JP2010005676A - 摩擦攪拌接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦攪拌接合における反力による衝撃を緩和し、作業者が把持して接合を行なうことができる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１は、先端部をＬ字状に屈曲させて工具８を回動可能に支持する工具保持部２２が形成された横長の胴体２を備え、この胴体２の後端部の駆動力部２３に工具８の駆動力を発生する主軸回転モータ４が配設され、胴体２の後端部と先端部との間に主軸回転モータ４で発生した駆動力を工具８に伝達するためのシャフト５及び笠歯車６，７ａからなる伝達機構が配設されている。反力の発生する工具８に対してアーム部２１の長さ以上の距離を離して重量の重い主軸回転モータ４などの駆動力源を配置することにより、摩擦攪拌接合装置１の慣性モーメント（工具８からの距離Ｌ²×駆動力部２３の質量ｍ）を大きくし、この慣性モーメントにより摩擦攪拌接合時の工具８の回転力の反力を緩和する。
【選択図】図１

Description

本発明は、点接合装置に関し、特に作業者による手動操作が可能な点接合装置に関する。

従来、２枚の重ね合わせた板状の被接合物に先端に突起のある円筒状の工具を加圧した状態で回転させることにより被接合物を点接合する摩擦攪拌接合装置が開発されている。この摩擦攪拌接合装置は、工具の回転により生じる摩擦熱により被接合物を軟化させ、工具の回転力により接合部の周辺を攪拌して塑性流動を生じさせて接合する。

例えば、特許第３４００４０９号公報には、摩擦攪拌点溶接方法に関する基本技術が開示されている。また、特開２００２−１３７０６７号公報には、多関節ロボットのアームの先端に取り付けられる摩擦攪拌接合装置が開示されている。この摩擦攪拌接合装置は側面視で箱形状の本体の下部にＬ字状に屈曲した腕が延設されたＣ字形状のガンアームを備え、本体における腕の先端に対向する位置に回転子（点接合を行う工具に相当）が配設されるとともに、その回転子の横に当該回転子の駆動源であるモータが配設され、腕の先端の回転子に対向する位置に被接合部を挟持するための受け部が設けられた構造を有している。また、特開２００５−３３４８９１号公報には、腕を本体に揺動可能に支持させるとともに、腕の受け部が設けられる端部とは反対側の端部に加圧部材を設け、点接合時に加圧部材によって受け部を回転子側に押圧させる、いわゆるＸ型摩擦攪点接合装置が記載されている。

特許第３４００４０９号公報 特開２００２−１３７０６７号公報 特開２００５−３３４８９１号公報

上記の特許文献に記載の摩擦攪拌接合装置は、いずれも多関節ロボットのアームの先端に取り付けられる装置として提案されているものであり、摩擦攪拌接合装置の被接合物の点接合位置への移動や点接合動作を多関節ロボットによって行わせることを前提としている。しかしながら、被接合物には、例えば、寸法が大きく移動させることが困難で、しかも多関節ロボットを適用する程の生産量を確保できないものがあり、このような被接合物に対しては作業者自身が取り扱うことのできる摩擦攪拌接合装置が必要となる。

そこで、上記の特許文献に記載の摩擦攪拌接合装置を多関節ロボットのアームに取り付けず、例えば、摩擦攪拌接合装置をカウンタバランスを使用して吊り下げ、その摩擦攪拌接合装置を作業者が被接合物の点接合位置に移動させて点接合動作を行わせる方法が考えられる。

しかしながら、この方法では、摩擦攪拌接合方法が工具を被接合物に加圧した状態で回転させて点接合を行うものであるので、装置本体に工具の回転力に起因して反力が生じ、とりわけ工具が回転を開始するときには非常に大きな反力が生じ、その反力が作業者に衝撃力として作用することになり、以下に説明するように、摩擦攪拌接合装置の操作性や点接合の作業性に問題がある。

図５は、多関節ロボットのアームの先端に取り付けられる従来の摩擦攪拌接合装置の基本構成を示す側断面図である。また、図６は、従来の摩擦攪拌接合装置とワークに生じるトルクを説明するための図である。

同図に示すように、従来の摩擦攪拌接合装置１００の基本構造は、箱形状のホディ１０１の一方の端部（図５では左端部）に主軸１０２を介して工具１０３を回転可能に取り付ける一方、ホディ１０１内に工具１０３の駆動源であるモータ１０４を配設し、モータ１０４の回転力をタイミングベルト１０５によって主軸１０２に伝達して工具１０３を回転させる構成となっている。そして、ホディ１０１の他方の端部（図５では右端部）を多関節ロボットのアーム１０７の先端に取り付け、当該多関節ロボットによって工具１０３をワーク（被接合物）１０６に圧接させ、モータ１０４の回転力によって工具１０３を回転させてワーク１０６の点接合を行う。

