JP5877468B2 - 衝撃締付工具 - Google Patents

Description

本発明は、ネジの締め付けに用いる衝撃締付工具に関する。

部品同士の固定にはネジが用いられている。ネジは締め付けトルクが不足すると緩みが生じ、逆に過剰になるとネジの破損を招く。
そのため、ネジの締め付けに際し、適正なトルクで締め付けを行うことが重要である。

今日において、連続的な打撃によってネジの締め付けを行う衝撃締付工具が広く用いられている。衝撃締付工具を用いた場合において、締め付け作業は、設定締め付けトルク（適正な締め付けトルク）に到達したときにネジへのトルク伝達を停止し、適正な締め付けトルクとするものである。
ネジへのトルク伝達の停止は、衝撃締付工具の回転動力源（例えばモータ）を停止する、制動する、動力源からネジへのトルク伝達を切り離す、などの態様を例示することができる。
そして、この種の衝撃締付工具として既に、特開昭６１−４６７６号、及び特許第４５６０２６８号がある。（特許文献１、特許文献２）

特許文献１記載の技術は、動力伝達軸が有する歪ゲージにより、動力伝達軸の捩じれ量を（歪み量）を得ることで工具の締め付けトルクを求め、締め付けトルクが設定値に達したときにモータを停止させるものである。
これは、ネジを適正なトルクで締め付けるために都合が良い。しかし、動力伝達軸に歪ゲージを貼着する作業は非常に繊細であることから熟練を要すると共にコストが高くなる。また、関連部品も必要となるため工具全体が大型化し、重量も大きくなるという問題があった。

特許文献２記載の技術は、モータを含む回転部のイナーシャと、衝撃締付発生機構の駆動側が有する位置センサ情報を元に得た角加速度値から、工具の締め付けトルクを算出するものである。特許文献２記載の技術により、出力シャフトは歪みゲージを有さないものとなり、その結果、衝撃締付工具は小型で軽量なものとなった。
しかし、実際の衝撃締め付けにおいては、パルス状の締め付けトルクによる各伝達部のたわみや内部損失、伝達部自体の内部イナーシャ、結合部のガタツキによって生じる損失など、様々な損失が存在し、特許文献２記載の技術は、これらの損失を想定していないという問題があった。

例えば、衝撃締付工具において実際の締め付けトルク（実トルク）は、
Ｔ（ｔ）＝Ｊ・ω“（ｔ）＋Ｍｔ（ｔ）−ε（ｔ）
Ｔ（ｔ） ：出力軸がネジを締め付ける実トルク
Ｊ・ω“（ｔ）：回転部の加速により生じるトルク
Ｍｔ（ｔ） ：モータの発生するトルク
ε（ｔ） ：伝達系で生じる様々な損失トルク と表すことができる。
上記式に基づくと、特許文献２記載の衝撃締付工具は、ε（ｔ）が考慮されていない。
このことから、特許文献２記載の衝撃締付工具のトルク測定値は、伝達系で生じる様々な損失トルクε（ｔ）を考慮していないので、実トルクよりも大きいトルク値を測定してしまうものであった。その結果、特許文献２記載の衝撃締付工具の締め付けは、適正な締め付けトルクに達する前に自動停止してしまう（自動停止のタイミングが早い）という問題があった。

特開昭６１−４６７６号 特許第４５６０２６８号公報

そこで本発明は、出力軸が高価な歪みゲージを有することなく、実際の衝撃締め付けによって生じる損失を考慮したトルク値算出手段を用いることにより、適正なトルクで工具を停止させることができ、より良好な締め付けを可能とする衝撃締付工具を提供するものである。

