JP6014205B2 - 摩擦攪拌点接合装置および摩擦攪拌点接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦攪拌点接合装置および摩擦攪拌点接合方法に関し、特に、摩擦攪拌点接合を行うための回転工具の進退移動を好適に制御することができる摩擦攪拌点接合装置および摩擦攪拌点接合方法に関する。

自動車、鉄道車両、航空機等の輸送機器においては、金属材料を連結するときには、抵抗スポット溶接またはリベット接合が用いられていた。しかしながら、近年では、特許文献１または２に開示されるような摩擦攪拌接合が注目されている。この摩擦攪拌接合は、摩擦熱を利用して金属材料を接合する方法であり、先端にピン部材を有する円柱状の回転工具（接合ツール）を用いる。この回転工具は、被接合物に向かって進退移動可能に構成され、高速で回転しながら所定範囲の圧力もしくは速度等で進出移動することで、被接合物（金属材料）中に押し込まれる（圧入される）。回転工具が圧入された部位では、金属材料が軟化するため、この軟化した金属材料を攪拌することで被接合物同士が接合される。

特許文献１に開示されている摩擦攪拌接合は、回転工具としてピン部材のみを有する構成であるため、説明の便宜上、単動式摩擦攪拌点接合と称する。これに対して、特許文献２に開示されている摩擦攪拌接合は、回転工具として、略円柱状のピン部材と、当該ピン部材を内挿するための中空を有する略円筒状のショルダ部材とを有し、ピン部材およびショルダ部材は、それぞれ回転動作および進退動作を行うことができる。そこで、このような構成の摩擦攪拌点接合を、説明の便宜上、複動式摩擦攪拌点接合と称する。この複動式摩擦攪拌点接合においては、ピン部材の進退動作とショルダ部材の進退動作とのタイミングを調整することで、ピン部材の圧入により形成された凹部を埋め戻すことが可能となっている。

特許第４２５２４０３号公報 特開２００７−３００１７号公報

ここで、複動式摩擦攪拌点接合では、回転工具がピン部材およびショルダ部材という複数の部材により構成されている。それゆえ、単動式摩擦攪拌点接合に比べて施工時に検討すべき事項が多くなり、施工時に制御すべき項目を選定することが難しく、また、選定が可能であっても制御すべき項目を具体的にどのように決定するかも難しい。そのため、特許文献１に開示されている単動式摩擦攪拌点接合の制御手法を、そのまま複動式摩擦攪拌点接合に適用することができない。

また、特許文献２に開示の技術は、複動式摩擦攪拌点接合において、不均一なバリの発生を阻止または効果的に抑制することを課題としているが、前述したような、接合条件に見合う優れた精度で良好な接合品質を実現可能とする制御については、十分に開示されていない。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、特に、複動式の摩擦攪拌点接合法において、接合条件に応じて好適な精度で良好な接合品質を実現し得る制御技術を提供することを目的とする。

本発明に係る摩擦攪拌点接合装置は、前記の課題を解決するために、回転工具によって被接合物を部分的に攪拌することにより接合する摩擦攪拌点接合装置であって、前記回転工具として、軸線周りに回転し、かつ、当該軸線方向に進退移動可能に構成されている円柱状のピン部材と、当該ピン部材の外側を囲うように位置し、当該ピン部材と同一の軸線周りに回転するとともに当該軸線方向に進退移動可能に構成されている円筒状のショルダ部材と、を備えているとともに、前記ピン部材および前記ショルダ部材を、それぞれ前記軸線に沿って進退移動するように動作させる工具駆動部と、前記ピン部材または前記ショルダ部材が前記被接合物に当接した時点の位置を、当該ピン部材または当該ショルダ部材の圧入深さの０点である圧入基準点に設定する圧入基準点設定部と、前記工具駆動部の動作を制御する工具駆動制御部と、を備え、前記工具駆動制御部は、前記圧入基準点設定部で設定された前記圧入基準点に基づいて、前記ショルダ部材に対する前記ピン部材の相対位置を制御することにより、前記ショルダ部材または前記ピン部材が前記被接合物の表面から圧入したときの圧入深さを制御する構成である。

前記摩擦攪拌点接合装置においては、前記圧入基準点設定部は、前記ピン部材または前記ショルダ部材が前記被接合物に加圧力を与えた状態で当接した時点の位置を、前記圧入基準点に設定する構成であってもよい。

また、前記摩擦攪拌点接合装置においては、前記ピン部材または前記ショルダ部材の先端位置のずれである位置ずれ量を算出する位置ずれ量算出部を備え、前記工具駆動制御部は、当該位置ずれ量により前記圧入深さを補正するよう構成されていてもよい。

また、前記摩擦攪拌点接合装置においては、前記ショルダ部材の外側に位置し、前記被接合物を表面から押圧するクランプ部材と、当該クランプ部材の先端の位置を検出するクランプ位置−回転工具位置検出部と、当該クランプ位置−回転工具位置検出部で検出された前記クランプ部材の先端と前記ピン部材または前記ショルダ部材の先端との距離を算出するクランプ−工具間距離算出部と、をさらに備え、前記工具駆動制御部は、前記クランプ−工具間距離算出部で算出された距離により前記圧入深さを調整するよう構成されていてもよい。

また、前記摩擦攪拌点接合装置においては、記憶部をさらに備え、当該記憶部は、前記回転工具が前記被接合物に圧入している状態の加圧力を調整するための加圧力調整データを記憶しており、前記工具駆動制御部は、前記記憶部から前記加圧力調整データを読み出すことにより、前記加圧力を制御するように構成されていてもよい。

また、前記摩擦攪拌点接合装置においては、前記加圧力調整データは、前記工具駆動部が備えるモータに印加される電流値として前記記憶部に記憶されており、前記工具駆動制御部は、前記電流値を調整することにより、前記加圧力を制御するように構成されていてもよい。

また、前記摩擦攪拌点接合装置においては、前記記憶部は、前記加圧力調整データを、前記ピン部材を前記被接合物に圧入する圧入動作時と、前記ピン部材を前記被接合物から引き抜く引抜動作時と、前記ピン部材の停止時とのそれぞれの場合で、異なるデータとして記憶しており、前記工具駆動制御部は、前記ピン部材の動作が前記圧入動作、前記引抜動作、または停止状態のいずれであるかを判定し、該当する動作における加圧力調整データを前記記憶部から読み出して、前記工具駆動部を制御する構成であってもよい。

本発明に係る摩擦攪拌点接合方法は、前記の課題を解決するために、軸線周りに回転し、かつ、当該軸線方向に進退移動可能に構成されている円柱状のピン部材と、当該ピン部材の外側を囲うように位置し、当該ピン部材と同一の軸線周りに回転するとともに当該軸線方向に進退移動可能に構成されている円筒状のショルダ部材と、をそれぞれ進退移動可能な状態で用いて、その表面が前記ピン部材および前記ショルダ部材に向けた状態にある被接合物を、部分的に攪拌することにより接合する摩擦攪拌点接合方法であって、前記ピン部材または前記ショルダ部材が前記被接合物に当接した時点の位置を、当該ピン部材または当該ショルダ部材の圧入深さの０点である圧入基準点に設定し、圧入基準点に基づいて、前記ショルダ部材に対する前記ピン部材の相対位置を制御することにより、前記ショルダ部材または前記ピン部材が前記被接合物の表面から圧入したときの圧入深さを制御する構成である。

前記摩擦攪拌点接合方法においては、前記圧入基準点は、前記ピン部材または前記ショルダ部材が前記被接合物に加圧力を与えた状態で当接した時点の位置として設定される構成であってもよい。

また、前記摩擦攪拌点接合方法においては、前記ピン部材または前記ショルダ部材の先端位置のずれである位置ずれ量を算出し、当該位置ずれ量により前記圧入深さを補正する構成であってもよい。

また、前記摩擦攪拌点接合方法においては、前記被接合物の表面は、前記ショルダ部材の外側に位置するクランプ部材により押圧されており、当該クランプ部材の先端と前記ピン部材または前記ショルダ部材の先端との距離を算出し、当該距離により前記圧入深さを調整する構成であってもよい。

