JP6419466B2 - トルク工具 - Google Patents

Description

本発明は、ボルト等の締結部材を設定トルク値に締付できるトルクレンチ等のトルク工具により、締結部材が設定トルク値で締め付けられると、締め付け完了信号を出力する技術に関する。

トルクレンチ等のトルク工具において、締結部材が設定トルク値で締め付けられると、機械的構成のトルクリミッターが動作する。また、締結部材の締付データをトルク管理装置等に送信するトリガーとして作用する、トルクリミッタースイッチがトルク工具に設けられている。

前記トルクリミッターは、設定トルク値に達すると機械的な動作が行われて締結部材に対する締付力の伝達を断つ。前記トルクリミッタースイッチは、前記トルクリミッターの機械的動作を検出し、締め付け完了信号を出力する。

トルクリミッタースイッチとして、従来は、マイクロスイッチ、リードスイッチ、ホール素子等が用いられている（特許文献１）。

トルクリミッタースイッチ付のトルクレンチは、ハンドル部と、ハンドル部に支軸を介して取り付けられるヘッド部と、ハンドル部に内蔵されるトルクリミッターと、ハンドル部の外周部に取り付けられるデータ送信機能を有するデータ取得部と、トルクリミッタースイッチを有する。トルクリミッタースイッチは、ハンドル部を貫通するスイッチ作動部材に位置合わせしてハンドル部の外周面あるいはデータ取得部の回路基板に取り付けられる。締付トルクが設定トルク値に達すると、スイッチ作動部材とトルクリミッタースイッチが相対的に移動し、トルクリミッタースイッチが作動する。

特開平８−１４１９２７号公報

従来のトルク工具において、トルクリミッタースイッチを配置するスペースを確保する必要がある。データ取得部にトルクリミッタースイッチを配置する場合には、データ取得部の機器ケースのサイズが大きくなる。さらに、個々のトルク工具毎にトルクリミッタースイッチの取り付け位置の調整を行わなければならないという手間を要する。また、トルク工具の耐久性はトルクリミッタースイッチに依存する。

本発明の目的は、トルクリミッターの機械的動作を機械的に検出するトルクリミッタースイッチを要することなくトルクリミッター作動信号を出力できるトルク工具を提供しようとするものである。

本発明の目的を実現するトルク工具の第１の構成は、締結部材に対する締付トルク値が設定トルク値に達すると、トルクリミッターの機械的作動により、前記締結部材への締付力の伝達を断つトルク工具であって、前記締結部材に対する締付力を検出する締付力検出センサーと、前記締付力検出センサーの検出信号を締付トルク値に変換するトルク値変換部と、前記トルク値変換部で変換されたトルク値のトルク変動状態が前記トルクリミッターの作動に伴うトルク値のトルク変動と一致するか否かを判定し、一致するとトルクリミッター作動確認信号を出力するトルクリミッター作動判定部と、前記トルクリミッター作動確認信号を取得すると、前記トルクリミッター作動確認信号を取得したときの前記トルク値変換部で変換した締付トルク値を有線又は無線で送信する送信部と、を有する。

本発明の目的を実現するトルク工具の第２の構成は、締結部材に対する締付トルク値が設定トルク値に達すると、トルクリミッターの機械的作動により、前記締結部材への締付力の伝達を断つトルク工具であって、前記締結部材に対する締付力を検出する締付力検出センサーと、前記締付力検出センサーの検出信号を締付トルク値に変換するトルク値変換部と、トルク工具が受ける衝撃を検出する衝撃検出センサーと、前記衝撃検出センサーで検出した衝撃が前記トルクリミッターの作動に伴って発生する衝撃と同レベルの場合に衝撃有信号を出力する衝撃検出部と、前記衝撃有信号の取得時における前記トルク値変換部で変換されたトルク値が前記設定トルク値に対して所定の範囲内に存在するか否かを判定し、存在するとトルクリミッター作動確認信号を出力するトルクリミッター作動判定部と、前記トルクリミッター作動確認信号を取得すると、前記トルクリミッター作動確認信号を取得したときの前記トルク値変換部で変換した締付トルク値を有線又は無線で送信する送信部と、を有する。

