JP6029890B2 - 角度レンチおよび回転角度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転角法（角度締め）により締結部材を締付ける角度レンチに関する。

従来、機器などの被締結体をボルト等の締結ねじを用いて所定の締結力でねじ締めする締結方法としては、トルクレンチを用いたトルク締結法や締付け角度で締付け量が規定される（塑性）回転角法などがある。

塑性回転角法での締付けは、まずねじの弾性域での締付けとして所定のトルク値（スナッグトルクあるいは降伏点のトルク）でねじを締付けた後、続けてねじの塑性域への締付けとして所定角度レンチを回してねじの締付けを行う。

回転角法でねじを締付ける際に用いる締付け工具として、角度レンチがある（特許文献１参照）。特許文献１の角度レンチは、ヘッド部材に角速度センサが固定され、角速度センサの移動を検出することでトグルの作動が検出される。そしてトグル作動時以降の回転角度を角速度センサによって測定される角速度から求める。

特開２００１−９７４９号公報

特許文献１の角度レンチの場合、角速度センサをヘッド部材にねじなどで固定する必要があるため、角速度センサを固定するためのケースが別途必要になることや、角速度センサがヘッド部材と一体となって移動する際の衝撃を吸収するために角速度センサを緩衝材で包む必要があるなど、構造が複雑になり構造上の制約も大きい。

そこで、本願発明は簡便な構造で正確に回転角度を測定可能な角度レンチを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る角度レンチは、回転角法による締付け対象物の締付けに用いられる角度レンチであって、グリップを有する柄部と、締付け対象物を締付ける締付けヘッドを有し、前記締付けヘッドから延びる尾部側が前記柄部に対してヘッドピンを介して回動可能に支持されるヘッド部と、締付け対象物を締付けるトルクが所定のトルクに達したことを検出するトルク検出機構と、締付け対象物の軸周りにおける角度レンチの角速度に基づいて、前記トルク検出機構が所定のトルクに達したことを検出したタイミングより後の締付け動作における角度レンチの回転角度を測定する回転角度測定部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、簡便な構造で正確に回転角度を測定可能な角度レンチを提供することができる。

実施形態の角度レンチの外観を示す図である。 角度レンチを側方から見た外観を示す図である。 角度レンチにおける回転角度を測定する装置の電気的な回路構成を示すブロック図である。 角度レンチにおける回転角度を測定する装置の機能を示す機能ブロック図である。 角度レンチにおける回転角度を測定する装置に基づく回転角法での締付け角度測定処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

図１は、本実施形態の角度レンチ１の外観を示す図である。図２は、角度レンチ１を側方から見た外観を示す図である。図３は、角度レンチ１の電気的な回路構成の概略を示すブロック図である。なお、図１および図２において内部構造を破線で示している。

角度レンチ１は、様々な資材や機器などの被締結体を固定する締付け対象物（締結部材）であるボルト等のねじを、（塑性）回転角法により締結する工具である。角度レンチ１は、回転角法でねじを締結するために最初にねじを所定のトルク（回転角法において通常は、スナッグトルク）で締付けるための機能と、所定のトルクでの締付け後に続けて所定の回転角度で角度締めを行うための機能とを有する。以下角度レンチ１の各構成について説明する。

角度レンチ１は、柄部２と、ヘッド部４と、トグル機構６と、スラスタ８と、スプリング１０と、トルク調整つまみ１２と、ケース１４と、表示部１６と、連動部材である連動ピン１８と、検出センサであるマイクロスイッチ２０と、制御部２２と、ジャイロセンサ２４と、操作キー２６等を備える。トグル機構６と、連動ピン１８と、マイクロスイッチ２０とによってトルク検出機構が実現される。

柄部２は、チューブ状の部材であり、先端側の開口部から挿入されたヘッド部４の尾部４ｃ側を内部に保持し、後端側に使用者が握るグリップ部２ａが形成される。柄部２は、グリップ部２ａが取り付けられている部分は円筒状であり、それより先端側（ヘッド部４側）は、円筒状のチューブを変形させた扁平な形状となっている。柄部２は、ヘッド部４の尾部４ｃをヘッドピン２ｂおよびトグル機構６により柄部２内に保持する。また、柄部２の扁平部にはケース１４が固定される。

