JP7233056B2 - 手動工具、これに用いられるビットおよびトルクセンサ - Google Patents
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Description
本発明は、トルクセンサ付きの手動工具、これに用いられるビットおよびトルクセンサに関する。
半導体製造プロセス等の各種製造プロセスにおいては、正確に計量したプロセスガスをプロセスチャンバに供給するために、開閉バルブ、レギュレータ、マスフローコントローラ等の各種の流体機器を集積化した流体制御装置（例えば、特許文献１参照）が用いられている。
上記のような流体制御装置の組立工程においては、膨大な数の六角穴付きボルトなどのボルトの締め付け作業が必要である一方で、高い組立品質が求められる。
上記のような流体制御装置の組立工程においては、膨大な数の六角穴付きボルトなどのボルトの締め付け作業が必要である一方で、高い組立品質が求められる。
締め付け作業におけるトルク管理は組立品質を維持管理する上で不可欠であり、電動式や流体駆動式の自動工具においては精密なトルク管理が可能な工具は多数提案されている（例えば、特許文献２参照）。
しかしながら、従来においては、ドライバやレンチ等を用いた手作業によるボルトの締付け作業等に適し、精密なトルク管理が可能で作業性、操作性に優れた手動工具が存在しなかった。
しかしながら、従来においては、ドライバやレンチ等を用いた手作業によるボルトの締付け作業等に適し、精密なトルク管理が可能で作業性、操作性に優れた手動工具が存在しなかった。
本発明の一の目的は、作業性、操作性に優れ、しかも精密な締付トルク管理が可能な手動工具を提供することにある。
本発明の他の目的は、上記の手動工具に適したビットおよびトルクセンサを提供することにある。
本発明の他の目的は、上記の手動工具に適したビットおよびトルクセンサを提供することにある。
本発明に係る手動工具は、ビットを着脱自在に保持するビット保持部を備えるグリップと、
前記ビット保持部に保持されたビットを受け入れて当該ビットの外周を包囲する検出部を備え、前記ビットに作用するトルクを非接触で検出可能な、前記グリップに着脱自在に設けられた磁歪式のトルクセンサと、
を有することを特徴とする。
前記ビット保持部に保持されたビットを受け入れて当該ビットの外周を包囲する検出部を備え、前記ビットに作用するトルクを非接触で検出可能な、前記グリップに着脱自在に設けられた磁歪式のトルクセンサと、
を有することを特徴とする。
好適には、前記トルクセンサは、前記ビットが前記グリップのビット保持部に装着された状態で前記グリップに装着可能に形成されている、構成を採用できる。
前記ビットは、締結部材と係合可能な先端部と、前記ビット保持部に装着される基端部と、前記先端部と基端部との間で延びる軸部とを有し、
前記トルクセンサのセンサ部は、前記ビットの軸部の一部を被検出部として当該ビットに作用するトルクを非接触で検出する、構成を採用できる。
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の手動工具。
さらに好適には、前記ビットは、前記軸部の被検出部の断面が多角形状に形成されている、構成を採用できる。
さらに好適には、前記被検出部は、当該被検出部を除く前記軸部の断面積よりも大きな断面積をもつように形成されている、構成を採用できる。
この場合、前記ビットは、前記被検出部の断面に内接する円の直径が１０ｍｍ以下である、とすることができる。
前記トルクセンサのセンサ部は、前記ビットの軸部の一部を被検出部として当該ビットに作用するトルクを非接触で検出する、構成を採用できる。
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の手動工具。
さらに好適には、前記ビットは、前記軸部の被検出部の断面が多角形状に形成されている、構成を採用できる。
さらに好適には、前記被検出部は、当該被検出部を除く前記軸部の断面積よりも大きな断面積をもつように形成されている、構成を採用できる。
この場合、前記ビットは、前記被検出部の断面に内接する円の直径が１０ｍｍ以下である、とすることができる。
本発明は、前記締結部材を締め付け可能な最大締付トルクが１０Ｎ・ｍ 以下である、手動工具を対象とすることができる。
本発明のビットは、上記構成の手動工具に用いられるビットであって、
その一部が磁歪材料で形成され、締結部材と係合可能な先端部と、前記ビット保持部に装着される基端部と、前記先端部と基端部との間で延びる軸部とを有することを特徴とする。
その一部が磁歪材料で形成され、締結部材と係合可能な先端部と、前記ビット保持部に装着される基端部と、前記先端部と基端部との間で延びる軸部とを有することを特徴とする。
本発明のトルクセンサは、上記構成の手動工具に用いられるトルクセンサであって、前記ビットが貫通可能に形成された検出部と、
前記グリップに着脱自在に装着される装着部と、を有することを特徴とする。
