(57)【要約】パワートルク工具は、出力シャフト（18）を有し、トルクパルスは出力シャフトに沿ってボルトなどの負荷（28）に伝達される。シャフトはインパクトタイプまたはピストンシリンダタイプの機構（16）により駆動する。シャフト（18）のトルクは、シャフト（18）の一体領域により測定され、一体領域は、トルク依存の磁界を発生させる残留磁気を蓄える。磁界は非接触の検知装置34により検知される。トルクインパルスを処理して、所定のトルクに達したら1次モータ（14）を停止するようモータの動作を制御する。パワートルク工具で発生したトルクパルスの特徴が、パルスを処理する方法とともに分析される。シャフトに沿ったトルクパルス伝達におけるトルク損失を測定することが開示される。
2004530570.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力シャフトのトルクを示す信号を取得するための変換アセンブリを含むパルストルク工具であって、
前記変換アセンブリは、前記シャフトに形成され、前記トルクに応じて、前記トルクに依存する磁界または磁界成分を発生させる蓄積磁気を有する磁化された変換素子と、前記出力シャフトまたは変換素子と非接触に取り付けられ、前記発生した磁界を検出し、前記磁界に依存する出力信号を供給する磁気検知装置と、を含むことを特徴とするパルストルク工具。
【請求項２】
請求項１に記載のパルストルク工具において、
前記変換素子を前記出力シャフトの一体領域に形成することを特徴とするパルストルク工具。
【請求項３】
請求項２に記載のパルストルク工具において、
前記変換素子は、前記出力シャフトの回転軸廻りに環状に延び、かつ軸方向に延びる蓄積磁気を有することを特徴とするパルストルク工具。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかに記載のパルストルク工具において、
前記工具は、前記変換アセンブリと接続し、パルス列からトルクを表す信号を発生させる電子回路を内蔵するハウジングを有することを特徴とするパルストルク工具。
【請求項５】
請求項４に記載のパルストルク工具において、
前記回路は、前記工具を駆動し、前記工具の動作を制御するモータに接続することを特徴とするパルストルク工具。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れかに記載のパルストルク工具において、
前記工具は、インパクトトルク工具であることを特徴とするパルストルク工具。
【請求項７】
出力シャフトを有するパルストルク工具において発生するトルクを表す信号を発生させる方法であって、
ａ）前記工具で発生したトルクパルス列を検知して、トルクが前記出力シャフトに伝達される間に１つのパルス部分を少なくとも含むパルス信号からなるパルス信号列を取得するステップと、
ｂ）前記列の各パルスを処理して、各パルスの前記パルス部分から、前記部分の時間積分を表す第１の値を得るステップと、
ｃ）各パルスの前記時間積分値に、前記パルス部分のパルス持続時間を乗じ、前記パルスで発生した前記トルクを表す第２の値を得ることにより、前記列の各パルスに対応する第２の値の列を得るステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法において、
ｄ）前記工具からのトルクパルス列を、前記工具の負荷として機能する較正装置に印加するステップと、
ｅ）前記較正装置において連続するパルス列により測定された連続するトルク値のプロットであるパルスパワー工具のための較正曲線を取得するステップと、
ｆ）パルス列の前記較正曲線を、ステップｃ）で取得した第２の値のプロットの曲線と比較するステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
パルスパワー工具により負荷にトルクパルス列を印加する手順であって、
１）前記工具が前記負荷と噛み合っている間に、請求項１または２の方法ステップを実行するステップと、
２）前記パルス列を前記負荷に
ｉ）予め定められた第２の値をステップｃ）において得るまで、または
ｉｉ）予め定められた第２の値を得るのに相応の時間の間、
印加するステップと、を含むことを特徴とする手順。
【請求項１０】
請求項７または８に記載の方法または請求項９に記載の手順において、
前記パルスパワー工具がインパクトパルス工具であることを特徴とする方法または手順。
【請求項１１】
出力シャフトを有するパルストルク工具において発生するトルクに対するトルクを表す信号を発生させる方法であって、
ａ）前記出力シャフトに印加されるトルクパルス列を検知するステップと、
ｂ）前記列の新しいパルスの振幅を、少なくとも１つの前のパルスから得た比較振幅と比較するステップと、
ｃ）前記新しいパルスの振幅が前記比較振幅を超える場合に、前記新しいパルスから計算された値を、出力トルク値として入力するステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
出力シャフトを有するパルストルク工具において発生するトルクに対するトルクを表す信号を発生させる方法であって、
ａ）前記出力シャフトに印加されるトルクパルス列を検知するステップと、
ｂ）前記列の新しいパルスの振幅を、少なくとも１つの前のパルスから得た比較振幅と比較するステップと、
ｃ）前記新しいパルスの振幅が前記比較振幅を超えない場合に、前記新しいパルスの振幅を表す値により記憶された値を増分するステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
出力シャフトを有するパルストルク工具において発生するトルクに対するトルクを表す信号を発生させる方法であって、
ａ）前記出力シャフトに印加されるトルクパルス列を検知するステップと、
ｂ）前記列の新しいパルスの振幅を、少なくとも１つの前のパルスから得た比較振幅と比較するステップと、
ｃ１）前記新しいパルスの振幅が前記比較振幅を超える場合に、前記新しいパルスから計算された値を、出力トルク値として入力するステップか、または、
ｃ２）前記新しいパルスの振幅が前記比較振幅を超えない場合に、前記新しいパルスの振幅を表す値により、ステップｃ１）で得た前記出力トルク値または記憶された値を増分するステップ、を含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
トルク伝達システムであって、
入力端部から出力端部へその長さに沿ってトルクを伝達するよう、回転可能に取り付けられたシャフトと、
前記入力端部および出力端部間の第１および第２の離間した位置において、前記シャフトのトルクを検知するよう配置され、前記第１および第２の位置における前記トルクを表す第１および第２の信号をそれぞれ供給するよう動作可能な第１および第２のトルク変換器と、
前記第１および第２の信号に応答し、これらの差異に依存して出力信号を発生させる出力手段と、を含むことを特徴とするトルク伝達システム。
【請求項１５】
請求項１４に記載のトルク伝達システムにおいて、
前記出力手段は、前記出力信号から、前記第１および第２の変換器から遠く離れた位置において、前記シャフトが伝達する前記トルクの値を得るよう動作可能であることを特徴とするトルク伝達システム。
【請求項１６】
請求項１４または１５に記載のトルク伝達システムにおいて、
前記シャフトの前記出力端部は、トルクを伝達すべき負荷に結合するよう構成されることを特徴とするトルク伝達システム。
【請求項１７】
請求項１５または１６に記載のトルク伝達システムにおいて、
前記第１および第２の変換器から遠く離れた前記位置が、前記出力端部であることを特徴とするトルク伝達システム。
【請求項１８】
請求項１４乃至１７の何れかに記載のトルク伝達システムにおいて、
前記シャフトの前記入力端部は、トルクを前記シャフトに伝達するトルク発生手段に結合され、前記トルク発生手段は、トルクパルス列を発生するよう動作可能であることを特徴とするトルク伝達システム。
【請求項１９】
請求項１８に記載のトルク伝達システムにおいて、
前記トルク発生手段は、圧力パルスタイプのパルスを発生するよう動作可能であることを特徴とするトルク伝達システム。
【請求項２０】
請求項１４乃至１９の何れかに記載のトルク伝達システムにおいて、
前記出力手段は、前記第１および第２の変換器の間に間隔をとって配置され、単位長さあたりの損失として表される前記第１および第２の信号間の差異を示す出力信号を発生するよう動作可能であることを特徴とするトルク伝達システム。
【請求項２１】
