(57)【要約】【課題】少ない部品点数で構成する衝撃式動力ねじ締め工具および制御方法を提供すること。【解決手段】本発明は、回転駆動される発生側衝撃部材が被駆動軸側へ衝撃力を与えるように構成された衝撃式動力ねじ締め工具１において、発生側衝撃部材が被駆動軸側へ衝撃力を与えて発生側衝撃部材の角速度が変化したときの角加速度を検出する検出手段８１ａ、８１ｂと、角加速度に基づいて発生側衝撃部材から被駆動軸へ伝達される衝撃トルクを算出する算出手段１３と、算出した衝撃トルクに基づいてねじ締め制御を行う制御手段１３とを具備したことを特徴としている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転駆動される発生側衝撃部材が被駆動軸側へ衝撃力を与えるように構成された衝撃式動力ねじ締め工具におけるねじ締め制御方法において、
発生側衝撃部材が被駆動軸側へ打撃力を与えて発生側衝撃部材の角速度が変化したときの角加速度に基づいて発生側衝撃部材から被駆動軸へ伝達される衝撃トルクを算出し、
算出した衝撃トルクに基づいてねじ締め制御を行うように構成したことを特徴とするねじ締め制御方法。
【請求項２】
回転駆動される発生側衝撃部材が被駆動軸側へ衝撃力を与えるように構成された衝撃式動力ねじ締め工具において、
発生側衝撃部材が被駆動軸側へ衝撃力を与えて発生側衝撃部材の角速度が変化したときの角加速度を検出する検出手段と、
角加速度に基づいて発生側衝撃部材から被駆動軸へ伝達される衝撃トルクを算出する算出手段と、
算出した衝撃トルクに基づいてねじ締め制御を行う制御手段と
を具備したことを特徴とする衝撃式動力ねじ締め工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ねじ締め制御方法に関するものであり、特には、トルクによる制御方法およびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ねじ締め装置としては、インパクトレンチが広く使用されている。このようなインパクトレンチにおいては、エアモータ等の動力源によって回転部材を回転駆動し、前記回転部材でアンビル等の被駆動軸側の部材を打撃して回転運動エネルギーを被駆動軸を介して被締結部材であるねじ側に伝達するように構成されている。
このようなインパクトレンチにおけるねじ締め制御方法を、出願人は特願2001-124526（特開2002-321165）等において提案した。
また、実開昭62-110873（特許文献１）においては、特殊なクラッチ機構を採用して、一定の回転角度ではなくて任意の回転角度の間に加速した回転部材を被駆動軸側と結合するように構成したねじ締結工具が提案されている。
前記特許文献１で提案されたねじ締結工具は、回転部材の慣性モーメントに着目したものであって、前記特許文献１の第５頁においては、被駆動軸側へ伝達するタイミングを回転部材の回転角速度の大きさによって選定するならば、ねじの締め付けに伝達する仕事量を加減調節することも可能になることが開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
実開昭62-110873
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、実開昭62-110873において提案されたねじ締結工具は、構造が複雑で部品点数が多くなるため、故障が発生しやすいという問題や、製造費が高くなるという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、少ない部品点数で構成する衝撃式動力ねじ締め工具および制御方法の提供を目的としてなされたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる請求項１の衝撃式動力ねじ締め制御方法は、
回転駆動される発生側衝撃部材が被駆動軸側へ衝撃力を与えるように構成された衝撃式動力ねじ締め工具におけるねじ締め制御方法において、
