JP2005313227A - 摩擦撹拌接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 被接合物の接合強度を向上することができる摩擦撹拌接合装置を提供する。
【解決手段】 摩擦撹拌時に、微小移動手段１２３がＹ方向に移動させる力を被接合物１７に与えると、被接合物１７から与えられる反力によって、基体２１を支持する多関節ロボット１００が撓み、被接合物１７と基体２１とがＹ方向にずれる。基体２１とともに接合ツール２２がＹ方向に移動することで、被接合物１７に形成される接合領域をＹ方向に広げることができる。これによって接合ツール２２の大きさに係らず、接合領域を作用方向に増大させることができ、被接合物１７の接合強度を向上することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被接合物を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合装置に関する。

複数の被接合部材を接合する摩擦撹拌接合装置は、被接合部材が重ね合わされる被接合物の一方側に接合ツールを配置し、他方向に裏当て部材を配置する。次に接合ツールを、回転させながら被接合物に押付け、被接合物に没入させる。接合ツールは、摩擦熱によって各被接合部材を部分的に非溶融の状態で流動化し、流動化した被接合部材を撹拌して各被接合部材をスポット接合する（たとえば特許文献１参照）。

特開２００１−３１４９８３号公報

摩擦撹拌接合によって被接合物には、各接合部材が接合される接合領域が形成される。従来技術の摩擦撹拌接合装置では、接合領域は、接合ツールの形状に応じた形状、すなわちリング状に形成される。この場合、加工条件によっては、必要な接合強度を得ることができない場合がある。従来技術の摩擦撹拌接合装置では、接合領域を広げるためには、直径の形状の大きい接合ツールを用いる必要があり、利便性が悪い。

したがって本発明の目的は、被接合物の接合強度を向上することができる摩擦撹拌接合装置を提供することである。

本発明は、複数の被接合部材によって構成される被接合物に、回転する接合ツールを没入させて各被接合部材を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合装置であって、
予め定める回転軸線を有し、回転軸線と同軸に接合ツールを保持するツール保持部と、
ツール保持部を回転軸線まわりに回転駆動する回転駆動手段と、
ツール保持部を回転軸線に沿って変位駆動する直進駆動手段と、
ツール保持部と反対側から被接合物に当接して、接合ツールと協働して被接合物を挟持する裏当て部材と、
ツール保持部および裏当て部材とを支持する基体と、
基体に設けられ、回転軸線に直交する方向となる作用方向に向かう力を、予め固定される被接合物に与える微小移動手段とを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合装置である。

本発明に従えば、接合ツールがツール保持部に装着された状態で、回転駆動手段および直進駆動手段を用いて、被接合物に接合ツールを回転接触させて、接合ツールと被接合物との間で摩擦熱を発生させ、摩擦熱によって各被接合部材を撹拌して、各被接合部材を接合する。

摩擦撹拌にあたって、被接合物の一方の表面に接合ツールが接触し、接合ツールと反対側の他方の表面に裏当て部材が接触し、被接合物を両側から挟持する。微小移動手段が作用方向に向かう力を被接合物に与えると、被接合物を保持する被接合物保持装置または基体を保持する基体保持装置の少なくともいずれかが撓み、被接合物に対して基体が作用方向に相対的にずれる。これによって基体に支持される接合ツールが、被接合物に対して作用方向に移動し、被接合物に形成される接合領域を作用方向に広げることができる。

たとえば基体保持装置が、基体および被接合物保持装置よりも剛性が低い場合、微小移動手段が被接合物に力を与えると、その力の反力によって基体保持装置が撓み、微小移動手段が力を与えた方向に対して反対方向に基体が移動する。

また本発明は、微小移動手段は、基体に対して裏当て部材を変位駆動して、裏当て部材と被接合物とに生じる摩擦力によって、作用方向に向かう力を被接合物に与えることを特徴とする。

本発明に従えば、接合ツールが被接合物を加圧することで、被接合物が裏当て部材を加圧する。したがって裏当て部材を作用方向に変位移動すると、裏当て部材と被接合物とで摩擦力が発生し、被接合物に作用方向に向かう力を与えることができる。なお、裏当て部材の変位とは、基体に対して裏当て部材が直進移動する場合、基体に対して裏当て部材が角変位する角変位する場合も含む。

また本発明は、裏当て部材は、回転軸線に直交する角変位軸線を中心とする円筒面を備え、
微小移動手段は、基体に対して裏当て部材を角変位軸線まわりに角変位駆動することを特徴とする。

本発明に従えば、裏当て部材の円筒面に被接合物を当接した状態で、裏当て部材を角変位軸線まわりに角変位する。これによって円筒面と裏当て部材との間で摩擦力が発生し、円筒面の接線方向に移動する力が、被接合物に与えられる。また裏当て部材が角変位することによって、裏当て部材が被接合物に当接する当接位置と基体の位置との関係を一定に保つことができる。これによって基体は、変位する裏当て部材を安定して支持することができる。また裏当て部材を直進変位させる場合に比べて、裏当て部材を支持する支持部分をベアリングによって実現することで、支持部分の構造を簡単化および小形化することができる。

また本発明は、裏当て部材は、摩擦力を向上する溝が裏当て部材の表面に形成されることを特徴とする。

本発明に従えば、溝が形成されることによって被接合物と裏当て部材とが滑ることを防いで、被接合物に対して、作用方向に向かう力を確実に与えることができる。これによって基体と被接合物との移動に抗する力が大きい場合でも、基体と被接合物とを相対的に移動させることができる。

また本発明は、微小移動手段は、裏当て部材に対して離反した位置に設けられる動力源と、
動力源からの動力を裏当て部材に伝達する動力伝達機構とを含むことを特徴とする。

本発明に従えば、動力源で発生した動力は、動力伝達機構によって裏当て部材に伝達される。裏当て部材は、動力伝達機構を介して動力が与えられると、基体に対して変位移動する。このように動力伝達機構を介することによって、裏当て部材から離反した位置に動力源を配置することができ、裏当て部材の近傍を小形化することができる。

また本発明は、微小移動手段は、リンク機構を用いて動力源からの動力を裏当て部材に伝達することを特徴とする。

本発明に従えば、リンク伝達機構によって動力を伝達することによって、ベルト伝達機構に比べて、大きい動力を伝達することができる。これによって裏当て部材の移動に抗する力が大きくても、裏当て部材を移動させることができ、信頼性を向上することができる。また歯車伝達機構に比べて、構造を簡略化したうえで動力源と裏当て部材との間隔を大きくすることができる。

また本発明は、微小移動手段は、接合ツールによって被接合物を部分的に軟化させた状態で、作用方向に向かう力を被接合物に与えることを特徴とする。

本発明に従えば、接合ツールと被接合物との摩擦熱とによって被接合物を軟化させた状態で、微小移動手段が被接合物に力を与える。被接合物が軟化していると、被接合物と基体とが相対的に移動するのに対して抗する力が小さい。したがって被接合物と基体との相対移動を容易に行うことができる。

また本発明は、微小移動手段は、被接合物に与える力の方向を変更可能に設けられることを特徴とする。

本発明に従えば、被接合物に与える力の方向が変更されることによって、接合領域が広がる方向を変更することができる。これによって被接合物の形状および接合条件などに応じて、接合領域を変更することができ、利便性を向上することができる。

また本発明は、基体は、多関節ロボットによって任意の位置に移動可能に設けられることを特徴とする。

本発明に従えば、基体が、多関節ロボットによって被接合物に予め設定される接合位置に移動される。多関節ロボットは、基体を保持する基体保持装置となる。微小移動手段によって被接合物を作用方向一方に向かう力を与えると、基体は、微小移動手段が被接合物に与えた力に関する反力を被接合物から与えられる。この反力は、基体を支持する多関節ロボットに与えられる。多関節ロボットは、前記反力が与えられることによってロボットアームが撓む。これによって基体は、作用方向他方に移動して、基体と被接合物とが相対的に変位する。したがって剛性の低いロボットアームを用いたとしても、被接合物の接合領域を大きくすることができ、被接合物の接合強度を向上することができる。また接合ツールを微小移動させるための多関節ロボットの制御が複雑化することがない。

また本発明は、複数の被接合部材によって構成される被接合物に、回転する接合ツールを予め定める回転軸線に沿って没入させて各被接合部材を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合装置に用いられ、接合ツールと反対側から被接合物に当接する裏当て構造体であって、
ツール保持部と反対側から被接合物に当接して、接合ツールと協働して被接合物を挟持する裏当て部材と、
接合ツールを保持する基体に装着され、裏当て部材を変位可能に支持する支持体と、
基体に対して裏当て部材を変位させて、回転軸線に直交する方向となる作用方向に向かう力を、予め固定される被接合物に与える微小移動手段とを含むことを特徴とする裏当て構造体である。

本発明に従えば、裏当て構造体は、摩擦撹拌接合装置の一部を構成する。摩擦撹拌中に、微小移動手段が作用方向に移動させる力を被接合物に与えると、被接合物保持装置または基体保持装置の少なくともいずれかが撓み、被接合物と基体とが作用方向にずれる。これによって接合領域を作用方向に広げることができる。また支持体を保持し、基体に対して着脱可能に装着される装着体を備えることによって、接合条件に応じた支持体および裏当て部材を基体に装着させることができ、利便性を向上することができる。

また本発明は、複数の被接合部材によって構成される被接合物に、回転する接合ツールを没入させて各被接合部材を摩擦撹拌接合するスポット摩擦撹拌接合方法であって、
予め定める回転軸線に沿って回転する接合ツールを、回転軸線に沿って被接合物に没入させた状態で、基体に対して、回転軸線に直交する方向となる作用方向に向かう力を被接合物に与えて、接合ツールと被接合物とを作用方向に相対的に移動させることを特徴とするスポット摩擦撹拌接合方法である。

本発明に従えば、摩擦撹拌中に、基体に対して作用方向に移動させる力を被接合物に与えると、被接合物を保持する被接合物保持装置または基体を保持する基体保持装置の少なくともいずれかが撓み、被接合物と基体とが作用方向にずれる。これによって基体を保持する基体保持装置および被接合物を保持する被接合物保持装置にかかわらず、接合領域を作用方向に広げることができる。

請求項１記載の本発明によれば、微小移動手段によって被接合物に作用方向に力を与えることによって、基体保持装置および被接合物保持装置の少なくともいずれかを撓ませて、基体と被接合物とを作用方向に相対的にずらすことができる。これによって接合ツールを大きくすることなく、接合領域を作用方向に広げることができ、被接合物の接合強度を向上することができる。

たとえば基体保持装置または被接合物保持装置として、多関節ロボットを用いて、基体と被接合物とを相対的に作用方向に変位移動して接合強度を向上することができる。

比較例として、多関節ロボットを用いて摩擦撹拌接合装置を被接合物に対して作用方向に移動させようとした場合、被接合物に対して接合ツールを予め定める移動量だけ正確に移動させるよう制御することが困難である。またロボットアームの剛性が不足し、摩擦撹拌接合装置を十分に移動させることができない場合がある。

これに対して本発明では、基体保持装置として剛性の低い多関節ロボットを用いた場合であっても、正確な移動量で被接合物と基体とをずらすことができ、被接合物の接合強度を向上することができる。なお、被接合物保持装置の剛性が低い場合も同様である。