前記グリップに着脱自在に装着される装着部と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、作業性、操作性に優れ、しかも精密な締付トルク管理が可能な手動工具が得られる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書および図面においては、機能が実質的に同様の構成要素には、同じ符号を使用することにより重複した説明を省略する。
第1実施形態
図１～図５に第1実施形態に係る手動工具としてのドライバ１の構造を示す。
ドライバ１は、グリップ１０、ビット２０、トルクセンサ３０を有する。ドライバ１は六角穴付きのボルト（締結部材）の締結に用いられ、最大締付トルクが１０Ｎ・ｍ以下の範囲で用いられるが、これに限定されるわけではない。
締結部材は、六角穴付きボルト、六角ボルト、十字穴付きネジなどが用いられるが、これらに限られない。
グリップ１０は、図２に示すように、樹脂等の材料からなる円柱状の部材であり、外周面に滑り止め用の複数条の溝が形成された本体部１１と、先端部に形成された円筒状のビット保持部１２、本体部１１とビット保持部１２との間に形成され、トルクセンサ３０を着脱自在に装着するセンサ装着部１３とを有する。ビット保持部１２には、断面が正六角形状のブラインドホールからなる保持穴１２ａが形成され、これにビット２０が挿入保持される。
第1実施形態
図１～図５に第1実施形態に係る手動工具としてのドライバ１の構造を示す。
ドライバ１は、グリップ１０、ビット２０、トルクセンサ３０を有する。ドライバ１は六角穴付きのボルト（締結部材）の締結に用いられ、最大締付トルクが１０Ｎ・ｍ以下の範囲で用いられるが、これに限定されるわけではない。
締結部材は、六角穴付きボルト、六角ボルト、十字穴付きネジなどが用いられるが、これらに限られない。
グリップ１０は、図２に示すように、樹脂等の材料からなる円柱状の部材であり、外周面に滑り止め用の複数条の溝が形成された本体部１１と、先端部に形成された円筒状のビット保持部１２、本体部１１とビット保持部１２との間に形成され、トルクセンサ３０を着脱自在に装着するセンサ装着部１３とを有する。ビット保持部１２には、断面が正六角形状のブラインドホールからなる保持穴１２ａが形成され、これにビット２０が挿入保持される。
ビット２０は、図３に示すように、上記のグリップ１０のビット保持部１２に挿入保持される断面が正六角形状の基端部２２と、基端部２２とは反対側の先端部２１と、基端部２２と先端部２１との間で延びる軸部２３とを有する。先端部２１および軸部２３の六角形状の断面は同一寸法に形成されている。先端部２１および軸部２３の断面積は、基端部２２よりも小さくなっている。先端部２１が六角穴付きボルトの六角穴に係合する。後述するように、軸部２３の基端部２２寄りの一部は、トルクセンサ３０により検出される被検出部２４となっている。
ビット２０は、具体的には、炭素鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼、クロムバナジウム鋼等の合金鋼で形成されている。
被検出部２４には、磁歪材料が形成されており、検出感度を高めるために、例えば、Ni(40%)-Fe(60%)のメッキが施されている。
ビット２０の寸法は、例えば、基端部２２の断面に内接する円の直径が１０ｍｍ以下で、軸部２３の断面に内接する円の直径が４ｍｍ程度であり、全長は２００ｍｍ程度であるが、これに限定されるわけではなく、作業性、操作性を考慮して適宜選択される。
ビット２０は、軸部２３と被検出部２４が一体に形成されていても良く、分割できるようになっていても良い。
ビット２０は、具体的には、炭素鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼、クロムバナジウム鋼等の合金鋼で形成されている。
被検出部２４には、磁歪材料が形成されており、検出感度を高めるために、例えば、Ni(40%)-Fe(60%)のメッキが施されている。
ビット２０の寸法は、例えば、基端部２２の断面に内接する円の直径が１０ｍｍ以下で、軸部２３の断面に内接する円の直径が４ｍｍ程度であり、全長は２００ｍｍ程度であるが、これに限定されるわけではなく、作業性、操作性を考慮して適宜選択される。
ビット２０は、軸部２３と被検出部２４が一体に形成されていても良く、分割できるようになっていても良い。
トルクセンサ３０は、図４および図５に示すように、ケース部３１、装着部３２、検出部３３、回路収容部３５を有する。
検出部３３は、その中心部に貫通孔３３ａが形成され、この貫通孔３３ａ内をビット２０が貫通する。検出部３３の内部には、貫通孔３３ａの一部を画定するように円筒状のコイル保持部３３ｂが形成され、外周面に励磁・検出用のコイル３６が設けられている。検出部３３を貫通すするビット２０の被検出部２４はコイル３６によって外周が包囲される。
ケース部３１、装着部３２、検出部３３は樹脂材料により一体的に形成され、ケース部３１の内部には空洞３９が形成されている。空洞３９は、装着部３２を通じてグリップ１０のビット保持部１２を収容可能となっている。
