JP2010194603A - 摩擦撹拌接合装置及びこれに使用する摩擦攪拌接合用ボールねじ軸 - Google Patents

Abstract

【課題】ボールねじ軸の外径及び負荷容量を大きくすることなく小型化及び軽量化することができる摩擦撹拌用ボールねじ及びこれを備えた摩擦撹拌接合装置を提供する。
【解決手段】接合ツール２３を支持するスプライン付きボールねじ軸２０と、該スプライン付きボールねじ軸２０の軸方向移動及び回転を制御する駆動機構９，１０とを備え、前記スプライン付きボールねじ軸２０をボールねじ軸方向に移動させ、前記接合ツール２３とワークとを接触させた状態で、前記スプライン付きボールねじ軸２０の回転及び押圧によって接合ツール２３とワークとの接合部で発生する摩擦熱で溶融し、撹拌して前記ワークを接合する摩擦撹拌接合装置４において、前記スプライン付きボールねじ軸２０の一端に前記接合ツール２３が一体形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、接合ツールを支持するスプライン付きボールねじ軸と、該スプライン付きボールねじ軸の軸方向移動及び回転を制御する駆動機構とを備え、前記スプライン付きボールねじをボールねじ軸方向に移動させ、前記接合ツールとワークとを接触させた状態で、前記スプライン付きボールねじ軸の回転及び押圧によって接合ツールとワークとの接合部で発生する摩擦熱で溶融し、撹拌して前記ワークを接合する摩擦撹拌接合装置及びこれに使用する摩擦攪拌接合用ボールねじ軸に関する。

従来のスプライン付きボールねじとしては、例えば特許文献１〜４に記載されているものが知られている。
これら特許文献１〜４には、ボールねじ軸と、このボールねじ軸の外周面に形成されたボールねじ溝と対向するボールねじ溝を内周面に有するボールねじナットと、ボールねじ軸の外周面に形成されたボールスプライン溝と対向するボールスプライン溝を内周面に有するボールスプラインナットとを備えており、ボールねじ軸及びボールねじナットのボールねじ溝間とボールねじ軸及びボールスプラインナットのボールスプライン溝とに多数のボールが一列に配設された摩擦撹拌接合用ボールねじの基本構造が記載されている。

これらの特許文献１〜４に記載された従来例のスプライン付きボールねじのボールねじナット及びボールスプラインナットは、外周に軸受を設けることで、ナット回転で用いることができる。そこで、特許文献５に記載されているものが知られている。
この特許文献５の従来例には、入力側回転軸に増速比Ｚを有する回転伝達機構を介して増速結合される出力軸を連結し、前記入力側回転軸の回転角αを３６０度未満に規制しつつ前記出力軸の回転角βをα×Ｚとして３６０度以上の回転角度を許容する回転伝達制御機構が記載されている。

このようなスプライン付きボールねじは、例えばボールねじナットが回転するとボールねじ軸が軸方向に移動し、ボールスプラインナットが回転するとボールねじ軸が回転するので、従来スカラー型ロボットのＺ−θ軸アクチュエータとして用いられている。
ここで、スプライン付きボールねじは、図１１に示すように、スプライン付きボールねじ軸１００の外周面に回転駆動可能なボールねじナット１０１及びボールスプラインナット１０２を備えている。そして、ボールねじナット１０１は、回転伝達手段１０３を介して図示しないモータによって回転駆動されている。また、ボールスプラインナット１０２は、回転伝達手段１０４を介して図示しないモータによって回転駆動されている。

ここで、スプライン付きボールねじ軸１００の軸方向移動は、ボールねじナット１０１の回転数をＮ１とし、ボールスプラインナット１０２の回転数をＮ２とし、スプライン付きボールねじ軸１００の長さをＬとすると、
｜Ｎ１−Ｎ２｜×Ｌ
で表すことができ、スプライン付きボールねじ軸１００の回転数はＮ２となる。
また、従来の摩擦撹拌接合装置としては、特許文献６及び特許文献７に記載されているものが知られている。

特許文献６に記載された従来例には、高速回転する回転子を軸線の方向に移動させ、回転子の回転子本体に連なる先端部を被接合物に押圧し、回転により前記先端部と前記被接合物の接触との摩擦熱で前記接触部を軟化させ、撹拌して被接合物を接合する摩擦撹拌接合装置が記載されている。
特許文献７に記載された従来例には、高速回転する回転子を回転軸線方向に移動させ、先端部を被接合物に押圧し、回転により前記先端部と前記被接合物との接触部の摩擦熱で軟化させ、撹拌して被接合物を接合する摩擦撹拌接合装置が記載されている。

特開昭６２−１６５０５７号公報 特開平４−２２４３５１号公報 特開平４−３４７５５６号公報 特開２００３−２６９５６６号公報 特開２０００−３４６１５０号公報 特許第３２９１４９１号公報 特許第３４７１３０８号公報

しかしながら、上記特許文献５に記載された従来例にあっては、ボールねじ軸を高速で回転し、ボールねじ軸の軸方向移動を１ｍｍ／ｓｅｃ等の低速で制御するといった用途の場合は、ボールねじナットとボールスプラインナットとを別々の駆動源で制御すると、一方の駆動源が異常停止した際に、Ｎ１＝０又はＮ２＝０となり、ボールねじ軸がＮ１×Ｌ又はＮ２×Ｌで軸方向移動してしまう。さらに、Ｎ１及びＮ２の一方が制御を失い、回転が不確定になると、軸方向移動が生じないようにもう一方の回転数を｜Ｎ１−Ｎ２｜＝０と制御することができなくなる。そうすると、ボールねじ軸は急激に移動し機械の構造によって定まるストローク端に衝突するなど、安全上の問題が生じてしまうという未解決の課題がある。