請求項１８乃至２０の何れかに記載のトルク伝達システムにおいて、
前記第１のトルク変換器は、検出される瞬間的トルクを表す波形として前記第１の信号を供給し、前記出力手段は、前記波形を分析するよう動作可能であることを特徴とするトルク伝達システム。
【請求項２２】
請求項１５、１７、２１の何れかに記載のトルク伝達システムにおいて、
前記出力手段は、トルク損失を前記シャフトに沿った伝達距離の関数として表す予め定められた関係に従って、前記伝達されたトルク値を得るよう動作可能なことを特徴とするトルク伝達システム。
【請求項２３】
請求項２２に記載のトルク伝達システムにおいて、
前記出力手段は、前記伝達されたトルク値が予め定められた値に達した時、前記トルク発生手段に対するコマンド信号を発生するよう動作可能であることを特徴とするトルク伝達システム。
【請求項２４】
請求項１４乃至２３の何れかに記載のトルク伝達システムにおいて、
前記第１および第２の各変換器は、磁化されており、トルクの関数である磁界成分を発生させるよう磁化されたシャフト領域と、前記発生した磁界成分に応答する、前記シャフトに非接触の磁界検知装置と、を含むことを特徴とするトルク伝達システム。
【請求項２５】
請求項１４乃至２４の何れかに記載のトルク伝達システムを含むパワートルク工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルストルク工具、パルストルク工具で発生するトルクを測定する方法、および一定のトルクを得るために工具の動作を制御する方法に関する。
また、本発明は、トルク伝達シャフトに沿って発生するトルク損失を測定する方法および装置、およびシャフトにより負荷に印加されるトルクの決定に関する。本発明のこの特徴は、特に、パルストルクを発生させるパワー工具におけるトルク損失の測定、およびパワー工具により負荷に印加されるトルクの決定に適用される。
【０００２】
本発明は、与えるトルクを操作者が測定つまり判断しなくても制御されたトルクを伝達できるパワー工具に適用されるが、これに限定されない。このような工具は、パワートルクレンチと呼ばれることもある。
パルストルク工具には２つのカテゴリがある。１つは、インパクトがトルクインパルスを発生させるもので、もう１つは、ピストンシリンダ機構により発生する圧力パルスなどにより制御特性パルスを発生させるものである。どちらの場合も、連続パルス列を発生させてトルクを増大させる。インパクトタイプの工具は、電動または空気圧によって駆動し、圧力パルス型の工具は、液圧（例えば油圧）駆動または電動である。
【背景技術】
【０００３】
パワートルク工具は、自動車組立などの製造業において、締付けトルクを印加してナットをボルトに固定する作業、または同様の作業に以前より使用されている。これらのパワートルク工具は、連続するトルク駆動パルスを供給する。これらのパルスは、出力シャフトの一端で発生し、別端のナットまたはボルト頭部に嵌合する形状のアダプタに伝達される。パワートルク工具が発生させるパルスは、上述の２種類の工具に従い、２種類に大別される。
【０００４】
第１種のパルスは、インパクトパワー工具が発生させる短いインパルスであり、回転ハンマ（ドッグ）アセンブリがトルク伝達シャフトに結合するアンビルを衝撃により打ちつけるハンマアンビルタイプの機構により発生する。ハンマとアンビルとは断続的に接触する。第２種のパルスは、ピストンシリンダ機構に常に結合する圧力タイプの機構が発生させるより長いインパルスである。圧力パルスはシャフトを振動させる。参照の都合上、第１種のパルスをインパクトパルスまたはインパルスと呼び、第２種のパルスを圧力パルスまたはインパルスと呼ぶ。
【０００５】
インパクトトルク工具については、例えば米国特許第3,428,137号および第5,083,619号で説明されている。このような工具においては、ほとんどは空気圧、しかし一部は電気によって作動する回転モータが、カムの助けを借りてハンマドッグを直線軸方向に動かし、回転によりアンビルドッグと係合することにより回転ハンマ運動を段階的なパルス運動としてアンビルドッグの回転運動に転化する機構を作動させる。通常、モータ1回転につき２回のハンマ衝突がある。出力シャフトはアンビルドッグの段階的なパルス運動により駆動する。モータと1組のハンマドッグとの間にクラッチがあっても良い。このように、アンビル機構は、出力シャフトにおいてトルクインパルス列を発生させる。
【０００６】
トルクのシャフトへの伝達は、単純な関係ではない。それは、出力トルクが伝達される負荷の性質に大いに左右される。ナットをボルトに、またはボルトをナットに所望のトルクで締め付けることは、負荷の一般例であり、工業の組立プロセスでよく見られる。このような工業プロセスでは、同じ締付け行為を頻繁に繰返すことがしばしば必要となるので、ナットまたは他の部分の締付けに必要なトルクを常に得られる反復的かつ信頼できる動作が必要となる。トルクは、関連部分または取付け具をしっかり留める他のストレスに変換される。
【０００７】
従来は、インパクトトルク工具の出力シャフトのトルクを、出力を使用してモータへのパワーを制御する歪ゲージアセンブリにより測定していた。歪ゲージ検出デバイスは、出力シャフトに取り付けられることが１つの問題である。歪ゲージアセンブリは、インパクトタイプの動作におけるシャフトのハンマリングおよび振動が激しいことから、シャフトから離れやすい。このことは、シャフトに取り付ける必要があるどんな検出デバイスにも当てはまる可能性が高い。別の問題は、シャフト上の検出デバイスから工具内に内蔵された処理装置への信号伝送である。シャフトのハンマリングおよび振動には、スリップリングなどの信頼できない手段による信号伝送を使用する。さらに、別の問題が検出デバイスの応答速度や関連するパラメータ帯域幅に存在し、トルクがシャフトのインパルスとして発生することを覚えておきたい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
インパクトトルク工具の制御動作の根底にあるより全体的な問題は、トルクインパルスと、締付けが進むにつれて堅くなる負荷との相互作用のデータについての理解が不足していることである。締付け度が大きすぎると、ボルト剪断などの損傷の原因となる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の１つの態様では、パワートルク工具の出力シャフトに一体形成された変換素子を有する磁気ベースのトルク変換技術を採用することが提案される。この方法により、変換素子をシャフトから切り離せなくなる。変換素子は、シャフトと非接触の磁界検知装置が検知するトルク依存の磁界を発生させる。変換素子は、後述するトルクインパルスの検知に適した高速応答性を有するものである。
本発明の別の態様では、所定のトルクの獲得を予測または測定し、パワートルク工具の動作制御に使用できる手順が提案される。これらの手順の開発は、工具が発生させるトルクインパルス列特性の調査、分析、および測定に依存する。この研究は、前節および以下で説明する磁気変換技術の助けを借りて、現在進行中である。
【００１０】
以下では、本発明の実施例が、インパクトトルクパワー工具とこれが発生させるインパクトタイプのインパルスの処理に関して特に説明される。磁気ベースのトルク変換技術は、圧力パルスを発生させる工具に使用できることがわかるだろう。また、後述するパルス処理および測定手順は、通常、インパクトタイプおよび圧力タイプの両パルスに適用できる。
【００１１】
本発明のさらに別の態様では、トルクパルスが印加されるトルク伝達シャフト沿いの一定間隔の２点においてトルク測定を行うことが提案される。この態様は、１つの指標を提供し、この指標からトルク損失またはシャフトに沿ったトルク損失の（単位長さあたりの）速度を表すパラメータを推定し、このパラメータからシャフトの負荷端部に伝達されるトルクを計算できる。以降の説明では、直線外挿ができるように、シャフトに沿った単位長さあたりのトルク損失は一定であると考える。しかし、ここでの教示は、単位長さあたりのトルク損失についての別の仮定にも適用できる。
本発明のこの態様については、特に、パワートルク工具に関する実施を参照して後述する。
現在保護が必要な本発明の態様および特徴は、特許請求の範囲に記載されている。
以下では、本発明とその実施例を添付図面を参照して詳しく説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明を適用したパワートルク工具10の素子を示す。この工具は、インパクトパルスタイプまたは圧力パルスタイプのどちらでも良いが、以下における説明のため、工具10はインパクトパルスタイプとする。
