JP2014018850A - 摩擦攪拌接合装置 - Google Patents

Abstract

【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、精度良く接合可能であり小型化可能な摩擦攪拌接合装置を提供する。
【解決手段】摩擦攪拌接合装置Ｍ１は、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、を備える。摩擦攪拌接合装置Ｍ１は、加圧軸３のスライダ１４とは独立した第１ガイドブロック６１のＸ方向の移動が第２ガイドブロック６２のＹ方向の移動に変換されることで、オフセット動作を行う。
【選択図】図１

Description

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攪拌接合装置に関するものである。

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攪拌し、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攪拌接合装置が記載されている。

この摩擦攪拌接合装置は、図１１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。

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。

また、特許文献２には、図１２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攪拌接合装置が記載されている。

特開２００４−１７１２８号公報 特許４５１１５２６号公報

ところで、特許文献１に示された摩擦攪拌接合装置では、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２５１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、摩擦攪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。また、特許文献１のように、オフセット軸２５５をアーム平面に対して直角の方向に配置すると、接合ヘッドの幅が広くなってしまうという問題がある。

また、特許文献２に示された摩擦攪拌接合装置では、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。

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、精度良く接合可能であり小型化可能な摩擦攪拌接合装置を提供することにある。

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、前記接合ツールと前記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、前記接合ツールを前記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攪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前記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、前記アームの前記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、前記旋回軸をＹ方向に案内するＹ方向直動案内軸受と、駆動機構と、を有し、前記加圧軸の前記可動部に搭載されており、
前記駆動機構は、前記加圧軸の前記可動部とは独立にＸ方向に移動可能であって傾斜面を有する第１ガイドブロックと、前記第１ガイドブロックの前記傾斜面と対向する傾斜面を有し前記旋回軸に搭載される第２ガイドブロックと、前記傾斜面間に位置する傾斜方向直動案内軸受と、を有し、
前記加圧軸の前記可動部とは独立した前記第１ガイドブロックのＸ方向の移動が前記第２ガイドブロックのＹ方向の移動に変換されることで、オフセット動作を行うことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
（２）前記駆動機構は、Ｘ方向とＹ方向に直交するＺ方向から見て前記旋回軸と前記加圧軸との間に位置していることを特徴とする（１）に記載の摩擦攪拌接合装置。
（３）前記傾斜面のＸ方向に対する傾斜角が４５°以下であ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の両腕部には、前記Ｙ方向直動案内軸受が取り付けられていることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の摩擦攪拌接合装置。
（５）前記加圧軸テーブルの前記両腕部間に、前記旋回軸を駆動する旋回軸モータが配置されていることを特徴とする（４）に記載の摩擦攪拌接合装置。
（６）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（１）〜（５）のいずれかに記載の摩擦攪拌接合装置。
（７）オフセット動作は、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行うことを特徴とする（１）〜（６）のいずれかに記載の摩擦攪拌接合装置。

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、加圧軸の可動部がＸ方向にスライドし、オフセット軸のＹ方向直動案内軸受が旋回軸を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）に案内するので、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。また、ワークの移動量を小さく抑えることができるので、ワーク押さえ部を設ける必要がなく、摩擦攪拌接合装置を小型化することができる。

また、上記（２）に記載の発明によれば、オフセット軸の駆動機構を加圧軸と旋回軸の間に収容することで、摩擦攪拌接合装置の幅（Ｘ−Ｙ方向に直交するＺ方向長さ）を抑えることができ、摩擦攪拌接合装置を小型化することができる。

また、上記（３）に記載の発明によれば、傾斜面の傾斜角を４５°以下にすることで、例えばオフセット軸の駆動機構をボールねじで構成した場合に、ボールねじに作用する荷重をオフセット荷重に比べて小さくすることができる。従って、ボールねじの寿命延長、又はボールねじを小型化することができる。また、傾斜角を小さくすることで、傾斜方向直動案内軸受に作用する荷重も小さくすることができる。従って、この傾斜方向直動案内軸受の寿命延長、又は傾斜方向直動案内軸受を小型化することができる。

