(57)【要約】【課題】締付け力が均一でかつ高精度であるボルト等のねじ類の締付け方法、およびそれに用いる締付け装置を提供すること。【解決手段】ねじの締付における摩擦力の影響を減少させるために、振動による摩擦力低減効果を利用すること、振動の効果を高めるために振動の共振を利用すること、断面を十字型として縦方向および横方向の寸法を目標周波数の波長の半波長の整数倍とし、且つ、縦方向の振動体と横方向の振動体を振動の節１３で交差させて振動方向の変換及び合成を行うこと、ボルトまたはナットを共振による振動振幅が極大になる位置１２に置いて加振することによって、振動による摩擦低減効果を高めて締付を行う。ボルトまたはナットに加える振動は、ねじ軸方向の振動を利用する形態を基本とするが、振動子の軸線に食い違いを与えることによって、それにねじ軸まわりのねじれ振動を加える形態もある。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
締結用ねじ部材若しくは被締結部材に縦振動を与えながら、ねじ構造の締付けを行うねじ類の締付け方法であって、
第１の軸線に沿って延在する第１の分岐部と、前記第１の軸線とは異なる第２の軸線の方向に延在する第２の分岐部と、前記第１の分岐部と前記第２の分岐部が交差する交差部とを有する分岐形状の振動体を用いて、前記第１の分岐部の先端から前記第１の軸線の方向に縦振動を入力し、当該縦振動を、前記交差部を介した直交変換によって前記第２の軸線の方向の縦振動に変換して、前記第２の分岐部に伝搬させるとともに、前記第２の分岐部の先端を前記締結用ねじ部材若しくは前記被締結部材に接続して前記第２の軸線の方向の前記縦振動を与えながら、前記締結用ねじ部材を回転駆動することにより、前記ねじ構造の締付けを行うことを特徴とするねじ類の締付け方法。
【請求項２】
前記第１の軸線と前記第２の軸線がねじれの位置関係にあることを特徴とする請求項１に記載のねじ類の締付け方法。
【請求項３】
前記振動体の前記第１の軸線に沿った長さ及び前記第２の軸線に沿った長さがいずれも実質的に前記縦振動の１／２波長若しくはその整数倍であり、
前記第１の分岐部の前記第１の軸線に沿った長さ及び前記第２の分岐部の前記第２の軸線に沿った長さがいずれも実質的に前記縦振動の１／４波長若しくはその奇数倍に相当する長さであることを特徴とする請求項１に記載のねじ類の締付け方法。
【請求項４】
前記振動体には複数の前記第１の分岐部が設けられるとともに、前記複数の第１の分岐部の先端からそれぞれ前記縦振動が入力されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のねじ類の締付け方法。
【請求項５】
締結用ねじ部材若しくは被締結部材に縦振動を与えながら、ねじ構造の締付けを行うねじ類の締付け装置であって、
縦振動を発生する振動子と、
前記振動子が接続される先端を備えるとともに第１の軸線に沿って延在する第１の分岐部と、前記締結用ねじ部材若しくは前記被締結部材に接続される先端を備えるとともに前記ねじ構造の軸線に沿って配置される第２の軸線に沿って延在する第２の分岐部と、前記第１の分岐部と前記第２の分岐部が交差してなる交差部とを有する振動体と、
前記締結用ねじ部材を前記ねじ構造の軸線の周りに回転駆動するための駆動力を与える回転駆動部と、
前記締結用ねじ部材に対して前記ねじ構造の軸線の周りの回転方向に係合して前記駆動力を伝達する回転係合部と、
を具備することを特徴とするねじ類の締付け装置。
【請求項６】
前記第１の軸線と前記第２の軸線がねじれの位置関係にあることを特徴とする請求項５に記載のねじ類の締付け装置。
【請求項７】
前記回転係合部は、前記第２の分岐部の前記先端に設けられるか、或いは、前記第２の分岐部の前記先端に接続され、前記振動体を前記第２の軸線が前記締結用ねじ部材のねじ構造の軸線に合致した姿勢としたときに前記締結用ねじ部材に係合可能に構成され、前記回転駆動部は、前記振動体における前記第２の分岐部の先端とは反対側の前記第２の軸線上の部分に設けられるか、或いは、当該部分に接続されることを特徴とする請求項５又は６に記載のねじ類の締付け装置。
【請求項８】
