JP4363661B2

JP4363661B2 - 締付け力管理方法および締付け装置

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Publication number: JP4363661B2
Application number: JP2006279463A
Authority: JP
Inventors: 真治橋村; 恭一小松
Original assignee: Institute of National Colleges of Technologies Japan; Tohnichi Mfg Co Ltd
Current assignee: Institute of National Colleges of Technologies Japan; Tohnichi Mfg Co Ltd
Priority date: 2006-10-13
Filing date: 2006-10-13
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2026-10-13
Also published as: JP2008095869A

Description

本発明は、ボルトとナットにより締結されるボルト・ナット締結体、およびスタッドボルトおよびナットにより締結されるねじ締結体に代表されるような締結部材において、その締結部材を所望の締付け力で正確に締付けることのできる締付け管理方法、および締付け装置に関するものである。

ボルト・ナット締結体は、橋梁やビルなどの大型の構造物から、携帯電話やパソコン機器などのマイクロ機器に至るまで、幅広く用いられている。それらに使用されるボルト・ナット締結体やねじ締結体としての強度は、締付け力に大きく依存する。なぜなら、それら締結体の締付け力が低下した場合には、ボルトやナットはゆるみを生じ、疲労破壊の危険性が著しく増加するからである。したがって、締付け力を管理することはボルト・ナット締結体やねじ締結体の安全を確保する上で重要である。

ねじの締付け力は、通常はＪＩＳＢ１０８３の「ねじの締付け通則」に規定されている「トルク法」、すなわち締付けトルクで管理するのが一般的であり、また、トルク法以外の管理方法として、回転角法、トルク勾配法がある。

しかし、一般に広く用いられているトルク法や回転角法において得られる締付け力は、目標値に対して±20%から50%と非常大きなばらつきを生じるといわれている。

したがって、ボルト締結体の強度上の信頼性は決して十分とは言えないのが現状である。それゆえ、締結部材の破壊を防止してボルト・ナット締結体に代表されるような締結部材の信頼性を向上するためには、締付け力を正確に管理できる締付け法の開発が求められる。

締付け管理の方法としては、これまで超音波により締付け力を測定しながら締付ける方法等が提案されている。この方法は、あらかじめボルト頭部端面から入射する超音波がねじ先端で反射して戻るまでの伝達時間と締付け力の関係を測定しておき、ボルトの軸方向に超音波を発信ながら締付けることで、超音波の伝達時間から締付け力を把握して締付ける方法である。

この方法は、締付け力を直接測定できるが、ボルト締結体の仕様毎に伝達時間と締付け力の関係を調べておく必要がある上、専用のボルトと高価な測定器を要するので使用個所が限られる。

また、あらかじめ被締結物表面を押さえて、ボルト先端を所望の初期締付け力で引張りながら締付けることで締付け力を管理する方法が提案されている（特許文献１）。

一方、ボルト・ナット締結体が被締結体を実際に締付けている状態での締付け力を検出する方法として、ナットから突出しているボルトの先端部に回動部材を螺合させ、この回動部材を回転させることにより該ボルトの先端部を引張り、その際反力を該ナットで受けるようにし、該回動部材に作用するトルクの変移点を当該ボルト・ナット締結体の締付け力と判断することが提案されている（特許文献２）。

また、同様にしてボルトのばね定数の変移点を検出し、該変移点での引張り力を締付け力と判断することも提案されている（特許文献３）
特開２００５−１８０５０８公報特開２００４−１０１２４６公報特開２００３−２４０６５５公報

ところで、上述した特許文献１に記載の締付け力管理方法は、締付け作業において締付け力をある程度正確に管理することができるが、被締結物表面を押さえて引張り力を負荷する（ボルトを内包した筒状の押え部品の先端が被締結物表面に当接してボルトを引っ張る際の引っ張り力が負荷される）ので、押さえる部分の接触面積と、最終的な締付け状態におけるナット座面の接触面積が異なるため、該押さえる部分の弾性変形の違いによって、内外力比（ボルト締結体の被締結物に外力が作用した際に、その外力と外力によってボルトに追加軸力(締付け力)として作用する力の割合）に依存した分だけ必ず締付け力に誤差を生じる。

また、特許文献２、３は、ナットに反力を与えて該ナットから突出したボルトの先端部を引張るが、この場合、既に締付けられているボルトの締付け力を検出するものであり、ボルト・ナット締結体を所望の締付け力で締付けるものではない。

本発明者等は、このような問題が生じる原因として、ボルトの先端を所望の初期締付け力で引っ張る際、被締結物表面にその反力を付与することによって発生することに着目し、被締結物側にこのような反力を付与することなくボルトの先端部を初期締付け力で引っ張ることができれば、所望の締付け力が得られる本発明を為すに至ったものである。