上記目的を達成するために本件発明は以下の手段を用いた。
（請求項１記載の発明）
請求項１記載の発明は、回転部と、角加速度検出手段と、トルク値算出手段と、記憶部とを備えた衝撃締付工具であって、回転部は、回転動力源と、衝撃締付発生機構と、出力軸とを有するものであり、角加速度検出手段は、回転動力源の角加速度値を検出するものであり、トルク値算出手段は、記憶部に記憶した近似式を用いて、出力軸の実トルク近似値を算出するものであり、記憶部に記憶した近似式は、ネジへのトルク伝達時に角加速度検出手段が検出した角加速度値と、ネジへのトルク伝達時の出力軸の実トルク値とを相関させた式であり、ネジへのトルク伝達前に測定された出力軸のトルク実測値に基づく式であることを特徴とする。
（請求項２記載の発明）
請求項２記載の発明は、請求項１記載の衝撃締付工具において、前記トルク実測値に基づく式は、前記相関させた式に、ネジへのトルク伝達前に測定された回転動力源の角加速度値と、ネジへのトルク伝達前にトルクテスタで測定された出力軸のトルク実測値とを代入することにより、導出されることを特徴とする。
（請求項３記載の発明）
請求項３記載の発明は、回転部と、角加速度検出手段と、トルク値算出手段と、記憶部と、近似式導出手段とを備えた衝撃締付工具であって、回転部は、回転動力源と、衝撃締付発生機構と、出力軸とを有するものであり、角加速度検出手段は、回転動力源の角加速度値を検出するものであり、トルク値算出手段は、近似式導出手段が導出した近似式を用いて、出力軸の実トルク近似値を算出するものであり、記憶部は、ネジへのトルク伝達前に測定された回転動力源の角加速度値と、ネジへのトルク伝達前にトルクテスタで測定された出力軸のトルク実測値とを記憶したものであり、近似式導出手段は、ネジへのトルク伝達時に角加速度検出手段が検出した角加速度値と、ネジへのトルク伝達時の出力軸の実トルク値とを相関させた式に、記憶部に記憶した角加速度値とトルク実測値とを代入し、ネジへのトルク伝達前に測定された出力軸のトルク実測値に基づく式を導出するものであることを特徴とする。

上述の構成により、本発明の衝撃締付工具は、出力軸に高価な歪みゲージを有することなく、実際の衝撃締め付けによって生じる損失を考慮した実トルク近似値の算出を可能とし、より良好な締め付けを可能とする衝撃締付工具となった。その結果、小型で軽く安価な衝撃締付工具を提供することができる。

図１は、衝撃締付工具の部分断面と全体の側面図である。 図２は、ネジへのトルク伝達前にトルク実測値測定を行う衝撃締付工具の概念図である。 図３は、ネジへのトルク伝達時の衝撃締付工具の概念図である。 図４は、トルクテスタを用いたトルク実測値測定の概念図である。 図５は、従来技術で表示されていた締め付けトルクと実際の締め付けトルクとを比較したグラフである。

以下に、この衝撃締付工具を実施例として示す各図と共に説明する。

〔１．衝撃締付工具１の全体的な構成について〕
図１は衝撃締付工具１の部分断面と全体の側面図である。図２は、ネジへのトルク伝達前にトルク実測値測定を行う衝撃締付工具の概念図である。図３は、ネジへのトルク伝達時の衝撃締付工具の概念図である。図４は、トルクテスタを用いたトルク実測値測定の概念図である。式１は、実トルク近似値Ｔの算出式を１次式で表した例である。
衝撃締付工具１は、回転部２と、角加速度検出手段３と、トルク値算出手段４と、記憶部５とを備え、ネジを設定トルク値で締め付けるものであり、設定トルク値で締め付けを停止するために制御手段１３を有する。また、衝撃締付工具１は、近似式導出手段６を備えることもできる。
衝撃締付工具１は、回転部２の回転操作を行うためのトリガー１１を備えると共に、回転方向を指定する回転方向指定レバー１２を備えても良い。具体的に衝撃締付工具１は、インパルスレンチ、インパクトレンチと呼称され使用されている。
衝撃締付工具１は、少なくとも校正モードと締め付けモードとを備えている。前記校正モードは、記憶部５への記憶作業を行うモードであり、前記締め付けモードは、設定トルクでネジを締め付けるモードである。