請求項２記載の本発明によれば、裏当て部材を変位移動したときに生じる摩擦力によって、被接合物に作用方向に向かう力を与える。これによって被接合物に力を与えるために、基体に支持される当接片を被接合物に当接させる機構を裏当て部材とは別途形成する必要がなく、構成部品を減らすことができる。

また比較例として裏当て部材とは異なる当接片を用いて力を与える場合には、当接片を被接合物に係止させる必要がある。また裏当て部材が、被接合物と基体との移動を妨害してしまう。

これに対して本発明では、裏当て部材を用いることで、当接片を被接合物に係止させる必要がないので、被接合物の形状にかかわらず、被接合物に作用方向に力を与えることができる。また裏当て部材が、被接合物と基体との移動を妨害することを防ぐことができる。

請求項３記載の本発明によれば、裏当て部材を角変位することで、裏当て部材が被接合物に当接する当接位置と基体の位置との関係を一定に保つことができ、安定して裏当て部材を変位することができる。これによって基体と被接合物とを安定して移動させることができる。また裏当て部材を直進変位させる場合に比べて、基体と被接合物とを移動させるために必要な領域を小さくして、装置を小形化することができる。これによって被接合物の周囲の空間が狭い場合であっても、裏当て部材をその空間に収容することができ、各被接合部材を互いに接合することができる。

請求項４記載の本発明によれば、溝が形成されることによって被接合物と裏当て部材とが滑ることを防いで、被接合物に対して、作用方向に向かう力を確実に与えることができる。これによって基体と被接合物との移動に抗する力が大きい場合でも、基体と被接合物とを相対的に移動させることができる。また溝の代わりに摩擦力が向上する凹凸が形成されてもよい。

請求項５記載の本発明によれば、動力伝達機構によって動力源を裏当て部材から離反させて配置することができ、裏当て部材付近を小形化することができる。これによって被接合物の周囲の空間が狭い場合であっても、裏当て部材をその空間に収容することができ、各被接合部材を互いに接合することができる。

請求項６記載の本発明によれば、リンク機構を用いることによって、動力源と裏当て部材との間隔を離すことができる。また他の動力伝達機構に比べて、構造を簡略化したうえで、裏当て部材の移動に抵抗する力が大きくても、裏当て部材を確実に移動させることができる。

請求項７記載の本発明によれば、被接合物を軟化させた状態で、微小移動手段が被接合物に力を与える。これによって被接合物と基体とが相対的に移動するのに対して抵抗する力が小さくなり、被接合物と基体とを相対的な移動を容易に行うことができる。したがって接合ツールに与えられる負荷を小さくすることができ、接合ツールの破損を防ぐことができる。

請求項８記載の本発明によれば、被接合物の形状および接合条件などに応じて、接合領域を変更することができ、利便性を向上することができる。たとえば被接合物に予め定められる設定方向の接合強度を向上する必要がある場合には、作用方向を前記設定方向に一致させる。これによって接合された被接合物において、設定方向の接合強度を向上することができる。このように諸条件に応じて、接合領域の方向を変更することができ、利便性を向上することができる。

請求項９記載の本発明によれば、剛性の低いロボットアームを用いたとしても、被接合物の接合領域を大きくして、被接合物の接合強度を向上することができる。また多関節ロボットを用いることによって、固定される被接合物に対して、任意の位置にスポット接合領域を形成することができ、汎用性を向上することができる。

請求項１０記載の本発明によれば、裏当て構造体を摩擦撹拌接合装置の一部に用いることによって、接合ツールの大きさに係らず、接合領域を作用方向に広げることができ、被接合物の接合強度を向上することができる。

請求項１１記載の本発明によれば、摩擦撹拌中に、基体に対して被接合物に作用方向の力を与えることによって、基体と被接合物とを作用方向にずらすことができる。これによって接合ツールの大きさに係らず、接合領域を作用方向に広げることができ、被接合物の接合強度を向上することができる。

図１は、本発明の実施の第１形態である摩擦撹拌接合装置２０の一部を示す断面図である。図２は、図１の矢符ＩＩ−ＩＩから摩擦撹拌接合装置２０を見た図である。摩擦撹拌接合（Friction Stir Welding：略称ＦＳＷ）装置２０は、多関節ロボット１００に保持され、重ね合わされた複数の被接合部材１８，１９を互いに接合する。多関節ロボット１００は、３次元的に任意の位置に摩擦撹拌接合装置２０を移動させる。これによって摩擦撹拌接合装置２０は、被接合物１７に複数点在する接合部分を順次接合するスポット接合を行うことができる。

被接合物１７は、互いに並んだ複数の被接合部材１８，１９によって構成される。この並んだ状態とは、各被接合部材１８，１９との間に隙間が形成される状態を含む。被接合物１７は、たとえばアルミ合金製の薄厚および中厚製品、具体的には、自動車ボディ、意匠構造物、重ね接合物などである。被接合物１７は、予め定める被接合物保持装置に保持される。

摩擦撹拌接合装置２０は、予め定める回転軸線Ｌ１が設定される。摩擦撹拌接合にあたって、回転軸線Ｌ１は、被接合物１７に接合ツール２２を没入させる方向に沿い、被接合物１７の接合位置を挿通する。摩擦撹拌接合装置２０は、円柱状の接合ツール２２を着脱可能に装着する。摩擦撹拌接合装置２０は、装着した接合ツール２２を回転軸線Ｌ１まわりに回転駆動するとともに、回転軸線Ｌ１に沿う方向に直進駆動する。以下、回転軸線Ｌ１に沿う方向をＸ方向と称する。

摩擦撹拌接合装置２０は、接合ツール２２に対してＸ方向に間隔を開けて配置される裏当て部材１２１を有する。裏当て部材１２１と接合ツール２２とは、回転軸線Ｌ１に沿って配置される。摩擦撹拌接合にあたって、裏当て部材１２１は、被接合物１７のＸ方向一方Ｘ１の表面１９ａに当接する。接合ツール２２は、Ｘ方向一方Ｘ１に移動することによって、被接合物１７のＸ方向他方Ｘ２の表面１８ａに当接する。これによって接合ツール２２と裏当て部材１２１とは、協働して被接合物１７を挟持する。なお、Ｘ方向一方Ｘ１は、接合ツール２２から裏当て部材１２１に向かう方向であり、Ｘ方向他方Ｘ２は、裏当て部材１２１から接合ツール２２に向かう方向である。

摩擦撹拌接合装置２０は、接合ツール２２を回転軸線Ｌ１まわりに回転させるとともにＸ方向一方Ｘ１に変位させる。そして接合ツール２２を被接合物１７に回転接触させる。接合ツール２２を被接合物１７に押付けることによって、接合ツール２２と被接合物１７とに摩擦熱を生じさせて被接合物１７を軟化させ、接合ツール２２を被接合物１７に没入させる。

次に摩擦撹拌接合装置２０は、接合ツール２２が予め定める量没入した状態で回転を継続して待機し、接合ツール２２の近傍の被接合部材１８，１９を流動化して撹拌する。これによって各被接合部材１８，１９は、互いに混ざり合った接合領域が形成される。摩擦撹拌接合装置２０は、接合領域を形成すると、接合ツール２２を被接合物１７から離脱させる。これによって流動化した接合領域が固体化し、各被接合部材１８，１９が接合される。

図１に示すように、摩擦撹拌接合装置２０は、裏当て部材１２１を含む裏当て構造体１２０と、接合ツール２２を装着するツール保持部を支持する基体２１とを含む。基体２１は、略Ｃ字状に形成され、周方向一端部にツール保持部が設けられる。また周方向他端部に裏当て構造体１２０が着脱可能に装着される。

裏当て構造体１２０は、裏当て部材１２１と、基体２１に装着される装着体１２２と、装着体１２２に固定される微小移動手段１２３と、裏当て部材１２１を支持する支持体１２４とを有する。装着体１２２は、基体２１に着脱可能に装着される。

裏当て部材１２１は、円筒状に形成される。裏当て部材１２１は、角変位軸線Ｌ２を有する。角変位軸線Ｌ２は、回転軸線Ｌ１に直交する方向に延びる。本実施の形態では、角変位軸線Ｌ２は、Ｘ方向に直交するうちの一方向であるＹ方向に延びる。本実施の形態では、Ｙ方向は、被接合物１７に力を与える作用方向となる。言い換えると角変位軸線Ｌ２は、回転軸線Ｌ１に対して垂直に延びる。裏当て部材１２１は、角変位軸線Ｌ２まわりに角変位可能に支持体１２４に支持される。

裏当て部材１２１の外周面は、角変位軸線Ｌ１を中心とする曲率半径を有する。裏当て部材１２１の外周面は、接合ツール２２に対向する。接合にあたって、被接合物１７は、裏当て部材１２１の外周面の一部に当接する。この当接位置は、外周面のうち回転軸線Ｌ１と交差する位置となる。また裏当て部材１２１は、その外周部に凹凸が形成される。具体的には、裏当て部材１２１は、角変位軸線Ｌ２に平行に延びるローレット溝１２５が形成される。

支持体１２４は、装着体１２２に固定されて装着体１２２からＸ方向他方Ｘ２に延びる２つの立設部１２６，１２７と、立設部１２６，１２７の間に設けられる軸体１２８とを含む。各立設部１２６，１２７は、Ｘ方向とＹ方向とにともに直交するＺ方向に並び、Ｚ方向に間隔を開けて配置される。軸体３２８は、円柱状に形成され、その軸線は、裏当て部材１２１の角変位軸線Ｌ２と一致する。軸体１２８と裏当て部材１２１とは、ベアリング１２８を介して連結される。これによって、裏当て部材１２１は、装着体１２２が基体２１に装着された状態で、基体２１に対して角変位軸線Ｌ２まわりに角変位可能となる。

図３は、図２の矢符ＩＩＩ−ＩＩＩから摩擦撹拌接合装置２０を見て、一部を切断して示す図である。微小移動手段１２３は、裏当て部材１２１を角変位軸線Ｌ２まわりに角変位駆動する。微小移動手段１２３は、装着体１２２に固定される。本実施の形態では、微小移動手段１２３は、復動式エアシリンダによって実現され、Ｙ方向に変位自在なピストンロッド１３０が設けられる。

また微小移動手段１２３は、シリンダチューブ１３３に２つの流体入出孔１３１，１３２が形成される。２つの流体入出孔１３１，１３２のうち、第１流体入出孔１３１から流体がシリンダチューブ１３２に供給されると、ピストンロッド１３０は、Ｙ方向一方Ｙ１に変位する。２つの流体入出孔１３１，１３２のうち、第２流体入出孔１３２から流体がシリンダチューブ１３２に供給されると、ピストンロッド１３０は、Ｙ方向他方Ｙ２に変位する。本実施の形態では、ピストンロッド１３０の移動速度をコントロールするためのスピードコントローラ１４１，１４２が設けられる。これによってピストンロッド１３０がＹ方向一方Ｙ１に進む速度と、Ｙ方向他方Ｙ２に進む速度とをそれぞれ異ならせて調整可能である。スピードコントローラ１４１，１４２は、ピストンロッドの速度を調整する速度調整手段となる。

