(57)【要約】【課題】  回転締付工具を把持した作業員に伝達される締付け時の反力を効果的に低減することのできる回転締付工具を提供する。【解決手段】  回転締付工具１０は、モータ１と、モータ１の回転軸１１に装着された遊星歯車機構からなる減速機２と、減速機２に装着された出力軸５１と、出力軸５１の先端に取付けられて被締結材ａを固定する固定部材５２と、回転軸１１の回転速度をパルス信号によって可変調整する制御手段とを具備している。遊星歯車機構は、回転軸１１に固設された太陽歯車２１と、その外周を自転しながら公転する複数の遊星歯車２２，２２，…と、遊星歯車２２，２２，…の公転軌道の外郭で回転するハウジング兼用の外輪歯車２４とから構成されており、モータ１には環状部材４が固設されており、外輪歯車２４が環状部材４に機械的に切り離された姿勢で囲繞されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータと、モータの回転軸に装着された遊星歯車機構からなる減速機と、減速機に装着された出力軸と、出力軸の先端に取付けられて被締結材を固定する固定部材と、前記回転軸の回転速度をパルス信号によって可変調整する制御手段と、を具備しており、前記遊星歯車機構は、前記回転軸に固設された太陽歯車と、その外周を自転しながら公転する複数の遊星歯車と、遊星歯車の公転軌道の外郭で回転する外輪歯車と、から構成されており、前記外輪歯車が前記モータに対して相対的に回転自在に構成されてなる回転締付工具。
【請求項２】
請求項１に記載の回転締付工具において、
前記モータには環状部材が固設されており、前記外輪歯車が該環状部材に機械的に切り離された姿勢で囲繞されてなる回転締付工具。
【請求項３】
前記外輪歯車は減速機のハウジングを兼ねており、該ハウジングの外周には、錘体が固設されており、前記被締結材が回転締付けされる際に作用する反力によって、前記ハウジング及び前記錘体が前記環状部材に対して相対的に回転するように構成されてなる請求項１または２に記載の回転締付工具。
【請求項４】
前記外輪歯車は減速機のハウジングを兼ねており、該ハウジングの外周には、錘体が該ハウジングに同期回転するように装着されており、
前記環状部材のうち、前記ハウジングと前記錘体に対向する面には第１のねじ切りが形成されており、前記錘体はリング状に形成されるとともに前記第１のねじ切りに螺合する第２のねじ切りを備えており、前記被締結材が回転締付けされる際に作用する反力によって前記ハウジングは回転し、前記錘体はハウジングと同期回転しながら前記第１のねじ切りに案内されてモータの回転軸の軸心方向に進退するように構成されてなる請求項１または２に記載の回転締付工具。
【請求項５】
前記環状部材と前記ハウジングの間に、ベアリング機構が介装されていることを特徴とする請求項３または４に記載の回転締付工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボルトやナットなどを締付ける際に使用される回転締付工具に係り、特に、該回転締付工具を把持した作業員に伝達される締付け時の反力を効果的に低減することのできる回転締付工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ボルトやナットなどを締付ける際に、手持ち型の回転締付工具が頻繁に使用される。回転締付工具は、モータと、その回転速度を減速しながら高トルクに変換する減速機を備えた構成となっており、一定の回転速度にてボルト等を任意のワークに締付け施工することができる。この回転締付けの際に、回転締付工具を把持する作業員には締付け時の反力が伝達されるため、該反力が大きな場合には、作業員に対して肉体的な負担や、場合によっては精神的な負担を強いることとなる。したがって、手持ち型の回転締付工具では、そのトルクレンジが狭くならざるを得ない。
【０００３】
