WO2010119598A1 - トルクレンチ - Google Patents

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WO2010119598A1
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cam
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緒方智博
志村宏一
加藤雄司
相川省三
辻洋
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株式会社東日製作所
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    • B25B23/141—Mechanical overload release couplings

Definitions

  • the present invention relates to a torque wrench, and more particularly to a torque wrench provided with a mechanical torque detection mechanism that gives an operator a feeling of a sudden decrease in operating force when the tightening torque reaches a set torque value.
  • Patent Document 1 As a mechanical torque detection mechanism in a torque wrench, a cam type torque detection mechanism constituted by a cam and a cam roller that elastically contacts the cam with a spring has been proposed (Patent Document 1).
  • an engaging claw 57 that engages with the ratchet teeth 55 is provided on the outer peripheral portion of the drive shaft 53 so that the engaging claw 57 can be engaged with the ratchet teeth 55 by the spring 58, and the engaging claw when the cam cylinder 54 is rotated in the clockwise direction. 57 is engaged with the ratchet teeth 55 to constitute a ratchet mechanism.
  • the cam cylinder 54 and the drive shaft 53 are integrated, and a bolt or the like (not shown) can be tightened by the operating force of the handle 51.
  • the ratchet mechanism freely rotates the cam cylinder 54 counterclockwise.
  • the operator applies the handle 51 with a strong force in the tightening direction, and immediately after passing the torque peak position P, the reaction force received by the handle 51 decreases rapidly, and further, the pressing spring 59 is pressed against the handle 51.
  • the turning force in the tightening direction is applied by the spring force.
  • the torque peak can be detected in the dynamic friction state, so that highly accurate torque detection is possible.
  • the maximum value of the torque peak can be obtained within the revolution angle range of the roller member with respect to the gradually increasing cam surface, even if there is a variation in the cam shape, the roller shaft is worn and the roller member is eccentric. Even so, torque can be detected with high accuracy.
  • FIG. 1A is a detailed view of a cam portion of a torque wrench showing an embodiment of the present invention
  • FIG. 1B is a torque-angle diagram by the cam portion shown in FIG. 1A
  • FIG. 1C is a cam of FIG. It is an enlarged view of the torque gradually decreasing cam surface in the section.
  • 2 shows the overall configuration of the torque wrench of FIG. 1, (a) is a top external view, (b) is a front external view, (c) is a cross-sectional view of (a), and (d) is a cross-sectional view of (b). It is a longitudinal cross-sectional view.
  • a plurality (6 in this embodiment) of cam portions 27 are formed at equal intervals along the circumferential direction on the outer peripheral portion of the cam barrel 22, and the roller member 18 biased by the pressing spring 14 is pressed against the cam portion 27.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Details Of Spanners, Wrenches, And Screw Drivers And Accessories (AREA)

Abstract

【課題】高精度にトルクを検出でき、トルク検出後の違和感のないハンドル操作感と安全にボルト等の被的結部材の締付けができるカム式トルク検出機構を備えたトルクレンチを提供する。 【解決手段】カム式トルク検出機構を備えたトルクレンチにおいて、カム筒（２２）の外周に形成したカム部（２７）は、非操作状態でローラ部材（１８）が静止状態で係合する静止係合カム面（２７ａ）と、静止係合カム面（２７ａ）に連接し、ローラ部材（１８）が移動しながら当接することによりトルクピーク値を漸増させるトルクピーク漸増カム面（２７ｂ）と、トルクピーク値漸増カム面（２７ｂ）に連接するカムトップ部をなすカムトップ面（２７ｃ）と、ローラ部材（１８）に対してプラストルクをゼロまで漸減するトルク漸減カム面（２７ｄ）と、トルク漸減カム面（２７ｄ）を経たローラ部材（１８）に対してマイナストルクを付与するマイナストルクカム面（２７ｅ）と、を有する。

