TWI444261B - 扭矩扳手 - Google Patents

Description

扭矩扳手 發明領域

本發明係有關於一種使用應變感測器，測量棘輪等固緊工具之固緊扭矩之扭矩扳手。

發明背景

此種扭矩扳手之習知例有具備棘輪等固緊部、形成前側蓋部及後側夾緊部之二分割構造之殼體、設置於殼體內，且將固緊部以可更換之狀態連結之應變體、檢測應變體之應變量之應變感測器、具有依應變感測器之檢測結果，運算固緊扭矩等功能之晶片微電腦、輸出固緊扭矩等之輸出部者(參照專利文獻1)。

專利文獻1：日本專利公開公報2006-289535號

然而，當為上述習知例時，以手抓住脫離預定夾緊位置之部份而操作時，便發出警告，而需再度進行操作，故有作業員對此點覺得麻煩之情形。因此，當將警告之判斷基準之幅度設定較大時，發出警告之頻率雖然減少，但測量精確度大幅降低。

本發明即是鑑於上述情形而發明者，其目的在於提供一種可謀求操作容易性與測量之高精確度化兩者之扭矩扳 手。

本發明之扭矩扳手包含有固緊部可更換地連結於前端部之軸狀應變體；收容前述應變體之殼體；於軸方向分隔配置在前述應變體上，以測量固緊扭矩之第1、第2應變感測器；至少依第1、第2應變感測器之測量結果，修正伴隨力點位置之變動之誤差，並且運算固緊扭矩之扭矩運算部；及至少將扭矩運算部之運算結果作為固緊扭矩測量值而輸出之輸出部。

當為此種扭矩扳手時，其結構為於應變體具有在軸方向配置於不同位置之第1、第2應變感測器，依兩感測器之測量結果，修正伴隨力點位置之變動之誤差，並且運算固緊扭矩而輸出，故與習知不同，與操作時之位置無關，而可獲得正確之測量結果。即，可謀求操作容易性及測量之高精確度化兩者。

關於殼體，可使用具有前側蓋部及後側夾緊部之2分割構造，該前側蓋部係收容前述應變體之前端部之筒狀體且前端面形成有供固緊部之基端部插入之孔，而該後側夾緊部係為收容應變體之基端部之筒狀體且於內部設有於與固緊力垂直相交之方向延伸之軸。前述軸貫穿前述應變體之側面，且前述應變體之後端部固定於後側部。

較佳為可在結構上附加用以設定固緊扭矩設定值之設定部及判定前述扭矩運算部之運算結果顯示之扭矩測量值是否接近或到達經由設定部設定之固緊扭矩設定值，同 時，使前述輸出部輸出該判定結果之扭矩判定部。

此時，由於當測量之固緊扭矩接近或到達預先設定之固緊扭矩設定值時，可輸出該主旨，故可平順地進行固緊作業。

關於第1、第2應變感測器，以於撓性基板上製成前述第1及第2應變感測器之構造之感測器單元安裝於前述應變體之面上之形態為佳。此時，以於前述應變體之面上形成對應於前述感測器單元之長度尺寸之凹部，且於該凹部貼合前述感測器單元為佳。

此時，由於構造為於撓性基板上製成前述第1及第2應變感測器之構造之感測器單元安裝於前述應變體之面上，故不僅可將兩感測器簡單地安裝於應變體，且兩感測器相對於應變體之安裝位置精確度提高，可謀求組裝之容易化，以至於低成本化。

圖式簡單說明

第1圖係用以說明本發明實施形態之圖式，(a)、(b)係扭矩扳手之正面圖及側面圖。

第2圖係第1圖中A-A線部份截面圖。

第3圖係第1圖中B-B線部份截面圖。

第4圖係扭矩扳手之分解立體圖。

第5圖係顯示安裝有扭矩扳手之感測器單元之狀態之應變體左側及右側概略圖，(a)係左側側面圖，(b)係右側側面圖。

第6圖扭矩扳手之電結構圖。

第7圖係用以說明扭矩扳手之扭矩運算部之運算式之說明圖。

用以實施發明之最佳形態

以下，參照第1圖至第7圖，說明本發明之實施形態。第1圖係扭矩扳手之正面圖及側面圖，第2圖係第1圖中A-A線部份截面圖，第3圖係第1圖中B-B線部份截面圖，第4圖係扭矩扳手之分解立體圖，第5圖係顯示安裝有扭矩扳手之感測器單元之狀態之應變體左側及右側概略側面圖，第6圖係扭矩扳手之電結構圖，第7圖係用以說明扭矩扳手之扭矩運算部之運算式之說明圖。