上記問題に対して、回転締付工具に反力受けを取付け、該反力受けをワークに設置した姿勢でボルト等の締付け作業をおこなうことも一般的ではあるが、反力受けを適用する場合には、反力受けが、設置されるワーク側の形状による制約に応じる必要がある。したがって、ワーク側の制約に応じた反力受けを適用することとなるが、ワーク側の形状は、ボルト等の締付け部位によって多様に変更するため、その都度適用可能な反力受けを用意することはコスト面からの負荷があまりにも大きい。
【０００４】
一方、モータ駆動にて往復動するピストンを備え、ピストンの進退ストロークにてボルト等を打撃しながらワークに打ち込む打撃工具もよく知られるところである。この打撃工具の場合は、回転締付工具に比して反力も小さくなり、したがってトルクレンジもより広く取ることが可能となるが、発生する締付けトルクは打撃力に起因するものであるため、ワークの剛性等によって締付けトルクのばらつきが大きくなり、トルク管理精度が要求される部位には適用が困難である。
【０００５】
ところで、回転締付工具に関する従来の開示技術として、特許文献１を挙げることができる。この回転締付工具は、インターナルギヤを備えたギヤドラムと、該ギヤドラムとケーシングとの間に設けられた弾力係合クラッチ手段と、を少なくとも備えた自動クラッチ装置付きの回転締付工具である。被締結材への締付けトルクが所定トルクを超えた際にはギヤドラムとケーシングとの間のクラッチの係止が解除され、ギヤドラムはケーシングに対して相対的に回転することにより、反力の軽減を図ることができる。
【０００６】
【特許文献１】特公昭６０−１３７９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示の回転締付工具によれば、反力受けを適用することもなく、ボルト等の締付け時の反力を軽減することが可能となる。しかし、ギヤドラムの回転を抑制するためにクラッチ手段による係止力を利用していることから、該係止力が解除されるまでの締付け反力を低減することはできない。また、当該文献に特に記載はないが、回転締付工具の駆動モータは、連続電流による連続トルクにて回転締付けがおこなわれており、そのために、着座〜締付け完了までのトルク反力が大きくなることが分かっている。
【０００８】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、回転締付工具を把持した作業員に伝達される締付け時の反力を、締付け作業工程の全般に亘って効果的に低減することのできる回転締付工具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成すべく、本発明による回転締付工具は、モータと、モータの回転軸に装着された遊星歯車機構からなる減速機と、減速機に装着された出力軸と、出力軸の先端に取付けられて被締結材を固定する固定部材と、前記回転軸の回転速度をパルス信号によって可変調整する制御手段と、を具備しており、前記遊星歯車機構は、前記回転軸に固設された太陽歯車と、その外周を自転しながら公転する複数の遊星歯車と、遊星歯車の公転軌道の外郭で回転する外輪歯車と、から構成されており、前記外輪歯車が前記モータに対して相対的に回転自在に構成されてなることを特徴とする。
【００１０】
本発明の回転締付工具を構成するモータは、サーボモータやステッピングモータなどを適用することができる。このモータの回転軸には公知の遊星歯車機構からなる減速機が装着され、減速機から突出する出力軸の先端には、ボルトを仮固定するソケットやねじを仮固定するドライバービットなどからなる固定部材が装着されている。
【００１１】
本発明の回転締付工具は、減速機を構成する外輪歯車がモータに対して相対的に回転できるように構成されており、被締結材の回転締付け時の多大な反力が外輪歯車からモータおよび把持部に伝達されないようになっている。
【００１２】
所定の減速比にてモータトルクが増幅されて出力トルクとなり、この出力トルクにほぼ相当する反力が減速機に返ってくることとなるが、この際に、減速機の外輪歯車がモータに対して相対的に回転できる構成となっているため、反力のほとんどが最終的に外輪歯車のみに伝達され、該反力によるイナーシャが外輪歯車に作用することとなる。一方、作業員が直接把持している把持部には、理論的にはモータトルクのみが反力として返ってくることとなる。