ピストンロッド１３０は、先端部１３４がシリンダチューブ１３２から突出する。ピストンロッド１３０の先端部１３４は、裏当て部材１２１に固定される。なお、ピストンロッド１３０の先端部１３４は、ピストンロッド１３０の残余の部分に対して角変位可能に連結されることが好ましい。ピストンロッド１３０の先端部１３４は、裏当て部材１２１のうち、裏当て部材１２１が被接合物１７に当接することを疎外しない位置で、裏当て部材１２１に連結される。本実施の形態では、ピストンロッド１３０は、装着体１２２と、裏当て部材１２２との間を通過し、ピストンロッド１３０の先端部１３４は、裏当て部材１２１のうちＸ方向一方Ｘ１側部分に固定される。

図３は、ピストンロッド１３０がＹ方向一方Ｙ１に変位した状態を示し、図４は、図３に対してピストンロッド１３０がＹ方向他方Ｙ２に変位した状態を示す。ピストンロッド１３０が、Ｙ方向に変位することによって、ピストンロッド１３０の先端部１３４に固定される裏当て部材１２１は、角変位軸線Ｌ２まわりに角変位する。

支持体１２４には、ピストンロッド１３０の先端部１３４を収容する収容空間１３５が形成される。具体的には、支持体１２４には、装着体１２２からＸ方向他方Ｘ２に延びる２つの収容空間形成部１３６，１３７が形成される。収容空間形成部１３６，１３７は、Ｙ方向に間隔を開けて配置される。収容空間形成部１３６，１３７は、裏当て部材１２１と装着体１２２との間に形成される。また立設部１２６，１２７と収容空間形成部１３６，１３７とによって、四角形の枠が形成される。この枠によって規定される空間が収容空間１３５となり、枠内にピストンロッド１３０の先端部１３４が配置される。

収容空間１３５のＹ方向寸法は、ピストンロッド１３０の先端部１３４よりも大きく形成される。これによって収容空間１３５に配置されるピストンロッド１３０の先端部１３４は、予め定められるストローク量ぶんＹ方向に移動可能に形成される。またピストンロッド１３０は、収容空間形成部１３６，１３７によって変位が規制されることによって、予め定めるストローク量以上移動することが阻止される。

さらに本実施の形態では、ピストンロッド１３０のストローク量を調整するためのストローク調整部材１４０が設けられる。ストローク調整部材１４０は、収容空間形成部１３６に螺着するボルトによって実現される。ボルトは、収容空間形成部１３６に形成される内ねじが形成されるねじ孔形成部に螺着する。ボルトがねじ孔形成部を螺進することによって、ボルトが収容空間１３５に突出する突出量を変更することができ、ピストンロッド１３０のストロークを調整することができる。また裏当て部材１２１を角変位させるのに、エアシリンダを用いることによって、微小移動手段１２３を安価に形成することができる。またエアシリンダを用いることで、空気のバネ性を利用することができ、裏当て部材１２１の急移動を緩和させることができる。

図５は、摩擦撹拌接合装置２０の一部を切断して示す断面図である。摩擦撹拌接合装置２０は、ツール保持部４０と、回転駆動手段１０２と、直進駆動手段１０３と、裏当て部材構造体１２０と、基体２１と、制御手段１０とを含んで構成される。ツール保持部４０は、回転軸線Ｌ１と同軸に接合ツール２２を保持し、回転軸線Ｌ１まわりに回転可能でかつ回転軸線Ｌ１に沿う方向に直線変位可能に構成される。したがってツール保持部４０に装着される接合ツール２２もまた、回転軸線Ｌ１まわりに回転可能でかつ回転軸線Ｌ１に沿う方向に直線変位可能となる。

回転駆動手段１０２は、ツール保持部４０を回転軸線Ｌ１まわりに回転駆動する。直進駆動手段１０３は、ツール保持部４０を回転軸線Ｌ１に沿う方向であるＸ方向に変位駆動する。制御手段１０は、回転駆動手段１０２、直進駆動手段１０３および微小移動手段１２３を制御する。たとえば制御手段１０は、ロボットコントローラによって実現され、接合手順を示すプログラムを予め記憶する。摩擦撹拌接合装置２０は、制御手段１０が予め記憶するプログラムを実行することによって、摩擦撹拌接合を行う。なお、制御手段１０は、接合ツール２２の回転速度、接合ツール２２が被接合物に与える加圧力、裏当て部材１２１の移動位置および時刻変化などを取得可能である。

回転駆動手段１０２は、制御手段１０の回転制御部１２から接合ツール２２の回転動作に関する指令が与えられた場合、その指令に基づいてツール保持部４０を回転および回転停止させる。直進駆動手段１０３は、制御手段１０の直進制御部１１から接合ツール２２の直進動作に関する指令が与えられた場合、その指令に基づいてツール保持部４０を直進移動および直進移動停止させる。微小移動手段１２３は、制御手段１０の微小制御部１３から、基体２１と被接合物１７との相対微小移動に関する指令が与えられた場合、その指令に基づいて裏当て部材１２２を変位移動および変位停止させる。

基体２１は、ツール保持部４０、裏当て部材１２１、回転駆動手段１０２および直進駆動手段１０３を支持する。なお、裏当て構造体１２０は、基体２１に対して着脱自在に固定される。基体２１は、略Ｃ字状に形成され、Ｙ方向に垂直な平面に沿って延びる。なお、基体２１は、多関節ロボットよりも剛性が高く設定される。

基体２１は、その周方向一端部にツール保持部４０が設けられ、その周方向他端部に裏当て部材１２１が設けられる。基体２１は、多関節ロボット１００に装着され、多関節ロボット１００によって任意の位置に変位駆動される。なお、回転駆動手段１０２および直進駆動手段１０３の具体的な構成については、後述する。

図６は、摩擦撹拌接合装置の第１の動作手順を示すフローチャートである。図７は、第１の動作手順におけるタイムチャートである。なお、図７（１）は、接合ツール２２の回転速度の時間変化を示す。図７（２）は、接合ツール２２が被接合物１７に与える加圧力の時間変化を示す。図７（３）は、制御手段１０が微小移動手段１２３に与える指令の時間変化を示す。図７（４）は、裏当て部材１２１の角変位量の時間変化を示す。

ステップａ０で、摩擦撹拌接合装置２０は、多関節ロボット１００によって被接合物１７に向かって基体２１が移動され、予め定める接合準備位置に移動される。接合準備位置は、被接合物１７の両側に接合ツール２２と裏当て部材１２１とが配置され、回転軸線Ｌ１が、被接合物１７の接合位置を通過する位置である。

本実施の形態では、摩擦撹拌接合装置２０が接合準備位置に移動すると、裏当て部材１２１は被接合物１７のＸ方向一方Ｘ１の表面１９ａに当接する。制御手段１０は、多関節ロボット１００のロボットコントローラから与えられる信号に基づいて、接合準備位置に基体２１が移動したことを判断すると、ステップａ１に進み、接合動作を開始する。

ステップａ１では、制御手段１０は、図７（１）に示すように、動作開始時刻Ｔ０で、回転駆動手段１０２に回転指令を与える。これによって接合ツール２２が回転する。接合ツール２２は、第１時刻Ｔ１で回転速度が予め定める設定回転速度Ｖ１に達する。制御手段１０は、エンコーダなどを用いて接合ツール２２の回転速度が設定回転速度Ｖ１に達したことを判断すると、ステップａ２に進む。

ステップａ２では、制御手段１０は、直進駆動手段１０３に没入指令を与える。これによって接合ツール２２がＸ方向一方Ｘ１に直進する。すなわち接合ツール２２は、裏当て部材１２１に近接する方向に移動する。接合ツール２２は、図７（２）に示すように、第２時刻Ｔ２で被接合物１７に回転接触して、被接合物１７に加圧力を与える。次に、接合ツール２２は、第３時刻Ｔ３で加圧力が予め定める設定加圧力Ｐ１に達する。制御手段１０は、接合ツール２２の加圧力が設定加圧力Ｐ１に達したことを判断すると、ステップａ３に進む。

制御手段１０は、第３時刻Ｔ３を計測することによって加圧力が設定加圧力Ｐ１に達したことを判断してもよい。また直進駆動手段１０３のモータを流れる電流を検出する電流検出手段または接合ツールの加圧力を測定するロードセルなどを用いて、加圧力が設定加圧力Ｐ１に達したことを判断してもよい。

ステップａ３では、制御手段１０は、摩擦熱によって被接合物１７が軟化したか否かを判断する。たとえば制御手段１０は、接合ツール２２が被接合物１７に当接した第２時刻Ｔ２から、被接合物１７の接合領域が軟化するであろう軟化時間Ｗ１が経過した第４時刻Ｔ４に達すると、接合領域が軟化したことを判断する。一例として軟化時間Ｗ１は、０．１秒以上０．２秒以下に設定される。制御手段１０は、接合領域が軟化したことを判断するとステップａ４に進む。

ステップａ４では、制御手段１０は、図７（３）に示すように、裏当て部材１２１を角変位軸線Ｌ２まわりに周方向一方に角変位させる周方向一方角変位指令を微小移動手段１２３に与える。これによって微小移動手段１２３は、ピストンロッド１３０をＹ方向一方に変位させて、裏当て部材１２１を角変位軸線Ｌ２まわりに周方向一方に角変位させる。制御手段１０は、このようにして角変位指令を微小移動手段１２３に与えるとステップａ５に進む。

ステップａ５では、制御手段１０は、接合領域が十分に撹拌されたか否かを判断する。たとえば制御手段１０は、接合ツール２２が被接合物１７を加圧する加圧力が設定加圧力Ｐ１に達した第３時刻Ｔ３から、被接合物１７の接合領域が撹拌するであろう撹拌時間Ｗ２が経過した第５時刻Ｔ５に達すると、接合領域が十分に撹拌されたこと判断する。制御手段１０は、接合領域を十分に撹拌したことを判断するとステップａ６に進む。

ステップａ６では、制御手段１０は、図７（２）に示すように、第５時刻Ｔ５で直進駆動手段１０３に退出指令を与える。これによって接合ツール２２がＸ方向他方Ｘ２に直進する。すなわち接合ツール２２は、裏当て部材１２１から離反する方向に移動する。接合ツール２２が被接合物１７から抜け出す第６時刻Ｔ６に達すると、ステップａ７に進む。

ステップａ７では、制御手段１０は、回転駆動手段１０２に回転停止指令を与える。これによって接合ツール２２の回転が停止する。また制御手段１０は、図７（３）に示すように、微小移動手段１２３に角変位指令を与えた第４時刻Ｔ４から、予め定める微動時間Ｗ３が経過した第７時刻Ｔ７に達すると、裏当て部材１２１を角変位軸線Ｌ２まわりに周方向他方に角変位させる周方向他方角変位指令を微小移動手段１２３に与える。これによって微小移動手段１２３は、ピストンロッド１３０を変位して、裏当て部材１２１を角変位軸線Ｌ２まわりに周方向他方に角変位させる。制御手段１０は、このようにして回転駆動手段１０２および微小移動手段１２３に指令を与えるとステップａ８に進む。

ステップａ８では、接合ツール２２のＸ方向の位置が予め定める初期位置に移動するとともに、裏当て部材１２１の周方向位置が予め定める初期位置に移動したことを判断すると、ステップａ９に進む。ステップａ９では、制御手段１０は、摩擦撹拌接合手順を終了する。