本発明の目的は、ボルトとナットにより締結されるボルト・ナット締結体およびスタッドボルトおよびナットにより締結されるねじ締結体に代表されるような締結部材において、所望の初期締付け力で正確に締付けることができる締付け力管理方法および締付け装置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第１の締付け力管理方法は、請求項１に記載のように、雄ねじ部材と、該雄ねじ部材にねじ結合するナットとの締結体により、被締結体を締結するための締付け力を管理する締付け力管理方法において、前記ナットから突出した前記雄ねじ部材の突出部に、求められる締付け力と同じ力の引張り力を該ナットが反力を受けるようにして付与し、その後当該引張り力を維持しながら、該ナットと該雄ねじ部材の双方のねじ面間がバックラッシュにより浮いた状態になるまで該ナットを該雄ねじ部材に対して締付けることを特徴とする。

また、本発明の目的を実現する第２の締付け力管理方法は、請求項２に記載のように、雄ねじ部材と、該雄ねじ部材にねじ結合するナットとの締結体により、被締結体を締結するための締付け力を管理する締付け力管理方法において、前記ナットから突出した前記雄ねじ部材の突出部に、求められる締付け力と同じ力の引張り力を該ナットが反力を受けるようにして付与し、その後当該引張り力を維持しながら、該ナットと該雄ねじ部材の双方のねじ面間がバックラッシュにより浮いた状態になるまで該ナットを該雄ねじ部材に対して締付け、さらに、該ナットを該雄ねじ部材と該ナットのねじ面間が前記被締結体を締結する締結状態の接触状態になるまで締付けることを特徴とする。

本発明の目的を実現する第１の締付け装置は、請求項３に記載のように、被締結体を締結するねじ締結体を締付ける締付け装置において、前記ねじ締結体のナットから突出した雄ねじ部材の突出部に対してねじ結合する引張り用冶具をねじの締め付け方向に回転することで、前記ナットが反力を受けて前記雄ねじ部材の突出部に引張り力を付与する引張り力付与手段と、前記引張り力付与手段で前記雄ねじ部材の突出部に付与した引張り力を維持して前記ナットを前記引張り用冶具と共に締付け方向に回転させる第１のナット回転手段と、前記引張り用冶具を非回転として前記ナットを回転させる第２のナット回転手段と、を有することを特徴とする。

本発明の目的を実現する第２の締付け装置は、請求項４に記載のように、前記引張り力付与手段で前記雄ねじ部材の突出部に付与される引張り力を検知する第１の検知手段と、前記被締結体の締結力を検知する第２の検知手段と、前記第１の検知手段が求められる締付け力と同一の引張り力を検知すると、前記引張り用冶具の回転を停止し、前記第１のナット回転手段により前記ナットと前記引張り用冶具を回転させて前記被締結体を締結する際に、前記第２の検知手段が該ナットと該雄ねじ部材の双方のねじ面間がバックラッシュにより浮いた状態になる前記求められる締付け力を検知すると前記第１のナット回転手段の駆動を停止させ、前記第１のナット回転手段の駆動停止後、前記第２のナット回転手段により前記ナットを回転させる際には、該ナットを該雄ねじ部材と該ナットのねじ面間が前記被締結体を締結する締結状態の接触状態になるまで回転させる制御手段を有することを特徴とする。

本発明によれば、ボルト（スタッドボルト）・ナットといった締結体を安全設計上の所望の締付け力で正確に締付けることができ、橋梁やビルなどの大型の構造物を始め、常に振動にさらされる自動車や鉄道等の輸送機器の安全性を大幅に高めるものである。

また、正確な締付け管理ができるので、これまでに多く取られていたボルトの安全率を軽減することができ、結果的にボルトサイズの低減によるコストダウンも見込まれる。

また、被締結物表面ではなくナット上面を押さえることで、最終締付け状態と同様の接触状態でナットを締付けるので、誤差のない締付け力が得られる。

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実施例
図１〜図３は本発明による締付け力管理方法をボルト・ナット締結体に適用した実施例を示し、図１はボルト・ナット締結体の締付け状態を示す縦断面図、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）はボルト・ナット締結体の締付け過程を示す図、図３はナット回転角θに対する、引っ張り力Pと締付け力Ｆとの挙動を示す図である。

なお、本実施例はボルトとナットにより締結されたボルト・ナット締結体を用いて締付け力管理方法を説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、スタッドボルトとナットにより締結されるねじ締結体等に適用できることは言うまでもないことである。

図１において、締付け力Ｆ_ｃで締付けられたボルト１とナット２のボルト・ナット締結体の概略図を示す。ボルト・ナット締結体において、強度上の信頼性を確保するためには、設計上規定された所望の初期締付け力Ｆ_ｃで締結する必要がある。ここで、締付けられた図１に示すボルト・ナット締結体において、締付け力Ｆ_ｃはボルト１に引張り力として作用し、被締結体３、４には圧縮力として作用する。

また、ボルト１に作用する締付け力Ｆ_ｃはナット２に噛合うねじ山に分布して作用するが、本実施例の説明では便宜上、ボルト１の雄ねじとナット２の雌ねじが噛合い始める第１ねじ部の点Ａに集中して作用すると考える。

