摩擦撹拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法
【課題】オフセット動作時におけるアームの変形を抑えることができ、精度良く接合が可能な摩擦撹拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法を提供する。
【解決手段】旋回軸４と、加圧軸３と、オフセット軸４と、基端部５０ａからＸ方向に延びる胴部５０ｂを経て曲がり部を介して先端部５０ｃに至るＬ字形またはＣ字形をなしており、基端部と胴部と先端部とがＸ−Ｙ平面上に位置するように形成され、先端部の内側にワークの支持部が設けられたアーム５０と、を備え、加圧軸は、その軸線方向がＸ方向に設定され、アームの基端部に結合された案内レール１３とＸ方向にスライドするスライダ１４とを有し、オフセット軸は、その軸線方向がＹ方向に設定され、加圧軸のスライダに搭載された案内レール１１４と、Ｙ方向にスライドするスライダ１１４とを有する。
【解決手段】旋回軸４と、加圧軸３と、オフセット軸４と、基端部５０ａからＸ方向に延びる胴部５０ｂを経て曲がり部を介して先端部５０ｃに至るＬ字形またはＣ字形をなしており、基端部と胴部と先端部とがＸ−Ｙ平面上に位置するように形成され、先端部の内側にワークの支持部が設けられたアーム５０と、を備え、加圧軸は、その軸線方向がＸ方向に設定され、アームの基端部に結合された案内レール１３とＸ方向にスライドするスライダ１４とを有し、オフセット軸は、その軸線方向がＹ方向に設定され、加圧軸のスライダに搭載された案内レール１１４と、Ｙ方向にスライドするスライダ１１４とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合ツールをワークに押し付ける加圧軸と、接合ツールをワークの表面に沿って移動させるオフセット軸とを有する摩擦撹拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法に関するものである。
【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ると共に撹拌し、それにより接合ツールをワークに没入させ、没入後、接合ツール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摩擦撹拌接合方法及び装置が記載されている。
【０００３】
この摩擦撹拌接合装置は、図１３に示すように、接合ツール２５１を水平移動させるオフセット軸２５５のスライダの上に、接合ツール２５１をその軸線方向に移動させる加圧軸２５４が載っており、加圧軸２５４のスライダの上に接合ツール２５１をその軸線まわりに回転させる旋回軸２５３が載っている。また、オフセット軸２５５の本体部はＬ字形のアーム２５０の基端部２５０ａに支持され、アーム２５０の先端部２５０ｂにワーク２５２が支持され、ワーク２５２の表面に接合ツール２５１の先端が対向している。接合ツール２５１をワーク２５２に没入させる押し込み動作では、接合ツール２５１を旋回軸２５３で回転させながら加圧軸２５４でワーク２５２に押し付け、所定の深さまで接合ツール２５１をワーク２５２に没入させる。ワーク２５２に接合ツール２５１を没入させる際、接合ツール２５１の先端には反力としてワーク２５２から加圧力が接合ツール２５１の中心軸に沿って作用する。なお、押し込み動作においてオフセット軸２５５は停止している。
【０００４】
接合ツール２５１をワーク２５２の所定深さまで没入後、加圧軸２５４は停止あるいは加圧保持に伴い微小移動させ、オフセット軸２５５を駆動して接合ツール２５１をワーク２５２の表面方向に移動させるオフセット動作を行う。
【０００５】
また、特許文献２には、図１４に示すように、Ｌ字形のアーム３０１の基端部３０１ａに接合ヘッド３０２が固定されており、接合ヘッド３０２が下降して接合ツール３０３が、アーム３０１の先端部３０１ｂ側に保持されたワーク３０４に所定の深さまで押し込まれたときに、接合ヘッド３０２がスイング軸３０５を支点にして矢印３０６の方向にスイングするように構成された摩擦撹拌接合装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１７１２８号公報
【特許文献２】特許４５１１５２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献１に示された摩擦撹拌接合装置では、オフセット動作の方向がＬ字形のアーム２５０の存在する平面に対して直角の方向（アーム２５０の剛性の弱い方向）に設定されているので、オフセット動作時の荷重の影響でアーム２５０が変形しやすく、アーム２５０の先端部２５０ｂに保持されたワーク２５２の変位が大きくなる可能性がある。ワーク２５２が変位してしまうと、ワーク２５２と共に接合ツール２５１も移動してしまい、接合ツール２５２の移動量がオフセット移動量に比べて小さくなってしまい、正確な接合ができなくなる。また、ワークの変位を防止するため、ワークを押し付ける押付け手段２５７を備えたワーク押さえ部２５６が設けられているが、コストアップの原因となっていた。また、それを防止するためにアーム２５０の剛性を上げようとすると、アーム２５０の重量が増加してしまい、摩擦撹拌接合装置をロボットアームの先端に装着するような場合、ロボットアームのサイズが大きくなってしまうという問題がある。
【０００８】
また、特許文献２に示された摩擦撹拌接合装置では、接合ヘッド３０２をスイングさせることにより、接合ツール３０３をワーク３０４の表面に沿って移動（オフセット動作）させるようにしているが、スイングではツール傾斜角が変化してしまうので、ツール傾斜角をある範囲内に収めるためにはツール移動量を大きくとれず、過度にツール傾斜角が変化することで、ツール進行方向に見てショルダ前方部がワークから浮き上がり、また、ショルダ部後方はワークに潜り込んでしまう、という現象が発生し、ツール移動量を大きくしようとすると、ツール深さも安定しないため、接合強度を確保することができないという問題がある。
【０００９】
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、オフセット動作時におけるアームの変形を抑えることができ、精度良く接合可能な摩擦撹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】
【００１０】
前述した目的は、以下の態様により達成される。
（１）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、前記接合ツール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撹拌し、それにより前記接合ツールを前記ワークに没入させ、没入後、前記接合ツールをワークの表面方向に移動させることで前記ワークを線状に接合する摩擦撹拌接合装置であって、
前記接合ツールをその中心軸線まわりに回転させる旋回軸と、
前記接合ツールを前記ワークに接近／離間させる加圧軸と、
前記接合ツールを前記加圧軸の軸線と直交する方向であるワークの表面方向に直線移動させるオフセット軸と、
互いに直交する２方向をＸ方向とＹ方向とすると、基端部からＸ方向に延びる胴部を経て曲がり部を介して先端部に至るＬ字形またはＣ字形をなしており、前記基端部と前記胴部と前記先端部とがＸ−Ｙ平面上に位置するように形成され、前記先端部にワーク支持部が設けられたアームと、を備え、
前記加圧軸は、その軸線方向がＸ方向に設定され、前記アームの基端部に結合された本体部と、該本体部に対してＸ方向にスライドする可動部とを有し、
前記オフセット軸は、その軸線方向がＹ方向に設定され、前記加圧軸の可動部に搭載された本体部と、該本体部に対してＹ方向にスライドする可動部とを有し、
前記旋回軸は、前記オフセット軸の可動部に搭載された本体部と、前記ワーク支持部に保持されたワークに先端が対向するように前記接合ツールを保持した回転部とを有している
ことを特徴とする。
（２）前記加圧軸の可動部には、Ｕ字形状又はロ字形状の加圧軸テーブルが取り付けられており、
前記加圧軸テーブルには、前記オフセット軸の案内レールが取り付けられていることを特徴とする（１）に記載の摩擦撹拌接合装置。
（３）前記加圧軸に、直動案内軸受のスライダにボールねじナットを形成して該ボールねじナットにボールねじ軸を貫通させたボールねじ一体型直動案内ユニットが用いられていることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の摩擦撹拌接合装置。
（４）前記接合ツールの中心軸線に対し、前記オフセット軸を構成する前記直動案内軸受のスライダのスライダ中心が、前記オフセット軸の軸線に沿って接合ツールのオフセット動作時の進行方向と逆の方向にずらして配置されていることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の摩擦撹拌接合装置。
（５）前記接合ツールの中心軸線と、前記オフセット軸を構成する前記直動案内軸受のスライダのスライダ中心との、オフセット軸の軸線に沿った方向における距離をＬｖ、前記接合ツールの中心軸線の前記加圧軸の軸線に対する傾き角度をα、前記接合ツールに反力として作用する加圧力をＦ、前記オフセット軸を構成する直動案内軸受のスライダのスライダ中心から前記接合ツールの先端まで距離をＤｔ、前記オフセット軸を移動させる際の抵抗であるオフセット荷重をＦｙとしたとき、
Ｌｖ＝Ｄｔ×Ｆｙ／（Ｆ×ｃｏｓα）
の関係になるようにしたことを特徴とする上記（４）に記載の摩擦撹拌接合装置。
（６）前記オフセット軸は、押し込み動作中の、前記アームの変形によって生じるアームの先端部のオフセット方向への変位と逆方向にオフセット動作を行うことを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載の摩擦撹拌接合装置。
（７）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、
前記ワークは、直交する２方向をＸ方向とＹ方向とすると、基端部からＸ方向に延びる胴部を経て曲がり部を介して先端部に至るＬ字形またはＣ字形をなしており、前記基端部と前記胴部と前記先端部とがＸ−Ｙ平面上に位置するように形成されたアームの先端部に保持され、
前記接合ツールをＹ方向に直線移動させることでオフセット動作を行うことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
（８）押し込み動作中の、前記アームの変形によって生じる前記アームの先端部のオフセット方向への変位と逆方向に前記オフセット動作を行うことを特徴とする（７）に記載の摩擦攪拌接合方法。
【発明の効果】
【００１１】
上記（１）に記載の発明によれば、先端部でワークを支持するＣ字形またはＬ字形のアームの胴部がＸ方向に延びていて、アームの基端部と胴部と先端部とがＸ−Ｙ平面上に位置するように形成され、加圧軸の軸線方向がＸ方向に設定されると共に、オフセット軸の軸線方向が、アームの剛性の比較的高いＹ方向（Ｘ−Ｙ平面に垂直な方向における剛性よりもＹ方向の剛性の方が格段に高い）に設定されているので、オフセット動作中のアームの先端部の変位（オフセット荷重による変位）を小さく抑えることができ、アームが撓み変形することによるワークの移動量を小さく抑えることができる。従って、ワークの移動量を小さく抑えることによって、ワーク上における接合ツールの移動量とオフセット移動量との誤差を小さくすることができ、精度の良い接合が可能となる。また、オフセット軸は、接合ツールをワークの表面方向に直線移動させるので、スイングと違い、比較的長い距離オフセット動作が可能であり、接合深さも安定するため接合強度を確保することができる。
【００１２】