本発明の目的を実現するトルク工具の第３の構成は、締結部材に対する締付トルク値が設定トルク値に達すると、トルクリミッターの機械的作動により、前記締結部材への締付力の伝達を断つトルク工具であって、前記締結部材に対する締付力を検出する締付力検出センサーと、前記締付力検出センサーの検出信号を締付トルク値に変換するトルク値変換部と、前記締結部材の締め付け動作に伴うトルク工具の回転を検出する回転検出センサーと、前記回転検出センサーで検出した回転の停止と再回転の状態が前記トルクリミッターの作動に伴って発生する回転状態と同じ挙動の場合に回転信号を出力する回転検出部と、前記回転信号の取得時における前記トルク値変換部で変換されたトルク値が前記設定トルク値に対して所定の範囲内に存在するか否かを判定し、存在するとトルクリミッター作動確認信号を出力するトルクリミッター作動判定部と、前記トルクリミッター作動確認信号を取得すると、前記トルクリミッター作動確認信号を取得したときの前記トルク値変換部で変換した締付トルク値を有線又は無線で送信する送信部と、を有する。

本発明の目的を実現するトルク工具の第４の構成は、上記第２の構成において、前記衝撃検出センサーは、加速度センサーである。

本発明の目的を実現するトルク工具の第５の構成は、上記第３の構成において、前記回転検出センサーは、ジャイロセンサーである。

本発明の目的を実現するトルク工具の第６の構成は、上記いずれかの構成において、前記トルクリミッターは、トグル式のトルクリミッターである。

本発明の目的を実現するトルク工具の第７の構成は、上記いずれかの構成において、前記トルク工具は、トルクレンチである。

請求項１に係る発明によれば、ストレインゲージ等の締付力検出センサーの出力がトルクリミッターの作動に伴って特長的に変動することを利用し、トルクリミッターの作動信号を出力する。このため、従来のように機械的なスイッチをトルクレンチに設けることが不要となり、データ取得部の外装ケースの小型化が図れ、またスイッチの取り付け調整等の作業が不要となる。

請求項２に係る発明によれば、加速度センサー等の衝撃検出センサーの出力レベルがトルクリミッターの作動に伴って生じる衝撃レベルと同じレベルであると、トルクリミッターの作動信号を出力する。このため、従来のように機械的なスイッチをトルクレンチに設けることが不要となり、データ取得部の外装ケースの小型化が図れ、またスイッチの取り付け調整等の作業が不要となる。

請求項３に係る発明によれば、ジャイロセンサー等の回転検出センサーの出力がトルクリミッターの作動に伴って特長的に変動することを利用し、トルクリミッターの作動信号を出力する。このため、従来のように機械的なスイッチをトルクレンチに設けることが不要となり、データ取得部の外装ケースの小型化が図れ、またスイッチの取り付け調整等の作業が不要となる。

本発明の第１実施形態を示すトルクレンチの概略正面図。 図１の発信部の動作ブロック図。 第２実施形態を示す発信部の動作ブロック図。 第３実施形態を示す発信部の動作ブロック図。 測定トルク値の波形図。

以下、本発明を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。

第１実施形態
図１は第１実施形態を示すトルクレンチの概略正面図、図２は図１の発信部の動作ブロック図である。

図１において、トルクレンチ１は、筒状のハンドル部２と、ヘッド部３と、ハンドル部２内に設けられたトルクリミッター４と、ヘッド部３の角軸３２に装着され、ボルト等の締結部材６に嵌合されるソケット５と、ヘッド部３に貼り付けられる締付力検出センサーとしてのストレインゲージ７と、データ送信機能を有するデータ取得部８とを有する。

ヘッド部３は、ヘッド本体部３１から後方に延びる扁平状のロッド部３３がハンドル部２内に挿入され、支軸２１を介して回転可能にハンドル部２に取り付けられる。

トルクリミッター４はトグル機構を構成し、バネシート４１と、トルク値設定バネ４２と、軸方向移動不能で軸周りに回転可能なネジ軸で構成された調整ネジ軸４３と、調整ネジ軸４３に螺合するナット部材４４と、ロッド部３３の後端部とバネシート４１の先端部との間に不図示の連結ピンを介して連結された板状のトグル４５とを有する。バネシート４１とナット部材４４との間にトルク値設定バネ４２が配置される。トグル４５は、トルクリミッターの非動作状態において、ハンドル部２の長手方向に沿った軸線に対し傾斜している。

