の走査線上を複数回繰り返し走査することで、接合部の形状を変更することなく、より強固で安定した接合を実現することもできる。
【００４６】
以下、本発明に関するいくつかの実施例を説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。
【００４７】
［実施形態１］
金属部材として幅２０ｍｍ×長さ５０ｍｍで厚みが２ｍｍのアルミニウム合金（Ａ５０５２）からなる板材を用意した。この金属部材の長さ方向の一端から約２０ｍｍの領域を接合予定表面とし、下記の方法にて粗面化処理を施すことで、凹凸部を形成した。次いで、形成した凹凸部に、下記の方法にて水酸基の導入を行った。
また、樹脂部材として幅２０ｍｍ×長さ５０ｍｍで厚みが１ｍｍのナイロン６からなるシートを用意した。この樹脂部材の長さ方向の一端から約２０ｍｍの領域を接合予定表面とし、この接合予定表面に下記の条件で水酸基または反応性官能基の導入を行った。
このように用意した両部材を互いの接合予定表面にて当接し、レーザで接合することで、Ｎｏ．１〜１７の接合部材を作製した。凹凸部の形成方法，水酸基または反応性官能基の導入方法およびレーザ接合の条件について以下に説明するとともに、Ｎｏ．１〜１７の接合部材の接合条件を、下記の表１および表２に示した。
【００４８】
［凹凸部の形成］
（１．ブラスト処理）
金属部材の接合予定表面に対し、研磨材として＃２２０のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）破砕粒子とサンドブラスト装置（新東工業（株）製，ＭＹＢＬＡＳＴ ＭＹ−３０）を用い、供給空気圧力０．８ＭＰａ，噴射角度９０度，照射距離１５０ｍｍ，噴射時間２０秒の条件でブラスト処理を施した。これにより、表面粗さＲａが約１μｍの凹凸表面を得た。
【００４９】
（２．アルカリエッチング処理）
アルカリエッチング処理としては、金属部材の接合予定表面に対し、アルカリ溶液としてＮａＯＨ水溶液を用いたアルカリエッチングを施した。これにより、表面粗さＲａが約１μｍの凹凸表面を得た。
（３．陽極酸化処理）
陽極酸化処理は、上記のブラスト処理によって汚染層が除去された接合予定表面の表面に対して実施した。陽極酸化処理の条件は、２５℃の温度環境下、研磨浴として８質量％のリン酸水溶液を使用し、印加電圧１０Ｖで２０分間の通電を行うものとした。これにより、ブラスト処理後の接合予定表面の表面に、平均細孔径が約５０ｎｍで深さ（厚み）が約１０００ｎｍの多孔質構造（いわゆるアルマイト；多孔質型酸化皮膜）を形成した。
【００５０】
［水酸基の導入］
上記凹凸部を形成した金属部材または樹脂部材の接合予定表面に対し、プラズマ処理を施すことで水酸基を導入した。具体的には、処理プラズマとしては、プラズマ発生ガスとして０．５体積％の酸素ガスを含む窒素ガスを用い、プラズマ発生ガス流量５Ｌ／ｍｉｎ、周波数６０Ｈｚ、印加電圧９ｋＶ、電極間距離２ｍｍの条件で発生させた大気圧プラズマを用いた。そして金属部材または樹脂部材は、移動速度が１０ｍｍ/ｓｅｃとなるように大気圧プラズマ中を移動させた。なお、この水酸基の導入方法に従うと、金属部材と樹脂部材のいずれにおいても、水との接触角が２０°以下を実現できることが確認されている。
【００５１】
［反応性官能基の導入］
上記樹脂部材の接合予定表面に対し、下記の条件にて反応性官能基を導入した。
反応性官能基の導入には、下記のいずれかの有機化合物を用い、下記のいずれかの導入方法により処理を行った。
アクリル酸モノマー：ナカライテスク（株），純度９８％以上
無水マレイン酸：和光純薬工業（株），純度９９％以上
シランカップリング剤：東京化成工業（株），アクリル酸３−（トリメトキシシリル）プロピル，純度９３％以上
なお、アクリル酸モノマーについては原液を用いた。また、無水マレイン酸については、ジメチルスルホキシド（和光純薬工業（株）製，純度９９％以上）に溶解し、１０質量％の無水マレイン酸溶液を調製して用いた。
【００５２】
（１．バブリング＋プラズマ）
樹脂部材の接合予定表面を、上記いずれかの有機化合物を含むプラズマに曝すことで、この接合予定表面に反応性官能基を固定した。具体的には、まず、ステンレス製の容器に有機化合物の溶液を１００ｍＬ入れ、室温（２５℃）に保持した。
