(57)【要約】【課題】安定して良好な接合強度を有する接合構造の提供。【解決手段】金属部材（１）は、樹脂部材（２）と接合する接合面（１ａ）上に形成された窪み部（１ｂ）を有し、窪み部（１ｂ）が、接合面（１ａ）上に開口する開口部（１ｃ）と、金属部材（１）の内側に向かって窪む内壁面（１ｄ）とを有する。開口部（１ｃ）は、内壁面（１ｄ）よりも開口部（１ｃ）を狭くする方向に延びる返し部（１ｆ）を有する。窪み部（１ｂ）の穴深さＨが、６０μｍ以上１２０μｍ以下である。窪み部（１ｂ）を形成する前の接合面（１ａ）に対して、窪み部（１ｂ）を形成した後の接合面（１ａ）の表面積増加率Ｒｓが、３倍以上である。互いに隣接する窪み部（１ｂ）同士の底（１ｇ）の中間点（１ｅ）から開口部（１ｃ）までのアンダーカット長さＡが１０μｍ以上２０μｍ以下である。【選択図】図２
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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接合する接合構造であって、
前記金属部材は、前記樹脂部材と接合する接合面上に形成された窪み部を有し、
前記窪み部が、前記接合面上に開口する開口部と、前記金属部材の内側に向かって凹む形状を有する窪む内壁面と、を有し、
前記開口部は、前記内壁面よりも前記開口部を狭くする方向に延びる返し部を有し、
前記窪み部の穴深さＨが、６０μｍ以上１２０μｍ以下であり、
前記窪み部を形成する前の前記接合面に対して、前記窪み部を形成した後の前記接合面の表面積増加率Ｒｓが、３倍以上であり、
互いに隣接する窪み部同士の底の中間点から前記開口部までのアンダーカット長さＡが１０μｍ以上２０μｍ以下である接合構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属部材と樹脂部材とを接合した接合構造がある。例えば、特許文献１では、金属部材表面に窪み部を形成した後で、樹脂材料でインサート成形することによって、樹脂部材をその表面上に形成する。この窪み部は、底から開口へ向かうにつれて開口を狭くする方向に延びる返し部を有する。そのため、アンカー効果を実現して、金属部材と樹脂部材との接合強度を向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−０９４３７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
さらに安定して良好な接合強度を確保する接合構造が要求されている。特許文献１に開示される接合構造は、安定して良好な接合強度を確保できないことがあった。
【０００５】
本発明は、安定して良好な接合強度を有する接合構造を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本出願の発明者等は、金属部材における樹脂部材との接合面の穴深さ等のいくつかの因子が接合強度に大きな影響を与えることに気付いた。そこで、各因子について様々な調査をして、鋭意研究を行い、本出願の発明を想到した。
【０００７】
本発明にかかる接合構造は、
金属部材と樹脂部材とを接合する接合構造であって、
前記金属部材は、前記樹脂部材と接合する接合面上に形成された窪み部を有し、
前記窪み部が、前記接合面上に開口する開口部と、前記金属部材の内側に向かって凹む形状を有する窪む内壁面と、を有し、
前記開口部は、前記内壁面よりも前記開口部を狭くする方向に延びる返し部を有し、
前記窪み部の穴深さＨが、６０μｍ以上１２０μｍ以下であり、
前記窪み部を形成する前の前記接合面に対して、前記窪み部を形成した後の前記接合面の表面積増加率Ｒｓが、３倍以上であり、
互いに隣接する窪み部同士の底の中間点から前記開口部までのアンダーカット長さＡが１０μｍ以上２０μｍ以下である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明にかかる接合構造は、安定して良好な接合強度を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１に係る接合構造を示す模式断面図である。
【図２】実施の形態１に係る接合構造の要部を示す模式断面図である。
【図３】実施の形態１に係る接合構造の製造方法の一工程を示す図である。