円筒状に形成された装着部３２は、グリップ１０のセンサ装着部１３が内周に嵌合し、図示しないねじ部材により、センサ装着部１３に固定される。
回路収容部３５は、マイクロプロセッサ、メモリ、バッテリー、外部入出力回路、通信回路、トルク検出用の各種回路等から構成されるハードウエアを収容し、メモリにストアーされた所要のソフトウエアにより動作する。
検出部３３は、その中心部に貫通孔３３ａが形成され、この貫通孔３３ａ内をビット２０が貫通する。検出部３３の内部には、貫通孔３３ａの一部を画定するように円筒状のコイル保持部３３ｂが形成され、外周面に励磁・検出用のコイル３６が設けられている。検出部３３を貫通すするビット２０の被検出部２４はコイル３６によって外周が包囲される。
ケース部３１、装着部３２、検出部３３は樹脂材料により一体的に形成され、ケース部３１の内部には空洞３９が形成されている。空洞３９は、装着部３２を通じてグリップ１０のビット保持部１２を収容可能となっている。
円筒状に形成された装着部３２は、グリップ１０のセンサ装着部１３が内周に嵌合し、図示しないねじ部材により、センサ装着部１３に固定される。
回路収容部３５は、マイクロプロセッサ、メモリ、バッテリー、外部入出力回路、通信回路、トルク検出用の各種回路等から構成されるハードウエアを収容し、メモリにストアーされた所要のソフトウエアにより動作する。
ドライバ１は、図５に示したように、グリップ１０にビット２０を装着した状態で後からトルクセンサ３０を取付け可能となっている。このため、グリップ１０およびビット２０が従来から使用されていた汎用的な工具であるとすると、トルクセンサ３０を後付けすることで、工具の作業性、操作性を損なうことなくビット２０に作用するトルク検出が可能となる。
なお、本実施形態では、トルクセンサ３０を後付け可能な場合を例示するが、グリップ１０に予めトルクセンサ３０を取付け、その後に、グリップ１０にビット２０を装着する構成も採用可能である。
なお、本実施形態では、トルクセンサ３０を後付け可能な場合を例示するが、グリップ１０に予めトルクセンサ３０を取付け、その後に、グリップ１０にビット２０を装着する構成も採用可能である。
図６は、トルクセンサ３０の電気系の一例を示す機能ブロック図である。
本発明において、コイル３６は１つでも良いが、励磁コイル３６ａと検出コイル３６ｂとの２つを使用しても良い。
本実施例では、コイルが励磁コイルと検出コイルの２つの場合を説明する。
トルクセンサ３０の電気系は、発振回路１１０、バッファーアンプ１２０、位相調整回路１３０、Ｖ－Ｉコンバータ１４０、インバータ１６０、同期検波回路１７０、および、反転増幅器１８０を有する。
（励磁側）
発振回路１１０は、励磁コイル３６ａを励磁する基準周波数信号（１００ｋＨｚ）を生成する。
発振回路１１０から励磁側回路には正弦波として信号が出力されるが、発振回路１１０を安定動作させるため、バッファーアンプ１２０を経由して位相調整回路１３０に出力される。
位相調整回路１３０は、波形の位相を調整し、Ｖ－Ｉコンバータ１４０に出力する。
Ｖ－Ｉコンバータ１４０は、入力電圧を電流に変換し、励磁コイル３６に出力する。
（検出側）
検出コイル３６ｂは、逆磁歪効果により発生した誘起電圧を同期検波回路１７０に出力する。
発振回路１１０から検出側へは、参照信号として矩形波が出力される。この矩形波の周波数は、励磁側へ出力される正弦波と同じである。出力された矩形波は２つに分岐され、一方はそのまま同期検波回路１７０へ出力され、他方はインバータ１６０で位相を反転され同期検波回路１７０へ出力される。
同期検波回路１７０は、参照信号を参照して、検出コイル３６ｂからの誘起電圧を同期検波し、反転増幅器１８０へ出力する。
反転増幅器１８０は、同期検波回路１７０からの出力を平均化し、オフセット調整、ゲイン調整を行い、トルク信号ＳＧとして出力する。トルク信号ＳＧは、図示しないメモリに記憶され、あるいは、通信回路を通じて無線信号で外部に送信される。
なお、本実施形態では、位相調整回路１３０をバッファーアンプ１２０の下流、Ｖ－Ｉコンバータ１４０の上流に設置したが、検出コイル３６ｂと同期検波回路１７０の間に設置することも可能である。
本発明において、コイル３６は１つでも良いが、励磁コイル３６ａと検出コイル３６ｂとの２つを使用しても良い。
本実施例では、コイルが励磁コイルと検出コイルの２つの場合を説明する。
トルクセンサ３０の電気系は、発振回路１１０、バッファーアンプ１２０、位相調整回路１３０、Ｖ－Ｉコンバータ１４０、インバータ１６０、同期検波回路１７０、および、反転増幅器１８０を有する。
（励磁側）
発振回路１１０は、励磁コイル３６ａを励磁する基準周波数信号（１００ｋＨｚ）を生成する。
発振回路１１０から励磁側回路には正弦波として信号が出力されるが、発振回路１１０を安定動作させるため、バッファーアンプ１２０を経由して位相調整回路１３０に出力される。
位相調整回路１３０は、波形の位相を調整し、Ｖ－Ｉコンバータ１４０に出力する。
Ｖ－Ｉコンバータ１４０は、入力電圧を電流に変換し、励磁コイル３６に出力する。
（検出側）
検出コイル３６ｂは、逆磁歪効果により発生した誘起電圧を同期検波回路１７０に出力する。
