(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被締結部材に形成されたネジ穴に対してネジ部材を締め付け操作あるいは緩め操作するためのネジ回し装置であって、
超音波振動を発生する圧電素子と、
複数のネジ部材に同時に接触可能な作用面を有し前記圧電素子の超音波振動に基づき機械振動が励振される作用部と、
を備え、
前記作用面には、中央部が外周部よりも前記作用部の軸方向外側に突出する段部が設けられていることを特徴とするネジ回し装置。
【請求項２】
被締結部材に形成されたネジ穴に対してネジ部材を締め付け操作あるいは緩め操作するためのネジ回し装置であって、
超音波振動を発生する圧電素子と、
複数のネジ部材に同時に接触可能な作用面を有し前記圧電素子の超音波振動に基づき機械振動が励振される作用部と、
を備え、
前記作用面が、前記作用部の軸方向に対して傾斜する平面であることを特徴とするネジ回し装置。
【請求項３】
被締結部材に形成されたネジ穴に対してネジ部材を締め付け操作あるいは緩め操作するためのネジ回し装置であって、
超音波振動を発生する圧電素子と、
複数のネジ部材に同時に接触可能な作用面を有し前記圧電素子の超音波振動に基づき機械振動が励振される作用部と、
を備え、
前記作用面は、前記作用部の先端に進むにしたがって縮径する略円錐状の環状テーパ面を有することを特徴とするネジ回し装置。
【請求項４】
前記圧電素子の発生する超音波振動は、前記作用部の軸方向に対して直交する二つのたわみ方向の振動であり、且つ、前記二つのたわみ方向の振動が互いに９０度の位相差を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のネジ回し装置。
【請求項５】
被締結部材に形成されたネジ穴に対してネジ部材を締め付け操作あるいは緩め操作するためのネジ回し装置であって、
超音波振動を発生する圧電素子と、
複数のネジ部材に同時に接触可能な作用面を有し前記圧電素子の超音波振動に基づき機械振動が励振される作用部と、
を備え、
前記作用面は、前記ネジ部材の頭部が挿入可能な凹部を複数備え、
前記各凹部の底面は、作用部の先端に進むにしたがって拡径する円錐状のテーパ面であることを特徴とするネジ回し装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ネジ回し装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ネジ部材は部材の接合手段として広く利用されている。ネジ部材を締めるための手段としては、ネジ部材の頭部に、プラス（＋）形状の「十字穴」やマイナス（−）形状の「すり割り」等の雌型刻印を形成し、これに対応するように形成されたスクリュードライバー等のネジ回し装置の先端を嵌合させて回転することにより、ネジ部材に対して締め付けるための回転トルクを与えるものが一般的である。
【０００３】
しかしながら、被締結部材に締め付けられたネジ部材は、ネジ部材の頭部に形成された刻印に対応した先端形状を持つネジ回し装置があれば簡単に緩めることが可能であり、そのような特性は、一旦、正規の工程で締め付けられたネジ部材が第三者によって緩められると不都合を生じる場合（例えば、ネジの緩め操作が行われていないことを製品保証の条件とする場合など）においては、極めて不適切である。
【０００４】
また、ネジ部材の頭部頂面は該ネジ部材によって接合された被締結部材の表面に露出するため、ネジ部材の頭部に形成された刻印によって被締結部材表面の美観が大きく損なわれてしまう。
このような問題に応えるために、頭部に刻印を備えていないネジ部材を回すことができるネジ回し装置として、圧電アクチュエータを応用したネジ回し装置が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】川野洋、安藤英由樹、「圧電アクチュエータによる刻印なしねじ回しの開発」、ロボティクス・メカトロニクス講演会’０４講演論文集、社団法人日本機械学会、２００４年６月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前記圧電アクチュエータを応用したネジ回し装置を含めて従来のネジ回し装置は、ネジ部材を１つずつ回すように構成されており、一度に同時に複数のネジ部材を回転させることはできなかった。