【図４】実施の形態１に係る接合構造の製造方法の一工程を示す図である。
【図５】実施の形態１に係る接合構造の製造方法の一工程を示す図である。
【図６】実施の形態１に係る接合構造の製造方法の一工程を示す図である。
【図７】実施の形態１に係る接合構造の製造方法の一工程を示す図である。
【図８】実施例の穴深さＨに対する接合強度を示すグラフである。
【図９】実施例の表面積増加率Ｒｓに対する接合強度を示すグラフである。
【図１０】実施例のアンダーカット長さＡに対する接合強度を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１
図１及び図２を参照して、実施の形態１に係る接合構造について説明する。図１は、実施の形態１に係る接合構造を示す模式断面図である。図２は、実施の形態１に係る接合構造の要部を示す模式断面図である。図２では、見易さのため、ハッチングを省略している。
【００１１】
図１に示すように、接合構造１００は、金属部材１と、樹脂部材２とを接合した構造を有する。具体的には、金属部材１と樹脂部材２とは、金属部材１の接合面１ａと樹脂部材２の接合面２ａとを突き合わせた状態で、接合している。
【００１２】
金属部材１は、金属材料からなり、例えば、鉄鋼材料、アルミニウム、又は、これらの合金からなる。鉄鋼材料として、例えば、金型用の工具鋼などが挙げられる。金属部材１の接合面１ａは、複数のアンダーカット部１ｂを有し、複数のアンダーカット部１ｂ同士は、所定のピッチで接合面１ａに配置されている。
【００１３】
図２に示すように、アンダーカット部１ｂは、窪み部であり、例えば、穴や溝である。また、アンダーカット部１ｂは、接合面１ａにおいて開口する開口部１ｃと、金属部材１の内側に向かって凹む形状を有する内壁面１ｄと、前記内壁面よりも前記開口部を狭くする方向に延びる返し部１ｆとを有する。返し部１ｆは、言い換えると、開口部１ｃから離れた位置から視たときに、内壁面１ｄから開口部１ｃの中心側に延びる部分である。アンダーカット部１ｂは、具体的には、開口部１ｃよりも大きく広がる空間を内側に有する穴である。アンダーカット部１ｂは、より具体的には、金属部材１の接合面１ａから離れた位置から視たときに、内壁面１ｄの少なくとも一部が開口部１ｃの外側に位置する穴である。アンダーカット部１ｂの開口部１ｃの幅は、アンダーカット部１ｂの内壁面１ｄに包囲される空間の少なくとも一部の幅よりも短いと好ましい。
【００１４】
アンダーカット部１ｂは、所定の穴深さＨを有し、隣り合うアンダーカット部１ｂ同士は、穴ピッチＰで配置されている。穴深さＨは、６０μｍ以上１２０μｍ以下であると好ましく、穴ピッチＰは６０μｍより長いと好ましい。互いに隣接するアンダーカット部１ｂ同士の底１ｇの中間点１ｅから開口部１ｃまでの長さをアンダーカット長さＡとする。底１ｇは開口部１ｃの中心近傍にあってもよい。アンダーカット長さＡは、１０μｍ以上２０μｍ以下であると好ましい。
【００１５】
樹脂部材２は、金属部材１と比較して低い機械的強度を有する樹脂からなるとよく、例えば、熱硬化性エポキシ樹脂からなる。樹脂部材２は、金属部材１の接合面１ａと接合する接合面２ａと、接合面２ａから突き出る複数の侵入部２ｃとを有する。侵入部２ｃは、アンダーカット部１ｂに侵入している。侵入部２ｃと接合面１ａとが返し部１ｆを挟み込むと好ましく、さらに好ましくは、侵入部２ｃは、アンダーカット部１ｂの内側空間を完全に充填する形状を有する。
【００１６】
（製造方法）
次に、図３〜図７を参照して、実施の形態１にかかる接合構造１００の製造方法について説明する。図３〜図７は、実施の形態１に係る接合構造の製造方法の一工程を示す図である。
【００１７】
図３及び図４に示すように、金型８を用いて金属母材１１を圧縮し、さらに金型８を金属母材１１の被成形面１１ｂに沿う方向に超音波振動させることで、突起部１２ａを有する突起表面金属母材１２を形成する（突起部形成工程Ｓ１）。金型８は、成形面８ｂと、成形面８ｂから突起する突起部８ａとを有する。金型８は、例えば、工具鋼を放電加工又は切削加工を用いて成形される。金型８は、金属母材１１と比較して高い機械的強度を有すると好ましい。金属母材１１は、金属部材１（図１参照）と同じ種類の材料からなり、被成形面１１ｂを有する。突起表面金属母材１２は、隣接する突起部１２ａ同士の間に底部１２ｂを有する。
【００１８】
