JP7721082B2 - 易解体方法および易解体可能な構造体 - Google Patents

Description

本発明は、易解体方法および易解体可能な構造体に関するものである。

使用済み製品のリサイクルの促進のために、様々な解体技術が提案されている。
例えば、電気パルスにより、絶縁体と導体が結合または接合された対象物を解体する電気パルス解体方法がある（例えば特許文献１参照）。特許文献１に開示の技術では、解体する対象物の表面の離間した位置に一対の電極を当接し、電極間にパルス状の高電圧を印加して対象物を解体する。
また、細線爆発法によって衝撃波を発生させ、太陽光パネルを解体する技術も知られている（例えば特許文献２参照）。特許文献２に開示の技術では、解体に要するエネルギー量が少なく、太陽光パネルを低コストで解体でき、環境負荷が小さい。さらに、銀や銅などの有用物質を選択的に分離濃縮した状態で回収することが可能なことから、資源循環型社会の構築に大きく寄与することができる。

特開２０２０－０６９４５４号公報 特開２０２１－０２３８３９号公報

ところで、自動車の軽量化と剛性向上を目指して、自動車のボディを構成する部材同士（例えば鋼板同士）の接合技術として、接着剤を用いた接合技術の開発が進んでいる。接着剤を用いた接合技術では、スポット熔接やリベット接合等による接合技術に代替され、または併用される。一方で、接着剤による接合部分を容易に分解し資源を循環利用することが求められている。特許文献１や特許文献２に開示の技術では、自動車における接合部分、特にボディの接合部分を解体するには改善の余地があり、新たな技術が求められていた。

本発明によれば、
第１の部材と、
第２の部材と、
前記第１の部材と前記第２の部材との間に挟持された絶縁性部材または半導体部材からなる接合部材と、
前記接合部材中に設けられた、少なくとも表面が導体であるスペーサ部材と、を有する構造体の易解体方法であって、
前記第１の部材と前記第２の部材との間に電気パルスを印加し前記スペーサ部材を気化させることで、前記第１部材と前記第２部材とを分離する易解体方法が提供される。
本発明によれば、
易解体可能な構造体であって、
第１の部材と、
第２の部材と、
前記第１の部材と前記第２の部材との間に挟持された絶縁性部材または半導体部材からなる接合部材と、
前記接合部材中に設けられた、少なくとも表面が導体のスペーサ部材と、を有し、
前記スペーサ部材は前記第１の部材と前記第２の部材との間に電気パルスが印加されたときに気化する構造体が提供される。

本発明によれば、第１の部材と第２の部材とを絶縁性部材または半導体部材からなる接合部材で接合した構造体の解体を容易にする技術を提供することができる。

実施形態に係る構造体を示す断面図である。 実施形態に係る電気パルス発生装置の回路図である。 実施形態に係る電気パルスによる金属球添加接着体の分離機構の推定モデルを示す図である。 実施形態に係る電気パルスによる金属球添加接着体の分離機構の推定モデルを示す図である。 実施形態に係る構造体に電気パルスを印加して解体する手順を示すフローチャートである。 実施形態の実施例１に係る電気パルス実験に用いた構造体を示す斜視図である。 実施形態の実施例１に係る電気パルス実験に用いた構造体の接合部分の金属球とアルミナ球の配置例を示す図である。 実施形態の実施例１に係る電気パルス装置の電極で挟まれた接着体試料の画像である。 実施形態の実施例１に係る可視化の光学系および撮影システムの模擬図である。 実施形態の実施例１に係る電気パルス印加時に測定されたコンデンサ間の電圧波形および接着体試料に通電した電流波形を示すグラフである。 実施形態の実施例１に係る金属球が添加された接着剤で接着された接着体試料の試料１から３での電気パルス印加時の放電位置および試料の分離現象の可視化画像である。 実施形態の実施例１に係る電気パルス印加後の試料の画像を示す図である。 実施形態の実施例２に係るシミュレーション１～３に用いた構造体のモデル例を示した図である。 実施形態の実施例２に係るシミュレーション１～３に用いた電気パルスとしての電流源の入力波形例を示す図である。 実施形態の実施例２に係るシミュレーション１～３に用いた条件を示した図である。 実施形態の実施例２に係るシミュレーション１の結果であって、コンデンサ充電エネルギーＥｃ＝３０Ｊ、電気パルス印加後１９μｓ経過時のスペーサ部材およびその近傍領域の温度分布を拡大して示した図である。 実施形態の実施例２に係るシミュレーション１の結果であって、コンデンサ充電エネルギーＥｃ＝１０Ｊ、２０Ｊ、３０Ｊの３条件における、第１の接触部、第２の接触部の温度変化を示したグラフである。 実施形態の実施例２に係るシミュレーション１の結果であって、コンデンサ充電エネルギーＥｃ＝１０Ｊ、２０Ｊ、３０Ｊの３条件における、スペーサ部材の中心位置の温度変化を示したグラフである。 実施形態の実施例２に係るシミュレーション２の結果であって、スペーサ部材と第１の部材との接触部分である第１の接触部の温度変化を示したグラフである。 実施形態の実施例２に係るシミュレーション２の結果であって、スペーサ部材の中心位置（球中心）の温度変化を示したグラフである。 実施形態の実施例２に係るシミュレーション２の結果であって、電気パルス印加終了時点のスペーサ部材およびその近傍領域の温度分布を拡大して示した図である。 実施形態の実施例２に係るシミュレーション２の結果であって、電気パルス印加終了時点のスペーサ部材およびその近傍領域の温度分布を拡大して示した図である。 実施形態の実施例２に係るシミュレーション２の結果であって、電気パルス印加終了時点のスペーサ部材およびその近傍領域の温度分布を拡大して示した図である。 実施形態の実施例２に係るシミュレーション３の結果であって、スペーサ部材と第１の部材との接触部分である第１の接触部の温度変化を示したグラフである。 実施形態の実施例２に係るシミュレーション３の結果であって、スペーサ部材の中心位置の温度変化を示したグラフである。 実施形態の実施例２に係るシミュレーション３の結果であって、電気パルス印加終了時点のスペーサ部材およびその近傍領域の温度分布を拡大して示した図である。 実施形態の実施例２に係るシミュレーション３の結果であって、電気パルス印加終了時点のスペーサ部材およびその近傍領域の温度分布を拡大して示した図である。

