(57)【要約】【課題】押し込み動作において、接合品質を維持しつつ加圧力が過度に大きくなることを抑制可能な摩擦攪拌接合装置及びそれを用いた摩擦攪拌接合方法を提供する。【解決手段】押し込み動作において、接合ツール１がアーム５０の撓み量分変位した位置と、接合ツール１が二番目のワークＷ２に接触する位置と、の少なくとも一つの位置において、加圧軸２を一時停止するか、又は、加圧軸２を一時減速する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合すべき板状の少なくとも２枚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、
前記ツール保持部を回転自在および前記ワークの表面の法線方向に沿った方向に移動自在に支持する基体と、
該基体から延設されて、先端に前記裏当て部材が設けられたアームと、
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、を備えた摩擦攪拌接合装置であって、
前記制御手段は、前記押し込み動作において、前記接合ツールが前記アームの撓み量分変位した位置と、前記接合ツールが次のワークに接触する位置と、の少なくとも一つの位置において、前記加圧軸を一時停止するか、又は、前記加圧軸を一時減速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、前記押し込み動作において、前記接合ツールが前記アームの撓み量分変位した位置と、前記接合ツールが次のワークに接触する位置と、の両方の位置において、前記加圧軸を一時停止するか、又は、前記加圧軸を一時減速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】
前記加圧軸を一時停止するか、又は、前記加圧軸を一時減速することにより、加圧力を目標加圧力に対し１０％以内に制御する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】
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うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項５】
アームに設けられた裏当て部材に支持された少なくとも２枚のワークの表面に、加圧軸により前記ワークの表面の法線方向に変位駆動可能に支持された接合ツールを押し付けつつ回転させる押し込み動作によって、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、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同士を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記押し込み動作において、前記接合ツールが前記アームの撓み量分変位した位置と、前記接合ツールが次のワークに接触する位置と、の少なくとも一つの位置において、前記加圧軸を一時停止するか、又は、前記加圧軸を一時減速することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項６】
前記押し込み動作において、前記接合ツールが前記アームの撓み量分変位した位置と、前記接合ツールが次のワークに接触する位置と、の両方の位置において、前記加圧軸を一時停止するか、又は、前記加圧軸を一時減速することを特徴とする請求項５に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項７】
前記加圧軸を一時停止するか、又は、前記加圧軸を一時減速することにより、加圧力を目標加圧力に対し１０％以内に制御することを特徴とする請求項５又は６に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項８】
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うことを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項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、接合ツールと裏当て部材との間の距離を検出し、検出した距離に基づいて接合ツールの目標回転数又は目標加圧力を変更する摩擦攪拌接合方法が開示されている。
【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４０５０４７８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、回転する接合ツール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の先端を押し込む押し込み動作において、加圧軸を駆動するサーボモータに対し目標の時間が経過するまで、あるいは目標の位置に到達するまで一定のトルクが出力されるよう指令を与え、接合ツールを目標加圧力で押し付けるようにしている。
【０００６】
具体的に説明すると、図１５（ａ）のように、接合ツール１を回転させながら加圧軸の駆動によって接合ツール１を押し込み方向ＸＡに移動させることで、接合ツール１の先端のツールピン１ｃがワークＷ１、Ｗ２を上下に重ね合わせたワークＷ表面（一番上のワークＷ１表面）に接触する。このとき、加圧軸を一定の加圧力で押圧制御すると、図１５（ｂ）のように、ツールピン１ｃが一番上のワークＷ１に接触することでアーム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。アームが撓み量δ分変位するとツールピン１ｃとワークＷ間の摩擦によってワークＷが軟化し、図１５（ｃ）及び図１５（ｄ）のように、ツールピン１ｃがワークＷの中に回転しながら所定の押し込み量まで没入する。
