(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱可塑性樹脂からなる合成樹脂部材と、金属からなる金属部材とを備え、アンカ部が設けられた前記金属部材の金属接合面に前記合成樹脂部材を接合した金属樹脂接合体において、
前記アンカ部は、間隔をあけて前記金属接合面から突出する一対の突条と、前記一対の突条の間に設けられた凹溝と、前記凹溝の溝底から突出する複数の隔壁とを備え、
前記複数の隔壁は、先端側に行くほど前記一対の突条が延びる方向の一方側に向かうように傾斜し、前記一対の突条の延びる方向に並んで設けられている金属樹脂接合体。
【請求項２】
前記金属部材の厚さ方向に対する前記一対の突条の外側面の傾斜角度が、４５度より小さい請求項１に記載の金属樹脂接合体。
【請求項３】
前記一対の突条は、前記凹溝の開口端が狭くなるようなアンダーカット形状をなしている請求項１又は２に記載の金属樹脂接合体。
【請求項４】
前記アンカ部の表面に金属酸化物が設けられている請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属樹脂接合体。
【請求項５】
前記金属接合面には、前記一対の突条が延びる方向に垂直な方向に複数の前記アンカ部が並べて設けられ、隣り合う前記アンカ部に設けられた前記複数の隔壁が互いに逆向きに傾斜する請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属樹脂接合体。
【請求項６】
金属からなる金属部材の金属接合面に、熱可塑性樹脂からなる合成樹脂部材を接合した金属樹脂接合体の製造方法において、
下記式（１）で表されるスポット間隔Ｍがレーザスポット半径Ｒの２倍以下、下記式（２）で表されるレーザパワー係数ｎが０．２以上３００以下、及び下記式（３）で表される強度Ｕが１．０×１０５Ｗ／ｍｍ２以上１．０×１０９Ｗ／ｍｍ２以下を満たすパルスレーザ光を、前記金属接合面に対して照射してアンカ部を形成するアンカ形成工程と、
前記アンカ形成工程後、前記金属部材と前記合成樹脂部材を加熱した状態で前記金属接合面に前記樹脂接合面を加圧しながら接触させる接合工程とを備える、金属樹脂接合体の製造方法。
Ｍ＝Ｖ／Ｑ・・・式（１）
ｎ＝Ｅ／（Ｖ×Ｌ×Ｒ×Ｃ×Ｈ）・・・式（２）
Ｕ＝Ｅ／（２πＲ２×Ｑ×Ｂ）・・・式（３）
式（１）〜（３）中、Ｖはレーザ光を走査させる速度（ｍｍ／ｓｅｃ）、Ｑはレーザ光の周波数（Ｈｚ）、Ｅはレーザパワー（Ｗ）、Ｌはレーザ光の照射によって金属接合面に形成される溝の深さの実測値、Ｒはレーザ光のスポット半径（ｍｍ）、Ｃは金属部材を構成する金属の比重（ｇ／ｍｍ３）、Ｈは金属部材を構成する金属の蒸発熱（Ｊ／ｇ）、Ｂはレーザ光のパルス半値幅（ｓｅｃ）を表す。
【請求項７】
前記接合工程は、ガラス転移温度以下の温度に達するまで前記金属部材と前記合成樹脂部材を冷却した後に前記加圧を解除する工程を備える、請求項６に記載の金属樹脂接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属樹脂接合体及び金属樹脂接合体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属からなる金属部材と合成樹脂からなる合成樹脂部材とを接合した金属樹脂接合体が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。金属樹脂接合体では、金属部材と合成樹脂部材との接合強度を高めるため、金属部材の表面に凹凸形状のアンカを形成するなど、種々の方法が提案されているが、更なる接合強度の向上が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１９−３１０５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、金属からなる金属部材と熱可塑性樹脂材からなる合成樹脂部材との接合強度を向上することができる金属樹脂接合体及び合金属樹脂接合体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本実施形態によれば、下記［１］〜［７］の態様が提供される。【０００６】
［１］熱可塑性樹脂からなる合成樹脂部材と、金属からなる金属部材とを備え、アンカ部が設けられた前記金属部材の金属接合面に前記合成樹脂部材を接合した金属樹脂接合体において、前記アンカ部は、間隔をあけて前記金属接合面から突出する一対の突条と、前記一対の突条の間に設けられた凹溝と、前記凹溝の溝底から突出する複数の隔壁とを備え、前記複数の隔壁は、先端側に行くほど前記一対の突条が延びる方向の一方側に向かうように傾斜し、前記一対の突条の延びる方向に並んで設けられている金属樹脂接合体。【０００７】
［２］前記金属部材の厚さ方向に対する前記一対の突条の外側面の傾斜角度が、４５度より小さい前記［１］に記載の金属樹脂接合体。【０００８】
［３］前記一対の突条は、前記凹溝の開口端が狭くなるようなアンダーカット形状をなしている前記［１］又は［２］に記載の金属樹脂接合体。【０００９】