そして、この溶液中に、窒素ガスを吹き込んでバブリングさせることで、該容器中に有機化合物を含む混合ガス（蒸気）を発生させた。そして、かかる有機化合物を含む混合ガスをプラズマ発生ガスとしてプラズマ発生装置に導入することにより、有機化合物を含む大気圧プラズマを発生させた。プラズマ発生条件は、プラズマ発生ガス流量５Ｌ／ｍｉｎ、印加電圧９ｋＶ、電極間距離２ｍｍとした。また、樹脂部材は、移動速度が１０ｍｍ/ｓｅｃとなるように大気圧プラズマ中を移動させた。
【００５３】
（２．浸漬＋プラズマ）
樹脂部材の接合予定表面を上記いずれかの有機化合物の溶液に浸漬した。次いで、接合予定表面にプラズマ処理を施すことで、この有機化合物を接合予定表面に固定した。プラズマ処理に用いたプラズマは、上記「水酸基の導入」で用いたのと同条件で発生させた大気圧プラズマとした。そして、樹脂部材を、移動速度が１０ｍｍ/ｓｅｃとなるようにこの大気圧プラズマ中を移動させた。
【００５４】
（３．ラジカル重合）
上記いずれかの有機化合物と、重合開始剤とを含むラジカル重合溶液を調製し、この重合溶液を、樹脂部材の接合予定表面に塗布することで、この接合予定表面に反応性官能基を固定した。本実施形態では、下記の（１）〜（４）に示す手順で、樹脂部材の接合予定表面にアクリル酸モノマーに由来するカルボキシ基を導入した。
（１）樹脂材料の表面処理：上記の樹脂材料の接合予定表面に、上記の水酸基の導入と同じ条件で大気圧プラズマを照射することで、樹脂材料の表面処理を行った。
（２）ラジカル重合溶液の調整：窒素置換雰囲気中で、溶剤としての３，３−ジメチル−２−ブタノン（和光純薬工業（株）製，純度９７％以上）２０ｍＬに、上記のアクリル酸モノマーを１．４４ｇと、重合開始剤としてのアゾイソ２，２’−アゾビス（イソブチロニトリル）（和光純薬工業（株）製，純度９８％以上）を３３ｍｇ加えて、ラジカル重合溶液を調製した。
（３）ラジカル重合：表面処理を行った樹脂材料の接合予定表面を、上記で用意したラジカル重合溶液に浸漬し、ラジカル重合溶液の温度が５０℃となるように調整して２時間の反応を行った。
（４）後処理：樹脂部材をラジカル重合溶液から取り出し、蒸留水、アセトン（ナカライテスク（株）製，純度９９．５％）、メタノール（和光純薬工業（株）製，純度９９．７％）にて洗浄および乾燥を繰り返し、未反応物を取り除いた。
【００５５】
［レーザ接合］
上記のとおり用意した金属部材の接合予定表面と樹脂部材の接合予定表面とを両部材の幅を揃えて重ね合わせ、押え圧が５ＭＰａ〜１０ＭＰａとなるよう押圧することで両部材を密着させた。そして重ね合わせた接合予定表面に対し、幅方向に横断するようにレーザ光を照射する（すなわち、接合部長さ２０ｍｍ）ことで、これらの部材を接合した。これにより、接合部材Ｎｏ．１〜１７を得た。なお、レーザ照射条件は、以下の通りとした。また、レーザの走査速度は１〜３ｍｍ／ｓｅｃとし、同一部位を１回または２回横断させることで、レーザ照射時間を変化させた。
レーザ波長：８２０ｎｍ
出力      ：１００Ｗ
スポット径：φ１．８ｍｍ
（パワー密度：３．９×１０３Ｗ／ｃｍ２）
【００５６】
【表１】
2016016429.tif 000003
【００５７】
【表２】
2016016429.tif 000004
【００５８】
［評価］
上記レーザ接合により、金属部材と樹脂部材とが接合された接合部材を作製することができた。これらの接合部材は、レーザ照射部に対応して形成された、幅約２ｍｍ、長さ２０ｍｍの直線状の接合部により接合されていることが確認できた。そこで、得られたＮｏ．１〜１７の接合部材について、接合強度を測定した。接合強度は、ＪＩＳ Ｚ３１３６：１９９９に準じ、接合部材の長手方向に対して接合強度試験機を使用した引張りせん断試験を行い、金属部材と樹脂部材との接合部が破断したときの最大荷重を測定した。そしてかかる最大荷重を接合面積で除することにより、接合強度を算出した。その結果を、図２および図３に示した。
【００５９】