また、特許文献６及び７に記載された従来例にあっては、軸方向移動の伝達手段であるボールねじ軸と接合ツールを回転させる回転軸とが同軸上に構成することで、回転軸を保持する移動体にモーメントがかからないようにしている。しかし、これら従来例は、ボールねじ溝とボールスプライン溝とが夫々異なる軸に形成されている。すなわち、例えば中空形状のボールねじ軸の外周面にボールねじ溝を形成し、ボールねじ軸内に回転軸を挿通されている。そして、その回転軸は、スプライン溝によって回転が伝達されている。この場合の回転軸は、危険速度の観点からある程度の外径が必要となり、ボールねじ軸の内径がさらに大きくなり、ボールねじ軸の外径を大きくせざる得ないことから、結果的に外径の大きいボールねじ軸を採用することになり、装置が大型化してしまうという未解決の課題がある。

さらに、特許文献６及び７に記載された従来例にあっては、接合ツールを容易に交換できるように工具脱着機構によって保持しているが、この工具脱着機構によって重量が増加するという未解決の課題がある。
さらにまた、特許文献６及び７に記載された従来例には、ボールねじ軸に接合ツールを装着する際に、ボールねじ軸に接合ツールを同軸上に装着することができないと偏心を引き起こし、ボールねじナット、ボールスプラインナット及びこれらを回転自在に保持する軸受に接合時の加圧によるモーメント負荷が伴う負荷がかかる。このため、ボールねじ軸の一端の質量が大きいほどその影響が大きくなり、音響の低減や装置の寿命等のためにボールねじナット、ボールスプラインナット及びこれらを回転自在に保持する軸受の剛性を上げなくてはならないという未解決の課題がある。

さらにまた、特許文献６及び７に記載された従来例は、ボールねじ軸と別体である接合ツールが消耗品であることから、接合ツールを交換して用いるものであり、接合駆動部は何本もの接合ツールの寿命に合わせて寿命計算するため、ボールねじ軸が負荷容量の大きいものでなければならないという未解決の課題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、ボールねじ軸の外径及び負荷容量を大きくすることなく小型化及び軽量化することができる摩擦撹拌接合装置及びこれに使用するスプライン付きボールねじ軸を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に係る摩擦撹拌接合装置は、接合ツールを支持するスプライン付きボールねじ軸と、該スプライン付きボールねじ軸の軸方向移動及び回転を制御する駆動機構とを備え、前記スプライン付きボールねじ軸をボールねじ軸方向に移動させ、前記接合ツールとワークとを接触させた状態で、前記スプライン付きボールねじ軸の回転及び押圧によって接合ツールとワークとの接合部で発生する摩擦熱で溶融し、撹拌して前記ワークを接合する摩擦撹拌接合装置において、前記スプライン付きボールねじ軸の一端に前記接合ツールが一体形成されていることを特徴としている。

また、請求項２に係る摩擦撹拌接合装置は、接合ツールを支持するスプライン付きボールねじ軸と、該スプライン付きボールねじ軸の軸方向移動及び回転を制御する駆動機構とを備え、前記スプライン付きボールねじ軸をボールねじ軸方向に移動させ、前記接合ツールとワークとを接触させた状態で、前記スプライン付きボールねじ軸の回転及び押圧によって接合ツールとワークとの接合部で発生する摩擦熱で溶融し、撹拌して前記ワークを接合する摩擦撹拌接合装置において、前記スプライン付きボールねじ軸は、ボールねじ溝とボールスプライン溝とを有し、前記駆動機構は、前記ボールねじ溝に対向して転動体転動通路を形成するボールねじ溝を有するボールねじナットと、前記ボールスプライン溝に対向して転動体転動通路を形成するボールスプライン溝を有するボールスプラインナットと、前記転動体転動通路に充填される多数の転動体と、前記ボールねじナット及びボールスプラインナットに回転伝達手段を介して回転駆動力を与える少なくとも１つの回転駆動源とを備え、前記ボールねじナット及び前記ボールスプラインナットが軸方向に近接配置され、異常発生時に前記ボールネジナット及び前記ボールスプラインナット間を連結するブレーキ機構を備えていることを特徴としている。

さらに、請求項３に係る摩擦撹拌接合装置は、請求項２に係る発明において、前記ブレーキ機構は電磁ブレーキで構成されていることを特徴としている。
さらにまた、請求項４に係る摩擦撹拌接合装置は、請求項３に係る発明において、前記電磁ブレーキは、無通電時に弾性体の力によって作動する無励磁作動型ブレーキで構成されていることを特徴としている。

なおさらに、請求項５に係る摩擦撹拌接合装置は、接合ツールを支持するスプライン付きボールねじ軸と、該スプライン付きボールねじ軸の軸方向移動及び回転を制御する駆動機構とを備え、前記スプライン付きボールねじ軸をボールねじ軸方向に移動させ、前記接合ツールとワークとを接触させた状態で、前記スプライン付きボールねじ軸の回転及び押圧によって接合ツールとワークとの接合部で発生する摩擦熱で溶融し、撹拌して前記ワークを接合する摩擦撹拌接合装置において、前記スプライン付きボールねじ軸は、ボールねじ溝とボールスプライン溝とを有し、前記駆動機構は、前記ボールねじ溝に対向して転動体転動通路を形成するボールねじ溝を有するボールねじナットと、前記ボールスプライン溝に対向して転動体転動通路を形成するボールスプライン溝を有するボールスプラインナットと、前記転動体転動通路に充填される多数の転動体と、前記ボールねじナット及び前記ボールスプラインナットの何れか一方を回転伝達手段を介して回転駆動させる第１の回転駆動源と、前記ボールねじナット及び前記ボールスプラインナットの他方を回転伝達手段及びデファレンシャギヤユニットを介して回転駆動させる第２の回転駆動源とで構成されていることを特徴としている。

また、請求項６に係る摩擦撹拌接合装置は、請求項５に係る発明において、第２の回転駆動源は、前記ブレーキ付きモータで構成されていることを特徴としている。
さらに、請求項７に係る摩擦撹拌接合用ボールねじ軸は、請求項２乃至６の何れか１項
に記載の摩擦撹拌接合装置において、前記ボールねじ溝と前記ボールスプライン溝とを有する前記スプライン付きボールねじ軸と前記接合ツールとが一体に形成されていることを特徴としている。

本発明によれば、ボールねじ軸の一端に接合ツールを一体形成することによって、ボールねじ軸の外径及び負荷容量を大きくすることなく小型化及び軽量化することができるという効果が得られる。