図２は、本発明における締付け力管理方法における締付け過程の概要図と、そのときのボルト１の雄ねじとナット２の雌ねじが噛合うねじ面の様子を示している。

図２において、(ａ)は第１締付け工程、(ｂ)は第２締付け工程、（ｃ）は第３締付け工程の状態を示している。本発明では、ナット２から突出したボルト１の先端のねじ部を、ナット２の上面を押さえて、締結する前に（図２（ａ）に示すようにナット２の座面は被締結体３の表面から離隔している）所望の締付け力Ｆ_ｃと同じ大きさの引張り力Ｐで引張る。

ところで、所望の締付け力Ｆ_ｃと同じ大きさの引張り力Ｐでボルト１の先端のねじ部を引張ることは必ずしも容易ではない。そこで、本実施例では内周面に雌ねじ部を形成したパイプ部材を引張り用冶具５として使用し、ボルト１の先端のねじ部に、このパイプ部材５の雌ねじを噛合わせる。また、引張り冶具５の外周には、ナット２の外形と合致する内径形状を有するいわゆるソケットのようなナット押付け冶具６を配置し、このナット押付け冶具６をナット２に嵌合する。

ボルト１の先端部にねじ結合した引張り冶具５を軸回りには回転可能とするが、軸方向への移動は不能とし、引張り用冶具５に発生するスラスト力を例えばナット押付け冶具６で受けるようにすることで、引張り冶具５を回転させることによりナット２と引張り冶具５との間でボルト１の先端のねじ部に引張り力Ｐを負荷する。

図２(ａ)に示す第１締付け工程での締付け状態におけるボルト・ナット締結体は、ボルト１とナット２のねじ面はその噛合い状態を示す部分拡大図で示されるように噛合っているが、ナット２の座面は被締結物３の表面に接触しておらず、締付け力Ｆは生じていない状態（Ｆ＝０）である。

この状態のボルト・ナット締結体において、ナット２の上面を押さえてナット２から突出したボルト１の先端のねじ部に引張り用冶具５を噛合わせている。

図２(ａ)に示す第１締付け工程では、ナット２の上面を押さえて引張り用冶具５を回転させることで所望の初期締付け力(Ｐ=Ｆ_ｃ)までボルト１の先端の雌ねじ部と噛合い始める点Ｏを引張る。このとき、引張り力Ｐはボルト１の雄ねじと引張り用冶具５とが噛合っている範囲に分布して作用するが、ここでは便宜上点Ｏに集中して作用すると考える。なお、この状態におけるボルト１とナット２のねじ面の噛合い状態は、ねじの接触している面が締結状態とは逆になっており、ボルト１は点Ｏと第１ねじ部の点Ａの間で伸びている。

次に、引張り用冶具５とナット２を締付け方向に同じ回転速度で締め込んでいく。そして、引っ張り用冶具５の雌ねじはボルト１およびナット２のピッチと同ピッチとしており、このため引張り力Ｆを負荷している点Ｏ−Ａ間の相対距離を維持して、ナット２が被締結物３の表面に向かって移動することとなる。

ここで、被締結物３、４に生じる締付け力Ｆが、Ｆ<Ｆ_ｃのときは、点Ｏ−Ａ間の相対距離を維持されるので引張り力ＰはＦ_ｃのままである。

さらに、引張り用冶具５とナット２を締付け方向に回転させ、被締結物３、４に生じる締付け力Ｆが、Ｆ=Ｆ_ｃになるまで締付けたときの状態が、図２(ｂ)に示す第２締付け工程の状態であり、このときボルト１とナット２のねじ面間は、図２（ｂ）のねじ面間の部分拡大図で示すように、バックラッシュにより浮いた状態であり基本的に接触していない。

したがって、この状態で引張り力Ｐを除去すると、ボルト１とナット２のねじ面間に生じている隙間の分だけボルト１の伸びは緩和され、ボルト締結体の締付け力はＦ_ｃ以下になる。

なお、被締結物３、４に生じる締付け力Ｆが、Ｆ<Ｆ_ｃのとき、ボルトは引張り力Ｆを負荷する点Ｏと第１ねじ部の点Ａの間で伸びているが、被締結物３、４に生じる締付け力Ｆが、Ｆ=Ｆ_ｃになったとき、ボルト１とナット２のねじ面はバックラッシュにより浮いた状態となり、ボルト１は点Ｏとボルト首下の点Ｂの間で伸びている。

ここで、点Ｏ−Ａ間の相対距離は維持して、引張り用冶具５とナット２を締付け方向に同じ回転速度で締め込んで、そのときの締付け力Ｆが、Ｆ>Ｆ_ｃになった場合には、引張り力Ｐは、Ｐ=Ｆとなり、引張り力Ｐは締付け力Ｆとともに上昇する。

ここで、同じ回転速度で締付けていた引張り用冶具５とナット２の締付け停止条件は、引張り力Ｐが、Ｐ=Ｆ_ｃ一定の状態から、Ｆ>Ｆ_ｃとなった後、Ｐ=Ｆで変化し始めるという間でのナット２の回転角をθとすると、以下のようになる。