点接合プロセスにおいて、モータ１０４で発生したトルクをタイミングベルト１０５を介して主軸１０２に伝達し、その主軸１０２に固着された工具１０３を回転させ、その状態で工具１０３をワーク１０６に押し付けると、図６に示すように、ワーク１０６は工具１０３の回転方向と同一の回転力Ｔ４を受ける。しかし、ワーク１０６はその回転力Ｔ４以上の力で固定され、回転することはないので、工具１０３をワーク１０６に接触させると、工具１０３とワーク１０６と間に摩擦力が生じ、この摩擦力に起因してホディ１０１には工具１０３の回転力の反力として工具１０３の回転方向と同一の回転力Ｔ５が生じる。

工具１０３をワーク１０６に接触させた瞬間は非常に大きな摩擦力が生じるが、その後はその摩擦力は低下するので、ホディ１０１に生じる回転力Ｔ５は工具１０３をワーク１０６に接触させた直後が最も大きく、その回転力Ｔ５は、ホディ１０１を支える作業者に衝撃力として作用することになる。この衝撃力は、ワーク１０６の材質や厚みや工具１０３の回転力などの種々の条件で異なるが、例えば、板厚１ｍｍの２枚の銅板を回転数３６００ｒｐｍの工具で点接合した場合、１００Ｎ・ｍ以上にもなることがある。

摩擦攪拌接合装置１００を多関節ロボットのアーム１０７の先端に取り付けて使用する場合、上記の衝撃力やその後のホディ１０１に生じる回転力Ｔ５は多関節ロボットによって吸収されるので、特に問題は生じないとしても、作業者が摩擦攪拌接合装置１００を把持して使用する場合は、上記の衝撃力が摩擦攪拌接合装置の操作性や点接合の作業性を著しく困難にすることになる。

従って、従来の多関節ロボット用の摩擦攪拌接合装置を作業者が扱う装置として転用することは現実的でなく、作業者が扱うのに適した構成の摩擦攪拌接合装置を新たに設計する必要があるが、未だそのような摩擦攪拌接合装置は提案されていない。

本発明は上記した事情のもとで考え出されたものであって、摩擦攪拌接合における反力による衝撃を緩和し、作業者が把持して摩擦攪拌接合を行なうことができる摩擦攪拌接合装置を提供することをその目的としている。

上記課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明は、工具を回転させながら被接合物の接合点に圧接させることで摩擦力を発生させ、その摩擦熱により前記接合点周辺を塑性流動させて前記被接合物の接合を行う摩擦攪拌接合装置において、先端部をＬ字状に屈曲させて前記工具を回動可能に支持する工具保持部が形成された横長の胴体を備え、前記胴体の後端部に前記工具の駆動力を発生させる駆動力発生手段が配設され、前記胴体の後端部と先端部との間に前記駆動力発生手段で発生した駆動力を前記工具保持部に支持された前記工具に伝達する伝達手段が配設されていることを特徴としている（請求項１）。

好ましくは、請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置において、前記駆動力発生手段は、電動モータであり、前記伝達手段は、一方端が前記電動モータのロータに固着され、他方端が前記胴体の長手方向の軸に沿って前記工具保持部に延びるシャフトと、このシャフトの他方端に固着された第１の笠歯車と、前記工具の回転軸に設けられ、前記第１の笠歯車に歯合した第２の笠歯車とで構成するとよい（請求項２）。

更に、請求項２に記載の摩擦攪拌接合装置において、前記工具保持部には、前記工具を装着脱することが可能な主軸を回転可能に設け、前記第２の笠歯車は前記主軸に形成するとよい（請求項３）。

また、請求項１乃至３のいずれかに記載の摩擦攪拌接合装置において、前記胴体の下側に当該胴体の横長方向と略平行に配置され、中間位置が前記胴体に揺動可能に支持されたアームと、前記アームの一方端部の、前記工具と対向する位置に設けられ、前記工具との間で前記被接合物を挟持する受け手段と、前記アームの他方端部を前記胴体から離間する方向に加圧する力を発生する加圧手段と、をさらに備えるとよい（請求項４）。

また、請求項４に記載の摩擦攪拌接合装置において、前記加圧手段は、前記アームの他方端部に設けられたボールスクリューと、このボールスクリューの回転トルクを発生する加圧モータとを含む構成にするよい（請求項５）。

また、請求項４又は５に記載の摩擦攪拌接合装置において、前記加圧手段は、前記胴体の後端部における前記駆動力発生手段の配設位置の下方位置に配設するとよい（請求項６）。

また、請求項４乃至６のいずれかに記載の摩擦攪拌接合装置において、前記胴体の後端部には、更に前記駆動力発生手段および前記加圧手段の駆動を制御する制御手段を配置するとよい（請求項７）。

また、請求項４乃至７のいずれかに記載の摩擦攪拌接合装置において、前記アームの一方端部の前記工具保持部と対向する面に設けられる第１の押え手段と、前記工具保持部の先端に上下に移動可能に取り付けられた第２の押え手段と、前記工具保持部に設けられ、前記第２の押え手段を前記第１の押え手段の方向に付勢する付勢手段と、をさらに備えるとよい（請求項８）。