また、前記摩擦攪拌点接合方法においては、前記ピン部材が前記被接合物に圧入するときの加圧力を調整するための加圧力調整データが記憶部に記憶されており、前記記憶部から前記加圧力調整データを読み出して、前記加圧力を制御する構成であってもよい。

以上のように、本発明では、特に、複動式の摩擦攪拌点接合において、接合条件に応じて好適な精度で良好な接合品質を実現し得る制御技術を提供できる、という効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置の構成例を示す模式的側面図である。 （ａ）〜（ｆ）は、図１に示す摩擦攪拌点接合装置による摩擦攪拌点接合の各段階の一例を模式的に示す工程図である。 （ａ）〜（ｆ）は、図１に示す摩擦攪拌点接合装置による摩擦攪拌点接合の各段階の他の例を模式的に示す工程図である。 図１に示す摩擦攪拌点接合装置の機能構成を示すブロック図である。 図４に示す摩擦攪拌点接合装置における摩擦攪拌点接合の制御の一例を示すフローチャートである。 （ａ），（ｂ）は、図１に示す摩擦攪拌点接合装置における圧入基準点の設定を説明する模式図である。 本発明の実施の形態２に係る摩擦攪拌点接合装置の機能構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３に係る摩擦攪拌点接合装置の機能構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態４に係る摩擦攪拌点接合装置の機能構成を示すブロック図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。

（実施の形態１）
［摩擦攪拌点接合装置］
本発明の実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置の基本的な構成について、図１を参照して具体的に説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係る摩擦攪拌点接合装置５０Ａは、回転工具５１、工具固定部５２、工具駆動部５３、クランプ部材５４、裏当て支持部５５、および裏当て部材５６を備えている。

回転工具５１は、工具固定部５２により支持され、工具駆動部５３によって進退および回転駆動される。回転工具５１、工具固定部５２、工具駆動部５３およびクランプ部材５４は、Ｃ型ガン（Ｃ型フレーム）で構成される裏当て支持部５５の上部に設けられ、当該裏当て支持部５５の下部には裏当て部材５６が設けられている。したがって、回転工具５１と裏当て部材５６とは互いに対向する位置で裏当て支持部５５に取り付けられており、これら回転工具５１の間に被接合物６０が配される。

回転工具５１は、ピン部材１１およびショルダ部材１２から構成されている。また、工具固定部５２は、回転工具固定部５２１およびクランプ固定部５２２から構成され、工具駆動部５３は、ピン駆動部５３１、ショルダ駆動部５３２、回転駆動部５３３およびクランプ駆動部４１から構成されている。また、クランプ部材５４は、クランプ駆動部４１を介してクランプ固定部５２２に固定されている。なお。クランプ駆動部４１はスプリングにより構成されている。

ピン部材１１は、略円筒形または略円柱形であり、詳細に図示されないが、回転工具固定部５２１により支持されている。このピン部材１１は、回転駆動部５３３により軸線Ｘｒ（回転軸、図中一点鎖線）周りに回転し、ピン駆動部５３１により、破線矢印Ｐ１方向すなわち軸線Ｘｒ方向（図１では上下方向）に沿って進退移動可能に構成されている。ショルダ部材１２は、中空を有する略円筒状であり、中空内にピン部材１１が内挿され、ピン部材１１の外側において当該ピン部材１１を囲むように回転工具固定部５２１により支持されている。このショルダ部材１２は、回転駆動部５３３によりピン部材１１と同一の軸線Ｘｒ周りに回転し、ショルダ駆動部５３２により、破線矢印Ｐ２方向すなわち軸線Ｘｒ方向に沿って進退移動可能に構成されている。

このように、ピン部材１１およびショルダ部材１２は、本実施の形態ではいずれも同一の回転工具固定部５２１によって支持され、いずれも回転駆動部５３３により軸線Ｘｒ周りに一体的に回転する。さらに、ピン部材１１およびショルダ部材１２は、ピン駆動部５３１およびショルダ駆動部５３２により、それぞれ軸線Ｘｒ方向に沿って進退移動可能に構成されている。なお、図１に示す構成では、ピン部材１１は単独で進退移動可能であるとともに、ショルダ部材１２の進退移動に伴っても進退移動可能となっているが、ピン部材１１およびショルダ部材１２が互いに独立して進退移動可能に構成されてもよい。

クランプ部材５４は、ショルダ部材１２の外側に設けられ、ショルダ部材１２と同様に、中空を有する円筒状であって、中空内にショルダ部材１２が内挿されている。したがって、ピン部材１１の外周に略円筒状のショルダ部材１２が位置し、ショルダ部材１２の外周に略円筒状のクランプ部材５４が位置している。言い換えれば、クランプ部材５４、ショルダ部材１２およびピン部材１１が、それぞれ同軸芯状の入れ子構造となっている。

クランプ部材５４は、被接合物６０を一方の面（表面）から押圧するものであり、本実施の形態では、クランプ駆動部４１を介してクランプ固定部５２２に支持されている。したがって、クランプ部材５４は裏当て部材５６側に付勢されている。また、クランプ固定部５２２には、回転駆動部５３３を介して回転工具固定部５２１が支持されている。クランプ固定部５２２は、ショルダ駆動部５３２によって破線矢印Ｐ３方向（破線矢印Ｐ１およびＰ２と同方向）に進退可能に構成されている。なお、クランプ駆動部４１の構成は、スプリングに限定されるものではなく、クランプ部材５４に付勢を与えたり加圧力を与えたりする構成であればよく、例えば、ガス圧、油圧、サーボモータ等を用いた機構も好適に用いることができる。また、クランプ駆動部４１は、図１に示すようにショルダ駆動部５３２により進退移動可能に構成されてもよいし、ショルダ駆動部５３２によらず独立して進退移動可能に構成されてもよい。

上記構成の回転工具５１、工具固定部５２、工具駆動部５３およびクランプ部材５４は、前述したとおり、裏当て部材５６と対向するように裏当て支持部５５に設けられている。回転工具５１を構成するピン部材１１およびショルダ部材１２、並びにクランプ部材５４は、それぞれ当接面１１ａおよび当接面１２ａ、並びに当接面５４ａを備え、これら当接面１１ａ，１２ａ，５４ａは、工具駆動部５３により進退移動し、裏当て部材５６との間に配される被接合物６０の表面（第一面、一方の面）に当接可能となっている。また、裏当て部材５６は、ピン部材１１およびショルダ部材１２、並びにクランプ部材５４に対向する位置に設けられ、被接合物６０の裏面に当接するものである。図１では、平板状の被接合物６０の裏面に当接するように平坦な面を有している。

裏当て部材５６は、ピン部材１１およびショルダ部材１２の進出方向側に位置し、被接合物６０の表面をピン部材１１およびショルダ部材１２に向けた状態で、当該被接合物６０の裏面を支持面５６ａにより支持する。裏当て部材５６は、摩擦攪拌点接合を実施できるように被接合物６０を適切に支持することができるものであれば、その構成は特に限定されない。通常は、板状の被接合物６０を安定に支持できる支持面５６ａを有する平板状の構成であればよいが、被接合物６０の形状に合わせて平板状以外の構成も採用することができる。例えば、複数種類の形状を有する裏当て部材５６が別途準備され、被接合物６０の種類に応じて、裏当て支持部５５から外して交換できるように構成されてもよい。

本実施の形態における回転工具５１、工具固定部５２および工具駆動部５３の具体的な構成は、前述した構成に限定されず、広く摩擦攪拌接合の分野で公知の構成を好適に用いることができる。例えば工具駆動部５３を構成するピン駆動部５３１、ショルダ駆動部５３２、および回転駆動部５３３は、本実施の形態では、いずれも摩擦攪拌接合の分野で公知のモータおよびギア機構等から構成されている。また、摩擦攪拌点接合装置５０Ａの構成上、クランプ部材５４は設けられていなくてもよく、例えば、必要に応じて裏当て支持部５５から着脱可能に構成されてもよい。さらに、図１には図示されない他の部材等が含まれてもよい。

また、裏当て支持部５５は、本実施の形態ではＣ型ガンで構成されているが、これに限定されず、ピン部材１１およびショルダ部材１２を進退移動可能に支持するとともに、これら回転工具５１に対向する位置に裏当て部材５６を支持するように構成されていればよい。

