JP6479249B1 - 締付装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ボルト頭部外周面に雄ネジ部が形成されたボルトの締結作業を自動化する。
【解決手段】ボルト頭部の側面にボルト頭部雄ネジ部が形成され、ボルト頭部の頂面に被係合部が形成されたボルトを、被締結体に対して締結するための締付装置であって、前記ボルト頭部雄ネジ部に螺合するロッド雌ネジ部を有するテンションロッドと前記テンションロッドの内側に上下方向に進退可能に配設されるとともに、前記被係合部に係合する係合部を有するビットであって、前記被係合部及び前記係合部が係合した状態において、前記ボルトを上下方向に延びる軸周りに回転させるビットと、前記テンションロッドを周方向において包囲する位置に配置され、下端部が前記テンションロッドの下端部よりも下方に突出したサポータと、前記サポータに働く上下方向の圧縮力を検知するためのセンサと、前記ビットを前記軸周りに回転させるための第１モータと、前記テンションロッドを上下方向に延びる軸周りに回転させるための第２モータと、を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボルトを被締結体に締結する締付装置に関する。

自動車をはじめとした多くの機械構造物の組み立てや固定にボルト・ナット締結体が用いられる。特許文献１には、ボルト頭部外周面に雄ネジ部が形成されたボルトが開示されている。

特許第６３８１８４０号公報

本発明は、ボルトの締結作業を自動化することを目的とする。

上記課題を解決するために、本願発明は一つの観点として、（１）ボルト頭部の側面にボルト頭部雄ネジ部が形成され、ボルト頭部の頂面に被係合部が形成されたボルトを、被締結体に対して締結するための締付装置であって、前記ボルト頭部雄ネジ部に螺合するロッド雌ネジ部を有するテンションロッドと、前記テンションロッドの内側に上下方向に進退可能に配設されるとともに、前記被係合部に係合する係合部を有するビットであって、前記被係合部及び前記係合部が係合した状態において、前記ボルトを上下方向に延びる軸周りに回転させるビットと、前記テンションロッドを周方向において包囲する位置に配置され、下端部が前記テンションロッドの下端部よりも下方に突出したサポータと、前記サポータに働く上下方向の圧縮力を検知するためのセンサと、前記ビットを前記軸周りに回転させるための第１モータと、前記テンションロッドを上下方向に延びる軸周りに回転させるための第２モータと、を有することを特徴とする締付装置。

（２）前記ボルトの軸部にはボルト軸雄ネジ部が形成されており、前記ロッド雌ネジ部及び前記ボルト軸雄ネジ部は、互いにネジピッチが同一であることを特徴とする上記（１）に記載の締付装置。

（３）前記テンションロッドの内側には、筒状のホルダが配置されており、前記ホルダの内部には、磁石と、前記磁石に吸着された前記ビットと、前記磁石を下向きに付勢するスプリングと、が配設されていることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の締付装置。

（４）前記被係合部は差し込み穴であり、前記係合部は前記差し込み穴に差し込まれる前記ビットの下端部であることを特徴とする上記（１）乃至（３）のうちいずれか一つに記載の締付装置。

（５）本願発明は別の観点として、ボルト頭部の上面に設けられた凹部の内周面にボルト頭部雌ネジ部が形成されたボルトを、被締結体に対して締結するための締付装置であって、前記ボルト頭部雌ネジ部に螺合するロッド雄ネジ部を有するテンションロッドと、前記テンションロッドを周方向において包囲する位置に配置され、下端部に前記ボルト頭部を側方から把持するための把持部が形成されたドライブソケットと、前記ドライブソケットを周方向において包囲する位置に配置され、下端部が前記ドライブソケットの下端部よりも下方に突出したサポータと、前記サポータに働く上下方向の圧縮力を検知するためのセンサと、前記テンションロッドを上下方向に延びる軸周りに回転させるための第１モータと、前記ドライブソケットを上下方向に延びる軸周りに回転させるための第２モータと、を有することを特徴とする締付装置。

（６）前記ボルトの軸部にはボルト軸雄ネジ部が形成されており、前記ロッド雄ネジ部及び前記ボルト軸雄ネジ部は、互いにネジピッチが同一であることを特徴とする上記（５）に記載の締付装置。

（７）前記テンションロッドの下端部には、凸部が形成されており、この凸部の外周面に前記ロッド雄ネジ部が形成されていることを特徴とする上記（５）又は（６）に記載の締付装置。

本発明の上記（１）の構成によれば、ボルト頭部外周面に雄ネジ部が形成されたボルトの締結作業を自動化できる。また、本発明の上記（５）の構成によれば、ボルト頭部頂面の凹部の内周面にボルト頭部雌ネジ部が形成されたボルトの締結作業を自動化できる。