以上の状態では、ボルト１とナット２のねじ面間は図２（ｂ）の部分拡大図で示すようにバックラッシュにより浮いた状態であり、引張り力Ｐを除去すると締付け力ＦはＦ_ｃ以下になる。

そこで、図２（ｃ）に示す第３締付け工程での締付け状態では、引張り冶具５は回転させずに、ナット２のみを締付け方向に回転させる。このことで、ボルト１とナット２のねじ面を最終締結状態における接触状態にする。

すなわち、図２（ｂ）に示した第２締付け工程での締付け状態後に、ナット２のみを回転させると、ボルト１とナット２のねじ面間に残っているバックラッシュの分だけ、ボルト１の先端に負荷している引張り力Ｐおよびボルト・ナット締結体の締付け力Ｆに変化を与えずに、ボルト１のねじ山に対するナット２のねじ山の相対位置のみが移動し、ボルト１とナット２のねじ山の接触状態が最終締結状態になる。

ここで、図２（ｃ）の第３締付け工程では、ナット２のみを回転させ引張り用冶具５は回転させないので、ナット２を最終締結状態後さらに回転させることにより、点Ｏ−Ａ間の相対距離は維持されず、点Ｏ−Ａ間の相対距離は減少する。

その結果、引張り力Ｐは減少し始めることになる。なお、ボルト・ナット締結体の締付け力Ｆは、ナット２が締め込まれるのでＰの値とは逆にＦ_ｃから増加する。ここで、ナット２の締付け回転の停止条件は、引張り力Ｐが、Ｐ=Ｆ_ｃ一定の状態から、Ｐ<Ｆ_ｃと変化し始める間のナット２の回転角θにより決定される。

以上のような動作を行ったあと、引張り力Ｐを完全に除去して締付けを完了する。

図３に、図２（ｂ）に示した第２締付け工程と、図２（ｃ）に示した第３締付け工程の締付け状態におけるナット回転角θに対する引張り力Ｐおよびボルト・ナット締結体の締付け力Ｆの挙動を示している。なお、図２（ａ）に示す第１締付け工程の状態は省略する。

図３において、縦軸はボルト先端に負荷する引張り力Ｐとボルト・ナット締結体の締付け力Ｆを示しており、横軸はナット（及び引張り冶具５）の回転角θを示している。また、図３において、実線で示す特性線がボルト先端に負荷する引張り力Ｐの挙動を示し、破線で示す特性線がボルト・ナット締結体の締付け力Ｆの挙動を示している。

図２について上述した説明のように、第２締付け工程では、引張り力Ｐを負荷している点Ｏと点Ａ間の相対距離を維持して引張り冶具５とナット２を締付け方向に回転させる。したがって、引張り力Ｐは維持されたまま締付け力Ｆが増加する。締付け力Ｆが、Ｆ<Ｆ_ｃのとき、ボルト１は点Ｏ−Ａ間で伸びているが、締付け力ＦがＦ=Ｆ_ｃになるとボルトは点Ｏ−Ｂ間で伸び始める。

したがって、ボルト１の伸びる長さがＯ−Ａ間からＯ−Ｂ間に変化することでばね定数が減少し、破線で示す締付け力Ｆの傾きは、Ｆ=Ｆ_ｃになったときに図３のように変化する。なお、このときボルト１とナット２のねじ面間はバックラッシュにより浮いた状態である。

また、Ｆ=Ｆ_ｃとなった以降に、引張り冶具５とナット２を締付け方向に回転させると、図３に示すように引張り力ＰはＦとともに増加し始める。したがって、引張り力ＰがＦとともに増加し始める点、すなわち引張り冶具５とナット２の締付け停止条件は、引張り力Ｐが、Ｐ=Ｆ_ｃ一定の状態から、Ｆ>Ｆ_ｃとなった後、Ｐ=Ｆで変化し始める間のナット２の回転角θであり、その点で第２締付け工程は終了する。

また、上述したように、この状態で引張り力Ｐを除去すると、ボルト１とナット２のねじ面間に生じている隙間の分だけボルトの伸びは緩和され、ボルト締結体の締付け力はＦ_ｃ以下になる。

次に、図３の第３締付け工程での締付け状態では、バックラッシュにより浮いた状態のボルト１とナット２のねじ面間を締結状態にするプロセスである。

この第３締付け工程では、引張り冶具５は回転させずに、ナット２のみを締付け方向に回転させる。この動作により、図３に示すように、ねじ面間に残っているバックラッシュの分だけボルト１の先端に負荷している引張り力Ｐおよびボルト・ナット締結体の締付け力Ｆが変化せずに、ボルト１のねじ山に対するナット２のねじ山の相対位置のみが移動し、ボルト１とナット２のねじ山の接触状態が最終締結状態になる。

