JP2002301580A - 摩擦攪拌接合方法及びその接合装置並びに接合構造物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】三次元形状を有する任意曲面に対して、回転ツ
ールと被加工物との幾何学的関係をほぼ一定に維持可能
な摩擦攪拌接合方法及びその接合装置並びに接合構造物
を提供する。 【解決手段】回転ツール１１の回転に対して独立に互い
に交わる方向又は直交する方向に回転可能な２つの回転
軸を有し、これらの２つの回転軸の回転角度を設定しな
がら接合すること、又、前記被接合材の接合面に対する
法線方向と接合線の接線方向を検出し、該検出された法
線方向と接線方向に基づいて、回転ツール１１をその先
端の法線方向に対する角度と接線方向とを設定しながら
３次元方向に接合する摩擦攪拌接合方法及びその接合装
置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、新規な摩擦攪拌接
合方法及びその接合装置並びに接合構造物、特に複数の
素材の接合として複雑な３次元形状を有する場合の接合
を好適に行う方法と装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】実質的に被接合材の材質よりも実質的に
硬い材質の金属棒（以下、回転ツールと呼ぶ）を被接合
材の接合部に挿入し、この回転ツールを回転させながら
移動することによって、上記回転ツールと上記被接合材
との間で発生する摩擦熱により接合する摩擦攪拌接合方
法が、特許２７１２８３８号公報（ＷＯ９３／１０９３
５）に記載されている。この摩擦攪拌接合方法は、回転
ツールと被接合材との摩擦熱により被接合材を軟化さ
せ、回転ツールの回転に伴う塑性流動現象を利用したも
のであり、被接合材を溶かして溶接する方法（例えば、
アーク溶接など）とは異なる原理に基づいている。

【０００３】この摩擦攪拌接合方法を実施する装置とし
て、例えば、特開平１０−２４９５５２号公報、特開平
１０−１８０４６７号公報等が公知である。特開平１０
−２４９５５２号公報には図３及び図４に示すような平
板状部材の接合を対象としたもの、更に、特開平１０−
１８０４６７号公報の図５に示す円筒状部材の接合を対
象としたものである。

【０００４】上記従来技術は、被接合材が図３、図４の
平板状であるか、図５の曲率を持った円筒状であるかの
違いはあるが、接合中の被接合材と回転ツールが一定の
幾何学的関係を維持した状態で回転ツールと被接合材が
相対移動する点で一致している。従って、回転ツールと
被接合材の幾何学的関係は予めセットすれば、接合中に
特別な対処を施す必要がない。

【０００５】一方、回転ツールと被接合材の相対移動に
伴い、接合中に両者の幾何学的関係が変化する場合があ
る。図６はその一例で、接合線が直線と円弧の組み合わ
せにより形成される概長方形の場合である。この場合、
回転ツールと被接合材の幾何学的関係を維持するための
対策が必要となる。

【０００６】これに対し、回転ツールを傾斜状態で取り
付けた回転ツール支持部材を被接合材表面に垂直な軸心
回りに回転可能とした構造が、特開２０００−１３５５
７５号公報に示されている。この構造によると、図６で
代表されるような形態の接合に対しては、回転ツールと
被接合材の幾何学的関係を維持することは可能となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】摩擦攪拌接合方法では
接合部の健全性を確保する上で、回転ツールと被接合材
の幾何学的関係が重要である。すなわち、図７に示すよ
うに、被接合材表面に対し回転ツール下端が接合方向に
先行するように角度θ傾ける（以下、向え角と呼ぶ）こ
とにより、接合部の健全性をより確保しやすくなる。

【０００８】特開２０００−１３５５７５号公報に記載
の問題は、被接合材が平板状、すなわち接合面が平面で
ある場合に限り接合可能であり、三次元形状をした任意
曲面を接合できない点にある。

【０００９】図８は特開２０００−１３５５７５号公報
に提案されている技術の概念図を示した図である。回転
ツール１１は回転ツール支持部材２２を介してモーター
２１により回転する。回転ツール支持部材２２は回転筒
体２３により支持されている。

【００１０】図９は図８の構成の装置を使用した場合の
接合時の動作を三角法により示した図である。長方形を
した接合線をＡ部からＢ部の方向に反時計回りに接合し
ていく例である。Ａ部からＢ部へ接合が進行していく
と、接合の進行方向は９０度変化する。

【００１１】この際、回転ツールの回転軸が固定された
状態で接合方向のみを変化させると、被接合材と回転ツ
ール向え角θの関係は変化し、適正な位置関係でなくな
る。ここで、回転筒体２３を９０度旋回させると回転ツ
ール支持部材２２の回転軸が被接合材に垂直な軸回りに
９０度旋回する。回転ツール支持部材２２の回転軸と回
転筒体２３の回転軸は回転ツール向え角θ分の角度を有
しているため、被接合材と回転ツール向え角θの関係は
維持されることになる。

【００１２】このように、上記の装置構成は被接合材に
垂直な軸に対し一定の角度で傾いた回転ツール回転軸を
被接合材に垂直な軸回りに旋回することで、接合方向の
変化に伴う、被接合材と回転ツール向え角θの関係を維
持可能にしたものである。

