JP4198575B2 - 摩擦撹拌接合装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の被接合部材を含んで構成される被接合物に、接合ツールをその軸線と一致する基準軸線まわりに回転しながら没入させて、被接合物を固相撹拌して各被接合部材を接合する摩擦撹拌接合装置に関する。

従来の技術の摩擦撹拌接合装置では、接合ツールを保持するツール保持具は、軸受手段によって軸線まわりに回転自在に軸支されている。ツール保持具には、回転駆動手段の出力軸が、軸継手などを介して連結されており、ツール保持具が、回転駆動手段によって回転駆動され、接合ツールが回転駆動されている（たとえば特許文献１参照）。

特許第３２６１４３１号公報

被接合物を固相撹拌して各被接合部材を接合するにあたって、被接合物の撹拌に適した接合ツールの回転速度および出力トルクは、被接合物の材質および寸法によって異なる。回転速度が大きすぎる場合、撹拌過剰となり、図１８に示されるように、空洞状の接合欠陥が発生してしまう。回転速度が小さすぎる場合、接合ツールと被接合物との間に、充分な摩擦熱が発生しないので、被接合物を固相撹拌することができない。

従来の技術の摩擦撹拌接合装置では、ツール保持具と回転駆動手段の出力軸とが軸継手によって連結されるので、回転駆動手段自体を制御しなければ、接合ツールの回転速度および出力トルクを変化させることできず、その可変範囲を大きくすることができない。したがって多くの種類の材質から成る各被接合部材の接合および大きな寸法範囲内にある各被接合部材の接合のために、被接合物の材質および寸法にそれぞれ合わせて、多数の装置が必要になるという問題がある。また、多くの種類の材質から成る各被接合部材の接合および大きな寸法範囲内にある各被接合部材の接合を、１台の装置で実現しようとすると、その１台の装置には、被接合物の材質および寸法にそれぞれ合わせて、出力トルク特性が相互に異なる複数の回転駆動手段が必要になるという問題がある。

本発明の目的は、多くの種類の材質から成る各被接合部材の接合に好適に用いることができるとともに、大きな寸法範囲内にある各被接合部材の接合に好適に用い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、複数の被接合部材を含んで構成される被接合物に、接合ツールをその軸線と一致する基準軸線まわりに回転しながら没入させて、被接合物を固相撹拌して各被接合部材を接合する摩擦撹拌接合装置であって、
予め定める基準軸線まわりに回転自在に設けられ、接合ツールを保持するツール保持具と、
ツール保持具を基準軸線まわりに回転駆動する回転駆動手段と、
回転駆動手段とツール保持具との間に介在され、ツール保持具の回転速度を可変な状態で、回転駆動手段の回転動力をツール保持具に伝達する変速手段と、
基台と、
基台に対して予め定める基準軸線に沿ってスライド変位自在に設けられる可動台と、
基台に設けられ、基台に対して基準軸線に沿って可動台をスライド変位駆動する変位駆動手段とをさらに含み、
ツール保持具、回転駆動手段および変速手段は、可動台に設けられる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、接合ツールを保持するツール保持具を、回転駆動手段によって、変速手段を介して回転駆動し、これによって接合ツールをその軸線と一致する基準軸線まわりに回転駆動し、被接合物を固相撹拌して各被接合部材を接合する。ツール保持具とこれを回転駆動する回転駆動手段との間には、変速手段が介在され、ツール保持具の回転速度を変更し、接合ツールの回転速度を変更することができる。変速手段によってツール保持具の回転速度を変更すると、この回転速度の変更に伴って、ツール保持具のトルクが変化し、接合ツールの出力トルクが変化する。

このように変速手段によって、接合ツールの回転速度および出力トルクを変更することによって、回転駆動手段の出力回転速度および出力回転動力を制御する場合に比べて、大きい回転速度範囲およびトルク範囲で、接合ツールを回転駆動することができる。したがって装置の適用範囲を大きくし、利便性を高くすることができる。詳細に述べると、被接合物を固相撹拌して各被接合部材を接合するにあたって、被接合物の撹拌に適した接合ツールの回転速度は、被接合物の材質および寸法によって異なる。またこのとき接合ツールに作用する負荷トルクは、被接合物の材質および寸法によって異なる。出力トルクが負荷トルクに比べて小さくなると、接合ツールを回転することができず、撹拌できなくなる。したがって被接合物の撹拌に適した接合ツールの出力トルクは、被接合物の材質および寸法によって異なる。変速手段を設ければ、前述のように、大きい回転速度範囲および出力トルク範囲で、接合ツールを回転駆動することができるので、多くの種類の材質から成る各被接合部材の接合に好適に用いることができるとともに、大きな寸法範囲内にある各被接合部材の接合に好適に用いることができる。このように装置の適用範囲を大きくすることができる。

ツール保持具の変速手段による回転速度の変更は、ツール保持具の回転中に、連続的に行ってもよく、また段階的に行ってもよい。さらに前記回転速度の変更は、後述の実施の形態のように、回転中には行わず、回転を一旦停止した後に行ってもよい。
また、ツール保持具、回転駆動手段および変速手段は、可動台に設けられ、この可動台が、変位駆動手段によってスライド変位駆動され、接合ツールが基準軸線に沿ってスライド変位駆動される。これによって接合ツールを、回転させた状態で、被接合物に対して挿入および離脱させることができ、被接合物の好適な固相撹拌を実現することができる。
またこの構成では、ツール保持具を回転駆動手段に対して基準軸線に沿って変位させる必要がなく、回転駆動手段からツール保持具への回転動力の伝達機構を容易にすることができる。特に、ツール保持具を回転駆動手段との間に変速手段を介在させる構成においては、変速手段の構成を容易にすることができる。

また本発明は、前記変速手段は、
回転駆動手段の回転動力が入力される入力輪と、
ツール保持具に回転動力を出力する出力輪と、
入力輪から出力輪に回転動力を伝達する動力伝達手段であって、一直線上にそれぞれ軸線を有し軸線まわりに相互に一体的に回転する第１および第２輪を有し、第１輪が入力輪および出力輪のいずれか一方と動力伝達可能に結合されるとともに第２輪が入力輪および出力輪のいずれか他方と動力伝達可能に結合される第１結合状態と、第１輪が入力輪および出力輪の前記他方と動力伝達可能に結合されるとともに第２輪が入力輪および出力輪の前記一方と動力伝達可能に結合される第２結合状態とに切換え可能であり、第１結合状態における入力輪および出力輪の回転速度比と第２結合状態における入力輪および出力輪の回転速度比とが相互に異なる動力伝達手段とを含むことを特徴とする。

本発明に従えば、回転駆動手段の回転動力は、入力輪に入力され、この回転動力は動力伝達手段によって出力輪に伝達され、出力輪からツール保持具に出力される。前記動力伝達手段は、第１および第２輪とを有し、第１輪が入力輪および出力輪のいずれか一方と動力伝達可能に結合されるとともに第２輪が入力輪および出力輪のいずれか他方と動力伝達可能に結合される第１結合状態と、第１輪が入力輪および出力輪の前記他方と動力伝達可能に結合されるとともに第２輪が入力輪および出力輪の前記一方と動力伝達可能に結合される第２結合状態とに切換え可能である。第１および第２輪は、変速輪として働くとともに、入力輪と動力伝達可能に結合されるとき従動輪として働く。

この動力伝達手段では、第１結合状態における入力輪および出力輪の回転速度比と第２結合状態における入力輪および出力輪の回転速度比とが相互に異なるので、入力輪の回転速度が予め定める値のままであっても、第１結合状態と第２結合状態との切換えによって、ツール保持具の回転速度を変更し、接合ツールの回転速度を変更することができる。このように接合ツールの回転速度の変更を実現することができる。

本発明では、動力伝達手段は、請求項３に記載されるように巻掛け伝動による構成によって実現されてもよいが、実施の他の形態では、歯車列を有する構成によって実現されてもよく、たとえば第１輪が入力輪および出力輪のいずれか一方に噛合し、第２輪が入力輪および出力輪のいずれか他方に噛合する構成、あるいは、第１または第２輪と入力輪または出力輪との間に、１または複数のアイドル歯車が介在される構成によって実現されてもよい。

また本発明は、前記変速手段は、
回転駆動手段の駆動出力軸からの回転動力が入力される入力軸と、
入力軸に固定される入力輪と、
入力軸と間隔をあけて平行に延びる従動軸と、
従動軸に固定され、外径が相互に異なる第１および第２輪と、
従動軸と間隔をあけて平行に延び、ツール保持具に回転動力を出力する変速出力軸と、
変速出力軸に固定される出力輪と、
入力輪と第１および第２輪のいずれか一方とにわたって巻き掛けられる無端状の第１索条と、
第１および第２輪のいずれか他方と出力輪とにわたって巻き掛けられる無端状の第２索条とを含むことを特徴とする。

本発明に従えば、入力軸に入力輪が固定され、従動軸に第１および第２輪が固定され、変速出力軸に出力輪が固定される。入力輪と第１および第２輪のいずれか一方とにわたって第１索条が巻き掛けられ、回転駆動手段の駆動出力軸から入力軸に入力される回転動力が、従動軸に伝達される。第１および第２輪のいずれか他方と出力輪とにわたって第２索条が巻き掛けられ、従動軸に伝達された回転動力が変速出力軸に伝達され、変速出力軸からツール保持具に出力することができる。第１および第２輪は外径が相互に異なっているので、第１および２索条が巻き掛けられる第１および第２輪によって、入力軸に入力される回転速度に対する出力軸から出力される回転速度の異なる回転速度比を得ることができる。したがって第１および２索条を巻き掛ける第１および第２輪を選択することによって、ツール保持具の回転速度を変更し、接合ツールの回転速度を変更することができる。このように接合ツールの回転速度の変更を実現することができる。

また変速手段が、索条を用いる動力伝達機構を利用して実現されるので、回転駆動手段と、ツール保持具との間で、熱が移動することを抑制することができる。これによって撹拌時に、接合ツールと被接合物との摩擦によって生じる摩擦熱が、回転駆動手段に移動することを防ぎ、回転駆動手段の連続稼動時間を長くすることができる。

また本発明は、前記変速手段は、
回転駆動手段の駆動出力軸からの回転動力が入力される入力軸と、
入力軸に固定される入力輪と、
入力軸と間隔をあけて平行に延びる従動軸と、
従動軸に固定される従動輪と、
従動軸にその従動軸の軸線方向に順次的に配置されて固定され、外径が相互に異なる複数の変速輪と、
従動軸と間隔をあけて平行に延び、ツール保持具に回転動力を出力する変速出力軸と、
変速出力軸にその変速出力軸の軸線方向に順次的に配置されて固定され、外径が相互に異なる複数の出力輪と、
入力輪と従動輪とにわたって巻き掛けられる無端状の第１索条と、
複数の変速輪のうちの１つと複数の出力輪のうちの１つとにわたって、選択的に巻き掛けられる第２索条とを含むことを特徴とする。

本発明に従えば、入力軸に固定される入力輪と、従動軸に設けられる従動輪とにわたって、第１索条が巻き掛けられ、回転駆動手段の駆動出力軸から入力軸に入力される回転動力が、従動軸に伝達される。この従動軸に複数の変速輪が固定され、変速出力軸に複数の出力輪が固定され、各変速輪と各出力輪とにわたって選択的に第２索条が巻き掛けられ、従動軸に伝達されて回転動力が変速出力軸に伝達され、変速出力軸からツール保持具に出力することができる。各変速輪は外径が異なるとともに、各出力輪は外径が異なっており、第２索条が巻き掛けられる変速輪および出力輪との組合わせによって、入力軸に入力される回転速度に対して、出力軸から出力される回転速度が変化する。したがって第２索条を巻き掛ける変速輪および出力輪を選択することによって、ツール保持具の回転速度を変更し、接合ツールの回転速度を変更することができる。このように接合ツールの回転速度の変更を実現することができる。

また変速手段が、索条を用いる動力伝達機構を利用して実現されるので、回転駆動手段と、ツール保持具との間で、熱が移動することを抑制することができる。これによって撹拌時に、接合ツールと被接合物との摩擦によって生じる摩擦熱が、回転駆動手段に移動することを防ぎ、回転駆動手段の連続稼動時間を長くすることができる。