本発明によれば、先端部がＬ字状に屈曲した横長の胴体を備え、先端部に工具を配設し、胴体の後端部に工具の駆動力を発生させる駆動力発生手段や制御手段を配設しているので、胴体の後端部の質量を重くすることにより、当該後端部の質量中心と工具からこの質量中心までの距離による慣性力を大きくすることができ、摩擦攪拌接合時に工具の回転による反力が胴体に発生してもその反力を慣性力により緩和することができる。したがって、作業者は摩擦攪拌接合装置を把持して容易に摩擦攪拌接合を行なうことができる。

特に、胴体の後端部に、工具の電動モータやアームの加圧手段やこれらの制御手段を集中配置するので、これらの部材により胴体の後端部に重量物を容易に配置することができ、摩擦攪拌接合装置のコンパクト化、小型化が可能になる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本発明に係る摩擦攪拌接合装置の第１実施形態を示す断面図である。

同図に示す摩擦攪拌接合装置１は、作業者が把持して摩擦攪拌接合作業を行なうための摩擦攪拌接合装置である。

従来の多関節ロボットに取り付けられる摩擦攪拌接合装置が、側面視で、どちらかと言えば縦長の形状を有し、Ｘ型であっても横方向に寸法の短かい形状を有するのに対し、図
１に示す摩擦攪拌接合装置１は、側面視で横長、どちらかといえば棒形状である点に特徴を有する。摩擦攪拌接合装置１の形状を、このように横長の棒形状にしているのは、作業者が把持し易くするというだけでなく、主として慣性モーメント（工具からの距離×重量物の質量）を大きくし、その慣性モーメントにより摩擦攪拌接合開始時の非常に大きな摩擦力に起因して装置本体に生じる衝撃力を緩和し、作業者による摩擦攪拌接合装置の操作性や作業性を好適にするためである。

慣性モーメントにより衝撃力を緩和する作用効果については、後述するとして、まず、摩擦攪拌接合装置１の構成について説明する。

摩擦攪拌接合装置１は、横長の棒形状の胴体２とこの胴体２の下側に揺動自在に支持された揺動アーム３とを備えている。胴体２および揺動アーム３は、金属製であるが、それらの材質は、金属に限定されるものではない。作業者による可搬性を考慮して装置全体を可及的に軽量にするために、一部または全部を軽量で剛性の高いＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）などの合成樹脂製とすることができる。

胴体２は、工具８が装着される主軸保持部２２と、工具８の回転力を発生する主軸回転モータ４や揺動アーム３への加圧力を発生する加圧装置９やこれらの部材の動作を制御する制御装置１０が配設される駆動力部２３と、主軸回転モータ４の回転力を主軸保持部２２内の工具８に伝達するシャフト５が配設されるアーム部２１とで構成されている。なお、胴体２のアーム部２１、主軸保持部２２及び駆動力部２３は、一体的に形成されている。胴体２のアーム部２１と駆動力部２３との境界付近には下側に突出させて支持部２４が設けられており、揺動アーム３がこの支持部２４の先端にアーム支持ピン２４ａで揺動可能に支持されている。

胴体２の上側面のアーム部２１と駆動力部２３との境界付近（図１では支持部２４の上方位置）には吊り金具２５が取り付けられている。吊り金具２５は、カウンタバランスを取り付けて摩擦攪拌接合装置１を宙吊りするためのもので、これによって作業者への摩擦攪拌接合装置１の自重の負荷を軽減するものである。図１に示す摩擦攪拌接合装置１では、その重心位置がほぼアーム部２１と駆動力部２３との境界付近に設定されているので、カウンタバランスを取り付けるための吊り金具２５をその重心位置付近に設けている。なお、摩擦攪拌接合装置１の総重量が、作業者が持ち運びできる程度のもので、特にカウンタバランスを必要としない場合は、吊り金具２５は無くてもよい。

胴体２のアーム部２１は、慣性モーメントの腕部分（工具８からの距離）として作用させる部分で、比較的長さ寸法の長い金属製の円筒である。本実施形態では、アーム部２１を、例えば長さ約１．２ｍ、直径約１５ｃｍとしているが、工具８からの距離が０．５ｍ以上となるように、アーム部２１の長さを設計するとよい。主軸保持部２２も金属製の円筒であり、主軸保持部２２は、主軸保持部２２の中心軸Ｎ１（長手方向に沿う軸）がアーム部２１の中心軸Ｎ２（長手方向に沿う軸）と直交するようにＬ字状に屈曲させて、アーム部２１の先端（図１において左端）に一体的に形成されている。また、駆動力部２３にも上側に円筒状の主軸回転モータ４を収納するためのモータ収納室２３ａが設けられ、駆動力部２３もアーム部２１の基端（図１において右端）に一体的に形成されている。アーム部２１の両端には孔が穿設されており、主軸保持部２２の空洞部分と駆動力部２３のモータ収納室２３ａはそれらの孔によってアーム部２１の空洞部分に連通している。

