JP2014069205A - サポートユニット及びそれを用いた摩擦撹拌接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 取付けに伴う大幅な寸法増を抑えるコンパクトな直動装置を実現するためのサポートユニットを提供する。
【解決手段】 サポートユニットはハウジングと、貫通穴と、貫通穴に嵌入した軸受けと、軸受けの外輪端を押さえる蓋を有し、ハウジングはボールねじ及びモータブラケットを支持する部分と、サポートユニットを装置に取り付ける為の取り付け部からなり、取り付け部には、ボールねじの軸と平行に単列複数に配置した取り付け穴を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、モータの回転運動を、ボールねじにより直線運動に変換する動力伝達機構を支持するサポートユニットと、前記サポートユニットを用いた摩擦攪拌接合装置に関する。

摩擦攪拌接合は、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接合ツールをワークに没入させつつ攪拌し、ワークを接合する接合方法である。ワークの接合強度はワークの攪拌領域の面積に比例する為、攪拌中の接合ツールをワークの表面に平行な方向に移動させ、ワークを線状に接合することで接合強度を向上させている。摩擦攪拌接合装置は図３に示すように接合ツールを回転する回転機構と、接合ツールをワークに押し付ける為の加圧軸と、接合ツールをワーク表面方向に移動させる為の駆動軸を有し、各機構に駆動源を持つ。接合ツールを移動させる機構にはボールねじ等の回転軸を有するものがあり、この回転軸は、サポートユニットによって回転可能に支持されている。このようなサポートユニットは、貫通孔を有するハウジングと、貫通孔の内周面に取り付けられるとともに、貫通孔に挿通された回転軸を回転可能に支持する軸受とを備えている。

ここで、摩擦攪拌接合装置を例えば自動車の車体等の立体構造に対して用いる場合、接合ツールをワークの接合箇所の向きに合わせる為、摩擦攪拌接合装置をアームロボットの先端に取り付けて使用する。摩擦攪拌接合装置は、接合ツールの回転機構、接合ツールの回転軸方向の移動（加圧）機構、ワークの支持部材と、接合ツール及び上記各機構とを接続する部材等を有する。これに加えて、接合ツールをワーク表面に平行な方向に移動させる機構（オフセット機構）を搭載すると装置前体が大きくなるという問題がある。装置全体が大きいと、取り回しにくくなる為、摩擦攪拌接合装置を構成する上述の機構、特に前記サポートユニットを含むオフセット機構をコンパクトに搭載し、装置を小型化することが求められるという課題があった。

コンパクトなサポートユニットを有するボールねじ機構に関する発明として、特許文献１には、軸受を挟んで両側に取り付けボルトを配置したサポートユニットが開示されている（例えば特許文献１の図５）。このようにボルトを配置することでコンパクト且つ、回転軸方向に荷重が作用してもサポートユニットが回転して取り付けボルトが緩むことがない。また、特許文献２には、２つの接合ツールを対象に動作させてワークからの反力を打ち消すことで、装置にかかる応力を小さくして強度アップによる装置の大型化を防ぐ発明が記載されている（例えば特許文献２の図８）。

特開２００７−１０１３３号公報 特開２００４−１７１２８号公報

しかしながら、特許文献１に記載のサポートユニットでは、ボールねじ軸に直角な方向設けた取付面が、軸受外径と両側の取り付けボルトの外径とをあわせた以上のスペースが必要となるという問題がある。また、特許文献２に記載の摩擦攪拌接合装置では、２つの接合ツールを駆動する為に、接合ツールの移動方向の寸法が大きくなるという問題がある。

本発明は、上述した先行技術が有する問題を解消し、取付けに伴う大幅な寸法増を抑えるコンパクトな直動装置を実現するためのサポートユニットを提供することを課題としている。