ソケット５に締結部材６を嵌合した状態で、ハンドル部２を握って所定方向に力を加えて回すと、締結部材６が締め付けられ、設定トルク値に達すると、トグル４５が前記軸線に対して平行方向に傾動し、バネシート４１がトルク値設定バネ４２のバネ力に抗して後方に移動する。その結果、ハンドル部２からヘッド部３への締付力の伝達が断たれる。

一方、締結部材６の締付けが開始されると、ストレインゲージ７の検出信号がデータ取得部８に出力される。ハンドル部２には、ストレインゲージ７のリード線が挿通される小孔（不図示）が形成される。

データ取得部８は、外装ケース８３内に回路基板８１、電源電池（不図示）が配置される。外装ケース８３には、トルク値などをデジタル表示する表示部（不図示）や操作キー（不図示）等が配置される。

本実施形態において、回路基板８１には、発信部８６、ＣＰＵ８０等を設ける。図２に示すように、ＣＰＵ８０には、ストレインゲージ７の検出信号を取得するトルク値変換部８５とトルクリミッター作動判定部８４を有する。

本実施形態において、トルク値変換部８５で変換して得られたトルク値は発信部８６とトルクリミッター作動判定部８４に出力される。トルクリミッター作動判定部８４は、取得したトルク値よりトルクリミッター４が作動したか否かを判定し、作動したと判定した場合には、トルクリミッター４の作動を確認する締め付け完了信号を発信部８６に出力する。発信部８６は、リアルタイムにトルク値変換部８５から現在の締付けトルク値を取得しており、トルクリミッター作動判定部８４から締付完了信号を取得すると、その時の締付けトルク値を発信する。

図５は締付力検出センサーであるストレインゲージ７の出力波形を示し、横軸を時間（秒）、縦軸をトルク（Ｎ・ｍ）とする。また、設定トルク値は６Ｎ・ｍとする。

図５において、トルクレンチ１により、締結部材６を締め付けるに従ってトルク値は上昇し、ａ点に達するとトルク値は急激に低下し、ｂ点に達すると再び上昇し、ｃ点で略一定のトルク値をキープして再び低下する。すなわち、ａ点でトルクリミッター４が作動したので、ストレインゲージ７の出力は急激に低下する。しかし、トルクリミッター４により、ハンドル部２からヘッド部３への締付力の伝達は完全に断たれるのではなく、クリック感を持って一瞬締付反力が減少するため、締め付け作業を行う作業者はハンドル部２を引く力を緩める（ｂ点）。作業者が一瞬手力を緩めた後、トルクリミッター４の作動に伴うヘッド部３のロッド部３３とハンドル部２との相対移動が終了し、ヘッド部３とハンドル部２とが一体となって移動するため、略一定のトルク値で推移することになる（ｃ点）。なお、トルクリミッター４の作動後、ハンドル部２に必要以上の力を加えるとオーバトルクする場合がある。この場合、締付力検出センサーであるストレインゲージ７の出力波形はｂ点から上昇するが、ｃ点のように一定値をキープしない。そして、作業者は締付力を解除するため、ストレインゲージ７の出力が低下する。

なお、図５において、ｄ点でストレインゲージ７の出力低下は一旦停止し、ｅ点まで跳ね上がり、再び低下する現象が生じている。これは、例えば作業者が締付力を緩めると、トルクリミッター４のトルク値設定バネ４２のバネ力により、ヘッド部３のロッド部３３とハンドル部２とが逆方向に相対移動して元の位置に戻り、その際に生じる衝撃をストレインゲージ７がノイズとして拾うことで生じる。

