JP6501965B1 - ボルト及びナットの締付け方法及び締付け装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ボルト及びナットによる締付け力を目標の締付け力とする。【解決手段】 被締結物を締結するボルト及びナットの締付け方法であって、ボルトの軸方向における所定の引張り力をボルトに与えた状態において、ナット又はボルトを回転させて被締結物に締付け力を与える。締付け力の増加に伴ってボルトの引張り力が低下したときであって、ナット又はボルトの回転角の変化量に対するボルトの引張り力の変化量の比率について、この比率の経時変化における変曲点が発生したタイミング以降において、ナット又はボルトの回転に伴う締付けを終了するとともに、ボルトに与えた引張り力を解除する。【選択図】 図５

Description

本発明は、ボルト及びナットを目標の締付け力で締め付けることができる締付け方法及び締付け装置に関する。

特許文献１に記載の締付け管理方法では、３つの締付け工程を経て、ボルト及びナットを被締結物に締め付けることにより、この締付け力を目標の締付け力としている。

第１締付け工程では、ナットの上面を押さえながら、ナットから突出したボルトの先端部を所定の引張り力で引っ張る。所定の引張り力とは、上述した目標の締付け力と同じ力である。このとき、ボルトのねじ面は、ナットのねじ面のうち、ボルト及びナットが被締結物を実際に締付けたときの接触位置とは反対側の接触位置で接触する。

第２締付け工程では、ボルトの先端部を所定の引張り力で引っ張った状態において、ナットを回転させて締め付ける。ここでは、締付け力が所定の引張り力と等しくなるまで、ナットを締め付ける。このとき、ボルトのねじ面及びナットのねじ面は、ボルト及びナットのバックラッシュにより、互いに接触していない状態となる。

第３締付け工程では、ナットを更に回転させて締め付ける。このナットの締付けにより、締付け力及び引張り力が互いに等しい状態から、締付け力及び引張り力が互いに異なる状態に変化するが、この変化が発生したときにナットの回転を停止させる。締付け力及び引張り力が互いに異なる状態では、締付け力が上昇し、引張り力が低下する。ナットの回転を停止させた後、ボルトに与えられた引張り力を解除する。

特許第４３６３６６１号

本願発明者らによれば、ボルト及びナットを被締結物に締め付けるときにおいて、この締付けを終了させるタイミングに着目したところ、ボルト及びナットの締付け力を目標の締付け力にすることができることが分かった。締付けを終了させるタイミングについては、特許文献１にも記載されているが、本願発明者らによれば、特許文献１とは異なるタイミングにおいて締付けを終了しても、ボルト及びナットの締付け力を目標の締付け力にすることができることが分かった。

本願第１の発明は、被締結物を締結するボルト及びナットの締付け方法である。まず、ボルトの軸方向における所定の引張り力をボルトに与えた状態において、ナット又はボルトを回転させて被締結物に締付け力を与える。ここで、締付け力の増加に伴ってボルトの引張り力が低下したときであって、ナット又はボルトの回転角の変化量に対するボルトの引張り力の変化量の比率について、この比率の経時変化における変曲点が発生したタイミング以降において、ナット又はボルトの回転に伴う締付けを終了するとともに、ボルトに与えた引張り力を解除する。

比率の経時変化において、比率が略一定であるとき、ナット又はボルトの回転に伴う締付けを終了するとともに、ボルトに与えた引張り力を解除することができる。所定の引張り力を、被締結物を締結するときの目標となる締付け力と等しくすることができる。

本願第２の発明は、ボルト及びナットを被締結物に締付ける締付け装置であって、ボルトに与えられた軸方向の引張り力を検出する第１センサと、ナット又はボルトの回転角を検出する第２センサと、ボルト及びナットによる締付けを制御するコントローラと、を有する。コントローラは、所定の引張り力をボルトに与えた状態で、ナット又はボルトを回転させて被締結物に締付け力を与えたときにおいて、締付け力の増加に伴ってボルトの引張り力が低下し、ナット又はボルトの回転角の変化量に対するボルトの引張り力の変化量の比率について、この比率の経時変化における変曲点が発生したタイミング以降において、ナット又はボルトの回転に伴う締付けを終了する。なお、ナット又はボルトの回転に伴う締付けを終了した後では、ボルトに与えた引張り力が解除される。

コントローラは、比率の経時変化において、比率が略一定であるとき、ナット又はボルトの回転に伴う締付けを終了することができる。また、所定の引張り力を、被締結物を締結するときの目標となる締付け力と等しくすることができる。

