(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークの表面に当接する第一ショルダ面、及び前記ワークの裏面に当接する第二ショルダ面を有する工具を用いて、前記ワークに対して摩擦攪拌接合を行う摩擦攪拌接合装置であって、
前記ワークが配置されるワーク配置部と、
該ワーク配置部に配置される前記ワークの前記表面側に設けられた本体部と、
該本体部に、前記ワーク配置部に配置される前記ワークに対して近接離間する方向であるワーク対向方向に進退可能に設けられ、前記工具を保持する工具保持部と、
該工具保持部に取り付けられた前記工具の前記第一ショルダ面と前記ワーク対向方向に所定の相対位置関係となるようにして設けられ、前記ワーク配置部に配置された前記ワークの前記表面上で、前記工具保持部を支持する支持体とを備えることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項２】
請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置において、
前記支持体に、前記ワーク配置部に配置される前記ワークに向かって、予め設定された荷重を与える荷重付与手段を備えることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項３】
請求項２に記載の摩擦攪拌接合装置において、
前記本体部が、前記ワーク配置部に配置される前記ワークの上方に配置され、前記ワーク対向方向として上下方向に前記工具保持部を進退可能に支持しており、
前記荷重付与手段は、前記本体部に取り付けられ、前記工具保持部に対して、該工具保持部と該工具保持部に取り付けられた前記工具の重量よりも小さい所定の大きさの上向きの補助力を与える補助力付与部を有し、前記荷重として、該工具保持部と該工具保持部に取り付けられた前記工具の重量から前記補助力を減じた荷重を与えることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合装置において、
前記支持体は、前記工具保持部に保持された前記工具に対して、該工具の走査方向に直交する方向に配置されていることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合装置において、
前記支持体は、前記ワークの前記表面に当接する当接部が、前記工具保持部に保持された前記工具の前記第一ショルダ面と、前記ワークの前記表面に沿う同一面内となるように設けられていることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合装置において、
前記工具が、前記第一ショルダ面を具備する第一ショルダ部と、前記第一ショルダ面から進退可能に突出する軸部と、該軸部の先端に取り付けられ前記第二ショルダ面を具備する第二ショルダ部とを有し、
前記工具保持部は、前記軸部に前記ワーク対向方向に力を与えて、前記第二ショルダ面によって前記ワークの前記裏面を加圧させる加圧手段を有することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項７】
ワークの表面に当接する第一ショルダ面、及び前記ワークの裏面に当接する第二ショルダ面を有する工具を用いて、前記ワークに対して摩擦攪拌接合を行う摩擦攪拌接合方法であって、
ワーク配置部に配置された前記ワークの表面に対して、工具を保持する工具保持部を、前記ワークに対して近接離間する方向であるワーク対向方向に進退可能としつつ、前記ワーク対向方向に前記工具の前記第一ショルダ面と所定の相対位置関係となるようにした支持体によって前記ワークの前記表面上で支持された状態として、前記工具によって摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項８】
請求項７に記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記支持体から前記ワークに向かって、予め設定された荷重を与えた状態で前記工具によって摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項９】
