JP2010247285A - トルクレンチ - Google Patents

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Abstract

【課題】高精度にトルクを検出でき、トルク検出後の違和感のないハンドル操作感と安全にボルト等の被的結部材の締付けができるカム式トルク検出機構を備えたトルクレンチを提供する。
【解決手段】カム式トルク検出機構を備えたトルクレンチにおいて、カム筒22の外周に形成したカム部27は、非操作状態でローラ部材18が静止状態で係合する静止係合カム面27aと、静止係合カム面27aに連接し、ローラ部材18が移動しながら当接することによりトルクピーク値を漸増させるトルクピーク漸増カム面27bと、トルクピーク値漸増カム面27bに連接するカムトップ部をなすカムトップ面27cと、ローラ部材18に対してプラストルクをゼロまで漸減するトルク漸減カム面27dと、トルク漸減カム面27dを経たローラ部材18に対してマイナストルクを付与するマイナストルクカム面27eと、を有する。
【選択図】図1

Description

本発明はトルクレンチに係り、締付けトルクが設定トルク値に達すると急激な操作力の減少という操作感を操作者へ与える機械式のトルク検出機構を備えたトルクレンチに関する。
トルクレンチにおける機械式のトルク検出機構として、カムと、このカムにバネにより弾性的に当接するカムローラとにより構成したカム式トルク検出機構が提案されている(特許文献1)。
上記した従来のカム式トルク検出機構を備えたトルクレンチを図3(a)に示す。図3(a)に示すトルクレンチは、円筒状のハンドル51の前端部に円筒状のヘッド52を固定しており、ヘッド52内に不図示のソケット等を交換可能に装着する駆動軸53を回転可能に装着している。また、ヘッド52内には、駆動軸53の中心軸と同心にカム筒54を駆動軸53の外周に隙間を有して回転可能に装着している。カム筒54は、内周面にラチェット歯55を備え、外周部に4つのカム部56を周方向に備えている。また、駆動軸53の外周部には、ラチェット歯55と係合する係合爪57を設け、ばね58によりラチェット歯55に係合可能とし、カム筒54の時計回り方向の際に係合爪57をラチェット歯55に係合させラチェット機構を構成している。これにより、カム筒54と駆動軸53とが一体化し、ハンドル51の操作力により不図示のボルト等を締付けることができる。なお、ラチェット機構は、カム筒54の反時計方向に自由回動させる。
ハンドル51内にはトルク値設定用の押圧ばね59が内装され、ハンドル51の先端に配置したスラスト部材60をヘッド52の中心軸に向かって押圧する。スラスト部材60とカム筒54の外周面との間にローラ61を自転可能に配置すると共に、長手方向の軸線L0方向に移動自在とし、ばね付勢されるスラスト部材60からのスラスト力でローラ61をカム部56に押し付ける。
このような構成のトルクレンチにおいて、ボルトの締結のためにハンドル51に時計回り方向の操作力を加えた場合、押圧ばね59から受けるローラ61のスラスト力に対し、ローラ61がカム部56の当接面から受ける反力が小さいと、カム筒54がハンドル51と一体に回転して駆動軸53を回動する。そして、締付けトルク値が上昇するに従って前記反力が大きくなり、ローラ61がカム面のカムトップに向け押圧ばね59のばね力に抗して押し戻されると、ローラ61はトルクピーク位置Pに達し、トルク検出が行われる(設定トルク値に達したことを検出する)。
カム部56は図3(b)に示すように、ローラ61の曲面(半径R0)と合致する半径R0の曲面からなる急斜面のローラ静止係合カム面56aと、半径R2の曲面からなる緩斜面のマイナストルクカム面56bと、ローラ静止係合面56bとの間に連接された半径R1の曲面のカムトップ面56cとからなる全てが曲面のカム面に構成している。ここで、ローラ静止係合面56aとカムトップ面56cとの連接点がトルクピーク位置Pとなる。
英国特許第2148767号