締付装置の断面図である（第１実施形態）。 被締結体及びボルトの断面図である（第１実施形態）。 ボルトの斜視図である（第１実施形態）。 ボルト（変形例）の斜視図である。 被締結体及びボルト（変形例）の断面図である。 第１実施形態の締付装置の動作説明図である（前半）。 第１実施形態の締付装置の動作説明図である（後半）。 ボルトの回転角度と軸力，引張力との関係を示したグラフである。 締付装置の断面図である（第２実施形態）。 ボルトの一部における斜視図である（第２実施形態）。 第２実施形態の締付装置の動作説明図である（前半）。 第２実施形態の締付装置の動作説明図である（後半）。

図１は、締付装置１００を示す断面図である。締付装置１００は、第１モータ１０と、第２モータ３０と、ケース５０とを含む。第１モータ１０及び第２モータ３０は互いに独立しており、コントローラ５によって駆動制御される。すなわち、コントローラ５は、第１モータ１０及び第２モータ３０をそれぞれ独立して制御することができる。コントローラ５には、例えば、ＣＰＵ（central processing unit）を用いることができる。

ケース５０は、ボディ５１と、ボディ５１の下面に固定される上端が凹状に形成されたベース５２とを備える。ボディ５１には、第１減速機１１及び第２減速機３１が収容されている。第１減速機１１は出力軸１１aを備えている。出力軸１１aは、管状に形成されており、出力軸１１aの管状部には動力伝達部品１２が差し込まれて、固定されている。この動力伝達部品１２は、出力軸１１aとともに回転動作する。動力伝達部品１２の下端部は、出力軸１１aの下方に向かって突出しており、この突出部分は上下方向に延びる管状のビットホルダー１３の管内に向かって延出して、固定されている。したがって、出力軸１１aで得られた回転出力は、動力伝達部品１２を介してビットホルダー１３に伝達され、出力軸１１a及びビットホルダー１３を一体的に回転させることができる。

出力軸１１a及びビットホルダー１３は略同軸上に配設されており、ベアリング１４に対して回転可能に支持されている。ビットホルター１３の内部には、磁石１３aが設けられており、この磁石１３aにはボルトを回転させるためのビット１３ｂが吸着されている。ビット１３ｂは、下方に向かって延びており、ビットホルダー１３の下端部から延出している。上述の構成において、ビットホルダー１３を回転動作させることにより、ビッド１３ｂを上下方向に延びる軸周りに回転させることができる。

ここで、磁石１３a及びビット１３ｂは、上下方向にスライド移動できるようにビットホルダー１３の管内に収められており、磁石１３aと動力伝達部品１２との間にはスプリング１３ｃが介在している。スプリング１３ｃは、ビッドホルダー１３の内壁に沿って配設されている。磁石１３aが動力伝達部品１２に接近する方向にスライド移動すると、スプリング１３ｃが縮み方向にチャージされる。上述の構成によれば、後述するボルト７０に追従するようにビッド１３ｂを上下方向に動作させることができる。

ここで、ビッド１３ｂは、ボルト回転時に加わる負荷によって消耗する。本実施形態のように、ビッド１３ｂを磁石１３aに吸着させて固定することにより、消耗時にビッド１３ｂを容易に交換することができる。

第２モータ３０の回転力は、第２減速機３１、ピニオンギヤ３２及びアイドルギヤ３３を介して、テンションロッド１５に伝達される。すなわち、テンションロッド１５の外周面に形成された駆動ギア１５１及びアイドルギヤ３３が互いに係合しており、第２モータ３０を動作させることによって、テンションロッド１５を上下方向に延びる軸周りに回転させることができる。

ベアリング３４は、第２モータ３０が回転動作するときに、ピニオンギヤ３２及びアイドルギヤ３３に加わる荷重を受けるために設置されている。アイドルギヤ３３は、上下方向に延びるアイドルシャフト３５によって回転駆動される。

テンションロッド１５は、ビットホルダー１３及びベアリング１４を収めるためのテンション収容部１５aを有している。ビットホルダー１３及びテンションロッド１５の間には、テンションロッド１５の回転動作を許容する隙間が形成されている。テンションロッド１５は、ベアリング１６及びスラストベアリング１７により回転可能に支持されている。

テンションロッド１５の下端部における内径面には、テンションロッド雌ネジ部１５a１が形成されている。このテンションロッド雌ネジ部１５a１は、ボルトの引張時に、ボルト頭部に形成されたボルト雄ネジ部に螺合するが、詳細について後述する。

サポータ１８は、テンションロッド１５を収めるためのサポータ収容部１８aを有している。サポータ１８の上端部はスラストベアリング１７に接触しており、サポータ１８の下端部はテンションロッド１５の下端部よりも更に下方に延出している。したがって、締付装置１００全体が被締結体Ｈに向かって下降した時、サポータ１８の下端部が被締結体Ｈに当接する。テンションロッド１５及びサポータ１８の間には、テンションロッド１５の回転動作を許容する隙間が形成されている。

サポータ１８の上端側には、センサ１８１が設けられている。センサ１８１は、起歪体１８１ａと歪ゲージ１８１ｂとを備える。起歪体１８１ａは、中間部が縮径した円筒形状に形成されている。歪ゲージ１８１ｂは、起歪体１８１ａの中間部に取り付けられている。

