JP2023017191A - 異種材接合構造体、異種材接合方法、および異種材接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】金属ワークと樹脂ワークとの直接接合における接合強度の向上を図ることが可能な異種材接合構造体を提供する。
【解決手段】金属ワークと樹脂ワークとを、それぞれの接合領域面で接合した異種材接合構造体であって、金属ワークの接合領域面は、平坦部と、平坦部設けられた凹部と、凹部の底部に形成された凹凸形状とを有し、樹脂ワークの接合領域面は、金属ワークの接合領域面に倣った表面形状を有する異種材接合構造体である。
【選択図】図１

Description

本発明は、異種材接合構造体、異種材接合方法、および異種材接合装置に関する。

金属材料からなる部材と樹脂材料からなる部材とを接合する異種材の接合に関する技術として、下記特許文献１に開示の技術がある。この特許文献１には、金属成形体の樹脂成形体との接合面に対して、開口部の平均直径（Ｄｂ）が1.0～1000μm、最大深さが10～1000μmの凹部、または開口部の平均幅（Ｗｂ）が1.0～1000μm、最大深さが10～1000μmの溝を形成する第１工程、前記凹部または溝が形成された金属成形体の接合面に対して、開口部の平均直径（Ｄｓ）が0.01～50μmの凹部、または開口部の平均幅（Ｗｓ）が0.01～50μmの溝を形成する第２工程、その後、金属成形体の接合面を含む部分を金型内に配置して、樹脂成形体となる樹脂を使用してインサート成形して複合成形体を得る第３工程、を有している複合成形体の製造方法が記載されており、これにより接合強度を高めた複合接合体を得ることができるとしている。

特開２０１４－５１０４１号公報

近年、既に成形されて部品としての金属ワークと樹脂ワークの接合面を重ねて加熱する、いわゆるパルスヒートを用いた直接接合が注目されている。しかしながら、特許文献１に記載の技術は、金属成形体と金型を用いたインサート成形によって形成した樹脂成形体との接合強度を高める技術であり、金属ワークと樹脂ワークとの直接接合においても、さらなる接合強度の向上が求められている。

そこで本発明は、金属ワークと樹脂ワークとの直接接合における接合強度の向上を図ることが可能な異種材接合構造体、異種材接合方法、および異種材接合装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するための本発明は、金属ワークと樹脂ワークとを、それぞれの接合領域面で接合した異種材接合構造体であって、前記金属ワークの接合領域面は、平坦部と、前記平坦部に設けられた凹部と、前記凹部の底部に形成された凹凸形状とを有し、前記樹脂ワークの接合領域面は、前記金属ワークの接合領域面に倣った表面形状を有する異種材接合構造体である。

本発明によれば、金属ワークと樹脂ワークとの直接接合における接合強度の向上を図ることが可能な異種材接合構造体、異種材接合方法、および異種材接合装置を提供することできる。

実施形態に係る異種材接合構造体の構成図である。 図１のＣ部の拡大図である。 金属ワークの接合領域面が有する大径凹部の開口形状の例を示す図である。 実施形態に係る異種材接合装置の全体構成を示すブロック図である。 実施形態に係る異種材接合方法の手順を示すフローチャートである。 実施形態に係る異種材接合方法の手順を示す工程図（その１）である。 実施形態に係る異種材接合方法の手順を示す工程図（その２）である。 金属ワークの加工方法の第１例を説明するための図である。 第１例を適用した金属ワークの加工手順を示す図である。 金属ワークの加工方法の第２例を説明するための図である。 第２例を適用した金属ワークの加工手順を示す図である。 金属ワークの加工方法の第３例を説明するための図である。 第３例を適用した金属ワークの加工手順を示す図である。 金属ワークの加工方法の第４例を説明するための図である。 第４例を適用した金属ワークの加工手順を示す図である。 金属ワークの接合領域面の顕微鏡像である。 金属ワークの接合領域面の凹凸を測定したグラフである。

以下、本発明を適用した各実施の形態を、異種材接合構造体、異種材接合装置、異種材接合方法の順に説明する。

≪異種材接合構造体≫
図１は、実施形態に係る異種材接合構造体１００の構成図であり、異種材接合構造体１００の平面図と、平面図のＡ－Ａ断面図、およびＢ－Ｂ断面図である。また図２は、図１のＣ部の拡大図であって、Ａ-Ａ断面図の要部拡大図である。これらの図に示すように、異種材接合構造体１００は、金属ワーク１と樹脂ワーク２とを直接接合した構成のものであって、金属ワーク１と樹脂ワーク２との接合界面１００ａを有する。これらは次のようである。

＜金属ワーク１＞
金属ワーク１は、アルミニウム、銅、黄銅（合金）、ステンレス等の金属材料を用いて構成された部品である。この金属ワーク１は、図示した平板状の部分を有し、この平板状の一主面１ａに、樹脂ワーク２との間の接合領域面１ａａが設定されている。この接合領域面１ａａは、大径凹部１０１と、大径凹部１０１の底部に形成された小径凹部１０２と、大径凹部１０１の上部の平坦部１０３とを有する。

［大径凹部１０１］
大径凹部１０１は、接合領域面１ａａの広い範囲に分布して配置され、接合領域面１ａａ内において均等に分散して配置されていることが好ましい。また大径凹部１０１は、典型的には図示したように一方向に延設された溝形状であるが、これに限定されることはない。このような大径凹部１０１は、例えば開口幅Ｗ１が１０～１０００μｍ程度、深さＤ１が３～３０μｍ程度、ピッチが５０～１００μｍ程度である。

図３は、金属ワーク１の接合領域面１ａａが有する大径凹部１０１の開口形状の例を示す図である。図３に示すように、大径凹部１０１は、一方向に延設された溝形状を複数に分断した構成、異なる方向に延設された溝形状を配列した構成、ドット形状を配列した構成、延設方向に屈曲または屈折した溝形状、サークルを構成する溝形状などであってもよい。