発生側衝撃部材が被駆動軸側へ打撃力を与えて発生側衝撃部材の角速度が変化したときの角加速度に基づいて発生側衝撃部材から被駆動軸へ伝達される衝撃トルクを算出し、
算出した衝撃トルクに基づいてねじ締め制御を行うように構成したことを特徴としている。
【０００７】
請求項２の衝撃式動力ねじ締め工具は、
回転駆動される発生側衝撃部材が被駆動軸側へ衝撃力を与えるように構成された衝撃式動力ねじ締め工具において、
発生側衝撃部材が被駆動軸側へ衝撃力を与えて発生側衝撃部材の角速度が変化したときの角加速度を検出する検出手段と、
角加速度に基づいて発生側衝撃部材から被駆動軸へ伝達される衝撃トルクを算出する算出手段と、
算出した衝撃トルクに基づいてねじ締め制御を行う制御手段と
を具備したことを特徴としている。
【０００８】
本発明でいうところの衝撃式動力ねじ締め工具とは、インパクトレンチ、オイルパルスレンチ、動力を用いたその他の衝撃式のねじ締め工具を指している。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態に用いる衝撃式動力ねじ締め工具および制御方法を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１０】
図１は本発明に用いる衝撃式動力ねじ締め工具の一例として、衝撃時にリバウンドを生じるレンチであるインパクトレンチの要部の縦断側面図である。
【００１１】
図中において、
１は本発明に用いるインパクトレンチ、２はこのインパクトレンチ１の内部に設けられたエアモータ、３はこのエアモータ２のロータ、３１はこのロータ３の駆動軸、４はこの駆動軸３１の前端に一体に連結された回転円筒部材である。この回転円筒部材の円板形状の後壁板４ａにおける中心部は四角の凹凸の嵌め合わせ構造によって前記駆動軸３１に一体に連結されている。
【００１２】
なお、前記エアモータ２は、公知のように、外部から空気供給通路（図示せず）を通じて圧縮空気を供給し、操作レバー２０及び切替えレバー２１を操作することによって、圧縮空気により右方向又は左方向に高速回転させられる構成となっている。そして、公知のように、エアモータ２のロータ３の回転によって、その駆動軸３１を介し一体的に回転する回転円筒部材４の回転力を後述する打撃力伝達機構５を介して、前方に突出させられたアンビルと称される被駆動軸６に伝達することにより、この被駆動軸６の先端に取り付けたソケット体（図示せず）に装着したねじを締付けるように構成されている。
【００１３】
前記被駆動軸６の後部は大径の胴体部６ａに形成され、この胴体部６ａは前記回転円筒部材４の中心部に設けられている。回転円筒部材４は前記被駆動軸６の胴体部６ａの回りを回転して、上述したように打撃力伝達機構５を介してその回転力を被駆動軸６に伝達するように構成されている。
この打撃力伝達機構５は、回転円筒部材４の内周面の適所に内方に向かって突出した打撃突起と、被駆動軸６の胴体部６ａ上に形成した半円形状の支持溝に左右揺動自在に支持されたアンビル片とからなり、このアンビル片を左右方向に傾けた状態にしてこのアンビル片の上向き一側端面に上記打撃突起を衝突させることにより、回転円筒部材４の回転力を被駆動軸６側に伝達するように構成されている。
【００１４】
なお、このようなインパクトレンチの構造は既知のものであるので、詳しい説明は省略する。
【００１５】
図１に示したように、前記回転円筒部材４の後端部外周面には所定数の歯７１ａが設けられた歯車体からなる検出回転体７１が一体に固着されている。一方、この検出回転体７１に対向して非回転側であるケーシング１ｂの内周面に、周方向に一定の間隔を存して半導体磁気抵抗素子からなる一対の検出センサ８１ａ、８１ｂが取り付けられている。そして、検出回転体７１の回転を検出センサ８１ａ、８１ｂによって検出し、その出力信号を検出センサ８１ａ、８１ｂに電気的に接続した入力回路１０に入力するように構成されている。
【００１６】
