JP7089940B2

JP7089940B2 - 金属製面ファスナー、製造方法、製造装置、金属面の接合方法

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Publication number: JP7089940B2
Application number: JP2018098132A
Authority: JP
Inventors: 大吾石井
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2018-05-22
Filing date: 2018-05-22
Publication date: 2022-06-23
Anticipated expiration: 2038-05-22
Also published as: JP2019201809A

Description

本発明は、金属製面ファスナー、その製造方法、製造装置および金属面の接合方法に関するものである。

従来、面ファスナーによる接合技術において接合強度を向上させることを目的として、面ファスナーを金属製とした案が各種提案されている（例えば、特許文献１、非特許文献１を参照）。しかし、金属製面ファスナーは素材が金属のため凹凸加工が困難であり、プラスチック製等の一般的な面ファスナーと比較して製作コストが高くなるという問題があった。また、一つ一つの凹凸の寸法が大きくなることに伴い（例えば、数ｍｍ～数ｃｍオーダー）、凹凸のピッチに依存する接合位置の自由度が小さくなるという問題があった。

このような問題を解決するために、本発明者は、特許文献３に示すような技術を既に提案している。この技術は、図７に示すように、金属製の基板１からなる一対の面ファスナー２の表面３に、レーザースキャニング加工により微細な凹凸部４を形成し、この凹凸の金属表面３の間にアルミ箔などの軟金属箔５を挟んで圧着し、面接合するというものである。これによれば、レーザースキャニング加工によって、金属表面に容易かつ安価に凹凸形状を形成することができる。また、凹凸寸法を小さくすることが可能なため、接合位置の自由度が高い金属製面ファスナーを実現することができる。

特開２０１５－２１２５５４号公報特許第５８１６７６３号公報特願２０１８－０１１６２４号（現時点で未公開）

ギズモード・ジャパンホームページ、「スチールでできたマジックテープ（登録商標）」、［online］、［平成２９年１２月１日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：https://www.gizmodo.jp/2009/09/post_6093.html＞

上記の特許文献３に示すような金属面の接合技術において、より低い圧着荷重で、高い接合強度を確保することのできる技術が望まれていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、より低い圧着荷重で、高い接合強度を確保することができる金属製面ファスナー、製造方法、製造装置、金属面の接合方法を提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る金属製面ファスナーは、金属製の基材の表面に複数の係合素子を備える面ファスナーと、金属製の基材の表面に係合層を備える面ファスナーとを、互いの係合素子と係合層とを係合させることにより面接合するように構成した金属製面ファスナーであって、複数の係合素子は、基材の表面に対するレーザー加工により微細な凹凸形状に形成されたものであり、係合層は、係合素子よりも軟らかい金属皮膜からなることを特徴とする。

また、本発明に係る他の金属製面ファスナーは、上述した発明において、係合層は、基材の表面に対する金属の溶射により形成されていることを特徴とする。

また、本発明に係る他の金属製面ファスナーは、上述した発明において、係合層は、係合層への係合素子の凸部の嵌入を確保可能な厚さであることを特徴とする。

また、本発明に係る金属製面ファスナーの製造方法は、上述した金属製面ファスナーを製造する方法であって、基材の表面に対するレーザー加工により、基材の表面に微細な凹凸形状からなる複数の係合素子を形成するステップと、基材の表面に対する金属の溶射により、基材の表面に係合素子よりも軟らかい金属皮膜からなる係合層を形成するステップとを有することを特徴とする。

また、本発明に係る金属製面ファスナーの製造装置は、上述した金属製面ファスナーを製造する装置であって、基材の表面に対するレーザー加工により、基材の表面に微細な凹凸形状からなる複数の係合素子を形成する手段と、基材の表面に対する金属の溶射により、基材の表面に係合素子よりも軟らかい金属皮膜からなる係合層を形成する手段とを有することを特徴とする。

また、本発明に係る金属面の接合方法は、上述した金属製面ファスナーを用いて金属面同士を接合する方法であって、金属製の基材の表面に複数の係合素子を備える面ファスナーと、金属製の基材の表面に係合層を備える面ファスナーとを、互いの係合素子と係合層とを圧着係合することにより面接合するステップを有することを特徴とする。