［４］前記アンカ部の表面に金属酸化物が設けられている前記［１］〜［３］のいずれか１つに記載の金属樹脂接合体。【００１０】
［５］前記金属接合面には、前記一対の突条が延びる方向に垂直な方向に複数の前記アンカ部が並べて設けられ、隣り合う前記アンカ部に設けられた前記複数の隔壁が互いに逆向きに傾斜する前記［１］〜［４］のいずれか１つに記載の金属樹脂接合体。【００１１】
［６］金属からなる金属部材の金属接合面に、熱可塑性樹脂からなる合成樹脂部材を接合した金属樹脂接合体の製造方法において、下記式（１）で表されるスポット間隔Ｍがレーザスポット半径Ｒの２倍以下、下記式（２）で表されるレーザパワー係数ｎが０．２以上３００以下、及び下記式（３）で表される強度Ｕが１．０×１０５Ｗ／ｍｍ２以上１．０×１０９Ｗ／ｍｍ２以下を満たすパルスレーザ光を、前記金属接合面に対して照射してアンカ部を形成するアンカ形成工程と、前記アンカ形成工程後、前記金属部材と前記合成樹脂部材を加熱した状態で前記金属接合面に前記樹脂接合面を加圧しながら接触させる接合工程とを備える、金属樹脂接合体の製造方法。【００１２】
Ｍ＝Ｖ／Ｑ・・・式（１）
ｎ＝Ｅ／（Ｖ×Ｌ×Ｒ×Ｃ×Ｈ）・・・式（２）
Ｕ＝Ｅ／（２πＲ２×Ｑ×Ｂ）・・・式（３）
式（１）〜（３）中、Ｖはレーザ光を走査させる速度（ｍｍ／ｓｅｃ）、Ｑはレーザ光の周波数（Ｈｚ）、Ｅはレーザパワー（Ｗ）、Ｌはレーザ光の照射によって金属接合面に形成される溝の深さの実測値、Ｒはレーザ光のスポット半径（ｍｍ）、Ｃは金属部材を構成する金属の比重（ｇ／ｍｍ３）、Ｈは金属部材を構成する金属の蒸発熱（Ｊ／ｇ）、Ｂはレーザ光のパルス半値幅（ｓｅｃ）を表す。【００１３】
［７］前記接合工程は、ガラス転移温度以下の温度に達するまで前記金属部材と前記合成樹脂部材を冷却した後に前記加圧を解除する工程を備える、前記［６］に記載の金属樹脂接合体の製造方法。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、金属部材と合成樹脂部材との接合強度の高い金属樹脂接合体が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る金属樹脂接合体の概略構成を示す断面図
【図２】図１の金属樹脂接合体を構成する金属部材の接合面の概略構成を示す平面図
【図３】図２のＡ−Ａ断面図
【図４】本発明の一実施形態に係る金属樹脂接合体の製造方法の第１工程を示す図
【図５】本発明の一実施形態に係る金属樹脂接合体の製造方法の第２工程を示す図
【図６】実施例１における金属部材の金属接合面のＳＥＭ写真
【図７】実施例１における金属部材の断面のＳＥＭ写真
【図８】実施例１における金属部材の断面のＳＥＭ写真
【図９】実施例６における金属部材の金属接合面のＳＥＭ写真
【図１０】実施例６における金属部材の断面のＳＥＭ写真
【図１１】実施例６における金属部材の断面のＳＥＭ写真
【図１２】比較例１における金属部材の金属接合面のＳＥＭ写真
【図１３】比較例５における金属部材の金属接合面のＳＥＭ写真
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。本発明は下記実施形態に限定されない。下記実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。
【００１７】
（１）金属樹脂接合体１０
まず、本実施形態の金属樹脂接合体１０について説明する。図１に示すように、金属樹脂接合体１０は、熱可塑性樹脂からなる合成樹脂部材２０と、金属からなる金属部材３０とを備え、合成樹脂部材２０の表面（以下、この表面を「樹脂接合面」ということがある）２２と、金属部材３０の表面（以下、この表面を「金属接合面」ということがある）３２とを接合したものである。
【００１８】
（２）合成樹脂部材２０
合成樹脂部材２０は、熱可塑性樹脂をブロック状、板状、又は線状等の所定形状に成形した部材である。また、合成樹脂部材２０は、熱可塑性樹脂の塗膜や、熱可塑性樹脂製の接着剤からなる接着層であってもよい。合成樹脂部材２０を構成する熱可塑性樹脂として、具体例を挙げると、ポリプロピレン樹脂（ＰＰ樹脂）、ポリアセタール樹脂（ＰＯＭ樹脂）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ樹脂）、ポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン樹脂（ＡＢＳ樹脂）、ポリエチレン樹脂（ＰＥ樹脂）、ポリブチレンテレフタレート樹脂（ＰＢＴ樹脂）、ナイロン６６等（ＰＡ６６）のポリアミド樹脂（ＰＡ樹脂）、エポキシ樹脂、液晶ポリマー（ＬＣＰ樹脂）、変性ポリフェニレンエーテル樹脂（変性ＰＰＥ）、リアクター型軟質ポリプロピレン系樹脂（メタロセン系リアクター型ＴＰＯ樹脂）などである。また、合成樹脂部材２０は、上記のような熱可塑性樹脂に炭素繊維が配合された炭素繊維強化熱可塑性樹脂（ＣＦＲＴＰ）や、上記のような熱可塑性樹脂にガラス繊維、タルクなどの補強材や難燃化材や劣化防止剤やエラストマー成分などが配合されたものでもよい。
【００１９】
（３）金属部材３０