【００１３】
インパクトトルク工具10は、電気または空気圧で作動するモータ14を内蔵するハウジング12を有するハンドヘルド手段である。モータはインパクトコンバータ16により出力シャフト18に結合され、出力シャフトの先端は、トルクを印加する負荷と噛み合い可能なアダプタ20を有する。この例では、負荷はナット24付のボルト22であり、ボルトは開口部を備えた取り付け具26を通って延びる。図に示すように、ナットとボルトは取り付け具26上に締め付けられている。アダプタ20はボルトの頭部28と噛み合い、六角頭部などの頭部28とぴったり合う内部リセスが形成されている。ここまで述べた工具10の特徴は、従来のものであり、当業者には周知である。モータ14の回転をシャフト18のトルクパルス列に変換するインパクトコンバータが後の説明から現れるが、パルスをボルト頭部28に伝達することは、トルクインパルスを発生させ、伝達し、締め付け負荷と反応させる方法に関する新しい情報をもたらす新しい研究の対象である。負荷は、締め付けが進行するにつれてなかなか前方に動かなくなる。後述のすべてのテストにおいて、トルクが印加されるシャフトまたはボルトは機械的な弾性限度内で応力が加えられ、剪断または切断などの永久変形は回避される。
【００１４】
工具の新しい特徴の１つは、シャフトのトルクインパルスを検出し、測定する磁気変換器30である。変換器は、シャフト18の一体領域であり、強磁性体からなるトルク検知素子32を含む。領域32は、残留または蓄積磁気を有するよう磁化されており、外部磁界源として機能する。領域32がトルクに依存する磁界または界成分を発生させるよう磁化される。磁化の１つは、円周方向（環状）磁化であり、国際公開WO99/56099号にはシャフトの一体領域でこれを用いることが開示されている。シャフトの一体領域で使用可能なもう１つの磁化は、縦方向磁化であり、蓄積磁気の環がシャフトの軸廻りに形成され、その磁化方向はシャフト方向である。縦方向磁化の１つのタイプは、円周方向検知と呼ばれ、PCT特許出願公開WO01/13081号に開示され、別のタイプは、転位磁化と呼ばれ、PCT特許出願公開WO01/79801号に開示され、参照により本明細書に組み込まれる。転位は、半径方向または軸方向プロファイルについて検出できる。上記２つの文献には、検出すべき磁界に適した磁気検知装置が記載されている。転位磁化タイプの変換素子を使用することにより、本発明は生み出され、以下に記載の調査も行われた。発生するトルク依存の磁界は、モータ14の動作を制御する検出・制御回路36に接続する非接触の検知装置34により検出される。検知装置は１以上の検知デバイスを含んでいても良く、発生する磁界の性質や１またはそれ以上の検知デバイスの配置についてのより詳細な説明は、上述の国際公開WO99/56099号、WO01/13081号およびWO01/79801号において、磁化のタイプ別になされている。
【００１５】
検知装置34において使用する検知デバイスは、ホール効果素子または磁気抵抗素子であっても良い。好適に使用されているものは、例えば国際公開WO98/52063号で開示される回路に接続する飽和コアデバイスである。
【００１６】
インパクトトルク工具（インパクトトルクレンチとも呼ばれる）を動作させる時、ボルト22のトルクの立ち上がりを測定および予測することは重要である。工具に組み込まれる変換器は、出力シャフトのトルクのみを測定できるが、このトルクはボルトの締め付け具合に影響される。注意すべきは、シャフト18からボルト22へのトルクの伝達は、アダプタ20のボルト頭部28への嵌まり具合、およびシャフト18の軸とボルト22の軸の整合性に左右されることである。なぜなら、工具はハンドヘルドであり、多少のずれが見込まれるからである。工具からボルトへのトルクの伝達効率は、30％を超える可能性が低いことがわかっている。また、損失が、ボルト22とこれが取り付けられている部分つまり取り付け具26との間に生じる可能性がある。ボルトが開口部にぴったり合い、錆びてグリスが塗布されていない場合、ボルト頭部28からボルトシャフト自体へのトルク伝達損失は、50％より大きくなる。ハンドヘルド工具を使用する時、一連のインパルスを超えて伝達されるトルクは広範囲にわたって変化しうる。
【００１７】
負荷の締め付けにおいて所定のトルクを得る方法にはいくつかの異なる提案がある。前述のボルトを例として使用する。
１）信号積分
この方法は、インパクト毎に伝達されるトルクを測定し、連続する測定結果を積分し、ボルトのシャフトに必要なトルクの達成を予測することに基礎を置く。この方法は、工具と負荷とからなる完全なシステムの較正を必要とする。負荷には、例として前述のボルトを使用する。測定サイクルは、ボルトを手で締めることによってボルトが部材にちょうどくっついたポイントから始まる。このポイントにおけるボルトシャフトのトルクは原則的に0である。この方法では、インパクトトルク工具の作用によるボルト締付けは間断なく進行すると仮定されている。この方法は、ボルト頭部への連続的なインパクトによるトルク増大が、後で説明する定義された曲線をたどる場合に適用できる。
【００１８】
２）瞬間的トルク計算
この方法は、インパクトパワー工具と負荷とからなる完全システムにも適用できる。この方法は、インパクト毎に検出されるトルク信号を分析し、インパクト毎のトルク依存パラメータを計算することを基にする。一連のパラメータは、定義されたトルクｖ（インパルス列のインパクト数）の曲線に一致する。
リアルタイムで動作するプログラムに上記２つの手順が使用でき、プログラムは、後で説明するように、ある特性が検出されるとどちらかの手順を選択する決定関数を含むことができる。
上記両方法は、インパルスタイプの作用およびこの作用から発生するトルクインパルスを調査する新しい研究から生みだされた。
【００１９】
図２は、インパクトトルクの発生を調査する実験装置の原理を示す。実際の実施態様は図３に示す。図２について説明する。シャフト42は、端部44を有し、この端部は、取り付け具内の回転に押し付けられる（43として図示）。取り付け具は、ボルト端部44を収容する開口部を有し、締め付けネジはこの開口部へと延び、水平軸A-A廻りにほぼ自由に回転できる設定から、抵抗を受ける回転、そして無回転へと調整できる。ボルトのもう一方の端部46には、アンビルとして機能する半径方向に突き出るペグを設ける。軸A-Aより上の水平軸B-B廻りに自由に揺れ動くよう取り付けられた振り子50は、重り54を備えた振り子アーム52を有する。振り子の大きさは、持ち上げた位置から下方へ動く時に、重り54がペグ48を打ち、重りの運動量によりシャフト42にトルクエネルギインパルスを発生させるような大きさである。各トルクインパルスに使用可能なエネルギは、重り54の初期高さにより決まる。図２には、振り子アームの２つの初期位置52と52'とが示され、２つの重り54と54'との高さの差はhである。ペグ48にインパクトを与えると、軸A-A廻りに角度αだけずれる。ずれたペグの位置は48'である。インパクトによるシャフト42のトルクインパルスは、磁気変換器60により測定される。磁気変換器60は、前述の変換器アセンブリ30に従い、シャフト42の一体変換領域62と検知装置64とからなる。一例として、振り子の長さLは1.10m、重り54は2kgの質量を持ち、シャフト42は、以下で説明する特定種類のインパクトトルク工具の出力シャフトの直径に近い直径15mmを持つ引張鋼でできている。変換器60が検出するトルクインパルスは、対応する電気信号として出力され、持続時間と振幅とが監視および表示される。全体的な形状も重要である。
【００２０】
図３は、図２の原理で動作する実際の実験装置を示す。図３では、シャフト72の一方の端部は開口部を備えたブロック74に取り付けられる。調整可能なボルト76をシャフト72に作用するようにネジ込み式にブロックに収容し、これにより回転の拘束度を制御する。シャフトのもう一方の端部は、支持ブロック76に回転可能に取り付けられ、ブロック76から突き出る遠端部は、打撃面79を有するアンビル78を備える。この図には、打撃面79を打つ間近のハンマ82を有する振り子アーム80の下端部も示されている。重り84は振り子に取り付けられる。シャフトの変換領域86で発生する磁界は、検知装置88により検出される。
【００２１】