また本発明は、変速手段は、変速出力軸の軸線と従動軸の軸線との相互の間隔を変位調整して、第２索条の巻き掛け状態を、第２索条が緊張した緊張状態として、回転動力を変速輪から出力輪に伝達し、第２索条が緩んだ弛緩状態として、第２索条を巻き掛ける変速輪および出力輪の少なくともいずれか一方を選択的に変更可能とすることを特徴とする。

本発明に従えば、変速出力軸の軸線と従動軸の軸線との間隔を変位調整して、第２索条を緊張状態として、回転動力を好適に伝達することができる。また第２索条を弛緩状態とし、第２索条が巻き掛けられる変速輪および出力輪を変更することができるので、第２索条の巻き掛け換えを容易に実行することができる。このように接合ツールの回転速度の変更のための操作を容易に実行することができる。

また本発明は、各変速輪と各出力輪とは、対を成して設けられ、第２索条は、対を成す変速輪および出力輪間にわたって巻き掛けられ、各対における変速輪の外径と出力輪の外径の和は同一であることを特徴とする。

本発明に従えば、第２索条は対を成す変速輪および出力輪間にわたって巻き掛けられる。各対の変速輪の外径と出力輪の外径との和が同一であり、第２索条が巻き掛けられる変速輪および出力輪の組合わせに拘わらず、第２索条を緊張状態としたときの変速出力軸の軸線と従動軸の軸線との距離がほぼ一定となる。これによって第２索条が緊張状態にあるとき、変速出力軸および従動軸の位置をほぼ一定の位置に配置することができる。回転動力は、第２索条が緊張状態となるときに伝達されるので、この状態では、変速出力軸および従動軸を大きな強度で安定して支持しなければならないが、前述のように変速出力軸および従動軸の位置をほぼ一定の位置とすることができ、簡単な構成で、これら変速出力軸および従動軸を大きな強度で安定して容易に支持することができる。また第２索条の巻き掛け換えのために、従動軸と変速出力軸との変位調整間隔を小さくすることができ、構成を簡単にすることができる。

また本発明は、可動台に対して基準軸線に沿ってスライド変位自在に設けられる取付台と、
可動台に設けられる押圧手段とをさらに含み、
ツール保持具、回転駆動手段および変速手段は、取付台に取付けられて可動台に設けられ、
押圧手段は、取付台を、接合ツールが被接合物に近づく方向に弾発的に押圧することを特徴とする。

本発明に従えば、ツール保持具、回転駆動手段および変速手段が取付台に設けられ、この取付台が、接合ツールを被接合物に近づける方向へ、押圧手段によって弾発的に押圧される。これによって接合ツールを、被接合物に近接および離反する方向へ弾発的に変位可能な状態に設けることができ、この接合ツールを被接合物に弾発的に接触させることができる。したがって被接合物の寸法誤差を吸収して、接合ツールと被接合物とが固相撹拌に好適な相対位置関係に配置される状態で、被接合物を撹拌することができる。

前述の各本発明において、動力伝達輪である入力輪、従動輪、変速輪および出力輪は、平プーリ、Ｖプーリおよび歯付プーリなどのプーリならびにスプロケットホイールなどを含み、これら動力伝達輪の外径は、動力伝達輪と索条との間で動力の伝達が成される動力伝達に係る位置の直径を意味し、平プーリの場合はその外径を意味し、Ｖプーリ、歯付プーリおよびスプロケットホイールなどにおいては、ピッチ円直径を意味する。また索条は、動力伝達輪に対応する平ベルト、Ｖベルト、歯付ベルト（タイミングベルト）およびチェーンなどを含む。
また本発明は、前記入力輪および従動輪は、歯付プーリから成り、
動力伝達手段は歯付ベルトから成ることを特徴とする。

本発明によれば、変速手段によって、接合ツールの回転速度および出力トルクを変更することによって、回転駆動手段の出力回転速度および出力回転動力を制御する場合に比べて、大きい回転速度範囲およびトルク範囲で、接合ツールを回転駆動することができる。したがって装置の適用範囲を大きくし、利便性を高くすることができる。詳細に述べると、被接合物を固相撹拌して各被接合部材を接合するにあたって、被接合物の撹拌に適した接合ツールの回転速度は、被接合物の材質および寸法によって異なる。またこのとき接合ツールに作用する負荷トルクは、被接合物の材質および寸法によって異なる。出力トルクが負荷トルクに比べて小さくなると、接合ツールを回転することができず、撹拌できなくなる。したがって被接合物の撹拌に適した接合ツールの出力トルクは、被接合物の材質および寸法によって異なる。変速手段を設ければ、前述のように、大きい回転速度範囲および出力トルク範囲で、接合ツールを回転駆動することができるので、多くの種類の材質から成る各被接合部材の接合に好適に用いることができるとともに、大きな寸法範囲内にある各被接合部材の接合に好適に用いることができる。このように装置の適用範囲を大きくすることができる。

また本発明によれば、回転駆動手段の回転動力は、入力輪に入力され、この回転動力は動力伝達手段によって出力輪に伝達され、出力輪からツール保持具に出力される。前記動力伝達手段は、第１および第２輪とを有し、第１輪が入力輪および出力輪のいずれか一方と動力伝達可能に結合されるとともに第２輪が入力輪および出力輪のいずれか他方と動力伝達可能に結合される第１結合状態と、第１輪が入力輪および出力輪の前記他方と動力伝達可能に結合されるとともに第２輪が入力輪および出力輪の前記一方と動力伝達可能に結合される第２結合状態とに切換え可能である。第１および第２輪は、変速輪として働くとともに、入力輪と動力伝達可能に結合されるとき従動輪として働く。

この動力伝達手段では、第１結合状態における入力輪および出力輪の回転速度比と第２結合状態における入力輪および出力輪の回転速度比とが相互に異なるので、入力輪の回転速度が予め定める値のままであっても、第１結合状態と第２結合状態との切換えによって、ツール保持具の回転速度を変更し、接合ツールの回転速度を変更することができる。このように接合ツールの回転速度の変更を実現することができる。

また本発明によれば、入力軸に入力輪が固定され、従動軸に第１および第２輪が固定され、変速出力軸に出力輪が固定される。入力輪と第１および第２輪のいずれか一方とにわたって第１索条が巻き掛けられ、回転駆動手段の駆動出力軸から入力軸に入力される回転動力が、従動軸に伝達される。第１および第２輪のいずれか他方と出力輪とにわたって第２索条が巻き掛けられ、従動軸に伝達された回転動力が変速出力軸に伝達され、変速出力軸からツール保持具に出力することができる。第１および第２輪は外径が相互に異なっているので、第１および２索条が巻き掛けられる第１および第２輪によって、入力軸に入力される回転速度に対する出力軸から出力される回転速度の異なる回転速度比を得ることができる。したがって第１および２索条を巻き掛ける第１および第２輪を選択することによって、ツール保持具の回転速度を変更し、接合ツールの回転速度を変更することができる。このように接合ツールの回転速度の変更を実現することができる。

また変速手段が、索条を用いる動力伝達機構を利用して実現されるので、回転駆動手段と、ツール保持具との間で、熱が移動することを抑制することができる。これによって撹拌時に、接合ツールと被接合物との摩擦によって生じる摩擦熱が、回転駆動手段に移動することを防ぎ、回転駆動手段の連続稼動時間を長くすることができる。

また本発明によれば、入力軸に固定される入力輪と、従動軸に設けられる従動輪とにわたって、第１索条が巻き掛けられ、回転駆動手段の駆動出力軸から入力軸に入力される回転動力が、従動軸に伝達される。この従動軸に複数の変速輪が固定され、変速出力軸に複数の出力輪が固定され、各変速輪と各出力輪とにわたって選択的に第２索条が巻き掛けられ、従動軸に伝達されて回転動力が変速出力軸に伝達され、変速出力軸からツール保持具に出力することができる。各変速輪は外径が異なるとともに、各出力輪は外径が異なっており、第２索条が巻き掛けられる変速輪および出力輪との組合わせによって、入力軸に入力される回転速度に対して、出力軸から出力される回転速度が変化する。したがって第２索条を巻き掛ける変速輪および出力輪を選択することによって、ツール保持具の回転速度を変更し、接合ツールの回転速度を変更することができる。このように接合ツールの回転速度の変更を実現することができる。

また変速手段が、索条を用いる動力伝達機構を利用して実現されるので、回転駆動手段と、ツール保持具との間で、熱が移動することを抑制することができる。これによって撹拌時に、接合ツールと被接合物との摩擦によって生じる摩擦熱が、回転駆動手段に移動することを防ぎ、回転駆動手段の連続稼動時間を長くすることができる。

また本発明によれば、変速出力軸の軸線と従動軸の軸線との間隔を変位調整して、第２索条を緊張状態として、回転動力を好適に伝達することができる。また第２索条を弛緩状態とし、第２索条が巻き掛けられる変速輪および出力輪を変更することができるので、第２索条の巻き掛け換えを容易に実行することができる。このように接合ツールの回転速度の変更のための操作を容易に実行することができる。

また本発明によれば、第２索条は対を成す変速輪および出力輪間にわたって巻き掛けられる。各対の変速輪の外径と出力輪の外径との和が同一であり、第２索条が巻き掛けられる変速輪および出力輪の組合わせに拘わらず、第２索条を緊張状態としたときの変速出力軸の軸線と従動軸の軸線との距離がほぼ一定となる。これによって第２索条が緊張状態にあるとき、変速出力軸および従動軸の位置をほぼ一定の位置に配置することができる。回転動力は、第２索条が緊張状態となるときに伝達されるので、この状態では、変速出力軸および従動軸を大きな強度で安定して支持しなければならないが、前述のように変速出力軸および従動軸の位置をほぼ一定の位置とすることができ、簡単な構成で、これら変速出力軸および従動軸を大きな強度で安定して容易に支持することができる。また第２索条の巻き掛け換えのために、従動軸と変速出力軸との変位調整間隔を小さくすることができ、構成を簡単にすることができる。

また本発明によれば、ツール保持具、回転駆動手段および変速手段が取付台に設けられ、この取付台が、接合ツールを被接合物に近づける方向へ、押圧手段によって弾発的に押圧される。これによって接合ツールを、被接合物に近接および離反する方向へ弾発的に変位可能な状態に設けることができ、この接合ツールを被接合物に弾発的に接触させることができる。したがって被接合物の寸法誤差を吸収して、接合ツールと被接合物とが固相撹拌に好適な相対位置関係に配置される状態で、被接合物を撹拌することができる。

図１は、本発明の実施の一形態の摩擦撹拌接合装置２１を示す正面図であり、図２は摩擦撹拌接合装置２１を図１の右方から見た側面図である。本実施の形態においては、図１の紙面に垂直な方向を第１方向Ａ１，Ａ２（「Ａ１，Ａ２」を総括して「Ａ」と記載する）とし、図１の左右方向を第２方向Ｂ１，Ｂ２（「Ｂ１，Ｂ２」を総括して「Ｂ」と記載する）とし、図１の上下方向を第３方向Ｃ１，Ｃ２（「Ｃ１，Ｃ２」を総括して「Ｃ」と記載する）とする。また第３方向一方Ｃ１を上方といい、第３方向他方Ｃ２を下方という場合がある。第１〜第３方向Ａ〜Ｃは、相互に直交する。本実施の形態の摩擦撹拌接合装置２１は、第３方向Ｃに延びる基準軸線Ｌ１を有し、接合装置本体２２と、移動体２３と、基台２４と、押圧手段２５と、変位駆動手段２６とを含む。

接合装置本体２２は、基準軸線Ｌ１に沿って延びる長手板状の取付台３１と、取付台３１の第３方向一方Ｃ１の端部である長手方向一端部にボルト部材３２によって固定され、取付台３１から第１方向一方Ａ１へ突出し、取付台３１に垂直な取付面３３を有するブラケット３４と、前記取付台３１の第３方向他方Ｃ２の端部である長手方向他端部にボルト部材３５によって固定される保持体３６と、保持体３６に固定されるケーシング３７と、ケーシング３７を貫通するツール保持具３８と、前記ブラケット３４およびツール保持具３８の間に配置され、前記取付台３１にボルト部材３９によって固定される回転駆動手段４０と、前記ツール保持具３８と回転駆動手段４０との間に介在される変速手段４１とを含む。
また、ツール保持具、回転駆動手段および変速手段は、可動台に設けられ、この可動台が、変位駆動手段によってスライド変位駆動され、接合ツールが基準軸線に沿ってスライド変位駆動される。これによって接合ツールを、回転させた状態で、被接合物に対して挿入および離脱させることができ、被接合物の好適な固相撹拌を実現することができる。
またこの構成では、ツール保持具を回転駆動手段に対して基準軸線に沿って変位させる必要がなく、回転駆動手段からツール保持具への回転動力の伝達機構を容易にすることができる。特に、ツール保持具を回転駆動手段との間に変速手段を介在させる構成においては、変速手段の構成を容易にすることができる。

