WO2019082889A1 - 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

手動工具、これに用いられるビットおよびトルクセンサ

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WO2019082889A1
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torque
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manual
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将彦 落石
篠原　努
笹田　一郎
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株式会社フジキン
笹田磁気計測研究所株式会社
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    • B25B15/008—Allen-type keys
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/24—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for determining value of torque or twisting moment for tightening a nut or other member which is similarly stressed

Definitions

  • the present invention relates to a manual tool with a torque sensor, a bit used for the same, and a torque sensor.
  • a fluid control device for example, a patent
  • various fluid devices such as on-off valves, regulators, mass flow controllers are integrated Reference 1
  • a large number of bolts such as hexagonal socket bolts need to be tightened, high assembly quality is required.
  • the torque management in the tightening operation is essential for maintaining and controlling the assembly quality, and a number of tools capable of precise torque management have been proposed for motorized and fluid-driven automatic tools (see, for example, Patent Document 2) ).
  • Patent Document 2 a number of tools capable of precise torque management have been proposed for motorized and fluid-driven automatic tools.
  • Patent Document 2 a number of tools capable of precise torque management have been proposed for motorized and fluid-driven automatic tools.
  • Patent Document 2 there has been no manual tool suitable for manual bolt tightening operation using a driver or a wrench, etc., capable of precise torque management, and excellent in operability and operability.
  • a manual tool comprises a grip provided with a bit holding portion for holding a bit detachably.
  • a magnetostrictive sensor detachably mounted on the grip comprising a detection unit for receiving the bit held by the bit holding unit and surrounding the outer periphery of the bit, and capable of detecting a torque acting on the bit without contact.
  • Torque sensor It is characterized by having.
  • the torque sensor may be configured to be attachable to the grip in a state where the bit is attached to a bit holding portion of the grip.
  • the bit has a distal end engageable with a fastening member, a proximal end attached to the bit holder, and a shaft extending between the distal end and the proximal end.
  • the sensor unit of the torque sensor may adopt a configuration in which the torque acting on the bit is detected without contact, with a part of the shaft of the bit serving as a detection target.
  • the manual tool according to claim 1 or 2 characterized in that: More preferably, the bit may adopt a configuration in which the cross section of the detected portion of the shaft portion is formed in a polygonal shape. More preferably, the detected portion may be configured to have a cross-sectional area larger than the cross-sectional area of the shaft portion excluding the detected portion. In this case, a diameter of a circle inscribed in a cross section of the detected portion may be 10 mm or less.
  • the present invention can be directed to a manual tool whose maximum tightening torque capable of tightening the fastening member is 10 N ⁇ m or less.
  • the bit of the present invention is a bit used for a manual tool of the above configuration, A tip portion which is partially formed of a magnetostrictive material and is engageable with a fastening member, a base end portion mounted on the bit holding portion, and a shaft portion extending between the tip portion and the base end portion It is characterized by having.
  • the torque sensor according to the present invention is a torque sensor used for a manual tool with the above configuration, and a detection unit in which the bit is formed so as to be penetrated; And a mounting portion detachably mounted on the grip.
  • FIG. 8B is a front view of the fluid control device and manual tool of FIG. 8A.
  • FIGS. 1 to 5 show the structure of a driver 1 as a manual tool according to a first embodiment.
  • the driver 1 has a grip 10, a bit 20, and a torque sensor 30.
  • the driver 1 is used for fastening a hexagonal socketed bolt (fastening member), and the maximum fastening torque is used in a range of 10 N ⁇ m or less, but is not limited thereto.
  • the fastening member may be, but is not limited to, a hex socket head bolt, a hex head bolt, and a cross-holed screw.
  • the grip 10 is a cylindrical member made of a material such as resin, and is formed at the tip end portion of the main body portion 11 having a plurality of grooves for anti-slip formed on the outer peripheral surface.
  • a cylindrical bit holding portion 12 and a sensor mounting portion 13 formed between the main body portion 11 and the bit holding portion 12 and to which the torque sensor 30 is detachably mounted are provided.
  • the bit holding portion 12 is formed with a holding hole 12a formed of a blind hole having a regular hexagonal cross section, and the bit 20 is inserted and held therein.