ボルトの引張処理の際に、起歪体１８１ａは、サポータ１８から伝達される引張力と同等の上方向の力を受け、弾性変形域内で圧縮方向に歪む。歪ゲージ１８１ｂは、起歪体１８１ａの歪に応じて抵抗値を変化させ、コントローラ５に出力する出力電圧を変化させる。コントローラ５は、歪ゲージ１８１ｂの出力電圧の変化量に基づいて、ボルトのネジ部の引張力を算出する。センサ１８１は、起歪体１８１ａ及び歪ゲージ１８１ｂの組み合わせに限るものではなく、ボルトの引張力を検出できる他のセンサを用いることもできる。

次に、図２及び図３を参照しながら、本実施形態の締付装置１００によって締結されるボルトについて説明する。図２はボルト及び被締結体の断面図であり、図３はボルトの斜視図である。ボルト７０は、六角穴付きボルトであり、ボルト軸部７１及びボルト頭部７２から構成されている。ボルト軸部７１には雄ネジが形成されている。被締結体Ｈ（言い換えると、ワーク）は、上下方向において重ね合わされた被締結体Ｈ１及びＨ２からなり、これらの被締結体Ｈ１及びＨ２には夫々ボルト孔Ｈ１ａ及びＨ２ａが形成されている。

ボルト７０をボルト孔Ｈ１ａ，Ｈ２ａに挿入し、被締結体Ｈ（Ｈ２）の端面から下方に突出したボルト軸部７１にナット８０を螺合させることにより、ボルト７０は被締結体Ｈに締結される。ただし、本願発明はナット８０のないボルト７０のみの締結体にも適用することができる。この場合、ボルト軸部７１の雄ネジ部と螺合する雌ネジ部をボルト穴Ｈ２ａの周面に形成することにより、ボルト７０を被締結体Ｈに締結することができる。

ボルト頭部７２の頂面には、六角形状の差し込み穴７２ｂ（被係合部に相当する）が形成されている。この差し込み穴７２ｂにビット１３ｂの下端部（係合部に相当する）を差し込み、回転させることにより、被締結体Ｈにボルト７０を締結することができる。ボルト頭部７２の側面にはボルト頭部雄ネジ部７２ａが周方向に途切れることなく連続的に形成されている。このボルト頭部雄ネジ部７２ａにテンションロッド雌ネジ部１５a１を螺合させた状態で、テンションロッド１５を回転させることにより、ボルト７０を引っ張ることができる。

ここで、サポータ１８及び被締結体Ｈの接触面積をＳ１と、ボルト頭部７２及び被締結体Ｈの接触面積をＳ２としたときに、接触面積Ｓ１及びＳ２は互いに同一であることが望ましい。被締結体Ｈには、ボルト頭部７２の座面及びサポータ１８から面圧が働くため、接触面積Ｓ１及びＳ２が互いに異なると（つまり、面圧差が生じると）、被締結体Ｈの変形量が実際のボルト締め付け時と異なってしまう。また、面圧差が過度に大きくなると、サポータ１８が被締結体Ｈを変形させて傷つけたり、変形量が相違することで締付け精度が低下する可能性がある。

本実施形態では、差し込み穴７２ｂを六角状に形成したが、本発明はこれに限るものではなく、八角等の他の多角形状であってもよい。また、ボルト頭部の形状が六角である六角ボルトにも本願発明は適用することができる。この場合、図４（ａ）に図示するように、ボルト頭部７２´の頂面に差し込み穴７２ｂ´を形成するとともに、ボルト頭部７２´の側面における曲部にボルト頭部雄ネジ部７２ａ´を間欠的に形成するとよい。また、ボルト頭部雄ネジ部７２ａ（７２ａ´）は、必ずしもボルト頭部７２（７２´）の上端から下端の全体に渡って形成する必要はなく、テンションロッド１５を回転させるために必要な螺合長さが確保できれば、上端から下端の一部にのみ形成されていてもよい。

また、本実施形態では、ボルト頭部７２に形成された差し込み穴７２ｂに、ビット１３ｂを差し込むことにより、ボルト７０を回転させたが、本発明はこれに限るものではなく、図４（ｂ）に図示するように、ボルト頭部７２（７２´）に突起部７２ｃ（被係合部に相当する）を形成し、この突起部７２ｃをビット１３ｂの下端部に形成された不図示の凹部（係合部に相当する）に差し込むことにより、ボルト７０を回転させてもよい。つまり、本願発明は、ボルト頭部の側面にボルト頭部雄ネジ部が形成され、かつ、ボルト頭部にビットの係合部を係合させるための被係合部が形成されたボルトに広く適用することができる。また、本願発明は、ボルト頭部にフランジが形成されたフランジ付きボルトにも適用できる。