図８は、摩擦撹拌接合装置２０の動作手順を示す断面図である。図８（１）〜図８（５）の順に動作手順が進行する。上述したステップａ２では、図８（１）に示すように、接合ツール２２は、回転軸線Ｌ１まわりに回転した状態で、被接合物１７に近づく。

次に図８（２）に示すように、接合ツール２２は、被接合物１７に回転接触し、被接合物１７に加圧力を与える。このとき裏当て部材１２１が被接合物１７のＸ方向一方Ｘ１側部分に当接し、接合ツール２２が被接合物１７のＸ方向他方Ｘ２側部分に当接する。すなわち裏当て部材１２１と接合ツール２２とによって、被接合物１７を挟持した状態で、接合ツール２２が被接合物１７を加圧する。これによって裏当て部材２２は、被接合物１７から加圧される。これによって接合ツール２２と被接合物１７とに摩擦熱が発生し、被接合物１７は接合ツール２２と接触している部分が軟化し、接合ツール２２が被接合物１７に没入する。

図８（３）に示すように、各接合部材１８，１９を流動化しつつ、接合ツール２２が各被接合部材１８，１９の境界を通過すると、各接合物１８，１９の流動化した部分が混ざり合う。このように被接合物１７を部分的に流動撹拌した状態で、ステップａ４に示すように裏当て部材１２１が角変位軸線Ｌ２まわりに角変位する。裏当て部材１２１は、被接合物１７にＹ方向に移動する力Ｆ１を与える。このとき裏当て部材１２１は、被接合物１７に与えた力Ｆ１に関する反力Ｆ２が、被接合物１７から与えられる。

この裏当て部材１２１に与えられた反力Ｆ２は、支持体１２４、装着体１２２、基体２１を順に介して、多関節ロボット１００に与えられる。多関節ロボット１００は、反力Ｆ２が与えられることによって、反力Ｆ２が与えられた方向に撓む。基体２１とともに接合ツール２２が、被接合物１７に対して反力Ｆ２が与えられた方向に変位することになる。

図８（４）に示すように、反力Ｆ２が与えられた方向に基体２１が移動することによって、被接合物１７に対して接合ツール２２がＹ方向に移動し、接合領域をＹ方向に拡大することができ、被接合物１７の接合強度を向上することができる。裏当て部材１２１が角変位移動を継続している状態で、接合ツール２２が被接合物１７から離脱することによって、接合開始位置から接合終了位置に向かうにつれて、接合跡の深さを小さくすることができ、接合後の美感を向上することができる。

以上のように本発明の実施の第１形態に従えば、摩擦撹拌時に微小移動手段１２３がＹ方向に移動させる力Ｆ１を被接合物１７に与えると、その反力Ｆ２によって、基体保持装置となる多関節ロボット１００が撓み、被接合物１７に対して基体２１がＹ方向に移動する。基体２１とともに接合ツール２２および裏当て部材１２１がＹ方向に移動することで、被接合物１７に形成される接合領域をＹ方向に広げることができる。

本実施の形態では、多関節ロボット１００を用いることによって、汎用性を向上することができ、被接合物１７の形状が異なる場合、接合位置が異なる場合であってもスポット接合を行うことができる。また被接合物１７の形状が３次元的な複雑な形状であっても摩擦撹拌接合を行うことができる。

比較例として、多関節ロボット１００を制御することによって、摩擦撹拌接合装置２０をＹ方向に移動しようとした場合には、多関節ロボット１００の制御が困難であり、接合ツール２２を微小移動させることが困難である。また多関節ロボット１００によって摩擦撹拌接合装置２０を移動させようとした場合には、ロボットアームに大きな抵抗力が与えられ、ロボットアームが撓んで接合ツール２２を所望とする移動量移動させることが困難である。たとえば基部側でロボットアームを変位させたとしても先端部側ではロボットアームが変形することで、摩擦撹拌接合装置２０をＹ方向に移動させることができない場合がある。

これに対して本発明の本実施の形態では、基体２１から被接合物１７に力を与えることによって、基体２１を支持する多関節ロボット１００の剛性が低い場合であっても、基体２１と被接合物１７とをＹ方向に正確な所望の移動量ぶん確実にずらすことができる。このように本発明の実施の形態に従えば多関節ロボット１００を用いて、被接合物１７の接合領域を向上させることができるので、ロボットを用いることによる利点、すなわち汎用性を保ったうえで、被接合物１７の接合強度を向上することができる。

また本実施の形態では、接合ツール２２の大きさにかかわらずに、接合領域をＹ方向に広げることができ、被接合物１７の接合強度を向上することができる。たとえば直径の小さい接合ツール２２を用いてＹ方向に延びる接合領域を形成することができる。これによって被接合物１７が長細い場合に、被接合物１７の長手方向に接合領域を形成することができ、接合領域以外の領域に熱ひずみが生じることを防いで、各被接合部材１８，１９を良好に接合することができる。

また接合領域をＹ方向に延ばすことができるので、接合領域が延びる方向における接合強度を向上することができる。これによって予め定める方向の強度を向上する場合に、その方向に接合領域を延ばすことによって、接合領域が無駄に大きくなることを防いで、接合強度を向上することができる。なお、被接合物の接合強度は、引張強度、はく離強度およびせん断強度などである。

また本実施の形態では、裏当て部材１２１を角変位軸線Ｌ２まわりに角変位させることによって、裏当て部材１２１を直線変位させる場合に比べて、基体２１と被接合物１７とを移動させるために必要な領域を小さくすることができる。これによって装置を小形化することができる。またベアリングによって裏当て部材１２１を角変位可能に支持することができ、構造を簡単化することができる。

また裏当て部材１２１を直線変位させた場合には、基体２１が裏当て部材１２１を支持する位置が変化してしまう。これに対して裏当て部材１２１を角変位させた場合には、裏当て部材１２１を角変位させたとしても、基体２１に対して予め定められる位置で裏当て部材１２１が被接合物１７に接触する。言い換えると基体２１が裏当て部材１２１を支持する位置が変化することがない。これによって裏当て部材１２１を角変位させた場合であっても、接合ツール２２と裏当て部材１２１とで安定して被接合物１７を挟持することができる。

また本実施の形態では、裏当て部材１２１にローレット溝が形成されることによって、被接合物１７と裏当て部材１２１との接触領域が小さい場合であっても、摩擦係数を大きくして、被接合物１７に対して裏当て部材１２１が滑ることを防ぐことができ、被接合物１７にＹ方向に向かう力を確実に与えることができる。これによって基体２１と被接合物１７との移動に抗する力が大きい場合でも、基体２１と被接合物１７とを相対的に移動させることができる。

また本実施の形態では、接合ツール２２と被接合物１７との摩擦熱とによって被接合物１７が軟化した状態で、微小移動手段１２１が被接合物１７に力を与える。被接合物１７が軟化していると、被接合物１７と基体２１とが相対的に移動するのに対して抗する力が小さくなり、被接合物１７に対して、基体２１を容易に移動させることができる。

たとえば接合ツール２２を被接合物１７に没入した状態で、接合ツール２２と被接合物１７とを相対的にＹ方向に５ｍｍ程度ずらすように設定する。これによってＹ方向にずらさない場合に比べて、被接合物の接合強度を１．５倍にすることができる。また摩擦撹拌中に、接合ツール２２と被接合物１７とがＹ方向にずれることによって、接合ツール２２と被接合物１７とがＹ方向にずれない場合に比べて、接合後の被接合物の表面を平滑に形成することができる。また裏当て部材１２１を移動させない場合に比べて、接合後に生じるバリを抑えることができる。

図７に示すように、動作開始時刻Ｔ０から第５時刻Ｔ５までの時間を加工時間ｔとし、動作開始時刻Ｔ０から第４時刻Ｔ４までの時間を待ち時間ｔ１とし、第４時刻Ｔ４から第７時刻Ｔ７までの時間を移動時間ｔ２とする。この場合、本実施の形態では、加工時間ｔは、待ち時間ｔ１と移動時間ｔ２との合計時間以下、すなわちｔ≦（ｔ１＋ｔ２）に設定される。また加工時間ｔは、待ち時間ｔ１を超え、すなわちｔ＞ｔ１に設定される。

このように設定されることによって被接合物１７と接合ツール２２とがＹ方向に相対的に変位させながら、接合ツール２２を被接合物１７から退避させることができる。これによって図８（５）に示すように、接合ツール２２が接合開始位置から接合終了位置に向かうにつれて、接合跡の接合深さを小さくすることができ、接合品質を向上することができる。

たとえば１つの組み合わせとして、加工時間ｔが２〜３秒、待ち時間ｔ１が１．５秒、移動時間ｔ２が４秒に設定される。また他の１つの組み合わせとして、加工時間ｔが１．５秒、待ち時間ｔ１が１秒、移動時間ｔ２が３秒に設定される。なお、加工時間ｔが待ち時間ｔ１と移動時間ｔ２との合計時間を超えてもよい。

なお、加工時間ｔ、待ち時間ｔ１および移動時間ｔ２は、予め制御手段１０に記憶されていてもよい。また被接合物の形状、接合ツールの形状などの接合条件に応じて、作業者が制御手段１０に教示してもよい。また接合条件に応じて、スピードコントローラ１４１を用いて、ピストンロッド１３０の移動速度を変更してもよい。

本実施の形態において、設定パラメータは、前記設定回転速度Ｖ１、前記設定加圧力Ｐ１、加工時間ｔ、裏当て部材の移動量、待ち時間ｔ１、移動時間ｔ２、リピート速度ｒである。リピート速度ｒは、任意の接合位置で摩擦撹拌接合を終了してから次の接合位置まで移動する速度を示す。たとえばリピート速度ｒは、ロボットの最大移動速度を１００％とすると、３０〜１００％の間で変更可能である。接合パラメータは、接合ツール２２および被接合物１７の形状などの接合条件に応じて変更可能であり、最適な接合品質を得ることができる設定パラメータに設定される。

たとえば設定回転速度Ｖ１は、回転数で表わすと１０００〜４０００ｒｐｍの間で設定可能である。また設定加圧力Ｐ１は、２０００〜５５００Ｎ（２００〜５５０ｋｇｆ）の間で設定可能である。また加工時間ｔは、１〜４秒の間で設定可能である。また移動距離は、１〜４ｍｍの間で設定可能である。また待ち時間ｔ１は、０．５〜１．５秒の間で設定可能である。また移動時間ｔ２は、０．５〜２秒の間、またはそれ以上の間で設定可能である。なおこのような、変更範囲は一例示であって、他の範囲であってもよい。また裏当て部材１２１を含む裏当て構造体１２０が基体２１に対して着脱可能に構成されるので、接合条件に応じて最適な裏当て構造体１２０を基体２１に装着してもよい。

本実施の形態の摩擦撹拌接合装置２０を用いた場合には、１つの接合点における接合強度を向上することができるので、予め定められる接合強度を得るために必要な接合点を少なくすることができる。本実施の形態では、裏当て部材１２１を移動させることによって、裏当て部材１２１を移動させない場合に比べてスポット接合に費やす時間が若干増加する。しかしながら、上述したように接合点を少なくすることができるので、接合に費やす接合時間が大幅に大きくなることを防止することができる。

