特許 7553305 複合部材の製造方法、及び複合部材

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-09

(45)【発行日】2024-09-18

(54)【発明の名称】複合部材の製造方法、及び複合部材

(51)【国際特許分類】

   B29C 65/02 20060101AFI20240910BHJP

   B29C 45/14 20060101ALI20240910BHJP

【ＦＩ】

B29C65/02

B29C45/14

【請求項の数】 14

(21)【出願番号】P 2020165913

(22)【出願日】2020-09-30

(65)【公開番号】P2022057584

(43)【公開日】2022-04-11

【審査請求日】2023-07-20

(73)【特許権者】

【識別番号】000191009

【氏名又は名称】新東工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】510281944

【氏名又は名称】新東エスプレシジョン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100161425

【弁理士】

【氏名又は名称】大森 鉄平

(74)【代理人】

【識別番号】100190470

【弁理士】

【氏名又は名称】谷澤 恵美

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 由華

(72)【発明者】

【氏名】寺本 亮

【審査官】神田 和輝

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１９／１３１０４６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／０９２６０７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１６－１７５１２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２９８１４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１１１２７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０２３０６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０７２６３９７２（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２９Ｃ ４５／００－４５／８４

Ｂ２９Ｃ ６５／００－６５／８２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属部材と樹脂部材とを接合した複合部材の製造方法であって、
前記金属部材の表面をレーザ加工するレーザ加工工程と、
前記レーザ加工された前記金属部材の表面に前記樹脂部材を直接接合する接合工程と、
を含み、
前記レーザ加工工程は、表面粗さが２０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である内面を有し、深さが１５μｍ以上６０μｍ以下である複数の凹部を４０％以上１００％以下の密度で前記金属部材の表面に形成し、
前記金属部材の材料は、鉄である、複合部材の製造方法。

【請求項2】

前記レーザ加工工程は、パルスレーザによりドット状の前記複数の凹部を形成する、請求項１に記載の複合部材の製造方法。

【請求項3】

前記複数の凹部は、平面視で円形状又は矩形状である、請求項２に記載の複合部材の製造方法。

【請求項4】

前記複数の凹部は、２０μｍ以上１５０μｍ以下の幅を有する、請求項２又は３に記載の複合部材の製造方法。

【請求項5】

前記レーザ加工工程は、パルスレーザにより連続した溝状の前記複数の凹部を形成する、請求項１に記載に記載の複合部材の製造方法。

【請求項6】

前記レーザ加工工程は、前記複数の凹部をレーザのスポット径の１倍以上２倍以下のピッチで配列させる、請求項１～５の何れか一項に記載の複合部材の製造方法。

【請求項7】

前記レーザ加工工程は、前記複数の凹部を前記金属部材の表面より低い壁部を介して配列させる、請求項１～６の何れか一項に記載の複合部材の製造方法。

【請求項8】

前記レーザ加工工程は、前記複数の凹部を前記金属部材の表面を頂部として有する壁部を介して配列させる、請求項１～６の何れか一項に記載の複合部材の製造方法。

【請求項9】

前記レーザ加工工程は、内面の傾斜角が４０度以上８０度以下となるように、前記複数の凹部を形成する、請求項１～８の何れか一項に記載の複合部材の製造方法。

【請求項10】

前記レーザ加工工程は、ドロスからなる接合用テクスチャーをレーザ非照射部に形成する、請求項１～９の何れか一項に記載の複合部材の製造方法。

【請求項11】

前記レーザ加工工程は、酸化物からなる接合用テクスチャーをレーザ非照射部に形成する、請求項１～９の何れか一項に記載の複合部材の製造方法。

【請求項12】

前記樹脂部材の材料は、熱可塑性樹脂である、請求項１～１１の何れか一項に記載の複合部材の製造方法。

【請求項13】

表面粗さが２０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である内面を有し、深さが１５μｍ以上６０μｍ以下である複数の凹部が４０％以上１００％以下の密度でその表面に設けられた金属部材と、
前記複数の凹部が設けられた前記金属部材の表面に直接接触する樹脂部材と、を備え、
前記金属部材の材料は、鉄である、複合部材。

【請求項14】

前記金属部材の表面に直交する断面において、前記金属部材は、前記内面から離間し、その周りが前記樹脂部材により囲まれた球状金属を、４個／ｍｍ以上５０個／ｍｍ以下の密度で有している、請求項１３に記載の複合部材。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、複合部材の製造方法、及び複合部材に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、複合部材の製造方法を開示する。この製造方法では、金属部材と樹脂部材とを接合した複合部材が製造される。金属部材の表面は、レーザ加工により粗面化される。樹脂部材は、粗面化された金属部材の表面に接合されるので、アンカー効果が生じると共に、接合部の流路抵抗が増す。このため、これらの製造方法で製造された複合部材は、優れた接合強度及び気密性を有する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１８－９４７７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

金属は、ガラス、セラミックス又は樹脂と比べて強度が高いため、複合部材の母材として有力である。特許文献１に記載の製造方法は、金属部材を母材とする複合部材の接合強度及び気密性を更に向上させるという観点から、改善の余地がある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一側面によれば、金属部材と樹脂部材とを接合した複合部材の製造方法が提供される。製造方法は、金属部材の表面をレーザ加工するレーザ加工工程と、レーザ加工された金属部材の表面に樹脂部材を直接接合する接合工程と、を含む。レーザ加工工程は、表面粗さが２０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である内面を有する複数の凹部を金属部材の表面に形成する。