次に、図５及び図６の動作説明図を参照しながら、締付装置１００の動作について説明する。ここで、初期状態（図５（ａ）参照）において、ボルト７０は被締結体Ｈに仮止めされており、ボルト頭部７２は被締結体Ｈの上面から離隔した仮止め位置に位置しているものとする。また、ビット１３ｂは、ボルト頭部７２の差し込み穴７２ｂに差し込まれているものとする。なお、以下の制御は、特に断らない限り、コントローラ５が行うものとする。

第１モータ１０を作動させると、第１減速機１１、出力軸１１ａ、動力伝達部品１２及びビッドホルダー１３が回転し、ビッドホルダー１３に保持されたビット１３ｂが矢印Ｋ１方向に回転する。ビッド１３ｂが回転すると、ボルト７０が下側に向かって螺進する。ここで、締付装置１００は、支持部（不図示）に対して自重によって下降することを許容するように支持されているため、ビッド１３ｂが回転しながら、締付装置１００全体が下降し、その結果、テンションロッド雌ネジ部１５a１及びボルト頭部雄ネジ部７２ａが螺合可能な状態になる（図５（ｂ）参照）。

さらに、ボルト７０を回転させ、ボルト頭部７２が被締結体Ｈの上面に着座すると、第１モータ１０が受ける第１モータ１０を回転させようとする力が急激に増大し、帰還トルクが急激に増大する（図５（ｃ）参照）。コントローラ５は、第１モータ１０の帰還トルクからボルト７０が着座したことを検知して、第１モータ１０を停止する。その後、第１モータ１０を矢印Ｋ２方向に逆回転させることにより、ボルト頭部７２を被締結体Ｈの上面から僅かに離隔した位置に戻す（図５（ｄ）参照）。

次に、第１モータ１０を停止して、第２モータ３０を作動させる。第２モータ３０を作動させると、テンションロッド１５が矢印Ｋ１方向に回転しながら、締付装置１００全体が下向きに移動して、テンションロッド雌ネジ部１５a１及びボルト頭部雄ネジ部７２ａが互いに螺合する（図６（ｅ）参照）。なお、この際、ビット１３ｂは、スプリング１３ｃの弾性力に抗しながら、ビットホルダー１３の内部を上向きにスライド移動する。

テンションロッド１５をさらに回転させながら下向きに螺進させると、サポータ１８の下端部が被締結体Ｈの上面に当接することにより締付装置１００の下降動作が停止する。テンションロッド１５をさらに矢印Ｋ１方向に回転させようとしても、サポータ１８が被締結体Ｈに接触しているため、テンションロッド１５を下向きに螺進させることができない。ここで、ボルト頭部７２の差し込み穴７２ｂに差し込まれたビット１３ｂによってボルト７０の回転動作は禁止されているため、ボルト７０にはテンションロッド１５によって引き抜き方向（つまり、上向き）の荷重が働く。しかしながら、サポータ１８が被締結体Ｈに接触しているため、テンションロッド１５を回転させても引き抜き方向にボルト７０を移動させることができない。その結果、ナット８０及びサポータ１８に引張力Ｐが働く（図６（ｆ）参照）。ここで、サポータ１８の上端部は、スラストベアリング１７に接しているため、スラストベアリング１７及び被締結体Ｈによってサポータ１８は圧縮され、この圧縮力が引張力Ｐとしてセンサ１８１により検出される。

ここで、引張力Ｐの目標値を目標引張力（例えば、１０ｋＮ）と定義したとき、第２モータ３０のオーバーシュートを防止するために、引張力Ｐが目標引張力に近づくにしたがって、第２モータ３０を減速し、目標引張力に到達した時に第２モータ３０を停止させる（第２ステップに相当する）ことが望ましい。この目標引張力は、ボルト７０の目標軸力でもある。

次に、引張力Ｐを付加した状態で、再び第１モータ１０を矢印Ｋ１方向に回転させて、ボルト頭部７２を被締結体Ｈに着座させる（第３ステップに相当する）。ここで、テンションロッド雌ネジ部１５a１及びボルト軸部７１に形成された雄ネジは、互いにネジピッチが同一であることが望ましい。仮に、これらのネジピッチが異なる場合、ビット１３ｂの回転制御（つまり、第１モータ１０の駆動制御）とテンションロッド１５の回転制御（つまり、第２モータ３０の駆動制御）とを同時に行う必要があり、制御が煩雑となる。一方、ネジピッチが互いに同一であれば、ビット１３ｂのみを回転させるだけで、ボルトの締結作業が完了するため、煩雑な同期制御が不要となる。

ここで、ボルト頭部７２が被締結体Ｈに接触すると、引張力Ｐが低下し始め、逆にボルト７０の軸力Ｆが増大する（図６（ｇ）及び図７参照）。引張力Ｐの微分値であるｄＰ／ｄθを常時監視しておき、ｄＰ／ｄθが不安定な曲線（非直線領域）から直線に変化し時にビット１３の回転動作を停止させる（第４ステップに相当する）。なお、「ｄθ」はボルト７０の回転角度に対応している。

