JP6433552B2 - 締付工具 - Google Patents

Description

本発明は、既に設定トルクで締付完了したボルト等の締結部材が再度締め付けられるのを検出できる技術に関する。

従来、複数のボルトが全て締め付けられたか否かを管理するシステムが提案されている（特許文献１）。

このような管理システムは、トルクレンチ等の締付工具の位置情報からをパソコンに送信し、ボルト等の締結部材の位置を管理する。そして、締付工具が既に位置が特定されている締結部材に対して締付を行う際に、警告を発して操作者に注意を促し、同じ締結部材の二度締めを未然に防止する。

特開２０１３−１８８８５８号公報

従来のように、二度締め防止のためには、トルクレンチ等の締付工具と、パソコン等とを有線又は無線により通信し、パソコン等によりボルト等の締結部材の位置を管理しなければならない。

このため、トルクレンチ等の締付工具のみで二度締めか否かを判断できれば、パソコン等との通信による管理が不要となる。

本発明の目的は、このような課題を解決するために、締付工具が独自に二度締めか否かの判断ができる締付工具を提供しようとするものである。

本願第１の発明である締付工具は、締付トルクを締結部材に伝達する締付トルク伝達手段と、締付トルク値を計測する締付トルク計測手段と、締付トルク値が設定トルク値に達すると作動するトルクリミッターと、トルクリミッターの作動を検出して締付完了検知信号を出力する締付完了検知手段と、締付トルク値が締付工具毎に予め決定された所定トルク以上であるとき、締結部材の回転角度を検出する回転角度検出手段と、二度締め判別手段とを有する。二度締め判別手段は、締付トルク計測手段が計測した締付トルク値と、締付完了検知信号と、回転角度検出手段が検出した回転角度とを二度締め判別情報とし、締付トルク値が所定トルクであるときの回転角度を０度として、締付トルク値が所定トルクに到達したときから締付完了検知信号を取得するまでの間における締結部材の回転角度に基づいて、二度締めの有無を判別する。

二度締め判別手段は、締付トルク値が所定トルクに到達したときから締付完了検知信号を取得するまでの間における締結部材の回転角度が閾値角度以下であるとき、既に締付が完了している締結部材を再度締め付けた二度締めと判別することができる。

二度締め判別手段は、締付トルク値が所定トルクに到達したときから締付完了検知信号を取得するまでの間における、計測した締付トルク値及び検出した締結部材の回転角度に基づいて、二度締めの有無を判別することができる。
本願第２の発明である締付工具は、締付トルクを締結部材に伝達する締付トルク伝達手段と、締付トルク値を計測する締付トルク計測手段と、締付トルク値が設定トルク値に達すると作動するトルクリミッターと、トルクリミッターの作動を検出して締付完了検知信号を出力する締付完了検知手段と、締結部材の回転角度を検出する回転角度検出手段と、二度締め判別手段とを有する。二度締め判別手段は、締付トルク計測手段が計測した締付トルク値と、締付完了検知信号と、回転角度検出手段が検出した回転角度とを二度締め判別情報とし、締付開始から締付完了検知信号を取得するまでの間における締結部材の回転角度に基づいて、二度締めの有無を判別する。二度締め判別手段は、計測した締付トルク値に対する締付部材の回転角度の比を表す比角度が予め設定した閾値角度以下であるとき、未だ締付が完了していない締結部材を締め付けたと判別することができる。また、二度締め判別手段は、比角度が閾値角度を超えているとき、既に締付が完了している締結部材を再度締め付けた二度締めと判別することができる。

締付工具としては、トルクレンチまたはトルクドライバーがある。

本発明によれば、ボルト等の締結部材の回転角度と計測したトルク値に基づいて、二度締めか否かをトルクレンチ等の締付工具自体で判別できる。

本発明による締結工具をトルクレンチに適用した概略図。 図１のトルクレンチの電子回路のブロック図。 第１モードのトルク値と時間との関係を示す波形図。 第２モードのトルク値と回転角度との関係を示す波形図。 角度計測による初回締付と二度締めの波形を示す図。