在此揭示之扭矩扳手包含有棘輪等固緊部10、具有前側蓋部21及後側夾緊部22之殼體20、收容於殼體20內，且將固緊部10以可更換之狀態連結於前端部之軸狀應變體30、在軸方向分隔配置於應變體30，以測量固緊扭矩T之第1應變感測器42a、42b、第2應變感測器43a、43b、用以設定固緊扭矩設定值等之設定部70、具有依第1應變感測器42a、42b及第2應變感測器43a、43b之測量結果，修正伴隨力點位置之變動之誤差，並且運算固緊扭矩T等功能之晶片微電腦100及輸出固緊扭矩T等之輸出部300。

首先，參照第1圖至第3圖，就扭矩扳手之機械結構作說明。此外，如第1圖所示，固緊部10因作用於殼體20之後側夾緊部22之固緊力F而於Q方向旋轉，固緊力F作用之方向以R表示，與此垂直相交之固緊部10之旋轉軸方向以P表 示。

固緊部10為固緊工具朝P方向設置於前端部之軸狀構件，固緊工具之種類有棘輪、扳手或猴頭扳手等。圖中所示之例之固緊部10之固緊工具為棘輪。

殼體20為樹脂成型品，形成具有前側蓋部21及後側夾緊部22之二分割構造。前側蓋部21及後側部22為筒狀組裝體，前側蓋部21收容應變體30之前端部31及中間部32，另一方面，後側夾緊部22以留有空隙之狀態收容應變體30之基端部33。

在前側蓋部21，供固緊部10之基端部插入之孔211形成於前端面。於前側蓋部21之裡面設置供用以將固緊部10固定於應變體30之安裝螺絲60於P方向插入之孔212。

於前側蓋部21之正面設置LCD310，於LCD310之下方位置設置主基板200。於主基板200設置晶片微電腦100及周邊電路，並設置LED330及設定部70。設定部70為4個按鈕開關，其鍵頂71之頭部從前側蓋部21之正面露出。於主基板200之下方位置設置蜂鳴器320及電池90。第4圖中，24為電池蓋，241為電池蓋安裝用螺帽。

於後側夾緊部22之內部設置朝向P方向之作為轂之軸50。於後側夾緊部22之內壁一對孔221相對設置。軸50之兩端部插入一對孔221而被支撐。

略呈圓板形樹脂成型品之夾緊蓋23旋轉自如地安裝於後側夾緊部22之後端部。於夾緊蓋23之內側形成筒狀體，其內部作為孔231。

應變體30為具有略短於殼體20之長度之圓筒狀金屬製長尺形彈性體，收容於殼體20內部。應變體30為具有位於前側蓋部21內側之前端部31及中間部32、位於後側部22內側之基端部、位於夾緊蓋23內側之後端部34之構造。應變體30之後端部34為較前端部31、中間部32及基端部33小徑之軸。

此外，在本實施形態中，從加工性及成本之觀點，應變體30係使用圓筒狀者，為角柱狀、圓柱狀亦無妨。應變體30以軸50軸支，其彈力方向為一定，故角柱狀最適合。

在應變體30之前端部31，於長度方向形成供固緊部10之基端部插入之孔311，另一方面，在其側面，於P方向形成供安裝螺絲60螺合之螺孔312。藉此，固緊部10可更換地連接於應變體30之前端部31。

於應變體30之中間部32，在R方之兩側面各形成凹部321。於凹部321之一邊固定包含第1應變感測器42a及第2應變感測器43a之感測器單元40a，另一方面，於凹部321之另一邊固定包含第1應變感測器42b及第2應變感測器43b之感測器單元40b。