最後に、第２モータ３０をボルト締結時とは反対方向に回転させることにより、締付装置１００を被締結体Ｈから退避させ、ボルト頭部７２及びテンションロッド１５の螺合状態を解除する（図６（ｈ）参照）。この時、ボルト７０によって発生している軸力Ｆは目標引張力に近い値を示すため、精度の高い軸力Ｆを得ることができる。

ここで、図７に示すように、本実施形態では、目標軸力Ｆよりも高い軸力に到達した時にボルト７０の締め付け動作を停止して、ボルト頭部７２及びテンションロッド１５の螺合状態を解除している。ボルト７０が被締結体Ｈに着座した直後にボルト７０の締め付け動作を停止して、ボルト頭部７２及びテンションロッド１５の螺合状態を解除すると、ボルト７０や被締結体Ｈの弾性変形分だけ軸力が低下する。この低下分σは、ｄＰ／ｄθが曲線から直線に変化した時の軸力と目標軸力Ｆとの差分に対応している。ただし、着座後に軸力が低下することを見越して、予め引張力Ｐを低下分σだけ高い値に設定しておき、着座した直後にボルト７０の締め付け作業を停止してもよい。この場合、ボルト頭部７２及びテンションロッド１５の螺合状態を解除すると、ボルト７０の軸力が目標軸力Ｆに向かって降下する。

（第２実施形態）
図８は、締付装置２００の断面図である。図９は、ボルトの一部における斜視図である。ボルト９０は、ボルト頭部９１及びボルト軸部９２を備える。ボルト頭部９１の頂面には、有底筒状の頭部開口部９１ａ（凹部に相当する）が形成されており、この頭部開口部９１ａの内周面には頭部雌ネジ部９１ｂが切られている。ボルト軸部９２には雄ネジ９２ａが形成されている。ボルト９０は、後述するナット９３（図１０及び図１１参照）とともに被締結体Ｈに締結される。被締結体Ｈは第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

締付装置２００は、第１モータ２１０と、第２モータ２２０と、ケース２２３とを含む。第１モータ２１０及び第２モータ２２０は互いに独立しており、コントローラ９によって駆動制御される。すなわち、コントローラ９は、第１モータ２１０及び第２モータ２２０をそれぞれ独立して制御することができる。コントローラ９には、例えば、ＣＰＵ（central processing unit）を用いることができる。

ケース２２３は、ボディ２２３ａと、ボディ２２３ａの下面に固定される上端が凹状に形成されたベース２２３ｂとを備える。ボディ２２３ａには、第１減速機２１１及び第２減速機２２１が収容されている。ケース２２３の下面からは、ボルト９０を回転させるためのテンションロッド２０１が突出する。テンションロッド２０１の下端には、円柱状の円柱突起部２０１ａ（凸部に相当する）が設けられており、この円柱突起部２０１ａの外周面には、ロッド雄ネジ部２０１ｂが切られている。

第１モータ２１０の回転力は、第１減速機２１１を介して、テンションロッド２０１に伝達され、テンションロッド２０１は上下方向に延びる軸周りに回転する。ここで、テンションロッド２０１のロッド雄ネジ部２０１ｂ及び頭部雌ネジ部９１ｂを螺合させた状態でテンションロッド２０１を回転させることにより、ボルト９０を締結することができる。ここで、締付装置２００は、支持部（不図示）に対して自重による下降を許容するように支持されている。したがって、ボルト９０が被締結体Ｈに向かって螺進するとき、締付装置２００全体がボルト９０とともに下降する。

第２モータ２２０は、第1モータ２１０の側方に位置しており、第２モータ２２０の直下に位置する第２減速機２２１に接続されている。第２減速機２２１は、第２モータ２２０から入力される回転を減速して出力軸２２９から出力する。出力軸２２９は、ベアリング２２２に対して回転可能に支持されている。

第２モータ２２０の回転力は、第２減速機２２１、出力軸２２９、ピニオンギヤ２２７及びアイドルギヤ２２８を介してドライブソケット２０２に伝達される。すなわち、ドライブソケット２０２の外周面に形成された駆動ギア３１６及びアイドルギヤ２２８は互いに係合しており、第２モータ２２０を作動させることによって、ドライブソケット２０２を上下方向に延びる軸周りに回転させることができる。

ベアリング２２５は、第２モータ３０が回転動作するときに、ピニオンギヤ２２７及びアイドルギヤ２２８に加わる荷重を受けるために設置されている。アイドルギヤ２２８は、上下方向に延びるアイドルシャフト２２６によって回転駆動される。

ドライブソケット２０２は、ケース２２３の下面から突出している。ドライブソケット２０２は、上下一対のベアリング２１７ａ，２１７ｂ、ベアリング３１２に対して回転可能に支持されている。止め輪２１６は、上側のベアリング２１７ａの抜け止めのために設けられている。