【００１３】ここで、重要なことは被接合材に垂直な軸
の角度が常に一定であり、かつ、回転筒体２３の回転軸
が被接合材に垂直な軸と一致していることである。すな
わち、上記の装置構成では回転筒体２３の回転軸の傾き
は変更することができないため、被接合材に垂直な軸の
角度は常に一定である必要がある。被接合材に垂直な軸
とは、接合面に対する法線であり、この法線が一定であ
るのは接合面が平面である場合に限られる。接合面が三
次元形状をした任意曲面である場合、法線の方向は一定
にならない。このため、上記従来技術の構造では三次元
形状をした任意曲面を接合するのは不可能となる。

【００１４】本発明の目的は、三次元形状を有する任意
曲面に対して、回転ツールと被加工物との幾何学的関係
を維持可能な摩擦攪拌接合方法及びその接合装置並びに
接合構造物を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、回転ツールを
回転させながら被接合材に押し込み、接合線に沿って移
動させて接合する摩擦撹絆接合方法において、前記回転
ツールと同一の回転軸を有し、かつ、前記回転ツールの
回転と独立して回転可能な部材と、前記回転ツールの回
転軸に交わる又は直交する軸周りに前記回転ツールの回
転軸を偏向可能な部材とにより、被接合材に押し込むツ
ールの姿勢を設定しながら接合することを特徴とする。

【００１６】本発明は、回転ツールを回転させながら被
接合材に押し込み、接合線に沿って移動させて接合する
摩擦攪拌接合方法において、前記回転ツールの回転に対
して独立に、前記回転ツールと同じ回転軸を有し、その
回転方向及びその逆方向に回転可能な回転軸と、該回転
軸に対して交わる方向又は直交する方向に回転可能な回
転軸との２つの回転軸を有し、前記回転ツールに対しこ
れらの２つの回転軸の回転角度を設定しながら接合する
こと、又、前記被接合材の接合面に対する法線方向と接
合線の接線方向を検出し、該検出された前記法線方向と
接線方向に基づいて、前記回転ツールをその先端の前記
法線方向に対する角度又は前記被接合材へ押し込む角度
と前記接線方向に対する移動方向とを設定しながら３次
元方向に移動させて前記接合することを特徴とする。

【００１７】そして、本発明は、上述のように回転ツー
ルの先端を三次元のあらゆる角度と位置に設定出来るこ
とにより、被接合材の形状から接合部の法線方向と接合
線の接線方向を算出し、算出された法線方向と接線方向
から回転ツール先端の回転軸の法線方向と接合方向とを
正しく設定することが出来る方法にある。

【００１８】前述したように、摩擦攪拌接合方法では接
合部の健全性を確保する上で、回転ツールと被接合材の
幾何学的関係が重要である。被接合材が平面で接合線が
直線の場合のように単純な接合形態では、被接合材表面
に対し回転ツール下端が接合方向に先行するように角度
θ（図６参照）傾けることで接合部の健全性を容易に確
保できる。ここで、角度θは被接合材に垂直な方向を基
準としている。その角度は１０度以内が好ましい。

【００１９】しかし、三次元形状をした任意曲面の場
合、接合面に垂直な方向（以下、法線方向）および接合
方向は場所によって異なる。本発明者らが任意曲面に対
し、適確に適正な幾何学的関係を得るための手法を検討
した結果、法線方向と接合線の接線方向（以下、接線方
向）を基に決定することが最も有効であるとの結論に至
った。

【００２０】ここで、法線方向と接線方向の両方を基準
にすることが重要である。法線方向に対して一定の角度
を持つ方向は法線の周りに無数に存在し、従って、接合
線の接線方向が不明だと特定の方位を決定することはで
きない。向え角０度という特殊な場合は、回転ツール回
転軸を法線に一致させれば良いが、この場合には接合部
の健全性が低下する恐れがある。

【００２１】また、本発明は、被接合材の形状から接合
線の座標値を予め決定し、該予め決定した接合線座標に
基づいて接合するとともに、接合中の接合線の位置変動
を逐次計測して、この計測値に基づいて回転ツールと被
接合材の位置関係を逐次修正することにある。

【００２２】センサーにより接合線を検出しながら接合
することも原理的には可能である。しかし、センサーか
らの信号を基に接合面に対する法線方向と接合線に対す
る接線方向を逐次演算して接合する方法では、演算の負
荷が大きくなる。また、回転ツールの押し付けにより、
被接合材が変形するため、被接合材の初期形状とは異な
る輪郭を検出する可能性がある。このため、基準とすべ
き座標が曖昧になり、過度に回転ツールを押し込んだ
り、逆に回転ツールの押し込みが過小になったりする危
険性がある。

【００２３】本発明者らの検討によると、接合中の被接
合材の初期形状からの変位は小さく、接合中に逐次修正
することで十分対応可能であることを確認している。

【００２４】以上のような理由により、接合の方法とし
て、予め接合線の座標値（初期値）を決定し、この初期
値に対し修正を加えることが最も簡便で有効であること
を見出した。

【００２５】更に、本発明は、回転ツールの進行方向に
先行する位置で前記接合中の接合線の位置変動を計測す
ることにより解決される。接合線の位置変動の検出は回
転ツール近傍であれば、回転ツール通過直後、すなわ
ち、回転ツール進行方向の回転ツール後方でも原理的に
は可能である。しかし、回転ツール後方の場合、接合部
の表面粗度が大きくなっているため、特に、光学式のセ
ンサーを使用した場合などには、センサーの検出値が不
安定になる場合がある。従って、回転ツールの進行方向
に先行する位置で接合線の位置変動を計測することが有
効である。

