JP4020957B2 - 異種材料との接合部を有する金属材料及びレーザーを用いてのその加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、異種材料との接合度合いを高める金属表面処理技術に関する。加えて、本発明は、前記金属表面処理技術を利用しての、金属表面に異種材料を強固に接合する技術に関する。

従来、携帯電話の筐体は、軽量である（密度０．８〜１．４ｇ／ｃｍ³）ことに加え、射出成形等による量産及びこれに伴う低価格化が可能であるため、合成樹脂等の樹脂を成形したものが殆どであった。ところが、近年、携帯電話の機能は、カメラ機能や音楽機能等、益々増大・多様化の傾向にあり、これに起因して、筐体に実装される電子部品の容積・押釦の数・液晶表示部の割合等も増加傾向にある。そこで、前記機能の向上に伴う電子部品等の質量増加に伴い、電子部品等を実装する筐体の軽量化（肉薄化）が要求されている。しかしながら、前記の樹脂は、金属材料と比較し、一般的に引張強さ、弾性率、衝撃強度等の機械的特性が劣る。このため、筐体内側にリブ等を設置して補強する必要がある結果、実装可能容積は必然的に小さくなってしまう。また、樹脂製筐体を薄肉にした際には残留応力が発生する結果、変形等が起こり易く熱的信頼性が低いのが実情である。

そこで、最近では、樹脂に代わり、金属材料（例えばアルミニウム合金）を用いた筐体が使用され始めている。金属材料（例えばアルミニウム合金）の比強度（引張強さ／比重）や比剛性（弾性率／比重）等の機械強度は、プラスチックのそれらを大きく上回るため、機械強度を担保しつつ薄肉化・軽量化を図ることが可能である。ここで、金属材料を筐体として使用する場合、筐体内部に収納される電子基板を当該筐体に固定するための保持部材・ネジボス等の部材を当該筐体内に設置する必要がある。この場合、軽量化及び作業性等の観点からは、該部材として樹脂を採用すると共に、当該部材の形成手法として金属材料上に樹脂を射出成形（インサート成形やアウトサート成形）する手法を採用することが好適である。この際、特に携帯電話等のような、電子基板という振動に弱い部品が実装された製品に関しては、金属と樹脂とが剥離することによる製品的ダメージは計り知れないので、金属材料と樹脂の接合度合いは特に高くなくてはならない。

ここで、金属材料と樹脂との接合度合いを高めるための従来技術としては、例えば、接着剤、熱接着シート及び両面テープ等を介して金属材料上に樹脂を接合するという技術が存在する。しかしながら、当該技術を採用した場合、接合強度が相対的に低いことに加え、接合強度は選定した接着剤や熱接着シート等の性能に依存する、接着する工程・専用設備を考慮する必要がある、加工材料以外に接合剤が必要である、あまり複雑な形状に対応することは不得手である、細いリブに対応することが困難である、等の問題が存する。また、別の手法として、有機めっき処理を金属材料に施した上で樹脂と接合するという技術も存在する。例えば、有機めっき処理を金属材料に施した上で樹脂と接合する方法が、特開２００１−１４４５に開示されている。当該技術を採用した場合には、共有結合であるために接合強度が高くなることは期待できるものの、陽極酸化等の表面処理前に処理が必要である、金属表面の油脂の除去・酸化金属の除去・活性化のために前処理を厳格に行う必要がある、成形時に高い型温にしないと好ましい接着力が得られない、成形サイクルが長くなる、形状によっては離型の問題が発生する、部分的な処理が困難である、処理の状態の目視確認が困難である、処理品の保管管理を厳格に行う必要がある、処理工程数が比較的多い、等の問題を存する。また、別の手法として、エッチング加工を金属材料に施した上で樹脂と接合するという技術も存在する。例えば、薬品により金属表面の腐食処理（エッチング処理）を行い、その面に樹脂を射出成形する方法が、特開２００４−０５０４８８に開示されている。当該技術を採用した場合にも、接合強度自体が高くなることは期待できるものの、陽極酸化等の表面処理前に処理が必要である、有害性が大きい薬剤（ヒドラジン）を使用するので廃液処理が必要である、部分的な処理が困難である、処理の状態の目視確認が困難である、処理工程数が比較的多い、処理はアルミニウム素材に限定される等の問題を存する。

更には、レーザー加工を金属材料に施した上で樹脂と接合するという技術も存在する。例えば、特許文献１には、金属表面にレーザー光を照射して凹凸を形成し、その後に、当該凹凸形成部位に樹脂を射出成形して被覆する技術が開示されている。当該技術を採用した場合には、必要な部分のみ処理が可能である、処理部は設備のプログラム上で簡単に変更可能である、比較的安全である、処理工程が少ない、自動化にも対応し易い、アウトサート成形以外の後工程での組立にも対応可能である、加工面を観察することにより比較的簡単に処理を確認できる、加工材料だけで他の材料を必要としない、等のメリットがある点で優れている。

しかしながら、特許文献１の技術では、金属材料と樹脂との極めて高い接着性が達成できる訳ではない。したがって、当該接着性の問題が、例えば携帯電話等の電子製品に当該技術を適用することの障壁となっていた。

そこで、本発明は、前記数多くのメリットを奏するレーザー加工技術を利用して、金属材料と異種材料（例えば樹脂）とを接合する技術において、金属材料と異種材料とが極めて高い接着性をもって接合する技術を提供することを目的とする。
特開平１０−２９４０２４

本発明（１）は、異種材料と接合を行うための接合部を有する金属材料において、前記接合部が、ある走査方向についてレーザースキャニング加工された後、前記走査方向とクロスする別の走査方向についてレーザースキャニング加工されたことにより形成されたものであることを特徴とする金属材料である。