本発明によれば、ボルト及びナットによる締付け力を目標の締付け力とすることができる。

ねじ締結体の構造と、ボルト及びナットを締め付ける締付け装置の構成を示す図である。 第１工程におけるねじ締結体の状態を示す図である。 第２工程におけるねじ締結体の状態を示す図である。 第３工程におけるねじ締結体の状態を示す図である。 第４工程におけるねじ締結体の状態を示す図である。 本実施形態において、締付け力及び引張り力の経時変化と、変化率ｄＰ／ｄθの経時変化とを示す図である。 スタッドボルトを用いたねじ締結体の構造を示す図である。 スタッドボルトを用いたねじ締結体の構造を示す図である。 変形例において、ねじ締結体の構造と、ボルト及びナットを締め付ける締付け装置の構成を示す図である。 変形例において、締付け力及び引張り力の経時変化と、変化率ｄＰ／ｄθの経時変化とを示す図である。 従来技術において、締付け力及び引張り力の経時変化を示す図である。

本実施形態の締付け方法では、ボルト及びナットを用いて被締結物を締結するねじ締結体において、ボルトの軸方向における所定の引張り力をボルトに与えながらナットを締め付ける。そして、後述する所定のタイミングにおいて、ナットの締付けを終了して、ボルトに与えた引張り力を解除することにより、ボルト及びナットの締付け力を目標の締付け力とする。

（ねじ締結体及び締付け装置）
まず、ねじ締結体の構造と、ボルト及びナットを締め付ける締付け装置の構成について、図１を用いて説明する。図１において、実線（直線）で示す矢印は、機械的な接続を意味し、点線（直線）で示す矢印は、電気的な接続を意味する。

ねじ締結体１は、ボルト２、ナット３及び被締結物４を有する。被締結物４は、第１被締結物４１及び第２被締結物４２を重ねたものである。第１被締結物４１及び第２被締結物４２には、ボルト２の軸部２１が貫通する貫通孔４１ａ，４２ａがそれぞれ形成されている。第１被締結物４１及び第２被締結物４２のそれぞれの形状や材質は、任意であり適宜決められる。なお、本実施形態では、被締結物４が第１被締結物４１及び第２被締結物４２によって構成されているが、これに限るものではない。すなわち、３つ以上の被締結物を重ねることにより、被締結物４が構成されていてもよい。

ボルト２は、軸部２１及び頭部２２を有しており、軸部２１は、ねじ（雄ねじ）が形成されたねじ部２１ａと、ねじが形成されていない円筒部２１ｂとを有する。なお、円筒部２１ｂを省略し、軸部２１がねじ部２１ａだけで構成されていてもよい。ボルト２の頭部２２は、第１被締結物４１の下面に接触している。ボルト２のねじ部２１ａの先端は、第２被締結物４２の上面から上方に突出しており、この突出したねじ部２１ａにナット３のねじ部（雌ネジ）が噛み合っている。ナット３をねじ部２１ａに噛み合わせることにより、ナット３及びボルト２の頭部２２によって、被締結物４に締付け力が与えられる。

ボルト２のねじ部２１ａの先端は、ナット３の上面３ａから上方に突出しており、この突出したねじ部２１ａには、テンションロッド５が接続されている。テンションロッド５は、ねじ部２１ａが挿入される凹部５ａを有しており、凹部５ａの内周面には、ねじ部２１ａと噛み合うねじ部が形成されている。テンションロッド５を一方向に回転させることにより、ねじ部２１ａ及び凹部５ａのねじ部の噛み合いによって、ねじ部２１ａ（すなわち、ボルト２）を上方に引っ張ることができる。

テンションロッド５を回転させるための動力源としては、モータＭ１が用いられる。例えば、減速機構を介してテンションロッド５及びモータＭ１を接続し、モータＭ１の動力をテンションロッド５に伝達することができる。コントローラＣは、モータＭ１の駆動を制御する。なお、モータＭ１の代わりに、作業者の手動操作によってテンションロッド５を回転させることもできる。

テンションロッド５の外周面の外側にはホルダ６が配置されており、ホルダ６の下端面６ａはナット３の上面３ａに接触する。テンションロッド５がボルト２を上方に引っ張るとき、ホルダ６はナット３を押さえる。ボルト２の軸方向において、テンションロッド５及びホルダ６の間にはロードセル７（本発明の第１センサに相当する）が配置されており、ロードセル７は、ナット３を押さえてボルト２を上方に引っ張るときの力（引張り力）Ｐ［ｋＮ］を検出するために用いられる。ロードセル７によって検出された引張り力Ｐの情報は、コントローラＣに送信される。

ホルダ６の外周面の外側にはドライブソケット８が配置されており、ドライブソケット８の下端部は、ナット３の外側面と係合する。ドライブソケット８を一方向に回転させることにより、ナット３を回転させて被締結物４を締め付ける方向（下方向）にナット３を移動させることができる。また、ドライブソケット８を他方向に回転させることにより、ナット３を回転させて被締結物４を締め付けない方向（上方向）にナット３を移動させることができる。

ドライブソケット８を回転させるための動力源としては、モータＭ２が用いられる。例えば、減速機構を介してドライブソケット８及びモータＭ２を接続し、モータＭ２の動力をドライブソケット８に伝達することができる。モータＭ２には回転角センサＲＳ（本発明の第２センサに相当する）が設けられており、回転角センサＲＳは、ナット３の回転角θ［ｄｅｇ］を所定の周期で検出するために用いられ、回転角センサＲＳによって検出された回転角θの情報はコントローラＣに送信される。コントローラＣは、モータＭ２の駆動を制御する。

