(57)【要約】【課題】レンチ等の工具にかかるトルクによるねじの軸力管理によって締め付け力が正確に管理できないのを避けて、より確実な締め付け管理を行うことを可能にする。【解決手段】ねじ１１、１２の締付時に、ねじ軸部１２ａが塑性変形するまで締め付けトルクを掛けて、前記ねじ軸部の軸力を測定する装置において、ねじ１１、１２に接して取付けられ、ねじを伝播する振動波を検出して検出信号を出力する検出器２と、検出器２により得られる検出信号に基づいて軸部１２ａの軸力を解析する解析装置５を備える。【効果】簡易な装置構成によって正確に軸力を知ることができる、過不足なく確実な締め付け管理を行うことが可能になる。【選択図】　　　　図１
2004108910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ねじ締付時に、ねじ軸部が塑性変形するまで締め付けトルクを掛けて、前記ねじ軸部の軸力を測定する装置において、
前記ねじに接して取付けられ、該ねじを伝播する振動波を検出して検出信号を出力する検出器と、
前記検出器により得られる検出信号が入力され、該検出信号に基づいて前記軸部の軸力を解析する解析装置と、
を備えることを特徴とするねじ軸部の軸力測定装置。
【請求項２】
前記ねじ軸部がボルトであり、前記ねじは、該ボルトと、ナットまたは雌ねじとにより構成されるものであることを特徴とする請求項１記載のねじ軸部の軸力測定装置。
【請求項３】
前記解析装置は、予め、振動波から得られる信号と軸力とを関連付けたデータを記憶する軸力データ記憶手段と、前記検出器で得られた検出信号に基づいて前記軸力データ記憶手段から対応する軸力データを取り出す軸力探索手段とを備えることを特徴とする請求項１または２に記載のねじ軸部の軸力測定装置。
【請求項４】
前記検出器が、ねじ軸部の内部から発するＡＥ波を検出するＡＥ波検出器であり、前記解析装置は、該ＡＥ波検出器から得られるＡＥ波検出信号と、予め記憶された規定軸力の波形と比較してねじ軸部の軸力を解析するものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のねじ軸部の軸力測定装置。
【請求項５】
ねじ締付部を有するワークに取付けられる振動発生器を有し、前記検出器は、該振動発生器により発生してねじを伝播する振動波を検出するものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のねじ軸部の軸力測定装置。
【請求項６】
前記振動発生器は、発信器と該発信器で発生する振動波の周波数を可変とする周波数可変手段とを備えており、前記解析装置は、前記ねじ軸部と前記振動波とが共振する共振点を検出する共振点検出手段と、該共振点に基づいてねじ軸部の軸力データを得る軸力データ取得手段を備えることを特徴とする請求項５記載のねじ軸部の軸力測定装置。
【請求項７】
前記解析装置により解析されたねじ軸部の軸力が、予め定めた規定値に達したことを判定する軸力判定手段と、該判定手段による適正判定に基づいて通知を行う通知手段を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のねじ軸部の軸力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ねじ軸部の軸力を測定してねじ締付時の締付力を適切に設定することを可能にする軸力測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エンジン組立において、シリンダヘッドをシリンダブロックに固定するためのヘッドボルトの締め付けは、締め付け機械で多数個を一括で締め付けるなどして、規定のトルクに締め付け後、角度法（角度×回数）により塑性域締め付けが行われている。その際、締め付けトルクは、工具にかかるトルクで制御されている。しかし、この角度法締め付けでは、実際にボルトに必要な軸力がかかっているかどうかの判断ができず、ねじやねじ穴への異物の混入や、ねじとねじ穴の精度のバラツキ、摩擦の大小の差などにより、締め付けたトルクにより必要とする軸力が得られていない可能性がある。軸力が既定値に達していない状態でエンジンが組み付けられると、ガス漏れ等の不具合が出る可能性がある。また、必要以上の軸力がボルトにかかっていると、ボルトの破損を招く恐れがある。このため、従来から、ボルトの軸力を測定するための装置、方法が提案されている。