なお、本実施の形態では、裏当て支持部５５は、図示されないアームの先端に取り付けられている。このアームは、図１には図示しない摩擦攪拌点接合用ロボット装置が備える構成である。したがって、裏当て支持部５５も摩擦攪拌点接合用ロボット装置に含まれるとみなすことができる。裏当て支持部５５およびアームを含めて、摩擦攪拌点接合用ロボット装置の具体的な構成は特に限定されず、多関節ロボット等、摩擦攪拌接合の分野で公知の構成を好適に用いることができる。

また、裏当て支持部５５を含む摩擦攪拌点接合装置５０Ａは、摩擦攪拌点接合用ロボット装置に適用される場合に限定されるものではない。例えば、ＮＣ工作機械、大型のＣフレーム、オートリベッター等の公知の加工用機器にも好適に適用することができる。さらには、二対以上のロボットが摩擦攪拌点接合装置と裏当て部材５６とを正対させる構成であってもよいし、被接合物６０に対して安定して摩擦攪拌点接合を行うことが可能であれば、本実施の形態に係る固定式の摩擦攪拌点接合装置５０Ａに対して手持ち型の構成として用いたり、ロボットを被接合物６０のポジショナーとして用いたりすることができる。

［摩擦攪拌点接合方法］
次に、前述した摩擦攪拌点接合装置５０Ａを用いて実施される摩擦攪拌点接合方法の具体的な工程について、図２（ａ）〜（ｆ）および図３（ａ）〜（ｆ）を参照して具体的に説明する。なお、図２（ａ）〜（ｆ）および図３（ａ）〜（ｆ）においては、被接合物６０として、２枚の金属板６１，６２を用い、これらを重ねて点接合にて連結する場合を例に挙げている。

また、図２（ａ）〜（ｆ）および図３（ａ）〜（ｆ）においては、矢印ｐは、回転工具５１の移動方向（図１における破線矢印Ｐ１〜Ｐ２の方向に対応）を示し、矢印ｒは、回転部材（ピン部材１１およびショルダ部材１２）の回転方向を示し、ブロック矢印Ｆは、金属板６１，６２に力が加えられる方向を示す。また、図２（ａ）〜（ｆ）および図３（ａ）〜（ｆ）においては、各工程における構成部材の位置、金属板６１，６２に形成される接合箇所等を明確に説明する便宜上、矢印ｐおよびブロック矢印Ｆについては、図２（ａ）においてのみ「ｐ」および「Ｆ」の符号を付しており、矢印ｒについては図２（ｂ）のみに「ｒ」の符号を付している。また、裏当て部材５６からも金属板６１，６２に対して力が加えられているが、説明の便宜上、図２（ａ）〜（ｆ）には図示していない。さらに、ショルダ部材１２には、ピン部材１１およびクランプ部材５４との区別を明確とするために、網掛けのハッチングを施している。

まず図２（ａ）〜（ｆ）に示す一連の工程について説明する。これら一連の工程では、ピン部材１１をショルダ部材１２よりも先に金属板６１，６２に圧入させている。

具体的には、図２（ａ）に示すように、回転工具５１を金属板６１，６２に接近させ（図中矢印ｐ）、クランプ部材５４の当接面５４ａ（図２（ａ）〜（ｆ）には図示せず）を上側の金属板６１の表面６０ｃに当接させるとともに、裏当て部材５６を下側の金属板６２の裏面６０ｄに当接させる。これにより、クランプ部材５４と裏当て部材５６とで金属板６１，６２が挟み込まれ、クランプ部材５４による押圧（図中ブロック矢印Ｆ）によりクランプ力が発生する。

次に図２（ｂ）に示すように、回転工具５１の回転部材が金属板６１，６２に近接し、ピン部材１１の当接面１１ａ（図２（ａ）〜（ｆ）には図示せず）およびショルダ部材１２の当接面１２ａ（図２（ａ）〜（ｆ）には図示せず）が金属板６１の表面６０ｃに当接する。この状態では、スプリングで構成されるクランプ駆動部４１の収縮によってクランプ部材５４のクランプ力が生じる。そして、ピン部材１１およびショルダ部材１２を金属板６１の表面６０ｃに当接させて回転させる（図中矢印ｒ）。

この状態では、ピン部材１１もショルダ部材１２も進退移動しないので、金属板６１の表面６０ｃを「予備加熱」することになる。これにより、金属板６１の当接領域における金属材料が摩擦により発熱することで軟化し、金属板６１の表面６０ｃ近傍に塑性流動部６０ａが生じる。

次に図２（ｃ）に示すように、図示されないピン駆動部５３１によりピン部材１１をショルダ部材１２から突き出すことで、当該ピン部材１１を金属板６１の表面６０ｃからさらに内部に進入（圧入）させる。このとき、金属材料の軟化部位は、上側の金属板６１から下側の金属板６２にまで及び、塑性流動部６０ａが増加する。さらに、塑性流動部６０ａの軟化した金属材料はピン部材１１により押し退けられ、ピン部材１１の直下からショルダ部材１２の直下に流動するので、ショルダ部材１２は後退し、ピン部材１１から見て浮き上がる。

次に、必要に応じて、図２（ｄ）に示すように、図示されないピン駆動部５３１により、突き出たピン部材１１を徐々に後退させる（引き込ませる）とともに、ピン部材１１の後退に伴ってショルダ部材１２を金属板６１に進入（圧入）させる工程を行ってもよい。後述する図２（ｅ）に示す工程によって金属板６１の表面６０ｃが整形されるが、このときに十分整形されない場合があれば、図２（ｄ）に示す工程を行ってもよい。

その後、図２（ｃ）に示す工程の後であればピン部材１１を徐々に引き込ませ、図２（ｄ）に示す工程の後であればショルダ部材１２を徐々に引き込ませる。このとき、図２（ｃ）および図２（ｄ）にブロック矢印で示すように、ピン部材１１またはショルダ部材１２は、いずれも引き込み動作中であっても、その先端による加圧力は維持されている。そして、前者の場合、ピン部材１１が引き込まれる間、ショルダ部材１２による回転および押圧が維持されるので、塑性流動部６０ａの軟化した金属材料は、ショルダ部材１２の直下からピン部材１１の直下に流動し、その結果、前記凹部が埋め戻されていく。後者の場合、ショルダ部材１２が引き込まれる間、ピン部材１１による回転および押圧が維持されるので、ショルダ部材１２の圧入により生じた凹部が埋め戻されていく。

その後、図２（ｅ）に示すように、ピン部材１１の当接面１１ａおよびショルダ部材１２の当接面１２ａを、互いに段差がほとんど生じない程度に合わせる（面一とする）。これにより、金属板６１の表面６０ｃが整形され、実質的な凹部が生じない程度の略平坦な面が得られる。

最後に図２（ｆ）に示すように、回転工具５１および裏当て部材５６を金属板６１，６２から離し、一連の摩擦攪拌点接合が終了する。このとき、回転工具５１の当接による回転（および押圧）は金属板６１，６２に加えられなくなるので、金属板６１，６２の双方に及ぶ塑性流動部６０ａにおいては、塑性流動が停止し、接合部６０ｂとなる。これにより、２枚の金属板６１，６２は接合部６０ｂによって連結される。

次に、図３（ａ）〜（ｆ）に示す一連の工程について説明する。これら一連の工程では、ショルダ部材１２をピン部材１１よりも先に金属板６１，６２に圧入させている。なお、図３（ａ）〜（ｆ）においても、裏当て部材５６からも金属板６１，６２に対して力が加えられているが、説明の便宜上、図示していない。

図３（ａ）および（ｂ）に示す工程は、図２（ａ）および（ｂ）に示す工程と同様であるため、その説明は省略する。次に、図３（ｃ）に示すように、図示されないショルダ駆動部５３２によりショルダ部材１２をピン部材１１から相対的に突き出すことで、当該ショルダ部材１２を金属板６１の表面６０ｃからさらに内部に進入（圧入）させる。これにより、塑性流動部６０ａは上側の金属板６１から下側の金属板６２にまで及び、塑性流動部６０ａの軟化した金属材料はショルダ部材１２により押し退けられ、ショルダ部材１２の直下からピン部材１１の直下に流動するので、ピン部材１１は後退し、ショルダ部材１２から見て浮き上がる。