発振回路１１０から検出側へは、参照信号として矩形波が出力される。この矩形波の周波数は、励磁側へ出力される正弦波と同じである。出力された矩形波は２つに分岐され、一方はそのまま同期検波回路１７０へ出力され、他方はインバータ１６０で位相を反転され同期検波回路１７０へ出力される。
同期検波回路１７０は、参照信号を参照して、検出コイル３６ｂからの誘起電圧を同期検波し、反転増幅器１８０へ出力する。
反転増幅器１８０は、同期検波回路１７０からの出力を平均化し、オフセット調整、ゲイン調整を行い、トルク信号ＳＧとして出力する。トルク信号ＳＧは、図示しないメモリに記憶され、あるいは、通信回路を通じて無線信号で外部に送信される。
なお、本実施形態では、位相調整回路１３０をバッファーアンプ１２０の下流、Ｖ－Ｉコンバータ１４０の上流に設置したが、検出コイル３６ｂと同期検波回路１７０の間に設置することも可能である。
上記したようにトルクセンサ３０では、ビット２０の被検出部に作用するトルク変化を、ビット２０を形成する磁歪材料の透磁率の変化としてコイル３６で検出する。
図７にグリップ１０の変形例を示す。
図７に示すドライバ１Ａは、グリップ１０に直交するように設けられた補助バー５０を備える。
グリップ１０に補助バー５０を設けることで、より大きな締緩トルクを手動で生み出すことができる。
ここで、ドライバ１Ａを用いた作業例について図８Ａ、図８Ｂを参照して説明する。
図８Ａ，８Ｂに示す流体制御装置２００は、半導体製造装置等の反応器へ各種のガスを供給するために使用され、ベース板金ＢＳ上には、それぞれ長手方向に沿って配置された自動バルブやマスフローコントローラからなる各種流体機器２１０，２２０，２３０，２４０，２８０，２５０で構成される流体制御アセンブリが複数（３列）に並列されている。
ベース板金ＢＳ上に設けられた複数の継手ブロック２６０，２７０は各種流体機器間を接続する流路を備えている。流体機器のボディと継手ブロック２６０，２７０とは、六角穴付きボルトＢＴで連結される。
ドライバ１Ａは、六角穴付きボルトＢＴの締付け作業に使用される。各種流体機器が集積化されていると、六角穴付きボルトＢＴを締め付ける際に、流体機器とドライバ１Ａのビットが干渉しないように、六角穴付きボルトＢＴに対してドライバ１Ａを傾斜させながら締め付ける場合がある。このような作業を多数の六角穴付きボルトＢＴについて正確な締付トルクで実施するのは容易ではない。
本実施形態によれば、ドライバ１Ａには給電線が接続されておらず、しかも、最小化されたトルクセンサ３０はビットの根元部分に後付けされているので、上記のようなボルトの締付作業における作業性や操作性は確保されている。加えて、締付作業中にリアルタイムに締付トルクが検出できるので、正確な締付トルクで装置の組立作業が可能となる。
図７に示すドライバ１Ａは、グリップ１０に直交するように設けられた補助バー５０を備える。
グリップ１０に補助バー５０を設けることで、より大きな締緩トルクを手動で生み出すことができる。
ここで、ドライバ１Ａを用いた作業例について図８Ａ、図８Ｂを参照して説明する。
図８Ａ，８Ｂに示す流体制御装置２００は、半導体製造装置等の反応器へ各種のガスを供給するために使用され、ベース板金ＢＳ上には、それぞれ長手方向に沿って配置された自動バルブやマスフローコントローラからなる各種流体機器２１０，２２０，２３０，２４０，２８０，２５０で構成される流体制御アセンブリが複数（３列）に並列されている。
ベース板金ＢＳ上に設けられた複数の継手ブロック２６０，２７０は各種流体機器間を接続する流路を備えている。流体機器のボディと継手ブロック２６０，２７０とは、六角穴付きボルトＢＴで連結される。
ドライバ１Ａは、六角穴付きボルトＢＴの締付け作業に使用される。各種流体機器が集積化されていると、六角穴付きボルトＢＴを締め付ける際に、流体機器とドライバ１Ａのビットが干渉しないように、六角穴付きボルトＢＴに対してドライバ１Ａを傾斜させながら締め付ける場合がある。このような作業を多数の六角穴付きボルトＢＴについて正確な締付トルクで実施するのは容易ではない。
本実施形態によれば、ドライバ１Ａには給電線が接続されておらず、しかも、最小化されたトルクセンサ３０はビットの根元部分に後付けされているので、上記のようなボルトの締付作業における作業性や操作性は確保されている。加えて、締付作業中にリアルタイムに締付トルクが検出できるので、正確な締付トルクで装置の組立作業が可能となる。
第２実施形態
図９Ａ～図９Ｇは、ビットの他の実施形態を示す図である。
図９Ａ～図９Ｇに示すビット２０Ａ～２０Ｇは、先端部２１Ａは断面が正六角形状に形成され、内接円の直径が３ｍｍとなっている。
軸部２３Ａは、直径４ｍｍの丸棒である。軸部２３Ａの根元部分に位置する被検出部２４Ａ～２４Ｇの断面形状は、軸部２３Ａとはそれぞれ異なる。重要な点は、（１）被検出部２４Ａ～２４Ｇの断面積が軸部２３Ａの断面積よりも拡大されている点と、（２）ビット２０Ｂ～２０Ｇの被検出部２４Ｂ～２４Ｇの断面形状が非円形状である点である。
図９Ａの被検出部２４Ａは軸部２３Ａよりも大径（１０ｍｍ）の丸型である。