トルクリミッター作動判定部８４は、ストレインゲージ７の出力を連続して監視する。時刻ｔ１におけるトルク値Ｔ１と、次の監視時刻ｔ２におけるトルク値Ｔ２を比較し、トルク値Ｔ２がトルク値Ｔ１よりも大きい（Ｔ１＜Ｔ２）と締付中と判断し、次の監視時刻ｔ３におけるトルク値Ｔ３と、トルク値Ｔ２を比較する。ここで、トルク値Ｔ３がトルク値Ｔ２よりも小さいと（Ｔ３＜Ｔ２）、トルクリミッター４の作動が開始された可能性があると判断し、トルク値Ｔ２をピークトルク値と仮想し、次の監視時刻ｔ４におけるトルク値Ｔ４と仮想ピークトルク値Ｔ２とを比較する。トルク値Ｔ４がトルク値Ｔ３よりも小さい場合、例えば所定の監視時間ｔｐ（監視時刻ｔ４−監視時間ｔ２）における低下したトルク値（トルク値Ｔ２−トルク値Ｔ４）Ｔｐが判定値Ｔｊを超えると、トルクリミッター４が作動したと判定する。

トルクリミッター作動判定部８４は、トルクリミッター４が作動したと判定すると、締め付け完了信号を発信部８６に出力する。発信部８６は、その時（ａ点、時刻ｔ２）のトルク値Ｔ２を送信する。

また、時刻ｔ２から時刻ｔ４へ経過する間、すなわち所定の監視時間ｔｐ内における低下したトルク値Ｔｐが判定値Ｔｊに達していない場合、締結部材６の締付けを中止し、あるいは瞬間的に締付力を弱めたと判断でき、このような場合、トルクリミッター作動判定部８４は、締め付け完了信号の出力は行わない。

本実施形態によれば、締付力検出センサーであるストレインゲージ７の出力により、トルクリミッター４が作動したことを検出することが可能となり、トルクリミッター４の動作を検出する機械的スイッチ手段が不要なる。このため、データ取得部８の外装ケース８３のサイズを小さくでき、従来行われていたトルクリミッタースイッチの取り付け位置の調整が不要となる。また、トルクリミッタースイッチに依存していたトルク工具の耐久性が向上する。

ところで、ヘッド部３は、ヘッド本体部３１に、一方向クラッチであるラチェット機構を介して角軸３２が取り付けられる。このため、ハンドル部２を締め付け方向と反対方向に回動する際に、前記ラチェット機構の作動に伴う衝撃力（ラチェット爪がラチェット歯に当たる衝撃力）がヘッド部３のロッド部３３に伝達され、ストレインゲージ７が検出信号を出力する。すなわち、ストレインゲージ７は、締付トルク値以外のノイズを拾って出力することがある。したがって、ロッド部３３にノイズキャンセル用のストレインゲージ（不図示）を貼り付け、ノイズキャンセル用のストレインゲージで検出した信号を、締付力検出センサーとしてのストレインゲージ７が拾うノイズをキャンセルするように加える。なお、ノイズキャンセル用のストレインゲージは、締結部材６の締め付けによって歪が生じない部分に貼り付ける。

第２実施形態
図３は第２実施形態を示す発信部の動作ブロック図である。図３において、図２と同じ要素には同じ符号を付してその説明を省略する。また、トルクレンチ１は図１に示す構成と同様の構成を有する。

本実施形態において、図２に示す構成と異なるのは、衝撃検出センサーである加速度センサー８２と、加速度センサー８２の検出信号を取得する衝撃検出部８７をさらに有する点にある。加速度センサー８２は回路基板８１に配置される。また、不図示の操作キーの操作により設定トルク値をＣＰＵ８０のメモリ（不図示）に入力する。

本実施形態では、衝撃検出センサーとして加速度センサー８２は、トルクリミッター４の作動を検知する。加速度センサー８２の検出信号を衝撃検出部８７に出力する。

トルクリミッター４は、前述のように、作動を開始すると、ハンドル部２の内周壁面にヘッド部３のロッド部３３が衝突する。その際、カッチンというクリック音の発生を伴って衝撃力が発生する。加速度センサー８２で検出したこの衝撃力を検出した衝撃信号を衝撃検出部８７に出力する。衝撃検出部８７は、アナログ信号の衝撃信号をデジタル信号に変換する。

トルクレンチ１が落下し、あるいは作業台に載置すると、トルクレンチ１の加速度センサー８２は、その時の衝撃を検出し、トルクリミッター作動判定部８４はトルクリミッター４が作動したものと判断し、誤って締め付け完了信号を出力する。

そこで、トルクリミッター作動判定部８４では、設定トルク値と検出トルク値とを比較し、衝撃有信号を取得すると、その取得時刻におけるトルク値が設定トルク値であるか、あるいは設定トルク値に対して許容できる許容範囲内にあるか否かの存否を判断し、否と判断されると、締め付け完了信号は出力せず、存在すると判断されると、締め付け完了信号を出力する。