入力回路１０に入力された検出センサ（検出センサ８１ａ、８１ｂ）からの信号は、さらに、増幅部１１、波形成形部１２を介して制御部１３に入力されている。
制御部１３は、中央演算部１３１、ねじ締付け完了検出部、電磁弁制御部１３５を含んでおり、電磁弁制御部１３５からの制御信号は出力回路１７を介して圧縮空気供給ホース１８中に設けられている電磁弁１９に接続されている。
【００１７】
なお、図１の構成に代えて、図５に示したように、周方向に一定間隔毎にスリットまたは光反射体を設けた円板体からなる検出回転体７'と通過スリット数または光反射数を検出するフォトインタラプタ等の一組の光検出センサ８ａ'，８ｂ'を用いてもよい。
【００１８】
また、ロータ３と回転円筒部材４とが一体的に回転する構造の場合には、図６に示すように、検出回転体７１をエアモータ２のロータ３の軸端部に一体になるように設けてもよい。これ以外にも、ロータ３から回転円筒部材４までの間であって、ロータ３および回転円筒部材４と一体的に回転する回転軸部であれば、どの位置に設けることも可能である。
【００１９】
なお、前記インパクトレンチ１は、特許請求の範囲に記載された衝撃式動力ねじ締め工具に相当する構成であり、前記ロータ３と回転円筒部材４は、特許請求の範囲に記載された発生側衝撃部材に相当する構成であり、前記検出センサ８１ａ、８１ｂ、８ａ’、８ｂ’は、特許請求の範囲に記載された検出手段に相当する構成であり、前記制御部１３は、特許請求の範囲に記載された算出手段、制御手段に相当する構成である。また、特許請求の範囲に記載された機能を備えたものであれば、ソフトウエアで実現してもハードウエアで実現しても、両者の混在で実現してもよい。
【００２０】
以上の構成においては、入力回路１０から出力回路１７に至るまでの電気部品はインパクトレンチ外に設けられた制御器（図示せず）内に設けられている。
また、前記制御器と電磁弁１９はインパクトレンチ内に内蔵することもできる。また、電磁弁１９と電磁弁制御部１３５は電磁弁１９以外の圧縮空気供給停止装置とそれに適した制御部を用いてもよい。
【００２１】
回転円筒部材４が被駆動軸６に衝撃を与えるときの、回転円筒部材４の角速度の変化を図２の（ａ）に示して、本発明を説明する。
図２の（ａ）に示したように、例えば右回転方向（回転円筒部材４側から被駆動軸６側を見た場合の時計回り方向）の角速度を縦軸の正の方向に取って、横軸を時間軸とした場合、ｔ0で衝突が始まって角速度がω1から減少し始め、Ｐで示したように、ｔ1で角速度は一旦０となり、この時点でこのサイクルにおけるねじの締め付けは終了する。その後、回転円筒部材４はリバウンドを開始するので、角速度は負の値となる。
さらに、ｔ2で角速度は左回転方向の最大値となり、その後も角速度が減少しながらリバウンドが続くが、ｔ3でリバウンドが終了し角速度が０になった後、角速度は正の値となって増加し始め、次の衝突に向かう。
【００２２】
以上の場合において、角加速度βは衝撃力を与えた時間に対する角速度の変化で得られるので、
β＝（ω1−ω2）／Δｔ  （但し、Δｔ＝ｔ1−ｔ0）    （１）
と表すことができ、Δｔは打撃開始のｔ0から打撃終了のｔ1までとするのが良い。その理由は、ｔ1時点で打撃を終了するからである。また、図２（ａ）に示すように、衝撃レンチ（インパクトレンチ）がリバウンドする場合はω2＝０となる。
回転円筒部材の角速度が以上のように変化する場合、角加速度に、回転円筒部材４とロータ３の慣性モーメントを合計した値を乗算した値（これを発生衝撃トルクＴgと呼ぶ。）は、ｔ0で０から増加し始め、ｔ1で最大値となり、打撃を終了した後、再び減少して０となる。その傾向は、図２（ｂ）に示したように、実験的に被駆動軸６に歪ゲージを貼って実測した場合の被駆動軸６の受け取り衝撃トルク（Ｔr）とよく一致している。
このとき、発生衝撃トルクＴgを、
Ｔg＝Ｉ×β（但し、Ｉは回転円筒部材４とロータ３の慣性モーメントを合計した値）                        （２）