【００２６】本発明は、被接合材の開先部または被接合
材端部の角部をセンサー出力から判定し、開先部または
角部を基準に接合線幅方向の回転ツール位置の修正量を
決定することにより解決される。

【００２７】接合中の被接合材の変形は回転ツールの押
込みに依るものが支配的であり、従って、回転ツール位
置の修正も押込み方向が主体となる。しかし、接合され
る素材の寸法精度に起因して、接合線の位置は接合線の
幅方向にも材料毎に変化する。幅方向に対する接合線と
回転ツール軸芯のずれが大きくなると、接合部の健全性
が低下する原因となる。これは、突き合わせ接合の場合
で開先部のギャップが大きい場合には顕著となる。従っ
て、接合線と回転ツール軸芯を幅方向に可能な限り近づ
けることが、接合部の健全性を確保する上で重要とな
る。

【００２８】接合素材は通常角部が面取り等が施されて
いるため、材料同士を隙間なく突き合わせた場合でも、
突き合わせ部に小さな溝が存在する。レーザー変位計の
ような、微小領域を測定可能なセンサーを使用した場
合、上述したような小さな溝でも識別が可能となり、幅
方向の芯ずれの判定基準ができることになる。

【００２９】一方、重ね合わせ接合（図３）の場合に
は、接合面は平坦であるため、接合線を直接識別するこ
とは困難となる。しかし、接合線から離れたところに被
接合材端部の角部が存在するため、これを基準にするこ
とで接合線の位置を特定することができる。

【００３０】本発明は、回転ツールと、該回転ツールを
伝達部材を介して回転させる回転ツール駆動手段と、前
記回転ツールを前記伝達部材の回転軸の角度を変えずに
回転軸屈曲部材を介して屈曲させる屈曲駆動手段とを備
えたこと、又、更に、前記回転軸屈曲部材を前記回転ツ
ールの回転とは独立して回転可能な旋回部材を介して旋
回させる旋回駆動手段とを備えたことを特徴とする。

【００３１】即ち、本発明は、回転する回転ツールを被
接合材に回転させつつ押し込み、回転ツールを回転しつ
つ接合線に沿って移動させることにより、被接合材を接
合する装置において、回転ツールを回転させる駆動体か
ら回転ツール先端までの回転部の経路で回転軸のその先
端部を任意量屈曲させる回転軸屈曲部材と、回転ツール
を回転させる駆動体から屈曲部材までの屈曲させていな
い領域の回転軸回りに回転可能で任意回転角に静止可能
な旋回部材とを備えることにより解決される。

【００３２】上記構成において、回転軸屈曲部材は接合
面に対する法線または法線に向え角を付けた方向に回転
ツール回転軸を傾ける役割を果たす。旋回部材は接合方
向に対する接線方向への方向転換をする役割を果たす。
この２つの部材の作用により、任意曲面に対して回転ツ
ール回転軸方向と被接合材が常に適正な状態に維持でき
る。

【００３３】本発明は、回転軸屈曲部材に対し屈曲量を
変化させる屈曲駆動部材と旋回部材に対し旋回量を変化
させる旋回駆動部材とを備えることにより解決される。
上記回転や旋回は手動でも可能であるが、手動の場合、
安定性が悪い上、安全性にも問題がある。従って、駆動
部材を備えることが実用的である。駆動部材は電子制御
との組み合わせで自動化できるので、接合部の品質確保
や省人化に有効となる。

【００３４】駆動部材としては、回転力を発生させるも
のであれば何でも良いが、モータを使用するのが最も妥
当である。モータの種類としては、高精度に回転量を制
御できるサーボモータが好適である。また、屈曲や旋回
時の回転速度は１秒当たり数回転程度で十分であるの
で、減速比の大きな減速機と組み合わせることにより、
小型のモータを使用することもできる。

【００３５】本発明は、回転ツールと、該回転ツールを
伝達部材を介して駆動する回転ツール駆動手段と、前記
伝達部材を回転可能に一端で支持する第１のアームと、
該第１のアームの他端を回転可能に一端で支持する第２
のアームと、該第２のアームの他端を回転可能に支持す
る支持台と、前記伝達部材と第１のアームとの接続、前
記第１のアームと第２のアームとの接続および第２のア
ームと支持台との接続がいずれも平行リンク手段によっ
て結合され、前記伝達部材回転、前記第１のアームの回
転及び前記第２のアームの回転はいずれもボールネジを
介してサーボモータの駆動によって行われ、前述の屈曲
駆動部材と旋回部材及びそれらの駆動手段を有すること
を特徴とする。

【００３６】即ち、本発明は、該回転ツールの位置を変
更する手段が平行リンク構造からなるアーム状部材であ
って、該アーム状部材の動作がサーボモータにより回転
駆動されるボールネジにより実行されることで解決され
る。

【００３７】摩擦攪拌接合では、数１００〜数１０００
ｋｇの力で回転ツールを被接合材に押込むと同時に、１
／１０ｍｍのオーダーで押込み量を制御する必要がある
（高荷重、高精度動作）。現在普及している溶接ロボッ
ト等はアーム先端での可搬荷重が１００ｋｇ以下のもの
が一般的であり、摩擦攪拌接合へは流用できない。溶接
ロボット等はアームのリンクピンに駆動モータを直接取
り付けて、モータ自身のトルクでアームを動作せる構造
が一般的である。この構造によると、アームの可搬荷重
を大きくするには大型のモータを使用する必要があり、
設備が大型化する。