【0006】

この製造方法によれば、金属部材の表面がレーザ加工される。レーザ加工後の金属部材の表面には、アンカー効果及び接合部の流路抵抗に寄与する複数の凹部が形成される。複数の凹部は、表面粗さが２０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である内面を有する。表面粗さが２０ｎｍ以上であることにより、金属部材の表面積が増える。これにより、アンカー効果が向上すると共に、接合部の流路抵抗が増す。表面粗さが１０００ｎｍ以下であることにより、樹脂部材の凹部への充填性が向上する。これにより、アンカー効果が向上すると共に、接合部の流路抵抗が増す。以上のことから、優れた接合強度及び気密性を有する複合部材の製造方法を提供することができる。

【0007】

一実施形態においては、複数の凹部の深さは、１５μｍ以上６０μｍ以下であってもよい。この場合、凹部の深さが１５μｍ以上なので、金属部材の表面積が更に増えると共に、接合部の流路抵抗が更に増す。凹部の深さが６０μｍ以下なので、レーザ加工工程にかかる時間が短縮され、生産性が向上する。

【0008】

一実施形態においては、レーザ加工工程は、パルスレーザによりドット状の複数の凹部を形成してもよい。この場合、金属部材の表面積が更に増える。

【0009】

一実施形態においては、複数の凹部は、平面視で円形状又は矩形状であってもよい。円形状の凹部の場合、接合界面の面積が大きくなり、接合界面の流路の長さを長くすることができるので、流路抵抗を大きくすることができる。矩形状の凹部の場合、円形状の凹部の場合よりも接合界面の面積が更に大きくなる。その上、矩形状の凹部の場合、界面の流通路が直角に曲がっているので、円形状の凹部の場合よりも更に流路抵抗を大きくすることができる。

【0010】

一実施形態においては、複数の凹部は、２０μｍ以上１５０μｍ以下の幅を有してもよい。剪断力を受ける凹部の数が多いほど、応力集中する箇所の荷重が分散される。しかし、凹部の幅が小さすぎると樹脂部材の良好な充填が阻害される。したがって、凹部の幅を２０μｍ以上１５０μｍ以下とすることにより、接合強度が向上する。

【0011】

一実施形態においては、レーザ加工工程は、複数の凹部を４０％以上１００％以下の密度で形成してもよい。この場合、金属部材の表面積が更に増える。

【0012】

一実施形態においては、レーザ加工工程は、パルスレーザにより連続した溝状の複数の凹部を形成よい。この場合、金属部材のダメージを低減することができる。

【0013】

一実施形態においては、レーザ加工工程は、複数の凹部をレーザのスポット径の１倍以上２倍以下のピッチで配列してもよい。実際に形成される凹部は、通常、レーザのスポット径よりも大きくなる。したがって、この構成によれば、複数の凹部を効率的に配列させることができる。

【0014】

一実施形態においては、レーザ加工工程は、複数の凹部を金属部材の表面より低い壁部を介して配列よい。この場合、複数の凹部を高密度で配列することができる。

【0015】

一実施形態においては、レーザ加工工程は、複数の凹部を金属部材の表面を頂部として有する壁部を介して配列してもよい。この場合、樹脂部材との接合面には、樹脂部材の亀裂の起点となる鋭利な凸部がない。よって、樹脂部材に亀裂が入ることが抑制される。

【0016】

一実施形態においては、レーザ加工工程は、内面の傾斜角が４０度以上８０度以下となるように、複数の凹部を形成してもよい。この場合、凹部の内面の傾斜角が４０度以上なので、接合部の流路抵抗が更に増し、気密性が更に向上する。凹部の内面の傾斜角が８０度以下なので、凹部の最頂部を起点とした破壊が生じ難い。

【0017】

一実施形態においては、レーザ加工工程は、ドロスからなる接合用テクスチャーをレーザ非照射部に形成してもよい。この場合、接合部の流路抵抗が更に増し、気密性が更に向上する。

【0018】

一実施形態においては、レーザ加工工程は、酸化物からなる接合用テクスチャーをレーザ非照射部に形成してもよい。この場合、接合部の流路抵抗が更に増し、気密性が更に向上する。

【0019】

一実施形態においては、金属部材の材料は、鉄、銅、又は、アルミニウムであってもよい。この場合、鉄、銅、及び、アルミニウムは、レーザ加工が容易な材料であるため、接合用のレーザ加工面を効率よく形成することができる。

【0020】

一実施形態においては、樹脂部材の材料は、熱可塑性樹脂であってもよい。この場合、金属部材の表面に熱可塑性樹脂を加熱した状態で接触させることにより、金属部材の表面に形成された凹部内に樹脂を充填させることができる。

【0021】

本開示の他の形態によれば、複合部材が提供される。複合部材は、表面粗さが２０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である内面を有する複数の凹部がその表面に設けられた金属部材と、複数の凹部が設けられた金属部材の表面に直接接触する樹脂部材と、を備える。

【0022】

この複合部材では、金属部材の表面には、アンカー効果及び接合部の流路抵抗に寄与する複数の凹部が設けられている。複数の凹部は、表面粗さが２０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である内面を有する。表面粗さが２０ｎｍ以上であることにより、金属部材の表面積が増える。これにより、アンカー効果が向上すると共に、接合部の流路抵抗が増す。表面粗さが１０００ｎｍ以下であることにより、樹脂部材の凹部への充填性が向上する。これにより、アンカー効果が向上すると共に、接合部の流路抵抗が増す。以上のことから、優れた接合強度及び気密性を有する接合部材を提供することができる。