〔２．回転部２について〕
回転部２は、トリガー１１を引くと回転し、トリガー１１を解放すれば停止する。
回転部２は、回転動力源２１と衝撃締付発生機構２２と出力軸２３とを有するものである。
回転動力源２１には、電動モータ、エアモータなどを使用することができる。出力軸２３の先端にはソケット８を取り付けることができる。

〔３．衝撃締付工具１の制御について〕
衝撃締付工具１を用いて、ネジを設定トルク値で締め付ける場合、次のような制御が行われる。ネジは締め付けの進行と共に締め付けトルクが上昇するので、衝撃締付工具１は、ネジの締め付けを行いながら、記憶部５に記憶した近似式を用いて現在の実トルク近似値Ｔを算出する。前記実トルク近似値Ｔが設定トルク値に到達したとき、制御手段１３が回転動力源２１を停止させ締め付けを終了する。または、作業者にトリガー１１の解放を促すように、設定トルク値に到達すると、音や光で知らせるものである。設定トルク値への到達確認は、実トルク近似値Ｔが設定トルク値を超えた時になされるものである。

〔４．角加速度検出手段３について〕
角加速度検出手段３は、回転動力源２１の角加速度値Ｘを検出するものである。
角加速度検出手段３は、図２に示すように、少なくともロータ３１と、センサ３２と、微分手段３３とからなる。ロータ３１は、前述の回転動力源２１に接続され共回りしているものである。センサ３２は、ロータ３１の回転角θを検出するものである。微分手段３３は、検出された回転角θを二度微分し、角加速度を検出する。すなわち、回転角θを時間ｔで微分すると角速度ωとなり、角速度ωをさらに時間ｔで微分すると角加速度となる。この角加速度の値が角加速度値Ｘである。
角加速度値Ｘの検出を行う微分手段３３は、後述する演算処理装置を用いても良い。

〔５．トルク値算出手段４について〕
トルク値算出手段４は、記憶部５に記憶した近似式を用いて、角加速度値Ｘから出力軸２３の実トルク近似値Ｔを算出するものである。近似式は、ネジへのトルク伝達時に角加速度検出手段３が検出した角加速度値Ｘと、ネジへのトルク伝達時の出力軸２３の実トルク値とを相関させた式である。衝撃締付工具１に演算処理装置を備える態様とした場合、演算処理装置をトルク値算出手段４とし、実トルク近似値Ｔを算出しても良い。また、演算処理装置の代わりに前記近似式に対応した算出回路を構成し、トルク値算出手段４としても良い。

〔６．ネジへのトルク伝達前に測定された出力軸２３のトルク実測値と近似式について〕
図５は、従来技術で表示されていた締め付けトルクと実際の締め付けトルクとを比較したグラフである。
式１は近似式であり、この近似式はネジへのトルク伝達前に測定された出力軸２３のトルク実測値Ｙに基づく式である。

ネジへのトルク伝達前に測定された出力軸２３のトルク実測値Ｙに基づく式として、ネジへのトルク伝達前に測定された回転動力源２１の角加速度値（Ｘ１、Ｘ２）と、ネジへのトルク伝達前にトルクテスタ７で測定された出力軸２３のトルク実測値（Ｙ１、Ｙ２）とを、式１に代入し、１次式の近似式を導出する場合を例に説明する。
まず、図４に示すように、トルクセンサ７１とトルク表示器７２とを有するトルクテスタ７を準備する。次に衝撃締付工具１は、予めプログラムされた校正モードで起動させる。そして、衝撃締付工具１の出力軸２３に、トルクセンサ７１を取り付け固定し、出力軸２３のトルク実測値Ｙをトルクテスタ７で測定する。（図５を参照）。測定点が２点である場合、角加速度値がＸ１である時のトルク実測値Ｙ１と、角加速度値がＸ２である時のトルク実測値Ｙ２とを得ることができる。
そして、前記角加速度値（Ｘ１、Ｘ２）と、前記トルク実測値（Ｙ１、Ｙ２）を、式１に代入し、角加速度値Ｘと実トルク近似値Ｔとの１次式の近似式を導出する。導出した１次式の近似式は、記憶部５に記憶させ、記憶部５への記憶作業を終えると、衝撃締付工具１は、校正モードから締め付けモードに切り替える。ネジへのトルク伝達時は、ネジへのトルク伝達時に角加速度検出手段３が検出した角加速度値Ｘに基づき、記憶させた１次式の近似式を用いて、実トルク近似値Ｔを算出する。

