JP2011025334A - 被締付物の締め付けトルク測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被締結物を各種製品に締め付けた際に、その締め付けが適切なトルクで達成されているか否かをバラツキなく測定する。
【解決手段】トルク測定治具が被締結物の増し締めを行っている時間を細分化して、細分化した時点毎に検出される増し締めトルクを逐次サンプルホールドし、細分化された時点毎の増し締めトルクを所定の細分化数毎にグループ化すると共に、所要数の増し締めトルクのグループよりも時間的に遅れて細分化された時点毎の増し締めトルクも所定の細分化数毎にグループ化し、時間的に後行するグループでの最大のトルク変化値と、時間的に先行するグループでの最大のトルク値との比率を演算し、後行するグループの最大のトルク変化値と、先行するグループの最大のトルク変化値との比率が、増し締めトルクの測定に先立ち予め設定しておいた閾値に合致した時点で測定される現実の増し締めトルク値をもって、被締結物の締め付けトルクと推定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、ボルトやナット等の被締結物を各種製品に締め付けた際に、その締め付けが適切なトルクで達成されているか否かを測定する方法であって、これにより被締結物の締め付け管理の向上に資するものである。

各種の工業製品や民生製品では、ボルトやナット、螺子等を該製品に締め付け乃至捩じ込みを行って、各部品を締結する必要性が数多くある。これらボルト、ナット、螺子(以下「被締結物」という)を製品に締め付ける場合に、例えばトルクドライバやトルクレンチを使用して、各締め付け時のトルク管理を行うのであれば、被締結物は常に適正なトルク値で締め付けがなされ理想的である。

しかしながら実際には、例えば多数のボルトを手動ドライバや電動ドライバで締め付けて行くのが殆どで、厳密な意味での締め付けトルクの管理はなされていない場合が多い。勿論、電動ドライバであれば、締め付けトルクが一定の値に達すると、これを内蔵したクラッチや過大電流検出素子により機械的または電気的に検知して、瞬時にボルトの締め付けを停止する機能を有している。しかし、この場合でも検知手段にバラツキがあるため、適切なトルク値で締め付けがなされているかは保障の限りでない。

そこで製品に締め付けられている被締結物が、適正なトルクで締め付けられているか否かを事後的に検査して、品質管理に資する手法が実施されている。例えば、既に締め上がっているボルトを緩めて、その緩み始めた際のトルクを測定し、その緩めトルク値を基として締め付けトルクを推定する方法がある(緩めトルク測定方法)。また、締め付けられているボルトを増し締め方向へ更に締め上げて、該ボルトが僅かに回り出す際のトルク値の低下を検知して、この増し締めトルクをもって締め付けトルクを推定する方法も知られている(増し締めトルク測定方法)。

特開昭６１−１９５７２号公報(ボルトの締付け方法) 特開２００２−１２０１６２号公報(増し締め検査用トルクレンチ)

これら先行技術は、何れも締め付け回転角(θ)に対する締め付けトルクの変動に着眼するものである。例えばＸ軸に締め付け回転角(θ)をとり、Ｙ軸に締め付けトルクをとった場合におけるトルク勾配の変化をもって、ボルト等の締め付け管理を行うものである。

前述した緩めトルク測定方法の場合は、製品に正規に締め付けられている被締結物(ボルト等)を再度緩めるため、測定完了後は再び締め付ける必要がある。このとき、被締結物が適正に再締め付けされたか、という問題が残り、しかもこの再締め付けを忘れると欠陥品に繋がる等の重大な難点がある。また、これは飽くまでも作業者の勘に頼った推測によるもので、締め付けトルクを知る手法としては信頼度に欠けるものである。

次に増し締めトルク測定方法の場合は、製品に既に締め付けてある被締結物を更に増し締めするものであるから、前記の緩めトルクの測定方法に較べて、再締め付けを要せず、締め付け忘れもない点で優れている。しかし、増し締めトルクによる判断も作業者の知覚に頼る熟練を要し、作業者の個人差が大きくバラツキを生ずる難点がある。そこで増し締めする工具にトルク計を設けて増し締め時のトルク変化を経時的にデジタル表示すると共に、該トルク計からの出力をマイコンに入力して、作業者の熟練に頼ることなく極力正確な増し締めトルクの測定を実現する試みがなされている。