表１に示されるように、Ｎｏ．１〜７の例では、いずれも樹脂部材の表面に水酸基を導入して接合を行った。このとき、金属部材の接合予定表面をブラスト処理するのみのＮｏ．１の例では、実用に耐え得る接合は困難であった。そして、金属部材側にも水酸基を導入したＮｏ．２，４，６〜７の例において、水酸基を導入しない例よりも、接合強度が約２〜１０ＭＰａ程度高くなることが確認された。なお、金属部材の接合予定表面に陽極酸化処理を施し多孔質構造を設けておくことでも接合強度を高めることができるが、さらに水酸基を導入することで接合強度をより一層高められることも確認できた。
【００６０】
また、表２に示されるように、Ｎｏ．８〜１７の例では、いずれも金属部材の表面に水酸基を導入し、樹脂部材の表面にこの水酸基に対して反応性を有する反応性官能基を導入した。反応性官能基を導入するための有機化合物として、Ｎｏ．８〜１２の例ではアクリル酸を、Ｎｏ．１３〜１５の例では無水マレイン酸を、Ｎｏ．１６〜１７の例ではシランカップリング剤を用いた。これらの各例では、有機化合物の種類の他に、金属部材の凹凸部の形成方法や、反応性官能基の導入方法を異ならせている。
【００６１】
その結果、図２および図３に示されるように、例えば、Ｎｏ．２とＮｏ．８，１０，１２〜１３，１６との比較や、Ｎｏ．３，４とＮｏ．１１，１５，１７との比較等から、金属部材と樹脂部材とに互いに反応性を示す官能基を導入することで、接合強度を増大できることが確認できた。例えば、Ｎｏ．３，４とＮｏ．１０，１１との比較などから、かかる接合強度の向上効果は、被接合部材のいずれか一方又は両方へ水酸基を導入したときの効果よりもはるかに大きく、金属部材へ導入された水酸基と樹脂部材へ導入されたカルボキシ基等に代表される反応性官能基との化学結合による異種の効果が得られることがわかった。
【００６２】
なお、Ｎｏ．８〜１２の比較などから、反応性官能基の導入方法については、上記の（２．浸漬＋プラズマ）で示される方法がより多くの官能基を接合予定表面に確実かつ強固に導入することができ、接合強度の増大効果が大きいことが確認できた。そして、例えば、Ｎｏ．１１の接合部材については接合強度が２８．７ＭＰａと、例えば特許文献３の技術により実現される接合強度よりも高いことが確認できた。一方の、この実施形態で例示した（１．バブリング＋プラズマ）および（３．ラジカル重合）の手法でも、例えばＮｏ．２や４等の場合よりも接合強度の増大が図れており、反応性官能基の導入が可能なことが確認できた。なお、（１．バブリング＋プラズマ）の手法では、反応性官能基の導入工程を簡素化することができ、また非接触での反応性官能基の導入が可能となることが確認できた。また、（３．ラジカル重合）の手法によると、ラジカル重合溶液の供給手法を選択することで当該重合溶液の供給部位を任意に調整することができ、有機化合物のロスが極めて少なくてすむ等の利点があることが当業者には理解される。
【００６３】
（反応性官能基の導入の確認）
なお、上記の反応性官能基の導入において、有機化合物としてアクリル酸を用い、（２．浸漬＋プラズマ）の手法を採用して樹脂部材に反応性官能基を導入した樹脂部材（Ｎｏ．１０および１１）の表面の化学構造を、フーリエ変換赤外分光光度計（Fourier Transform Infrared Spectroscopy；ＦＴＩＲ）により測定した結果を図４に（ａ）として示した。なお、図４には、（ｂ）としてアクリル酸を導入する前の樹脂部材（基材）について測定した結果も併せて示した。
分析に際しては、プラズマ照射後の樹脂部材を、上記のラジカル重合の手順（４）に示したとおり、メタノール洗浄，アセトン洗浄および水洗浄したのちに分析に供した。
【００６４】
図４から明らかなように、反応性官能基を導入した（ａ）のスペクトルには、１７２０ｃｍ−１付近に基材には見られないカルボキシ基における炭素原子と酸素原子との二重結合（Ｃ＝Ｏ）に由来する吸収ピークが検出された。このことから、上記の浸漬＋プラズマの手法により、樹脂部材の表面にＣ＝Ｏ構造を有する反応性官能基が導入されたことが確認できた。なお、かかるピークは、アクリル酸に浸漬したのみの樹脂部材については検出されないことを確認している。すなわち、樹脂部材をアクリル酸へ浸漬するのみでは、樹脂部材の表面に付着していたアクリル酸が洗浄により容易に樹脂部材から除去されるが、プラズマ照射することによりアクリル酸が化学的な結合を形成して樹脂部材に確実に導入されることが分かる。
【００６５】
（接合界面の観察）