なお、駆動力部２３は、慣性モーメントの質量部分として作用させる部分で、重量の重い主軸回転モータ４、加圧装置９及び制御装置１０を駆動力部２３にコンパクトに収納することによってその作用を実現している。そして、主軸回転モータ４は主軸７の回転力を発生する駆動力源であるので、モータ収納室２３ａは駆動力部２３におけるアーム部２１の中心軸Ｎ２上に配置され、その下部に加圧装置９が配置される構成となっている。

主軸保持部２２の空洞部分には、工具８を回転自在に保持するための主軸７が設けられている。主軸７は円筒の先端にそれよりも外径の大きい筒体を延設した形状を有し、筒体部分が装着脱可能な工具８を取り付ける部分となっている。主軸７の円筒と筒体との段差部分は、アーム部２１と連通する孔に近接する位置に設定され、この段差部分に笠歯車７ａが形成されている。筒体の部分には開口端から内側に窄まった穴７ｂが設けられ、工具８は基端側（図１では上側）をこの穴７ｂに収納させて取り付けられる。円筒の部分の基端（図１では主軸７の上端）は、主軸保持部２２の上面に軸受けにより回動自在に支持され、筒体の部分も主軸保持部２２の内側面に軸受けにより回動自在に支持されている。この構成により、主軸保持部２２内で主軸７が中心軸Ｎ１の周りに回転するので、主軸７に取り付けられる工具８は中心軸Ｎ１を軸として回転する。

工具８は、先端の中央に突起８ａが設けられた金属製の略円柱状の工具である。工具８の基端側は先窄まりのテーパ状に形成された取付部となっている。この取付部の形状は主軸保持部２２の穴７ｂの形状とほぼ同一で、この取付部を穴７ｂに嵌合させて工具８が主軸保持部２２に取り付けられている。なお、工具８の取付部の形状は、先窄まりのテーパ状に限定されるものではなく、円柱であってもよい。また、工具８をチャック等で主軸保持部２２に取り付けてもよい。また、工具８の材質は金属に限定されず、セラミックスやエンジニアリングプラスチックなどであってもよい。

アーム部２１の内部にはシャフト５が嵌装されている。シャフト５は、アーム部２１の基端部（図１では右端側）と先端部（図１では左端側）で軸受けにより回転可能に支持されている。シャフト５の主軸保持部２２内に突出した先端（図１では左端）には笠歯車６が設けられ、この笠歯車６は主軸保持部２２内の主軸７に形成された笠歯車７ａに歯合している。一方、駆動力部２３のモータ収納室２３ａには、主軸回転モータ４がそのロータ軸をアーム部２１の中心軸Ｎ２に一致させて配設されており、シャフト５のモータ収納室２３ａ内に突出した基端（図１では右端）は主軸回転モータ４のロータ４ａに固着されている。

主軸回転モータ４が回転すると、その回転力がシャフト５、笠歯車６及び笠歯車７ａを介して主軸７に伝達され、主軸７が回転する。従って、主軸回転モータ４を回転させると、主軸７が回転し、これにより工具８が主軸７と共に一体的に回転する。工具８を被接合物Ｗ（２枚の板材を重ね合わせたもの）に圧接させた状態で主軸回転モータ４を回転させると、これにより工具８が回転して被接合物Ｗにおける工具８の圧接点に摩擦熱が生じ、その摩擦熱で被接合物Ｗに塑性流動を生じて摩擦攪拌接合が行われる。

揺動アーム３は、胴体２とほぼ同じ長さを有する細長い金属製の板であり、摩擦攪拌接合時にその先端（図１では左端）を被接合物Ｗに押し付けて当該被接合物Ｗに対し工具８を相対的に圧接させる機能を果たすものである。揺動アーム３は胴体２の下側に突出した支持部２４に揺動可能に支持され、側面視の形状がＸ字状になっている。この外観形状から、摩擦攪拌接合装置１は、いわゆるＸ型の摩擦攪拌接合装置に属する。

揺動アーム３の先端部の工具８に対向する位置には、工具８の先端の突起８ａとの間で被接合物Ｗを挟持するための工具受け３１が設けられている。一方、揺動アーム３の基端部は加圧装置９に連結されている。加圧装置９は、揺動アーム３の基端側を下方に所定の圧力で押圧するものであり、揺動アーム３の基端側（図１において右端側）が加圧装置９によって下方に押圧されることで、先端側の工具受け３１が上方に移動し、被接合物Ｗが工具８に押しつけられる。

加圧装置９は、加圧モータ９１と加圧ボールスクリュー９２を備えている。加圧モータ９１は、トルク制御されるモータであり、所定のトルクを発生させるものである。加圧モータ９１は、モータ収納室２３ａの下部に主軸回転モータ４と平行で、ロータの出力方向を主軸回転モータ４とは逆向きにして設けられている。また、加圧モータ９１のロータ出力側に隣接して、スクリュー９２ａとナット９２ｂからなる加圧ボールスクリュー９２が設けられている。スクリュー９２ａは、加圧モータ９１のロータに直交させるように配置され、その上端が駆動力部２３内で軸受けにより回転可能に支持される一方、ナット９２ｂが揺動アーム３の基端部に取り付けられ、スクリュー９２ａの下端部はナット９２ｂに螺合している。