また、上記（２）に記載の発明によれば、加圧軸テーブルをＵ字形状とすることにより、旋回軸モータを挟んで両側に案内レールを取り付けるとともに、スライダの中心とスピンドルの軸心とを近接させることができるので、スライダに作用するモーメント荷重を低減することができ、装置を小型化することができる。一方、加圧軸テーブルをロ字形状とすることにより、加圧軸テーブルの剛性があがり、両側に配置された案内レール間が部材変形により離れるのを抑制することができ、部材剛性が向上する。また、加圧軸テーブルの部材剛性が向上したことで案内レール間が離れる変形に係る荷重の分だけオフセット軸への荷重が低減するのでオフセット軸の寿命延長が可能となる。
【００１３】
また、上記（３）に記載の発明によれば、加圧軸にボールねじ一体型直動案内ユニットを用いることで、コンパクト化及び軽量化が可能となり、摩擦撹拌接合装置を小型化することができる。従って、摩擦撹拌接合装置をロボットアームに取り付ける際に、ロボットアームのサイズダウンも可能となる。
【００１４】
また、上記（４）に記載の発明によれば、オフセット動作中にスライダに作用するモーメントを低減することができ、より負荷荷重の小さいスライダを選択することで摩擦撹拌接合装置を小型化することができる。従って、摩擦撹拌接合装置をロボットアームに取り付ける際に、ロボットアームのサイズダウンも可能となる。
【００１５】
また、上記（５）に記載の発明によれば、オフセット動作時にオフセット軸の可動部両端において、転動体の面圧を小さくすることができるので、最も寿命を延長することができる。
【００１６】
また、上記（６）に記載の発明によれば、オフセット軸は、押し込み動作中のアームの変形によって生じるアームの先端部のオフセット方向への変位と逆方向に、オフセット動作を行うことで、一連の接合動作でワーク支持部とワーク支持部に保持されるワークの移動が小さくなり、ワーク上のツール移動量とオフセット移動量の誤差を小さくするとともにアームへの負荷を低減することができる。
【００１７】
上記（７）に記載の発明によれば、先端部でワークを支持するＣ字形またはＬ字形のアームの胴部がＸ方向に延びていて、アームの基端部と胴部と先端部とがＸ−Ｙ平面上に位置するように形成され、オフセット動作がアームの剛性の比較的高いＹ方向（Ｘ−Ｙ平面に垂直な方向における剛性よりもＹ方向の剛性の方が格段に高い）に設定されているので、オフセット動作中のアームの先端部の変位（オフセット荷重による変位）を小さく抑えることができ、アームが撓み変形することによるワークの移動量を小さく抑えることができる。従って、ワークの移動量を小さく抑えることによって、ワーク上における接合ツールの移動量とオフセット移動量との誤差を小さくすることができ、精度の良い接合が可能となる。また、オフセット動作は、接合ツールをワークの表面方向に直線移動させるので、スイングと違い、比較的長い距離オフセット動作が可能であり、接合深さも安定するため接合強度を確保することができる。
【００１８】
また、上記（８）に記載の発明によれば、押し込み動作中のアームの変形によって生じるアームの先端部のオフセット方向への変位と逆方向に、オフセット動作を行うことで、一連の接合動作で先端部に位置するワーク支持部とワーク支持部に保持されるワークの移動が小さくなり、ワーク上のツール移動量とオフセット移動量の誤差を小さくするとともにアームへの負荷を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態の摩擦撹拌接合装置の側面図である。
【図２】図１のＩＩ矢視図である。
【図３】図１の要部を取り出して示す拡大図である。
【図４】同摩擦撹拌接合装置の加圧軸テーブルの斜視図である。
【図５】同摩擦撹拌接合装置の加圧軸を構成するボールねじ一体型直動案内ユニットの断面図である。
【図６】同摩擦撹拌接合装置の押し込み動作時のモーメントの説明図である。
【図７】同摩擦撹拌接合装置のオフセット動作時のモーメントの説明図である。
【図８】Ｌｖと面圧の関係を示すグラフである。
【図９】本発明の第２実施形態の摩擦撹拌接合装置の側面図である。
【図１０】アームの撓みの説明図である。
【図１１】アームの先端部の変位を示すグラフである。
【図１２】変形例に係る加圧軸テーブルの斜視図である。
【図１３】特許文献１に記載の摩擦撹拌接合装置を示す斜視図である。
【図１４】特許文献２に記載の摩擦撹拌接合装置を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。
＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態の摩擦撹拌接合装置の側面図、図２は図１のＩＩ矢視図、図３は図１の要部を取り出して示す拡大図、図４は同摩擦撹拌接合装置の加圧軸テーブルの斜視図、図５は同摩擦撹拌接合装置の加圧軸を構成するボールねじ一体型直動案内ユニットの断面図である。
【００２１】
図１及び図２に示すように、本実施形態の摩擦撹拌接合装置Ｍ１は、摩擦撹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直線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３参照）まわりに回転させる旋回軸４と、Ｃ字形のアーム５０と、を備えている。
【００２２】
Ｃ字形アーム５０は、互いに直交する２方向をＸ方向とＹ方向とすると、基端部５０ａからＸ方向に延びる胴部５０ｂを経て曲がり部を介して先端部５０ｃに至るＣ字形をなしており、基端部５０ａと胴部５０ｂと先端部５０ｃとがＸ−Ｙ平面上に位置するように形成され、先端部５０ｃの内側にワーク支持部としての裏当て部材５２が設けられている。
【００２３】
加圧軸２は、互いに直交するＸ軸（Ｘ方向に相当）とＹ軸（Ｙ方向に相当）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。即ち、加圧軸２の軸線方向がＸ方向に設定され、オフセット軸３の軸線方向がＹ方向に設定されている。
【００２４】
この場合の加圧軸２は、Ｃ字形アーム５０の基端部５０ａに結合された案内レール（本体部）１３と、該案内レール１３に沿ってＸ方向にスライドするスライダ（可動部）１４とを有している。加圧軸２のスライダ１４には、Ｕ字形状の加圧軸テーブル２０が取り付けられている（図４参照）。加圧軸テーブル２０は、Ｘ方向に延びて加圧軸２のスライダ１４に取り付けられる固定部２１から開口部２２を囲うよう腕部２３、２３がＹ方向に延びている。また、オフセット軸３は、加圧軸テーブル２０を介して加圧軸２のスライダ１４に搭載された案内レール（本体部）１１３と、該案内レール１１３に沿ってＹ方向にスライドするスライダ（可動部）１１４とを有している。また、旋回軸４は、オフセット軸３のスライダ（可動部）１１４に搭載された旋回軸ブラケット（固定部）４８と、Ｃ字形アーム５０の裏当て部材５２に保持されたワークに先端が対向するように接合ツール１を保持したスピンドルシャフト（回転部）３３とを有している。
【００２５】
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１０が用いられている。このボールねじ一体型直動案内ユニット１０は、図５に示すように、直動案内軸受１１とボールねじ１２の組み合わせて構成されている。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。
【００２６】
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ている。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（不図示）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。
【００２７】
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。
【００２８】
また、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。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いる。案内レール１１３は、各レール部１１３Ａ、１１３Ａが、Ｕ字形状の加圧軸テーブル２０の両腕部２３、２３に取り付けられることでＹ方向に平行に延びている。これら２本のレール部１１３Ａ、１１３Ａは、後述する旋回軸モータ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、即ち加圧軸テーブル２０の開口部２２に収容されている。
【００２９】
また、ボールねじ１１０Ｂは、加圧軸テーブル２０の側方に配置されており、加圧軸テーブル２０に取り付けられたレール部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、スライダ１１４を案内レール１１３のガイドによりＹ方向に直線移動できるようになっている。
【００３０】
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。
【００３１】
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。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、円柱状のツール基部１ａと、ツール基部下端面のショルダ部１ｂから下方に突出するツール基部１ａより小さい外径のツールピン１ｃとを備えて構成されている。スピンドル３０は、複数の軸受３１と、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、カップリング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、オフセット軸３のスライダ１１４の取り付け面に固定されている。
【００３２】
また、この摩擦撹拌接合装置Ｍ１では、図３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）に対して角度α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ＹＡ方向である。このように接合ツール１を傾斜させることにより、オフセット動作時の接合ツール１の進行方向に対して、接合ツール１のショルダ部１ｂをワークに対して向い角を持って接触させることができるようになり、それにより、流動化したワークの材料が、接合ツール１のショルダ部１ｂに対してクサビ状に流れ込む作用が発生し、加圧軸２を大きく移動することなく、ワークへの加圧力を保持することができるようになる。
【００３３】
さらに、オフセット軸３のスライダ中心ＰＢは、旋回軸４の中心軸線（接合ツール１の中心軸線Ｑ）に対して、オフセット軸３の軸線（Ｙ軸）に沿って位置がずれている。より具体的に説明すると、オフセット軸３のスライダ中心ＰＢは、該スライダ中心ＰＢを通りＹ方向に延びる線分が旋回軸４の中心軸線（接合ツール１の中心軸線Ｑ）と交わる点ＰＡに対し、接合ツール１のオフセット動作時の進行方向ＹＡと逆の方向に寸法Ｌｖだけ位置がずれている。なお、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。
【００３４】
図１に戻って、加圧軸２の案内レール１３が固定されたＣ字形のアーム５０の先端部５０ｃの内側には、加圧力検出手段５１及び裏当て部材５２が設けられている。そして、接合ツール１と裏当て部材５２の間にワークを挟むことで、ワーク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。
【００３５】
このように構成された摩擦撹拌接合装置Ｍ１は、接合ツール１をワーク（不図示）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撹拌し、それにより接合ツール１をワークに没入させる押し込み動作と、押し込み動作の後、接合ツール１をワークの表面方向に移動させるオフセット動作とを行うことで、積層されたワークを線状に接合するものである。