於應變體30之基端部33設置供軸50插入之孔331。即，軸50貫穿應變體30之側面。

應變體30之後端部34插入至夾緊蓋23之孔231。即，應變體之後端部藉由夾緊蓋23，固定於後側夾緊部22。

感測器單元40a之構造為具有具對應於應變體30之凹部321之長度方向之長度之長方形撓性基板41a、於撓性基 板41a表面上之一側製成之第1應變感測器42a、於撓性基板41a表面上另一側製成之第2應變感測器43a、於撓性基板41a表面上之兩感測器間作成之電極44a。

使用接著材料，將此感測器單元40a貼合於應變體30之凹部321之底時，在應變體30之面上，第1應變感測器42a及第2應變感測器43a於軸方向並列配置。

此外，關於感測器單元40b，由於與上述感測器單元40a為相同構造，故省略其說明。

接著，參照第5圖及第6圖，就扭矩扳手之電性結構作說明。

關於第1應變感測器42a、42b、第2應變感測器43a、43b，在本實施形態中，使用依應變體30之應變量，電阻值直線變化之應變計。

第1應變感測器42a、42b之輸出信號依序藉由將兩信號之差分信號放大之橋接電路等第1放大電路201、將類比信號轉換成數位信號之第1AD轉換器202，輸出至晶片微電腦100。關於第2應變感測器43a、43b亦完全相同，各輸出信號依序藉由將兩信號之差分號放大之橋接電路等第2放大電路203、將類比信號轉換成數位信號之第2AD轉換器204，輸出至晶片微電腦100。

設定部70可輸入記憶體選擇、固緊扭矩設定值及電源開啟關閉等，將該等輸入資料輸出至晶片微電腦100。

關於輸出部300，在本實施形態中，具有顯示輸出所測量之固緊扭矩T等之液晶面板之LCD310、將電源開啟或關 閉時、呈可開始測量狀態時、固緊扭矩T相對於固緊扭矩設定值達90%時、超過固緊扭矩設定值時之各種狀態通知使用者之蜂鳴器320及LED330。

關於記憶體部80，在本實施形態中，預先記錄運算固緊扭矩T所需之各種基準值，相互連接於晶片微電腦100之匯流排線。在本實施形態中，記憶體部80使用為非依電性記憶體之EEPROM。

關於電池90，對晶片微電腦100、其周邊電路及輸出部300等供給電源電壓。在本實施形態中，使用二氧化錳鋰電池。

關於晶片微電腦100，在本實施形態中，於其輸入埠連接第1AD轉換器202、第2AD轉換器204及設定部70等。另一方面，於其輸出埠連接輸出部300等。藉逐次處理內部記憶體上之軟體，可發揮以下說明之扭矩運算部110及扭矩判定部120之功能。

扭矩運算部110依記憶體部80上之各種基準值(l₁ ,l₂ ,L,k_a ,k_b ,n_a ,n_b )、第1AD轉換器202之輸出值(AD_amax ,AD_amin ,AD_a )及第2AD轉換器204之輸出值(AD_bmax ,AD_bmin ,AD_b )，以數1運算固緊扭矩T。

[數1]

其中，

l₁ ：第7圖之第1應變感測器42a、42b與軸50間之距離

l₂ ：第7圖之第2應變感測器43a、43b與軸50間之距離

L：有效長度、第1圖之旋轉扭矩P與固緊力F之距離

k_a ：力矩換算式之係數、第7圖之一對第1應變感測器42a、42b用

k_b ：力矩換算式之係數、第7圖之一對第2應變感測器43a、43b用

n_a ：力矩換算式之係數、第7圖之一對第1應變感測器42a、42b用

n_b ：力矩換算式之係數、第7圖之一對第2應變感測器43a、43b用

AD_amax ：第6圖之第1AD轉換器202之輸出最大值

AD_amin ：第6圖之第1AD轉換器202之輸出最小值

AD_bmax ：第6圖之第2AD轉換器204之輸出最大值

AD_bmin ：第6圖之第2AD轉換器204之輸出最小值

AD_a ：第6圖之第1AD轉換器202之輸出值

AD_b ：第6圖之第2AD轉換器204之輸出值

此係晶片微電腦100之扭矩運算部110之基本功能。在本實施形態中，將如上述運算之固緊扭矩T之瞬間值輸出至LCD310。輸出至上述LCD310之瞬間值藉經由設定部70之開關操作，可解除所保持之值。N‧m以外之扭矩單位經由 設定部70而設定時，可將固緊扭矩T換算成扭矩單元之值連同其單元顯示輸出至LCD310。