すなわち図５のグラフに示す如く、Ｙ軸にトルク値をとり、Ｘ軸に時間をとって、既に締め上がっているボルトをトルク計付きのドライバで増し締めして行くと、トルク値は短時間で急峻な上昇カーブを描いて立ち上がる。このときボルトは未だ回動せず、ドライバによる経時的な増し締め力に抗している。しかしボルトに加わる増し締め力に抗し切れなくなると、該ボルトは増し締め方向に僅かに回動するに到る。これは、図５のグラフで急峻に立ち上がっていた増し締めトルクが、瞬間的に低下したことを意味する。図５のグラフで、点Ａで示す緩やかな勾配へ移行する分岐点がそれである。この点Ａを、増し締めトルクによりボルトが回動方向へ滑り出す変化点という意味で、本明細書では「滑り出しトルク」という。

そして従来は、トルク計からマイコンへ入力された前記滑り出しトルクＡの変動を監視するに際して、その増し締めトルクを所要の時間間隔で多数回サンプリングしてマイコンのＣＰＵに刻々記憶させる(サンプルホールド)と共に、このサンプルホールドした増し締めトルクを所要の時間遅れをもって逐次出力している。このとき増し締めはなお継続されているから、現時点で検出される増し締めトルクと、前記の時間遅れを伴ってマイコンから出力される増し締めトルク(これは更新されている)とをコンパレータで対応的に比較し、現実の増し締めトルクの低下が判明した時点で、例えばＬＥＤランプを点灯させると共に警告音を発し、この滑り出しトルクＡをもって、当該被締結物の締め付けトルクと推測していた。

しかし増し締めトルクをサンプルホールドする時間間隔が図５のグラフのように大きいと、現実の微小な増し締めトルクの低下(変化量の差)を正しく検知することが困難である。そこで、図６のグラフのようにサンプリング間隔を大幅に増大(細分化)させると、トルク測定治具での機械的なノイズや、マイコンでの演算処理中における電気的なノイズが大きな変化量として検出されてしまい、被締結物が僅かに回動し始めた際の滑り出しトルクの低下という微小な変化が、これらノズル中に埋もれて検出困難となる欠点があった。

前記課題を克服し、所期の目的を達成するため、本発明に係る被締付物の締め付けトルク測定方法は、
製品への最終締め付けがなされたボルト等の被締結物にトルク測定治具を嵌合させ、このトルク測定治具で被締結物を増し締めすることで、被締結物の最終締め付けトルクを測定するに際し、
前記トルク測定治具が被締結物の増し締めを行っている時間を細分化して、その細分化した時点毎に検出される増し締めトルクを逐次サンプルホールドし、
前記細分化された時点毎の増し締めトルクを所定の細分化数毎にグループ化すると共に、前記所要数の増し締めトルクのグループよりも時間的に遅れて細分化された時点毎の増し締めトルクも所定の細分化数毎にグループ化し、
時間的に後行するグループでの最大のトルク変化値と、時間的に先行するグループでの最大のトルク値との比率を常に演算し、
前記後行するグループの最大のトルク変化値と、先行するグループの最大のトルク変化値との比率が、増し締めトルクの測定に先立ち予め設定しておいた閾値に合致した時点で測定される現実の増し締めトルク値をもって、前記被締結物の締め付けトルクと推定することを特徴とする。

本願発明に係る被締付物の締め付けトルク測定方法によれば、増し締めトルクを時間の経過と共にサンプリングする回数を細分化することに加えて、このサンプリングを△Ｓ１，△Ｓ２，△Ｓ３…の如く細分割すると共に、各グループを１つずつずらしてマイコン中で加減算することにより、機械的、電気的なノイズの変動にも拘わらず、より正確なトルク変動量を検出できる。