【００３８】一方、大きな可搬荷重を実現する構造とし
て、建設機械等に使用されている平行リンク構造があ
る。建設機械ではアームを油圧シリンダのより動作させ
ているが、油圧シリンダーの場合には動作の精度が不充
分となる。

【００３９】本発明によれば、平行リンク構造とするこ
とで高荷重を実現し、ボールネジをサーボモータにより
回転させることで高精度の動作が可能となるので、高荷
重、高精度動作を同時に満足することができる。

【００４０】本発明は、回転ツールと、該回転ツールを
伝達部材を介して回転させる回転ツール駆動手段と、前
記回転ツールを前記伝達部材の回転軸の角度を変えずに
回転軸屈曲部材を介して屈曲させる屈曲駆動手段と、前
記回転ツールの回転軸と同じ回転軸を有し、前記回転軸
屈曲部材及び屈曲駆動手段を前記回転ツールの回転とは
独立して回転可能な旋回部材を介して旋回させる旋回駆
動手段と、前記旋回部材を前記支点で保持する第１のア
ームと、該第１のアームの前記支点側を上下に駆動させ
る駆動手段と、前記第１のアームを支持する第２のアー
ムと、該第２のアームの前記第１のアーム側を上下に駆
動させる駆動手段と、前記第２のアームを固定する支持
台と、該支持台を装置架台上で旋回可能に支持された旋
回テーブルとを備えたことを特徴とする。

【００４１】即ち、本発明は、アーム状部材に対し、回
転軸屈曲部材、旋回部材を備えることで解決される。ア
ーム構造は直線移動軸で構成される装置よりもコンパク
ト化が図れる。従って、アーム構造に回転軸屈曲部材、
旋回部材を備えることで、任意曲面を接合できる、より
コンパクトな摩擦攪拌接合装置となる。

【００４２】本発明は、回転ツールと、前記回転ツール
を伝達部材を介して回転させる回転ツール駆動手段と、
前記回転ツールを前記伝達部材の回転軸の角度を変えず
に回転軸屈曲部材を介して屈曲させる屈曲駆動手段と、
前記回転ツールの回転軸と同じ回転軸を有し、前記回転
軸屈曲部材及び屈曲駆動手段を前記回転ツールの回転と
は独立して回転可能な旋回部材を介して旋回させる旋回
駆動手段と、前記旋回部材に設けられた支点を中心に旋
回させる駆動手段と、前記旋回部材を保持する第１の保
持手段と、該第１の保持手段を上下に移動可能に保持す
る第２の保持手段と、該第２の保持手段を保持するコラ
ムと、該コラムを水平に移動可能に保持する架台と、該
架台に設置され前記コラムの移動方向に対して９０度異
なった方向に水平に移動可能な被接合材設置台とを備え
たことを特徴とする。

【００４３】即ち、本発明は、テーブル上に３つの互い
に直交する軸を移動軸とする３つの移動手段を備え、前
記旋回部材と前記回転軸屈曲部材が該３つのうちの１つ
の移動手段に付帯して移動可能な構成とすることを特徴
とすることで解決される。３つの移動手段が回転ツール
先端を被接合材の任意位置に移動させ、旋回部材と回転
軸屈曲部材が回転ツール回転軸の適正化を担うことにな
る。従って、上記構成とすることで、任意曲面の接合が
可能になる。

【００４４】本発明は、被接合材と回転ツール間の距離
を測定するセンサーとして、測定範囲が接合部幅方向に
広がりを有する型式のものを備えることで解決される。
前述したように、接合部の健全性を確保する上で、接合
線と回転ツール軸芯を幅方向に可能な限り近づけること
が重要となる。接合線の位置を特定する際、センサーが
必要になる。センサーには、触針式センサー、渦流セン
サー、レーザー変位計等、種々のものがある。突き合わ
せ部の凹みのような微小領域の形状を検出するには、渦
流センサーは不向きであり、触針式やレーザー変位計等
が適している。しかし、突き合わせ部の凹み等を検出す
るには不充分であり、接合線幅方向に走査させる必要が
ある。センサー自体を機械的に往復動させる方法もある
が、接合の進行に対して、実質上瞬間的に幅方向に測定
可能にするのは困難である。従って、測定範囲が接合部
幅方向に広がりを有する型式のセンサーを使用するのが
最も実用的である。

【００４５】本発明は、回転ツールの移動量を被接合材
の形状に応じて算出する演算装置と、前記回転ツールの
移動量を制御する制御装置を備えることで解決される。
接合中に被接合材と回転ツールの位置関係を逐次修正す
るには、その修正量を算出する必要があり、現在、一般
的に使用されている、いわゆるマイクロコンピュータに
代表されるような演算装置を備えるのが有効かつ経済的
である。また、算出された修正量を同じくマイクロコン
ピュータを搭載した制御装置により電子的に制御するの
が有効かつ経済的である。

【００４６】

【発明の実施の形態】（実施例１）図１は本発明に係る
摩擦攪拌接合装置の一例を示す全体構成図である。１
ａ、１ｂ、１ｃはボールネジ、２ａ、２ｂ、２ｃはサー
ボモータ、３ａ、３ｂ、３ｃは軸受け、４ａ、４ｂ、４
ｃはリンクピン、５ａ、５ｂはそれぞれ第２のアーム、
第１のアーム、６は主軸回転モータ、７は旋回部材、８
は屈曲駆動部材、９は回転軸屈曲部材、１０はチャッキ
ング部材、１１、１１ａ、１１ｂは回転ツール、１２は
支持台、１３は旋回テーブル、１４は装置架台である。