また、本発明に係る他の金属面の接合方法は、上述した発明において、係合素子と係合層とを圧着係合する際に、係合層を加熱することを特徴とする。

本発明に係る金属製面ファスナーによれば、金属製の基材の表面に複数の係合素子を備える面ファスナーと、金属製の基材の表面に係合層を備える面ファスナーとを、互いの係合素子と係合層とを係合させることにより面接合するように構成した金属製面ファスナーであって、複数の係合素子は、基材の表面に対するレーザー加工により微細な凹凸形状に形成されたものであり、係合層は、係合素子よりも軟らかい金属皮膜からなるので、より低い圧着荷重で、高い接合強度を確保することができる金属製面ファスナーを提供することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の金属製面ファスナーによれば、係合層は、基材の表面に対する金属の溶射により形成されているので、接合強度を向上させることができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の金属製面ファスナーによれば、係合層は、係合層への係合素子の凸部の嵌入を確保可能な厚さであるので、係合素子と係合層の係合をより確実にして、接合強度を向上させることができるという効果を奏する。

また、本発明に係る金属製面ファスナーの製造方法によれば、上述した金属製面ファスナーを製造する方法であって、基材の表面に対するレーザー加工により、基材の表面に微細な凹凸形状からなる複数の係合素子を形成するステップと、基材の表面に対する金属の溶射により、基材の表面に係合素子よりも軟らかい金属皮膜からなる係合層を形成するステップとを有するので、金属製面ファスナーを容易かつ安価に製造することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る金属製面ファスナーの製造装置によれば、上述した金属製面ファスナーを製造する装置であって、基材の表面に対するレーザー加工により、基材の表面に微細な凹凸形状からなる複数の係合素子を形成する手段と、基材の表面に対する金属の溶射により、基材の表面に係合素子よりも軟らかい金属皮膜からなる係合層を形成する手段とを有するので、金属製面ファスナーを容易かつ安価に製造することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る金属面の接合方法によれば、上述した金属製面ファスナーを用いて金属面同士を接合する方法であって、金属製の基材の表面に複数の係合素子を備える面ファスナーと、金属製の基材の表面に係合層を備える面ファスナーとを、互いの係合素子と係合層とを圧着係合することにより面接合するステップを有するので、金属面同士を強固に接合することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の金属面の接合方法によれば、係合素子と係合層とを圧着係合する際に、係合層を加熱するので、係合層が塑性化しやすくなり、接合強度をより一層向上させることができるという効果を奏する。

図１は、本発明に係る金属製面ファスナー、金属面の接合方法の実施の形態を示す模式図である。図２は、金属表面の凹凸部の詳細斜視図である。図３は、金属表面の軟金属皮膜の詳細断面図である。図４は、本発明に係る金属製面ファスナー、金属面の接合方法による接合した状態を示す写真図であり、（１）は正面図、（２）は斜視図である。図５は、試験体を示す写真図であり、（１）は試験体の外観、（２）は凹凸鋼板表面、（３）はアルミ溶射皮膜である。図６は、試験状況を示す写真図である。図７は、特許文献３の金属製面ファスナーを示す模式図である。

以下に、本発明に係る金属製面ファスナー、製造方法、製造装置、金属面の接合方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

［金属製面ファスナーおよびその製造方法］
まず、本発明に係る金属製面ファスナーおよびその製造方法の実施の形態について説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係る金属製面ファスナー１００は、金属製の基材１０の表面１２に複数の係合素子１４を備える面ファスナー１６と、金属製の基材１０の表面１２に係合層１８を備える面ファスナー２０とを、互いの係合素子１４と係合層１８とを圧着係合させることにより面接合するように構成したものである。基材１０としては、例えば鋼材などの金属材料を用いることができる。

複数の係合素子１４は、基材１０の表面１２（以下、金属表面ということがある。）に対するレーザースキャニング加工により微細な凹凸形状に形成されている。以下、この凹凸形状を凹凸部ということがある。

面ファスナー１６を製造する場合には、レーザースキャニング加工を用いて金属表面１２に凹凸形状の凹凸部２２を形成する。形成した凹凸部２２の例を図２に示す。レーザーを格子状に照射することで金属表面に複数の溝（凹部２６）を所定の間隔で形成し、これにより、凹凸部２２を形成する。

