(57)【要約】【課題】接合ツールのワークからの引き抜き時の不具合を抑制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。【解決手段】接合ツール１をワークＷから引き抜くときに、接合ツール１の回転方向が、接合ツール１がワークＷから離間するねじの回転方向と一致するように、且つ、接合ツール１の引き抜き速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）を、ねじ溝のピッチをＰ（ｍｍ）、接合ツール１の回転数をＮ（ｒｐｍ）としたとき、Ｖ＝Ｐ×Ｎ／６０で表される速度とする。【選択図】図４
2013180313.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合すべき板状のワークの裏面を支持する裏当て部材と、
前記ワークの表面側に、前記裏当て部材との間に前記ワークを挟むように位置する接合ツールと、
前記接合ツールを保持するツール保持部と、
前記ツール保持部をその回転軸線まわりに回転駆動する回転駆動手段と、
前記ツール保持部を前記ワークの表面の法線方向に沿って変位駆動することで、前記接合ツールを前記ワークの表面の法線方向に沿った方向に移動させて、回転する前記接合ツールの先端を前記ワークの表面に押し付け、摩擦熱で軟化した前記ワークの材料の内部に前記接合ツールの先端を押し込む押し込み動作を行う加圧軸と、
前記回転駆動手段、および前記加圧軸を駆動制御する制御手段と、を備え、
前記接合ツールの先端にねじ溝が形成された摩擦攪拌接合装置であって、
前記制御手段は、前記接合ツールを前記ワークから引き抜くときに、前記接合ツールの回転方向が、前記接合ツールが前記ワークから離間するねじの回転方向と一致するように、且つ、前記接合ツールの引き抜き速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）を、ねじ溝のピッチをＰ（ｍｍ）、接合ツールの回転数をＮ（ｒｐｍ）としたとき、Ｖ＝Ｐ×Ｎ／６０で表される速度とすることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記接合ツールの先端が前記ワークから離間した後の引き抜き速度を、前記接合ツールの先端が前記ワーク中にあるときの引き抜き速度よりも早くすることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項３】
前記ツール保持部を前記ワークの表面方向に沿って移動させるオフセット動作を行うオフセット軸をさらに備え、
前記制御手段は、前記回転駆動手段と前記加圧軸に加えて前記オフセット軸を制御し、
前記押し込み動作を行った後、前記ワークの表面に沿って前記接合ツールを移動させるオフセット動作を行い、前記オフセット動作後に前記接合ツールを引き抜くことを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項４】
接合ツールをワークの表面に押し付けつつ回転させることにより、前記接合ツールと前記ワークの接触点に摩擦熱を発生させて該接触点の周囲のワークを軟化させ、軟化した前記ワークの材料の内部に前記接合ツールの先端を入り込ませて前記ワークを接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記接合ツールを前記ワークから引き抜くときに、前記接合ツールの回転方向が、前記接合ツールが前記ワークから離間するねじの回転方向と一致するように、且つ、前記接合ツールの引き抜き速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）を、ねじ溝のピッチをＰ（ｍｍ）、接合ツールの回転数をＮ（ｒｐｍ）としたとき、Ｖ＝Ｐ×Ｎ／６０で表される速度とすることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項５】
前記接合ツールの先端が前記ワークから離間した後の引き抜き速度を、前記接合ツールの先端が前記ワーク中にあるときの引き抜き速度よりも早くすることを特徴とする請求項４に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項６】
前記接合ツールを前記ワークの表面の法線方向に沿った方向に移動させて、回転する前記接合ツールの先端を前記ワークの表面に押し付け、摩擦熱で軟化した前記ワークの材料の内部に前記接合ツールの先端を押し込む押し込み動作を行った後、前記ワークの表面に沿って前記接合ツールを移動させるオフセット動作を行い、前記オフセット動作後に前記接合ツールを引き抜くことを特徴とする請求項４又は５に記載の摩擦攪拌接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合ツールの回転による摩擦熱を利用してワークを接合する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】
特許文献１には、接合ツールをワークに押し付けつつ回転させることにより、接合ツールとワークの接触点に摩擦熱を発生させて接触点の周囲の材料を軟化させ、接合ツール先端のピンをワーク内部に入り込ませて攪拌させることで、ワーク同士をスポット接合（点接合）する摩擦攪拌接合方法が開示されている。
【０００３】