扭矩判定部120判定扭矩運算部110之運算結果顯示之固緊扭矩T是否到達經由設定部70設定之固緊扭矩設定值之90%、是否超過扭矩設定值，將該等判定結果透過蜂鳴器320及LED330輸出。此為作為晶片微電腦100之扭矩判定部120之功能。

此外，晶片微電腦100除了上述功能外，亦有將經由設定部70設定之固緊扭矩值保持在內部記憶體之記憶體功能、當第1AD轉換器202及第2AD轉換器204之輸出在預定時間未出現變化時，呈低耗費電力之休眠模式等。

以下，就如上述構成之扭矩之使用方法及其動作作說明。

首先，經由設定部70，啟動電源時，電源電壓供給至晶片微電腦100等，而呈運作狀態，晶片微電腦100讀取記憶體部80上之設定所需之各種基準值，藉此，連同零點控制在內，進行初期設定之處理。

在此狀態下，經由設定部70，設定輸入固緊扭矩設定值或扭矩單位等時，晶片微電腦100保持於內部記憶體，另一方面，當第1AD轉換器202及第2AD轉換器204之輸出值在預定時間未出現變化時，便移至呈低耗費電力狀態之休眠模式。

使用扭矩扳手，實際將螺栓固緊等時，手握住後側夾緊部22，使固緊部10於Q方向旋轉。無此時之夾緊位置之指定，不論握持後側夾緊部22之哪個部份，進行固緊，仍可進行正常之扭矩測量。

原本以手握持後側夾緊部22中軸50之正上方部份，進行固緊時(稱為原本之夾緊位置)，與第7圖一同顯示之力P1 之大小為最大，力P2之大小極為接近0。因而，在原本之位置，施加一定載重時，第1應變感測器42a、42b之輸出與P1成比例。然而，使力點位置從原本之位置移至輸出部300側，施加相同載重時，力P2產生與力P1反方向之載重。同樣地，使力點位置從原本之位置移至夾緊蓋23側時，力P1減少，力P2於與P1相同之方向增加。此時，第1應變感測器42a、42b之輸出與力P1之比例關係破壞。針對此變化，藉計算第2應變感測器43a、43b之輸出，可求出力P1、P2之值。

舉例言之，當使力點位置從原本之位置移至夾緊蓋23側時，感測器之輸出為力P1及P2之合算值，第1應變感測器42a、42b與第2應變感測器43a、43b之輸出皆增加。從此輸出信號與感測器位置及力點位置之關係，運算扭矩。藉此，即使夾緊未施加任何力，仍可進行正確之扭矩運算。即，一面修正伴隨力點位置之變動之誤差，一面求出固緊扭矩T。

如此，由於不論握持後側部22之哪個部份，進行固緊，仍可進行正常之扭矩測量，故可大幅提高操作性，即使為不熟悉者仍可實現正確之固緊作業。

又，當固緊扭矩T到達內部記憶體上之固緊扭矩設定值之90%時，該主旨經由蜂鳴器320及LED330輸出。之後，當固緊扭矩T超過內部記憶體上之固緊扭矩設定值時，將該主旨經由蜂鳴器320及LED330輸出。藉此種蜂鳴器320之聲音或LED330之亮燈，進行警告。使用者可一面確認此警告，一面進行螺栓等之固緊作業，故可平順地進行固緊作業。

當需將固緊工具更換成其他物品時，卸除安裝螺絲60，替換固緊部10即可。此時，在更換後有效長度未改變時，可與上述同樣地，測量固緊扭矩T。又，在更換後，有效長度變化時，改寫記憶體部80上之各種基準值之資料，可獲得固緊扭矩T之正確測量結果。

即，除了棘輪之外，不僅可於使用猴頭扳手或扳手等工具之固緊作業使用，亦可適用於有效長度不同者，故可易擴大固緊扭矩T之測量範圍。又，固緊力F作用於應變體係僅在軸50之部份與後端部34之部份，故應變體30全體如所期大幅應變，固緊扭矩T之測量精確度亦隨之提高。