金属部材３０は、金属をブロック状、板状、又は線状等の所定形状に成形した部材である。金属部材３０を構成する金属としては、特に限定されず種々の金属を用いることができる。例えば、金属部材３０を構成する金属として銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）等を用いることができる。また、金属部材３０は、銅合金、鉄合金（鉄鋼材）、アルミニウム合金、ステンレス、チタン合金、ニッケル合金、クロム合金等の２種以上の金属からなる合金から構成されてもよい。
【００２０】
金属部材３０の形状は、用途等に応じて所望の形状とすることができる。金属部材３０の成形方法は、任意の方法を適用することができ、所望の形状の型に溶融した金属等を流し込む鋳造や、工作機械等による切削加工や、プレス機械等による打ち抜き加工等を用いてもよい。
【００２１】
また、金属部材３０は、金属接合面３２や後述するアンカ部３４に酸化膜（金属酸化物）が形成されていてもよい。酸化膜は、金属の表面に自然に形成された自然酸化膜であってもよい。また、酸化膜は、酸化剤による表面処理、陽極酸化による電解処理、プラズマ酸化処理、酸素含有気体中での加熱酸化処理等により金属部材３０の表面に形成されたものであってもよい。
【００２２】
好ましい態様として、酸化膜は、空気中などの酸素含有気体の雰囲気下において、金属部材３０の表面を急速に加熱して金属部材３０の表面に形成されたものであってもよい。急速に加熱する際の１分間あたりの金属部材３０の表面の上昇温度は、金属部材３０を構成する金属の融点温度以上であることが好ましい。このように金属部材３０の表面を急速に加熱することで、金属部材３０の表面に緻密な酸化膜を形成することができる。しかも、金属部材３０の表面を急速に加熱することで、酸化膜の表面にマイクロクラックが発生し、合成樹脂部材２０との接合面積が大きくなる。
【００２３】
なお、レーザ加熱、誘導加熱又は抵抗加熱など種々の方法によって金属部材３０の表面を急速に加熱することができるが、加熱時の昇温速度が速く、温度制御が容易であることから、レーザ光の照射によって金属部材３０の表面を加熱して酸化膜を形成することが好ましい。
【００２４】
また、金属部材３０の金属接合面３２には、粗面化処理が施され、アンカ部３４が設けられている。
【００２５】
（４）アンカ部３４
金属接合面３２に形成されたアンカ部３４は、図１〜図３に示すように、所定方向（以下、この方向を第１方向という）Ｘに間隔をあけて設けられた一対の突条３５、３５と、一対の突条３５，３５の間に設けられた凹溝３６と、凹溝３６の溝底から突出する複数の隔壁３７とを備える。
【００２６】
一対の突条３５、３５は、金属接合面３２から突出する突起が第１方向Ｘに垂直な方向（以下、この方向を第２方向という）Ｙへ延びる筋状の突起である。一対の突条３５、３５の第２方向Ｙの両端部は、図２に示すように終端部３８によって連結されてもよい。
【００２７】
なお、本実施形態では、図２に示すように、金属接合面３２に２つのアンカ部３４が第１方向Ｘに間隔をあけて設けられているが、金属接合面３２に１つのアンカ部３４を設けても良く、金属接合面３２に３つ以上のアンカ部３４を第１方向Ｘに間隔をあけて設けても良い。また、金属接合面３２に複数のアンカ部３４を設ける場合、一のアンカ部３４を構成する突条３５が、他のアンカ部３４を構成する突条３５と平行に設けられても良く、傾斜するように設けられても良い。
【００２８】
一対の突条３５、３５の外側面３５ａ、３５ａは、金属接合面３２から急峻に立ち上がるような面であることが好ましく、金属部材３０の厚さ方向Ｚに対する角度θが４５度より小さいことが好ましい（図３参照）。
【００２９】
また、一対の突条３５、３５の内側面３５ｂ、３５ｂは、金属接合面３２から金属部材３０の厚さ方向Ｚの一方側Ｚ１へ離れるほど第１方向Ｘの間隔が狭くなるように傾斜していることが好ましい。つまり、一対の突条３５，３５は、凹溝３６の開口端に近づくほど凹溝３６の溝幅が狭くなるようなアンダーカット形状をなしていることが好ましい。
【００３０】
凹溝３６は、金属接合面３２から突出する一対の突条３５，３５の間に区画された上側凹溝３６ａと、上側凹溝３６ａの奥側に設けられた下側凹溝３６ｂとを備える。
【００３１】
上側凹溝３６ａは、金属接合面３２より金属部材３０の厚さ方向一方側Ｚ１に形成された空間である。一対の突条３５，３５がアンダーカット形状の場合、上側凹溝３６ａは、溝底側に行くほど溝幅が広がった空間となる。
【００３２】
下側凹溝３６ｂは、金属接合面３２から金属部材３０の厚さ方向他方側Ｚ２へ陥没する空間である。下側凹溝３６ｂは、溝底側に行くほど溝幅が狭くなる先細状の空間である。
【００３３】
上記のような凹溝３６は、図２に示すように、凹溝３６の溝底から金属部材３０の厚さ方向一方側Ｚ１へ突出する複数の隔壁３７によって第２方向Ｙに区画されている。複数の隔壁３７は、図１に示すように、同じ方向へ傾斜している。具体的には、凹溝３６の溝底から先端側に向かうほど、一対の突条３５，３５が延びる第２方向Ｙの一方側Ｙ１に向かうように傾斜するアンダーカット形状をなしている。
【００３４】