【0023】

一実施形態においては、金属部材の表面に直交する断面において、金属部材は、内面から離間し、その周りが樹脂部材により囲まれた球状金属を４個／ｍｍ以上５０個／ｍｍ以下の密度で有していてもよい。この場合、４個／ｍｍ以上とすることにより、接合強度及び気密性が更に向上する。５０個／ｍｍ以下とすることにより、樹脂部材の凹部への充填性が向上する。

【発明の効果】

【0024】

本開示の一側面および実施形態によれば、優れた接合強度及び気密性を有する複合部材の製造方法及び複合部材が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】実施形態に係る複合部材を示す斜視図である。

【図2】図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った複合部材の断面図である。

【図3】複合部材の断面の一例を示す写真図である。

【図4】実施形態に係る複合部材の製造方法のフローチャートである。

【図5】実施形態に係るレーザ加工工程でレーザ加工された金属部材の断面図である。

【図6】金属部材の表面の一例を示す写真図である。

【図7】金属部材の表面の一例を示す写真図である。

【図8】金属部材の表面の一例を示す写真図である。

【図9】金属部材の表面の一例を示す写真図である。

【図10】単独で形成された凹部の直径と、ピッチとの関係を説明するための図である。

【図11】矩形状の凹部が形成された金属部材の平面図の一例である。

【図12】単独の凹部の直径がピッチよりも小さい場合の断面図である。

【図13】凹部の内面の傾斜角について説明するための断面図である。

【図14】凹部の内面の傾斜角が８０度よりも大きい場合の断面図である。

【図15】射出成形に用いられる金型の上面図である。

【図16】図１５のＸＶＩ－ＸＶＩ線に沿った金型の断面図である。

【図17】凹部の幅と剪断力を受ける領域の面積との関係について説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、図面を参照して、実施形態について説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、本実施形態における「接合強度」は「剪断強度」として説明する。

【0027】

［複合部材］
図１は、実施形態に係る複合部材１を示す斜視図である。図１に示されるように、複合部材１は、金属部材２及び樹脂部材３を備える。複合部材１は、金属部材２及び樹脂部材３が接合により一体化された部材である。金属部材２及び樹脂部材３は、一例として、それぞれ板状の部材である。樹脂部材３は、金属部材２の表面２ａに直接接触している。図１では、樹脂部材３は、金属部材２の表面の一部（金属部材２の接触面４）に直接接触しており、重ね継手構造を有する。

【0028】

金属部材２の材料は、例えば、鉄、銅、又は、アルミニウムである。樹脂部材３の材料は、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリアミド（ＰＡ）、アクリロ二トリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）、又は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの熱可塑性樹脂である。

【0029】

図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った複合部材１の断面図である。図２に示されるように、金属部材２は、その表面２ａの一部（接触面４）に複数の凹部５が設けられている。凹部５は、表面粗さ（Ｒａ）が２０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下、より好ましくは、２０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である内面５ａを有する。内面５ａの表面粗さは、ＪＩＳ Ｂ０６０１：１９９４／２００１に準拠した線粗さである。内面５ａの表面粗さは、表面２ａにおいて凹部５が設けられていない部分の表面粗さよりも粗い。

【0030】

内面５ａの表面粗さは、例えば、複合部材１の断面の顕微鏡写真を画像解析することにより測定される。複合部材１の断面は、例えば、イオンミリング装置により作成される。砥石による切断やレーザによる断面加工は、複合部材１に熱影響や機械的なダメージを与える。イオンミリングによれば、複合部材１に与える熱影響や機械的なダメージを抑制できる。イオンミリング装置としては、例えば、ＪＥＯＬ社製のＩＢ－１９５００ＣＰを用いることができる。内面５ａの表面粗さは、樹脂部材３を除去後に、例えば、白色干渉顕微鏡により測定してもよい。

【0031】

白色干渉顕微鏡として、例えば、新東Ｓプレシジョン株式会社製のＩＳ－Ｒ１００を用いることができる。樹脂部材３の除去方法として、例えば、溶媒により溶かす方法を用いることができる。例えば、樹脂部材３の材料がポリアミドの場合、アニリン（Aniline）、又は、エチレンクロルヒドリン（Ethylenechlorohydrin）等の溶媒が用いられる。樹脂部材３の除去方法として、他にも大気圧プラズマにより分解除去する方法等を用いることができる。

【0032】

凹部５の深さは、１５μｍ以上６０μｍ以下、より好ましくは、２０μｍ以上５５μｍ以下である。凹部５の深さは、表面２ａを基準面とした各凹部５の最も深い位置における深さ、すなわち、最大深さの平均値として求められる。凹部５の深さは、複合部材１の断面の顕微鏡写真を画像解析することによって求めることもできる。凹部５の深さは、樹脂部材３を除去後に、例えば、白色干渉顕微鏡により測定してもよい。

【0033】

複数の凹部５は、ピッチＡで配列している。複数の凹部５は、壁部６を介して配列している。この例では、壁部６の高さは、表面２ａの高さと同等である。壁部６は、表面２ａを頂部として有する。ピッチＡは、例えば２０μｍ以上１５０μｍ以下である。ピッチＡは、隣り合う一対の凹部５の中心間距離である。

【0034】

樹脂部材３は、その一部が凹部５に入り込んだ状態で、金属部材２に接合されている。このような構造は、例えば、射出成形により形成される。複合部材１は、射出成形以外の手法、例えば、プレス成形、振動接合、又は、超音波接合により接合されてもよい。