また、Ｎｏ．１１の接合部材について、引張せん断試験後の破断界面を走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）で観察するとともに、破断表面の組成についてエネルギー分散型Ｘ線分光分析（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy：ＥＤＸ）を行った。その結果、金属部材の破断表面についての結果を図５に（ａ）ＳＥＭ像および（ｂ）ＥＤＸスペクトルとして、樹脂部材の破断表面についての結果を図６に（ａ）ＳＥＭ像および（ｂ）ＥＤＸスペクトルとして示した。
【００６６】
図５（ａ）に示されるように、金属部材の破断表面のＳＥＭ像からは、陽極酸化被膜に特徴的な細孔が明瞭には確認できず、細孔が封孔されているかのように見られた。また、図５（ｂ）のＥＤＸスペクトルに示されるように、金属部材の破断表面からは、素材であるアルミニウムに由来するスペクトルは観察できず、炭素（Ｃ）および酸素（Ｏ）が多く検出された。このことから、金属部材の破断表面は、炭素（Ｃ）および酸素（Ｏ）等構成元素として含む有機物質に覆われていることが確認できた。また、図６（ａ）に示されるように、樹脂部材のＳＥＭ像から、樹脂部材の破断表面に、金属部材に設けられた凹凸部に対応すると考えられる突起があることが確認でき、樹脂部材がレーザ照射による発熱により軟化または溶融されて、金属部材の凹部に良好に浸透したことがわかった。また、図６（ｂ）のＥＤＸスペクトルからは樹脂部材の破断表面に金属部材の成分が検出され、この破断面においては破壊（破断）した金属部材の一部が付着していることが確認できた。これらのことから、ここに開示される技術によると、金属部材と樹脂部材という異種部材であっても、互いの界面が機械的構造と、化学結合により、強固に接合されていることが確認できた。
【００６７】
また、接着材等を用いない直接接合における破断は、被接合材の破断か接合界面の剥離のいずれかであり得る。本実施例で得られた接合部材においては、接合界面の剥離は観察されず、概ね樹脂部材の破断によるものであり、一部で樹脂部材の破断が生じていることが確認できた。このことから、かかる接合についても、樹脂部材自体の強度により、より強固な接合が可能となるといえる。また、凹凸部の最適化により、樹脂部材自体の強度により近づいた、より強固な接合が実現できると考えられる。
【００６８】
［実施形態２］
本実施形態では、上記実施形態１における樹脂部材の接合予定表面に水酸基を導入し、金属部材の接合予定表面に反応性官能基を導入して、両部材を互いの接合予定表面にて当接し、レーザで接合することで、Ｎｏ．１８〜２１の接合部材を作製した。
なお、本実施形態においては、金属部材として、実施形態１で用いたのと同じ寸法で厚みが１ｍｍのアルミニウム合金（Ａ５０５２）からなる板材を用いた。また、レーザ接合においては、接合幅をより均一とするために、同一部位を２回レーザ照射（同一走査線上を２回走査）するようにした。さらに、レーザ接合時の金属部材と樹脂部材との押え治具を、より均一な加圧を可能とする治具に改めた。そしてその他の条件は、実施形態１と同様にした。
【００６９】
金属部材への反応性官能基の導入に用いる有機化合物としては、メルカプトこはく酸（和光純薬工業（株）製，２０７−０１０５２）またはメルカプトプロピオン酸（和光純薬工業（株）製，３４６−０１６１１）を用いた。そしてかかる反応性官能基の導入方法としては、実施形態１における（１．バブリング＋プラズマ）の手法を採用した。樹脂部材への水酸基の導入は、上記の実施形態１の方法と同様に行った。
実施形態２におけるＮｏ．１８〜２１の接合部材の接合条件を、下記の表３に示した。
【００７０】
【表３】
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【００７１】
上記のように接合した金属部材と樹脂部材との接合強度を測定した。接合強度は、ＪＩＳ Ｚ３１３６：１９９９に準じ、接合部材の長手方向に対して接合強度試験機を使用した引張りせん断試験を行い、金属部材と樹脂部材との接合部が破断したときの最大荷重を測定した。そしてかかる最大荷重を接合面積で除することにより、接合強度を算出した。その結果を、図７に示した。
【００７２】