加圧モータ９１のロータには笠歯車９３が固着され、スクリュー９２ａのその笠歯車９３に臨む位置に当該笠歯車９３に歯合させて笠歯車９４が固着されている。笠歯車９３，９４は、加圧モータ９１の回転力をスクリュー９２ａに伝達するものである。加圧モータ９１を回転させると、その回転力が笠歯車９３，９４を介してスクリュー９２ａに伝達され、スクリュー９２ａが長手方向に沿う中心軸を回転軸として回転する。スクリュー９２ａの回転によりナット９２ｂが当該スクリュー９２ａに対して相対的に移動し、これにより揺動アーム３の基端部が上下動する。

摩擦攪拌接合時には、揺動アーム３の基端部が下降する方向（ナット９２ｂが下に移動する方向）に加圧モータ９１が回転される。揺動アーム３の基端部が下降すると、揺動アーム３の先端部が上昇し、工具受け３１が被接合物Ｗ（図１では被接合物Ｗの裏面）に圧接される。工具受け３１が被接合物Ｗに圧接された後にも加圧モータ９１は回転し、その出力トルクが所定値になると、加圧モータ９１は出力トルクがその所定値に保持されるように制御される。これにより、工具受け３１が所定の圧力で被接合物Ｗに押し付けられた状態で、摩擦攪拌接合が行われる。

制御装置１０は、主軸回転モータ４および加圧モータ９１を制御するものであり、胴体２の駆動力部２３の背面（図１では右側の側面）に設けられている。制御装置１０は、主軸回転モータ４に対しては回転速度を制御し、加圧モータ９１に対しては出力トルクを制御する。具体的には、制御装置１０は、工具８の突起８ａを被接合物Ｗに圧入させるとき（摩擦攪拌接合開始時）には、工具８の回転速度が所定の第１速度になるように、主軸回転モータ４の回転を制御し、工具受け３１の押圧力が所定の第１圧力になるように、加圧モータ９１の出力トルクを所定の第１トルクに制御する。工具８の突起８ａが被接合物Ｗに圧入した後に塑性流動を生じさせるために、制御装置１０は、工具８の回転速度が第１速度よりも小さい所定の第２速度になるように、主軸回転モータ４の回転速度を低下させ、工具受け３１の押圧力が第１圧力よりも小さい所定の第２圧力になるように、加圧モータ９１の出力トルクを所定の第２トルクに低下させる。なお、主軸回転モータ４の制御目標値である第１速度および第２速度や加圧モータ９１の制御目標値である第１トルクおよび第２トルクは、被接合物Ｗの材質および厚さにより予め設定されている。

次に、摩擦攪拌接合装置１による摩擦攪拌接合動作について説明する。

作業者は、胴体２の吊り金具２５が取り付けられた付近を抱えるようにして摩擦攪拌接合装置１を把持し、被接合物Ｗの点接合位置が工具８と揺動アーム３の工具受け３１で挟まれるように、摩擦攪拌接合装置１を移動させた後、図示しないスイッチを押圧することにより摩擦攪拌接合を開始する。

制御装置１０は、工具８の突起８ａを被接合物Ｗに圧入させるために、主軸回転モータ４および加圧モータ９１を起動し、各モータの回転速度及び出力トルクを制御する。すなわち、工具８の回転速度が第１速度となるように主軸回転モータ４の回転速度を制御するとともに、工具受け３１の被接合物Ｗへの押圧力が第１圧力となるように、加圧モータ９１の出力トルクを制御する。

工具８の突起８ａが被接合物Ｗに圧接された状態で回転することにより、被接合物Ｗの圧接位置に摩擦熱が生じ、この摩擦熱により被接合物Ｗは軟化され、工具８の突起８ａは２枚の板材を貫くように被接合物Ｗに圧入される。

その後、制御装置１０は、主軸回転モータ４の回転速度を第２速度に低下させるとともに、加圧モータ９１の出力トルクを第２トルクに低下させ、その状態を所定の時間保持することにより、被接合物Ｗ内の工具８の突起８ａ周辺で２枚の板材の金属組成を塑性流動によって流動させる。その後、制御装置１０は、加圧モータ９１を逆回転させて工具受け３１の被接合物Ｗへの押圧を解除し、工具８の突起８ａを被接合物Ｗから引き抜き、主軸回転モータ４の回転を停止する。これにより、被接合物Ｗの摩擦攪拌接合処理は終了する。