ケーシング３７には、基準軸線Ｌ１に沿って延びる貫通孔４５が形成される。ケーシング３７の内周部には、基準軸線Ｌ１に沿って一対の軸受手段４６ａ，４６ｂが設けられ、これら軸受手段４６ａ，４６ｂによってツール保持具３８が支持される。この軸受手段４６ａ、４６ｂは、ツール保持具３８を、基準軸線Ｌ１に沿う変位を阻止した状態で、基準軸線Ｌ１まわりに回転自在に支持する。ツール保持具３８の第３方向他方Ｃ２の端部である一端部には、接合ツール４７が保持される。接合ツール４７は、その軸線Ｌ１１が基準軸線Ｌ１と共通となるように設けられる。

回転駆動手段４０は、誘導モータまたはサーボモータによって実現される。回転駆動手段４０は、基準軸線Ｌ１と共通な軸線Ｌ１２を有する駆動出力軸４８を含む。この駆動出力軸４８は、モータ本体４９からツール保持具３８に向かって突出する。この駆動出力軸４８は、前記変速手段４１に連結される。変速手段４１は、接合ツール４７の回転速度を可変な状態で、回転駆動手段４０の回転動力をツール保持具３８に伝達する。これによってツール保持具３８が回転し、したがって接合ツール４４が回転する。

移動体２３は、基準軸線Ｌ１に沿って延びる長手板状の基板６１と、基板６１の一表面上に、基板６１に積重して固定される長手板状の補強部材６２と、基板６１および補強部材６２の第３方向一方Ｃ１の端部である長手方向一端部にボルト部材６３によって固定され、基板６１および補助部材６２に垂直な取付面６４を有するブラケット６５と、前記基板６１の第３方向他方Ｃ２の端部である長手方向他端部に垂直に固定される端板６８と、端板６８の遊端部付近に設けられるストッパ６９と、前記補強部材６２上に設けられ、ブラケット６５から端板６８にわたって基準軸線Ｌ１に平行に延びる一対の平行な案内レール７０と、各案内レール７０に沿って移動自在に装着される上下一対の可動取付け部材７１ａ，７１ｂとを含む。

前記基板６１および補強部材６２によって、可動台７５が構成される。補強部材６２は、基板６１の第１方向一方Ａ１側である前記接合装置本体２２が設けられる側の表面部に、固定される。前記ブラケット６５および端板６８は、補強部材６２の前記接合装置本体２２が設けられる側の表面から突出して設けられる。

各可動取付部材７１ａ，７１ｂには、前記接合装置本体２２の取付台３１が固定され、これによって接合装置本体２２が、各案内レール７０に沿って、したがって基準軸線Ｌ１に沿って、可動台７５に対してスライド変位自在に設けられる。

前記ストッパ６９は、端板６８の前記遊端部付近に形成される図示しないねじ孔に螺着されるボルト部材７６と、このボルト部材７６の頭部７７と端板６８との間に螺着される固定用ナット部材７８とを有する。ボルト部材７６の前記端板６８から突出する部分の突出量ΔＬによって接合装置本体２２の下限位置が設定される。すなわち前記ボルト部材７６の端板６８から突出する部分の上端部には、接合装置本体２２の取付台３１の第３方向他方Ｃ２に臨む端面が当接し、取付台３１の前記案内レールに沿う下方への変位が阻止され、接合ツール４７が不所望に下方に変位して損傷してしまうなどの不具合が防がれる。

移動体２３のブラケット６５の前記取付面６４には、押圧源８１が固定される。押圧源８１は、複動空気圧シリンダによって実現される。押圧源８１のロッド８２は、基準軸線Ｌ１と共通な一直線上に軸線Ｌ１３を有する。押圧源８１のロッド８２は、移動体２３のブラケット６５から下方に突出して設けられる。押圧源８１のロッド８２は、連結体９１を介して、前記接合装置本体２２のブラケット３４に連結される。

押圧源８１には、圧縮空気供給源９２から一対の押圧流路９３，９４を介して、圧縮空気が供給される。前記押圧手段２５は、押圧源８１、圧縮空気供給源９２および押圧流路９３，９４を含んで構成される。押圧源８１は、シリンダチューブ５０６がピストン５０７に仕切られて２つの圧力室５０８，５０９が形成され、ピストン５０７にはロッド８２が設けられている。

圧縮空気供給源９２と押圧源８２との間には、電磁切換弁５０５が介在され、圧縮空気供給源９２に接続される供給流路５１０と、一方の圧力室５０８に接続される一方の押圧流路９３および他方の圧力室５０９に接続される他方の押圧流路９４との接続状態が切り換えられる。電磁切換弁５０５は、供給流路５１０と一方の押圧流路９３を接続するとともに、他方の押圧流路９４を大気開放する伸長駆動状態と、供給流路５１０と他方の押圧流路９４を接続するとともに、一方の押圧流路９３を大気開放する縮退駆動状態とに、接続状態を切り換える。また圧縮空気供給源９２と電磁切換弁５０５との間には二次側圧力を調整する電空比例弁５１１が介在され、押圧源８１に供給される圧縮空気の圧力を調整することができる。

被接合物９５の各被接合部材９５ａ，９５ｂを摩擦撹拌接合する際には、接合ツール４７の先端部分が被接合物９５に接触した状態で、電磁切換弁５０５が伸長駆動状態に切り換えられ、圧縮空気供給源９２からの圧縮空気が、一方の押圧流路９３を介して、押圧源８１に供給され、かつ他方の押圧流路９４が大気に開放される。これによってロッド８２が伸長し、接合ツール４７が略一定の押圧力で被接合物９５を押圧する。また摩擦撹拌接合を終了する際には、電磁切換弁５０５が縮退駆動状態に切り換えられ、圧縮空気供給源９２からの圧縮空気が、他方の押圧流路９４を介して、押圧源８１に供給され、かつ一方の押圧流路９３が大気に開放される。これによってロッド８２が縮退し、可動台７５に対して接合装置本体２２全体が上方へ変位して、接合ツール４７が被接合物９５から退避する。

被接合物９５は、複数（本実施の形態では２つ）の被接合部材９５ａ，９５ｂを含んで構成される。本実施の形態において、複数の被接合部材９５ａ，９５ｂを含んで構成されるとは、突合せ継手を形成するために各被接合部材９５ａ，９５ｂの端面同士を突き合わせる場合と、重ね継手を形成するために各被接合部材９５ａ，９５ｂをそれらの厚み方向に積重する場合とを含む。

摩擦撹拌接合装置２１は、接合ツール４７の前記先端部分が被接合物９５に押付けられ、この状態で、回転駆動手段４０によって接合ツール４７が回転駆動されることによって、被接合物９５を摩擦熱によって加熱し、被接合物９５に接合ツール４７を没入させて、被接合物９５を固相撹拌して各被接合部材９５ａ，９５ｂを相互に接合する。

基台２４は、基台本体９９と、基台本体９９の第１方向一方Ａ１の端部である遊端部に固定され、基準軸線Ｌ１に沿って延びる長手板状の支持板１００と、支持板１００に積重して固定され、支持板１００よりも上方に突出する長手板状の基板１０１と、基板１０１の上方の端部である長手方向一端部に固定され、基板１０１から第１方向他方Ａ２へ突出するブラケット１０２と、基板１０１の前記長手方向一端部に垂直に固定され、基板１０１から第１方向一方Ａ１へ突出する端板１０３と、基板１０１の下方である長手方向他端部に垂直に固定され、基板１０１から第１方向一方Ａ１へ突出する端板１０４と、基板１０１上に設けられ、基板１０１の長手方向両端部の端板１０３，１０４間にわたって基準軸線Ｌ１に平行に延びる一対の平行な案内レール１０５と、各案内レール１０５に沿ってスライド変位自在に装着される上下一対の可動取付部材１０６ａ，１０６ｂとを含む。

各可動取付部材１０６ａ，１０６ｂには、前記移動体２３の可動台７５が固定され、これによって移動体２３が、各案内レール１０５に沿って、したがって基準軸線Ｌ１に沿って、基台本体９９に対してスライド変位自在に設けられる。

変位駆動手段２６は、基台本体９９の上部に固定される変位駆動源１１１と、変位駆動源１１１の出力軸１１２に固定される第１回転輪１１３と、基準軸線Ｌ１に沿って延びるねじ棒１１４と、ねじ棒１１４の上方の端部である一端部に固定される第２回転輪１１５と、第１回転輪１１３と第２回転輪１１５とにわたって巻き掛けられる索条１１６と、前記ねじ棒１１４に螺合されるナット部材１１７とを含む。

変位駆動源１１１は、サーボモータによって実現される。変位駆動源１１１の出力軸１１２は、前記基台２４のブラケット６５から上方に突出し、この出力軸１１２の突出する部分に、前記第１回転輪１１３が固定される。

基台２４の基板１０１の前記移動体２３が設けられる側の表面には、基板１０１の長手方向両端部間の中間部に、基準軸線Ｌ１に沿って一対の軸受手段１１８ａ，１１８ｂが設けられる。軸受手段１１８ａ，１１８ｂは、前記ねじ棒１１４を回転自在に支持する。これらの軸受手段１１８ａ，１１８ｂのうち、下方に配置される軸受手段１１８ｂは、前記ねじ棒１１４を下方から支持する。この軸受手段１１８ｂによって、ねじ棒１１４が下方への変位が阻止された状態で、支持される。

ねじ棒１１４の上方の端部である一端部は、前記基台２４の端板１０３から上方に突出し、このねじ棒１１４の突出する部分に、前記第２回転輪１１５が固定される。ねじ棒１１４およびナット部材１１７によって構成されるねじ駆動手段は、ボールねじである。

第１および第２回転輪１１３，１１５は、たとえば歯付プーリによって実現され、索条１１６は、たとえば歯付ベルトによって実現される。索条１１６は、第１回転輪１１３と第２回転輪１１５とにわたって巻き掛けられる。したがって変位駆動源１１１の回転動力は、第１回転輪１１３、索条１１６および第２回転輪１１５を介して、ねじ棒１１４に伝達される。

前記ナット部材１１７には、前記移動体２３の可動台７５が固定される。ナット部材１１７は、ねじ棒１１４が回転することによって、基準軸線Ｌ１に沿って変位し、基台本体９９に対してスライド変位する。

図３は、摩擦撹拌接合装置２１全体を示す斜視図である。摩擦撹拌接合装置２１は、たとえば図３に破線で示される接合位置５０に沿って、各被接合部材９５ａ，９５ｂを、摩擦撹拌接合するために用いられる。

摩擦撹拌接合装置２１の基台２４は、門形フレーム１３０に対して第２方向Ｂにスライド変位自在に設けられる移動体によって実現される。門形フレーム１３０は、第２方向Ｂに延びる第１支持体１３１と、第１支持体１３１の長手方向両端部に連なり、第３方向に延びる一対の第２支持体１３２ａ，１３２ｂとを含む。各第２支持体１３２ａ，１３２ｂは、第１方向Ａに平行な一対の案内レール１３３ａ，１３３ｂに、スライド変位自在に装着され、したがって門形フレーム１３０は、第１方向Ａにスライド変位自在に設けられる。

門形フレーム１３０は、図示しない第１方向スライド機構を介して、前記案内レール１３３ａ，１３３ｂに装着される。基台２４は、図示しない第２方向スライド機構を介して、門形フレーム１３０に装着される。

各案内レール１３３ａ，１３３ｂ間の中間には、定盤１３４が配置される。この定盤１３４および前記接合ツール４７の間には、被接合物９５が配置される。この被接合物９５の各被接合部材９５ａ，９５ｂは、平坦な板状体であり、各被接合部材９５ａ，９５ｂは、端面同士を突き合わせた状態で定盤１３４に保持される。