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は本発明による締結工具をトルクレンチに適用した概略図、図２は図１のトルクレンチの電子回路のブロック、図３は第１モードのトルク値と時間との関係を示す波形図、図４は第２モードのトルク値と回転角度との関係を示す波形図である。

図１において、トルクレンチ１は、筒状のハンドル部２と、締付トルクをボルト等の締結部材６に伝達する締付トルク伝達手段であるヘッド部３と、ハンドル部２内に設けられたトルクリミッター４と、ヘッド部３の角軸３２に装着され、ボルト等の締結部材６に嵌合されるソケット５と、ヘッド部３に貼り付けられる締付力検出センサーとしてのストレインゲージ７と、データ送信機能を有するデータ取得部８とを有する。角軸３２はヘッド部３に対してラチェット等の一方向回転機構を介して連結される。

ヘッド部３は、ヘッド本体部３１から後方に延びる扁平状のロッド部３３がハンドル部２内に挿入され、支軸２１を介して回転可能にハンドル部２に取り付けられる。

トルクリミッター４はトグル機構を構成し、バネシート４１と、トルク値設定バネ４２と、軸方向移動不能で軸周りに回転可能なネジ軸で構成された調整ネジ軸４３と、調整ネジ軸４３に螺合するナット部材４４と、ロッド部３３の後端部とバネシート４１の先端部との間に不図示の連結ピンを介して連結された板状のトグル４５とを有する。バネシート４１とナット部材４４との間にトルク値設定バネ４２が配置される。トグル４５は、トルクリミッターの非動作状態において、ハンドル部２の長手方向に沿った軸線に対し傾斜している。

ソケット５に締結部材６を嵌合した状態で、ハンドル部２を握って所定方向に力を加えて回すと、締結部材６が締め付けられ、設定トルク値に達すると、トグル４５が前記軸線に対して平行方向に傾動し、バネシート４１がトルク値設定バネ４２のバネ力に抗して後方に移動する。その結果、ハンドル部２からヘッド部３への締付力の伝達が断たれる。その際、ハンドル部２が支軸２１を支点としてヘッド部３に対して回転する。ヘッド部３のロッド部３３には、トグル作動検出ピン（不図示）が取り付けられ、ハンドル部２に形成した開口部（不図示）を貫通する。前記トグル作動検出ピンの貫通端部は、後述する回路基板８１に取り付けた締付完了検知スイッチ（不図示）を動作させる。

すなわち、トルクリミッター４が動作すると、締結完了検知スイッチは、トグル作動検出ピンに向けて移動し、ＯＮする。トルクリミッター４の作動によりハンドル部２に加える力を弱めると、トルクリミッター４は元の状態に戻り、締結完了検知スイッチはＯＮからＯＦＦとなる。

一方、締結部材６の締付けが開始されると、ストレインゲージ７の検出信号がデータ取得部８に出力される。

データ取得部８は、外装ケース８３内に配置された回路基板８１、電源電池（不図示）により構成される。外装ケース８３には、トルク値などをデジタル表示する表示部８４や操作キー（不図示）等が配置される。

本実施形態において、回路基板８１には、通信部８６、角速度センサー８７、プロセッサー８０等を設ける。図２に示すように、プロセッサー８０には、ストレインゲージ７の検出信号よりトルク値を取得するトルク値変換部８０１と、角速度センサー８７の検出信号より回転角度を取得する角度変換部８０２と、二度締め判別部８０３を有する。角速度センサー８７は、ハンドル部２の回転を検出する。

図２はトルクレンチ１の電子回路のブロック図を示す。

図２において、プロセッサー８０、ＲＯＭ９０、ＲＡＭ９１、表示部８４、通信部８６、角速度センサー８７、ストレインゲージ７はバス９２を介して接続される。

プロセッサー８０は、メモリ部として、二度締め判別プログラム（図３および図４に示す）を格納するＲＯＭ９０と、プロセッサー８０に一時的な作業領域を提供するＲＡＭ９１とを有する。