図９Ｂの被検出部２４Ｂは正六角形型（内接円が１０ｍｍ）である。
図９Ｃの被検出部２４Ｃは四角形（正方形）型である。
図９Ｄの被検出部２４Ｄは正三角形型である。
図９Ｅの被検出部２４Ｅは二面割型（外径が７ｍｍ）である。
図９Ｆの被検出部２４Ｆは二面割型（外径が８ｍｍ）である。六角形型、
図９Ｇの被検出部２４Ｇは星形である。
図９Ａ～図９Ｇは、ビットの他の実施形態を示す図である。
図９Ａ～図９Ｇに示すビット２０Ａ～２０Ｇは、先端部２１Ａは断面が正六角形状に形成され、内接円の直径が３ｍｍとなっている。
軸部２３Ａは、直径４ｍｍの丸棒である。軸部２３Ａの根元部分に位置する被検出部２４Ａ～２４Ｇの断面形状は、軸部２３Ａとはそれぞれ異なる。重要な点は、（１）被検出部２４Ａ～２４Ｇの断面積が軸部２３Ａの断面積よりも拡大されている点と、（２）ビット２０Ｂ～２０Ｇの被検出部２４Ｂ～２４Ｇの断面形状が非円形状である点である。
図９Ａの被検出部２４Ａは軸部２３Ａよりも大径（１０ｍｍ）の丸型である。
図９Ｂの被検出部２４Ｂは正六角形型（内接円が１０ｍｍ）である。
図９Ｃの被検出部２４Ｃは四角形（正方形）型である。
図９Ｄの被検出部２４Ｄは正三角形型である。
図９Ｅの被検出部２４Ｅは二面割型（外径が７ｍｍ）である。
図９Ｆの被検出部２４Ｆは二面割型（外径が８ｍｍ）である。六角形型、
図９Ｇの被検出部２４Ｇは星形である。
ビットで、締結部材を締め付けているトルクを測定するには、ビットに作用するトルクを検出すれば良い。
ビットに作用するトルクを検出するには、逆磁歪効果を利用するが、印加トルクによる軸（被検出部)表面の透磁率変化を、軸（被検出部）を取りまくソレノイドコイルのインピーダンス変化に換算し、ブリッジ回路の非平衡電圧として検出する必要がある。
軸（被検出部）の表面に作用する応力（歪み）と、軸（被検出部）の直径との関係は以下の式で表わされる。
σ＝１６Ｔ／（πＤ３）
ここで、σは軸（被検出部）表面の応力（歪み）、Ｔは軸（被検出部）に作用するトルク、Ｄは軸（被検出部）の直径である。
すなわち、軸（被検出部）の径の異なるビットに同じトルクが印加された場合、軸（被検出部）の径が小さなビットの方が、軸（被検出部）表面の応力（歪み）は著しく大きくなる。
軸（被検出部）表面の応力（歪み）は、軸（被検出部）表面の透磁率を変化させる。
透磁率の変化は、外部からの力に応じ、原子サイズで構成されている微小磁石の向きが変化することで起こるが、微小磁石の向きが揃い切ってしまうとそれ以上は変化しない（飽和状態）。
ビット（軸）に印加されたトルクを精密に検出するには、印加されるトルクの範囲で、透磁率の変化がリニアであることが望ましい。
軸（被検出部）表層の微小磁石の向きが揃い切ってしまう応力（歪み）は一定であるため、同じトルクを印加しようとする場合、軸（被検出部）の径が小さいほど、印加しようとするトルクに達する前に、透磁率の変化が無くなってしまう（飽和する）。
通常使用されるφ4のビットでは、磁歪トルクセンサのトルクに応じた電圧変化がすぐに飽和してしまう。例えば、通常使用されるφ4のビット（被検出部の直径：４ｍｍ）を使用して、３Ｎ・ｍのトルクで締結部材を締め付けようとすると、トルクが３Ｎ・ｍに達する前に、トルクセンサからの出力（電圧）が一定になってしまう。
ビットに作用するトルクを検出するには、逆磁歪効果を利用するが、印加トルクによる軸（被検出部)表面の透磁率変化を、軸（被検出部）を取りまくソレノイドコイルのインピーダンス変化に換算し、ブリッジ回路の非平衡電圧として検出する必要がある。
軸（被検出部）の表面に作用する応力（歪み）と、軸（被検出部）の直径との関係は以下の式で表わされる。
σ＝１６Ｔ／（πＤ３）
ここで、σは軸（被検出部）表面の応力（歪み）、Ｔは軸（被検出部）に作用するトルク、Ｄは軸（被検出部）の直径である。
すなわち、軸（被検出部）の径の異なるビットに同じトルクが印加された場合、軸（被検出部）の径が小さなビットの方が、軸（被検出部）表面の応力（歪み）は著しく大きくなる。
軸（被検出部）表面の応力（歪み）は、軸（被検出部）表面の透磁率を変化させる。
透磁率の変化は、外部からの力に応じ、原子サイズで構成されている微小磁石の向きが変化することで起こるが、微小磁石の向きが揃い切ってしまうとそれ以上は変化しない（飽和状態）。
ビット（軸）に印加されたトルクを精密に検出するには、印加されるトルクの範囲で、透磁率の変化がリニアであることが望ましい。
軸（被検出部）表層の微小磁石の向きが揃い切ってしまう応力（歪み）は一定であるため、同じトルクを印加しようとする場合、軸（被検出部）の径が小さいほど、印加しようとするトルクに達する前に、透磁率の変化が無くなってしまう（飽和する）。
通常使用されるφ4のビットでは、磁歪トルクセンサのトルクに応じた電圧変化がすぐに飽和してしまう。例えば、通常使用されるφ4のビット（被検出部の直径：４ｍｍ）を使用して、３Ｎ・ｍのトルクで締結部材を締め付けようとすると、トルクが３Ｎ・ｍに達する前に、トルクセンサからの出力（電圧）が一定になってしまう。
このため、被検出部２４Ａ～２４Ｇの断面積を軸部２３Ａよりも拡大した。