本発明（２）は、前記ある走査方向と前記別の走査方向のレーザースキャニング加工のいずれもが、複数回重畳的に実施された、前記発明（１）の金属材料である。

本発明（３）は、前記ある走査方向と前記別の走査方向のレーザースキャニング加工のいずれもが、ハッチング幅０．０２〜０．６ｍｍで実施された、前記発明（１）又は（２）の金属材料である。

本発明（４）は、前記ある走査方向と前記別の走査方向とのクロスする角度が、４５°以上である、前記発明（１）〜（３）のいずれか一つの金属材料である。

本発明（５）は、前記ある走査方向と前記別の走査方向とのクロスする角度が、略９０°である、前記発明（４）の金属材料である。

本発明（６）は、前記接合部が、凹凸形状をなしていると共に、前記凸部の少なくとも一部がブリッジ形状又はオーバーハング形状をなしている、前記発明（１）〜（５）のいずれか一つの金属材料である。

本発明（７）は、特定の樹脂を前記接合部に射出成形により接合させた際に当該金属材料と接合された特定の樹脂をＪＩＳ Ｋ６８５０に従い破壊したときの剥離強度が４ＭＰａ以上である、前記発明（１）〜（６）のいずれか一つの金属材料である。

本発明（８）は、前記異種材料が、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、エラストマー又はプラスチックアロイである、前記発明（１）〜（７）のいずれか一つの金属材料である。

本発明（９）は、前記金属材料が、アルミニウム、マグネシウム又はステンレス鋼である、前記発明（１）〜（８）のいずれか一つの金属材料である。

本発明（１０）は、前記金属材料が、電気・電子機器用部品である、前記発明（１）〜（９）のいずれか一つの金属材料である。

本発明（１１）は、前記電気・電子機器用部品が、携帯電話用筐体である、前記発明（１０）の金属材料である。

本発明（１）〜（１１）のいずれか一つの金属材料の前記接合部上に異種材料が接合されている、異種材料接合金属材料である。

本発明（１３）は、前記異種材料接合金属材料が、電気又は電子機器用部品である、前記発明（１２）の異種材料接合金属材料である。

本発明（１４）は、本発明（１３）の電気又は電子機器用部品に、電気又は電子部品が実装された、電気又は電子機器である。

本発明（１５）は、前記電気又は電子機器が、携帯電話である、前記発明（１４）の電気又は電子機器である。

本発明（１６）は、ある走査方向について金属表面をレーザースキャニング加工する工程と、前記走査方向とクロスする別の走査方向について前記金属表面をレーザースキャニング加工する工程を含むことを特徴とする、異種材料と接合を行うための接合部を形成するための金属表面のレーザー加工方法である。

本発明（１７）は、前記ある走査方向と前記別の走査方向のレーザースキャニング加工のいずれも、複数回重畳的に実施する、前記発明（１６）の方法である。

本発明（１８）は、前記ある走査方向と前記別の走査方向のレーザースキャニング加工のいずれも、ハッチング幅０．０２〜０．６ｍｍで実施する、前記発明（１６）又は（１７）の方法である。

本発明（１９）は、前記ある走査方向と前記別の走査方向とのクロスする角度が４５°以上である、前記発明（１６）〜（１８）のいずれか一つの方法である。

本発明（２０）は、前記ある走査方向と前記別の走査方向とのクロスする角度が、略９０°である、前記発明（１９）の方法である。

本発明（２１）は、前記接合部が、凹凸形状をなしていると共に、前記凸部の少なくとも一部がブリッジ形状又はオーバーハング形状をなしている、前記発明（１６）〜（２０）のいずれか一つの方法である。

本発明（２２）は、特定の樹脂を前記接合部に射出成形により接合させた際に、当該金属材料と接合された特定の樹脂をＪＩＳ Ｋ６８５０に従い破壊したときの剥離強度が４ＭＰａ以上である、前記発明（１６）〜（２１）のいずれか一つの方法である。

本発明（２３）は、前記異種材料が、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、エラストマー又はプラスチックアロイである、前記発明（１６）〜（２２）のいずれか一つの方法である。

本発明（２４）は、前記金属材料が、アルミニウム、マグネシウム又はステンレス鋼である、前記発明（１６）〜（２３）のいずれか一つの方法である。

本発明（２５）は、前記発明（１６）〜（２４）のいずれか一つの方法における各工程を含むことを特徴とする、異種材料と接合を行うための接合部が形成された金属材料の製造方法である。

本発明（２６）は、前記発明（１６）〜（２４）のいずれか一つの方法における各工程と、前記レーザースキャニング加工を施した前記金属表面に異種材料を接合させる工程とを含むことを特徴とする、金属表面と異種材料との接合方法である。

本発明（２７）は、前記接合工程が、前記金属表面に異種材料を射出成形するものである、前記発明（２６）の方法である。

本発明（２８）は、前記発明（２６）又は（２７）の方法における各工程を含むことを特徴とする、異種材料接合金属材料の製造方法である。

本発明（２９）は、前記発明（２８）の方法における各工程と、前記金属部品に電気又は電子部品を実装する工程とを含むことを特徴とする、電気又は電子機器の製造方法である。

本発明（１）及び（１２）によれば、クロス状のレーザースキャニング加工に由来した、アンカー効果に優れた多数の突起（凹凸部）から構成される接合部を金属表面に有しているので、従来のレーザーで処理された金属表面と比較し、極めて高い異種材料との接合強度を発揮するという効果を奏する。

本発明（２）によれば、前記効果に加え、レーザースキャニング加工が複数回重畳的に実施されているので、接合部における前記突起の形状は更に複雑化し、より優れたアンカー効果を発揮するという効果を奏する。

本発明（３）によれば、前記効果に加え、レーザースキャニング加工がハッチング幅０．０２〜０．６mmで実施されているので、未加工部分がある周期性を持った突起形状として形成される結果、より優れたアンカー効果を発揮するという効果を奏する。