＜概要＞
本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１は本実施形態に係る構造体１０（「接着体」ともいう）の断面図である。本実施形態の易解体方法は、図１の構造体１０を解体する方法である。構造体１０として、例えば、車両（自動車や列車）のボディにおける鋼板同士を接着剤で接合した構造を例示できる。構造体１０として車両に限定する趣旨ではなく、例えば、航空機や船舶、さらには冷蔵庫や洗濯機などの家電製品であってもよい。

構造体１０は、第１の部材２１と、第２の部材２２と、第１の部材２１と第２の部材２２との間に設けられた接合部材３０と、接合部材３０中に設けられたスペーサ部材４０とを有する。
接合部材３０は、第１の部材２１と第２の部材２２との間に挟持されるように設けられており、第１の部材２１と第２の部材２２を接合する。
接合部材３０が設けられた領域には、少なくとも表面が導体のスペーサ部材４０が設けられている。
第１の部材２１と第２の部材２２との間に高電圧の電気パルスを印加し、スペーサ部材４０を爆発的に気化させることで、第１の部材２１と第２の部材２２とを分離する。
以下、詳細に説明する。

＜第１の部材２１および第２の部材２２＞
第１の部材２１および第２の部材２２は、いずれも、導体により形成されている。
第１の部材２１および第２の部材２２の導体は、例えば、金属、金属酸化物、金属粒子含有コンポジットにより形成されている。
より具体的には、第１の部材２１および第２の部材２２の導体は、例えば、鋼板のような鉄合金や、アルミニウムおよびアルミニウム合金とすることができる。また、金属粒子含有コンポジットとしては、鉄、銅、アルミニウム等の金属及びそれらの金属の合金の粒子とエポキシ樹脂、ポリイミド、フェノールメラミン樹脂、尿素不飽和ポリエステル樹脂、アルキドポリウレタン樹脂等の樹脂粒子とを混合して一体化させてなる部材とすることができる。
第１の部材２１と第２の部材２２は異なる導体（材料）より構成されてもよい。例えば、第１の部材２１が鋼材であって、第２の部材２２がアルミニウム合金板であってもよい。

第１の部材２１および第２の部材２２の厚みは特に制限はないが、電気パルスを印加したときにスペーサ部材４０を介して適切に導通する厚みであればよい。
第１の部材２１および第２の部材２２の厚みは同じであってもよいし異なってもよい。
それぞれの厚みの下限値は例えば０．１ｍｍ以上、好ましくは０．２ｍｍ以上、より好ましくは０．３ｍｍ以上とすることができる。第１の部材２１および第２の部材２２の厚みを上記の下限値以上とすることで、構造体１０としての剛性（強度）を確保できる。
厚みの上限値は例えば２０ｍｍ以下、好ましくは１５ｍｍ以下、より好ましくは１０ｍｍ以下とすることができる。

電気パルスを印加したときに適切に導通することを想定した場合、第１の部材２１および第２の部材２２の導体の電気抵抗率（２０℃）が１．５×１０^－８Ω・ｍ以上１×１０^４Ω・ｍ以下である。電気抵抗率の下限値は特に制限は無いが、現実的な値として上記値以上とすることができる。
電気抵抗率の上限値は、電気パルスの電圧値や電流値にもよるが、投入エネルギーを抑制する観点から、１×１０^４Ω・ｍ以下であり、好ましくは５×１０^３Ω・ｍ以下であり、より好ましくは１×１０^３Ω・ｍ以下である。

第１の部材２１および第２の部材２２の表面は、絶縁層等によって被覆されていてもよいが、電気パルスを印加したときに第１の部材２１および第２の部材２２間をスペーサ部材４０を介して電気パルスが導通すればよい。

＜接合部材３０＞
接合部材３０は、第１の部材２１と第２の部材２２とを接合するための部材であって、熔接、リベット、ボルトなどの接合技術に代替して、または併用して利用されているものである。

接合部材３０は、絶縁材料または半導体材料によって構成されている。接合部材３０は、例えば構造用接着剤を用いることができ、熱硬化性樹脂から構成されている。

熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂からなる群から選択される一または二以上の樹脂を含む。これらの樹脂の中でも、耐熱性を考慮すると、エポキシ樹脂を用いることが好ましい。
熱硬化性樹脂は、さらに無機粒子（スペーサ部材４０を除く）を含む。
無機粒子として、シリカ、アルミナなどが例示される。
接着剤は、熱硬化性樹脂の代わり熱可塑性樹脂から構成されてもよい。

接合部材３０の厚み、すなわち第１の部材２１と第２の部材２２との間の距離Ｌは、例えば０．０５ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。距離Ｌの上限値は、好ましくは１ｍｍ以下であり、より好ましくは０．４ｍｍ以下である。この距離Ｌは、スペーサ部材４０における第１の部材２１と第２の部材２２との接合方向の厚さ（ここではスペーサ部材４０の直径）と同一である。

＜スペーサ部材４０＞
スペーサ部材４０は、少なくとも表面が導体であって、第１の部材２１と第２の部材２２とに接触している。スペーサ部材４０は、電気パルスが印加されたときに、電気パルスの導通経路となる。言い換えると、電気パルスが印加されたときに、電気パルスにより高電流がスペーサ部材４０に集中的に導かれ、その周囲の接合部材３０には流れない。