として計算する。
【００２３】
以上の様にして算出した発生衝撃トルクＴgは被駆動軸６へ伝達される。被駆動軸６へ伝達される受け取り衝撃トルクＴrは前記発生衝撃トルクＴgと相関関係がある。
この相関関係を、
Ｔr＝Ｆ（Ｔg）                                        （３）
と表す。このような相関関係は、実験により、図７に示したように、予め知ることができる。
さらに、ねじに与えられた衝撃トルクは前記受け取り衝撃トルクＴrと等しいと考えることができる。そして、各打撃ごとにねじに与えられた衝撃トルクの値の大きさは軸力と相関関係がある。
図７において、横軸には軸力を示し、縦軸に発生衝撃トルクと受け取り衝撃トルク（被駆動軸に歪みゲージを貼って実測した。）を示している。この相関関係は、多項式で近似して表現することができる。
【００２４】
従って、回転円筒部材４の衝撃を与える直前の角速度をω1、与えた直後の最小角速度をω2（但し、リバウンドが発生した場合にはω2＝０とする。）とし、衝撃力を与える時間をΔｔとすると、上記式（１）、（２）、（３）を用いることにより、予め得られている回転円筒部材４とロータ３の慣性モーメントを合計した値Ｉと、受け取り衝撃トルクＴrと発生衝撃トルクＴgとの相関関係に基づいて、被駆動軸６の受け取り衝撃トルクＴrを算出することができる。
従って、このようにして算出する受け取り衝撃トルクＴrによってねじ締め制御が可能となるのである。
【００２５】
なお、以上の説明においては、ロータと回転円筒部材とが一体的に回転する構造のインパクトレンチの場合を例にとって説明したが、図８に示した構造のインパクトレンチ８００の場合のように、回転円筒部材に相当する打撃ホイールがロータと一体的には回転しない構造のインパクトレンチの場合も本願の特許請求の範囲に含まれるものである。
図８の構造のインパクトレンチは、例えばUS.PAT2,160,150に開示されている公知の構造に、図１の検出回転体７１及び検出センサ８１ａ、８１ｂと同様の構成を具備したものである。
【００２６】
図８において、
モータのロータ８１０の回転力は遊星歯車減速装置８２０で減速され、出力軸８３０を回す。該出力軸８３０と打撃ホイール８４０との間にはボール８５０を介在させた進退／回転伝達クラッチ機構８６０が形成されている。
進退／回転伝達クラッチ機構８６０の要部の斜視図を示した図９において、打撃ホイール８４０の前部にはアンビル８８０に形成された腕８８１と係合し、また、打撃するための突起８４１が形成されている。
前記進退／回転伝達クラッチ機構８６０は、図１０の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示したように、該出力軸８３０の外周面に形成された溝８３１と、打撃ホイール８４０の内周面に形成された溝８４２と、前記両方の溝をかみ合わせるボール８５０と、打撃ホイール８４０をアンビル８８０側へ付勢するバネ８７０（図８参照）とで構成されている。
そして、図１０の（ｃ）に示したように、出力軸８３０の溝８３１と、打撃ホイール８４０の溝８４２とが、ボール８５０によってかみ合わされている。
【００２７】
上記構成によって、ロータ８１０が連続的に回転するとき、バネ８７０を押し縮めながら、アンビル８８０と係合して回転が抑止されている打撃ホイール８４０をロータ８１０側へ引き寄せる後退工程と、打撃ホイール８４０をロータ８１０側へ引き寄せて打撃ホイール８４０とアンビル８８０との係合が解除された後には、打撃ホイール８４０を回転させながら前記バネ８７０によってアンビル８８０側へ進出させる加速工程と、加速した打撃ホイール８４０でアンビル８８０を打撃する打撃工程とを実現するように構成されている。
前記後退工程における溝とボールの状態を図１０の（ｄ）に示し、アンビル８８０と打撃ホイール８４０との関係を図１１の（ａ）に示した。
前記加速工程における打撃ホイール８４０とアンビル８８０との関係を図１１の（ｂ）に示した。