そのため、複数のネジ部材を締め付けたり緩めたりする場合には、ネジ部材１本毎にネジ回し装置を装着して回転操作しなければならず、多大な労力と作業時間が必要で、生産性が悪かった。
そこで、この発明は、複数のネジ部材を同時に回転することができるネジ回し装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係るネジ回し装置では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、被締結部材に形成されたネジ穴に対してネジ部材を締め付け操作あるいは緩め操作するためのネジ回し装置であって、超音波振動を発生する圧電素子と、複数のネジ部材に同時に接触可能な作用面を有し前記圧電素子の超音波振動に基づき機械振動が励振される作用部と、を備え、前記作用面には、中央部が外周部よりも前記作用部の軸方向外側に突出する段部が設けられていることを特徴とするネジ回し装置である。
このように構成することにより、複数のネジ部材に対して同時に作用面を接触させるとともに圧電素子で超音波振動を発生させると、超音波振動によって励振された作用部の機械振動が作用面を介して前記複数のネジ部材に同時に伝達されるので、複数のネジ部材を同時に同一方向に回転させることができる。
【００１１】
特に、前記作用面には、中央部が外周部よりも前記作用部の軸方向外側に突出する段部が設けられていることから、環状に配置された複数のネジ部材の頭部を作用面の外周部に接触するようにセットして圧電素子で超音波振動を発生させると、環状に配置された複数のネジ部材を同時に回転させることができる。
【００１２】
請求項２に係る発明は、被締結部材に形成されたネジ穴に対してネジ部材を締め付け操作あるいは緩め操作するためのネジ回し装置であって、超音波振動を発生する圧電素子と、複数のネジ部材に同時に接触可能な作用面を有し前記圧電素子の超音波振動に基づき機械振動が励振される作用部と、を備え、前記作用面が、前記作用部の軸方向に対して傾斜する平面であることを特徴とするネジ回し装置である。
このように構成することにより、複数のネジ部材に対して同時に作用面を接触させるとともに圧電素子で超音波振動を発生させると、超音波振動によって励振された作用部の機械振動が作用面を介して前記複数のネジ部材に同時に伝達されるので、複数のネジ部材を同時に同一方向に回転させることができる。特に、前記作用面が、前記作用部の軸方向に対して傾斜する平面であることから、作用面をネジ部材の頭部の外周縁に確実に接触させることができるので、作用部の振動を効率よくネジ部材に伝達することができる。
【００１３】
請求項３に係る発明は、被締結部材に形成されたネジ穴に対してネジ部材を締め付け操作あるいは緩め操作するためのネジ回し装置であって、超音波振動を発生する圧電素子と、複数のネジ部材に同時に接触可能な作用面を有し前記圧電素子の超音波振動に基づき機械振動が励振される作用部と、を備え、前記作用面は、前記作用部の先端に進むにしたがって縮径する略円錐状の環状テーパ面を有することを特徴とするネジ回し装置である。
このように構成することにより、複数のネジ部材に対して同時に作用面を接触させるとともに圧電素子で超音波振動を発生させると、超音波振動によって励振された作用部の機械振動が作用面を介して前記複数のネジ部材に同時に伝達されるので、複数のネジ部材を同時に同一方向に回転させることができる。特に、環状に配置された高さの異なる複数のネジ部材の頭部を、作用面の環状テーパ面に接触するようにセットして、圧電素子で超音波振動を発生させると、これら複数のネジ部材を同時に回転させることができる。
【００１４】
請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記圧電素子の発生する超音波振動は、前記作用部の軸方向に対して直交する二つのたわみ方向の振動であり、且つ、前記二つのたわみ方向の振動が互いに９０度の位相差を有することを特徴とする。