図3に示す従来のトルクレンチにおいて、トルクレンチに作用力を加えない非操作状態で、ローラ61はローラ静止係合面56aの曲面に嵌り込んだ状態で静止しており、ローラ61が動き出すと直ちにトルクピーク位置Pを乗り越えてトルク検出が行われる。すなわち、ローラ61がカム部56のカム面に対して静止摩擦状態から動摩擦状態に移行した時にトルク検出が行われることになる。
このように、曲面のローラ静止係合面56aと曲面のカムトップ面56cの連接点をトルクピーク位置Pに設定しているため、ローラ静止係合面56aとカムトップ面46cのカム形状にばらつきが生じたり、あるいはローラの支軸の摩耗等によりローラがその回転中心に対して偏芯した場合等では、高精度なトルク検出ができない。
また、ローラ61が静止摩擦状態から動摩擦状態に移行した瞬間にトルクピークを検出することになるが、静止摩擦状態から動摩擦状態へ移行する際にローラ61に加わる力にはばらつきがあるため、高精度なトルク検出ができない。
一方、トルク検出位置Pからカムトップ面56cのカムトップ位置までの上り傾斜面において、ローラ61がカムトップ面56cから受ける接線L1方向の力は、小さく、締め付け方向と反対方向の力である。そして、ローラ61がカムトップを通過すると、下り傾斜面のマイナストルクカム面56bと当接することから、ローラ61がマイナストルクカム面56bから受ける接線L1方向の力は締め付け方向となる。
すなわち、締付け操作に際し、操作者は強い力でハンドル51を締付け方向に加え、トルクピーク位置Pを通過すると直ちにハンドル51が受ける反力が急激に減少し、さらにハンドル51に対して押圧ばね59のばね力により締め付け方向への回動力が加わることになる。
このように、トルクピークに達すると直ちにハンドル51に締め付け方向の回動力が加わるので使い勝手が悪くなるばかりでなく、検出トルク値が大きくなると押圧ばね59のばね力もそれだけ大きくなり、ハンドル51に加わる回動力が大きくなって危険を伴うことにもなりかねない。
本発明の目的は、このような従来の問題を解決し、高精度にトルクを検出できるカム式トルク検出機構を備えたトルクレンチを提供することにある。
本発明の他の目的は、トルク検出後に違和感のないハンドル操作感が得られ、また安全にボルト等の被的結部材を締付けることができるカム式トルク検出機構を備えたトルクレンチを提供することにある。
本発明の目的を実現する構成は、被締結部材側に締付け力を伝達する回転可能な駆動軸と、前記駆動軸の周りにラチェット機構を介して回転可能に配置される外周面にカム部を有するカム筒と、弾性部材により付勢されて前記カム部に対して進退可能に当接するローラ部材とからなり、前記ローラ部材に締め付け力が付与されるカム式トルク検出機構を備えたトルクレンチにおいて、前記カム部は、非操作状態で前記ローラ部材が静止状態で係合する静止係合カム面と、前記静止係合カム面に連接し、前記ローラ部材が移動しながら当接することによりトルクピークを漸増させるトルクピーク漸増カム面を有することを特徴とする。
本発明の他の目的を実現する構成は、被締結部材側に締付け力を伝達する回転可能な駆動軸と、前記駆動軸の周りにラチェット機構を介して回転可能に配置される外周面にカム部を有するカム筒と、弾性部材により付勢されて前記カム部に対して進退可能に当接するローラ部材とからなり、前記ローラ部材に締め付け力が付与されるカム式トルク検出機構を備えたトルクレンチにおいて、前記カム部は、前記トルクピーク位置通過後の前記ローラ部材が案内されるカムトップ部をなすカムトップ面と、前記ローラ部材に対してプラストルクをゼロまで漸減する前記カムトップ面に連接するトルク漸減カム面と、前記トルク漸減カム面を経た前記ローラ部材に対してマイナストルクを付与するマイナストルクカム面と、を有することを特徴とする。
請求項1に係る発明によれば、動摩擦状態でトルクピークの検出が行なえるので、高精度のトルク検出が可能となる。また、トルクピーク漸増カム面に対するローラ部材の公転角度範囲内でトルクピークの最大値が得られるので、カム形状にばらつきがあっても、ローラ部材の支軸が摩耗等してローラ部材が偏芯しても、高精度にトルク検出が行なえる。