次に、必要に応じて、図３（ｄ）に示すように、突き出たショルダ部材１２を徐々に後退させる（引き込ませる）とともに、ピン部材１１を金属板６１に進入（圧入）させる工程を行ってもよい。その後、図３（ｃ）に示す工程の後であればショルダ部材１２を徐々に引き込ませ、図３（ｄ）に示す工程の後であればピン部材１１を徐々に引き込ませる。これにより、ショルダ部材１２またはピン部材１１の圧入により生じた凹部が埋め戻されていく。

その後、図３（ｅ）に示すように、ピン部材１１の当接面１１ａおよびショルダ部材１２の当接面１２ａを、互いに段差がほとんど生じない程度に合わせる（面一とする）。最後に図３（ｆ）に示すように、回転工具５１および裏当て部材５６を金属板６１，６２から離し、一連の摩擦攪拌点接合が終了する。

ここで、本実施の形態では、図２（ａ）または図３（ａ）に示す段階を摩擦攪拌点接合の「準備段階」と称し、図２（ｂ）または図３（ｂ）に示す段階を「予備加熱段階」と称する。また、図２（ｃ）〜（ｅ）あるいは図３（ｃ）〜（ｅ）に示す段階は、ショルダ部材１２に対するピン部材１１の相対位置（あるいはピン部材１１に対するショルダ部材１２の相対位置）を制御することにより、ピン部材１１またはショルダ部材１２の圧入深さを制御する段階である。それゆえ、これら段階を「工具制御段階」と称する。また、図２（ｆ）または図３（ｆ）に示す段階を摩擦攪拌点接合の「終了段階」と称する。

なお、本実施の形態では「工具制御段階」として、図２（ｃ）または図３（ｃ）に示す段階、図２（ｄ）または図３（ｄ）に示す段階、および図２（ｅ）または図３（ｅ）に示す段階の合計３段階を実行している。そこで、説明の便宜上、これら各段階についても具体的な段階名を称するものとする。具体的には、図２（ｃ）または図３（ｃ）に示す段階を「圧入段階」と称し、図２（ｄ）または図３（ｄ）に示す段階を「埋戻し段階」と称し、図２（ｅ）または図３（ｅ）に示す段階を「整形段階」と称する。

また、本実施の形態では、工具制御段階として、圧入段階、埋戻し段階、および整形段階を例示しているが、前述したように、工具制御段階は、少なくとも圧入段階および整形段階のみであればよい。埋戻し段階は、必要に応じて行われる工具制御段階であるので、必要がなければ行わなくてもよい。さらに、必要に応じて工具制御段階を４段階以上行ってもよい。

このように摩擦攪拌点接合装置５０Ａは、回転工具５１としてピン部材１１およびショルダ部材１２を備えており、これら回転工具５１により被接合物６０（前記の例では金属板６１，６２）を部分的に攪拌することで、当該被接合物６０を接合している。２つの回転工具５１を備えていることで、図２（ａ）〜（ｆ）または図３（ａ）〜（ｆ）に示す各段階を連続的に行うことができるので、単動式摩擦攪拌点接合と比較して凹部を埋め戻して被接合物６０の表面６０ｃの凹凸をできる限り小さなものとすることが可能となる。

［摩擦攪拌点接合装置の制御構成］
次に、前述した摩擦攪拌点接合装置５０Ａが、前述した摩擦攪拌点接合の一連の工程を実行するために備えている制御構成について、図４を参照して具体的に説明する。

図４に示すように、摩擦攪拌点接合装置５０Ａは、工具駆動制御部２１、圧入基準点設定部２２、記憶部３１、入力部３２、および加圧力検出部３３をさらに備えている。

工具駆動制御部２１は工具駆動部５３を制御する。すなわち、工具駆動部５３を構成するピン駆動部５３１、ショルダ駆動部５３２および回転駆動部５３３を制御することにより、ピン部材１１およびショルダ部材１２の進出移動または後退移動の切り替え、進退移動時のピン部材１１およびショルダ部材１２の先端位置の制御、移動速度および移動方向等を制御する。本実施の形態では、工具駆動制御部２１は、圧入基準点設定部２２で設定された基準点に基づいて、工具駆動部５３を制御することにより、ショルダ部材１２の先端に対するピン部材１１の先端の相対位置を制御可能とする構成となっている。

圧入基準点設定部２２は、ピン部材１１またはショルダ部材１２が被接合物６０に当接した時点の位置を、ピン部材１１またはショルダ部材１２の圧入（押し込み）の基準点に設定するものである。ピン部材１１またはショルダ部材１２は、材料が軟化するまでの間、被接合物６０の表面６０ｃで、わずかではあるが一定時間留まることになる。そこで、ショルダ部材１２を例に挙げると、圧入基準点設定部２２は、工具駆動制御部２１から得られるショルダ部材１２の位置情報（エンコーダで得られる移動速度等）から、当該ショルダ部材１２が被接合物６０に当接して一定時間留まった時点の位置を圧入基準点として設定する。この圧入基準点は、ピン部材１１およびショルダ部材１２が被接合物６０に圧入する際の圧入深さの基準点となる。なお、ピン部材１１による圧入基準点の設定も同様である。

もちろん、圧入基準点設定部２２においては、裏当て部材５６の表面５６ａから、被接合物６０の公称の板厚あるいは予め測定した板厚分だけオフセットされた位置を圧入基準点として設定しても良いが、この場合には板厚の測定作業や入力作業が必要である。裏当て部材５６の表面５６ａから、被接合物６０の公称の板厚あるいは予め測定した板厚分だけオフセットされた位置を圧入基準点とする場合、ピン部材１１またはショルダ部材１２は、相当の加圧力によって材料中に当接するため、摩擦攪拌点接合装置５０Ａが当該加圧力によってたわんだ分を考慮する必要がある。さらには、予備加熱中のピン部材１１およびショルダ部材１２の熱膨張分の長さのずれが誤差として発生し得る。一方、ショルダ部材１２（回転工具５１）が被接合物６０に当接して一定時間留まった時点の位置を圧入基準点として設定する方法であれば、摩擦攪拌点接合装置５０Ａのたわみ、さらには被接合物６０のたわみ、およびピン部材１１およびショルダ部材１２の熱膨張による長さのずれを解消することが可能となる。

工具駆動制御部２１および圧入基準点設定部２２の具体的な構成は特に限定されず、本実施の形態では、工具駆動制御部２１が、マイクロコンピュータのＣＰＵで構成され、工具駆動部５３の動作に関する演算を行うよう構成され、圧入基準点設定部２２が、工具駆動制御部２１の機能構成となっている。すなわち、工具駆動制御部２１としてのＣＰＵが、記憶部３１または他の記憶部に格納されるプログラムに従って動作することにより、圧入基準点設定部２２が実現される構成であればよい。

また、圧入基準点設定部２２は、工具駆動制御部２１で生成される前記モータ回転情報（モータの回転角度または回転速度等）から、圧入基準点を設定できる構成となっていれば、工具駆動制御部２１の機能構成に限定されない。例えば、公知のスイッチング素子、減算器、比較器等による論理回路等として構成されてもよい。

記憶部３１は、各種データを読み出し可能に記憶するものであり、本実施の形態では、図４に示すように、加圧力・モータ電流データベースＤｂ１〜Ｄｂ３を記憶している。加圧力・モータ電流データベースＤｂ１〜Ｄｂ３は、工具駆動制御部２１による工具駆動部５３の制御に用いられる。

記憶部３１としては、公知のメモリ、ハードディスク等の記憶装置等で構成される。記憶部３１は、単一である必要はなく、複数の記憶装置（例えば、ランダムアクセスメモリおよびハードディスクドライブ）として構成されてもよい。工具駆動制御部２１等がマイクロコンピュータで構成されている場合には、記憶部３１の少なくとも一部がマイクロコンピュータの内部メモリとして構成されてもよいし、独立したメモリとして構成されてもよい。なお、記憶部３１には、前記データベース以外のデータが記憶され、工具駆動制御部２１以外からデータの読み出しが可能となっていてもよいし、工具駆動制御部２１等からデータの書き込みが可能になっていてもよいことはいうまでもない。