スペーサ部材４０は曲面を有する形状を呈しており、曲面が第１の部材２１または第２の部材２２と直接接触または薄層を介して接触している。スペーサ部材４０の上端部分（以下「第１の接触部５１」）は、第１の部材２１の内面２１ａと接触する。スペーサ部材４０の下端部分（以下「第２の接触部５２」）は、第２の部材２２の内面２２ａと接触する。

第１の接触部５１と第２の接触部５２は、それぞれ、第１の部材２１や第２の部材２２と厳密に接触せずに近接した状態でもよい。すなわち、第１の接触部５１と第１の部材２１の内面２１ａの間に、また、第２の接触部５２と第２の部材２２の内面２２ａとの間に、接合部材３０が僅かな厚みの薄層として設けられてもよい。このときの厚みは、電気パルスを印加したときに、絶縁破壊が生じ、第１の部材２１とスペーサ部材４０、第２の部材２２とスペーサ部材４０が通電するように設定される。厚みは、例えば１００μｍ以下とすることができる。

言い換えると、スペーサ部材４０の厚みＤ（スペーサ部材４０が球であれば直径）は接合部材３０の厚みである第１の部材２１と第２の部材２２との間の距離Ｌと略同一とすることができる。すなわち、スペーサ部材４０の厚みＤは例えば０．０５ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。厚みＤの上限値は、好ましくは１ｍｍ以下であり、より好ましくは０．４ｍｍ以下である。

スペーサ部材４０の形状は、特に限定はないが、第１の部材２１と第２の部材２２との間に配置されたときに、第１の部材２１や第２の部材２２との接触部分（第１の接触部５１、第２の接触部５２）が、実質的に点で接触するような形状である。そのような形状として、曲面を有する形状とすることができ、球状、楕球状、フレーク状の形状とすることが好ましい。特に、向きの調整が不要な球状がより好ましい。金属球のような球状のスペーサ部材４０の場合、スペーサ部材４０の配置の向き等に寄らず、点接触を実現できる。なお、スペーサ部材４０として、接触部分（第１の接触部５１、第２の接触部５２）の接触面積が極小となるような多面体や、接触部分（第１の接触部５１、第２の接触部５２）の一方が実質的に点接触となるような錐体といった形状が用いられてもよい。

スペーサ部材４０と、第１の部材２１または第２の部材２２との接触箇所（第１の接触部５１、第２の接触部５２）における接触抵抗が、スペーサ部材４０の抵抗値よりも高い。第１の接触部５１や第２の接触部５２は、点で接触（または近接）することから、電気パルスの経路として高電気抵抗領域となっている。そのため、電気パルスが印加されたときに、第１の接触部５１と第２の接触部５２は、局所的、断熱的にジュール発熱を得る。その結果、スペーサ部材４０は気化温度まで上昇し、爆発的に気化する。

スペーサ部材４０の導体は、鉄、ニッケル、コバルト、アルミニウム、銅またはこれらを含む合金により構成されている。スペーサ部材４０は、例えばステンレス球とすることができる。また、スペーサ部材４０は、全体が金属である必要は無く、セラミック球の表面を上記導体でコーティングした構造であってもよい。

＜電気パルス＞
第１の部材２１と第２の部材２２との間に印加する電気パルスの特性は以下の通りである。
印加電圧は、１ｋＶ以上１０００ｋＶ以下である。印加電圧の下限値は、好ましくは５ｋＶ以上であり、より好ましくは１０ｋＶ以上である。印加電圧の下限値を上記範囲とすることで、スペーサ部材４０を気化温度まで上昇させ爆発的に気化させることができる。印加電圧の上限値は、好ましくは５００ｋＶ以下であり、より好ましくは１００ｋＶ以下である。印加電圧の上限値を上記範囲とすることで、スペーサ部材４０を確実に気化させ、エネルギーを過剰に投入することを回避できる。

パルス幅は１ｎｓ以上１００ｍｓ以下である。パルス幅の下限値は、好ましくは２ｎｓ以上であり、好ましくは５ｎｓ以上である。パルス幅の下限値を上記範囲とすることで、スペーサ部材４０の気化温度までに昇温させるエネルギーを投入することができる。パルス幅の上限値は、好ましくは１ｍｓ以下であり、より好ましくは１００μｓ以下である。パルス幅の上限値を上記範囲とすることで、スペーサ部材４０を瞬間的、言い換えると断熱的に気化温度まで昇温させることができる。
なお、電気パルスは、上記の条件を満たしスペーサ部材４０を瞬間的に気化することができれば、正弦波、単極性パルス、双極性パルス、三角波など任意の波形をとることができる。

図２は、電気パルスを発生させる装置（以下、電気パルス装置１００）の例であり、ここでは基本的な回路例を示している。

図２の電気パルス装置１００により、上述した特性を有する電気パルスは特性を発生させ、第１の部材２１と第２の部材２２との間に印加する。図２の電気パルス装置１００では、充電回路と放電回路から構成されており、５ｋＶの直流電源に接続されたコンデンサに充電された電荷を、スイッチを切り替えて、構造体１０（図中「ＬＯＡＤ」と表記）に電気パルスを印加する。なお、電気パルス装置１００は、実施例において用いた回路構成でもあり、具体的な構成は実施例において後述する。

＜電気パルスによる金属球添加接着体の分離機構の推定モデル＞
図３、図４を参照して電気パルスによる金属球添加接着体の分離機構の推定モデルを説明する。図３及び図４は、構造体１０に電気パルスを印加して構造体１０を解体する手順（モデル）を説明する図であって、断面図で示している。この手順で示すモデルは、電気パルスによる金属球添加接着体（金属球添加接着剤を使用した接着体）の分離機構のモデルの推定モデルであって、後述する実施例１の実験結果から推定されたものである。