請求項８に記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記ワークの上方に前記工具保持部を配置して前記ワーク対向方向として上下方向に前記工具を進退可能に支持した状態で、前記工具保持部と該工具保持部に取り付けられた前記工具の重量よりも小さい所定の大きさの上向きの補助力を与えることで、荷重として、該工具保持部と該工具保持部に取り付けられた前記工具の重量から、前記補助力を減じた荷重を前記支持体から前記ワークに向かって与えることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項１０】
請求項７から請求項９のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記支持体を、前記工具保持部に保持された前記工具に対して、該工具の走査方向に直交する方向に配置することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項１１】
請求項７から請求項１０のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記支持体を、前記ワークの前記表面に当接する当接部が、前記工具保持部に保持された前記工具の前記第一ショルダ面と、前記ワークの前記表面に沿う同一面内となるようにして前記ワークの表面上に支持された状態とすることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワークに対して摩擦攪拌接合を行う摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
２つの部材からなるワークを接合する方法の一つとして摩擦攪拌接合という方法がある。摩擦攪拌接合とは、ワークの接合箇所に、工具のショルダ面と呼ばれる面で所定の加圧力で加圧した状態で当該工具を回転させることにより、ワーク表面に摩擦熱を生じさせ、当該摩擦熱によりワークを軟化させて接合させるものである。このような摩擦攪拌接合には、ボビンツール型と呼ばれる工具を用いる方式がある。
【０００３】
ボビンツール型工具は、一のショルダ面を有する表面側ショルダと、一のショルダ面と対向する他のショルダ面を有する裏面側ショルダとを有している。裏面側ショルダは、表面側ショルダを貫通する軸部に取り付けられている。そして、摩擦攪拌接合を行う際には、軸部をワークに貫通させて、ワークの表面側に表面側ショルダを配置し、裏面側に裏面側ショルダを配置する。そして、表面側ショルダ及び裏面側ショルダのそれぞれのショルダ面によってワークの表面及び裏面を挟み込むように加圧して摩擦熱を生じさせることでワークを軟化させつつ、軟化部分に挿入された軸部によって攪拌して摩擦攪拌接合が行われる。
【０００４】
ここで、ワークの歪や製作誤差による板圧変動や、定盤へのセッティング誤差によって、工具に対するワーク表面の相対位置には誤差が生じ得る。そして、このようなワークの表面の誤差が生じると、工具のショルダ面からワークに作用する加圧力が変動してしまい、結果接合不良が生じるおそれがある。このため、工具によってワークに作用させる加圧力を発生させる油圧付勢経路において、一定圧に制御するフィードバック回路を設けた技術が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１３０２３６号公報
【特許文献２】特開２０１０−２１４４０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１、２の摩擦攪拌接合装置では、加圧力を発生させる油圧の大きさをセンシングし、フィードバックして、工具によって作用する加圧力を制御するものであり、複雑な制御を必要とする問題があった。特に、上記誤差は微小なものであり、このような微小な誤差を正確に検知して遅れなく制御量に反映することは困難であった。