【0035】

図３は、複合部材１の断面の一例（後述の試験例２１）を示す写真図である。図３に示されるように、表面２ａ（図１参照）に直交する断面において、金属部材２は、凹部５の内面５ａから離間し、その周りが樹脂部材３により囲まれた球状金属２ｂを有している。球状金属２ｂは、断面では樹脂部材３により完全に囲まれているように見えるが、実際は内面５ａと接続されており、金属部材２の一部である。金属部材２は、表面２ａに直交する断面において、球状金属２ｂを４個／ｍｍ以上５０個／ｍｍ以下の密度で有している。球状金属２ｂの密度は、表面２ａに直交する断面において、表面２ａと平行な方向における単位長さ（１ｍｍ）当たりの球状金属２ｂの個数として定義される。

【0036】

以上説明したように、本実施形態に係る複合部材１では、樹脂部材３と直接接触する金属部材２の表面２ａにアンカー効果及び接合部の流路抵抗に寄与する複数の凹部５が設けられている。複数の凹部５は、表面粗さが２０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である内面５ａを有する。表面粗さが２０μｍ以上であることにより、金属部材２の接合部の表面積が増す。これにより、溶融した樹脂部材３が凹部５に流れ込み、金属部材２と溶着した際に、アンカー効果が向上すると共に、接合部の流路抵抗が増す。表面粗さが１０００μｍ以下であることにより、樹脂部材３の凹部５への充填性が向上する。これにより、アンカー効果が向上すると共に、接合部の流路抵抗が増す。以上のことから、優れた接合強度及び気密性を有する複合部材１を提供することができる。

【0037】

金属部材２は、表面２ａに直交する断面において、球状金属２ｂを４個／ｍｍ以上の密度で有している。球状金属２ｂは凹部５の内面５ａと接続されているので、アンカー効果が奏される。よって、接合強度及び気密性が更に向上する。５０個／ｍｍ以下の密度とすることで、樹脂部材３の凹部５への充填性が向上する。

【0038】

金属部材２の材料は、例えば、鉄、銅、又は、アルミニウムである。鉄、銅、及び、アルミニウムは、レーザ加工が容易な材料であるため、接合用のレーザ加工面を効率よく形成することができる。樹脂部材３の材料は、熱可塑性樹脂である。熱可塑性樹脂を加熱した状態で金属部材２のレーザ加工面に接触させることにより、金属部材２の表面２ａに形成された凹部５内に樹脂を充填させることができる。凹部５の内面５ａにおける表面粗さの中に樹脂が転写されることによって形成された接合界面によれば、アンカー効果が発揮され、高い剪断強度を得ることができる。樹脂の転写方法として、射出成形、又は、加熱した金型によるプレス成形等の方法がある。

【0039】

［複合部材の製造方法］
図４は、実施形態に係る複合部材１の製造方法ＭＴのフローチャートである。図４に示されるように、製造方法ＭＴは、準備工程Ｓ１０と、レーザ加工工程Ｓ１２と、接合工程Ｓ１４とを含む。最初に、準備工程Ｓ１０として金属部材２が準備される。続いて、準備された金属部材２の表面２ａをレーザ加工するレーザ加工工程Ｓ１２が行われる。最後に、レーザ加工された金属部材２の表面２ａに樹脂部材３を直接接合する接合工程Ｓ１４が行われる。以下、レーザ加工工程Ｓ１２及び接合工程Ｓ１４の詳細について説明する。

【0040】

［レーザ加工工程］
レーザ加工工程Ｓ１２では、例えば、パルスレーザが用いられる。図５は、実施形態に係るレーザ加工工程Ｓ１２でレーザ加工された金属部材２の断面図である。図６～図９は、金属部材２の表面２ａの一例を示す写真図である。図６の写真図は、銅（ＪＩＳ：Ｃ１０２０）を材料とする金属部材の表面の一例（後述の試験例１）である。図７及び図８の写真図は、それぞれ鉄（ＪＩＳ：ＳＰＣＣ）を材料とする金属部材の表面の一例（後述の試験例９及び試験例１３）である。図９の写真図は、アルミニウム（ＪＩＳ：Ａ５０５２）を材料とする金属部材の表面の一例（後述の試験例２３）である。

【0041】

レーザ加工工程Ｓ１２は、図５～図９に示されるような複数の凹部５を金属部材２の表面２ａに形成する。上述のように、凹部５の内面５ａの表面粗さは、２０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下、より好ましくは、２０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。内面５ａの表面粗さは、レーザの照射条件によって調節される。内面５ａの表面粗さは、複合部材１における場合と同様に、例えば、白色干渉顕微鏡、又は、断面顕微鏡写真の画像解析によって測定することができる。金属部材２の断面は、複合部材１の断面と同様の手法で作成される。

【0042】

凹部５の深さは、上述のように、１５μｍ以上６０μｍ以下、より好ましくは、２０μｍ以上５５μｍ以下である。凹部５の深さは、レーザの照射条件によって調節される。凹部５の深さは、複合部材１における場合と同様に、例えば、白色干渉顕微鏡、又は、断面顕微鏡写真の画像解析によって測定することができる。

【0043】

レーザ加工工程Ｓ１２は、パルスレーザによりドット状の複数の凹部５を形成する。レーザ加工工程Ｓ２は、複数の凹部５を４０％以上１００％以下の密度で形成する。複数の凹部５は、平面視で（表面２ａに直交する方向から見て）、例えば円形状（図６、図７及び図９参照）、又は矩形状（図８参照）である。凹部５の幅Ａ１は、例えば、２０μｍ以上１５０μｍ以下である。凹部５の幅Ａ１は、円形状の凹部５においては、凹部５の直径であり、矩形状の凹部５においては、凹部５の一辺の長さである。

