JP2005297133A - 締付け工具およびボルト軸力の測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ボルトを締付けながらボルトの軸力を測定できるようにした締付け工具およびボルトの軸力を測定する方法を提供する。
【解決手段】 ボルトの頭部に嵌合可能としたソケット１３と、該ソケット１３に設けられ、ソケット１３に嵌合されて締め付けによって歪むボルト頭部頂面の歪み量を測定する距離センサー２０と、前記歪み量に基づいてボルトの締め付け力を測定する測定部３２と、該測定部による測定結果を示す表示部４０とを備える。ボルトの軸力を正確に測定することができる。しかも、この測定は、ボルトを締付けながらは勿論、増し締めをしながらでも行えるので、生産ラインにおいて直接ボルトの軸力管理を行うことができる。
【選択図】 図６

Description

本発明は、ボルトの締付け力（軸力）を測定し、その測定結果を表示可能とする締付け工具および締め付けられたボルトの軸力を測定する測定方法に関する。

現在、機械部品等の生産工程では、曲げ式トルクレンチや捩り式トルクレンチなどを用いてボルトの締付け力管理が行われている。ボルトの締付け力は、本来、ボルトに発生する軸力で管理されるべきであるが、前記のような工具を用いて簡便的に締付けトルクによる管理を行っているのが一般的である。ボルトを締め付けながらボルトの軸力を測定できる工具が無かったためである。

ボルトを締め付けた後に、ボルトの軸力を測定する技術としては、いくつかの提案がなされている。例えば、ボルトの頭部頂面に生ずる歪み凹部を光弾性で測定し、ボルトの軸力との相関関係で軸力を求める技術（特許文献１）や、ナットの径方向の変形量を距離センサーで測定してボルトの軸力を求める技術（特許文献２）などである。

特開昭５８−１０６２２号公報 実開平３−９５９３６号公報

ところで、締付けトルクはボルトに発生する軸力の代用特性であるために、厳密にボルトの軸力を管理することが難しい。一般に、ボルトの軸力と締付けトルクの関係は、ねじ部の表面状態により影響を受ける摩擦力の違いによって変動するためである。このため、ボルトの締付け力不足が「ゆるみ」の原因となって思わぬ不具合の発生要因となったり、逆にこれを回避するために過剰な締付けトルクで締め付けることにより、ボルトが塑性変形を起こしてしまう場合もある。

本発明はこのような現状に鑑みてなされたもので、ボルトを締付けながらボルトの軸力を測定できるようにした締付け工具およびボルトの軸力を測定する方法を提供することを目的としている。

すなわち本発明のうち、請求項１記載の締付け工具は、ボルトの頭部に嵌合可能としたソケットと、該ソケットに設けられ、ソケットに嵌合されて締め付けによって歪むボルト頭部頂面の歪み量を測定するための距離センサーと、前記歪み量に基づいてボルトの締め付け力を測定する測定部と、該測定部による測定結果を示す表示部とを備えることを特徴とする。

請求項２記載の締付け工具の発明は、請求項１記載の発明において、前記ソケットには、嵌合されたボルトの頭部頂面をそれぞれ検知可能とした複数の検知部が設けられていることを特徴とする。

請求項３記載の締付け工具の発明は、請求項２記載の発明において、前記検知部は、前記ソケットの頭部頂面受け部の中心部に設けられた前記距離センサーを挟んで対にして配置されていることを特徴とする。

請求項４記載の締付け工具の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記検知部での検知結果によって、ソケットにボルト頭部が適正に嵌合されているか否かの判定を行う嵌合判定部を備えることを特徴とする。

請求項５記載のボルト軸力の測定方法の発明は、ソケットに嵌合したボルトの軸力をボルトを締付けながら測定する方法であって、
ボルトの頭部頂面の歪み量をソケットに設けた距離センサーで測定し、該歪み量に基づいてボルトの軸力を測定することを特徴とする。

請求項６記載のボルト軸力の測定方法の発明は、請求項５記載の発明において、前記ソケットに、嵌合されたボルトの頭部頂面をそれぞれ検知可能とした複数の検知部を設けておき、該検知部の出力信号によってソケットにボルト頭部が適正に嵌合されているか否かの判定を行い、判定結果に従って、測定されたボルトの軸力またはボルトの嵌合エラーの表示を行うことを特徴とする。