入力部３２は、工具駆動制御部２１に対して、摩擦攪拌点接合の制御に関する各種パラメータ、あるいはその他のデータ等を入力可能とするものであり、キーボード、タッチパネル、ボタンスイッチ群等の公知の入力装置で構成されている。本実施の形態では、少なくとも、被接合物６０の接合条件、例えば被接合物６０の厚み、材質等のデータが入力部３２により入力可能となっている。

加圧力検出部３３は、回転工具５１（ピン部材１１またはショルダ部材１２あるいはその両方）が被接合物６０に当接または圧入しているときに、当該回転工具５１が被接合物６０に与える加圧力を検出する。本実施の形態では、加圧力検出部３３としてロードセルが用いられているが、これに限定されず、公知の加圧力検出手段を用いることができる。

なお、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置５０Ａでは、加圧力検出部３３は必須構成ではないが、記憶部３１に記憶される加圧力・モータ電流データベースＤｂ１〜Ｄｂ３を取得するために用いたり、圧入基準点設定部２２の冗長化情報として用いたりすることで、回転工具５１の駆動制御の利便性を向上することができる。また、工具駆動制御部２１においては、加圧力・モータ電流データベースＤｂ１〜Ｄｂ３の代わりに、加圧力検出部３３からのフィードバック制御に用いることも可能となる。

［工具駆動制御部による制御］
次に、工具駆動制御部２１による工具駆動部５３の制御、特に、圧入基準点に基づくショルダ部材１２の先端に対するピン部材１１の先端の相対位置の制御、さらにはこれら回転工具５１の圧入深さの制御に関して、図５および図６（ａ），（ｂ）を参照して具体的に説明する。

まず、図５に示すように、工具駆動制御部２１は、工具駆動部５３を制御して、裏当て部材５６で支持された被接合物６０の表面６０ｃに向かって回転工具５１を移動させる（ステップＳ１０１）。この段階は準備段階（図２（ａ）または図３（ａ）参照）に相当するので、クランプ部材５４が表面６０ｃに当接するが、ピン部材１１およびショルダ部材１２は初期設定の位置にあり、表面６０ｃには当接していない。

次に、工具駆動制御部２１は、回転工具５１のうちショルダ部材１２を被接合物６０の表面６０ｃに当接させ、被接合物６０への加圧（押え付け）を開始する（ステップＳ１０２）。このとき、ショルダ部材１２は回転させながら当接するが、回転しない状態で当接させてから回転を開始してもよい。そして、工具駆動制御部２１は、ショルダ部材１２が被接合物６０の表面６０ｃに当接した時点の位置を、圧入基準点に設定する（ステップＳ１０３）。

具体的には、例えば、図６（ａ）に示すように、被接合物６０が裏当て部材５６で支持されており、ピン部材１１およびショルダ部材１２の先端が同じ位置となるように並んでおり、被接合物６０の表面６０ｃとピン部材１１およびショルダ部材１２の先端位置との間に、任意の間隔Ｄｅが生じているとする。ここで、回転工具５１（ピン部材１１およびショルダ部材１２）の先端と裏当て部材５６の支持面５６ａとの間の距離を「工具距離」と定義すれば、図６（ａ）に示す状態では、工具距離Ｄｔ０には前記間隔Ｄｅが含まれている。

そして、例えば、圧入深さｄ０の位置までピン部材１１またはショルダ部材１２を圧入させたいとする。このとき、前記間隔Ｄｅは圧入深さｄ０の制御には寄与しない距離である。そこで、図６（ｂ）に示すように、ショルダ部材１２（およびピン部材１１）を進出移動させて被接合物６０の表面６０ｃに当接させて一定時間留まったとき、圧入基準点設定部２２は、図６（ｂ）では工具距離Ｄｔ１の位置を、圧入基準点に設定する。つまり、圧入基準点設定部２２は、ショルダ部材１２が当接して留まった位置を、圧入深さ＝０のポイント（０点）に補正し、工具駆動制御部２１は、後述するように、この０点を基準としてピン部材１１（またはショルダ部材１２あるいはその両方）の進退移動を制御する。

次に、工具駆動制御部２１は、ピン部材１１を、初期設定の位置から予備加熱段階（図２（ｂ）または図３（ｂ）参照）の指定位置まで移動させるよう指令するとともに、ショルダ部材１２による加圧力を所定値まで上昇させる（ステップＳ１０４）。この状態でピン部材１１およびショルダ部材１２の回転を継続することで被接合物６０の接合部位が予備加熱される。

なお、このときの初期設定の位置、指定位置および加圧力は、予備加熱を行うために設定されるパラメータであって、摩擦攪拌点接合装置５０Ａの具体的な構成、被接合物６０の材質、厚み、または形状等に応じて好適な値が適宜設定される。また、後述する各段階での指定位置も含む各パラメータは、入力部３２により工具駆動制御部２１に入力され記憶部３１に記憶される。工具駆動制御部２１は制御の段階に応じてこれらパラメータを記憶部３１から読み出して制御に利用する。

次に、工具駆動制御部２１による制御は工具制御段階に移行する。本実施の形態では、工具制御段階は、圧入段階、埋戻し段階、および整形段階の３段階で構成されているので（図２（ｃ）〜（ｅ）および図３（ｃ）〜（ｅ）参照）、下記の制御の説明においても、これら３段階を例示して説明する。また、下記の制御の説明では、便宜上、図２（ｃ）〜（ｅ）に示す例、すなわちピン部材１１を先に圧入させる場合を例示して説明する。

まず、工具駆動制御部２１は、ショルダ部材１２を圧入段階（図２（ｃ）参照）の指定位置まで移動させるとともに、ピン部材１１を圧入段階の指定位置まで移動させる（ステップＳ１０５）。ここで、ショルダ部材１２およびピン部材１１の指定位置までの進退移動は、工具駆動部５３が備えるモータに印加される電流値（モータ電流値）によって制御される。ショルダ部材１２を例に挙げれば、ショルダ部材１２をモータ電流値によって制御し、指定位置まで達した時点で進退移動を終了する。圧入段階におけるピン部材１１またはショルダ部材１２の指定位置は、被接合物６０に押し込まれた（圧入された）位置に設定されるが、ショルダ部材１２の指定位置は、被接合物６０に押し込まれず、加圧した状態でその表面６０ｃを押え付ける位置に設定されている。

次に、埋戻し段階を行う場合には、工具駆動制御部２１は、ショルダ部材１２を圧入段階の指定位置から埋戻し段階（図２（ｄ）参照）の指定位置まで移動させるとともに、ピン部材１１を圧入段階の指定位置から埋戻し段階の指定位置まで移動させる（ステップＳ１０６）。なお、前述したように、次の整形段階で被接合物６０の表面６０ｃを十分に整形できるのであれば、この埋戻し段階は無くてもよい。

次に、工具駆動制御部２１は、ショルダ部材１２の整形段階（図２（ｅ）参照）の指定位置まで移動させるとともに、ピン部材１１を整形段階の指定位置まで移動させる（ステップＳ１０７）。整形段階におけるピン部材１１およびショルダ部材１２の指定位置は、被接合物６０の表面６０ｃと略同等（通常であれば圧入基準点）の位置に設定される。

ここで、前記３つの工具制御段階では、ピン部材１１およびショルダ部材１２の位置は、圧入基準点を基準として工具駆動制御部２１により制御されている。それゆえ、圧入基準点設定部２２により圧入の「０点補正」を行った状態で、ピン部材１１およびショルダ部材１２の進退移動が制御されるので、工具駆動制御部２１は、ショルダ部材１２に対するピン部材１１の相対位置を良好に制御することができるとともに、被接合物６０の表面６０ｃと回転工具５１（ピン部材１１およびショルダ部材１２）との間隔Ｄｅ（図６（ｂ）参照）を考慮しないで制御を行うことができるので、より精度良く圧入深さを制御することができる。

その後、工具駆動制御部２１は、ピン部材１１を初期設定の位置に移動させるとともに、ショルダ部材１２による被接合物６０への当接を開放させるよう、工具駆動部５３を制御し（ステップＳ１０８）、摩擦攪拌点接合の一連工程の制御を終了する。