また、特許文献２には、接合ツールの先端のピンにねじ状の表面構造を形成することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３４００４０９号公報
【特許文献２】特許第２７９２２３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、スポット接合する摩擦攪拌接合では、接合ツールの押し込み動作及び引き抜き動作を繰り返し行うことから、加圧軸の送り速度を高速に設定することで位置決め時間を短縮し、生産性を向上させる必要がある。
【０００６】
しかしながら、接合ツールを高速で引き抜くと接合ツール先端のピンに設けたねじ溝がワークに引っかかり、ワークに余分な負荷がかかってしまうおそれがある。また、接合ツール先端のピンの跡に生じる穴周辺にバリが発生し、外観を損ねてしまうという問題がある。また、接合ツールにワークが付着し、次の接合点において異物となって接合品質を損ねてしまうおそれがある。
【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、接合ツールのワークからの引き抜き時の不具合を抑制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ことにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は以下の態様を提供する。
（１）接合すべき板状のワークの裏面を支持する裏当て部材と、
前記ワークの表面側に、前記裏当て部材との間に前記ワークを挟むように位置する接合ツールと、
前記接合ツールを保持するツール保持部と、
前記ツール保持部をその回転軸線まわりに回転駆動する回転駆動手段と、
前記ツール保持部を前記ワークの表面の法線方向に沿って変位駆動することで、前記接合ツールを前記ワークの表面の法線方向に沿った方向に移動させて、回転する前記接合ツールの先端を前記ワークの表面に押し付け、摩擦熱で軟化した前記ワークの材料の内部に前記接合ツールの先端を押し込む押し込み動作を行う加圧軸と、
前記回転駆動手段、および前記加圧軸を駆動制御する制御手段と、を備え、
前記接合ツールの先端にねじ溝が形成された摩擦攪拌接合装置であって、
前記制御手段は、前記接合ツールを前記ワークから引き抜くときに、前記接合ツールの回転方向が、前記接合ツールが前記ワークから離間するねじの回転方向と一致するように、且つ、前記接合ツールの引き抜き速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）を、ねじ溝のピッチをＰ（ｍｍ）、接合ツールの回転数をＮ（ｒｐｍ）としたとき、Ｖ＝Ｐ×Ｎ／６０で表される速度とすることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
（２）前記制御手段は、前記接合ツールの先端が前記ワークから離間した後の引き抜き速度を、前記接合ツールの先端が前記ワーク中にあるときの引き抜き速度よりも早くすることを特徴とする（１）に記載の摩擦攪拌接合装置。
（３）前記ツール保持部を前記ワークの表面方向に沿って移動させるオフセット動作を行うオフセット軸をさらに備え、
前記制御手段は、前記回転駆動手段と前記加圧軸に加えて前記オフセット軸を制御し、
前記押し込み動作を行った後、前記ワークの表面に沿って前記接合ツールを移動させるオフセット動作を行い、前記オフセット動作後に前記接合ツールを引き抜くことを特徴とする（１）又は（２）に記載の摩擦攪拌接合装置。
（４）接合ツールをワークの表面に押し付けつつ回転させることにより、前記接合ツールと前記ワークの接触点に摩擦熱を発生させて該接触点の周囲のワークを軟化させ、軟化した前記ワークの材料の内部に前記接合ツールの先端を入り込ませて前記ワークを接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記接合ツールを前記ワークから引き抜くときに、前記接合ツールの回転方向が、前記接合ツールが前記ワークから離間するねじの回転方向と一致するように、且つ、前記接合ツールの引き抜き速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）を、ねじ溝のピッチをＰ（ｍｍ）、接合ツールの回転数をＮ（ｒｐｍ）としたとき、Ｖ＝Ｐ×Ｎ／６０で表される速度とすることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
（５）前記接合ツールの先端が前記ワークから離間した後の引き抜き速度を、前記接合ツールの先端が前記ワーク中にあるときの引き抜き速度よりも早くすることを特徴とする（４）に記載の摩擦攪拌接合方法。
（６）前記接合ツールを前記ワークの表面の法線方向に沿った方向に移動させて、回転する前記接合ツールの先端を前記ワークの表面に押し付け、摩擦熱で軟化した前記ワークの材料の内部に前記接合ツールの先端を押し込む押し込み動作を行った後、前記ワークの表面に沿って前記接合ツールを移動させるオフセット動作を行い、前記オフセット動作後に前記接合ツールを引き抜くことを特徴とする（４）又は（５）に記載の摩擦攪拌接合方法。
【発明の効果】
【０００９】