本発明（４）によれば、前記効果に加え、レーザースキャニング加工におけるクロス角度を４５°以上とすることにより、どのような方向からの力に対しても強度を保ちながら、特定の方向に対しては優れた接合強度を示すことが期待できるという効果を奏する。

本発明（５）によれば、前記効果に加え、レーザースキャニング加工におけるクロス角度を略９０°とすることにより、どのような方向からの力に対しても均一に優れた接合強度を示すという効果を奏する。

本発明（６）によれば、前記効果に加え、凸部がブリッジ形状のものはその空孔に異種材料が入り込んだ状態で異種材料が固化し、凸部がオーバーハング形状のものは異種材料が頭部を包み込んだ状態で異種材料が固化するので、より優れたアンカー効果を発揮するという効果を奏する。

本発明（７）によれば、前記効果に加え、剥離強度が４ＭＰａ以上であるので、これまでは強力な接着剤を用いる等して異種材料と接合しなくてはならなかった、高い接合強度が求められる様々な製品に利用可能であるという効果を奏する。

本発明（８）によれば、前記効果に加え、アンカー効果という物理的保持力で異種材料を保持する原理であるため、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、エラストマー又はプラスチックアロイという汎用材料のいずれも問題無く接合させることが可能であるという効果を奏する。

本発明（９）によれば、前記効果に加え、レーザースキャニング加工の場合、アルミニウム、マグネシウム又はステンレス鋼という汎用材料についても、レーザー加工条件を変更することで接合部が形成可能であるので、化学エッチング処理等と比較すると、材料選択の幅が広がるという効果を奏する。

本発明（１０）、（１３）及び（１４）によれば、前記効果に加え、金属材料と異種材料との接合強度が極めて高いため、電気・電子機器用部品に用いた場合、当該電気電子機器の落下や振動といった衝撃に対しても当該接合部分が破損しづらい結果、当該接合部分の破損に起因した電気・電子機器の故障等を有効に防止することができるという効果を奏する。

本発明（１１）及び（１５）によれば、前記効果に加え、その常備性又は携帯性ゆえに、電気・電子機器の中で最も落下・振動の頻度が高い携帯電話に適用されるので、当該接合部分の破損に起因した携帯電話の故障等を有効に防止することができるという効果を奏する。

また、本発明（１６）〜（２９）の方法によれば、当該方法により得られる物に関する効果は前記の通りであるが、方法自体の効果を列記すると、加工形状・条件は、プログラムにより自由に変更でき、汎用的に対応可能である、有機めっき処理やエッチング処理と異なり、所定の場所に必要な分だけの加工を行いやすい、薬品による化学エッチング等と比較し安全である、マーキング加工という性質上、加工前のワークの面は脱脂等が不要で管理が楽である、他の処理方法と比較し、工程数が少なく自動化にも対応しやすい、マクロレベルのブリッジ形状のため（０．０１〜０．１mm）、処理されたかどうかを特別な設備無しで、確認をしやすい、アルマイト等の表面処理品でも未処理品でも加工対応できるため、工程内での自由度が高い、アウトサート成形に限らず、樹脂が溶融する温度に金属部材を過熱し組み合わせることにより樹脂と金属の接合が可能である、ブリッジ形状部に樹脂を流し込むことができれば、例えば薬品で樹脂の接合面を溶解処理しブリッジ形状部に加圧し接合したり、ブリッジ形状部に樹脂を超音波により摩擦発熱させ溶着するなどの手法も展開可能である、応用範囲が広く、成形に限らず塗装・メッキなどでもアンカー効果による接合度合いの向上が期待できる、加工物の材料だけを使用しており、他の材料を必要としない、等の効果を奏する。

まず、本発明に係る金属材料は、特に限定されないが、例えば、アルミニウム、マグネシウム又はステンレス鋼を挙げることができる。尚、携帯電話やノートパソコン等の電気・電子機器の筐体として用いる場合には、軽量化の観点から、アルミニウムやマグネシウム等の、密度５ｇ／ｃｍ^３以下の軽金属の単体又はこれら軽金属を主成分とする合金を用いることが好適である。また、金属材料は、陽極酸化処理等の表面処理や塗装がされていてもいなくともよく、いずれも後述のレーザースキャニング処理でブリッジ形状を形成することが確認されている。

次に、本発明に係る金属材料は、異種材料との接合部をその表面に有している。ここで、当該接合部は、凹凸形状をなしていると共に、好適には、前記凸部の少なくとも一部がブリッジ形状又はオーバーハング形状をなしている。ここで、「ブリッジ形状」とは、生成された凸部の頂上同士が溶融してつながりアーチ状になり下部に孔があいている形状のものを指す。尚、凸部のすべてがブリッジ形状をなしておらず、一部の凸部がオーバハングしてきのこ状・杉の木状になっていても、或いは、オーバーハングしていない単なる凸状であってもよい。ここで、図１に、前記ブリッジ状の概念図の一例を示す。まず、図１（ａ）は、一方の凸体と他方の凸体両方が倒れこむような形で両方の凸体の間に孔が形成された形状である。次に、図１（ｂ）は、一方の凸体が他方の凸体に倒れこむような形で両方の凸体の間に孔が形成された形状である。次に、図１（ｃ）は、一方の凸体と他方の凸体の上部が溶融した結果、垂れ下がったブリッジが両方の凸体間に掛けられた形状である。次に、図１（ｄ）は、一方の凸体と他方の凸体とが一体化した状態で中央に孔が形成された形状（トンネル状）である。

例えばブリッジ形状が存在する場合には、前記接合部は、微細三次元網目形状を形成することになる。このような表面構造の接合部に異種材料を接合（例えば、樹脂を射出成形で接合）させると、前記微細三次元網目形状の凹状部・ブリッジ部下空孔に異種材料が入り込む結果、接合面が異種材料と接する表面積が増大すると同時に極めて高いアンカー効果が発揮される。これにより、接着剤等の接合剤無しに、また薬品により金属表面を処理しなくとも、金属と異種材料を強固に安定して接合することが可能となる。