本発明による摩擦撹拌接合装置をロボットアームの先端部の接合ガンに適用した状態を示す概略構成図である。 本発明の第１実施形態を一部を破断して示す側面図である。 摩擦撹拌接合用ボールねじの説明に供する一部を破断して示す拡大断面図である。 摩擦撹拌接合用ボールねじの説明に供する拡大側面図である。 第２の実施形態を一部を破断して示す側面図である。 第３の実施形態を一部を破断して示す側面図である。 第４の実施形態を一部を破断して示す側面図である。 第２の実施形態の変形例を示す側面図である。 第３の実施形態の変形例を示す側面図である。 第４の実施形態の変形例を示す側面図である。 摩擦撹拌接合用ボールねじのボールねじナット及びボールねじナットの回転数の説明に供する側面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明による摩擦撹拌接合装置をロボットアームの先端部の接合ガンに適用した状態を示す概略構成図であって、図中、１はロボットアーム２の先端部に装着された接合ガンであって、ロボットアーム２とは反対側に摩擦撹拌接合装置４を備えた本体３と、この本体３の下面のロボットアーム２側の端部に連設されたＬ字状のアーム部５とによって構成されている。ここで、アーム部５の後述する接合ツール２３の小径部２３ｂと対向する先端部には、図示しない上下方向に重なった２枚のワークのうち下方のワークの下面への裏当て材としての裏当て部材５ａ及び荷重検出器が形成されている。

摩擦撹拌接合装置４は、図２に示すように、本体３の固定部材３ａに回転自在且つ軸方向に移動自在に支持された摩擦撹拌接合用ボールねじ６を有する。
この摩擦撹拌接合用ボールねじ６は、図２〜４に示すように、スプライン付きボールねじ軸２０と、そのスプライン付きボールねじ軸２０の外周面に回転移動可能に形成されたボールねじナット２１と、ボールねじ軸２０の外周面のボールねじナット２１の下方に近接対向されて回転可能に形成されたボールスプラインナット２２と、スプライン付きボールねじ軸２０の下端面に中心軸に沿って下方に突出するように摩擦圧接によって一体形成された接合ツール２３を備えている。

スプライン付きボールねじ軸２０は、焼入れ性及び研削性に優れた例えばクロムモリブデン鋼を用いることができる。そして、スプライン付きボールねじ軸２０の外周面には、ボールねじ溝２０ａ及び複数のボールスプライン溝２０ｂが形成されている。
ボールねじナット２１は、図３に示すように、ボールねじ軸２０の外周面に所定間隔保って対向する円筒部２１ａと、その円筒部２１ａの内周面の上下両端部に形成されたエンドキャップ２１ｂ及び２１ｃと、円筒部２１ａのエンドキャップ２１ｂ及び２１ｃ間の内周面に形成されたボールねじ溝２０ａに対向して転動体転動路２５を構成するボールねじ溝２１ｄとを備え、転動体転動路２５内に転動自在に多数の転動体としてのボール２１ｅが充填されている。そして、円筒部２１ａとエンドキャップ２１ｂ及び２１ｃとには、転動体転動路２５の両端部に連設することで転動体転動路２５内を転動したボール２１ｅを初期位置に戻すボール循環路２１ｆが形成されている。

ボールスプラインナット２２は、図３に示すように、ボールねじ軸２０の外周面に所定間隔保って対向する円筒部２２ａと、その円筒部２２ａの内周面の上下両端部に形成されたエンドキャップ２２ｂ及び２２ｃと、円筒部２２ａのエンドキャップ２２ｂ及び２２ｃ間の内周面に複数のボールスプライン溝２０ｂに対向して転動体転動路２６を形成する複数のボールスプライン溝２２ｄとを備え、転動体転動路２６内に転動自在に多数の転動体としてのボール２２ｅが充填されている。そして、エンドキャップ２２ｂ及び２２ｃには、隣接する転動体転動路２６の上下端部間を連結させることで転動体転動路２６内を転動したボール２２ｅを初期位置に戻すボール循環路２２ｆが形成されている。

接合ツール２３は、図４に拡大して示すように、ボールねじ軸２０の下端面に連設されボールねじ軸２０の外径より小さい外径の円柱状の大径部２３ａと、この大径部２３ａの下端面に連設され大径部２３ａの外径より小さい外径の小径部２３ｂとを備えている。ここで、小径部２３ｂの外周面には、螺旋溝が形成されている。そして、小径部２３ｂは、図示しない上下方向に重なった２枚のワークのうち上方のワークの上方から回転駆動させながら下降させることで図示しない上下方向に重なった２枚のワークのうち上方のワークの上面に回転駆動されながら押圧し、アーム部５の裏当て部材５ａ及び荷重検出器との間で図示しない上下方向に重なった２枚のワークを挟んで対向するようにされている。ここで、接合ツール２３は、耐磨耗性に優れた例えば工具鋼を適用することができる。

そして、ボールねじナット２１及びボールスプラインナット２２は、図２に示すように、円筒部２１ａ及び２２ａの外周面の上下両端部寄り位置に内輪が固定された転がり軸受３０と、その転がり軸受３０の外輪を内周面に固定し外周面が固定部材３ａによって固定されたナットホルダ３１及び３２とによって回転自在に保持されている。ここで、スプライン付きボールねじ軸２０は、ボールねじナット２１が回転駆動することによって軸方向に移動することが可能となり、ボールスプラインナット２２が回転駆動することによって回転駆動することが可能とされている。

ナットホルダ３１及び３２は、図２に示すように、内周面に転がり軸受３０を固定する円筒部３１ａ及び３２ａと、この円筒部３１ａの上端部及び円筒部３２ａの下端部に連設されたフランジ部３１ｂ及び３２ｂとを備えている。そして、ナットホルダ３１及び３２は、円筒部３１ａ及び３２ａのフランジ部３１ｂ及び３２ｂとは反対側の面が互いに対向するように固定部材３ａに固定されている。
そして、円筒部２１ａの上端部及び円筒部２２ａの下端部には、図２に示すように、従動プーリ３５及び３６が固定されている。ここで、従動プーリ３５及び３６は、例えばタイミングプーリを適用することができる。