請求項2に係る発明によれば、最大トルクピークの後にトルク漸減カム面を移動することで、操作者に僅かな負荷が加わり、締め付け完了を気付かせる予鈴となり、そこで締め付け力を抜かせることができ、いきなりマイナストルクカム面に移行して力が開放されないため、使用中の動作感が向上し、安全なトルクレンチを提供することができる。
請求項3に係る発明によれば、請求項1と請求項2の効果を備えたトルクレンチを提供することができる。
請求項4に係る発明によれば、トルクピーク漸増カム面を直線状の軌跡により構成しているので、トルクピーク値の設定が容易であり、また容易に形成することができる。
請求項5に係る発明によれば、トルク漸減カム面を直線状の軌跡により構成しているので、トルク漸減に伴って生じる負荷を容易に設定することができ、またトルク漸減の割合を容易に設定することができる。
本発明の一実施形態を示すトルクレンチのカム部の詳細図と、トルクー角度線図。 図1のトルクレンチの全体構成を示し、(a)は上面外観図、(b)は正面外観図、(c)は(a)の横断面図、(d)は(b)の縦断面図。 (a)は従来のカム式トルクレンチの要部を示す横断面図、(b)は(a)のカム面の拡大図。
以下本発明を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
図1(a)は本発明の一実施形態を示すトルクレンチのカム部の詳細図、(b)は(a)に示すカム部によるトルクー角度線図、(c)は(a)のカム部におけるトルク漸減カム面の拡大図である。図2は図1のトルクレンチの全体構成を示し、(a)は上面外観図、(b)は正面外観図、(c)は(a)の横断面図、(d)は(b)の縦断面図である。
図2において、本実施形態のトルクレンチ10は、円筒状のハンドル11の前部に円筒状のヘッド12を固定した外観構造を有し、ヘッド12から後方に延びる筒状のねじ結合部13がハンドル11の前部内周に形成したねじ部に螺着してヘッド12とハンドル11とが固定される。
ハンドル11内には押圧ばね14を内装している。ハンドル11の後端部には、ボルト部材15とナット部材16とからなり、ボルト部材15を回転することによりナット部材16が軸方向に移動するトルク調整機構が取り付けられ、ナット部材16の先端に押圧ばね14の後端が当接している。押圧ばね14の先端にスラスト部材17装着され、スラスト部材17の先端部がねじ結合部13内に装入されている。スラスト部材17の先端部には、ヘッド12内に臨むローラ部材18を支軸19により回転自在に支持する支持部材20が取り付けられ、支持部材20とスラスト部材17とが一体にハンドル11の長手方向(軸方向)に沿って移動可能となっている。
ヘッド12内には、ハンドル11の軸方向と直交方向に回転中心軸を有する駆動軸21が回転可能に取り付けられ、駆動軸21の外周にカム筒22が隙間を有して回転可能に取り付けられている。なお、カム筒22の上下にそれぞれ円環状のローラベアリング23を取り付け、この上下のローラベアリング23を介してカム筒22をヘッド12内に回転可能に取り付けている。
カム筒22の内周面には複数のラチェット歯24が周方向に沿って形成され、駆動軸21の外周部にばね25によりラチェット歯24に向けて付勢されるラチェット爪26とによりラチェット機構を構成し、カム筒22の時計回り方向と一体に駆動軸21が回動する。
カム筒22の外周部には周方向に沿って複数(本実施形態では6)のカム部27が等間隔に形成され、押圧ばね14により付勢されたローラ部材18がカム部27に押圧される。
操作者は、駆動軸21に係合したソケット(不図示)をボルト、ナット等の被締結部材(不図示)に嵌合し、ハンドル11のグリップ28を手で把持して時計回り方向に回動すると、ローラ部材18がカム部27と当接してカム筒22を時計回り方向に回動させ、カム筒22と一体に駆動軸21を回動させて被締結部材を締付ける。締め付けトルクが上昇し始めると、カム部27とローラ部材18とのカム動作によりローラ部材18が押圧ばね14のばね力に抗してハンドル11の軸方向後方に移動し、ハンドル11の回動操作力の減少を感知することで設定トルク値に達したトルク検出が検出されることになる。
カム部27の詳細を図1に基づいて以下に説明する。
図1(a)に示すように、カム部27に対して、ローラ部材18が時計回り方向に公転することでボルト等の締め付けを行なうもので、カム部27を概略凸のカム面に形成している。