同じトルクを印加しようとする場合、軸（被検出部）の径を大きくするほど、軸表面の応力（歪み）は小さくなる。そのため、トルクの印加が完了した状態においても、軸（被検出部）表層の微小磁石の向きが揃い切っていない状態にすることが可能である。このような状態であれば、印加されるトルクの範囲で、透磁率の変化がリニアとなる。
同じトルクを印加しようとする場合、軸（被検出部）の径を大きくするほど、軸表面の応力（歪み）は小さくなる。そのため、トルクの印加が完了した状態においても、軸（被検出部）表層の微小磁石の向きが揃い切っていない状態にすることが可能である。このような状態であれば、印加されるトルクの範囲で、透磁率の変化がリニアとなる。
しかし、図８Ａ，図８Ｂからわかるように、流体制御装置２００上の各種流体機器の間隔は広くないため、ビット（被検出部）の外径を拡大するには限界がある。
このため、図９Ｂ～図９Ｇに示すビット２０Ｂ～２０Ｇの被検出部２４Ｂ～２４Ｇの断面形状が非円形状にしてある。この構成により、トルクセンサからの出力の飽和をさらに遅らせることができる。軸表面の応力（歪み）の大きさは、直径に依るため、同じ断面積であっても非円形状にすることにより、応力（歪み）の分布ができるためである。
このため、図９Ｂ～図９Ｇに示すビット２０Ｂ～２０Ｇの被検出部２４Ｂ～２４Ｇの断面形状が非円形状にしてある。この構成により、トルクセンサからの出力の飽和をさらに遅らせることができる。軸表面の応力（歪み）の大きさは、直径に依るため、同じ断面積であっても非円形状にすることにより、応力（歪み）の分布ができるためである。
シミュレーション
ここで、図１０にビットにトルクを印加したときに発生するひずみのシミュレーション結果を示す。
図１０は、六角形型のビットに生じるひずみを示す図である。また、比較例として、図１１に丸型のビットに生じるひずみを示す。図１１の丸型のビットの断面積は、図１０の六角形型のビットの断面積と同じにしてある。
シミュレーションの条件は、以下の通りである。
・境界条件
締付トルク ３Ｎ・ｍ
・材料特性
ＳＮＣＭ４３９
縦銃弾性係数 ２０７ＧＰａ
ポアソンン比 ０．３
０．２％耐力 ９８０ＭＰａ
引張り強さ １７２０Ｍｐａ
最大伸び ０．６
密度（ｔ／ｍｍ３） ７．８９×１０－９
適用部 ボディ
・拘束条件 剛体接触面、六角穴差込部
・摩擦係数 ＳＵＳ／ＳＵＳ面 μ=０．３
ここで、図１０にビットにトルクを印加したときに発生するひずみのシミュレーション結果を示す。
図１０は、六角形型のビットに生じるひずみを示す図である。また、比較例として、図１１に丸型のビットに生じるひずみを示す。図１１の丸型のビットの断面積は、図１０の六角形型のビットの断面積と同じにしてある。
シミュレーションの条件は、以下の通りである。
・境界条件
締付トルク ３Ｎ・ｍ
・材料特性
ＳＮＣＭ４３９
縦銃弾性係数 ２０７ＧＰａ
ポアソンン比 ０．３
０．２％耐力 ９８０ＭＰａ
引張り強さ １７２０Ｍｐａ
最大伸び ０．６
密度（ｔ／ｍｍ３） ７．８９×１０－９
適用部 ボディ
・拘束条件 剛体接触面、六角穴差込部
・摩擦係数 ＳＵＳ／ＳＵＳ面 μ=０．３
図１０から分かるように、六角形型のビットの表面では、平面部のエッジ部分から中央部に向けて、ひずみ量が徐々に大きくなっており、平面部内で応力分布が形成されている。
一方、図１１に示すように、丸型のビットの表面では、応力は均一に形成されており、ひずみ量が六角形型のビットのエッジ部分よりも大きいことが分かる。
一方、図１１に示すように、丸型のビットの表面では、応力は均一に形成されており、ひずみ量が六角形型のビットのエッジ部分よりも大きいことが分かる。
図１２に、本実施形態に係るトルクセンサのトルクと検出電圧との関係の一例を示す。
なお、ビットの被検出部は、平行な2面の間隔が6.35mm (1/4インチ)の六角形である。
なお、ビットの被検出部は、平行な2面の間隔が6.35mm (1/4インチ)の六角形である。
ここで、トルクセンサの動作原理について補足を行う。
例えば図１３は、６５％Ｎｉ３５％Ｆｅ組成のパーマロイ磁歪膜メッキが施された軸で、それを取り囲むようにソレノイドコイルが配置されている場合である。ソレノイドコイルは例えば、直径０．２～０．３ｍｍの銅線で、巻き数は１４０ターンである。交流励磁電源から抵抗Ｒを介して電流ｉが供給されている。コイルのインダクタンスをＬとした場合、コイル両端にはコイルインピーダンスに比例する電圧 ｉ×（Ｒ＋ｊωＬ） が発生している。ここで、ωは交流励磁電流の角周波数、jは虚数単位である。図１３のように軸トルク（ねじる力）Ｔが加わると、軸の表面には、軸方向に対して４５度方向に主応力σと－４５度方向に－σが対になって発生する。そしてこの応力は軸にメッキされた磁歪膜に伝達される。
軸の外径をＤ[ｍ]、トルクＴ[Ｎ・ｍ]とすると主応力σ[Ｎ／ｍ２]は次式で与えられる。ここで、磁歪膜の厚さはＤに比べ十分に小さくねじりに対する反力は無視できるとしている。