【０００３】
例えば、超音波をボルトに伝達させ、該超音波がボルトの頭部からボルト先端までの反射する時間を検出することにより軸力がかかった時のボルトの長さを得て、その長さからフックの法則（σ＝Ｅε）により軸力を求めるボルトの締結機が提案されている（特許文献１）。
また他の装置として、励磁コイルにより振動を発生させて該振動をボルトに伝達させるように構成するとともに、励磁コイルの周波数を変化させてボルトの共振周波数を求め、この共振周波数からボルト軸力を測定する検査装置が提案されている（特許文献２、３）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１４１２４１号公報（第３頁）
【特許文献２】
特開平１１−１４８８７６号公報（第３、４頁）
【特許文献３】
特開２００１−１５９５７２号公報（第６頁）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１で示された従来技術では、縦波、横波の超音波を同時送信し、かつ受信して両波の伝播時間の相違によってボルトの長さを求めており、これら超音波の送受信を可能にするために装置が複雑になるという問題がある。
また、特許文献２、３で示された従来技術では、励磁コイルをボルトの周囲に近接して配置し、さらにボルトに接するように振動検出器を配置するので、ボルト周辺の装置サイズが大きくなり、作業スペースによってボルト締め付け時の作業性が低下したり、締め付け作業自体が困難になるという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、ねじ軸部に発生する軸力をより簡易な装置により測定することによりねじ締め付け力を適切に調整可能とするねじ軸部の軸力測定装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明のねじ軸部の軸力測定装置のうち請求項１記載の発明は、ねじ締付時に、ねじ軸部が塑性変形するまで締め付けトルクを掛けて、前記ねじ軸部の軸力を測定する装置において、前記ねじに接して取付けられ、該ねじを伝播する振動波を検出して検出信号を出力する検出器と、前記検出器により得られる検出信号が入力され、該検出信号に基づいて前記軸部の軸力を解析する解析装置と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
請求項２記載のねじ軸部の軸力測定装置の発明は、請求項１記載の発明において、前記ねじ軸部がボルトであり、前記ねじは、該ボルトと、ナットまたは雌ねじとにより構成されるものであることを特徴とする。
【０００９】
請求項３記載のねじ軸部の軸力測定装置は、請求項１または２に記載の発明において、前記解析装置は、予め、振動波から得られる信号と軸力とを関連付けたデータを記憶する軸力データ記憶手段と、前記検出器で得られた検出信号に基づいて前記軸力データ記憶手段から対応する軸力データを取り出す軸力探索手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
請求項４記載のねじ軸部の軸力測定装置は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記ＡＥ波検出器が、ねじ軸部の内部から発するＡＥ波を検出するＡＥ波検出器であり、前記解析装置は、該検出器から得られるＡＥ波検出信号と、予め記憶された規定軸力の波形と比較してねじ軸部の軸力を解析するものであることを特徴とする。
【００１１】
請求項５記載のねじ軸部の軸力測定装置は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、ねじ締付部を有するワークに取付けられる振動発生器を有し、前記検出器は、該振動発生器により発生してねじを伝播する振動波を検出するものであることを特徴とする。