図３は金属球（スペーサ部材４０）と母材（第１の部材２１、第２の部材２２）とが接触している場合のモデルである。
図３（ａ）に示すように、スペーサ部材４０は、第１の接触部５１で第１の部材２１に接触しており、かつ第２の接触部５２で第２の部材２２と接触している。スペーサ部材４０の周囲には接合部材３０が設けられている。
図３（ｂ）に示すように、第１の部材２１と第２の部材２２との間に電気パルスが印加されると、スペーサ部材４０（金属球）の表面にはパルス電流５５が流れる。
その結果、図３（ｃ）に示すように、通電に伴うジュール熱により、スペーサ部材４０（金属球）はプラズマ化して気化する。このプラズマ化に伴う高温によって、スペーサ部材４０の周囲の接合部材３０（接着剤）も気化すると考えられる。これら気化は急激な体積膨張を伴うため、図３（ｄ）に示すように、これらガス膨張により接合部材３０（接着剤）を破壊し、構造体１０（第１の部材２１と第２の部材２２との接合状態）を分離すると考えられる。

図４は金属球（スペーサ部材４０）と母材（第１の部材２１、第２の部材２２）とが接触していない場合のモデルである。ここでは、図４（ａ）に示すように、第１の部材２１とスペーサ部材４０とは接触せず、第２の部材２２とスペーサ部材４０とが接触している。
金属球（スペーサ部材４０）と母材（第１の部材２１、第２の部材２２）が接触していない場合であって、図４（ｂ）～（ｄ）に示すように、母材と金属球の間の接着剤（接合部材３０）の絶縁破壊電圧Ｖｄｂ［ｋＶ］の方が母材間（すなわち第１の部材２１と第２の部材２２との間）の大気の絶縁破壊電圧Ｖｄａ［ｋＶ］よりも低い場合に、電気パルスにより接着剤（接合部材３０）の絶縁破壊が発生し、金属球（スペーサ部材４０）に通電し、図３で示したものと同様の分離機構が生じると考えられる。
絶縁破壊電圧は、大気および接着剤の絶縁破壊強度Ｅａ、Ｅｂ［ｋＶ／ｍｍ］と母材間および母材と金属球との距離ｌａ、ｌｂ［ｍｍ］を用いて、Ｖｄａ＝Ｅａｌａ、Ｖｄｂ＝Ｅｂｌｂで計算される。
よって、図４（ｅ）、（ｆ）に示すように、母材（第１の部材２１、第２の部材２２）に金属球（スペーサ部材４０）が接触せず、かつ母材と金属球との距離が長く、Ｅａｌａ＜Ｅｂｌｂ（Ｖｄａ＜Ｖｄｂ）の場合、電気パルス印加時に接着剤（接合部材３０）の絶縁破壊は発生せず、上部の母材（第１の部材２１）の端２１ｃから接着剤の沿面に沿って大気で絶縁破壊が生じ、上下の母材（第１の部材２１、第２の部材２２）の間で大気の沿面放電が生じると考えられる。この沿面放電は母材に放電痕が発生するのみで、後述する実施例１の図９（ｃ）で見られるように、本電気パルスの条件では接着体の分離には至らなかったと推察される。

＜構造体１０の解体方法＞
図５は構造体１０（金属球添加接着体）の解体方法のフローチャートである。このフローチャートを参照して、構造体１０の解体方法を説明する。
Ｓ１０：パルス印加装置設定工程
図２に示した電気パルス装置１００に対して、解体対象の構造体１０に対して印加する電気パルスを設定する。例えば、電圧やパルス幅、パルス回数などを設定する。

Ｓ１２：パルス印加実行工程
設定完了後（Ｓ１０）、図４（ａ）に示すように、構造体１０の第１の部材２１と第２の部材２２の外面２１ｂ、２２ｂに電気パルス印加装置の電極６１を接触させ、設定された電気パルスを印加する。

Ｓ１４：気化・分離工程
電気パルスが印加されると、電気パルスによる高電流が第１の部材２１、スペーサ部材４０、第２の部材２２で構成される経路に流れる。一方で、スペーサ部材４０の周囲の接合部材３０には電流が流れない。このとき、第１の接触部５１と第２の接触部５２は、局所的、断熱的にジュール発熱を得る。その結果、図３（ｃ）や図４（ｃ）に示すように爆発的に気化する。その爆発力によって、接合部材３０は破壊され、第１の部材２１と接合部材３０、第２の部材２２と接合部材３０は分離する。すなわち、第１の部材２１と第２の部材２２とが分離する。

以上、本実施形態によると、構造体１０の第１の部材２１、第２の部材２２に電気パルスを印加し、スペーサ部材４０に高電流を瞬間的に意図した位置に導き、特にスペーサ部材４０の第１の接触部５１、第２の接触部５２で断熱的に温度上昇を生じさせて、スペーサ部材４０を気化爆発させる。その結果、意図した位置（すなわちスペーサ部材４０の位置）で接合部材３０が破壊され、第１の部材２１と第２の部材２２とが分離される。
このような技術を用いることで、上記の構造体１０を有する製品の分離・解体性を向上させることができ、リサイクル率を向上させることができる。また、電気パルスは瞬間的であり、投入されるエネルギーは少ない。また、装置自体も一般的な回路構成で実現できる。したがって、短時間で低エネルギーで解体できることから、解体コストを抑制することができる。また、第１の部材２１と第２の部材２２の間に印加した電気パルスは、電極６１の位置に寄らず、スペーサ部材４０を流れる。すなわち、電極６１を接触させる位置を実質的に限定することがないため、電極６１の接触位置を特定させ作業が発生することがない。

以下、本発明を実施例及び比較例によりさらに具体的に説明するが、本発明はその要旨を越えない限り以下の実施例によって限定されるものではない。
以下では、実施例１として実際に構造体１０に相当する接着体試料を用いて電気パルスを印加して分離する実験を行った。実施例２として、コンピュータシミュレーションにより、電気パルスを印加して分離する際の好適な条件を算出した。