また本実施の形態では、裏当て部材１２１と被接合物１７とで摩擦力を発生させ、摩擦力によって被接合物１７にＹ方向に向かう力を与える。したがって被接合物１７にＹ方向に向かう力を与えるための係止部分が形成されなくても、被接合物１７にＹ方向に向かう力を与えることができる。したがって被接合物１７の形状にかかわらず接合領域を増やすことができ、汎用性を向上することができる。また接合ツール２２が被接合物１７を裏当て部材１２１に向かって押圧するので、被接合物１７と裏当て部材１２１との摩擦力を発生するために、裏当て部材１２１に被接合物１７を押圧する機構を設ける必要がない。これによって摩擦撹拌接合装置２０の構造を簡単化することができる。

また本実施の形態では、ピストンロッド１３０のストロークを調整するストローク調整部材１４０が設けられる。ストローク調整部材１４０によってピストンロッド１３０のストロークを調整することによって、必要な接合強度に応じた接合領域を容易に形成することができ、接合強度を調整することができる。エアシリンダ単体では、微小な位置調整が困難であるが、このようなストローク調整部材１４０を用いることによって、精度よく接合領域を形成することができる。なお、基体２１の移動量は、少なくとも多関節ロボットの弾性範囲内に設定することが好ましい。これによって多関節ロボット１００が破損することなく、被接合物１７の接合強度を向上することができる。

またエアシリンダは、スピードコントローラ１４１，１４２が設けられる。これによってピストンロッド１３０をＹ方向一方Ｙ１に移動させる速度と、Ｙ方向他方Ｙ２に移動させる速度とを異ならせることができる。たとえば摩擦撹拌中に裏当て部材１２１を移動させる場合は、必要な接合領域を形成するために必要な速度に設定し、接合後に裏当て部材を移動させる場合には、可及的に高速度に設定する。これによって接合品質を維持したうえで、接合に費やす時間を短縮することができる。

図５を参照して、摩擦撹拌接合装置２０の具体的な構成を説明する。摩擦撹拌接合装置２０は、ツール保持部４０と、回転駆動手段１０２と、直進駆動手段１０３と、裏当て部材構造体１２０と、基体２１と、制御手段１０とを含んで構成される。ツール保持部４０は、接合ツール２２が着脱自在に装着され、予め定められる回転軸線Ｌ１まわりに回転自在かつ回転軸線Ｌ１に沿って変位自在に構成される。具体的には、ツール保持部４０は、ピン部５２およびショルダ面がツール保持部４０から軸線方向一方に突出した状態で、接合ツール２２を保持する。ツール保持部４０に装着された接合ツール２２は、ツール保持部４０と同様に変位可能となる。具体的には、接合ツール２２は、回転軸線Ｌ１まわりに回転可能であり、回転軸線Ｌ１に沿って変位可能に摩擦撹拌接合装置２０に装着される。

回転駆動手段１０２は、ツール保持部４０を回転軸線Ｌ１まわりに回転駆動する。回転駆動手段１０２は、接合ツール２２を回転させる回転用モータ２５と、回転用モータ２５の回転力を接合ツール２２に伝達する回転伝達手段３０を有する。回転用モータ２５は、制御手段１０に設けられる回転制御部１２によって制御される。

接合ツール２２には、回転軸線Ｌ１に同軸に配置される回転軸２６が結合される。回転軸２６は、回転軸線Ｌ１に沿って延びるスプラインシャフトであり、回転伝達用従動側プーリ４８が取り付けられる。回転伝達用従動側プーリ４８は、Ｘ方向への回転軸２６の移動を許容し、回転軸線Ｌ１まわりの回転を阻止して、回転力２６に回転力を伝達する。回転伝達用従動側プーリ４８は、プーリ支持用軸受け５０によって本体フレーム２９に、回転軸線Ｌ１まわりに回転自在に軸支される。なお、本体フレーム２９は、基体２１の周方向一端部に固定される。

本体フレーム２９に固定される回転用モータ２５の出力軸には、回転伝達用駆動側プーリ４６が固定される。回転伝達用駆動側プーリ４６と回転伝達用従動側プーリ４８とは、回転伝達用ベルト４７が巻きかけられ、回転用モータ２５を回転させることによって、Ｘ方向へ移動可能に接合ツール２２を回転駆動するように構成される。したがって回転伝達手段３０は、回転軸２６と、回転伝達用従動側プーリ４８と、回転伝達用ベルト４７と、回転伝達用駆動側プーリ４６とを含む。

直進駆動手段１０３は、ツール保持部４０を回転軸線Ｌ１に沿って変位駆動する。直進駆動手段１０３は、接合ツール２２を直進させる直進用モータ２４と、直進用モータ２４の回転力を接合ツール２２に伝達する直進伝達手段４５を有する。直進用モータ２４は、制御手段１０に設けられる直進制御部１１によって制御される。

摩擦撹拌接合装置２０は、回転軸２６を外囲して、接合ツール２２を直進移動させて加圧力を与える中空の加圧軸２７が設けられる。この加圧軸２７は、Ｘ方向両端部がそれぞれ軸受け３１，３２によって回転軸線Ｌ１まわりに回転自在に本体フレーム２９に支持される。加圧軸２７の内部に挿通する回転軸２６は、加圧軸２７のＸ方向一方Ｘ１側端部からＸ方向一方Ｘ１に突出し、その先端に接合ツール２２が取り付けられる。

加圧軸２７のＸ方向他方Ｘ２側端部には、直進伝達用従動側プーリ６０が固定される。回転用モータ２５と同軸に本体フレーム２９に固定される直進用モータ２４の出力軸には、直進伝達用駆動側プーリ６１が固定される。直進伝達用駆動側プーリ６１と直進伝達用従動側プーリ６０とは、直進伝達用ベルト６２が巻きかけられ、直進用モータ２４を回転させることによって、加圧軸２７を回転軸線Ｌ１まわりに回転させることができる。

加圧軸２７の外周には、外ねじが形成され、ナット部材５３が螺合する。ナット部材５３は、加圧軸２７をＸ方向両端部で軸支する各軸受け３１，３２の間に配置される。この加圧軸２７およびナット部材５３は、ボールねじによって実現される。本体フレーム２９には、加圧軸２７に対向し、回転軸線Ｌ１に平行にリニアガイド５５が固定される。前記ナット部材５３は、リニアガイド５５によって回転軸線Ｌ１に沿って直線状に案内支持される。

接合ツール２２には、接合ツール２２を保持するツール保持部４０が取り付けられる。ツール保持部４０は、保持部保持用軸受け６５，６６を介して接合ツール２２を回転軸線Ｌ１まわりに回転自在に保持する。そしてこのツール保持部４０と前記ナット部材５３とがブラケット７０によって連結される。

ブラケット７０は、回転軸線Ｌ１に沿って延び、回転軸線Ｌ１を外囲する略Ｃ字状の断面形状を有する。この回転軸線Ｌ１に沿って、Ｘ方向一方Ｘ１から順にナット部材５３、加圧軸２７およびツール保持部４０が配置される。ブラケット７０は高剛性材料からなり、回転軸線Ｌ１を中心とする断面Ｃ字状であるので、ナット部材５３からの加圧力を確実にツール保持部４０に伝達することができる。このように、直進用モータ２４の回転力は、加圧力として、ブラケット７０を介して接合ツール２２を保持するツール保持部４０に伝達される。すなわち直進用モータ２４が回転すると、ブラケット７０とともに接合ツール２２がＸ方向に変位移動する。したがって直進伝達手段４５は、加圧軸２７と、ナット部材５３と、ブラケット７０と、直進伝達用従動側プーリ６０と、直進伝達用ベルト６２と、直進伝達用駆動側プーリ６１とを含む。

このような回転駆動手段１０２および直進駆動手段１０３を用いることで、接合ツール２２を回転軸線Ｌ１まわりに高速で回転させながら、回転軸線Ｌ１に沿って直進移動させることができる。

回転用モータ２５は、回転用モータ２５の出力軸の回転速度を検出するエンコーダが設けられる。エンコーダは、接合ツール２２の回転速度を検出するための検出手段となる。エンコーダは、検出結果を制御手段１０に与える。制御手段１０は、エンコーダから与えられる検出結果に基づいて、回転用モータ２５を制御することによって、接合ツール２２の回転速度を設定回転速度にすることができる。

また直進用モータ２４に流れる電流を検出する電流検出手段が設けられる。電流検出手段は、接合ツール２２が被接合物１７に与える加圧力を検出するための検出手段となる。電流検出手段は、検出結果を制御手段１０に与える。制御手段１０は、電流検出手段から与えられる検出結果に基づいて、直進用モータ２４を制御することによって、接合ツール２２が被接合物１７に与える加圧力を設定加圧力にすることができる。

裏当て部材構造体１２０は、ツール保持部４０に対して回転軸線Ｌ１に間隔を開けて配置される。裏当て部材構造体１２０は、裏当て部材１０１を有する。裏当て部材１０１は、摩擦撹拌接合にあたって、ツール保持部２２と反対側から被接合物１７に当接して、接合ツール２２と協働して被接合物２１を挟持する。

基体２１は、略Ｃ字状に形成され、ツール保持部２２と裏当て部材構造体１２０とを支持する。具体的には、機体２１は、周方向一端部にツール保持部２２を支持し、周方向他端部に裏当て部材構造体１２０を支持する。本実施の形態では、基体２１は、回転駆動手段１０２および直進駆動手段１０３も支持する。基体２１は、多関節ロボット１００に装着される。摩擦撹拌接合装置２０は、多関節ロボット１００の動作によって任意の位置に変位駆動される。

接合ツール２２は、被接合部材１８，１９よりも高度の高い材質から成る。接合ツール２２は、円筒形に形成されるショルダ部５１と、ショルダ部５１の一端面となるショルダ面から軸線方向一方側に突出する円筒状のピン部５２とを有する。ショルダ部５１とピン部５２とは同軸に形成される。本実施の形態では、ショルダ部５１の直径は、１０ｍｍに設定され、ピン部５１の直径は、２ｍｍに設定される。またピン部５１は、ショルダ部５１から１．５ｍｍ突出する。

図９は、摩擦撹拌接合装置の第２の動作手順を示すフローチャートである。図１０は、第２の動作手順におけるタイムチャートである。第２の動作手順は、第１の動作手順に比べて、裏当て部材１２１の変位動作を停止するタイミングが異なり、その他の動作は同一である。

第２の動作においてステップｂ０〜ステップｂ４の動作は、第１の動作手順におけるステップａ０〜ステップａ４の動作にそれぞれ対応し、第１の動作手順とそれぞれ同様の手順であるので、説明を省略する。

ステップｂ４では、角変位指令を微小移動手段１２３に与えるとステップｂ５に進む。ステップｂ５では、制御手段１０が、予め定める微小移動量ぶん裏当て部材１２１が角変位したことを判断すると、裏当て部材１２３の角変位を停止する停止指令を微小移動手段１２３に与える。制御手段１０は、図１０（３）に示すように、第４時刻Ｔ４から予め定める移動時間Ｗ５が経過した第９時刻Ｔ９に達すると、予め定める微小移動量ぶん裏当て部材１２１が角変位したことを判断する。制御手段１０は、このようにして停止指令を微小移動手段１２３に与えるとステップｂ６に進む。