具体的には、成形面８ｂと被成形面１１ｂとを対向させて、金型８を金属母材１１に突き合わせることによって、被成形面１１ｂを圧縮する。すると、金属母材１１の被成形面１１ｂの少なくとも一部が金型８、特に隣接する突起部８ａ同士の間に流動する。さらに、金型８を金属母材１１に突き合わせたまま、金型８を被成形面１１ｂに沿う方向に超音波振動させることによって、隣り合う突起部８ａ同士の間への金属母材１１の流動を促進する。なお、金型８を成形面８ｂに沿う方向に超音波振動させてもよい。
【００１９】
ここで、図５に示すように、隣接する突起部８ａ同士の先端部８ｃの距離を凹凸ピッチｐ［ｍｍ］とし、成形面８ｂから突起部８ａまでの高さを突起部高さｈ［μｍ］とし、先端部８ｃの角度を突起部先端角度θ［°］とする。また、金属母材１１の被成形面１１ｂから底部１２ｂまでの距離を加工量ｄ１［ｍｍ］（図４参照。）とする。凹凸ピッチｐ、突起部高さｈ、及び、突起部先端角度θ、加工量ｄ１は、下記の数式２〜５を満たすと好ましい。
０．１≦ｐ≦１．５      …（数式２）
ｈ≧２ｐ      …（数式３）
２０≦θ≦４５      …（数式４）
０．１≦ｄ１≦１．５      …（数式５）
【００２０】
また、金型８に付加する超音波の振動周波数ｆ［ｋＨｚ］は、１５〜２８であると好ましく、振動振幅Ａ［μｍ］は１０〜１５０であると好ましい。言い換えると、振動振幅Ａは、凹凸ピッチｐの１０％であると好ましい。金型８の圧縮速度Ｖｐ［ｍｍ／ｓｅｃ］は、０．１〜１０の範囲内に収まるように、設定することができる。また、被成形面１１ｂは、図３〜図５に示す平面ではなく、三次元的な形状、例えば、長方形状板の端面であってもよい。
【００２１】
続いて、図６及び図７に示すように、金属板９を用いて、突起表面金属母材１２を圧縮し、アンダーカット部１ｂを有する金属部材１を形成する（アンダーカット部形成工程Ｓ２）。金属板９は、平滑な表面９ａを有する。圧縮回数は、複数回であってもよい。例えば、１回目の圧縮によって、突起部１２ａの先端が角度を有する、具体的には、０（ゼロ）°を上回り１８０°を下回るように、突起部１２ａの先端を変形させる。さらに、２回目の圧縮によって、突起部１２ａの先端を変形させる。これらの計２回の圧縮によって、返し部１ｆを形成することができる。
なお、突起部１２ａの壁面と底部１２ｂとが、アンダーカット部１ｂに対応する。突起表面金属母材１２の突起部１２ａから金属部材１の接合面１ａまでの距離を圧縮量ｄ２［ｍｍ］とする。圧縮量ｄ２を大きくすると、オーバーラップ量ｘが増加し、アンダーカット部１ｂが狭くなる。ここで、オーバーラップ量ｘは、返し部１ｆの長さである。圧縮量ｄ２は、下記の数式６を満たすと、返し部１ｆの過剰な変形によるアンダーカット部１ｂの開口部１ｃの閉塞が生じにくいから、好ましい。
ｄ２≦１／２ｈ      …（数式６）
【００２２】
続いて、樹脂部材２を構成する樹脂材料を金属部材１のアンダーカット部１ｂに充填させた後で、固めることによって、樹脂部材２と金属部材１とを接合する（接合工程Ｓ３）。ここで、アンダーカット部１ｂの内側に充填され、固まることによって形成された樹脂部材２の接合面２ａの一部を侵入部２ｃと呼ぶ。
【００２３】
以上、工程を経ると、樹脂部材２と金属部材１とを接合した接合構造１００が形成される。
【００２４】
ところで、接合構造１００では、金属部材１が所定のサイズを有するアンダーカット部１ｂを有し、樹脂部材２の侵入部２ｃがアンダーカット部１ｂに侵入している。そのため、金属部材１の接合面１ａと樹脂部材２の接合面２ａとは、大きな表面積で接合しており、侵入部２ｃが開口部１ｃよりも大きい。また、侵入部２ｃと接合面２ａが返し部１ｆを挟み込んでいる。ここで、樹脂部材２と金属部材１とを離すように、引っ張ると、侵入部２ｃと返し部１ｆとが噛み合うため、アンカー効果を奏する。また、穴深さＨ、穴ピッチＰ、及び、アンダーカット長さＡが所定の範囲内にあるため、接合構造１００は、安定して良好な接合強度を有する。
【００２５】
以上より、実施の形態１にかかる接合構造によれば、安定して良好な接合強度を有する。
【００２６】
ところで、接合構造１００は、樹脂封止型部品であれば適用することができ、例えば、インバータの冷却器に利用されると好適である。接合構造１００は、良好な接合強度を有するため、インバータの冷却器の構成要素として必要な耐水圧性や機械的強度を満たし得る。