このように構成することにより、二方向のたわみ振動を組み合わせて作用部を励振することができ、位相差の設定の仕方でネジ部材の回転方向を正転方向と逆転方向に切り換えることができる。つまり、一方のたわみ方向に対する他方のたわみ方向の位相差をプラス９０度（＋９０度）にしてネジ部材を正転方向に回転させ、前記位相差をマイナス９０度（−９０度）にしてネジ部材を逆転方向に回転させることができる。
請求項５に係る発明は、被締結部材に形成されたネジ穴に対してネジ部材を締め付け操作あるいは緩め操作するためのネジ回し装置であって、超音波振動を発生する圧電素子と、複数のネジ部材に同時に接触可能な作用面を有し前記圧電素子の超音波振動に基づき機械振動が励振される作用部と、を備え、前記作用面は、前記ネジ部材の頭部が挿入可能な凹部を複数備え、前記各凹部の底面は、作用部の先端に進むにしたがって拡径する円錐状のテーパ面であることを特徴とするネジ回し装置である。
このように構成することにより、複数のネジ部材に対して同時に作用面を接触させるとともに圧電素子で超音波振動を発生させると、超音波振動によって励振された作用部の機械振動が作用面を介して前記複数のネジ部材に同時に伝達されるので、複数のネジ部材を同時に同一方向に回転させることができる。特に、凹部の底面が、作用部の先端に進むにしたがって拡径する円錐状のテーパ面であるので、ネジ部材の頭部の外周縁を確実に凹部の底面に接触させることができ、ネジ部材を効率的に回転させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１および請求項２および請求項３に係る発明によれば、１つの圧電アクチュエータによって、同時に複数のネジ部材を同一方向に回転させることができるので、複数のネジ部材を締結したり緩めたりするために必要な労力を大幅に低減することができるとともに、作業時間を大幅に短縮することができ、生産性が向上する。
特に、請求項１に係る発明によれば、環状に配置された複数のネジ部材を同時に回転させることができる。
また、請求項２に係る発明によれば、作用部の振動を効率よくネジ部材に伝達することができるので、ネジ部材を効率よく回転させることができる。
また、請求項３に係る発明によれば、環状に配置された高さの異なる複数のネジ部材を同時に回転させることができる。
【００１７】
請求項４に係る発明によれば、一方のたわみ方向に対する他方のたわみ方向の位相差をプラス９０度（＋９０度）にしてネジ部材を正転方向に回転させ、前記位相差をマイナス９０度（−９０度）にしてネジ部材を逆転方向に回転させることができるので、位相差を選択的に設定することによりネジ部材を締結したり、緩めたりすることができる。
【００１８】
請求項５に係る発明によれば、複数のネジ部材の取り付け位置が予め決まっている場合に、ネジ部材の位置決めを容易に行うことができ、作業性が向上する。また、ネジ部材の頭部の外周縁を確実に凹部の底面に接触させることができ、ネジ部材を効率的に回転させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、この発明に係るネジ回し装置の実施の形態を図３から図７の図面を参照して説明する。
初めに、ネジ部材について図２を参照して説明する。ネジ部材１は、いわゆる皿頭ネジであり、外周面に螺旋状の雄ネジ２ａが形成された軸部２の一端に略円錐形状の頭部３が一体的に連設されて構成されている。但し、このネジ部材１では、いたずら防止のため、頭部３の頂面３ａに刻印が施されておらず（無刻印）、平坦面な形態にされている。
【００２０】
次に、この発明に係るネジ回し装置を説明する前に、その基礎技術となるネジ回し装置（圧電アクチュエータ）１０を図１を参照して説明する。
ネジ回し装置１０は、２つの圧電素子群１３，１４を備えたランジュバン振動子からなる。詳述すると、ネジ回し装置１０は、軸方向中央に配置されたフランジ１１と、フランジ１１の軸方向両側に配置された２つの中央振動部材１２，１２と、各中央振動部材１２に隣接して配置され、互いに直交する方向にたわみ振動を誘起する２組の圧電素子群１３，１４と、圧電素子群１３に隣接して配置された先端振動部材１５と、圧電素子群１４に隣接して配置された後端振動部材１６とを軸方向に積層して、図示しないボルトで締結し、先端振動部材１５の先端面１５ａに振動伝達部材１７を取り付けて構成されている。なお、圧電素子群１３，１４は複数の圧電素子を積層して構成されている。