【００４７】第２のアーム５ａ、第１のアーム５ｂはそ
れぞれリンクピン４ａ、４ｂを支点として自在に回転可
能である。第１のアーム５ｂの先端には主軸回転モータ
６、回転ツール１１等が取りつけられており、第２のア
ーム５ａ、第１のアーム５ｂの運動により、任意の位置
に移動できる。また、旋回テーブル１３の旋回により、
支持台１２より上部の部分全体が旋回する。

【００４８】サーボモータ２ａ、２ｂの駆動によりボー
ルネジ１ａ、１ｂが回転し、その回転により、軸受け３
ａ、３ｂとサーボモータ２ａ、２ｂ間の距離が変化し、
第２のアーム５ａが左右に移動すると共に、第１のアー
ム５ｂにリンクピン４ｃに接続された回転ツール１１が
上下方向に運動する構造になっている。

【００４９】サーボモータ２ｃの駆動によりボールネジ
１ｃが回転し、その回転により、軸受け３ｃとサーボモ
ータ２ｃ間の距離が変化し、回転ツール１１がリンクピ
ン４ｃを支点として左右に回転し、主軸回転モータ６、
旋回部材７、回転軸屈曲部材９、屈曲駆動手段８が一体
で回転運動する構造になっている。旋回部材７は、回転
ツール１１の回転軸に対して同じ軸上で独立に左右どち
らの方向にも回転できると共に、リンクピン４ｃを支点
として別途部材に収納されて固定されている。

【００５０】図２は、回転ツール１１を屈曲させて旋回
させる回転ツール装置の斜視図である。回転ツール１１
を屈曲させて回転させるには、回転軸屈曲部材９によっ
て行われる。回転軸屈曲部材９は、旋回部材７に回転ツ
ール１０の回転と共に、屈曲駆動手段８による回転によ
って前述の旋回による回転に対して９０度異なる方向、
即ち直交する方向に回転するものである。

【００５１】回転軸屈曲部材９は、回転ツール１１に対
する主軸回転モータ６からの回転を伝える伝達部材４１
の回転ツール側先端に設けられた傘歯車と、屈曲駆動手
段８からの回転を伝える傘歯車と、この傘歯車からの駆
動力を回転ツール１１に伝える回転ツール１１の回転軸
屈曲部材９側に設けられた傘歯車とによって回転ツール
１１の被接合部材に対する挿入角度があらゆる方向に変
えられるものである。回転軸屈曲部材９の回転角度は１
９０度まで可能に構成されている。これらの傘歯車の組
み合わせは回転ツール１１の主軸回転モータからの回転
とその屈曲の回転との両方を担うものである。

【００５２】旋回部材７は、旋回駆動手段４０からの駆
動力を伝えるウォームギヤとウォームギヤからの駆動力
を旋回させるウォームホイールギヤによって構成され、
この旋回は回転ツール１１を屈曲させながら回転させる
ので、回転ツール１１の挿入角度の変化は主軸回転モー
タ６側に接続された傘歯車と回転ツール１１側に接続さ
れた傘歯車と屈曲駆動手段８側に接続された傘歯車との
３つの傘歯車の接続によって構成された回転軸屈曲部材
９と旋回部材７とは一体に結合されており、これらの２
つの互いに直交した回転の組み合わせによって３次元の
あらゆる曲面に対して最適な角度と方向で接合出来るも
のである。全旋回角度は３７０度である。

【００５３】本実施例では、回転ツール１１を回転させ
ながら被接合材に押し込み、接合線に沿って移動させて
接合する摩擦攪拌接合装置において、回転ツール１１を
回転させる駆動手段となる主軸回転モータ６と、該主軸
回転モータ６からの動力を旋回部材７を介して回転ツー
ル１１に伝達し主軸回転モータ６と回転ツール１１とを
旋回部材７に設けられた支点を中心に旋回させる旋回駆
動手段と、回転ツール１１を回転軸屈曲部材９を介して
旋回駆動手段による回転に対し９０度異なる方向に回転
させる屈曲駆動手段８と、旋回部材７を支点で保持する
第１のアーム５ｂと、第１のアームの支点側を上下に駆
動させる駆動手段と、第１のアーム５ｂを支持する第２
のアーム５aと、第２のアーム５aの第１のアーム５ｂ側
を左右に回転させる駆動手段と、第２のアーム５ａを固
定する支持台１２と、支持台１２を旋回可能に支持する
旋回テーブル１３とを備えている。

【００５４】以上の実施例で明らかなように、回転ツー
ル１１は被接合材の接合面に対する法線方向と接合線の
接線方向とに基づいて互いに９０度異なる直交した方向
に回転可能に形成された２つの回転軸を有し、その各々
の回転軸の回転角度を設定しながら接合することができ
三次元の曲面の接合を容易に実施できるものである。

【００５５】（実施例２）図１０は本発明による構成の
摩擦攪拌接合装置の一例を示す全体構成図である。２８
はコラム、２７は装置架台、２６は被接合材設置台であ
る。

【００５６】図中に両端矢印で示されている方向（Ｘ、
Ｙ、Ｚ）が移動軸方向であり、それぞれ互いに直交して
いる。Ｚ軸方向に移動する部材に、主軸回転モータ６、
旋回部材７、屈曲駆動部材８、回転軸屈曲部材９、チャ
ッキング部材１０、回転ツール１１が取り付けられてお
り、これらの要素全てがＺ軸の動作に伴い移動する。図
示されていないが、旋回部材７はサーボモータを駆動力
としてＺ軸に平行な軸周りに旋回する。全旋回角度は前
述と同様に３７０度である。