【００３６】
次に接合時の動作と動作中に作用する力の関係について説明する。
接合ツール１は、旋回軸モータ４４を駆動することにより高速回転する。接合ツール１をワークに没入させる押し込み動作においては、加圧軸モータ４２を駆動し、ベルト４１Ａを介して加圧軸２のボールねじ軸１８を回転させることにより、加圧軸２のスライダ１４を下方に移動させる。加圧軸２のスライダ１４を移動させて、オフセット軸３とスピンドル３０を介して、接合ツール１をＸ方向に沿ってワークに近づく方向に移動させ、高速回転させながらワークに接合ツール１を押し付けると、その接触点及びその周囲でワークの材料が軟化し撹拌される。そして、撹拌しながら、所定の深さまで接合ツール１をワークに没入させる。次に接合ツール１をワークの所定の深さまで没入後、加圧軸２を停止あるいは加圧保持に伴い微小移動させながら、オフセット動作を行う。
【００３７】
オフセット動作においては、オフセット軸モータ４３を駆動し、ベルト４１Ｂを介してオフセット軸３のボールねじ軸１１８を回転させることにより、オフセット軸３のスライダ１１４を移動させる。オフセット軸３のスライダ１１４を移動させると、スピンドル３０と共に接合ツール１がＹ方向に沿ってアーム５０から離れる方向（ＹＡ方向）に移動する。この動きにより、ワークに対する接合ツール１の接触点や撹拌領域が移動し、線状にワークが接合される。所定のオフセット距離を移動した後は、加圧軸２のボールねじ軸１１８を先程とは逆方向に回転させることにより、接合ツール１をＸ方向に沿ってワークから離れる方向に移動させワークから離脱させる。このように、押し込み動作とオフセット動作により摩擦撹拌接合が行われる。
【００３８】
ここで、具体的な例について考えてみる。例えば、第１実施形態のＣ字形アーム５０の材質をアルミニウムとした場合、Ｙ方向の剛性が６．３ｋＮ／ｍｍ、Ｙ方向と直交する方向（図１において紙面に垂直な方向、以下Ｚ方向とも呼ぶ。）の剛性が０．３８ｋＮ／ｍｍであった。接合条件にもよるが、オフセット動作中にはワーク接線方向に５００Ｎ程度の力が作用するので、Ｙ方向と直交する方向にオフセット動作したと仮定すると、ワークが外部の保持装置などによって固定されていない場合には、１．３ｍｍも移動してしまう。これに対し、本実施形態のようにＹ方向にオフセット動作した場合は、ワークの移動が０．０８ｍｍとなり、オフセット量として想定される３ｍｍ〜５ｍｍなどの値に対して十分に小さい値に抑えることができることが分かる。
【００３９】
よって、オフセット軸３の方向をＹ方向に設定したことによって、Ｃ字形アーム５０の剛性の高い方向に力がかかることになり、オフセット動作中のアーム５０の先端部５０ｃの変位（オフセット荷重による変位）を小さく抑えることができ、アーム５０が撓み変形することによるワークの移動量を小さく抑えることができる。従って、ワークの移動量を小さく抑えることができることによって、ワーク上における接合ツールの移動量とオフセット移動量との誤差を小さくすることができ、精度の良い接合が可能となる。
【００４０】
また、オフセット軸３は、接合ツール１をワークの表面方向に直線移動させるので、従来例のスイングと違い、比較的長い距離オフセット動作が可能であり、接合深さも安定するため接合強度を確保することができる。
【００４１】
また、加圧軸テーブル２０をＵ字形状とすることにより、旋回軸モータ４４を挟んで両側に案内レール１１３のレール部１１３Ａ、１１３Ａを取り付けるとともに、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のスライダ中心ＰＢとスピンドル３０の軸心（接合ツール１の中心軸線Ｑ）とを近接させることができので、スライダ１１４に作用するモーメント荷重を低減することができ、装置を小型化することができる。
【００４２】
また、接合ツール１の中心軸線Ｑに対し、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のスライダ中心ＰＢを、オフセット軸３の軸線に沿って接合ツール１のオフセット動作時の進行方向ＹＡと逆の方向にずらして配置していることにより、次の作用効果を得ることができる。
【００４３】
図６及び図７は、摩擦撹拌接合装置Ｍ１の押し込み動作時とオフセット動作時の力の関係を示した側面図である。
まず、図６を用いて押し込み動作時について述べる。
摩擦撹拌接合装置Ｍ１では、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のスライダ中心ＰＢが、オフセット軸３の軸線に沿って接合ツール１のオフセット動作時の進行方向ＹＡと逆の方向にずらして配置されていることにより、押し込み動作時に、接合ツール１をワークに没入させる動作に伴い、接合ツール１に押し込み動作時加圧力の反力として加圧力Ｆがオフセット軸３のスライダ中心ＰＢからずれた位置に作用する。そのため、加圧力ＦによるピッチングモーメントＭｐ１（紙面時計回り）が、オフセット軸３のスライダ１１４に作用する。このピッチングモーメントＭｐ１の作用により、接合ツール１の中心軸線Ｑをオフセット軸３のスライダ中心ＰＢの上を通るように配置した場合に比べて、転動体の面圧がオフセット軸のスライダ１１４の両端部において上昇する。しかし、オフセット軸３は押し込み動作において停止しているので、転動体は転動面を転がることはなく、転がり寿命の観点から、この面圧上昇に起因する寿命低下は起こらない。
【００４４】
次に図７を用いてオフセット動作時について述べる。
オフセット動作時おいて、オフセット軸３のスライダ１１４には、加圧力ＦによるピッチングモーメントＭｐ２（紙面時計回り）が作用する。また、オフセット動作により、オフセット軸３のスライダ１１４が移動して接合ツール１がＹＡ方向へ移動するのに伴い、接合ツール１にオフセット動作時加圧力の反力として作用するオフセット荷重ＦｙによるピッチングモーメントＭｐ３（紙面反時計回り）も作用する。
【００４５】
ここで、接合ツール１の中心軸Ｑとオフセット軸３を構成する直動案内軸受１１０のスライダ１１４のスライダ中心ＰＢとのオフセット軸３の軸線に沿った距離をＬｖ、接合ツール１の中心軸Ｑの加圧軸２の軸線に対する傾き角度をα、加圧力をＦ、オフセット軸３のスライダ中心ＰＢから接合ツール１の先端までの距離をＤｔ、オフセット荷重をＦｙとすると、加圧力ＦによるピッチングモーメントＭｐ２、オフセット荷重ＦｙによるピッチングモーメントＭｐ３は、図７中時計回りを正とすると、
Ｍｐ２＝Ｆ×Ｌｖ×ｃｏｓα
Ｍｐ３＝−Ｆｙ×Ｄｔ
となる。
【００４６】
よって、オフセット軸３のスライダ１１４に作用するピッチングモーメントの総和Ｍｐは、
Ｍｐ＝Ｍｐ２＋Ｍｐ３＝Ｆ×Ｌｖ×ｃｏｓα−Ｆｙ×Ｄｔ … （１）
となる。
【００４７】
上記（１）式より、スライダ中心ＰＢをずらさない場合（Ｌｖ＝０の時）に比べて、スライダ中心ＰＢを接合ツール１の進行方向と逆方向にずらした場合（Ｌｖ＞０）の方が、オフセット軸３のスライダ１１４に作用するピッチングモーメントの総和Ｍｐの絶対値を小さくできることが分かる。
【００４８】
つまり、接合ツール１の中心軸Ｑに対し、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のスライダ中心ＰＢが、オフセット軸３の軸線に沿って接合ツール１のオフセット動作時の進行方向ＹＡと逆の方向にずらして配置されていることによって、オフセット動作中に、スライダ１１４に作用するモーメントを低減することができ、より負荷容量の小さいスライダ１１４を選定することで、本摩擦撹拌接合装置Ｍ１のコンパクト化及び軽量化が可能となり、摩擦撹拌接合装置Ｍ１を駆動するロボットアームのサイズダウンが可能となる。
【００４９】
また、本摩擦撹拌接合装置Ｍ１において、更に、
Ｌｖ＝Ｄｔ×Ｆｙ／（Ｆ×ｃｏｓα）
とすることで、オフセット動作中のオフセット軸３のスライダ１１４に作用するピッチングモーメントの絶対値を最も小さくすることができる。その場合は、オフセット軸３のスライダ１１４の両端部において転動体の面圧を小さくすることができるので、最も寿命を延長することができる。
【００５０】
以下、本摩擦攪拌接合装置Ｍ１の実施例について説明する。
オフセット荷重は接合条件によって定まるが、例えば板厚２ｍｍのアルミ板（ワーク）を、ショルダ径Φ１０ｍｍ、ツールピン高さ３ｍｍ、ツールピン径Φ４ｍｍの円筒形状の接合ツール１を用いて摩擦撹絆接合する場合、加圧力Ｆ＝５０００Ｎ、接合ツール煩き角度α＝３°、オフセット軸の移動速度を２０ｍｍ／ｓとしたとき、オフセット荷重はＦｙ＝５００Ｎであった。
【００５１】
図８は横軸にＬｖ、縦軸に押込しみ動作及びオフセット動作それぞれの場合におけるオフセット軸スライダ両端部での面圧を示したものである。
Ｌｖ＝０とした場合、押し込み動作での面圧は抑えられているが、オフセット動作での面圧は高い。この場合、オフセット動作ではオフセット軸を駆動するため（転動体が転動するため）、オフセット軸スライダの寿命は短くなると予想される。
【００５２】
Ｌｖの増加に伴い、押し込み動作での面圧は上昇し、オフセット動作での面圧は抑えられている。押し込み動作で面圧が上昇しても、押し込み動作時はオフセット軸３が停止しているため、オフセット軸３のスライダ１１４の寿命には影響は出ない。オフセット動作での面圧を抑えられたことで、オフセット軸３のスライダ１１４の寿命は延長すると予想される。
【００５３】
さらに、オフセット軸スライダ中心からツール先端までの距離Ｄｔ＝４００ｍｍとした場合、Ｌｖ＝４０ｍｍとすることで、最も寿命を延長することができる。
【００５４】
上記においては、接合条件やオフセット軸スライダ中心ＰＢと接合ツール１の先端との間の距離Ｄｔから、Ｌｖを求めていたが、予め定められているＬｖからＤｔを導出してもよい。
【００５５】
以上説明したように、本実施形態の摩擦撹拌接合装置Ｍ１によれば、先端部５０ｃでワークを支持するＣ字形アーム５０の胴部５０ｂがＸ方向に延びていて、アーム５０の基端部５０ａと胴部５０ｂと先端部５０ｃとがＸ−Ｙ平面上に位置するように形成され、加圧軸２の軸線方向がＸ方向に設定されると共に、オフセット軸３の軸線方向が、アーム５の剛性の比較的高いＹ方向（Ｘ−Ｙ平面に垂直なＺ方向における剛性よりもＹ方向の剛性の方が格段に高い）に設定されているので、オフセット動作中のアーム５０の先端部５０ｃの変位（オフセット荷重による変位）を小さく抑えることができ、アーム５０が撓み変形することによるワークの移動量を小さく抑えることができる。従って、ワークの移動を小さく抑えることによって、ワーク上における接合ツール１の移動量とオフセット移動量との誤差を小さくすることができ、精度の良い接合が可能となる。また、オフセット軸３は、接合ツール１をワークの表面方向に直線移動させるので、スイングと違い、比較的長い距離オフセット動作が可能であり、接合深さも安定するため接合強度を確保する。
【００５６】
また、加圧軸２にボールねじ一体型直動案内ユニット１０を用いたことで、コンパクト化及び軽量化が可能となり、摩擦撹拌接合装置Ｍ１を搭載するロボットアームのサイズダウンが可能となる。
【００５７】
また、接合ツール１の中心軸線Ｑに対し、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のスライダ中心ＰＢが、オフセット軸３の軸線に沿って接合ツール１のオフセット動作時の進行方向ＹＡと逆の方向にずらして配置されているので、オフセット動作中にスライダ１１４に作用するモーメントを低減することができ、より負荷容量の小さいスライダ１１４を選定することができ、摩擦撹拌接合装置Ｍ１のコンパクト化及び軽量化が可能となり、摩擦撹拌接合装置Ｍ１を搭載するロボットアームのサイズダウンが可能となる。
【００５８】