前記振動体には複数の前記第１の分岐部が設けられるとともに、前記複数の第１の分岐部の先端にそれぞれ前記振動体が接続されることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか一項に記載のねじ類の締付け装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ねじ類を締付ける方法、そのための締付け装置に関する。特に、ねじ構造を精度よく締め付けることのできる方法、およびそれに用いられる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来からボルト等のねじは、機械装置、電気装置、化学装置、建物、橋梁等の組み立て等、広い範囲にわたって使用されている。
【０００３】
ねじの締付力は、通常はJIS B 1083の「ねじの締付け通則」に規定されている「トルク法」、すなわち締付けトルクで管理するのが一般的である。しかしながら、締付けトルクを一定にしても締付け力のばらつきが大きくなり、締付力管理の信頼性が十分とは言えなかった。その理由は、ねじと被締結物の表面粗さのばらつきのために、表面の付着物や酸化等の変質のために、あるいは、締付時に摺動面の接触圧力が不均一となり、摺動面の局所的に接触圧力の高い部分において摺動面が互いに食い込みを生じたり癒着を生じたりして、ねじ頭と座面間の摩擦係数および雄ねじと雌ねじ間の摩擦係数が一本一本異なる値となることによる。
【０００４】
ねじの締付け力が適切でないと、ねじに緩みを生じたり、あるいは金属疲労によってねじが折れたりねじ山が潰れたりすることがある。運輸分野や構造物においては、ねじの破損は人命にかかわる重要な問題である。従って、高精度な締付けが実現すれば、機械や構造物の安全性が向上する。また、高精度の締付力が実現すれば、設計において安全係数を低くすることが可能になり、軽量化や生産費用削減が実現できる。そこで、ねじに振動を与えつつ締め付けを行うことによって締め付け力を均一にし、高精度に締め付けを行うねじ類の締め付け方法が提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
摩擦力の影響を減少させる手段として、振動による摩擦力低減効果（非特許文献１）が知られている。また、振動による各種効果を高める手段として、振動の共振を利用する方法（非特許文献１）、及び振動を伝える振動体の断面積を変化させる方法（非特許文献１）が知られている。
【０００６】
振動において大きな振幅を得る方法として、振動の共振を利用する方法（非特許文献２）と、振動を伝える振動体において振動の入力端の断面積よりも出力端の断面積を小さくすることによって振動の振幅が拡大する効果を利用する方法（非特許文献２）が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−３３０３４２号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】日本塑性加工学会「超音波応用加工」森北出版，Ｐ．４１〜４３，2004年5月20日発行
【非特許文献２】電子情報技術産業協会「超音波工学」コロナ社，Ｐ．７２〜７７，1993年1月30日発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記特許文献１に記載の方法では、装置の駆動軸１０とレンチ回転軸１２との間に振動子８を介在させたり（図１参照）、駆動軸５８に対して伝動歯車５２，５４を介して回転駆動されるレンチ回転軸の端部に振動子５０を取り付けたり（図２参照）、振動子１１８を取り付けた外側の振動ハウジング１１６，１３０から被締結部材１２４に振動を与えたり（図３参照）することにより、ねじ構造に対して振動を与えている。
【００１０】
しかしながら、特許文献１の図１及び図２に示される装置では、レンチ回転軸に対して同軸に振動子を配置して振動を与えているため、締め付け構造に対する制約が大きく、また、締め付け力が振動子に与える影響も無視できないという問題点がある。
【００１１】
