JPH0724746A - クラッチ機構並びに該機構を用いるネジ締めドライバー及びネジ締め装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 小型，軽量化を図ると共に、高い精度の出力
トルクが得られる空圧式のクラッチ機構を提供する。 【構成】 クラッチ機構１０の内部に設けられた円筒状
シリンダ１０ａ，１０ｂ内の円筒状ピストン１７に、外
部から任意の圧力をもった圧搾空気を供給することで、
供給空気圧に比例したトルク値で動力を断続できるよう
に構成する。これにより、供給する空気圧に比例した出
力トルクが高い精度で得られ、小型化，軽量化が可能と
なってネジ締めドライバー等への応用が効果的となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ＶＴＲの組立工程に
おけるネジ締め作業等の、締め付けトルクを一定に保つ
ことができるクラッチ機構並びに該機構を用いるネジ締
めドライバー及びネジ締め装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の電動ネジ締めドライバー等に用い
られているクラッチ機構にはバネを用いた機械式のもの
と、動力用モーターの電流値を検出、制御するものがあ
る。

【０００３】図６に機械式のクラッチ機構の代表的な機
構原理を示す。このクラッチ機構１００のモーター出力
軸１０１は、遊星ギア減速機の初段太陽ギア１０２Ａに
接続され、リングギア１０３内に噛み合わされた３個の
初段の遊星ギア１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃを介し
て、遊星ギア支持円盤１０５Ａを回転させる。この遊星
ギア支持円盤１０５Ａには２段目の太陽ギア１０２Ｂが
固定されており、初段と同様にして２段目の遊星ギア支
持円盤１０５Ｂと一体の出力軸１０６を回転させる。こ
こで出力トルクの反力をうけるリングギア１０３は固定
用鋼球１０７およびバネ１０８で筐体１００ａに半固定
されている。

【０００４】そして、出力軸１０６に一定値以上のトル
クが加わると、バネ１０８の固定力がまけてリングギア
１０３の固定用鋼球１０７がはずれ該リングギア１０３
が回転を開始し、逆に、遊星ギア支持円盤１０５Ｂおよ
び出力軸１０６が停止する。したがってクラッチ部の作
動トルクはバネ１０８による半固定力の設定により変化
する。

【０００５】一方、図７に、ネジ締め装置等に用いられ
る動力用モーターの電流検出による出力トルク制御方式
のクラッチ機構の原理グラフを示す。図７において、グ
ラフの縦軸はモーターに流れる電流値、横軸はネジが締
まっていく過程での時間を示している。最初ネジが空中
で回転している時モーターには初期電流Ｉｆが流れてい
る。ネジがネジ穴に入り始めるとモーターの負荷も増加
し電流値が上がる（図７中Ｉｃ）。さらに締め付けが完
了するとネジの着座と同時にモーターの回転が停止し、
モーター電流は起動電流Ｉｓまで急激に増加する。この
時ＩｃとＩｓの間にしきい値Ｉｔを設け、電流がＩｔに
達した時点でモーターへの電流供給を断つことで、Ｉｔ
に相当する出力トルクでネジ締めが行われたとする。或
は、ネジの着座によるモーターの停止を検出した後、モ
ーターへの印加電圧を増加させ、Ｉｃを越える電流Ｉａ
を流す。モーターはＩａに伴うトルクを発生し、着座し
たネジの増し締めを行い所定トルクで締め付る。

【０００６】また、図８に、上記電流検出によるクラッ
チ機構を用いたネジ締め装置の回路ブロック図を示す。
図８において、ネジ締め装置１１０は、動力用モーター
１１１と、このモーター１１１の下部に取付けられたネ
ジ締めドライバー１１２と、モーター１１１の上部に取
付けられた回転検出部１１３と、モーター１１１をオ
ン，オフする起動スイッチ１１４と、回転検出部１１３
に接続された回転数検出回路１１５と、モーター１１１
に接続されたモーター電流検出回路１１６と、起動スイ
ッチ１１４に接続され、ネジ締めパターンを予めプログ
ラムした状態判定回路１１７と、この状態判定回路１１
７の信号によりモーター１１１を駆動させるモーター駆
動回路１１８とで構成されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の機械式のクラッチ機構１００では、クラッチが作動
する際、減速機内のリングギア１０３を回転させること
になるが、該リングギア１０３の慣性モーメントが大き
いため同じバネ力で半固定していても使用している回転
数によって作動トルク値が変化する欠点があった。ま
た、作動トルク値をバネ（一般的には圧縮コイルバネ１
０８）力を用いて設定しているため、複数のネジを異な
るトルクで締め付ける際、クラッチ機構１００の筐体１
００ａ内のバネ力調整部を操作するか或は複数のネジ締
めドライバー等を用意して使いわける必要があった。さ
らに、作動トルク値をバネ１０８で調整するため、機構
部の小型化が困難であった。