【００５７】回転ツール１１の回転軸は旋回部材７の回
転に対して９０度異なった角度で回転するように屈曲駆
動部材８により、屈曲駆動部材８の部分から軸の方向が
変化する。図示されていないが、屈曲駆動部材８の屈曲
は高減速比の減速器（ハーモニックドライブ）を介して
サーボモータにより駆動される。ハーモニックドライブ
を使用することで、小型のモータで駆動可能になり、屈
曲駆動部材８から回転ツール１１までの先端部分が小型
化されている。屈曲駆動部材８による屈曲角は、主軸回
転モータ６の回転軸を基準に±１００度可能である。

【００５８】屈曲駆動部材８により回転ツール１１の回
転軸を屈曲させた状態で、旋回部材７を旋回させること
で、任意曲面上の各部に対し、法線方向または法線に対
し向え角を持たせて回転ツール１１を被接合材に挿入す
ることが可能である。

【００５９】本実施例においても、前述と同様の構成を
有し、屈曲駆動部材８により回転ツール１１の回転軸を
屈曲させた状態で、旋回部材７を旋回させることが出
来、屈曲角度と旋回角度の組み合わせにより、半球の全
表面に対し回転ツール１１を法線方向に設定可能に出来
るものである。

【００６０】尚、回転ツール１１は、被接合材の材質よ
り、実質的に硬い材質で形成される。回転ツール１１の
材質としては、代表的には金属を用いることができ、本
発明では工具鋼を熱処理した材料を使用した。硬度に加
えて、靱性、耐熱性などの要求を満たせば、セラミック
ス、表面焼き入れ部材などを用いてもよい。また、回転
ツール１１は、接合線と被接合材の法線とを含む面内に
おいて、法線に対して接合方向後方に予め定められた角
度（向え角）だけ回転軸を傾けてもよい。この向え角
は、例えば、３〜１０度であり、本実施例では３度を採
用した。

【００６１】本実施例においては、回転ツール１１を回
転させながら被接合材に押し込み、接合線に沿って移動
させて接合する摩擦攪拌接合装置において、回転ツール
１１を回転させる駆動手段としての主軸回転モータ６か
ら回転ツール先端までを旋回させる旋回駆動手段３８
と、回転ツール１１を回転軸屈曲部材９を介して旋回駆
動手段３８による回転に対し９０度異なる方向に回転さ
せる屈曲駆動手段８と、回転軸屈曲部材９を支点で保持
する第１の保持手段３８と、第１の保持手段３８を上下
に移動可能に保持する第２の保持手段３９と、第２の保
持手段３９を保持するコラム２８と、コラム２８を水平
に移動可能に保持する装置架台２７と、装置架台２７に
設置されコラム２８の移動方向に対して９０度異なった
方向に水平に移動可能な被接合材設置台２６とを備えた
ものである。

【００６２】以上の実施例の装置を用いることにより、
回転ツール１１は被接合材の接合面に対する法線方向と
接合線の接線方向とに基づいて互いに９０度異なる方向
に回転可能に形成された２つの回転軸を有し、その各々
の回転軸の回転角度を設定しながら接合することがで
き、三次元の接合を容易に実施できるものである。

【００６３】（実施例３）図１２は本発明による摩擦攪
拌接合装置のシステム構成を示した概念図である。２９
はセンサー、３０は摩擦攪拌接合装置、３１は被接合
材、３２は演算装置、３３は制御装置である。

【００６４】接合開始前に被接合材の形状から算出した
座標値、接合部の法線方向、接合線の接線方向を初期値
として制御装置３３に入力する。摩擦攪拌接合装置３０
は初期値に基づいて接合を開始する。これと同時に、セ
ンサー２９が回転ツール１１と被接合材３１の位置関係
を測定し、その結果を演算装置３２に入力する。演算装
置３２は測定結果と初期値を照合し、両者の偏差に基づ
いて修正値を制御装置３３に入力する。以上の流れによ
り、初期値が各接合部で修正されつつ、接合が進行す
る。

【００６５】図１２では、演算装置３２と制御装置３３
は別の要素として図示しているが、本実施例ではこれら
を１台のパーソナル・コンピュータに収めている。

【００６６】本実施例では、回転ツール１１の移動軌跡
を予め設定された接合線に基づいて移動させると共に、
接合中の接合線の位置と回転ツール１１の先端の位置と
の関係をセンサ２９で検出し、更に修正しながら接合す
ることが出来る。又、接合線の位置を回転ツール１１の
進行方向に対して先行する位置でセンサ２９によって検
出し、検出された位置に基づいて接合中の回転ツール１
１の先端の位置を修正しながら接合することが出来る。

【００６７】（実施例４）図１３〜図１５は実施例１〜
３の装置を用いて本発明に基づく方法で接合部の測定を
行うときの概念図である。１６は接合線、３４は広角域
測定型レーザー変位計、３５、３５ａ、３５ｂは被接合
材角部、３６は測定領域である。図１３は平板の突き合
わせ接合、図１４は平板の重ね合わせ接合、図１５は突
起付きの材料を接合する場合を現している。