次に、摩擦攪拌接合装置１の作用について、図２を用いて説明する。

図６を用いて説明したように、摩擦攪拌接合処理においては、被接合物Ｗを工具８と工具受け３１とで挟んだ状態で工具８を回転させると、その回転開始時に非常に大きな摩擦力が発生し、その摩擦力に起因して胴体２に工具８の回転力の反力として工具８の回転方向と同一の回転力が生じる。しかしながら、本発明に係る摩擦攪拌接合装置１では、反力の発生源に対しアーム部２１によって長い距離を離して駆動力部２３に主軸回転モータ４、加圧装置９及び制御装置１０を含む重量物を配置しているので、図２に示すように、工具８の回転力の反力が胴体２を回転させようとしても駆動力部２３における回転力Ｔ５はその重量物による慣性モーメントにより低減され、駆動力部２３が殆ど回転せず、アーム部２１が変形するだけであるので、胴体２が回転動作をすることは殆どない。

図１において、Ｍの位置に駆動力部２３における重量物の質量中心があるとし、工具８の回転軸（図１の中心軸Ｎ１）から重量物の質量中心Ｍまでの距離をＬ、重量物の質量をｍ、質量中心Ｍにおける質量ｍの慣性モーメントをＩ、質量ｍに作用する工具８の回転力の反力をＴ、質量ｍに反力Ｔが時間ｔだけ作用したときの質量ｍの移動角度をθとすると、これらの物理量の間には下記（１）〜（３）の関係式が成立する。

従って、例えば、工具８の回転軸（図１の中心軸Ｎ１）から重量物の質量中心Ｍまでの距離Ｌを１．５ｍ、重量物の質量ｍを５００ｋｇとし、摩擦攪拌接合開始時に工具８の回転力の反力Ｔとして１００Ｎ・ｍの衝撃力が胴体２に０．５秒間加わった場合の駆動力部２３の移動角度θを、上記（１）〜（３）の関係式により求めると、Ｉ＝５００×１．５×１．５＝１１２５ｋｇ・ｍ²、角加速度α＝｛１００／９．８（ｋｇ・ｍ/sec²・ｍ）｝／１１２５（ｋｇ・ｍ²）≒０．００９１rad/sec²であるから、θ＝（１/２）×０．００９１×０．５²＝０．００１１３radとなる。そして、工具８の回転軸（図１の中心軸Ｎ１）から重量物の質量中心Ｍまでの距離Ｌは１．５ｍであるので、質量ｍの移動距離ｄに換算すると、ｄ＝１.７１（＝０．００１１３×１５００）ｍｍとなる。

上記のように、１００Ｎ・ｍの衝撃力Ｔが胴体２に加わったとしても駆動力部２３は僅か２．５５ｍｍしか移動しないので、摩擦攪拌接合開始時に瞬時的に１００Ｎ・ｍの衝撃力Ｔが生じても、図２に示すように、駆動力部２３は殆ど移動せず、胴体２の中心線が変形する（具体的にはアーム部２１の中心軸Ｎ２が変形する）ことによりその衝撃力Ｔが吸収されることになる。なお、図２では、変形した胴体２の中心線を円弧状に点線で記載しているが、その中心線の変形量は、工具８の回転の中心軸Ｎ１と重量物の質量中心Ｍを２．５５ｍｍだけ下方向に移動させた位置を結ぶ直線Ｓに円弧が接する量である。従って、実質的に胴体２を保持している作業者には衝撃力Ｔは殆ど作用しないといえる。

なお、比較として、胴体２を図６に示す従来構成に近似した構成として、距離Ｌ＝０．２ｍ、質量ｍ＝約２００ｋｇと仮定し、１００Ｎ・ｍの衝撃力が胴体に加わった場合の質量ｍの移動距離ｄを求めると、α＝（１００／９．８）／（２００×０．２×０．２）≒１．２８rad/sec²、θ＝（１/２）×１．２８×０．５²＝０．１６rad、ｄ＝０．１６×２００＝３２ｍｍとなる。このように、従来構成では質量ｍの移動距離ｄが大きく、しかも距離Ｌが短かく胴体が変形し難いので、作業者に作用する衝撃力Ｔを本願発明に係る摩擦攪拌接合装置１のように十分に抑制することきできないことが分かる。

上記のように、本実施形態においては、工具８の駆動源である主軸回転モータ４や揺動アーム３を加圧する加圧装置９などの比較的重量の重い部材を工具８が取り付けられる主軸７から所定の距離以上に離した位置に配設し、その重量物の回転モーメントによって摩擦攪拌接合時の工具８の回転力の反力による衝撃を緩和するので、作業者が摩擦攪拌接合装置１を把持しての摩擦攪拌接合における操作性や作業性を損なうことがなく、容易に接合作業することができる。また、摩擦攪拌接合装置１を多関節ロボットの先端に設けた場合でも多関節ロボットにかかる負担が緩和されるので、多関節ロボットの劣化を防止し、寿命を延ばすことができる。