そして、ボールねじナット２１は、回転伝達手段としての回転伝達機構７を介して固定部材３ａに回転軸９ａを下側として固定された電動モータ９に連結されて回転駆動される。回転伝達機構７は、電動モータ９の回転軸９ａに装着された駆動プーリ１１と、ボールねじナット２１に装着された従動プーリ３５と、駆動プーリ１１及び従動プーリ３５間に張設されたタイミングベルト３９とで構成されている。
また、ボールスプラインナット２２は、回転伝達手段としての回転伝達機構８を介して固定部材３ａに回転軸１０ａを下側として固定された電動モータ１０に連結されて回転駆動される。回転伝達機構８は、電動モータ１０の回転軸１０ａに装着された駆動プーリ１２と、ボールスプラインナット２２に装着された従動プーリ３６と、駆動プーリ１２及び従動プーリ３６間に張設されたタイミングベルト４０とで構成されている。

次に上記実施形態の動作について説明する。
図示しない上下方向に重なった２枚のワークを接合するには、先ず、図示しない上下方向に重なった２枚のワークのうち下方のワークの下面にアーム部５の裏当て部材５ａ及び荷重検出器を当接させた状態で、電動モータ１０を例えば正転駆動することによって回転伝達手段８を介してボールスプラインナット２２を正転駆動させ、ボールねじ軸２０を正転駆動させる。
これと同時に、電動モータ９を電動モータ１０より高回転速度で正転駆動することによって、回転伝達機構７を介してボールねじナット２１を正転駆動させ、ボールねじ軸２０を下降させる。

そして、ボールねじ軸２０の先端部に一体形成された接合ツール２３の小径部２３ｂの先端面を図示しない上下方向に重なった２枚のワークの裏当て部材５ａとは反対側の上面に押圧させる。
この状態を持続することによって、小径部２３ｂを正転駆動するによって発生する摩擦熱で図示しない上下方向に重なった２枚のワークのうち上方のワークの接触部が溶融され、徐々に図示しない下方のワーク内に挿入され、裏当て部材５ａ近傍まで挿入され、この状態で、ボールねじ軸２０を移動方向に反転させて上昇させることにより、図示しないワークの溶融部が固化されて両者が接合される。

さらに、接合ツール２３がボールねじ軸２０の中心軸と同軸上に一体形成されているので、偏心を引き起こすことなくボールねじナット２１、ボールスプラインナット２２及び転がり軸受３０に接合時の加圧によるモーメント負荷に伴う負担がかかることがない。このため、ボールねじナット、ボールスプラインナット及びこれらを回転自在に保持する軸受の剛性を上げる必要がなくなり、摩擦撹拌接合用ボールねじ４の軽量化をすることができる。
さらに、ボールねじ軸２０にボールねじ溝２０ａとボールスプライン溝とが形成されているので、ボールねじ軸２０の外径を大きくする必要がなくなり、摩擦撹拌接合用ボールねじ４を小型化及び軽量化することができる。
さらにまた、用途の違うボールねじ軸２０及び接合ツール２３にそれぞれの用途に適した材料を用いているので、ボールねじ軸２０の寿命を何本もの接合ツール２３の寿命に合わせる必要がなく、ボールねじ軸２０の小型化及び軽量化をすることができる。

次に、第２の実施形態を図５について説明する。
ここで、図５は、第２の実施形態を一部を破断して示す側面図である。
この第２の実施形態では、モータや制御装置等の異常発生時にボールねじナット２１及びボールスプラインナット２２の回転数を一致させることでボールねじ軸２０の下降を防止するようにしたものである。

すなわち、第２の実施形態では、ナットホルダ３１及び３１に固定されたハウジング４０内に、ボールねじナット２１の下端部に例えばスプライン結合されてボールねじナット２１と一体となって回転駆動し異常発生時に下方に移動可能な第１のブレーキロータ４１と、ボールスプラインナット２２の上端部に固定されこのボールスプラインナット２２と一体となって回転駆動する第２のブレーキロータ４２と、ハウジング４０の上面板に固定されて第１のブレーキロータ４１の上面に摺接する圧縮コイルばね４３と、ハウジング４０の上面板に固定され、通電時に第１のブレーキロータ４１の上面に固定された永久磁石を前記圧縮コイルばね４３に抗して吸引する電磁ソレノイド４４とを有する電磁ブレーキとしての無励磁作動型ブレーキ４５を備えていることを除いては上記第１の実施形態と同様の構成を有し、図２との対応部分には同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。
ここで、第１のブレーキロータ４１は、図５に示すように、有底円筒部の内周面にすり鉢状の凹部が形成されている。また、第２のブレーキロータ４２は、図５に示すように、外周面が第１のブレーキロータ４１の凹部と係合可能な裁頭円錐形外周面を有する。

次に第２の実施形態の動作について説明する。
今、正常状態では、無励磁作動型ブレーキ４５の電磁ソレノイド４４を図示しない制御装置によって通電状態として、第１のブレーキロータ４１を圧縮コイルばね４３に抗して第２ブレーキロータ４２とは離間する方向の上方に吸引しており、第１のブレーキロータ４１及び第２のブレーキロータ４２間に制動力が作用しない状態としておく。この正常状態で、図示しない上下方向に重なった２枚のワークを接合するには、先ず、図示しないワークの下面にアーム部５の裏当て部材５ａを当接させた状態で、電動モータ１０を正転駆動することによって回転伝達機構８を介してボールスプラインナット２２を正転駆動させ、ボールねじ軸２０を正転駆動させる。

この状態で、電動モータ９を電動モータ１０より高回転で正転駆動することによって、回転伝達機構７を介してボールねじナット２１を正転駆動させ、ボールねじ軸２０を下降させることにより、前述した第１の実施形態と同様に上下方向に重なった２枚のワークを摩擦接合することができる。
この摩擦接合状態で、ボールねじナット２１を回転伝達機構８７を介して回転駆動させる電動モータ９及びその駆動回路の少なくとも一方に異常が発生し、電動モータ９の回転数が電動モータ１０の回転数より低回転となる異常が検出された場合には、図示しない制御装置によって、第１のブレーキロータ４１を固定していた電磁ソレノイド４４への通電を停止し、第１のブレーキロータ４１を圧縮コイルばね４３の弾性力によって下降させる。