【００１３】
本発明の回転締付工具では、上記する反力を極力低減するために、モータの回転制御をパルス信号に基づく制御方法とするものである。連続トルクに比して、断続的なパルス信号によるモータトルクを適用することで、減速機に返ってくる反力（この反力によって生じるイナーシャ）を格段に低減することができる。例えば、５ｍｓｅｃ程度の極めて短い時間でのパルス信号による回転を実現するためには、サーボモータを適用するのが好ましい。なお、このパルス信号制御は、出力トルクを計測し、モータの回転数ないしは回転速度をロータリエンコーダにて計測するとともに計測値をフィードバックさせ、モータの回転速度を目標トルク値に収束するようにＰＩ制御等にて制御し、制御に応じたパルス信号をモータに送信する方法によっておこなうことができる。このような制御方法を適用することで、設計トルクにて精度よく被締結材を締付け施工することができる。
【００１４】
本発明の回転締付工具によれば、モータの回転速度がパルス信号に基づいて制御されること、および、減速機の外輪歯車がモータに対して相対回転自在な構成となっていることにより、減速機に返ってくる反力を可及的に低減することができ、かつ、作業員が感じる反力をほぼモータトルクに相当する小さなトルクに調整することができる。
【００１５】
また、本発明による回転締付工具の他の実施の形態において、前記モータには環状部材が固設されており、前記外輪歯車が該環状部材に機械的に切り離された姿勢で囲繞されてなることを特徴とする。
【００１６】
例えば、作業員が直接把持する把持部に上記のモータが固設されており、このモータの回転軸が突出する端部には、減速機を収容する環状部材が固設されている。この環状部材は、少なくとも、その内周面の形状が円環状である適宜の形態を選定できる。なお、上記する把持部や環状部材は、軽量素材にて成形されていることが望ましく、プラスチックをはじめとする樹脂材にて成形できるほか、軽量金属素材から成形することができる。
【００１７】
上記する環状部材と遊星歯車機構を構成する外輪歯車とは機械的に切り離された構成となっており、被締結材の回転締付け時の反力が外輪歯車から環状部材を介して把持部に伝達されないように構成されている。すなわち、環状部材の内径を外輪歯車の外径よりも若干大きく成形しておく等の措置により、双方を切り離した構成とすることができる。なお、環状部材の内壁面に外輪歯車の外周面が摺接する構成とし、双方の摺接面に潤滑材が供給される形態であってもよい。
【００１８】
本発明の回転締付工具によれば、モータの回転速度がパルス信号に基づいて制御されること、および、減速機の外輪歯車とモータに固設された環状部材とが機械的に切り離された構造となっていることにより、既述と同様の効果、すなわち、減速機に返ってくる反力を可及的に低減することができ、かつ、作業員が感じる反力をほぼモータトルクに相当する小さなトルクとすることができる。
【００１９】
また、本発明による回転締付工具の他の実施の形態は、前記回転締付工具において、前記外輪歯車は減速機のハウジングを兼ねており、該ハウジングの外周には、錘体が固設されており、前記被締結材が回転締付けされる際に作用する反力によって、前記ハウジング及び前記錘体が前記環状部材に対して相対的に回転するように構成されてなることを特徴とする。
【００２０】
本発明の回転締付工具は、外輪歯車が減速機のハウジングをも兼ねており、その内周面に遊星歯車機構と噛み合いするギヤが形成されており、その外周面には、例えば円環状の錘体が固設されている。この錘体は、ハウジングとともに、被締結材の締付け時に返ってくる反力によって生じるイナーシャにより、モータと把持部に対して、相対的に自由に回転するものである。イナーシャが大きな場合には、該イナーシャに相当する重量が錘体とハウジングの双方に要求されるが、本発明では、モータの回転速度をパルス信号制御とすることで、発生するイナーシャを小さくできるため、錘体およびハウジングに要求される重量も小さくてよい。