〔７．記憶部５が角加速度値とトルク実測値とを記憶する態様〕
また、記憶部５は、ネジへのトルク伝達前に測定された回転動力源２１の角加速度値（Ｘ１、Ｘ２）と、ネジへのトルク伝達前にトルクテスタ７で測定された出力軸２３のトルク実測値（Ｙ１、Ｙ２）とを記憶したものとしても良い。
記憶部５が、前記角加速度値（Ｘ１、Ｘ２）とトルク実測値（Ｙ１、Ｙ２）とを記憶する場合、衝撃締付工具１は、近似式導出手段６を備える。この場合も、記憶部５への記憶作業を終えると、衝撃締付工具１は、校正モードから締め付けモードに切り替える。
そして、前記近似式導出手段６は、「ネジへのトルク伝達時に角加速度検出手段３が検出した角加速度値Ｘと、ネジへのトルク伝達時の出力軸２３の実トルク値とを相関させた式（式１）」に、「記憶部５に記憶した角加速度値（Ｘ１、Ｘ２）とトルク実測値（Ｙ１、Ｙ２）と」を代入し、「ネジへのトルク伝達前に測定された出力軸２３のトルク実測値Ｙに基づく式（１次式の近似式）」を導出する。
そして、ネジへのトルク伝達時には、ネジへのトルク伝達時に角加速度検出手段３が検出した角加速度値Ｘに基づき、トルク値算出手段４は、近似式導出手段６が導出した１次式の近似式を用いて、出力軸２３の実トルク近似値Ｔを算出する。

〔８．記憶部５のデータ記憶について〕
上述したように記憶部５が記憶するのは、「角加速度値Ｘと実トルク近似値Ｔとの１次式の近似式」または「ネジへのトルク伝達前に測定された回転動力源２１の角加速度値（Ｘ１、Ｘ２）と、ネジへのトルク伝達前にトルクテスタ７で測定された出力軸２３のトルク実測値（Ｙ１、Ｙ２）」といったデータである。これらのデータを記憶する記憶部５として、フラッシュメモリを挙げることができる。
そして、衝撃締付工具１は、フラッシュメモリを内蔵すると共に、フラッシュメモリへのアクセス端子を備えることができる。前記アクセス端子は、外部の電子機器によるデータ記憶を可能にする。
このようにすると、データをフラッシュメモリに記憶させる作業に用いる入力キーを、衝撃締付工具１は備えなくて良い。これにより、衝撃締付工具１を小型軽量化することができる。
また、フラッシュメモリを、取り外し可能な小型なものとし、衝撃締付工具１内部から取り外し可能なものとしても良い。このようにすると、取り外した小型のフラッシュメモリを、外部の電子機器に取り付け、前記データを記憶したものとすることができる。そして前記データを記憶した小型のフラッシュメモリを衝撃締付工具１に取り付けるのである。

〔９．その他の近似式について〕
上述したトルクの近似式は、式１や、角加速度値Ｘと実トルク近似値Ｔとの１次式に限られるものではなく、線形近似、多項式近似、累乗近似、指数近似、対数近似、スプライン補間法などを例示することができる。そして、近似式に対応させ、測定点の数は２〜ｎ点（ｎは任意の数であり〔Ｘ１、Ｘ２・・・Ｘｎ ： Ｙ１、Ｙ２・・・Ｙｎ〕）とすることができる。また、微分手段３３と、トルク値算出手段４と、記憶部５と、近似式導出手段６を組み合わせて、上記の手法を含む種々の数学的アルゴリズムを用いて実トルク近似値Ｔの算出ができるように、ハードウェア又はソフトウェアとして衝撃締付工具１に搭載することも可能である。