本実施形態では、締め付け完了信号を出力後、次の締結部材の締付けが開始されるまでの間に、衝撃有信号が出力されても、トルクリミッター作動判定部８４は、締め付け完了信号の出力は行わない。

したがって、トルクリミッター４が作動したことを確実に判定することが可能となる。

一方、衝撃検出部８７において、取得する衝撃信号のレベルに基づいて、トルクリミッター４の作動による衝撃有信号を出力することができる。

衝撃検出部８７は、デジタル変換された衝撃信号を閾値と比較し、衝撃信号が閾値を超えていると、衝撃有信号をトルクリミッター作動判定部８４に出力する。衝撃検出部８７に設定する閾値は、前記操作キーにより変更可能とする。閾値の設定はトルクリミッター４の作動に伴うロッド部３とハンドル部２との衝撃によって生じる衝撃信号のレベルに対応して設定する。なお、トルクレンチ１が落下した時の衝撃を検出して出力される衝撃信号の信号レベルが前記閾値よりも大きいと、誤って締付完了信号が出力される。

トルクレンチ１の落下や作業台に載置する場合には締結部材６の締付けがなされず、ストレインゲージ７からは殆ど信号が出力されていない。そこで、トルクリミッター作動判定部８４は、衝撃有信号を取得すると、上述のように、その取得時刻におけるトルク値が設定トルク値であるか、あるいは設定トルク値に対して許容できる許容範囲内にあるか否かの存否を判断し、否と判断されると、締め付け完了信号は出力せず、存在すると判断されると、締め付け完了信号を出力する。

なお、加速度センサー８２は、ＩＣチップに構成され、例えば４ｍｍ×４ｍｍ×１．４５ｍｍのサイズを例示でき、データ取得部８の大型化を招くことはない。

本実施形態では、トルクリミッター４の作動時に生じる衝撃を加速度センサー８２で検出するため、機械的スイッチ手段を設けることなくトルクリミッター４の作動を検出することができる。そして、トルクレンチ１が落下し、あるいは作業台等に載置した場合等にトルクレンチ１に加わる衝撃を加速度センサー８２が検出しても、トルクリミッター４が作動したと誤検出することを防止できる。

第３実施形態
図４は第３実施形態を示す発信部の動作ブロック図である。図４において、図３と同じ要素には同じ符号を付してその説明を省略する。また、トルクレンチ１は図１に示す構成と同様の構成を有する。

本実施形態において、図３に示す構成と異なるのは、加速度センサー８２と衝撃検出部８７に代えて、回転検出センサーであるジャイロセンサー８８と回転検出部８９を設けた点にある。ジャイロセンサー８８は回路基板８１に取り付けられる。なお、ジャイロセンサー８８は、ＩＣチップに構成され、例えば５ｍｍ×３．２ｍｍ×１．３ｍｍのサイズを例示でき、データ取得部８の大型化を招くことはない。勿論、加速度センサー８２と衝撃検出部８７との併用としても良い。

トルクレンチ１により締結部材６を締め付ける場合、作業者がハンドル部２を握って例えば時計回り方向に力を加えると、締付初期においてハンドル部２は角軸３２を中心に回転する。締付終期になると、ハンドル部２の回転が鈍くなり作業者は締付力を増す。そして、設定トルク値に達するとトルクリミッター４が作動する。その際、作業者は締付力を一瞬緩めるため、ハンドル部２の回転が停止する。そして、トルクリミッター４の作動により、ハンドル部２はトグル４５の連結ピンを支点としてヘッド部３に対して回転するため、ハンドル部２がヘッド部３に対して瞬間的に回転し、ハンドル部２の内周壁面にヘッド部３のロッド部３３が衝突することでハンドル部２の回転が停止する。

すなわち、トルクリミッター４の作動に対応して、ハンドル部２は特長的な回転を行う。ジャイロセンサー８８はハンドル部２の特徴的な回転を検出することで、トルクリミッター４の作動を検出する。回転検出部８９は、ジャイロセンサー８８がハンドル部２の回転が停止した後回転を再開する状態を検出すると、トルクリミッター４が作動したものと推定してハンドル回転信号をトルクリミッター作動判定部８４に出力する。