この後、すなわち最終締結状態後さらにナット２を回転させると、引張り力ＰはＦ_ｃから減少し始め、同時に締付け力ＦはＦ_ｃから増加する。

したがって、ナット２の締付け回転の停止条件は、引張り力Ｐが、Ｐ=Ｆ_ｃ一定の状態から、Ｐ<Ｆ_ｃと変化し始める間のナット２の回転角θとなる。

以上のような動作を行った後、引張り力Ｐを完全に除去して締付けを完了する。このような動作を行うことで、正確に所望の締付け力Ｆ_ｃでボルト・ナット締結体を締付けることができるのである。
第２実施例
図４および図５は本発明の第２実施例を示す。

図４および図５に示す第２実施例は、上記した本発明の締付け力管理方法を有効に実施できる締付け装置の一例を示している。図４（ａ）は締付け装置の外観正面図、同図（ｂ）は（ａ）に示す装置の締付け力創出部の拡大図を示している。図５（ａ）〜（ｃ）は図４に示す締付け力創出部の動作をそれぞれ上記した第１締付け工程、第２締付け工程、第３締付け工程に対応して示したもので、上段は遊星歯車機構の動きを示し、下段はそのときの締付け力創出部全体の動作を示す。

上述した本発明の締付け力管理方法を実現するためには、ナットから突出したボルト先端のねじ部に雌ねじ部を有した軸回りに回転可能な雌ねじ部材を噛合わせ、一方、前記ナットの上面を押さえて（ナットと雌ねじ部材との軸間距離を一定にして）、前記雌ねじ部材を回転させることで設計上求められる締付け力Ｆ_ｃをボルト先端に負荷し、その後、雌ねじ部材とナットを同時にまた個別に回転させる必要がある。そこで、本実施例の締付け装置では、遊星歯車機構を用いることで、一つのモ−タの回転で上述した動作を実現している。

締付け装置の構成としては、図４（ａ）に示すように、固定台をなすフレ−ム１１に上下方向の直線移動を案内するリニアガイド１２を介してスタンド１３を取付け、このスタンド１３の上部にロータリーエンコーダ１４ａを有するモータ１４を上下方向にモータ軸を合わせて下向きに取付けている。このモータ１４の出力軸に設けたトルク変換機１５によりモータ１４のトルクを測定できるようになっており、スタンド１３に取付けたモータ１４とトルク変換機１５によりヘッド部１６を構成している。なお、モ−タ１４とトルク変換機１５は同軸で固定され、さらにトルク変換機１５は後述の締付け力創出部１７にフレキシブルカップリング１８を介して同軸にて固定されている。なお、ここで、トルク変換機１５は特に必要ではないが、本発明の方法をモ−タの回転トルクから実現（管理）する場合に使用する。

締付け力創出部１７の構成を、図４(ｂ)を参照して以下に説明する。

ボルト・ナット締結体における所望の初期締付け力Ｆ_ｃは、強度区分に依存するが、M10の強度区分12．9で4．5トン程度と極めて大きい。

図４（ｂ）において、フレキシブルカップリング１８に連結される入力軸２１は、遊星歯車機構の太陽歯車２２に連結されている。この遊星歯車機構は、太陽歯車２２に噛合ってその回りを自転しながら公転する３個の遊星歯車２３を回転自在に取付けたキャリア２４の中心部分をなす円筒部２４ａを入力軸２１に外装している。またこれら３個の遊星歯車２３には、キャリア２４の取り付け側とは反対側に、下端部に雌ねじ部２５ａを形成した引張り用冶具を構成する丸軸状の雌ねじ部材２５が取付けられ、この雌ねじ部材２５がキャリア２４と一体に回転するようになっている。

雌ねじ部材２５は入力軸２１と同一軸心上に配置され、自動調心器付のスラストベアリング２６を介してキャリア２４に連結されている。

雌ねじ部材２５の外周には円筒形状のナット押付け部材２７が配置され、このナット押付け部材２７は上端がスラストベアリング２８を介して雌ねじ部材２５の段部に当接し、また下端が押し当て部材２９を介してナット２の上部に当接している。したがって、雌ねじ部材２５を回転させると、雌ねじ部２５ａに噛合うナット２から突出するボルト１の先端部が上方に引き上げられ、ナット押付け部材２７と押し当て部材２９とによって、上述したようにナット２に引張り力Ｐが与えられ、ナット２に反力が加わる。

なお、ナット押付け部材２７に第１検知手段である第１ロードセル（不図示）を設け、引張り力Ｐを監視できるようにしている。また、被締結物として例えば対向する一対のフランジ部材１００，１０１の間にパイプ１０２を配置した構成とし、これらをボルト・ナット締結体により締結する。そして、スタンド１１に取付けられた位置決めプレート１１ａに下方のフランジ部材１０１を所定位置に位置決めしている。図４（ｂ）では、締付け完了時において、被締結物を構成する下方のフランジ１０１が位置決めプレート１１ａから抜け出ないように見えるが、例えば位置決めプレート１１ａを分割構造とすることにより、下方のフランジ１０１を取り出すことができる。なお、前記被締結物を構成するパイプ１０２に第２の検知手段である第２ロードセル（不図示）を設け、被締結物の締付け力を測定できるようにしている。