最初のテストは、シャフト72をブロック74に堅く固定して行われた。この結果は、図４の曲線に示す。縦軸は、トルク変換器80の電圧出力であり、トルクを表す。横軸は、秒単位、特にミリ秒単位の経過時間である。グラフには、打撃面79への打撃位置からのハンマ82の初期高さhがそれぞれ17.4、47、および67cmの時の異なる振り子インパルスに対する３つの曲線90、92、および94が示されている。各ケースにおけるトルクパルスは、全体として同じ形状であり、最初上昇し、ピークに達し、それから下降する。ピーク値は、振り子エネルギが増大すると上昇する。シャフトはまったく回転しない。曲線94は、94aのように、パルス振幅の末端が下り勾配で0より小さくなる。この負の振幅つまり反発は、より長い時間軸を有するグラフに関連して後で現れる重要性を持つ。図４からわかるように、パルスは概して左右対称で、同じ正のパルス持続時間を有する。
【００２２】
図５について説明する。このグラフは図４と同じ種類であるが、適用条件が異なる。振り子は同じエネルギで打撃する、つまり、各ケースにおいて同じ高さまで持ち上げられるが、シャフトの回転拘束度が変化する。シャフト72が押し付けられてはいるが回転できるようボルト76を少し緩める。再度強調するが、試験用のシャフト72は弾性限度内で機能する。図５の時間軸は、図４より長い。曲線100、102、104、106の順で回転拘束度が増大する。４つの曲線はすべて、振り子からの同じインパクトエネルギを反映してほとんど同じ割合で上昇し始める。回転拘束度が最小である曲線100は、ピーク100aまで上昇し、シャフトが回転し始める。印加されるトルクは、小さい値100bまで急速に下がり、そしてゆっくりと徐々に下がっていく。この時シャフトは回転し、インパクトエネルギが消費される。反発はない。このケースでは、シャフトが回転する全時間を通じて、シャフト72は、振り子が発生させるトルクに押されていると見なすことができる。このことは他の曲線にも当てはまる。
【００２３】
曲線102は、シャフトの回転を開始させるのにより多くのトルク（102a）を必要とする。トルクはレベル102bまで下がり、102cにおいてトルクが回転を維持するのに十分でなくなるまで、回転が続く間トルクの値は徐々に下がっていき、そしてトルクが反転する（負になる）反発段階102dへの急激な低下がある。
曲線104は、回転拘束力がさらに大きい場合である。曲線104は、曲線102のピークより高いピーク104aに達し、値104bまで急速に下がり、そこからシャフトの回転がなくなる値0までさらに下がり、そして反発段階104dに入る。下降期には、ピークから104bまで下がった後の104eにおいて、わずかな上昇が見られる。
曲線106は、シャフトの回転拘束力が非常に大きいが回転できないほどではないケースである。達するピーク値106aは曲線104とほぼ同じである。曲線104より急速に値106bまで下がり、はっきりと識別できる上昇106eが続き、徐々に下がっていき、反発段階106dへ入る。
【００２４】
図４および５において注意すべき時間の関係がある。前述の３つのパルスの正のパルストルク時間がほぼ同じ約5mSであることは既に述べた。図５の曲線106の場合、シャフト72の拘束が、図４の曲線に適用した完全な拘束に近い。ピーク106aからの下降を破線106fのように延ばした場合、図４の曲線と同様に5mS付近でゼロトルク軸とぶつかる。
【００２５】
図５では、曲線102、104、および106が反発段階を示し、これらの曲線はすべてほぼ同じ時間8mSでゼロトルク軸と交差する。したがって、シャフト72を回転させる正のパルス部分は、各ケースにおいて同じ全長を有する。
図５の曲線から直接見えない１つの要素は、シャフトが回転する速度、つまり、図３に示す打撃面79のハンマ82に対する移動速度である。また、インパクトトルク工具でボルトを締める際、回転に必要なトルクは、ボルトの回転とともに増大し、インパクトエネルギの伝達は振り子のケースとは異なるかもしれない。しかし、振り子装置による実験は、インパクトトルク工具そのものを使用して行われるさらなる調査に価値のある指針を提供する。図５の曲線には、トルクインパルスが次第に消えると、考慮に入れなければならない別の効果がある。
【００２６】
図４および５において、回転を拘束するようシャフトが堅く固定されている場合、シャフトのピークトルクインパルスは、増大する振り子エネルギと共に増大し、その後シャフトが緩むかなりの反発が続くことは驚くことではない。図４のパルスは、振り子による１回のアンビル打撃を効果的に示し、図５は、パルス構造のより複雑なものを示す。また、図５は、静摩擦（締めつけ）および動摩擦に類似した状況を示す。シャフトが回転するまでには打ち勝たなければならない限界摩擦があり、その後、回転を維持できないレベルにトルクが減少するまで小さいトルク値で回転が続く。このことは、図５の曲線が例証している。曲線100のように、回転を一定時間維持できる場合、すべてのインパクトエネルギが反発パルスなしで消散する。
【００２７】
以下の説明は、図４および５に見られる結果に基づく、インパルストルク工具におけるハンマの作用の理論的説明として提示される。図６のダイヤグラムについて説明する。
図６は、図１に示すボルト頭部28を締めるインパクトトルク工具において、ハンマがアンビルを打撃する６つの状況A乃至Fを示す。それぞれ、時間（横座標）の関数としてトルク振幅（縦座標）を示す。ダイヤグラムAは、比較的緩い状態、例えば手締めから始まるボルトの場合である。第１の正のトルクインパルス110があり、その後に、より小さい振幅の負の反発つまり反跳112が続く。正のインパルスに反応して、ボルト頭部28は最初ハンマ作用より先に浮動する。しかし、ダイヤグラムが示すように、後に第２の反発116が続く第２のピーク114として示される第２のインパルスがある。
【００２８】
ダイヤグラムAでは、第２のインパクトは第１のインパクトとはっきり分かれている。ボルトが締まるにつれて、その回転には大きなトルクが必要となる。ボルトはより少なく、かつ、より短時間で回転するので、第１インパクトと第２インパクトとの間の時間が短くなる。これは、第２のインパルスが第１のインパルスへと時間的に前進することを示す矢印118により示される。これはダイヤグラムBに示されている状況である。締め付けが続くにつれ、第２のパルスは、ダイヤグラムCの示すようにさらに第１のパルスに近づき、ついにはダイヤグラムDに示すようになり、第２の正のピーク114は、負の第１のパルス反発112と重なる。これにより負の振幅はほぼ平らになり、完全に相殺される。
【００２９】
各インパクトに対してボルトがますます回転しなくなるにつれ、第２のパルスの正の部分が、第１のパルスの正の部分内に生じ、後縁を徐々に上方へ移動する。図４および５に適用される状況が生じるのはこの段階である。前へ浮動してきたボルト頭部は、ここで上述の押しモードに入る。ダイヤグラムEは、第２のパルスが114aにおいて後縁をわずかに持ち上げる様子を示す。これは図５の104e、106eで見られる。最終的にボルトはそれ以上有効に回転しなくなり、第２のパルスは消滅する、つまり第1のパルスと一致したと見なされる。図４で使用されたようなトルクパルスをもたらす１回のインパクトがある。ピークトルクは、前述のダイヤグラムと同じである。これは図５の曲線のピーク104aおよび106aと一致すると考えられる。もちろん、図５のグラフは振り子の実験に関係するのに対し、図６のダイヤグラムについての説明は、インパクトトルク工具の高速反復駆動インパクトコンバータを想定していることを思い出されたい。
【００３０】
図６の理論的本質は、いくつかの実地試験により模索された。
図１に示す変換器30を備えた工具を使用して、図に示すボルト負荷を締める時に、工具自体の出力シャフト18で発生するトルクインパルスを調査した。使用した工具はChicago Pneumatic Tool Company社（南カリフォルニア州ロックヒル）製の空気圧作動式インパクトトルクレンチ“CP733”である。これらの調査結果を図７乃至９に示す。各図は、図１のコンバータ16においてインパクトが１回の場合の、時間の関数としてのトルクを表す変換器出力のグラフである。図７乃至９は、ボルトの締め付け具合が異なる状態に関するもので、締め付け具合は、緩い（手締め）状態、きついけれど少し回転できる状態、かなりきつい状態である。図６と同じパルス部分には、同じ参照番号を使用する。
【００３１】
図７に示すように、比較的緩い負荷（ボルト）に伝達される第１のインパクトインパルス110は前方へ浮動する。工具の出力シャフト18も、最初工具内のハンマ作用より先に浮動し、反発112を経由して、トルクは正方向に上昇し、ハンマ作用からの第２のインパルス114があり、その後に第２の反発116が続く。
