(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
締結部材に付与されたトルクを求める方法であって、
締結部材にトルクパルスを付与する段階と；
前記締結部材に付与された各トルクパルスの大きさと付与時間とを測定する段階と；
前記締結部材に付与された総トルクを求めるために前記各トルクパルスの大きさと付与時間とに処理を施す段階と；を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記処理段階は、前記各トルクパルスの大きさと付与時間とに以下の関係式、すなわち、
（１）  Ｔn＝Ｖn1/2・Ｋ4÷Ｔ01/6  ；及び
（２）  Ｖn＝Ｖn-1＋(Ｔtool−Ｖn-1)・Δｔ；
ここで、Ｔn＝ｎ回目のインパルス付与後の締結部材トルク計算値
Ｖn＝ｎ回のインパルスで締結部材に付与された仕事量
Ｋ4＝定数
Ｔ0＝締結部材の目標トルク
(Ｔtool−Ｖn-1)・Δｔ＝“ｎ”回目のインパルスの測定トルク信号に基づきＶn-1を超えた領域の面積；
を適用して行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記Ｖnが予め定められた閾値を超えた時点で前記トルク付与段階を終了させる段階をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記閾値が以下の関係式、すなわち、
Ｖ0＝Ｔ07/3・Ｋ4-2
ここで、Ｖ0＝Ｖnの目標値
Ｔ0＝目標締結トルク
によって定められることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
目標締結トルクを入力する段階をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記処理段階は、
前記トルクパルスに基づいてトルクパルス信号を生成する段階と；
前記トルクパルス信号からトルク信号を差し引いて差信号を生成する段階と；
前記差信号を積分して締結部材の角速度信号を導出する段階と；
前記角速度信号を積分して締結部材の角変位信号を導出する段階と；
前記角変位信号を締結部材のトルクに対応したトルク信号に変換する段階と；
を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記差信号を積分する段階は、前記差信号がゼロより大きい場合にのみ実行されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記トルク信号の値を予め定められた閾値と比較する段階と；
前記トルク信号の値が前記閾値に等しいか、それを超えた時点で、前記トルク付与段階を終了させる段階と；をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記閾値は、前記締結部材の目標トルク値であることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記トルクパルス信号を生成する段階は、
前記トルクパルスを与えるツールの軸に発生したトルクに基づいて磁界を生成する段階と；
前記磁界によって検出器に電圧を誘導する段階と；
前記電圧を積分する段階と；を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
前記磁界を生成する段階は、前記軸に設けられた磁気弾性変換器によってなされることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
本体と；
締結部材に接続できるように構成された出力軸と；
前記出力軸にトルクパルスを付与する手段と；
前記出力軸に取付けられたトルク変換器と；
前記締結部材上のトルクを求めるために前記トルク変換器の出力に処理を施す手段と；
を備えており、
前記処理のための手段は、
前記トルク変換器の出力に基づいてトルクパルス信号を生成する手段と；
前記トルクパルス信号からトルク信号を差し引いて差信号を生成する手段と；
前記差信号を積分して締結部材の角速度信号を導出する手段と；
前記角速度信号を積分して締結部材の角変位信号を導出する手段と；
前記角変位信号を締結部材のトルクに対応したトルク信号に変換する手段と；
を備えていることを特徴とするインパクトツール。
【請求項１３】
前記トルクパルス信号を生成する前記手段、前記トルクパルス信号からトルク信号を差し引く前記手段、前記差信号を積分する前記手段、前記角速度信号を積分する前記手段、及び前記変換手段の全ては、マイクロプロセッサをベースとしたプログラム可能制御装置を備えていることを特徴とする請求項１２に記載のインパクトツール。