【００１２】
請求項６記載のねじ軸部の軸力測定装置は、請求項５記載の発明において、前記振動発生器は、発信器と該発信器で発生する振動波の周波数を可変とする周波数可変手段とを備えており、前記解析装置は、前記ねじ軸部と前記振動波とが共振する共振点を検出する共振点検出手段と、該共振点に基づいてねじ軸部の軸力データを得る軸力データ取得手段を備えることを特徴とする。
【００１３】
請求項７記載のねじ軸部の軸力測定装置は、請求項１〜６のいずれかに記載の発明において、前記解析装置により解析されたねじ軸部の軸力が、予め定めた規定値に達したことを判定する軸力判定手段と、該判定手段による適正判定に基づいて通知を行う通知手段を備えることを特徴とする。
【００１４】
すなわち本発明によれば、ねじ軸部が塑性変形するまで締め付けられる際に、ねじ軸部を伝わる振動波が検出器で検出され、その検出信号に基づいて解析装置で軸力が解析されるので、簡易な装置によってねじ軸部の軸力を知ることができ、認識された該軸力によってねじの締付力を適正に設定することが可能になる。軸力の測定は、締め付けられたねじに対し行ってもよく、また締め付け作業中に行うものであってもよい。なお、締め付け時にかじり等によって軸力が大きくなってしまった場合には、締め付け作業に要した時間等を考慮して（短時間で軸力が大きくなってしまう等）、該軸力を不正なものと判定して軸力の解析精度を上げることもできる。
【００１５】
前記振動波としては、ねじ締め付け時にねじ軸部の変形に伴ってねじ軸部で発生するＡＥ（アコースティックエミッション）波を利用することができる。該ＡＥ波は、ねじの変形量の度合いにより周波数が変わるため、検出信号の周波数（波数）によってねじ軸部での軸力を知ることができる。該ＡＥ波の利用により、外部から振動を与える必要がないので、振動を発生させる手段が不要となり、装置の一層の簡易化が可能になる。また、この他に、振動発生器を備えることにより、該発生器で得られる振動波を伝播させてねじ軸部で検出することもできる。該振動発生器は、特にねじ締付部を有するワークに取り付けて、該ワークを通してねじに振動波を伝播させるのが望ましい。これによりねじ周辺に配置する測定装置がコンパクトになり、ねじ締め付け時の作業性を損なわない。振動発生器としては、種々の構成が可能であり、代表的にはピエゾ発信器を挙げることができる。このピエゾ発信器は、電圧の付加によって振動する圧電素子を備えるものであり、セラミックスや水晶を用いたものがある。また、振動発生器は、上記ピエゾ発信器以外の構成からなるものであってもよく、例えば振動子を有し、該振動子への電流、電圧の付加によって振動子が振動するもので構成することができる。
【００１６】
また、上記振動発生器で発生する振動波は、ねじ軸部で共振点を求めることができるように周波数を可変とすることができる。周波数を可変とするためには周波数可変手段を設ける。該周波数可変手段は振動発生器を動作させる電圧や電流の大きさや周波数を変えることなどにより、振動発生器で発生する振動波の周波数を変えることができる。
【００１７】
振動波を検出する検出器は、本発明としては特定のものに限定されず、ねじ軸部を伝播する振動波を検出して検出信号を出力できるものであればよい。例えば圧電（ピエゾ）素子を用いて振動により発生する電圧変化を検出信号として取り出すことができる。
【００１８】
解析装置は、上記検出器で得た検出信号に基づいてねじ軸部の軸力を解析するものであり、代表的にはＣＰＵとこれを動作させるプログラムとを主要部として構成することができる。その他には、必要に応じてＲＡＭ、上記プログラムを格納するＲＯＭ、各種データを記憶するＨＤＤ等の記憶手段を備えることができる。