Description

トルクレンチ
　本発明はトルクレンチに係り、締付けトルクが設定トルク値に達すると急激な操作力の減少という操作感を操作者へ与える機械式のトルク検出機構を備えたトルクレンチに関する。
　トルクレンチにおける機械式のトルク検出機構として、カムと、このカムにバネにより弾性的に当接するカムローラとにより構成したカム式トルク検出機構が提案されている（特許文献１）。
　上記した従来のカム式トルク検出機構を備えたトルクレンチを図３（ａ）に示す。図３（ａ）に示すトルクレンチは、円筒状のハンドル５１の前端部に円筒状のヘッド５２を固定しており、ヘッド５２内に不図示のソケット等を交換可能に装着する駆動軸５３を回転可能に装着している。また、ヘッド５２内には、駆動軸５３の中心軸と同心にカム筒５４を駆動軸５３の外周に隙間を有して回転可能に装着している。カム筒５４は、内周面にラチェット歯５５を備え、外周部に４つのカム部５６を周方向に備えている。また、駆動軸５３の外周部には、ラチェット歯５５と係合する係合爪５７を設け、ばね５８によりラチェット歯５５に係合可能とし、カム筒５４の時計回り方向の際に係合爪５７をラチェット歯５５に係合させラチェット機構を構成している。これにより、カム筒５４と駆動軸５３とが一体化し、ハンドル５１の操作力により不図示のボルト等を締付けることができる。なお、ラチェット機構は、カム筒５４の反時計方向に自由回動させる。
　ハンドル５１内にはトルク値設定用の押圧ばね５９が内装され、ハンドル５１の先端に配置したスラスト部材６０をヘッド５２の中心軸に向かって押圧する。スラスト部材６０とカム筒５４の外周面との間にローラ６１を自転可能に配置すると共に、長手方向の軸線Ｌ０方向に移動自在とし、ばね付勢されるスラスト部材６０からのスラスト力でローラ６１をカム部５６に押し付ける。
　このような構成のトルクレンチにおいて、ボルトの締結のためにハンドル５１に時計回り方向の操作力を加えた場合、押圧ばね５９から受けるローラ６１のスラスト力に対し、ローラ６１がカム部５６の当接面から受ける反力が小さいと、カム筒５４がハンドル５１と一体に回転して駆動軸５３を回動する。そして、締付けトルク値が上昇するに従って前記反力が大きくなり、ローラ６１がカム面のカムトップに向け押圧ばね５９のばね力に抗して押し戻されると、ローラ６１はトルクピーク位置Ｐに達し、トルク検出が行われる（設定トルク値に達したことを検出する）。
　カム部５６は図３（ｂ）に示すように、ローラ６１の曲面（半径Ｒ０）と合致する半径Ｒ０の曲面からなる急斜面のローラ静止係合カム面５６ａと、半径Ｒ２の曲面からなる緩斜面のマイナストルクカム面５６ｂと、ローラ静止係合面５６ｂとの間に連接された半径Ｒ１の曲面のカムトップ面５６ｃとからなる全てが曲面のカム面に構成している。ここで、ローラ静止係合面５６ａとカムトップ面５６ｃとの連接点がトルクピーク位置Ｐとなる。
英国特許第２１４８７６７号
　図３に示す従来のトルクレンチにおいて、トルクレンチに作用力を加えない非操作状態で、ローラ６１はローラ静止係合面５６ａの曲面に嵌り込んだ状態で静止しており、ローラ６１が動き出すと直ちにトルクピーク位置Ｐを乗り越えてトルク検出が行われる。すなわち、ローラ６１がカム部５６のカム面に対して静止摩擦状態から動摩擦状態に移行した時にトルク検出が行われることになる。
　このように、曲面のローラ静止係合面５６ａと曲面のカムトップ面５６ｃの連接点をトルクピーク位置Ｐに設定しているため、ローラ静止係合面５６ａとカムトップ面５６ｃのカム形状にばらつきが生じたり、あるいはローラの支軸の摩耗等によりローラがその回転中心に対して偏芯した場合等では、高精度なトルク検出ができない。
　また、ローラ６１が静止摩擦状態から動摩擦状態に移行した瞬間にトルクピークを検出することになるが、静止摩擦状態から動摩擦状態へ移行する際にローラ６１に加わる力にはばらつきがあるため、高精度なトルク検出ができない。