【０００７】
この押し込み動作における実際の加圧力は、接合ツール１がアームの撓み量分変位した位置と、接合ツール１が二番目のワークＷ２に接触する位置においてワークＷ２と接合ツール１が接触し、慣性力によって目標加圧力に対し大きくなってしまう。
【０００８】
この理由は以下のように説明される。
図１６は、目標加圧力４ｋＮ（４０００Ｎ）で摩擦攪拌接合を行った際の加圧力測定値と加圧軸速度を示したグラフである。接合ツール１と一番上のワークＷ１の接触位置(図１５（ａ））から接合ツール１がアームの撓み量δ分変位した位置（図１５（ｂ））までの目標加圧力に到達するまでの間（０．０〜０．１ｓｅｃ）は加圧軸速度が上昇し、アームの撓みの増大とともに加圧力も上昇するが、目標加圧力に到達した後も慣性力によって加圧力は増大し続ける。慣性力によってアームがさらに撓むことで加圧力は上昇するが、サーボモータは目標加圧力に応じたトルクしか出力していないので目標加圧力を上回る力が加圧軸へのブレーキ力となり、加圧軸は停止し、その時点で加圧力はピークを迎える。
【０００９】
その間にワークは軟化し、接合ツールがワークに押し込まれるため、アームの撓みが戻り、本来の目標加圧力に戻る（０．１〜０．２ｓｅｃ）。接合ツール１がワークＷ１の軟化に伴い次のワークＷ２に接触する位置（図１５（ｃ））までの間（０．２〜０．４５ｓｅｃ）は加圧軸速度が再び上昇する。二番目のワークＷ２に接触する位置では、二番目のワークＷ２はまだ軟化していないので接合ツール１が衝突し、慣性力によってアームが過度に撓むことで加圧力は上昇する。サーボモータは目標加圧力に応じたトルクしか出力していないので目標加圧力を上回る力が加圧力へのブレーキ力となり、加圧軸は停止し、その時点で加圧力はピークを迎える。その間にワークは軟化し、接合ツール１がワークＷ２に押し込まれるため、アームの撓みが戻り、本来の目標加圧力に戻る（図１５（ｄ））。
【００１０】
図１６で見られたように加圧力が目標加圧力に対して過度に大きくなると、摩擦攪拌接合装置の寿命を早めることになる。
【００１１】
また、加圧軸を構成するテーブルの質量や、ボールねじ及びサーボモータのイナーシャが大きいほど慣性力は大きくなる傾向がある。また、ワークが柔らかい場合、接合ツールの温度が高い場合、スピンドル回転数が早い場合等、ワークが軟化しやすく、ツール没入速度が速くなると慣性力は大きくなる傾向にある。その場合、図１６で見られたよりも、さらに大きな加圧力の増加が見込まれる。
【００１２】
特許文献２に記載のように、接合ツールと裏当て部材との間の距離に基づいて接合ツールの目標加圧力自体を変更することにより加圧力が過度に大きくなることは抑えられるが、本質的な解決にはならない。即ち、慣性力はワークの状態や接合ツールの温度によって変化するため、目標加圧力の設定が困難であり、加圧力測定値にはワークごとのばらつきが生じてしまう。さらに加圧力が異なると攪拌時間がワークごとに変わってくるので、接合品質にばらつきが生じるという結果になってしまう。
【００１３】
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、押し込み動作において、接合品質を維持しつつ加圧力が過度に大きくなることを抑制可能な摩擦攪拌接合装置及びそれを用いた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】
【００１４】
本発明は以下の態様を提供する。
（１）接合すべき板状の少なくとも２枚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、
前記ツール保持部を回転自在および前記ワークの表面の法線方向に沿った方向に移動自在に支持する基体と、
該基体から延設されて、先端に前記裏当て部材が設けられたアームと、
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、を備えた摩擦攪拌接合装置であって、
前記制御手段は、前記押し込み動作において、前記接合ツールが前記アームの撓み量分変位した位置と、前記接合ツールが次のワークに接触する位置と、の少なくとも一つの位置において、前記加圧軸を一時停止するか、又は、前記加圧軸を一時減速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、前記押し込み動作において、前記接合ツールが前記アームの撓み量分変位した位置と、前記接合ツールが次のワークに接触する位置と、の両方の位置において、前記加圧軸を一時停止するか、又は、前記加圧軸を一時減速することを特徴とする（１）に記載の摩擦攪拌接合装置。
（３）前記加圧軸を一時停止するか、又は、前記加圧軸を一時減速することにより、加圧力を目標加圧力に対し１０％以内に制御することを特徴とする（１）又は（２）に記載の摩擦攪拌接合装置。
（４）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うことを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の摩擦攪拌接合装置。