【0044】

レーザ加工工程Ｓ１２は、複数の凹部５をレーザのスポット径の１倍以上２倍以下のピッチＡで配列させる。例えば、レーザのスポット径が５０μｍの場合、ピッチＡは５０μｍ以上１００μｍ以下である。図６～図９に示される例では、複数の凹部５は、格子状又はマトリックス状に配列されており、ピッチＡは縦方向及び横方向で互いに同等であるが、ピッチＡは縦方向及び横方向で互いに異なっていてもよい。複数の凹部５は、千鳥状に配置されていてもよいし、ランダムに配置されていてもよい。

【0045】

図１０及び図１１を参照して、矩形状の凹部５の形成方法について説明する。図１０は、単独で形成された円形状の凹部の直径Ｂと、ピッチＡとの関係を説明するための図である。直径Ｂは、通常レーザのスポット径よりも大きくなる。図１１は、矩形状の凹部５が形成された金属部材２の平面図の一例である。図１０に示されるように、破線で示される単独の凹部の直径ＢがピッチＡよりも大きいため（Ｂ＞Ａ）、単独の凹部とは異なる形状を有する凹部５が形成される。隣り合う凹部５間には、非照射部である表面２ａよりも低い壁部６が形成される。この例では、レーザ加工工程Ｓ１２は、複数の凹部５を表面２ａより低い壁部６を介して配列させると言える。壁部６の深さＣは、表面２ａを基準とした深さである。壁部６は、表面２ａより深さＣだけ低い。この例では、複数の凹部５を隙間なく高密度で配列させることができる。

【0046】

図１１に示されるように、矩形状の複数の凹部５は、ピッチＡで格子状に配列されている。単独の凹部は、破線で示されるように円形状である。単独の凹部の直径ＢがピッチＡよりも大きいため（Ｂ＞Ａ）、矩形状の凹部５が形成される。ここでは、ピッチＡが縦方向及び横方向で互いに等しいため、凹部５は正方形状となっている。ピッチＡが縦方向及び横方向で互いに異なる場合、凹部５は長方形状となる。平面視で壁部６は直線状であり、凹部５の四辺を構成している。凹部５の幅Ａ１は、隣り合う一対の壁部６間の距離と等しい。Ｂ＞Ａのとき、幅Ａ１はピッチＡに限りなく近くなる（Ａ１≒Ａ）。

【0047】

図１２は、単独の凹部の直径ＢがピッチＡよりも小さい場合の断面図である。このとき直径Ｂは、凹部５の幅Ａ１と等しい（Ｂ＝Ａ１）。図１２に示されるように、隣り合う凹部５間には、非照射部である表面２ａを頂部として有する壁部６が形成される。この例では、レーザ加工工程Ｓ１２は、複数の凹部５を金属部材２の表面２ａを頂部として有する壁部６を介して配列させると言える。この構成では、樹脂部材３との接合面には、樹脂部材３の亀裂の起点となる鋭利な凸部がない。よって、樹脂部材３に亀裂が入ることが抑制される。特に、亀裂が進展し易い、硬くて脆い種類の樹脂に対して有効である。直径ＢがピッチＡ以下の場合（Ｂ≦Ａ）、ピッチＡが小さいほど、金属部材２の表面積が増えるので、接続強度及び密着性が向上すると共に、気密性が向上する。

【0048】

図１３は、凹部５の内面５ａの傾斜角θについて説明するための断面図である。傾斜角θは、金属部材２の表面２ａに直交する断面において、凹部５の５０％深さを示す仮想線Ｌ１と直線Ｌ２とがなす角度として定義される。直線Ｌ２は、内面５ａと仮想線Ｌ１との交点Ｐと、凹部５の最頂部５ｔとを結ぶ直線である。凹部５の５０％深さは、以下に定義される１００％深さ及び０％深さに基づき、相対値として求められる。仮想線Ｌ１は、表面２ａに平行な直線であり、凹部５ごとに設定される。

【0049】

凹部５の１００％深さは、表面２ａに直交する断面における凹部５の最底部５ｂの深さである。凹部５の最底部５ｂは、表面２ａに直交する断面において、表面２ａからの深さが最も深い位置となる部分である。凹部５の０％深さは、表面２ａに直交する断面における凹部５の最頂部５ｔの深さである。凹部５の最頂部５ｔは、表面２ａに直交する断面において、最底部５ｂからの高さが最も高い位置となる部分である。すなわち、表面２ａに直交する断面において、凹部５を形成する左右の壁面の頂部のうち、高い方が最頂部５ｔである。最頂部５ｔの高さは、表面２ａと同等か、それよりも低くなる。

【0050】

図１４は、凹部５の内面５ａの傾斜角θが８０度よりも大きい場合の断面図である。このように、傾斜角θが８０度よりも大きい場合は、傾斜角θが８０度以下の場合よりも、最頂部５ｔが破壊の起点となり易い。なお、図１４では、単独の凹部５のみが示されているが、傾斜角θによる最頂部５ｔの脆さの違いを比較する際は、最頂部５ｔの幅等の傾斜角θ以外の条件を揃える必要がある。

【0051】

レーザ加工工程Ｓ１２は、レーザ照射により、ドロス（図７参照）又は酸化物（図８参照）からなる接合用テクスチャーをレーザ非照射部に形成してもよい。ドロスは、レーザ照射により飛散した金属の粒である。ドロスによれば、金属部材２の表面積が増えるので、金属部材２及び樹脂部材３の接合強度が向上すると共に、接合部の流路抵抗が増し、気密性が向上する。酸化物は、レーザ照射により飛散した金属の粒が高熱により酸化したものである。酸化物によれば、ドロスよりも金属部材２の表面積が増えるので、接合強度が更に向上する共に、接合部の流路抵抗が更に増し、気密性が更に向上する。これらの接合用テクスチャーは、レーザ加工条件を調節することにより形成できる。