トルクリミッター作動判定部８４は、回転検出部８９から取得するハンドル回転信号が出力されるタイミング（時刻）について、ストレインゲージ７の出力状態と比較する。トルクリミッター作動判定部８４は、ハンドル回転信号が停止信号から再回転を示す回転再開信号との出力タイミングと、トルク値変換部８５から取得するトルク値が設定トルク値（あるいは設定トルク値に対して許容できる許容範囲内）から急激に低下するトルク値を出力するタイミング（図５のａ点―ｂ点）と一致するか否かを判定する。一致すれば、締め付け完了信号を発信部８６に出力する。一致しなければ、さらに締付作業を続行あるいは警告を発する。

上記した各実施形態は、トルク工具としてトルクレンチを例にして説明したが、トルクドライバーに適用しても良い。また、発信部８６は無線送信であっても、有線による送信であっても良い。

１ トルクレンチ
２ ハンドル部
２１ 支軸
３ ヘッド部
３１ ヘッド本体部 ３３ ロッド部
４ トルクリミッター
４１ バネシート ４２ トルク値設定バネ
４３ 調整ネジ軸 ４４ ナット部材 ４５ トグル
５ ソケット
６ 締結部材
７ ストレインゲージ
８ データ取得部
８０ ＣＰＵ ８１ 回路基板 ８２ 加速度センサー
８３ 外装ケース ８４ トルクリミッター作動判定部
８５ トルク値変換部 ８６ 発信部 ８７ 衝撃検出部
８８ ジャイロセンサー ８９ 回転検出部

Claims (6)

1. 締結部材に対する締付トルク値が設定トルク値に達すると、トルクリミッターの機械的作動により、前記締結部材への締付力の伝達を断つトルク工具であって、
   前記締結部材に対する締付力を検出する締付力検出センサーと、
   前記締付力検出センサーの検出信号を締付トルク値に変換するトルク値変換部と、
   トルク工具が受ける衝撃を検出する衝撃検出センサーと、
   前記衝撃検出センサーで検出した衝撃が前記トルクリミッターの作動に伴って発生する衝撃と同レベルの場合に衝撃有信号を出力する衝撃検出部と、
   前記衝撃有信号の取得時における前記トルク値変換部で変換されたトルク値が前記設定トルク値に対して所定の範囲内に存在するか否かを判定し、存在するとトルクリミッター作動確認信号を出力するトルクリミッター作動判定部と、
   前記トルクリミッター作動確認信号を取得すると、前記トルクリミッター作動確認信号を取得したときの前記トルク値変換部で変換した締付トルク値を有線又は無線で送信する送信部と、
   を有するトルク工具。
2. 締結部材に対する締付トルク値が設定トルク値に達すると、トルクリミッターの機械的作動により、前記締結部材への締付力の伝達を断つトルク工具であって、
   前記締結部材に対する締付力を検出する締付力検出センサーと、
   前記締付力検出センサーの検出信号を締付トルク値に変換するトルク値変換部と、
   前記締結部材の締め付け動作に伴うトルク工具の回転を検出する回転検出センサーと、
   前記回転検出センサーで検出した回転の停止と再回転の状態が前記トルクリミッターの作動に伴って発生する回転状態と同じ挙動の場合に回転信号を出力する回転検出部と、
   前記回転信号の取得時における前記トルク値変換部で変換されたトルク値が前記設定トルク値に対して所定の範囲内に存在するか否かを判定し、存在するとトルクリミッター作動確認信号を出力するトルクリミッター作動判定部と、
   前記トルクリミッター作動確認信号を取得すると、前記トルクリミッター作動確認信号を取得したときの前記トルク値変換部で変換した締付トルク値を有線又は無線で送信する送信部と、
   を有するトルク工具。
3. 前記衝撃検出センサーは、加速度センサーであることを特徴とする請求項１に記載のトルク工具。
4. 前記回転検出センサーは、ジャイロセンサーであることを特徴とする請求項２に記載のトルク工具。
5. 前記トルクリミッターは、トグル式のトルクリミッターであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載のトルク工具。
6. 前記トルク工具は、トルクレンチであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載のトルク工具。