解析装置では、検出信号の特性によって解析方法を異にするものであってもよい。例えば、検出信号が波形出力として得られる場合には、波形分析によって波の波数、波の大きさ等を得て、軸力を導き出すことができる。上記ＡＥ波を検出器で検出する場合、波形の波数によってＡＥ波の周波数を知ることができる。ＡＥ波の周波数とねじ軸部の軸力とは相関関係があり、解析装置では、上記で得た周波数から軸力を導き出すことができる。このような相関関係は、予め具体的なデータとして取得しておきＨＤＤ等の記憶手段に記憶させる。解析装置では、振動波の検出によって得た周波数に基づいて上記記憶手段から軸力に関するデータを取り出すことができる。
【００１９】
また、周波数可変手段によって振動発生器から発生する振動波の周波数を変化させて共振点を求める場合、解析装置に共振点検出手段を設けることができる。該共振点検出手段は、振動波の周波数の変化に応じて検出信号が変化することにより、ねじ軸部の共振点を見い出すことができる。例えば検出信号が最大振幅となる際の振動波の周波数を共振点に定めるなどの方法により共振点を導き出すことができる。解析装置では、共振点検出手段で共振点を見出せるように、周波数可変手段を制御して振動波の周波数を変化させることができる。解析装置では共振点を得ることにより、ねじ軸部の軸力を知ることができる。この際には、共振周波数と軸力との関係をＨＤＤ等の記憶手段に記憶させておき、見出された共振周波数に基づいて該記憶手段から軸力データを探索して現状でのねじ軸部の軸力を知ることができる。
【００２０】
ＡＥ波や振動発生器により発生する振動波を利用して取得された軸力は、ディスプレイ等に数値として表示してもよく、また、軸力に関するしきい値を定めておき、軸力判定手段において取得した軸力が規定値に達した場合に、適宜の通知手段に指示して通知を行うように構成してもよい。通知手段としては、ブザー、ライト、振動器などで構成することができ、通知方法としては、ブザーの鳴動やライトの点灯、点滅や振動器での振動などが挙げられる。また、ねじの締め付けを締付け機によって自動で行う場合には、上記規定値に達した場合に、解析装置から該締め付け機を制御する制御信号を発して、締め付け機の停止、増し締め等の制御を行うものであってもよい。
【００２１】
なお、本発明は、上記したように特に適切な締め付け力が要求されるエンジン組立の分野に好適に利用可能であるが、本発明としてはこのような分野での利用に限定されるものではなく、ねじの締め付けに際し、軸力を知りたい種々の分野に適用が可能である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施形態を図１〜４に基づき説明する。
シリンダヘッド等のワーク１０に雌ねじ部１１が形成されており、該雌ねじ部１１にねじ込まれるすりわり付ボルト１２が用意されている。該すりわり付きボルト１２は、通常は、突条１３ａを有するトルクレンチ１３を用いて、前記突条１３ａをすりわり１２ａに嵌合させて回転させ雌ねじ部１１に締め付けられる。
【００２３】
図示１は、本発明の軸力測定装置の一部をなす円柱形状のレンチアダプタであり、その一平面側（図示下面）に、すりわり付きボルト１２のすりわり１２ａに嵌め込む突条１ａが形成され、他平面側（図示上面）に、トルクレンチ１３の突条１３ａが嵌め込まれる溝穴１ｂが形成されている。またレンチアダプタ１内には、上記突条１ａに接するように振動波を検出する検出器２が配置されている。該検出器２は、圧電素子（図示しない）を備え、突条１ａを伝わるＡＥ波を受けて該ＡＥ波の波形に応じて変化する電圧が検出信号として出力される。該検出器２には、検出信号を外部に取り出すための信号線３が接続されており、該信号線３は、インターフェース４を介してコンピュータ５に接続されている。
【００２４】
コンピュータ５は、図２に示すように、ＣＰＵ５０と、該ＣＰＵ５０を動作させるためのプログラムを格納したＲＯＭ５１と、データの一時記憶等を行うＲＡＭ５２と、各種データを記憶した記憶手段であるＨＤＤ５３とを備えており、さらに該コンピュータ５には表示部としてのＣＲＴ６が接続されている。上記コンピュータ５は、本発明の解析装置を構成するものであり、上記ＣＰＵ５０とプログラムとにより、本発明の軸力探索手段が構成されている。また、上記ＨＤＤ５３には、ＡＥ波の波数や振幅強度と軸力のデータが関連付けて記憶されており、該ＨＤＤ５３により軸力データ記憶手段が構成されている。