また、Ｌｖ＝Ｄｔ×Ｆｙ／（Ｆ×ｃｏｓα）の関係になるようにすることで、オフセット軸３のスライダ１１４の両端部における転動体（スライダと案内レールの転動面間に挿入された転動体）の面圧を小さくすることができ、直動案内軸受１１０Ａの寿命を最も延長することができる。
【００５９】
＜第２実施形態＞
図９は第２実施形態の摩擦撹拌接合装置Ｍ２の構成を示す側面図である。
この摩擦撹拌接合装置Ｍ２では、オフセット動作の方向を、図９に矢印ＹＢで示すように、第１実施形態と逆に、Ｙ方向に沿ってアーム５０の胴部５０ｂに近づく方向としている。また、旋回軸４の傾斜方向も、接合ツール１をオフセット（進行）させる方向であるため、第１実施形態と逆に設定される。なお、それ以外の構成については、第１実施形態の摩擦撹拌接合装置Ｍ１と同様のため、同一符号を付して説明を省略する。
【００６０】
図１０に示すように、押し込み動作中は、裏当て部材５２の先端は、加圧軸２（Ｘ軸）の方向に作用する加圧力によって、胴部５０ｂと先端部５０ｃをつなぐ曲がり部を支点として反時計回りに回転するように変形するので、押し込み動作前の無負荷状態における裏当て部材５２の中心Ａ１に対し、押し込み動作中の負荷状態における裏当て部材５２の中心Ａ２は、Ｘ方向に沿って基端部５０ａから離れる方向に移動すると共に、Ｙ方向に沿って胴部５０ｂから離れる方向に移動している。
【００６１】
ここで、オフセット動作の方向をＹ方向に沿って胴部５０ｂに近づく方向、即ち、アーム５０の変形によって生じるアーム５０の先端部５０ｃのオフセット方向への変位と逆方向とすることで、オフセット荷重がＹ方向に沿って胴部５０ｂに近づく方向に作用するため、裏当て部材５２の先端はＹ方向に沿って胴部５０ｂに近づく方向に移動し、オフセット動作中のアーム５０の先端部５０ｃのオフセット方向に変位が小さくなる（図１１参照）。
【００６２】
このように、押し込み動作中のアーム５０の変形によって生じた裏当て部材５２のオフセット方向への変位と逆の方向にオフセット動作を行うことにより、一連の接合動作において裏当て部材５２及び裏当て部材５２に保持されているワークの移動が小さくなり、ワーク上の接合ツール１の移動量とオフセット移動量の誤差を小さくできると共に、ワーク保持機構への負荷を低減することができる。
【００６３】
一方、オフセット方向を、Ｙ方向に沿って胴部５０ｂから離れる方向にすると、オフセット動作中のアーム５０の先端部５０ｃのオフセット方向への変位は大きくなる。ただし、この場合であっても、Ｙ方向と直角の方向にオフセット動作する場合に比べると、格段にワークの移動が小さくなり、ワーク上の接合ツール１の移動量とオフセット移動量の誤差を小さくできると共に、ワーク保持機構への負荷を低減することができる。
【００６４】
以上説明したように、本実施形態の摩擦撹拌接合装置Ｍ２によれば、先端部５０ｃでワークを支持するＣ字形アーム５０の胴部５０ｂがＸ方向に延びていて、アーム５０の基端部５０ａと胴部５０ｂと先端部５０ｃとがＸ−Ｙ平面上に位置するように形成され、加圧軸２の軸線方向がＸ方向に設定されると共に、オフセット軸３の軸線方向が、アーム５の剛性の比較的高いＹ方向（Ｘ−Ｙ平面に垂直なＺ方向における剛性よりもＹ方向の剛性の方が格段に高い）に設定されているので、オフセット動作中のアーム５０の先端部５０ｃの変位（オフセット荷重による変位）を小さく抑えることができ、アーム５０が撓み変形することによるワークの移動量を小さく抑えることができる。従って、ワークの移動を小さく抑えることによって、ワーク上における接合ツール１の移動量とオフセット移動量との誤差を小さくすることができ、精度の良い接合が可能となる。また、オフセット軸３は、接合ツール１をワークの表面方向に直線移動させるので、スイングと違い、比較的長い距離オフセット動作が可能であり、接合深さも安定するため接合強度を確保する。
【００６５】
また、押し込み動作中のアーム５０の変形によって生じるアーム５０の先端部５０ｃのオフセット方向への変位と逆の方向にオフセット動作を行うようにしたことで、一連の接合動作においてアーム５０の先端部５０ｃに保持されているワークの移動が小さくなり、ワーク上の接合ツール１の移動量とオフセット移動量との誤差を小さくすることができると共に、ワークの保持機構への負荷を減らすことができる。
【００６６】
さらに、第１実施形態と同様に、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のスライダ中心ＰＢを、オフセット軸３の軸線に沿って接合ツール１のオフセット動作時の進行方向ＹＢと逆の方向にずらして配置する、即ち、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のスライダ中心ＰＢをＹ方向に沿って胴部５０ｂから離れる方向に配置することにより、一連の接合動作においてアーム５０の先端部５０ｃに保持されているワークの移動が小さくなることに加えて、オフセット動作中にスライダ１１４に作用するモーメントを低減することができる。
【００６７】
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。
【００６８】
例えば、上記実施形態では、加圧軸テーブル２０をＵ字形状としたが、両腕部２３、２３の先端部同士を連結することで、図１２に示すように、ロ字形状の加圧軸テーブル２０Ａとしてもよい。なお、ロ字形状とは、閉空間若しくはこれと同等の空間部を略中央に備えたものを意味しており、その外観形状、閉空間の形状等は任意に選択され得る。ロ字形状とすることにより、加圧軸テーブル２０Ａの剛性があがり、両側に配置された案内レール１１３Ａ、１１３Ａ間が部材変形により離れるのを抑制することができ、部材剛性が向上する。また、加圧軸テーブル２０Ａの部材剛性が向上したことで案内レール１１３Ａ、１１３Ａ間が離れる変形に係る荷重の分だけオフセット軸３への荷重が低減するのでオフセット軸３の寿命延長が可能となる。
【００６９】
また、上記実施形態では、加圧軸２をボールねじ一体型直動案内ユニット１０によって構成したが、オフセット軸３と同様に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。
【００７０】
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、ある直動案内軸受の転動体はコロにし、別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。
【００７１】
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。
【００７２】
また、上記実施形態では、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。
【００７３】
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のボールねじ軸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によりボールねじ軸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】
【００７４】
１ 接合ツール
２ 加圧軸
３ オフセット軸
４ 旋回軸
１０ ボールねじ一体型直動案内ユニット（加圧軸、Ｘ軸）
１１ 直動案内軸受
１２ ボールねじ
１３ 案内レール（本体部）
１４ スライダ（可動部）
１７ ボールねじナット
１８ ボールねじ軸
２０ 加圧軸テーブル
３０ スピンドル
３３ スピンドルシャフト（回転部）
４８ 旋回軸ブラケット（固定部）
５０ Ｃ字形アーム
５０ａ 基端部
５０ｂ 胴部
５０ｃ 先端部
５２ 裏当て部材（ワーク支持部）
１１０Ａ 直動案内軸受
１１０Ｂ ボールねじ
１１３ 案内レール（固定部）
１１４ スライダ（可動部）
Ｍ１、Ｍ２ 摩擦撹拌接合装置
ＰＢ オフセット軸スライダ中心
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合ツールをワークに押し付ける加圧軸と、接合ツールをワークの表面に沿って移動させるオフセット軸とを有する摩擦撹拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法に関するものである。
【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ると共に撹拌し、それにより接合ツールをワークに没入させ、没入後、接合ツール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摩擦撹拌接合方法及び装置が記載されている。
【０００３】
この摩擦撹拌接合装置は、図１３に示すように、接合ツール２５１を水平移動させるオフセット軸２５５のスライダの上に、接合ツール２５１をその軸線方向に移動させる加圧軸２５４が載っており、加圧軸２５４のスライダの上に接合ツール２５１をその軸線まわりに回転させる旋回軸２５３が載っている。また、オフセット軸２５５の本体部はＬ字形のアーム２５０の基端部２５０ａに支持され、アーム２５０の先端部２５０ｂにワーク２５２が支持され、ワーク２５２の表面に接合ツール２５１の先端が対向している。接合ツール２５１をワーク２５２に没入させる押し込み動作では、接合ツール２５１を旋回軸２５３で回転させながら加圧軸２５４でワーク２５２に押し付け、所定の深さまで接合ツール２５１をワーク２５２に没入させる。ワーク２５２に接合ツール２５１を没入させる際、接合ツール２５１の先端には反力としてワーク２５２から加圧力が接合ツール２５１の中心軸に沿って作用する。なお、押し込み動作においてオフセット軸２５５は停止している。
【０００４】
接合ツール２５１をワーク２５２の所定深さまで没入後、加圧軸２５４は停止あるいは加圧保持に伴い微小移動させ、オフセット軸２５５を駆動して接合ツール２５１をワーク２５２の表面方向に移動させるオフセット動作を行う。
【０００５】
また、特許文献２には、図１４に示すように、Ｌ字形のアーム３０１の基端部３０１ａに接合ヘッド３０２が固定されており、接合ヘッド３０２が下降して接合ツール３０３が、アーム３０１の先端部３０１ｂ側に保持されたワーク３０４に所定の深さまで押し込まれたときに、接合ヘッド３０２がスイング軸３０５を支点にして矢印３０６の方向にスイングするように構成された摩擦撹拌接合装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１７１２８号公報
【特許文献２】特許４５１１５２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献１に示された摩擦撹拌接合装置では、オフセット動作の方向がＬ字形のアーム２５０の存在する平面に対して直角の方向（アーム２５０の剛性の弱い方向）に設定されているので、オフセット動作時の荷重の影響でアーム２５０が変形しやすく、アーム２５０の先端部２５０ｂに保持されたワーク２５２の変位が大きくなる可能性がある。ワーク２５２が変位してしまうと、ワーク２５２と共に接合ツール２５１も移動してしまい、接合ツール２５２の移動量がオフセット移動量に比べて小さくなってしまい、正確な接合ができなくなる。また、ワークの変位を防止するため、ワークを押し付ける押付け手段２５７を備えたワーク押さえ部２５６が設けられているが、コストアップの原因となっていた。また、それを防止するためにアーム２５０の剛性を上げようとすると、アーム２５０の重量が増加してしまい、摩擦撹拌接合装置をロボットアームの先端に装着するような場合、ロボットアームのサイズが大きくなってしまうという問題がある。
【０００８】
また、特許文献２に示された摩擦撹拌接合装置では、接合ヘッド３０２をスイングさせることにより、接合ツール３０３をワーク３０４の表面に沿って移動（オフセット動作）させるようにしているが、スイングではツール傾斜角が変化してしまうので、ツール傾斜角をある範囲内に収めるためにはツール移動量を大きくとれず、過度にツール傾斜角が変化することで、ツール進行方向に見てショルダ前方部がワークから浮き上がり、また、ショルダ部後方はワークに潜り込んでしまう、という現象が発生し、ツール移動量を大きくしようとすると、ツール深さも安定しないため、接合強度を確保することができないという問題がある。