本発明は、締め付けによってボルトの頭部頂面に発生する歪み凹部の深さ（歪み量）とボルトの軸力は比例するという知見に基づいている。図１に示すボルト１の締付け状態の概略図で説明すれば、ボルト１をベース２にねじ込んで被締結体３を締め付けていくと、軸力の発生に従ってボルト１の頭部４が歪んで頂面５が次第に凹んでいく。そして、この歪によって凹んでいく凹み量（歪み量）ｄと軸力との間には、図２に示すような比例関係にある。

本発明では、ボルトの頭部頂面の歪み凹部の歪み量をソケットに設けた距離センサーで測定し、前記歪み量に基づいてボルトの締め付け力（軸力）を測定部で測定するので、締付け工具でボルトを締付けながらボルトの軸力を逐一測定することができる。また、測定結果は、表示部によって示されるので、操作者は表示内容を認識することによって締め付け操作をコントロールすることができる。

なお、距離センサーとしては、渦電流式、超音波式、光電式、磁力式、電気抵抗式などの各種の距離センサーを用いることができるが、以下で述べる実施の形態のように、渦電流式の距離センサーが好適である。
距離センサーは、ソケットに設けられるが、例えば嵌合されたボルト頭部頂面と対向するソケットのボルト頂面受け部に設置することができる。また、好適には、上記受け部の中心部に設置して頭部頂面の中心部の歪み量を測定できるようにする。

測定部は、上記距離センサーで測定された歪み量に基づいて締め付け力を測定する。該測定に際しては、例えば予め、歪み量と締め付け量との相関関係を求めておき、該相関関係に従って歪み量から締め付け量を求めることができる。これらの手順は、例えば、ＣＰＵとこれを動作させるプログラムとによって実行することができる。上記相関関係は、フラッシュメモリなどの記憶手段に記憶しておき、適宜読み出すように構成することができる。また、測定部では、前記歪み量をそのまま締め付け力とするものであってもよい。測定部では、締め付け力を数値として出力することができ、また、予め定めた基準に対する相対値で出力してもよい。また、予め定めた基準に対する過不足判定を○×等の絵文字や色の違い、音の違いなどの表示によって示してもよい。要は、操作者によって締め付け状態を認識できる方法によって示されるものであればよい。

表示部は、適宜のディスプレイによって視覚で認知されるようにしてもよく、また、鳴動、音声など、聴覚によって認知されるようにしてもよい。また、表示部は、締付け工具のグリップ、エクステンションなどに同体に設けられるものでもよく、また、別体に設けられるものであってもよい。

また、前記ソケットには、ボルトの頭部頂面をそれぞれ検知可能な複数の検知部を設けることができる。該検知部は、距離センサーを挟んだ少なくとも一対のものにより構成することができる。該検知部の出力によってソケットがボルトの頭部に適正に嵌合されているか否かを確認することができる。これにより、ボルト頭部が適正にソケットに嵌合されていないことによって締め付け力の測定結果が不正確に示されるのを避けることができる。検知部の一例としては、ボルトの頭部頂面と電気的に接続される電極を挙げることができる。対となる電極にそれぞれボルト頭部頂面が接触すると、電極間が導通されることで、ボルト頭部の嵌合状態を知ることができる。

すなわち本発明によれば、ボルトの頭部に嵌合可能としたソケットと、該ソケットに設けられ、ソケットに嵌合されて締め付けによって歪むボルト頭部頂面の歪み量を測定するための距離センサーと、前記歪み量に基づいてボルトの締め付け力を測定する測定部と、該測定部による測定結果を示す表示部とを備えるので、距離センサーで得られる歪み量からボルトの軸力を正確に測定して示すことができる。しかも、この測定は、ボルトを締め付けながらは勿論、増し締めをしながらでも行えるので、生産ラインにおいて直接ボルトの軸力管理を行うことができる効果がある。

また前記ソケットに、嵌合されたボルトの頭部頂面をそれぞれ検知可能とした複数の検知部を設けることによって、ソケットにボルト頭部が適正に嵌合されているか否かの判定を行うことができ、軸力測定の正確性を向上させることができる。

以下、本発明の一実施形態を添付の図を参照して説明する。
図３は、この実施形態の締付け工具１０の平面図である。締付け工具１０は、グリップ１１からエクステンション１２が伸縮自在に延びており、エクステンション１２の先端に前記ボルト１の頭部（六角）４に嵌合できるようにしたソケット１３が取り付けられている。