【００２５】
上記測定装置の動作について説明すると、すりわり付きボルト１２のすりわり１２ａにレンチアダプタ１の突条１ａを嵌め込み、一方、レンチアダプタ１の溝穴１ｂにトルクレンチ１３の突条１３ａを嵌め込む。この状態で、トルクレンチ１３によってボルト１２を雌ねじ部１１にねじ込む。コンピュータ５では、検出器２からの検出信号が信号線３、インターフェース４を介して入力されている。ただし、トルクレンチ１３による締め込み初期では、ボルトのねじ軸部１２ｂの塑性変形は殆どなく、したがってＡＥ波の発生もわずかである。解析装置では、このような状態で信号線３から雑音等が混入して測定精度が損なわれないように、一定値（しきい値）を超える信号のみを検出信号として取り扱うようにする。
【００２６】
測定装置では、締め込みの進行に伴って塑性変形するボルト１２から発生するＡＥ波が検出器２で検出され（ステップａ１）、該検出器２で得られる検出信号が解析装置に送られる。解析装置では、図３に示すように、ＣＲＴ６に検出信号を表示するとともに（ステップａ２）、一定値（しきい値）を超える波数を計数する（ステップａ３）。解析装置では、予め必要な軸力を設定しておき、この軸力に基づいて前記ＨＤＤ５３から、これに対応するＡＥ波の波数データを既定値として取得する。解析装置では、計数した波数とＨＤＤ５３から取得した規定値とを比較して、計数波数が既定値に達した時点で、軸力が設定値に達したものと判定する（ステップａ４）。この判定において、図４の左方グラフに示すようにしきい値を超える波数がわずかで、波数が既定値に達しない場合には、上記ステップを繰り返す。一方、図４の右方グラフに示すようにしきい値を超える波数が多く、軸力が設定値に達したものと判定された場合には、過度な締め付けがなされないように、その判定結果をＣＲＴに”軸力Ｏ．Ｋ．”のように表示し（ステップａ５）、締め付け作業を終了する。この場合、ＣＲＴ６は通知手段としても機能も果たしている。
【００２７】
なお、上記では、軸力が設定値に達したことをＣＲＴ６により表示したが、ブザー等の他の通知手段によって通知を行うものであってもよい。
上記測定装置によれば、必要な軸力をボルトに付加して締め付けを行うことができ、また、ボルトに過度な締め付け力を加えないように締め付け作業を行うことが可能になる。
【００２８】
次に、他の実施形態を図５〜図７に基づいて説明する。
この実施形態の測定装置では、ワーク１０に設けられた雌ねじ部１１に、角穴付きのボルト２０を締め込む際に、軸力を測定するものであり、前記ワーク１０に設置する振動発生器２４を有している。なお、上記実施形態と同様の構成については同一の符号を付してその説明を省略または簡略化する。
また、この実施形態の円柱状のレンチアダプタ２１は、その一面（図示下面）に、上記ボルト２０の角穴に嵌め込む嵌め込み部２１ａが設けられている。一方、ネットレンチ２１の他面（図示上面）には、レンチ２３が嵌め込まれる溝穴２１ｂが形成されている。ネットレンチ２１内には、前記実施形態と同様に振動波を検出する検出器２が嵌め込み部２１ａの一部に接するように設けられており、検出器２に接続された信号線３がインターフェース４を介してコンピュータ５ａに接続されている。上記振動発生器２４は、ピエゾ発信器２４ａと駆動部２４ｂとを有しており、信号線２５、インターフェース２６を介して上記コンピュータ５ａに接続されている。
【００２９】
コンピュータ５ａは、前記実施形態と同様にＣＰＵ５０、ＲＯＭ５１、ＲＡＭ５２、ＨＤＤ５３を備えており、ＣＲＴ６に接続されている。なお、この実施形態で解析装置を構成するＣＰＵ５０とプログラムとは、前記駆動部２４ｂを制御して振動発生器２４で発生する振動波の周波数を変更できるように構成されている。すなわち、ＣＰＵ５０およびプログラムと駆動部２４ｂとは、周波数可変手段としての機能を果たしている。また、ＣＰＵ５０およびプログラムは、後述するように共振点を検出する共振点検出手段として機能も果たす。さらに、ＨＤＤ５３には、共振周波数と軸力とを関連付けたデータが記憶されており、上記ＣＰＵ５０およびプログラムとともに軸力データ取得手段を構成している。