【０００９】
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、オフセット動作時におけるアームの変形を抑えることができ、精度良く接合可能な摩擦撹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】
【００１０】
前述した目的は、以下の態様により達成される。
（１）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、前記接合ツール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撹拌し、それにより前記接合ツールを前記ワークに没入させ、没入後、前記接合ツールをワークの表面方向に移動させることで前記ワークを線状に接合する摩擦撹拌接合装置であって、
前記接合ツールをその中心軸線まわりに回転させる旋回軸と、
前記接合ツールを前記ワークに接近／離間させる加圧軸と、
前記接合ツールを前記加圧軸の軸線と直交する方向であるワークの表面方向に直線移動させるオフセット軸と、
互いに直交する２方向をＸ方向とＹ方向とすると、基端部からＸ方向に延びる胴部を経て曲がり部を介して先端部に至るＬ字形またはＣ字形をなしており、前記基端部と前記胴部と前記先端部とがＸ−Ｙ平面上に位置するように形成され、前記先端部にワーク支持部が設けられたアームと、を備え、
前記加圧軸は、その軸線方向がＸ方向に設定され、前記アームの基端部に結合された本体部と、該本体部に対してＸ方向にスライドする可動部とを有し、
前記オフセット軸は、その軸線方向がＹ方向に設定され、前記加圧軸の可動部に搭載された本体部と、該本体部に対してＹ方向にスライドする可動部とを有し、
前記旋回軸は、前記オフセット軸の可動部に搭載された本体部と、前記ワーク支持部に保持されたワークに先端が対向するように前記接合ツールを保持した回転部とを有している
ことを特徴とする。
（２）前記加圧軸の可動部には、Ｕ字形状又はロ字形状の加圧軸テーブルが取り付けられており、
前記加圧軸テーブルには、前記オフセット軸の案内レールが取り付けられていることを特徴とする（１）に記載の摩擦撹拌接合装置。
（３）前記加圧軸に、直動案内軸受のスライダにボールねじナットを形成して該ボールねじナットにボールねじ軸を貫通させたボールねじ一体型直動案内ユニットが用いられていることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の摩擦撹拌接合装置。
（４）前記接合ツールの中心軸線に対し、前記オフセット軸を構成する前記直動案内軸受のスライダのスライダ中心が、前記オフセット軸の軸線に沿って接合ツールのオフセット動作時の進行方向と逆の方向にずらして配置されていることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の摩擦撹拌接合装置。
（５）前記接合ツールの中心軸線と、前記オフセット軸を構成する前記直動案内軸受のスライダのスライダ中心との、オフセット軸の軸線に沿った方向における距離をＬｖ、前記接合ツールの中心軸線の前記加圧軸の軸線に対する傾き角度をα、前記接合ツールに反力として作用する加圧力をＦ、前記オフセット軸を構成する直動案内軸受のスライダのスライダ中心から前記接合ツールの先端まで距離をＤｔ、前記オフセット軸を移動させる際の抵抗であるオフセット荷重をＦｙとしたとき、
Ｌｖ＝Ｄｔ×Ｆｙ／（Ｆ×ｃｏｓα）
の関係になるようにしたことを特徴とする上記（４）に記載の摩擦撹拌接合装置。
（６）前記オフセット軸は、押し込み動作中の、前記アームの変形によって生じるアームの先端部のオフセット方向への変位と逆方向にオフセット動作を行うことを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載の摩擦撹拌接合装置。
（７）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、
前記ワークは、直交する２方向をＸ方向とＹ方向とすると、基端部からＸ方向に延びる胴部を経て曲がり部を介して先端部に至るＬ字形またはＣ字形をなしており、前記基端部と前記胴部と前記先端部とがＸ−Ｙ平面上に位置するように形成されたアームの先端部に保持され、
前記接合ツールをＹ方向に直線移動させることでオフセット動作を行うことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
（８）押し込み動作中の、前記アームの変形によって生じる前記アームの先端部のオフセット方向への変位と逆方向に前記オフセット動作を行うことを特徴とする（７）に記載の摩擦攪拌接合方法。
【発明の効果】
【００１１】
上記（１）に記載の発明によれば、先端部でワークを支持するＣ字形またはＬ字形のアームの胴部がＸ方向に延びていて、アームの基端部と胴部と先端部とがＸ−Ｙ平面上に位置するように形成され、加圧軸の軸線方向がＸ方向に設定されると共に、オフセット軸の軸線方向が、アームの剛性の比較的高いＹ方向（Ｘ−Ｙ平面に垂直な方向における剛性よりもＹ方向の剛性の方が格段に高い）に設定されているので、オフセット動作中のアームの先端部の変位（オフセット荷重による変位）を小さく抑えることができ、アームが撓み変形することによるワークの移動量を小さく抑えることができる。従って、ワークの移動量を小さく抑えることによって、ワーク上における接合ツールの移動量とオフセット移動量との誤差を小さくすることができ、精度の良い接合が可能となる。また、オフセット軸は、接合ツールをワークの表面方向に直線移動させるので、スイングと違い、比較的長い距離オフセット動作が可能であり、接合深さも安定するため接合強度を確保することができる。
【００１２】
また、上記（２）に記載の発明によれば、加圧軸テーブルをＵ字形状とすることにより、旋回軸モータを挟んで両側に案内レールを取り付けるとともに、スライダの中心とスピンドルの軸心とを近接させることができるので、スライダに作用するモーメント荷重を低減することができ、装置を小型化することができる。一方、加圧軸テーブルをロ字形状とすることにより、加圧軸テーブルの剛性があがり、両側に配置された案内レール間が部材変形により離れるのを抑制することができ、部材剛性が向上する。また、加圧軸テーブルの部材剛性が向上したことで案内レール間が離れる変形に係る荷重の分だけオフセット軸への荷重が低減するのでオフセット軸の寿命延長が可能となる。
【００１３】
また、上記（３）に記載の発明によれば、加圧軸にボールねじ一体型直動案内ユニットを用いることで、コンパクト化及び軽量化が可能となり、摩擦撹拌接合装置を小型化することができる。従って、摩擦撹拌接合装置をロボットアームに取り付ける際に、ロボットアームのサイズダウンも可能となる。
【００１４】
また、上記（４）に記載の発明によれば、オフセット動作中にスライダに作用するモーメントを低減することができ、より負荷荷重の小さいスライダを選択することで摩擦撹拌接合装置を小型化することができる。従って、摩擦撹拌接合装置をロボットアームに取り付ける際に、ロボットアームのサイズダウンも可能となる。
【００１５】
また、上記（５）に記載の発明によれば、オフセット動作時にオフセット軸の可動部両端において、転動体の面圧を小さくすることができるので、最も寿命を延長することができる。
【００１６】
また、上記（６）に記載の発明によれば、オフセット軸は、押し込み動作中のアームの変形によって生じるアームの先端部のオフセット方向への変位と逆方向に、オフセット動作を行うことで、一連の接合動作でワーク支持部とワーク支持部に保持されるワークの移動が小さくなり、ワーク上のツール移動量とオフセット移動量の誤差を小さくするとともにアームへの負荷を低減することができる。
【００１７】
上記（７）に記載の発明によれば、先端部でワークを支持するＣ字形またはＬ字形のアームの胴部がＸ方向に延びていて、アームの基端部と胴部と先端部とがＸ−Ｙ平面上に位置するように形成され、オフセット動作がアームの剛性の比較的高いＹ方向（Ｘ−Ｙ平面に垂直な方向における剛性よりもＹ方向の剛性の方が格段に高い）に設定されているので、オフセット動作中のアームの先端部の変位（オフセット荷重による変位）を小さく抑えることができ、アームが撓み変形することによるワークの移動量を小さく抑えることができる。従って、ワークの移動量を小さく抑えることによって、ワーク上における接合ツールの移動量とオフセット移動量との誤差を小さくすることができ、精度の良い接合が可能となる。また、オフセット動作は、接合ツールをワークの表面方向に直線移動させるので、スイングと違い、比較的長い距離オフセット動作が可能であり、接合深さも安定するため接合強度を確保することができる。
【００１８】
また、上記（８）に記載の発明によれば、押し込み動作中のアームの変形によって生じるアームの先端部のオフセット方向への変位と逆方向に、オフセット動作を行うことで、一連の接合動作で先端部に位置するワーク支持部とワーク支持部に保持されるワークの移動が小さくなり、ワーク上のツール移動量とオフセット移動量の誤差を小さくするとともにアームへの負荷を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態の摩擦撹拌接合装置の側面図である。
【図２】図１のＩＩ矢視図である。
【図３】図１の要部を取り出して示す拡大図である。
【図４】同摩擦撹拌接合装置の加圧軸テーブルの斜視図である。
【図５】同摩擦撹拌接合装置の加圧軸を構成するボールねじ一体型直動案内ユニットの断面図である。
【図６】同摩擦撹拌接合装置の押し込み動作時のモーメントの説明図である。
【図７】同摩擦撹拌接合装置のオフセット動作時のモーメントの説明図である。
【図８】Ｌｖと面圧の関係を示すグラフである。
【図９】本発明の第２実施形態の摩擦撹拌接合装置の側面図である。
【図１０】アームの撓みの説明図である。
【図１１】アームの先端部の変位を示すグラフである。
【図１２】変形例に係る加圧軸テーブルの斜視図である。
【図１３】特許文献１に記載の摩擦撹拌接合装置を示す斜視図である。
【図１４】特許文献２に記載の摩擦撹拌接合装置を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。
＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態の摩擦撹拌接合装置の側面図、図２は図１のＩＩ矢視図、図３は図１の要部を取り出して示す拡大図、図４は同摩擦撹拌接合装置の加圧軸テーブルの斜視図、図５は同摩擦撹拌接合装置の加圧軸を構成するボールねじ一体型直動案内ユニットの断面図である。
【００２１】
図１及び図２に示すように、本実施形態の摩擦撹拌接合装置Ｍ１は、摩擦撹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直線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３参照）まわりに回転させる旋回軸４と、Ｃ字形のアーム５０と、を備えている。
【００２２】
Ｃ字形アーム５０は、互いに直交する２方向をＸ方向とＹ方向とすると、基端部５０ａからＸ方向に延びる胴部５０ｂを経て曲がり部を介して先端部５０ｃに至るＣ字形をなしており、基端部５０ａと胴部５０ｂと先端部５０ｃとがＸ−Ｙ平面上に位置するように形成され、先端部５０ｃの内側にワーク支持部としての裏当て部材５２が設けられている。
【００２３】