【００３２】
図８は、非常にきついボルトの締め付けに関するもので、図６のダイヤグラムE（および図５の曲線104および106）と同じ状況を示す。トルクインパルスは、ボルトおよび出力シャフトを少し回転させるのに十分な値に達し、この点からトルクは減少する。この段階までに、第２のピーク114が第１のインパルスの後縁部に小さなピークとして現れるのに十分なだけ第２のインパルスは時間的に前進する。
図９は、ボルトがかなりきつい時のインパルス波形を示す。ボルトを回転させないトルクパルスのピーク値があり、その後に反発112が続く。これは図１と一致する。
【００３３】
次に、インパクトトルクレンチがいつ負荷に対する一定のトルクを得るかを決定する際の、上述の調査のより実際的な使用に注意を向ける。使用される工具は、上述のCP733と標準油圧チャンバトルク調整装置である。この装置は、油入りチャンバで締め付けられるボルトナットを含み、チャンバ内の圧力は印加されたトルクを表すものとして測定される。ボルト頭部は、図１に示すアダプタの助けを借りて工具により締め付けられる。CP733工具には、6BARの空気圧が供給され、最高の工具力設定（４）かつ前進モードで動作させる。調査したものは、工具の連続インパクトの間のトルクの立ち上がりと、得られた実態が、工具の動作を制御する予測方法で使用できる実際的処置とどのようにつながるかである。
【００３４】
工具を使用する際および以下で説明するいくつかのグラフにおいて、機械的アダプタ（図１の20）の効果を考慮する必要がある。図１０は、120などの連続トルクインパルスを表す多重曲線を示す。各パルスは２重パルスであり、右側のパルス122はアダプタなしで負荷を締め付ける場合に関係し、左側のもう１つのパルス124はアダプタを介してボルト頭部を締め付ける場合に関係する。工具は、手で持つことによる変化をなくするために、治具に固定される。右側のパルスはほぼ一定の正のピーク振幅であり、左側のパルスは正のピーク振幅にかなりの幅があり、周期的に変化する傾向がある。これらの変化は、工具の出力シャフト、アダプタ、およびボルト間の機械的調整のロスによるもので、インパクトのたびに反跳力が変化する。
【００３５】
図６のトルクインパルスの性質の説明、および図７乃至９の説明の調査証拠に戻って、連続インパクトの全系列の結果が、図１１（ａ）乃至（ｃ）に見られる。図１１（ａ）乃至（ｃ）は、同じデータを３次元グラフに示したものであるが、視点が異なる。これらの図は、工具の磁気トルク変換器からのデータに関係する。図１１（ａ）は、紙面からZ方向に続く一連のトルクインパルスＳ１乃至Ｓ３７の結果を示す。したがって、最後のイベントは最前面にくる。各パルスはX軸に沿って時間的に左方向に延び、ゼロ時点は右方向にある。Y軸は、磁気変換器出力からの電圧（V）として測定された各トルクパルスを示す。
【００３６】
図１１（ｂ）は、図１１（ａ）を“後方から見た”ものであり、第1のイベントが最前面にきて、時間軸は右方向に走っている。図１１（ｂ）から、初期のパルスは（反発を伴う）第１のインパルスと、前述のようにボルト頭部が前方へ浮動する第２のインパルス（濃い部分）とを有することがわかる。第１のパルスのピーク振幅は制限されている。しかし、ボルト頭部が締まるにつれて、第１インパルスの反発が消滅する。これはインパクトＳ１０あたりで起こり、ほぼすべてのトルクインパルスエネルギが、ボルト頭部の回転と付随する損失に消散する。ボルトがさらに締まるにつれて、第１パルスの正のピーク振幅が増加し、反発部分が再び現れる。この段階の進行は図１１（ａ）から見るとよくわかり、ボルトが非常にきつい状態に近づく時、ピークが最大値をとる。しかし、図１１（ａ）からは、最後の方のインパクトにおけるピーク振幅が、実際少し回転する頭部であるために下降することがわかる。
【００３７】
次に、図１１（ｃ）について説明する。図１１（c）は、一連のインパルスS１乃至３７を“縦正面”から、時刻ゼロ方向に見たものである。イベントはX軸上にあり、時間は時刻ゼロが最後面にあるZ軸にあり、Y軸は信号振幅である。ここでわかることは、出力信号は、すでに言及したように最後に急激な低下があることを除けば、一連のインパルスを通じて概ね増加する。時間tは、40μS単位である。
【００３８】
図１１（ａ）乃至（ｃ）に示すデータは、以下で説明するように使用され、特に、一連のインパルスにわたって増大するピーク振幅に依存する。しかし、これを説明する前に、図１１と同様に示された図１２にも注目する。図１２は、ピークパルス振幅がほぼ一定の一連のインパルスを示す。この一連のインパルスの間、ボルト頭部にかかるトルクは増えていく。このようなケースが検出される場合、工具の動作は、後述するような異なる方法で予測または測定される。
【００３９】
次に、工具の動作に使用される制御信号またはコマンドを得る手順を説明する。これらは前述の２つの項目、つまり、“信号積分”と“瞬間的トルク計算”とに分類される。
ボルト締め付けが、図１１（ａ）乃至（ｃ）に従って進行するか、図１２に従って進行するかは、取り付け具（図１）中のボルトの状態に依存することはわかっている。ボルトによく油が塗られ、締め付けが円滑に進行する場合、図１１（ａ）乃至（ｃ）のパルス特性になりやすい。例えばボルトが錆びて動かない場合、図１２のパルス特性になりやすい。
【００４０】
瞬間的トルク計算は、記録されたトルクインパルスのデータを処理し、図１３について以下で説明する曲線形状に最良に適合させるステップを含む。しかし、この曲線適合技術は、図１２のような、各連続トルクインパルスの正のピークがほぼ一定であるケースには適用できない。このようなケースには信号積分手順を適用でき、したがって、瞬間的トルク計算手順を説明する前にまずこの信号積分手順を説明する。
【００４１】
１）信号積分
まず第１に、インパクトパルスは、図６Ａに示すように第１のパルスと第２のパルスとを含み、ボルトが締まるにつれて、第２のパルスは第１のパルスの方へ時間的に前進し、吸収されると仮定されていることを図６から思い出されたい。ボルトがかなり締まる（浮動しなくなる）と、図５に示すトルク押しモードに入る。第１パルスの正の部分の期間は、ほぼ同じである。図１２は、正のパルスピーク値がほぼ一定の状況を示す。
【００４２】
図１３には、曲線130が正のピークトルクパルス値の積分つまり合計（縦軸）を示すグラフが示されている。この曲線は、インパクトごとに階段状に進む。以下の図１５についての説明からわかるように、調査した工具のインパクト速度はインパルス列にわたって毎秒17乃至20インパクトと比較的一定なので、階段状曲線130が図１３のケースのように時間の点から表現される。縦軸の積算値は、必要なトルクを得るための予め定められたインパクト数または予め定められた時間について工具を制御できるよう、トルク値と関連するよう目盛りがつけられている。正のパルス部分を処理する時、パルスが超えなければならない閾値が認識されるように設定することが望ましい。
別の可能性は、以下に説明する瞬間的トルク計算手順で行われるように正の部分の各パルスを積分することである。これは正のパルス曲線の下の領域に有効である（図１６参照）。各パルス積分つまり面積は自己積分される。
【００４３】
図１３の曲線130の上昇率（傾き）は工具の空気圧に依存する。圧力が高ければ上昇率が大きいが、図のように曲線は概ね半対数である。
比較のため、図１３には、インパルスの負の（反発）部分の絶対値に適用される信号積分も示されている。これは曲線132である。この曲線もインパクト数の増加とともに上昇するが、正のパルス部分を使用したものほど規則正しくはない。一般に、反発パルス部分はインパクトごとにより不規則な傾向があることがわかる。横座標の時間の値は40μSきざみである。
【００４４】
２）瞬間的トルク計算
この手順の説明の起点は図１４の曲線である。図１４には、インパクト数の関数として与えられるトルクの代表的な曲線140が示されている。トルクは非線形に上昇し、最初のインパクト数に対しては比較的速く上昇するが、インパクトあたりのトルク増加は常に減速している。結局、曲線は最大トルク値に向かって漸近的になる。実行可能性は、必要なトルクにかなり早く達するよう、工具をこの最大トルク定格内で動作させるべきことを要求する。図１４の曲線の形状は、一般的に、モデルまたはテンプレートとして適用可能である。これは、トルク対インパクト数の半対数関係を定義するアルゴリズムとして記憶できる。以下では、どのようにして実際のトルクパルス測定を、必要なトルクを得るために必要なインパクト数または時間の予測または測定を提供する曲線に適合させることができるかを説明する。