前記ソケット１３にはボルト頭部を嵌合するための嵌合凹部１４が設けられている。該嵌合凹部１４のボルト頂面受け部１５には、渦電流式の距離センサー２０と、検知部としての一対の電極２２、２３と、一対の突き当てスペーサ２４、２４が設けられている。なお、距離センサー２０は、嵌合凹部１４が前記ボルト１の頭部４に嵌合したとき、頭部４の頂面５の中央と対向するようにボルト頂面受け部１５の中央部に配置されている。一方、前記一対の電極２２、２３および一対の突き当てスペーサ２４、２４は、距離センサー２０を挟んで互いに対向するように設置されている。

前記一対の電極２２、２３および一対の突き当てスペーサ２４、２４の下面は、それぞれ前記距離センサー２０の下面と略面一となっており、ソケット１３の嵌合凹部１４を軸力発生前のボルト１の頭部４に嵌合すると、距離センサー２０、電極２２および突き当てスペーサ２４の各下面がボルト頭部の頂面５に略同時に接することができるようにされている。

前記グリップ１１のエクステンション１２に近い部分には、測定器３０が設けられており、該測定器３０のブロック図が図６に示されている。この構成では、前記距離センサー２０にアンプ２８が接続され、前記一対の電極２２、２３に本発明の嵌合判定部に相当するエラー検出器２９が接続されており、これらアンプ２８およびエラー検出器２９に本発明の測定部に相当する演算部３２が接続されて、アンプ２８およびエラー検出器２９の出力が演算部３２に入力されている。エラー検出器２９は、一対の電極２２、２３が電気的に導通しているか、非導通となっているかを検出する回路であって、検出結果が前記演算部３２に与えられる。

前記演算部３２は、例えば、ＣＰＵおよびこれを動作させるプログラム、該プログラムを記憶するＲＯＭ等によって構成することができる。また演算部３２には、校正値メモリ３３が接続されている。校正値メモリ３３には、ボルト頭部の歪み量に対するボルト軸力が校正値として記憶されており、演算部３２では、該校正値メモリ３３にアクセスしてそのデータの読み書きが可能になっている。
また、演算部３２には、表示部に相当する液晶部４０およびスピーカ４１が接続されており、演算部３２の制御によって液晶部４０への表示およびスピーカ４１の動作が可能になっている。
また、測定器３０には、リセットボタン３５、校正値設定ボタン３６が設けられており、測定結果のリセットや、校正値メモリの設定が可能になっている。

次に、上記のように構成された締付け工具１０を用いたボルト１の軸力を測定する方法について図７の締め付け状態を示す図、図８のフローチャートに基づいて説明する。
図７に示すように前記ソケット１３の嵌合凹部１４をボルト１の頭部４に嵌めて、ボルト１を締め付けていく。すると、頭部４が次第に歪み、頂面５の中央がこの歪によって凹んで行く。図７はこの時の状態を拡大・誇張して示している。

測定に際しては、図示しないスイッチ等によって電源ＯＮにすると（ステップＳ１）、エラー検出器２９によって一対の電極２２、２３の導通・非導通が判断される（ステップＳ２）。
上記の測定において、ソケット１３が図９のようにボルト１の頭部４に十分に嵌合されていなかったり、図１０のように片当りの状態で嵌合された場合には、軸力の正確な測定はできない。このような不十分な嵌合や、片当りの嵌合は、一対の電極２２、２３での導通がなされず、エラー検出器２９で非導通としてエラー検出をする。この検出結果は演算部３２に送出される。演算部３２では、液晶部４０やスピーカ４１を制御してエラー表示（ステップＳ３）をする。その後、再度ステップＳ２に移行することで、上記電極２２、２３での通電が確認されるまで軸力の測定は行わないようにする。

前記導通・非導通の判定（ステップＳ２）で、電極２２、２３間で導通が認められる場合には、ボルト頭部の嵌合が適切なものとして、軸力を測定するための手順に移行する。
距離センサー２０では、ボルト頭部の頂面５で生じている歪み凹部２１の深さ（歪み量）が測定され、その出力がアンプ２８で増幅されて電圧出力とされる（ステップＳ４）。該電圧出力は、演算部３２に入力される。演算部３２では、校正値メモリ３３に予め記憶されている校正値に基づいて、前記電圧出力から軸力が求められる（ステップＳ５）。演算部３２はさらに液晶部４０を制御して、求めた軸力の値を液晶部４０に表示する（ステップＳ６）。