また、上記（４）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、Ｙ方向直動案内軸受の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、Ｙ方向直動案内部の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、摩擦攪拌接合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、両腕部に配置されたＹ方向直動案内軸受の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Ｙ方向直動案内軸受の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。

また、上記（５）に記載の発明によれば、旋回軸モータを挟んで両側に直動案内部の案内レールを取り付けることにより、摩擦攪拌接合装置の幅を小さくすることができ、摩擦攪拌接合装置を小型化することができる。

また、上記（６）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、摩擦攪拌接合装置を小型化することができる。従って、摩擦攪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。

また、上記（７）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。

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１のＩＩ方向矢視図である。 オフセット軸の駆動機構の拡大図である。 加圧軸テーブルの斜視図である。 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。 傾斜角度に対する、直動案内荷重Ｆ_Ｌとボールねじ荷重Ｆ_Ｂの対オフセット荷重比を示すグラフである。 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。 アームの撓みの説明図である。 押し込み動作時及びオフセット動作時のアームの先端部の変位を示すグラフである。 変形例に係る加圧軸テーブルの斜視図である。 特許文献１に記載の摩擦攪拌接合装置を示す斜視図である。 特許文献２に記載の摩擦攪拌接合装置を示す側面図である。

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実施形態の摩擦攪拌接合装置の側面図、図２は図１のＩＩ方向矢視図、図３はオフセット軸の駆動機構の拡大図、図４は加圧軸テーブルの斜視図、図５は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１及び図２に示すように、本実施形態の摩擦攪拌接合装置Ｍ１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。

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。

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。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に搭載されており、旋回軸４をＹ方向に案内するＹ方向直動案内軸受１１０と駆動機構６０とを組み合わせたクサビ型動作方向変換機構を採用している。

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。

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。

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。

加圧軸２のスライダ１４は、ボールねじ１２によって駆動され、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。

オフセット軸３のＹ方向直動案内軸受１１０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複数の転動体（不図示）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の両側に配されている。言い換えると、旋回軸モータ４４が２本のレール部１１３Ａ、１１３Ａの間、即ち加圧軸テーブル２０の開口部２２に収容されている。

Ｙ方向直動案内軸受１１０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。

オフセット軸３の駆動機構６０は、図３に示すように、加圧軸２のスライダ１４とは独立にＸ方向に移動可能な第１ガイドブロック６１と、旋回軸４に搭載される第２ガイドブロック６２と、を有する。第１ガイドブロック６１は、ボールねじナット６３と、ボールねじナット６３を貫通しＸ方向に延びるボールねじ軸６４と、ボールねじナット６３の螺旋溝とボールねじ軸６４の螺旋溝との間に配置された複数のボール（不図示）とを備えたボールねじ６５のボールねじナット６３に一体に若しくは別体に形成されている。ボールねじ軸６４は、加圧軸テーブル２０に取り付けられたオフセット軸モータ４３にカップリングを介して接続されており、オフセット軸モータ４３によって駆動され第１ガイドブロック６１をＸ方向に移動させる。

第１ガイドブロック６１は、下方先端部がＸ方向に延びる垂直面６１ａとＸ方向に対し傾斜し垂直面６１ａと鋭角に交わる傾斜面６１ｂとによってクサビ形状をなしている。また、第１ガイドブロック６１の傾斜面６１ｂに対向するように、第２ガイドブロック６２にも該傾斜面６１ｂと平行に延びる傾斜面６２ａが形成されて、第１ガイドブロック６１と第２ガイドブロック６２とが、傾斜面６１ｂと傾斜面６２ａで対向している。

第１ガイドブロック６１の傾斜面６１ｂと第２ガイドブロック６２の傾斜面６２ａとの間には、傾斜方向直動案内軸受７０が設けられ、案内レール７１が第２ガイドブロック６２の傾斜面６１ｂに取り付けられ、スライダ７２が第１ガイドブロック６１の傾斜面６１ｂに取り付けられている。案内レール７１とスライダ７２との間には、転動体（不図示）が介在され、それにより案内レール７１とスライダ７２とが相対的に直線移動可能とされている。