［実施例１］
＜電気パルス印加実験＞
＜接着体試料＞
図６Ａは電気パルス印加実験に用いた構造体１０（接着体試料）の模式図である。ここでは斜視図として示している。図６Ｂは電気パルス印加実験に用いた構造体１０の接合部分の金属球（スペーサ部材４０）とアルミナ球７０の配置例を示す図である。ここでは接着面の断面図として示している。接着体試料として、第１の部材２１及び第２の部材２２をスペーサ部材４０を配置して接合部材３０で接合した構造体１０を用いた。接着体試料は、ＪＩＳ Ｋ６８５０で定められた接着剤の引張せん断強度試験用の試料の形状を参考として作製した。
第１の部材２１、第２の部材２２の材質（鋼板）、寸法は以下の通りである。
第１の部材２１、第２の部材２２の材質：ＳＵＳ３０４
寸法：１００ｍｍ×２５ｍｍ×０．５ｍｍ
接合部分（接合部材３０）の領域：２５ｍｍ×２５ｍｍ
接合部分（接合部材３０）の厚み：０．３ｍｍ
接合部材３０の材質：一液硬化型エポキシ樹脂系接着剤（ＥＰ１３８、セメダイン社）
スペーサ部材４０：直径０．３ｍｍのＳＵＳ４４０Ｃ金属球
図６Ｂに示すように、接合部分（接合部材３０）の領域（すなわち接着面積）は１辺が２５ｍｍの正方形であり、接着面の中心に導電体であるスペーサ部材４０（直径０．３ｍｍ、ＳＵＳ４４０Ｃ）を１つ、その周囲に絶縁体であるアルミナ球７０（直径０．３ｍｍ）を４つ配置し、接着剤の硬化を行った。硬化条件は、１２０℃３０分とした。電気パルスによる接着体分離への接着剤添加金属球の影響を調査するために、ｎ数は３とし、３枚の本試料を作製した。

＜電気パルス発生装置（回路）および電気パルスの条件＞
電気パルスは、上述の図２で説明した電気パルス装置１００を用いて発生させ、構造体１０に印加した。図６Ｃは電気パルス装置１００の電極６１（電極（＋）６１ａ、電極（－）６１ｂ）で挟まれた接着体試料（構造体１０）の画像である。
電気パルス装置１００は、充電回路と放電回路から構成されている。充電回路では、コントローラーを用いて直流電源（１５２Ａ、ＴＤＫラムダ社製）に充電電圧５ｋＶを充電させ、３つのコンデンサ（ＦＬ４０Ｗ８０４ＫＷＦＡＡＡ、ＳＨＩＺＵＫＩ ＥＬＥＣＴＲＩＣ Ｃｏ．，ＩＮＣ）を並列に接続し、コンデンサ容量はＣ＝２．４μＦとした。メカニカルスイッチを転換することにより、放電回路に切り替えた。

図６Ｃに示すように、放電回路（図２の電気パルス装置１００）にて接着体試料（構造体１０）の両端を電極６１（電極（＋）６１ａ、電極（－）６１ｂ）で挟み、ボルトにて固定し、接着体試料に電気パルスを印加させた。電極間距離は９ｃｍとした。放電回路は、放電回路の全抵抗Ｒ、放電回路のインダクタンスＬ、コンデンサ容量Ｃから形成されるＲＬＣ回路である。電気パルス印加時のコンデンサの電圧を電圧計（ＨＶ－Ｐ６０Ａ、岩崎通信機社製）で測定し、試料に流れた電流を電流計（Ｍｏｄｅｌ１１０Ａ－ＥＯＲ、Ｐｅａｓｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ社製）を用いて測定した。測定された電圧および電流はオシロスコープ（ＨＤＯ４１０４Ａ、ＴＥＬＥＤＹＮＥ ＬＥＣＲＯＹ社製）にて記録した。

＜接着体試料への電気パルス現象の可視化法＞
本実施例では可視化計測法であるシャドウグラフ法を用いて、電気パルス印加時の接着体試料での放電発生位置および接着体の分離現象を可視化した。そして、可視化したこれら現象を高速ビデオカメラ（ＨＰＶ－Ｘ２、島津製作所社製）を用いて撮影した。図７に可視化の光学系および撮影システムの模擬図を示す。光学系の光源には波長６４０ｎｍ、出力５００Ｗのパルスダイオードレーザー（Ｃａｖｉｌｕｘ Ｓｍａｒｔ、ＣａｖｉｔｏｒＬｔｄ社製）を使用し、パルス幅は２０ｎｓとした。放電発光を抑えた鮮明な可視化を行うために、ＮＤフィルター（品名：ＮＤ４００）を高速ビデオカメラのカメラレンズに装着した。カメラレンズの焦点距離は３００ｍｍであり、絞り値は３．５である。高速ビデオカメラの撮影速度は２．０×１０^５ｆｒａｍｅ／ｓｅｃ、撮影間隔は５．０μｓ、露光時間は２００ｎｓ／ｆｒａｍｅである。後述の図８に示すように、オシロスコープで測定された電圧電流波形の電圧の立ち上がりをトリガーとして、ファンクションジェネレーターを介して、ＴＴＬ信号を高速度ビデオカメラに入力しカメラの記録を開始した。本カメラからレーザー光源に同期信号を出力することにより、電極間での接着体試料への電気パルス印加とレーザー光源の発光および高速度ビデオカメラの撮影開始を同期した可視化と記録を行った。

＜インピーダンス測定＞
試料の電気物性の測定としてインピーダンス測定（ＰＳＭ１７５０、岩崎通信機社製）を行った。測定周波数は１ｋＨｚ、印加電圧は１０Ｖとした。電気パルス印加実験前の試料の両端から１ｃｍの位置をケルビンリードで挟み、電圧の印加方向は電気パルス印加実験時と同じとなるよう測定した。

＜実験結果＞
＜電気パルス印加時の電圧電流波形＞
図８に電気パルス印加時に測定されたコンデンサ間の電圧波形および接着体試料に通電した電流波形を示す。図８で見られるように、本実験では電圧と電流は減衰振動した。図２の電気パルス装置１００での放電回路にて、本実験ではＲ^２＜４ＬＣであったため、この減衰振動が発生したと考えられる。図８において、最大電圧は充電電圧である５．０ｋＶとなり、最大電流は３．８ｋＡとなった。