例えば図１３は、６５％Ｎｉ３５％Ｆｅ組成のパーマロイ磁歪膜メッキが施された軸で、それを取り囲むようにソレノイドコイルが配置されている場合である。ソレノイドコイルは例えば、直径０．２～０．３ｍｍの銅線で、巻き数は１４０ターンである。交流励磁電源から抵抗Ｒを介して電流ｉが供給されている。コイルのインダクタンスをＬとした場合、コイル両端にはコイルインピーダンスに比例する電圧 ｉ×（Ｒ＋ｊωＬ） が発生している。ここで、ωは交流励磁電流の角周波数、jは虚数単位である。図１３のように軸トルク（ねじる力）Ｔが加わると、軸の表面には、軸方向に対して４５度方向に主応力σと－４５度方向に－σが対になって発生する。そしてこの応力は軸にメッキされた磁歪膜に伝達される。
軸の外径をＤ[ｍ]、トルクＴ[Ｎ・ｍ]とすると主応力σ[Ｎ／ｍ２]は次式で与えられる。ここで、磁歪膜の厚さはＤに比べ十分に小さくねじりに対する反力は無視できるとしている。
これによって、磁歪膜には磁気異方性（Ｋｕとする）が誘導される。磁歪膜の飽和磁歪定数をλsとすれば（簡単のためλs＞０と仮定する）、Ｋｕは図１４のように正の主応力方向に現れる。この大きさは、
（２）式においては軸材と磁歪膜の弾性係数が同じと仮定しているが、2 つの弾性係数の差異を考慮する場合には（磁歪膜の横弾性係数）／（軸材の横弾性係数）で表される比を（２）式に乗ずればよい。
磁気異方性Ｋｕが磁歪膜の磁化Ｊに及ぼす影響は、Ｊの方向をＫｕの方向にとどめておこうとする。一方励磁磁界Ｈは、磁化Ｊをその方向に引き寄せようとする。Ｊcosθの時間変化に磁歪膜断面積およびコイルの巻き数をかけたものがコイルの誘起電圧となる。（Ｈは交番する磁界であるので、θはその周波数で大きさが変動する）Ｋｕが大きくなると図１４のθの振れ幅は小さくなり、一方、Ｋｕが小さくなるとその振れ幅は大きくなる。つまり、トルクＴが大きくなるとθの振れ幅が小さくなりコイルの誘起電圧は減少し、トルクＴが小さくなるとその逆となる。
誘起電圧を必要に応じて増幅し、同期検波して得られる出力電圧ｖは、トルクＴに対して図１５のように単調減少する。
これから電圧ｖの変化からトルクＴを検出できる。このとき軸の外径Ｄが大きければこのカーブがより直線的になり、ダイナミックレンジの大きいトルクセンサを得ることができる。
図１３では、１つのコイルを用いているが、第２のコイルを第１のコイルと同じように施し、第２のコイルから出力電圧を得ることもできる。こうすれば第１のコイルの抵抗分に発生するトルクに無関係な電圧降下を排除することができ、より精度の高い検出が可能となる。また、第１のコイルの巻き数を調整することで必要な励磁電流ｉを調整することができて、電力損失を軽減するような設計を容易にする。
誘起電圧を必要に応じて増幅し、同期検波して得られる出力電圧ｖは、トルクＴに対して図１５のように単調減少する。
これから電圧ｖの変化からトルクＴを検出できる。このとき軸の外径Ｄが大きければこのカーブがより直線的になり、ダイナミックレンジの大きいトルクセンサを得ることができる。
図１３では、１つのコイルを用いているが、第２のコイルを第１のコイルと同じように施し、第２のコイルから出力電圧を得ることもできる。こうすれば第１のコイルの抵抗分に発生するトルクに無関係な電圧降下を排除することができ、より精度の高い検出が可能となる。また、第１のコイルの巻き数を調整することで必要な励磁電流ｉを調整することができて、電力損失を軽減するような設計を容易にする。
第三実施形態
図１６にビットの他の実施形態を示した。なお、図１６中で図５と同じ部品は、同じ番号を付して説明を省略した。
ビット４０は、エクステンションバー４１と交換用ビット４２が組み合って構成されている。エクステンションバー４１は先端側に第２ビット保持部４３を有しており、第２ビット保持部４３によって交換用ビット４２が交換可能に保持されている。第２ビット保持部４３もビット保持部１２と同様に、断面が正六角形状のソケット構造である。
エクステンションバー４１の軸部２３の一部が、トルクセンサ３０によってトルク検出が行われる被検出部２４となっている。
図１６にビットの他の実施形態を示した。なお、図１６中で図５と同じ部品は、同じ番号を付して説明を省略した。
ビット４０は、エクステンションバー４１と交換用ビット４２が組み合って構成されている。エクステンションバー４１は先端側に第２ビット保持部４３を有しており、第２ビット保持部４３によって交換用ビット４２が交換可能に保持されている。第２ビット保持部４３もビット保持部１２と同様に、断面が正六角形状のソケット構造である。
エクステンションバー４１の軸部２３の一部が、トルクセンサ３０によってトルク検出が行われる被検出部２４となっている。
トルクセンサ３０によって検出される値は、メッキの種類や厚みなどの表面処理状態によって影響を受けるため、ビットの交換などで被検出部２４の構造が変化した場合にはトルク値の校正を取りなおすことが望ましい。
エクステンションバー４１と交換用ビット４２による分割可能な構造とすることで、被検出部２４に影響を与えずに交換用ビット４２のみの交換が可能になり、ビット交換を短時間に行うことができる。また、交換用ビット４２として使用するビットには素材や表面処理の制約がないため汎用のビットを用いることができ、ビットの交換費用を低減や、六角以外の先端形状が必要な特殊ねじへの対応容易化につながる。