本発明に係る締め付けトルクの測定方法を実施した際のグラフ図である。 本発明に係る締め付けトルクの測定方法を実施するトルク測定治具の一例を示す概略図で、(a)はトルク測定ドライバの斜視図であり、(b)はこのドライバを使用して増し締めをしている状態を示す説明図である。 本発明に係る締め付けトルクの測定方法の別実施例によるトルク変動の経時的変化を示すグラフ図である。 本発明に係る締め付けトルクの測定方法の更に別の実施例によるトルク変動の経時的変化を示すグラフ図である。 従来技術の増し締めによる締め付けトルク測定方法を実施した際のグラフ図である。 従来技術の増し締めによる締め付けトルク測定方法を別のモードで実施した際のグラフ図である。

次に、本発明に係る被締結物の締め付けトルク測定方法を、好適な実施例により説明する。図１は、本発明の測定方法を実施した際に、増し締めトルクが滑り出しトルクへ変化する時間的過程をグラフ図で示したものである。このグラフ図は、前述した図５と同じく、Ｙ軸にトルク値をとり、Ｘ軸に時間をとったものである。また図２は、増し締めトルクを測定する治具の実際例を概略的に示すもので、トルク測定治具としてトルクドライバ１０が示されている。

図２(a)において、前記トルクドライバ１０は、本体中央部にデジタル表示部１２が設けられ、本体の一端部はハンドル１４になっている。また本体の他端部にはソケット１６が設けられ、このソケット１６に、例えばドライバビット１８が着脱自在に装着可能になっている。このドライバビット１８は、被験体としての被締結物、例えば製品基板２０に所要の締め付けトルクで締め上げたボルト２２と嵌合可能になっている。なお、トルクドライバ１０のデジタル表示部１２には、マイコン(図示せず)が内蔵されており、該表示部１２に配置したタッチ式のアップ・ダウンスイッチ２４により、締め付け時の上限トルク値および下限トルク値を前記マイコンに入力設定し得るようになっている。またデジタル表示部１２の近傍には、発光手段としてＬＥＤランプ２６や、警告音の発生手段としてするブザーが設けられている。

この実施例では、既に製品基板２０に締め上げ済みのボルト２２に対し、トルクドライバ１０のドライバビット１８を嵌合させて増し締めするものである。なお、増し締めトルクの負荷を加える際に、この負荷は一定に掛けることが望ましい。従ってトルクドライバ１０は、電動モータと減速歯車機構の組合せ等を内蔵させることで、作業者によるバラツキを低減させることが推奨される。

本願発明に係る締め付けトルクの測定方法が前提とする技術は、図５に関して述べた従来技術そのものである。例えば、図２(b)の如く、製品基板２０への最終締め付けがなされたボルト(被締結物)２２にトルクドライバ１０のドライバビット１８を嵌合させ、このトルクドライバ１０で被締結物２２を増し締め中に、前記トルクドライバ１０から出力されて経時的に変化する増し締めトルクを前記マイコン中に入力して、内部ＣＰＵに所要の時間間隔でサンプルホールドする。このサンプルホールドされた増し締めトルクは、所要の時間遅れをもってマイコン中に逐次出力する。そして前記時間遅れを伴う増し締めトルクの出力時において、現実に検知される増し締めトルクと、前記時間遅れを伴う増し締めトルクとを、その都度マイコン中で対応的に比較して行くことまでは同じである。また増し締めにより増大するトルクを、時間軸で細分化(時分割)してサンプリングする点も同じである。

本発明が従来技術と顕別されるのは、時間軸の進行に伴い細分割してサンプリングした多数のトルク値(時系列に従って細分化された各トルク値)を、所要数の単位でグループ化することで平均化された時間遅れを伴う増し締めトルク値を作り出し、これと現実に検出された最新のトルク値とをマイコンのＣＰＵ中で逐次対比し、その絶対値の差が作業者側で予め設定した閾値(例えば１／３や２／３)に達した時点での現実の増し締めトルク値をもって、被締結物の最終締め付けトルク値であると推定するものである。