図４は、変速手段４１付近を拡大して示す図であり、図５は変速手段４１を分解して示す分解斜視図である。変速手段４１は、回転駆動手段４０の駆動出力軸４８からの回転動力が入力される入力軸１４１と、入力軸１４１に固定される入力輪１４２と、入力軸１４１と間隔をあけて平行に延びる従動軸１４３と、従動軸１４３に固定される従動輪１４４と、従動軸１４３にその従動軸１４３の軸線方向に順次的に配置されて固定される複数（本実施の形態では２つ）の変速輪１４５，１４６と、従動軸１４３と間隔をあけて平行に延びる変速出力軸１４７と、変速出力軸１４７にその変速出力軸１４７の軸線方向に順次的に配置されて固定される複数（本実施の形態では２つ）の出力輪１４８，１４９と、入力輪１４２と従動輪１４４とにわたって巻き掛けられる無端状の第１索条１５０と、複数の変速輪１４５，１４６のうちの１つと複数の出力輪１４８，１４９のうちの１つとに、選択的に巻き掛けられる第２索条１５１とを含む。

本実施の形態では、各変速輪１４５，１４６のうち、従動輪１４４に隣接して配置される変速輪１４５を第１変速輪１４５と表記し、残余の変速輪１４６を第２変速輪１４６と表記することがある。また各出力輪１４８，１４９のうち、入力輪１４２寄りに配置される出力輪１４８を第１出力輪１４８と表記し、残余の出力輪１４９を第２出力輪１４９と表記することがある。

回転駆動手段４０の駆動出力軸４８と変速手段４１の入力軸１４１とは、一体に形成される。入力軸１４１の軸線は、基準軸線Ｌ１と同一または平行、本実施の形態では同一である。変速出力軸１４７の軸線は、基準軸線Ｌ１と同一または平行である。本実施の形態では、変速手段４１の変速出力軸１４７と前記ツール保持具３８とは、一体に形成され、変速出力軸１４７の軸線は、基準軸線Ｌ１と同一である。動力伝達輪である入力輪１４２、従動輪１４４、変速輪１４５，１４６および出力輪１４８，１４９は、歯付プーリによって実現される。第１および第２索条１５０，１５１は、歯付ベルトによって実現される。また本実施の形態において、後述の各動力伝達輪の外径は、各動力伝達輪のピッチ円直径を意味する。

各変速輪１４５，１４６は、外径Ｄ１，Ｄ２が相互に異なり、各出力輪１４８，１４９は、外径Ｄ３，Ｄ４が相互に異なる。各変速輪１４５，１４６と各出力輪１４８，１４９とは、対を成して設けられ、対を成す変速輪と出力輪とは、軸線方向に同一の位置に設けられる。第２索条１５１は、対を成す変速輪１４５および出力輪１４８間、または変速輪１４６および出力輪１４９間にわたって巻き掛けられる。対を成す第１変速輪１４５の外径Ｄ１および第１出力輪１４８の外径Ｄ３の和と、対を成す第２変速輪１４６の外径Ｄ２および第２出力輪１４９の外径Ｄ４の和とは、同一であり、さらにこれらと、入力輪１４２の外径Ｄ５および従動輪１４４の外径Ｄ６の和とは、同一である。

第２索条１５１が第１変速輪１４５と第１出力輪１４８とにわたって巻き掛けられたとき、回転速度比は１／１となる。第２索条１５１が第２変速輪１４６と第２出力輪１４９とにわたって巻き掛けられたとき、回転速度比は１／４となる。本実施の形態において、回転速度比とは、回転駆動手段４０の出力回転速度と、接合ツール４７の回転速度との比であり、分母が回転駆動手段４０の出力回転速度に対応し、分子が接合ツール４７の回転速度に対応する。

従動軸１４３は、取付台３１の第２方向他方Ｂ２の端部である幅方向一端部にボルト部材１６１によって固定される長手板状の第１支持台１６２と、この第１支持台１６２上に設けられる長手板状の第２支持台１６３と、第２支持台１６３の上方および下方である長手方向両端部に垂直に固定される軸受手段１６４ａ，１６４ｂとによって、取付台３１に支持される。

第１支持台１６２は、取付台３１の第１方向一方Ａ１側の表面部に固定され、取付台３１の第２方向他方Ｂ２の端部である幅方向一端部から第２方向他方Ｂ２へ突出する。この第１支持台１６２には、取付台３１の幅方向に平行な一対の案内レール１６５が固定される。各案内レール１６５は、第１支持台１６２の第１方向一方Ａ１側の表面に設けられる。各案内レール１６５には、一対の可動取付部材１６６ａ，１６６ｂが装着される。各可動取付部材１６６ａ，１６６ｂは、第２支持台１６３に固定される。これによって第２支持台１６３が、案内レール１６５に沿って、したがって取付台３１の幅方向に沿って第２方向Ｂへ、第１支持台１６２に対してスライド変位自在に設けられる。

軸受手段１６４ａ，１６４ｂは、第２支持台１６３の第１支持台１６２に臨む表面とは反対側の表面である第１方向一方Ａ１側の表面から突出する。この軸受手段１６４ａ，１６４ｂは、従動軸１４３をその軸線Ｌ１４まわりに回転自在に、かつ軸線Ｌ１４に沿う変位を阻止した状態で支持する。従動軸１４３の軸線Ｌ１４は、基準軸線Ｌ１に平行である。

第１および第２支持台１６２，１６３間で、かつ各案内レール１６５間の中間には、第２方向Ｂである取付台３１の幅方向に延びるねじ棒１６７が設けられる。このねじ棒１６７は、各案内レール１６５間の中間部で、かつ第１支持台１６２の幅方向一端部に固定され、第１支持台１６２の取付台３１が設けられる側の表面とは反対側の表面、換言すれば第１支持台１６２の第１方向一方Ａ１側の表面から突出する軸受手段１６８に、その軸線まわりに回転自在に支持される。

ねじ棒１６７の第２方向一方Ｂ１の端部である長手方向一端部には、ナット部材１６９が螺合される。ねじ棒１６７およびナット部材１６９によってボールねじが構成される。ねじ棒１６７の第２方向他方Ｂ２の端部である長手方向他端部には、ハンドル１７０が固定される。ナット部材１６９には、第２支持台１６３が固定される。これによってハンドル１７０を回転させてねじ棒１６７をその軸線まわりに回転させることによって、ナット部材１６９がねじ棒１６７の軸線に沿って変位し、したがって第１支持台１６２に対して各案内レール１６５に沿って第２支持台１６３が変位する。

図６は、変速手段４１を図４の上方から見た平面図であり、図７は変速手段４１を図４の右方から見た側面図であり、図８は変速手段４１の第１支持台１６２を示す図である。変速手段４１は、カバー体１７３によって覆われる。変速手段４１には、接合作業中における第１および第２支持台１６２，１６３の相互の変位を阻止するための固定手段１７５が設けられる。固定手段１７５は、第１方向Ａである第１支持台１６２に対して垂直な方向に延びる一対のボルト部材１７６ａ，１７６ｂと、各ボルト部材１７６ａ，１７６ｂの長手方向一端部に螺合されるナット部材１７７ａ，１７７ｂと、各ボルト部材１７６ａ，１７６ｂの長手方向他端部に固定されるレバー１７８ａ，１７８ｂとを含む。

第１支持台１６２には、ねじ棒１６７の軸線に平行である第２方向Ｂへ延びる一対の溝１７９ａ，１７９ｂが形成される。各溝１７９ａ，１７９ｂは、第１支持台１６２の一表面から他表面にわたって貫通する。各溝１７９ａ，１７９ｂには、前記各ボルト部材１７６ａ，１７６ｂが、第２方向Ｂへ変位自在に挿通する。各ボルト部材１７６ａ，１７６ｂの前記長手方向一端部は、第１支持台１６２の第２支持台１６３に臨む表面から突出し、各ボルト部材１７６ａ，１７６ｂの前記長手方向他端部は、第１支持台１６２の第２支持台１６３に臨む表面とは反対側の表面から突出する。

各ボルト部材１７６ａ，１７６ｂは、長手方向他端部を、第１支持台１６２に係止することができるように構成されている。ナット部材１７７ａ，１７７ｂには、第２支持台１６３が固定される。各レバー１７８ａ，１７８ｂを回転させて各ボルト部材１７６ａ，１７６ｂをその軸線まわりに回転させることによって、各ナット部材１７７ａ，１７７ｂを各ボルト部材１７６ａ，１７６ｂの軸線に沿って変位させることができる。これによって各ボルト部材１７６ａ，１７６ｂと、各ナット部材１７７ａ，１７７ｂとによって、第１支持台１６２と第２支持台１６３とを締結することができるとともに、この締結を解除することができる。したがって第２支持台１６３を、第１支持台１６２に対する変位が阻止された固定状態と、第１支持台１６２に対してスライド変位可能な可動状態とに切り換えることができる。

図９は、第２索条１５１を巻き掛ける変速輪および出力輪を変更する手順を説明するための図であり、図９（１）は第２索条１５１が第１変速輪１４５と第１出力輪１４８とにわたって巻き掛けられた状態を示し、図９（２）は第１および第２索条１５０，１５１が緩んだ弛緩状態を示し、図９（３）は第２索条１５１を第１変速輪１４５および第１出力輪１４８の位置から第２変速輪１４６および第２出力輪１４９の位置に移動した状態を示し、図９（４）は第２索条１５１が第２変速輪１４６と第２出力輪１４９とにわたって巻き掛けられた状態を示し、図１０は第２索条１５１を巻き掛ける変速輪および出力輪を変更する手順を説明するためのフローチャートである。

ステップａ１で、第２索条１５１を巻き掛ける変速輪および出力輪の変更作業が開始されると、ステップａ２に移る。ステップａ２では、作業者によって、変速手段４１を覆うカバー体１７３が開かれる。このとき第２索条１５１は、図９（１）に示されるように、第１変速輪１４５と第１出力輪１４８とにわたって巻き掛けられている。入力軸１４１および変速出力軸１４７の軸線と、従動軸１４３の軸線Ｌ１４とは、巻き掛け間隔ｄ１をあけて配置されており、第２索条１５１の巻き掛け状態は、第２索条１５１が緊張した緊張状態である。また第２支持台１６３は、第１支持台１６２に対して固定状態となっている。

次にステップａ３では、作業者によって、第２支持台１６３が第１支持台１６２に対して可動状態とされ、ハンドル１７０が回転され、第２支持台１６３が案内レール１６５に沿って変位し、これによって従動軸１４３が入力軸１４１および変速出力軸１４７に近接する方向に変位する。こうして図９（２）に示されるように、入力軸１４１および変速出力軸１４７の軸線と、従動軸１４３の軸線Ｌ１４とが、巻き掛け間隔ｄ１よりも小さい弛緩間隔ｄ２（ｄ２＜ｄ１）をあけて配置される。これによって第２索条１５１の巻き掛け状態は、第２索条１５１が緩んだ弛緩状態となる。

次にステップａ４では、作業者によって、図９（３）に示されるように、第２索条１５１が第１変速輪１４５および第１出力輪１４８の位置から第２変速輪１４６および第２出力輪１４９の位置に移動される。

次にステップａ５では、作業者によって、ハンドル１７０が回転され、第２支持台１６３が案内レール１６５に沿って変位し、これによって従動軸１４３が入力軸１４１および変速出力軸１４７から離反する方向に変位する。こうして図９（４）に示されるように、入力軸１４１および変速出力軸１４７の軸線と、従動軸１４３の軸線Ｌ１４とが、前記巻き掛け間隔ｄ１をあけて配置される。これによって、第２索条１５１の巻き掛け状態は、緊張状態となる。この後、作業者によって、第２支持台１６３が第１支持台１６２に対して固定状態とされる。

次にステップａ６で、作業者によってカバー体１７３が閉じられ、ステップａ７で、第２索条１５１を巻き掛ける変速輪および出力輪の変更作業が終了される。

図１１は、接合ツール４７を拡大して示す断面図である。図１２は、接合ツール４７を拡大して示す斜視図である。接合ツール４７は、円柱状の第１円柱部１８１と、第１円柱部１８１の下方に連なる円錐台状の円錐台部１８２と、円錐台部１８２の下方に連なる第１円柱部１８１よりも大径の円柱状の第２円柱部１８３と、第２円柱部１８３から下方へ先細状に突出する円錐台状の突出部１８４とを含む。