（５）アームに設けられた裏当て部材に支持された少なくとも２枚のワークの表面に、加圧軸により前記ワークの表面の法線方向に変位駆動可能に支持された接合ツールを押し付けつつ回転させる押し込み動作によって、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、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同士を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記押し込み動作において、前記接合ツールが前記アームの撓み量分変位した位置と、前記接合ツールが次のワークに接触する位置と、の少なくとも一つの位置において、前記加圧軸を一時停止するか、又は、前記加圧軸を一時減速することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
（６）前記押し込み動作において、前記接合ツールが前記アームの撓み量分変位した位置と、前記接合ツールが次のワークに接触する位置と、の両方の位置において、前記加圧軸を一時停止するか、又は、前記加圧軸を一時減速することを特徴とする（５）に記載の摩擦攪拌接合方法。
（７）前記加圧軸を一時停止するか、又は、前記加圧軸を一時減速することにより、加圧力を目標加圧力に対し１０％以内に制御することを特徴とする（５）又は（６）に記載の摩擦攪拌接合方法。
（８）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うことを特徴とする（５）〜（７）のいずれかに記載の摩擦攪拌接合方法。
【発明の効果】
【００１５】
上記（１）及び（５）に記載の発明によれば、押し込み動作において、接合ツールがアームの撓み量分変位した位置と、接合ツールが次のワークに接触する位置と、の少なくとも一つの位置において、加圧軸を一時停止するか、又は、加圧軸を一時減速することにより、加圧力が過度に大きくなることが抑制される。これにより、摩擦攪拌接合装置を長寿命化することができる。また、加圧力が一定であるので、安定した接合品質を得ることができる。
【００１６】
上記（２）及び（６）に記載の発明によれば、加圧力が大きくなるおそれがある両方の位置で加圧軸を一時停止するか、又は、加圧軸を一時減速することにより、押し込み動作の開始から終了に至るまで、加圧力が過度に大きくなることが確実に抑制される。
【００１７】
上記（３）及び（７）に記載の発明によれば、従来に比べて目標加圧力に対する加圧力差を確実に小さくすることができる。
【００１８】
上記（４）及び（８）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、押し込み動作時の加圧力が過度に大きくなることが抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【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】第１実施例における、加圧力と加圧軸速度を示すグラフである。
【図５】第１実施例と従来例の加圧力を示すグラフである。
【図６】第２実施例における、加圧力と加圧軸速度を示すグラフである。
【図７】第２実施例と従来例の加圧力を示すグラフである。
【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に組み込まれている２軸駆動ユニットの平面図である。
【図１０】図９の２軸駆動ユニットの側面図である。
【図１１】図８の摩擦攪拌接合装置の正面図である。
【図１２】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）は接合ツールの先端が二番目のワークに接触した状態を示す図であり、（ｄ）は接合ツールが二番目のワークの内部に没入した状態を示す図であり、（ｅ）はオフセット動作中の状態を示す図であり、（ｆ）オフセット動作終了後の状態を示す図である。
【図１３】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１４】図１３の摩擦攪拌接合装置の正面図である。
【図１５】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）は接合ツールの先端が二番目のワークに接触した状態を示す図であり、（ｄ）は接合ツールが二番目のワークの内部に没入した状態を示す図である。
【図１６】目標加圧力４０００Ｎ（４ｋＮ）で従来の摩擦攪拌接合を行った際の加圧力と加圧軸速度を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。なお、図１５で説明した従来の摩擦攪拌接合装置と同一部分については同一符号を付して説明する。
＜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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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が介在し、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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
接合の際に、ワークＷは、上下に２枚以上の薄板を重ね合せて配置される。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