凹凸部２２の寸法は、レーザー加工機の能力によって決まるが、本実施の形態では、図２に示すように１００μｍ程度の高さの凸部を、同じく１００μｍのピッチで形成した。この凹凸部２２によれば、接合位置の自由度を１００μｍピッチで実現できる。凸部２４は２０～１００μｍ程度の高さが形成されていれば、ブラスト処理など加工方法は問わない。接合強度を確保するためには、オーバーハングした形状（上側の方が大きい形状）がよい。また、凹部２６を形成する際にバリが発生するが、これらのバリは除去しないことが好ましい。凹凸部２２の加工精度が低い場合でもバリが塑性化して馴染んで、嵌合部分の一部となることで接合できる。

金属表面１２に凹凸部２２を形成するためのレーザースキャニング加工技術としては、例えば、上記の特許文献２に記載の技術を利用することができる。なお、この特許文献２に記載の技術では、金属材料と樹脂系材料の接合を対象とし、それらの界面気密性の向上のために凹凸部を利用している。これに対し、本実施の形態では、金属材料同士の接合を対象としている。

係合層１８は、係合素子１４よりも軟らかい軟金属皮膜２８からなる。この軟金属皮膜２８は、基材１０の表面１２に対する軟金属の溶射により形成されている。基材１０が鋼製の場合、軟金属には、例えばアルミニウムや亜鉛アルミニウム合金などの軟金属を用いることができる。

面ファスナー２０を製造する場合には、基材１０の表面１２に軟金属を溶射して軟金属皮膜２８を形成する。溶射厚さは、上記の凸部２４の高さ以上として、軟金属皮膜２８への凸部２４の嵌入状態を確保することが好ましい。このようにすれば、凹凸部２２と軟金属皮膜２８の係合をより確実にして、接合強度を向上させることができる。本実施の形態では、図３に示すように基材１０の表面１２に亜鉛アルミニウム合金を溶射して厚さ３００μｍ程度の軟金属皮膜２８を形成した。

凹凸部２２と軟金属皮膜２８の圧着接合時に、軟金属皮膜２８に熱を加え、塑性化しやすいようにすれば、接合強度をより向上させることができる。加熱温度は金属溶融温度までは必要でなく、安全な作業が可能である。

上記の手順で製造した面ファスナー１６、２０を、凹凸部２２と軟金属皮膜２８とが向き合うように対向配置して圧着接合すれば、図４に示すような金属製面ファスナーからなる金属面の接合構造を得ることができる。

本実施の形態によれば、後述するように、より低い圧着荷重で、高い接合強度を確保することができる。また、真空、超高温など特殊環境ではない通常の条件下での圧着、加熱で接合できるため、実用性が高い。このような方法として、例えばＩＨヒーターのような電磁誘導方式の加熱装置で加熱して、圧着接合する方法が挙げられる。接合作業は、正確な位置決めは必要なく、圧着などの作業はロボット化するのに適している。凹凸部２２と軟金属皮膜２８が健全であれば、何度でも繰返し接合できる。このため、本実施の形態は脱着可能な接合方法、接合構造として期待できることから発展性が高い。

また、金属表面に対するレーザースキャニング加工によって、金属表面に容易かつ安価に凹凸形状を形成することができる。凹凸寸法を小さくすることが可能なため、接合位置の自由度が高い金属製面ファスナーを実現することができる。さらに、加工時に発生したバリを除去しなくても接合することができる。また、この金属製面ファスナーは素材が金属であることから、接合強度が高い。

（本発明の効果の検証）
次に、本発明の効果の検証について説明する。
この検証は、ミクロ凹凸鋼板とアルミ溶射鋼板の圧着試験を行って、その嵌合特性について調べたものである。ミクロ凹凸鋼板には、レーザースキャニング加工によりミクロ（１００μｍ程度）の凹凸を表面に形成した鋼板を用いた。比較用の鋼板には、凹凸加工のない鋼板を用いた。アルミ溶射鋼板には、溶射厚３００μｍ程度のアルミ溶射を行った「High μ Plate」を用いた。