また、以降の異種材接合方法において説明するように、大径凹部１０１をレーザ光の走査によって形成する場合、溝形状の大径凹部１０１は交差部を有していないことが好ましい。これはレーザ光の走査軌跡が交差すると、その交差部においては加熱過多となって盛り上がり、接合領域面１ａａに凸部が形成され、この凸部が接合強度を低下させる要因となるからである。

例えば図３Ａに示す各例は、レーザ光の複数の走査方向を互いに平行に走査した例であり、図３Ｂに示す各例は、レーザ光の複数の走査方向を異なる方向（互いに垂直となる２方向）に走査した例と、円形状に走査した例を示している。図３Ａ及び図３Ｂのいずれもレーザ光の軌跡は重なっていない。

［小径凹部１０２］
図１および図２に戻り、小径凹部１０２は、大径凹部１０１の底部を凹凸形状とするために設けられた窪みであり、開口形状がドット形状であってよい。また大径凹部１０１が溝形状である場合、大径凹部１０１の開口幅Ｗ１と、小径凹部１０２の開口幅Ｗ２とは一致していてもよい（図２参照）。

このような小径凹部１０２は、大径凹部１０１の底部に均等に分布していることが好ましい。また大径凹部１０１に対する小径凹部１０２の占有率は、接合強度を高める観点から５０％を超えることが好ましい。

大径凹部１０１の底部からの小径凹部１０２の深さＤ２は、製造工程において次に説明する樹脂ワーク２が充填し易くなる観点から、大径凹部１０１の深さＤ１と比較して小さいことが好ましい。小径凹部１０２の深さＤ２は、０．１～２０μｍ程度であることとする。また小径凹部１０２は、大径凹部１０１の底部を凹凸形状とするために設けられた窪みであるため、その開口形状は例えばドット形状であるが、各ドットの開口形状は真円であることに限定されず、楕円形やその他の形状であってもよい。さらに小径凹部１０２は、大径凹部１０１の底部を凹凸形状とするための窪みであれば、開口形状がドット形状に限定されることもなく、屈曲する溝形状であってもよい。

［平坦部１０３］
平坦部１０３は、金属ワーク１の接合領域面１ａａにおいて、大径凹部１０１が形成されていない部分であって、平坦に保たれた部分である。接合領域面１ａａにおいて平坦部１０３の占める割合は、金属ワーク１と樹脂ワーク２の材質によって適宜に設定されることとするが、大径凹部の割合よりも小さいことが好ましく、１０％～４９％程度であることとする。これにより樹脂ワーク２との接合面積が確保されやすくなる。

＜樹脂ワーク２＞
樹脂ワーク２は、樹脂材料を用いて構成された部品である。樹脂ワーク２を構成する樹脂材料は、例えば熱可塑性樹脂であり、一例としてポリエチレンテレフタレート、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル (Acrylonitrile)、ブタジエン (Butadiene)、スチレン (Styrene)共重合合成樹脂の総称）、アクリル、炭素繊維強化熱可塑性プラスチック(ＣＦＲＴＰ：Carbon Fiber Reinforced Thermo Plastics)などが挙げられる。

このうちＣＦＲＴＰは、炭素繊維層を熱可塑性プラスチック層によって挟持した層構造を有する。このようなＣＦＲＴＰは、軽量で、強度が高く、かつたわみにくい（高剛性）という性質があること、また疲労特性に優れ、熱伝導率が高く、錆びないという特性があることから、様々な産業分野において注目されている。例えば、自動車や機械部品をはじめ、スポーツ、レジャー関係、航空宇宙産業、医療機器関係、土木建築用部材など極めて多くの産業分野において用いられている。

このような樹脂ワーク２は、図示した平板状の部分を有し、この平板状の一主面２ａに、金属ワーク１との間の接合領域面２ａａが設定されている。樹脂ワーク２の接合領域面２ａａは、金属ワーク１の接合領域面１ａａに対向して重ね合わされ、金属ワーク１の接合領域面１ａａの表面形状に倣った凹凸形状を有する。

＜接合界面１００ａ＞
接合界面１００ａは、金属ワーク１と樹脂ワーク２とが直接接合された界面であり、その形状は金属ワーク１の接合領域面１ａａと一致している。この接合界面１００ａは、金属ワーク１の接合領域面１ａａおよび樹脂ワーク２の接合領域面２ａａの少なくとも一方に対して、プラズマ処理が施された面である。このような接合界面１００ａは、プラズマ処理によって付与された官能基として親水基（ＯＨ基）を含む。この親水基（ＯＨ基）は、例えば透過型電子顕微鏡などを用いた元素分析によって、接合界面に検出される。

＜異種材接合構造体１００の効果＞
以上のように構成された異種材接合構造体１００は、金属ワーク１の接合領域面１ａａに、大径凹部１０１を有し、さらに大径凹部１０１の底部に小径凹部１０２を有する構成である。また樹脂ワーク２の接合領域面２ａａは、金属ワーク１の接合領域面１ａａに倣った形状を有している。このような構成により、大径凹部１０１および小径凹部１０２に、樹脂ワーク２が入り込んでアンカー効果を発揮し、接合強度を保つことができる。特に、大径凹部１０１の底部に小径凹部１０２を設けたことにより、金属ワーク１と樹脂ワーク２との接合面積が拡大されるため、これによる接合強度の向上を図ることができる。

しかも、金属ワーク１の接合領域面１ａａは、大径凹部１０１間に平坦部１０３を有する。このため次に説明するように、金属ワーク１における加工された接合領域面１ａａと、樹脂ワーク２における未加工の接合領域面２ａａとを接合する場合に、平坦部１０３において金属ワーク１と樹脂ワーク２とを密着させることができる。これにより熱伝導効率が向上して樹脂ワーク２を溶融し易くすることができるので、樹脂ワーク２を構成する樹脂が金属ワーク１の大径凹部１０１および小径凹部１０２内に充填され易いものとなる。この結果、樹脂ワーク２の接合領域面２ａａの形状が、金属ワーク１の接合領域面１ａａに倣った形状となり易いものとなり、これによっても金属ワーク１と樹脂ワーク２接合強度の向上が図られる。