ナット押付け部材２７の外周には円筒形状の回転筒３１が配置され、この回転筒３１の下端にナット２の外形形状に合致する係合穴が形成された係合板３２が交換可能に固定されて締付け具を構成している。ボルト・ナット締結体をなすボルト２に係合板３２の係合穴を係合させて回転筒３１を回転させると、ナット２を回転させることができる。

遊星歯車機構において、３個の遊星歯車２３と噛合う内歯車３３は、接続体３４を介して締付け具の回転筒３１に固定されている。したがって、内歯車３３を回転させることができれば、回転筒３１を回転させることができるが、上記した第２締付け工程を実行するにはキャリア２４（雌ねじ部材２５）との一体回転が要求され、上記した第３締付け工程を実行するにはキャリア２４の回転を停止して内歯車３３のみを回転させることが要求される。

そこで、本実施例では、内歯車３３と同一軸心に略同一外径のクラッチ板３５をキャリア２４の円筒部２４ａの外周にワンウェイクラッチ３６を介して配置している。このワンウェイクラッチ３６は、締付け工程を実行するためにキャリア２４が回転する方向（締付け方向とする）ではクラッチ板３５をキャリア２４の円筒部２４ａに連結して一体的に回転させ、例えばモータ１４の回転を停止した状態にあっては、クラッチ板３５を手動により前記締付け方向へ自由に回転できるようにしている。

また、クラッチ板３５と内歯車３３には、入力軸２１の軸方向に沿って連結軸３７が挿脱可能な挿通穴３５ａ、３３ａが同一円周上に複数形成されている。クラッチ板３５を独自に手動操作で回転させ、クラッチ板３５の挿通穴３５ａを内歯車３３の挿通穴３３ａに一致させて連結軸３７をクラッチ板３５の挿通穴３５ａから挿通穴３３ａに挿通することにより、クラッチ板３５と内歯車３３とが一体的に回転可能な状態となる。この場合、キャリア２４の回転を許容することにより、雌ねじ部材２５と締付け具の回転筒３１とが一体に回転する。

また、キャリア２４の回転を阻止すると、太陽歯車２２の回転が公転不能状態にある遊星歯車２３を介して内歯車３３を回転させる。この場合、内歯車３３をナット２の締付け方向に回転させるには、モータ１４の回転方向を第１、第２締付け工程とは逆方向とする。その際、連結軸３７を挿入したままでもクラッチ板３５がワンウェイクラッチ３６の作用により空回転するだけなので、内歯車３３の回転に支障はないが、連結軸３７を抜き取ることにより、クラッチ板３５との連結によるトラブルの発生を排除することができる。

また、内歯車３３の回転を阻止すれば、キャリア２４のみが回転する。

上述したキャリア２４の回転を阻止する手段として、キャリア２４の円筒部２４ａに棒状の第１固定具３８を取付け、この第１固定具３８を例えばスタンド１１に対して選択的に固定状態とフリーな状態に切換可能とすることが例示できる。同様に、内歯車３３の回転を阻止する手段として、締付け具の回転筒３１に棒状の第２固定具３９を取付け、この第２固定具３９を例えばスタンド１１に対して選択的に固定状態とフリーな状態に切換可能とすることが例示できる。

なお、本実施例では、ボルト１の先端を所望の締付け力Ｆｃと等しい力で引張るために、ナット２から突出したボルト１の先端のねじ部に、丸軸状の雌ねじ部材２５の下端部に形成した雌ねじ部２５ａを噛合わせ、雌ねじ部２５ａとボルト１のねじ部を利用することで比較的容易にボルト先端のねじ部に引張り力を負荷しているが、本発明を実現するにあたって、特にねじ部を噛合わせることに限定するものではない。

上記した構成の締付け装置の動作を図５を参照して以下に説明する。

先ず、ボルト・ナット締結体を適度な締付け力で仮締めした被締結物を装置にセットする。その際、図５（ａ）に示すように、連結具３７は抜き取った状態とし、第１固定具３８はフリーな状態とし、第２固定具３９は固定状態とする。

スタンド１３を下方に移動させて雌ねじ部材２５の雌ねじ部２５ａをナット２から突出したボルト１の先端に合わせて噛合わせる（例えば手動により第１固定具３８を操作してキャリア２４を少し回転させることにより雌ねじ部材２５が回転して雌ねじ部２５ａにボルト１の先端部が噛合う）。また、押し当て部材２９がナット２の上面に当接し、締付け具の係合板３２がナット２に係合する。

このように締め付け準備が終了すると、モータ１４を駆動して遊星歯車機構の太陽歯車２２を矢印方向に回転させて、図５（ａ）に示す第１締付け工程を開始する。

この場合、内歯車３３の回転が阻止されているので締付け具の回転筒３１は回転せず、キャリア２４が回転して雌ねじ部材２５が回転することによるボルト１のねじ部との螺合と、ナット押付け部材２７の押し当て部材２９がナット２の上部に押し当てられていることにより、ボルト１の先端部分を引張る動作が実行される。