ヘッド部４は、使用者が握るグリップ部２から加えられる力を締付ける対象のねじに伝えて、ねじを締付ける。ヘッド部４は、締付けヘッド４ａと、角ドライブ４ｂと、尾部４ｃなどからなる。締付けヘッド４ａは、角ドライブ４ｂが締付けヘッド４ａ内のラチェット機構を介して取り付けられる部分である。ラチェット機構は、右回りと左回りのいずれかの方向のみ締付けを可能として迅速に締付けを行うための周知の機構である。角ドライブ４ｂは、ボルトにはめるソケットが取り付けられる。角ドライブ４ｂには様々な大きさ・形状のソケットが取り付けられる。尾部４ｃは、締付けヘッド４ａから柄部２の内部に延びる軸状の部材であり、ヘッドピン２ｂによって回動可能に支持される。また尾部４ｃの先端部はスラスタ８と連結され、トグル機構６の一部を構成する。

トグル機構６は、ねじが所定のトルクまで締付けられた場合に作動して、クリック音等で締付けトルクが所定のトルクに達したことを知らせる機械要素である。本実施形態のトグル機構６は特に、トグル機構６の作動によって生じる尾部４ｃのヘッドピン２ｂ周りの回転動作が、トルクレンチ１の回転角度の測定を制御部２２にスタートさせるためのトリガーとして機能する。トグル機構６は、第１の作動体である尾部４ｃの端部と、スラスタ８と、尾部４ｃとスラスタ８とを連結するリンクなどから構成される。

スラスタ８は、スプリング１０の力を受けるばね受け部材である。スラスタ８は、スプリング１０の力によってリンクを介して尾部４ｃを押さえ、角度レンチ１による締付けトルクが所定トルクに達するまで尾部４ｃの柄部２に対する相対的な回動を規制する。スプリング１０は、トルク調整つまみ１２によって変形量が調整され、スラスタ８を押す力が変化する。そしてスプリング１０の変形量によってトグル機構６が作動するトルクが変化する。目盛２ｃはトルク調整つまみ１２を回して調整された設定トルク値（トグル機構６が作動するトルク値）を表示する。

ここでトグル機構６の動作について説明する。グリップ部２ａから力が加えられて締付け対象物の締付けが開始されると、尾部４ｃがスラスタ８を後方に押し戻すように回動しようとする力が作用する。そして、スプリング１０の力に逆らって尾部４ｃがスラスタ８を後方に押し返そうとする力が、スラスタ８がスプリング１０の力により尾部４ｃを押さえる力を超えた場合にトグル機構６が作動する。トグル機構６が作動する際、尾部４ｃとスラスタ８との連結状態は、図１に示す第１の連結状態から、尾部４ｃがスラスタ８をグリップ部２ａ側に押し返しながらヘッドピン２ｂを中心として回動した第２の連結状態に切り替わる（なお、ねじに固定されるヘッド部４を基準とすると、トグル機構６の作動時に柄部２がヘッド部４に対して回動することになる。すなわちトグル機構６が作動すると柄部２とヘッド部４は、一方が他方に対して相対的に移動する。）。このトグル機構６が作動する際に発生するクリック音等によって、使用者はねじの締付けトルクが所定の設定トルク値に達したことを認識することができる。

次にケース１４は、マイクロスイッチ２０や制御部２２やジャイロセンサ２４などの電子回路部品を収容する。また、ケース１４は外面に表示部１６や操作キー２６を備える。表示部１６は、回転角法でのねじの締付け角度などを表示する。そして、ケース１４内に収容された電子回路部品や表示部１６、操作キー２６により回転角度を測定する装置である回転角度測定装置を構成する。

連動ピン１８はトグル機構６の作動時に、尾部４ｃの柄部２に対する相対的な動作に伴って、柄部２に対して相対的に移動し、マイクロスイッチ２０を押す部材である。本実施形態の連動ピン１８は、柄部２とケース１４の底面とにそれぞれに形成される孔を通って、柄部２からケース１４の内部まで延びる。柄部２とケース１４に形成されるこの孔の大きさや形状は、連動ピン１８がトグル機構６の作動に伴って前記相対移動する範囲よりも大きく形成されていれば特に限定されない。連動ピン１８は、トグル機構６の非作動状態において先端側がケース１４内のマイクロスイッチ２０に接している。トグル機構６が作動した場合にマイクロスイッチ２０が連動ピン１８によって押されて、トグル機構６の作動が検出される。

マイクロスイッチ２０は、上述の通りトグル機構６の作動を検出するためのセンサである。マイクロスイッチ２０はケース１４内に配置され、トグル機構６の作動に伴って相対移動する連動ピン１８によって押されることでトグル機構６の作動を検出することができる。マイクロスイッチ２０は、トグル機構が作動して連動ピン１８によって押されると制御部２２に対してトグル作動信号を出力する。