このような複数の隔壁３７は、第２方向Ｙに間隔をあけて並んで設けられている。これにより、複数の隔壁３７は、下側凹溝３６ｂを第２方向Ｙに区画し、第２方向Ｙに隣り合う隔壁３７の間に、凹溝３６の溝底から金属部材３０の厚さ方向一方側Ｚ１に行くほど第２方向一方側Ｙ１へ向かうように傾斜する空間Ｓを形成する。
【００３５】
なお、複数の隔壁３７は、図１に示すように互いに略平行に設けられてもよく、また、互いに傾斜角度が異なっていてもよい。
【００３６】
また、図１に示すように、複数の隔壁３７は、その先端部に金属部材３０の厚さ方向一方側Ｚ１へ突出し、上側凹溝３６ａを第２方向Ｙに区画する突部３９が設けられてもよい。この突部３９は、金属部材３０の厚さ方向一方側Ｚ１へ行くほど第２方向他方側Ｙ２へ向かうように隔壁３７と反対側へ傾斜するように設けられてもよい。
【００３７】
また、隔壁３７は、図１に示すように凹溝３６の溝底から金属接合面３２まで設けてもよく、また、凹溝３６の溝底から凹溝３６の開口端まで第２方向一方側Ｙ１に向かうように傾斜する隔壁３７を設けても良い。
【００３８】
また、金属接合面３２に複数のアンカ部３４を第１方向Ｘに間隔をあけて設ける場合、第１方向Ｘに隣り合うアンカ部３４に設けられた隔壁３７が互いに逆向きに傾斜するように設けられても良い。つまり、１のアンカ部３４に設けられた隔壁３７が、凹溝３６の溝底から先端側に行くほど第２方向一方側Ｙ１に向かうように傾斜するアンダーカット形状をなし、１のアンカ部３４と第１方向Ｘに隣り合う他のアンカ部３４に設けられた隔壁３７が、凹溝３６の溝底から先端側に行くほど第２方向他方側Ｙ２に向かうように傾斜するアンダーカット形状をなしていても良い。
【００３９】
（５）金属樹脂接合体１０の製造方法
次に、金属樹脂接合体１０の製造方法について説明する。
【００４０】
まず、所定形状に成形した合成樹脂部材２０と金属部材３０を準備する。そして、金属部材３０の金属接合面３２にアンカ部３４を形成するアンカ形成工程を実行する。その後、アンカ部３４を形成した金属接合面３２に、合成樹脂部材２０の樹脂接合面２２を接合する接合工程を行う。これにより、金属部材３０の金属接合面３２に合成樹脂部材２０が接合された金属樹脂接合体１０が得られる。以下、アンカ形成工程及び接合工程について詳述する。
【００４１】
（５−１）アンカ形成工程
アンカ形成工程では、金属部材３０のうち合成樹脂部材２０が接合される金属接合面３２に、レーザ光の照射位置を第２方向へ移動（走査）させながら間欠的にレーザ光を照射する。具体的には、下記式（１）で表されるスポット間隔Ｍがレーザスポット半径Ｒの２倍以下、下記式（２）で表されるレーザパワー係数ｎが０．２以上３００以下、及び下記式（３）で表されるレーザ光の強度Ｕが１．０×１０５Ｗ／ｍｍ２以上１．０×１０９Ｗ／ｍｍ２以下を満たすパルス状のレーザ光を第２方向他方側Ｙ２へ走査させながら金属接合面３２に照射する。
【００４２】
Ｍ＝Ｖ／Ｑ・・・式（１）
ｎ＝Ｅ／（Ｖ×Ｌ×Ｒ×Ｃ×Ｈ）・・・式（２）
Ｕ＝Ｅ／（２πＲ２×Ｑ×Ｂ）・・・式（３）
式（１）〜（３）中、Ｖはレーザ光を走査させる速度（ｍｍ／ｓｅｃ）、Ｑはレーザ光の周波数（Ｈｚ）、Ｅはレーザパワー（Ｗ）、Ｌはレーザ光の照射によって金属接合面に形成される溝の深さの実測値、Ｒはレーザ光のスポット半径（ｍｍ）、Ｃは金属部材３０を構成する金属の比重（ｇ／ｍｍ３）、Ｈは金属部材を構成する金属の蒸発量（Ｊ／ｇ）、Ｂはレーザ光のパルス半値幅（ｓｅｃ）を表す。
【００４３】
なお、レーザ光の照射によって金属接合面に形成される溝の深さの実測値Ｌは、次のように測定する。すなわち、金属部材３０と同一の金属からなる試験片に対して、当該試験片の１の周縁を交差するようにレーザを照射する。このようなレーザの照射を５回繰り返し５つのレーザ照射痕を形成する。５つのレーザ照射痕について、試験片の端面に形成されたレーザ照射痕の深さを測定顕微鏡（株式会社ニコン製  測定顕微鏡ＭＭ−８００）を用いて測定し、５つの測定値の平均値をレーザ光の照射によって金属接合面に形成される溝の深さの実測値Ｌとする。
【００４４】
このようなパルス状のレーザ光を金属接合面３２に照射すると、レーザ光を照射した位置にある金属は溶融して照射位置の周りに堆積する。これにより、レーザ光を照射した位置の第１方向Ｘ両側に一対の突条３５が形成されるとともに、一対の突条３５の間に凹溝３６が形成される。また、凹溝３６には、溝底から先端側に行くほど第２方向一方側Ｙ１（言い換えれば、レーザ光の走査方向後側）に向かうように傾斜する隔壁３７が、第２方向Ｙに間隔をあけて複数形成され、第２方向Ｙに隣接する隔壁３７、３７の間に空間Ｓが形成される。
【００４５】
なお、スポット間隔Ｍは、０．５×１０−４ｍｍ以上であることが好ましく、レーザスポット半径Ｒ以下であることが好ましい。レーザパワー係数ｎは、０．５以上５０以下であることが好ましい。レーザ光の強度Ｕは、１．０×１０６Ｗ／ｍｍ２以上１．０×１０８Ｗ／ｍｍ２以下であることが好ましい。スポット間隔Ｍがレーザスポット半径Ｒ以下であると、凹溝３６に隔壁３７を密に設けることができる。スポット間隔Ｍが０．５×１０−４ｍｍ以上であると、レーザ光の照射中に形成された隔壁３７が、形成された後に照射されるレーザ光によって破壊されにくくなる。また、レーザパワー係数ｎが０．５以上５０以下であると、合成樹脂部材２０を接合するときに合成樹脂が溝底へ到達することができる程度の適度な深さの凹溝３６が形成されやすくなる。また、レーザ光の強度Ｕが１．０×１０６Ｗ／ｍｍ２以上１．０×１０８Ｗ／ｍｍ２以下であると、凹溝３６の溝底からの突出量が大きい隔壁３７が形成されやすくなる。