まず、図１５（ａ）のように、制御手段は、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の先端のツールピン１ｃをワークＷ１、Ｗ２を上下に重ね合わせたワークＷ表面（一番上のワークＷ１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とも呼ぶ。）で押圧制御する押し込み動作を行う。このとき、図１５（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る。アーム５０が撓み量δ分変位すると、ツールピン１ｃがワークＷ間の摩擦によってワークＷを軟化させ、ワークＷの中に回転しながら没入する。やがて、図１５（ｃ）のように、ツールピン１ｃは、二番目のワークＷ２に接触し、さらに所定の押し込み量まで没入する（図１５（ｄ））。
【００３５】
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、目標位置まで接合ツール１を没入させた後、加圧軸２を押し込み動作の時と逆方向に駆動させて、接合ツール１をワークＷより退避させる。
【００３６】
上述したように、この押し込み動作における実際の加圧力は、接合ツール１がアーム５０の撓み量δ分変位した位置と、接合ツール１が二番目のワークＷ２に接触する位置においてワークＷ２と接合ツール１が接触し、慣性力によって目標加圧力に対し大きくなってしまうが、本発明では、接合ツール１がアーム５０の撓み量δ分変位した位置と、接合ツール１が二番目のワークＷ２に接触する位置の少なくとも一方の位置で、加圧軸２を一時停止するか、又は、加圧軸を一時減速することで、加圧力が過度に大きくなるのを抑制している。
【００３７】
《第１実施例》
第１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ねじ形状、接合ツール先端ピン高さ３ｍｍ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でスポット接合を行った。
【００３８】
従来は、接合ツールの最終押し込み位置（図１５（ｄ））までの位置決め指令を与えていたが、本実施例では、接合ツールの最終押し込み位置まで位置決め指令を与える前に、接合ツールがアームの撓み量分変位した位置（図１５（ｂ））までの位置決め指令を与え、接合ツールがアームの撓み量分変位した位置で加圧軸を一時停止している。ここで、アームの撓み量分移動している間や位置決め整定のために微小移動する間にも接合ツールが多少ワークに入り込んでしまうことから、本実施例では、＋０．６ｍｍ、言い換えるとワークに０．６ｍｍ入り込んだ位置へ位置決め指令を与えている。接合ツールがどの程度ワークに入り込むかは接合条件によって異なるため、予備実験等を行って補正を行う必要がある。
【００３９】
図４は、第１実施例における、加圧力と加圧軸速度を示すグラフであり、図５は第１実施例と従来例の加圧力を示すグラフである。
図４を見ると、加圧力が目標加圧力である４ｋＮ（４０００Ｎ）に達するより僅かに手前で加圧軸は減速動作に入り、慣性力による加圧力の上昇を抑えていることが分かる。これにより、図５から明らかなように、接合ツールの最終押し込み位置まで位置決め指令を与えた従来に比べて、接合ツールの最終押し込み位置まで位置決め指令を与える前に、接合ツールがアームの撓み量分変位した位置までの位置決め指令を与えた本実施例では、目標加圧力に対する加圧力の差が極めて小さく抑えられている。
【００４０】
《第２実施例》
第２実施例では、第１実施例と同様に、接合ツールショルダ径８ｍｍ、接合ツール先端ピンＭ３ねじ形状、接合ツール先端ピン高さ３ｍｍ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でスポット接合を行った。
【００４１】
従来は、接合ツールの最終押し込み位置（図１２（ｄ））までの位置決め指令を与えていたが、本実施例では、接合ツールの最終押し込み位置まで位置決め指令を与える前に、接合ツールが二番目のワークに接触する位置（図１２（ｃ））までの位置決め指令を与え、接合ツールが二番目のワークに接触する位置で加圧軸を一時停止している。実際には、位置決め整定のために微小移動する間にも接合ツールが多少ワークに入り込んでしまうことから、本実施例では、アームの撓み量＋０．２５ｍｍの位置、言い換えると二番目のワークに０．２５ｍｍ入り込んだ位置へ位置決め指令を与えている。第１実施例と同様に、接合ツールがどの程度ワークに入り込むかは接合条件によって異なるため、予備実験等を行って補正を行う必要がある。
【００４２】
図６は、第１実施例における、加圧力と加圧軸速度を示すグラフであり、図７は第１実施例と従来例の加圧力を示すグラフである。
図６を見ると、加圧力が目標加圧力である４ｋＮ（４０００Ｎ）より上昇が見られる僅かに手前で加圧軸は減速動作に入り、慣性力による加圧力の上昇を抑えていることが分かる。これにより、図７から明らかなように、接合ツールの最終押し込み位置まで位置決め指令を与えた従来に比べて、接合ツールの最終押し込み位置まで位置決め指令を与える前に、接合ツールが二番目のワークに接触する位置までの位置決め指令を与えた本実施例では、目標加圧力に対する加圧力差が極めて小さく抑えられている。実際に、従来例では４５００Ｎ付近まで上昇しているのに対し、本実施例では４２００Ｎ以下であった。
【００４３】
なお、第１実施例と第２実施例の制御を同時に行ってもよい。即ち、接合ツールの最終押し込み位置（図１５（ｄ））まで位置決め指令を与える前に、接合ツールがアームの撓み量分変位した位置（図１５（ｂ））までの位置決め指令と、接合ツールが二番目のワークに接触する位置（図１５（ｃ））までの位置決め指令を与えてもよい。
【００４４】