（締付け方法）
次に、ボルト２及びナット３を被締結物４に締め付ける方法について説明する。この締付け方法は、第１工程、第２工程、第３工程及び第４工程を有し、この締付け方法によって、ボルト２及びナット３の締付け力Ｆを目標となる締付け力（以下、目標締付け力という）Ｆｔａｇとすることができる。

第１工程では、ナット３が第２被締結物４２の上面から離れた状態において、ホルダ６の下端面６ａがナット３の上面３ａを押さえながらテンションロッド５を回転させることにより、ボルト２を上方に引っ張る。ここで、図２には、ボルト２及びナット３に作用する力を矢印（直線）で示す。図２に示す矢印の方向は、力が作用する方向を示す。

引張り力Ｐｓは、ボルト２及びナット３によって被締結物４を締結するときの目標締付け力Ｆｔａｇと同じ力とすることができる。コントローラＣは、ロードセル７の出力に基づいて引張り力Ｐを把握することができ、引張り力Ｐが引張り力Ｐｓ（目標締付け力Ｆｔａｇ）となるように、テンションロッド５の回転を制御する。

引張り力Ｐが引張り力Ｐｓ（目標締付け力Ｆｔａｇ）に到達したとき、ねじ部２１ａのねじ山とナット３のねじ山との接触状態は、図２の拡大図に示す状態となる。この状態では、ねじ部２１ａのねじ山の上面がナット３のねじ山の下面に接触しており、ボルト２及びナット３によって被締結物４を実際に締め付けたときの状態（後述する図４の拡大図に示す状態）とは逆の状態となる。ねじ部２１ａのねじ山及びナット３のねじ山が接触していない部分では、ボルト２の軸方向における距離Ｄの分だけ、バックラッシュが発生している。

第２工程では、ボルト２に与える引張り力Ｐを引張り力Ｐｓに維持しながら、ドライブソケット８によってナット３を回転させて締付けを行う。ここで、図３には、ボルト２、ナット３及び被締結物４に作用する力を矢印（直線）で示す。図３に示す矢印の方向は、力が作用する方向を示す。

図１に示す構成において、ドライブソケット８だけを回転させると、ナット３がホルダ６の下端面６ａから離れる方向（下方向）に移動して、引張り力Ｐが引張り力Ｐｓよりも低下してしまう。このため、ナット３の締付けに伴うナット３の下方向の移動に対して、ホルダ６が追従するように、テンションロッド５を回転させることにより、引張り力Ｐを引張り力Ｐｓに維持しながら、ナット３を回転させて締付けを行うことができる。具体的には、テンションロッド５及びドライブソケット８の回転を同期させればよい。

ナット３が第２被締結物４２の上面に接触した後、ナット３の回転による締付けによって、ボルト２及びナット３による締付け力Ｆが上昇する。そして、ねじ部２１ａのねじ山とナット３のねじ山との接触状態が、図３の拡大図に示す状態になると、引張り力Ｐが急激に上昇する。図３の拡大図に示す状態では、ボルト２及びナット３のバックラッシュ（図２に示す距離Ｄ）により、ねじ部２１ａのねじ山とナット３のねじ山とが離れる。

引張り力Ｐが急激に上昇したことを判別することにより、第２工程を完了させることができる。具体的には、以下に説明する変化率ｄＰ／ｄθに基づいて、引張り力Ｐが急激に上昇したことを判別することができる。

変化率ｄＰ／ｄθ［ｋＮ／ｄｅｇ］とは、ナット３の回転角θの変化量ｄθ［ｄｅｇ］に対する引張り力Ｐの変化量ｄＰ［ｋＮ］の比率である。言い換えれば、変化率ｄＰ／ｄθは、回転角θ及び引張り力Ｐのそれぞれを座標軸とした座標系において、回転角θに対する引張り力Ｐの挙動の微分値である。以下に説明するように、変化量ｄθ及び変化量ｄＰを算出すれば、変化率ｄＰ／ｄθを算出することができる。

回転角センサＲＳは、所定の周期で回転角θを検出するため、変化量ｄθは、前回の検出タイミングで検出された回転角θｐと、今回の検出タイミングで検出された回転角θｃとに基づいて算出される。すなわち、変化量ｄθは、回転角θｃから回転角θｐを減算した値である。ロードセル７は、所定の周期で引張り力Ｐを検出するため、変化量ｄＰは、前回の検出タイミングで検出された引張り力Ｐｐと、今回の検出タイミングで検出された引張り力Ｐｃとに基づいて算出される。すなわち、変化量ｄＰは、引張り力Ｐｃから引張り力Ｐｐを減算した値である。