【請求項１４】
前記トルクパルス信号を生成する前記手段、前記トルクパルス信号からトルク信号を差し引く前記手段、前記差信号を積分する前記手段、前記角速度信号を積分する前記手段、及び前記変換手段の全ては、アナログ回路式制御装置を備えていることを特徴とする請求項１２に記載のインパクトツール。
【請求項１５】
前記差信号を積分する手段は、前記差信号がゼロより大きい場合にのみ作動することを特徴とする請求項１２に記載のインパクトツール。
【請求項１６】
前記トルク信号の値を予め定められた閾値と比較する手段と；
前記トルク信号の値が前記閾値に等しいか、それを超えた時点で、前記トルク付与段階を終了させる手段と；をさらに備えていることを特徴とする請求項１２に記載のインパクトツール。
【請求項１７】
前記閾値は、前記締結部材の目標トルク値であることを特徴とする請求項１６に記載のインパクトツール。
【請求項１８】
前記トルクパルス信号を生成する手段は、
前記軸に発生したトルクに基づいて磁界を生成する手段と；
前記磁界によってコイルに電圧を誘導する手段と；
前記電圧を積分する手段と；を備えていることを特徴とする請求項１２に記載のインパクトツール。
【請求項１９】
前記磁界を生成する手段は、前記出力軸に設けられた磁気弾性変換器を備えていることを特徴とする請求項１８に記載のインパクトツール。
【請求項２０】
前記トルクパルス信号からトルク信号を差し引く前記手段は差動増幅器を備え、前記差信号を積分する前記手段はオペアンプ積分器を備え、前記角速度信号を積分する前記手段はオペアンプ積分器を備えていることを特徴とする請求項１２に記載のインパクトツール。
【請求項２１】
インパクトツールのための制御装置であって、
出力部と、前記インパクトツールによって締付けられつつある締結部材に作用する推定トルクに対応した値が入力されるように構成された第１入力部と、前記締結部材に付与されているトルクインパルスの値が入力されるように構成された第２入力部と、を含む減算回路と；
出力部と、前記減算回路の出力部に接続された入力部と、を含み、前記減算回路の出力値を時間積分して前記締結部材の角速度を示す値を導出するように構成された速度回路と；
出力部と、前記速度回路の出力部に接続された入力部と、を含み、前記速度回路の出力値を時間積分して前記締結部材の推定トルクを示す値を導出しかつそれを前記減算回路の第１入力部に入力するように構成されたトルク回路と；
前記トルク回路の出力部に接続された入力部を含み、前記トルク回路の出力値と閾値との間に所定の関係が成り立つときに前記インパクトツールを制御するための制御信号を発生する閾値比較回路と；を備えていることを特徴とする制御装置。
【請求項２２】
本体と、締結部材に接続できるように構成された出力軸と、を有するタイプのインパクトツールのための改修システムであって、
前記出力軸に接続できるように構成された第１端部と、前記締結部材に接続できるように構成された第２端部と、を有する延長軸と；
前記延長軸に設けられたトルク変換器と；
前記締結部材に作用しているトルクを求めるために前記トルク変換器の出力を処理するための手段と；を備えており、
前記処理のための手段は、
前記トルク変換器の出力に基づいてトルクパルス信号を生成する手段と；
前記トルクパルス信号からトルク信号を差し引いて差信号を生成する手段と；
前記差信号を積分して締結部材の角速度信号を導出する手段と；
前記角速度信号を積分して締結部材の角変位信号を導出する手段と；
前記角変位信号を締結部材のトルクに対応したトルク信号に変換する手段と；
を備えていることを特徴とする改修システム。
【請求項２３】
前記トルクパルス信号を生成する前記手段、前記トルクパルス信号からトルク信号を差し引く前記手段、前記差信号を積分する前記手段、前記角速度信号を積分する前記手段、及び前記変換手段の全ては、マイクロプロセッサをベースとしたプログラム可能制御装置を備えていることを特徴とする請求項２２に記載の改修システム。
【請求項２４】
前記トルクパルス信号を生成する前記手段、前記トルクパルス信号からトルク信号を差し引く前記手段、前記差信号を積分する前記手段、前記角速度信号を積分する前記手段、及び前記変換手段の全ては、アナログ回路式制御装置を備えていることを特徴とする請求項２２に記載の改修システム。
【請求項２５】
前記差信号を積分する手段は、前記差信号がゼロより大きい場合にのみ作動することを特徴とする請求項２２に記載の改修システム。
【請求項２６】