【００６８】図１３では接合線１６が測定領域３６の範
囲に納まるように広角域測定型レーザー変位計３４のレ
ーザーを照射し、その測定値から接合線１６を識別す
る。被接合材１５ａ、１５ｂの角部には製造過程で不可
避的に生じる丸みがあるが、この丸みにより、材料を突
き合わせた際、付き合わせ部が溝状にくぼむことにな
る。図１３の例では、この溝状の部分を識別すること
で、接合線１６を識別している。

【００６９】図１４では、接合線１６は被接合材の平滑
な面上にあるため、接合線１６の位置を直接識別するの
は困難となる。しかし、レーザー変位計３４の測定領域
３６の範囲に被接合材１7ａの角部３５が入るようにす
ることで、角部３５の位置を識別し、これを基に接合線
を算出することができる。

【００７０】図１５のような突起付きの被接合材の場合
には、上記２つの方法の両方が実行可能であり、被接合
材３７ａ、３７ｂの加工仕上がりの状況に応じて選択す
れば良い。

【００７１】本実施例においては、被接合材３１の開先
部又は前記被接合材の端部角部の位置を検出し、開先部
又は角部を基準に接合線の幅方向に対する回転ツール１
１の位置を修正することが出来る。

【００７２】

【発明の効果】本発明によれば、互いに９０度異なる直
交した方向に回転可能に２つの回転軸を形成した回転ツ
ールを用いることにより、被接合材の形状から接合部の
法線方向と接合線の接線方向を容易に設定出来、３次元
でのあらゆる曲面の接合が出来るものであり、又これら
の２つの方向をセンサによって検出し、その法線方向と
接線方向から回転ツール先端の回転軸方向が決定出来る
ので、三次元形状をした任意曲面に対し、回転ツールと
被接合材の幾何学的関係が常に適正な状態で接合するこ
とができる。

【００７３】また、回転ツールを回転させる駆動体から
回転ツール先端までの回転部の経路で回転軸を任意量屈
曲させる回転軸屈曲部材と回転ツールを回転させる駆動
体から屈曲部材までの屈曲させていない領域の回転軸回
りに回転可能で任意回転角に静止可能な旋回部材を備え
るので、三次元形状をした任意曲面に対し、回転ツール
と被接合材の幾何学的関係を適正な状態に配置できる。

【００７４】更に、回転ツールの位置を変更する手段が
平行リンク構造からなるアーム状部材であって、アーム
状部材の運動がサーボモータにより回転駆動されるボー
ルネジにより実行されるため、コンパクトな設備で大き
な回転ツール押込み荷重と高精度な回転ツール位置制御
が可能になる。

【００７５】本発明によれば、三次元形状をした任意曲
面に対し、コンパクトな設備で大きな回転ツール押込み
荷重と高精度な回転ツール位置制御が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る摩擦攪拌接合装置の全体構成
図。

【図２】 本発明の回転ツール装置の全体構成を示す概
念図。

【図３】 平板の付き合わせ接合を示す構成図。

【図４】 平板の重ね合わせ接合を示す構成図。

【図５】 円筒状部材の接合を示す構成図。

【図６】 接合線が長方形である平板の接合を示す構成
図。

【図７】 被接合材と回転ツールとの位置関係を示す構
成図。

【図８】 従来装置における回転ツールの構成図。

【図９】 接合線が長方形の平板接合における被接合材
と回転ツールの位置関係を示す構成図。

【図１０】 本発明に係る摩擦攪拌接合装置の全体構成
図。

【図１１】 比較例の摩擦攪拌接合装置の全体図。

【図１２】 演算装置及び制御装置を含む摩擦攪拌接合
装置のシステム構成図。

【図１３】 突き合わせ接合での被接合材とセンサー検
出範囲の関係を示す構成図。

【図１４】 重ね合わせ接合での被接合材とセンサー検
出範囲の関係を示す構成図。

【図１５】 突起付き被接合材とセンサー検出範囲の関
係を示す構成図。

【符号の説明】

１ａ、１ｂ、１ｃ…ボールネジ、２ａ、２ｂ、２ｃ…サ
ーボモータ、３ａ、３ｂ、３ｃ…軸受け、４ａ、４ｂ、
４ｃ…リンクピン、５ａ…第２のアーム、５ｂ…第１の
アーム、６…主軸回転モータ、７…旋回部材、８…屈曲
駆動手段、９…回転軸屈曲部材、１０…チャッキング部
材、１１、１１ａ、１１ｂ…回転ツール、１２…支持
台、１３…旋回テーブル、１４…装置架台、１５ａ、１
５ｂ１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂ、１９ａ、１９
ｂ、２０、２４、３１、３７ａ、３７ｂ…被接合材、１
６…接合線、２１…回転ツール駆動モータ、２２…回転
ツール支持部材、２３…回転筒体、２５…接合完了部、
２６…被接合材料設置台、２７…装置架台、２８…コラ
ム、２９…センサー、３０…摩擦攪拌接合装置、３２…
演算装置、３３…制御装置、３４…広角域測定型レーザ
ー変位計、３５、３５ａ、３５ｂ…被接合材角部、３６
…測定領域、３８…第１の保持手段、３９…第２の保持
手段、４０…回転軸旋回手段、４１…伝達部材。

フロントページの続き (72)発明者 青野 泰久 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 岡本 和孝 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 青田 欣也 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 小田倉 冨夫 茨城県日立市会瀬町二丁目９番１号 日立 設備エンジニアリング株式会社内 (72)発明者 八周 信一 茨城県日立市会瀬町二丁目９番１号 日立 設備エンジニアリング株式会社内 Ｆターム(参考） 4E067 BG00 CA01 CA04 CA05 DC07