加圧軸２は、互いに直交するＸ軸（Ｘ方向に相当）とＹ軸（Ｙ方向に相当）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。即ち、加圧軸２の軸線方向がＸ方向に設定され、オフセット軸３の軸線方向がＹ方向に設定されている。
【００２４】
この場合の加圧軸２は、Ｃ字形アーム５０の基端部５０ａに結合された案内レール（本体部）１３と、該案内レール１３に沿ってＸ方向にスライドするスライダ（可動部）１４とを有している。加圧軸２のスライダ１４には、Ｕ字形状の加圧軸テーブル２０が取り付けられている（図４参照）。加圧軸テーブル２０は、Ｘ方向に延びて加圧軸２のスライダ１４に取り付けられる固定部２１から開口部２２を囲うよう腕部２３、２３がＹ方向に延びている。また、オフセット軸３は、加圧軸テーブル２０を介して加圧軸２のスライダ１４に搭載された案内レール（本体部）１１３と、該案内レール１１３に沿ってＹ方向にスライドするスライダ（可動部）１１４とを有している。また、旋回軸４は、オフセット軸３のスライダ（可動部）１１４に搭載された旋回軸ブラケット（固定部）４８と、Ｃ字形アーム５０の裏当て部材５２に保持されたワークに先端が対向するように接合ツール１を保持したスピンドルシャフト（回転部）３３とを有している。
【００２５】
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１０が用いられている。このボールねじ一体型直動案内ユニット１０は、図５に示すように、直動案内軸受１１とボールねじ１２の組み合わせて構成されている。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。
【００２６】
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ている。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（不図示）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。
【００２７】
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。
【００２８】
また、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。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いる。案内レール１１３は、各レール部１１３Ａ、１１３Ａが、Ｕ字形状の加圧軸テーブル２０の両腕部２３、２３に取り付けられることでＹ方向に平行に延びている。これら２本のレール部１１３Ａ、１１３Ａは、後述する旋回軸モータ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、即ち加圧軸テーブル２０の開口部２２に収容されている。
【００２９】
また、ボールねじ１１０Ｂは、加圧軸テーブル２０の側方に配置されており、加圧軸テーブル２０に取り付けられたレール部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、スライダ１１４を案内レール１１３のガイドによりＹ方向に直線移動できるようになっている。
【００３０】
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。
【００３１】
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。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、円柱状のツール基部１ａと、ツール基部下端面のショルダ部１ｂから下方に突出するツール基部１ａより小さい外径のツールピン１ｃとを備えて構成されている。スピンドル３０は、複数の軸受３１と、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、カップリング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、オフセット軸３のスライダ１１４の取り付け面に固定されている。
【００３２】
また、この摩擦撹拌接合装置Ｍ１では、図３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）に対して角度α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ＹＡ方向である。このように接合ツール１を傾斜させることにより、オフセット動作時の接合ツール１の進行方向に対して、接合ツール１のショルダ部１ｂをワークに対して向い角を持って接触させることができるようになり、それにより、流動化したワークの材料が、接合ツール１のショルダ部１ｂに対してクサビ状に流れ込む作用が発生し、加圧軸２を大きく移動することなく、ワークへの加圧力を保持することができるようになる。
【００３３】
さらに、オフセット軸３のスライダ中心ＰＢは、旋回軸４の中心軸線（接合ツール１の中心軸線Ｑ）に対して、オフセット軸３の軸線（Ｙ軸）に沿って位置がずれている。より具体的に説明すると、オフセット軸３のスライダ中心ＰＢは、該スライダ中心ＰＢを通りＹ方向に延びる線分が旋回軸４の中心軸線（接合ツール１の中心軸線Ｑ）と交わる点ＰＡに対し、接合ツール１のオフセット動作時の進行方向ＹＡと逆の方向に寸法Ｌｖだけ位置がずれている。なお、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。
【００３４】
図１に戻って、加圧軸２の案内レール１３が固定されたＣ字形のアーム５０の先端部５０ｃの内側には、加圧力検出手段５１及び裏当て部材５２が設けられている。そして、接合ツール１と裏当て部材５２の間にワークを挟むことで、ワーク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。
【００３５】
このように構成された摩擦撹拌接合装置Ｍ１は、接合ツール１をワーク（不図示）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撹拌し、それにより接合ツール１をワークに没入させる押し込み動作と、押し込み動作の後、接合ツール１をワークの表面方向に移動させるオフセット動作とを行うことで、積層されたワークを線状に接合するものである。
【００３６】
次に接合時の動作と動作中に作用する力の関係について説明する。
接合ツール１は、旋回軸モータ４４を駆動することにより高速回転する。接合ツール１をワークに没入させる押し込み動作においては、加圧軸モータ４２を駆動し、ベルト４１Ａを介して加圧軸２のボールねじ軸１８を回転させることにより、加圧軸２のスライダ１４を下方に移動させる。加圧軸２のスライダ１４を移動させて、オフセット軸３とスピンドル３０を介して、接合ツール１をＸ方向に沿ってワークに近づく方向に移動させ、高速回転させながらワークに接合ツール１を押し付けると、その接触点及びその周囲でワークの材料が軟化し撹拌される。そして、撹拌しながら、所定の深さまで接合ツール１をワークに没入させる。次に接合ツール１をワークの所定の深さまで没入後、加圧軸２を停止あるいは加圧保持に伴い微小移動させながら、オフセット動作を行う。
【００３７】
オフセット動作においては、オフセット軸モータ４３を駆動し、ベルト４１Ｂを介してオフセット軸３のボールねじ軸１１８を回転させることにより、オフセット軸３のスライダ１１４を移動させる。オフセット軸３のスライダ１１４を移動させると、スピンドル３０と共に接合ツール１がＹ方向に沿ってアーム５０から離れる方向（ＹＡ方向）に移動する。この動きにより、ワークに対する接合ツール１の接触点や撹拌領域が移動し、線状にワークが接合される。所定のオフセット距離を移動した後は、加圧軸２のボールねじ軸１１８を先程とは逆方向に回転させることにより、接合ツール１をＸ方向に沿ってワークから離れる方向に移動させワークから離脱させる。このように、押し込み動作とオフセット動作により摩擦撹拌接合が行われる。
【００３８】
ここで、具体的な例について考えてみる。例えば、第１実施形態のＣ字形アーム５０の材質をアルミニウムとした場合、Ｙ方向の剛性が６．３ｋＮ／ｍｍ、Ｙ方向と直交する方向（図１において紙面に垂直な方向、以下Ｚ方向とも呼ぶ。）の剛性が０．３８ｋＮ／ｍｍであった。接合条件にもよるが、オフセット動作中にはワーク接線方向に５００Ｎ程度の力が作用するので、Ｙ方向と直交する方向にオフセット動作したと仮定すると、ワークが外部の保持装置などによって固定されていない場合には、１．３ｍｍも移動してしまう。これに対し、本実施形態のようにＹ方向にオフセット動作した場合は、ワークの移動が０．０８ｍｍとなり、オフセット量として想定される３ｍｍ〜５ｍｍなどの値に対して十分に小さい値に抑えることができることが分かる。
【００３９】
よって、オフセット軸３の方向をＹ方向に設定したことによって、Ｃ字形アーム５０の剛性の高い方向に力がかかることになり、オフセット動作中のアーム５０の先端部５０ｃの変位（オフセット荷重による変位）を小さく抑えることができ、アーム５０が撓み変形することによるワークの移動量を小さく抑えることができる。従って、ワークの移動量を小さく抑えることができることによって、ワーク上における接合ツールの移動量とオフセット移動量との誤差を小さくすることができ、精度の良い接合が可能となる。
【００４０】
また、オフセット軸３は、接合ツール１をワークの表面方向に直線移動させるので、従来例のスイングと違い、比較的長い距離オフセット動作が可能であり、接合深さも安定するため接合強度を確保することができる。
【００４１】
また、加圧軸テーブル２０をＵ字形状とすることにより、旋回軸モータ４４を挟んで両側に案内レール１１３のレール部１１３Ａ、１１３Ａを取り付けるとともに、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のスライダ中心ＰＢとスピンドル３０の軸心（接合ツール１の中心軸線Ｑ）とを近接させることができので、スライダ１１４に作用するモーメント荷重を低減することができ、装置を小型化することができる。
【００４２】
また、接合ツール１の中心軸線Ｑに対し、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のスライダ中心ＰＢを、オフセット軸３の軸線に沿って接合ツール１のオフセット動作時の進行方向ＹＡと逆の方向にずらして配置していることにより、次の作用効果を得ることができる。
【００４３】
図６及び図７は、摩擦撹拌接合装置Ｍ１の押し込み動作時とオフセット動作時の力の関係を示した側面図である。
まず、図６を用いて押し込み動作時について述べる。
摩擦撹拌接合装置Ｍ１では、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のスライダ中心ＰＢが、オフセット軸３の軸線に沿って接合ツール１のオフセット動作時の進行方向ＹＡと逆の方向にずらして配置されていることにより、押し込み動作時に、接合ツール１をワークに没入させる動作に伴い、接合ツール１に押し込み動作時加圧力の反力として加圧力Ｆがオフセット軸３のスライダ中心ＰＢからずれた位置に作用する。そのため、加圧力ＦによるピッチングモーメントＭｐ１（紙面時計回り）が、オフセット軸３のスライダ１１４に作用する。このピッチングモーメントＭｐ１の作用により、接合ツール１の中心軸線Ｑをオフセット軸３のスライダ中心ＰＢの上を通るように配置した場合に比べて、転動体の面圧がオフセット軸のスライダ１１４の両端部において上昇する。しかし、オフセット軸３は押し込み動作において停止しているので、転動体は転動面を転がることはなく、転がり寿命の観点から、この面圧上昇に起因する寿命低下は起こらない。
【００４４】
次に図７を用いてオフセット動作時について述べる。