上記（１）及び（４）に記載の発明によれば、接合ツールをワークから引き抜くときに、接合ツールの回転方向が、接合ツールがワークから離間するねじの回転方向と一致するように、且つ、接合ツールの引き抜き速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）を、ねじ溝のピッチをＰ（ｍｍ）、接合ツールの回転数をＮ（ｒｐｍ）としたとき、Ｖ＝Ｐ×Ｎ／６０で表される速度とすることにより、接合ツールがワークに引っかかることなく、ワークに余分な負荷がかからないようにすることができると共に、接合ツールの先端のピンの跡に生じる穴周辺にバリが発生するのを抑制することができ、外観を向上させることができる。また、接合ツールへのワークの付着を防止し、安定した接合品質を得ることができる。
【００１０】
上記（２）及び（５）に記載の発明によれば、接合ツールの先端がワークから離間した後の引き抜き速度を、接合ツールの先端がワーク中にあるときの引き抜き速度よりも早くすることにより、位置決め時間を短縮することができる。
【００１１】
上記（３）及び（６）に記載の発明によれば、スポット接合に限らず、比較的長い距離の接合においても、接合ツールがワークに引っかかることなく、ワークに余分な負荷がかからないようにすることができると共に、接合ツールの先端のピンの跡に生じる穴周辺にバリが発生するのを抑制することができ、外観を向上させることができる。また、接合ツールへのワークの付着を防止し、安定した接合品質を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態の摩擦攪拌接合装置の側面図である。
【図２】図１の摩擦攪拌接合装置の正面図である。
【図３】ボールねじ一体型直動案内ユニットの断面図である。
【図４】従来の摩擦攪拌接合装置における作用説明用の拡大図で、（ａ）はワークの表面に接合ツールを回転させながら接近させている状態を示す図、（ｂ）はアームが撓んだ状態を示す図、（ｃ）は接合ツールがワークの内部に没入した状態を示す図、（ｄ）は接合ツールの引き抜き時の状態を示す図である。
【図５】本発明の実施例と比較例の、加圧軸速度を示すグラフである。
【図６】実施例における、接合ツールの先端のピンの跡に生じる穴周辺の写真を示す図である。
【図７】比較例における、接合ツールの先端のピンの跡に生じる穴周辺の写真を示す図である。
【図８】本発明の第２実施形態の摩擦攪拌接合装置の側面図である。
【図９】図８の摩擦攪拌接合装置の正面図である。
【図１０】第２実施形態の摩擦攪拌接合装置における作用説明用の拡大図で、（ａ）はワークの表面に接合ツールを回転させながら接近させている状態を示す図、（ｂ）はアームが撓んだ状態を示す図、（ｃ）は接合ツールがワークの内部に没入した状態を示す図であり、（ｄ）はオフセット動作中の状態を示す図であり、（ｅ）は接合ツールの引き抜き時の状態を示す図である。
【図１１】本発明の第３実施形態の摩擦攪拌接合装置の側面図である。
【図１２】図１１の摩擦攪拌接合装置の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の各実施形態の摩擦攪拌接合装置について図面に基づいて説明する。
＜第１実施形態＞
図１は本発明の第１実施形態の摩擦攪拌接合装置の側面図、図２は図１の摩擦攪拌接合装置の正面図である。
【００１４】
図１に示すように、この摩擦攪拌接合装置Ｍ１には、摩擦攪拌接合のための接合ツール１をワークに接近／離間させる加圧軸２と、接合ツール１をその中心軸線Ｑまわりに回転させる旋回軸４とが設けられている。ここで、加圧軸２は、互いに直交するＸ軸（鉛直方向）とＹ軸（水平方向）のうちの、Ｘ軸として設定される。
【００１５】
加圧軸２（Ｘ軸）を構成するボールねじ一体型直動案内ユニット１０は、図３に示すように、直動案内軸受１１とボールねじ１２の組み合わせで構成されている。
【００１６】
直動案内軸受１１は、断面が略Ｕ字状に形成された案内レール１３と、案内レール１３のＵ字状の凹部内に配置されたスライダ１４と、案内レール１３とスライダ１４の間に配置された複数の転動体１５と、を備えている。案内レール１３は、スライダ１４と対向配置される各袖部１３Ａの内側面に転動面１６Ａを有し、スライダ１４は、案内レール１３の転動面１６Ａに対向配置される転動面１６Ｂを有しており、案内レール１３の転動面１６Ａとスライダ１４の転動面１６Ｂとの間に転動体（図ではコロ）１５が介在され、それにより、スライダ１４と案内レール１３とが相対的に直線移動可能とされている。
【００１７】
この場合、案内レール１３の転動面１６Ａとスライダ１４の転動面１６Ｂとの間には、転動体１５の移動する転動通路１６が左右それぞれ上下に二列、即ち全体で二対四列形成される。スライダ１４には、転動体１５の戻し通路１６Ｄと、戻し通路１６Ｄと転動通路１６とを連通する方向転換路（図示略）とが形成され、転動体１５が、転動通路１６と方向転換路と戻し通路１６Ｄとから構成される無限循環路を循環するようになっている。
【００１８】
また、ボールねじ１２は、案内レール１３と平行に形成されたボールねじナット１７と、ボールねじナット１７を貫通するボールねじ軸１８と、ボールねじナット１７の螺旋溝とボールねじ軸１８の螺旋溝との間に配置された複数のボール１９と、を備えている。そして、ボールねじ一体型直動案内ユニット１０は、ボールねじ１２の要素であるボールねじナット１７を直動案内軸受１１の要素であるスライダ１４に直接形成することにより、ボールねじ１２と直動案内軸受１１とを一体に備えた機構部品として構成されている。
【００１９】