さらに、金属ワーク１と樹脂ワーク２との接合界面１００ａは、金属ワーク１および樹脂ワーク２の少なくとも一方をプラズマ処理した面であり、プラズマ処理によって親水基（ＯＨ基）が付与された面である。これにより、次に説明するように、金属ワーク１と樹脂ワーク２とを積層して加圧および加熱する際に、異種材ワークの界面においての濡れ性が向上し、また異種材ワークの分子間で水素結合が生じ、この水素結合による化学結合や分子間力（ファンデルワールス力）に基づいて、金属ワーク１と樹脂ワーク２物理的接着がより強固になる。

そして特に、樹脂ワーク２が、炭素繊維層を樹脂層で挟持したＣＦＲＴＰによって構成されたものである場合には、次のような効果も期待できる。すなわち、樹脂ワーク２が、ＣＦＲＴＰによって構成されている場合、金属ワーク１の大径凹部１０１および小径凹部１０２内に樹脂ワーク２の樹脂が充填される。これにより、金属ワーク１の平坦部１０３には炭素繊維層が直接接触した状態となる場合がある。このような場合、炭素繊維と金属ワーク１を構成する金属材料と標準電極電位の差によって、金属ワーク１に腐食が発生するが、この腐食は金属ワーク１と炭素繊維とが接触する平坦部１０３に限定される。したがって、大径凹部１０１および小径凹部１０２によって拡大された金属ワーク１と樹脂ワーク２との接触面積が維持され易く、樹脂ワーク２としてＣＦＲＴＰを用いた場合であっても、異種材接合構造体１００の接合強度を長期に維持することが可能である。

≪異種材接合装置≫
図４は、実施形態に係る異種材接合装置１０００の全体構成を示すブロック図である。図４に示す異種材接合装置１０００は、金属ワーク１と樹脂ワーク２とを接合する装置であって、図１～図３を用いて説明した異種材接合構造体１００を作成するための装置である。金属ワーク１および樹脂ワーク２は、それぞれが既に形成されている部品として提供されるものである。以下、図４に基づき、先の図１および図２を参照しつつ、異種材接合装置１０００の構成を説明する。

異種材接合装置１０００は、レーザ加工装置２０、プラズマ照射装置３０、パルスヒート装置４０、および冷却装置５０を備えている。これらは、次のように構成されている。

＜レーザ加工装置２０＞
レーザ加工装置２０は、レーザ照射によって、金属ワーク１の接合領域面１ａａ（図１参照）に大径凹部１０１および小径凹部１０２を形成するための装置である。このレーザ加工装置２０は、表面加工処理部３と、レーザ発生装置４と、加工制御部５を備える。

［表面加工処理部３］
このうち表面加工処理部３は、金属ワーク１を不図示の固定部を備え、金属ワーク１を所定状態で固定する部分である。この表面加工処理部３では、固定部に固定された金属ワーク１に対して、レーザ発生装置４からレーザ光を照射することにより、金属ワーク１の表面加工処理が行われる。

［レーザ発生装置４］
レーザ発生装置４は、金属ワーク１の表面加工が容易な波長のレーザ光を発生させる装置である。このレーザ発生装置４は、次に説明する加工制御部５からの指示により、発生させるレーザ光の強度、パルス幅、走査方向、走査時間、走査位置等が制御される。

［加工制御部５］
加工制御部５は、レーザ発生装置４を制御することにより、表面加工処理部３に固定された金属ワーク１の接合領域面１ａａに、大径凹部１０１を形成する一次加工処理と、大径凹部１０１の底面に小径凹部１０２を形成する二次加工処理とを実施する。

このような加工制御部５は、計算機によって構成されている。計算機は、いわゆるコンピューターとして用いられるハードウェアである。計算機は、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理装置）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）のような不揮発性の記憶部を備える。加工制御部５は、記憶部に保存されたプログラムに基づいて、レーザ発生装置４において発生させるレーザの出力、パルス幅、走査軌道、走査時間、を制御する。また加工制御部５は、表面加工処理部３におけるワークの固定高さを制御する機能を有していてもよい。さらに加工制御部５は、レーザ光を連続波として発生させるように、レーザ発生装置４を制御する場合もある。以上のような加工制御部５によるレーザ発生装置４の制御の詳細は、図５以降の異種材接合方法において説明する。

＜プラズマ照射装置３０＞
プラズマ照射装置３０は、表面加工処理を施した後の金属ワーク１、および樹脂ワーク２に対してプラズマ処理を施すための装置である。このプラズマ照射装置３０は、プラズマ処理によって、金属ワーク１および樹脂ワーク２の表面に官能基（－ＯＨ等）を付与するとともに、表面に付着した汚れを除去する。このようなプラズマ照射装置３０は、金属ワーク１にプラズマ照射する第一プラズマ照射部６ａと、樹脂ワーク２にプラズマ照射する第二プラズマ照射部６ｂと、第一プラズマ照射部６ａおよび第二プラズマ照射部６ｂを制御するプラズマ照射制御部７を備える。

［第一プラズマ照射部６ａおよび第二プラズマ照射部６ｂ］
第一プラズマ照射部６ａは、レーザ加工装置２０によって表面加工処理がなされた金属ワーク１の表面に対して、プラズマ照射による表面処理を行う。また、第二プラズマ照射部６ｂは、樹脂ワーク２の表面に対して、プラズマ照射による表面処理を行う。これらの第一プラズマ照射部６ａおよび第二プラズマ照射部６ｂは、バッチ式の減圧プラズマ照射装置であってもいし、大気圧プラズマ照射装置あってもよい。これらの処理装置は処理能力的には特に差異はなく、何れであってもよい。