第１円柱部１８１、円錐台部１８２、第２円柱部１８３および突出部１８４は同軸である。円錐台部１８２の外周面は、第１円柱部１８１から第２円柱部１８３に進むにつれてその軸線から離反する方向に傾斜する。突出部１８４の基部１８５の外径Ｄ１１は、第２円柱部１８３の外径Ｄ１２よりも小さく、突出部１８４の先端部分１８６の外径Ｄ１３は、突出部１８４の基部１８５の外径Ｄ１１よりも小さい。突出部１８４の基部１８５から第２円柱部１８３の外周面にわたる第２円柱部１８３の底面によってショルダー部１８７が構成される。

摩擦撹拌接合するときは、接合ツール４７を、基準軸線Ｌ１に沿って被接合物９５に近接する方向である第３方向他方Ｃ２へ変位させ、突起部１８４が被接合物９５に没入し、ショルダー部１８７が被接合物９５に当接する。この状態で接合ツール４７が予め定める回転方向Ｘへ回転することによって、突起部１８４の側面１８８と被接合物９５との間に摩擦熱が生じ、かつショルダー部１８７と被接合物９５との間に摩擦熱が生じる。この摩擦熱によって被接合物９５の接合ツール４７に当接する部分が軟化し、流動する。このように被接合物９５を部分的に塑性流動させることによって、被接合物９５を固相撹拌することができる。各被接合部材９５ａ，９５ｂが突き合わされる部分を撹拌することによって、この部分を一体化し、接合することができる。このように接合ツール４７を回転して撹拌しながら、各被接合部材９５ａ，９５ｂが突き合わされる突合せ部である接合位置５０に沿って、接合ツール４７を被接合物９５に対して相対的に移動方向Ｙへ変位させ、接合位置５０に沿って、撹拌されて接合される接合領域５０１を形成し、突合せ継手を形成することができる。

図１３は、接合ツール４７の回転速度と接合ツール４７に作用する負荷トルクとの関係を示すグラフを示す図である。表１は、各材質から成る各被接合部材９５ａ，９５ｂの接合に適した接合条件の一例と、その接合条件で各被接合部材９５ａ，９５ｂを接合したときに接合ツール４７に作用する負荷トルクとの関係を示す。表１は、各被接合部材９５ａ，９５ｂの寸法である厚みが４ｍｍのときの接合条件および負荷トルクを示す。

以下「回転速度」は接合ツール４７の回転速度を意味し、「負荷トルク」は、接合ツール４７を回転したときに接合ツール４７に作用する負荷トルクを意味する。摩擦撹拌接合に適する接合条件は、被接合物９５の材質および寸法によって異なる。接合条件は、接合ツール４７の回転速度と、第１方向Ａに沿う接合ツール４７の移動速度である接合速度と、被接合物９５に対する接合ツール４７の押圧力であるツール荷重とを含む。

表１および図１３に示されるように、各被接合部材９５ａ，９５ｂの厚みが同じであっても、各被接合部材９５ａ，９５ｂの材質によって、好適な回転速度および出力トルクが異なる。ここで出力トルクは、接合ツール４７から被接合物に与えられるトルクであって、好適な出力トルクは、負荷トルク以上である。たとえば材質が６Ｎ０１アルミニウムである場合、適する回転速度と、その場合の負荷トルクは、図１３のグラフ上で領域２０１に入るような範囲であり、概略的に、回転速度が約７００ｍｉｎ^−１以上約３２００ｍｉｎ^−１以下で、負荷トルクが約２５Ｎ・ｍ以下（０Ｎ・ｍより大きい）である。また材質が５０８３アルミニウムである場合、適する回転速度と、その場合の負荷トルクは、図１３のグラフ上で領域２０２に入るような範囲であり、概略的に、回転速度が約１００ｍｉｎ^−１以上約９００ｍｉｎ^−１以下で、トルクが約３５Ｎ・ｍ以上約８０Ｎ・ｍ以下である。このように、５０８３アルミニウムから成る各被接合部材９５ａ，９５ｂの接合に適した回転速度は、６Ｎ０１アルミニウムから成る各被接合部材９５ａ，９５ｂの接合に適した回転速度に比べて低い。また５０８３アルミニウムから成る各被接合部材９５ａ，９５ｂを接合する場合の負荷トルクは、表１に示されるような接合条件で６Ｎ０１アルミニウムから成る各被接合部材９５ａ，９５ｂを接合したときに接合ツール４７に作用する負荷トルクに比べて３倍程度大きい。

また各被接合部材９５ａ，９５ｂの材質が同じであっても、各被接合部材９５ａ，９５ｂの厚みによって、好適な回転速度および出力トルクが異なる。各被接合部材９５ａ，９５ｂの厚みが大きくなると、各被接合部材９５ａ，９５ｂの接合に適した接合ツール４７の回転速度は低くなり、接合ツール４７に作用する負荷トルクは大きくなる。

各被接合部材９５ａ，９５ｂの厚みが大きくなると、これに合わせて接合ツール４７の突出部１８４の突出量を大きくする。突出部１８４の突出量を大きくすると、突出部１８４の側面１８８と各被接合部材９５ａ，９５ｂとの接触面積が大きくなる。これによって固相撹拌の際に、突出部１８４に作用する反力が大きくなる。この反力によって突出部１８４が折れてしまわないように、突出部１８４の外径を大きくする必要がある。突出部１８４の外径を大きくすると、各被接合部材９５ａ，９５ｂに対する突出部１８４の側面１８８の相対速度が大きくなり、撹拌過剰となって空洞状の欠陥が発生するので、接合ツール４７の回転速度を低下する必要がある。このとき接合ツール４７の回転速度は、突出部１８４の側面１８８の周速度が一定となるように変化する必要がある。また接合ツール４７の回転速度を低下すると、ショルダー部１８７と各被接合部材９５ａ，９５ｂとの間の摩擦熱が減少するので、各被接合部材９５ａ，９５ｂの流動性が低下し、これによって接合ツール４７に作用する負荷トルクは大きくなる。

図１４は、摩擦撹拌接合装置２１のブロック図である。制御手段２１３は、門形フレーム１３０を第１方向Ａに沿ってスライド変位駆動する第１方向駆動源２１１と、基台２４を第２方向Ｂに沿ってスライド変位駆動する第２方向駆動源２１２と、回転駆動手段４０と、変位駆動源１１１と、押圧手段２５とを制御する。

図１５は、摩擦撹拌接合装置２１の詳細な動作を説明するためのタイミングチャートであり、図１５（１）は、第１方向駆動源２１１の動作状態を示すグラフであり、図１５（２）は、第２方向駆動源２１２の動作状態を示すグラフであり、図１５（３）は、回転駆動手段４０の回転速度を示すグラフであり、図１５（４）は、変位駆動源１１１の動作状態を示すグラフであり、図１５（５）は、ツール荷重を示すグラフである。図１６は図１４に示される制御手段２１３の動作を説明するためのフローチャートである。図１７は、押圧手段２５による押圧動作を説明するための図であり、図１７（１）は、押圧源８１の動作を示す回路図であり、図１７（２）は、押圧源８１における他方の圧力室５０９の圧力を示すグラフであり、図１７（３）は、押圧源８１における一方の圧力室５０８の圧力を示すグラフであり、図１７（４）は、ツール荷重を示すグラフである。ステップｂ１において、被接合物９５が定盤１３４の所定位置に搬送され、被接合物９５が定盤１３４に保持されると、接合作業が開始され、ステップｂ２に移る。

ステップｂ２では、時刻ｔ１において、図１５（１）および図１５（２）に示されるように第１方向駆動源２１１および第２方向駆動源２１２の駆動が開始され、第１方向駆動源２１１および第２方向駆動源２１２の働きによって、門形フレーム１３０が変位され、接合ツール４７が、被接合物９５に対して第１および第２方向Ａ，Ｂへ、接合を開始する位置である開始位置上に向けて移動される。これによって時刻ｔ２で、接合ツール４７の軸線Ｌ１１、したがって基準軸線Ｌ１上に、開始位置が配置され、門形フレーム１３０の変位が停止される。ステップｂ３で、接合ツール４７が開始位置上に移動された時刻ｔ２から図１５（３）に示されるように回転駆動手段４０による回転駆動が開始され、これによって接合ツール４７の回転が開始される。

時刻ｔ３において、回転駆動手段４０の駆動出力軸４８の回転速度Ｖが所定の回転速度Ｖ１に到達すると、ステップｂ４で、図１５（４）に示されるように、駆動出力軸４８を一定の回転速度Ｖ１で回転しながら、変位駆動源１１１の回転駆動が開始される。これによって接合装置本体２２、移動体２３および押圧手段２５が基台２４に対してスライド変位して、接合ツール４７が被接合物９５に近接する方向に変位する。

時刻ｔ４において、接合ツール４７が被接合物９５に対して所定の間隔をあけた位置で、接合装置本体２２、移動体２３および押圧手段２５の基台２４に対するスライド変位を停止し、ステップｂ５で図１５（５）に示されるように、押圧手段２５による押圧が開始される。時刻ｔ４までは、電磁切換弁５０５が縮退駆動状態にあり、圧縮空気供給源９２から押圧源８１に、圧縮空気が供給されており、その圧力は、予め定める第１設定圧力Ｐ１である。このとき、ロッド８２が最も縮退された状態にある。時刻ｔ４から所定の第１時間Ｔ１が経過する時刻ｔ４−１まで、電空比例弁５１１が二次圧を低下させるように操作され、押圧源８１に供給される圧力が徐々に低下される。これによってロッド８２が接合装置本体２２の自重によって徐々に伸長される。このようにロッド８２が伸長されることによって、接合ツール４７の突出部１８４が被接合物９５に没入される。このように突出部１８４が被接合物９５に没入されるに従って、接合ツール４７が被接合物９５を押圧するツール荷重が徐々に増加する。

圧縮空気供給源９２から供給される空気の圧力は、線５２０で示すように、一定の低下率で低下させてもよく、この場合、ツール荷重は、線５２５で示すように、一定の増加率で増加する。また供給する空気の圧力は、線５２１で示すように時刻が経過するに従って低下率が大きくなるように低下させてもよく、この場合、ツール荷重は、線５２６で示すように、時刻が経過するに従って増加率が大きくなるように増加する。また供給する空気の圧力は、線５２２で示すように時刻が経過するに従って低下率が小さくなるように低下させてもよく、この場合、ツール荷重は、線５２７で示すように、時刻が経過するに従って増加率が小さくなるように増加する。

時刻ｔ４−１で、他方の圧力室５０９の圧力が大気圧に達すると、電空比例弁５１１の操作が停止され、この時刻ｔ４−１から所定の第２時間Ｔ２が経過する時刻ｔ４−２までの間、時刻ｔ４−１における状態と同一の状態が保持される。この時点でのツール荷重は、接合装置本体２２の自重と同じ第１ツール荷重Ｆ１である。

時刻ｔ４−２で電磁切換弁５０５が伸長駆動状態に切り換えられ、時刻ｔ４−２から所定の第３時間Ｔ３が経過する時刻ｔ５まで、電空比例弁５１１が二次圧を増加させるように操作され、押圧源８１に供給される圧力が徐々に増加される。これによって空気によってロッド８２を伸長する方向に与えられる圧力が増加し、ツール荷重が徐々に増加する。

圧縮空気供給源９２から供給される空気の圧力は、線５３０で示すように、一定の増加率で増加させてもよく、この場合、ツール荷重は、線５３５で示すように、一定の増加率で増加する。また供給する空気の圧力は、線５３１で示すように時刻が経過するに従って増加率が大きくなるように増加させてもよく、この場合、ツール荷重は、線５３６で示すように、時刻が経過するに従って増加率が大きくなるように増加する。また供給する空気の圧力は、線５３２で示すように時刻が経過するに従って増加率が小さくなるように低下させてもよく、この場合、ツール荷重は、線５３７で示すように、時刻が経過するに従って増加率が小さくなるように増加する。

このように時刻ｔ４から時刻ｔ５までの所定の時間Ｔの間に、ツール荷重が増加するように制御され、時刻ｔ５では、ショルダー部１８７が被接合物９５に好適な押圧力で弾発的に当接し、この時点でツール荷重が最も高くなる。この時刻ｔ５からステップｂ６で、第１方向駆動源２１１の働きによって、門形フレーム１３０が第１方向Ａに沿って移動され、したがって接合ツール４７が第１方向Ａに沿って移動される。この接合ツール４７の移動時には、接合ツール４７の回転速度および接合ツール４７の被接合物９５に対する押圧力は、一定となるように、回転駆動手段４０および押圧手段２５が制御される。