加圧軸２を構成する第１のボールねじ一体型直動案内ユニット１０の案内レール１３は、摩擦攪拌接合装置Ｍ１の基体をなすもので、この案内レール１３の下面には、プレート５８を介して、Ｃ字形のアーム５０の基端が固定されている。アーム５０の先端は、片持状態で接合ツール１の先端に対向する位置の近くまで延びている。
【００２０】
また、ボールねじ一体型直動案内ユニット１０のスライダ１４に、接合ツール１を回転自在に装着したスピンドル（ツール保持部）３０が保持部材２３を介して固定されている。加圧軸２のスライダ１４は、加圧軸２のボールねじ１２によって駆動される。なお、加圧軸２のボールねじ１２は、ベルト４１を介して、加圧軸モータ４２によって駆動される。
【００２１】
接合ツール１は、旋回軸４を構成するスピンドル３０によってツールホルダ３５を介して回転自在に保持されたツール本体１ａの先端面に、ツール本体１ａよりも小径なツールピン１ｃを突設し、ツール本体１ａの先端面におけるツールピン１ｃの取付部の周辺をショルダー部１ｂとして構成したものである。
【００２２】
ツールピン１ｃの外表面には、左ねじのねじ溝が形成されている。左ねじとは、ツールピン１ｃの上方（ツールホルダ側）から見て、ツールピン１ｃを反時計回りに回転させたときに下降（ツールホルダ側とは反対側に移動）し、時計回りに回転したときに上昇（ツールホルダ側に移動）するねじ溝を有するものである。
【００２３】
スピンドル３０は、図１のＹ軸方向から見てワークの表面の法線方向に沿うように設定された回転軸線（接合ツール１の中心軸線Ｑと一致）を有し、該回転軸線と同軸に接合ツール１を保持するものである。スピンドル３０は、複数の軸受３１と、該軸受３１を収容するスピンドルハウジング３２と、軸受３１によって回転可能に保持されたスピンドルシャフト３３とによって構成され、スピンドルシャフト３３の接合ツール１側には、接合ツール１を着脱可能に保持するツールホルダ３５が設けられている。スピンドルシャフト３３は、プーリ４６とベルト４７を介して旋回軸モータ４４によって駆動される。なお、スピンドル３０と旋回軸モータ４４は、旋回軸ブラケット４８を介して、ボールねじ一体型直動案内ユニット１０のスライダ１４に取り付けられた保持部材２３に固定されている。
【００２４】
加圧軸２の案内レール１３に基端部が固定されたＣ字形のアーム５０の先端には、加圧力検出手段５１及び裏当て部材５２が設けられている。裏当て部材５２は、接合すべき板状のワークＷの裏面を支持するもので、接合ツール１と裏当て部材５２の間にワークＷを挟むことで、ワークＷに対して接合ツール１により加圧力を作用させることができるようになっている。
【００２５】
接合の際に、ワークＷは、２枚以上の薄板を重ね合せて配置される。
【００２６】
このように加圧軸２と旋回軸４を構成した摩擦攪拌接合装置Ｍ１は、接合ツール１をワークＷに押し付けつつ回転させることにより、接合ツール１とワークＷの接触点に摩擦熱を発生させて当該接触点の周囲の材料を軟化させると共に攪拌し、それにより接合ツール１をワークＷに没入させることで、ワークＷをスポット状に接合するものである。
【００２７】
また、この摩擦攪拌接合装置Ｍ１は、上述した旋回軸モータ４４及び加圧軸モータ４２を駆動制御するための制御手段（図示略）を有している。この制御手段は、具体的には次のように制御を実行する。
【００２８】
まず、図４（ａ）のように、接合ツール１を回転させながら加圧軸２の駆動によって接合ツール１を押し込み方向ＸＡに移動させ、接合ツール１をワークＷ１、Ｗ２を上下に重ね合わせたワークＷ表面に接触させる。次に、加圧軸２を一定の加圧力（押し込み動作時加圧力）で押圧制御し、接合ツール１の先端のツールピン１ｃとワークＷ間の摩擦によってワークＷを軟化させ、ツールピン１ｃをワークＷの中に回転させながら没入させ、接合ツール１を回転させながら、所定の押し込み量まで没入させるという押し込み動作を行う。
【００２９】
この押し込み動作では、図４（ｂ）のように、アーム５０が押し込み動作時加圧力に応じて撓むため、裏当て部材５２が接合ツール１の押し込み動作に対して逃げてしまう。よって接合ツール１を目標の押し込み量まで押込むために、アーム５０の弾性変形量分を補正して接合ツール１の位置決め動作を行なっている。
【００３０】
そして、ワークＷの表面に接合ツール１のショルダー部１ｂを接触させ、図４（ｃ）のように、目標位置まで接合ツール１を没入させた後、図４（ｄ）のように、加圧軸２を押し込み動作の時と逆方向（ＸＢ方向）に駆動させて、接合ツール１をワークＷから引き抜く。
【００３１】
この接合ツール１をワークＷから引き抜くとき、制御手段は、接合ツール１の回転方向が、接合ツール１がワークＷから離間するねじの回転方向と一致するように接合ツール１を回転させる。即ち、ツールピン１ｃの外表面には左ねじがきられており、左ねじは、時計回りに回転させたときに上昇するため、接合ツール１を時計回りに回転させる。なお、図４（ａ）〜（ｄ）では、押し込み動作時も時計回りに回転するように設定し、引き抜き時にそのまま回転方向を変えずに引き抜くこととしたが、押し込み動作時には反時計回りに回転するように設定し、引き抜き時に回転方向を変えて時計回りに回転させて引き抜いてもよい。
【００３２】
また、制御手段は、接合ツール１をワークＷから引き抜くときに、接合ツール１の回転方向が、接合ツール１がワークＷから離間するねじの回転方向と一致するように接合ツール１を回転させることに加えて、接合ツール１の引き抜き速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）を、ねじ溝のピッチをＰ（ｍｍ）、接合ツールの回転数をＮ（ｒｐｍ）としたとき、以下の（１）式で表される速度としている。