ステップｂ６では、制御手段１０は、接合領域が十分に撹拌されたか否かを判断する。たとえば制御手段１０は、接合ツール２２が被接合物１７に当接した第３時刻Ｔ３から、被接合物１７の接合領域が撹拌するであろう撹拌時間Ｗ４が経過した第５時刻Ｔ５に達すると、接合領域が十分に撹拌されたこと判断する。制御手段１０は、接合領域を十分に撹拌したことを判断するとステップｂ７に進む。

第２の動作においてステップｂ７〜ステップｂ１０の動作は、第１の動作手順におけるステップａ６〜ステップａ９の動作にそれぞれ対応し、第１の動作手順とそれぞれ同様の手順であるので、説明を省略する。

第２の実施の形態では、撹拌時間Ｗ４は、軟化時間Ｗ１と移動時間Ｗ５との合計時間を超え、すなわちＷ４＞（Ｗ１＋Ｗ２）に設定される。このように設定することによって、接合跡の深さをほぼ一定にすることができ、接合開始位置と接合終了位置とで確実に、複数の被接合部材１８，１９を接合することができる。

また裏当て部材１２１の移動は、このような場合に限らず、摩擦撹拌中に種々変化させてもよく、たとえば裏当て部材の移動方向および移動速度を変化させてもよい。

具体的には、摩擦撹拌中に、裏当て部材１２１をＹ方向一方Ｙ１に移動させた後さらにＹ方向他方Ｙ２に移動させて、裏当て部材１２１を初期位置に配置した状態で、接合ツール２２を被接合物１７から退避させてもよい。これによって多関節ロボット１００に生じる応力が解消させた状態で、接合ツール２２と裏当て部材１２１とによる被接合物１７の挟持を解消することができる。

また接合点が複数存在する場合には、撹拌接合中に、第１の接合点で裏当て部材１２１をＹ方向一方Ｙ１に移動させ、接合後に、裏当て部材１２１をＹ方向他方Ｙ２に移動させず、次の接合点である第２の接合点で裏当て部材１２１をＹ方向他方Ｙ２に移動させてもよい。これによって裏当て部材１２１を初期位置に戻す手間を省くことができる。

図１１は、本発明の実施の第２形態である摩擦撹拌接合装置２２０の一部を示す断面図である。図１２は、図１１の矢符ＸＩＩ−ＸＩＩから摩擦撹拌接合装置２２０を見た図であり、図１３は、図１１の矢符ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩから摩擦撹拌接合装置２２０を見た拡大図であり、図１４は、図１２の矢符ＸＩＶ−ＸＩＶから摩擦撹拌接合装置２２０を見た図である。

摩擦撹拌接合装置２２０は、上述した第１実施形態の摩擦撹拌接合装置２０に対応する構成を有し、対応する構成については、第１実施形態の摩擦撹拌接合装置２０の参照符号に２００を加算した参照符号を付する。摩擦撹拌接合装置２２０は、基体２２１に設けられ、回転軸線Ｌ１に直交する方向のうちの一方となるＹ方向に向かう力を、予め固定される被接合物１７に与える微小移動手段３２３を備える。

摩擦撹拌接合装置２２０は、第１実施形態の摩擦撹拌接合装置２０に対して、微小移動手段３２３の構成が異なる。微小移動手段３２３は、裏当て部材２２１に対して離反した位置に設けられる動力源３２３ａと、動力源３２３ａから動力を裏当て部材３２１に伝達する動力伝達機構３２３ｂとを含む。

動力源３２３ａは、エアシリンダによって実現される。動力源３２３ａは、Ｘ方向およびＹ方向に直交するＺ方向に関して、裏当て部材３２１から直線的に移動した位置で基台２２１に固定される。動力伝達機構３２３ｂは、動力源３２３ａと裏当て部材３２１とを連結するリンク機構によって実現される。

動力源３２３ａは、固定ブロック４００を介してピストンロッド３３０の先端部が基体２２１に固定される。また固定ブロック４００には、動力源３２３ａのシリンダチューブ３３３に向かって延びるストローク調整用ボルト４０１が設けられる。ストローク調整用ボルト４０１は、シリンダチューブ３３３までの距離を調整可能に設けられる。

動力源３２３ａは、シリンダチューブ３３３が第１リンク部材４０２に固定される。第１リンク部材４０２は、Ｘ方向とＹ方向とに直交するＺ方向に変位可能に構成される。これによってシリンダチューブ３３３に対してピストンロッド３３０をＺ方向に変位すると、基体２２１に対して、シリンダチューブ３３３とともに第１リンク部材４０２がＺ方向に変位する。第１リンク部材４０２は、動力伝達機構３２３ｂの一部を構成する。

動力伝達機構３２３ｂは、伝達部４０６と、方向変換部４０５とを含む。伝達部４０６は、動力源３２３ａから裏当て部材３２１付近に、Ｚ方向に向かう動力を伝達する。また変換部４０５は、裏当て部材３２１付近に設けられ、伝達部４０６から与えられる動力を、Ｙ方向に向かう動力変換して裏当て部材３２１に与える。

伝達部４０６は、第１リンク部材４０２と、第２リンク部材４０３，４１３と、第３リンク部材４０４とを含む。第１リンク部材４０２は、略Ｕ字状に形成され、周方向中央部４０２ａにシリンダチューブ３３３が固定される。第１リンク部材４０２の周方向両端部４０２ｂ，４０２ｃは、固定ブロック４００のＹ方向側面にそれぞれ対向し、第２リンク部材４０３ａ，４０３ｂが固定される。

第２リンク部材４０３，４１３は、２つ設けられ、板状に設けられる。各第２リンク部材４０３，４１３は、Ｚ方向に延びる。一方の第２リンク部材４０３のＺ方向一端部４０３ａは、第１リンク部材４０２の周方向一端部４０２ｂに固定される。また他方の第２リンク部材４１３のＺ方向一端部４１３ａは、第１リンク部材４０２の周方向他端部４０２ｃに固定される。なお２つの第２リンク部材４０３，４１３は、基体２２１に対してＹ方向両側に延びる。

第３リンク部材４０４は、板状に形成されＺ方向に延びる一対の対向部材４０７，４０８と、各対向部材４０７，４０８のＺ方向他端部４０７ｂ，４０８ｂを連結する連結部材４０９とを含んで構成される。２つの対向部材４０７，４０８は、基体２２１に対してＹ方向両側に延びる。一方の対向部材４０７のＺ方向一端部４０７ａは、一方の第２リンク部材４０３のＺ方向他端部４０３ｂに固定される。また他方の対向部材４０８のＺ方向一端部４０８ａは、他方の第２リンク部材４１３のＺ方向他端部４１３ｂに固定される。

第３リンク部材４０４の連結部４０９は、Ｘ方向に垂直な平面を有する板状に形成される。連結部４０９は、Ｙ方向一端部に一方の対向部材４０７が固定され、Ｙ方向他端部に他方の対向部材４０８が固定される。

ピストンロッド３３０をシリンダチューブ３３３に対して、Ｚ方向に変位させることによって、シリンダチューブ３３３が基体２２１に対してＺ方向に変位する。これによってシリンダチューブ３３３に直接または間接的に固定される第１リンク部材４０２、第２リンク部材４０３，４１３および第３リンク部材４０４が基体２２１に対してＺ方向に変位する。

図１５は、図１１の矢符ＸＶ−ＸＶで切断した摩擦撹拌接合装置を示す断面図である。基体３２１には、裏当て構造体３２０が着脱可能に装着される。裏当て構造体３２０は、裏当て部材３２１と、基体２２１に装着される装着体３２２と、裏当て部材１２１を支持する支持体３２４とを有する。

裏当て部材３２１は、棒状に形成される棒状体４５０と、棒状体４５０の先端に固定される当接部４５１とを含む。棒状体４５０は、略Ｘ方向に延びる。棒状体４５０は、回転軸線Ｌ１に直交する角変位軸線Ｌ２を有する。棒状体４５０は、角変位軸線Ｌ２まわりに角変位可能に支持部３２４に支持される。当接部４５１は、前記角変位軸線Ｌ２を中心とする円筒面が形成される。円筒面が形成される円筒面形成部には、Ｙ方向に延びるローレット溝が形成される。当接部４５１は、接合ツール２２に対向し、摩擦撹拌時に被接合物１７に当接する。

支持体３２４は、装着体３２２に固定され、装着体３２２からＸ方向他方Ｘ２に延びる２つの立設部３２６，３２７と、立設部３２６，３２７の間に設けられる軸体３２８とを含む。立設部３２６，３２７は、Ｚ方向に間隔を開けて配置される。軸体１２８は、円筒状に形成され、軸体３２８は、棒状体４５０に形成される挿通孔に挿通し、棒状体４５０と軸体３２８とは、ベアリングを介して連結される。なお、棒状体４５０に形成される挿通孔は、角変位軸線Ｌ２と同軸に形成される。これによって裏当て部材３２１は、装着体３２２に対して角変位軸線Ｌ２まわりに角変位可能となる。なお棒状体４５０は、支持体３２４に支持された状態で、回転軸線Ｌ１にほぼ平行となる。

支持体３２４および装着体３２２は、回転軸線Ｌ１に沿って貫通する貫通孔４６０，４６１が形成される。棒状体４５０は、各貫通孔４６０，４６１を挿通して、装着体３２２からＸ方向一方Ｘ１に突出する。各貫通孔４６０，４６１は、棒状体４５０が角変位可能となるように棒状体４５０よりも大きく形成される。支持体３２４および裏当て部材３２１は、回転軸線Ｌ１まわりに角変位可能に形成されることが好ましい。

図１６は、図１１の矢符ＸＶＩ−ＸＶＩから摩擦撹拌接合装置２２０を見た図であり、図１７は、方向変換部４０５を説明するために一部を省略して示す斜視図である。方向変換部４０５は、嵌合体４７０と、固定体４７１と、ピン体４７２とを含んで形成される。嵌合体４７０は、板状体に形成され、厚み方向に垂直な断面形状がＬ字状に形成される。嵌合体４７０は、２つの板状片４７６，４７７が連結されてＬ字状に形成される。一方の板状片４７６は、ほぼＺ方向に延び、他方の板状片４７７は、ほぼＹ方向に延びる。嵌合体４７０は、２つの板状片４７６，４７７が連結される連結位置に厚み方向に挿通する第１嵌合孔４７３が形成される。また一方の板状片４７６には連結位置から離れた位置に厚み方向に挿通する第２嵌合孔４７４が形成される。また他方の板状体４７７には連結位置から離れた位置に厚み方向に挿通する第３嵌合孔４７５が形成される。

第１嵌合孔４７３には、装着部３２２に連結されるピン体４７２が嵌合する。ピン体４７２および第１嵌合孔４７３は、ほぼ円形に形成される。嵌合体４７０は、ピン体４７２に嵌合した状態で、ピン体４７２の軸線Ｌ３まわりに角変位可能に形成される。

第２嵌合孔４７４には、棒状体４５０のＸ方向一端部４５２が嵌合する。第２嵌合孔４７４は、棒状体４５０のＸ方向一端部４５２よりも大きく形成される。棒状体４５０のＸ方向一端部４５２が第２嵌合孔４７４に嵌合した状態で、嵌合体４７０がピン体４７２まわりに角変位すると、棒状体４５０のＸ方向一端部４５２は、Ｙ方向に角変位する。