また、第１ガイドブロック６１の垂直面６１ａは、Ｘ方向に延びる加圧軸テーブル２０の固定部２１と対向している。第１ガイドブロック６１の垂直面６１ａと加圧軸テーブル２０の固定部２１との間には、Ｘ方向直動案内軸受８０が設けられ、案内レール８６が加圧軸テーブル２０の固定部２１に取り付けられ、スライダ８７が第１ガイドブロック６１の垂直面６１ａに取り付けられている。案内レール８６とスライダ８７との間には、転動体（不図示）が介在され、それにより案内レール８６とスライダ８７とが相対的に直線移動可能とされている。

このように構成されたオフセット軸３は、オフセット軸モータ４３を駆動してボールねじ軸６４を一方向に回転させることで、第１ガイドブロック６１がＸ方向下方に移動する。この際、旋回軸４はＹ方向直動案内軸受１１０によってＸ方向の移動が規制されＹ方向に案内されるように支持されているので、旋回軸４に搭載される第２ガイドブロック６２もＸ方向の移動が規制される。この状態で、第１ガイドブロック６１がＸ方向下方に移動すると、第１ガイドブロック６１の傾斜面６１ｂと第２ガイドブロック６２の傾斜面６１ｂとのクサビ作用により、第２ガイドブロック６２は加圧軸２から離れる方向、即ち図１の矢印ＹＡ方向に移動する。

図１に戻って、この摩擦攪拌接合装置Ｍ１では、Ｚ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（Ｘ軸）に対して所定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。

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。

このように構成された摩擦攪拌接合装置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攪拌し、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。

次に接合時の動作について説明する。
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４１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、スピンドル３０と共に接合ツール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攪拌される。そして、攪拌しながら、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。

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、カップリングを介してオフセット軸３のボールねじ軸６４を回転させることにより、駆動機構６０の第１ガイドブロック６１を下方に移動させる。第１ガイドブロック６１が下方に移動することで、上記したクサビ作用によって第２ガイドブロックがＹＡ方向に移動する。第２ガイドブロック６２がＹＡ方向に移動すると、スピンドル３０と共に接合ツール１もアーム５０から離れる方向である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の接触点や攪拌領域が移動し、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６４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攪拌接合が行われる。

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Ｚ方向の剛性が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、Ｚ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。

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。

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、摩擦攪拌接合装置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。

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。

さらに、オフセット軸３の駆動機構６０をＺ方向から見て旋回軸４と加圧軸２との間に配置することにより摩擦攪拌接合装置Ｍ１の幅（Ｚ方向長さ）を小さくすることができる。

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を取り付けることで、オフセット軸３を構成するＹ方向直動案内軸受１１０のスライダ１１４のスライダ中心とスピンドル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、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る。これにより、Ｙ方向直動案内軸受１１０の寿命延長、又はＹ方向直動案内軸受１１０を小型化することができる。

また、第１ガイドブロック６１と第２ガイドブロック６２との間に介装した傾斜方向直動案内軸受７０のＸ方向に対する傾斜角は、４５°以下であることが好ましい。

ここで、図３及び図６を参照しながら、オフセット動作時にオフセット軸３の駆動機構６０に作用する力について説明する。

傾斜角をγ、オフセット荷重をＦ_Ｙ、直動案内荷重をＦ_Ｌとすると、傾斜角γと両荷重との間には（１）式に示す関係式が成立する。
Ｆ_Ｌ／Ｆ_Ｙ＝１／ｃｏｓγ （１）

また、オフセット荷重Ｆ_Ｙとボールねじ荷重Ｆ_Ｂとの間には（２）式に示す関係式が成立する。
Ｆ_Ｂ／Ｆ_Ｙ＝ｔａｎγ （２）

従って、傾斜角γを４５°以下することで、オフセット軸３のボールねじ６５に作用するボーねじ荷重Ｆ_Ｂをオフセット荷重Ｆ_Ｙに比べて小さくすることができる。従って、ボールねじ６５の寿命延長、又はボールねじ６５を小型化することができる。また、図６に示すように、第１ガイドブロック６１と第２ガイドブロック６２との間に介装した傾斜方向直動案内軸受７０においても、傾斜角γを小さくした方が傾斜方向直動案内軸受７０に作用する直動案内荷重Ｆ_Ｌを小さくすることができる。従って、傾斜角γを４５°以下することで、この傾斜方向直動案内軸受７０の寿命延長、又は傾斜方向直動案内軸受７０を小型化することができる。