　一方、トルク検出位置Ｐからカムトップ面５６ｃのカムトップ位置までの上り傾斜面において、ローラ６１がカムトップ面５６ｃから受ける接線Ｌ１方向の力は、小さく、締め付け方向と反対方向の力である。そして、ローラ６１がカムトップを通過すると、下り傾斜面のマイナストルクカム面５６ｂと当接することから、ローラ６１がマイナストルクカム面５６ｂから受ける接線Ｌ１方向の力は締め付け方向となる。
　すなわち、締付け操作に際し、操作者は強い力でハンドル５１を締付け方向に加え、トルクピーク位置Ｐを通過すると直ちにハンドル５１が受ける反力が急激に減少し、さらにハンドル５１に対して押圧ばね５９のばね力により締め付け方向への回動力が加わることになる。
　このように、トルクピークに達すると直ちにハンドル５１に締め付け方向の回動力が加わるので使い勝手が悪くなるばかりでなく、検出トルク値が大きくなると押圧ばね５９のばね力もそれだけ大きくなり、ハンドル５１に加わる回動力が大きくなって危険を伴うことにもなりかねない。
　本発明の目的は、このような従来の問題を解決し、高精度にトルクを検出できるカム式トルク検出機構を備えたトルクレンチを提供することにある。
　本発明の他の目的は、トルク検出後に違和感のないハンドル操作感が得られ、また安全にボルト等の被的結部材を締付けることができるカム式トルク検出機構を備えたトルクレンチを提供することにある。
　本発明の目的を実現する構成は、被締結部材側に締付け力を伝達する回転可能な駆動軸と、前記駆動軸の周りにラチェット機構を介して回転可能に配置される外周面にカム部を有するカム筒と、弾性部材により付勢されて前記カム部に対して進退可能に当接するローラ部材とからなり、前記ローラ部材に締め付け力が付与されるカム式トルク検出機構を備えたトルクレンチにおいて、前記カム部は、非操作状態で前記ローラ部材が静止状態で係合する静止係合カム面と、前記静止係合カム面に連接し、前記ローラ部材が移動しながら当接することによりトルクピークを漸増させるトルクピーク漸増カム面を有することを特徴とする。
　本発明の他の目的を実現する構成は、被締結部材側に締付け力を伝達する回転可能な駆動軸と、前記駆動軸の周りにラチェット機構を介して回転可能に配置される外周面にカム部を有するカム筒と、弾性部材により付勢されて前記カム部に対して進退可能に当接するローラ部材とからなり、前記ローラ部材に締め付け力が付与されるカム式トルク検出機構を備えたトルクレンチにおいて、前記カム部は、前記トルクピーク位置通過後の前記ローラ部材が案内されるカムトップ部をなすカムトップ面と、前記ローラ部材に対してプラストルクをゼロまで漸減する前記カムトップ面に連接するトルク漸減カム面と、前記トルク漸減カム面を経た前記ローラ部材に対してマイナストルクを付与するマイナストルクカム面と、を有することを特徴とする。
　請求項１に係る発明によれば、動摩擦状態でトルクピークの検出が行なえるので、高精度のトルク検出が可能となる。また、トルクピーク漸増カム面に対するローラ部材の公転角度範囲内でトルクピークの最大値が得られるので、カム形状にばらつきがあっても、ローラ部材の支軸が摩耗等してローラ部材が偏芯しても、高精度にトルク検出が行なえる。
　請求項２に係る発明によれば、最大トルクピークの後にトルク漸減カム面を移動することで、操作者に僅かな負荷が加わり、締め付け完了を気付かせる予鈴となり、そこで締め付け力を抜かせることができ、いきなりマイナストルクカム面に移行して力が開放されないため、使用中の動作感が向上し、安全なトルクレンチを提供することができる。
　請求項３に係る発明によれば、請求項１と請求項２の効果を備えたトルクレンチを提供することができる。
　請求項４に係る発明によれば、トルクピーク漸増カム面を直線状の軌跡により構成しているので、トルクピーク値の設定が容易であり、また容易に形成することができる。
　請求項５に係る発明によれば、トルク漸減カム面を直線状の軌跡により構成しているので、トルク漸減に伴って生じる負荷を容易に設定することができ、またトルク漸減の割合を容易に設定することができる。
本発明の一実施形態を示すトルクレンチのカム部の詳細図と、トルクー角度線図。 図１のトルクレンチの全体構成を示し、（ａ）は上面外観図、（ｂ）は正面外観図、（ｃ）は（ａ）の横断面図、（ｄ）は（ｂ）の縦断面図。 （ａ）は従来のカム式トルクレンチの要部を示す横断面図、（ｂ）は（ａ）のカム面の拡大図。