本発明は、締付け力が均一でかつ高精度な締め付け状態を得ることができるボルト等のねじ類の締付け方法、およびそれに用いるねじ類の締付け装置を提供することを目的としている。特に、締付け軸線の外側から充分な振動をねじ構造に与えることができる構造により、装置の構造上の制約を低減することのできる方法及び装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、ねじの締め付けにおける摩擦力の影響を減少させるために、振動による摩擦力低減効果を利用すること、分岐形状（例えば、十字型）の振動体と、この振動体による振動方向の直交変換を利用すること、好ましくは振動の効果を高めるために振動の共振を利用すること、を特徴とする。ここで、振動子等で発生された縦振動を入力する先端を備えるとともに第１の軸線に沿って延在する第１の分岐部と、締結用ねじ部材若しくは被締結部材に接続される先端を備えるとともに第２の軸線に沿って延在する第２の分岐部と、第１の分岐部と第２の分岐部が交差する交差部とを有する分岐形状（例えば、十字型の形状）の振動体を用いる。第１の分岐部に入力された第１の軸線の方向の縦振動は直交変換により第２の軸線の方向の縦振動に変換されて第２の分岐部を伝搬し、締結用ねじ部材若しくは被締結部材に与えられる。ここで、第２の分岐部の先端は、第２の軸線がねじ構造の軸線に沿って配置される姿勢で、締結用ねじ部材若しくは被締結部材に接続されることが好ましい。また、典型的には、第１の軸線が第２の軸線と直交するように振動体が構成されることが好ましい。さらに、締結用ねじ部材を締付ける際に第２の軸線をねじ構造の軸線と一致させることが好ましい。特に、振動体に複数の第１の分岐部を設け、これらに相互に同位相の縦振動を入力することで、複数の振動子の縦振動を合成して締結用ねじ部材若しくは被締結部材を強力に加振することが可能になる。
【００１３】
この場合に、振動体においては、第１の軸線の方向（例えば、横方向）に延在する第１の分岐部の寸法および第２の軸線の方向（例えば、縦方向）に延在する第２の分岐部の寸法が、いずれも実質的にそれぞれ縦振動の１／４波長若しくはその奇数倍の長さに設定され、また、振動体の第１の軸線に沿った長さと第２の軸線に沿った長さが、いずれも実質的に縦振動の１／２波長若しくはその整数倍の長さに設定されることが好ましい。これによって、振動子から入力される縦振動は、振動体を第１の軸線の方向に共振させることができ、また、交差部を介した直交変換により、第２の方向にも振動体を共振させることができるため、効率的にねじ構造を加振することができる。すなわち、振動子が発生した振動は、第１の軸線の方向に振動体を共振させ、それが振動体の交差部でポアソン比の効果によって、第２の分岐部における第２の軸線の方向の縦振動に変換される。そして、この変換された縦振動は、振動体の第２の分岐部を第２の軸線の方向にも共振させる。振動方向の変換はポアソン比の効果によるものであるので、第１の軸線の方向の振動と、第２の軸線の方向の振動は、振動周期の半周期の位相差を伴う。そして、締結用ねじ部材（例えば、ボルトまたはナット）若しくは被締結部材を、共振による第２の軸線の方向の振動振幅が極大となる位置に置いて加振することによって、縦振動による摩擦低減効果を高めて締付けを行うことができる。
【００１４】
振動子は１つ以上を取り付ける。単一の振動子の場合には振動子から発生する第１の方向の縦振動が交差部（例えば、直交部）において直交変換されるだけであるが、複数の振動子を取り付けた場合は、相互に同位相となるように駆動することによって、交差部においてそれらの第１の軸線と交差する方向（例えば、直角方向）の振動が合成されて、第２の軸線の方向の強力な振動へと変換される。振動体における交差部を介した直交変換を実現するには、振動子の交差部において縦振動の節が形成されるように構成する。ここで、振動子において、第１の軸線に沿った共振を実現するには、振動体の第１の軸線に沿った長さを１／２波長若しくはその整数倍に設定する。この場合に、第１の軸線に沿って交差部の両側にそれぞれ延在する一対の第１の分岐部を設け、各第１の分岐部の長さをそれぞれ縦振動の１／４波長若しくはその奇数倍に設定することが好ましい。この場合には、両側一対の第１の分岐部の長さの合計が１／２波長若しくはその整数倍に設定され、当該長さにわたって定在波が形成される。また、第２の軸線に沿った共振を実現するには、振動体の第２の軸線に沿った長さを１／２波長若しくはその整数倍に設定する。この場合に、第２の軸線に沿って交差部の両側にそれぞれ延在する一対の第２の分岐部を設け、各第２の分岐部の長さをそれぞれ縦振動の１／４波長若しくはその奇数倍に設定することが好ましい。これによって、振動体の第２の軸線に沿った長さ、すなわち、両側一対の第２の分岐部の長さの合計が１／２波長若しくはその整数倍に設定され、当該長さにわたって定在波が形成される。