なお、図６（ｂ）に示すように、圧入基準点設定部２２により０点補正された工具距離Ｄｔ１は、被接合物６０の厚みに対応する。それゆえ、本実施の形態に係る摩擦攪拌点接合装置５０Ｂは、ショルダ部材１２を被接合物６０に当接させて０点補正することで、当該被接合物６０の厚みを測定することも可能となる。

ここで、図５の破線Ｃｔで囲んだステップＳ１０５〜Ｓ１０７においては、工具駆動制御部２１は、ピン部材１１およびショルダ部材１２の圧入深さを制御しているだけでなく、図４に示すように、記憶部３１から次に説明する加圧力調整データを読み出して、ピン部材１１およびショルダ部材１２の加圧力を制御することもできる。

加圧力調整データは、工具駆動部５３の制御に用いることが可能であれば、どのようなデータであってもよいが、少なくとも回転工具５１が被接合物６０に圧入している状態での加圧力を調整するデータであることが好ましく、本実施の形態では、前述したモータ電流値である。当該モータ電流値は、加圧力の変化に対応するようにデータベース化（あるいはテーブル化）されており、記憶部３１においては、前述したとおり、加圧力・モータ電流データベースＤｂ１〜Ｄｂ３として記憶されている。工具駆動制御部２１は、この電流値を読み出すことでモータ電流値を調整することにより、ピン部材１１およびショルダ部材１２の加圧力を制御している。

特に本実施の形態では、記憶部３１に記憶されている前記モータ電流値のデータベース（あるいはテーブル）は１つではなく３つである。このうち加圧力・モータ電流データベースＤｂ１は、ピン部材１１の進退移動が停止しているときにショルダ部材１２を進退移動させるためのモータ電流値で構成されており、加圧力・モータ電流データベースＤｂ２は、ピン部材１１が被接合物６０に圧入している（押し込まれている）ときにショルダ部材１２を進退移動させるためのモータ電流値で構成されており、加圧力・モータ電流データベースＤｂ３は、ピン部材１１が被接合物６０から引き抜かれるときにショルダ部材１２を進退移動させるためのモータ電流値で構成されている。

工具駆動制御部２１は、ピン部材１１の動作が圧入している動作であるか、引き抜かれている動作であるか、圧入も引抜きも行われておらず停止している状態であるかを判定し、該当する動作におけるモータ電流値を、３つの加圧力・モータ電流データベースＤｂ１〜Ｄｂ３から読み出して、工具駆動部５３を制御するよう構成されている。これは、被接合物６０を加圧している状態であれば、ピン部材１１の動作に応じて加圧力が変化するためであり、ピン部材１１の動作に応じて加圧力を調整することで、加圧力をより適切に制御することが可能になる。

具体的には、ピン部材１１が停止している状態（停止時）を基準とすれば、ピン部材１１が圧入している状態（圧入動作時）においては、加圧力が相対的に高くなり、ピン部材１１が引き抜かれている状態（引抜動作時）においては、加圧力が相対的に低くなる。それゆえ、ピン部材１１の圧入動作、引抜動作、および停止時のそれぞれの場合で、異なるモータ電流値がデータベース化されて記憶部３１に記憶されている。工具駆動制御部２１は、例えば、ピン部材１１の移動速度および移動方向から、当該ピン部材１１の動作の種類を判定し、判定した動作に対応したモータ電流値を読み出して加圧力を調整する。

なお、加圧力・モータ電流データベースＤｂ１〜Ｄｂ３に記憶されているモータ電流値の具体的な値は特に限定されず、工具駆動部５３が備えるモータの種類、加圧力の変化量、モータの回転駆動力を伝達するギア機構の種類等に応じて、実験的に好適な値を導き出してデータベース化（テーブル化）しておけばよい。また、データベースは２つのみ記憶させてもよいし、必要に応じて４つ以上のデータベースを記憶させてもよい。

さらに、ピン部材１１の動作の種類を判定する指標として、本実施の形態では、ピン部材１１の移動速度および移動方向を用いているが、これに限定されず、圧入動作、引抜動作、および停止動作を適切に判定できる指標であれば、公知のどのようなパラメータでも用いることができる。また、ピン部材１１の移動速度を指標とする場合には、圧入動作と引抜動作との切り換えに際して、不感帯となる速度の範囲を設定しておくこともできる。

例えば、ピン部材１１が０．０５ｍｍ／ｓを超える速度で移動する状態を、移動方向によって圧入動作（＋方向）または引抜動作（−方向）のいずれかであると判定するとすれば、−０．０５〜＋０．０５ｍｍ／ｓの範囲内を不感帯として設定する。これによって、圧入動作または引抜動作であることを判定する境界がピンポイントの閾値ではなくなるため、読み出し対象となるデータベースが速度変化によって頻繁に変更されてしまい、加圧力の調整がふらつくおそれを抑制または回避することが可能となる。

このように、本実施の形態に係る摩擦攪拌点接合装置５０Ａは、ショルダ部材１２に対するピン部材１１の相対位置を良好に制御することができ、特にピン部材１１およびショルダ部材１２の圧入深さ、あるいは、被接合物６０に対するピン部材１１の加圧力を良好に制御することができる。それゆえ、接合条件に応じて好適な精度で良好な接合品質を実現することができる。

なお、本実施の形態では、圧入深さおよび加圧力を制御する構成について詳細に説明しているが、本発明は、圧入基準点に基づいてショルダ部材１２に対するピン部材１１の相対位置を制御する構成であればよく、それゆえ、例えば、ピン部材１１およびショルダ部材１２の進退方向への移動速度を制御するように構成されてもよい。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る摩擦攪拌点接合装置の構成について、図７を参照して具体的に説明する。図７に示すように、本実施の形態に係る摩擦攪拌点接合装置５０Ｂは、その基本的な構成は前記実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置５０Ａと同様であるが、工具位置取得部２３および位置ずれ量算出部２４を備えているとともに、記憶部３１にたわみ量／ひずみ量データベースＤｂ４が記憶されている点で異なっている。

工具位置取得部２３は、ピン駆動部５３１およびショルダ駆動部５３２から工具位置を取得する。工具位置は、ピン部材１１の先端またはショルダ部材１２の先端の位置であり、工具駆動制御部２１は、当該工具位置から工具距離を生成することができる。工具距離は、前記実施の形態１で説明したように（図６（ａ），（ｂ）参照）、ピン部材１１の先端またはショルダ部材１２の先端と支持面５６ａとの間の距離として定義される。

位置ずれ量算出部２４は、加圧力検出部３３で検出される加圧力から、回転工具５１の進退移動に影響する種々の位置ずれの程度（位置ずれ量）を算出する。位置ずれ量としては、例えば、回転工具ずれ量、裏当て支持部５５のたわみ量、工具固定部５２および工具駆動部５３のひずみ量等が挙げられるが、これらに限定されず、工具駆動部５３のバックラッシュ等も挙げられる。本実施の形態では、記憶部３１に記憶されているたわみ量／ひずみ量データベースＤｂ４から加圧力に対応する位置ずれ量を位置ずれ量算出部２４が読み出すことにより算出される。

本実施の形態では、ピン駆動部５３１およびショルダ駆動部５３２のそれぞれが公知のモータで構成されているが、当該モータに設けたエンコーダ等により工具位置取得部２３が工具位置を取得し、さらに加圧力検出部３３から取得された加圧力と、記憶部３１に記録されているたわみ量／ひずみ量データベースＤｂ４から位置ずれ量算出部２４によって工具位置ずれ量を算出することができる。工具駆動制御部２１は、前記工具位置から前記工具距離を生成し、前記工具位置ずれ量により前記工具距離を補正する。

回転工具ずれ量は、裏当て部材５６の支持面５６ａに被接合物６０（重ねあわされた金属板６１，６２）が支持された状態で、接合条件として入力される被接合物６０の厚みと、ピン部材１１またはショルダ部材１２が被接合物６０の表面６０ｃに当接したときの当接面１２ａの位置とのずれとして定義される。なお、被接合物６０の表面にピン部材１１またはショルダ部材１２が当接したときのピン部材１１またはショルダ部材１２の先端位置は、前述したエンコーダ（ショルダ駆動部５３２）から取得できる。回転工具ずれ量の発生は、ピン部材１１およびショルダ部材１２の先端位置の制御に影響を及ぼす。