【実施例】
【００２７】
次に、実施の形態１にかかる接合構造の実施例について説明する。各条件を設定し、接合強度との関係を調査した。実施例の金属部材１としては、アルミニウム合金からなるブロック体を用いた。また、実施例の樹脂部材２としては、熱硬化性エポキシ樹脂からなるブロック体を用いた。
【００２８】
具体的には、穴深さＨの実施条件は、３０〜１００μｍの範囲内から複数の水準を選択した。穴ピッチＰの実施条件は、３０〜８０μｍの範囲内から複数の水準を選択した。穴ピッチＰ約３０〜８０μｍは、表面積増加率Ｒｓ約１〜４倍に相当する。表面積増加率Ｒｓは、アンダーカット部１ｂ（図２参照）を形成する前の接合面１ａ（図２参照）の面積に対して、アンダーカット部１ｂを形成した後の接合面１ａの面積の増加率である。接合面１ａの面積は、例えば、画像測定によって算出することができる。また、表面積増加率Ｒｓは、例えば、以下の関係式１を用いて概算することができる。
Ｒｓ＝５×Ｈ/Ｐ２      …（関係式１）
穴ピッチＰが小さくなると、表面積増加率Ｒｓが大きくなる傾向にある。アンダーカット長さＡの実施条件が、約５〜３０μｍの範囲内からの複数の水準を選択した。
【００２９】
実施例にかかる接合構造を接合面に対して略垂直な方向に引っ張った場合の引張強度を計測し、この計測した引張強度を接合強度とした。所定の条件における穴深さＨ、表面積増加率Ｒｓ、又は、アンダーカット長さＡに対する接合強度を図８〜図１０に示した。
【００３０】
図８に示すように、穴ピッチＰ６０μｍ、アンダーカット長さＡ１０μｍでは、穴深さＨが深くなると、接合強度が高くなる傾向にある。穴深さＨが約３０μｍであるとき、接合強度約２５ＭＰａであり、穴深さＨが約９０μｍであるとき、接合強度が約３２ＭＰａであった。穴深さＨが約６０μｍ以上であれば、接合強度が３０ＭＰａ以上であると推測される。なお、接合強度３０ＭＰａは、熱硬化性エポキシ樹脂からなるブロック体の引張強度に相当する。そのため、接合強度３０ＭＰａを有する接合構造は、引っ張っても破断させても、接合面で破断しにくいため、接合強度３０ＭＰａは、良好な値とした。
【００３１】
図９に示すように、穴深さＨ１００μｍ、アンダーカット長さＡ１０μｍでは、表面積増加率Ｒｓが増加すると、接合強度が高くなる傾向にある。表面積増加率Ｒｓが約１．５倍であるとき、接合強度約２３ＭＰａであり、表面積増加率Ｒｓが約３．５倍であるとき、接合強度が約３２ＭＰａであった。表面積増加率Ｒｓが約３倍以上であれば、接合強度が３０ＭＰａ以上であると推測される。ここで、表面積増加率Ｒｓ３倍は、穴ピッチＰ６０μｍに相当する。
【００３２】
図１０に示すように、穴深さがＨ１００μｍ、穴ピッチＰが６０μｍ、アンダーカット長さＡが約５〜１８μｍの範囲内にあるとき、アンダーカット長さＡが増加すると、接合強度が高くなる傾向にある。一方、穴深さがＨ１００μｍ、穴ピッチＰが６０μｍ、アンダーカット長さＡが約２２μｍ以上であるとき、アンダーカット長さＡの値に関わらず、接合強度が略０（ゼロ）であった。この一因として、樹脂材料のアンダーカット部への浸入が抑制されることが考えられる。アンダーカット長さＡが約１０μｍであるとき、接合強度は約３２ＭＰａであり、アンダーカット長さＡが約１８μｍであるとき、接合強度が度約４０ＭＰａであった。アンダーカット長さＡが約１０〜約２０μｍの範囲内であれば、接合強度が３０ＭＰａ以上であると推測される。
【００３３】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１００  接合構造
１  金属部材
１ａ  接合面                                １ｂ  アンダーカット部
１ｃ  開口部                                １ｄ  内壁面
１ｅ  中間点                                １ｆ  返し部
１ｇ  底
２  樹脂部材
Ｐ  穴ピッチ                                Ｒｓ  表面積増加率
Ｈ  穴深さ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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