ただし、バッチ式の減圧プラズマ照射装置は、金属ワーク１及び樹脂ワーク２を減圧した容器に入れて、ワーク全体を一括してプラズマ照射処理を行うので、特に第一プラズマ照射部６ａと第二プラズマ照射部６ｂのように分割して複数のプラズマ照射部を設ける必要はない。また、バッチ式の減圧プラズマ照射処理の場合、金属ワーク１および樹脂ワーク２の表面全体に対してプラズマ照射による表面処理が施される。

これに対し、大気圧プラズマ照射装置は、プラズマノズルを用いることにより、領域を限定したプラズマ処理が可能であり、金属ワーク１および樹脂ワーク２における接合領域面のみにプラズマを照射させることができる。ここで、金属ワーク１の接合領域面は、レーザ加工装置２０による２度の加工処理によって大径凹部１０１と小径凹部１０２が形成された領域面である。一方、樹脂ワーク２の接合領域面は、加工が施されていない平坦な領域面である。大気圧プラズマ照射装置の場合、プラズマ生成に係るガスとしては、窒素またはアルゴン等のガスが用いられる。また、大気圧プラズマ照射装置は、バッチ式の減圧プラズマ照射装置と比較して、真空ポンプ等の新たな設備が必要としない利点もある。

なお、プラズマ照射装置３０として、このような大気圧プラズマ照射装置を用いた場合であっても、図示した例のように第一プラズマ照射部６ａと第二プラズマ照射部６ｂを別々に設ける必要はなく、一つのプラズマ照射部により、金属ワーク１と樹脂ワーク２に対するプラズマ照射を順次行うようにしてもよい。

また、プラズマ照射装置３０は、第一プラズマ照射部６ａまたは第二プラズマ照射部６ｂのいずれか一方のみを備え、金属ワーク１または樹脂ワーク２のいずれか一方のみにプラズマ照射を行うものであってもよい。

ただし、金属ワーク１および樹脂ワーク２の両方にプラズマ照射することで、金属ワーク１と樹脂ワーク２の両方の接合領域面に官能基（－ＯＨ等）を付与するとともに、接合領域面に付着した汚れが除去されるので、金属ワーク１と樹脂ワーク２との接合をより強固にすることができる。

［プラズマ照射制御部７］
プラズマ照射制御部７は、第一プラズマ照射部６ａおよび第二プラズマ照射部６ｂによるプラズマ照射を制御する。第一プラズマ照射部６ａおよび第二プラズマ照射部６ｂが、大気圧プラズマ照射装置である場合、プラズマ照射制御部７は、例えば金属ワーク１および樹脂ワーク２の接合領域面に限定してプラズマが照射されるように、第一プラズマ照射部６ａおよび第二プラズマ照射部６ｂによるプラズマ照射を制御する。 このような加工制御部５は、上述したと同様の計算機によって構成されている。
＜パルスヒート装置４０＞
パルスヒート装置４０は、金属ワーク１と樹脂ワーク２とを重ねて加熱加圧することで、これらを接合するための装置である。このパルスヒート装置４０は、固定具８と、発熱部材９と、加圧ヘッド１０と、パルスヒート電源１１と、冷却部１２とを備える。

［固定具８］
固定具８は、金属ワーク１と樹脂ワーク２とを所定状態で固定した状態で保持するための治具である。金属ワーク１と樹脂ワーク２とは、固定具８に保持された状態において、それぞれの接合領域面であって、プラズマ処理が施された面を対向させた状態で積層されていることとする。

［発熱部材９］
発熱部材９は、固定具８に保持された金属ワーク１と樹脂ワーク２の積層体のうちの金属ワーク１に接触し、金属ワーク１を加熱するための部材である。発熱部材９は、抵抗発熱する部材であって、金属部品からなる。発熱部材９は、パルスヒートを高速で応答させるために、熱容量が小さいほどよい。このような発熱部材９の材質としては、抵抗値が高く発熱し易いモリブデンやチタン等の素材が使用される。

また発熱部材９は、金属ワーク１との接触面積が比較的狭い形状を有し、金属ワーク１と樹脂ワーク２の積層体に合わせて大きさ及び形状が選択され、比較的小型のヒータチップまたは比較的大型のヒータツールとして用いられる。このような発熱部材９は、接合する特定の物品等に応じて専用に加工して用いられることもある。

［加圧ヘッド１０］
加圧ヘッド１０は、発熱部材９を保持し、保持した発熱部材９を介して、固定具８に固定された金属ワーク１と樹脂ワーク２の積層体を加圧、加熱する部材である。このような加圧ヘッド１０は、発熱部材９を上下動させることで、固定具８に保持された金属ワーク１と樹脂ワーク２の積層体のうち、金属ワーク１に発熱部材９を接触させ、積層体の積層方向に向かう圧力を加える。加圧ヘッド１０による加圧力は、ばねによって調整され、積層体に応じて調整される。加圧ヘッド１０は、使用する発熱部材９に適合するヘッドが選択される。

また加圧ヘッド１０は、金属でできた発熱部材９に瞬間的に電流を流し、発熱部材９を介して抵抗発熱で金属ワーク１を加熱する。これにより、金属ワーク１に接して保持された樹脂ワーク２が部分的に加熱され、樹脂ワーク２が溶融する。この際、加圧ヘッド１０により、金属ワーク１と樹脂ワーク２の積層体を加圧することで、溶融した樹脂ワーク２が金属ワーク１の接合領域面の凹凸形状に倣って流動し、金属ワーク１と樹脂ワーク２とが密着接合され、浮きのない強固な接合が形成される。このとき、加圧ヘッド１０が金属ワーク１と樹脂ワーク２の接合体を高い加重で加圧すると、軟化した樹脂ワークが接合領域面の外にはみ出して、接合強度が低下する可能性がある。そこで、加圧ヘッド１０は、ストッパなどにより下死点が設定されているか、またはここでの図示を省略した制御部によって押し込み量が制御される構成となっていることとする。