前記トルク信号の値を予め定められた閾値と比較する手段と；
前記トルク信号の値が前記閾値に等しいか、それを超えた時点で、前記トルク付与段階を終了させる手段と；をさらに備えていることを特徴とする請求項２２に記載の改修システム。
【請求項２７】
前記閾値は、前記締結部材の目標トルク値であることを特徴とする請求項２６に記載の改修システム。
【請求項２８】
前記トルクパルス信号を生成する手段は、
前記延長軸に発生したトルクに基づいて磁界を生成する手段と；
前記磁界によってコイルに電圧を誘導する手段と；
前記電圧を積分する手段と；を備えていることを特徴とする請求項２２に記載の改修システム。
【請求項２９】
前記磁界を生成する手段は、前記延長軸に設けられた磁気弾性変換器を備えていることを特徴とする請求項２８に記載の改修システム。
【請求項３０】
前記トルクパルス信号からトルク信号を差し引く前記手段は差動増幅器を備え、前記差信号を積分する前記手段はオペアンプ積分器を備え、前記角速度信号を積分する前記手段はオペアンプ積分器を備えていることを特徴とする請求項２２に記載の改修システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インパクトツールによって締付けられる締結部材のトルク制御に関するものである。より詳しく言えば、本発明は、締結部材の回転慣性とトルク勾配とを考慮することにより、締結仕様を詳細に知ることを必要とせずに、起動トルクまたはボルト軸力を正確に制御できる方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
インパルスツールとしても知られるインパクトツールは、物理的に小型でありながら大きなトルクをかけることができるので、自動車のホイールナットのような、大型の締結部材の組付けに一般的に用いられている。このようなツールは、衝撃的なトルクまたはパルス状のトルクを発生することにより、すなわち、締結部材の静摩擦に打ち勝つ大きさのトルクを発生して締結部材を回転させるように作動する。トルクの付与時間は、作業者が感じる平均トルクが手持ちでの作業に支障を来たさない程度に短い。ツールによって締結部材に加えられるトルクと作業者が感じるトルクとの間の相関性は低いので、締結トルクの精密な制御が重要である場合には、インパクトツールは用いられて来なかった。このような場合には、作業者がトルクレンチを用いることによりトルク制御された組付け工程を手作業で実現したり、あるいは、トルクモニター付き（非衝撃的）モータ駆動ツールを用いた自動システムを用いたりしてきた。しかしながら、このようなツールは、自動車のホイールナットのような、大型で高トルクを要する締結部材の組付けには適していない。
【０００３】
インパクトツールがツール出力軸にトルクメータを備えている場合、そのトルクメータは、締結部材に伝達されるトルクパルスを測定する。各パルスは、概略同じパルス幅、トルク値を有している。個々に見ると、これらのパルスは締結部材に与えられたトルクと一致はしない。換言すれば、インパクトツールを用いた締結工程における非線形特性により、締結部材にかかっている瞬間トルクを特定することは難しい。従って、インパクトツールのトルク制御は、ほとんど達成されていない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、インパクトツールのトルク制御を容易にすることである。
【０００５】
本発明の他の目的は、インパクトレンチの出力軸におけるトルク測定値を、締付けられている締結部材の起動トルクを制御するシステムに伝達することである。
【０００６】
本発明の他の目的は、締付けられている締結部材に関わらず、インパクトツールのトルクを正確に制御することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的及びその他の目的を達成するために、本発明の第１態様は、締結部材のトルクを求める方法として、締結部材にトルクパルスを付与する段階と、締結部材に付与された各トルクパルスの大きさと付与時間とを測定する段階と、締結部材に付与されたトルクを求めるために各トルクパルスの大きさと付与時間とに処理を施す段階と、含む方法を提供する。
【０００８】
本発明の第２態様は、本体と、締結部材に接続できるように構成された出力軸と、出力軸にトルクパルスを付与する手段と、出力軸に取付けられたトルク変換器と、締結部材上のトルクを求めるためにトルク変換器の出力に処理を施す手段と、を備えたインパクトツールを提供する。
【０００９】