【００２１】
圧電素子群１３，１４は、図示しない交流電源から所定の交流電圧を印加することにより、超音波領域の周波数の振動（すなわち超音波振動）を発生するものであり、この圧電素子群１３，１４で発生した超音波振動に基づいて振動伝達部材１７に機械振動が励振される。そして、振動伝達部材１７の先端面１７ａに任意の部材（例えばネジ部材１）を接触させると、この部材は回転運動を行う。したがって、機能的に見ると、ネジ回し装置１０は超音波モータにおける振動子としての機能を果たし、ネジ部材１は超音波モータにおける回転子としての機能を果たすと言うことができる。
【００２２】
また、圧電素子群１３，１４は、振動伝達部材１７の軸方向（換言すると、ネジ回し装置１０の軸方向、あるいは、ネジ回し装置１０を構成する部材の積層方向）をｘｙｚ直交座標系のｚ軸としたときに、ｙ軸をピッチ軸とするピッチ方向のたわみ振動を励振するピッチ方向たわみ振動用の圧電素子群１３と、このピッチ軸と直交するｘ軸をロール軸とするロール方向のたわみ振動を励振するロール方向たわみ振動用の圧電素子群１４で構成されている。
このように構成したことにより、ネジ回し装置１０は、振動伝達部材１７の先端面１７ａに接触するネジ部材１に対して、ピッチ方向のたわみ振動とロール方向のたわみ振動の二方向のたわみ振動を伝達することが可能となる。そして、二方向のたわみ振動が伝達されたネジ部材１は、ネジ部材１の軸部２と被締結部材３０のネジ穴３１との接触面に作用する摩擦力に応じて回転トルクを発生する。
【００２３】
また、このネジ回し装置１０では、圧電素子群１３により励振するピッチ方向のたわみ振動と、圧電素子群１４により励振するロール方向のたわみ振動とが、互いに９０度の位相差を有して振動するように所定の交流電圧を印加可能に構成されており、これによりネジ回し装置１０によってネジ部材１に発生せしめられる回転トルクの回転方向を正逆両方向に制御することが可能となる。例えば、ピッチ方向のたわみ振動に対してロール方向のたわみ振動の位相差をプラス９０度（＋９０度）にしてネジ部材１を正転方向（締め込む方向）に回転させ、前記位相差をマイナス９０度（−９０度）にしてネジ部材１を逆転方向（緩める方向）に回転させることができる。
【００２４】
なお、フランジ１１は、超音波振動の節となって無振動領域を構成するものであり、このフランジ１１を中空懸架することにより、振動伝達部材１７の先端面１７ａに接触しているネジ部材１以外に、ネジ回し装置１０で発生した超音波振動を伝達しないようにすることが可能である。
【００２５】
振動伝達部材１７は、先端振動部材１５の先端面１５ａに着脱自在に取り付けられており、先端振動部材１５に装着された状態では先端振動部材１５に対して相対移動不能となって、先端振動部材１５と一体となって振動する。
振動伝達部材１７は円板状をなし、その先端面１７ａは滑らかな平面に形成されていて、先端面１７ａは、複数のネジ部材１の頭部３の頂面３ａが同時に接触可能な面積を有している。
なお、振動伝達部材１７は作用部を構成し、振動伝達部材１７の先端面１７ａは作用面を構成する。
【００２６】
次に、図１を参照して、このネジ回し装置１０により複数のネジ部材１を同時に被締結部材３０に締結するネジ締結方法を説明する。
被締結部材３０には、同一仕様（同一径、同一ピッチ、同一長さ等）のネジ部材１の軸部２が螺合可能なネジ穴３１が複数設けられており、ネジ穴３１の入口側にはネジ部材１の頭部３を収容可能なテーパ穴３２が設けられている。この複数のネジ穴３１は、総てのネジ穴３１の同軸延長上にそれぞれ１本ずつネジ部材１を配置したときに、総てのネジ部材１の頭部３の頂面３ａが振動伝達部材１７の先端面１７ａ内に収まるように、配置されている。
【００２７】
まず、被締結部材３０の各穴３１にそれぞれ１本ずつネジ部材１の軸部２を手操作により若干ねじ込み、総てのネジ部材１の頭部３の頂面３ａの高さをほぼ揃えておく。