＜電気パルス印加時の接着体試料での放電位置および接着体分離現象＞
図９に金属球が添加された接着剤で接着された接着体試料の試料１～３での電気パルス印加時の放電位置および試料の分離現象の可視化画像を示す。図１０に電気パルス印加後の試料１～３の画像を示す。図９（ａ）及び図１０（ａ）が試料１、図９（ｂ）及び図１０（ｂ）が試料２、図９（ｃ）及び図１０（ｃ）が試料３に対応する。図９（ａ）（ｂ）に示すように、試料１、２では接着剤内の金属球が添加された位置において放電発光が観測された。よって、接着剤内に金属球を添加することにより、金属球に電気パルスが印加され、接着剤内に放電を誘導することができることが明らかとなった。また、図９（ａ）（ｂ）に示すように、電気パルス印加時に接着剤内からガス膨張が観測された。そして、ガス膨張とともに接着体の分離が発生した。

図１０（ａ）（ｂ）において、電気パルス後の分離した接着体の接着面は凝集破壊しており、金属球は残存しておらず、金属球が添加された位置で放電痕が観測された。この放電痕では母材の鋼板の表面が露出し、鋼板にクレーター状のへこみ（図３、図４のへこみ５１ａ、５２ａ）が生じていた。また、接着剤の破面の一部は黒く変色していることが観測された。これら観測により、電気パルス印加により金属球はプラズマ化し、気化され、膨張し、また、このプラズマの高温により、金属球周囲の接着剤も気化したと考えられる。よって、電気パルスによる接着剤内の金属球のプラズマ化に伴うガス膨張および接着剤の気化により、接着体は分離したと推察される。

一方で、試料３では、図９（ｃ）で見られるように、電極の負極正極に接続された鋼板の端部で放電が発生、接着体は分離されなかった。図１０（ｃ）において、電気パルス後の鋼板の端部に放電痕が観測されたが、接着剤の破壊は確認されなかった。接着剤内の金属球が母材の鋼板に接触していない場合、金属球には電気パルスは印加されず、接着剤内ではなく、電界が集中する鋼板の端部で電気パルスによる放電が発生するものと考えられる。よって、試料３では接着剤に添加された金属球が母材に接触していなかったものと推察される。

＜接着体のインピーダンス値と放電位置の関係の考察＞
接着剤への金属球の添加による電気パルス印加時の接着剤内への放電誘導を評価するために、電気パルス前の接着体試料のインピーダンス値と放電位置の関係の考察を行った。表１に周波数１ｋＨでの各試料のインピーダンス値Ｚの測定結果を示す。試料１ではＺ＝８．１３×１０^－１Ωであり、他の２つの試料と比較してインピーダンスの値が１０^４倍以上小さく、母材の鋼板と接着剤内の金属球が接触し、導通状態であることが示唆された。一方で、試料２、３ではそれぞれＺ＝１．４６×１０^４、１．７０×１０^４Ωであり、金属球と母材は接触していないことが推定された。

金属球と母材が接触している場合は、金属球に電気パルスが印加され、接着剤内で金属球の位置にて放電が発生することが考えられる。一方で、試料２では金属球と母材が接触していないことが推定されたものの図９（ｂ）において、接着剤内の金属球の位置で放電が生じた。金属球と母材が接触していない場合、金属球と母材の間には接着剤が満たされている。ここで、金属球と母材の間の接着剤の絶縁破壊電圧の方が２つの母材の間に満たされた接着剤の周囲の大気を絶縁破壊させる電圧より低い場合、電気パルスにより金属球と母材の間の接着剤が絶縁破壊され、そして金属球に電気パルスが印加し、接着剤内部で放電が発生すると推察される。

［実施例２］
＜シミュレーション＞
実施例２では、コンピューターによる電流・伝熱シミュレーションにより、スペーサ部材４０（金属球）の物性（抵抗、直径、材質）に対するスペーサ部材４０（ＳＵＳ３０４の金属球）を気化（爆発）させる電気パルスの条件を確認した。
具体的には以下の（１）～（３）の項目を確認した。
（１）シミュレーション１：投入エネルギー依存性の調査
印加した電気パルスのエネルギ（コンデンサ充電エネルギＥｃ）を変化させてスペーサ部材４０の温度変化を確認した。
（２）シミュレーション２：パルス幅依存性の調査
電荷量一定（０．１Ｃ（クーロン））とし、パルス幅と電流を変化させて、スペーサ部材４０の温度変化を確認した。
（３）シミュレーション３：球半径依存性の調査
パルス電流波形を一定（１ｋＡ、１００μｓ）とし、球半径を変化させてスペーサ部材４０の温度変化を確認した。
温度変化として、（ａ）スペーサ部材４０（金属球）の第１の接触部５１、第２の接触部５２の温度と（ｂ）スペーサ部材４０の中心部の温度を算出し、沸点を超えるか否かを確認した。

図１１は、シミュレーション１～３に用いた構造体１０のモデル例であって、ジオメトリと境界条件を示している。図１１で示される領域を軸を中心に回転させて得られた立体をモデルとした。すなわち二つのＳＵＳ３０４の円柱（第１の部材２１、第２の部材２２に相当）でＳＵＳ３０４の金属球（スペーサ部材４０に相当）を挟んだモデルを用いた。

図１２は電気パルスとしての電流源の入力波形例である。ここでは電流値１．０ｋＡ、パルス幅１０×１０^－５ｓの例を示している。
図１３は、シミュレーション１～３に用いた条件を示している。ここではＳＵＳ３０４の物性値と構成方程式を示している。