引張り力Ｐが急激に上昇したことを判別するためには、変化率ｄＰ／ｄθが所定の変化率ｄＰ／ｄθ＿ｔｈよりも高いことを判別すればよい。所定の変化率ｄＰ／ｄθ＿ｔｈは、ねじ締結体１の具体的な構造や材質を考慮して予め決めることができ、例えば、０．１５［ｋＮ／ｄｅｇ］とすることができる。

第３工程では、第２工程が完了した状態（図３の拡大図に示す状態）からナット３を締付け方向に更に回転させることにより、ボルト２及びナット３を本来の締結状態とする。ここでは、テンションロッド５を回転させずに、ドライブソケット８だけを回転させる。図４には、ボルト２、ナット３及び被締結物４に作用する力を矢印（直線）で示す。図４に示す矢印の方向は、力が作用する方向を示す。

図４に示す状態では、ねじ部２１ａのねじ山の下面がナット３のねじ山の上面に接触しており、ボルト２及びナット３によって被締結物４を実際に締め付けたときの状態となる。後述するタイミングにおいて、ナット３の回転を停止させることにより、第３工程が完了する。

第３工程において、ナット３の回転を停止させるタイミングは、上述した変化率ｄＰ／ｄθに基づいて決定している。第３工程において、ナット３の回転に伴う締付けを行うと、締付け力Ｆが上昇するとともに、締付け力Ｆが上昇した分だけ引張り力Ｐが低下する。このとき、上述した引張り力Ｐｃは引張り力Ｐｐよりも小さくなるため、変化量ｄＰ（ｄＰ＝Ｐｃ−Ｐｐ）は負の値になる。また、変化量ｄθは正の値となるため、変化率ｄＰ／ｄθは負の値となる。

上述した変化率ｄＰ／ｄθの挙動（経時変化）としては、変化率ｄＰ／ｄθが低下し続けた後、変化率ｄＰ／ｄθが変動しにくくなる。具体的には、ボルト２のねじ山及びナット３のねじ山の弾性変形によって変化率ｄＰ／ｄθが急激に低下し、弾性限界に近づくにつれて、変化率ｄＰ／ｄθが変動しにくくなる。このため、変化率ｄＰ／ｄθの挙動には変曲点が存在する。この変曲点は、変化率ｄＰ／ｄθ及び時間のそれぞれを座標軸とした座標系において、変化率ｄＰ／ｄθが低下し続ける時間帯と、変化率ｄＰ／ｄθが変動しにくくなる時間帯との境界に位置する。

本実施形態では、変化率ｄＰ／ｄθの挙動において、変曲点が発生したタイミング以降において、ナット３の回転を停止させる。具体的には、コントローラＣは、上述したように変化率ｄＰ／ｄθを算出しながら、変化率ｄＰ／ｄθの挙動において、変曲点が発生したタイミングを特定する。そして、コントローラＣは、変曲点が発生したタイミング以降において、モータＭ２の駆動を停止させることにより、ナット３の回転を停止させる。

ナット３の回転を停止させるタイミングは、変曲点が発生したタイミングであってもよい、変曲点が発生したタイミングよりも後のタイミングであってもよい。変曲点が発生したタイミングよりも後のタイミングとしては、適宜決めることができるが、例えば、変曲点が発生したタイミングから、予め決めた所定時間が経過したタイミングとすることができる。ただし、変曲点が発生した後にナット３を回転させすぎると、ボルト２のねじ山及びナット３のねじ山が塑性変形してしまうため、この点を考慮して上記所定時間の上限を決めることができる。

変化率ｄＰ／ｄθの挙動において、変曲点の発生を特定する方法としては、例えば、変化率ｄＰ／ｄθが低下した後、変化率ｄＰ／ｄθが所定時間の間、略一定であることを判別したとき、変化率ｄＰ／ｄθの挙動において変曲点が発生したことを特定することができる。ここで、回転角センサＲＳやロードセル７の出力にはノイズが含まれることがあり、このノイズによって、変化率ｄＰ／ｄθが僅かに変動（増減）することがある。この点を考慮すると、変化率ｄＰ／ｄθに対して公知の平滑化処理（いわゆる、なまし処理）を行うことにより、上述したノイズの影響を除去した上で、変化率ｄＰ／ｄθが一定であるか否かを判別することができる。一方、上述したノイズによる変化率ｄＰ／ｄθの変動（増減）を許容する範囲（許容範囲）を予め決めておき、この許容範囲内において、変化率ｄＰ／ｄθが変動（増減）し続ける場合には、変化率ｄＰ／ｄθが一定であると判別することができる。

第４工程では、ボルト２の引張り力Ｐｓを解除する。そして、テンションロッド６をボルト２の軸部２１から取り外すとともに、ドライブソケット８をナット３から取り外す。図５には、ボルト２、ナット３及び被締結物４に作用する力を矢印（直線）で示す。図５に示す矢印の方向は、力が作用する方向を示す。図５に示す状態では、ねじ部２１ａのねじ山の下面がナット３のねじ山の上面に接触しており、ボルト２及びナット３によって被締結物４を実際に締め付けたときの状態となる。