ドライブソケット２０２は、筒状に形成されており、ドライブソケット２０２の内側には、テンションロッド２０１が収められている。ドライブソケット２０２の下端部には、径方向内側に向かって突出するボルト頭部把持部２０２ａが形成されている。ボルト頭部把持部２０２ａの内径面は、ボルト頭部９１の側面に対応した形状（つまり、本実施形態では六角形）に形成されている。ボルト頭部把持部２０２ａをボルト頭部９１に嵌め込んだ状態で、ドライブソケット２０２を回転させることにより、ボルト９０を被締結体Ｈに対して螺進させることができる。なお、ドライブソケット２０２が停止した状態でテンションロッド２０１によってボルト９０を回転させようとしても、ボルト頭部９１がボルト頭部把持部２０２ａに把持されているため、ボルト９０を回転させることができない。

サポータ２０３は、ドライブソケット２０２を収めるためのサポータ収容部２０３ａを有している。サポータ２０３の上端部はベアリング２１７ｂに接触しており、サポータ２０３の下端部はドライブソケット２０２の下端部よりも更に下方に延出している。したがって、締付装置２００全体が被締結体Ｈに向かって下降した時、サポータ２０３の下端部が被締結体Ｈに当接する。ドライブソケット２０２及びサポータ２０３の間には、ドライブソケット２０２の回転動作を許容する隙間が形成されている。

ここで、サポータ２０３及び被締結体Ｈの接触面積をＳ１と、ボルト頭部９１及び被締結体Ｈの接触面積をＳ２としたときに、接触面積Ｓ１及びＳ２は互いに同一であることが望ましい。被締結体Ｈには、ボルト頭部９１の座面及びサポータ２０３から面圧が働くため、接触面積Ｓ１及びＳ２が互いに異なると（つまり、面圧差が生じると）、被締結体Ｈの変形量が実際のボルト締め付け時と異なってしまう。また、面圧差が過度に大きくなると、サポータ２０３が被締結体Ｈを変形させて傷つけたり、変形量が相違することで締付け精度が低下する可能性がある。

センサ２１は、起歪体２１３と歪ゲージ２１４とを備える。起歪体２１３は、中間部が縮径した円筒形状に形成されている。起歪体２１３には、金属を用いることができる。起歪体２１３は、テンションロッド２０１の径方向外側、かつ減速機２１１とドライブソケット２０２との間に配置される。起歪体２１３の上部は、スラストベアリング２１２を介して減速機２１１に抑えられている。起歪体２１３の下部は、スラストベアリング２１５を介してドライブソケット２０２に支持されている。歪ゲージ２１４は、起歪体２１３の中間部に取り付けられている。ただし、センサ２１は、サポータ２０３に設けられていてもよい。

ボルト９０の引張処理の際に、起歪体２１３は、サポータ２０３から伝達される引張力と同等の上方向の力を受け、弾性変形域内で圧縮方向に歪む。歪ゲージ２１４は、起歪体２１３の歪に応じて抵抗値を変化させ、コントローラ９に出力する出力電圧を変化させる。コントローラ９は、歪ゲージ２１４の出力電圧の変化量に基づいて、ボルト９０のネジ部の引張力を算出する。なお、センサ２１の上下に設けられたスラストベアリング２１２，２１５は、サポータ２０３以外から受ける外乱的な力がセンサ２１に伝達されることを抑制する機能を有している。センサ２１は、起歪体２１３及び歪ゲージ２１４の組み合わせに限るものではなく、ボルト９０の引張力を検出できる他のセンサを用いることもできる。

次に、図１０及び図１１の動作説明図を参照しながら、締付装置２００の動作について説明する。ここで、初期状態（図１０（ａ）参照）において、ボルト９０は被締結体Ｈに仮止めされており、ボルト頭部９１は被締結体Ｈの上面から離隔した仮止め位置に位置しているものとする。また、ドライブソケット２０２のボルト頭部把持部２０２ａは、ボルト頭部９１の上端部を把持しているものとする。さらに、テンションロッド２０１の円柱突起部２０１ａは、ボルト頭部９１の頭部雌ネジ部９１ｂの上端に当接しているものとする。以下の制御は、特に断らない限り、コントローラ９が行うものとする。

第２モータ２２０を作動させると、第２減速機２２１、出力軸２２９、ピニオンギヤ２２７、アイドルギヤ２２８及び駆動ギア３１６が回転し、ドライブソケット２０２の把持部２０２ａに把持されたボルト９０が矢印Ｋ１方向（言い換えると平面視時計回り方向）に回転する。ドライブソケット２０２が回転すると、ボルト９０が下側に向かって螺進する。ここで、締付装置２００は、支持部（不図示）に対して自重によって下降することを許容するように支持されているため、ドライブソケット２０２が回転しながら、締付装置２００全体が下降する。

さらに、ドライブソケット２０２によりボルト９０を矢印Ｋ１方向に回転させると、ボルト頭部９１が被締結体Ｈの上面に着座して、第２モータ２２０が受ける第２モータ２２０を回転させようとする力が急激に増大し、帰還トルクが急上昇する。コントローラ９は、第２モータ２２０の帰還トルクからボルト９０が着座したことを検知して、第２モータ２２０を停止する。図１０（ｂ）は、第２モータ２２０を停止した直後の状態を示している。