第１実施例及び第２実施例では必要に応じて位置決めを数回に分けて指令するという方法で加圧軸を一時停止し、加圧力の上昇を抑えていたが、以下の方法で行ってもよい。サーボモータに目標加圧力に応じたトルク指令を与え、接合ツール１がアーム５０の撓み量δ分変位した位置あるいは接合ツール１が次のワークＷ２に接触する位置に達する僅か手前において制限速度をかけることにより、加圧軸２を一時停止あるいは加圧力が過度に大きくならない速度まで減速することで加圧力の上昇を抑え、接合ツール１がアーム５０の撓み量δ分変位した位置あるいは接合ツール１が次のワークＷ２に接触する位置に達したら速度制限を緩和し、再びサーボモータに目標加圧力に応じたトルク指令を与えてもよい。加圧力は、目標加圧力に対し１０％以内に制御することが好ましく、５％以下に制御することがさらに好ましい。
【００４５】
このように、押し込み動作において、接合ツール１がアーム５０の撓み量δ分変位した位置と、接合ツール１が二番目のワークＷ２に接触する位置と、の少なくとも一つの位置において、加圧軸２を一時停止するか、又は、加圧軸２を一時減速することにより、加圧力が過度に大きくなることが抑制される。これにより、摩擦攪拌接合装置Ｍ１の寿命を長寿命化することができる。また、加圧力が一定であるので、安定した接合品質を得ることができる。
【００４６】
なお、ワークＷは、２枚に限らず、３枚以上重ね合わせて接合してもよく、この場合、接合ツール１が次のワーク、即ち、上から二番目、三番目・・・、のワークに接触する位置において、加圧軸２を一時停止するか、又は、加圧軸２を一時減速することにより、加圧力が過度に大きくなることが抑制される。
【００４７】
＜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は図８の摩擦攪拌接合装置に組み込まれている２軸駆動ユニットの平面図、図１０は図９の２軸駆動ユニットの側面図、図１１は摩擦攪拌接合装置の正面図である。
【００４８】
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Ｑ（図１１参照）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。
【００４９】
図９及び図１０に示すように、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。
【００５０】
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、例えば図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。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と同様なので説明は省略する。
【００５１】
２軸駆動ユニット５は、図１０に示すように、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。
【００５２】
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は、図９に示すように、Ｘ軸（加圧軸２）側の第１のボールねじ一体型直動案内ユニット１０Ａのスライダ１４のスライダ中心ＰＡ（以下、「加圧軸スライダ中心」とも言う）と、Ｙ軸（オフセット軸３）側の第２のボールねじ一体型直動案内ユニット１０Ｂのスライダ１４のスライダ中心ＰＢ（以下、「オフセット軸スライダ中心」とも言う）の位置を互いにずらしたうえで、両スライダ１４同士を結合することにより、互いに組み合わせられており、２つのスライダ中心ＰＡ、ＰＢ間の距離（ずれ量Ｌｓ）は任意に設定されている。ここで、スライダ中心とは、スライダ上面から見て、長手軸方向に沿った有効長の中心且つスライダ断面の中心にある点である。
【００５３】
この場合、オフセット軸スライダ中心ＰＢは、加圧軸スライダ中心ＰＡに対して、オフセット軸３の軸線に沿って位置がずれている。すなわち、加圧軸スライダ中心ＰＡ上をオフセット軸３の軸線が通っており、そのオフセット軸３の軸線上にオフセット軸スライダ中心ＰＢが位置している。しかも、オフセット軸スライダ中心ＰＢは、加圧軸スライダ中心ＰＡに対して、接合ツール１のオフセット動作時の進行方向ＹＡ（図９及び図１１の紙面右方向）と逆の方向に位置がずれている。
【００５４】
図８に示すように、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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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１１のＺ軸方向）から見て接合ツール１の中心軸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Ｑ）は、図１１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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
まず、図１２（ａ）のように、制御手段は、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（一番上のワークＷ１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とも呼ぶ。）で押圧制御する押し込み動作を行う。このとき、図１２（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る。アーム５０が撓み量δ分変位すると、ツールピン１ｃがワークＷ間の摩擦によってワークＷを軟化させ、ワークＷの中に回転しながら没入する。やがて、図１２（ｃ）のように、ツールピン１ｃは、二番目のワークＷ２に接触し、さらに所定の押し込み量まで没入する（図１２（ｄ））。