＜第２実施形態＞
図７は第２実施形態の摩擦攪拌接合装置Ｍ２の構成を示す側面図である。
この摩擦攪拌接合装置Ｍ２では、オフセット動作の方向を、図７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実施形態の摩擦攪拌接合装置Ｍ１と同様のため、同一符号を付して説明を省略する。

図８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方向）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。

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９参照）。

具体的には、オフセット軸モータ４３を駆動してボールねじ軸６４を第１実施形態とは逆方向に回転させることで、第１ガイドブロック６１がＸ方向上方に移動する。この際、旋回軸４はＹ方向直動案内軸受１１０によってＸ方向の移動が規制されＹ方向に案内されるように支持されているので、旋回軸４に搭載される第２ガイドブロック６２もＸ方向の移動が規制される。この状態で、第１ガイドブロック６１がＸ方向上方に移動すると、第１ガイドブロック６１の傾斜面６１ｂと第２ガイドブロック６２の傾斜面６１ｂとのクサビ作用により、第２ガイドブロック６２は加圧軸２に近づく方向、即ち図７の矢印ＹＢ方向に移動する。

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。

一方、第１実施形態の摩擦攪拌接合装置Ｍ１のように、オフセット方向をＹ方向に沿って胴部５０ｂから離れるＹＡ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従来の摩擦攪拌接合装置に比べると、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。

以上説明したように、本実施形態の摩擦攪拌接合装置Ｍ２によれば、第１実施形態の摩擦攪拌接合装置Ｍ１に記載の効果と同様の効果を奏するとともに、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。

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。

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１０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、両側に配置されたレール部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レール部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。

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。

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。

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。

また、上記実施形態では、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。

また、上記実施形態では、加圧軸モータ４２の動力を加圧軸２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加圧軸モータ４２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。また、オフセット軸モータ４３の動力をオフセット軸３のボールねじ６５に伝達する方式にカップリングを採用していたが、ベルト方式やギヤを介してオフセット軸モータ４３によりボールねじ６５を駆動してもよい。

Ｍ１、Ｍ２ 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
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
２３ 腕部
４４ 旋回軸モータ
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）
６０ 駆動機構
６１ 第１ガイドブロック
６１ｂ 傾斜面
６２ 第２ガイドブロック
６２ａ 傾斜面
７０ 傾斜方向直動案内軸受
１１０ Ｙ方向直動案内軸受

Claims (7)

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、前記接合ツールと前記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、前記接合ツールを前記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攪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前記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、前記アームの前記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、前記旋回軸をＹ方向に案内するＹ方向直動案内軸受と、駆動機構と、を有し、前記加圧軸の前記可動部に搭載されており、
   前記駆動機構は、前記加圧軸の前記可動部とは独立にＸ方向に移動可能であって傾斜面を有する第１ガイドブロックと、前記第１ガイドブロックの前記傾斜面と対向する傾斜面を有し前記旋回軸に搭載される第２ガイドブロックと、前記傾斜面間に位置する傾斜方向直動案内軸受と、を有し、
   前記加圧軸の前記可動部とは独立した前記第１ガイドブロックのＸ方向の移動が前記第２ガイドブロックのＹ方向の移動に変換されることで、オフセット動作を行うことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
2. 前記駆動機構は、Ｘ方向とＹ方向に直交するＺ方向から見て前記旋回軸と前記加圧軸との間に位置してい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。
3. 前記傾斜面のＸ方向に対する傾斜角が４５°以下であ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。
4. 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の両腕部には、前記Ｙ方向直動案内軸受が取り付けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合装置。
5. 前記加圧軸テーブルの前記両腕部間に、前記旋回軸を駆動する旋回軸モータが配置されていることを特徴とする請求項４に記載の摩擦攪拌接合装置。
6. 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１〜５のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合装置。
7. オフセット動作は、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行うことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合装置。

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