その際、ナット押付け部材２７に設けた第１ロードセルにより引張り力を計測すると共に、モータ１４に設けたロータリーエンコーダ１４ａの出力情報より雌ねじ部材２５の回転角度（θ）を求め、当該ボルト・ナット締結体の引張り力とθの関係を示す特性線を求めておけば、以後の締付け作業の際に、ロータリーエンコーダ１４ａの出力情報に基づいて引張り力の決定を行える。

雌ねじ部材２５の回転を続けるに従って引張り力が大きくなり、所望の初期締付け力Ｆcに達するまでボルト１の先端ねじ部を引張る動作を行う。そして、第１ロ−ドセルで監視している引張り力Ｐが所望の初期締付け力Ｆ_ｃになった時点でモータ１４の回転を停止し、遊星歯車機構の回転を停止する。

次に、上記した第２締付け工程を実行するために、第１固定具３８のフリー状態を維持すると共に、固定状態にある第２固定具３９をフリー状態に切り換え、連結具３７をクラッチ板３５と内歯車３３の挿通穴３５ａ，３３ａに挿通し、内歯車３３とキャリア２４との一体回転を可能とする。

この状態でモータ１４を回転させると、内歯車３３とキャリア２４との相対運動を固定しているため、遊星歯車２３の自転が停止されてキャリア２４と内歯車３３とが一体的に回転する（同一回転数で同時に回転する）。すなわち、雌ねじ部材２５と締付け具の回転筒３１とが一体的に回転することにより雌ねじ部２５ａとナット２はボルト１のねじ部を螺進し、ナット押し当て部材２９でナット２の上部を押付け、所望の初期締付け力Ｆ_ｃでボルト先端のねじ部を引張った状態を維持する。

上記初期締付け力Ｆ_ｃを維持してナット２が螺進し、上方のフランジ部材１００の上面に当接すると、ナット２とボルト１の首下との間に締付け力（この締付け力を以下締結締付け力と称す）が発生する。この締結締付け力は被締結体を構成するパイプ１０２に設けた前記第２ロードセルにより検出することができ、同時に前記ロータリーエンコーダ１４ａの出力情報に基づいて上記回転角度θとの関係が求められる。

締結締付け力が初期締付け力Ｆ_ｃとなると、モータ１４の回転を停止する。

最後に、第３締付け工程を実行するために、図５（ｃ）に示すように、第１固定具３８を固定状態とし、第２固定具３９をフリー状態とし、モータ１４の回転方向を逆方向とする。すなわち、モータ１４が回転すると、キャリア２４は回転できないが太陽歯車２２の回転が遊星歯車２２を回転させ、さらに内歯車３３を回転させるので、雌ねじ部材２５は非回転となるが締付け具の回転筒３１はナット２の締付け方向に回転する。したがって、ナット２のみを回転させることができる。このように、ナット２の上面を押さえて所望の初期締付け力Ｆcでボルト先端のねじ部を引張った状態で、ナット２のみを回転させてボルト１とナット２のねじ面の状態を締結状態にして締付けを完了する。

なお、上記した第２締付け工程を実行するためのモータ１４の制御は、前記第１ロ−ドセルで引張り力Ｐを監視し、引張り力Ｐが所望の初期締付け力Ｆ_ｃの状態から上昇し始める点で停止する。なお、この停止条件をより正確に行うために、モ−タ１４の端部に取り付けたロータリーエンコ−ダ１４ａでナット２の回転角θに対する引張り力Ｐの微分値dＰ/dθを取り、dＰ/dθをモ−タ回転停止の条件に用いることも可能である。また、これらの制御は不図示のＡ/D変換ボ−ドを使って制御装置をなす不図示のパーソナルコンピュータ等にロータリーエンコーダ１４ａ、第１，２ロードセルの情報を入力し、締付け装置の制御を行う。

したがって、ナット２の回転角θに対する引張り力Ｐの微分値dＰ/dθは差分値であり、θおよびＰの挙動はそれぞれ離散化したディジタルデ−タであるので大きく振動する。そこで、そのような場合には、dＰ/dθの値を平均化することで対応する。

また、図５（ｃ）に示す第３締付け工程の実行において、ナット２の回転は、第１ロ−ドセルで監視している引張り力Ｐが、第２締付け工程の動作後、所望の初期締付け力Ｆ_ｃの状態から減少し始める点で停止する。なお、この停止条件をより正確に行うために、ロータリーエンコ−ダ１４ａでナット２の回転角θに対する引張り力Ｐの微分値dＰ/dθを取り、dＰ/dθをモ−タ回転停止の条件に用いることも可能である。なお、この場合もdＰ/dθの値が大きく振動する場合には、dＰ/dθの値を平均化することで対応する。

この動作の後に、雌ねじ部材２５を逆回転させて取り外し、ナット２に係合させていた締付け具を取り外すことで所望の締付け力Ｆ_ｃをボルト・ナット締結体に与えた状態で締付けを完了する。