本実施形態において、図３に示すように、トルク値変換部８０１で変換して得られたトルク値は通信部８６と二度締め判別部８０３に出力される。二度締め判別部８０３は、取得したトルク値の波形に基づいて、締結部材が既に締付完了しているか否かの二度締め判別を行う（第１モード）。また、図４に示すように、二度締め判別部８０３は、取得したトルク値の波形と、さらに角度変換部８０２で変換された角度情報に基づいて締結部材が既に締付完了しているか否かの二度締め判別を行う（第２モード）。

本実施形態において、第１モードと第２モードは、操作者が表示部８４を見て選択することができる。なお、第１モードのみ、又は第２モードのみを設けた構成としても良い。

次に、図３に示す第１モードを説明する。

一般に、ボルト等の締結部材を例えばエンジン部品のシリンダーブロックである被締結部材に締め付ける場合、ある程度の締結力までボルトを締付（この締付を仮締めと称す）、仮締め後、トルクレンチによる締結部材の締付が行われる（この締付を本締めと称す）。そして、本締めにおいて、締付トルク値が設定トルク値に達するまでには、ラチェット動作を複数回繰り返すことが一般に行われる。

図３は、縦軸にトルク値、横軸を時間とし、閾値（ピークホールドトルク）を超えたトルク値を取得する。

図３において、破線で示すトルク波形Ａは、本実施形態のトルクレンチ１により、既に設定トルク値での締付が完了しているボルト等の締結部材を締め付けた場合を示す。実線で示すトルク波形Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３は仮締めの終了している締結部材に対し、本実施形態のトルクレンチにより本締めを行った状態を示す。

トルク波形Ａは、トルクレンチ１による締付の開始後、直ぐに設定トルク値まで到達し、締結完了検知スイッチがＯＮする。すなわち、仮締めされた締結部材を本締めする場合には、少なくとも１回のラチェット動作を要するが、本締めされた締結部材を二度締めすると、ラチェット動作がなく、設定トルク値に達し、締結完了検知スイッチがＯＮとなる。

したがって、二度締め判別部８０３は、締付開始から締結完了検知スイッチがＯＮとなるまでの間に、ラチェット動作を検出しない場合には、二度締めであると判別し、表示部８４に警告表示を行う。また、ブザー音等により警告する。

一方、仮締めされた締結部材を本締めする場合、先ずトルク波形Ｂ１による締付が行われる。トルクレンチ１を一定の回転範囲内で回転しても、締付トルク値は小さいので、一旦ハンドル部２を逆方向に回転させるラチェット動作を行う。このラチェット動作の際には、ヘッド部３のロッド部３３には、力が加わらない。このため、ロッド部３３に貼り付けたストレインゲージ７からは信号が出力されず、トルク値は０となる。

次いで、ハンドル部２を締付方向に回転させると、トルク波形Ｂ２が得られる。トルク波形Ｂ２は、トルク波形Ｂ１よりもトルク値が大きくなるが、未だ設定トルク値に達しない。そこで、一旦前述したラチェット動作を行い、再びハンドル部２を締付方向に回転させる。トルク波形Ｂ３に示すように、この３回目の締付により本締めが終了する。トルク波形Ｂ３において、トルク値のピークにおいて、締結完了検知スイッチがＯＮとなる。

二度締め判別部８０３は、締付開始から締結完了検知スイッチがＯＮとなるまでの間に、ラチェット動作を検出したので、二度締めではないと判別し、表示部８４に締結完了の表示を行う。

したがって、本実施形態によれば、トルクレンチ１自身で二度締めであるか否かの判別が行える。

続いて、図４に示す第２モードを説明する。

図４において、破線で示すトルク波形Ｃは、本実施形態のトルクレンチ１により、既に設定トルク値での締付が完了している本締め完了のボルト等の締結部材を締め付けた場合を示す。二点鎖線で示すトルク波形Ｄ１、Ｄ２，Ｄ３、実線で示すトルク波形Ｅは仮締めの終了している締結部材に対し、本実施形態のトルクレンチ１により本締めを行った状態を示す。