　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（ａ）は本発明の一実施形態を示すトルクレンチのカム部の詳細図、（ｂ）は（ａ）に示すカム部によるトルク―角度線図、（ｃ）は（ａ）のカム部におけるトルク漸減カム面の拡大図である。図２は図１のトルクレンチの全体構成を示し、（ａ）は上面外観図、（ｂ）は正面外観図、（ｃ）は（ａ）の横断面図、（ｄ）は（ｂ）の縦断面図である。
　図２において、本実施形態のトルクレンチ１０は、円筒状のハンドル１１の前部に円筒状のヘッド１２を固定した外観構造を有し、ヘッド１２から後方に延びる筒状のねじ結合部１３がハンドル１１の前部内周に形成したねじ部に螺着してヘッド１２とハンドル１１とが固定される。
　ハンドル１１内には押圧ばね１４を内装している。ハンドル１１の後端部には、ボルト部材１５とナット部材１６とからなり、ボルト部材１５を回転することによりナット部材１６が軸方向に移動するトルク調整機構が取り付けられ、ナット部材１６の先端に押圧ばね１４の後端が当接している。押圧ばね１４の先端にスラスト部材１７装着され、スラスト部材１７の先端部がねじ結合部１３内に装入されている。スラスト部材１７の先端部には、ヘッド１２内に臨むローラ部材１８を支軸１９により回転自在に支持する支持部材２０が取り付けられ、支持部材２０とスラスト部材１７とが一体にハンドル１１の長手方向（軸方向）に沿って移動可能となっている。
　ヘッド１２内には、ハンドル１１の軸方向と直交方向に回転中心軸を有する駆動軸２１が回転可能に取り付けられ、駆動軸２１の外周にカム筒２２が隙間を有して回転可能に取り付けられている。なお、カム筒２２の上下にそれぞれ円環状のローラベアリング２３を取り付け、この上下のローラベアリング２３を介してカム筒２２をヘッド１２内に回転可能に取り付けている。
　カム筒２２の内周面には複数のラチェット歯２４が周方向に沿って形成され、駆動軸２１の外周部にばね２５によりラチェット歯２４に向けて付勢されるラチェット爪２６とによりラチェット機構を構成し、カム筒２２の時計回り方向と一体に駆動軸２１が回動する。
　カム筒２２の外周部には周方向に沿って複数（本実施形態では６）のカム部２７が等間隔に形成され、押圧ばね１４により付勢されたローラ部材１８がカム部２７に押圧される。
　操作者は、駆動軸２１に係合したソケット（不図示）をボルト、ナット等の被締結部材（不図示）に嵌合し、ハンドル１１のグリップ２８を手で把持して時計回り方向に回動すると、ローラ部材１８がカム部２７と当接してカム筒２２を時計回り方向に回動させ、カム筒２２と一体に駆動軸２１を回動させて被締結部材を締付ける。締め付けトルクが上昇し始めると、カム部２７とローラ部材１８とのカム動作によりローラ部材１８が押圧ばね１４のばね力に抗してハンドル１１の軸方向後方に移動し、ハンドル１１の回動操作力の減少を感知することで設定トルク値に達したトルク検出が検出されることになる。
　カム部２７の詳細を図１に基づいて以下に説明する。
　図１（ａ）に示すように、カム部２７に対して、ローラ部材１８が時計回り方向に公転することでボルト等の締め付けを行なうもので、カム部２７を概略凸のカム面に形成している。
　カム部２７の左側カム面には、ローラ部材１８の半径Ｒ０と同径の曲率Ｒ０を有する静止係合カム面２７ａを形成し、ローラ部材１８が静止係合カム面２７ａに係合している。ボルト等の被締結部材の締め付けを行なっていない非操作状態において、ローラ部材１８は押圧ばね１４のばね力により静止係合カム面２７ａに押圧されて係合保持されている。この静止係合カム面２７ａは凹面に形成されており、静止係合カム面２７ａに連接して、直線状の区間δ１であるトルクピーク漸増カム面２７ｂが形成されている。トルクピーク漸増カム面２７ｂに連接してカム部２７の半径（φ１）のカム面である凸の曲面である曲率Ｒ１のカムトップ面２７ｃが形成されている。この場合、トルクピーク漸増カム面２７ｂとカムトップ面２７ｃの連接点Ｐ１が最大トルクピークとなり、ローラ部材１８がトルクピーク漸増カム面２７ｂを回転する回転角がトルク検出角度（θ１）となる。