【0052】

［接合工程］
接合工程Ｓ１４として、例えば、射出成形が行われる。ここではインサート成形が行われる。インサート成形では、所定の金型にインサートを装着し、樹脂を注入して所定時間保持して硬化させる。その後、熱処理により樹脂の残留応力を取り除く。接合工程Ｓ１４として射出成形以外に、例えば、プレス成形、振動接合、又は、超音波接合が行われてもよい。

【0053】

図１５は、射出成形に用いられる金型の上面図である。図１６は、図１５のＸＶＩ－ＸＶＩ線に沿った金型の断面図である。図１５及び図１６に示されるように、金型２０は、金型本体２１（上金型２１ａ及び下金型２１ｂ）を備える。上金型２１ａと下金型２１ｂとの間には、インサート（ここでは金属部材２）を装着するための空間２２及び樹脂が注入される空間２３を備えている。上金型２１ａの上面には、樹脂注入口が設けられている。樹脂注入口は、スプルー２４、ランナー２５及びゲート２６を介して空間２３に連通している。空間２３には、圧力センサ２７及び温度センサ２８が設けられており、空間２３の圧力及び温度が検出される。圧力センサ２７及び温度センサ２８の検出結果に基づいて、図示しない成形機のパラメータが調整され成形品が製造される。パラメータには、金型温度、充填時の樹脂温度、充填圧力、射出率、保持時間、保持時の圧力、熱処理温度、熱処理時間などが含まれる。金型２０で成形された成形品は、所定面積で接合する重ね継手構造となる。

【0054】

図示しない成形機は、接合工程Ｓ１４として、上述した金型２０を用いて成形を行う。まず、金型２０が型開きされ、金属部材２が空間２２に装着されて、金型２０が型閉じされる。そして、成形機は、設定された樹脂温度を有する溶解した樹脂を樹脂注入口から金型２０の内部に注入する。注入された樹脂は、スプルー２４、ランナー２５及びゲート２６を通り、空間２３に充填される。成形機は、圧力センサ２７の検出結果に基づいて樹脂の充填圧力や射出率を制御する。成形機は、温度センサ２８の検出結果に基づいて、金型温度が設定値になるように制御する。また、成形機は、圧力センサ２７の検出結果に基づいて、設定された保持時間の間、圧力が設定値となるように制御する。その後、成形機は、設定された熱処理温度及び熱処理時間に基づいて、熱処理を行う。その後、成形機は、金型２０を型開きして、金属部材２及び樹脂部材３が一体化された複合部材１を取り出す。接合工程Ｓ１４が終了すると、図４に示されたフローチャートが終了する。これにより、図１に示される複合部材１が製造される。

【0055】

以上説明したように、製造方法ＭＴによれば、金属部材２の表面２ａがレーザ加工される。レーザ加工後の金属部材２の表面２ａには、アンカー効果及び接合部の流路抵抗に寄与する複数の凹部５が形成される。複数の凹部５は、表面粗さが２０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である内面５ａを有する。表面粗さが２０μｍ以上であることにより、金属部材２の表面積が増える。これにより、アンカー効果が向上すると共に、接合部の流路が複雑となり、流路抵抗が増す。表面粗さが１０００μｍ以下であることにより、樹脂部材３の凹部５への充填性が向上する。これにより、アンカー効果が向上すると共に、接合部の流路抵抗が増す。以上のことから、優れた接合強度及び気密性を有する複合部材１の製造方法を提供することができる。

【0056】

複数の凹部５の深さは、１５μｍ以上６０μｍ以下である。凹部５の深さが１５μｍ以上なので、金属部材２の表面積が更に増えると共に、接合部の流路抵抗が更に増す。凹部５の深さが６０μｍ以下なのでレーザ加工工程Ｌ２にかかる時間が短縮され、生産性が向上する。また、樹脂部材３の凹部５への充填性が更に向上する。

【0057】

レーザ加工工程Ｌ２は、パルスレーザによりドット状の複数の凹部５を形成する。このため、金属部材２の表面積が更に増える。凹部５は平面視で円形状又は矩形状である。円形状の凹部５の場合、接合界面の面積が大きくなり、接合界面の流路の長さを長くすることができるので、流路抵抗を大きくすることができる。矩形状の凹部５の場合、円形状の凹部５の場合よりも接合界面の面積が更に大きくなる。その上、矩形状の凹部５の場合、界面の流通路が直角に曲がっているので、界面の流通路が円に沿って緩やかに曲がる円形状の凹部の場合よりも更に流路抵抗を大きくすることができる。

【0058】

凹部５の幅Ａ１は、２０μｍ以上１５０μｍ以下である。図１７は、凹部の幅と剪断力を受ける領域の面積との関係について説明するための図である。図１７（ａ）に示される凹部５の幅Ａ１は、図１７（ｂ）に示される凹部５の幅Ａ１よりも大きい。矢印Ｆは、剪断力の方向を示す。凹部５の内面５ａのうち剪断力を受けるのは、ハッチングを付した領域である。図１７（ａ）及び図１７（ｂ）から理解されるように、幅Ａ１が小さいほど、剪断力を受ける領域の面積の合計値を大きくすることができる。これにより、接合強度を向上させることができる。一方、幅Ａ１が小さ過ぎると、樹脂部材の良好な充填が阻害される。