【００４５】
比較のため、図１４には、曲線140と概ね同じ形状だけれど弱い空気源から生じる第２の曲線142も示されている。曲線140は、高く安定した6BARの空気圧（例えばしっかり緩衝化された）に関するもので、一方、曲線142は、低く不安定な5BARの空気圧（例えば不十分に緩衝化された）に関するものである。曲線142で達成できる最大トルクは、曲線140より小さい。インパクト（イベント）は毎秒17.20の速度である。
【００４６】
図１４に示されたトルクは、上述の油入りチャンバの使用により測定される。目下の目的のため、曲線140は、インパクト数（連続的な列）でトルクの上昇を定義するモデルまたはテンプレートと見なすことができるが、スケーリングに制約される。
図１５は、インパクト速度のグラフ、つまり、曲線144として示されたインパクト列中のインパクト間隔である。この間隔はインパクト列にわたって概ね増加しているが大幅ではないことがわかる。これについては以下で説明する。
【００４７】
非常に重要なパラメータだとわかったものは、図１６に見られる個々のパルスの形状および持続時間に関係する。この図には、連続する３つのパルス150、151、および152が図式的に示され、これらは同じ形状で、同等の特性パラメータを有するものとして例示されている。各パルスは、以前に説明した形状をしており（図６参照）、最初の正の部分154の後に異極性の反発部分156が続く。（図１５で使用した）インパクト間の間隔は、teで示され、パルスの正の部分の持続時間はtpで示される。パルスの総持続時間はttで示される。各パルスについて、別の特性が経時的なパルス振幅の変化から得られる。それらは、
PAp：パルス151および152について示した正のパルスの面積であり、時間についてのパルス曲線の積分や、
PAn：パルス152について示した曲線の負つまり反発部分の面積、である。
特に重要であるとわかったものは、正のパルス面積にその持続時間をそれぞれ乗じる（つまりPAp×tp）ことにより得られる係数である。注意すべきは、はっきりと分かる第２のパルスが生じるケース（図６A）では、この乗算は第１のパルスに適用されることである。両方を有するパルス列を、隣り合う第１のパルス間の間隔teは、第１のパルスとこれに付随する第２のパルスとの間の間隔よりはるかに長いという演繹的知識に基づいて、ゲート処理により処理する時、第２のパルスを区別できる。
【００４８】
調査により、正のトルクパルス部分のみに依存するのが有利であることがわかる。負の（反発）パルス部分を含めると、図１４のテンプレート曲線140とのクリアな相関関係が得られない。既述したように、反発パルスは正のトルクパルスよりはるかに変化しやすい。次に、インパルス列について得られたデータを図１７乃至１９のグラフにより示す。（実際にはイベント単位でプロットされた）すべての曲線において明らかなことは、パルス間にかなりのばらつきがあることである。インパルスは概ね図１１（a）乃至（ｃ）の列形状で発生する。
【００４９】
図１７には、右の方に増加するインパクト列のインパクト数の関数として描かれた２つの曲線160および162が示されている。曲線160は、インパクトあたりの正のパルス幅tp（左の縦軸）を示す。曲線162は、インパクトあたりの正のパルス面積（右の縦軸上の任意の目盛り）を示す。パルス幅は最初比較的速く増加する（これは識別可能な第２のパルスと関連がある）。その後、パルス幅はより小さい速度で増加し、パルス形状および持続時間は図５に示したものに近くなる。
一方、インパクトあたりの正のパルス面積PApは最初はほとんど増加せず、その後はるかに速くなるが、パルス間のばらつきがパルス幅のそれより大きく、グラフの右側ではっきり見られるように互いに位相がずれてしまう。
【００５０】
図１７乃至１９において注意すべきは、振り子の実験装置で行使できた制御と違い、ここでの測定結果は、高速で回転する機械を使用したことである。この機械のポイントは、打撃ハンマにより伝達されるインパルスだけでなく、その運動およびタイミングに反発力を導入するハンマの反作用もあることである。
【００５１】
図１８には、曲線162を今度は連続するパルス間の間隔（図１６のte）である曲線164と一緒に示す。より興味深くてかなり重要なのは、図１９に描かれた曲線である。曲線170（太線）は、曲線162（図１７および１８）と曲線160（図１７）の組合せ、つまりパルス面積に時間を乗じて得られた値である。この値は左の縦軸に目盛りがとられている。また、比較のため、正のパルスピーク信号振幅（つまり、パルスの積分ではない）を示す曲線172も示す（右の縦軸目盛り参照）。曲線172と170との間には相関関係がないことがわかる。しかし、曲線170の形状は、図２０に見られるような相関関係を示す。図２０には、図１４のテンプレート曲線140（三角形）に対して曲線170（四角形）を再度描く。両者の間の相関関係は明らかである。曲線170のプロットは、信号処理中のフィルタリングの影響を受けやすいが、曲線140は最適な手順により得られない。曲線170のリアルタイム計算ポイントを使用すれば、通常の工業的用途で必要とされる制限内でトルクインパクト工具を制御するのに十分であることがわかった。
【００５２】
以上で述べたインパルストルク信号を処理するための技術および手順は、コンピュータプログラムにおいて実行可能である。曲線を定義する曲線当てはめ手順およびアルゴリズムは周知である。特定の条件下で動作するある工具のための曲線（例えば140）は、当該工具の特定パラメータに合う曲線を定義する一般的なアルゴリズムから生成できる。どんな手順が使用されても、そのプログラムをファームウェアに記憶し、適当な記憶容量を有するマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラにより実行することができる。提供される設備は、特定のタスクに必要な制御データを学習し、記憶する能力を含むこともできる。したがって、図１の36に示すような電子回路のすべてを工具に取り付けられると考えられる。電子回路は必要なコマンドを発して、モータ14の動作を制御する。
【００５３】
以上の具体的な説明は、連続するインパクトがトルクパルスつまりインパルスを発生させるインパクトトルク工具についてなされてきた。磁気変換技術は、インパクトに依存してパルスを発生させないが、制御されたパルス列を発生させる手段を含む別のタイプのパルストルク工具にも適用できる。信号積分手順および瞬間的トルク計算手順は、そのようなパルスに適用できる。このような別のタイプのパルストルク工具の１つは、出力シャフトに常に結合するピストンシリンダ機構を使用する。圧力パルスは、このピストンシリンダ機構において発生し、シャフトへ伝達される。
【００５４】
以上の説明は、パルス発生の負荷の性質の効果についてなされてきた。関連のある別の要因は、工具の出力シャフトおよびシャフトと接続するアダプタの重さ（質量）である。シャフトに沿ったトルクパルス伝達におけるトルク損失について調査してきたが、これは “トルク損失測定”という表題で以下に詳しく説明される。シャフトの入力端部に印加されるトルクパルスは、入力端部を回転（角度回転）させる効果を有し、この回転は、離れた負荷端部においてトルクを得たい場合に、シャフトに沿って伝達されなければならない。以下ではシャフトに沿ったトルク損失およびトルクパルス形状の伝達効率への影響について説明する。シャフトおよびアダプタの質量は、伝播するトルクパルスが打ち勝たなければならないシャフトおよびアダプタの部分的慣性に起因する可能性のある要因であることがわかった。
【００５５】
以上では特に図２０を参照して、トルクパルスの累積的影響、特にパルス面積とパルス時間の積を使用して、どのようにして、いわゆる瞬間的トルク計算手順下で負荷における所望のトルクを達成できるかを説明した。また、パルス列がほぼ一定の振幅のパルス列になる場合に、特に図１３および１５を参照して信号積分手順を使用できることを説明した。
【００５６】
図２１は、２つの信号処理アプリケーションのどちらを適用すべきかを決定する手順および方法を示すフローチャートである。図２２（ａ）および（ｂ）は、決定手順が実行される方法を例示する。
図２１について説明する。図２１は、図１の変換器30が検出するパルス列に適用される意思決定プロセス200を示す。パルス列は、パルスの代表的な例を示す図２２（ａ）に示されている。前に説明したパルス列から明らかなように、必要なトルクを得る際のパルスの実数は大きい。