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転ツールを回転させながら被接合材に押
   し込み、接合線に沿って移動させて接合する摩擦撹絆接
   合方法において、前記回転ツールと同一の回転軸を有
   し、かつ、前記回転ツールの回転と独立して回転可能な
   部材と、前記回転ツールの回転軸に交わる又は直交する
   軸周りに前記回転ツールの回転軸を偏向可能な部材とに
   より、被接合材に押し込むツールの姿勢を設定しながら
   接合することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
2. 【請求項２】回転ツールを回転させながら被接合材に押
   し込み、接合線に沿って移動させて接合する摩擦攪拌接
   合方法において、前記回転ツールは、該回転ツールの回
   転に対して独立に、互いに交わる方向又は直交する方向
   に回転可能な２つの回転軸を有し、前記回転ツールに対
   しこの２つの前記回転軸の回転角度を設定しながら接合
   することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
3. 【請求項３】回転ツールを回転させながら被接合材に押
   し込み、接合線に沿って移動させて接合する摩擦攪拌接
   合方法において、前記被接合材の接合面に対する法線方
   向と接合線の接線方向を検出し、該検出された前記法線
   方向と接線方向に基づいて、前記回転ツールをその先端
   の前記法線方向に対する角度又は前記被接合材へ押し込
   む角度と前記接線方向に対する移動方向とを設定しなが
   ら３次元方向に移動させて前記接合することを特徴とす
   る摩擦攪拌接合方法。
4. 【請求項４】請求項1〜３のいずれかにおいて、接合線
   の位置と回転ツール先端の位置関係を予め設定し、該予
   め設定された位置関係と接合中の位置関係とを逐次修正
   しながら接合することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
5. 【請求項５】請求項１〜４のいずれかにおいて、前記接
   合線の位置を前記回転ツールの進行方向に対して先行す
   る位置で検出し、該検出された位置に基づいて接合中の
   前記回転ツール先端の位置を修正しながら接合すること
   を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
6. 【請求項６】請求項１〜５のいずれかにおいて、前記被
   接合材の開先部又は前記被接合材の端部角部の位置を検
   出し、前記開先部又は角部を基準に前記接合線の幅方向
   に対する前記回転ツールの位置を修正することを特徴と
   する摩擦攪拌接合方法。
7. 【請求項７】請求項１〜６のいずれかの方法により接合
   されたことを特徴とする摩擦攪拌接合構造物。
8. 【請求項８】回転ツールと、該回転ツールを伝達部材を
   介して回転させる回転ツール駆動手段と、前記駆動手段
   から前記回転ツール先端までの経路で前記回転ツールの
   回転軸を任意量屈曲させる回転軸屈曲部材とを備えたこ
   とを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
9. 【請求項９】請求項８において、前記回転軸屈曲部材は
   前記回転ツールの回転軸と同じ回転軸周りに独立して回
   転可能な旋回部材を備えたことを特徴とする摩擦攪拌接
   合装置。
10. 【請求項１０】回転ツールと、該回転ツールを伝達部材
    を介して回転させる回転ツール駆動手段と、前記回転ツ
    ールを含むヘッド部を保持する第1のアームと、該第1の
    アームを運動させる駆動手段と、前記第1のアームを支
    持する第2のアームと、該第2のアームを運動させる駆動
    手段と、前記第2のアームを固定する支持台と、該支持
    台を装置架台上で旋回可能に支持された旋回テーブルと
    を備えたことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
11. 【請求項１１】請求項８又は請求項９において、前記回
    転軸屈曲部材と前記旋回部材を含むヘッド部を保持する
    第1の保持手段と、該第1の保持手段を上下に移動可能に
    保持する第2の保持手段と、該第2の保持手段を保持する
    コラムと、該コラムを水平に移動可能に保持する架台
    と、該架台に設置され前記コラムの移動方向に対して90
    度異なった方向に水平に移動可能な被接合材設置台とを
    備えたことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
12. 【請求項１２】請求項10において、前記ヘッド部と前記
    第1のアームとの接続、前記第1のアームと前記第2のア
    ームとの接続及び前記第2のアームと前記支持台との接
    続が行う平行リンク手段と、前記ヘッド部、前記第1の
    アーム及び前記第2のアームをいずれもボールネジを介
    して駆動するサーボモータとを備えたことを特徴とする
    摩擦攪拌接合装置。
13. 【請求項１３】請求項１２において、前記ヘッド部は前
    記回転ツールを回転させる駆動体から該回転ツール先端
    までの経路で回転軸を任意量屈曲させる回転軸屈曲部材
    と前記回転軸屈曲部材を前記回転ツールの回転軸と同じ
    回転軸周りに回転可能な旋回部材とを備えたことを特徴
    とする摩擦攪拌接合装置。
14. 【請求項１４】請求項８〜１３のいずれかにおいて、前
    記被接合材と前記回転ツールとの間の距離を測定するセ
    ンサーを備え、その測定範囲が接合部幅の全体を検出で
    きる構造を有することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
15. 【請求項１５】請求項８〜１４のいずれかにおいて、前
    記回転ツールの移動距離を算出する演算装置と、前記回
    転ツールの移動距離を制御する制御装置とを備えたこと
    を特徴とする摩擦攪拌接合装置。
16. 【請求項１６】請求項８〜１５のいずれかに記載の装置
    により接合されたことを特徴とする接合構造物。