第４工程においては、引張り力Ｐが低下して０［ｋＮ］となるとともに、締付け力Ｆが目標締付け力Ｆｔａｇとなる。これにより、第４工程、すなわち、ボルト２及びナット３の締付け方法が完了する。

図６には、締付け力Ｆ及び引張り力Ｐの経時変化と、変化率ｄＰ／ｄθの経時変化とを示す。図６において、横軸は、上述した第１工程、第２工程、第３工程及び第４工程を行う時間［ｍｓ］である。ここで、第１工程、第２工程、第３工程及び第４工程に含まれない時間帯は、動作を停止している時間帯である。図５の左側の縦軸は力（締付け力Ｆ又は引張り力Ｐ）［ｋＮ］であり、図５の右側の縦軸は変化率ｄＰ／ｄθ［ｋＮ／ｄｅｇ］である。変化率ｄＰ／ｄθの演算の都合上、第２工程及び第３工程においてのみ、変化率ｄＰ／ｄθの挙動を示している。

図６に示す締付け力Ｆは、被締結物４にロードセル（不図示）を組み込み、このロードセルによって検出した値である。ボルト２及びナット３を被締結物４に実際に締め付けるときには、ロードセルは設けられず、締付け力Ｆは測定されない。引張り力Ｐは、ロードセル７によって検出された値であり、変化率ｄＰ／ｄθは、引張り力Ｐ及び、回転角センサＲＳによって検出された回転角θに基づいて算出した値である。

図６に示すように、第１工程では、引張り力Ｐが引張り力Ｐｓ（目標締付け力Ｆｔａｇ）まで上昇する。このとき、ナット３は第２被締結物４２の上面から離れているため、締付け力Ｆは０［ｋＮ］のままである。第２工程では、引張り力Ｐを引張り力Ｐｓ（目標締付け力Ｆｔａｇ）に維持しながら、ナット３を回転させて締付けを行う。これに伴い、締付け力Ｆが上昇する。そして、引張り力Ｐが急激に上昇したとき、すなわち、ボルト２のねじ山及びナット３のねじ山が弾性変形したとき、ナット３の回転による締付けを終了する。

第３工程では、締付け力Ｆが上昇するとともに、引張り力Ｐが低下する。また、変化率ｄＰ／ｄθの挙動においては、変化率ｄＰ／ｄθが負の値となり、変曲点が発生する。この変曲点が発生したことを判別したとき、ナット３の回転を停止させる。第４工程では、ボルト２の引張り力Ｐを解除することにより、引張り力Ｐが低下して０［ｋＮ］となる。また、ボルト２の引張り力Ｐを解除すると、締付け力Ｆが低下した後、目標締付け力Ｆｔａｇとなる。ここで、ボルト２の引張り力Ｐを解除した後では、弾性変形したボルト２のねじ山及びナット３のねじ山が復元することによって、締付け力Ｆが低下する。

上述したように、本実施形態では、変化率ｄＰ／ｄθに着目し、変化率ｄＰ／ｄθの挙動において、変曲点が発生したタイミング以降において、ナット３の回転を停止させて引張り力Ｐを解除することにより、締付け力Ｆを目標締付け力Ｆｔａｇとすることができる。

なお、本実施形態では、ホルダ６の下端面６ａをナット３の上面３ａに接触させているが、これに限るものではなく、ナット３を押さえることができれば、いかなる構成であってもよい。例えば、ホルダ６及びナット３の間に他の部材を介在させて、ナット３を押さえるようにしてもよい。

本実施形態では、頭部２２を有するボルト２を用いているが、このボルト２の代わりに、例えば、図７や図８に示すスタッドボルト２Ａを用いることができる。図７や図８に示すスタッドボルト２Ａは、２つのねじ部２１ａ１，２１ａ２と、２つのねじ部２１ａ１，２１ａ２の間に形成された円筒部２１ｂとを有する。なお、スタッドボルト２Ａにおいて、円筒部２１ｂを省略することもできる。図７及び図８において、図１を用いて説明した部材と同一の部材について、同一の符号を付している。

図７に示す構成では、スタッドボルト２Ａの両端に形成されたねじ部２１ａ１，２１ａ２にナット３Ａ，３Ｂをそれぞれ噛み合わせ、２つのナット３Ａ，３Ｂによって被締結物４を挟むことができる。図８に示す構成では、スタッドボルト２Ａの一端に形成されたねじ部２１ａ１にナット３Ａを噛み合わせるとともに、スタッドボルトの他端に形成されたねじ部２１ａ２を被締結物４の貫通孔（貫通孔４１ａに相当する）に形成されたねじ部４ａに噛み合わせることができる。

図７又は図８に示す構成では、図１に示すホルダ６を用いてナット３Ａを押さえるとともに、図１に示すテンションロッド５を用いて、ナット３Ａから突出したねじ部２１ａ１を引っ張ることにより、引張り力Ｐを発生させることができる。また、図１に示すドライブソケット８を用いることにより、ナット３Ａを回転させて締め付けることができる。