  • the bit 20 is, as shown in FIG. 3, a base end 22 having a regular hexagonal cross section inserted into and held by the bit holding portion 12 of the grip 10, and a tip 21 opposite to the base 22. , And an axial portion 23 extending between the proximal end 22 and the distal end 21.
  • the hexagonal cross sections of the tip portion 21 and the shaft portion 23 are formed to have the same dimensions.
  • the cross-sectional areas of the distal end portion 21 and the shaft portion 23 are smaller than those of the proximal end portion 22.
  • the tip 21 engages with the hexagonal hole of the hexagonal socket bolt.
  • a part near the proximal end 22 of the shaft portion 23 is a detected portion 24 detected by the torque sensor 30.
  • the bit 20 is formed of an alloy steel such as carbon steel, nickel chromium molybdenum steel, chromium vanadium steel or the like.
  • a magnetostrictive material is formed in the detection portion 24, and plating of, for example, Ni (40%)-Fe (60%) is performed to enhance detection sensitivity.
  • the diameter of the circle inscribed in the cross section of the proximal end 22 is 10 mm or less
  • the diameter of the circle inscribed in the cross section of the shaft 23 is about 4 mm
  • the overall length is about 200 mm. It is not necessarily limited to this, and it is suitably selected in consideration of workability and operability.
  • the shaft portion 23 and the detection portion 24 may be integrally formed, or the bit 20 may be divided.
  • the torque sensor 30 has a case portion 31, a mounting portion 32, a detection portion 33, and a circuit accommodating portion 35.
  • a through hole 33a is formed in the central portion of the detection unit 33, and the bit 20 passes through the through hole 33a.
  • a cylindrical coil holding portion 33b is formed in the detection portion 33 so as to define a part of the through hole 33a, and an excitation / detection coil 36 is provided on the outer peripheral surface.
  • the outer periphery of the detection portion 24 of the bit 20 penetrating the detection portion 33 is surrounded by the coil 36.
  • the case portion 31, the mounting portion 32 and the detection portion 33 are integrally formed of a resin material, and a cavity 39 is formed inside the case portion 31.
  • the cavity 39 is capable of receiving the bit holding portion 12 of the grip 10 through the mounting portion 32.
  • the sensor mounting portion 13 of the grip 10 is fitted on the inner periphery of the mounting portion 32 formed in a cylindrical shape, and is fixed to the sensor mounting portion 13 by a screw member (not shown).
  • the circuit accommodation unit 35 accommodates hardware composed of a microprocessor, a memory, a battery, an external input / output circuit, a communication circuit, various circuits for torque detection, etc., and is operated by required software stored in the memory. .
  • the driver 1 can attach the torque sensor 30 later, with the bit 20 attached to the grip 10, as shown in FIG.
  • the grip 10 and the bit 20 are general-purpose tools conventionally used
  • the torque acting on the bit 20 without impairing the workability and operability of the tool by retrofitting the torque sensor 30. Detection is possible.
  • the torque sensor 30 can be attached is illustrated, a configuration in which the torque sensor 30 is attached to the grip 10 in advance and then the bit 20 is attached to the grip 10 may be adopted.
  • FIG. 6 is a functional block diagram showing an example of an electric system of the torque sensor 30.
  • the electric system of the torque sensor 30 includes an oscillation circuit 110, a buffer amplifier 120, a phase adjustment circuit 130, a VI converter 140, an inverter 160, a synchronous detection circuit 170, and an inverting amplifier 180.
  • the oscillation circuit 110 generates a reference frequency signal (100 kHz) for exciting the exciting coil 36a.
  • a signal is output as a sine wave from the oscillation circuit 110 to the excitation side circuit, but is output to the phase adjustment circuit 130 via the buffer amplifier 120 in order to operate the oscillation circuit 110 stably.
  • the phase adjustment circuit 130 adjusts the phase of the waveform and outputs it to the VI converter 140.
  • the VI converter 140 converts an input voltage into a current and outputs the current to the exciting coil 36. (Detection side)
  • the detection coil 36 b outputs the induced voltage generated by the inverse magnetostrictive effect to the synchronous detection circuit 170.
  • a rectangular wave is output from the oscillation circuit 110 to the detection side as a reference signal. The frequency of this rectangular wave is the same as the sine wave output to the excitation side.
  • the output rectangular wave is branched into two, one of which is output as it is to the synchronous detection circuit 170, and the other is inverted in phase by the inverter 160 and output to the synchronous detection circuit 170.
  • the synchronous detection circuit 170 synchronously detects the induced voltage from the detection coil 36 b with reference to the reference signal, and outputs the same to the inverting amplifier 180.