またここでの図示は省略したが、加圧ヘッド１０には、モータコントローラによって、発熱部材９を上下動させる昇降機構と、発熱部材９の沈み量を検知するための変位センサが設けられている。モータコントローラは、不図示の変位センサからの信号を検出して、発熱部材９が最下点（下死点）より深く沈み込み過ぎないように発熱部材９の上下動を制御する。

［パルスヒート電源１１］
パルスヒート電源１１は、加圧ヘッド１０を介して発熱部材９に電流を流す装置である。パルスヒート電源１１としては、接合体の材質や形状及び求められる接合品質に応じて、適切な通電容量を持つ電源が選択される。パルスヒート電源１１は、発熱部材９に取り付けられた熱電対（図示省略）からの温度フィードバックにより制御されるため、作業者の熟練も不要であり、また省エネ効果も高いので、汎用性、生産性に優れているということができる。

また、パルスヒートは、制御の応答が早く、その特性上、金属部品からなる先端の発熱部材９の熱容量が小さいほどより高速な応答となる。そのため、パルスヒートによれば、局所的な接触で瞬間的に加熱することができるので、周囲への熱拡散を抑えて昇温させることが可能になる。

［冷却部１２］
冷却部１２は、接合された金属ワーク１と樹脂ワーク２の積層体（異種材接合構造体）を冷却する部分である。このような冷却部１２は、例えば圧縮空気等の供給により、急速冷却を行う。なお、急速冷却の必要がない場合には、冷却部１２を設ける必要なない。

なお、ここでの図示は省略したが、このパルスヒート装置４０は、加圧ヘッド１０、パルスヒート電源１１、および冷却部１２の駆動を制御する制御部を備え、次のような動作が実施される。先ず、加圧ヘッド１０の駆動を制御することにより、所定状態で固定具８に保持された金属ワーク１と樹脂ワーク２の積層体に対して発熱部材９を接触させ、積層体を加圧する。そして、設定加圧に到達すると、パルスヒート電源１１に加熱指令信号を送信し、パルスヒート電源１１によって予め設定した温度プロファイルで発熱部材９を通電加熱する。通電加熱終了後には、冷却部１２の駆動を制御して積層体を冷却し、発熱部材９が予め設定した温度に下がるまで加圧を保持する。発熱部材９が予め設定した温度に下がった場合には、パルスヒート電源１１が出力する信号により加圧を開放する。

＜異種材接合装置１０００の効果＞
以上のように構成された異種材接合装置１０００により、図１～図３を用いて説明した異種材接合構造体１００を作成することができる。

≪異種材接合方法≫
図５は、実施形態に係る異種材接合方法の手順を示すフローチャートである。また図６および図７は、実施形態に係る異種材接合方法の手順を示す工程図（その１）および（その２）である。次に図５のフローチャートに基づき、図６および図７、さらには図４の装置ブロック図を参照しつつ、先に説明した異種材接合装置１０００を用いた異種材接合方法を説明する。

＜ステップＳ００（図６参照）＞
ステップＳ００において、作業者は、接合する金属ワーク１と樹脂ワーク２とを用意する。金属ワーク１は、一主面１ａに対して接合領域面１ａａが設定されている部材であって、接合領域面１ａａは未加工のものである。また、樹脂ワーク２は、一主面２ａに対して接合領域面２ａａが設定されている部材であって、接合領域面２ａａは未加工のものである。また作業者は、図４に示したレーザ加工装置２０の表面加工処理部３に、所定状態で金属ワーク１をセットする。

＜ステップＳ０１（図７参照）＞
ステップＳ０１において、レーザ加工装置２０の加工制御部５（図４参照）は、レーザ発生装置4の制御により、金属ワーク１の接合領域面１ａａに大径凹部１０１を形成するための一次加工処理を行う。

＜ステップＳ０２（図７参照）＞
ステップＳ０２において、レーザ加工装置２０の加工制御部５（図４参照）は、レーザ発生装置４の制御により、金属ワーク１の接合領域面１ａａに形成した大径凹部１０１の底部に、凹凸形状のための小径凹部１０２を形成するための二次加工処理を行う。

ここで、加工制御部５が、記憶部に保存されたプログラムに基づいて実施する大径凹部１０１を形成するための一次加工処理と、小径凹部１０２を形成するための二次加工処理のための４つの例を、図８～図１５を用いて説明する。

［第１例:ワーク高さの調整］
図８は、金属ワーク１の加工方法の第１例を説明するための図である。この図に示すように、レーザ光２００の集光は円錐形状となっている。このため、金属ワーク１の接合領域面１ａａの高さが異なる場合、この接合領域面１ａａに照射されるレーザ光２００のスポット径φ１（Ｈ１）とスポット径φ２（Ｈ２）とは異なる。そこで金属ワーク１の高さを調整して一次加工処理と二次加工処理を実施する。

図９は、第１例を適用した金属ワークの加工手順を示す図である。この図に示すように、ステップＳ０１の一次加工処理においては、レーザ光２００のスポット径φ１が、接合領域面１ａａに大径凹部１０１が形成される程度の大きさとなるように、金属ワーク１の高さが調整される。またステップＳ０２の二次加工処理においては、レーザ光２００のスポット径φ２が、大径凹部１０１の底部に小径凹部１０２が形成される程度の大きさとなるように、金属ワーク１の高さが調整される。

以上の一次加工処理および二次加工処理においては、図４に示したレーザ加工装置２０の加工制御部５は、表面加工処理部３における金属ワーク１の固定部を制御することにより、金属ワーク１の高さを調整し、調整した高さにおいて各処理を実施する。なお、表面加工処理部３における金属ワーク１の固定部の制御は、加工制御部５によって自動的に実施されることに限定されず、作業者が実施してもよい。

［第２例:レーザ走査軌道の調整］
図１０は、金属ワーク１の加工方法の第２例を説明するための図である。この図に示すように、レーザ光の走査軌道Ｃ１，Ｃ２は、図４に示したレーザ加工装置２０の加工制御部５によって自在に制御される。この際、レーザ光２００の照射位置を高速で移動させながらオーバーラップさせて照射するワブリング加工により、スポット径よりも大きな開口幅を有する溝構造を形成することができる。そこで、スポット径を同一に保ったレーザ光の走査軌道の制御により、一次加工処理と二次加工処理を実施する。