【００１５】
振動子の振動入力軸線である第１の軸線を、振動出力軸線である第２の軸線と食い違うようにずらすことにより、締結用ねじ部材又は被締結部材に、第２の軸線の方向の縦振動に加えて、第２の軸線の周りのねじり振動を与えることができる。このとき、第１の軸線と第２の軸線は、数学用語で言えば、ねじれの位置の関係にある。この場合に、第２の軸線に沿ってねじ構造に振動を与える場合には、当該振動には、ねじ構造の軸線方向の成分と、ねじ構造の軸線周りのねじり方向の成分とが含まれる。両成分の比率は、第１の軸線に対する第２の軸線（ねじ構造の軸線）の周りのずれ量によって変わる。複数の振動子を用いる場合には、複数の振動子を同位相で動作させるとともに、それぞれの第１の軸線を第２の軸線の周りの同じ向きにずらすことにより、第２の軸線の周りのねじり振動の成分を増大させることができる。
【００１６】
振動のねじ構造への伝達態様としては、振動体を含む締付け装置の振動出力軸線である第２の軸線上に設けられた回転係合部（例えば、レンチ状係合部）から、同じ第２の軸線上に配置されるねじ構造を有する締結用ねじ部材を経てねじ摺動部分に伝えられるようにしてもよく、あるいは、振動体から被締結部材（例えば、板その他の構造物）を経てねじ摺動部分に伝えられるようにしてもよい。特に、ねじ類の締付け方法としては、上記振動体を用いて、締結用ねじ部材若しくは被締結部材に縦振動を与えながら、上記振動体とは別の器具を用いて締結用ねじ部材を回転駆動して締付けるようにしてもよい。
【００１７】
また、本発明の締付け装置は、以下の構成を具備する。
（１）振動を付与する手段としての振動子と、これに接続された振動体。この振動体は、第１の軸線に沿って延在する第１の分岐部と、この第１の軸線と異なる第２の軸線に沿って延在する第２の分岐部と、第１の分岐部と第２の分岐部が交差する交差部と、を有する。第１の分岐部の先端には振動子が接続され、第２の分岐部の先端には締結用ねじ部材若しくは被締結部材が接続される。また、第１の軸線の方向の縦振動は第１の分岐部から交差部を介して第２の軸線の方向の縦振動に直交変換され、第２の分岐部を伝搬する。
（２）締結用ねじ部材をそのねじ構造の軸線の周りに回転駆動するための回転駆動部。この回転駆動部は、例えば、ねじ構造の軸線の周りに回転力を与えるためのハンドル、モータ等の回転駆動源などで構成できる。
（３）締結用ねじ部材に対してそのねじ構造の軸線の周りの回転方向に係合する回転係合部。この回転係合部は、例えば、レンチ状係合部、スパナ状係合部、ドライバ状係合部などで構成できる。特に、回転駆動部と回転係合部を上記振動体に設けるか、或いは、接続することによって、回転駆動部によって与えられる駆動力を振動体と回転係合部を介して締結用ねじ部材に与えることができ、締付け装置を簡易に構成できる。さらに、回転駆動部と回転係合部を振動体の第２の軸線に沿った両端部に設けることにより、第２の分岐部の先端で締結用ねじ部材に縦振動を与えつつ回転駆動により締付けを行うことができる。回転係合部は上記振動体の第２の分岐部の先端において締結用ねじ部材に対する振動伝達部分として兼用できるように設けられることが好ましいが、第２の分岐部の先端において振動伝達部分とは別に設けられてもよい。上記第２の軸線に沿って伝搬する縦振動は、締結用ねじ部材に係合する回転係合部とは別に上記第２の分岐部に設けられた箇所から被締結部材に与えることもできる。
【発明の効果】
【００１８】
この発明によれば、振動子の振動入力軸線である第１の軸線と、ねじ構造へ向かう振動出力軸線である第２の軸線とを異なる方向に設定し、第１の軸線に沿った縦振動を第２の軸線に沿った振動に直交変換させることによって、第２の軸線から外れた位置及び方向に振動子を配置することができるため、振動子の位置や方位に関する構造上の制約を低減することができる。
【００１９】
特に、振動体の共振若しくは振動体で複数の振動子の振動を合成することによって、縦振動の摩擦低減効果をより高めて、ねじ構造の締付けに利用することができる。それによって、ねじ構造の締付けに対する摩擦の影響を大幅に低減することができる。ねじ構造の締付けに対する摩擦の影響を大幅に低減することによって、締結されたねじ構造における摩擦係数のばらつきの影響を大幅に低減することができる。締結されたねじ構造の摩擦係数のばらつきの影響を大幅に低減することによって、摩擦係数のばらつきの影響で軸力のばらつきが生じやすいトルク法締付における軸力のばらつきを大幅に低減することができる。