　したがって、静止係合カム面２７ａにローラ部材１８が係合した状態でハンドル１１に締め付け方向の力を加え、締め付け力を増すとローラ部材１８が静止係合カム面２７ａから動き出し、ローラ部材１８は自転しながら直線状のトルクピーク漸増カム面２７ｂを最大トルクピーク点に向けて移動する。すなわち、ローラ部材１８は静止摩擦状態から動摩擦状態へと移行し、検出トルクも漸増する。動摩擦状態でトルクピークを検出するため、最大トルクピークを高精度に検出することができる。
　また、トルクピーク漸増カム面２７ｂのカム高さを許容偏芯誤差とすることができる。すなわち、トルク検出角度θ１の間をローラ部材１８が移動する間に、最大トルクピークの高さが得られればよいので、ローラ部材１８の支軸１９が摩耗等してローラ部材１８の中心が偏芯しても、正規の最大トルクピークに近似したトルクを検出することができる。
　次に、最大トルクピーク点は、トルクピーク値漸増カム面２７ｂと曲率Ｒ１のカムトップ面２７ｃとの連接点Ｐ１であるので、最大トルクピークを検出すると凸の曲率Ｒ１のカム面上をトレースしながら移動する。カムトップ面２７ｃと、マイナストルクをローラ部材１８に付与する曲率Ｒ２の曲面からなるマイナストルクカム面２７ｅとの間に、回転角θ２の区間にトルク漸減カム面２７ｄを設けている。図１（ｃ）に示すように、トルク漸減カム面２７ｄは長さδ１の直線状に形成されていて、マイナストルクカム面２７ｅとの連接点Ｐ２まではローラ部材１８にプラストルクが付与される。しかし、トルク漸減カム面２７ｄはカム部２７の外径（半径φ１）よりも内側に位置し、徐々に外径から内側に入り込む軌跡に形成されているので、ローラ部材１８がトルク漸減カム面２７ｄに加えるトルクは漸減することになる。
　図１（ｂ）は、本実施形態によるトルクレンチ１０によるボルト等の被締結部材に対する締め付け開始からトルクレンチの回動角度（θ）とトルクとの関係を示している。ハンドル１１の回動によりローラ部材１８が静止係合カム面２７ａから動き出し、トルクピーク漸増カム面２７ｂの直線距離δ１のカム軌跡を回転角θ１の範囲で時計回り方向に自転し始めるに従ってトルクピークが漸増し、点Ｐ１で最大トルクである設定トルク値の検出が行なわれる。点Ｐ１を通過し曲率Ｒ１の曲面からなるカムトップ面２７ｃを移動するとローラ部材１８に加わる反力が急激に低下する。ローラ部材１８は、さらにトルク漸減カム面２７ｄの直線状の軌跡点Ｐ２まで移動する間にハンドル１１の受けるトルクが漸減する。
　すなわち、カムトップ面２７ｃを通過したローラ部材１８が従来のようにマイナストルクカム面２７ｅの軌跡に移行して、押圧ばね１４のばね力によりローラ部材１８に締め付け方向の力を付与し、ハンドル１１に対して締め付け方向の力が加わるマイナストルクが直ちに生じることはなく、操作者はトルク漸減カム面２７ｄの移動中に僅かな負荷を感じ、これが一種の予鈴となり、そこで締め付け力を抜くことができ、いきなりマイナストルクが付与されるという危険を回避することができる。
　以上のように、静止係合カム面２７ａから点Ｐ２までの角度範囲θ３がプラストルク区間であり、このプラストルク区間の終期において締め付けトルクの漸減を操作感として操作者が感じとることができる。この操作感は、図１（ｃ）に示すように、直線状の軌跡であるトルク漸減カム面２７ｄをカム部２７の外径側に近づけたり（２７ｅ´）、離したりすることで、トルクの漸減角度を変更することができる。
１０　トルクレンチ
１１　ハンドル
１２　ヘッド
１３　ねじ結合部
１４　押圧ばね
１５　ボルト部材
１６　ナット部材
１７　スラスト部材
１８　ローラ部材
１９　支軸
２０　支持部材
２１　駆動軸
２２　カム筒
２３　ローラベアリング
２４　ラチェット歯
２５　ばね
２６　ラチェット爪
２７　カム部
　　２７ａ　静止係合カム面　　　２７ｂ　トルクピーク漸増カム面
　　２７ｃ　カムトップ面　　　　２７ｄ　トルク漸減カム面
　　２７ｅ　マイナストルクカム面
２８　グリップ