図１１は、第２例を適用した金属ワークの加工手順を示す図である。この図に示すように、ステップＳ０１の一次加工処理においては、レーザ光２００の走査軌道を大径凹部１０１の延設方向に対して垂直な方向にも移動させる。これにより、レーザ光２００のスポット径よりも大きな開口径を有する大径凹部１０１を形成する。またステップＳ０２の二次加工処理においては、レーザ光２００を、大径凹部１０１の底部に沿って移動させることで、レーザ光２００のスポット径に対応する開口径の小径凹部１０２を形成する。

以上の一次加工処理および二次加工処理は、図４に示したレーザ加工装置２０の加工制御部５によって、レーザ発生装置４で発生させたレーザ光の走査軌道を制御することによって実施される。

［第３例:レーザ出力の調整］
図１２は、金属ワークの加工方法の第３例を説明するための図である。第３例は、図４に示したレーザ加工装置２０のレーザ発生装置４で発生させるレーザ光２００のエネルギー分布（空間パワー分布）がガウシアン形状の場合に適用される。ここで、金属は、通常はレーザ光２００の多くを反射する。しかし、ある一定のエネルギーを投入するとわずかに吸収しているレーザ光２００により溶融し始める。液化するとレーザ光の吸収率が上昇するため、溶融した部分のみ深く加工されるといった限定的な領域を加工可能になるという特徴がある。

このため、図１２に示すように、金属ワークの加工を実施するためには、レーザ光２００のエネルギー量として、上述したある一定のエネルギーを閾値Ｅｔｈとし、閾値Ｅｔｈ以上のエネルギー量が必要となる。これを利用することにより、レーザ光２００のエネルギー分布（空間パワー分布）が、ガウシアン形状の場合には、レーザ出力によって金属ワークの加工面積を調整し、一次加工処理と二次加工処理を実施することができる。

図１３は、第３例を適用した金属ワークの加工手順を示す図である。図１３に示すように、ステップＳ０１の一次加工処理においては、レーザ出力Ｐ１（Ｓ０１）での加工により、開口幅Ｗ１の大径凹部を形成する。またステップＳ０２の二次加工処理においては、レーザ出力Ｐ２（Ｓ０２）での加工により、大径凹部の底部に開口幅Ｗ２（＜Ｗ１）の小径凹部を形成する。

以上の一次加工処理および二次加工処理は、図４に示したレーザ加工装置２０の加工制御部５によって、レーザ発生装置４で発生させるレーザ光の出力を制御することによって実施される。なお、レーザ発生装置４におけるレーザ出力の制御は、加工制御部５によって自動的に実施されることに限定されず、作業者が実施してもよい。

［第４例:レーザパルス幅の調整］
図１４は、金属ワークの加工方法の第４例を説明するための図である。第４例は、図４に示したレーザ加工装置２０のレーザ発生装置４で発生させるレーザ光２００のパルス幅の制御が可能である場合に適用される。図１４に示すように、パルスレーザのエネルギー分布は台形であり、このパルス幅Ｐｗによって加工面積を調整し、一次加工処理と二次加工処理を実施することができる。

図１５は、第４例を適用した金属ワークの加工手順を示す図である。この図に示すように、ステップＳ０１の一次加工処理においては、パルス幅Ｐｗ１での加工により、開口幅が大きい大径凹部を形成する。またステップＳ０２の二次加工処理においては、パルス幅Ｐｗ１での加工により、大径凹部の底部に開口幅が小さい小径凹部を形成する。

以上の一次加工処理および二次加工処理は、図４に示したレーザ加工装置２０の加工制御部５によって、レーザ発生装置４で発生させるレーザ光のパルス幅を制御することによって実施される。なお、レーザ発生装置４におけるパルス幅の制御は、加工制御部５によって自動的に実施されることに限定されず、作業者が実施してもよい。

＜ステップＳ０３（図７参照）＞
図５のフローチャートに戻り、ステップＳ０３において、作業者は、レーザ加工装置２０によって表面加工処理された金属ワーク１を、プラズマ照射装置３０の第一プラズマ照射部６ａにセットし、第一プラズマ照射部６ａにおいて金属ワーク１のプラズマ処理を行う。この際、第一プラズマ照射部６ａが大気圧プラズマ照射装置であれば、プラズマ照射制御部７は、第一プラズマ照射部６ａの制御により、金属ワーク１の接合領域面１ａａを含む領域に限定したプラズマ処理を実施する。

＜ステップＳ０４（図７参照）＞
ステップＳ０４において、作業者は、未加工の樹脂ワーク２を、プラズマ照射装置３０の第二プラズマ照射部６ｂにセットし、第二プラズマ照射部６ｂおいて樹脂ワーク２のプラズマ処理を行う。この際、第二プラズマ照射部６ｂが大気圧プラズマ照射装置であれば、プラズマ照射制御部７は、第二プラズマ照射部６ｂの制御により、樹脂ワーク２の接合領域面２ａａを含む領域に限定したプラズマ処理を実施する。

なお、ステップＳ０３における金属ワーク１のプラズマ処理と、ステップＳ０４における樹脂ワーク２のプラズマ処理は、逆の順序で実施してもよいし、プラズマ照射装置３０にバッチ式の減圧プラズマ照射装置が用いられている場合には同時に実施してもよい。さらに両方のプラズマ処理を実施することが好ましいが、何れか一方のみを実施してもよい。

＜ステップＳ０５（図７参照）＞
ステップＳ０５において、作業者は、パルスヒート装置４０の固定具８に所定状態で金属ワーク１と樹脂ワーク２を積層させた状態で保持させる。これらの金属ワーク１および樹脂ワーク２は、プラズマ照射装置３０においてプラズマ処理が施されたものである。これらの金属ワーク１および樹脂ワーク２は、それぞれの接合領域面１ａａ，２ａａを対向させた状態で、固定具８に保持される。