本締め完了の締結部材を本実施形態のトルクレンチ１により締め付ける場合、波形Ｃに示すように、ハンドル部２は殆ど回転しないがトルク値は急激に上昇する。この場合、ねじ締結トルク値（Ｔ）に対するボルト等の締結部材の締結時のねじ回転角度（θ）の比を表す比角度はΔθ１となる。そして、設定トルク値に達すると、締結完了検知スイッチがＯＮとなる。

一方、二点鎖線で示すトルク波形Ｄ１、Ｄ２，Ｄ３は、２回のラチェット動作を行った場合を示す。トルク波形Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３は、ねじ締結トルク値（Ｔ）に対するボルト等の締結部材の締結時のねじ回転角度（θ）の比を表す比角度はΔθ２（Δθ１＞Δθ２）となる。仮に、ラチェット動作を行うことなく設定トルク値までトルクレンチ１を回転した場合のトルク波形Ｅのねじ締結トルク値（Ｔ）に対するボルト等の締結部材の締結時のねじ回転角度（θ）の比を表す比角度もΔθ２である。

なお、ボルトが回転を開始する０度に対応するピークホールドトルクはトルクレンチの型式（サイズ）でそれぞれ決定される。また、角度閾値はジョイント係数に応じて設定変更される。ジョイント係数は、ねじの締付固さを表し、Δθに反比例する。ジョイント係数が大きいと、ねじの締付固さが固く、小さいと軟らかい。したがって、締結部材の種類等に応じてジョイント係数をＲＯＭ９０に格納し、ピークホールドトルクの変更を行う。

すなわち、二度締め判別部８０３は、ハンドル部２の回転角度とトルク値より比角度Δθ１を求めると、締結完了検知スイッチのＯＮを検知しても二度締めと判別し、表示部８４に二度締めの表示を行う。また、ブザー等で二度締めの警告を行う。

一方、二度締め判別部８０３は、ハンドル部２の回転角度とトルク値より比角度Δθ２を求めると、本締めを行ったと判別し、締結完了検知スイッチのＯＮを検知すると、表示部８４に締結完了の表示を行う。ここで、二度締めか否かを判別するための閾値となる比角度Δθ３は、予めＲＯＭ９０に格納される。

したがって、演算して求めた比角度Δθｎが閾値となる比角度Δθ３以下であれば仮締めされた締結部材を本締めしたと判別し、角度閾値の比角度Δθ３を超える場合には二度締めと判別する。

上記した各実施形態において、トルクレンチ１がボルト等の締結部材を締め付ける際に、二度締めであるか否かをトルクレンチ自体で判別できる。このため、従来のようにパソコン等の管理装置との通信による二度締めの判別が不要となり、簡単に二度締めの判別が行える。

第１モードでの二度締め判別では、ラチェット動作の有無を利用することで、簡単に二度締め判別が可能となる。

第２モードでの二度締め判別では、ラチェット動作がなくても、ねじ締結トルク値（Ｔ）に対するボルト等の締結部材の締結時のねじ回転角度（θ）の比を表す比角度Δθ（Ｔ/θ）により、二度締めであるか否かを判別できる。

上記した各実施形態において、トルク表示やトルクデータの管理が不要の場合、トルク波形の計測に高精度のストレインゲージは不要である。このため、トルク負荷時の曲げ応力が検出でき、トルク上昇が判別できるセンサーであれば良い。