【００６３】
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、目標位置まで接合ツール１を没入させた後、加圧軸２を停止し、加圧軸２を停止あるいは押圧制御した状態で、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。
【００６４】
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。
【００６５】
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より退避させる。
【００６６】
この摩擦攪拌接合装置Ｍ２における押し込み動作においても、押し込み動作における実際の加圧力は、接合ツール１がアーム５０の撓み量δ分変位した位置と、接合ツール１が二番目のワークＷ２に接触する位置においてワークＷ２と接合ツール１が接触し、慣性力によって目標加圧力に対し大きくなってしまうが、本発明では、接合ツール１がアーム５０の撓み量δ分変位した位置と、接合ツール１が二番目のワークＷ２に接触する位置の少なくとも一方の位置で、加圧軸２を一時停止するか、又は、加圧軸を一時減速することで、加圧力が過度に大きくなるのを抑制することができる。これにより、摩擦攪拌接合装置Ｍ２の寿命を長寿命化することができる。また、加圧力が一定であるので、安定した接合品質を得ることができる。
【００６７】
＜第３実施形態＞
図１３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１４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。
【００６８】
図１３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Ｑ（図１４参照）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。
【００６９】
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２実施形態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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
また、この摩擦攪拌接合装置Ｍ３では、図１３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。
【００７５】
この摩擦攪拌接合装置Ｍ３においても、制御手段は、押し込み動作を行った後、接合ツール１をワークＷの表面に沿って移動させるオフセット動作（本実施形態では矢印ＺＡ方向）を行い、目標距離だけオフセット動作を行った後に、接合ツール１をワークＷより退避させる。
【００７６】
この摩擦攪拌接合装置Ｍ３における押し込み動作においても、押し込み動作における実際の加圧力は、接合ツール１がアーム５０の撓み量δ分変位した位置と、接合ツール１が二番目のワークＷ２に接触する位置においてワークＷ２と接合ツール１が接触し、慣性力によって目標加圧力に対し大きくなってしまうが、本発明では、接合ツール１がアーム５０の撓み量δ分変位した位置と、接合ツール１が二番目のワークＷ２に接触する位置の少なくとも一方の位置で、加圧軸２を一時停止するか、又は、加圧軸を一時減速することで、加圧力が過度に大きくなるのを抑制することができる。これにより、摩擦攪拌接合装置Ｍ３の寿命を長寿命化することができる。また、加圧力が一定であるので、安定した接合品質を得ることができる。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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Ｑを加圧軸２の軸線と平行に設定してもよい。
【００８２】
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モータ４２、４３によりボールねじ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】
【００８３】
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】
2013176786.tif 000003
【図２】
2013176786.tif 000004
【図３】
2013176786.tif 000005
【図４】
2013176786.tif 000006
【図５】
2013176786.tif 000007
【図６】
2013176786.tif 000008
【図７】
2013176786.tif 000009
【図８】
2013176786.tif 000010
【図９】
2013176786.tif 000011
【図１０】
2013176786.tif 000012
【図１１】
2013176786.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2013176786.tif 000016
【図１５】
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【図１６】
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