上記課題を達成するために、本発明の請求項１に記載の発明は、貫通穴を有するハウジングと、前記貫通穴の内周面に取り付けられる軸受と、を備え、前記貫通穴に挿通される回転軸を前記軸受が回転自在に支持するサポートユニットであって、前記ハウジングを取り付け面に直接固定するため取り付けボルトを回転軸方向に単列に複数個配置したことを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のサポートユニットであって、前記回転軸がボールねじのボールねじ軸であって、ボールねじナットとテーブルとを締結するスライダが移動可能なように前記ハウジングに空隙を設けたことを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載のサポートユニットであって、前記ハウジングのモータ軸端側面にモータブラケット取り付け用タップを設けたことを特徴としている。
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のサポートユニットであって、前記回転軸がプーリとベルトを介してモータによって駆動され、前記ハウジングにベルト張力調整ボルトを設けたことを特徴としている。
また、請求項５に記載の発明は、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、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、前記加圧軸は、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、前記オフセット軸の本体部が請求項１〜４に記載のサポートユニットであることを特徴としている。

上記請求項１に記載の発明によれば、取り付けボルトを回転軸方向に単列に複数個配置したことで、ボールねじ軸直角方向に幅の狭い取り付け面に直接取り付け可能となる。また、請求項２に記載の発明によれば、ハウジングに空隙を設けたことによりスライダがハウジングを迂回しなくてもよいので、スライダの形状を簡略化することが可能となる。また、請求項３に記載の発明によれば、ハウジングのモータ軸端側面にモータブラケット取り付け用タップを設けたことで、モータブラケットをハウジングに直接取り付けることが可能となり、ベース部材にモータブラケットを取り付ける場合に比べてモータブラケットを回転軸に対して精度良く取り付け可能となり、組立性が向上する。また、請求項４に記載の発明によれば、前記ハウジングにベルト張力調整ボルトを設けたことでベルト張力の調整が容易となり、組立性が向上する。また、ベルト張力調整ボルトがストッパとなり、運転中のベルト張力低下を防止することが可能となる。また、請求項５に記載の発明によれば、上記のサポートユニットを摩擦撹拌接合装置に用いることで、サポートユニットを加圧軸可動部の側方に配置できるので、加圧軸の可動部と旋回軸の本体部とを接近させることができ、コンパクトな設計が可能となる。

本発明に記載のサポートユニットの構成を示す図である。 本発明に記載のサポートユニットを用いた直動装置を示す図である。 本発明に記載のサポートユニットを用いた摩擦攪拌接合装置を示す図である。 図３の摩擦攪拌接合装置の正面図を示す図である。 前記摩擦攪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を示す図である。 前記摩擦攪拌接合装置の加圧軸の可動部として用いられる加圧軸テーブルを示す図である。

以下、本発明の第一の実施形態を図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の第一の実施形態のサポートユニットの構成を示した図である。
図１に示すように、サポートユニット６０は、ハウジング６１、軸受６２、外輪押さえ６３からなる。
ハウジング６１は貫通穴６４を有し、貫通穴６４の内周面には軸受６２が取り付けられ、外輪押さえ６３がボルトによってハウジング６１に固定され、軸受６２の外輪端面を押圧している。軸受６２の内径には図示しないボールねじ軸が挿通され回転自在に支持している。ハウジング６１には、貫通穴６４の軸方向と直角方向に取付け部６７を有し、取付け部６７には、取り付け穴６５が単列の複数個（少なくとも２箇所以上）形成されている。また、ハウジング６１の貫通穴６４が形成されている面にはボールねじを駆動するモータを取り付けるためのタップ穴６６が形成されている。

図２は、本発明のサポートユニット６０を用いた直動装置の図である。直動装置７０は、サポートユニット６０と、ボールねじ１１８、モータ４３、モータブラケット７３、プーリ７４、プーリベルト４１Ｂ、から構成される。サポートユニット６０のハウジング６１には、ボールねじ１１８が取り付けられている。また、モータ４３が、モータブラケット７３を介してハウジング１に取り付けられている。ボールねじ１１８に軸端とモータ４３の軸端にはそれぞれプーリ７４が取り付けられており、プーリベルト４１Ｂを介してモータ４３の動力をボールねじ１１８に伝達している。プーリーベルト４１Ｂの張力は、サポートユニット６０のハウジング６１に設けたベルト張力調整ボルト７５でモータブラケット７３の位置を調整することによって行う。
ボールねじ１１８とモータ４３をサポートユニット６０に取り付けることにより、直動装置７０をコンパクトに構成することが出来る。