【0059】

レーザ加工工程Ｌ２は、複数の凹部５を４０％以上１００％以下の密度で形成する。凹部５の密度が４０％以上なので、金属部材２の表面積が更に増える。凹部５の密度は、６０％以下であってもよい。凹部５の密度を６０％以下とすることで、レーザ加工工程にかかる時間が短縮され、生産性が向上する。

【0060】

レーザ加工工程Ｌ２は、複数の凹部５をレーザのスポット径の１倍以上２倍以下のピッチで配列する。実際に形成される凹部５の直径は、通常、レーザのスポット径よりも大きくなる。したがって、この構成によれば、複数の凹部５を効率的に配列させることができる。

【0061】

レーザ加工工程Ｌ２は、内面５ａの傾斜角θが４０度以上８０度以下となるように、複数の凹部５を形成する。傾斜角θが４０度以上なので、流体の圧力損失が発生するように接合部の流路抵抗が更に増し、気密性が更に向上する。傾斜角θが８０度以下なので、凹部５の最頂部５ｔを起点とした破壊が生じ難い。

【0062】

以上、本実施形態について説明したが、本発明は、上記本実施形態に限定されるものでなく、本実施形態以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

【0063】

［レーザ加工工程の変形例］
レーザ加工工程Ｓ１２は、連続した溝状の凹部５を形成してもよい。この場合も、凹部５の内面５ａの表面粗さは、２０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。連続した溝状の凹部５は、パルスレーザにより形成されてもよい。この場合、金属部材２のダメージを低減することができる。また、加工深さ（凹部５の深さ）及び凹部５の内面５ａの表面粗さを制御し易い。更に、金属部材２の加工後の表面に金属酸化膜が形成されることにより、表面の酸素原子と樹脂材料とが水素結合する。レーザ加工では、機械加工及びブラスト処理のような金属加工に比べて、金属表面が高温になるため酸化され易いものの、パルスレーザを用いることにより、金属表面の酸化を抑制できる。レーザ加工工程Ｓ１２は、溝状の複数の凹部５をレーザのスポット径の１倍以上２倍以下のピッチで配列させてもよい。

【0064】

［母材及び樹脂部材の変形例］
上記実施形態に係る金属部材２及び樹脂部材３として、板状部材を例として示したが、この形状に限定されることはなく、互いに接触可能なあらゆる形状を採用することができる。上記実施形態に係る樹脂部材３は、金属部材２の表面の一部に接触していたが、金属部材２の表面全てに接触していてもよい。

【0065】

［射出成形の変形例］
射出成形は、インサート成形に限定されるものではなく、アウトサート成形であってもよい。

【実施例】

【0066】

以下、実施形態の効果を説明するために実施例及び比較例を説明する。なお、本開示はこれら実施例に限定されない。

【0067】

ＩＳＯ１９０９５－２：２０１５に準拠する重ね合わせ試験片を以下のように作成した。まず、銅（ＪＩＳ：Ｃ１０２０）、鉄（ＪＩＳ：ＳＰＣＣ）、及び、アルミニウム（ＪＩＳ：Ａ５０５２）を材料とする複数の金属部材を準備した。金属部材のサイズは、１０ｍｍ×４５ｍｍ×１．５ｍｍとした。

【0068】

続いて、パルスレーザを用いたレーザ加工により、各金属部材の表面にドット状の複数の凹部を形成した。レーザ加工には、新東Ｓプレシジョン株式会社製のレーザ洗浄機を用いた。レーザの出力は２００Ｗ、波長は１０６５ｎｍ、レーザのスポット径は５０μｍとした。加工時間は、いずれも３０秒／ｃｍ^２以下とした。ここでは、レーザの走査ピッチ、パルス数、及び加工時間等の条件を変更することにより、銅、鉄、及びアルミニウムの各材料について、表面形状が互いに異なる複数種類の金属部材を作成した。

【0069】

レーザ加工した金属部材の表面形状を接合工程の前に測定した。測定には、新東Ｓプレシジョン株式会社製の白色干渉顕微鏡ＩＳ－Ｒ１００を用いた。金属部材の表面形状は、具体的には、凹部の深さ、凹部の幅、凹部の密度、凹部のピッチ、凹部の内面の表面粗さ、及び、凹部の傾斜角である。凹部の傾斜角は、試験片の断面の顕微鏡写真を画像解析することにより測定した。試験片の断面は、ＪＥＯＬ社製のイオンミリング装置ＩＢ－１９５００ＣＰを用いて作成した。凹部の深さ、凹部の幅、凹部のピッチ、凹部の内面の表面粗さ、及び凹部の傾斜角は、接合部に形成された凹部の少なくとも５％以上を測定して得られた値の平均値として求めた。ここでは、５％～１０％の数の凹部を測定した。つまり、接合部に形成された凹部の数が２００００個の場合は、１０００個～２０００個の凹部を測定して平均値を求めた。

【0070】

続いて、図１５及び図１６に示される接合装置を用いて、各金属部材のレーザ加工面に樹脂部材を接合した。樹脂部材の材料は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）とした。金型温度は１４０℃、樹脂温度は２７０℃、充填圧力は６０ＭＰａ、射出率は６４．２ｃｍ^３／ｓとした。保持時において、保持圧力は４０ＭＰａ、保持時間は８ｓとした。熱処理時において、熱処理温度は１３０℃、熱処理時間は２ｈとした。この工程により、各金属部材に樹脂部材が接合され、複合部材の試験片１～２９が得られた。試験片１～６では、金属部材が銅からなる。試験片７～１９では、金属部材が鉄からなる。試験片２０～２９では、金属部材がアルミニウムからなる。