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、簡易な構成で、ワークの表面に生じる誤差の影響を受けることなく、工具によって正確に加圧して摩擦攪拌接合を行うことが可能な摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明は、ワークの表面に当接する第一ショルダ面、及び前記ワークの裏面に当接する第二ショルダ面を有する工具を用いて、前記ワークに対して摩擦攪拌接合を行う摩擦攪拌接合装置であって、前記ワークが配置されるワーク配置部と、該ワーク配置部に配置される前記ワークの前記表面側に設けられた本体部と、該本体部に、前記ワーク配置部に配置される前記ワークに対して近接離間する方向であるワーク対向方向に進退可能に設けられ、前記工具を保持する工具保持部と、該工具保持部に取り付けられた前記工具の前記第一ショルダ面と前記ワーク対向方向に所定の相対位置関係となるようにして設けられ、前記ワーク配置部に配置された前記ワークの前記表面上で、前記工具保持部を支持する支持体とを備えることを特徴としている。
【０００９】
この構成によれば、ワーク配置部に配置されたワークの表面に対して、工具を保持する工具保持部は、本体部によってワーク対向方向に進退可能とされつつ、支持体によって支持された状態にある。また、工具の第一ショルダ面は、支持体とワーク対向方向に所定の相対位置関係となっている。このため、工具保持部に保持された工具の第一ショルダ面は、工具保持部とともに、ワークの表面に沿うようにしてワーク対向方向に変位し、ワークの表面との相対位置関係を一定に保つことができる。従って、工具の第一ショルダ面からワークの表面に作用する加圧力を所望の力で正確に維持することができる。
【００１０】
上記の摩擦攪拌接合装置において、前記支持体に、前記ワーク配置部に配置される前記ワークに向かって、予め設定された荷重を与える荷重付与手段を備えることを特徴としている。
【００１１】
この構成によれば、荷重付与手段によって支持体からワーク配置部に配置されるワークに向かって予め設定された荷重を与えることにより、ワークから支持体へは常に当該荷重と対応した反力が作用することとなる。このため、ワークの表面に誤差が生じても、常に支持体をワークの表面に密着した状態とすることができ、これにより支持体、支持体に支持された工具保持部、及び工具保持部に保持された工具をワークの表面に沿うように走査することができる。
【００１２】
上記の摩擦攪拌接合装置において、前記本体部が、前記ワーク配置部に配置される前記ワークの上方に配置され、前記ワーク対向方向として上下方向に前記工具保持部を進退可能に支持しており、前記荷重付与手段は、前記本体部に取り付けられ、前記工具保持部に対して、該工具保持部と該工具保持部に取り付けられた前記工具の重量よりも小さい所定の大きさの上向きの補助力を与える補助力付与部を有し、前記荷重として、該工具保持部と該工具保持部に取り付けられた前記工具の重量から前記補助力を減じた荷重を与えることを特徴としている。
【００１３】
この構成によれば、荷重として、該工具保持部と該工具保持部に取り付けられた工具の重量から、補助力付与部による補助力を減じた荷重を与え、支持体が当該荷重に応じた反力を受けることとなる。ここで、上記のとおり、工具保持部及び工具の重量から補助力を減じた荷重を与えることで、ワークに余計な負荷を与えず、かつ、支持体がワークの表面を沿うような適切な反力を発生させることができる。
【００１４】
上記の摩擦攪拌接合装置において、前記支持体は、前記工具保持部に保持された前記工具に対して、該工具の走査方向に直交する方向に配置されていることを特徴としている。
【００１５】
この構成によれば、支持体が、工具保持部に保持された工具に対して工具の走査方向に直交する方向に配置されていることで、工具によるワークの摩擦攪拌に支障がないようにして、ワークの表面上で支持体によって工具保持部を支持することができる。
【００１６】
上記の摩擦攪拌接合装置において、前記支持体は、前記ワークの前記表面に当接する当接部が、前記工具保持部に保持された前記工具の前記第一ショルダ面と、前記ワークの前記表面に沿う同一面内となるように設けられていることを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、支持体の当接部が工具の第一ショルダ面とワークの表面に沿う同一面内となるように設けられていることで、ワークの表面に支持体の当接部が当接した状態で、工具の第一ショルダ面を、摩擦攪拌接合を行う位置で、ワークの表面に正確に一致させることができる。
【００１８】