本発明の第３態様は、インパクトツールのための制御装置として、出力部と、インパクトツールによって締付けられつつある締結部材に作用する推定トルクに対応した値が入力されるように構成された第１入力部と、締結部材に付与されているトルクインパルスの値が入力されるように構成された第２入力部と、を含む減算回路と；出力部と、減算回路の出力部に接続された入力部と、を含み、減算回路の出力値を時間積分して締結部材の角速度を示す値を導出するように構成された速度回路と；出力部と、速度回路の出力部に接続された入力部と、を含み、速度回路の出力値を時間積分して締結部材の推定トルクを示す値を導出しかつそれを減算回路の第１入力部に入力するように構成されたトルク回路と；トルク回路の出力部に接続された入力部を含み、トルク回路の出力値と閾値との間に所定の関係が成り立つときにインパクトツールを制御するための制御信号を発生する閾値比較回路と；を備えた制御装置を提供する。
【００１０】
本発明の第４態様は、本体と、締結部材に接続できるように構成された出力軸と、を有するタイプのインパクトツールのための改修システムとして、出力軸に接続できるように構成された第１端部と、締結部材に接続できるように構成された第２端部と、を有する延長軸と；延長軸に設けられたトルク変換器と；締結部材に作用しているトルクを求めるためにトルク変換器の出力を処理するための手段と；を備えた改修システムを提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に基づいて本発明を説明する。
【００１２】
本出願人は、インパクトツールのトルクパルスに処理を施すことにより、締付けられている締結部材に作用しているトルクを推定できることを見出した。本明細書において用いる“インパクトツール”という用語は、前述のようなトルクパルスを用いて種々の締結部材にトルクを付与することが可能である種々のツールを意味する。締結部材におけるトルクは、ある部分、締結部材の軸力によって定まるので、トルク推定のための情報に基づきボルト軸力を推定することもできる。
【００１３】
一般的に、空気式インパクトツールは、圧縮空気によって駆動されるロータリモータを備えている。このモータは、質量の大きいフライホイール状のドライバを回転させる。ドライバは、クラッチを介し、所定の回転速度においてツールの出力軸に機械的に接続される。この機械的接続は急激に行われ、トルクパルスまたはインパクト作用が生起される。パルス発生の際、ドライバの回転運動エネルギは軸を通じて、回転駆動されるべきソケット及び締結部材に伝達される。ドライバのクラッチ機構の作用によって、ドライバによって伝達される運動エネルギは、各パルス間でほぼ一定となる。ドライバの回転運動エネルギは、ドライバが弾性的に軸を捩る際にポテンシャルエネルギに変換され、ツールの出力軸にトルクが作用する。
【００１４】
軸トルクが回転駆動されるべき締結部材の静摩擦トルクを超えると、その軸トルクによって締結部材は回転する。捩りを受けた軸のポテンシャルエネルギは、回転する締結部材に運動エネルギとして伝達され、締結部材のトルク抵抗に抗して締結部材を回転させる仕事をする。断続的なパルスによって締結部材が締付けられると、締結部材の静摩擦トルクはツールが発生し得る最大トルクに近づき、ドライバの運動エネルギのほとんどは、締結部材が回転する前に、軸／ソケットシステムの捩りポテンシャルエネルギとなる。次いで、ツールが軸／ソケットシステムからの弾性的反動を受けるに従って、締結部材に伝達されるドライバパルスの運動エネルギは小さくなる。このような状況では、ツールの軸に設けられたトルクメータによって測定されるトルク信号は、パルス間でほとんど数値が変動しないパルストルクに近づく。
【００１５】
前述したようなタイプのパルスレンチを用いて、初期状態で未締付けの締結部材にエネルギが等しい周期的かつ規則的パルスを付与した場合、締結部材の起動トルクは時間の関数として、1/2乗指数曲線の形状で増加して行くことが実験的に検証された。このことは、インパクトツールが各パルスによって一定のエネルギを付与し、締結部材は各パルスに応じて暫減するエネルギを受取り、締結部材に作用する仕事量が区分的線形の指数関数となるものと理解される。ボルトの引張力に関係する締結部材の起動トルクは、応力が作用している締結部材に蓄積されたポテンシャルエネルギの平方根と相関がある。この曲線の形状を特定するパラメータが分かれば、締結部材の起動トルクが所定値に到達した時点でインパクトレンチの作動を停止するように制御装置を構成することができる。時間の関数としての起動トルクの上限漸近線は、インパクトレンチのトルクパルスのピーク値に一致する。この関数の時定数は、トルクパルスの幅と、締結部材の慣性モーメント及びトルク勾配とによって決定される。