図５（１）に試験体を示す。図の左端の１枚がアルミ溶射鋼板、右の３枚がミクロ凹凸鋼板である。図５（２）にミクロ凹凸鋼板の表面拡大写真を、図５（３）にアルミ溶射鋼板の断面拡大写真を示す。

図６に試験状況を示す。この試験は、５００ｋＮアムスラー型板棒試験機にミクロ凹凸鋼板（または加工なし鋼板）とアルミ溶射鋼板を上下に当接配置した後、圧着荷重１０ｋＮ、５０ｋＮ、１００ｋＮ、４９０ｋＮで両者を圧着することによって行った。その後、圧着荷重を除荷して、アルミ溶射鋼板の中央の孔を通じてミクロ凹凸鋼板（または加工なし鋼板）を加力して圧着面に引張荷重を加力し、その際の引張耐力を確認した。

表１に試験結果を示す。表中、「凹凸加工あり」はミクロ凹凸鋼板、「加工なし」は加工なし鋼板を意味している。

この表に示すように、ミクロ凹凸鋼板とアルミ溶射鋼板は一定以上の圧着荷重で接合できることがわかる。圧着荷重が大きいほど引張耐力も大きくなる。４９０ｋＮで圧着すれば、３ｋＮ程度の引張耐力（応力度では３Ｎ／ｍｍ^２程度）が得られる。引張耐力／圧着荷重比は、０．５％程度であった。これに対し、加工なし鋼板とアルミ溶射鋼板は、圧着荷重４９０ｋＮでも接合しなかった。このため、本発明によれば、より低い圧着荷重で、高い引張耐力（接合強度）を確保することができる。

［金属製面ファスナーの製造装置］
次に、本発明に係る金属製面ファスナーの製造装置の実施の形態について説明する。

本実施の形態に係る金属製面ファスナーの製造装置は、上述した金属製面ファスナー１００を製造する装置である。この装置は、基材１０の表面１２に対するレーザースキャニング加工により、表面１２に微細な凹凸形状の凹凸部１８（複数の係合素子１４）を形成する手段と、基材１０の表面１２に対する軟金属の溶射により、基材１０の表面１２に係合素子１４よりも軟らかい軟金属皮膜２８（係合層１８）を形成する手段とを有する。

凹凸部１８を形成する手段は、例えばレーザー加工機を用いて構成することができる。軟金属皮膜２８を形成する手段は、例えば金属溶射機を用いて構成することができる。この装置を用いた金属製面ファスナー１００の製造方法の具体例については、上述したとおりである。したがって、本実施の形態によれば、凹凸寸法の小さい金属製面ファスナー１００を容易かつ安価に製造することができる。

［金属面の接合方法］
次に、本発明に係る金属面の接合方法の実施の形態について説明する。

本実施の形態に係る金属面の接合方法は、上述した金属製面ファスナー１００を用いて金属面同士を接合する方法である。

図１に示すように、面ファスナー１６、２０を凹凸部２２と軟金属皮膜２８とが向き合うように対向配置して圧着係合する。これにより、面ファスナー１６、２０の金属面同士が面接合される。この方法によれば、凹凸部２２、軟金属皮膜２８を介して金属面同士を強固に接合することができる。また、凹凸部２２の加工精度が低くても確実に接合することができる。なお、凹凸部２２と軟金属皮膜２８の圧着接合時に、軟金属皮膜２８に熱を加えてもよい。このようにすれば、軟金属皮膜２が塑性化しやすくなり、接合強度をより一層向上させることができる。加熱温度は金属溶融温度までは必要でなく、安全な作業が可能である。

以上説明したように、本発明に係る金属製面ファスナーによれば、金属製の基材の表面に複数の係合素子を備える面ファスナーと、金属製の基材の表面に係合層を備える面ファスナーとを、互いの係合素子と係合層とを係合させることにより面接合するように構成した金属製面ファスナーであって、複数の係合素子は、基材の表面に対するレーザー加工により微細な凹凸形状に形成されたものであり、係合層は、係合素子よりも軟らかい金属皮膜からなるので、より低い圧着荷重で、高い接合強度を確保することができる金属製面ファスナーを提供することができる。