【００２０】
そして、上述のようにねじの軸力のばらつきを大幅に低減することによって、ねじ構造の軸線（ボルト軸）の方向の軸力の不均一による被締結物のゆがみを防ぐことができる。また、上記軸力を高い値に均一化することが可能になり、ねじの緩みを防いで信頼性を増すことができる。また、より少ない数のボルトで締付けを行うことが可能になり、軽量化や生産費用削減が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】この発明に係わるねじ構造の締め付け装置の一実施形態である、２個の振動子の振動を合成してボルト軸の方向に振動を加えながら締め付けを行う装置の外観図である。
【図２】図１に示した装置の断面図である。
【図３】図１に示した装置の詳細な構成図である。
【図４】この発明に係わる振動体の一実施形態である、４つの振動子の振動を合成する振動体の外観図である。
【図５】この発明に係わる振動体の一実施形態である、３つの振動子の振動を合成する６角形の振動体の外観図である。
【図６】図１〜４に示した振動体が共振状態になったときの振動の振幅分布を示す説明図である。
【図７】両側の分岐部が異なる長さを有する振動体の例を示す説明図である。
【図８】この発明に係わるねじの操作装置の一実施形態である、振動子の軸線に食い違いがある振動体によってボルト軸の方向の振動とねじり振動を加えながら締め付けを行う装置の外観図である。
【図９】図８に示した装置の水平面の断面図である。
【図１０】図８に示した装置の垂直面の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
次に、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。図１〜３は、この発明の一実施形態である、２個の振動子の縦振動を合成してボルト軸の方向に振動を加えながら締め付けを行う装置の構成図である。なお、後述するように、縦振動は超音波振動であることが好ましい。
【００２３】
振動子１は、後述するボルト締めランジュバン振動子（ＢＬＴ）などのような、縦振動、好ましくは超音波振動を発生し、この縦振動を振動体に入力させることのできる各種の振動子を用いることができる。また、振動子１に接続される振動体２は、第１の軸線に沿って延在する第１の分岐部と、第１の軸線と交差し、好ましくは直交する第２の軸線に沿って延在する第２の分岐部と、第１の分岐部と第２の分岐部が交差する交差部とを備えた分岐形状を備えている。図１に示す振動体２は、中央の交差部から図示水平方向の両側にそれぞれ共通の水平な第１の軸線に沿って突出する一対の第１の分岐部と、上記交差部から図示上下方向両側にそれぞれ共通の垂直な第２の軸線に沿って突出する第２の分岐部とを備え、これらの合計４つの分岐部が延在する、第１の軸線と第２の軸線を含む平面に沿った断面が十字型の形状を有する。左右一対の第１の分岐部の先端にはそれぞれ振動子取付部５が設けられ、これらの振動子取付部５にそれぞれ振動子１が接続固定されている。また、振動体２の上側の第２の分岐部の先端にはハンドル取付部４が設けられ、このハンドル取付部４には、水平に伸びるハンドル１１の垂直に伸びる基端部が接続固定されている。さらに、振動体２の下側の第２の分岐部の先端にはレンチ取付部６が設けられ、例えば、六角穴などのレンチ構造を有するレンチ状係合部８が取り付けられる。振動体２の上記第１の分岐部と第２の分岐部はいずれも角柱状（具体的には正四角柱状）に構成されている。
【００２４】
振動体２の上記振動体取付部５において、振動子１と振動体２は、図３に示す振動子取付ねじ１０によって結合される。ここで、両者は、上記縦振動に関して振動子１と振動体２が一体とみなされ得る程度に第１の軸線の方向に強固に結合される。この第１の軸線は、振動子１から振動体２に入力される縦振動の伝搬方向に沿った振動入力軸線に相当する。また、振動体２の上記ハンドル取付部４は、角穴と角柱の嵌合等の回転方向に係合する連結態様によって着脱可能にハンドル１１の基端部と連結されることが好ましい。