＜ステップＳ０６（図７参照）＞
ステップＳ０６において、パルスヒート装置４０は、固定具８に固定した金属ワーク１と樹脂ワーク２の積層体を、金属ワーク１側から加圧ヘッド１０により加重をかけて加圧する。さらに、パルスヒート電源１１により、発熱部材９に電流を流して金属ワーク１と樹脂ワーク２の積層体を加熱する。

＜ステップＳ０７＞
ステップＳ０７においては、ステップＳ０６での加圧および加熱が終了した場合に、パルスヒート装置４０は、冷却部１２により、金属ワーク１と樹脂ワーク２の積層体に圧縮空気等を吹きかけて冷却処理を行う。なお、このステップＳ０７の冷却処理において圧縮空気を吹きかけて冷却するのはあくまで一例であり、急冷が必要でない場合には自然冷却でも構わない。

＜ステップＳ０８＞
ステップＳ０８において、パルスヒート装置４０は、金属ワーク１と樹脂ワーク２の積層体の加熱部が十分に冷却されたことを確認して、加圧ヘッド１０による金属ワーク１と樹脂ワーク２への加圧を解く。これにより、金属ワーク１と樹脂ワーク２とを接合した異種材接合構造体１００を得る。作業者は、作成された異種材接合構造体１００を、固定具８はら取り外し、本例の異種材接合方法の一連の処理が終了する。

＜異種材接合方法の効果＞
以上のように構成された異種材接合方法により、図１～図３を用いて説明した接合強度の高い異種材接合構造体１００を得ることができる。特にこの方法では、金属ワーク１の接合領域面１ａａに対して平坦部１０３を残して大径凹部１０１と小径凹部１０２とを形成した後、接合領域面２ａａが未加工である樹脂ワーク２を積層し、これらの積層体を加熱および加圧する手順である。これにより、加熱および加圧の際には、金属ワーク１の平坦部１０３において金属ワーク１と樹脂ワーク２とを密着させることができる。このため、金属ワーク１から樹脂ワーク２への熱伝導効率が向上し、樹脂ワーク２の溶融によって金属ワーク１の大径凹部１０１および小径凹部１０２内に樹脂ワーク２を構成する樹脂材料が充填され易くなる。この結果、樹脂ワーク２の接合領域面２ａａを金属ワーク１の接合領域面１ａａに倣った形状にし易くなるので、これによって接合面積が最大化されて接合強度の向上を図ることができる。また異種材接合構造体１００の製造に要する消費電力を削減することも可能である。

また、金属ワーク１の接合領域面１ａａが、大径凹部１０１の底部に小径凹部１０２を有する構成であるため、大径凹部１０１および小径凹部１０２に、樹脂ワーク２が入り込んでアンカー効果を発揮し、接合強度を保つことができる。特に、大径凹部１０１の底部に小径凹部１０２を設けたことにより、金属ワーク１と樹脂ワーク２との接合面積が拡大されるため、これによる接合強度の向上を図ることができる。

さらにこの方法は、金属ワーク１と樹脂ワーク２の少なくとも一方をプラズマ処理した後に、これらを接合する手順であり、プラズマ処理によって官能基（ＯＨ基）が付与された面が、加熱および加圧によって接合されることになる。これにより、金属ワーク１と樹脂ワーク２とを積層して加圧および加熱した際の異種材ワークの界面においての濡れ性が向上し、また異種材ワークの分子間で水素結合が生じ、この水素結合による化学結合や分子間力（ファンデルワールス力）に基づいて、物理的接着がより強固な異種材接合構造体１００を得ることが可能となる。

次に、実際に作成した異種材接合構造体を説明する。図１６は、金属ワークの接合領域面の顕微鏡像である。図１７は、金属ワークの接合領域面の凹凸を測定したグラフであり、図１６におけるＡ-Ａ方向に沿って凹凸を測定したグラフと、Ｂ－Ｂ方向に沿って凹凸を測定したグラフである。これらの図に示す金属ワークは、アルミニウム合金からなる。この金属ワークの接合領域面に、Ｂ－Ｂ方向に延設された溝状の大径凹部を、開口幅４０μｍ程度、深さ２５μ程度、ピッチ７５μｍ程度で形成した。また大径凹部の底部には、深さ３μｍ程度のドット状の小径凹部を形成した。

このような本発明構成の金属ワークと共に、小径凹部を有していない比較構成の金属ワークとを用い、それぞれに対して図５のステップＳ０４以降の手順で樹脂ワークを接合し、本発明構成の異種材接合構造体と、比較構成の異種材接合構造体を作成した。樹脂ワークはポリアミドを基材としたＣＦＲＴＰを用いた。接合にはパルスヒート装置を用いた。

作成した異種材接合構造体の接合強度を、ＩＳＯ１９０９５規格に記載の治具を用いてせん断方向の強度として測定した。その結果、本発明構成の異種材接合構造体は、比較構成の異種材接合構造体よりも１．６倍の接合強度を有することが確認され、本発明構成の効果を確認することができた。

なお、前述した実施の形態例は、本発明を分かりやすく説明したものであり、本発明は、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含むことは勿論である。例えば金属ワーク１に、大径凹部１０１を形成し、大径凹部１０１の底部に凹凸形状（小径凹部１０２）を形成する手順は、レーザ加工装置を用いた一次加工処理と二次加工処理とに限定されることはない。例えば、機械加工とレーザ加工とを組み合わせ、機械加工によって大径凹部１０１を形成し、その底面にレーザ加工によって小径凹部１０２を形成してもよい。

１…金属ワーク
１ａａ…接合領域面（金属ワーク）
２…樹脂ワーク
２ａａ…接合領域面（樹脂ワーク）
４…レーザ発生装置
５…加工制御部
２０…レーザ加工装置
３０…プラズマ照射部
４０…パルスヒート装置
１００…異種材接合構造体（樹脂ワーク）
１００ａ…平坦部
１０１…大径凹部（凹部）
１０２…小径凹部（凹凸形状）
２００…レーザ光
１０００…異種材接合装置