【００４６】
また、酸素含有気体中において上記のようにレーザ光を照射してアンカ部３４を形成すると、アンカ部３４の表面に金属酸化物が形成される。
【００４７】
また、複数のアンカ部３４を第１方向Ｘに間隔をあけて形成する場合、第１方向Ｘに所定間隔をあけた位置においてパルス状のレーザ光を第２方向他方側Ｙ２へ走査させながら金属接合面３２に照射する。その場合において、第１方向Ｘに隣り合うアンカ部３４を、レーザ光の走査方向を逆向きにして形成することで、第１方向Ｘに隣り合うアンカ部３４に設けられた隔壁３７を、互いに逆向きに傾斜するように形成することができる。
【００４８】
なお、金属部材３０の金属接合面３２にパルス状のレーザ光を照射してアンカ部３４を形成する前に、少なくとも金属接合面３２においてアンカ部３４を形成する箇所にレーザ光を照射し、金属接合面３２に付着する不純物を除去する前処理を行っても良い。
【００４９】
（５−２）接合工程
接合工程では、金属部材３０及び合成樹脂部材２０を加熱した状態で、金属接合面３２に樹脂接合面２２を加圧しながら接触させる。これにより、金属部材３０の金属接合面３２に合成樹脂部材２０が接合され金属樹脂接合体１０が得られる。本実施形態では、図４及び図５に示すような接合装置５０を用いて第１工程及び第２工程を行い、金属樹脂接合体１０を製造する。
【００５０】
接合装置５０は、金属部材３０が載置されるステージ５１と、ステージ５１に載置された金属部材３０を誘導加熱する加熱装置５２と、合成樹脂部材２０を金属部材３０に加圧接合するプレス装置５３とを備える。
【００５１】
ステージ５１には、アンカ部３４を設けた金属接合面３２が合成樹脂部材２０と対向するように金属部材３０が載置される。
【００５２】
加熱装置５２は、電源装置（不図示）に接続された誘導加熱コイルを備え、電源装置から駆動電源が入力されると誘導加熱コイルから磁界を発生させてステージ５１に載置された金属部材３０の金属接合面３２を誘導加熱する。
【００５３】
プレス装置５３は、セラミックス等の絶縁体で形成されたロッド５４と、ロッド５４を移動させて合成樹脂部材２０を金属部材３０の金属接合面３２に押し当てる加圧部５５とを備える。ロッド５４は、図４に示すように、加熱装置５２が有する誘導加熱コイルの中空部分に挿入され、合成樹脂部材２０と対向するように配置されていてもよい。加圧部５５は、電空レギュレータにより制御された空圧式シリンダや、スプリング式加圧器などを備え、ロッド５４とともに合成樹脂部材２０を移動させる速度と、合成樹脂部材２０を金属部材３０に押し当てる時の圧力を制御できることが好ましい。
【００５４】
接合装置５０を用いて金属樹脂接合体１０を製造するには、まず、気体が存在する雰囲気において、アンカ部３４を設けた金属接合面３２がこの後にセッティングする合成樹脂部材２０と対向するように、ステージ５１の上に金属部材３０を載置する。
【００５５】
次いで、樹脂接合面２２がステージ５１に載置した金属部材３０の金属接合面３２と間隔をあけて対向するように合成樹脂部材２０を配置する。金属部材３０の金属接合面３２と合成樹脂部材２０の樹脂接合面２２との間隔は、例えば、０．００１ｍｍ〜１０ｍｍに設定される。
【００５６】
次いで、合成樹脂部材２０を挟んで金属部材３０の金属接合面３２に対向するように加熱装置５２を配置する。図４に示す場合では、加熱装置５２を合成樹脂部材２０の上方に配置し、加熱装置５２と金属部材３０との間に合成樹脂部材２０を配置する。
【００５７】
次いで、合成樹脂部材２０の樹脂接合面２２を第１の温度Ｔ１に加熱した気体に曝す第１工程を実行する。
【００５８】
具体的には、加熱装置５２に駆動電源を供給して、加熱装置５２に設けられた誘導加熱コイルから磁界を発生させて金属部材３０の金属接合面３２を加熱する。その際、金属部材３０の金属接合面３２が第１の温度Ｔ１になるように、加熱装置５２に供給する駆動電源や加熱装置５２に設けられた誘導加熱コイルの位置等を調整する。
【００５９】
上記のような金属部材３０の加熱に伴って、金属部材３０と合成樹脂部材２０との間にある気体が第１の温度Ｔ１に加熱される。これにより、金属部材３０の金属接合面３２に対向する合成樹脂部材２０の樹脂接合面２２が、第１の温度Ｔ１に加熱された気体に曝され、樹脂接合面２２が第１の温度Ｔ１になる。加熱装置５２は、金属部材３０の金属接合面３２を所定時間Ｓ１（例えば、１〜１０秒間）加熱して上記のような第１工程を実行し、その後、第１工程を終了して第２工程へ移行する。
【００６０】
第１工程が終了すると、引き続き第２工程を実行するため、加熱装置５２は、金属部材３０の加熱を停止又は加熱量を低減して、樹脂接合面２２、金属接合面３２及びその周囲（金属部材３０と合成樹脂部材２０との間の気体）の温度が第２の温度Ｔ２になるまで降温（冷却）する。そして、第２の温度Ｔ２で合成樹脂部材２０と金属部材３０とを接合する。