前記打撃工程における打撃ホイール８４０とアンビル８８０との関係を図１１の（ｃ）に示した。
【００２８】
上記構成のインパクトレンチ８００の場合には、打撃ホイール８４０の外周面に歯を形成することによって検出回転体８９０を構成し、前記検出回転体８９０に対応するケーシングの所定位置に検出センサ８９１を設けた。
検出センサ８９１から出力される出力信号は図１の場合と同様の回路構成で処理するため、その説明は省略する。
【００２９】
なお、前記インパクトレンチ８００は、特許請求の範囲に記載された衝撃式動力ねじ締め工具に相当する構成であり、前記打撃ホイール８４０は、特許請求の範囲に記載された発生側衝撃部材に相当する構成であり、前記検出センサ８９１は、特許請求の範囲に記載された検出手段に相当する構成である。
そして、上記構成のインパクトレンチ８００の場合には、前述した式（２）における慣性モーメントＩは、打撃ホイール８４０のみの慣性モーメントとする。
【００３０】
以上の説明においては、リバウンドが発生するインパクトレンチの場合について説明したが、図３に示したようなオイルパルスレンチの場合にはリバウンドが発生する場合と、発生しない場合とがある。
図３において、９１はモータのロータであり、９２はオイルシリンダである。他の部材は、図１と同様であるためそれらの説明は省く。
【００３１】
図３に示したオイルパルスレンチにおいてリバウンドが発生しない場合には、衝撃を与えた直後の最小角速度ω2は、図４の（ａ）に示したようになる。
そして、オイルシリンダ９２の衝撃を与える直前（角速度＝ω1）から、与えた直後（最小角速度＝ω2）までの衝撃力を与えた時間はΔｔで示される。
また、リバウンドが発生した場合には、衝撃を与えた直後の最小角速度ω2をω2＝０とし、衝撃力を与えた時間Δｔは図４の（ｂ）のように示される。
【００３２】
なお、リバウンドが発生するかしないかは角速度の符号が反転するか否かで検出できるので、角速度の符号が反転した場合には最小角速度ω2を０とする。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、本発明のねじ締め制御方法、及び衝撃式動力ねじ締め工具によれば、部品点数が少なくでき、製造コストを抑制できるとともに、故障の発生を抑制して、信頼性の高いねじ締め制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる衝撃式動力ねじ締め工具の実施の形態の構成を示した構成図である。
【図２】前記衝撃式動力ねじ締め工具における角速度と受け取り衝撃トルクのグラフである。
【図３】オイルパルスレンチの構成図である。
【図４】前記オイルパルスレンチにおける角速度の種々のパターンのグラフである。
【図５】検出手段の他の形態を示す斜視図である。
【図６】検出手段の他の形態を示す説明図である。
【図７】前記衝撃式動力ねじ締め工具における発生衝撃トルク及び受け取り衝撃トルクと、軸力との相関関係を示したグラフである。
【図８】本発明にかかる衝撃式動力ねじ締め工具の他の実施の形態の構成を示した構成図である。
【図９】図８に示した衝撃式動力ねじ締め工具の説明図である。
【図１０】図８に示した衝撃式動力ねじ締め工具の説明図である。
【図１１】図８に示した衝撃式動力ねじ締め工具の説明図である。
【符号の説明】
１    衝撃式動力ねじ締め工具、インパクトレンチ
３  発生側衝撃部材、ロータ
４  発生側衝撃部材、回転円筒部材
６  被駆動軸
８１ａ、８１ｂ、８ａ’、８ｂ’  検出手段、センサ
１３  算出手段、制御手段、制御部
【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】
2007167959.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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