【００２５】
振動体２の下側の第２の分岐部の先端のレンチ取付部６はレンチ状係合部８を介してナット３やボルト７等の締結用ねじ部材に接続される。ここで、レンチ状係合部８は、ナット３やボルト７等の締結用ねじ部材に対して回転方向に係合する嵌合構造、例えば、レンチ状係合部、スパナ状係合部、ドライバ状係合部などを備えた嵌合部材の一例である。振動体２の上記レンチ取付部６も、レンチ状係合部８に対して角穴と角柱の嵌合等の回転方向に係合する連結態様によって着脱可能に連結されることが好ましい。締結用ねじ部材であるナット３とボルト７は、相互に螺合されることにより、被締結部材である被締結物９を締結する。この場合に、上記ハンドル１１を回動操作することにより、振動体２を介してレンチ状係合部８がナット３を保持した状態でボルト７の軸線（ねじ構造の軸線）の周りに回転駆動される。これによって、被締結物９は締付け固定される。
【００２６】
このとき、２個の振動子１には相互に等しい周波数で等しい同位相の交流電圧が加えられ、それによって発生した振動は振動体２を振動させる。ここで、振動体２の左右の第１の分岐部の長さは予めそれぞれ上記振動の１／４波長（１／４波長の奇数倍でもよい。）に調整されている。これによって、第１の軸線に沿った一対の第１の分岐部の合計の長さは１／２波長（１／２波長の整数倍）となるため、第１の軸線に沿って定在波が形成され、振動体２を共振させる。そして、この例では、両側に接続された２つの振動子１が発生した振動が合成される。ハンドル１１の回転操作によって被締結物９を締付けるとき、摩擦は、ねじ構造におけるおねじとめねじの接触面の間、および、ボルト７またはナット３の座面と被締結物９の間にそれぞれ生じるので、上記振動をボルト７、ナット３、被締結物９のいずれに加えても摩擦低減効果が得られる。締め付けトルクはハンドル１１から振動体２のハンドル取付部（支持部）４を介して振動体２に伝えられ、さらに振動体２に取り付けられているレンチ状係合部８からナット３へ伝えられてナット３とボルト７が締結される。
【００２７】
図４はこの発明の実施形態に用いることのできる、４個の振動子１の振動を合成してボルト７の軸線方向（ねじ構造の軸線）に振動を加えながら締付けを行うことが可能な振動体２の形状を示す斜視図である。この振動体２は、ハンドル取付部４とレンチ取付部６を有する図示垂直の上下二つの第２の分岐部の第２の軸線に対して交差（図示例では直交）するように側方へ突出する４つの第１の分岐部を備え、各第１の分岐部の先端に振動子取付部５がそれぞれ設けられる。ここで、４つの第１の分岐部は、水平面上で９０度間隔となるように設定された第１の軸線をそれぞれ備えている。なお、この振動体２を用いる場合であっても、振動体２に取り付ける振動子１の個数は製作時に１〜４個の中から任意に選ぶことができる。ただし、４つの第１の分岐部のうち振動子１を取り付けない第１の分岐部を一つでも設けると、その分、振動子１の数が減少することで、合成された第２の軸線に沿った縦振動のエネルギーも減少する。また、交差部から振動子１が接続されない第１の分岐部へ僅かではあるが振動エネルギーが漏出することで、その分、第２の軸線に沿った第２の分岐部からねじ構造へ向かう振動エネルギーが低下する。したがって、振動体２においては、交差部から延在する第１の分岐部の全てに振動子１をそれぞれ取り付けることが最も好ましい。なお、この点は、他の実施形態の場合でも同様である。
【００２８】
図５はこの発明に係わる振動体の実施形態に用いることのできる、３つの振動子の振動を合成することの可能な、平面形状が６角形の振動体２を示す斜視図である。この振動子２は、第１の分岐部として平面形状が６角形の板状部が設けられ、この板状部の中央の交差部から上下に突出する一対の第２の分岐部が設けられている。第１の分岐部の６つの外側面のうちの一つ置きの各側面にそれぞれ振動子取付部５が設けられている。したがって、この振動子２には、１〜３個の振動子１を取り付けることができる。全ての振動子取付部５にそれぞれ振動子１を取り付けた場合には、第２の軸線の周りに１２０度間隔で振動子１が接続され、各振動子１に対応して第１の軸線も１２０度間隔で配置される。この振動体２は、水平な３つの第１の軸線に沿って延在し、先端に振動子取付部５を有する第１の分岐部と、この第１の分岐部に対して交差部を介して接続された、先端にハンドル取付部４とレンチ取付部６を有し、垂直な第２の軸線に沿って延在する上下二つの第２の分岐部を有する。