なお、図７及び図８では、ねじ部２１ａ１，２１ａ２の外径（呼び）が同一であるが、ねじ部２１ａ１，２１ａ２の外径が異なっていてもよい。具体的には、ねじ部２１ａ１の外径をねじ部２１ａ２の外径よりも大きくしたり、ねじ部２１ａ１の外径をねじ部２１ａ２の外径よりも小さくしたりすることができる。

一方、ボルト２に引張り力Ｐを与えることができれば、本発明を適用することができ、ボルト２に引張り力Ｐを与える構成は、図１に示す構成に限定されるものではない。

（変形例）
本変形例の締付け方法では、ボルト２及びナット３を用いて被締結物４を締結するねじ締結体１において、ボルト２の軸方向における所定の引張り力をボルト２に与えながらボルト２を締め付ける。そして、後述する所定のタイミングにおいて、ボルト２の締付けを終了して、ボルト２に与えた引張り力を解除することにより、ボルト２及びナット３の締付け力Ｆを目標締付け力Ｆｔａｇとする。

以下、ボルト２に引張り力Ｐを与える他の構成（変形例）について、図９を用いて説明する。図９において、実線（直線）で示す矢印は、機械的な接続を意味し、点線（直線）で示す矢印は、電気的な接続を意味する。図９において、図１で説明した部材と同一の部材については、同一の符号を用いている。以下、図１に示す構成と異なる点について主に説明する。

ボルト２の頭部２２の上面にはビット穴２２ａが形成されており、ビット穴２２ａにはビット１１の先端部が係合する。ビット１１を一方向に回転させることにより、被締結物４を締め付ける方向にボルト２を回転させることができる。また、ビット１１を他方向に回転させることにより、被締結物４を締め付けない方向にボルト２を回転させることができる。

ビット１１を回転させるための動力源としては、モータＭ２が用いられる。例えば、減速機構を介してビット１１及びモータＭ２を接続し、モータＭ２の動力をビット１１に伝達することができる。モータＭ２には回転角センサＲＳが設けられており、回転角センサＲＳは、ボルト２の回転角θを所定の周期で検出するために用いられ、回転角センサＲＳによって検出された回転角θの情報はコントローラＣに送信される。コントローラＣは、モータＭ２の駆動を制御する。

ビット１１の外周面の外側には、テンションロッド１２が配置されており、テンションロッド１２の下端部は、ボルト２の頭部２２と係合可能である。具体的には、頭部２２の外側面にはねじ部が形成されており、テンションロッド１２の下端部には、頭部２２のねじ部と噛み合うねじ部が形成されている。テンションロッド１２を一方向に回転させることにより、被締結物４を締め付ける方向にボルト２を回転させることができる。また、テンションロッド１２を他方向に回転させることにより、被締結物４を締め付けない方向にボルト２を回転させることができる。

テンションロッド１２を回転させるための動力源としては、モータＭ１が用いられる。例えば、減速機構を介してテンションロッド１２及びモータＭ１を接続し、モータＭ１の動力をテンションロッド１２に伝達することができる。コントローラＣは、モータＭ１の駆動を制御する。なお、モータＭ１の代わりに、作業者の手動操作によってテンションロッド１２を回転させることもできる。

テンションロッド１２の外周面の外側には、ストッパ１３が配置されており、ストッパ１３の下端部は、テンションロッド１２の下端部よりも下方に位置している。ストッパ１３の上端部には、ロードセル７が設けられている。ロードセル７は、ボルト２に作用する引張り力Ｐを検出するために用いられ、ロードセル７によって検出された引張り力Ｐの情報は、コントローラＣに送信される。

ボルト２の軸方向において、ロードセル７及びテンションロッド１２の間には、ベアリング１４が配置されている。上述したようにテンションロッド１２を回転させるときに、ロードセル７及びストッパ１３を回転させないために、ベアリング１４が配置されている。このため、ロードセル７及びストッパ１３は、ボルト２の軸方向にのみ移動可能である。

図９に示す構成において、ストッパ１３の下端部を被締結物４（第１被締結物４１）の上面に接触させた状態において、テンションロッド１２を回転させると、ボルト２に引張り力Ｐを与えることができる。すなわち、テンションロッド１２は、ボルト２の頭部２２の外側面に形成されたねじ部と噛み合っているため、テンションロッド１２を回転させることにより、ボルト２の頭部２２を上方に引っ張ることができる。ここで、ストッパ１３の下端部を被締結物４の上面に接触させることにより、ボルト２の頭部２２を上方に引っ張るときの反力を確保することができる。ボルト２に与えられた引張り力Ｐは、ロードセル７によって検出される。

本変形例の締付け方法は、第１工程、第２工程及び第３工程を有し、この締付け方法によって、ボルト２及びナット３の締付け力Ｆを目標となる締付け力（以下、目標締付け力という）Ｆｔａｇとすることができる。