上記液晶部４０および演算部３２は、締付け工具１０のグリップ１１に設けられているので、ボルト１を締めつけながら随時測定し、測定結果を確認することができる。また、測定結果は、ボルト頭部が適切にソケットに嵌合しているときだけ表示されるので、ボルト頭部が適切にソケットに嵌合されていない状態で誤った締め付け力が表示されることがない。

なお、前記校正値の設定は、図１１に示した校正装置５０を用いて行うことができる。この校正装置５０は、ベース５２、ロードセル５４、ボールベアリング５６、調節用スペーサ５８が順次積み上げて構成されている。校正値を求めるボルト１を調節用スペーサ５８、ボールベアリング５６、ロードセル５４を通してベース５２に締め付けることができるようになっている。さらに、前記ロードセル５４にはアンプ６０、表示部６２が接続されている。

校正値を求めるべきボルト１を、前記の締付け工具１０を用いて締め付けていくと、調節用スペーサ５８、ボールベアリング５６、ロードセル５４が圧縮加重を受け、表示部６２にその荷重が表示される。この表示された荷重はボルト１の軸力に相当するから、表示部６２の値と、締付け工具１０の液晶部４０に表示された軸力との関係を得ることができるので、校正値設定部３６を通して校正値メモリ３３の値を変更することで、異なる締め付け対象に対しても正確な軸力の測定が可能となる。

上記の校正は、同一規格のボルトに対しては１回行えば良い。ボルト１の長さや材質が変化する場合には、その都度行うことで正確を期することができる。ボルト１の長さが変化するのに対応できるように、前記調節用スペーサ５８は、長さが異なる数種類を準備しておいてもよい。

本発明の原理図で、ボルト頭部の頂面に形成される歪み凹部を表わす正面図である。 ボルト頭部の凹み量とボルトに発生する軸力の関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態の締付け工具の平面図である。 同じくソケット部分の拡大図である。 同じく一部を断面した拡大正面図である。 同じく測定器のブロック図である。 同じく締付け工具でボルトを締め付けた状態を示す一部を断面した拡大正面図である。 同じく測定手順を示すフローチャートである。 締付け工具がボルトの頭部に適切に嵌合されていない場合の説明図である。 同じく締付け工具がボルトの頭部に適切に嵌合されていない他例での説明図である。 校正装置の一部を断面で示した正面図である。

符号の説明

１ ボルト
４ 頭部
５ 頂面
１０ 締付け工具
１３ ソケット
１４ 嵌合凹部
１５ 頂面受け部
２０ 距離センサー
２１ 歪み凹部
２２ 電極
２２ 電極
２４ 突き当てスペーサ
２９ エラー検出器
３２ 演算部
３３ 校正値メモリ
３５ リセットボタン
３６ 校正値設定ボタン
４０ 液晶部
４１ スピーカ
４４ 液晶窓

Claims (6)

1. ボルトの頭部に嵌合可能としたソケットと、該ソケットに設けられ、ソケットに嵌合されて締め付けによって歪むボルト頭部頂面の歪み量を測定するための距離センサーと、前記歪み量に基づいてボルトの締め付け力を測定する測定部と、該測定部による測定結果を示す表示部とを備えることを特徴とする締付け工具。
2. 前記ソケットには、嵌合されたボルトの頭部頂面をそれぞれ検知可能とした複数の検知部が設けられていることを特徴とする請求項１記載の締付け工具。
3. 前記検知部は、前記ソケットのボルト頂面受け部の中心部に設けられた前記距離センサーを挟んで対にして配置されていることを特徴とする請求項２記載の締付け工具。
4. 前記検知部での検知結果によって、ソケットにボルト頭部が適正に嵌合されているか否かの判定を行う嵌合判定部を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の締め付け工具。
5. ソケットに嵌合したボルトの軸力をボルトを締付けながら測定する方法であって、
   ボルトの頭部頂面の歪み量をソケットに設けた距離センサーで測定し、該歪み量に基づいてボルトの軸力を測定することを特徴とするボルト軸力の測定方法。
6. 前記ソケットに、嵌合されたボルトの頭部頂面をそれぞれ検知可能とした複数の検知部を設けておき、該検知部の出力信号によってソケットにボルト頭部が適正に嵌合されているか否かの判定を行い、判定結果に従って、測定されたボルトの軸力またはボルトの嵌合エラーの表示を行うことを特徴とする請求項５記載のボルト軸力の測定方法。

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