第３嵌合孔４７５には、固定体４７１のピン部４８０が嵌合する。第３嵌合孔４７５は、固定体４７１のピン部４８０よりも大きく形成される。固定体４７１は、第３リンク部材４０４の連結部材４０９に固定される。固定体４７１が第３嵌合孔４７５に嵌合した状態で、第３リンク部材４０４とともに固定体４７１が変位すると、嵌合体４７０は、ピン体４７２の軸線Ｌ３まわりに角変位する。

第３リンク部材４０４がＺ方向に変位すると、嵌合体４５０がピン体４７２の軸線Ｌ３まわりに角変位して、第２嵌合孔４７４がＹ方向に変位する。これによって第２嵌合孔４７４に嵌合する棒状体４５０のＸ方向一端部４５２がＹ方向に変位し、棒状体４５０は、角変位軸線Ｌ２まわりに角変位する。

図１８は、第３リンク部材４０４に対する嵌合体４７０の状態を説明するための図である。図１８（１）は、第３リンク部材４０４が基体２１に対して標準位置にある状態を示す。図１８（２）は、第３リンク部材４０４が基体２１に対して図１８（１）に示す標準位置からＺ方向一方Ｚ１に移動した状態を示す。図１８（３）は、第３リンク部材４０４が基体２１に対して図１８（１）に示す標準位置からＺ方向他方Ｚ２に移動した状態を示す。

上述したように、嵌合体４７０のうち他方の板状体４７７の先端部が、固定体４７１を介して第３リンク部材４０４に固定される。また嵌合体４７０は、ピン体４７２によって基体２１に対してピン体４７２の軸線Ｌ３まわりに角変位可能に形成される。図１８（１）に示すように、第３リンク部材４０４が標準位置にある状態では、嵌合体４７０の一方の板状体４７６はＺ方向と平行に延び、他方の板状体４７７はＹ方向と平行に延びる。

図１８（２）に示すように、第３リンク部材４０４が標準位置から基体２１に対してＺ方向一方Ｚ１に移動すると、他方の板状体４７７の先端部が固定体４７１とともにＺ方向一方Ｚ１に移動する。これによって嵌合体４７０は、ピン体４７２の軸線Ｌ３まわり一方Ｒ１に角変位する。このとき棒状体４５０のＸ方向一端部４５２は、嵌合体４７０の一方の板状体４７６の先端部とともに、Ｙ方向一方Ｙ１に移動する。

また図１８（３）に示すように、第３リンク部材４０４が標準位置から基体２１に対してＺ方向他方Ｚ２に移動すると、他方の板状体４７７の先端部が固定体４７１とともにＺ方向他方Ｚ２に移動する。これによって嵌合体４７０は、ピン体４７２の軸線Ｌ３まわり他方Ｒ２に角変位する。このとき棒状体４５０のＸ方向一端部４５２は、嵌合体４７０の一方の板状体４７６の先端部とともに、Ｙ方向他方Ｙ２に移動する。

このようにして、棒状体４５０のＸ方向一端部４５２をＹ方向両方Ｙ１,Ｙ２に移動させることによって、当接部４５１をＺ方向に延びる角変位軸線Ｌ２まわりに回転させることができ、接合ツール２２を被接合物１７に対してＹ方向に微小移動させることができる。なお、摩擦撹拌接合装置２２０の摩擦撹拌接合動作は、第１実施例の摩擦撹拌接合装置２０の摩擦撹拌接合動作と同様であり、図６〜図８または図９〜図１０に示す動作を行う。

図１９は、裏当て部材３２１の変位方向を変化させた状態を示す断面図であり、図２０は、図１９の矢符ＸＩＸ−ＸＩＸから見た図であり、図２１は、方向変換部４０５を説明するために一部を省略して示す斜視図である。支持体の３２４の向きを変更することによって、裏当て部材３２１の角変位軸線Ｌ２をＹ方向に平行にすることができる。さらに第３リンク部材４０４の動力を直接、棒状体４５０に与えることによって、裏当て部材３２１をＹ方向に平行な角変位軸線Ｌ２まわりに角変位させることができる。この場合、Ｚ方向は、被接合物１７に力を与える作用方向となる。

方向変換部４０５は、結合体４７８を有する。結合体４７８は、棒状体４５０のＸ方向一端部４５２が貫通する貫通孔４８１が形成される。貫通孔４８１は、棒状体４５０のＸ方向一端部４５２よりも大きく形成される。結合体４７８は、厚み方向に突出する凸部４８２が形成され、第３リンク部材４０４の連結部材４０９に形成される凹所４８３に嵌合することによって、結合体４７８と第３リンク部材の連結部材４０９とが固定される。棒状体４５０のＸ方向一端部４５２が貫通孔４８１に嵌合した状態で、第３リンク部材４０４とともに結合体４７８がＺ方向に角変位すると、棒状体４５０のＸ方向一端部４５２は、Ｚ方向に角変位する。

第３リンク部材４０４がＺ方向に変位すると、第３リンク部材４０４とともに棒状体４５０のＸ方向一端部４５２がＺ方向に変位する。これによって棒状体４５０が角変位軸線Ｌ２まわりに角変位する。

図２２は、第３リンク部材４０４に対する棒状体４５０のＸ方向一端部４５２の状態を説明するための図である。図２２（１）は、第３リンク部材４０４が基体２１に対して標準位置にある状態を示す。図２２（２）は、第３リンク部材４０４が基体２１に対して図２２（１）に示す標準位置からＺ方向一方Ｚ１に移動した状態を示す。図２２（３）は、第３リンク部材４０４が基体２１に対して図２２（１）に示す標準位置からＺ方向他方Ｚ２に移動した状態を示す。

上述したように、裏当て部材３２１の変位方向を変化させた場合には、棒状体４５０のＸ方向一端部４５２が、結合体４７８を介して第３リンク部材４０４に連結される。図２２（１）に示すように、第３リンク部材４０４が標準位置にある状態では、棒状体４５０のＸ方向一端部４５２は、予め定める規定位置に位置する。棒状体４５０のＸ方向一端部４５２が規定位置にある状態では、棒状体４５０は、Ｘ方向にほぼ平行に延びる。

図２２（２）に示すように、第３リンク部材４０４が標準位置から基体２１に対してＺ方向一方Ｚ１に移動すると、棒状体４５０のＸ方向一端部４５２もまた、基定位置からＺ方向一方Ｚ１に移動する。また、図２２（３）に示すように、第３リンク部材４０４が標準位置から基体２１に対してＺ方向他方Ｚ２に移動すると、棒状体４５０のＸ方向一端部４５２もまた、基定位置からＺ方向他方Ｚ２に移動する。

このようにして、棒状体４５０のＸ方向一端部４５２をＺ方向両方Ｚ１,Ｚ２に移動させることによって、当接部４５１をＹ方向に延びる角変位軸線Ｌ２まわりに回転させることができ、接合ツール２２を被接合物１７に対してＺ方向に微小移動させることができる。なお、摩擦撹拌接合装置２２０の摩擦撹拌接合動作は、第１実施例の摩擦撹拌接合装置２０の摩擦撹拌接合動作に比べて、接合ツール２２を被接合物１７に対して微小移動させる方向が異なるだけで、他の動作については図６〜図８または図９〜図１０に示す動作とほぼ同様の動作を行う。

図２３は、裏当て部材３２１の変位方向を変化させた場合における動作手順を示す断面図である。図２３（１）〜図２３（５）の順に動作手順が進行する。図６または図９に示すフローチャートに従って動作が行われる。まず、図２３（１）に示すように、接合ツール２２は、回転軸線Ｌ１まわりに回転した状態で、被接合物１７に近づく。

次に図２３（２）に示すように、接合ツール２２は、被接合物１７に回転接触し、被接合物１７に加圧力を与える。このとき裏当て部材１２１が被接合物１７のＸ方向一方Ｘ１側部分に当接し、接合ツール２２が被接合物１７のＸ方向他方Ｘ２側部分に当接する。これによって接合ツール２２と被接合物１７とに摩擦熱が発生し、被接合物１７は接合ツール２２と接触している部分が軟化し、接合ツール２２が被接合物１７に没入する。

次に、図２３（３）に示すように、各接合部材１８，１９を流動化しつつ、接合ツール２２が各被接合部材１８，１９の境界を通過すると、各接合物１８，１９の流動化した部分が混ざり合う。このように被接合物１７を部分的に流動撹拌した状態で、裏当て部材１２１が角変位軸線Ｌ２まわりに角変位する。裏当て部材１２１は、被接合物１７にＺ方向に移動する力Ｆ１を与える。このとき裏当て部材１２１は、被接合物１７に与えた力Ｆ１に関する反力Ｆ２が、被接合物１７から与えられる。

この裏当て部材１２１に与えられた反力Ｆ２は、支持体１２４、装着体１２２、基体２１を順に介して、多関節ロボット１００に与えられる。多関節ロボット１００は、反力Ｆ２が与えられることによって、反力Ｆ２が与えられた方向に撓む。基体２１とともに接合ツール２２が、被接合物１７に対して反力Ｆ２が与えられた方向、すなわちＺ方向に変位することになる。

図２４は、摩擦撹拌接合装置２２０と多関節ロボット１００とに教示動作を行う操作者の動作を示すフローチャートである。操作者は、ステップｃ０で被接合物１７を決定すると、ステップｃ１に進み、教示動作を開始する。ステップｃ１では、接合ツール２２を被接合物１７に対して微小移動させる加工方向を決定し、ステップｃ２に進む。ステップｃ２では、被接合物１７に対して接合を開始および終了する加工位置を決定し、ステップｃ３に進む。ステップｃ３では摩擦撹拌接合における加工条件を決定する。加工条件は、たとえば接合ツール２２の回転数、加圧力、接合時間などである。このように、接合ツール２２の加工方向、加工位置および加工条件を決定すると、教示動作を終了する。なお、加工方向、加工位置および加工条件を決定する順番については、上述する順番でなくてもよい。

図２５は、接合後の被接合物１７の一部を示す斜視図であり、図２６および図２７は、接合後の被接合物１７の他の一部を示す斜視図である。図２５に示すように、接合ツール２２を被接合物１７に対してＹ方向に微小移動させて、Ｙ方向に延びる接合跡２００を形成する。さらにＹ方向の複数の箇所で接合ツール２２を没入することで、Ｙ方向に間隔をあけて前記接合跡２００を形成することができる。

その中で、たとえば、図２６に示すように、アングルなどの障害物２０２が被接合部材１８から突出し、その障害物２０２がＺ方向に延びる部分では、障害物２０２の近傍を接合する場合に、接合ツール２２が被接合物１７に対して微小移動する方向を換える。そして、障害物２０２の近傍では、接合ツール２２を被接合物１７に対してＺ方向に微小移動させて、Ｚ方向に延びる接合跡２０１を形成する。これによって障害物２０２の近傍における被接合物１７の接合強度を向上することができる。

また図２７に示すように、２つの被接合部材１８，１９をクランプするクランプ体２０３の近傍においても、接合ツール２２が被接合物１７に対して微小移動する方向を換える。そして、クランプ体２０３の近傍では、接合ツール２２を被接合物１７に対してＺ方向に微小移動して、Ｚ方向に延びる接合跡２０１を形成する。これによって、クランプ体２０３の近傍における被接合物１７の接合強度を向上することができる。