以上、本発明の実施例について説明したが、ここで示した実施例はさまざまに変形することが可能である。すなわち、ここで示したボルトおよびナットの詳細な形式には限定されずにこの発明では締付け力を用いて被締結物を締結する方法であって、あらかじめボルトの軸部に締付け力を加えて締付け力を管理する締付け方法にこの発明を適用することができる。

この発明は、ボルトとナットにより締結されるボルト・ナット締結体およびスタッドボルトおよびナットにより締結されるねじ締結体に代表されるような締結部材を用いる機械や建築、電気等の幅広い分野で用いることができる。

ボルト・ナット締結体の概略図本発明による締付け力管理方法の一実施例を示し、（ａ）〜（ｃ）は、ボルト・ナット締結体の締付け過程の概略図。締付け過程における着力点変位に対する引張り力と締付け力の挙動を示す図本発明による締付け装置の一実施例を示し、（ａ）は締付け装置の外観正面図、（ｂ）は（ａ）に示す装置の締付け力創出部の拡大図。（ａ）〜（ｃ）は図４に示す締付け力創出部の動作をそれぞれ上記した第１締付け工程、第２締付け工程、第３締付け工程に対応して示したもので、上段は遊星歯車機構の動きを示し、下段はそのときの締付け力創出部全体の動作を示す。

符号の説明

１ボルト
２ナット
５引張り用冶具
６ナット押付け冶具
１１フレーム
１２リニアガイド
１３スタンド
１４モータ
１４ａロータリーエンコーダ
１５トルク変換機
１６ヘッド部
１７締付け力創出部
１８フレキシブルカップリング
２１入力軸
２２太陽歯車
２３遊星歯車
２４キャリア
２４ａ円筒部
２５雌ねじ部材
２５ａ雌ねじ部
２６スラストベアリング
２７ナット押付け部材
２８スラストベアリング
２９押し当て部材
３１回転筒
３２係合板
３３内歯車
３４接続体
３５クラッチ板
３６ワンウェイクラッチ
３７連結軸
３８第１固定具
３９第２固定具
１００，１０１フランジ部材
１０２パイプ

Claims

雄ねじ部材と、該雄ねじ部材にねじ結合するナットとの締結体により、被締結体を締結するための締付け力を管理する締付け力管理方法において、
前記ナットから突出した前記雄ねじ部材の突出部に、求められる締付け力と同じ力の引張り力を該ナットが反力を受けるようにして付与し、その後当該引張り力を維持しながら、該ナットと該雄ねじ部材の双方のねじ面間がバックラッシュにより浮いた状態になるまで該ナットを該雄ねじ部材に対して締付けることを特徴とする締付け管理方法。
雄ねじ部材と、該雄ねじ部材にねじ結合するナットとの締結体により、被締結体を締結するための締付け力を管理する締付け力管理方法において、
前記ナットから突出した前記雄ねじ部材の突出部に、求められる締付け力と同じ力の引張り力を該ナットが反力を受けるようにして付与し、その後当該引張り力を維持しながら、該ナットと該雄ねじ部材の双方のねじ面間がバックラッシュにより浮いた状態になるまで該ナットを該雄ねじ部材に対して締付け、さらに、該ナットを該雄ねじ部材と該ナットのねじ面間が前記被締結体を締結する締結状態の接触状態になるまで締付けることを特徴とする締付け管理方法。
被締結体を締結するねじ締結体を締付ける締付け装置において、
前記ねじ締結体のナットから突出した雄ねじ部材の突出部に対してねじ結合する引張り用冶具をねじの締め付け方向に回転することで、前記ナットが反力を受けて前記雄ねじ部材の突出部に引張り力を付与する引張り力付与手段と、
前記引張り力付与手段で前記雄ねじ部材の突出部に付与した引張り力を維持して前記ナットを前記引張り用冶具と共に締付け方向に回転させる第１のナット回転手段と、
前記引張り用冶具を非回転として前記ナットを回転させる第２のナット回転手段と、
を有することを特徴とする締付け装置。
前記引張り力付与手段で前記雄ねじ部材の突出部に付与される引張り力を検知する第１の検知手段と、
前記被締結体の締結力を検知する第２の検知手段と、
前記第１の検知手段が求められる締付け力と同一の引張り力を検知すると、前記引張り用冶具の回転を停止し、前記第１のナット回転手段により前記ナットと前記引張り用冶具を回転させて前記被締結体を締結する際に、前記第２の検知手段が該ナットと該雄ねじ部材の双方のねじ面間がバックラッシュにより浮いた状態になる前記求められる締付け力を検知すると前記第１のナット回転手段の駆動を停止させ、前記第１のナット回転手段の駆動停止後、前記第２のナット回転手段により前記ナットを回転させる際には、該ナットを該雄ねじ部材と該ナットのねじ面間が前記被締結体を締結する締結状態の接触状態になるまで回転させる制御手段を有することを特徴とする請求項３に記載の締付け装置。