次に、ネジ回し装置１０の振動伝達部材１７の先端面１７ａを、総てのネジ部材１の頭部３の頂面３ａに接触するように配置し、所定の大きさの圧力で押圧しながら、ネジ部材１を正転方向（締め込む方向）に回転させる超音波振動を発生させるように、圧電素子群１３，１４に所定の交流電圧を印加する。
【００２８】
すると、振動伝達部材１７の先端面１７ａと総てのネジ部材１の頂面３ａを介して、総てのネジ部材１に同一方向の回転運動が伝達されるとともに、ネジ回し装置１０を押圧する力に応じた回転トルクが総てのネジ部材１に伝達される。その結果、総てのネジ部材１の軸部２がそれぞれ対応するネジ穴３１に螺合していく。そして、各ネジ部材１の頭部３が被締結部材３０の各テーパ穴３２に収容されて突き当たった時点で、総てのネジ部材１の締め付け操作が完了する。
なお、ネジ部材１の頂面３ａは振動伝達部材１７の先端面１７ａ内であればいずれの位置に接触していてもよく、極めて自由度が大きい。
【００２９】
なお、締め付けの途中で、あるいは締め付け完了後に、総てネジ部材１を緩める場合には、ネジ回し装置１０の振動伝達部材１７の先端面１７ａを、総てのネジ部材１の頂面３ａに接触させ、所定の大きさの圧力で押圧しながら、ネジ部材１を逆転方向（緩める方向）に回転させる超音波振動を発生させるように、圧電素子群１３，１４に所定の交流電圧を印加すればよい。
【００３０】
このように、１つのネジ回し装置１０によって、複数のネジ部材を同時に同一方向に回転することができ、且つ、その回転方向を正転方向と逆転方向のいずれかに選択することができるので、複数のネジ部材１を同時にそれぞれ対応するネジ穴３１に対して締結したり緩めたりすることができる。その結果、複数のネジ部材１を締結したり緩めたりするために必要な労力を大幅に低減することができるとともに、作業時間を大幅に短縮することができ、生産性が向上する。
【００３１】
なお、振動伝達部材１７の先端面１７ａに、磁力あるいは空気吸引などの手段により弱い吸着機能を備えておくと、予めネジ部材１をネジ穴３１に螺合しておかずに、振動伝達部材１７の先端面１７ａに、締結すべき総てのネジ部材１の頂面３ａを吸着させてネジ部材１を支持し、その後、ネジ回し装置１０に支持されたネジ部材１の軸部２の先端をそれぞれ対応するネジ穴３１のテーパ穴３２に挿入し、超音波振動を付与して締結操作することができる。
【００３２】
前述したように、このネジ回し装置１０では、振動伝達部材１７が先端振動部材１５の先端面１５ａに着脱自在に取り付けられており、回すべきネジ部材１の配置等に応じて振動伝達部材１７を交換することができるようになっている。
以下、交換用に用意された振動伝達部材１７について説明するとともに、この発明に係るネジ回し装置の実施の形態を説明する。
【００３３】
前述した振動伝達部材１７の先端面１７ａは滑らかな平面に形成されていたが、この発明に係るネジ回し装置１０では、図３に示すように、振動伝達部材１７の先端面１７ａにネジ部材１の頭部３を挿入可能な円形の凹部１８が、回すべきネジ部材１の配置に対応して複数（図３の例では２つ）設けられている。凹部１８は、図４に示すように、底面１８ａが振動伝達部材１７の先端に進むにしたがって拡径する円錐状のテーパ面に形成されている。
このように構成された振動伝達部材１７を装着したネジ回し装置１０では、複数のネジ部材１の取り付け位置が予め決まっている場合に、ネジ部材１の位置決めを容易に行うことができ、作業性が向上する。この作用・効果は、振動伝達部材１７の先端面１７ａに前述した吸着機能を備えた場合に特に顕著である。
また、凹部１８の底面１８ａが円錐状のテーパ面であるので、、ネジ部材１の頭部３の外周縁を確実に凹部１８の底面１８ａに接触させることができ、ネジ部材１を効率的に回転させることができる。
【００３４】
図５に示す振動伝達部材１７では、先端面１７ａに環状の段部１９が設けられていて、段部１９より内側に位置する中央部２０が、段部１９より外側に位置する肩部（外周部）２１よりも軸方向外側へ突出している。
この振動伝達部材１７は、複数のネジ部材１が環状に配置される場合に有効である。詳述すると、このように構成された振動伝達部材１７を装着したネジ回し装置１０では、環状に配置された総てのネジ部材１の頭部３の頂面３ａを先端面１７ａの肩部２１に押し当てることで、これら総てのネジ部材１を同時に回転させることができる。