また、裏当て支持部５５のたわみ量は、回転工具５１が被接合物６０に当接して圧入したときに、被接合物６０の表面６０ｃを押さえつけることによる裏当て支持部５５のたわみの程度である。裏当て支持部５５にたわみが生じると、そのたわみ量に応じて裏当て部材５６の支持面５６ａの相対位置が変位する。それゆえ、当該支持面５６ａ上で支持される被接合物６０の表面６０ｃも変位するので、ピン部材１１およびショルダ部材１２の圧入深さの制御に影響を及ぼす。

また、工具固定部５２および工具駆動部５３のひずみ量は、工具固定部５２および工具駆動部５３を構成する部材、部品または機構等のひずみの程度であり、回転工具５１が被接合物６０に当接して圧入したときに、被接合物６０の表面６０ｃを押さえつける力の反作用によって生ずる。工具固定部５２および工具駆動部５３にひずみが生じると、そのひずみ量に応じて、ピン部材１１およびショルダ部材１２の先端位置が変位するので、ピン部材１１およびショルダ部材１２の圧入深さの制御に影響を及ぼす。

位置ずれ量算出部２４は、入力部３２から入力される接合条件、ピン駆動部５３１、ショルダ駆動部５３２等から入力される回転工具５１の位置情報、記憶部３１に記憶されているたわみ量／ひずみ量データベースＤｂ４等を用いて、前記位置ずれ量を算出する。工具駆動制御部２１は、位置ずれ量算出部２４により算出された位置ずれ量を用いて工具距離を補正した上で工具駆動部５３を制御する。これにより、被接合物６０に対する回転工具５１（ピン部材１１またはショルダ部材１２あるいはその双方）の圧入深さを好適に制御することができる。

工具位置取得部２３および位置ずれ量算出部２４の具体的な構成は特に限定されず、本実施の形態では、前記のように、工具駆動制御部２１がマイクロコンピュータのＣＰＵで構成されていれば、工具位置取得部２３および位置ずれ量算出部２４は、工具駆動制御部２１の機能構成となっていればよい。すなわち、工具駆動制御部２１としてのＣＰＵが、記憶部３１または他の記憶部に格納されるプログラムに従って動作することにより、工具位置取得部２３および位置ずれ量算出部２４が実現される構成であればよい。あるいは、工具位置取得部２３、位置ずれ量算出部２４は、公知のスイッチング素子、減算器、比較器等による論理回路等として構成されてもよい。

なお、本実施の形態では、工具駆動制御部２１による回転工具５１の駆動制御は、圧入基準点設定部２２からの出力および位置ずれ量算出部２４からの出力、並びに、記憶部３１の加圧力・モータ電流データベースＤｂ１〜Ｄｂ３からのデータの読み出しにより行われればよいが、図７に破線の矢印で示すように、加圧力検出部３３からの加圧力を利用するように構成されてもよい。

本実施の形態に係る摩擦攪拌点接合装置５０Ｂは、さらに圧入基準点設定部２２による圧入基準点の設定により、ピン部材１１およびショルダ部材１２の圧入深さを良好に制御することができる。この点は、前記実施の形態１と同様であるが、上記に述べたような回転工具ずれ量、裏当て支持部５５のたわみ量、工具固定部５２および工具駆動部５３のひずみ量、工具駆動部５３のバックラッシュ等、位置ずれ量がある場合でも、工具位置取得部２３で取得した工具距離を位置ずれ量で補正することで、良好な圧入深さの制御を実現することができる。

また、位置ずれ量のうち回転工具ずれ量で工具距離を補正すれば、回転工具５１が被接合物６０を貫通するおそれ（穴あき）を防止または抑制することが可能である。前記実施の形態１で説明したように、摩擦攪拌点接合装置５０Ａおよび５０Ｂでは、回転工具５１の圧入による凹部を埋め戻して整形することができるので、穴あきが生じても埋め戻すことは可能であるが、穴あきはできる限り回避することが望ましい。圧入基準点が回転工具ずれ量によって大きくずれると穴あきが生じるおそれがあるが、本実施の形態のように、工具駆動制御部２１が、位置ずれ量により工具距離を補正する構成となっていれば、穴あきの発生を防止または抑制することができる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る摩擦攪拌点接合装置の構成について、図８を参照して具体的に説明する。図８に示すように、本実施の形態に係る摩擦攪拌点接合装置５０Ｃは、その基本的な構成は前記実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置５０Ａと同様であるが、クランプ位置−回転工具位置検出部３４およびクランプ−工具間距離算出部２５を備えている点で異なっている。

クランプ位置−回転工具位置検出部３４は、クランプ部材５４の先端の位置を検出する。クランプ−工具間距離算出部２５は、クランプ位置−回転工具位置検出部３４で検出されたクランプ部材５４の先端の位置と、ピン部材１１またはショルダ部材１２の先端との距離であるクランプ−工具間距離Ｄｃ（図８のブロック矢印参照）を算出する。クランプ部材５４は、前述したように、ショルダ部材１２の外側に位置し、被接合物６０の表面６０ｃを押圧するものである。したがって、クランプ部材５４が被接合物６０を押圧している限り、その先端位置は、実質的に被接合物６０の表面６０ｃと同じ位置とみなすことができる。

それゆえ、工具駆動制御部２１は、圧入基準点設定部２２による圧入基準点の設定により、ピン部材１１およびショルダ部材１２の圧入深さを良好に制御するとともに、クランプ−工具間距離算出部２５で算出されたクランプ−工具間距離Ｄｃによって、前記実施の形態２で例示したショルダずれ量、たわみ量等の位置ずれ量を補正した上で、ピン部材１１およびショルダ部材１２の圧入深さを調整（設定）することができるので、当該圧入深さを良好に制御することができる。

なお、クランプ位置−回転工具位置検出部３４の具体的構成は特に限定されず、クランプ部材５４の先端の位置を検出可能とする公知の位置センサ等を好適に用いることができる。また、クランプ−工具間距離算出部２５の具体的構成も特に限定されず、前記実施の形態１または２で説明したように、工具駆動制御部２１の機能構成であってもよいし、公知のスイッチング素子、減算器、比較器等による論理回路等として構成されてもよい。

また、本実施の形態３に係る摩擦攪拌点接合装置５０Ｃでは、加圧力検出部３３は必須構成ではないが、記憶部３１に記憶される加圧力・モータ電流データベースＤｂ１〜Ｄｂ３を取得するために用いたり、圧入基準点設定部２２の冗長化情報として用いたりすることで、回転工具５１の駆動制御の利便性を向上することができる。また、工具駆動制御部２１においては、加圧力・モータ電流データベースＤｂ１〜Ｄｂ３の代わりに、加圧力検出部３３からのフィードバック制御に用いることも可能となる。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る摩擦攪拌点接合装置の構成について、図９を参照して具体的に説明する。図９に示すように、本実施の形態に係る摩擦攪拌点接合装置５０Ｄは、その基本的な構成は前記実施の形態３に係る摩擦攪拌点接合装置５０Ｃと同様であるが、裏当て部材５６を備えておらず、また加圧力検出部３３も備えていない点で異なっている。

裏当て部材５６により被接合物６０の裏面６０ｄを支持できない場合、例えば、立体的な構造物の一部を接合するような場合で裏当て部材５６の入り込む場所がない場合には、裏当て部材５６を用いることはできない。また、被接合物６０の剛性が十分に確保できる場合には、あえて裏当てが不要な場合もあり得る。これらの場合であっても、本発明は好適に用いることができる。

図９に示す例では、摩擦攪拌点接合装置５０Ｄは、クランプ部材５４は被接合物６０に当接した状態で、圧入基準点設定部２２により圧入基準点が設定され、工具駆動制御部２１により回転工具５１（ピン部材１１およびショルダ部材１２）の進退移動および圧入深さが制御される。このとき、加圧力検出部３３を備えていなくても、記憶部３１に予め加圧力調整データを記憶させておくことで、加圧力を調整することが可能である。