図３は本発明のサポートユニットを摩擦撹拌接合装置に用いた場合の側面図、図４は図３の正面図である。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。図６は加圧軸の可動部として用いているＵ字型の加圧軸テーブルの概観を示した図である。

図３及び図４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、を備えており、オフセット軸３には図２の直動装置７０が用いられている。

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、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。

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６参照）。加圧軸テーブル２０は図６に示すような形状としており、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。

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５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。

また、オフセット軸３には、直動装置直動案内軸受１１０Ａと直動装置７０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、図６に示す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。

また、直動装置７０は、加圧軸テーブル２０の腕部２３の側面に、ボールねじ軸１１８ＡがＹ方向に平行となる様に取り付けられる。そして、直動装置７０のボールねじナット１１８Ｂと、スライダ１１４とがボルトで連結され、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。

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１１８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１１８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。

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。

図３に戻って、加圧軸２の案内レール１３が固定されたＣ字形アーム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。

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。

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。

本発明のサポートユニットを摩擦攪拌接合装置のオフセット軸に用いることで、サポートユニットを加圧軸可動部の側方に配置できるので、加圧軸の可動部と、旋回軸の本体部とを接近させることが出来、コンパクトな摩擦攪拌接合装置を得ることができる。

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、第一実施形態ではボールねじを利用した直動装置のサポートユニットとしたが、サポートユニットを回転軸の保持に用いても良い。

また、上記実施形態では、加圧軸をボールねじ一体型直動案内ユニットによって構成したが、オフセット軸と同様に独立したボールねじ及び直動案内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、直動案内軸受を方向転換路と戻し通路とを備えて転動通路に転動体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、接合ツールの中心軸を加圧軸の軸線に対して傾斜させたが、これに限定されず、接合ツールの中心軸を加圧軸の軸線と平行に設定してもよい。

また、上記実施形態では、加圧軸モータ及びオフセット軸モータの動力を加圧軸やオフセット軸のボールねじ軸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によりボールねじ軸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。

１ ：接合ツール
２ ：加圧軸
３ ：オフセット軸
４ ：旋回軸
２０ ：加圧軸テーブル
２３ ：加圧軸テーブル腕部
４１Ｂ：オフセット軸プーリ
４３ ：オフセット軸モータ
６０ ：サポートユニット
６１ ：ハウジング
６２ ：軸受
６３ ：外輪押さえ
６４ ：貫通穴
６５ ：取付け穴
６６ ：タップ穴
６７ ：取付け部
７０ ：直動装置
７３ ：モータブラケット
７４ ：プーリ
１１４：オフセット軸スライダ
１１８：ボールねじ
１１８Ａ：ボールねじ軸
１１８Ｂ：ボールねじナット
Ｍ１ ：摩擦攪拌接合装置

Claims (5)

1. 貫通穴を有するハウジングと、前記貫通穴の内周面に取り付けられる軸受と、を備え、前記貫通穴に挿通される回転軸を前記軸受が回転自在に支持するサポートユニットであって、前記ハウジングを取り付け面に直接固定するため取り付けボルトを回転軸方向に単列に複数個配置したことを特徴とするサポートユニット。
2. 前記回転軸がボールねじのボールねじ軸であって、ボールねじナットとテーブルとを締結するスライダが移動可能なように前記ハウジングに空隙を設けたことを特徴とする請求項１に記載のサポートユニット。
3. 前記ハウジングのモータ軸端側面にモータブラケット取り付け用タップを設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載のサポートユニット。
4. 前記回転軸がプーリとベルトを介してモータによって駆動され、前記ハウジングにベルト張力調整ボルトを設けたことを特徴とする請求項３に記載のサポートユニット。
5. 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、前記加圧軸は、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、前記オフセット軸の本体部が請求項１〜４に記載のサポートユニットであることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。

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