【００２１】
イナーシャが小さくなるといっても、ハウジングの重量は軽量であることから、ハウジングの重量を重くする代わりに、要求される（発生する）イナーシャを吸収可能な重量の錘体をハウジングに付加する構成とすることにより、被締結材の締付け時の設計反力に応じて、ハウジングに固設される錘体の重量を適宜に調整することが可能となる。
【００２２】
また、本発明による回転締付工具の他の実施の形態において、前記外輪歯車は減速機のハウジングを兼ねており、該ハウジングの外周には、錘体が該ハウジングに同期回転するように装着されており、前記環状部材のうち、前記ハウジングと前記錘体に対向する面には第１のねじ切りが形成されており、前記錘体はリング状に形成されるとともに前記第１のねじ切りに螺合する第２のねじ切りを備えており、前記被締結材が回転締付けされる際に作用する反力によって前記ハウジングは回転し、前記錘体はハウジングと同期回転しながら前記第１のねじ切りに案内されてモータの回転軸の軸心方向に進退するように構成されてなることを特徴とする。
【００２３】
本発明の回転締付工具は、錘体がハウジングと同期回転できるとともに、該ハウジングに対して併進運動できるように構成されており、ハウジングが反力を受けた際に、縁切りされた環状部材に対して該ハウジングが自由に回転し、錘体は、ハウジングの回転に同期回転するとともに、環状部材に案内されて併進運動するものである。
【００２４】
錘体が回転運動と併進運動をおこなうことにより、発生するイナーシャ（要求されるイナーシャ）を双方の運動エネルギーに変換可能となるため、錘体が回転運動のみをおこなう場合に比して、その重量をより軽減することが可能となる。
【００２５】
錘体がハウジングに対して同期回転と相対的な進退移動を可能とする形態としては、例えば、ハウジングの外周に出力軸方向に延設する棒部材を取付けておき、この棒部材に円環状の有孔錘体の孔を遊嵌させておき、棒部材に沿って錘体が進退移動できるような形態などがある。
【００２６】
環状部材の内周面に形成されたねじ切り（第１のねじ切り）に、（円環状の）錘体の外周面のねじ切り（第２のねじ切り）が螺合し、錘体がイナーシャを受けて回転する際には第１のねじ切りに案内されながら、回転と併進をおこなう。ここで、双方のねじ切りの間には、併進運動をより円滑におこなわせるための潤滑材を提供できる形態としておくことが好ましい。
【００２７】
本発明の回転締付工具によれば、要求されるイナーシャを錘体の回転運動と併進運動に変換できるため、錘体に要求される重量を可及的に軽量とすることができ、回転締付工具全体の重量の軽量を実現できる。
【００２８】
さらに、本発明による回転締付工具の他の実施の形態において、前記環状部材と前記ハウジングの間に、ベアリング機構が介装されていることを特徴とする。
【００２９】
縁切りされた環状部材とハウジングの間に複数のベアリングを介装させることにより、ハウジング（及び錘体）の滑らか回転と、回転時の脈動を防止することができる。また、潤滑材を適宜提供する等のメンテナンスの必要もないため、メンテナンスも含めたトータルコストの低い回転締付工具を提供することが可能となる。
【発明の効果】
【００３０】
以上の説明から理解できるように、本発明の回転締付工具によれば、パルス信号に基づくモータ回転によって被締結材の締付け時の反力も小さくすることができ、この反力の殆どは外輪歯車ないしは錘体に作用することとなるため、工具を把持している作業員にはモータトルクに相当する小さなトルク反力しか作用しない。したがって、優れた操作性を提供でき、かつ、作業員に対する心的負荷を極めて少なくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の回転締付工具の一実施の形態の断面図を、図２は、図１の回転締付工具の制御ブロック図をそれぞれ示している。図３は、錘体に作用するイナーシャ（慣性モーメント）を説明した力学モデル図である。図４は、本発明の回転締付工具の他の実施の形態の断面図である。