なお、第１実施形態では、シャフト５と主軸回転モータ４の回転軸を同軸上に配置したが、主軸回転モータ４の回動軸をシャフト５の回動軸と直交させ、両回転軸をギアで連結する構成であってもよい。要するに、駆動力部２３の質量中心が位置Ｍの辺りになるのであれば、主軸回転モータ４の駆動力部２３内の位置や向きは図１の構成に限定されない。

同様に、加圧モータ９１の設置場所や向きも図１の構成に限定されるものではなく、他の機構により加圧装置９を構成してもよい。また、駆動力部２３内での主軸回転モータ４、加圧装置９、および制御装置１０などの重量の重い部品をより末端側に設置することで、駆動力部２３の質量中心Ｍの位置を工具８から遠ざけ、より大きな慣性モーメントが生じるようにしてもよい。あるいは、主軸回転モータ４、加圧装置９、および制御装置１０などの質量を大きくしたり、補助的に錘部材を駆動力部２３内に収納したりして駆動力部２３の質量ｍを重くしたり、胴体２のアーム部２１を長くして慣性モーメントを大きくするようにしてもよい。

なお、第１実施形態では、揺動アーム３を設けていたが、揺動アーム３は必ずしも必要ではなく、摩擦攪拌接合における負荷が比較的軽い被接合物Ｗに対する摩擦攪拌接合装置では、揺動アーム３のない構成とすることができる。この場合は、主軸保持部２２を被接合物Ｗに加圧させるべく、バネ等で抑える機構を設けてもよい。

その一方、摩擦攪拌接合における負荷が大きい被接合物Ｗでは、主軸７の回転力の反力による衝撃は、工具８の突起８ａを接合位置からずらしたり、２枚の被接合物Ｗの接合位置をずらしたりする場合がある。工具８の突起８ａが接合位置からずれると摩擦熱が分散して被接合物Ｗを軟化できず塑性流動が生じない。また、２枚の被接合物Ｗの接合位置がずれると接合不良となる。したがって、このような被接合物Ｗに対しては、衝撃による接合位置のずれを生じないようにする構成が必要がある。

図３は、本発明に係る摩擦攪拌接合装置の第２実施形態を示す断面図である。なお、同図において、第１実施形態と同一または類似の要素には、同一の符号を付している。摩擦攪拌接合装置１'は、揺動アーム３の先端部に第１押さえ３２が設けられている点、および、主軸保持部２２の開放端に第２押さえ２２ａおよびバネ２２ｂが設けられている点で第１実施形態に係る摩擦攪拌接合装置１と異なり、その他の構成は同一である。従って、以下では、異なる構成についてのみ説明し、共通の構成の説明は省略する。

第１押さえ３２および第２押さえ２２ａは、被接合物Ｗを挟んで固定するものであり、接触を開始したときの反力により工具８の突起８ａが接合位置からずれないように、また、２枚の被接合物Ｗの接合位置がずれないようにするために設けられている。第１押さえ３２は、中央部に孔が穿設された円形状の金属部材であり、孔の中央に工具受け３１が位置するように、揺動アーム３の先端部に固着されている。第１押さえ３２の被接合物Ｗと対向する面（以下、「上面」という。）は、工具受け３１の被接合物Ｗと対向する面と略同一となるように設定されている。

なお、第２実施形態では、第１押さえ３２を摩擦熱を放熱するための放熱部材として機能させるために、その材質を熱拡散率が大きく冷却しやすい銅としている。第１押さえ３２の材質はこれに限定されず、被接合物Ｗの発熱が小さい場合はエンジニアリングプラスチックなどの合成樹脂でもよい。また、第１押さえ３２の形状は、円形状に限定されるものではない。

第２押さえ２２ａは、円盤型のキャップ形状を成し、登頂部分（図１では下面の部分）には工具８の突起８ａを通すための円形の孔が穿設され、リング状となっている。第２押さえ２２ａの下面の形状は、第１押さえ３２の上面と略同一の形状になっている。第２押さえ２２ａは、中心軸が主軸７と略同一となるように、主軸保持部２２の開放端に、中心軸Ｎ１方向に移動自在に取り付けられている。また、第２押さえ２２ａの鍔部分にはバネ２２ｂが収納され、このバネ２２ｂの復元力により第２押さえ２２ａが下側に付勢されている。

図４は、摩擦攪拌接合装置１'における第１押さえ３２および第２押さえ２２ａの作用を説明するための図である。

第２実施形態においては、主軸保持部２２と揺動アーム３の先端部との間に被接合部Ｗの接合位置が挟まれるように摩擦攪拌接合装置１'を移動させた後（図４（ａ）参照）、加圧装置９を動作させると、揺動アーム３の先端部が上昇し、揺動アーム３の第１押さえ３２と主軸保持部２２の第２押さえ２２ａとが被接合部Ｗの下面と上面にそれぞれ接触する状態（図４（ｂ）参照）となる。その状態で加圧装置９により揺動アーム３に所定の加圧力を加えると、揺動アーム３の第１押さえ３２が被接合部Ｗの下面に圧接される一方、被接合部Ｗの上面もバネ２２ｂの付勢力により第２押さえ２２ａが圧接される（図４（ｃ）参照）。これにより、被接合部Ｗの上下の接合点の周りが第１押さえ３２及び第２押さえ２２ａのドーナツ状の面で押圧され、この状態で摩擦攪拌接合が行われる。