【００１６】
上記のように、軸においてパルス毎に測定されるトルクは、締結部材における瞬間トルクとほとんど相関性がないので、締結部材に作用しているトルクを個別のトルクパルスから正確に導出することはできない。別の方法として、本出願人は、システムに与えられた全パルスのトルク値とパルス幅との積の総計を求めることによって、締結部材のトルクを正確に推定できることを見出した。
【００１７】
本出願人は、インパクトツールによって締付けられた締結部材のトルクが次式により正確に推定できることを見出した。
〔式１〕  Ｔn＝Ｔave・[１−exp(-(Ｔmax・Δｔ)n・ｋ1・Ω÷Ｉnut)1/2)]
ここで、Ｔn＝“ｎ”回目のインパルス付与後の締結部材トルク計算値
Ｔave ＝軸で測定された最大トルクの平均値
(Ｔmax・Δｔ)n ＝“ｎ”回目のインパルス付与までの各インパルスのトルクパルス値とパルス幅との積の総計、すなわち、全インパルスの面積
Ω＝締結部材のトルク勾配、すなわち、締結部材の回転角変化とトルク変化との関係
Ｉnut ＝ソケット／締結部材システムの回転慣性
ｋ1 ＝実験的に定められる定数
である。
【００１８】
インパクトツールの出力軸に取付けられたトルクセンサーの測定値のみに基づいてインパクトツールの作動を正確に制御するためには、締結部材の回転慣性及びトルク勾配を知る必要がある。これらの数値は、任意の締結部材を所定のトルクで締付けることを目的とする作業者には知り得ない場合が多い。しかしながら、締結部材に付与されるトルクが0.5×Ｔmaxを超えるように制御装置が作動する場合には、締結部材のトルク勾配または回転慣性における誤差に対する〔式１〕の感度は、トルク勾配または回転慣性のいずれかが＋100％〜−50％まで変動した際に、計算されるトルクＴnにおける誤差が約＋30％〜−10％変動する程度である。従って、締結部材のトルク勾配または回転慣性を適切に推定すれば、〔式１〕による計算は許容できる精度で機能する。締結部材のトルク勾配または回転慣性は、締結部材の直径の関数であると仮定することができる。物体の回転慣性は質量と直径の２乗とに比例し、質量は直径の３乗に比例する。従って、締結部材の回転慣性は、直径の５乗に比例する。
【００１９】
締結部材のトルク勾配は、締結部材のねじピッチによってボルト軸力に関連付けられる。締結部材の回転角の関数であるボルト軸力は、締結部材の直径の２乗及びねじピッチに関係する。標準的な締結部材のねじピッチは締結部材の直径に反比例するので、締結部材のトルク勾配は、締結部材の直径の４乗に比例する。従って、〔式１〕においてＩnutに対するΩの比は、締結部材の直径に反比例する。すなわち、〔式１〕は、次のように書くことができる。
〔式２〕  Ｔn＝Ｔave・[１−exp(-(Ｔmax・Δｔ)n・ｋ2÷ｄ)1/2)]
ここで、ｄ＝締結部材の直径
ｋ2 ＝実験的に定められる定数
である。
【００２０】
作業者が制御装置に締付けられる締結部材の目標トルクを入力し、さらにこの計算式を用いることによって、制御装置はインパクトツールを制御する。ＳＡＥ（自動車工業会）の分類に属する締結部材の場合、定格トルクは締結部材の直径の３乗に比例する。上記計算式を用いる場合、制御装置は、締付けられる締結部材の目標トルクを入力されるだけで、目標トルクの３乗根に比例するものとして締結部材の直径を推定することができる。従って、〔式２〕は、以下のように書き換えることができる。
〔式３〕  Ｔn＝Ｔave・[１−exp(-((Ｔmax・Δｔ)n・ｋ3÷Ｔ01/3)1/2]
ここで、Ｔ0＝締結部材の目標トルク
ｋ3 ＝実験的に定められる定数
である。
【００２１】
上記制御アルゴリズムは、別のＳＡＥ分類に属する締結部材に適用してもよい。ＳＡＥ３類に属する締結部材とＳＡＥ８類に属する締結部材との間の定格トルクの相違は、わずか２：１である。これら締結部材のトルクの中央値でアルゴリズムを設定した場合、ＳＡＥ分類に属する締結部材では、締結部材の推定直径における誤差は最大限で1.414の３乗根、すなわち、±12％である。締結部材の推定直径における±12％の誤差により、〔式３〕で計算されるトルクに生じる誤差は約±3％である。このように、上記アルゴリズムはロバスト性を有し、締結部材のタイプにほとんど影響されないことが分かる。
【００２２】
〔式３〕は比較的複雑であるので、インパクトツールのリアルタイム制御には、かなりの信号処理能力が要求される。上記アルゴリズムは、以下のように書き換えてもよい。
〔式４〕  Ｔn＝Ｖn1/2・ｋ4÷Ｔ01/6