第１工程では、上述したように、引張り力Ｐを引張り力Ｐｓ（目標締付け力Ｆｔａｇ）まで上昇させる。ここで、ストッパ１３の下端部は被締結物４（第１被締結物４１）の上面に接触しているため、ストッパ１３を介して引張り力Ｐの反力が被締結物４に作用する。引張り力Ｐが引張り力Ｐｓに到達したとき、ねじ部２１ａのねじ山とナット３のねじ山との接触状態は、図９の拡大図（Ａ）に示す状態となる。この状態では、ねじ部２１ａのねじ山の上面がナット３のねじ山の下面に接触しており、ボルト２及びナット３によって被締結物４を実際に締め付けたときの状態（後述する図９の拡大図（Ｃ）に示す状態）とは逆の状態となる。ねじ部２１ａのねじ山及びナット３のねじ山が接触していない部分では、ボルト２の軸方向における距離Ｄの分だけ、バックラッシュが発生している。

第２工程では、引張り力Ｐを引張り力Ｐｓ（目標締付け力Ｆｔａｇ）に維持したまま、ビット１１を回転させることにより、被締結物４を締め付ける方向にボルト２を回転させる。ビット１１によってボルト２を回転させたとき、ボルト２の頭部２２とテンションロッド１２の噛み合いにより、被締結物４を締め付ける方向にボルト２を移動させることができる。

ボルト２の頭部２２が被締結物４（第１被締結物４１）の上面に接触した後では、締付け力Ｆが上昇するとともに、締付け力Ｆが上昇した分だけ引張り力Ｐが低下する。これにより、ねじ部２１ａのねじ山とナット３のねじ山との接触状態が、図９の拡大図（Ｂ）に示す状態を経て、図９の拡大図（Ｃ）に示す状態になる。図９の拡大図（Ｂ）に示す状態では、ボルト２及びナット３のバックラッシュ（図９の拡大図（Ａ）に示す距離Ｄ）により、ねじ部２１ａのねじ山とナット３のねじ山とが離れる。図９の拡大図（Ｃ）に示す状態では、ねじ部２１ａのねじ山の下面がナット３のねじ山の上面に接触しており、ボルト２及びナット３によって被締結物４を実際に締め付けたときの状態となる。

第２工程において、締付け力Ｆが上昇するとともに、締付け力Ｆの上昇によって引張り力Ｐが低下するとき、変化率ｄＰ／ｄθの挙動（経時変化）には変曲点が発生する。このため、この変曲点が発生したタイミング以降において、ボルト２の回転を停止させる。

第３工程では、テンションロッド１２及びストッパ１３によってボルト２に与えられた引張り力Ｐを解除する。また、ビット１１及びテンションロッド１２をボルト２の頭部２２から取り外す。これにより、締付け力Ｆを目標締付け力Ｆｔａｇとすることができる。

図１０には、変形例において、締付け力Ｆ及び引張り力Ｐの経時変化と、変化率ｄＰ／ｄθの経時変化とを示す。図１０において、横軸は、上述した第１工程、第２工程及び第３工程を行う時間［ｍｓ］である。ここで、第１工程、第２工程及び第３工程に含まれない時間帯は、動作を停止している時間帯である。図１０の左側の縦軸は力（締付け力Ｆ又は引張り力Ｐ）［ｋＮ］であり、図１０の右側の縦軸は変化率ｄＰ／ｄθ［ｋＮ／ｄｅｇ］である。変化率ｄＰ／ｄθの演算の都合上、第２工程においてのみ、変化率ｄＰ／ｄθの挙動を示している。

図１０に示す締付け力Ｆは、被締結物４にロードセル（不図示）を組み込み、このロードセルによって検出した値である。ボルト２及びナット３を被締結物４に実際に締め付けるときには、ロードセルは設けられず、締付け力Ｆは測定されない。引張り力Ｐは、ロードセル７によって検出された値であり、変化率ｄＰ／ｄθは、引張り力Ｐ及び、回転角センサＲＳによって検出された回転角θに基づいて算出した値である。

図１０に示すように、第１工程では、引張り力Ｐが引張り力Ｐｓ（目標締付け力Ｆｔａｇ）まで上昇するとともに、締付け力Ｆが目標締付け力Ｆｔａｇまで上昇する。ここでの締付け力Ｆは、ストッパ１３から被締結物４に作用する力となる。

第２工程では、引張り力Ｐを引張り力Ｐｓ（目標締付け力Ｆｔａｇ）に維持しながら、ビット１１によってナット３を回転させて締付けを行う。ナット３の回転に伴う締付けが進むにつれて、締付け力Ｆが上昇するとともに、締付け力Ｆが上昇した分だけ引張り力Ｐが低下する。ここでの締付け力Ｆは、ボルト２の頭部２２から被締結物４に作用する力となる。また、ボルト２のねじ山及びナット３のねじ山が弾性変形することにより、引張り力Ｐが低下する。変化率ｄＰ／ｄθの挙動においては、変化率ｄＰ／ｄθが負の値となり、変曲点が発生する。上述したように変曲点が発生したことを判別したとき、ボルト２の回転を停止させて、第２工程を終了する。