カム部27の左側カム面には、ローラ部材18の半径R0と同径の曲率R0を有する静止係合カム面27aを形成し、ローラ部材18が静止係合カム面27aに係合している。ボルト等の被締結部材の締め付けを行なっていない非操作状態において、ローラ部材18は押圧ばね14のばね力により静止係合カム面27aに押圧されて係合保持されている。この静止係合カム面27aは凹面に形成されており、静止係合カム面27aに連接して、直線状の区間δ1であるトルクピーク漸増カム面27bが形成されている。トルクピーク漸増カム面27bに連接してカム部27の半径(φ1)のカム面である凸の曲面である曲率R1のカムトップ面27cが形成されている。この場合、トルクピーク漸増カム面27bとカムトップ面27cの連接点P1が最大トルクピークとなり、ローラ部材18がトルクピーク漸増カム面27bを回転する回転角がトルク検出角度(θ1)となる。
したがって、静止係合カム面27aにローラ部材18が係合した状態でハンドル11に締め付け方向の力を加え、締め付け力を増すとローラ部材18が静止係合カム面27aから動き出し、ローラ部材18は自転しながら直線状のトルクピーク漸増カム面27bを最大トルクピーク点に向けて移動する。すなわち、ローラ部材18は静止摩擦状態から動摩擦状態へと移行し、検出トルクも漸増する。動摩擦状態でトルクピークを検出するため、最大トルクピークを高精度に検出することができる。
また、トルクピーク漸増カム面27bのカム高さを許容偏芯誤差とすることができる。すなわち、トルク検出角度θ1の間をローラ部材18が移動する間に、最大トルクピークの高さが得られればよいので、ローラ部材18の支軸19が摩耗等してローラ部材18の中心が偏芯しても、正規の最大トルクピークに近似したトルクを検出することができる。
次に、最大トルクピーク点は、トルクピーク値漸増カム面27bと曲率R1のカムトップ面27cとの連接点P1であるので、最大トルクピークを検出すると凸の曲率R1のカム面上をトレースしながら移動する。カムトップ面27cと、マイナストルクをローラ部材18に付与する曲率R2の曲面からなるマイナストルクカム面27eとの間に、回転角θ2の区間にトルク漸減カム面27dを設けている。図1(c)に示すように、トルク漸減カム面27dは長さδ1の直線状に形成されていて、マイナストルクカム面27eとの連接点P2まではローラ部材18にプラストルクが付与される。しかし、トルク漸減カム面27dはカム部27の外径(半径φ1)よりも内側に位置し、徐々に外径から内側に入り込む軌跡に形成されているので、ローラ部材18がトルク漸減カム面27dに加えるトルクは漸減することになる。
図1(b)は、本実施形態によるトルクレンチ10によるボルト等の被締結部材に対する締め付け開始からトルクレンチの回動角度(θ)とトルクとの関係を示している。ハンドル11の回動によりローラ部材18が静止係合カム面27aから動き出し、トルクピーク漸増カム面27bの直線距離δ1のカム軌跡を回転角θ1の範囲で時計回り方向に自転し始めるに従ってトルクピークが漸増し、点P1で最大トルクである設定トルク値の検出が行なわれる。点P1を通過し曲率R1の曲面からなるカムトップ面27cを移動するとローラ部材18に加わる反力が急激に低下する。ローラ部材18は、さらにトルク漸減カム面27dの直線状の軌跡点P2まで移動する間にハンドル11の受けるトルクが漸減する。
すなわち、カムトップ面27cを通過したローラ部材18が従来のようにマイナストルクカム面27eの軌跡に移行して、押圧ばね14のばね力によりローラ部材18に締め付け方向の力を付与し、ハンドル11に対して締め付け方向の力が加わるマイナストルクが直ちに生じることはなく、操作者はトルク漸減カム面27dの移動中に僅かな負荷を感じ、これが一種の予鈴となり、そこで締め付け力を抜くことができ、いきなりマイナストルクが付与されるという危険を回避することができる。