この例でも、第１の軸線と第２の軸線に沿った縦断面が十字型であること、および、複数の振動子１から発せられる振動を共振させるために、第１の軸線に沿った寸法（３本の第１の軸線のうちいずれか２本の軸線に沿った長さの合計）と、第２の軸線に沿った寸法（図示垂直方向の寸法）が振動の半波長の整数倍であること、全ての振動子１が同位相で駆動されること、という要件を満たしていれば上記と同様の作用効果が得られる。なお、この例に示すように、振動子１の個数は奇数でもよいことが判る。また、図示例の６角形の平面形状を有する振動体２の場合、全ての外側面（６面）に振動子取付部５を設けても構わず、さらに、任意に選択した外側面に振動子１を取り付けてもよい。
【００２９】
図６は、いままでに示した各種の振動体２の共振状態における振動の振幅の分布図である。水平方向両側に延在する第１の分岐部の第１の軸線と、上下二つの第２の分岐部の第２の軸線の双方を含む平面（図６の紙面）に沿った縦断面を十字型として、第１の軸線に沿った横方向の寸法と、第２の軸線に沿った縦方向の寸法を目標周波数の波長の半波長の整数倍とし、且つ、横方向の第１の軸線に沿った構造部分（複数の第１の分岐部）と、縦方向の第２の軸線に沿った構造部分（上下一対の第２の分岐部）を、振動の節１３で交差させる。これによって、縦方向と横方向に共振が生じ、且つ、それぞれ各分岐部の先端が振動の腹１２、交差部が振動の節１３になる。なお、第１の軸線の方向の振動について交差部に振動の節１３が形成されるようにするには、分岐部の両側にある第１の分岐部の長さ（各分岐部の先端から交差部までの長さ）を振動の１／４波長若しくはその奇数倍にすればよい。同様に、第２の軸線の方向の振動について交差部に振動の節１３が形成されるようにするには、分岐部の両側にある第２の分岐部の長さ（各分岐部の先端から交差部までの長さ）を振動の１／４波長若しくはその奇数倍にすればよい。図６では各分岐部の長さはいずれも１／４波長に設定されている。第１の軸線の方向、すなわち、横方向の振動と、第２の軸線の方向、すなわち、縦方向の振動との間には、振動周期の半周期の位相差があり、これによって横方向の振動が縦方向の振動へと変換及び合成が行われる（直交変換）。
【００３０】
なお、図７に示すように、共通の第１の軸線に沿って交差部の両側にそれぞれ第１の分岐部が設けられる場合、これらの第１の分岐部が異なる長さであってもよい。図７では、一方の第１の分岐部（図示左側）が１／４波長、他方の第１の分岐部（図示右側）が３／４波長に相当する長さである場合を示している。また、上記と同様に、共通の第２の軸線に沿って交差部の両側にそれぞれ第２の分岐部が設けられる場合、これらの第２の分岐部が異なる長さであってもよい。図７では、一方の第２の分岐部（図示上側）が１／４波長、他方の第２の分岐部（図示下側）が３／４波長に相当する長さである場合を示している。
【００３１】
本願発明者らは、実際に、振動子１としてボルト締めランジュバン振動子（ＢＬＴ）を用い、図１〜３に示す振動体（Ｈｏｒｎ）２として、アルミニウムからなるブロック体を用いて、ねじ類の締付け実験を行った。振動子１の周波数は基本的に約２８ｋＨｚであるが、実際には共振状態となるように周波数を微調整して実験を行った。振動体２の音響特性は縦波速度ｖ＝５０００ｍ／ｓであり、周波数２８ｋＨｚにおいて縦振動の波長は、λ＝ｆ／ｖ＝１７８．６×１０−３ｍである。振動体２の各分岐部の寸法は全て上述のように振動の半波長に対応する長さに設定した。実際には上記各値を元に有限要素法解析を用いて複数の形状の振動体２を検討しているが、最終的に図１〜３に示す十字型のホーン形状を採用した。これらの条件や手法は後述の図８〜１０に示す実施形態について行った実験でも同様である。
【００３２】
また、上記振動子１及び振動体２を用いて図１に示す締付け装置により、実際に被締結物９をボルト７とナット３によって締結した。ボルト７、ナット３、被締結物９の間の座面と、ボルト７とナット３のねじ面には、それぞれ二硫化モリブデングリスを塗布した。上記振動体２の対向する一対の振動子取付部５にそれぞれ振動子１を取り付け、発信器から発せられた電気信号を振動子に印加した。そして、全体が共振する周波数になるように電気信号の周波数を調整した。その後、トルク法で５Ｎ・ｍごとに締付トルクを増大させていき、最終的に３５Ｎ・ｍになるまで９本のボルト、ナットに対して締付け実施を行った。なお、実際には、振動子１による加振の有無についてそれぞれ実験を行った。この実験により、ボルト７とナット３の締付け時に効率的かつ十分に超音波振動を印加できることが確認できた。