  • the inverting amplifier 180 averages the output from the synchronous detection circuit 170, performs offset adjustment and gain adjustment, and outputs it as a torque signal SG.
  • the torque signal SG is stored in a memory (not shown) or is transmitted to the outside as a wireless signal through a communication circuit.
  • the phase adjustment circuit 130 is disposed downstream of the buffer amplifier 120 and upstream of the V-I converter 140 in this embodiment, it may be disposed between the detection coil 36 b and the synchronous detection circuit 170.
  • the change in torque acting on the detected portion of the bit 20 is detected by the coil 36 as the change in permeability of the magnetostrictive material forming the bit 20.
  • FIG. 7 A modified example of the grip 10 is shown in FIG.
  • the driver 1 ⁇ / b> A shown in FIG. 7 includes an auxiliary bar 50 provided orthogonal to the grip 10. By providing the auxiliary bar 50 on the grip 10, a larger tightening torque can be manually generated.
  • the fluid control apparatus 200 shown in FIGS. 8A and 8B is used to supply various gases to a reactor such as a semiconductor manufacturing apparatus, and on the base sheet metal BS, automatic valves or the like arranged along the longitudinal direction are provided.
  • Fluid control assemblies composed of various fluid devices 210, 220, 230, 240, 280, and 250 comprising mass flow controllers are arranged in parallel (a plurality of rows).
  • a plurality of joint blocks 260 and 270 provided on the base sheet metal BS have flow paths connecting various fluid devices.
  • the body of the fluid device and the joint blocks 260 and 270 are connected by a hexagonal socket bolt BT.
  • the driver 1A is used for a tightening operation of the hexagon socket head cap bolt BT.
  • various fluid devices when you tighten the hexagonal socket bolt BT, while tilting the driver 1A against the hexagonal socket bolt BT so that the hydraulic device and the bit of the driver 1A do not interfere with each other. There is. It is not easy to carry out such an operation on a large number of hexagonal socket bolts BT with an accurate tightening torque.
  • no feeder is connected to the driver 1A, and the minimized torque sensor 30 is retrofitted to the base portion of the bit. Workability and operability in the In addition, since the tightening torque can be detected in real time during the tightening operation, the assembling operation of the device can be performed with the accurate tightening torque.
  • FIGS. 9A-9G illustrate another embodiment of a bit.
  • the tip end portion 21A is formed in a regular hexagonal shape in cross section, and the diameter of the inscribed circle is 3 mm.
  • the shaft portion 23A is a round bar having a diameter of 4 mm.
  • the cross-sectional shapes of the detection portions 24A to 24G located at the root portion of the shaft portion 23A are different from those of the shaft portion 23A. The important point is that (1) the cross sectional area of the detection parts 24A to 24G is larger than the cross sectional area of the shaft part 23A, and (2) the cross sectional shape of the detection parts 24B to 24G of the bits 20B to 20G.
  • the to-be-detected part 24A of FIG. 9A is a round shape larger diameter (10 mm) than the axial part 23A.
  • the to-be-detected part 24B of FIG. 9B is a regular hexagon type (inscribed circle is 10 mm).
  • the to-be-detected part 24C of FIG. 9C is a square (square) type.
  • the to-be-detected part 24D of FIG. 9D is an equilateral triangle type.
  • the to-be-detected part 24E of FIG. 9E is a two-sided split type
  • the to-be-detected part 24F of FIG. 9F is a two-sided split type
  • mold (outside diameter is 8 mm). Hexagon type, The to-be-detected part 24G of FIG. 9G is star-shaped.
  • ⁇ 16T / ( ⁇ D 3 )
  • ⁇ the stress (strain) on the surface of the axis (detected portion)
  • T the torque acting on the axis (detected portion)
  • D the diameter of the axis (detected portion). That is, when the same torque is applied to bits having different diameters of the shaft (detected portion), the stress (strain) on the surface of the shaft (detected portion) is smaller for the bit having a smaller diameter of the shaft (detected portion) It becomes extremely large.
  • the stress (distortion) on the surface of the shaft (detected portion) changes the permeability of the surface of the shaft (detected portion).
  • Changes in permeability occur due to changes in the orientation of the micro magnets configured in atomic size according to external forces, but they do not change any more if the orientations of the micro magnets are aligned (saturation state ).
  • the change in permeability be linear in the range of the applied torque.
  • the stress (distortion) at which the direction of the minute magnets on the surface layer of the shaft (detected portion) is uniform is constant, so when applying the same torque, the smaller the diameter of the shaft (detected portion), the more Before reaching the desired torque, the change in permeability is eliminated (saturated).
  • the voltage change according to the torque of the magnetostrictive torque sensor is immediately saturated.
  • a torque sensor can be used before the torque reaches 3 N ⁇ m. Output (voltage) becomes constant.