【００６１】
つまり、第２工程では、第１の温度Ｔ１より低い温度（第２の温度Ｔ２）において、プレス装置５３が、合成樹脂部材２０を所定の速度Ｖで移動させて金属部材３０に衝突させる。このとき、合成樹脂部材２０は、ロッド５４の先端に対応した位置が金属部材３０に強く押し付けられ、所定の圧力Ｐで金属部材３０に押し付けられる。これにより、合成樹脂部材２０の樹脂接合面２２と金属部材３０の金属接合面３２とが局所的（スポット的）に接合された金属樹脂接合体１０が得られる。そして、第２工程を終了する。
【００６２】
ここで、第１の温度Ｔ１とは、合成樹脂部材２０を構成する熱可塑性樹脂の１．８ＭＰａの荷重を加えたときの荷重たわみ温度Ｔｆ以上の温度とすることができる。なお、合成樹脂部材２０が、熱可塑性樹脂に炭素繊維やガラス繊維やタルク等の補強材が配合された樹脂からなる場合、合成樹脂部材２０を構成する熱可塑性樹脂の１．８ＭＰａの荷重を加えたときの荷重たわみ温度Ｔｆとは、補強材を含まない熱可塑性樹脂の１．８ＭＰａの荷重を加えたときの荷重たわみ温度Ｔｆである。
【００６３】
第１の温度Ｔ１の上限値は、合成樹脂部材２０を構成する熱可塑性樹脂の分解温度以下、つまり、熱可塑性樹脂が気化し始める温度より低い温度とすることができる。一例を挙げると、第１の温度Ｔ１の上限値を１０００℃としてもよい。好ましくは、合成樹脂部材２０を構成する熱可塑性樹脂の融点Ｔｍより２０℃高い温度に第１の温度Ｔ１の上限値を設定することができる。
【００６４】
また、第２の温度Ｔ２は、第１の温度Ｔ１より低い温度であればよいが、合成樹脂部材２０を構成する熱可塑性樹脂の１．８ＭＰａの荷重を加えたときの荷重たわみ温度Ｔｆ以上であることが好ましい。第２の温度Ｔ２は、合成樹脂部材２０を構成する熱可塑性樹脂の融点Ｔｍより低い温度であることが好ましい。第１の温度Ｔ１と第２の温度Ｔ２との温度差は１℃以上２０℃以下であることが好ましい。
【００６５】
なお、本明細書において、熱可塑性樹脂の融点Ｔｍは、ＪＩＳ  Ｋ７１２１に準じて、示差走査熱量測定器を用いて、昇温速度毎分１０℃で測定した値である。代表的な熱可塑性樹脂の融点を挙げると、ポリプロピレン樹脂は１６８℃、ナイロン６６は２６５℃、ポリブチレンテレフタレート樹脂は２３２〜２６７℃、ポリフェニレンサルファイド樹脂は２８０℃である。
【００６６】
また、熱可塑性樹脂の荷重たわみ温度Ｔｆは、ＪＩＳ  Ｋ７１９１に準じた方法で測定した１．８ＭＰａの荷重を加えたときの荷重たわみ温度である。代表的な熱可塑性樹脂の１．８ＭＰａの荷重を加えたときの荷重たわみ温度Ｔｆを挙げると、ポリプロピレン樹脂は５７〜６５℃、ナイロン６６は６６〜６８℃、ポリブチレンテレフタレート樹脂は５８℃、ポリフェニレンサルファイド樹脂は１０５℃である。
【００６７】
なお、第１工程は、空気などの酸素含有気体中で実行されることが好ましい。つまり、酸素含有気体の雰囲気において金属接合面３２及び樹脂接合面２２を第１の温度Ｔ１に加熱し、金属接合面３２及び樹脂接合面２２を第１の温度Ｔ１に加熱された酸素含有気体に曝すことが好ましい。
【００６８】
酸素含有気体の雰囲気で第１工程を実行すれば、合成樹脂部材２０の樹脂接合面２２が、酸素含有気体に含まれている酸素と反応することで、塩基性または両性の酸化物と中和反応して化学的に結合しうる官能基が合成樹脂部材２０の樹脂接合面２２に生成される。
【００６９】
通常、金属部材３０の表面は、酸化され金属酸化物からなる酸化膜に被覆されているため、樹脂接合面２２に生成された官能基が金属部材３０の金属接合面３２に存在する金属酸化物とファンデルワールス力や水素結合によって接合する。加えて、合成樹脂部材２０と金属部材３０とを加熱及び加圧状態で接合することで、樹脂接合面２２の官能基が金属部材３０の金属酸化物と中和反応（脱水縮合）による共有結合を形成する。
【００７０】
樹脂接合面２２に生成される官能基の一例を挙げると、合成樹脂部材２０を構成する熱可塑性樹脂の酸化分解により生成されたカルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、カルボニル基（−ＣＯ−）、ヒドロキシ基（−ＯＨ）の少なくともいずれか１つを有している。合成樹脂部材２０を構成する熱可塑性樹脂がポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）のようなイオウ原子（ヘテロ原子）を含む樹脂では、樹脂接合面２２が有する官能基としてはカルボキシル基、カルボニル基、ヒドロキシ基に加えて、スルホン基（−ＳＯ３Ｈ）、スルホニル基（−ＳＯ２− ）、スルファニル基（−ＳＨ）、ジスルフィド基（−ＳＳ−）等のようなヘテロ原子を含む官能基を含んでもよい。
【００７１】
金属部材３０と合成樹脂部材２０の接合により生じる中和反応の一例を挙げると、樹脂接合面２２が官能基としてカルボキシル基（Ｒ−ＣＯＯＨ）を有しており、金属部材３０が２価の金属から構成されている場合、下記式（４）のような中和反応が生じる。