Ｖ＝Ｐ×Ｎ／６０                          （１）
【００３３】
即ち、（１）式はツールピン１ｃの外表面に形成された左ねじのねじ送り速度を表しており、接合ツール１の引き抜き速度Ｖをねじ送り速度と同じ速度としている。
【００３４】
そして、接合ツール１の先端のツールピン１ｃがワークＷから離間した後は、引き抜き速度Ｖ´を、接合ツール１の先端のツールピン１ｃがワークＷ中にあるときの引き抜き速度Ｖよりも早くしている。これにより、繰り返し行う接合処理の位置決め時間を短縮することができる。接合ツール１のねじ溝のピッチＰは典型的には０．４〜１．５ｍｍ程度であり、接合ツール１の回転数Ｎは２０００〜３０００ｒｐｍ程度であるから、接合ツール１の引き抜き速度Ｖは１３〜７５ｍｍ／ｓ程度である。一方、加圧軸２を構成するボールねじ１２のリードは典型的には５〜２０ｍｍ程度であり、加圧軸モータ４２の最高回転数は３０００〜５０００ｒｐｍ程度であるから、引き抜き速度Ｖ´は２５０ｍｍ／ｓ以上の設定が可能である。生産効率を上げるためには、接合ツール１の先端のツールピン１ｃがワークＷから離間した後の引き抜き速度Ｖ´をできるだけ大きくすることが望ましい。
【００３５】
以上説明したように、接合ツール１をワークＷから引き抜くときに、接合ツール１の回転方向が、接合ツール１がワークＷから離間するねじの回転方向と一致するように、且つ、接合ツールの引き抜き速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）を、ねじ溝のピッチをＰ（ｍｍ）、接合ツール１の回転数をＮ（ｒｐｍ）としたとき、Ｖ＝Ｐ×Ｎ／６０で表される速度とすることにより、接合ツール１がワークＷに引っかかることなく、ワークＷに余分な負荷がかからないようにすることができると共に、接合ツール１の先端のツールピン１ｃの跡に生じる穴周辺にバリが発生するのを抑制することができ、外観を向上させることができる。また、接合ツール１へのワークＷの付着を防止し、安定した接合品質を得ることができる。
【００３６】
《実施例》
本実施例では、接合ツールショルダ径８ｍｍ、接合ツール先端ピンＭ３ねじ（左ねじ）形状、接合ツール先端ピン高さ３ｍｍ、接合ツール先端ピンのねじ溝ピッチ０．５ｍｍとした摩擦攪拌接合装置Ｍ１を用いて、押し込み時加圧力４ｋＮ、接合ツール回転数３０００ｒｐｍで厚さ２ｍｍのアルミ板を２枚重ね合わせてスポット接合を行った。
【００３７】
本実施例では、接合ツールをワークから引き抜くとき、接合ツール引き抜き速度を０．５（ｍｍ）×３０００／６０＝２５ｍｍ／ｓとして接合ツールの先端のツールピンに設けたねじ溝のねじ送り速度と接合ツールの引き抜き速度を同じにしている。さらに、接合ツールの回転方向は接合ツールの上方（ツールホルダ側）から見て時計回りである。
【００３８】
さらに、接合ツール１の先端のツールピン１ｃがワークＷから離間した後（１．９ｓｅｃ以降）の引き抜き速度を７５ｍｍ／ｓとして、接合ツール１の先端のツールピン１ｃがワークＷ中にあるとき（１．７〜１．９ｓｅｃ以降）の引き抜き速度２５ｍｍ／ｓよりも早く設定した。
【００３９】
《比較例》
比較例として、上記実施例から引き抜き速度のみを変更して接合を行った。比較例では、引き抜き速度は５０ｍｍ／ｓとし、接合ツール１の先端のツールピン１ｃがワークＷから離間した後も５０ｍｍ／ｓを維持した。
【００４０】
《実施例と比較例の対比》
図５は、本発明の実施例と比較例の、加圧軸速度を示す図であり、図６は、実施例における、接合ツールの先端のピンの跡に生じる穴周辺の写真を示す図であり、図７は、比較例における、接合ツールの先端のピンの跡に生じる穴周辺の写真を示す図である。
【００４１】
比較例では、図７から明らかなように、接合ツールの先端のツールピンの跡に円筒状の穴が生じており、穴周辺にバリの発生が認められた。また、接合ツールの先端のツールピンには、ワーク母材が付着しており、さらに、接合ツールを引き抜く際にはワークが接合ツールに引っかかって持ち上がる現象も見られた。
【００４２】
これに対し、本実施例では、図６から明らかなように、接合ツールの先端のツールピンの跡に生じるワークの穴には、きれいなねじ溝が形成されており、穴周辺にバリの発生が認められなかった。また、接合ツールの先端のツールピンには、ワーク母材が付着しておらず、さらに、接合ツールを引き抜く際にはワークが接合ツールに引っかかって持ち上がる現象も見られなかった。
【００４３】
また、接合ツールの先端がワークから離間した後の引き抜き速度を、接合ツールの先端がワーク中にあるときの引き抜き速度よりも早くすることにより、位置決め時間を短縮することができた。
【００４４】
＜第２実施形態＞
図８は本発明の第２実施形態の摩擦攪拌接合装置の側面図、図９は摩擦攪拌接合装置の正面図である。
【００４５】
図８に示すように、この摩擦攪拌接合装置Ｍ２には、摩擦攪拌接合のための接合ツール１をワークに接近／離間させる加圧軸２と、接合ツール１を加圧軸２と略直交する方向に移動させるオフセット軸３と、接合ツール１をその中心軸線Ｑ（図９参照）まわりに回転させる旋回軸４とが設けられている。ここで、加圧軸２は、互いに直交するＸ軸（鉛直方向とＹ軸（水平方向）のうちのＸ軸として設定され、オフセット軸３はＹ軸として設定されている。これら加圧軸２とオフセット軸３は、２軸駆動ユニット５の互いに直交する２軸をなしている。