【００３５】
図６に示す振動伝達部材１７では、先端面１７ａが振動伝達部材１７の軸方向に対して傾斜する平面に形成されている。
この振動伝達部材１７は、複数のネジ部材１が一直線上に配置される場合に有効である。詳述すると、このように構成された振動伝達部材１７を装着したネジ回し装置１０では、一直線上に配置された総てのネジ部材１の頭部３の外周縁を振動伝達部材１７の先端面１７ａに確実に接触させることができるので、これら総てのネジ部材１を効率的に回転させることができる。
【００３６】
図７に示す振動伝達部材１７の先端面１７ａには、先端に進むにしたがって縮径する略円錐状の環状テーパ面２２が設けられている。
この振動伝達部材１７は、複数のネジ部材１が環状に配置される場合に有効である。詳述すると、このように構成された振動伝達部材１７を装着したネジ回し装置１０では、環状に配置された総てのネジ部材１の頭部３の外周縁を振動伝達部材１７の環状テーパ面２２に確実に接触させることができるので、これら総てのネジ部材１を効率的に回転させることができる。
この作用・効果は、複数のネジ部材１の高さが異なる場合に特に顕著である。すなわち、環状に配置された高さの異なる総てのネジ部材１に対して、その頭部３の外周縁を振動伝達部材１７の環状テーパ面２２に接触させることができるので、これら総てのネジ部材１を同時に回転させることができる。
【００３７】
このように振動伝達部材１７を先端振動部材１５に着脱可能にし、先端面１７ａの形態を異にする振動伝達部材１７を予め複数用意しておくと、ネジ部材１の配置等に応じて最適な振動伝達部材１７に交換することができるので、種々の配置パターンにおける複数のネジ部材１を効率的に回転させることができ、汎用性が向上する。
【００３８】
〔他の実施の形態〕
なお、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、前述した実施の形態におけるネジ回し装置では、作用部（振動伝達部材１７）を交換可能にしているが、必ずしも交換可能にしなくてもよい。作用部を交換不能にした場合の作用面（振動伝達部材１７の先端面１７ａ）には、前述した図３から図７に示される振動伝達部材１７の先端面１７ａのいずれを採用することも可能である。
また、この発明のネジ回し装置で締結あるいは回転するネジ部材は、前述した実施の形態におけるネジ部材に限るものではなく、例えば、頭部に刻印を有するネジ部材や、頭部が軸部より大きくないネジ部材であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】この発明の基礎技術となるネジ回し装置の側面図である。
【図２】ネジ部材の一例を示す斜視図である。
【図３】この発明に係るネジ回し装置の作用部における作用面の正面図である。
【図４】前記作用面の部分断面図である。
【図５】この発明に係るネジ回し装置に別の作用部を装着した状態を示す側面図である。
【図６】この発明に係るネジ回し装置にさらに別の作用部を装着した状態を示す側面図である。
【図７】この発明に係るネジ回し装置にさらに他の作用部を装着した状態を示す側面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  ネジ部材
１０  ネジ回し装置（圧電アクチュエータ）
１３，１４  圧電素子群（圧電素子）
１７  振動伝達部材（作用部）
１７ａ  先端面（作用面）
１８  凹部
１９  段部
２０  中央部
２１  外周部（肩部）
２２  環状テーパ面
３０  被締結部材
３１  ネジ穴
【図１】
0004515390.tif 000002
【図２】
0004515390.tif 000003
【図３】
0004515390.tif 000004
【図４】
0004515390.tif 000005
【図５】
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【図６】
0004515390.tif 000007
【図７】
0004515390.tif 000008