【0071】

次に、得られた複合部材の気密性及び剪断強度の評価を行った。気密性の評価は、ＩＳＯ１９０９５－３：２０１５に準拠するヘリウムリーク試験により行った。剪断強度の評価は、ＩＳＯ１９０９５－２：２０１５に準拠する方法により行った。

【0072】

表１は、試験片１～２９における金属部材の表面形状の測定結果、気密性の評価結果、及び、剪断強度の評価結果を示す表である。表１では、金属部材の表面形状として、凹部の深さ、凹部の幅、凹部の密度、凹部のピッチ、凹部の内面の表面粗さ、及び、凹部の傾斜角がそれぞれ示されている。気密性の評価結果は、ヘリウムリーク試験の漏れ量が５×１０^－７Ｐａ・ｍ^３／ｓ未満の場合が「Ａ」、漏れ量が５×１０^－７Ｐａ・ｍ^３／ｓ以上の場合が「Ｂ」で示されている。剪断強度の評価結果は、剪断強度が３０ＭＰａ以上の場合が「Ａ」、剪断強度が２０ＭＰａ以上３０ＭＰａ未満の場合が「Ｂ」、剪断強度が２０ＭＰａ未満の場合が「Ｃ」、未接合の場合が「Ｄ」で示されている。

【0073】

【表1】

【0074】

金属部材が銅（ＪＩＳ：Ｃ１０２０）からなる試験例１～６のうち、試験片１，２では気密性及び剪断強度が高くなった。試験片６では、樹脂部材が接合しなかった。試験片６では、凹部の密度が２．８％しかなく、金属部材の表面積が小さ過ぎるため、樹脂部材が接合しなかったと考えられる。試験片３～５では、漏れ量が５×１０^－７Ｐａ・ｍ^３／ｓ以上、剪断強度が２０ＭＰａ未満であった。試験片３～５では、凹部の密度が４０％未満であり、やはり金属部材の表面積が不十分であったと考えられる。

【0075】

金属部材が鉄（ＪＩＳ：ＳＰＣＣ）からなる試験例７～１９のうち、試験片８～１４では、気密性及び剪断強度が高くなった。試験片１８，１９では、樹脂部材が接合しなかった。試験片１８では、凹部の内面の表面粗さが１２００ｎｍを超えているため、樹脂部材の凹部への充填性が悪化し、樹脂部材が接合しなかったと考えられる。試験片１９では、凹部の密度が５．２％しかなく、金属部材の表面積が小さ過ぎるため、樹脂部材が接合しなかったと考えられる。

【0076】

試験片１５，１７では、漏れ量が５×１０^－７Ｐａ・ｍ^３／ｓ以上、剪断強度が２０ＭＰａ未満であった。試験片１５，１７では、凹部の密度は４０％未満であり、金属部材の表面積が不十分であったと考えられる。試験片７では、漏れ量が５×１０^－７Ｐａ・ｍ^３／ｓ以上、剪断強度が３０ＭＰａ未満であった。試験片７では、凹部の深さが１５μｍ未満であるため、接続部の流路抵抗が低く、その結果、気密性が低くなったと考えられる。試験片１６では、漏れ量が５×１０^－７Ｐａ・ｍ^３／ｓ以上であった。試験片１６では、凹部の深さが６０μｍを超えているので、樹脂部材の凹部への充填性が不十分となり、気密性が低くなったと考えられる。

【0077】

金属部材がアルミニウム（ＪＩＳ：Ａ５０５２）からなる試験例２０～２９のうち、試験片２０～２４では、気密性及び剪断強度が高くなった。試験片２８，２９では、樹脂部材が接合しなかった。試験片２８では、凹部の内面の表面粗さが１６００ｎｍを超えているため、樹脂部材の凹部への充填性が悪化したと考えられる。その上、試験片２８では、凹部の密度が６．１％しかなく、金属部材の表面積が小さ過ぎたと考えられる。試験片２９では、凹部の内面の表面粗さが２０００ｎｍを超えているため、樹脂部材の凹部への充填性が悪化したと考えられる。その上、試験片２９では、凹部の深さが１５μｍ未満であるため、樹脂部材が十分に接合しなかったと考えられる。

【0078】

試験片２５～２７では、漏れ量が５×１０^－７Ｐａ・ｍ^３／ｓ以上であった。試験片２６，２７では、剪断強度が２０ＭＰａ未満であった。試験片２６，２７では、凹部の密度が４０％未満であり、金属部材の表面積が不十分であったと考えられる。その上、試験片２６では、凹部の内面の表面粗さが１０００ｎｍを超えているため、樹脂部材の凹部への充填性が悪化したと考えられる。試験片２５では、凹部の深さが６０μｍを超えているので、試験例２０～２４に比べて、樹脂部材の凹部への充填性が不十分となり、気密性及び剪断強度が低くなったと考えられる。

【0079】

凹部の内面の表面粗さが１０００ｎｍを超えている試験例１８，２６，２８，２９では、気密性及び剪断強度が十分に確保されないことが確認できた。凹部の密度が４０％未満である試験例３～６，１５，１７～１９，２６～２８でも、気密性及び剪断強度が十分に確保されないことが確認できた。

【符号の説明】

【0080】

１…複合部材、２…金属部材、２ａ…表面、２ｂ…球状金属、５…凹部、５ａ…内面、６…壁部、Ａ…ピッチ、θ…傾斜角。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】