第２モータ２２０を停止した後、第２モータ２２０を逆方向に作動させ、ドライブソケット２０２を矢印Ｋ２方向（言い換えると平面視時計回り反対方向）に回転させる。ドライブソケット２０２を矢印Ｋ２方向に回転させると、ボルト９０が上側に向かって螺進し、テンションロッド２０１、ドライブソケット２０２及びサポータ２０３が一体となって上側に移動する。これにより、ボルト頭部９１が被締結体Ｈの上面から僅かに離隔した位置（言い換えると、テンションロッド駆動開始位置）に移動する。図１０（ｃ）は、ボルト９０がテンションロッド開始位置に到達した直後の状態を示している。

次に、第２モータ２２０を停止して、第１モータ２１０を作動させる。第１モータ２１０を作動させると、テンションロッド２０１が、矢印Ｋ１方向に回転しながら、ボルト頭部９１の頭部開口部９１ａの底面に向かって螺進するとともに、ドライブソケット２０２及びサポータ２０３がテンションロッド２０１とともに被締結体Ｈに向かって下降する。図１１（ｄ）は、テンションロッド２０１、ドライブソケット２０２及びサポータ２０３が被締結体Ｈに向かって下降する途中の状態を示している。なお、図１０（ｃ）の工程から図１１（ｄ）の工程に遷移する過程で、ボルト９０の位置は変化しない。

テンションロッド２０１がさらに螺進すると、サポータ２０３の下端部が被締結体Ｈの上面に当接することにより締付装置２００の下降動作が停止する。図１１（ｅ）は、サポータ２０３が被締結体Ｈの上面に当接した直後の状態を示している。テンションロッド２０１をさらに矢印Ｋ１方向に回転させようとしても、サポータ２０３が被締結体Ｈに接触しているため、テンションロッド２０１を下向きに螺進させることができない。

ここで、ドライブソケット２０２の把持部２０２ａによってボルト９０の回転動作は禁止されているため、ボルト９０にはテンションロッド２０１によって引き抜き方向（つまり、上向き）の荷重が働く。しかしながら、サポータ２０３が被締結体Ｈに接触しているため、テンションロッド２０１を回転させても引き抜き方向にボルト９０を移動させることができない。その結果、ナット９３及びサポータ２０３に引張力Ｐが働く（図１１（ｅ）参照）。この際、スラストベアリング２１２及びサポータ２０３の間に挟まれた部材（起歪体２１３等）が圧縮され、この圧縮力が引張力Ｐとして歪ゲージ２１４により検出される。

ここで、引張力Ｐの目標値を目標引張力（例えば、１０ｋＮ）と定義したとき、第１モータ２１０のオーバーシュートを防止するために、引張力Ｐが目標引張力に近づくにしたがって、第１モータ２１０を減速し、目標引張力に到達した時に第１モータ２１０を停止させることが望ましい。この目標引張力は、ボルト９０の目標軸力でもある。

次に、引張力Ｐを付加した状態で、再び第２モータ２２０を矢印Ｋ１方向に回転させ、テンションロッド２０１、ドライブソケット２０２、サポータ２０３及びボルト９０のうち、ボルト９０のみを下向きに螺進させる。言い換えると、ボルト９０は、テンションロッド２０１から引き抜かれる方向に移動する。ボルト９０が更に下向きに螺進すると、ボルト頭部９１は被締結体Ｈに着座する。ここで、頭部雌ネジ部９１ｂ及びボルト軸部９２の雄ネジ９２ａは、互いにネジピッチが同一であることが望ましい。仮に、これらのネジピッチが異なる場合、図１１（ｅ）〜図１１（ｆ）の工程を実施する際に、テンションロッド２０１の回転制御（つまり、第１モータ２１０の駆動制御）と、ドライブソケット２０２の回転制御（つまり、第２モータ２２０の駆動制御）とを同時に行う必要があり、制御が煩雑となる。一方、ネジピッチが互いに同一であれば、ドライブソケット２０２のみを回転させるだけで、ボルト９０の締結作業が完了するため、煩雑な制御が不要となる。

ここで、ボルト頭部９１が被締結体Ｈに接触すると、引張力Ｐが低下し始め、逆にボルト９０の軸力Ｆが増大する（図１１（ｆ）及び図７参照）。引張力Ｐの微分値であるｄＰ／ｄθを常時監視しておき、ｄＰ／ｄθが不安定な曲線（非直線領域）から直線に変化し時にドライブソケット２０２の回転動作を停止させる。なお、「ｄθ」はボルト９０の回転角度に対応している。

最後に、第１モータ２１０をボルト締結時とは反対方向に回転させることにより、テンションロッド２０１をボルト頭部９１の上方に退避させるとともに、ドライブソケット２０２とボルト頭部９１との把持状態を解除して、締付装置２００をボルト９０から取り外す。この時、ボルト９０によって発生している軸力Ｆは目標引張力に近い値を示すため、精度の高い軸力Ｆを得ることができる。