〔式５〕  Ｖn＝Ｖn-1＋(Ｔtool−Ｖn-1)・Δｔ
ここで、Ｖn-1＝“ｎ−１”回目のインパルスで締結部材に付与された仕事量
(Ｔtool−Ｖn-1)・Δｔ＝“ｎ”回目のインパルスの測定トルク信号に基づきＶn-1を超えた領域の面積
ｋ4 ＝実験的に定められる定数
【００２３】
このアルゴリズムでは、必要なリアルタイム計算は、計算されたＶn-1値を超えるトルク測定値を合計する計算のみである。このＶn値が予め計算された閾値を超えた時点で、制御装置はツールの作動を停止させる。この閾値は次式によって与えられる。
〔式６〕  Ｖ0＝Ｔ07/3・Ｋ4-2
ここで、Ｖ0は、締結部材のトルクがＴ0に到達したとみなされツールが停止されるべき際にＶnがとる値である。
【００２４】
あるインパクトツールによって締結部材が締付けられる速度は、締結部材の直径でほぼ決まる。しかしながら、ツール制御のためにただ１つの変数、すなわち、締結部材の目標トルクを手動で入力することによって、上記アルゴリズムは締結部材に付与されるトルクの制御を可能にする。
【００２５】
締結部材を特定のトルクまで締付ける目的は、この締付けで発生するボルト軸力によって、振動等による締結部材の弛みを防止できる十分な静摩擦を締結部材に発生させることであることを理解されたい。静摩擦は、締結部材の境界面に潤滑がなされている場合には、潤滑の程度の影響を受ける。締結部材の境界面の潤滑剤が多ければ、締結部材の定格トルクは減少する。なぜなら、摩擦係数が低下することによって、所定トルクにおけるボルト軸力が高くなるからである。締結部材の定格トルクが与えられれば、締結部材の直径を、究極的には慣性モーメント及びトルク勾配を推定することが可能である。トルク勾配は、ボルトの引張りばね定数、締結部材における摩擦係数、被締結物の圧縮ばね定数などの要因によって定まる複雑な量である。好ましい実施形態として、締結部材の締付け工程の制御に上記アルゴリズムを用いる場合、締結部材の潤滑状態として標準的な状態を仮定することができる。しかしながら、潤滑及びその他の変数を考慮に入れるように上記アルゴリズムを修正することもできる。例えば、作業者は、締結部材の直径、ねじピッチ、ＳＡＥ分類、締結部材の材料、トルク勾配、延長シャフトが用いられているかどうか、トルク勾配係数、またはその他の変数などを入力することができる。インパクトツールを制御するためのアルゴリズムに、これら全ての変数を組込むことができる。
【００２６】
ＳＡＥの仕様書によれば、例えば、1/2インチの締結部材がＳＡＥ４０のオイルで潤滑された場合、定格トルクは31％低下する。これは、低下した摩擦係数に比例する形で締結部材の有効トルク勾配が低下するからである。手動トルクレンチを持った作業者が、無潤滑状態の条件で潤滑された締結部材を締付けた場合、最終ボルトトルクは、目標値より31％高くなる。無潤滑締結部材を締付けるようにアルゴリズムがプログラムされ、締結部材の潤滑によってトルク勾配が31％低下していた場合、制御装置は、無潤滑条件における目標トルクより15％低いトルクに到達するまでツールを作動させる。しかしながら、この場合、ボルト軸力は無潤滑条件における適正値より15％高い。このように、好ましい実施形態におけるボルト軸力の誤差は、手動締付けの場合と比較して半分になる。前述したように、締結部材の潤滑条件を特定する第２の手動入力値をツール制御装置に入力してアルゴリズムにおける定数を適切に補正し、潤滑状態の締結部材のトルク勾配を、無潤滑状態に対して補償することができる。
【００２７】
図１は、本発明の好ましい実施形態によるインパクトツール１００と制御システム２００とを示している。制御システム２００は、以下に述べる機能を有するものであれば、どのようなハードウェア及び／またはソフトウェアで構成してもよい。例えば、制御システム２００は、マイクロプロセッサを応用し所望のようにプログラムされるデジタル制御装置（フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）など）、または、ここに開示する機能を果たすようにハード配線されたアナログ電気要素の形態で実現することができる。インパクトツール１００（概略的に図示する）は、本体１２と、軸１４上に設けられたトルク変換器１８とを備えている。軸１４は、締結部材１６（これも概略的に示す）に接続できるように構成されている。好ましい実施形態では、トルク変換器１８は、作用しているトルクに応じて出力軸１９に近接した磁界を発生する磁気弾性式トルク変換器である。好ましい実施形態においては、例えば、ＰＣＴ国際公開公報WO99/21150及び同WO99/99/2115に開示されている磁気弾性式トルク変換器を用いることができる。軸１４は、インパクトツールの出力軸、あるいは、従来のインパクトツールを本発明の制御システムに組込むために適した延長軸である。