すなわち従来の増し締めトルク測定方法の手法とは異なり、(1)時間を細分化してサンプリングした多数の増し締めトルク値を所要数の単位でグループ化して、当該グループでの増し締めトルクを平均化したトルク値とし、これと現実に検出された最新の増し締めトルクとを対比し、(2)前記現実の増し締めトルク値とその直前におけるグループ化された時間遅れを伴う増し締めトルクとの対比の割合が、所要の閾値、例えば１／３や２／３に合致した瞬間に、(3)その時点での現実の増し締めトルク値をもって、被締結物の締め付けトルクと判断するというものである。

すなわち、マイコンで演算された増し締めトルクをもって、被締結物を最終締め付けしたトルク値と高い信頼性をもって近似するものと推定する。この場合に、前述した時分割した増し締めトルク値をグループ化(例えば１０分割)することで、例えば電動トルクドライバに内蔵したクラッチの機械的ノイズや、該トルクドライバから刻々入力される増し締めトルクをマイコン中で処理する際の電気的ノイズがあっても、これらのノイズの影響を受けることなく、現実の滑り出しトルクを精度良く検出し、これをもって被締結物の最終的な締め付けトルクであったと合理的に推測および判定をなし得るものである。

これを、図１に関して更に詳細に説明する。被締結物２２に対する増し締めを開始すると、その増し締めトルク値は時間の経過と共に増大する上昇カーブを描いて行く。すなわち、被締結物は未だ増し締めトルクに抗しているので、微視的に観察すると、増し締めトルクは増大の一途を辿っている。ここで時間軸の任意の起点を特定して、所定の時間間隔で例えば１０分割すると、時間△１のとき増し締めトルクはＳ１であり、時間△２のとき増し締めトルクはＳ２で、以下同様にして、時間△１０で増し締めトルクはＳ１０である。この△１〜△１０をもって１つのグループとする。

また時間を細分化した△２を起点として時間を１０分割すると、時間△２で増し締めトルクはＳ２であり、時間△１１で増し締めトルクはＳ１１である。すなわち最初のグループを対して、△１だけずらした１０の時間分割グループを作り出し、始めのグループと２番目のグループの最初のトルク値(Ｓ１１)とを対比すると、そのトルク変化量は図１においてＴ１で現される。以下２番目のグループのトルク値と３番目のグループのトルク値(Ｓ１２)と対比すると、トルク変化量はＴ２となり、同様にしてＴ３，Ｔ４，Ｔ５・・・が作り出される。

また前記滑り出しトルクに関しては、被締結物(例えばボルト)２２の凡その締め付けトルク値を予め確認しておく。そして図１において、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３・・・Ｔｎの各増し締めトルク値の内で、前記予め確認した締め付けトルク値と近似的に合致した最大値Ｔｎを閾値として選択し、この閾値を予めマイコンに入力しておく。この閾値は、先のグループ化したトルク値と現時点で検出した増し締めトルクとの対比が、例えば２／３とか１／３とかに設定される。

これにより、例えば対比値を２／３としてマイコンに入力した場合には、前記トルク変化量Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４・・・と時間を細分化して測定して行って、トルク変化量Ｔｎが前記設定値２／３に合致したならば、その時点での現実の増し締めトルクをホールドすると共に、例えばトルクドライバ１０による増し締め動作を瞬時に停止させる。そしてトルク変化量Ｔｎにおける増し締めトルク値をもって、当該被締結物の締め付けトルクであったと推定するものである。

この場合に、本発明では、増し締めしている時間(勿論極く短時間である)を細分化した各グループでサンプリングホールドした増し締めトルク値が対比の基礎として使用されるため、機械的ノイズや電気的ノイズの影響を殆ど無視することができ、信頼性の極めて高いトルク値をもって、これを締め付けトルクとして推定することができて合理的である。