次に、前記ブリッジ形状を成した接合部の物性を説明する。前記接合部に特定の樹脂（標準試料）を接合させた際の剥離強度は、４ＭＰａ以上であることが好適であり、６ＭＰａ以上であることがより好適であり、１０ＭＰａ以上であることが更に好適である。この程度の剥離強度を奏すれば、接着剤等の接合剤無しに、また薬品により金属表面を処理しなくとも、金属と異種材料を強固に安定して接合することが可能となる。但し、当該強度はあくまで「特定の樹脂」を接合させた場合の剥離強度であり、実際の剥離強度は「異種材料」の種類により変わる。例えば、「異種材料」としてエラストマー（弾性体）を適用した場合には、実際の剥離強度自体は低い値となる（但し、当該エラストマーは接合部に強力に結合しているため、実際の剥離強度を測定した場合には、接合面にエラストマーがむしれて残るレベルとなる）。尚、本特許請求の範囲及び本明細書にいう「剥離強度」は、ＪＩＳ Ｋ６８５０の「接着剤−剛性被着材の引張せん断接着強さ試験方法」に準じて行うものとする。当該試験は、概略、試験片の両端をチャックに固定し、一定速度で引張荷重をかけ、接合面が剥がれた際の荷重又は材料が破断した際の荷重（引っ張り強度）を記録することにより実施する。ここで、水平な引張荷重のみが試験片にかかるよう（垂直方向の荷重がかからないよう）、図２（Ｂ）に示すように、樹脂面と金属面の両面に支持体をあてて厚みを合わせる。また、標準試料となる「特定の樹脂」は、ＰＢＴ樹脂（例えば「東レ トレコン（登録商標） １１０１Ｇ３０ Ｂｋ」）とする。尚、参考までに、本明細書における当該剥離強度の測定例を図２（Ａ）に示す。ここで、図中、「１」は金属材料、「２」は特定の樹脂（ＰＢＴ）、「３」は支持体、「Ａ」は接合部面積を示す。但し、この剥離強度は、引っ張り強度を接合部の面積で除した値であるので、基本的には図２に示した条件には拘束されない。尚、本例では、引張試験機として東洋精機ストログラフＶ１０−Ｃ（商標）を用い、チャック間距離（上下チャック先端部分の間隔）を３０ｍｍに設定し、引っ張り速度を５ｍｍ／ｍｉｎに設定して行った。

次に、接合部の形成方法を説明する。前記接合部は、レーザー光を照射して、金属表面を溝堀加工及び溶融させ再凝固させる条件にて加工することにより形成される。より具体的には、ある走査方向についてレーザースキャニング加工された後、前記走査方向とクロスする別の走査方向についてレーザースキャニング加工されたことにより形成される。以下、クロスレーザースキャニングの際の好適条件に関し、まず特に重要なパラメータである「クロス角度」及び「繰り返し加工回数」に関する好適条件を説明し、次いで他のパラメータに関する好適条件を順次説明することとする。

はじめに、クロス角度（加工方向）は、ある走査方向と別の走査方向との角度が１０°以上であることが好適であり、４５°以上であることがより好適である。即ち、前の加工に対して、次の加工の走査方向が同じでないことが重要である。更に、どのような方向からの引張荷重に対しても高い接合強度を奏するという点で、クロス角度が略９０°であることが最適である。

次に、繰り返し加工回数（重畳回数、クロスハッチング回数）は、処理される金属材料の種類・クロス角度（加工方向）・出力等に基づき、当業者が適宜決定する。ここで、一般的には、繰り返し加工回数が少なすぎる場合には、アンカー効果の高い接合部（例えば凸部がブリッジ形状又はオーバーハング形状）が形成され難い。他方、繰り返し加工回数が多すぎる場合には、加工時間が増大するのと、せっかく形成されたアンカー効果の高い接合部が破損してしまう場合がある。例えば、クロス角度が略９０°であるとき、ＳＵＳの場合には８〜１０回が好適であり、Ｍｇの場合には４〜５回が好適である。ここで、ある加工とその次の加工の加工条件を変えてもよい。例えば、１回目を比較的大きな出力で深い面粗し加工を行い、２回目で形状を整える態様を挙げることができる。また、色の違いによるレーザー加工性については、一般的に、黒系に対して銀色系、更にはワインレッドや橙系は、同じ出力では、反射率の違いから加工性が落ちるとされている。しかしながら、走査方向を変えながら、何回も繰返し加工を行うため、同一条件で加工しても加工面に大きな差は見られないことが確認されている。また、例えば走査方向０°を加工後、４５°づつ加工方法を回転させ、４回加工しても同様な効果が得られることが確認されている。

次に、レーザースキャニング加工に関する他のパラメータの好適条件について詳述する。まず、他のパラメータとしては、加工機出力、ハッチング幅、レーザービームスポット径とハッチング幅のバランス等を挙げることができる。尚、これらパラメータの好適条件は、処理対象となる金属材料の種類、求められる剥離強度、使用するレーザー装置の出力等に応じて変わるものである。以下、各パラメータについて一般的な好適条件を説明する。

まず、「加工機出力」は、平均出力２０W程度の機種において、設定範囲８０％以上であることが好適であり、より好適には９２〜９５％である。出力の大きな設備については、設定出力を大きくすることにより、加工回数を少なくでき、加工時間の短縮が可能である。例えば、２０Ｗよりも４０Ｗの方が、加工性は上がる（レーザースキャニングの設定速度・周波数を上げることが可能）。この場合、クロスハッチングの回数も多少減らすことが可能となる（例えば、ＳＵＳの場合、２０Ｗでは８〜１０回であるところ、４０Ｗでは６〜８回程度）。尚、陽極酸化されていない金属材料の場合は、陽極酸化処理されているものよりも出力を高めに設定する必要がある。