第２実施形態に係る摩擦攪拌接合装置１'では、被接合物Ｗの接合点の周りがドーナツ状の面によって所定の圧力で挟持されるので、摩擦攪拌接合中に工具８を回転させてもその先端の突起８ａの位置がずれ難く、安定して摩擦攪拌接合処理を行うことができる。

本発明に係る摩擦攪拌接合装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る摩擦攪拌接合装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

本発明に係る摩擦攪拌接合装置の第１実施形態を示す断面図である。 本発明に係る摩擦攪拌接合装置における工具の回転力の反力を低減する作用を説明するための図である。 本発明に係る摩擦攪拌接合装置の第２実施形態を示す断面図である。 第２実施形態に係る摩擦攪拌接合装置の第１押さえ３２および第２押さえ２２ａの作用を説明するための図である。 従来の摩擦攪拌接合装置の基本構成を示す側断面図である。 摩擦攪拌接合時に摩擦攪拌接合装置の各部に生じるトルクを説明するための図である。

符号の説明

１，１' 摩擦攪拌接合装置
２ 胴体
２１ アーム部
２２ 主軸保持部(工具保持部)
２２ａ 第２押さえ(第２の押さえ手段)
２２ｂ バネ
２３ 駆動力部
２４ 支持部
２４ａ アーム支持ピン
２５ 吊り金具
３ 揺動アーム（アーム）
３１ 工具受け(受け手段)
３２ 第１押さえ(第１の押さえ手段)
４ 主軸回転モータ(電動モータ)
５ シャフト（伝達手段の要素）
６ 笠歯車（伝達手段の要素、第１の笠歯車）
７ 主軸
７ａ 笠歯車（伝達手段の要素、第２の笠歯車）
７ｂ 穴
８ 工具
８ａ 突起
９ 加圧装置(加圧手段)
９１ 加圧モータ
９２ 加圧ボールスクリュー
９２ａ スクリュー
９２ｂ ナット
９３，９４ 笠歯車
１０ 制御装置(制御手段)

Claims (8)

1. 工具を回転させながら被接合物の接合点に圧接させることで摩擦力を発生させ、その摩擦熱により前記接合点周辺を塑性流動させて前記被接合物の接合を行う摩擦攪拌接合装置において、
   先端部をＬ字状に屈曲させて前記工具を回動可能に支持する工具保持部が形成された横長の胴体を備え、
   前記胴体の後端部に前記工具の駆動力を発生させる駆動力発生手段が配設され、前記胴体の後端部と先端部との間に前記駆動力発生手段で発生した駆動力を前記工具保持部に支持された前記工具に伝達する伝達手段が配設されていることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
2. 前記駆動力発生手段は、電動モータであり、
   前記伝達手段は、一方端が前記電動モータのロータに固着され、他方端が前記胴体の長手方向の軸に沿って前記工具保持部に延びるシャフトと、このシャフトの他方端に固着された第１の笠歯車と、前記工具の回転軸に設けられ、前記第１の笠歯車に歯合した第２の笠歯車とで構成されている、請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
3. 前記工具保持部には、前記工具を装着脱することが可能な主軸が回転可能に設けられ、前記第２の笠歯車は前記主軸に形成されている、請求項２に記載の摩擦攪拌接合装置。
4. 前記胴体の下側に当該胴体の横長方向と略平行に配置され、中間位置が前記胴体に揺動可能に支持されたアームと、
   前記アームの一方端部の、前記工具と対向する位置に設けられ、前記工具との間で前記被接合物を挟持する受け手段と、
   前記アームの他方端部を前記胴体から離間する方向に加圧する力を発生する加圧手段と、
   をさらに備えている、請求項１乃至３のいずれかに記載の摩擦攪拌接合装置。
5. 前記加圧手段は、前記アームの他方端部に設けられたボールスクリューと、このボールスクリューの回転トルクを発生する加圧モータとを含む、請求項４に記載の摩擦攪拌接合装置。
6. 前記加圧手段は、前記胴体の後端部における前記駆動力発生手段の配設位置の下方位置に配設されている、請求項４又は５に記載の摩擦攪拌接合装置。
7. 前記胴体の後端部には、更に前記駆動力発生手段および前記加圧手段の駆動を制御する制御手段が配置されている、請求項４乃至６のいずれかに記載の摩擦攪拌接合装置。
8. 前記アームの一方端部の前記工具保持部と対向する面に設けられる第１の押え手段と、
   前記工具保持部の先端に上下に移動可能に取り付けられた第２の押え手段と、
   前記工具保持部に設けられ、前記第２の押え手段を前記第１の押え手段の方向に付勢する付勢手段と、
   をさらに備えている、請求項４乃至７のいずれかに記載の摩擦攪拌接合装置。

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