【００３０】
次に、上記測定装置の動作について説明する。
上記実施形態と同様に、ボルト２０に対しレンチアダプタ２１、レンチ２３を嵌め合わせ、雌ねじ部１１に締め込む。この際には、図７に示すように、振動発生器２４から振動波を発生させ（ステップｂ１）、該振動波をワーク１０からボルト２０、検出器２へと伝播させ、検出器２で振動波を検出する（ステップｂ２）。該振動波は、信号線３を介してコンピュータ５ａに入力されており、解析装置では、得られた検出信号をＣＲＴ６に表示させる（ステップｂ３）。また、解析装置では、振動波の周波数が一定ピッチで変化するように、インターフェース２６、信号線２５を介して駆動部２４ｂを制御する。解析装置では、振動波の周波数変化に相応する検出信号が得られており、該検出信号の振幅の変化により、振幅がピークを示す際を共振点として、その際の周波数を共振周波数とする（ステップｂ４）。解析装置では、得られた共振周波数に基づいてＨＤＤ５３から関連付けられた軸力データを呼び出し、これを軸力データとして取得する（ステップｂ５）。なお、測定装置では、予め締め付けに際し必要となる軸力を既定値として設定しておく。該既定値は、ＲＡＭ５２やＨＤＤ５３に記憶しておくことができる。解析装置では、取得した軸力と既定値とを比較して、取得軸力が既定値に達した場合には、軸力が設定値に至ったものとして軸力Ｏ．Ｋの判定を行い、軸力が既定値に達しない場合には、上記ステップを繰り返す（ステップｂ６）。軸力が既定値に達した場合には、上記実施形態と同様にＣＲＴ６等への通知を行う（ステップｂ７）。
【００３１】
この実施形態においても軸力の過不足が容易かつ確実に把握され、適切なねじの締め付け作業が可能になる。
なお、上記実施形態では、振動発生器の振動波の周波数を変化させて共振点を見い出すものとしたが、振動波の周波数は一定にしておき、得られる検出信号の波数や振幅強度等によって軸力の解析を行うことも可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のねじ軸部の軸力測定装置によれば、ねじ締付時に、ねじ軸部が塑性変形するまで締め付けトルクを掛けて、前記ねじ軸部の軸力を測定する装置において、前記ねじに接して取付けられ、該ねじを伝播する振動波を検出して検出信号を出力する検出器と、前記検出器により得られる検出信号が入力され、該検出信号に基づいて前記軸部の軸力を解析する解析装置とを備えるので、今までは工具にかかるトルクにより軸力管理がなされていたのに対し、簡易な装置構成により確実に軸力を知ることができる、より確実な締め付け管理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における締め付け工程を示す図である。
【図２】同じく解析装置を含むコンピュータのブロック図である。
【図３】同じく測定の手順を示すフロー図である。
【図４】同じく検出信号を示す図である。
【図５】本発明の他の実施形態における締め付け状態を示す図である。
【図６】同じく解析装置を含むコンピュータのブロック図である。
【図７】同じく測定の手順を示すフロー図である。
【符号の説明】
１　　レンチアダプタ
２　　検出器
３　　信号線
５　　コンピュータ
５ａ　コンピュータ
６　　ＣＲＴ
１０　　ワーク
１１　　雌ねじ部
１２　　ボルト
１３　　トルクレンチ
２０　　ボルト
２１　　レンチアダプタ
２３　　トルクレンチ
２４　　振動発生器
２４ａ　発信器
２４ｂ　駆動部
２５　　信号線
５０　　ＣＰＵ
５１　　ＲＯＭ
５２　　ＲＡＭ
５３　　ＨＤＤ
【図１】
2004108910.tif 000003
【図２】
2004108910.tif 000004
【図３】
2004108910.tif 000005
【図４】
2004108910.tif 000006
【図５】
2004108910.tif 000007
【図６】
2004108910.tif 000008
【図７】
2004108910.tif 000009