時刻ｔ５から時刻ｔ６までは、電磁切換弁５０５が伸長駆動状態にあり、圧縮空気供給源９２から押圧源８１に、圧縮空気が供給されており、その圧力は、予め定める第２設定圧力Ｐ２である。またツール荷重は、前記第1ツール荷重Ｆ１よりも大きい予め定める第２ツール荷重Ｆ２（Ｆ２＞Ｆ１）である。

ステップｂ７では、接合ツール４７が、接合を終了する位置である終了位置まで移動した時刻ｔ６で、門形フレーム１３０の変位駆動が停止され、電磁切換弁５０５が縮退駆動状態に切り換えられ、押圧手段２５による押圧が停止され、ツール荷重が０Ｎとなる。さらに変位駆動源１１１の回転駆動が開始される。これによって接合装置本体２２、移動体２３および押圧手段２５が基台２４に対してスライド変位して、接合ツール４７が被接合物９５から離反する方向に変位する。

接合装置本体２２、移動体２３および押圧手段２５が完全に退避した時刻ｔ７では、回転駆動手段４０による回転駆動が停止される。そして時刻ｔ８において回転駆動手段４０が静止し、したがって接合ツール４７が静止し、ステップｂ９で、接合作業が終了される。

このように本実施の形態では、接合ツール４７を保持するツール保持具３８を、回転駆動手段４０によって、変速手段４１を介して回転駆動し、これによって接合ツール４７をその軸線Ｌ１１と一致する基準軸線Ｌ１まわりに回転駆動し、被接合物９５を固相撹拌して各被接合部材９５ａ，９５ｂを接合する。ツール保持具３８とこれを回転駆動する回転駆動手段４０との間には、変速手段４１が介在され、ツール保持具３８の回転速度を変更し、接合ツール４７の回転速度を変更することができる。変速手段４１によってツール保持具３８の回転速度を変更すると、この回転速度の変更に伴って、ツール保持具３８のトルクが変化し、接合ツール４７の出力トルクが変化する。

このように変速手段４１によって、接合ツール４７の回転速度および出力トルクを変更することによって、回転駆動手段４０の出力回転速度および出力回転動力を制御する場合に比べて、大きい回転速度範囲およびトルク範囲で、接合ツール４７を回転駆動することができる。したがって装置の適用範囲を大きくし、利便性を高くすることができる。詳細に述べると、被接合物９５を固相撹拌して各被接合部材９５ａ，９５ｂを接合するにあたって、被接合物９５の撹拌に適した接合ツール４７の回転速度は、被接合物９５の材質および寸法によって異なる。またこのとき接合ツール４７に作用する負荷トルクは、被接合物９５の材質および寸法によって異なる。出力トルクが負荷トルクに比べて小さくなると、接合ツール４７を回転することができず、撹拌できなくなる。したがって被接合物９５の撹拌に適した接合ツール４７の出力トルクは、被接合物９５の材質および寸法によって異なる。変速手段４１を設ければ、前述のように、大きい回転速度範囲および出力トルク範囲で、接合ツール４７を回転駆動することができるので、多くの種類の材質から成る各被接合部材９５ａ，９５ｂの接合に好適に用いることができるとともに、大きな寸法範囲内にある各被接合部材９５ａ，９５ｂの接合に好適に用いることができる。このように装置の適用範囲を大きくすることができる。

このように装置の適用範囲を大きくすることができるので、多くの種類の材質から成る各被接合部材９５ａ，９５ｂの接合および大きな寸法範囲内にある各被接合部材９５ａ，９５ｂの接合のために、被接合物９５の材質および寸法にそれぞれ合わせて、複数台の装置を用意する必要がなくなる。また、多くの種類の材質から成る各被接合部材９５ａ，９５ｂの接合および大きな寸法範囲内にある各被接合部材９５ａ，９５ｂの接合を、１台の装置で実現するために、その１台の装置に、被接合物９５の材質および寸法にそれぞれ合わせて、出力トルク特性が相互に異なる回転駆動手段４０を複数、設ける必要がなく、装置の軽量化および小形化を達成することができる。

また本実施の形態では、入力軸１４１に固定される入力輪１４２と、従動軸１４３に設けられる従動輪１４４とにわたって、第１索条１５０が巻き掛けられ、回転駆動手段４０の駆動出力軸４８から入力軸１４１に入力される回転動力が、従動軸１４３に伝達される。この従動軸１４３に複数の変速輪１４５，１４６が固定され、変速出力軸１４７に複数の出力輪１４８，１４９が固定され、各変速輪１４５，１４６と各出力輪１４８，１４９とにわたって選択的に第２索条１５１が巻き掛けられ、従動軸１４３に伝達されて回転動力が変速出力軸１４７に伝達され、変速出力軸１４７からツール保持具３８に出力することができる。各変速輪１４５，１４６は外径が異なるとともに、各出力輪１４８，１４９は外径が異なっており、第２索条１５１が巻き掛けられる変速輪１４５，１４６および出力輪１４８，１４９との組合わせによって、入力軸１４１に入力される回転速度に対して、変速出力軸から出力される回転速度が変化する。したがって第２索条を巻き掛ける変速輪１４５，１４６および出力輪１４８，１４９を選択することによって、ツール保持具３８の回転速度を変更し、接合ツール４７の回転速度を変更することができる。このように接合ツール４７の回転速度の変更を実現することができる。

また変速手段４１が、索条を用いる動力伝達機構を利用して実現されるので、回転駆動手段４０と、ツール保持具３８との間で、熱が移動することを抑制することができる。これによって撹拌時に、接合ツール４７と被接合物９５との摩擦によって生じる摩擦熱が、回転駆動手段４０に移動することを防ぎ、回転駆動手段４０の連続稼動時間を長くすることができる。また装置寿命を長くすることができる。

さらに本実施の形態では、変速出力軸１４７の軸線と従動軸１４３の軸線Ｌ１４との間隔を変位調整して、第２索条１５１を緊張状態として、回転動力を好適に伝達することができる。また第２索条１５１を弛緩状態とし、第２索条１５１が巻き掛けられる変速輪および出力輪を変更することができるので、第２索条１５１の巻き掛け換えを容易に実行することができる。このように接合ツール４７の回転速度の変更のための操作を容易に実行することができる。

さらに本実施の形態では、第２索条１５１は対を成す変速輪および出力輪間にわたって巻き掛けられる。各対の変速輪の外径と出力輪の外径との和が同一であり、第２索条１５１が巻き掛けられる変速輪および出力輪の組合わせに拘わらず、第２索条１５１を緊張状態としたときの変速出力軸１４７の軸線と従動軸１４３の軸線Ｌ１４との距離がほぼ一定となる。これによって第２索条１５１が緊張状態にあるとき、変速出力軸１４７および従動軸１４３の位置をほぼ一定の位置に配置することができる。回転動力は、第２索条１５１が緊張状態となるときに伝達されるので、この状態では、変速出力軸１４７および従動軸１４３を大きな強度で安定して支持しなければならないが、前述のように変速出力軸１４７および従動軸１４３の位置をほぼ一定の位置とすることができ、簡単な構成で、これら変速出力軸１４７および従動軸１４３を大きな強度で安定して容易に支持することができる。また第２索条１５１の巻き掛け換えのために、従動軸１４３と変速出力軸１４７との変位調整間隔を小さくすることができ、構成を簡単にすることができる。

さらに本実施の形態では、ツール保持具３８、回転駆動手段４０および変速手段４１は、可動台７５に設けられ、この可動台７５が、変位駆動手段２６によってスライド変位駆動され、接合ツール４７が基準軸線Ｌ１に沿ってスライド変位駆動される。これによって接合ツール４７を、回転させた状態で、被接合物９５に対して挿入および離脱させることができ、被接合物９５の好適な固相撹拌を実現することができる。

またこの構成では、ツール保持具３８を回転駆動手段４０に対して基準軸線Ｌ１に沿って変位させる必要がなく、回転駆動手段４０からツール保持具３８への回転動力の伝達機構を容易にすることができる。特に、ツール保持具３８を回転駆動手段４０との間に変速手段４１を介在させる構成においては、変速手段４１の構成を容易にすることができる。

さらに本実施の形態では、ツール保持具３８、回転駆動手段４０および変速手段４１が取付台３１に設けられ、この取付台３１が、接合ツール４７を被接合物９５に近づける方向へ、押圧手段２５によって弾発的に押圧される。これによって接合ツール４７を、被接合物９５に近接および離反する方向へ弾発的に変位可能な状態に設けることができ、この接合ツール４７を被接合物９５に弾発的に接触させることができる。したがって被接合物９５の寸法誤差を吸収して、接合ツール４７と被接合物９５とが固相撹拌に好適な相対位置関係に配置される状態で、被接合物９５を撹拌することができる。

前述の実施の形態では、回転速度比が、接合ツール４７の回転速度および回転駆動手段４０の出力回転速度が同一である１／１と、接合ツール４７の回転速度が回転駆動手段４０の出力回転速度よりも低い１／４となるように、各動力伝達輪が選ばれた。これに対して、本発明の実施の他の形態では、前述の回転速度比のいずれか一方が、接合ツール４７の回転速度が回転駆動手段４０の出力回転速度よりも高いたとえば２／１となるように、各動力伝達輪が選ばれてもよい。

前述の実施の各形態では、変速手段４１の動力伝達輪である入力輪１４２、従動輪１４４、変速輪１４５，１４６および出力輪１４８，１４９は、歯付プーリによって実現され、第1および第２索条１５０，１５１は、歯付ベルトによって実現されたが、本発明の実施のさらに他の形態では、変速手段４１の、各動力伝達輪は、平プーリによって実現され、第１および第２索条１５０，１５１は、平ベルトによって実現されてもよい。この場合、各動力伝達輪の外径は、平ベルトに当接する外周面の直径である。

また本発明の実施のさらに他の形態では、各動力伝達輪は、Ｖプーリによって実現され、第１および第２索条１５０，１５１は、Ｖベルトによって実現されてもよい。この場合、各動力伝達輪の外径は、ピッチ円直径である。

また本発明の実施のさらに他の形態では、各動力伝達輪は、スプロケットホイールによって実現され、第１および第２索条１５０，１５１は、チェーンによって実現されてもよい。この場合、各動力伝達輪の外径は、ピッチ円直径である。

また前述の実施の各形態では、変速手段４１は、巻掛け伝動を用いて実現されたが、本発明の実施のさらに他の形態では、変速手段４１は、たとえば遊星歯車を始めとする歯車装置を用いて実現されてもよい。

また前述の実施の各形態では、変速手段４１によって接合ツール４７の回転速度および出力トルクを変更するが、本発明の実施のさらに他の形態では、前述のような変更に加えて、回転駆動手段４０を制御することによって、接合ツール４７の回転速度および出力トルクを変化させる。この実施の形態では、変速手段４１によって、被接合物９５の撹拌に適した接合ツール４７の回転速度および出力トルクを実現した上で、回転駆動手段４０を制御することによって、前記被接合物９５により適した接合ツール４７の回転速度および出力トルクを実現することができる。

図１９は、本発明の実施のさらに他の形態の摩擦撹拌接合装置２２１を示す側面図である。本実施の形態の摩擦撹拌接合装置２２１は、図１〜図１８に示す摩擦撹拌接合装置２１と類似しており、対応する部分には同一の符号を付し、異なる点についてだけ説明して、同様の構成については説明を省略する。摩擦撹拌接合装置２２１は、前述の実施の形態の摩擦撹拌接合装置２１における変速手段４１に代えて、変速手段２２２を有する。変速手段２２２は、ツール保持具３８と回転駆動手段４０との間に介在される。

図２０は、変速手段２２２付近を拡大して示す断面図であり、図２１は図２０の切断面線Ｓ２１−Ｓ２１から見た断面図であり、図２２は変速手段２２２を分解して示す分解斜視図である。変速手段２２２は、カバー体２２３によって覆われる。変速手段２２２は、回転駆動手段４０の駆動出力軸４８からの回転動力が入力される入力軸２２４と、入力軸２２４に固定される入力輪２２５と、入力軸２２４と間隔をあけて平行に延びる従動軸２２６と、従動軸２２６に固定される第１および第２輪２２７，２２８と、従動軸２２６と間隔をあけて平行に延びる変速出力軸２２９と、変速出力軸２２９に固定される出力輪２３０と、入力輪２２５と第１輪２２７とにわたって巻き掛けられる第１結合状態の第１索条２３１ａと、入力輪２２５と第２輪２２８とにわたって巻き掛けられる第２結合状態の第１索条２３１ｂと、出力輪２３０と第２輪２２８とにわたって巻き掛けられる第１結合状態の第２索条２３２ａと、出力軸２３０と第１輪２２７とにわたって巻き掛けられる第２結合状態の第２索条２３２ｂとを含む。