上記の摩擦攪拌接合装置において、前記工具が、前記第一ショルダ面を具備する第一ショルダ部と、前記第一ショルダ面から進退可能に突出する軸部と、該軸部の先端に取り付けられ前記第二ショルダ面を具備する第二ショルダ部とを有し、前記工具保持部は、前記軸部に前記ワーク対向方向に力を与えて、前記第二ショルダ面によって前記ワークの前記裏面を加圧させる加圧手段を有することを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、上記のとおり第一ショルダ面をワークの表面に正確に沿うように配置しつつ、加圧手段によって第二ショルダ面に軸部を介してワーク対向方向に力を与えてワークの裏面を加圧させることで、ワークの表面に生じる誤差の影響を受けることなく加圧手段による加圧力で第一ショルダ面及び第二ショルダ面でワークを挟み込んで加圧することができる。
また、本発明は、ワークの表面に当接する第一ショルダ面、及び前記ワークの裏面に当接する第二ショルダ面を有する工具を用いて、前記ワークに対して摩擦攪拌接合を行う摩擦攪拌接合方法であって、ワーク配置部に配置された前記ワークの表面に対して、工具を保持する工具保持部を、前記ワークに対して近接離間する方向であるワーク対向方向に進退可能としつつ、前記ワーク対向方向に前記工具の前記第一ショルダ面と所定の相対位置関係となるようにした支持体によって前記ワークの前記表面上で支持された状態として、前記工具によって摩擦攪拌接合を行うことを特徴としている。
また、上記の摩擦攪拌接合方法において、前記支持体から前記ワークに向かって、予め設定された荷重を与えた状態で前記工具によって摩擦攪拌接合を行うことを特徴としている。
また、上記の摩擦攪拌接合方法において、前記ワークの上方に前記工具保持部を配置して前記ワーク対向方向として上下方向に前記工具を進退可能に支持した状態で、前記工具保持部と該工具保持部に取り付けられた前記工具の重量よりも小さい所定の大きさの上向きの補助力を与えることで、荷重として、該工具保持部と該工具保持部に取り付けられた前記工具の重量から、前記補助力を減じた荷重を前記支持体から前記ワークに向かって与えることを特徴としている。
また、上記の摩擦攪拌接合方法において、前記支持体を、前記工具保持部に保持された前記工具に対して、該工具の走査方向に直交する方向に配置することを特徴としている。
また、上記の摩擦攪拌接合方法において、前記支持体を、前記ワークの前記表面に当接する当接部が、前記工具保持部に保持された前記工具の前記第一ショルダ面と、前記ワークの前記表面に沿う同一面内となるようにして前記ワークの表面上に支持された状態とすることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法によれば、上記のとおり工具保持部及び支持体により、簡易な構成でワーク表面に生じる誤差の影響を受けることなく、工具によって正確に加圧して摩擦攪拌接合を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合装置の側断面図である。
【図２】ボビンツールの詳細を示す側断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合装置において、ボビンツールと支持体との位置関係の詳細を示す説明図である。
【図４】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合装置で摩擦攪拌接合を実施した時の説明図である。
【図５】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合装置で摩擦攪拌接合を実施した時の断面図である。
【図６】本発明の実施形態の第一の変形例に係る摩擦攪拌接合装置において、ボビンツールと支持体との位置関係の詳細を示す説明図である。
【図７】本発明の実施形態の第二の変形例に係る摩擦攪拌接合装置において、ボビンツールと支持体との位置関係の詳細を示す説明図である。
【図８】本発明の実施形態の第三の変形例に係る摩擦攪拌接合装置において、ボビンツールと支持体との位置関係の詳細を示す説明図である。