なお、本発明は上記の実施形態の記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示した範囲内で種々の変更が可能であり、異なる実施形態や複数の変形例にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、特に、複動式の摩擦攪拌点接合において、特に、ピン部材およびショルダ部材の位置制御を良好に行うことができるため、摩擦攪拌点接合を利用したさまざまな分野に広く好適に用いることができる。

１１ ピン部材
１２ ショルダ部材
２１ 工具駆動制御部
２２ 圧入基準点設定部
２３ 工具位置取得部
２４ 位置ずれ量算出部
２５ クランプ−工具間距離算出部
３１ 記憶部
３３ 加圧力検出部
３４ クランプ位置−回転工具位置検出部
５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄ 摩擦攪拌点接合装置
５１ 回転工具
５３ 工具駆動部
５４ クランプ部材
５５ 裏当て支持部
５６ 裏当て部材
６０ 被接合物

Claims (14)

1. 回転工具によって被接合物を部分的に攪拌することにより接合する摩擦攪拌点接合装置であって、
   前記回転工具として、
   軸線周りに回転し、かつ、当該軸線方向に進退移動可能に構成されている円柱状のピン部材と、
   当該ピン部材の外側を囲うように位置し、当該ピン部材と同一の軸線周りに回転するとともに当該軸線方向に進退移動可能に構成されている円筒状のショルダ部材と、
   を備えているとともに、
   前記ピン部材および前記ショルダ部材を、それぞれ前記軸線に沿って進退移動するように動作させる工具駆動部と、
   前記ピン部材または前記ショルダ部材が前記被接合物に圧入する際の圧入深さの基準点である圧入基準点を設定する圧入基準点設定部と、
   前記工具駆動部の動作を制御する工具駆動制御部と、を備え、
   前記圧入基準点設定部は、前記ピン部材または前記ショルダ部材が前記被接合物に当接した位置を、当該ピン部材または当該ショルダ部材の圧入深さの０点に補正することにより、前記圧入基準点を設定し、
   前記工具駆動制御部は、
   前記圧入基準点設定部で設定された前記圧入基準点に基づいて、前記ピン部材および前記ショルダ部材を回転させながら前記ショルダ部材に対する前記ピン部材の相対位置を制御することにより、前記ショルダ部材または前記ピン部材が前記被接合物の表面から圧入したときの圧入深さを制御して、前記ピン部材および前記ショルダ部材のいずれか一方の前記回転工具を他方の前記回転工具から突き出して前記被接合物に圧入させる圧入段階と、
   前記圧入段階の後に、これら回転工具のそれぞれの当接面を互いに段差が生じないように合わせることにより、前記被接合物の表面を平坦な面に整形する整形段階と、
   を実行することを特徴とする、摩擦攪拌点接合装置。
2. 前記工具駆動制御部は、前記圧入段階の後であり、かつ、前記整形段階の前に、前記圧入基準点に基づいて前記圧入深さを制御することにより、突き出た一方の前記回転工具を引き込ませて、前記圧入段階で生じた凹部を埋め戻す埋戻し段階を実行することを特徴とする、請求項１に記載の摩擦攪拌点接合装置。
3. 前記圧入基準点設定部は、前記ピン部材または前記ショルダ部材が前記被接合物に加圧力を与えた状態で当接した時点の位置を、前記圧入基準点に設定することを特徴とする、請求項１に記載の摩擦攪拌点接合装置。
4. 前記ピン部材または前記ショルダ部材の先端位置のずれである位置ずれ量を算出する位置ずれ量算出部を備え、
   前記工具駆動制御部は、当該位置ずれ量により前記圧入深さを補正するよう構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の摩擦攪拌点接合装置。
5. 前記ショルダ部材の外側に位置し、前記被接合物を表面から押圧するクランプ部材と、
   当該クランプ部材の先端の位置を検出するクランプ位置−回転工具位置検出部と、
   当該クランプ位置−回転工具位置検出部で検出された前記クランプ部材の先端と前記ピン部材または前記ショルダ部材の先端との距離を算出するクランプ−工具間距離算出部と、をさらに備え、
   前記工具駆動制御部は、前記クランプ−工具間距離算出部で算出された距離により前記圧入深さを調整するよう構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の摩擦攪拌点接合装置。
6. 記憶部をさらに備え、
   当該記憶部は、前記回転工具が前記被接合物に圧入している状態の加圧力を調整するための加圧力調整データを記憶しており、
   前記工具駆動制御部は、前記記憶部から前記加圧力調整データを読み出すことにより、前記加圧力を制御するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の摩擦攪拌点接合装置。
7. 前記加圧力調整データは、前記工具駆動部が備えるモータに印加される電流値として前記記憶部に記憶されており、
   前記工具駆動制御部は、前記電流値を調整することにより、前記加圧力を制御するように構成されていることを特徴とする、請求項６に記載の摩擦攪拌点接合装置。
8. 前記記憶部は、前記加圧力調整データを、前記ピン部材を前記被接合物に圧入する圧入動作時と、前記ピン部材を前記被接合物から引き抜く引抜動作時と、前記ピン部材の停止時とのそれぞれの場合で、異なるデータとして記憶しており、
   前記工具駆動制御部は、前記ピン部材の動作が前記圧入動作、前記引抜動作、または停止状態のいずれであるかを判定し、該当する動作における加圧力調整データを前記記憶部から読み出して、前記工具駆動部を制御することを特徴とする、請求項６に記載の摩擦攪拌点接合装置。
9. 軸線周りに回転し、かつ、当該軸線方向に進退移動可能に構成されている円柱状のピン部材と、当該ピン部材の外側を囲うように位置し、当該ピン部材と同一の軸線周りに回転するとともに当該軸線方向に進退移動可能に構成されている円筒状のショルダ部材と、をそれぞれ進退移動可能な状態で用いて、その表面が前記ピン部材および前記ショルダ部材に向けた状態にある被接合物を、部分的に攪拌することにより接合する摩擦攪拌点接合方法であって、
   前記ピン部材または前記ショルダ部材が前記被接合物に当接した位置を、当該ピン部材または当該ショルダ部材の圧入深さの０点に補正することにより、前記ピン部材または前記ショルダ部材が前記被接合物に圧入する際の圧入深さの基準点である圧入基準点を設定し、
   この圧入基準点に基づいて、前記ピン部材および前記ショルダ部材を回転させながら前記ショルダ部材に対する前記ピン部材の相対位置を制御することにより、前記ショルダ部材または前記ピン部材が前記被接合物の表面から圧入したときの圧入深さを制御して、前記ピン部材および前記ショルダ部材のいずれか一方の前記回転工具を他方の前記回転工具から突き出して前記被接合物に圧入させる圧入段階と、
   前記圧入段階の後に、前記圧入基準点に基づいて前記圧入深さを制御することにより、これら回転工具のそれぞれの当接面を合わせて、前記被接合物の表面を整形する整形段階と、
   を実行することを特徴とする、摩擦攪拌点接合方法。
10. さらに、前記圧入段階の後であり、かつ、前記整形段階の前に、前記圧入基準点に基づいて前記圧入深さを制御することにより、他方の前記回転工具を一方の前記回転工具から引き込ませて、前記圧入段階で生じた凹部を埋め戻す埋戻し段階を実行することを特徴とする、請求項９に記載の摩擦攪拌点接合方法。
11. 前記圧入基準点は、前記ピン部材または前記ショルダ部材が前記被接合物に加圧力を与えた状態で当接した時点の位置として設定されることを特徴とする、請求項９に記載の摩擦攪拌点接合方法。
12. 前記ピン部材または前記ショルダ部材の先端位置のずれである位置ずれ量を算出し、当該位置ずれ量により前記圧入深さを補正することを特徴とする、請求項９に記載の摩擦攪拌点接合方法。
13. 前記被接合物の表面は、前記ショルダ部材の外側に位置するクランプ部材により押圧されており、
    当該クランプ部材の先端と前記ピン部材または前記ショルダ部材の先端との距離を算出し、当該距離により前記圧入深さを調整することを特徴とする、請求項９に記載の摩擦攪拌点接合方法。
14. 前記ピン部材が前記被接合物に圧入するときの加圧力を調整するための加圧力調整データが記憶部に記憶されており、
    前記記憶部から前記加圧力調整データを読み出して、前記加圧力を制御することを特徴とする、請求項９に記載の摩擦攪拌点接合方法。

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