次に、「ハッチング幅」は、一般的には、０．０２〜０．６mmであることが好適である。ハッチング幅の設定値が小さい場合、プログラム量が増大し設備に負担がかかるのと、加工時間が増えることにより加工コストが上昇する。また、設定値が大きい場合、ピッチ幅が広がりすぎアンカー効果の高い凹凸形状が形成しにくくなる。尚、図１４は、ハッチング幅の概念を示したものである。尚、ハッチング幅に関しては、金属材料の種類によりその幅を決定することが好適である。例えばＭｇのように加工性のよい材料は、比較的ハッチング幅を広めにとらないと凹凸が潰れてしまうのでハッチング幅を広めに設定する一方、ＳＵＳのようにそれ程加工性のよくない材料は、ハッチング幅を比較的広範囲で設定できる。更には、加工機出力を大きくすると、加工性が上がると共に加工部周辺への影響も大きく平坦な加工になり易いため、ハッチング幅をプラス気味に設定することが好適である。

次に、「レーザービームスポット径とハッチング幅のバランス」は、ハッチング幅をビームスポット径の５０〜３００％に設定することが好適であり、６０〜１５０％に設定することがより好適である。例えば、２０Ｗ機種のレーザービームスポット径をΦ０．１ｍｍと設定した場合の設定ハッチング幅は、０．０５〜０．３ｍｍであり、より好適には０．０６〜０．１５ｍｍである。

次に、このような接合部を有する金属材料の用途について説明する。この金属材料は、接合部で異種材料と強固に接合可能であるので、落下や振動等の衝撃が好ましくない電気又は電子機器用の部品として用いることが好適である。例えば、内部に樹脂製のボスや保持部材等を備えた、電気・電子機器用筐体として有用である。ここで、電気・電子機器用筐体としては、携帯電話の他に、カメラ、ビデオ一体型カメラ、デジタルカメラ等の携帯用映像電子機器の筐体、ノート型パソコン、ポケットコンピュータ、電卓、電子手帳、ＰＤＣ、ＰＨＳ、携帯電話等の携帯用情報あるいは通信端末の筐体、ＭＤ、カセットヘッドホンステレオ、ラジオ等の携帯用音響電子機器の筐体、液晶ＴＶ・モニター、電話、ファクシミリ、ハンドスキャナー等の家庭用電化機器の筐体等を挙げることができる。

ここで、「異種材料」とは、金属材料の融点よりも低い温度で接合可能な材料であれば特に限定されず、例えば、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、エラストマー又はプラスチックアロイを挙げることができる。更には、光硬化型樹脂のような熱以外のエネルギで硬化するものや、複数の成分を混合することにより化学的に固化させる等、熱以外で硬化する材料であってもよい。より詳細には、熱可塑性樹脂（汎用樹脂）としては、例えば、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/スチレン樹脂（ＡＳ）、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン樹脂（ＡＢＳ）、メタクリル樹脂（ＰＭＭＡ）、塩化ビニル（ＰＶＣ）、熱可塑性樹脂（汎用エンジニアリング樹脂）としては、例えば、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＰＥ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ＧＦ強化ポリエチレンテレフタレート（ＧＦ―ＰＥＴ）、ポリメチルペンテン（ＴＰＸ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、変性ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、熱可塑性樹脂（スーパーエンジニアリング樹脂）としては、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリテトラフロロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリサルフォン（ＰＳＦ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、熱硬化性樹脂としては、例えば、フェノ-ル樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル、アルキッド樹脂、エポキシ樹脂、ジアリルフタレート、エラストマーとしては、熱可塑性エラストマーやゴム、例えば、スチレン・ブタジエン系、ポリオレフィン系、ウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、１,２−ポリブタジエン、ポリ塩化ビニル系、アイオノマーを挙げることができる。更には、熱可塑性樹脂にガラスファイバーを添加したものや、ポリマーアロイ等も挙げることができる。

また、この金属材料に異種材料（例えば樹脂）を接合するに際しては、周知の射出成形で接合を行うことが好適である。尚、射出成形としては、アウトサート成形・インサート成形のいずれでもよい。ここで、レーザブリッジ加工面をしっかり転写させる必要性の観点からは、型温・樹脂温は高めに設定し射出圧力も高めのほうが転写性に優れているため、より好適である。但し、レーザブリッジ加工面の表面粗さは、最大高さ（Ｒｍａｘ）で０．０５〜０．１位のため、無理に樹脂温度を高めに設定しなくとも、十分加工面に流すことができる。

以下、本発明の理解をより深めるために、実施例を参照しながら更に具体的に説明する。尚、本発明の技術的範囲は、本実施例により何ら限定されるものではない。ここで、本実施例において使用したレーザーマーカは、Ｃｏｂｒａ，Ｅｌｅｃｔｒｏｘ社製｛レーザタイプ：継続波／Ｑｓｗｉｃｈ付Ｎｄ:ＹＡＧ、発振波長：１．０６４μm、最大定格出力：２０W（平均）｝である。また、「走査状況」における「Ｘ−Ｙ」は、Ｘ°方向に走査加工後、Ｙ°方向に操作加工することを意味する。

実施例１（母材ごとの剥離強度測定）
アルミニウム（Ａ１０５０−Ｈ２４）、マグネシウム（ＡＺ３１）及びステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）のそれぞれに対して、表１に示すレーザー加工条件で接合部を形成した後、図２に示すプロトコルに従い、表２に示す成形条件で当該接合部上に標準材料（ＰＢＴ樹脂）を適用し、その後、引っ張りせん断強度を測定した。その結果を表３に示す。また、表３中の数値は、剥離強度であり、引っ張りせん断強度（Ｎ）を接合面積（０．５ｃｍ^２）で除した値である。また、図３及び図４に、マグネシウム表面に形成された接合部のＳＥＭ画像及びステンレス鋼表面に形成された接合部のＳＥＭ画像を示す。更に、図５に、ステンレス鋼表面に形成された接合部断面のＳＥＭ画像を示す。尚、ビームスポット径は、約１３０μｍに設定した。