【図９】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合装置において、支持体の変形例を示す平断面図で、（ａ）支持体を４つ備える変形例、（ｂ）支持体を３つ備える変形例である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態の摩擦攪拌接合装置１は、第一部材Ｗ１及び第二部材Ｗ２からなるワークＷにおいて、第一部材Ｗ１と第二部材Ｗ２との接合箇所Ｗ３を摩擦攪拌接合により接合する装置である。摩擦攪拌接合装置１は、ワークＷが配置されるワーク配置部２と、ワーク配置部２に配置されるワークＷの表面Ｗ４側となる上方に設けられた本体部３と、該本体部３に設けられて、工具であるボビンツール１００を保持する工具保持部４と、ワークＷの表面Ｗ４上で工具保持部４を支持する支持体５と、支持体５に、ワーク配置部２に配置されるワークＷに向かって、予め設定された荷重を与える荷重付与手段６とを備える。
【００２３】
ここで、図２に示すように、ボビンツール１００は、ワークＷの表面Ｗ４側に配置され、該表面Ｗ４を押圧する第一ショルダ面１０１ａを具備する第一ショルダ部１０１と、ワークＷの裏面Ｗ５側に配置され、該裏面Ｗ５を押圧する第二ショルダ面１０２ａを具備する第二ショルダ部１０２と、第一ショルダ部１０１の第一ショルダ面１０１ａから突出して第二ショルダ部１０２が連結された軸部１０３とを有する。第一ショルダ部１０１には、第一ショルダ面１０１ａに開口する貫通孔が形成されており、該貫通孔に軸部１０３が挿通されている。このため、軸部１０３を貫通孔に沿って進退させることによって第一ショルダ面１０１ａに対して第二ショルダ面１０２ａを近接離間させることが可能となっている。
【００２４】
図１に示すように、工具保持部４は、第一ショルダ部１０１が端面に取り付けられる略筒状の第一ショルダ取付体４０と、先端に軸部１０３が取り付けられる第二ショルダ取付軸４１と、略筒状で、第一ショルダ取付体４０及び第二ショルダ取付軸４１を支持する支持筒４２とを有する。ここで、第一ショルダ取付体４０、第二ショルダ取付軸４１及び支持筒４２は、同軸上に、中心軸Ｃをワーク対向方向となる上下方向Ｚに沿うように設けられている。
【００２５】
第一ショルダ取付体４０は、略筒状に形成されている。そして、第二ショルダ取付軸４１は、第一ショルダ取付体４０に挿通され、基端は第一ショルダ取付体４０から突出している。第二ショルダ取付軸４１には、第一ショルダ取付体４０に挿通された部分において、軸方向に沿うようにしてキー４１ａが形成されているとともに、第一ショルダ取付体４０から突出した部分には平板状のピストン４１ｂが径方向に張り出している。一方、第一ショルダ取付体４０には、第二ショルダ取付軸４１のキー４１ａが噛合する中心軸Ｃに沿うキー溝４０ａが形成されていて、これにより第二ショルダ取付軸４１は、第一ショルダ取付体４０に対して中心軸Ｃ回りに回転不能であるとともに、中心軸Ｃに沿って進退可能となっている。また、第一ショルダ取付体４０は、基端に径方向に張り出すフランジ４０ｂを有する。
【００２６】
支持筒４２は、下方に開口して第一ショルダ取付体４０を中心軸Ｃ回りに回転可能に収容する取付体収容部４２ａと、第二ショルダ取付軸４１を中心軸Ｃに沿って進退させるシリンダ部４２ｂと、本体部３に支持される被支持部４２ｃとを有する。取付体収容部４２ａには、第一ショルダ取付体４０のフランジ４０ｂを収容するとともに、中心軸Ｃ回りに回転可能に支持する軸受部４２ｄを有する。また、取付体収容部４２ａの内周面には、第一ショルダ取付体４０を中心軸Ｃ回りに回転駆動するモータ４３が内蔵されている。このため、キー４１ａ及びキー溝４０ａが噛合ことによって一体となっている第一ショルダ取付体４０と第二ショルダ取付軸４１とは、モータ４３の駆動により中心軸Ｃ回りに回転可能となっている。
【００２７】
シリンダ部４２ｂは、ピストン４１ｂを支持する略筒状のピストン支持部４２ｅと、ピストン支持部４２ｅの先端側及び基端側の開口に設けられ、第二ショルダ取付軸４１を支持する先端側支持部４２ｆ及び基端側支持部４２ｇとを有する。ピストン４１ｂの外周面には軸受４２ｈが設けられており、当該軸受４２ｈにより、ピストン４１ｂは、ピストン支持部４２ｅに対して、中心軸Ｃに沿って進退可能かつ中心軸Ｃ回りに回転可能に支持されている。また、先端側支持部４２ｆ及び基端側支持部４２ｇにも軸受４２ｉ、４２ｊが設けられており、当該軸受４２ｉ、４２ｊにより、第二ショルダ取付軸４１は、ピストン支持部４２ｅに対して、中心軸Ｃに沿って進退可能かつ中心軸Ｃ回りに回転可能に支持されている。
【００２８】