【００３２】
図１は、回転締付工具の一実施の形態を示している。この回転締付工具１０は、サーボモータ１と、作業員が直接把持する把持部６とが固設され、サーボモータ１の回転軸１１に軸着された遊星歯車機構からなる減速機２と、減速機２のキャリア２３に軸着され、回転軸１１に同軸に設けられた出力軸５１、この出力軸５１に着脱可能に取付けられた固定部材５２、サーボモータ１に固設されるとともに、減速機２を囲繞するように設けられた円環状の環状部材４とから大略構成されている。
【００３３】
減速機２を構成する遊星歯車機構は、中央の太陽歯車２１と、該太陽歯車２１に周設された噛合歯に噛合う例えば３基ないしは５基の遊星歯車２２，２２，…と、各遊星歯車２２，２２，…の公転軌道の外郭を内径とし、遊星歯車２２の噛合歯に噛合う外輪歯車２４と、遊星歯車２２，２２同士を繋いで遊星歯車２２の公転運動を拾うキャリア２３とから構成されている。また、図示する実施の形態では、外輪歯車２４が減速機２のハウジングも兼ねており、この外輪歯車２４の外壁面には、円環状のフランジ２４ａが固設されている。所定の減速比に応じてサーボモータ１のモータ回転を減速機２にて減速し、トルクを増大させ、出力軸５１および固定部材５２を介して被締結材ａの回転締付けをおこなう。
【００３４】
円環状のフランジ２４ａには、回転軸１１に並行な棒部材２４ｂが固設されており、この棒部材２４ｂには、所定重量で円環状の有孔錘体３がその孔を棒部材２４ｂに貫通された状態でフランジ２４ａに取付けられている。この錘体３の重量は、被締結材ａの回転締付け時に生じて外輪歯車２４と錘体３に伝達される反力を吸収可能な重量に設定される。
【００３５】
ここで、サーボモータ１に固設され、外輪歯車２４（フランジ２４ａ）を囲繞する環状部材４と、該フランジ２４ａとの間には周方向に複数のベアリング７，７，…を備えたベアリング機構が介装されており、環状部材４と外輪歯車２４（および錘体３）とが完全に切り離された構成となっている。かかる構成により、被締結材ａの回転締付け時のトルク反力がサーボモータ１及び把持部６に直接作用することを回避することができ、トルク反力の殆どは、サーボモータ１に対して自由に相対回転可能な外輪歯車２４と錘体３に伝達されることとなる。ここで、作業員に伝達されるトルク反力の理論値は、モータトルクのみである。
【００３６】
図２は、回転締付工具１０の制御ブロック図を示している。サーボモータ１にはロータリエンコーダ８１が装着されており、モータの回転角（または回転速度）を計測可能となっている。この計測データ（信号）は、制御部８２に送られる（Ｘ方向）。一方、出力軸５１には、トルク値と出力軸５１の回転数をセンシングする検出部８５が設けられており、計測されたアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換部８４を介して演算部８３に送られる（Ｚ方向）。この演算部８３には、予め目標トルク値とその許容レンジが設定／内蔵されている。また、演算部８３に接続する制御部８２には、ロータリエンコーダ８１から順次送られてくる信号を目標トルク値ないしは該目標トルク周辺の設定レンジ内に収容させるためのＰＩ制御部が内蔵されており、ＣＰＵにてこのＰＩ制御部が作動し、ロータリエンコーダ８１から送られてきた計測信号と出力軸のトルク値および回転速度とを比較しながら、出力軸のトルクが目標トルクレンジ内となるように、所定の時間刻みのパルス信号をサーボモータ１にフィードバックする（Ｙ方向）。
【００３７】
なお、制御部８２には、サーボモータ１の回転を制御するサーボアンプや、サーボモータ１の回転角を制御するレゾルバ、Ｉ／Ｆ回路などが内蔵されており、かかる制御部８２、演算部８３、Ａ／Ｄ変換部８４などは、図では回転締付工具の外部に設けられているが、把持部６内に収容される形態であってもよく、またこのような形態がより好ましい。制御手段が回転締付工具内に収容されることで、操作性、運搬性の向上に繋がるからである。
【００３８】