また、締付工具は、トルクレンチやトルクドライバーのように手力により締め付ける構成だけでなく、自動駆動式の構成であっても良い。

上記した実施形態において、第２モードは、比角度Δθを角度閾値と比較して、二度締めであるか否かを判別しているが、これに限定されることはない。例えば、図５に示すように、単純に、角度計測を開始してから、トルクレンチのトルクリミッターが作動する（締結完了検知スイッチがＯＮ）までの計測角度が閾値角度を超えれば初回の締付と判別し、前記閾値角度未満であれば二度締めを検出したと判別することも可能である。この場合、トルクリミッターが作動する（締結完了検知スイッチがＯＮ）計測角度が３５度の場合が初回締めつけ、計測角度が２．５度の場合が二度締めである。したがって、閾値角度を適宜に設定することで、計測角度に基づいて二度締めか否かを判別することができる。

１ トルクレンチ
２ ハンドル部
２１ 支軸
３ ヘッド部
３１ ヘッド本体部 ３２ 角軸 ３３ ロッド部
４ トルクリミッター
４１ バネシート ４２ トルク値設定バネ ４３調整ネジ軸
４４ ナット部材 ４５ トグル
５ ソケット
６ 締結部材
７ ストレインゲージ
８ データ取得部
８０ プロセッサー
８０１ トルク値変換部 ８０２ 角度変換部
８０３ 二度締め判別部
８１ 回路基板 ８３ 外装ケース ８４ 表示部
８５ ８６ 通信部 ８７ 角速度センサー
９０ ＲＯＭ ９１ ＲＡＭ ９２ バス

Claims (5)

1. 締付トルクを締結部材に伝達する締付トルク伝達手段と、
   締付トルク値を計測する締付トルク計測手段と、
   締付トルク値が設定トルク値に達すると作動するトルクリミッターと、
   前記トルクリミッターの作動を検出して締付完了検知信号を出力する締付完了検知手段と、
   締付トルク値が締付工具毎に予め決定された所定トルク以上であるとき、締結部材の回転角度を検出する回転角度検出手段と、
   前記締付トルク計測手段が計測した締付トルク値と、前記締付完了検知信号と、前記回転角度検出手段が検出した回転角度とを二度締め判別情報とし、締付トルク値が前記所定トルクであるときの回転角度を０度として、締付トルク値が前記所定トルクに到達したときから前記締付完了検知信号を取得するまでの間における締結部材の回転角度に基づいて、二度締めの有無を判別する二度締め判別手段と、
   を有する締付工具。
2. 前記二度締め判別手段は、締付トルク値が前記所定トルクに到達したときから前記締付完了検知信号を取得するまでの間における締結部材の回転角度が閾値角度以下であるとき、既に締付が完了している締結部材を再度締め付けた二度締めと判別することを特徴とする請求項１に記載の締付工具。
3. 前記二度締め判別手段は、締付トルク値が前記所定トルクに到達したときから前記締付完了検知信号を取得するまでの間における、計測した締付トルク値及び検出した締結部材の回転角度に基づいて、二度締めの有無を判別することを特徴とする請求項１に記載の締付工具。
4. 締付トルクを締結部材に伝達する締付トルク伝達手段と、
   締付トルク値を計測する締付トルク計測手段と、
   締付トルク値が設定トルク値に達すると作動するトルクリミッターと、
   前記トルクリミッターの作動を検出して締付完了検知信号を出力する締付完了検知手段と、
   締結部材の回転角度を検出する回転角度検出手段と、
   前記締付トルク計測手段が計測した締付トルク値と、前記締付完了検知信号と、前記回転角度検出手段が検出した回転角度とを二度締め判別情報とし、締付開始から前記締付完了検知信号を取得するまでの間における締結部材の回転角度に基づいて、二度締めの有無を判別する二度締め判別手段と、を有し、
   前記二度締め判別手段は、計測した締付トルク値に対する締付部材の回転角度の比を表す比角度が予め設定した閾値角度以下であるとき、未だ締付が完了していない締結部材を締め付けたと判別し、前記比角度が前記閾値角度を超えているとき、既に締付が完了している締結部材を再度締め付けた二度締めと判別することを特徴とする締付工具。
5. 前記締付工具は、トルクレンチまたはトルクドライバーであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の締付工具。