以上のように、静止係合カム面27aから点P2までの角度範囲θ3がプラストルク区間であり、このプラストルク区間の周期において締め付けトルクの漸減を操作感として操作者が感じとることができる。この操作感は、図1(c)に示すように、直線状の軌跡であるトルク漸減カム面27dをカム部27の外径側に近づけたり(27e´)、離したりすることで、トルクの漸減角度を変更することができる。
10 トルクレンチ
11 ハンドル
12 ヘッド
13 ねじ結合部
14 押圧ばね
15 ボルト部材
16 ナット部材
17 スラスト部材
18 ローラ部材
19 支軸
20 支持部材
21 駆動軸
22 カム筒
23 ローラベアリング
24 ラチェット歯
25 ばね
26 ラチェット爪
27 カム部
27a 静止係合カム面 27b トルクピーク漸増カム面
27c カムトップ面 27d トルク漸減カム面
27e マイナストルクカム面
28 グリップ

Claims (7)

  1. 被締結部材側に締付け力を伝達する回転可能な駆動軸と、前記駆動軸の周りにラチェット機構を介して回転可能に配置される外周面にカム部を有するカム筒と、弾性部材により付勢されて前記カム部に対して進退可能に当接するローラ部材とからなり、前記ローラ部材に締め付け力が付与されるカム式トルク検出機構を備えたトルクレンチにおいて、
    前記カム部は、非操作状態で前記ローラ部材が静止状態で係合する静止係合カム面と、前記静止係合カム面に連接し、前記ローラ部材が移動しながら当接することによりトルクピークを漸増させるトルクピーク漸増カム面を有することを特徴とするトルクレンチ。
  2. 被締結部材側に締付け力を伝達する回転可能な駆動軸と、前記駆動軸の周りにラチェット機構を介して回転可能に配置される外周面にカム部を有するカム筒と、弾性部材により付勢されて前記カム部に対して進退可能に当接するローラ部材とからなり、前記ローラ部材に締め付け力が付与されるカム式トルク検出機構を備えたトルクレンチにおいて、
    前記カム部は、前記トルクピーク位置通過後の前記ローラ部材が案内されるカムトップ部をなすカムトップ面と、前記ローラ部材に対してプラストルクをゼロまで漸減する前記カムトップ面に連接するトルク漸減カム面と、前記トルク漸減カム面を経た前記ローラ部材に対してマイナストルクを付与するマイナストルクカム面と、を有することを特徴とするトルクレンチ。
  3. 被締結部材側に締付け力を伝達する回転可能な駆動軸と、前記駆動軸の周りにラチェット機構を介して回転可能に配置される外周面にカム部を有するカム筒と、弾性部材により付勢されて前記カム部に対して進退可能に当接するローラ部材とからなり、前記ローラ部材に締め付け力が付与されるカム式トルク検出機構を備えたトルクレンチにおいて、
    前記カム部は、非操作状態で前記ローラ部材が静止状態で係合する静止係合カム面と、前記静止係合カム面に連接し、前記ローラ部材が移動しながら当接することによりトルクピーク値を漸増させるトルクピーク漸増カム面と、前記トルクピーク値漸増カム面に連接するカムトップ部をなすカムトップ面と、前記ローラ部材に対してプラストルクをゼロまで漸減するトルク漸減カム面と、前記トルク漸減カム面を経た前記ローラ部材に対してマイナストルクを付与するマイナストルクカム面と、を有することを特徴とするトルクレンチ。
  4. 前記トルクピーク漸増カム面は直線状の軌跡により構成されていることを特徴とする請求項1または3に記載のトルクレンチ。
  5. 前記トルク漸減カム面は直線状の軌跡により構成されていることを特徴とする請求項2または3に記載のトルクレンチ。
  6. 前記カム筒の外周面に複数の前記カム部を設けたことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載のトルクレンチ。
  7. 円筒状のハンドルと、前記ハンドルの先端部に固定されたヘッドとを有し、前記駆動軸とカム筒とを前記ヘッド内に配置し、前記ハンドル内に配置した前記弾性部材により前記ヘッド内に臨む前記ローラ部材を前記カム部に当接させたことを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載のトルクレンチ。


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