そして、ピストン４１ｂと、先端側支持部４２ｆ及び基端側支持部４２ｇとの間には、作動油が供給される第一油圧室４２ｍ及び第二油圧室４２ｎが形成されている。また、シリンダ部４２ｂには、本体部３にも貫通して外部まで接続されるとともに、それぞれ第一油圧室４２ｍまたは第二油圧室４２ｎまで連通する作動油供給管路４２ｐ、４２ｑが形成されている。このため、外部に設けられた図示しない油圧制御装置から、作動油供給管路４２ｐ、４２ｑを経由して第一油圧室４２ｍまたは第二油圧室４２ｎに選択的に油圧を入力することにより、第二ショルダ取付軸４１を先端側または基端側へと中心軸Ｃに沿ってスライドさせることができる。これによりワーク配置部２に配置されたワークＷの裏面Ｗ５に対して、中心軸Ｃに沿うワーク対向方向に力を与えて第二ショルダ部１０２の第二ショルダ面１０２ａによって加圧を行うことが可能であり、すなわち図示しない油圧制御装置、シリンダ部４２ｂ及びピストン４１ｂにより加圧手段４４が構成されている。また、被支持部４２ｃは、中心軸Ｃ上でシリンダ部４２ｂから突出する軸状に形成されている。
【００２９】
本体部３は、加工機主軸１ａに取り付けられている。本体部３は、略筒状に形成され、ワーク配置部２に配置されるワークＷの表面Ｗ４側となる下方に向けて開口し工具保持部４が収容された収容部３０と、収容部３０に収容された工具保持部４をワークＷに対して近接離間するワーク対向方向となる上下方向Ｚに進退可能に支持する本体支持部３１とを有する。本体支持部３１は、軸受３１ａ、３１ｂを有し、被支持部４２ｃは当該軸受３１ａ、３１ｂにより中心軸Ｃに沿って進退可能に支持されている。
【００３０】
図１及び図３に示すように、支持体５は、工具保持部４の取付体収容部４２ａの下端面から突出する支持部材５０と、支持部材５０に回転可能に支持されてワークＷの表面Ｗ４に当接するローラ５１と、支持部材５０から径方向に張り出すように設けられた張出部材５２とを有する。支持体５は、工具保持部４に保持されたボビンツール１００を走査する走査方向（図１において紙面奥行方向）に直交する方向Ｙに当該ボビンツール１００を挟むようにして両側に対をなして配置されている。そして、ローラ５１は、走査方向に直交する方向Ｙに沿うように配された回転軸回りに回転可能であり、すなわち走査方向へのボビンツール１００の走査に伴ってワークＷの表面Ｗ４上を走査方向に転動可能である。
【００３１】
ここで、図３に示すように、支持体５においてワーク配置部２に配置されたワークＷの表面Ｗ４に当接する当接部、すなわちローラ５１の下端５１ａの上下方向Ｚの位置は、工具保持部４に保持されたボビンツール１００の第一ショルダ部１０１の第一ショルダ面１０１ａと略等しい位置に設定されている。このため、平面状に形成されたワークＷの表面Ｗ４上においては、ローラ５１の下端５１ａが表面Ｗ４に当接した状態で、第一ショルダ部１０１の第一ショルダ面１０１ａも表面Ｗ４に当接した状態となっている。
【００３２】
また、図１に示すように、荷重付与手段６は、支持体５が接続されて下向きとなる自重及び保持するボビンツール１００の重量分の力Ｐ１を作用させる工具保持部４と、張出部材５２と本体部３の下端面との間に設けられ、中心軸Ｃに沿う方向に補助力Ｐ２を作用させる補助力付与部６０とを有する。補助力付与部６０は、工具保持部４によって作用される力Ｐ１よりも小さい所定の大きさの上向きの補助力Ｐ２を与えるものである。例えば、工具保持部４及びボビンツール１００を合わせた重量による力Ｐ１が下向きに５．０ｋＮであるのに対して、補助力Ｐ２としては上向きに４．５ｋＮの大きさで作用させて、結果として荷重付与手段６としては、下向きの荷重Ｐで０．５ｋＮ作用させる。補助力付与部６０は、具体的にはエアシリンダであり、上記の例では、予め４．５ｋＮ相当の空気圧の入力を行い、加工中においてワークＷの表面Ｗ４の変位等にともなって反力を受けるなどしても特に入力された空気圧の制御は行わない。
【００３３】
次に、この実施形態の作用について説明する。