以上のように第２の実施の形態に従えば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。さらに微小移動手段３２３の動力源３２３ａを裏当て部材３２１から離反させて配置させることによって、裏当て部材３２１付近をコンパクトにすることができる。これによって接合ツール２２と裏当て部材３２１とを配置するための空間が小さい場合であっても、摩擦撹拌接合を行うことができ、利便性を向上することができる。

また本実施の形態では、リンク機構によって動力源２２３ａからの動力を裏当て部材３２１に伝達する。したがって歯車伝達機構に比べて、簡略化した構成で、動力源２２３ａと裏当て部材３２１との間隔を大きくすることができる。またベルト伝達機構に比べて、大きい動力を伝達することができ、裏当て部材３２１の移動に抗する力が大きくても、裏当て部材３２１を確実に移動させることができる。

また支持体３２４および裏当て部材３２１の向きを変更し、動力伝達機構の構成を変更することによって、被接合物に与える力の方向を変更することができる。これによって接合領域が広がる方向を基体に対して変更することができ、利便性を向上することができる。被接合物の形状および接合条件などに応じて、接合領域を変更することができる。たとえば、図２６および図２７に示すように、障害物２０２およびクランプ体２０３などが形成される被接合物１７の一部分を接合する場合について、接合ツール２２を被接合物１７を微小移動させる方向を変更させることによって、障害物２０２およびクランプ体２０３付近であっても、接合強度を向上することができる。

図２８は、本発明の他の実施の形態によって実現される摩擦撹拌接合装置の接合跡２０５，２０６，２０７を示す斜視図である。上述した実施の形態では、接合ツール２２を被接合物１７に対してＹ方向およびＺ方向のいずれかの方向に微小移動させたが、両方の方向に微小移動させるようにしてもよい。

たとえば裏当て部材１２１を球面状にして、裏当て部材１２１をＹ方向およびＺ方向に平行な２つの軸線まわりにそれぞれ角変位駆動することによって、接合ツール２２を被接合物１７に対して、一度にＹ方向およびＺ方向の両方に微小移動させることができる。この場合の摩擦撹拌接合装置の摩擦撹拌接合動作は、第１実施例の摩擦撹拌接合装置２０の摩擦撹拌接合動作に比べて、接合ツール２２を微小移動させる方向が異なるだけで、他の動作については図６〜図８または図９〜図１０に示す動作とほぼ同様の動作を行う。

これによって図２８（１）に示すように、Ｌ字状の接合跡２０５を形成することができる。この接合跡２０５は、Ｙ方向に延びる部分２０５ａとＺ方向に延びる部分２０５ｂとが連なる。この場合、接合ツール２２が被接合物１７に対してＹ方向およびＺ方向のいずれか一方の方向に微小移動した後、被接合物１７に対してＹ方向およびＺ方向のいずれか他方の方向に微小移動する。また図２８（２）に示すように、Ｕ字状の接合跡２０６を形成することができる。この接合跡２０６は、Ｚ方向に平行に延びる２つの部分２０６ａ，２０６ｂがＹ方向に平行に延びる部分２０６ｃによって連結される。この場合、接合ツール２２がＺ方向一方に移動した後、Ｙ方向に移動し、さらにＺ方向他方に移動する。また図２８（３）に示すように接合ツール２２をＸ方向に延びる軸線まわりに角変位させて、接合跡２０７を円弧状に形成するようにしてもよい。これによって１度の摩擦撹拌接合動作で、Ｙ方向およびＺ方向の両方における接合強度を向上することができる。

以上のような本発明の実施の各形態は、発明の例示に過ぎず発明の範囲内で構成を変更することができる。たとえば被接合物１７を保持する被接合物保持装置よりも、摩擦撹拌接合装置を保持する多関節ロボット１００の剛性が低い場合について説明したが、被接合物１７を保持する被接合物保持装置の剛性が、摩擦撹拌接合装置を保持する保持装置よりも低い場合であっても同様に接合領域を増やすことができる。この場合、被接合物保持装置が撓むことによって、基体２１に対して被接合物１７を回転軸線Ｌ１に直交する方向にずらすことができる。このようにして接合領域を作用方向にずらすことによって、被接合物１７の接合強度を向上することができる。

また本実施の形態では、被接合部材１８，１９を重ね合わせた状態の被接合物１７を用いたが、被接合部材１８，１９を突き合せた状態の被接合物１７を用いて、摩擦撹拌接合を行ってもよい。また裏当て部材１２１を、角変位軸線Ｌ２まわりに角変位させて、被接合物１７に回転軸線Ｌ１と直交する方向の力を与えたが、裏当て部材１２１を回転軸線Ｌ１に直交する方向に直進移動させてもよい。また裏当て部材１２１とは別途異なる部材を用いて被接合物１７に回転軸線Ｌ１と直交する方向の力を与えてもよい。また本実施の形態では、基体２１は、Ｃ字状、いわゆるＣガンタイプに形成されたが、一端部に接合ツールを支持し、他端部に裏当て部材を支持すればよい。これによって基体２１が、Ｘガンタイプであっても、同様の効果を得ることができる。

本発明の実施の第１形態である摩擦撹拌接合装置２０の一部を示す断面図である。 図１の矢符ＩＩ−ＩＩから摩擦撹拌接合装置２０を見た図である。 図２の矢符ＩＩＩ−ＩＩＩから摩擦撹拌接合装置２０を見て、一部を切断して示す図である。 図３に対してピストンロッド１３０がＹ方向他方Ｙ２に変位した状態を示す。 摩擦撹拌接合装置２０の一部を切断して示す断面図である。 摩擦撹拌接合装置２０の第１の動作手順を示すフローチャートである。図７は、第１の動作手順におけるタイムチャートである。 第１の動作手順におけるタイムチャートである。 摩擦撹拌接合装置の動作手順を示す断面図である。 摩擦撹拌接合装置の第２の動作手順を示すフローチャートである。 第２の動作手順におけるタイムチャートである。 本発明の実施の第２形態である摩擦撹拌接合装置２２０の一部を示す断面図である。 図１１の矢符ＸＩＩ−ＸＩＩから摩擦撹拌接合装置２２０を見た図である。 図１１の矢符ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩから摩擦撹拌接合装置２２０を見た拡大図である。 図１２の矢符ＸＩＶ−ＸＩＶから摩擦撹拌接合装置２２０を見た図である。 図１１の矢符ＸＶ−ＸＶで切断した摩擦撹拌接合装置を示す断面図である。 図１１の矢符ＸＶＩ−ＸＶＩから摩擦撹拌接合装置２２０を見た図である。 方向変換部４０５を説明するために一部を省略して示す斜視図である。 第３リンク部材４０４に対する嵌合体４７０の状態を説明するための図である。 裏当て部材３２１の変位方向を変化させた状態を示す断面図である。 図１８の矢符ＸＩＸ−ＸＩＸから見た図である。

方向変換部４０５を説明するために一部を省略して示す斜視図である。 第３リンク部材４０４に対する棒状体４５０のＸ方向一端部４５２の状態を説明するための図である。 裏当て部材３２１の変位方向を変化させた場合における動作手順を示す断面図である。 摩擦撹拌接合装置２２０と多関節ロボット１００とに教示動作を行う操作者の動作を示すフローチャートである。 接合後の被接合物１７の一部を示す斜視図である。 接合後の被接合物１７の他の一部を示す斜視図である。 接合後の被接合物１７の他の一部を示す斜視図である。 本発明の他の実施の形態によって実現される摩擦撹拌接合装置の接合跡２０５，２０６，２０７を示す斜視図である。

符号の説明

１７ 被接合物
１８，１９ 被接合部材
２０，２２０摩擦撹拌接合装置
２１，２２１ 基体
２２接合ツール
４０ ツール保持部
１００ 多関節ロボット
１０２ 回転駆動手段
１０３ 直進駆動手段
１２０ 裏当て構造体
１２１，３２１ 裏当て部材
１２３，３２３ 微小移動手段
１２４ 支持体
１２５ ローレット溝

Claims (11)

1. 複数の被接合部材によって構成される被接合物に、回転する接合ツールを没入させて各被接合部材を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合装置であって、
   予め定める回転軸線を有し、回転軸線と同軸に接合ツールを保持するツール保持部と、
   ツール保持部を回転軸線まわりに回転駆動する回転駆動手段と、
   ツール保持部を回転軸線に沿って変位駆動する直進駆動手段と、
   ツール保持部と反対側から被接合物に当接して、接合ツールと協働して被接合物を挟持する裏当て部材と、
   ツール保持部および裏当て部材とを支持する基体と、
   基体に設けられ、回転軸線に直交する方向となる作用方向に向かう力を、予め固定される被接合物に与える微小移動手段とを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
2. 微小移動手段は、基体に対して裏当て部材を変位駆動して、裏当て部材と被接合物とに生じる摩擦力によって、作用方向に向かう力を被接合物に与えることを特徴とする請求項１記載の摩擦撹拌接合装置。
3. 裏当て部材は、回転軸線に直交する角変位軸線を中心とする円筒面を備え、
   微小移動手段は、基体に対して裏当て部材を角変位軸線まわりに角変位駆動することを特徴とする請求項２記載の摩擦撹拌接合装置。
4. 裏当て部材は、摩擦力を向上する溝が裏当て部材の表面に形成されることを特徴とする請求項２または３記載の摩擦撹拌接合装置。
5. 微小移動手段は、裏当て部材に対して離反した位置に設けられる動力源と、
   動力源からの動力を裏当て部材に伝達する動力伝達機構とを含むことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合装置。
6. 微小移動手段は、リンク機構を用いて動力源からの動力を裏当て部材に伝達することを特徴とする請求項５記載の摩擦撹拌接合装置。
7. 微小移動手段は、接合ツールによって被接合物を部分的に軟化させた状態で、作用方向に向かう力を被接合物に与えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合装置。
8. 微小移動手段は、被接合物に与える力の方向を変更可能に設けられることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合装置。
9. 基体は、多関節ロボットによって任意の位置に移動可能に設けられることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合装置。
10. 複数の被接合部材によって構成される被接合物に、回転する接合ツールを予め定める回転軸線に沿って没入させて各被接合部材を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合装置に用いられ、接合ツールと反対側から被接合物に当接する裏当て構造体であって、
    ツール保持部と反対側から被接合物に当接して、接合ツールと協働して被接合物を挟持する裏当て部材と、
    接合ツールを保持する基体に装着され、裏当て部材を変位可能に支持する支持体と、
    基体に対して裏当て部材を変位させて、回転軸線に直交する方向となる作用方向に向かう力を、予め固定される被接合物に与える微小移動手段とを含むことを特徴とする裏当て構造体。
11. 複数の被接合部材によって構成される被接合物に、回転する接合ツールを没入させて各被接合部材を摩擦撹拌接合するスポット摩擦撹拌接合方法であって、
    予め定める回転軸線に沿って回転する接合ツールを、回転軸線に沿って被接合物に没入させた状態で、基体に対して、回転軸線に直交する方向となる作用方向に向かう力を被接合物に与えて、接合ツールと被接合物とを作用方向に相対的に移動させることを特徴とするスポット摩擦撹拌接合方法。

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