第３工程では、ボルト２の引張り力Ｐを解除する。これにより、引張り力Ｐが低下して０［ｋＮ］となる。また、ボルト２の引張り力Ｐを解除すると、弾性変形したボルト２のねじ山及びナット３のねじ山が復元することによって締付け力Ｆが低下した後、目標締付け力Ｆｔａｇとなる。

一方、図１１には、図９に示すねじ締結体１に対して、本発明とは異なる締付け方法を行ったときにおいて、締付け力Ｆ及び引張り力Ｐの経時変化を示す。図１１において、横軸は、上述した第１工程、第２工程及び第３工程を行う時間［ｍｓ］である。ここで、第１工程、第２工程及び第３工程に含まれない時間帯は、動作を停止している時間帯である。図１１の縦軸は力（締付け力Ｆ又は引張り力Ｐ）［ｋＮ］である。図１１に示す締付け力Ｆは、被締結物４にロードセル（不図示）を組み込み、このロードセルによって検出した値である。引張り力Ｐは、ロードセル７によって検出された値である。

図１１に示す締付け方法によれば、締付け力Ｆ及び引張り力Ｐが互いに等しい状態から、締付け力Ｆ及び引張り力Ｐが互いに異なる状態に変化したタイミングにおいて、言い換えれば、ボルト２の頭部２２が被締結物４の上面に接触した後に引張り力Ｐが低下したタイミングにおいて、ボルト２の回転を停止させている。このようにボルト２の回転を停止させると、第３工程において、ボルト２の引張り力Ｐを解除した後の締付け力Ｆｅｎｄが目標締付け力Ｆｔａｇよりも低下してしまう。すなわち、弾性変形したボルト２のねじ山及びナット３のねじ山が復元することによって、図１１に示す差ΔＦの分だけ、締付け力Ｆｅｎｄが目標締付け力Ｆｔａｇよりも低くなる。

このように、図９に示す構成であっても、本実施形態で説明したように、変化率ｄＰ／ｄθの挙動において、変曲点が発生したタイミング以降において、ボルト２の回転を停止させて引張り力Ｐを解除することにより、締付け力Ｆを目標締付け力Ｆｔａｇとすることができる。

１：ねじ締結体、２：ボルト、２１：軸部、２１ａ：ねじ部、２１ｂ：円筒部、
２２：頭部、３：ナット、４：被締結物、４１：第１被締結物、４２：第２被締結物、
４１ａ，４２ａ：貫通孔、５：テンションロッド、６：ホルダ、７：ロードセル、
８：ドライブソケット、１１：ビット、１２：テンションロッド、１３：ストッパ

Claims (6)

1. 被締結物を締結するボルト及びナットの締付け方法であって、
   前記ボルトの軸方向における所定の引張り力を前記ボルトに与えた状態において、前記ナット又は前記ボルトを回転させて前記被締結物に締付け力を与え、
   前記締付け力の増加に伴って前記ボルトの引張り力が低下したときであって、前記ナット又は前記ボルトの回転角の変化量に対する前記ボルトの引張り力の変化量の比率について、この比率の経時変化における変曲点が発生したタイミング以降において、前記ナット又は前記ボルトの回転に伴う締付けを終了するとともに、前記ボルトに与えた引張り力を解除する、
   ことを特徴とする締付け方法。
2. 前記比率の経時変化において、前記比率が略一定であるとき、前記ナット又は前記ボルトの回転に伴う締付けを終了するとともに、前記ボルトに与えた引張り力を解除することを特徴とする請求項１に記載の締付け方法。
3. 前記所定の引張り力は、前記被締結物を締結するときの目標となる締付け力と等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載の締付け方法。
4. ボルト及びナットを被締結物に締付ける締付け装置であって、
   前記ボルトに与えられた軸方向の引張り力を検出する第１センサと、
   前記ナット又は前記ボルトの回転角を検出する第２センサと、
   前記ボルト及び前記ナットによる締付けを制御するコントローラと、を有し、
   前記コントローラは、
   所定の引張り力を前記ボルトに与えた状態で、前記ナット又は前記ボルトを回転させて前記被締結物に締付け力を与えたときにおいて、
   前記締付け力の増加に伴って前記ボルトの引張り力が低下し、前記ナット又は前記ボルトの回転角の変化量に対する前記ボルトの引張り力の変化量の比率について、この比率の経時変化における変曲点が発生したタイミング以降において、前記ナット又は前記ボルトの回転に伴う締付けを終了する、
   ことを特徴とする締付け装置。
5. 前記コントローラは、前記比率の経時変化において、前記比率が略一定であるとき、前記ナット又は前記ボルトの回転に伴う締付けを終了することを特徴とする請求項４に記載の締付け装置。
6. 前記所定の引張り力は、前記被締結物を締結するときの目標となる締付け力と等しいことを特徴とする請求項４又は５に記載の締付け装置。