実施例２（表面処理の違いによる剥離強度試験）
レーザースキャニング加工を行う金属表面の、表面処理の違いにより強度がどのように変化するかを調べた。具体的には、アルミニウム（Ａ１０５０−Ｈ２４、ｔ＝０．６ｍｍ）について（１）アルマイト処理銀を施したもの（銀）、（２）アルマイト処理黒を施したもの（黒）、（３）アルマイト処理を施さないもの（無）、のそれぞれに対して、表４に示すレーザー加工条件で接合部を形成した後、図２に示すプロトコルに従い、表５に示す成形条件で当該接合部上に標準材料（ＰＢＴ樹脂）を適用し、その後、引っ張りせん断強度を測定した。その結果を表６に示す。ここで、表６中の数値は、剥離強度であり、引っ張りせん断強度（Ｎ）を接合面積（０．５ｃｍ^２）で除した値である。尚、ビームスポット径は、約１３０μｍに設定した。

実施例３（加工回数の違いによる接合面状態確認試験）
加工回数を変化させた場合に接合部（接合面）がどのように変化するかをＳＥＭで確認した。具体的には、マグネシウム（ＡＺ３１、ｔ＝０．４ｍｍ）に対して、表７に示すレーザー加工条件で接合部を形成した。その結果を表８に示す。また、図６（１）は、加工回数が３回である場合の接合部の表面状態を示したＳＥＭ画像であり、図６（２）は、加工回数が５回である場合の接合部の表面状態を示したＳＥＭ画像である。尚、ビームスポット径は、約１３０μｍに設定した。

実施例４（異種材料１を用いた場合の引っ張り強度試験）
実際に製品に適用される異種材料を各金属材料の接合部に接合させた際の引っ張り強度を調べた。具体的には、アルミニウム（Ａ１０５０−Ｈ２４、ｔ＝０．６ｍｍ）、マグネシウム（ＡＺ３１、ｔ＝０．４ｍｍ）及びステンレス鋼（ＳＵＳ３１６、ｔ＝０．４ｍｍ）のそれぞれに対して、表９に示すレーザー加工条件で接合部を形成した後、図２に示すプロトコルに従い、表１０に示す成形条件（成形機：山城精機、縦型成形機、５０ｔ）で当該接合部上にＡＢＳ樹脂（デンカ マレッカ（登録商標） Ｋ−０９５ Ｂｋ、通常成形温度：２３０℃）を適用し、その後、引っ張りせん断強度を測定した。その結果を表１１に示す。尚、ＳＵＳについては標準試料（ＰＢＴ）データも併せて示す。尚、ビームスポット径は、約１３０μｍに設定した。

実施例５（異種材料２を用いた場合の引っ張り強度試験）
実施例４とは異なる異種材料を金属材料の接合部に接合させた際の引っ張り強度を調べた。具体的には、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６、ｔ＝０．４ｍｍ）に対して、表１２に示すレーザー加工条件で接合部を形成した後、図２に示すプロトコルに従い、表１３に示す成形条件（成形機：山城精機、縦型成形機、５０ｔ）で当該接合部上にＰＣ樹脂（ポリカーボネート；三菱 ユーピロン（登録商標） ＧＳ２０３０ＭＫＲ）を適用し、その後、引っ張りせん断強度を測定した。その結果を表１４に示す。尚、標準試料（ＰＢＴ）データも併せて示す。尚、ビームスポット径は、約１３０μｍに設定した。

実施例６（異種材料３を用いた場合の引っ張り強度試験）
実施例４及び５とは異なる異種材料を金属材料の接合部に接合させた際の引っ張り強度を調べた。具体的には、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４ＣＳＰ、ｔ＝０．２５ｍｍ）に対して、表１５に示すレーザー加工条件で接合部を形成した後、図２に示すプロトコルに従い、表１６に示す成形条件（成形機：山城精機、縦型成形機、５０ｔ）で当該接合部上にＰＰＳ樹脂｛東ソー ＳＵＳＴＥＥＬ（登録商標） ＧＳ４０ ３２０２（ＧＦ４０％）｝及び標準樹脂（ＰＢＴ樹脂）を適用し、その後、引っ張りせん断強度を測定した。その結果を表１７に示す。尚、ビームスポット径は、約１３０μｍに設定した。

実施例７（異種材料４を用いた場合の引っ張り強度試験）
実施例４〜６では異種材料として熱可塑性樹脂を用いたが、本実施例では熱可塑性エラストマーを異種材料として用いた場合について試験した。具体的には、アルミニウム（Ａ１０５０−Ｈ２４、ｔ＝０．６ｍｍ）、マグネシウム（ＡＺ３１、ｔ＝０．４ｍｍ）及びステンレス鋼（ＳＵＳ３１６、ｔ＝０．４ｍｍ）のそれぞれに対して、図２に示すプロトコルに従い（但し、加工面積を４．５ｍｍ×９ｍｍ＝４０．５ｍｍ^２とした）、表１８に示すレーザー加工条件で接合部を形成した後、表１９に示す成形条件で当該接合部上にポリエステル系熱可塑性エラストマー（三菱プリマロイ（登録商標）ＡＮ１６００Ｎ ６８度）を適用し、その後、引っ張りせん断強度を測定した。その結果を表２０に示す。尚、ビームスポット径は、約１３０μｍに設定した。