図１に示すように、摩擦攪拌接合を行う場合には、第一ショルダ部１０１の第一ショルダ面１０１ａと、第二ショルダ部１０２の第二ショルダ面１０２ａとの間にワークＷを配置する。また、ワークＷの表面Ｗ４上に支持体５のローラ５１を配置させる。この状態で、補助力付与部６０で所定の大きさで上向きの補助力Ｐ２が作用していることにより、支持体５には荷重Ｐが作用し、当該荷重Ｐが支持体５からワークＷに作用することによって、支持体５にはワークＷから荷重Ｐ相当の反力が作用している。そして、モータ４３を駆動させて工具保持部４全体を回転させるとともに、加圧手段４４によって第二ショルダ部１０２に上向きの加圧力を作用させる。これにより、ワークＷは、第二ショルダ面１０２ａから裏面Ｗ５に加圧力を受けるとともに、第一ショルダ面１０１ａから表面Ｗ４にも上記加圧力相当の加圧力を同様に受けることになる。このため、第一ショルダ面１０１ａ及び第二ショルダ面１０２ａと、ワークＷの表面Ｗ４及び裏面Ｗ５との間には摩擦熱が生じて軟化し、軟化部を軸部１０３で攪拌することで、摩擦攪拌接合が行われる。
【００３４】
ここで、支持体５が、工具保持部４に保持されたボビンツール１００に対してボビンツール１００の走査方向に直交する方向Ｙに配置されていることで、ボビンツール１００によるワークＷの摩擦攪拌に支障がないようにして、ワークＷの表面Ｗ４上で支持体５によって工具保持部４を支持することができる。そして、支持体５には、上記のとおり、荷重付与手段６によって荷重Ｐが作用することにより、ワークＷの表面Ｗ４からも荷重Ｐ相当の反力を受けることとなる。このため、図４に示すように、ワークＷの表面Ｗ４が、ワークＷ自体の変形、厚みの変化、ワーク配置部２におけるワークＷの配置誤差等により、走査方向Ｘに沿って変位していたとしても、支持体５はワークＷの表面Ｗ４に沿うように追従することとなる。
【００３５】
また、ボビンツール１００の第一ショルダ面１０１ａは、支持体５のローラ５１の下端５１ａとワーク対向方向となる上下方向Ｚの位置が等しくなるようにして一定の相対位置関係に設定されている。このため、工具保持部４に保持されたボビンツール１００の第一ショルダ面１０１ａは、工具保持部４とともに、ワークＷの表面Ｗ４に沿うようにしてワーク対向方向に変位し、ワークＷの表面Ｗ４との相対位置関係を一定に保つことができる。従って、ボビンツール１００の第一ショルダ面１０１ａからワークＷの表面Ｗ４に作用する加圧力を所望の力で正確に維持することがきる。
【００３６】
ここで、本実施形態の摩擦攪拌接合装置１では、少なくとも上記のように工具保持部４がワーク対向方向である上下方向Ｚに向かって進退可能であり、当該工具保持部４をワークＷの表面Ｗ４上で支持体５によって支持することによって加圧力を正確に維持することを可能とするものであり、簡易な構成で、ワークＷの表面Ｗ４に生じる誤差の影響を受けることなく、ボビンツール１００によって正確に加圧して摩擦攪拌接合を行うことができる。この際、走査方向に対して支持体５とボビンツール１００が同じ位置にあることで、ボビンツール１００の位置におけるワークＷの上下方向の微小な誤差をより正確に検知することができる。
【００３７】
また、上記のとおり、支持体５においてワークＷの表面Ｗ４と当接する当接部となるローラ５１の下端５１ａに対して、工具保持部４に保持されたボビンツール１００の第一ショルダ部１０１の第一ショルダ面１０１ａが上下方向Ｚに略等しい位置に設定されている。このため、図５に示すように、ワークＷの表面Ｗ４において、第一ショルダ面１０１ａで加圧される部位が他の部位に比較して、凹凸してしまうことがない。このため、摩擦攪拌接合後の仕上がりを良好なものとすることができる。また、上記のとおり、荷重付与手段６では、工具保持部４及びボビンツール１００の重量による力Ｐ１から補助力Ｐ２を減じた荷重Ｐを与えることで、ワークＷに余計な負荷を与えず、かつ、支持体５がワークＷの表面Ｗ４を沿うような適切な反力を発生させることができる。
【００３８】
なお、上記においては、支持体５においてワークＷの表面Ｗ４と当接する当接部となるローラ５１の下端５１ａに対して、工具保持部４に保持されたボビンツール１００の第一ショルダ部１０１の第一ショルダ面１０１ａが上下方向Ｚに略等しい位置に設定されているものとしたが、これに限るものではない。例えば、図６に示すように、曲面状のワークＷについて摩擦攪拌接合する場合には、曲面状の表面Ｗ４に沿う面において、同一面内となるように設けられていることで、表面Ｗ４における凹凸を防止して、同様に摩擦攪拌接合後の仕上がりを良好なものとすることができる。
【００３９】
また、当接部となるローラ５１の下端５１ａに対して、工具保持部４に保持されたボビンツール１００の第一ショルダ部１０１の第一ショルダ面１０１ａは、上下方向Ｚに異なる位置としても相対位置が所定の関係となるようにして設けられていれば良い。