本発明において、請求項では、第１および第２結合状態の第１索条２３１ａ，２３１ｂを総括して第１索条と記載し、第１および第２結合状態の第２索条２３２ａ，２３２ｂを総括して第２索条と記載している。

回転駆動手段４０の駆動出力軸４８と変速手段２２２の入力軸２２４とは、一体に形成される。入力軸２２４の軸線は、基準軸線Ｌ１と同一または平行、本実施の形態では同一である。変速出力軸２２９の軸線は、基準軸線Ｌ１と同一または平行である。本実施の形態では、変速手段２２２の変速出力軸２２９と前記ツール保持具３８とは、一体に形成され、変速出力軸２２９の軸線は、基準軸線Ｌ１と同一である。入力軸２２４と変速出力軸２２９とは、相互に独立して回転可能である。

動力伝達輪である入力輪２２５、第１および第２輪２２７，２２８、ならびに出力輪２３０は、歯付プーリによって実現される。第１および第２結合状態の第１索条２３１ａ，２３１ｂならびに第１および第２結合状態の第２索条２３２ａ，２３２ｂは、歯付ベルトによって実現される。第１および第２結合状態の第１索条２３１ａ，２３１ｂは周方向の長さが相互に異なる。第１および第２結合状態の第２索条２３２ａ，２３２ｂは周方向の長さが相互に異なる。本実施の形態において、後述の各動力伝達輪の外径は、各動力伝達輪のピッチ円直径を意味する。

従動軸２２６は、第１および第２支持台２３６，２３７と、一対の軸受手段２３８ａ，２３８ｂとによって、取付台３１に支持される。本実施の形態では、第２支持台２３７と、一対の軸受手段２３８ａ，２３８ｂと、従動軸２２６と、第１および第２輪２２７，２２８とを含んで、動力伝達手段２４１が構成される。

第１支持台２３６は、長手板状の部材であり、取付台３１の第２方向他方Ｂ２の端部である幅方向一端部にボルト部材２３９によって固定される。この第１支持台２３６は、取付台３１の第１方向一方Ａ１側の表面部に固定され、取付台３１の前記幅方向一端部から第２方向他方Ｂ２へ突出する。第２支持台２３７は、長手板状の部材であり、第１支持台２３６に関して第１方向一方Ａ１側に設けられる。

各軸受手段２３８ａ，２３８ｂは、第２支持台２３７の前記第１支持台２３６に臨む表面とは反対側の表面である第１方向一方Ａ１側の表面から突出する。この軸受手段２３８ａ，２３８ｂは、従動軸２２６をその軸線Ｌ１４まわりに回転自在に、かつ軸線Ｌ１４に沿う変位を阻止した状態で支持する。従動軸２２６の軸線Ｌ１４は、仮想一平面内で基準軸線Ｌ１に平行である。

第１支持台２３６の幅方向一端部、すなわち第１支持台２３６の第２方向他方Ｂ２の端部には、第１支持台２３６の長手方向、すなわち第３方向Ｃに、間隔をあけて一対の側板２４６ａ，２４６ｂが設けられる。各側板２４６ａ，２４６ｂは、第１支持台２３６の取付台３１が設けられる側の表面、換言すれば第１支持台２３６の第１方向一方Ａ１側の表面から突出する。各側板２４６ａ，２４６ｂには、一対の取付用挿通孔２４７ａ〜２４７ｄがそれぞれ設けられるとともに、調整用挿通孔２４８ａ，２４８ｂがそれぞれ設けられる。

各側板２４６ａ，２４６ｂの各取付用挿通孔２４７ａ〜２４７ｄには、取付用ボルト部材２５０ａ〜２５０ｄがそれぞれ挿通される。これらの取付用ボルト部材２５０ａ〜２５０ｄによって、各側板２４６ａ，２４６ｂは、第１支持台２３６に取付けられる。第１支持台２３６の幅方向一端部には、取付用ねじ孔２４９ａ〜２４９ｄが予め形成されており、前記各取付用ボルト部材２５０ａ〜２５０ｄは、各側板２４６ａ，２４６ｂの各取付用挿通孔２４７ａ〜２４７ｄを挿通した状態で、各取付用ねじ孔２４９ａ〜２４９ｄが形成される第１支持台２３６に螺着される。

各側板２４６ａ，２４６ｂの各調整用挿通孔２４８ａ，２４８ｂには、調整用ボルト部材２５２ａ，２５２ｂがそれぞれ挿通される。各調整用ボルト部材２５２ａ，２５２ｂは、その軸線が第２方向Ｂに延び、軸線まわりに回転自在に前記各側板２４６ａ，２４６ｂに支持される。第２支持台２３７の幅方向両端部には、一対の調整用ねじ孔２５１ａ〜２５１ｄがそれぞれ予め形成されており、各調整用ボルト部材２５２ａ，２５２ｂは、各側板２４６ａ，２４６ｂの各調整用挿通孔２４８ａ，２４８ｂを挿通した状態で、調整用ねじ孔２５１ａ〜２５１ｄが形成される第２支持台２３７に螺着される。

第１支持台２３６には、１または複数（本実施の形態では４つ）の溝２５６ａ〜２５６ｄが形成される。各溝２５６ａ〜２５６ｄは、第１支持台２３６の上方および下方である長手方向両端部に、一対ずつそれぞれ設けられる。各溝２５６ａ〜２５６ｄは、第２方向Ｂに延びる。各溝２５６は、第１支持台２３６の一表面から他表面にわたって貫通する。各溝２５６には、固定用ボルト部材２５８ａ〜２５８ｂが、第２方向Ｂへ変位自在に挿通する。

各固定用ボルト部材２５８ａ〜２５８ｄの前記長手方向一端部は、第１支持台２３６の第２支持台２３７に臨む表面から突出し、各固定用ボルト部材２５８ａ〜２５８ｄの前記長手方向他端部は、第１支持台２３６の第２支持台１６３に臨む表面とは反対側の表面から突出する。各固定用ボルト部材２５８ａ〜２５８ｄは、各溝２５６ａ〜２５６ｄを挿通した状態で、第２支持台２３７に螺着される。

各固定用ボルト部材２５８ａ〜２５８ｄを、その軸線まわりに回転させることによって、第１支持台２３６と第２支持台２３７とを締結することができるとともに、この締結を解除することができる。したがって第２支持台２３７を、第１支持台２３６に対する変位が阻止された固定状態と、第１支持台２３６に対してスライド変位可能な可動状態とに切換えることができる。さらに各固定用ボルト部材２５８ａ〜２５８ｄを、第２支持台２３７から取外すことによって、第２支持台２３７を、第１支持台２３６に対して離脱された離脱状態にすることができる。

図２３は、変速手段２２２付近を拡大して示す断面図であり、図２４は図２３の切断面線Ｓ２４−Ｓ２４から見た断面図である。前述の図２０および図２１をも参照して、動力伝達手段２４１は、前述のように構成されるので、第１輪２２７が入力輪２２５および出力輪２３０のいずれか一方（本実施の形態では、入力輪２２５）と動力伝達可能に結合されるとともに第２輪２２８が入力輪２２５および出力輪２３０のいずれか他方（本実施の形態では、出力輪２３０）と動力伝達可能に結合される第１結合状態と、第１輪２２７が入力輪２２５および出力輪２３０の前記他方と動力伝達可能に結合されるとともに第２輪２２８が入力輪２２５および出力輪２３０の前記一方と動力伝達可能に結合される第２結合状態とに切換えることができる。

第１結合状態において、入力輪２２５と第１輪２２７とは、軸線方向に同一の位置に設けられ、出力輪２３０と第２輪２２８とは、軸線方向に同一の位置に設けられる。第２結合状態において、入力輪２２５と第２輪２２８とは、軸線方向に同一の位置に設けられ、出力輪２３０と第１輪２２７とは、軸線方向に同一の位置に設けられる。

入力輪２２５の外径をＤ２１、出力輪２２５の外径をＤ２２、第１および第２輪２２７，２２８の外径をＤ２３，Ｄ２４とするとき、第１結合状態における入力輪２２５および出力輪２３０の回転速度比ｉ１および第２結合状態における入力輪２２５および出力輪２３０の回転速度比ｉ２は、次式（１），（２）のようになる。
ｉ１＝（Ｄ２１／Ｄ２３）・（Ｄ２４／Ｄ２２） …（１）
ｉ２＝（Ｄ２１／Ｄ２４）・（Ｄ２３／Ｄ２２） …（２）

本実施の形態においては、入力輪２２５の外径Ｄ２１は、出力輪２２５の外径Ｄ２２の１／２倍に選ばれ、第１輪２２７の外径Ｄ２３は、第２輪２２８の外径Ｄ２４の２倍に選ばれ、しかも入力輪２２５の外径Ｄ１１と第２輪２２８の外径Ｄ２４とは同一に選ばれる。したがって第１結合状態における入力輪２２５および出力輪２３０の回転速度比ｉ１は、１／４となる。第２結合状態における入力輪２２５および出力輪２３０の回転速度比ｉ２は、１／１となる。本実施の形態において、回転速度比は、入力輪２２５の回転速度に対する出力輪２３０の回転速度である。

図２５は、動力伝達手段２４１を第１結合状態から第２結合状態に切換える手順を説明するための図であり、図２６は図２５に続く手順を説明するための図である。図２５（１）は第１結合状態を示す。動力伝達手段２４１の第１結合状態においては、図２５（１）に示すように、第１結合状態の第１および第２索条２３１ａ，２３２ａの巻き掛け状態は、第１結合状態の第１および第２索条２３１ａ，２３２ａが緊張した緊張状態である。図２５（２）は第１結合状態の第１および第２索条２３１ａ，２３２ａが緩んだ弛緩状態を示す。図２６（１）は動力伝達手段２４１が離脱された状態を示す。図２６（２）は第２結合状態を示す。動力伝達手段２４１の第２結合状態においては、図２６（２）に示すように、第２結合状態の第１および第２索条２３１ｂ，２３２ｂの巻き掛け状態は、第２結合状態の第１および第２索条２３１ｂ，２３２ｂが緊張した緊張状態である。

動力伝達手段２４１を第１結合状態から第２結合状態に切換える切換え作業が開始されると、作業者によって、変速手段２２２を覆うカバー体２２３が開かれる。次に作業者によって、固定用ボルト２５８ａ〜２５８ｄが回転されて緩められ、第２支持台２３７が第１支持台２３６に対して可動状態とされる。すなわち動力伝達手段２４１が第１支持台２３６に対して可動状態とされる。

この後、作業者によって、調整用ボルト部材２５２ａ，２５２ｂが回転されて緩められ、第２支持台２３７、したがって動力伝達手段２４１が第１支持台２３６に対して第２方向に変位し、従動軸２２６が入力軸２２４および変速出力軸２２９に近接する方向に変位する。このようにして、入力軸２２４および変速出力軸２２９の軸線と、従動軸２２６の軸線Ｌ１４とが、第１結合状態における巻き掛け間隔ｄ１１よりも小さい弛緩間隔ｄ１２（ｄ１２＜ｄ１１）をあけて配置される。第１結合状態の第１および第２索条２３１ａ，２３２ａの巻き掛け状態は、図２５（２）に示されるように、第１結合状態の第１および第２索条２３１ａ，２３２ａが緩んだ弛緩状態となる。

本実施の形態において、第１結合状態における巻き掛け間隔ｄ１１は、第１結合状態における入力軸２２４および変速出力軸２２９の軸線と、従動軸２２６の軸線Ｌ１４との距離をいう。後述の第２結合状態における巻き掛け間隔ｄ１３は、第２結合状態における入力軸２２４および変速出力軸２２９の軸線と、従動軸２２６の軸線Ｌ１４との距離をいう。

次に、作業者によって、調整用ボルト部材２５２ａ，２５２ｂがさらに回転されて緩められ、調整用ボルト部材２５２ａ，２５２ｂが第２支持台２３７から離脱される。この後、作業者によって、固定用ボルト部材２５８ａ〜２５８ｄが回転されて緩められ、固定用ボルト部材２５８ａ〜２５８ｄが第２支持台２３７から離脱される。これによって図２６（１）に示すように、第２支持台２３７、したがって動力伝達手段２４１が第１支持台２３６から離脱される。