エクステンションバー４１と交換用ビット４２による分割可能な構造とすることで、被検出部２４に影響を与えずに交換用ビット４２のみの交換が可能になり、ビット交換を短時間に行うことができる。また、交換用ビット４２として使用するビットには素材や表面処理の制約がないため汎用のビットを用いることができ、ビットの交換費用を低減や、六角以外の先端形状が必要な特殊ねじへの対応容易化につながる。
１，１Ａ ：ドライバ
１０ ：グリップ
１１ ：本体部
１２ ：ビット保持部
１２ａ ：保持穴
１３ ：センサ装着部
２０，２０Ａ～２０Ｇ ：ビット
２１，２１Ａ ：先端部
２２ ：基端部
２３，２３Ａ ：軸部
２４，２４Ａ～２４Ｇ ：被検出部
３０ ：トルクセンサ
３１ ：ケース部
３２ ：装着部
３３ ：検出部
３３ａ ：貫通孔
３３ｂ ：コイル保持部
３５ ：回路収容部
３６ ：コイル
３６ａ ：励磁コイル
３６ｂ ：検出コイル
３９ ：空洞
４０ ：ビット
４１ ：エクステンションバー
４２ ：交換用ビット
４３ ：第２ビット保持部
５０ ：補助バー
１１０ ：発振回路
１２０ ：バッファーアンプ
１３０ ：位相調整回路
１４０ ：Ｖ－Ｉコンバータ
１６０ ：インバータ
１７０ ：同期検波回路
１８０ ：反転増幅器
２００ ：流体制御装置
２１０～２５０，２８０ ：流体機器
２６０，２７０ ：継手ブロック
ＢＳ ：ベース板金
ＢＴ ：六角穴付きボルト
Ｄ ：外径
Ｈ ：一方励磁磁界
Ｊ ：磁化
Ｋｕ ：磁気異方性
Ｒ ：抵抗
ＳＧ ：トルク信号
Ｔ ：トルク
ｉ ：電流
ｖ ：電圧
σ ：主応力
１０ ：グリップ
１１ ：本体部
１２ ：ビット保持部
１２ａ ：保持穴
１３ ：センサ装着部
２０，２０Ａ～２０Ｇ ：ビット
２１，２１Ａ ：先端部
２２ ：基端部
２３，２３Ａ ：軸部
２４，２４Ａ～２４Ｇ ：被検出部
３０ ：トルクセンサ
３１ ：ケース部
３２ ：装着部
３３ ：検出部
３３ａ ：貫通孔
３３ｂ ：コイル保持部
３５ ：回路収容部
３６ ：コイル
３６ａ ：励磁コイル
３６ｂ ：検出コイル
３９ ：空洞
４０ ：ビット
４１ ：エクステンションバー
４２ ：交換用ビット
４３ ：第２ビット保持部
５０ ：補助バー
１１０ ：発振回路
１２０ ：バッファーアンプ
１３０ ：位相調整回路
１４０ ：Ｖ－Ｉコンバータ
１６０ ：インバータ
１７０ ：同期検波回路
１８０ ：反転増幅器
２００ ：流体制御装置
２１０～２５０，２８０ ：流体機器
２６０，２７０ ：継手ブロック
ＢＳ ：ベース板金
ＢＴ ：六角穴付きボルト
Ｄ ：外径
Ｈ ：一方励磁磁界
Ｊ ：磁化
Ｋｕ ：磁気異方性
Ｒ ：抵抗
ＳＧ ：トルク信号
Ｔ ：トルク
ｉ ：電流
ｖ ：電圧
σ ：主応力
Claims (10)
- ビットを着脱自在に保持するビット保持部を備えるグリップと、
前記ビット保持部に保持されたビットを受け入れて当該ビットの外周を包囲する検出部を備え、前記ビットに作用するトルクを非接触で検出可能な、前記グリップに着脱自在に設けられた磁歪式のトルクセンサと、
を有し、
前記トルクセンサは、前記ビットが前記ビット保持部に装着された状態で前記グリップに装着可能に形成されている、手動工具。 - 前記ビットは、締結部材と係合可能な先端部と、前記ビット保持部に装着される基端部と、前記先端部と前記基端部との間で延びる軸部とを有し、
前記トルクセンサのセンサ部は、前記軸部の一部を被検出部として当該ビットに作用するトルクを非接触で検出する、
請求項１に記載の手動工具。 - 前記ビットは、前記被検出部の断面が多角形状に形成されている、
請求項２に記載の手動工具。 - 前記被検出部は、当該被検出部を除く前記軸部の断面積以上の断面積をもつように形成されている、請求項２又は３に記載の手動工具。
- 前記ビットは、前記被検出部の断面に内接する円の直径が１０ｍｍ以下である、請求項２ないし４のいずれかに記載の手動工具。
- 前記ビットはエクステンションバーと交換用ビットからなり、前記エクステンションバーが前記基端部と前記軸部を有し、交換用ビットが前記先端部を有する、請求項２ないし５のいずれかに記載の手動工具。
- 締結部材を締め付け可能な最大締付トルクが１０Ｎ・ｍ 以下である、請求項１ないし５のいずれかに記載の手動工具。
- 前記トルクセンサは、前記検出部で検出された検出信号を処理する処理回路を有する、請求項１ないし６のいずれかに記載の手動工具。
- 請求項１ないし７のいずれかに記載の手動工具に用いられるビットであって、
磁歪材料で形成され、締結部材と係合可能な先端部と、
前記ビット保持部に装着される基端部と、
前記先端部と前記基端部との間で延びる軸部とを有する、ビット。 - 請求項１ないし７のいずれかに記載の手動工具に用いられるトルクセンサであって、
前記ビットが貫通可能に形成された検出部と、
前記グリップに着脱自在に装着される装着部と、を有するトルクセンサ。
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