【００４６】
２軸駆動ユニット５は、第１のボールねじ一体型直動案内ユニット１０Ａと第２のボールねじ一体型直動案内ユニット１０Ｂとを、両者の軸線方向を互いに直交する関係に設定して組み合わせることで構成されている。
【００４７】
加圧軸２を構成する第１のボールねじ一体型直動案内ユニット１０Ａ及びオフセット軸３を構成する第２のボールねじ一体型直動案内ユニット１０Ｂは、それぞれ、図３に示す直動案内軸受１１とボールねじ１２の組み合わせで構成されている。なお、第１及び第２のボールねじ一体型直動案内ユニット１０Ａ、１０Ｂの構成は、第１実施形態のボールねじ一体型直動案内ユニット１０と同一の構成なので説明は省略する。
【００４８】
２軸駆動ユニット５は、第１、第２の２つのボールねじ一体型直動案内ユニット１０Ａ、１０Ｂを、各ユニット１０Ａ、１０Ｂの直動案内軸受１１の案内方向（軸線方向）が互いに交差（本実施形態では略直交する）する２軸となるように、各ユニット１０Ａ、１０Ｂのスライダ１４を、互いのフランジ１４ａ同士がボルト等の結合手段により結合して互いに組み合わせることにより構成されている。なお、２つのスライダ１４は、最初から一体に成形してあってもよい。
【００４９】
このように２軸駆動ユニット５を用いて加圧軸（Ｘ軸）２とオフセット軸（Ｙ軸）３を構成した摩擦攪拌接合装置Ｍ２は、接合ツール１をワーク（図示略）に押し付けつつ回転させることにより、接合ツール１とワークの接触点に摩擦熱を発生させて当該接触点の周囲の材料を軟化させると共に攪拌し、それにより接合ツール１をワークに没入させ、没入後、接合ツール１をワークの表面方向に移動させることで、ワークを線状に接合するものである。
【００５０】
その際、接合ツール１は、ワークの表面側に、後述する裏当て部材５２との間にワークを挟むように位置する。加圧軸２は、接合ツール１を加圧軸２の軸線方向に移動させてワークに接近／離間させる。すなわち、接合ツール１をワークの表面の法線方向に移動させて、回転する接合ツール１の先端をワークの表面に押し付け、摩擦熱で軟化したワークの材料の内部に接合ツール１の先端を押し込む押し込み動作を行なうと共に、その押し込み量を調節する役目を果たす。
【００５１】
また、オフセット軸３は、接合ツール１を加圧軸２と直交する方向であるワークの表面方向（Ｙ軸）に移動させるオフセット動作を実行する役目を果たす。
【００５２】
加圧軸２を構成する第１のボールねじ一体型直動案内ユニット１０Ａの案内レール１３は、摩擦攪拌接合装置Ｍ２の基体をなすもので、この案内レール１３の下面には、プレート５８を介して、Ｃ字形のアーム５０の基端が固定されている。アーム５０の先端は、片持状態で接合ツール１の先端に対向する位置の近くまで延びている。
【００５３】
また、オフセット軸３を構成する第２のボールねじ一体型直動案内ユニット１０Ｂの案内レール（基体）１３に、接合ツール１を回転自在に装着したスピンドル（ツール保持部）３０が固定されている。従って、加圧軸２のスライダ１４及びオフセット軸３の案内レール１３は、それぞれ加圧軸２のボールねじ１２及びオフセット軸３のボールねじ１２によって駆動される。なお、加圧軸２のボールねじ１２及びオフセット軸３のボールねじ１２は、それぞれベルト４１Ａ、４１Ｂを介して、加圧軸モータ４２及びオフセット軸モータ４３によって駆動される。
【００５４】
スピンドル３０と旋回軸モータ４４は、旋回軸ブラケット４８を介して、オフセット軸３の案内レール１３の取り付け面１３ａに固定されている。旋回軸ブラケット４８とオフセット軸３の案内レール１３の側面１３ｂとの間には、傾斜付与部材４９が設けられおり、オフセット軸３と加圧軸２に直交する方向（図９のＺ軸方向）から見て接合ツール１の中心軸線Ｑが加圧軸２の軸線に対して傾斜している。傾斜の方向は、オフセット動作において、接合ツール１をオフセット（進行）させる方向である。つまり、接合ツール１の軸線（中心軸線Ｑ）は、図９に示すように、ワークＷの表面の法線方向Ｈｓに対して、オフセット動作における接合ツール１の進行方向ＹＡに接合ツール１の先端が先行するように僅かに、例えば傾斜角α＝１°〜６°で傾斜している。なお、接合ツール１の構成及びスピンドル３０の構成については、第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００５５】
接合の際に、ワークＷは、２枚以上の薄板を重ね合せて配置される。また、ワークＷの最表面とオフセット軸３の案内レール１３が平行となるように設定される。なお、ワークＷは、表裏が平行な薄板同士であることが多いため、裏当て部材５２のワーク接触面とオフセット軸３の案内レール１３を平行に配置しているが、ワークＷの形状によって適宜変えてもよい。例えば、ワークＷがある角度をもった傾斜部材である場合には、裏当て部材５２とオフセット軸３の案内レール１３を傾斜部材の角度だけ傾けて配置してもよい。
【００５６】
また、この摩擦攪拌接合装置Ｍ２は、上述した旋回軸モータ４４、加圧軸モータ４２及びオフセット軸モータ４３を駆動制御するための制御手段（図示略）を有している。この制御手段は、次のように制御を実行する。
【００５７】