〔１０．前述の実トルク近似値Ｔを採用した衝撃締付工具１の効果について〕
式１や角加速度値Ｘと実トルク近似値Ｔとの１次式を用いた結果、算出される実トルク近似値Ｔは、図５に示すトルク実測値Ｙに近いものとなり、衝撃締付工具１は、より良好なトルク管理が可能となる。
従来、良好なトルク管理のために必要であった歪みゲージを必要としなくなった結果、衝撃締付工具１は、比較的正確な実トルク近似値Ｔを得られるにもかかわらず小型で軽いものとなり、しかも安価なものとなる。

上述の実トルク近似値Ｔは、エアーインパクトレンチ、エアーインパルスレンチ、電動インパクトレンチ、電動インパルスレンチなどの衝撃締付工具１に用いることを想定している。
また、連続的な打撃を与えるその他の工具に応用することも可能である。

１ 衝撃締付工具
１１ トリガー
１２ 回転方向指定レバー
１３ 制御手段
２ 回転部
２１ 回転動力源
２２ 衝撃締付発生機構
２３ 出力軸
３ 角加速度検出手段
３１ ロータ
３２ センサ
３３ 微分手段
４ トルク値算出手段
５ 記憶部
６ 近似式導出手段
７ トルクテスタ
７１ トルクセンサ
７２ トルク表示器
８ ソケット

Claims (3)

1. 回転部（２）と、角加速度検出手段（３）と、トルク値算出手段（４）と、記憶部（５）とを備えた衝撃締付工具（１）であって、
   回転部（２）は、
   回転動力源（２１）と、衝撃締付発生機構（２２）と、出力軸（２３）とを有するものであり、
   角加速度検出手段（３）は、
   回転動力源（２１）の角加速度値を検出するものであり、
   トルク値算出手段（４）は、
   記憶部（５）に記憶した近似式を用いて、
   出力軸（２３）の実トルク近似値を算出するものであり、
   記憶部（５）に記憶した近似式は、
   ネジへのトルク伝達時に角加速度検出手段（３）が検出した角加速度値と、
   ネジへのトルク伝達時の出力軸（２３）の実トルク値とを相関させた式であり、
   ネジへのトルク伝達前に測定された出力軸（２３）のトルク実測値に基づく式であること
   を特徴とする衝撃締付工具。
2. 前記トルク実測値に基づく式は、前記相関させた式に、ネジへのトルク伝達前に測定された回転動力源（２１）の角加速度値と、ネジへのトルク伝達前にトルクテスタ（７）で測定された出力軸（２３）のトルク実測値とを代入することにより、導出されることを特徴とする請求項１記載の衝撃締付工具。
3. 回転部（２）と、角加速度検出手段（３）と、トルク値算出手段（４）と、記憶部（５）と、近似式導出手段（６）とを備えた衝撃締付工具（１）であって、
   回転部（２）は、
   回転動力源（２１）と、衝撃締付発生機構（２２）と、出力軸（２３）とを有するものであり、
   角加速度検出手段（３）は、
   回転動力源（２１）の角加速度値を検出するものであり、
   トルク値算出手段（４）は、
   近似式導出手段（６）が導出した近似式を用いて、
   出力軸（２３）の実トルク近似値を算出するものであり、
   記憶部（５）は、
   ネジへのトルク伝達前に測定された回転動力源（２１）の角加速度値と、
   ネジへのトルク伝達前にトルクテスタ（７）で測定された出力軸（２３）のトルク実測値と
   を記憶したものであり、
   近似式導出手段（６）は、
   ネジへのトルク伝達時に角加速度検出手段（３）が検出した角加速度値と、
   ネジへのトルク伝達時の出力軸（２３）の実トルク値とを相関させた式に、
   記憶部（５）に記憶した角加速度値とトルク実測値とを代入し、
   ネジへのトルク伝達前に測定された出力軸（２３）のトルク実測値に基づく式を
   導出するものであることを特徴とする衝撃締付工具。