【００２８】
トルクパルス信号がパルス形態であることにより、インパクトツールの出力軸によって生起された磁界を、変換器１８を囲むように配置されたワイヤのコイルである検出器２１０、または、その他の磁界検出用装置によって検出することが可能である。検出器２１０（断面で示す）には、軸１４に付与されるトルクの変化速度に比例する誘導電圧が発生する。トルクパルスに応じた信号を発生するために、検出器２１０における電圧信号は、制御装置２００のパルス積分器２１２、好ましい実施形態ではオペアンプによって積分される。
【００２９】
パルス積分器２１２の入力電圧におけるオフセットは、それが小さい値であっても、出力が供給路における正電圧または負電圧に到達するまでの間、パルス積分器２１２の出力信号を増減させる。従って、自動バイアス回路２１４の形態のオフセット補正機構を設けることが好ましい。自動バイアス回路２１４は、パルス積分器２１２の出力信号のサンプルを積分し、次いで、パルス積分器２１２の入力信号から差し引くことによってパルス積分器２１２におけるオフセットを修正する。自動バイアス回路２１４は、インパルス発生時にはアナログスイッチ２１６によって緩衝され、こうしてパルスの歪みが最小限に抑えられる。
【００３０】
締結部材１６の計算トルクに対応する信号がトルクインパルス信号、すなわち、差動増幅器２１８による積分器２１２の出力パルスから差し引かれる。締結部材１６の静摩擦作用を考慮に入れるために、トルクインパルス信号が締結部材のトルク（静摩擦）を超えるまで締結部材１６は回転しないものと仮定する。この起動点は、差動増幅器２１８の出力を監視するゼロクロッシング検出器によって決定される。
【００３１】
差動増幅器２１８の出力信号、すなわち差信号がゼロを超えた時点で接点スイッチ２１６が閉じ、差動増幅器２１８の出力信号が速度回路２２０によって積分され締結部材の角速度に比例する信号が生起される。好ましい実施形態では、速度回路２２０は、オペアンプ２２２と、抵抗器２２４と、コンデンサ２２６とを備えている。粘性摩擦作用は、速度回路２２０において抵抗器２２４をコンデンサ２２６と並列配置することによって模擬される。抵抗器２２４の適切な抵抗値は反復方式によって決定される。
【００３２】
差動増幅器２１８の出力がゼロを下回った後、締結部材１６の速度はゼロになるまで減速される。この時点では締結部材１６の静摩擦が締結部材１６を所定位置に保持する。このような作用は、速度回路２２０の信号を監視する比較器によって再現される。比較器は、締結部材１６の速度が正の値である間、前述したスイッチ２１６の接点を閉じ、差動増幅器２１８の出力を積分させる。
【００３３】
トルクに比例する締結部材１６の角変位は、締結部材１６の速度の積分値である。この積分作用は、オペアンプ積分器２３２を含むトルク回路２３０によってなされる。アナログスイッチ２１６の接続は、積分器２３２におけるパルス間のドリフトが最小化されるように、積分器２３２の入力によってなされる。トルク回路２３０の出力は締結部材１２６における推定トルク値であり、上記差動増幅器２１８への差動入力として用いられる。
【００３４】
トルク回路２３０の出力は、電圧比較器２４０によってプリセット電圧閾値と比較される。このプリセット電圧は、ツール１２の作動を停止すべき締結部材１６のトルクを決定する。プリセット電圧値は、制御ユニット２６２及び可変抵抗回路２６４により調節可能な形態で決定される。ツール１２によって与えられる断続的トルクインパルスの各々によってトルク回路２３０の信号が増加する。トルク回路２３０の出力がプリセット電圧を超えた時点で、比較器２４２がタイマー回路２５０を起動させる。タイマー回路２５０は、制御信号を用いて、ツール１００の空気バルブを所定時間、例えば１〜１０秒間、閉鎖する。これによってツール１００の作動が停止して締結部材１６のさらなる締付けが阻止され、作業者にはツールアクチュエータを外すための時間が与えられる。比較器２４２の出力は、フリップ−フロップ回路２６０の状態も変化させる。フリップ−フロップ回路２６０は、スイッチ２１６の接点を操作して速度回路２２０及びトルク回路２３０のコンデンサを短絡排除する。
【００３５】