また、本発明に係る他の金属製面ファスナーによれば、係合層は、基材の表面に対する金属の溶射により形成されているので、接合強度を向上させることができる。

また、本発明に係る他の金属製面ファスナーによれば、係合層は、係合層への係合素子の凸部の嵌入を確保可能な厚さであるので、係合素子と係合層の係合をより確実にして、接合強度を向上させることができる。

また、本発明に係る金属製面ファスナーの製造方法によれば、上述した金属製面ファスナーを製造する方法であって、基材の表面に対するレーザー加工により、基材の表面に微細な凹凸形状からなる複数の係合素子を形成するステップと、基材の表面に対する金属の溶射により、基材の表面に係合素子よりも軟らかい金属皮膜からなる係合層を形成するステップとを有するので、金属製面ファスナーを容易かつ安価に製造することができる。

また、本発明に係る金属製面ファスナーの製造装置によれば、上述した金属製面ファスナーを製造する装置であって、基材の表面に対するレーザー加工により、基材の表面に微細な凹凸形状からなる複数の係合素子を形成する手段と、基材の表面に対する金属の溶射により、基材の表面に係合素子よりも軟らかい金属皮膜からなる係合層を形成する手段とを有するので、金属製面ファスナーを容易かつ安価に製造することができる。

また、本発明に係る金属面の接合方法によれば、上述した金属製面ファスナーを用いて金属面同士を接合する方法であって、金属製の基材の表面に複数の係合素子を備える面ファスナーと、金属製の基材の表面に係合層を備える面ファスナーとを、互いの係合素子と係合層とを圧着係合することにより面接合するステップを有するので、金属面同士を強固に接合することができる。

また、本発明に係る他の金属面の接合方法によれば、係合素子と係合層とを圧着係合する際に、係合層を加熱するので、係合層が塑性化しやすくなり、接合強度をより一層向上させることができる。

以上のように、本発明に係る金属製面ファスナー、製造方法、製造装置、金属面の接合方法は、金属同士を機械的に接合するのに有用であり、特に、より低い圧着荷重で、高い接合強度を確保するのに適している。

１０基材
１２表面，金属表面
１４係合素子
１６面ファスナー
１８係合層
２０面ファスナー
２２凹凸部
２４凸部
２６凹部
２８軟金属皮膜
１００金属製面ファスナー

Claims

金属製の基材の表面に複数の係合素子を備える面ファスナーと、金属製の基材の表面に係合層を備える面ファスナーとを、互いの係合素子と係合層とを係合させることにより面接合するように構成した金属製面ファスナーであって、
複数の係合素子は、基材の表面に対するレーザー加工により微細な凹凸形状に形成されたものであり、
係合層は、係合素子よりも軟らかい金属皮膜からなることを特徴とする金属製面ファスナー。
係合層は、基材の表面に対する金属の溶射により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の金属製面ファスナー。
係合層は、係合層への係合素子の凸部の嵌入を確保可能な厚さであることを特徴とする請求項１または２に記載の金属製面ファスナー。
請求項１～３のいずれか一つに記載の金属製面ファスナーを製造する方法であって、
基材の表面に対するレーザー加工により、基材の表面に微細な凹凸形状からなる複数の係合素子を形成するステップと、
基材の表面に対する金属の溶射により、基材の表面に係合素子よりも軟らかい金属皮膜からなる係合層を形成するステップとを有することを特徴とする金属製面ファスナーの製造方法。
請求項１～３のいずれか一つに記載の金属製面ファスナーを製造する装置であって、
基材の表面に対するレーザー加工により、基材の表面に微細な凹凸形状からなる複数の係合素子を形成する手段と、基材の表面に対する金属の溶射により、基材の表面に係合素子よりも軟らかい金属皮膜からなる係合層を形成する手段とを有することを特徴とする金属製面ファスナーの製造装置。
請求項１～３のいずれか一つに記載の金属製面ファスナーを用いて金属面同士を接合する方法であって、
金属製の基材の表面に複数の係合素子を備える面ファスナーと、金属製の基材の表面に係合層を備える面ファスナーとを、互いの係合素子と係合層とを圧着係合することにより面接合するステップを有することを特徴とする金属面の接合方法。
係合素子と係合層とを圧着係合する際に、係合層を加熱することを特徴とする請求項６に記載の金属面の接合方法。