Claims (7)

  1. 　被締結部材側に締付け力を伝達する回転可能な駆動軸と、前記駆動軸の周りにラチェット機構を介して回転可能に配置される外周面にカム部を有するカム筒と、弾性部材により付勢されて前記カム部に対して進退可能に当接するローラ部材とからなり、前記ローラ部材に締め付け力が付与されるカム式トルク検出機構を備えたトルクレンチにおいて、
    　前記カム部は、非操作状態で前記ローラ部材が静止状態で係合する静止係合カム面と、前記静止係合カム面に連接し、前記ローラ部材が移動しながら当接することによりトルクピークを漸増させるトルクピーク漸増カム面を有することを特徴とするトルクレンチ。
  2. 　被締結部材側に締付け力を伝達する回転可能な駆動軸と、前記駆動軸の周りにラチェット機構を介して回転可能に配置される外周面にカム部を有するカム筒と、弾性部材により付勢されて前記カム部に対して進退可能に当接するローラ部材とからなり、前記ローラ部材に締め付け力が付与されるカム式トルク検出機構を備えたトルクレンチにおいて、
    　前記カム部は、前記トルクピーク位置通過後の前記ローラ部材が案内されるカムトップ部をなすカムトップ面と、前記ローラ部材に対してプラストルクをゼロまで漸減する前記カムトップ面に連接するトルク漸減カム面と、前記トルク漸減カム面を経た前記ローラ部材に対してマイナストルクを付与するマイナストルクカム面と、を有することを特徴とするトルクレンチ。
  3. 　被締結部材側に締付け力を伝達する回転可能な駆動軸と、前記駆動軸の周りにラチェット機構を介して回転可能に配置される外周面にカム部を有するカム筒と、弾性部材により付勢されて前記カム部に対して進退可能に当接するローラ部材とからなり、前記ローラ部材に締め付け力が付与されるカム式トルク検出機構を備えたトルクレンチにおいて、
    　前記カム部は、非操作状態で前記ローラ部材が静止状態で係合する静止係合カム面と、前記静止係合カム面に連接し、前記ローラ部材が移動しながら当接することによりトルクピーク値を漸増させるトルクピーク漸増カム面と、前記トルクピーク値漸増カム面に連接するカムトップ部をなすカムトップ面と、前記ローラ部材に対してプラストルクをゼロまで漸減するトルク漸減カム面と、前記トルク漸減カム面を経た前記ローラ部材に対してマイナストルクを付与するマイナストルクカム面と、を有することを特徴とするトルクレンチ。
  4. 　前記トルクピーク漸増カム面は直線状の軌跡により構成されていることを特徴とする請求項１または３に記載のトルクレンチ。
  5. 　前記トルク漸減カム面は直線状の軌跡により構成されていることを特徴とする請求項２または３に記載のトルクレンチ。
  6. 　前記カム筒の外周面に複数の前記カム部を設けたことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のトルクレンチ。
  7. 　円筒状のハンドルと、前記ハンドルの先端部に固定されたヘッドとを有し、前記駆動軸とカム筒とを前記ヘッド内に配置し、前記ハンドル内に配置した前記弾性部材により前記ヘッド内に臨む前記ローラ部材を前記カム部に当接させたことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のトルクレンチ。
     
     
     
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