  • the cross-sectional areas of the detection portions 24A to 24G are made larger than that of the shaft portion 23A.
  • the stress (distortion) on the shaft surface decreases as the diameter of the shaft (detected portion) increases. Therefore, even in the state where the application of the torque is completed, it is possible to set the direction in which the minute magnets of the surface layer of the shaft (detected portion) are not aligned. In such a state, the change in permeability is linear in the range of applied torque.
  • FIG. 10 shows simulation results of distortion generated when torque is applied to the bit.
  • FIG. 10 is a diagram showing distortion generated in a hexagonal bit.
  • FIG. 11 shows distortion generated in a round bit.
  • the cross-sectional area of the round bit in FIG. 11 is the same as the cross-sectional area of the hexagonal bit in FIG.
  • the conditions of the simulation are as follows.
  • the amount of strain gradually increases from the edge portion to the central portion of the flat portion, and a stress distribution is formed in the flat portion.
  • FIG. 11 it can be seen that the stress is formed uniformly on the surface of the round bit, and the amount of strain is larger than the edge portion of the hexagonal bit.
  • FIG. 12 shows an example of the relationship between the torque and the detected voltage of the torque sensor according to the present embodiment.
  • the to-be-detected part of a bit is a hexagon whose space
  • FIG. 13 shows a case in which a solenoid coil is disposed to surround a Permalloy magnetostrictive film plated with a 65% Ni 35% Fe composition.
  • the solenoid coil is, for example, a copper wire with a diameter of 0.2 to 0.3 mm, and has 140 turns.
  • the current i is supplied from the AC excitation power supply via the resistor R.
  • the inductance of the coil is L
  • a voltage i ⁇ (R + j ⁇ L) proportional to the coil impedance is generated at both ends of the coil.
  • ⁇ is an angular frequency of the AC excitation current
  • j is an imaginary unit.
  • the influence of the magnetic anisotropy Ku on the magnetization J of the magnetostrictive film tries to keep the direction of J in the direction of Ku.
  • the excitation magnetic field H tries to attract the magnetization J in that direction.
  • the time change of J cos ⁇ multiplied by the cross section of the magnetostrictive film and the number of turns of the coil is the induced voltage of the coil. (H changes in magnitude at that frequency because H is an alternating magnetic field)
  • the swing width of ⁇ in FIG. 14 decreases as Ku increases, while the swing width increases as Ku decreases. That is, when the torque T increases, the swing of ⁇ decreases and the induction voltage of the coil decreases, and when the torque T decreases, the opposite occurs.
  • the output voltage v obtained by amplifying the induced voltage as necessary and performing synchronous detection monotonously decreases with respect to the torque T as shown in FIG. From this, the torque T can be detected from the change of the voltage v. At this time, if the outer diameter D of the shaft is large, this curve becomes more linear, and a torque sensor with a large dynamic range can be obtained.
  • the second coil can be applied in the same manner as the first coil, and the output voltage can be obtained from the second coil. In this way, it is possible to eliminate a voltage drop unrelated to the torque generated in the resistance of the first coil, and more accurate detection becomes possible. Further, by adjusting the number of turns of the first coil, it is possible to adjust the necessary excitation current i, which facilitates the design to reduce the power loss.
  • FIG. 16 shows another embodiment of the bit. Parts in FIG. 16 identical to those in FIG. 5 are assigned the same reference numerals and descriptions thereof will be omitted.
  • the bit 40 is configured by combining the extension bar 41 and the replacement bit 42.
  • the extension bar 41 has a second bit holding portion 43 on the tip side, and the second bit holding portion 43 holds the replacement bit 42 in an exchangeable manner. Similar to the bit holding portion 12, the second bit holding portion 43 also has a socket structure having a regular hexagonal cross section.
  • a part of the shaft portion 23 of the extension bar 41 is a detected portion 24 for which torque detection is performed by the torque sensor 30.
  • the torque value detected by the torque sensor 30 is affected by the surface treatment state such as the type and thickness of plating, if the structure of the detection portion 24 changes due to bit replacement etc., the torque value is recalibrated Is desirable.
  • the dividable structure of the extension bar 41 and the replacement bit 42 only the replacement bit 42 can be replaced without affecting the detected part 24, and the bit replacement can be performed in a short time.
  • the bit used as the replacement bit 42 does not have restrictions on the material or surface treatment, a general-purpose bit can be used, which reduces the replacement cost of the bit, and to a special screw that requires a tip shape other than hexagonal. It will lead to easier handling.