２（Ｒ−ＣＯＯＨ）＋ＭｅＯ＝２（Ｒ−ＣＯＯ）−Ｍｅ＋Ｈ２Ｏ ↑・・・（４）
なお、式（４）中、Ｒは合成樹脂部材２０を構成する熱可塑性樹脂の主鎖、Ｍｅは金属部材３０を構成する金属である。
【００７２】
また、酸素含有気体の雰囲気で第１工程を実行する場合、第２の温度Ｔ２は、合成樹脂部材２０の樹脂接合面２２が有する官能基と、金属部材３０の金属接合面３２に形成された金属酸化物とが中和反応による共有結合を形成しうる温度であることが好ましい。また、第２の温度Ｔ２は、中和反応により発生した水が反応系から除去される温度であることが好ましい。第２の温度Ｔ２は、官能基及び金属酸化物の種類により変わるため、一概に規定することが困難であるが、中和反応により発生した水が除去されやすいことから１００℃以上であることがより好ましい。
【００７３】
また、第１工程において、金属部材３０及び合成樹脂部材２０の全体が第１の温度Ｔ１になるように金属部材３０及び合成樹脂部材２０を加熱してもよいが、少なくとも金属接合面３２及び樹脂接合面２２が第１の温度Ｔ１になるように金属部材３０及び合成樹脂部材２０を加熱してもよい。
【００７４】
また、第２工程において、合成樹脂部材２０を金属部材３０に押し当てる時の圧力Ｐは、合成樹脂部材２０を構成する熱可塑性樹脂の圧縮降伏応力以上の圧力であることが好ましい。この圧力Ｐは、合成樹脂部材２０を構成する熱可塑性樹脂により変わるため、一概に規定することが困難であるが、１０〜１００ＭＰａであることが好ましい。
【００７５】
また、本実施形態では、プレス装置５３が金属部材３０へ向けて合成樹脂部材２０を移動する場合について説明したが、金属部材３０を合成樹脂部材２０へ向けて移動させてもよい。
【００７６】
また、本実施形態のように金属部材３０と合成樹脂部材２０を局所的に接合する場合、接合箇所の平面形状は点状、線状、面状など任意の形状であってもよい。
【００７７】
また、本実施形態では、金属部材３０と合成樹脂部材２０を局所的に加圧して接合する場合について説明したが、樹脂接合面２２や金属接合面３２の全面を加圧するなど合成樹脂部材２０と金属部材３０とを広い範囲にわたって接合してもよい。
【００７８】
また、本実施形態において、合成樹脂部材２０を金属部材３０に押し付けている間、合成樹脂部材２０、金属部材３０及びその周囲の温度を第２の温度Ｔ２に保持してもよい。あるいはまた、合成樹脂部材２０、金属部材３０及びその周囲の温度が所定温度以下に冷却されるまで、合成樹脂部材２０を金属部材３０に加圧状態で接触させ続けても良い。その場合、合成樹脂部材２０、金属部材３０及びその周囲の温度が、合成樹脂部材２０を構成する熱可塑性樹脂のガラス転移温度Ｔｇ以下に冷却されるまで、合成樹脂部材２０を金属部材３０に加圧状態で接触させることが好ましい。
【００７９】
また、本実施形態では、接合工程として、予め所定形状に成形した合成樹脂部材２０を加熱しながら金属部材３０に圧着する場合について説明したが、アンカ部３４が形成された金属部材３０を射出成形型内にインサートし、溶融した合成樹脂材料を射出成形型内で金属接合面３２へ向けて射出することで、金属部材３０に合成樹脂部材２０を接合してもよい。
【００８０】
（６）効果
本実施形態の金属樹脂接合体１０では、金属接合面３２に設けられたアンカ部３４が、アンダーカット形状の複数の隔壁３７を備えるため、合成樹脂部材２０と金属部材３０との接合強度を高めることができる。
【００８１】
しかも、アンカ部３４には、同じ方向に傾斜する複数の隔壁３７が、一対の突条３５、３５の延びる方向Ｙに並んで設けられているため、アンダーカット形状の隔壁３７を密に設けることができるとともに、合成樹脂部材２０の接合時に隔壁３７の間に形成された空間Ｓへ合成樹脂が入り込みやすくなり、接合強度を高めることができる。
【００８２】
また、本実施形態のように隔壁３７の間に形成された空間Ｓが、奥に行くにしたがって第１方向Ｘに狭くなる空間である場合、合成樹脂部材２０の接合時に空間Ｓの奥深くへ合成樹脂が入り込みやすくなり、接合強度を高めることができる。
【００８３】
本実施形態において、金属部材の厚さ方向に対する一対の突条３５の外側面３４ａの傾斜角度θが４５度より小さい場合、複数のアンカ部３４を第１方向Ｘに近づけて設けることができるため、アンカ部３４を金属接合面３２に密に設けて接合強度を高めることができる。
【００８４】
本実施形態において、一対の突条３５が、凹溝３６の開口端に近づくほど凹溝３６の溝幅が狭くなるようなアンダーカット形状をなしている場合、上側凹溝３６ａに入り込んだ合成樹脂もアンカ効果を発揮し接合強度を高めることができる。
【００８５】
本実施形態において、アンカ部３４の表面に金属酸化物が形成されている場合、合成樹脂部材２０の樹脂接合面２２が有する官能基が、アンカ部３４の金属酸化物と双極子相互作用によって接合する。加えて、樹脂接合面２２の官能基が金属酸化物と中和反応（脱水縮合）による共有結合を形成する。そのため、金属樹脂接合体１０の接合強度高めることができる。
【００８６】
また、本実施形態において、第１方向Ｘに隣り合うアンカ部３４に設けられた隔壁３７を、互いに逆向きに傾斜するように形成する場合、隔壁３７の傾斜方向が一方向に偏ることがなくなり、接合強度を高めることができる。