此外，本發明之扭矩扳手不限於上述實施形態，如以下設計而變更亦無妨。關於固緊部10，形狀、工具之種類及對應變體30之連結方法等不限，可為經由前側蓋部21，連結於應變體30之前端部31之形態。關於應變體30，只要為軸狀，其材質或截面形狀等不限，為使前端部31露出之形態亦可。關於第1應變感測器42a、42b及第2應變感測器43a、43b，其種類不限，只要在應變體配置於在軸方向不同之位置，安裝方法或安裝位置可隨意。舉例言之，可將兩感測器直接安裝於兩應變體30之面上，不將兩感測器於軸方向排成一列，而安裝於從該位置在圓周方向錯開位置之處。

關於扭矩運算部110及扭矩判定部130，可為以類比電路等實現相同或類似功能之形態。特別是關於扭矩運算部110，將對應於各有效長度之複數各種基準值預先記錄於記 憶體部80，另一方面，其形態可為可經由設定部70，選擇輸入固緊部10之種類，從記憶體部80讀取對應於所選擇輸入之固緊部10之種類之各種基準值，使用此，運算為固緊扭矩T。

關於輸出部300，扭矩測量值及判定結果等之輸出形式等不限，可為僅以光、聲音、振動等通知扭矩測量值是否接近或到達扭矩設定值之判定結果之形態。關於殼體20，只要為經得住假設之衝擊之材質即可，其形狀不限，可為將應變體之基端部33僅保持於後側部22內部之形態。

10‧‧‧固緊部

21‧‧‧前側蓋部

20‧‧‧殼體

22‧‧‧後側夾緊部

23‧‧‧夾緊蓋

200‧‧‧主基板

34‧‧‧電池蓋

201‧‧‧第1放大電路

30‧‧‧應變體

202‧‧‧第1AD轉換器

31‧‧‧前端部

203‧‧‧第2放大電路

32‧‧‧中間部

204‧‧‧第2AD轉換器

33‧‧‧基端部

211‧‧‧孔

34‧‧‧後端部

221‧‧‧孔

40a‧‧‧感測器單元

231‧‧‧孔

40b‧‧‧感測器單元

241‧‧‧電池蓋安裝用螺帽

41a‧‧‧撓性基板

300‧‧‧輸出部

42a‧‧‧第1應變感測器

310‧‧‧LCD

42b‧‧‧第1應變感測器

311‧‧‧孔

43a‧‧‧第2應變感測器

312‧‧‧螺孔

43b‧‧‧第2應變感測器

320‧‧‧蜂鳴器

44a‧‧‧電極

321‧‧‧凹部

50‧‧‧軸

330‧‧‧LED

60‧‧‧安裝螺絲

331‧‧‧孔

70‧‧‧設定部

F‧‧‧扭矩力

80‧‧‧記憶體部

T‧‧‧扭矩扳手

90‧‧‧電池

P1‧‧‧力

100‧‧‧晶片微電腦

P2‧‧‧力

110‧‧‧扭矩運算部

Q,R‧‧‧方向

120‧‧‧扭矩判定部

第1圖係用以說明本發明實施形態之圖式，(a)、(b)係扭矩扳手之正面圖及側面圖。

第2圖係第1圖中A-A線部份截面圖。

第3圖係第1圖中B-B線部份截面圖。

第4圖係扭矩扳手之分解立體圖。

第5圖係顯示安裝有扭矩扳手之感測器單元之狀態之應變體左側及右側概略圖，(a)係左側側面圖，(b)係右側側面圖。

第6圖扭矩扳手之電結構圖。

第7圖係用以說明扭矩扳手之扭矩運算部之運算式之說明圖。

10‧‧‧固緊部

20‧‧‧殼體

21‧‧‧前側蓋部

22‧‧‧後側夾緊部

23‧‧‧夾緊蓋

30‧‧‧應變體

70‧‧‧設定部

211‧‧‧孔

300‧‧‧輸出部

310‧‧‧LCD

330‧‧‧LED

F‧‧‧固緊力

Q,R‧‧‧方向

Claims (6)