＜シミュレーション結果＞
以下シミュレーション結果を示す。
（１）シミュレーション１（投入エネルギ依存性の調査）の結果
印加した電気パルスのエネルギ（コンデンサ充電エネルギＥｃ）は、１０Ｊ、２０Ｊ、３０Ｊの３条件である。
スペーサ部材４０は、ＳＵＳ３０４金属球で直径０．３ｍｍである。
図１４～図１６にシミュレーション１の結果を示す。
図１４は、コンデンサ充電エネルギーＥｃ＝３０Ｊ、電気パルス印加後１９μｓ経過時のスペーサ部材４０およびその近傍領域の温度分布を拡大して示した図である。
図１５はコンデンサ充電エネルギーＥｃ＝１０Ｊ、２０Ｊ、３０Ｊの３条件における、第１の接触部５１、第２の接触部５２の温度変化を示したグラフである。
図１６はコンデンサ充電エネルギーＥｃ＝１０Ｊ、２０Ｊ、３０Ｊの３条件における、スペーサ部材４０の中心位置５３（金属球中央）の温度変化を示したグラフである。

第１の部材２１（または第２の部材２２）とスペーサ部材４０との接触部分である第１の接触部５１（または第２の接触部５２）は電気抵抗値が高く、温度が特に上昇することが確認できた。
コンデンサ充電エネルギーＥｃ＝１０Ｊ、２０Ｊ、３０Ｊの３条件のいずれにおいても、第１の接触部５１（または第２の接触部５２）の温度はスペーサ部材４０（ＳＵＳ３０４）の主成分の鉄の沸点３１３４Ｋよりも十分に高いことが確認できた。
コンデンサ充電エネルギーＥｃ＝２０Ｊ、３０Ｊの２条件において、電気パルス印加後５μｓの時点で、スペーサ部材４０の中心位置で主成分の鉄の沸点３１３４Ｋよりも十分に高く、スペーサ部材４０が爆発的に気化することが確認できた。

（２）シミュレーション２（パルス幅依存性の調査）の結果
シミュレーション２では、電荷量一定（０．１Ｃ（クーロン））とし、パルス幅と電流を変化させて、スペーサ部材４０の温度変化を確認した。電流とパルス幅の組み合わせは下記の７種類である。
１：１００ｋＡ、１μｓ
２：１０ｋＡ、 １０μｓ
３：１ｋＡ、１００μｓ
４：１００Ａ、１ｍｓ
５：１０Ａ、１０ｍｓ
６：１Ａ、１００ｍｓ
７：０．１Ａ、１ｓ
以下、上記の組み合わせを便宜的に「電流／パルス幅組１～７」と称して説明する。図１７、１８のグラフ中の（１）～（７）は電流／パルス幅組１～７に対応する。図中の（８）は鉄の沸点を示す。

図１７～図２１にシミュレーション２の結果を示す。
図１７はスペーサ部材４０と第１の部材２１（または第２の部材２２）との接触部分である第１の接触部５１（または第２の接触部５２）の温度変化を示したグラフである。
図１８はスペーサ部材４０の中心位置（球中心）の温度変化を示したグラフである。
図１９～図２１に電気パルス印加終了時点のスペーサ部材４０およびその近傍領域の温度分布を拡大して示した図である。図１９（ａ）～図１９（ｃ）は電流／パルス幅組１～３、図２０（ａ）～（ｂ）は電流／パルス幅組４～５、図２１（ａ）～（ｂ）は電流／パルス幅組６～７の温度分布を示す。

図１７～図２１の結果から分かるように、パルス幅が短いほど温度は上昇傾向が見られた。また、電荷量０．１Ｃの場合、パルス幅１ｍｓ以下のときにスペーサ部材４０の中心部分（球中心部）の温度が鉄の沸点を超えることが確認された。

（３）シミュレーション３（球半径依存性の調査）の結果
シミュレーション３ではパルス電流波形を一定（１ｋＡ、１００μｓ）とし、スペーサ部材４０の球半径を変化させてスペーサ部材４０の温度変化を確認した。
球半径ｒ＝０．０５ｍｍ～０．５ｍｍの範囲で０．０５ｍｍ刻みで１０種類である。

図２２～図２５にシミュレーション３の結果を示す。
図２２はスペーサ部材４０と第１の部材２１（または第２の部材２２）との接触部分である第１の接触部５１（または第２の接触部５２）の温度変化を示したグラフである。
図２３はスペーサ部材４０の中心位置（球中心）の温度変化を示したグラフである。
図２２及び図２３のグラフ中の（１）～（１０）は上記１０種類の球半径（０．０５ｍｍ～０．５ｍｍの範囲で０．０５ｍｍ刻み）について小径から順に対応したものである。
図中の（１１）は鉄の沸点を示す。
図２４～図２５に電気パルス印加終了時点のスペーサ部材４０およびその近傍領域の温度分布を拡大して示した図である。図２４（ａ）～図２４（ｃ）は半径ｒ＝０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、図２５（ａ）～図２４（ｂ）は半径ｒ＝０．４ｍｍ、０．５ｍのときの温度分布を示す。

図２２～図２５の結果から分かるように、スペーサ部材４０の球半径が大きくなるにつれて中心温度は低下傾向であることが確認された。また、スペーサ部材４０の球半径ｒ＝０．２ｍｍ以下（直径０．４ｍｍ以下）のとき、すなわち第１の部材２１と第２の部材２２の距離が０．４ｍｍ以下のときに、スペーサ部材４０の主成分である鉄の沸点を超えることが確認された。

以上、実施例１、２によると、二つの鋼板（第１の部材２１と第２の部材２２）を接合部材３０で接合した構造体１０において、接合部材３０の内部に金属小球（スペーサ部材４０）を上下端部が鋼板に接するように予め置いて接着させるように構成されている場合、解体・分離の際には両鋼板に高電圧パルスを印加することで、スペーサ部材４０を爆発的に気化させて、構造体１０を短期間かつ低投入エネルギーで解体することができる。