まず、図１０（ａ）のように、接合ツール１を回転させながら加圧軸２の駆動によって接合ツール１を押し込み方向ＸＡに移動させ、接合ツール１をワークＷ１、Ｗ２を上下に重ね合わせたワークＷ表面に接触させる。次に、加圧軸２を一定の加圧力（押し込み動作時加圧力）で押圧制御し、接合ツール１の先端のツールピン１ｃとワークＷ間の摩擦によってワークＷを軟化させ、ツールピン１ｃをワークＷの中に回転させながら没入させ、接合ツール１を回転させながら、所定の押し込み量まで没入させるという押し込み動作を行う。
【００５８】
この押し込み動作では、図１０（ｂ）のように、アーム５０が押し込み動作時加圧力に応じて撓むため、裏当て部材５２が接合ツール１の押し込み動作に対して逃げてしまう。よって接合ツール１を目標の押し込み量まで押込むために、アーム５０の弾性変形量分を補正して接合ツール１の位置決め動作を行なっている。
【００５９】
ワークＷの表面に接合ツール１のショルダー部１ｂを接触させ、図１０（ｃ）のように、目標位置まで接合ツール１を没入させた後、加圧軸２を停止あるいは押圧制御した状態で、図１０（ｄ）のように、接合ツール１を回転させながらワークＷの表面に沿って矢印ＹＡ方向に移動させるオフセット動作を行う。
【００６０】
このオフセット動作においては、接合ツール１が傾斜しているので、接合ツール１の進行方向ＹＡのワーク母材が接合ツール１の先端のショルダー部１ｂにクサビ状に流入し、このワーク母材の流入が動圧を発生させ、接合ツール１を押し込み方向に対して押し戻す浮力が発生する。これに伴って、ワークＷには、浮力の垂直方向分力に対する反力が没入方向に作用する。
【００６１】
そして、目標距離だけオフセット動作を行った後に、加圧軸２を押し込み動作の時と逆方向（ＸＢ方向）に駆動させて、接合ツール１をワークＷから引き抜く。
【００６２】
この接合ツール１をワークＷから引き抜くとき、制御手段は、第１実施形態と同様に、接合ツール１の回転方向が、接合ツール１がワークＷから離間するねじの回転方向と一致するように接合ツール１を回転させる。即ち、ツールピン１ｃの外表面には左ねじがきられており、左ねじは、時計回りに回転させたときに上昇するため、接合ツール１を時計回りに回転させる。なお、図１０（ａ）〜（ｄ）では、押し込み動作時も時計回りに回転するように設定し、引き抜き時にそのまま回転方向を変えずに引き抜くこととしたが、押し込み動作時には反時計回りに回転するように設定し、引き抜き時に回転方向を変えて時計回りに回転させて引き抜いてもよい。
【００６３】
また、制御手段は、接合ツール１をワークＷから引き抜くときに、接合ツール１の回転方向が、接合ツール１がワークＷから離間するねじの回転方向と一致するように接合ツール１を回転させることに加えて、接合ツール１の引き抜き速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）を、上記の（１）式で表される速度としている。
【００６４】
そして、本実施形態においても、接合ツール１の先端のツールピン１ｃがワークＷから離間した後は、引き抜き速度Ｖ´を、接合ツール１の先端のツールピン１ｃがワークＷ中にあるときの引き抜き速度Ｖよりも早くすることが好ましい。これにより、繰り返し行う接合処理の位置決め時間を短縮することができる。接合ツール１のねじ溝のピッチＰは典型的には０．４〜１．５ｍｍ程度であり、接合ツール１の回転数Ｎは２０００〜３０００ｒｐｍ程度であるから、接合ツール１の引き抜き速度Ｖは１３〜７５ｍｍ／ｓ程度である。一方、加圧軸２を構成するボールねじ１２のリードは典型的には５〜２０ｍｍ程度であり、加圧軸モータ４２の最高回転数は３０００〜５０００ｒｐｍ程度であるから、引き抜き速度Ｖ´は２５０ｍｍ／ｓ以上の設定が可能である。生産効率を上げるためには、接合ツール１の先端のツールピン１ｃがワークＷから離間した後の引き抜き速度Ｖ´をできるだけ大きくすることが望ましい。
【００６５】
これにより、本実施形態においても、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００６６】
＜第３実施形態＞
図１１は本発明の第３実施形態の摩擦攪拌接合装置の側面図、図１２は摩擦攪拌接合装置の正面図である。なお、第３実施形態の摩擦攪拌接合装置は、オフセット軸の構成及びオフセット動作の方向が異なる点を除いて第２実施形態の摩擦攪拌接合装置と同一又は同等の構成を有するので、同一又は同等の構成については同一又は同等の符号を付してその説明を省略又は簡略化する。
【００６７】
図１１に示すように、この摩擦攪拌接合装置Ｍ３には、摩擦攪拌接合のための接合ツール１をワークに接近／離間させる加圧軸２と、接合ツール１を加圧軸２と略直交する方向に移動させるオフセット軸３と、接合ツール１をその中心軸線Ｑ（図１２参照）まわりに回転させる旋回軸４とが設けられている。ここで、加圧軸２は、互いに直交するＸ軸（鉛直方向とＹ軸（水平方向）とＺ軸（前後方向）のうちのＸ軸として設定され、オフセット軸３はＺ軸として設定されている。即ち、第２実施形態の摩擦攪拌接合装置Ｍ２のオフセット軸３がＹ軸（水平方向）であったのに対し、本実施形態の摩擦攪拌接合装置Ｍ３のオフセット軸３がＺ軸（前後方向）となっている。
【００６８】
ここで、加圧軸２には、ボールねじ一体型直動案内ユニット１０Ａが用いられており、オフセット軸３には、直動案内軸受１１０Ａとボールねじ１１０Ｂを組み合わせたものが用いられている。ボールねじ一体型直動案内ユニット１０Ａは第１実施形態のボールねじ一体型直動案内ユニット１０と同一の構成のため、ここでは直動案内軸受１１０Ａとボールねじ１１０Ｂについてのみ説明する。
【００６９】