回転角度測定装置を構成する制御部２２は、角度レンチ１における締付け角度の測定処理を制御する。制御部２２は、プロセッサであるＣＰＵ（Central Processing Unit）３０と、メモリ３２などを備える。ＣＰＵ３０は、メモリ３２に記憶される処理プログラムを実行して締付け角度の測定処理や測定された角度の表示部１６への表示処理などを行う。ＣＰＵ３０はＭＰＵ（Micro Processing Unit）などの他のプロセッサでもよい。メモリ３２は、ＣＰＵ３０が実行する様々な処理プログラムを記憶する。メモリ３２としては、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）などが用いられる。

制御部２２によって実現される機能については角度レンチ１による締付け角度の測定処理の説明において述べる。なお、トルクレンチ１は、制御部２２としてＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などの専用の回路を備えてもよく、ＡＳＩＣ等の専用回路によって制御部２２の機能の一部または全部が実現されてもよい。

ジャイロセンサ２４は、回転角法による締付け操作時の締付け角度を算出するために、ねじの締付けが行われている際の角度レンチ１の角速度を検出する。制御部２２は、ジャイロセンサ２４によって測定された角速度から角度レンチ１が回転した角度を求めることができる。ジャイロセンサ２４としては、たとえば振動ジャイロを用いることができる。

操作キー２６は、角度レンチ１に対する各種操作を行うためのボタンである。操作キー２６に対して、たとえば電源のＯＮ／ＯＦＦの切り替えや、測定された締付け角度をリセットするリセット操作などの操作が行われる。なお、図においては操作キー２６を１つ示しているが、ケース１４の側面等に別の操作キーをさらに備えてもよい。

次に、本実施形態の角度レンチ１における締付け角度の測定処理について説明する。図４は、角度レンチ１の回転角度測定装置の機能を示す機能ブロック図である。角度レンチ１は、トグル作動信号取得部１００と、演算部である回転角度演算部１０２と、出力部１０４と、を備える。なお、上述したジャイロセンサ２４と、回転角度演算部１０２とによって回転角度測定部が実現される。これらの角度レンチ１の機能は、ＣＰＵ３０がメモリ３２に記憶されるプログラムを実行することにより実現される。機能の一部または全部がＡＳＩＣによって実現されてもよい。

トグル作動信号取得部１００は、トグル機構６が作動したことを検出するマイクロスイッチ２０からトグル作動信号を取得する。トグル作動信号は、角度レンチ１によるねじの締付けが所定のトルク値に達してトグル機構６が作動し、それに伴って相対移動する連動ピン１８によってマイクロスイッチ２０が押された場合にマイクロスイッチ２０が出力する信号である。

回転角度演算部１０２は、角度レンチ１によるねじの締付けトルクが設定トルクに達してから、つまり、トグル機構６が作動した後に、角度レンチ１が回転した角度（すなわちねじを締付けた角度）を演算する。具体的には回転角度演算部１０２は、トグル作動信号をトグル作動信号取得部１００が取得したら、ジャイロセンサ２４から角速度のデータの取得を開始する。そして、回転角度演算部１０２は、角速度データに基づいて、トグル作動信号が取得されたタイミング以降に角度レンチ１が回転した角度（締付け角度）を演算（積分）する。

出力部１０４は、回転角度演算部１０２によって求められた回転角度を外部に出力する。たとえば出力部１０４は回転角度演算部１０２が演算した回転角度を表示部１６に出力して表示させることができる。また、締付けた回転角度を作業データとして保存する場合には、出力部１０４は回転角度を所定の記憶装置に記憶させることもできる。

以上が本実施形態の角度レンチ１の機能である。なお、本実施形態では回転角度演算部１０２は、トグル機構６が作動してからジャイロセンサ２４によって測定された角速度のデータを取得して回転角を求めるとして説明したが、トグル機構６の作動以降における角度レンチ１の回転角度を求めることができればこの方法に限定されない。たとえば、制御部２２がジャイロセンサ２４を制御して、トグル機構６が作動してからジャイロセンサ２４に角速度の測定を開始させてもよい。この場合でも、同様にトグル機構が作動してからの回転角度を求めることができる。

また、回転角度の測定は、使用者が操作キー２６を操作してリセット操作がされるまで累積して行われればよい。リセット処理は、操作キー２６からの操作に基づいて実行される他、トグル機構６が作動状態（第２の連結状態）から非作動状態（第１の連結状態）に戻った場合等何らかの動作や処理をきっかけとして自動で実行されてもよい。