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Abstract

【課題】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。 【解決手段】ビットを着脱自在に保持するビット保持部１２を備えるグリップ１０と、ビット保持部１２に保持されたビット２０を受け入れて当該ビット２０の外周を包囲する検出部３３を備え、ビット２０に作用するトルクを非接触で検出可能な、グリップ１０に着脱自在に設けられた磁歪式のトルクセンサ３０とを有する。トルクセンサ３０は、ビット２０がグリップ１０のビット保持部１２に装着された状態でグリップ１０に装着可能に形成されている構成とすることができる。

Description

手動工具、これに用いられるビットおよびトルクセンサ
　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。
特開2016-050635号公報 特開2012-86284号公報
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
本発明の一実施形態に係る手動工具の外観斜視図。 グリップの斜視図。 ビットの斜視図。 トルクセンサの斜視図。 図１の手動工具の一部に断面を含む正面図。 トルクセンサの電気系の構成例を示す機能ブロック図。 グリップの変形例を示す図。 本発明の一実施形態に係る手動工具の使用例を示す斜視図。 図８Ａの流体制御装置および手動工具の正面図。 ビットの他の例（丸型）を示す図。 ビットの他の例（六角型）を示す図。 ビットの他の例（四角型）を示す図。 ビットの他の例（三角型）を示す図。 ビットの他の例（二面割型）を示す図。 ビットの他の例（二面割型）を示す図。 ビットの他の例（星形型）を示す図。 六角型のビットにトルクを印可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。 丸型の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。 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グラフ。 トルクセンサの動作原理の説明図。 磁歪膜の磁化に及ぼす磁気異方性の影響を説明する図。 電圧とトルクの関係図。 他の実施形態に係る手動工具の一部に断面を含む正面図。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
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
　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。
　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。
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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　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、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 で与えられる。
（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。
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。
　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。
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
 

Claims (11)

  1. 　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、
    を有する手動工具。
  2. 　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、請求項１に記載の手動工具。
  3. 　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又は２に記載の手動工具。
  4. 　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３に記載の手動工具。
  5. 　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３又は４に記載の手動工具。
  6. 　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３ないし５のいずれかに記載の手動工具。
  7. 　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３ないし６のいずれかに記載の手動工具。
  8. 　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、請求項１ないし6のいずれかに記載の手動工具。
  9. 　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7のいずれかに記載の手動工具。
  10. 　請求項１ないし８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。
  11. 　請求項１ないし８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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