フリップ−フロップ回路２６０はこれら接点の閉鎖状態を維持し、次の締付け作業が開始される前に積分器２２２，２３２がドリフトするのを防止する。パルス検出比較器２７０がトルクインパルスを検出した時点でフリップ−フロップ回路２６０の状態が変化し、積分器の短絡スイッチが解放され、アルゴリズム計算が再び開始される。ツール１００は、ツール１００の配管に設けられたソレノイド駆動式空気バルブ２８０によって制御される。バルブ２８０を制御するために半導体スイッチ２９０が設けられている。想定される作業者の誤操作として、ツール１００の起動スイッチの早期解放、または、締結部材１６が目標トルクで締付けられる前の時点でのツール１００の解放が挙げられる。このような際、作業者に警告を発するために診断回路２９２が設けられている。診断回路２９２は、ツール１００からのパルスが連続的であるかどうかを監視する。診断回路２９２が、パルス間の時間が約400 msを超えたことを検出した場合、バルブ２８０が所定時間閉鎖され、警報機２９４が警報音を発する。
【００３６】
締結部材１６が回転している際に締結部材１６の回転角の関数として増加してゆく締結部材１６のトルク増加割合は、“トルク勾配”と称される。アルゴリズムの精度を十分なものとするために、可変抵抗器２３４によりトルク回路２３０のゲインを調節することで有効トルク勾配を設定する。自動車用ラグナットの直径及びねじピッチは狭い範囲に収まっている。従って、可変抵抗器２３４によって単一の標準トルク勾配を設定することにより、大多数の自動車のラグナット締付けにおいて十分な精度を実現することが可能である。しかしながら、抵抗値または適切なパラメータを調節して、種々のトルク勾配を設定することも可能である。
【００３７】
締結作業を開始するために、２つの機能を有するリセットスイッチを設けることができる。リセットスイッチが閉じている場合、コンデンサ２３４が短絡され、トルク回路２３０の出力電圧がゼロとされる。また、ツール制御用フリップ−フロップがリセットされて空気バルブが開口され、スイッチが解放された後に締付け作業の開始が可能になる。スイッチを閉鎖状態に保つと、ツールは、締結部材のトルク制御をしない通常の状態で作動可能である。ツール１００の適用に先立って、ラグナットは丁度リムに接触するところまでスタッドにねじ込まれ、従って、トルク勾配は一定であることが想定される。インパクトツールを使う多くの作業者は、初期の未締付け状態からインパクトツールを使ってナットをスタッドにねじ込む形態の締付けを行っている。その結果、締付け過程において、ナットがリムに接触するまでの間、及び接触してからの間で、２つの独立したトルク勾配が存在する。そのため、好ましい実施形態における推定トルクは、始めの数回のインパルスの間に誤差を有している。しかしながら、ナットがリムに接触すると、好ましい実施形態における推定トルクは、直ちに締結部材１６の実際のトルク値に、最小限の誤差で近づく。
【００３８】
以上、好ましい実施形態を個別のアナログコンポーネントと共に説明した。しかしながら、ここに開示し、請求する機能を実現するためにはどのような手段を用いてもよい。例えば、制御装置は、プログラム可能な半導体装置であってもよい。制御信号のような信号は、種々の方式で、また種々の形態で生起することができる。制御信号は、インパクトツールを制御するために、好ましい種々の方式で用いることができる。公知である種々の入力装置を用いて、変数を制御装置に入力すること、及び／または、変数を変更することが可能である。
【００３９】
以上、好ましい実施形態を用いて本発明を説明した。しかしながら、請求項及び法的にそれと同等のものによって定義される本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変更を加えることが可能である。
【００４０】
なお、本出願は、1999年12月16日に出願された米国予備出願No.60/171,117号に基づく優先権を主張する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  好ましい実施形態におけるインパクトツール及び制御システムを示す概略図である。
【符号の説明】
１２  本体
１４  軸（インパクトツールの出力軸、または延長軸）
１６  締結部材
１８  トルク変換器（磁気弾性変換器）
１９  出力軸
１００  インパクトツール
２００  制御システム
２１０  検出器
２１２  パルス積分器（積分手段）
２１８  差動増幅器
２２０  速度回路
２２２  オペアンプ（積分手段）
２３０  トルク回路
２３２  オペアンプ積分器（積分手段）
２４０  電圧比較器（比較手段）
【図１】
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