このように、第１のブレーキロータ４１が下降することによって、第１のブレーキロータ４１の内周面が第２のブレーキロータ４２の外周面に圧接されて、第１のブレーキロータ４１と第２のブレーキロータ４２とが一体となって回転駆動することで、ボールねじナット２１及びボールスプラインナット２２の回転数を一致させることができる。
そして、異常発生にボールねじナット２１の回転速度とボールスプラインナット２２との回転速度の差が大きくなることを防止し、ボールねじ軸２０の下降を防止することができる。

この第２の実施形態でも、接合ツール２３がボールねじ軸２０の中心軸と同軸上に一体形成されているので、偏心を引き起こすことなくボールねじナット２１、ボールスプラインナット２２及び転がり軸受３０に接合時の加圧によるモーメント負荷に伴う負担がかかることがない。このため、ボールねじナット、ボールスプラインナット及びこれらを回転自在に保持する軸受の剛性を上げる必要がなくなり、摩擦撹拌接合用ボールねじ４の軽量化をすることができる。

さらにまた、ボールねじ軸２０にボールねじ溝２０ａとボールスプライン溝とが形成されているので、ボールねじ軸２０の外径を大きくする必要がなくなり、摩擦撹拌接合用ボールねじ４を小型化及び軽量化することができる。
なおさらに、用途の違うボールねじ軸２０及び接合ツール２３にそれぞれの用途に適した材料を用いているので、ボールねじ軸２０の寿命を何本もの接合ツール２３の寿命に合わせる必要がなく、ボールねじ軸２０の小型化及び軽量化をすることができる。
なお、第１及び第２の実施形態においては、ボールねじ軸２０の外周面に、ボールねじナット２１の下方に所定間隔を保ってボールスプラインナット２２を配設した場合について説明したが、これに限定されるものではなくボールねじナット２１とボールスプラインナット２２との上下関係を逆として、ボールねじ軸２０の外周面に、ボールスプラインナット２２の下方に所定間隔を保ってボールねじナット２１を配設することもできる。

また、第２の実施形態においては、電磁ブレーキとして無励磁作動型ブレーキ４５を用いた場合について説明したが、これに限定されるものではなく無励磁作動型ブレーキ４５に代えて励磁作動型ブレーキを用いることもできる。励磁作動型ブレーキは、通電時に作動するタイプの電磁ブレーキである。異常が発生した場合に励磁作動型ブレーキを作動させることにより、ボールねじナット２１の回転数とボールスプラインナット２２の回転数とを互いに一致させる。これにより、ボールねじ軸２０の下降を防止することができる。

次に、第３の実施形態を図６について説明する。
ここで、図６は、第３の実施形態を一部を破断して示す側面図である。
この第３の実施形態では、ボールねじナット２１及びボールスプラインナット２２を回転駆動させる回転駆動力に差動機構を介在させるようにしたものである
すなわち、第３の実施形態では、図６に示すように、摩擦撹拌接合用ボールねじ４のボールねじ軸２０と所定間隔を保って平行に回転駆動軸５３を固定部材３ａに回転自在に配設し、この回転駆動軸５３の上端にデファレンシャルギヤユニット５４を介して電動モータ５５の出力軸５５ａを連結するとともに、回転駆動軸５３に一体に形成した従動プーリ５７ｂと固定部材３ａに固定した電動モータ５６の出力軸５６ａに装着した駆動プーリ５７ａとの間にタイミングベルト５７ｃを張設されている。

そして、回転駆動軸５３の下端に配設された駆動プーリ５８ａとボールスプラインナット２２に一体に形成された従動プーリ５８ｂとの間にタイミングベルト５８ｂが張設されている。
電動モータ５５は、回転数が電動モータ５６の回転数より所定回転数低く選定され、停電や電動モータ５５等の異常発生時にボールねじ軸２０が下降しないように例えばブレーキ付きモータが適用されている。

デファレンシャルギヤユニット５４は、電動モータ５５の出力軸５５ａと一体となって回転駆動するデファレンシャルギヤ５４ａと、このデファレンシャルギヤ５４ａに所定間隔を保って対向し回転駆動軸５３と一体となって回転駆動するデファレンシャルギヤ５４ｂと、これらデファレンシャルギヤ５４ａ及び５４ｂの外周面に噛合し回転支持部材５９と一体に形成された一対のデファレンシャルロータギヤ５４ｃ及び５４ｄとを備えている。

そして、デファレンシャルロータギヤ５４ｃ及び５４ｄに一体に形成された回転支持部材５９を介して配置された駆動プーリ６１ａとボールねじナット２１に一体に形成された従動プーリ６１ｂとの間にタイミングベルト６１ｃが張設されている。そして、駆動プーリ６１ａは、軸方向に貫通する回転駆動軸５３の外径より大きい内径の貫通孔６１ｄが形成されている。そして、回転駆動軸５３は、貫通孔６１ｄを貫通することによって電動モータ５５の出力軸５５ａと同軸上に配置されている。そして、回転駆動軸５３及び駆動プーリ６１ａは、外周面が転がり軸受６０によって固定され、その転がり軸受６０の外周面が固定部材３ａに固定されることによって回転自在に保持されている。

ここで、各プーリ比と各ギヤ比とは、デファレンシャルギヤ５４ｂの回転数Ｎｓが０すなわち停止した場合に、ボールねじナット２１の回転数Ｎ１とボールスプラインナット２２の回転数Ｎ２とが等しくなるように設定されている。そして、駆動プーリ５７ａ及び５８ａと従動プーリ５７ｂ及び５８ｂとは、プーリ比が１：１に選定されている。そして、デファレンシャルギヤ５４ａ及び５４ｂとデファレンシャルロータギヤ５４ｃ及び５４ｄとは、ギヤ比が１：１：に選定されている。そして、駆動プーリ６１ａと従動プーリ６１ｂとは、デファレンシャルギヤ５４ｂの回転数Ｎｍとし、デファレンシャルロータギヤ５４ｃ及び５４ｄの公転回転数Ｎｄｒとすると、Ｎｓ＝０のときに、
Ｎｄｒ＝Ｎｍ／２
となるから、プーリ比が２：１に選定されている。