1. 一種扭矩扳手，包含有：應變體，係固緊部可更換地連結於前端部者；殼體，係收容前述應變體者；第1、第2應變感測器，係成對地個別固定於前述應變體之固緊力作用方向之兩側面，且於軸方向分隔配置，以測量固緊扭矩者；扭矩運算部，係至少依前述第1、第2應變感測器之測量結果，修正伴隨力點位置之變動之誤差，並且運算固緊扭矩T者；輸出部，係至少將前述扭矩運算部之運算結果作為固緊扭矩測量值而輸出者，及感測器單元，係在撓性基板上作成前述第1、第2應變感測器之構造，前述殼體為具有前側蓋部及後側夾緊部之2分割構造，前側蓋部係用以收容前述應變體之前端部的筒狀體，且於前端面形成有供前述固緊部之基端部插入之孔，而該後側夾緊部係收容前述應變體之基端部之筒狀體，且於內部設有於與固緊力垂直相交之方向延伸之軸，又，前述軸貫穿前述應變體之側面，且前述應變體之後端部固定而可防止該應變體之後端部朝其半徑方向移動。
2. 如申請專利範圍第1項之扭矩扳手，其中更具備：將由前述第1、第2應變感測器之各對分別輸出之差分信號分 別放大之第1、第2放大電路，及分別連接於同電路之後段之第1、第2AD轉換器，前述殼體於前述後側夾緊部之後端側設有夾緊蓋，該夾緊蓋係於內面中央部形成有供前述後側夾緊部插入之定位固定孔，前述扭矩運算部係使用下述式T運算固緊扭矩T： (但，l₁ 為第1應變感測器與軸之間的距離，l₂ 為第2應變感測器與軸之間的距離，L為有效長度，k_a ,k_b ,n_a ,n_b 為常數)。
3. 如申請專利範圍第1項之扭矩扳手，更包含有：設定部，係用以設定固緊扭矩設定值者；及扭矩判定部，係判定前述扭矩運算部之運算結果顯示之扭矩測量值是否接近或到達經由設定部設定之固緊扭矩設定值，同時，使前述輸出部輸出該判定結果者。
4. 如申請專利範圍第1項之扭矩扳手，其中於撓性基板上製成前述第1及第2應變感測器之構造之感測器單元安裝於前述應變體之面上。
5. 如申請專利範圍第4項之扭矩扳手，其中前述應變體之面上形成有對應於前述感測器單元之長度尺寸之凹 部，且於該凹部貼合前述感測器單元。
6. 一種扭矩扳手，包含有：應變體，係固緊部可更換地連結於前端部者；殼體，係收容應變體者；第1、第2應變感測器，係成對地個別固定於應變體之固緊力作用方向之兩側面，且於軸方向分隔配置，以測量固緊扭矩者；第1、第2放大電路，將由第1、第2應變感測器之各對分別輸出之差分信號分別放大；第1、第2AD轉換器，分別連接於同電路之後段；扭矩運算部，係至少依第1、第2應變感測器之測量結果，修正伴隨力點位置之變動之誤差，並且運算固緊扭矩T者；及輸出部，係至少將前述扭矩運算部之運算結果作為固緊扭矩測量值而輸出者，前述殼體為具有前側蓋部及後側夾緊部之2分割構造，前側蓋部係用以收容應變體之前端部的筒狀體，且於前端面形成有供固緊部之基端部插入之孔，而該後側夾緊部係收容應變體之基端部之筒狀體，且於內部設有於與固緊力垂直相交之方向延伸之軸，扭矩運算部係使用下述式T運算固緊扭矩T：式T=k₁ 〔(AD_amax -AD_amin )‧(AD_bmax -AD_bmin )〕^-1 〔k₂ (k₃ (AD_a -AD_amin )+k₄ (AD_amax -AD_bmin ))‧k₅ (AD_bmax -AD_bmin )+k₆ (k₇ (AD_b -AD_bmin )+k₈ (AD_bmax -AD_bmin ))‧k₉ (AD_amax -AD_amin )〕， (但，k₁ ~k₉ 為常數，AD_a ,AD_amax ,AD_amin 為第1AD轉換器之輸出值、輸出最大值、輸出最小值，AD_b ,AD_bmax ,AD_bmin 為第2AD轉換器之輸出值、輸出最大值、輸出最小值)。