図３は、本件発明の別実施例であって、時間軸Ｘにおける時間の経過ＳをＳ０からスタートして５分割ずつすることで、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を得ている。すなわちＳ０からＳ１までは△Ｓ１，△Ｓ２，△Ｓ３，△Ｓ４であり、Ｓ１からＳ２までは△Ｓ６，△Ｓ７，△Ｓ８，△Ｓ９であり、Ｓ２からＳ３までは△Ｓ１１，△Ｓ１２，△Ｓ１３，△Ｓ１４に細分化されている。そして細分化した時点毎の増し締めトルクの変化量の最大値Ｔｍは、Ｓ０からＳ１の範囲内ではＳ１(△Ｓ５)の位置にある。

そこでＳ１(△Ｓ５)におけるＴｍ５と、この△Ｓ５から次の△Ｓ６におけるＴｍ６とを対比すると、両者間の差は殆どない。次に△Ｓ７におけるＴｍ７とＴｍ５を対比してみると、ここでも両者間の差は殆どない。このようにして△Ｓ５におけるＴｍ５とＴｍ８，Ｔｍ９と順次対比して行く。

ところが、Ｓ２(△Ｓ１０)の時点で、Ｔｍ１０は大きく低下しているため、Ｔｍ５とＴｍ１０との対は３対２になった。このとき予めマイコンには、例えば２／３の滑り出しトルク値Ａを入力設定していたとすれば、Ｔｍ５：Ｔｍ１０が３：２となって、予めの設定値に合致したことになるので、この滑り出しトルク値Ａが締め付けトルクであったと判定出来る。この図３では、滑り出しトルク値Ａが時間の経過Ｓとよくマッチしていて、高い精度での締め付けトルクの測定が可能であった。

また図４では、滑り出しトルク値Ａが生じた時点に対し、時間の経過Ｓが少し長くなってずれを生じているが、この時は△Ｓ９での最大トルク値Ｔｍ９に対し、△Ｓ１１においてＴｓ(滑り出しトルク値)が検出され、Ｔｓ≦２／３ｍの関係がマイコンのＣＰＵ中で演算成立しており、同じく精度の高い判定値が得られている。

先に先行技術文献の項で述べた如く、従来の測定方法ではＸ軸に締め付け回転軸(θ)をとり、Ｙ軸に締め付けトルクをとって、そのトルク勾配の変化を観察するようになっていた。しかし、締め付け(増し締め)回転角により前記滑り出しトルク値Ａを測定することは、技術的な困難度が高い。しかし本発明のように、Ｘ軸に時間を採り入れたことで、滑り出しトルク値Ａの測定が容易になり、精度も高まるものである。

１０ トルクドライバ
１２ デジタル表示部
１４ ハンドル
１６ ソケット
１８ ドライバビット
２０ 製品基板
２２ ボルト
２４ アップ・ダウンスイッチ
２６ ＬＥＤランプ

Claims (2)

1. 製品への最終締め付けがなされたボルト等の被締結物にトルク測定治具を嵌合させ、このトルク測定治具で被締結物を増し締めすることで、被締結物の最終締め付けトルクを測定するに際し、
   前記トルク測定治具が被締結物の増し締めを行っている時間を細分化して、その細分化した時点毎に検出される増し締めトルクを逐次サンプルホールドし、
   前記細分化された時点毎の増し締めトルクを所定の細分化数毎にグループ化すると共に、前記所要数の増し締めトルクのグループよりも時間的に遅れて細分化された時点毎の増し締めトルクも所定の細分化数毎にグループ化し、
   時間的に後行するグループでの最大のトルク変化値と、時間的に先行するグループでの最大のトルク値との比率を常に演算し、
   前記後行するグループの最大のトルク変化値と、先行するグループの最大のトルク変化値との比率が、増し締めトルクの測定に先立ち予め設定しておいた閾値に合致した時点で測定される現実の増し締めトルク値をもって、前記被締結物の締め付けトルクと推定する
   ことを特徴とする締め付けトルクの測定方法。
2. 前記閾値は、最大のトルク変化値の１／３または２／３の如く、増し締めトルク測定前に設定される請求項１記載の締め付けトルクの測定方法。

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