次に、第３の実施形態の動作を説明する。
図示しない上下方向に重なった２枚のワークを接合するには、先ず、図示しない上下方向に重なった２枚のワークのうち下方のワークの下面にアーム部５の裏当て部材５ａ及び荷重検出器を当接させた状態で、電動モータ５６を正転駆動させると共に、電動モータ５５を逆転駆動させる。
このとき、電動モータ５６の回転駆動力によって回転伝達機構５７を介して回転駆動軸５３を正転駆動させる。
この状態で、回転駆動軸５３の回転駆動力を回転伝達機構５８を介してボールスプラインナット２２に伝達し、ボールスプラインナット２２を正転駆動させる。

そして、電動モータ５５の出力軸５５ａに連結されたデファレンシャルギヤ５４ａが逆転駆動し、デファレンシャルギヤ５４ａの回転数とデファレンシャルギヤ５４ｂとの回転数の差が生じ、デファレンシャルロータギヤ５４ｃ及び５４ｄが回転駆動し、駆動プーリ６１ａを正転駆動させる。
このとき、駆動プーリ６１ａが従動プーリ６１ｂとのプーリ比が２倍となるように選定されているので、ボールねじナット２１の回転数がボールスプラインナット２２の回転数より高くなり、ボールねじ軸２０を回転させながら下降させることができる。
ここで、電動モータ５５及びその駆動回路の少なくとも一方に異常が発生した場合には、内蔵するブレーキを作動させて停止させる。

この場合には、電動モータ５６の回転駆動力によって回転伝達機構５８を介して回転駆動軸５３の正転駆動を継続させる。
したがって、電動モータ５５の出力軸５５ａの停止に伴って、デファレンシャルギヤ５４ａが停止し、回転駆動軸５３と一体となって正転駆動するデファレンシャルギヤ５４ｂには電動モータ５６から回転駆動力が伝達され一対のデファレンシャルロータギヤ５４ｃ及び５４ｄを回転駆動させる。このため、一対のデファレンシャルロータギヤ５４ｃ及び５４ｄが回転駆動されることで駆動プーリ６１ａが正転駆動されてタイミングベルト６１ｃを介して従動プーリ６１ｂが正転駆動され、ボールねじナット２１を正転駆動させる。

このとき、デファレンシャルロータギヤ５４ｃ及び５４ｄの回転数がデファレンシャルギヤ５４ｂの回転数の１／２倍となるが、駆動プーリ６１ａを従動プーリ６１ｂとのプーリ比が２倍となるように選定されているので、ボールねじナット２１の回転数とボールスプラインナット２２の回転数とを等しくすることができる。
そして、ボールねじナット２１の回転数とボールスプラインナット２２の回転数とが等しくすることで、ボールねじ軸２０の下降を防止することができる。

さらに、接合ツール２３がボールねじ軸２０の中心軸と同軸上に一体形成されているので、偏心を引き起こすことなくボールねじナット２１、ボールスプラインナット２２及び転がり軸受３０にボールねじ軸２０の接合時の加圧によるモーメント負荷に伴う負担がかかることがない。このため、ボールねじナット、ボールスプラインナット及びこれらを回転自在に保持する軸受の剛性を上げる必要がなくなり、摩擦撹拌接合用ボールねじ４の軽量化をすることができる。

さらにまた、ボールねじ軸２０にボールねじ溝２０ａとボールスプライン溝とが形成されているので、ボールねじ軸２０の外径を大きくする必要がなくなり、摩擦撹拌接合用ボールねじ４を小型化及び軽量化することができる。
なおさらに、用途の違うボールねじ軸２０及び接合ツール２３にそれぞれの用途に適した材料を用いているので、ボールねじ軸２０の寿命を何本もの接合ツール２３の寿命に合わせる必要がなく、ボールねじ軸２０の小型化及び軽量化をすることができる。

次に、第４の実施形態を図７について説明する。
ここで、図７は、第４の実施形態を一部を破断して示す側面図である。
この第４の実施形態では、摩擦撹拌接合用ボールねじ６のボールねじ軸２０の外周面にボールねじナット２１とボールスプラインナット２２とを上下逆に形成し、ボールねじナット２１及びボールスプラインナット２２を回転駆動させる回転駆動力に差動機構を介在させるようにしたものである。

すなわち、第４の実施形態では、図７に示すように、摩擦撹拌接合用ボールねじ６のボールねじ軸２０と所定間隔を保って平行に配置された回転駆動軸５３を固定部材３ａに回転自在に配設し、回転駆動軸５３の上端にデファレンシャルギヤユニット５４を介して回転駆動軸７０を配設し、その回転駆動軸７０の上端に歯車７１及び７２を介して電動モータ７５の出力軸７５ａを連結するとともに、出力軸７５ａに一体に形成した駆動プーリ７６ａとボールスプラインナット２２に一体に形成された従動プーリ７６ｂとの間にタイミングベルト７６ｃを張設されている。

そして、回転駆動軸５３の下端に配設された駆動プーリ７７ａとボールねじナット２１に一体に形成された従動プーリ７７ｂとの間にタイミングベルト７７ｃが張設されている。
デファレンシャルギヤユニット５４は、回転駆動軸７０と一体となって回転駆動するデファレンシャルギヤ５４ａと、このデファレンシャルギヤに所定間隔を保って対向し回転駆動軸５３と一体となって回転駆動するデファレンシャルギヤ５４ｂと、これらデファレンシャルギヤ５４ａ及び５４ｂの外周面に噛合し回転支持部材５９と一体に形成された一対のデファレンシャルロータギヤ５４ｃ及び５４ｄとを備えている。

そして、デファレンシャルロータギヤ５４ｃ及び５４ｄに一体に形成された回転支持部材５９を介して配置された従動プーリ７８ｂと固定部材３ａに固定した電動モータ８０の出力軸８０ａに装着した駆動プーリ７８ａと間にタイミングベルト７８ｃが張設されている。そして、従動プーリ７８ｂは、軸方向に貫通する回転駆動軸５３の外径より大きい内径の貫通孔７８ｄが形成されている。そして、回転駆動軸５３は、貫通孔７８ｄを貫通することによって回転駆動軸７０と同軸上に配置されている。
電動モータ７５及び８０は、正転駆動し、電動モータ８０の回転数が電動モータ７５の回転数より所定回転数低く選定されている。ここで、電動モータ８０は、停電時や電動モータ８０等の異常発生時にボールねじ軸２０が下降しないように例えばブレーキ付きモータが適用されている。