【０００８】また、上記従来の電流検出型のクラッチ機
構を用いたネジ締め装置１１０ではネジ締めが完了する
瞬間の極めて短い時間に電流制御を行う必要があるた
め、ネジ締めドライバー１１２の回転速度に制限があ
る。また、ネジの着座後に電圧を増加させ増し締めを行
う方法では通常の２倍近い作業時間を必要とする。更
に、電流検出型は機構部分の構造が単純なため小型化が
可能である反面複雑な制御回路を必要とするため、ネジ
締め装置１１０としてのコストがかさむ不利点があっ
た。

【０００９】そこで、この発明は、上記問題点を解決す
ることができるクラッチ機構並びに該機構を用いるネジ
締めドライバー及びネジ締め装置を提供するものであ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明のク
ラッチ機構は、機構内部に設けられた円筒状シリンダ内
の円筒状ピストンに外部から任意の圧力をもった圧搾空
気を供給することで、供給空気圧に比例したトルク値で
動力を断続できるように構成してある。

【００１１】また、請求項４記載の発明の上記クラッチ
機構を用いるネジ締めドライバーは、供給空気圧に比例
したトルク値で動力を断続できるように構成したクラッ
チ機構と、動力用にステッピングモーターと、減速機と
してハーモニックドライブ機構とを備えている。

【００１２】さらに、請求項５記載の発明の上記クラッ
チ機構を用いるネジ締め装置は、供給空気圧に比例した
トルク値で動力を断続できるように構成したクラッチ機
構を装備したネジ締めドライバーと、電気信号により供
給空気圧を切り換えられる空圧レギュレータまたはレギ
ュレータ群と、切り換えに必要な電気信号発生手段とを
備えている。

【００１３】

【作用】空気圧により断続トルク値を変化させられるた
め、１台のクラッチ機構で複数の出力トルクが自由に得
られ、かつ切り替えが瞬時に行なわれる。また、クラッ
チ機構内の回転部品の慣性モーメントが小さく、またク
ラッチ作動時の慣性力も小さいため、回転速度の影響が
少なく安定した出力トルクが得られる。さらに、円筒型
ピストンとしたことで、ピストンの中空部に軸受け機構
等が構成でき、機構全体が小型化，軽量化される。

【００１４】また、ネジ締めドライバーでは、ステッピ
ングモーターの特性である定速回転を利用したので、回
転速度変化に伴う慣性力差による出力トルク値のばらつ
きが生じることがない。さらに、減速機構にハーモニッ
クドライブ機構を採用したので、減速部の耐久性が向上
する。

【００１５】さらに、ネジ締め装置では、１台のネジ締
めドライバーで複数の出力トルクが自由に得られ、か
つ、切り替えを瞬時に行なうことができるため、複数の
異なるネジ締め作業でも工具の交換を必要とせず、より
短時間に作業が行われる。

【００１６】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面と共に詳述す
る。

【００１７】図１，２において、符号１０は空圧式で小
型のクラッチ機構であり、符号１１は動力となる図示し
ないモーター等に接続されているクラッチ機構１０の入
力軸である。また、符号１５はクラッチ機構１０により
トルク制限された出力軸である。

【００１８】入力軸１１は軸受け１１ａ，１１ｂによっ
て筐体１０ａで支持されている。また、入力軸１１に
は、１８０゜位相で２つの孔１２ａ，１２ｂをもつフラ
ンジ１２が図示しない平行キーを介して固定されてお
り、入力軸１１と一緒に回転するようになっている。こ
のフランジ１２の孔１２ａ，１２ｂにはそれぞれに鋼球
１３ａ，１３ｂがあり、入力軸１１のまわりを公転する
ようになっている。２つの鋼球１３ａ，１３ｂはスラス
ト玉軸受け１６ａを介してピストン１７により出力軸１
５のフランジ部１５ａに押し付けられている。

【００１９】出力軸１５には２つの扇形状の固定こま１
４ａ，１４ｂがやはり１８０゜位相で取り付けられてお
り、鋼球１３ａ，１３ｂが押し付けられているフランジ
部１５ａの上面に突起を形成するようになっている。こ
の鋼球１３ａ，１３ｂが公転すると上記固定こま１４
ａ，１４ｂに接触し、スラスト軸受け１６ａ，１６ｂで
支持された出力軸１５を回転させる。ここで、ピストン
１７は筐体１０ａ，１０ｂとともに、２つの異なる断面
積をもつシリンダＢ１，Ｂ２を形成している。このシリ
ンダＢ１，Ｂ２はピストン１７に設けられた小孔１７ａ
によって通じており、筐体１０ａに設けられたエアポー
トＰから供給された圧縮空気はシリンダＢ１に入ると同
時に小孔１７ａを通ってシリンダＢ２に入るようになっ
ている。