【００５７】
ステップ202において取得された新たなパルスの振幅は、それぞれ、ステップ204においてメモリ記憶装置つまりレジスタに記憶される。このパルス振幅は、ステップ206において、比較レジスタ218に記憶された前のパルス振幅と比較され、パルス振幅の上昇曲線の一部であるか、ほぼ一定の振幅を持つ曲線の一部と考えられるかが決定される。パルス間にばらつきがあるため、この決定は、必ずしも次に続くたった２つのパルスを基準にして行わず、パルス振幅曲線の趨勢を判断するため１つ以上前のパルスから得た振幅値に対して新しく取得したパルスの振幅を評価する。
【００５８】
ステップ206において、新しいパルスの振幅が所定の基準に従って大きいと決定された場合、ステップ208において前述の瞬間的トルク計算手順に従って処理され、得られたトルク値が記憶される（ステップ210）。他方、ステップ206において、新しいパルスの振幅が大きくないと決定された場合、つまり、パルスはほぼ一定の振幅を持つパルス列の１つである場合、ステップ212において前述の信号積分手順に従って処理され、ステップ210において記憶された出力トルク値に別の増分が付加される。もしかしたら、所定数のパルスの後、ステップ206だけが決定または決定の変更をし、ステップ208および212に基づく作用は、ステップ204において記憶された値を使用して、新しいパルスより前およびこれを含む多数のパルスに適用されるかもしれない。
【００５９】
図２１に示すプロセスによれば、パルス列の異なる段階において、ステップ208および212のそれぞれに従って、パルス列を処理することできる。図２２（ａ）は、最大Ｎ個のパルスが、ステップ208において記憶された値を表す図２２（ｂ）の曲線の最初の部分220の半対数（指数）形状により示される瞬間的トルク計算が施されたパルス列を示す。その後、信号積分により決定が進み、図２２（ｂ）の曲線のほぼ直線の部分となる。
【００６０】
図２１に戻って説明する。ステップ210において記憶されたトルク値は、ステップ214において予め定められたまたはプリセットトルクTsと比較される。プリセットトルクに達すると、コマンド216が発せられ、パワートルク工具または少なくとも発生トルクの負荷への伝達を停止する。トルクが所望のプリセット値よりも小さい場合、負荷のトルクパルシングが続き、比較レジスタは、レジスタ204に記憶された値、またはこれおよび多数の前のパルスから得た値に設定される。
【００６１】
以上の説明ではパワートルク工具はインパクトタイプであると仮定されていた。しかし、文脈が明らかにインパクトトルクインパルスを参照している場合、以上のパルス処理手順の説明は、図２１乃至２２（ｂ）を含めて、前述の圧力タイプのインパルスにも適用できる。
トルク損失測定についての本発明の教示は、如何に生成・測定されたトルクパルスにも適用できる。以下の説明は、パワートルク工具で発生し、上述の磁気依存技術の使用により測定されるインパクトまたは圧力パルスとの関連でなされる。
【００６２】
図１は、単一の磁気トルク変換器を使用するパワートルク工具を図式的に示していることを思い出されたい。トルク工具10（トルクレンチとも呼ばれる）は、電気または空気圧で作動するモータ14を内蔵するハウジング12を有するハンドヘルド手段として図１に示されている。空気圧駆動はより普通である。モータはコンバータ16により出力シャフト18に結合され、出力シャフトの先端は、トルクを印加する負荷と噛み合い可能なアダプタ20を有する。この例では、負荷はナット24付のボルト22であり、ボルトは開口部を備えた取り付け具26を通って延びる。図に示すように、ナットとボルトは取り付け具26上に締め付けられている。アダプタ20はボルトの頭部28と噛み合い、六角頭部などの頭部28とぴったり合う内部リセスが形成されている。ここまで述べた工具10の特徴は、従来のものであり、当業者には周知である。コンバータ16により、モータ14の回転をシャフト18のトルクパルス列に変換し、これらのパルスをボルト頭部へ伝達する。コンバータは、インパクトパルス列を発生させるインパクトタイプの機構または圧力パルス列を発生させる圧力タイプの機構であって良い。
【００６３】
以上のように、図１の工具の新しい特徴の１つは、シャフトのトルクインパルスを検出し、測定する磁気変換器30を使用することである。変換器は、シャフト18の一体領域であり、強磁性体からなるトルク検知素子32を含む。領域32は、残留または蓄積磁気を有するよう磁化されており、外部磁界源として機能する。領域32がトルクに依存する磁界または界成分を発生させるよう磁化される。使用される磁化の種類は、すでに述べた。すでに示したように、本発明は、転位磁化タイプの変換素子を使用することにより生み出された。発生するトルク依存の磁界は、モータ14の動作を制御する検出・制御回路36に接続する非接触の検知装置34により検出される。検知装置は、１以上の検知デバイス、好適には例えば国際公開WO98/52063号で開示される回路に接続する飽和コアデバイスを含んでいても良い。検知デバイスに関するより詳しい情報源は、既に述べた。
【００６４】
図１に示す工具の例としてインパクトトルク工具を使用して、時々ダブルインパクトを引き起こすハンマおよびアンビルの反作用または反発力により、変換器30の助けを借りて測定されたインパルスのパルス間隔および振幅が不規則であることがわかった。ボルト頭部28において必要なトルクを得るモーメントを予測することは困難である。図２３（ａ）は、鋭く先端のとがったインパクトパルスの性質と、時間および振幅の不規則性を図式的に示す。
【００６５】
図１の工具が、圧力パルスを発生させる圧力機構タイプである場合、発生したパルス列はより規則的で、個々のインパルスはインパルスより持続時間が長いことが変換器30の使用によりわかった（ここで注意すべきは、従来のインパクトパワー工具は単にそう呼ばれ、一方、ここで圧力パワー工具と呼ばれるものは、しばしばインパルストルク工具と呼ばれていることである）。比較のため、図２３（ｂ）は、より滑らかでより規則的な圧力パルスの発生を示す。
パワートルク工具の出力シャフトに沿ったトルク伝達においては、インパクトパルスのエネルギは、圧力パルスのエネルギよりはるかに速く吸収され消散することが調査によりわかった。締め付けが進むにつれてその特性が変化する負荷にシャフトに沿ってトルクを伝達するメカニズムを定義および分析することは簡単ではない。
【００６６】
以下では、出力シャフト18の入力端部において印加されるトルクパルスをシャフトの遠い負荷端部へ伝達することについて説明する。
まず、連続トルクが印加される場合を考える。これは、電送システムのD.C.通電に類似していると考えられる。シャフトは、印加されたトルクによりその軸廻りに回転させられ、シャフト自体がエネルギを吸収し、材料の弾性に蓄積する。この回転作用が、シャフトに沿って伝播し、連続するトルクが入力端部に印加されて、結果としてトルクが負荷端部に伝達される。シャフト沿いの損失は、シャフトに沿った距離の一次関数である。
【００６７】
次にパルス状のトルクについて見ると、電気的な類推を使用するため、これはA.C.パルス伝搬のケースと考えて良いが、実質的に単極のA.C.ケースである。パルス状のトルクは、シャフト18の入力端部に印加されるが、シャフトは印加されたトルク下で回転するが、トルクがパルス間隔において途絶えると、シャフトに沿ったさらなる回転伝搬を確保する連続するトルクがなくなる。蓄積されたエネルギが、シャフトの緩和を引き起こすかもしれない。現在までの調査では、図２３（ａ）の短いパルスは、損失および弾性反発のために、軸に沿って伝搬する効果的なトルクパルスをもたらす可能性は低いことがわかっている。理由はどうであれ、短いインパクトパルスは、比較的速く消散する傾向がある。
対照的に、図２３（ｂ）の長パルスは、シャフトに沿った伝搬により効果的で、負荷端部においてトルクを生み出す。パルス下の面積は、負荷において生み出されるトルクにとって重要である。高いマーク／スペース率、つまりパルス持続時間／パルス間隔は有利であると推測される。
図２３（ａ）および（ｂ）に示すパルスは、非常に単純化されている。図２３（ａ）のインパクトパルスは、実際にはより複雑で、その形状は、負荷の締め付け状態とともに変化する。インパクトパルス発生器が、伝達軸が長いほどより遠くなる負荷をどの程度まで“見る”かも、潜在的に関連がある。
【００６８】