ここで、歯車比、各プーリ比及び各ギヤ比は、デファレンシャルロータギヤ５４ｃ及び５４ｄの公転回転数Ｎｄｒ´が０すなわち停止した場合に、ボールねじナット２１の回転数Ｎ１とボールスプラインナット２２の回転数Ｎ２とが等しくなるように選定されている。そして、歯車７１及び７２は、歯車比が１：１に選定されている。そして、駆動プーリ７６ａ、７７ａ及び７８ａと従動プーリ７６ｂ、７７ｂ及び７８ｂとは、プーリ比が１：１に選定されている。同様に、デファレンシャルギヤ５４ａ及び５４ｂとデファレンシャルロータギヤ５４ｃ及び５４ｄとは、ギヤ比が１：１に選定されている。

次に、第４の実施形態の動作を説明する。
図示しない上下方向に重なった２枚のワークを接合するには、先ず、図示しない上下方向に重なった２枚のワークのうち下方のワークの下面にアーム部５の裏当て部材５ａ及び荷重検出器を当接させた状態で、電動モータ７５及び８０を正転駆動させる。
このとき、電動モータ７５の回転駆動力によって回転伝達機構７６を介してボールスプラインナット２２を正転駆動させると共に、歯車７２を正転駆動させる。さらに、電動モータ８０の回転伝達力が回転伝達機構７８に伝達される。このとき、ボールスプラインナット２２が正転駆動されることで、ボールねじ軸２０を回転駆動させる。

そして、歯車７２の回転駆動力を歯車７１に伝達することによって、歯車７１を逆転駆動させる。
そして、回転駆動軸７０に連結されたデファレンシャルギヤ５４ａを逆転駆動し、従動プーリ７８ｂと一体となって回転駆動する一対のデファレンシャルロータギヤ５４ｃ及び５４ｄが回転駆動し、デファレンシャルギヤ５４ｂを正転駆動させる。
そして、デファレンシャルギヤ５４ｂと一体となって正転駆動する回転駆動軸５３の回転駆動力が回転伝達機構７７を介してボールねじナット２１に伝達されることでボールねじナット２１が正転駆動され、ボールねじ軸２０を下降に移動させることができる。

ここで、電動モータ８０及びその駆動回路の少なくとも一方に異常が発生した場合には、内蔵するブレーキを作動させて停止させる。
この場合には、電動モータ７５の回転駆動力によって回転伝達機構７６を介してボールスプラインナット２２の正転駆動を継続させると共に、歯車７２の正転駆動を継続させる。このとき、ボールスプラインナット２２が正転駆動されることで、ボールねじ軸２０を回転駆動させる。

そして、歯車７２の回転駆動力を歯車７１に伝達することによって、歯車７１を逆転駆動させる。
したがって、電動モータ８０の出力軸８０ａの停止に伴ってデファレンシャルロータギヤ５４ｃ及び５４ｄが停止し、電動モータ７５から回転駆動軸７０と一体となって逆転駆動するデファレンシャルギヤ５４ａに回転駆動力が伝達されデファレンシャルギヤ５４ｂを正転駆動させる。

そして、回転駆動軸５３が正転駆動し、回転伝達機構７７を介してボールねじナット２１が正転駆動される。
ここで、歯車比、各プーリ比及び各ギヤ比が等しく選定されているので、ボールねじナット２１の回転数とボールスプラインナット２２の回転数とを等しくすることができる。
そして、ボールねじナット２１の回転数とボールスプラインナット２２の回転数とを等しくすることで、ボールねじ軸２０の下降を防止することができる。

さらに、接合ツール２３がボールねじ軸２０の中心軸と同軸上に一体形成されているので、偏心を引き起こすことなくボールねじナット２１、ボールスプラインナット２２及び転がり軸受３０にボールねじ軸２０の接合時の加圧によるモーメント負荷に伴う負担がかかることがない。このため、ボールねじナット、ボールスプラインナット及びこれらを回転自在に保持する軸受の剛性を上げる必要がなくなり、摩擦撹拌接合用ボールねじ４の軽量化をすることができる。

さらにまた、ボールねじ軸２０にボールねじ溝２０ａとボールスプライン溝とが形成されているので、ボールねじ軸２０の外径を大きくする必要がなくなり、摩擦撹拌接合用ボールねじ４を小型化及び軽量化することができる。
なおさらに、用途の違うボールねじ軸２０及び接合ツール２３にそれぞれの用途に適した材料を用いているので、ボールねじ軸２０の寿命を何本もの接合ツール２３の寿命に合わせる必要がなく、ボールねじ軸２０の小型化及び軽量化をすることができる。

なお、第４の実施形態においては、デファレンシャルギヤユニット５４によってボールねじナット２１に伝達する回転駆動力の回転方向が反転してしまうので、出力軸７５ａとデファレンシャルギヤユニット５４との間に歯車７１及び７２を用いて回転方向を反転させた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、歯車７１及び７２を出力軸７５ａとデファレンシャルギヤユニット５４との間に用いるのではなくデファレンシャルギヤ５４ｂと駆動プーリ７７ａとの間に用いることもできる。この場合には、回転駆動軸５３を分割して２つの回転駆動軸を形成し、デファレンシャルギヤ５４ｂに一方の回転駆動軸の上端部を固定し、その回転駆動軸の下端部に歯車７２を固定する。さらに、この場合には、歯車７２と噛合する歯車７１をもう一方の回転駆動軸の上端部に固定し、その回転駆動軸の下端部にプーリ７７ａを固定する。このようにすれば、ボールねじナット２１に伝達する回転駆動力の回転方向を正転とすることができる。