オフセット動作時おいて、オフセット軸３のスライダ１１４には、加圧力ＦによるピッチングモーメントＭｐ２（紙面時計回り）が作用する。また、オフセット動作により、オフセット軸３のスライダ１１４が移動して接合ツール１がＹＡ方向へ移動するのに伴い、接合ツール１にオフセット動作時加圧力の反力として作用するオフセット荷重ＦｙによるピッチングモーメントＭｐ３（紙面反時計回り）も作用する。
【００４５】
ここで、接合ツール１の中心軸Ｑとオフセット軸３を構成する直動案内軸受１１０のスライダ１１４のスライダ中心ＰＢとのオフセット軸３の軸線に沿った距離をＬｖ、接合ツール１の中心軸Ｑの加圧軸２の軸線に対する傾き角度をα、加圧力をＦ、オフセット軸３のスライダ中心ＰＢから接合ツール１の先端までの距離をＤｔ、オフセット荷重をＦｙとすると、加圧力ＦによるピッチングモーメントＭｐ２、オフセット荷重ＦｙによるピッチングモーメントＭｐ３は、図７中時計回りを正とすると、
Ｍｐ２＝Ｆ×Ｌｖ×ｃｏｓα
Ｍｐ３＝−Ｆｙ×Ｄｔ
となる。
【００４６】
よって、オフセット軸３のスライダ１１４に作用するピッチングモーメントの総和Ｍｐは、
Ｍｐ＝Ｍｐ２＋Ｍｐ３＝Ｆ×Ｌｖ×ｃｏｓα−Ｆｙ×Ｄｔ … （１）
となる。
【００４７】
上記（１）式より、スライダ中心ＰＢをずらさない場合（Ｌｖ＝０の時）に比べて、スライダ中心ＰＢを接合ツール１の進行方向と逆方向にずらした場合（Ｌｖ＞０）の方が、オフセット軸３のスライダ１１４に作用するピッチングモーメントの総和Ｍｐの絶対値を小さくできることが分かる。
【００４８】
つまり、接合ツール１の中心軸Ｑに対し、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のスライダ中心ＰＢが、オフセット軸３の軸線に沿って接合ツール１のオフセット動作時の進行方向ＹＡと逆の方向にずらして配置されていることによって、オフセット動作中に、スライダ１１４に作用するモーメントを低減することができ、より負荷容量の小さいスライダ１１４を選定することで、本摩擦撹拌接合装置Ｍ１のコンパクト化及び軽量化が可能となり、摩擦撹拌接合装置Ｍ１を駆動するロボットアームのサイズダウンが可能となる。
【００４９】
また、本摩擦撹拌接合装置Ｍ１において、更に、
Ｌｖ＝Ｄｔ×Ｆｙ／（Ｆ×ｃｏｓα）
とすることで、オフセット動作中のオフセット軸３のスライダ１１４に作用するピッチングモーメントの絶対値を最も小さくすることができる。その場合は、オフセット軸３のスライダ１１４の両端部において転動体の面圧を小さくすることができるので、最も寿命を延長することができる。
【００５０】
以下、本摩擦攪拌接合装置Ｍ１の実施例について説明する。
オフセット荷重は接合条件によって定まるが、例えば板厚２ｍｍのアルミ板（ワーク）を、ショルダ径Φ１０ｍｍ、ツールピン高さ３ｍｍ、ツールピン径Φ４ｍｍの円筒形状の接合ツール１を用いて摩擦撹絆接合する場合、加圧力Ｆ＝５０００Ｎ、接合ツール煩き角度α＝３°、オフセット軸の移動速度を２０ｍｍ／ｓとしたとき、オフセット荷重はＦｙ＝５００Ｎであった。
【００５１】
図８は横軸にＬｖ、縦軸に押込しみ動作及びオフセット動作それぞれの場合におけるオフセット軸スライダ両端部での面圧を示したものである。
Ｌｖ＝０とした場合、押し込み動作での面圧は抑えられているが、オフセット動作での面圧は高い。この場合、オフセット動作ではオフセット軸を駆動するため（転動体が転動するため）、オフセット軸スライダの寿命は短くなると予想される。
【００５２】
Ｌｖの増加に伴い、押し込み動作での面圧は上昇し、オフセット動作での面圧は抑えられている。押し込み動作で面圧が上昇しても、押し込み動作時はオフセット軸３が停止しているため、オフセット軸３のスライダ１１４の寿命には影響は出ない。オフセット動作での面圧を抑えられたことで、オフセット軸３のスライダ１１４の寿命は延長すると予想される。
【００５３】
さらに、オフセット軸スライダ中心からツール先端までの距離Ｄｔ＝４００ｍｍとした場合、Ｌｖ＝４０ｍｍとすることで、最も寿命を延長することができる。
【００５４】
上記においては、接合条件やオフセット軸スライダ中心ＰＢと接合ツール１の先端との間の距離Ｄｔから、Ｌｖを求めていたが、予め定められているＬｖからＤｔを導出してもよい。
【００５５】
以上説明したように、本実施形態の摩擦撹拌接合装置Ｍ１によれば、先端部５０ｃでワークを支持するＣ字形アーム５０の胴部５０ｂがＸ方向に延びていて、アーム５０の基端部５０ａと胴部５０ｂと先端部５０ｃとがＸ−Ｙ平面上に位置するように形成され、加圧軸２の軸線方向がＸ方向に設定されると共に、オフセット軸３の軸線方向が、アーム５の剛性の比較的高いＹ方向（Ｘ−Ｙ平面に垂直なＺ方向における剛性よりもＹ方向の剛性の方が格段に高い）に設定されているので、オフセット動作中のアーム５０の先端部５０ｃの変位（オフセット荷重による変位）を小さく抑えることができ、アーム５０が撓み変形することによるワークの移動量を小さく抑えることができる。従って、ワークの移動を小さく抑えることによって、ワーク上における接合ツール１の移動量とオフセット移動量との誤差を小さくすることができ、精度の良い接合が可能となる。また、オフセット軸３は、接合ツール１をワークの表面方向に直線移動させるので、スイングと違い、比較的長い距離オフセット動作が可能であり、接合深さも安定するため接合強度を確保する。
【００５６】
また、加圧軸２にボールねじ一体型直動案内ユニット１０を用いたことで、コンパクト化及び軽量化が可能となり、摩擦撹拌接合装置Ｍ１を搭載するロボットアームのサイズダウンが可能となる。
【００５７】
また、接合ツール１の中心軸線Ｑに対し、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のスライダ中心ＰＢが、オフセット軸３の軸線に沿って接合ツール１のオフセット動作時の進行方向ＹＡと逆の方向にずらして配置されているので、オフセット動作中にスライダ１１４に作用するモーメントを低減することができ、より負荷容量の小さいスライダ１１４を選定することができ、摩擦撹拌接合装置Ｍ１のコンパクト化及び軽量化が可能となり、摩擦撹拌接合装置Ｍ１を搭載するロボットアームのサイズダウンが可能となる。
【００５８】
また、Ｌｖ＝Ｄｔ×Ｆｙ／（Ｆ×ｃｏｓα）の関係になるようにすることで、オフセット軸３のスライダ１１４の両端部における転動体（スライダと案内レールの転動面間に挿入された転動体）の面圧を小さくすることができ、直動案内軸受１１０Ａの寿命を最も延長することができる。
【００５９】
＜第２実施形態＞
図９は第２実施形態の摩擦撹拌接合装置Ｍ２の構成を示す側面図である。
この摩擦撹拌接合装置Ｍ２では、オフセット動作の方向を、図９に矢印ＹＢで示すように、第１実施形態と逆に、Ｙ方向に沿ってアーム５０の胴部５０ｂに近づく方向としている。また、旋回軸４の傾斜方向も、接合ツール１をオフセット（進行）させる方向であるため、第１実施形態と逆に設定される。なお、それ以外の構成については、第１実施形態の摩擦撹拌接合装置Ｍ１と同様のため、同一符号を付して説明を省略する。
【００６０】
図１０に示すように、押し込み動作中は、裏当て部材５２の先端は、加圧軸２（Ｘ軸）の方向に作用する加圧力によって、胴部５０ｂと先端部５０ｃをつなぐ曲がり部を支点として反時計回りに回転するように変形するので、押し込み動作前の無負荷状態における裏当て部材５２の中心Ａ１に対し、押し込み動作中の負荷状態における裏当て部材５２の中心Ａ２は、Ｘ方向に沿って基端部５０ａから離れる方向に移動すると共に、Ｙ方向に沿って胴部５０ｂから離れる方向に移動している。
【００６１】
ここで、オフセット動作の方向をＹ方向に沿って胴部５０ｂに近づく方向、即ち、アーム５０の変形によって生じるアーム５０の先端部５０ｃのオフセット方向への変位と逆方向とすることで、オフセット荷重がＹ方向に沿って胴部５０ｂに近づく方向に作用するため、裏当て部材５２の先端はＹ方向に沿って胴部５０ｂに近づく方向に移動し、オフセット動作中のアーム５０の先端部５０ｃのオフセット方向に変位が小さくなる（図１１参照）。
【００６２】
このように、押し込み動作中のアーム５０の変形によって生じた裏当て部材５２のオフセット方向への変位と逆の方向にオフセット動作を行うことにより、一連の接合動作において裏当て部材５２及び裏当て部材５２に保持されているワークの移動が小さくなり、ワーク上の接合ツール１の移動量とオフセット移動量の誤差を小さくできると共に、ワーク保持機構への負荷を低減することができる。
【００６３】
一方、オフセット方向を、Ｙ方向に沿って胴部５０ｂから離れる方向にすると、オフセット動作中のアーム５０の先端部５０ｃのオフセット方向への変位は大きくなる。ただし、この場合であっても、Ｙ方向と直角の方向にオフセット動作する場合に比べると、格段にワークの移動が小さくなり、ワーク上の接合ツール１の移動量とオフセット移動量の誤差を小さくできると共に、ワーク保持機構への負荷を低減することができる。
【００６４】
以上説明したように、本実施形態の摩擦撹拌接合装置Ｍ２によれば、先端部５０ｃでワークを支持するＣ字形アーム５０の胴部５０ｂがＸ方向に延びていて、アーム５０の基端部５０ａと胴部５０ｂと先端部５０ｃとがＸ−Ｙ平面上に位置するように形成され、加圧軸２の軸線方向がＸ方向に設定されると共に、オフセット軸３の軸線方向が、アーム５の剛性の比較的高いＹ方向（Ｘ−Ｙ平面に垂直なＺ方向における剛性よりもＹ方向の剛性の方が格段に高い）に設定されているので、オフセット動作中のアーム５０の先端部５０ｃの変位（オフセット荷重による変位）を小さく抑えることができ、アーム５０が撓み変形することによるワークの移動量を小さく抑えることができる。従って、ワークの移動を小さく抑えることによって、ワーク上における接合ツール１の移動量とオフセット移動量との誤差を小さくすることができ、精度の良い接合が可能となる。また、オフセット軸３は、接合ツール１をワークの表面方向に直線移動させるので、スイングと違い、比較的長い距離オフセット動作が可能であり、接合深さも安定するため接合強度を確保する。
【００６５】
また、押し込み動作中のアーム５０の変形によって生じるアーム５０の先端部５０ｃのオフセット方向への変位と逆の方向にオフセット動作を行うようにしたことで、一連の接合動作においてアーム５０の先端部５０ｃに保持されているワークの移動が小さくなり、ワーク上の接合ツール１の移動量とオフセット移動量との誤差を小さくすることができると共に、ワークの保持機構への負荷を減らすことができる。
【００６６】
さらに、第１実施形態と同様に、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のスライダ中心ＰＢを、オフセット軸３の軸線に沿って接合ツール１のオフセット動作時の進行方向ＹＢと逆の方向にずらして配置する、即ち、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のスライダ中心ＰＢをＹ方向に沿って胴部５０ｂから離れる方向に配置することにより、一連の接合動作においてアーム５０の先端部５０ｃに保持されているワークの移動が小さくなることに加えて、オフセット動作中にスライダ１１４に作用するモーメントを低減することができる。
【００６７】
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。
【００６８】
例えば、上記実施形態では、加圧軸テーブル２０をＵ字形状としたが、両腕部２３、２３の先端部同士を連結することで、図１２に示すように、ロ字形状の加圧軸テーブル２０Ａとしてもよい。なお、ロ字形状とは、閉空間若しくはこれと同等の空間部を略中央に備えたものを意味しており、その外観形状、閉空間の形状等は任意に選択され得る。ロ字形状とすることにより、加圧軸テーブル２０Ａの剛性があがり、両側に配置された案内レール１１３Ａ、１１３Ａ間が部材変形により離れるのを抑制することができ、部材剛性が向上する。また、加圧軸テーブル２０Ａの部材剛性が向上したことで案内レール１１３Ａ、１１３Ａ間が離れる変形に係る荷重の分だけオフセット軸３への荷重が低減するのでオフセット軸３の寿命延長が可能となる。