実施例８（金属−異種材料接合部材の温度サイクル試験）
アルミニウムに標準材料（ＰＢＴ樹脂）を適用した、実施例１に係る接合部材に関し、図７に示す条件で温度サイクル試験を実施した。そして、当該試験の前後で強度測定試験を行い、温度変化に対しての強度の影響を調べた。試験の概要は、−２０〜１００℃の範囲で４時間を１サイクルとして、２０サイクル試験を行うというものである（試験機：ＥＴＡＣ ＨＩＦＬＥＸ ＴＨ４１１４（商標））。その結果を表２１及び図８に示す。尚、表２１中のアンダーラインは、材料破壊（接合部ではなく、樹脂材料自体が破断）を示している。

比較例１（熱接着シート・接着剤との強度比較）
レーザー加工で形成された接合部を介して金属材料と異種材料とを接合する代わりに、熱接着シートと接着剤を介して金属材料と異種材料とを接合し、引っ張り強度を測定した。具体的には、まず、熱接着シートに関しては、金属試験片（ＳＵＳ３１６、ｔ＝０．４ｍｍ）の接合部分に熱接着シート（ＮＩＴＴＯ Ｍ−５２０５（商標）、ｔ＝９０．０μｍ）を仮貼りしたものを、金型に取り付けてアウトサート成形を行い樹脂と接合させた後、引っ張りせん断強度を測定した。尚、成形条件を表２２に示す。次に、接着剤に関しては、金属片（ＳＵＳ３１６、ｔ＝０．４ｍｍ）をトルエンにて脱脂後、接着剤（２液 エポキシ樹脂系接着剤：コニシ クイック５（商標））を塗布し、予め成形した樹脂部分を貼付・固定し、２日間放置した後、引っ張りせん断強度を測定した。その結果を表２３及び図９に示す。尚、比較のため、実施例１のステンレス鋼のデータを示す。

次に、以下の実施例は、携帯電話の液晶側外装パネルをイメージした絞り加工品について、本発明を適用した実施例である。尚、以下の実施例において記載されている「剥離強度」は、上記の剥離強度（ＪＩＳ Ｋ６８５０に従った測定値に基づく強度）とは異なる測定方法で得られたものであるので、あくまで参考値として認識されるべきである。

実施例９（陽極酸化処理済みアルミニウム）
材質：アルミニウム A1050-H24 板厚＝０．５mm 陽極酸化品
携帯電話の液晶側外装パネルをイメージした絞り加工品（板厚０．５mm）に陽極酸化処理を行った。そして、図１０に示すように、ボス形状をアウトサート成形する付近にレーザマーキング加工を行った。ここで、表２４は、実施例９Ａ｛アルマイト（青）｝の処理条件であり、表２５は、実施例９Ｂ｛アルマイト（銀）｝の処理条件である。尚、ビームスポット径は、約１２４μｍに設定した。

実施例９Ａ｛アルマイト（青）｝・９Ｂ｛アルマイト（銀）｝共、夫々加工面形状に若干の違いがあるものの、凸凹部がオーバハングした形状が得られ、成形の際に樹脂が加工面に回りこむことにより、アンカー効果により、強固に接合できる面が得られた。ここで、図１１及び図１２に、実施例９Ａ及び実施例９Ｂの金属表面部（接合部）に形成された凹凸形状の電子写真を示す。まず、図１１は、実施例９Ａに係る電子写真であり、図１１（１）は、加工面の上面からの電子写真であり、図１１（２）及び図１１（３）は、加工面の斜め３０°からの電子写真である（スケールの違い）。図１１（２）及び図１１（３）から分かるように、斜視すると、非常に入り組んだブリッジ形状が観察できる。次に、図１２は、実施例９Ｂに係る電子写真であり、図１２（１）は、加工面の上面からの電子写真であり、図１２（２）及び図１２（３）は、加工面の斜め３０°からの電子写真である（スケールの違い）。図１２（２）及び図１２（３）から分かるように、斜視すると、立ち壁に、入り組んだアンカー形状や穴が見られる。

続いて、図１０のプロトコルに従い、この加工品にアウトサート成形を行い、金属と樹脂の複合部材を製作した。成形後、樹脂部を剥離して接合面を観察したところ、しっかり食いつき、樹脂のむしれた破片が金属溝部にちぎれて残っており、十分転写していることが確認できた。そして、図１０のプロトコルに従い、剥離強度を測定した結果、実施例９Ａは１７．０kg・cm/cm²（１６６．６N／cm）であり、実施例９Ｂは２０．０kg・cm/cm²（１９６．０N／cm）となった。これは、他の接着剤や熱接着シートによる接合と比較すると、際立って高い接合強度である。また、今回実施した形態は、下図のように接着剤や熱接着シートの加工面積の半分以下となっている。よって、処理範囲を同一面積として比較した場合は、この差はさらに広がる形となることが予測される。尚、剥離強度は、以下の計算式に従い算出した。

更に、温度サイクル試験及び落下衝撃試験を実施した結果、接合部の剥離は認められず、その後行った破壊強度測定においても、未試験品と比較し大きな差は見られなかった。尚、試験方法は、以下の通りである。
温度サイクル試験
−２０℃ ２時間〜１００℃ ２時間の設定条件にて、２０サイクル試験を行う。
落下衝撃試験
ステンレス製ダミーブロック５６．２ｇを４箇所のボスにＭ１．７Ｌ＝３のセルフタップネジにて固定後、１５００mmの高さから６方向各１回落下させて、接合部及びネジ締め部の破損の有無について確認する。

実施例１０（陽極酸化未処理アルミニウム）
材質：アルミニウム A1050-H24 板厚＝0.5mm 陽極酸化未処理品
携帯電話の液晶側外装パネルをイメージした絞り加工品（板厚０．５mm）を使用した。そして、図１０に示すように、ボス形状をアウトサート成形する付近にレーザマーキング加工を行った。ここで、表２７は、実施例１０の処理条件である。尚、ビームスポット径は、約１３０μｍに設定した。