次に、作業者によって、入力軸２２４と変速出力軸２２９との間の隙間を介して、第１結合状態の第１および第２索条２３１ａ，２３２ａが入力輪２２５および出力輪２３０から取外される。この後、作業者によって、入力軸２２４と変速出力軸２２９との間の隙間を介して、第２結合状態の第１および第２索条２３１ｂ，２３２ｂが入力輪２２５および出力輪２３０に取付けられる。また作業者によって、動力伝達手段２４１が上下反転される。動力伝達手段２４１は、上下反転された状態で、第２結合状態の第１および第２索条２３１ｂ，２３２ｂが取付けられる。このように第２結合状態の第１および第２索条２３１ｂ，２３２ｂが取付けられた状態で、動力伝達手段２４１は、第１支持台２３６に取付けられる。

次に、作業者によって、固定用ボルト部材２５８ａ〜２５８ｄが回転されて第２支持台２３７に螺着される。このとき第２支持台２３７、したがって動力伝達手段２４１は、第１支持台２３６に対して可動状態とされる。この後、作業者によって、調整用ボルト部材２５２ａ，２５２ｂが回転されて締められ、第２支持台２３７、したがって動力伝達手段２４１が第１支持台２３６に対して第２方向に変位し、従動軸２２６が入力軸２２４および変速出力軸２２９から離反する方向に変位する。このようにして、入力軸２２４および変速出力軸２２９の軸線と、従動軸２２６の軸線Ｌ１４とが、第２結合状態における巻き掛け間隔ｄ１３をあけて配置される。第２結合状態の第１および第２索条２３１ｂ，２３２ｂの巻き掛け状態は、図２６（２）に示されるように、第２結合状態の第１および第２索条が緊張した緊張状態となる。

次に、作業者によって、固定用ボルト部材２５８ａ〜２５８ｄがさらに回転されて締められ、第２支持台２３７が第１支持台２３６に対して固定状態とされる。この後、作業者によってカバー体２２３が閉じられ、動力伝達手段２４１を第１結合状態から第２結合状態に切換える切換え作業が終了される。

本実施の形態によれば、回転駆動手段４０の回転動力は、入力輪２２５に入力され、この回転動力は動力伝達手段２４１によって出力輪２３０に伝達され、出力輪２３０からツール保持具３８に出力される。前記動力伝達手段２４１は、第１および第２輪２２７，２２８とを有し、第１輪２２７が入力輪２２５と動力伝達可能に結合されるとともに第２輪２２８が出力輪２３０と動力伝達可能に結合される第１結合状態と、第１輪２２７が出力輪２３０と動力伝達可能に結合されるとともに第２輪２２８が入力輪２２５と動力伝達可能に結合される第２結合状態とに切換え可能である。第１および第２輪２２７，２２８は、変速輪として働くとともに、入力輪２２５と動力伝達可能に結合されるとき従動輪として働く。

この動力伝達手段２４１では、第１結合状態における入力輪２２５および出力輪２３０の回転速度比と第２結合状態における入力輪２２５および出力輪２３０の回転速度比とが相互に異なるので、入力輪２２５の回転速度が予め定める値のままであっても、第１結合状態と第２結合状態との切換えによって、ツール保持具３８の回転速度を変更し、接合ツール４７の回転速度を変更することができる。このように接合ツール４７の回転速度の変更を実現することができる。

本実施の形態では、動力伝達手段２４１は、巻掛け伝動による構成によって実現されるが、本発明の実施のさらに他の形態では、歯車列を有する構成によって実現されてもよく、たとえば第１輪２２７が入力輪２２５および出力輪２３０のいずれか一方に噛合し、第２輪２２８が入力輪２２５および出力輪２３０のいずれか他方に噛合する構成、あるいは、第１または第２輪２２７，２２８と入力輪２２５または出力輪２３０との間に、１または複数のアイドル歯車が介在される構成によって実現されてもよい。

本発明の実施の一形態の摩擦撹拌接合装置２１を示す正面図である。 摩擦撹拌接合装置２１を図１の右方から見た側面図である。 摩擦撹拌接合装置２１全体を示す斜視図である。 変速手段４１付近を拡大して示す図である。 変速手段４１を分解して示す分解斜視図である。 変速手段４１を図４の上方から見た平面図である。 変速手段４１を図４の右方から見た側面図である。 変速手段４１の第１支持台１６２を示す図である。 第２索条１５１を巻き掛ける変速輪および出力輪を変更する手順を説明するための図であり、図９（１）は第２索条１５１が第１変速輪１４５と第１出力輪１４８とにわたって巻き掛けられた状態を示し、図９（２）は第１および第２索条１５０，１５１が緩んだ弛緩状態を示し、図９（３）は第２索条１５１を第１変速輪１４５および第１出力輪１４８の位置から第２変速輪１４６および第２出力輪１４９の位置に移動した状態を示し、図９（４）は第２索条１５１が第２変速輪１４６と第２出力輪１４９とにわたって巻き掛けられた状態を示す。 第２索条１５１を巻き掛ける変速輪および出力輪を変更する手順を説明するためのフローチャートである。 接合ツール４７を拡大して示す断面図である。 接合ツール４７を拡大して示す斜視図である。 接合ツール４７の回転速度と接合ツール４７に作用する負荷トルクとの関係を示すグラフを示す図である。 摩擦撹拌接合装置２１のブロック図である。 摩擦撹拌接合装置２１の詳細な動作を説明するためのタイミングチャートであり、図１５（１）は、第１方向駆動源２１１の動作状態を示すグラフであり、図１５（２）は、第２方向駆動源２１２の動作状態を示すグラフであり、図１５（３）は、回転駆動手段４０の回転速度を示すグラフであり、図１５（４）は、変位駆動源１１１の動作状態を示すグラフであり、図１５（５）は、ツール荷重を示すグラフである。 図１４に示される制御手段２１３の動作を説明するためのフローチャートである。 押圧手段２５による押圧動作を説明するための図であり、図１７（１）は、押圧源８１の動作を示す回路図であり、図１７（２）は、押圧源８１における他方の圧力室５０９の圧力を示すグラフであり、図１７（３）は、押圧源８１における一方の圧力室５０８の圧力を示すグラフであり、図１７（４）は、ツール荷重を示すグラフである。 撹拌過剰によって発生する空洞状の欠陥を示す図である。 本発明の実施のさらに他の形態の摩擦撹拌接合装置２２１を示す側面図である。 変速手段２２２付近を拡大して示す断面図である。

図２０の切断面線Ｓ２１−Ｓ２１から見た断面図である。 変速手段２２２を分解して示す分解斜視図である。 変速手段２２２付近を拡大して示す断面図である。 図２３の切断面線Ｓ２４−Ｓ２４から見た断面図である。 動力伝達手段２４１を第１結合状態から第２結合状態に切換える手順を説明するための図である。 図２５に続く手順を説明するための図である。

符号の説明

２１ 摩擦撹拌接合装置
２４ 基台
２５ 押圧手段
２６ 変位駆動手段
３１ 取付台
３８ ツール保持具
４０ 回転駆動手段
４１ 変速手段
４７ 接合ツール
４８ 駆動出力軸
７５ 可動台
９５ 被接合物
９５ａ，９５ｂ 被接合部材
１４１，２２４ 入力軸
１４２，２２５ 入力輪
１４３，２２６ 従動軸
１４４， 従動輪
１４５，１４６ 変速輪
１４７，２２９ 変速出力軸
１４８，１４９，２３０ 出力輪
１５０，２３１ 第１索条
１５１，２３２ 第２索条
２２７ 第１輪
２２８ 第２輪

Claims (8)

1. 複数の被接合部材を含んで構成される被接合物に、接合ツールをその軸線と一致する基準軸線まわりに回転しながら没入させて、被接合物を固相撹拌して各被接合部材を接合する摩擦撹拌接合装置であって、
   予め定める基準軸線まわりに回転自在に設けられ、接合ツールを保持するツール保持具と、
   ツール保持具を基準軸線まわりに回転駆動する回転駆動手段と、
   回転駆動手段とツール保持具との間に介在され、ツール保持具の回転速度を可変な状態で、回転駆動手段の回転動力をツール保持具に伝達する変速手段と、
   基台と、
   基台に対して予め定める基準軸線に沿ってスライド変位自在に設けられる可動台と、
   基台に設けられ、基台に対して基準軸線に沿って可動台をスライド変位駆動する変位駆動手段とをさらに含み、
   ツール保持具、回転駆動手段および変速手段は、可動台に設けられることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
2. 前記変速手段は、
   回転駆動手段の回転動力が入力される入力輪と、
   ツール保持具に回転動力を出力する出力輪と、
   入力輪から出力輪に回転動力を伝達する動力伝達手段であって、一直線上にそれぞれ軸線を有し軸線まわりに相互に一体的に回転する第１および第２輪を有し、第１輪が入力輪および出力輪のいずれか一方と動力伝達可能に結合されるとともに第２輪が入力輪および出力輪のいずれか他方と動力伝達可能に結合される第１結合状態と、第１輪が入力輪および出力輪の前記他方と動力伝達可能に結合されるとともに第２輪が入力輪および出力輪の前記一方と動力伝達可能に結合される第２結合状態とに切換え可能であり、第１結合状態における入力輪および出力輪の回転速度比と第２結合状態における入力輪および出力輪の回転速度比とが相互に異なる動力伝達手段とを含むことを特徴とする請求項１記載の摩擦撹拌接合装置。
3. 前記変速手段は、
   回転駆動手段の駆動出力軸からの回転動力が入力される入力軸と、
   入力軸に固定される入力輪と、
   入力軸と間隔をあけて平行に延びる従動軸と、
   従動軸に固定され、外径が相互に異なる第１および第２輪と、
   従動軸と間隔をあけて平行に延び、ツール保持具に回転動力を出力する変速出力軸と、
   変速出力軸に固定される出力輪と、
   入力輪と第１および第２輪のいずれか一方とにわたって巻き掛けられる無端状の第１索条と、
   第１および第２輪のいずれか他方と出力輪とにわたって巻き掛けられる無端状の第２索条とを含むことを特徴とする請求項２記載の摩擦撹拌接合装置。
4. 前記変速手段は、
   回転駆動手段の駆動出力軸からの回転動力が入力される入力軸と、
   入力軸に固定される入力輪と、
   入力軸と間隔をあけて平行に延びる従動軸と、
   従動軸に固定される従動輪と、
   従動軸にその従動軸の軸線方向に順次的に配置されて固定され、外径が相互に異なる複数の変速輪と、
   従動軸と間隔をあけて平行に延び、ツール保持具に回転動力を出力する変速出力軸と、
   変速出力軸にその変速出力軸の軸線方向に順次的に配置されて固定され、外径が相互に異なる複数の出力輪と、
   入力輪と従動輪とにわたって巻き掛けられる無端状の第１索条と、
   複数の変速輪のうちの１つと複数の出力輪のうちの１つとにわたって、選択的に巻き掛けられる第２索条とを含むことを特徴とする請求項１記載の摩擦撹拌接合装置。
5. 変速手段は、変速出力軸の軸線と従動軸の軸線との相互の間隔を変位調整して、第２索条の巻き掛け状態を、第２索条が緊張した緊張状態として、回転動力を変速輪から出力輪に伝達し、第２索条が緩んだ弛緩状態として、第２索条を巻き掛ける変速輪および出力輪の少なくともいずれか一方を選択的に変更可能とすることを特徴とする請求項４記載の摩擦撹拌接合装置。
6. 各変速輪と各出力輪とは、対を成して設けられ、第２索条は、対を成す変速輪および出力輪間にわたって巻き掛けられ、各対における変速輪の外径と出力輪の外径の和は同一であ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. 可動台に対して基準軸線に沿ってスライド変位自在に設けられる取付台と、
   可動台に設けられる押圧手段とをさらに含み、
   ツール保持具、回転駆動手段および変速手段は、取付台に取付けられて可動台に設けられ、
   押圧手段は、取付台を、接合ツールが被接合物に近づく方向に弾発的に押圧することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の摩擦撹拌接合装置。
8. 前記入力輪および従動輪は、歯付プーリから成り、
   動力伝達手段は歯付ベルトから成ることを特徴とする請求項２または３に記載の摩擦撹拌接合装置。

Images