【００６９】
また、上記実施形態では、加圧軸２をボールねじ一体型直動案内ユニット１０によって構成したが、オフセット軸３と同様に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。
【００７０】
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、ある直動案内軸受の転動体はコロにし、別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。
【００７１】
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。
【００７２】
また、上記実施形態では、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。
【００７３】
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のボールねじ軸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によりボールねじ軸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】
【００７４】
１ 接合ツール
２ 加圧軸
３ オフセット軸
４ 旋回軸
１０ ボールねじ一体型直動案内ユニット（加圧軸、Ｘ軸）
１１ 直動案内軸受
１２ ボールねじ
１３ 案内レール（本体部）
１４ スライダ（可動部）
１７ ボールねじナット
１８ ボールねじ軸
２０ 加圧軸テーブル
３０ スピンドル
３３ スピンドルシャフト（回転部）
４８ 旋回軸ブラケット（固定部）
５０ Ｃ字形アーム
５０ａ 基端部
５０ｂ 胴部
５０ｃ 先端部
５２ 裏当て部材（ワーク支持部）
１１０Ａ 直動案内軸受
１１０Ｂ ボールねじ
１１３ 案内レール（固定部）
１１４ スライダ（可動部）
Ｍ１、Ｍ２ 摩擦撹拌接合装置
ＰＢ オフセット軸スライダ中心
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、前記接合ツール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撹拌し、それにより前記接合ツールを前記ワークに没入させる押し込み動作と、押し込み動作後、前記接合ツールをワークの表面方向に移動させるオフセット動作とを行うことで前記ワークを線状に接合する摩擦撹拌接合装置であって、
前記接合ツールをその中心軸線まわりに回転させる旋回軸と、
前記接合ツールを前記ワークに接近／離間させる加圧軸と、
前記接合ツールを前記加圧軸の軸線と直交する方向であるワークの表面方向に直線移動させるオフセット軸と、
互いに直交する２方向をＸ方向とＹ方向とすると、基端部からＸ方向に延びる胴部を経て曲がり部を介して先端部に至るＬ字形またはＣ字形をなしており、前記基端部と前記胴部と前記先端部とがＸ−Ｙ平面上に位置するように形成され、前記先端部にワーク支持部が設けられたアームと、を備え、
前記加圧軸は、その軸線方向がＸ方向に設定され、前記アームの基端部に結合された本体部と、該本体部に対してＸ方向にスライドする可動部とを有し、
前記オフセット軸は、その軸線方向がＹ方向に設定され、前記加圧軸の可動部に搭載された本体部と、該本体部に対してＹ方向にスライドする可動部とを有し、
前記旋回軸は、前記オフセット軸の可動部に搭載された本体部と、前記ワーク支持部に保持されたワークに先端が対向するように前記接合ツールを保持した回転部とを有していることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項２】
前記加圧軸の可動部には、Ｕ字形状又はロ字形状の加圧軸テーブルが取り付けられており、
前記加圧軸テーブルには、前記オフセット軸の案内レールが取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項３】
前記加圧軸に、直動案内軸受のスライダにボールねじナットを形成して該ボールねじナットにボールねじ軸を貫通させたボールねじ一体型直動案内ユニットが用いられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項４】
前記接合ツールの中心軸線に対し、前記オフセット軸を構成する前記直動案内軸受のスライダのスライダ中心が、前記オフセット軸の軸線に沿って接合ツールのオフセット動作時の進行方向と逆の方向にずらして配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項５】
前記接合ツールの中心軸線と、前記オフセット軸を構成する前記直動案内軸受のスライダのスライダ中心との、オフセット軸の軸線に沿った方向における距離をＬｖ、前記接合ツールの中心軸線の前記加圧軸の軸線に対する傾き角度をα、前記接合ツールに反力として作用する加圧力をＦ、前記オフセット軸を構成する直動案内軸受のスライダのスライダ中心から前記接合ツールの先端まで距離をＤｔ、前記オフセット軸を移動させる際の抵抗であるオフセット荷重をＦｙとしたとき、
Ｌｖ＝Ｄｔ×Ｆｙ／（Ｆ×ｃｏｓα）
の関係になるようにしたことを特徴とする請求項４に記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項６】
前記オフセット軸は、押し込み動作中の、前記アームの変形によって生じる前記アームの先端部のオフセット方向への変位と逆方向にオフセット動作を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項７】
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、
前記ワークは、直交する２方向をＸ方向とＹ方向とすると、基端部からＸ方向に延びる胴部を経て曲がり部を介して先端部に至るＬ字形またはＣ字形をなしており、前記基端部と前記胴部と前記先端部とがＸ−Ｙ平面上に位置するように形成されたアームの先端部に保持され、
前記接合ツールをＹ方向に直線移動させることでオフセット動作を行うことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項８】
押し込み動作中の、前記アームの変形によって生じる前記アームの先端部のオフセット方向への変位と逆方向に前記オフセット動作を行うことを特徴とする請求項７に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項１】
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、前記接合ツール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撹拌し、それにより前記接合ツールを前記ワークに没入させる押し込み動作と、押し込み動作後、前記接合ツールをワークの表面方向に移動させるオフセット動作とを行うことで前記ワークを線状に接合する摩擦撹拌接合装置であって、
前記接合ツールをその中心軸線まわりに回転させる旋回軸と、
前記接合ツールを前記ワークに接近／離間させる加圧軸と、
前記接合ツールを前記加圧軸の軸線と直交する方向であるワークの表面方向に直線移動させるオフセット軸と、
互いに直交する２方向をＸ方向とＹ方向とすると、基端部からＸ方向に延びる胴部を経て曲がり部を介して先端部に至るＬ字形またはＣ字形をなしており、前記基端部と前記胴部と前記先端部とがＸ−Ｙ平面上に位置するように形成され、前記先端部にワーク支持部が設けられたアームと、を備え、
前記加圧軸は、その軸線方向がＸ方向に設定され、前記アームの基端部に結合された本体部と、該本体部に対してＸ方向にスライドする可動部とを有し、
前記オフセット軸は、その軸線方向がＹ方向に設定され、前記加圧軸の可動部に搭載された本体部と、該本体部に対してＹ方向にスライドする可動部とを有し、
前記旋回軸は、前記オフセット軸の可動部に搭載された本体部と、前記ワーク支持部に保持されたワークに先端が対向するように前記接合ツールを保持した回転部とを有していることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項２】
前記加圧軸の可動部には、Ｕ字形状又はロ字形状の加圧軸テーブルが取り付けられており、
前記加圧軸テーブルには、前記オフセット軸の案内レールが取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項３】
前記加圧軸に、直動案内軸受のスライダにボールねじナットを形成して該ボールねじナットにボールねじ軸を貫通させたボールねじ一体型直動案内ユニットが用いられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項４】
前記接合ツールの中心軸線に対し、前記オフセット軸を構成する前記直動案内軸受のスライダのスライダ中心が、前記オフセット軸の軸線に沿って接合ツールのオフセット動作時の進行方向と逆の方向にずらして配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項５】
前記接合ツールの中心軸線と、前記オフセット軸を構成する前記直動案内軸受のスライダのスライダ中心との、オフセット軸の軸線に沿った方向における距離をＬｖ、前記接合ツールの中心軸線の前記加圧軸の軸線に対する傾き角度をα、前記接合ツールに反力として作用する加圧力をＦ、前記オフセット軸を構成する直動案内軸受のスライダのスライダ中心から前記接合ツールの先端まで距離をＤｔ、前記オフセット軸を移動させる際の抵抗であるオフセット荷重をＦｙとしたとき、
Ｌｖ＝Ｄｔ×Ｆｙ／（Ｆ×ｃｏｓα）
の関係になるようにしたことを特徴とする請求項４に記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項６】
前記オフセット軸は、押し込み動作中の、前記アームの変形によって生じる前記アームの先端部のオフセット方向への変位と逆方向にオフセット動作を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項７】
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、
前記ワークは、直交する２方向をＸ方向とＹ方向とすると、基端部からＸ方向に延びる胴部を経て曲がり部を介して先端部に至るＬ字形またはＣ字形をなしており、前記基端部と前記胴部と前記先端部とがＸ−Ｙ平面上に位置するように形成されたアームの先端部に保持され、
前記接合ツールをＹ方向に直線移動させることでオフセット動作を行うことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項８】
押し込み動作中の、前記アームの変形によって生じる前記アームの先端部のオフセット方向への変位と逆方向に前記オフセット動作を行うことを特徴とする請求項７に記載の摩擦攪拌接合方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−９９７７７（Ｐ２０１３−９９７７７Ａ）
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１４８４６２（Ｐ２０１２−１４８４６２）
【出願日】平成２４年７月２日（２０１２．７．２）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年７月２日（２０１２．７．２）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
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