例えば、図７に示すように、ローラ５１の下端５１ａに対して、第一ショルダ面１０１ａがワークＷに近い位置に位置していたとしても良い。この場合には、第一ショルダ面１０１ａがローラ５１の下端５１ａよりもワークＷに近接した距離分だけ、接合部に凹部が形成されることとなる。例えば、接合部において所定の深さで凹部を形成する必要がある場合などには、このような位置関係としても良い。また、図８に示すように、ローラ５１の下端５１ａに対して、第一ショルダ面１０１ａがワークＷに遠い位置に位置していたとしても良い。この場合には、第一ショルダ面１０１ａがローラ５１の下端５１ａよりもワークＷに離間した距離分だけ、接合部に凸部が形成されることとなる。例えば、接合部において所定の高さで凸部を形成する必要がある場合などには、このような位置関係としても良い。
【００４０】
また、上記においては、支持体５は、工具保持部４に保持されたボビンツール１００を走査する走査方向に直交する方向に当該ボビンツール１００を挟むようにして両側に対をなして配置されているものとしたが、これに限るものではない。例えば、図９（ａ）に示すように平面視して４つの支持体５を備えるものとしたり、あるいは、図９（ｂ）に示すように平面視して３つの支持体５を備えるものとしても良い。
【００４１】
図９（ａ）に示す４つの支持体５を配置する場合、工具保持部４に保持されたボビンツール１００の走査方向Ｘに直交する方向Ｙ両側に、走査方向Ｘに沿うようにそれぞれ２つずつ配列することで、ボビンツール１００によるワークＷの摩擦攪拌に支障がないようにして、ワークＷの表面Ｗ４上で支持体５によって工具保持部４を支持することができる。また、この場合には、ボビンツール１００の走査方向Ｘを９０度変更しても同様にボビンツール１００による摩擦攪拌に支障がない。
【００４２】
また、図９（ｂ）に示す３つの支持体５を配置する場合、工具保持部４に保持されたボビンツール１００の走査方向Ｘに直交する方向Ｙ両側に２つを配置し、残りの１つを走査方向Ｘ前方側に配置するようにしても、走査方向Ｘ前方側の支持体５は摩擦攪拌による接合前のワークＷの表面Ｗ４上を走行することになるため、同様にボビンツール１００による摩擦攪拌に支障がない。
【００４３】
また、上記実施形態では、工具保持部４をワーク配置部２に配置されたワークＷの上方に配置し、工具保持部４をワーク対向方向である上下方向Ｚに進退可能としたが、これに限るものではない。例えば、ワークＷを、表面Ｗ４が鉛直面をなすように配置して、工具保持部４をワーク対向方向となる水平方向に進退可能としても良い。この場合には、支持体５には、工具保持部４及び工具保持部４で保持されたボビンツール１００の重量が力として作用しない。このため、図１に示す構造で、支持体５に荷重を付与するためには、荷重付与手段６で発生する荷重として補助力付与部６０で発生させる力そのものを利用し、ワークＷに向かって対応する荷重、例えば上記実施形態における例では０．５ｋＮの力を発生させるように空気圧を入力すればよい。また、上記実施形態では、加圧手段４４を備え、第一ショルダ部１０１に対して第二ショルダ部１０２が近接離間可能なものとしたが、これに限るものでなく、第一ショルダ部１０１に対して第二ショルダ部１０２が相対位置不変に固定されていて、加圧手段４４を備えない構成としても良い。
【００４４】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【符号の説明】
【００４５】
１  摩擦攪拌接合装置
２  ワーク配置部
３  本体部
４  工具保持部
５  支持体
５１ａ  下端（当接部）
６  荷重付与手段
４４  加圧手段
６０  補助力付与部
１００  ボビンツール（工具）
１０１  第一ショルダ部
１０１ａ  第一ショルダ面
１０２  第二ショルダ部
１０２ａ  第二ショルダ面
１０３  軸部
Ｗ  ワーク
Ｗ４  表面
Ｗ５  裏面
Ｘ  走査方向
Ｙ  走査方向に直交する方向
Ｚ  上下方向（ワーク対向方向）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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