（実施例）
以下、本発明の実施例１〜１０及び比較例１〜８を説明する。なお、本発明は実施例１〜１０に限定されるものではない。
【００８７】
実施例１〜１０及び比較例１〜８において、レーザ波長が１０６４ｎｍ、スポット半径Ｒが０．０３ｍｍのシングルモードレーザを照射して金属部材の金属接合面にアンカ部を形成した。そして、アンカ部を形成した金属接合面に合成樹脂部材を接合した。実施例１〜１０及び比較例１〜８の金属部材の金属接合面に照射したレーザ光の条件は、下記表１に示したとおりである。
【００８８】
また、実施例１〜１０及び比較例１〜８に使用した金属部材及び合成樹脂部材の詳細、金属部材の寸法、合成樹脂部材の寸法、合成樹脂部材と金属部材との接合面積（オーバラップ面積）は、以下の通りである。
【００８９】
・ＳＵＳ３０４：表面にレーザ照射によって１秒間でＳＵＳ３０４の融点１４５０℃以上に加熱し酸化及び粗面化処理を施したＳＵＳ３０４
・ＳＰＣＣ：表面にレーザ照射によって１秒間でＦｅの融点１５３５℃以上に加熱し酸化及び粗面化処理を施したＳＰＣＣ
・Ｔｉ：表面にレーザ照射によって１秒間でＴｉの融点１６６８℃以上に加熱し酸化及び粗面化処理を施した純チタン２種材
・ＰＰＳ樹脂：サスティール（登録商標）ＳＧＸ１２０
・金属部材の寸法：１８ｍｍ×４５ｍｍ×１．６ｍｍ
・合成樹脂部材の寸法：１０ｍｍ×４０ｍｍ×３．０ｍｍ
・金属部材と合成樹脂部材との接合面積：１０ｍｍ×５ｍｍ
評価方法は次の通りである。
【００９０】
（ａ）アンカ部のＳＥＭ観察
金属接合面にアンカ部を形成した実施例１〜１０及び比較例１〜８の金属部材について、合成樹脂部材２０を接合していない状態でアンカ部のＳＥＭ観察を行った。複数の隔壁が、先端側に行くほど一対の突条が延びる方向の一方側に向かうように傾斜し、一対の突条の延びる方向に並んで形成されている場合、良好なアンカ部であると評価して「〇」で表し、このような隔壁が形成されていない場合、不良なアンカ部であると評価して「×」で表した。結果は表１、図６〜図１３に示すとおりである。  図６〜図１１に示すように、実施例１及び６の金属部材では、一対の突条の間に設けられた凹溝に、アンダーカット形状の複数の隔壁が突条の延びる方向に並んで設けられていた。実施例２〜５、７〜１０の金属部材でも、実施例１及び６と同様の凹溝及び隔壁を備えたアンカ部が形成されていた。
【００９１】
一方、図１２〜図１３に示すように、比較例１及び５の金属部材では、一対の突条の間に凹溝が形成されていたが、凹溝内に隔壁が形成されていなかった。また、他の比較例２〜４、６〜８の金属部材でも、比較例１及び５と同様、凹溝内に隔壁が形成されていなかった。
【００９２】
（ｂ）接合強度
ＪＩＳ  Ｋ  ６８５０に規定された試験方法のうち、金属部材の寸法、合成樹脂部材の寸法、合成樹脂部材と金属部材との接合面積を上記の通りに変更し、その他の条件を同規格に準じて、引張試験機（島津製作所、オートグラフ ＡＧＸ−Ｖ）を用い、引張速度１０ｍｍ／ｍｉｎ、測定温度２５℃で測定した。なお、実施例１〜１０及び比較例１〜８の試験片をそれぞれ４個ずつ作製し、４個の測定値の平均値をそれぞれの接合強度とした。
【００９３】
【表１】
0006879615.tif 000002
【００９４】
結果は、表１に示すとおりである。実施例１〜１０の金属樹脂接合体では、比較例１〜８に比べて合成樹脂部材と金属部材との接合強度を顕著に向上させることが確認できた。
【符号の説明】
【００９５】
１０…金属樹脂接合体、２０…合成樹脂部材、２２…樹脂接合面、３０…金属部材、３２…金属接合面、３４…アンカ部、３５…突条、３５ａ…外側面、３５ｂ…内側面、３６…凹溝、３６ａ…上側凹溝、３６ｂ…下側凹溝、３７…隔壁
【要約】
接合強度の高い金属樹脂接合体及びその製造方法を提供する。
本発明の金属樹脂接合体１０は、金属部材３０の金属接合面３２に設けられたアンカ部３４を備える。アンカ部３４は、間隔をあけて金属接合面３２から突出する一対の突条３５，３５と、一対の突条３５，３５の間に設けられた凹溝３６と、凹溝３６の溝底から突出する複数の隔壁３７とを備え、複数の隔壁３７は、先端側に行くほど一対の突条３５，３５が延びる方向の一方側Ｙ１に向かうように傾斜し、一対の突条３５，３５の延びる方向Ｙに並んで設けられている。【図１】
0006879615.tif 000003
【図２】
0006879615.tif 000004
【図３】
0006879615.tif 000005
【図４】
0006879615.tif 000006
【図５】
0006879615.tif 000007
【図６】
0006879615.tif 000008
【図７】
0006879615.tif 000009
【図８】
0006879615.tif 000010
【図９】
0006879615.tif 000011
【図１０】
0006879615.tif 000012
【図１１】
0006879615.tif 000013
【図１２】
0006879615.tif 000014
【図１３】
0006879615.tif 000015