（締付装置１００の他の使用例）
上述の実施形態では、ボルト７０（９０）を新規に締め付ける際に締付装置１００（２００）を使用したが、本発明はこれに限るものではなく、軸力検出工程において軸力不足と判別された既存のボルト７０（９０）を再締め付けするときに締付装置１００（２００）を使用してもよい。例えば、フランジ形状の多軸ワーク（被締結体）に対して、順番にボルト締めを行うと、初期に締結したボルトの軸力が低下することがある。この場合、締付装置１００（２００）でボルト締めした後、ボルトを引っ張ることでボルトの軸力を検出することができる。なお、軸力検出の理論は、特許第４０２８２５４号公報に記載されているから、詳細な説明を省略する。軸力検出の結果、軸力不足と判別された場合には、締付装置１００（２００）による再締め付けを行うことにより、さらに信頼性の高い軸力管理が可能となる。また、本実施形態の締付装置１００（２００）を配列して（例えば、マトリクス状に配列して）、複数のボルト７０（９０）の締め付け作業を同時に行うこともできる。例えば、エンジンのシリンダーヘッドボルトのような多軸ワークの場合でも、締付装置１００（２００）による同時締付けが可能となり、製品全体の軸力が安定して、製品の品質が向上する。

５ ９ コントローラ
１０ ２１０ 第１モータ
１１ ２１１ 第１減速機
１１ａ 出力軸
１２ 動力伝達部品
１３ ビットホルダー
１３ａ 磁石
１３ｂ ビット
１３ｃ スプリング
１４ ベアリング
１５ ２０１ テンションロッド
１５ａ１ テンションロッド雌ネジ部
１８ ２０３ サポータ
３０ ２２０ 第２モータ
７０ ボルト
７１ ボルト軸部
７２ ボルト頭部
７２ａ ボルト頭部雄ネジ部
７２ｂ 差し込み穴
１００ 締付装置
２００ 締付装置

Claims (7)

1. ボルト頭部の側面にボルト頭部雄ネジ部が形成され、ボルト頭部の頂面に被係合部が形成されたボルトを、被締結体に対して締結するための締付装置であって、
   前記ボルト頭部雄ネジ部に螺合するロッド雌ネジ部を有するテンションロッドと、
   前記テンションロッドの内側に上下方向に進退可能に配設されるとともに、前記被係合部に係合する係合部を有するビットであって、前記被係合部及び前記係合部が係合した状態において、前記ボルトを上下方向に延びる軸周りに回転させるビットと、
   前記テンションロッドを周方向において包囲する位置に配置され、下端部が前記テンションロッドの下端部よりも下方に突出したサポータと、
   前記サポータに働く上下方向の圧縮力を検知するためのセンサと、
   前記ビットを前記軸周りに回転させるための第１モータと、
   前記テンションロッドを上下方向に延びる軸周りに回転させるための第２モータと、
   を有することを特徴とする締付装置。
2. 前記ボルトの軸部にはボルト軸雄ネジ部が形成されており、
   前記ロッド雌ネジ部及び前記ボルト軸雄ネジ部は、互いにネジピッチが同一であることを特徴とする請求項１に記載の締付装置。
3. 前記テンションロッドの内側には、筒状のホルダが配置されており、
   前記ホルダの内部には、磁石と、前記磁石に吸着された前記ビットと、前記磁石を下向きに付勢するスプリングと、が配設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の締付装置。
4. 前記被係合部は差し込み穴であり、前記係合部は前記差し込み穴に差し込まれる前記ビットの下端部であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一つに記載の締付装置。
5. ボルト頭部の上面に設けられた凹部の内周面にボルト頭部雌ネジ部が形成されたボルトを、被締結体に対して締結するための締付装置であって、
   前記ボルト頭部雌ネジ部に螺合するロッド雄ネジ部を有するテンションロッドと、
   前記テンションロッドを周方向において包囲する位置に配置され、下端部に前記ボルト頭部を側方から把持するための把持部が形成されたドライブソケットと、
   前記ドライブソケットを周方向において包囲する位置に配置され、下端部が前記ドライブソケットの下端部よりも下方に突出したサポータと、
   前記サポータに働く上下方向の圧縮力を検知するためのセンサと、
   前記テンションロッドを上下方向に延びる軸周りに回転させるための第１モータと、
   前記ドライブソケットを上下方向に延びる軸周りに回転させるための第２モータと、
   を有することを特徴とする締付装置。
6. 前記ボルトの軸部にはボルト軸雄ネジ部が形成されており、
   前記ロッド雄ネジ部及び前記ボルト軸雄ネジ部は、互いにネジピッチが同一であることを特徴とする請求項５に記載の締付装置。
7. 前記テンションロッドの下端部には、凸部が形成されており、
   この凸部の外周面に前記ロッド雄ネジ部が形成されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の締付装置。