また、回転角度演算部１０２は、トグル機構６が作動した状態（第２の連結状態）での角度レンチ１の回転のみ、その回転角度を算出すればよい。そしてすでに測定された回転角度のデータがリセットされずに保持されている場合（つまり、測定された角度がメモリ３２などに保持され、表示部１６に角度が表示されているような状態）には新たに演算された角度を保持されている回転角度に加算すればよい。このような処理により、トグルが作動して角度締めが行われている状態以外での角度レンチ１の回転動作（トグルが作動していない状態での回転）によって回転角度が加算されることはない。たとえば、ラチェットを利用して角度締めを何回かに分けて行ったような場合にも、ラチェットにより角度レンチ１を締付け方向と逆方向に回転させる操作における回転角度が測定値に加算されることはなく、実際にねじを締付けた角度だけを正確に測定することができる。

次に、角度レンチ１による締付け角度測定処理の流れを説明する。図５は、角度レンチ１における回転角法での締付け角度の測定処理の流れを示すフローチャートである。

まず、角度レンチ１によってねじの締付けを開始して、トルク調整つまみ１２によって設定されたトルク値（通常は、スナッグトルク）に締付けトルクが達すると、トグル機構６が作動する（ステップ１０１）。

次に、トグル機構６が作動して連動ピン１８が相対移動し、連動ピン１８によってマイクロスイッチ２０が押されると、マイクロスイッチ２０が信号を出力する。トグル作動信号取得部１００はその信号をトグル作動信号として取得する（ステップ１０２）。

次に、回転角度演算部１０２は、トグル作動信号取得部１００がトグル作動信号を取得した場合に、その時点以降の角度レンチ１の回転角度を算出する（ステップ１０３）。回転角度演算部１０２は、トグル機構６が作動した時点以降にジャイロセンサ２４によって測定された角速度のデータに基づき、角度レンチ１によって角度締めが行われた際の回転角度を算出する。

出力部１０４は、回転角度演算部１０２が演算した回転角をリアルタイムで表示部１６に表示させる（ステップ１０４）。使用者は表示部１６に表示される回転角度を見て、回転角度が所定の角度に達したことが確認できたら締付けを停止する。これにより所定のトルクでねじを締付けて、そこから所定の角度ねじを締付けるという回転角法での適切な締付けを行うことができる。

以上の本実施形態における角度レンチ１によれば、簡便な構造で回転角法での締付けを正確に行うことができる。

なお、本実施形態においては、角速度センサとしてジャイロセンサを記載したがこれに限られず、角速度を求めることができるセンサであればよい。また、角速度センサのかわりに角加速度センサを用いて回転角度を求めてもよい。

１ 角度レンチ
２ 柄部
２ａ グリップ部
２ｂ ヘッドピン
４ ヘッド部
４ａ 締付けヘッド
４ｂ 角ドライブ
４ｃ 尾部
６ トグル機構
８ スラスタ
１０ スプリング
１２ トルク調整つまみ
１４ ケース
１６ 表示部
１８ 連動ピン
２０ マイクロスイッチ
２２ 制御部
２４ ジャイロセンサ
２６ 操作キー
３０ ＣＰＵ
３２ メモリ
１０２ 回転角度演算部

Claims (2)

1. 回転角法による締付け対象物の締付けに用いられる角度レンチであって、
   グリップを有する柄部と、
   締付け対象物を締付ける締付けヘッドを有し、前記締付けヘッドから延びる尾部側が前記柄部に対してヘッドピンを介して回動可能に支持されるヘッド部と、
   前記柄部上に配置され、電子回路を収容するケース部と、
   前記ヘッド部の前記尾部と前記柄部とを連結し、締付け対象物に対する締付けトルクが所定のトルクに達すると第１の連結状態から第２の連結状態に変化するトグル機構と、前記柄部および前記ケース部にそれぞれ形成される孔を通って前記ヘッド部から前記ケース部内に延びる、前記トグル機構の作動に伴って動く連動ピンと、前記トグル機構の作動による連動ピンの動作を検出する検出センサと、を備え、締付け対象物を締付けるトルクが所定のトルクに達したことを検出するトルク検出機構と、
   前記ケース部内に配置され締付け対象物に対する締付け動作における角速度を測定するジャイロセンサと、前記ジャイロセンサによって測定された角速度に基づいて角度レンチの回転角度を演算する演算部と、を有し、締付け対象物の軸周りにおける角度レンチの角速度に基づいて、前記トルク検出機構が所定のトルクに達したことを検出したタイミングより後の締付け動作における角度レンチの回転角度を測定する回転角度測定部と、
   を備え、前記回転角度測定部が、前記検出センサが前記連動ピンの動作を検出したタイミングより後の締付け動作における角度レンチの回転角度であって、前記トグル機構が前記第２の連結状態である場合における回転角度を測定することを特徴とする角度レンチ。
2. 前記回転角度測定部は、前記トグル機構が第２の連結状態である場合において測定された回転角度を、すでに測定された回転角度に加算して回転角度を算出することを特徴とする請求項１に記載の角度レンチ。

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