直動案内軸受１１０Ａは、間に空所を隔てて互いに平行に配された２本のレール部１１３Ａ、１１３Ａを有する案内レール１１３と、案内レール１１３の各レール部１１３Ａ、１１３Ａに案内されてスライドする２つのスライド部１１４Ａ、１１４Ａを有するスライダ１１４と、各レール部１１３Ａ、１１３Ａとスライド部１１４Ａ、１１４Ａとの間に配置された不図示の複数の転動体とを備えており、案内レール１１３の端部が、加圧軸２を構成するボールねじ一体型直動案内ユニット１０Ａのスライダ１４に結合されることで、案内レール１１３の２本のレール部１１３Ａ、１１３ＡがＺ方向に平行に延びている。これら２本のレール部１１３Ａ、１１３Ａは、旋回軸モータ４４の両側に配されており、旋回軸モータ４４は２本のレール部１１３Ａ、１１３Ａの間の空所に収容されている。
【００７０】
また、ボールねじ１１０Ｂは、案内レール１１３の側方に配置されており、案内レール１１３のレール部１１３Ａ、１１３Ａと平行に形成されたボールねじナット（不図示）と、ボールねじナットを貫通するボールねじ軸１１８と、ボールねじナットの螺旋溝とボールねじ軸１１８の螺旋溝との間に配置された複数のボール（不図示）とを備えている。そして、ボールねじ軸１１８を回転させることにより、ボールねじナットに結合されたスライダ１１４を案内レール１１３のガイドによりＺ方向に直線移動できるようになっている。
【００７１】
また、加圧軸２のスライダ１４及びオフセット軸３のスライダ１１４は、それぞれ加圧軸２のボールねじ１２及びオフセット軸３のボールねじ１１０Ｂによって駆動され、加圧軸２のボールねじ１２及びオフセット軸３のボールねじ１１０Ｂは、それぞれベルト４１Ａ、４１Ｂを介して加圧軸モータ４２及びオフセット軸モータ４３によって駆動される。
【００７２】
オフセット軸３を構成する直動案内軸受１１０Ａのスライダ１１４には、旋回軸ブラケット４８を介して、接合ツール１を回転自在に装着したスピンドル３０が固定されている。
【００７３】
また、この摩擦攪拌接合装置Ｍ３では、図１１に示すように、接合ツール１の中心軸線Ｑが加圧軸２の軸線（Ｘ軸）に対して所定の角度だけ傾斜している。傾斜の方向は、オフセット動作において、接合ツール１をオフセット（進行）させる矢印ＺＡ方向である。
【００７４】
この摩擦攪拌接合装置Ｍ３においても、この接合ツール１をワークＷから引き抜くとき、制御手段は、第１実施形態と同様に、接合ツール１の回転方向が、接合ツール１がワークＷから離間するねじの回転方向と一致するように接合ツール１を回転させ、且つ、接合ツール１の引き抜き速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）を、上記の（１）式で表される速度とすることで、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００７５】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。
【００７６】
例えば、上記実施形態では、加圧軸２及びオフセット軸３（第３実施形態を除く）をボールねじ一体型直動案内ユニットによって構成したが、それぞれ独立したボールねじ及び直動案内軸受によって構成してもよい。
【００７７】
また、上記実施形態では、各転動体としてコロを使用した場合を説明したが、ボールを使用してもよいし、一方の直動案内軸受の転動体はコロにし、他方の直動案内軸受の転動体はボールにするといった組み合わせにしてもよい。
【００７８】
また、上記実施形態では、直動案内軸受１１を方向転換路と戻し通路１６Ｄとを備えて転動通路１６に転動体１５を循環させる方式の直動案内軸受としたが、これに限定されず、転動体１５を循環させる機構を備えない非循環方式の直動案内軸受としてもよい。
【００７９】
また、上記第２及び第３実施形態では、接合ツール１の中心軸線Ｑを加圧軸２の軸線に対して傾斜させたが、これに限定されず、接合ツール１の中心軸線Ｑを加圧軸２の軸線と平行に設定してもよい。
【００８０】
また、上記実施形態では、加圧軸モータ４２及びオフセット軸モータ４３の動力を加圧軸２やオフセット軸３のボールねじ１８に伝達する方式にベルト方式を採用していたが、カップリングやギヤを介してボールねじ１８を直結駆動してもよい。カップリングを介して直結駆動することで、より高応答な制御が可能となる。
【符号の説明】
【００８１】
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３  摩擦攪拌接合装置
１  接合ツール
２  加圧軸
３  オフセット軸
４  旋回軸
３０  スピンドル（ツール保持部）
５０  アーム
５２  裏当て部材
Ｗ、Ｗ１、Ｗ２  ワーク
Ｑ  接合ツールの中心軸（回転軸線）
【図１】
2013180313.tif 000003
【図２】
2013180313.tif 000004
【図３】
2013180313.tif 000005
【図４】
2013180313.tif 000006
【図５】
2013180313.tif 000007
【図８】
2013180313.tif 000008
【図９】
2013180313.tif 000009
【図１０】
2013180313.tif 000010
【図１１】
2013180313.tif 000011
【図１２】
2013180313.tif 000012
【図６】
2013180313.tif 000013
【図７】
2013180313.tif 000014