【００２０】以上実施例のクラッチ機構１０によれば、
シリンダＢ１，Ｂ２には同じ圧力の空気が入ることにな
るが、断面積の違いによりピストン１７は出力軸１５側
に押し付けられる。出力軸１５に負荷トルクが発生する
と、鋼球１３ａ，１３ｂは固定こま１４ａ，１４ｂに乗
り上がろうとするが、ピストン１７の力によって押えら
れる。しかし、出力軸１５の負荷トルクがある一定値を
越えると、ピストン１７の力がまけ、鋼球１３ａ，１３
ｂは固定こま１４ａ，１４ｂに乗り上げ、出力軸１５へ
の動力伝達が断たれる。この状態を図２に示す。

【００２１】このクラッチ機構１０では、ピストン１７
が負荷トルクによって作動したことを、ピストン１７に
設けたピン１８によって検出し、動力用モーターを停止
させている。再度動力用モーターを起動させると、鋼球
１３ａ，１３ｂは固定こま１４ａ，１４ｂ上をころが
り、ピストン１７に押されて出力軸１５のフランジ部１
５ａの上面に戻る。この際、ピストン１７は小断面シリ
ンダＢ２側の圧縮空気をショックアブソーバとして動作
するため鋼球１３ａ，１３ｂ、固定こま１４ａ，１４ｂ
並びにフランジ部１５ａの上面に対する衝撃を減少さ
せ、機構部を保護する働きをもっている。これにより、
筐体１０ａ，１０ｂ内の動作衝撃を軽減することがで
き、クラッチ機構１０の耐久性の向上を図ることができ
る。さらに、摺動抵抗が極めて少ないため、安定したト
ルクを設定することができる。

【００２２】また、動力を断続しようとするトルク値の
設定は、エアポートＰから供給する圧縮空気の圧力をも
って行い、供給空気圧に比例した値が得られる。その一
例として上記クラッチ機構１０を用いた実験での測定デ
ータを図３に示す。図３に示すグラフにおいて、横軸は
供給した空気圧力、縦軸はそのときのクラッチ機構１０
の作動トルク値の平均値及びばらつきの範囲を表してい
る。測定は各供給圧力に対し４０回行った結果である。
図３に示すグラフからも明かなように供給圧力に対する
断続トルクの直線性は良好で、ばらつき範囲も数％と極
めて安定した性能を示している。

【００２３】このように、クラッチ機構１０によれば、
空気圧により断続トルク値を変化させられるため、１台
のクラッチ機構１０で複数の出力トルクが自由に得ら
れ、かつ切り替えを瞬時に行なうことができる。また、
クラッチ機構１０内の回転部品であるピストン１７等の
慣性モーメントが小さく、またクラッチ作動時の慣性力
も小さいため、回転速度の影響が少なく、安定した出力
トルクが得られる。さらに、円筒型ピストン１７とした
ことで、ピストン１７の中空部にスラスト軸受け１６
ａ，１６ｂ等の機構が構成でき、機構全体が小型化でき
る。

【００２４】図４には、上記クラッチ機構１０を用いた
ネジ締めドライバー２０を示す。このネジ締めドライバ
ー２０は、供給空気圧に比例したトルク値で動力を断続
できる空圧式で小型のクラッチ機構１０と、動力用のス
テッピングモーター２１と、減速機としてのハーモニッ
クドライブ機構２２を備えている。動力用のステッピン
グモーター２１の出力軸２１ａは、ハーモニックドライ
ブ機構２２で１／５０に減速され、さらに空圧式のクラ
ッチ機構１０に結合されている。このクラッチ機構１０
の出力軸１５にはネジ締め用ドライバービット２４が取
り付けられている。

【００２５】ここで動力用のステッピングモーター２１
は設定された一定の回転速度で、やはり設定された一定
の出力トルクを発生している。また、空圧式のクラッチ
機構１０には適当な圧力の圧縮空気が供給されている。
ステッピングモーター２１の動力はネジ締め用ドライバ
ービット２４に伝達され、ネジ締め作業が行われる。ネ
ジを締めこんでゆく過程において、ネジ締め用ドライバ
ービット２４にはネジの締め込みトルクが負荷としてか
かっている。そして、最後に締め付けが進み、ネジ頭部
が着座すると、この負荷トルクが急激に上昇する。これ
がクラッチ機構１０の供給空気圧によって設定されたト
ルク値に達すると、ピストン１７が押し反えされクラッ
チが作動し動力が断たれる。この一連の動作をもって、
ネジは常にクラッチ機構１０に供給される空気圧で設定
された一定のトルクで締め付けられることになる。ま
た、この際のピストン１７の動きをピン１８を通してセ
ンサー１９で検出し、ステッピングモーター２１が停止
する。