関連性があるとわかった別の因子は、トルクを伝達するためのシャフトの重さつまり質量と、シャフトの端部に結合されるアダプタの質量である。現在の調査では、質量が小さければ、トルク伝搬効率が大きいことがわかっている。結果に関連するかもしれない質量関連のパラメータは、シャフト、結局はシャフトとその遠端にあるアダプタの前進回転もシャフトの局部的慣性に打ち勝つことを必要とする。
シャフトに沿ったトルクパルス伝達の基礎をなす理論が何であれ、伝達されるパルスを調査し、伝達に伴う損失の程度を得ることができる一般的な必要性はある。
【００６９】
図２４は、本発明の変換装置の実施の形態を示す。図１にも示すように、トルクパルスコンバータ16は、出力シャフト18と結合し、出力シャフトの終端にはボルト頭部28と噛み合うアダプタ20が取り付けられている。図２４では、図１の変換器30と同じ種類の２つの変換器30aおよび30bが使用される。図２４では、各検知装置34aおよび34bからの信号が、ハードウェアおよび／またはソフトウェアに実現される信号処理装置38により処理される。各変換領域32aおよび32bの間にはシャフトに沿って距離sだけ間隔が置かれている。検知装置34aにおいて測定されたトルクがTaであり、検知装置34bにおいて測定されたトルクがTbである場合、検知装置34aおよび34b間におけるシャフトに沿ったトルクパルス伝達のトルク損失TLは、TL=Ta-Tbにより与えられ、シャフトに沿った単位距離あたりの損失として表される損失率RLは、RL=(Ta-Tb)/sである。
【００７０】
間隔sにわたって、損失率RLは単位長さあたり一定と見なせることが仮定されている。以下の第１の例では、単位長さあたりの損失は、シャフトの長さに沿って一定であると見なされる。これが適用されない場合、sは十分に小さい距離の増分であるべきで、負荷までのシャフトの全長にわたるトルク損失を計算する際にRLの値を使用できる。図２４の実施の形態による試験パワー工具においては、間隔sは15mmである。
【００７１】
シャフトに沿った単位距離あたりの損失として表される損失率RLは、RL=(Ta-Tb)/sである。
損失が一定ならば、検知装置34aから負荷までの距離lにおける総損失TTは、TT=l(Ta-Tb)/sにより与えられ、シャフトから伝達されるトルクTrは、Tr=Ta-l(Ta-Tb)/sにより与えられる。
この式は、インパクトパルスと同様に、パルスが短くなるほど、当てはまらなくなる可能性が高い。たとえ損失が一定の絶対値でなくても、間隔を空けた２つの変換器の同じ構成が使用可能であることを理解できるだろう。例えば、損失が、単位距離あたりの分数または百分率の損失として表される減衰に近い場合、損失係数DをD=(Ta-Tb)/(Ta.s)と決定できる。
【００７２】
このケースでは、伝達されるトルクの減少は、距離の指数関数であり、伝達トルクはTr=Ta.e-lDと表すことができる。
このトルク損失の式は、A.C.電気信号の伝送から知られる形式である。もしかしたら、使用される式はおよそA.C.ケースからD.C.ケースの間かもしれない。任意のモーメントで伝達されるトルクパルスの形状を知ることは重要である。本明細書で参照された種類の磁気トルク変換器により、パルス列およびその波形を分析できる。このような設備および機能は装置38において提供できる。
【００７３】
負荷の前の地点におけるトルクの測定値、例えばTaに基づいて、負荷において必要なトルクにいつ達したかを予測する技術を採用することにより、装置38を使用して、実際の負荷状態により関連のある制御信号をモータ14（図１）に伝達できる。
シャフトの負荷端部へのトルク測定値のダウンストリームに適用される予測技術を、シャフトのコンバータ端部に伝達される実際のトルクにも適用可能であることが理解できるだろう。
【００７４】
トルク損失を決定し、これから予測計算を行うために、シャフトに沿った間隔を置いた２つのポイントにおけるトルクの測定は、上述した以外の磁気変換器および別のものにより実行可能であることが理解できるだろう。シャフトに沿った、特にパルス状トルクのトルク損失を、間隔を置いた２つのポイントにおけるトルク測定により測定するコンセプトは、新規であると考えられる。しかし、既述したように、磁気変換器は、トルクの瞬間的値を示す波形を伝達し、パルス時間、マーク／スペース率、およびパルス下の面積について分析できる信号を供給できる。
トルク損失の測定について、そのパワートルク工具への適用に関連して説明してきたが、ここでの教示は、シャフトにより伝達されるトルクの測定、特に、印加されるトルクがパルスの性質を有する場合、および／または、締め付けに増大するトルクを必要とする負荷などに広く使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】固定物をナットボルトで固定する形の負荷締め付けに使用するパワートルク工具の主特徴を示す概略図（トルクがボルトヘッドに印加されてナットに対してボルトが締まる）。
【図２】振り子を使用してトルクインパルスをシャフトに伝達する実験装置を示す概略図。
【図３】磁気トルク変換器を含む図２の振り子装置を示す図。
【図４】異なる振り子エネルギによりインパルスが与えられた、堅く（rigidly）固定されたシャフトの、変換器から生じるトルクインパルス応答を示すグラフ。
【図５】同じ振り子エネルギによりインパルスが与えられた、異なる堅さレベルで堅く（stiffly）固定されたシャフトのトルクインパルス応答を示すグラフ。
【図６】Ａ乃至Ｆは、図４および５に示したインパルス応答の特性を示す図。
【図７】比較的緩い（relatively loose）ボルトの場合の、インパクトトルク工具のより長い時間間隔におけるインパルス応答を示すグラフ。
【図８】非常にきつい（very tight）ボルトの場合の、インパクトトルク工具のより長い時間間隔におけるインパルス応答を示すグラフ。
【図９】締め付け困難な（hard tight）ボルトの場合の、インパクトトルク工具のより長い時間間隔におけるインパルス応答を示すグラフ。
【図１０】インパクトパワー工具に機械的アダプタを使用した時のパルス対パルス変動を示すトルクインパルスの多重列を示すグラフ。
【図１１】（ａ）乃至（ｃ）は、インパルスシーケンスに関するデータの３次元グラフ（各図は、同じデータをグラフの軸に関して異なる視点から見ている）。
【図１２】図１１（ａ）乃至（ｃ）と異なる特性を持つインパルスシーケンスに関するデータを図１１（ｃ）の視点から見た３次元グラフ。
【図１３】信号積分手順に関する曲線を示すグラフ。
【図１４】インパクトトルク工具の出力シャフトにおけるトルクの連続インパクトに伴う上昇を示す曲線の形状を示すグラフ（この測定は油圧チャンバトルク較正ユニットで行われる）。
【図１５】インパクト列上の連続インパクト間の時間間隔を示すグラフ。
【図１６】瞬間トルク計算手順に関連するトルクパルス列のパラメータを示す図。
【図１７】瞬間トルク計算手順において測定して得られたいくつかのパラメータのプロットに関するグラフ。
【図１８】瞬間トルク計算手順において測定して得られたいくつかのパラメータのプロットに関するグラフ。
【図１９】瞬間トルク計算手順において測定して得られたいくつかのパラメータのプロットに関するグラフ。
【図２０】図１４の曲線と図１９の曲線との間の相関関係を示すために適合性を示すグラフ。
【図２１】瞬間トルク計算または信号積分のパルス列への実施を示すフローチャート。
【図２２】（ａ）はパルス列の代表例を示すグラフであり、（ｂ）は負荷において得られるトルク値を示す曲線である。
【図２３】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ異なるタイプのパワートルク工具が発生させるインパクトパルスおよび圧力パルスの例を示す概略図。
【図２４】本発明による２つのトルク変換器を使用する変換装置。
【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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【図１１（ａ）】
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【図１１（ｂ）】
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【図１１（ｃ）】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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