【００３３】
図８〜１０は、この発明の実施形態に用いることのできる、振動子１の第１の軸線に、第２の軸線（ねじ構造の軸線）に対する食い違い（第２の軸線の周りの半径方向のずれ）がある振動体２によって、ねじ構造に対して、その軸線と一致した第２の軸線の方向の振動成分と、この第２の軸線の周りのねじり振動の成分とを共に加えながら締め付けを行う装置の構成図である。本実施形態では、振動子１の第１の軸線を、第２の軸線と交差させずにその軸線の周りにずらすことにより、ボルトまたはナットのねじ構造に、第２の軸線の方向の振動に加えて、第２の軸線の周りのねじり振動を与えながら締め付けを行う。ここで、この振動体２においては、第１の軸線と第２の軸線とがねじれの位置（数学用語）の関係にあるので、これらの軸線同士が交差することはないが、図９に示すように、振動体２に設けられた第１の分岐部と第２の分岐部は中央の交差部において交差している。これにより、この実施形態においても、先の複数の第１の軸線に沿った長さの合計が振動の１／２波長若しくはその整数倍になっていることで振動体２を共振させることができる。
【００３４】
上記ねじり振動が与えられることにより、ねじ構造に沿った締付け方向に振動が加えられるため、ねじ構造の摩擦力が実質的に減少し、締付け後に生ずる軸力のばらつきが低減する。この実施形態による振動子２を用いて実際に上記と同様の方法で実験を行った結果、ねじり振動を与えない場合に比べて、軸力のばらつき（負荷軸力の標準偏差σ）が５％程度改善することが判明した。
【００３５】
尚、本発明に係るねじ類の締付け方法及び締付け装置は、上述の図示例のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記各実施形態は振動子の個数が２〜４個であるが、第１の軸線と第２の軸線に沿った断面が分岐形状（例えば、十字型の形状）であること、および、各分岐部の長さが１／４波長若しくはその奇数倍の長さであること、また、振動体の第１の軸線に沿った長さと第２の軸線に沿った長さが振動の半波長の整数倍であること、さらに、複数の振動子１が接続される場合には全ての振動子が同位相で駆動されること、という要件を満たしている場合には、振動子の個数、振動体の形状などは特に限定されない。また、上記実施例では、ねじを締結する方法及び装置について説明したが、本発明はねじを緩める場合にも適用することができる。
【００３６】
さらに、上記実施例では、振動体の第２の分岐部の先端にレンチ状係合部８を接続し、このレンチ状係合部８を締結用ねじ部材に係合させて振動を与えながら同時に締付けるようにしているが、第２の分岐部の先端の一部を被締結部材に接触させて振動を与えると同時に、第２の分岐部の先端の別の部分を締結用ねじ部材に係合させて締付けるようにしてもよい。例えば、振動体の第２の分岐部の先端に、中心側に形成された回転係合部と、この回転係合部の外周側に、被締結部材に接触する振動伝達部を同軸の円環状、若しくは、非円環状に設けるようにしてもよい。もちろん、振動体の第２の分岐部の先端を被締結部材に接触させて振動を与えつつ、振動体とは別の、回転駆動部と締結用ねじ部材に係合する回転係合部とを備えた締付け器具若しくは装置により締結用ねじ部材を回転駆動して締付けるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１：振動子、２：振動体、３：ナット、４：（振動体の）ハンドル取付部、５：（振動体の）振動子取付部、６：（振動体の）レンチ取付部、７：ボルト、８：レンチ状係合部、９：被締結物、１０：振動子取付ねじ、１１：ハンドル、１２：振動の腹、１３：振動の節、１４：振動子による加振、１５：振動体で変換後の振動
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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