Claims (20)

1. 金属ワークと樹脂ワークとを、それぞれの接合領域面で接合した異種材接合構造体であって、
   前記金属ワークの接合領域面は、平坦部と、前記平坦部に設けられた凹部と、前記凹部の底部に形成された凹凸形状とを有し、
   前記樹脂ワークの接合領域面は、前記金属ワークの接合領域面に倣った表面形状を有する
   異種材接合構造体。
2. 前記金属ワークの接合領域面および前記樹脂ワークの接合領域面のうちの少なくとも一方はプラズマ処理された面であって、親水基を有する
   請求項１に記載の異種材接合構造体。
3. 前記金属ワークの接合領域面には、前記凹部が分散して配置されている
   請求項１または２に記載の異種材接合構造体。
4. 前記金属ワークの接合領域面に占める前記凹部の割合は、前記平坦部よりも多い
   請求項１～３のうちの何れか１項に記載の異種材接合構造体。
5. 前記凹部は溝形状であり、交差部を有することなく前記金属ワークの接合領域面に配置されている
   請求項１～４のうちの何れか１項に記載の異種材接合構造体。
6. 前記凹凸形状は、前記凹部の底部に形成されたドット状の凹部によって構成されている
   請求項１～５のうちの何れか１項に記載の異種材接合構造体。
7. 前記樹脂ワークは、炭素繊維層と樹脂層とを備え、前記接合領域面が樹脂層によって構成さている
   請求項１～６のうちの何れか１項に記載の異種材接合構造体。
8. 金属ワークと樹脂ワークとを接合する異種材接合方法であって、
   前記金属ワークと前記樹脂ワークを用意するステップと、
   前記金属ワークの接合領域面に、平坦部を残して凹部を形成するステップと、
   前記金属ワークの接合領域面に形成された前記凹部の底部に凹凸形状を形成するステップと、
   前記凹部および前記凹凸形状が形成された前記金属ワークの接合領域面と、前記樹脂ワークの接合領域面とを密着させた状態で、前記金属ワークと前記樹脂ワークとを積層するステップと、
   前記金属ワークと前記樹脂ワークとの積層体を積層方向から加圧した状態で前記金属ワークを加熱するステップと、
   加熱された前記金属ワークの熱を前記樹脂ワークに伝導して、前記樹脂ワークを溶融するステップと、を含む
   異種材接合方法。
9. 前記金属ワークと前記樹脂ワークとを積層するステップの前に、前記樹脂ワークの接合領域面および前記凹部および前記凹凸形状が形成された前記金属ワークの接合領域面のうちの少なくとも一方に、プラズマ処理を施すステップを含む
   請求項８に記載の異種材接合方法。
10. 前記凹部を形成するステップと、前記凹凸形状を形成するステップとは、レーザ照射による表面加工によって前記凹部と前記凹凸形状とを形成する
    請求項８または９に記載の異種材接合方法。
11. 前記凹部を形成するステップと、前記凹凸形状を形成するステップとで、前記レーザ照射における前記金属ワークの保持高さを調整する
    請求項１０に記載の異種材接合方法。
12. 前記凹部を形成するステップと、前記凹凸形状を形成するステップとで、前記レーザ照射におけるレーザ光の走査軌道を変更する
    請求項１０に記載の異種材接合方法。
13. 前記凹凸形状を形成するステップでのレーザ照射におけるレーザ出力を、前記凹部を形成するステップでのレーザ照射におけるレーザ出力よりも低下させる
    請求項１０に記載の異種材接合方法。
14. 前記凹凸形状を形成するステップでのレーザ照射のパルス幅を、前記凹部を形成するステップでのレーザ照射のパルス幅よりも狭くする
    請求項１０に記載の異種材接合方法。
15. 金属ワークと樹脂ワークとを接合する異種材接合装置であって、
    前記樹脂ワークと接合する前記金属ワークの接合領域面をレーザ照射によって表面加工するレーザ加工装置と、
    前記金属ワークの接合領域面と前記樹脂ワークの接合領域面とを合わせた状態で、前記金属ワークを加圧及び加熱するパルスヒート装置とを備え、
    前記レーザ加工装置は、レーザ発生装置と前記レーザ発生装置の駆動を制御する加工制御部とを有し、
    前記レーザ加工装置の加工制御部は、前記金属ワークの接合領域面に平坦部を残した状態で凹部を形成した後、前記凹部の底部に凹凸形状を形成するように前記レーザ発生装置の駆動を制御する
    異種材接合装置。
16. 前記レーザ加工装置によって表面加工された前記金属ワークの接合領域面、および前記樹脂ワークの接合領域面の少なくとも一方に対してプラズマ照射するプラズマ照射部を備えた
    請求項１５に記載の異種材接合装置。
17. 前記レーザ加工装置は、前記金属ワークを所定状態で固定して保持する固定部を有し、
    前記加工制御部は、前記凹部の形成と前記凹凸形状の形成とにおいて、前記固定部の制御により前記金属ワークの保持高さを調整する
    請求項１５または１６に記載の異種材接合装置。
18. 前記加工制御部は、前記レーザ発生装置から照射されるレーザ光の走査軌道を制御することにより、前記凹部と前記凹凸形状とを形成する
    請求項１５または１６に記載の異種材接合装置。
19. 前記加工制御部は、前記凹凸形状の形成におけるレーザ出力が、前記凹部の形成におけるレーザ出力よりも低下するように、前記レーザ発生装置の駆動を制御する
    請求項１５または１６に記載の異種材接合装置。
20. 前記加工制御部は、前記凹凸形状の形成におけるレーザ照射のパルス幅が、前記凹部の形成におけるレーザ照射のパルス幅よりも狭くなるように、前記レーザ発生装置の駆動を制御する
    請求項１５または１６に記載の異種材接合装置。

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