表３に示されるように、Ｎｏ．１８〜２１の例では、樹脂部材の表面に水酸基を導入し、金属部材の表面にこの水酸基に対して反応性を有する反応性官能基を導入した。反応性官能基を導入するための有機化合物としては、Ｎｏ．１８〜１９の例ではメルカプトこはく酸を、Ｎｏ．２０〜２１の例ではメルカプトプロピオン酸を用いた。これらの各例では、有機化合物の種類の他に、金属部材の凹凸部の形成方法や、反応性官能基の導入方法を異ならせている。
【００７３】
金属部材に導入した反応性官能基の種類や、金属部材の厚み等、いくつかの条件が異なるために直接的な比較はできないものの、図７に示されるように、Ｎｏ．１８〜２１の接合部材がＮｏ．１と比較して確実な接合を実現できることが確認できた。また、例えば、Ｎｏ．２０〜２１の接合部材は、有機化合物としてアクリル酸モノマーを用い、樹脂部材に反応性官能基を導入したＮｏ．１３および１４の接合部材とほぼ同等の接合強度を実現することが確認できた。一般に、反応性官能基は、樹脂部材に好適に導入され得ることは知られている。本実施形態では、反応性官能基を金属部材に導入するとともに、さらにかかる反応性官能基を樹脂部材に導入された水酸基と化学結合させることでも、強固なレーザ接合を実現できることが示された。
【００７４】
［実施形態３］
本実施形態では、接合Ａ：金属部材（アルミニウム金；Ａ５０５２）と樹脂部材（ナイロン６）との接合と、接合Ｂ：金属部材（ＳＵＳ３０４材）と樹脂部材（ポリエチレンテレフタレート；ＰＥＴ）との接合と、を行った。
これらの被接合部材の寸法は、いずれも上記実施形態２と同様で、幅２０ｍｍ×長さ５０ｍｍで厚みが１ｍｍの板状とし、第１および第２接合予定表面は、各被接合部材の一角から１ｃｍ×１ｃｍ内側の位置を中心とした、直径１３ｍｍの円形に設定した。
【００７５】
そして金属部材の第１接合予定表面には、上記実施形態１のＮｏ．１１と同様の条件で粗面化処理を施した後、水酸基を導入した。また、樹脂部材の第２接合予定表面には、アクリル酸溶液を第２接合予定表面に沿って略円形に塗布した後、Ｎｏ．１１と同様の条件で大気圧プラズマを照射することで、アクリル酸由来のカルボキシ基を導入した。
接合に際しては、金属部材と樹脂部材とを互いの接合予定表面が重なるよう各被接合部材を全面で重ね合わせ、実施形態１と同様の条件のレーザを、樹脂部材側から接合予定表面に照射することで接合を行った。レーザ照射に際しては、当接状態にある金属部材と樹脂部材とをステージに固定し、レーザを走査した。
【００７６】
接合Ａにより接合した接合体の観察像を図８（ａ）に、接合Ｂにより接合した接合体の観察像を図８（ｂ）に示した。得られた接合体の全てについて、金属部材と樹脂部材とが強固に接合できたことが確認できた。また、図８に示されるように、接合Ａおよび接合Ｂのいずれにおいても、接合部の形状は幅約２ｍｍ，直径約１３ｍｍの円形であり、微細な接合形状で再現性良く金属部材と樹脂部材との接合を行えることが確認できた。また、接合部は、例えばアクリル酸溶液の塗布部分よりも十分狭い領域に限定され、レーザ照射領域とほぼ一致することがわかる。すなわち、ここに開示される技術によると、接合したい箇所にのみレーザを照射して接合部を形成できることが確認できた。
【００７７】
以上、本発明の具体例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。例えば、当業者であれば、ここに開示される技術によると、被接合部材である金属部材と樹脂部材との種類や組み合わせは、上記の例示に限定されるものでないことが理解される。また、接合部の形態が、上記に例示した直線状や円形状にのみ限定されず、例えばレーザ操作が可能な任意の形態（例えば、線状、らせん状、不定曲線状など）であり得ることが理解される。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【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７】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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