１０ 構造体
２１ 第１の部材
２２ 第２の部材
３０ 接合部材
４０ スペーサ部材
５１ 第１の接触部
５２ 第２の接触部
７０ アルミニウム球
１００ 電気パルス装置

Claims (28)

1. 第１の部材と、
   第２の部材と、
   前記第１の部材と前記第２の部材との間に挟持された絶縁性部材または半導体部材からなる接合部材と、
   前記接合部材中に設けられた、少なくとも表面が導体であるスペーサ部材と、を有する構造体の易解体方法であって、
   前記第１の部材と前記第２の部材との間に電気パルスを印加し前記スペーサ部材を気化させることで、前記第１の部材と前記第２の部材とを分離する易解体方法。
2. 前記スペーサ部材と、前記第１の部材または前記第２の部材とが接触しており、
   前記スペーサ部材と、前記第１の部材または前記第２の部材との接触箇所における接触抵抗が、前記スペーサ部材の抵抗値よりも高い、請求項１に記載の易解体方法。
3. 前記第１の部材および前記第２の部材は、いずれも、導体により形成されている、請求項１または２に記載の易解体方法。
4. 前記導体が、金属、金属酸化物、金属粒子含有コンポジットにより形成されている、請求項３に記載の易解体方法。
5. 前記導体の２０℃における電気抵抗率が１．５×１０^－８Ω・ｍ以上１×１０^４Ω・ｍ以下である、請求項３または４に記載の易解体方法。
6. 前記スペーサ部材の導体は金属から形成されている、請求項１から５までのいずれか１項に記載の易解体方法。
7. 前記スペーサ部材が、鉄、ニッケル、コバルト、アルミニウム、銅またはこれらを含む合金により構成されている、請求項６に記載の易解体方法。
8. 前記スペーサ部材は、球状、楕球状またはフレーク状のいずれかの形状を呈する請求項１から７までのいずれか１項に記載の易解体方法。
9. 前記スペーサ部材は曲面を有する形状を呈しており、前記曲面が第１または第２の部材と直接接触または１００μｍ以下の薄層を介して接触している、請求項１から８までのいずれか１項に記載の易解体方法。
10. 前記第１の部材と前記第２の部材との間の距離をＬとし、
    前記スペーサ部材における前記第１の部材と前記第２の部材との接合方向の長さをＤとしたときに、前記長さＤが前記距離Ｌに等しい請求項１から９までのいずれか１項に記載の易解体方法。
11. 前記長さＤは０．０５ｍｍ以上２０ｍｍ以下である請求項１０に記載の易解体方法。
12. 前記接合部材は熱硬化性樹脂から構成されている、請求項１から１１までのいずれか１項に記載の易解体方法。
13. 前記熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂からなる群から選択される一または二以上の樹脂を含む請求項１２に記載の易解体方法。
14. 前記熱硬化性樹脂は、さらに無機粒子（前記スペーサ部材を除く）を含む、請求項１３に記載の易解体方法。
15. 前記電気パルスの印加電圧が１ｋＶ以上１０００ｋＶ以下であり、パルス幅が１ｎｓ以上１００ｍｓ以下である、請求項１から１４までのいずれか１項に記載の易解体方法。
16. 易解体可能な構造体であって、
    第１の部材と、
    第２の部材と、
    前記第１の部材と前記第２の部材との間に挟持された絶縁性部材または半導体部材からなる接合部材と、
    前記接合部材中に設けられた、少なくとも表面が導体のスペーサ部材と、を有し、
    前記スペーサ部材は、前記第１の部材と前記第２の部材との間に電気パルスが印加されたときに気化し、
    前記スペーサ部材と、前記第１の部材または前記第２の部材とが接触しており、
    前記スペーサ部材と、前記第１の部材または前記第２の部材との接触箇所における接触抵抗が、前記スペーサ部材の抵抗値よりも高く、
    前記第１の部材および前記第２の部材は、いずれも、導体により形成されている、構造体。
17. 前記導体が、金属、金属酸化物、金属粒子含有コンポジットにより形成されている、請求項１６に記載の構造体。
18. 前記導体の２０℃における電気抵抗率が１．５×１０^－８Ω・ｍ以上１×１０^４Ω・ｍ以下である、請求項１６または１７に記載の構造体。
19. 前記スペーサ部材の導体は金属から形成されている、請求項１６から１８までのいずれか１項に記載の構造体。
20. 前記スペーサ部材が、鉄、ニッケル、コバルト、アルミニウム、銅またはこれらを含む合金により構成されている、請求項１９に記載の構造体。
21. 前記スペーサ部材は、球状、楕球状またはフレーク状のいずれかの形状を呈する請求項１６から２０までのいずれか１項に記載の構造体。
22. 前記スペーサ部材は曲面を有する形状を呈しており、前記曲面が第１または第２の部材と直接接触または１００μｍ以下の薄層を介して接触している、請求項１６から２１までのいずれか１項に記載の構造体。
23. 前記第１の部材と前記第２の部材との間の距離をＬとし、
    前記スペーサ部材における前記第１の部材と前記第２の部材との接合方向の長さをＤとしたときに、前記長さＤが前記距離Ｌに等しい請求項１６から２２までのいずれか１項に記載の構造体。
24. 前記長さＤは０．０５ｍｍ以上２０ｍｍ以下である請求項２３に記載の構造体。
25. 前記接合部材は熱硬化性樹脂から構成されている、請求項１６から２４までのいずれか１項に記載の構造体。
26. 前記熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂からなる群から選択される一または二以上の樹脂を含む請求項２５に記載の構造体。
27. 前記熱硬化性樹脂は、さらに無機粒子（前記スペーサ部材を除く）を含む、請求項２６に記載の構造体。
28. 前記電気パルスの印加電圧が１ｋＶ以上１０００ｋＶ以下であり、パルス幅が１ｎｓ以上１００ｍｓ以下である、請求項１６から２７までのいずれか１項に記載の構造体。