サーボモータ１の回転速度を、出力軸のトルク値が目標トルク（またはその周辺レンジ）に収束するようにフィードバック制御し、適宜のパルス信号にてサーボモータ１の回転速度を制御することにより、被締結材の回転締付け時に発生する反力を極力抑えることができ、かつ、所望の締付けトルクにて精度よく被締結材の回転締付けをおこなうことができる。
【００３９】
次に、図３の力学モデルに基づいて、錘体に作用する（要求される）イナーシャ（慣性モーメント）を説明する。図３は、サーボモータ１と、減速機２、錘体３、回転軸１１、出力軸５１、被締結材ａを模式的に図示したものであり、図中、ＴＭはモータトルクを、ηＲは減速比を、ＴＲは錘体のトルクを、ＴＳは被締結材の締付けトルクをそれぞれ示している。ここで、錘体の運動方程式は、数式１となる。
[数１]
ＴＲ＝ＩＲ・ω’
ここで、ＩＲは錘体に発生する（要求される）イナーシャを、ω’は錘体の角加速度である。
【００４０】
一方、各トルク間において、ＴＲ＝ＴＳ−ＴＭ，ＴＳ＝ηＲ・ＴＭの関係から数式２を導くことができる。
[数２]
ＴＲ＝ＴＳ（１−１／ηＲ）
【００４１】
数式１、２より、錘体に発生する（要求される）イナーシャは数式３で表すことができる。
[数３]
ＩＲ＝１／ω’・ＴＳ（１−１／ηＲ）
【００４２】
数式３からも明らかなように、錘体の角加速度ω’を十分に大きく取ることにより、錘体に発生する（要求される）イナーシャを小さくすることができる。イナーシャが小さくなるということは、錘体の重量を少なくできることに繋がり、回転締付工具全体の重量の軽減に繋がる。
【００４３】
錘体の角加速度ω’を十分大きく取るには、既述するように断続的なパルス信号をサーボモータに送信することによって実現することができ、パルスの時間刻みをより短時間とすることで、より大きな角加速度ω’を得ることが可能となる。
【００４４】
また、図４は、回転締付工具の他の実施の形態を示したものである。この回転締付工具１０Ａでは、サーボモータ１に固設されている環状部材４ａの内壁面にねじ切り４ａ１が形成されており、円環状の錘体３ａの外周面にもねじ切り３ａ１が形成されており、双方のねじ切り４ａ１，３ａ１が螺合している。また、錘体３ａは、フランジ２４ａと切り離されており、棒部材２４ｂを介してフランジ２４ａに接続されることによって該フランジ２４ａと同期回転でき（Ｘ方向）、かつ、回転に応じてフランジ２４ａに対して相対的に併進運動可能となっている（Ｙ方向）。この併進運動は、錘体３ａがねじ切り４ａ１，３ａ１の螺合によって環状部材４ａに案内されながらおこなわれる。
【００４５】
回転締付工具１０Ａによれば、錘体３ａに作用する反力（イナーシャ）を錘体３ａの回転運動と併進運動に変換することにより、可及的に軽量な錘体３ａにて反力を吸収することが可能となる。すなわち、回転締付工具１０で適用される錘体３よりも軽量な錘体３ａを適用することができ、工具全体の重量をより低減することに繋がる。
【００４６】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の回転締付工具の一実施の形態の断面図。
【図２】図１の回転締付工具の制御ブロック図。
【図３】錘体に作用するイナーシャ（慣性モーメント）を説明した力学モデル図。
【図４】本発明の回転締付工具の他の実施の形態の断面図。
【符号の説明】
【００４８】
１…サーボモータ、１１…回転軸、２…減速機（遊星歯車機構）、２１…太陽歯車、２２…遊星歯車、２３…キャリア、２４…外輪歯車（兼ハウジング）、３，３ａ…錘体、３ａ１…ねじ切り、４，４ａ…環状部材、４ａ１…ねじ切り、５１…出力軸、５２…固定部材、６…把持部、７…ベアリング、８１…ロータリエンコーダ、８２…制御部、８３…演算部、８４…変換部、８５…検出部、１０，１０Ａ…回転締付工具、ａ…被締結材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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