当該処理により、凸凹部がオーバハングした形状が得られた。ここで、図１３に、実施例１１の金属表面部（接合部）に形成された凹凸形状の電子写真を示す。まず、図１３（１）は、加工面の上面からの電子写真であり、図１３（２）及び図１３（３）は、加工面の斜め３０°からの電子写真である（スケールの違い）。図１３（２）及び図１３（３）から分かるように、斜視すると、ブリッジ形状とアンカー形状が観察できる。また、剥離強度を測定した結果、１３．０kg・cm/cm²（１２７．４N／cm）であった。更に、温度サイクル試験でも、接合部の剥離は認められなかった。

比較例２（各種接着剤）
１．変成シリコン系接着剤 コニシ ＦＤ１０７（商標）
２．エポキシ系接着剤 コニシ クイック５（商標）
あらかじめ成形したボスを、接着剤にて金属パネルの裏面の所定の位置に接着し、破壊強度測定を行った。ここで、ボス部一箇所当たり接触面積は、６２．６０mm²とした。尚、接着剤の場合は、この接触面積にプラスし、全周に接着剤のはみ出しが生じているので、他の接合に比べ接触面積が大きくなった。そして、剥離強度を測定した結果、接着剤１が０．４kg・cm/cm²（４．０７N／cm）であり、接着剤２が１．３kg・cm/cm²（１２．５N／cm）であった。

比較例３（熱接着シート）
１．サーモボンドフイルム 住友３Ｍ TB F615EG（商標） t=６２．５μm
２．NITTO M-5205（商標） t=９０．０μm
金属パネルのアウトサート成形位置に、あらかじめ熱接着シートを仮貼りしその金属パネルを、実施例１と同様の条件にて成形し、破壊強度測定を行った。その結果、熱接着シート１が２．１kg・cm/cm²（２１．５N／cm）であり、熱接着シート２が１．６kg・cm/cm²（１６．０N／cm）であった。

図１は、レーザー処理面（接合部）における「ブリッジ状」の概念図の一例を示したものである。 図２は、尚、本特許請求の範囲及び本明細書にいう、ＪＩＳ Ｋ６８５０に従った「剥離強度」の測定方法の概略を示したものである。尚、図２（Ａ）は、「剥離強度」の一測定例であり、図２（Ｂ）は、樹脂面と金属面の両面に支持体をあてて厚みを合わせた様子を示したものである。 図３は、実施例１におけるマグネシウム表面に形成された接合部のＳＥＭ画像である。 図４は、実施例１におけるステンレス鋼表面に形成された接合部のＳＥＭ画像である。 図５は、実施例１におけるステンレス鋼表面に形成された接合部断面のＳＥＭ画像である。 図６は、実施例３における接合面状態確認試験の結果を示したものである。ここで、図６（１）は、加工回数が３回である場合の接合部の表面状態を示したＳＥＭ画像であり、図６（２）は、加工回数が５回である場合の接合部の表面状態を示したＳＥＭ画像である。 図７は、実施例８における温度サイクル試験の概要を示したものである。 図８は、実施例８における温度サイクル試験の結果を示したものである。 図９は、比較例１における引っ張り強度試験の結果を示したものである。尚、図中、「１」はレーザ加工、「２」は接着剤、「３」は熱接着シートである。 図１０は、実施例９以下での「剥離強度」の測定方法を記載したものである（本特許請求の範囲等で規定した「剥離強度」とは異なる）。 図１１は、実施例９Ａの金属表面部（接合部）に形成された凹凸形状の電子写真である。 図１２は、実施例９Ｂの金属表面部（接合部）に形成された凹凸形状の電子写真である。 図１３は、実施例１０の金属表面部（接合部）に形成された凹凸形状の電子写真である。 図１４は、ハッチング幅の概念を示したものである。

Claims (13)

1. ある走査方向について金属表面をレーザースキャニング加工する工程と、前記走査方向とクロスする別の走査方向について前記金属表面をレーザースキャニング加工する工程を含むことを特徴とする、異種材料と接合を行うための接合部を形成するための金属表面のレーザー加工方法。
2. 前記ある走査方向と前記別の走査方向のレーザースキャニング加工のいずれも、複数回重畳的に実施する、請求項１記載の方法。
3. 前記ある走査方向と前記別の走査方向のレーザースキャニング加工のいずれも、ハッチング幅０．０２〜０．６ｍｍで実施する、請求項１又は２記載の方法。
4. 前記ある走査方向と前記別の走査方向とのクロスする角度が４５°以上である、請求項１〜３のいずれか一項記載の方法。
5. 前記ある走査方向と前記別の走査方向とのクロスする角度が、略９０°である、請求項４記載の方法。
6. 前記接合部が、凹凸形状をなしていると共に、前記凸部の少なくとも一部がブリッジ形状又はオーバーハング形状をなしている、請求項１〜５のいずれか一項記載の方法。
7. 特定の樹脂を前記接合部に射出成形により接合させた際に、当該金属材料と接合された特定の樹脂をＪＩＳ Ｋ６８５０に従い破壊したときの剥離強度が４ＭＰａ以上である、請求項１〜６のいずれか一項記載の方法。
8. 前記異種材料が、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、エラストマー又はプラスチックアロイである、請求項１〜７のいずれか一項記載の方法。
9. 前記金属材料が、アルミニウム、マグネシウム又はステンレス鋼である、請求項１〜８のいずれか一項記載の方法。
10. 請求項１〜９のいずれか一項記載の方法における各工程を含むことを特徴とする、異種材料と接合を行うための接合部が形成された金属材料の製造方法。
11. 請求項１〜９のいずれか一項記載の方法における各工程と、前記レーザースキャニング加工を施した前記金属表面に異種材料を接合させる工程とを含むことを特徴とする、金属表面と異種材料との接合方法。
12. 前記接合工程が、前記金属表面に異種材料を射出成形するものである、請求項１１記載の方法。
13. 請求項１１又は１２記載の方法における各工程を含むことを特徴とする、異種材料接合金属材料の製造方法。