さらに、第２〜第４の実施形態においては、ボールねじ軸２０の下端面に接合ツール２３が一体形成されている場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図８〜図１０に示すように、ボールねじ軸２０の下端部に形成された接合ツール着脱機構９０によって接合ツール２３を保持することもできる。ここで、接合ツール着脱機構９０は、本体部９０ａと、この本体部９０ａの下面にボールねじ軸２０と同軸上に沿って内方に延長する嵌合部９０ｂと、嵌合部９０ｂに着脱自在に固定された基部９０ｃと、この基部９０ｃに連設された接合ツール２３を把持する把持部９０ｄとを備えている。そして、接合ツール２３は、把持部９０ｄによって把持された状態で、基部９０ｃを嵌合部９０ｂに嵌合させることでボールねじ軸２０と同軸上に固定することができる。

４…摩擦撹拌接合装置、６…摩擦撹拌接合用ボールねじ、７，８…回転伝達機構、９，１０…モータ、９ａ，１０ａ…出力軸、１１，１２…駆動プーリ、２０…ボールねじ軸、２０ａ…ボールねじ溝、２０ｂ…ボールスプライン溝、２１…ボールねじナット、２２…ボールスプラインナット、２３…接合ツール、２３ａ…大径部、２３ｂ…小径部、３１，３２…ナットホルダ、３５，３６…従動プーリ、３９，４０…タイミングベルト、４０…ハウジング、４１…第１のブレーキロータ、４２…第２のブレーキロータ、４３…圧縮コイルばね、４４…電磁ソレノイド、４５…無励磁作動型ブレーキ、５０，５１…電動モータ、５０ａ，５１ａ…出力軸、５３…回転駆動軸、５４…デファレンシャルギヤユニット、５４ａ，５４ｂ…デファレンシャルギヤ、５４ｃ，５４ｄ…デファレンシャルロータギヤ、５７，５８，６１，７６，７７，７８…回転伝達機構、５７ａ，５８ａ，６１ａ，７６ａ，７７ａ，７８ａ…駆動プーリ、５７ｂ，５８ｂ，５９ｂ，７６ｂ，７７ｂ，７８ｂ…従動プーリ、５７ｃ，５８ｃ，６１ｃ，７６ｃ，７７ｃ，７８ｃ…タイミングベルト、７１，７２…歯車、７５，８０…電動モータ、７５ａ，８０ａ…出力軸、７６，７７，７８…回転伝達機構、７６…回転駆動軸、９０…接合ツール着脱機構

Claims (7)

1. 接合ツールを支持するスプライン付きボールねじ軸と、該スプライン付きボールねじ軸の軸方向移動及び回転を制御する駆動機構とを備え、前記スプライン付きボールねじ軸をボールねじ軸方向に移動させ、前記接合ツールとワークとを接触させた状態で、前記スプライン付きボールねじ軸の回転及び押圧によって接合ツールとワークとの接合部で発生する摩擦熱で溶融し、撹拌して前記ワークを接合する摩擦撹拌接合装置において、
   前記スプライン付きボールねじ軸の一端に前記接合ツールが一体形成されていることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
2. 接合ツールを支持するスプライン付きボールねじ軸と、該スプライン付きボールねじ軸の軸方向移動及び回転を制御する駆動機構とを備え、前記スプライン付きボールねじ軸をボールねじ軸方向に移動させ、前記接合ツールとワークとを接触させた状態で、前記スプライン付きボールねじ軸の回転及び押圧によって接合ツールとワークとの接合部で発生する摩擦熱で溶融し、撹拌して前記ワークを接合する摩擦撹拌接合装置において、
   前記スプライン付きボールねじ軸は、ボールねじ溝とボールスプライン溝とを有し、前記駆動機構は、前記ボールねじ溝に対向して転動体転動通路を形成するボールねじ溝を有するボールねじナットと、前記ボールスプライン溝に対向して転動体転動通路を形成するボールスプライン溝を有するボールスプラインナットと、前記転動体転動通路に充填される多数の転動体と、前記ボールねじナット及びボールスプラインナットに回転伝達手段を介して回転駆動力を与える少なくとも１つの回転駆動源とを備え、
   前記ボールねじナット及び前記ボールスプラインナットが軸方向に近接配置され、異常発生時に前記ボールネジナット及び前記ボールスプラインナット間を連結するブレーキ機構を備えていることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
3. 前記ブレーキ機構は電磁ブレーキで構成されている請求項２に記載の摩擦攪拌接合装置。
4. 前記電磁ブレーキは、無通電時に弾性体の力によって作動する無励磁作動型ブレーキで構成されていることを特徴とする請求項３に記載の摩擦撹拌接合装置。
5. 接合ツールを支持するスプライン付きボールねじ軸と、該スプライン付きボールねじ軸の軸方向移動及び回転を制御する駆動機構とを備え、前記スプライン付きボールねじ軸をボールねじ軸方向に移動させ、前記接合ツールとワークとを接触させた状態で、前記スプライン付きボールねじ軸の回転及び押圧によって接合ツールとワークとの接合部で発生する摩擦熱で溶融し、撹拌して前記ワークを接合する摩擦撹拌接合装置において、
   前記スプライン付きボールねじ軸は、ボールねじ溝とボールスプライン溝とを有し、前記駆動機構は、前記ボールねじ溝に対向して転動体転動通路を形成するボールねじ溝を有するボールねじナットと、前記ボールスプライン溝に対向して転動体転動通路を形成するボールスプライン溝を有するボールスプラインナットと、前記転動体転動通路に充填される多数の転動体と、前記ボールねじナット及び前記ボールスプラインナットの何れか一方を回転伝達手段を介して回転駆動させる第１の回転駆動源と、前記ボールねじナット及び前記ボールスプラインナットの他方を回転伝達手段及びデファレンシャギヤユニットを介して回転駆動させる第２の回転駆動源とで構成されていることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
6. 前記第２の回転駆動源は、ブレーキ付きモータで構成されていることを特徴とする請求項５に記載の摩擦撹拌接合装置。
7. 前記ボールねじ溝と前記ボールスプライン溝とを有する前記スプライン付きボールねじ軸と前記接合ツールとが一体に形成されていることを特徴とする請求項２乃至６の何れか１項に記載の摩擦撹拌接合用ボールねじ軸。

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