【００２６】ネジの締め込みから締め付け終了までの
間、負荷トルクは逐次変化するが、ステッピングモータ
ー２１の特性によりネジ締め用ドライバービット２４の
回転速度は一定にたもたれ、慣性力の変化による締め付
けトルク値のばらつきは生じない。

【００２７】このように、ネジ締めドライバー２０によ
れば、ステッピングモーター２１の特性である定速回転
を利用したので、回転速度変化に伴う慣性力差による出
力トルク値のばらつきが生じることがない。また、ステ
ッピングモーター２１がブラシ等電気的摺動部を持たな
い構造のため耐久性に富む。さらに、減速機にハーモニ
ックドライブ機構２２を採用したことにより、減速部の
耐久性を向上させることができる。

【００２８】図５には、上記ネジ締めドライバー２０を
用いたネジ締め装置３０を示す。このネジ締め装置３０
は、供給空気圧に比例したトルク値で動力を断続できる
空圧式のクラッチ機構１０を装備したネジ締めドライバ
ー２０と、モーター制御信号により駆動されるモーター
駆動回路３１と、電気信号により供給空気圧が切り換え
られる電空レギュレータ３２と、システムを制御するコ
ントローラ（電気信号発生手段）としてのシーケンスプ
ログラマー３３と、このシーケンスプログラマー３３か
らのデジタル信号を電空レギュレータ制御信号用に電圧
変換するＤ／Ａコンバーター３４と、ネジ締めトルクの
切り換え指示を与える切り換えフットスイッチ３５と、
ネジ締めドライバーモーター起動スイッチ３６と、空圧
源３７とから構成されている。

【００２９】そして、シーケンスプログラマー３３には
予め使用したいネジの締め付けトルクに相当する空気圧
データを、使用する順番にプログラムする。このネジ締
め装置３０を操作する作業者あるいはロボットは、ネジ
を１本締める毎に切り換えフットスイッチ３５を通して
作業が進んだことを、シーケンスプログラマー３３に入
力する。これを受けたシーケンスプログラマー３３は、
プログラムされたデータを順にＤ／Ａコンバーター３４
に出力し、電空レギュレータ３２を介してネジ締めドラ
イバー２０に供給する空気圧力を制御し、ネジ締めドラ
イバー２０による締め付けトルクを作業工程に合わせて
変化させる。ネジ締め作業自体は、ネジ締めドライバー
２０を扱う作業者あるいはロボットが行い、プログラム
で設定された状態のネジ締めドライバー２０を持ち起動
スイッチ３６を通して動力用のステッピングモーター２
１を起動させ作業を行う。１本のネジ締めが完了すると
ネジ締めドライバー２０に設けられたクラッチ作動検出
センサー１９により動力用のステッピングモーター２１
が停止する。

【００３０】このように、ネジ締め装置３０によれば、
１台のネジ締めドライバー２０で複数の出力トルクが自
由に得られ、かつ、切り替えを瞬時に行なうことができ
るため、複数の異なるネジ締め作業でも工具の交換を必
要とせず、より短時間に作業を行うことができる。ま
た、シーケンスプログラマー３３及び電空レギュレータ
３２の組合せによりネジの本数や出力トルク値および出
力回転速度の設定数には制限がない。

【００３１】

【発明の効果】以上のように、請求項１記載の発明のク
ラッチ機構によれば、空気圧により断続トルク値を変化
させられるため、１台のクラッチで複数の出力トルクが
自由に得られ、かつ切り替えを瞬時に行なうことができ
る。また、クラッチ機構内の回転部品の慣性モーメント
が小さく、またクラッチ作動時の慣性力も小さいため、
回転速度の影響が少なく、安定した出力トルクが得られ
る。さらに、円筒型ピストンとしたことで、ピストンの
中空部に軸受け機構等が構成でき、機構全体が小型化で
きる。

【００３２】請求項２記載の発明のクラッチ機構によれ
ば、ピストン自体にショックアブソーバ機能を持たせた
ことにより、機構部内の動作衝撃が軽減され、耐久性の
向上が図られる。

【００３３】請求項３記載の発明のクラッチ機構によれ
ば、摺動抵抗が極めて少ないため、安定したトルクを設
定することができる。また、摺動による摩耗が少ないた
め耐久性に富む。

【００３４】請求項４記載の発明のネジ締めドライバー
によれば、ステッピングモーターの特性である定速回転
を利用したので、回転速度変化に伴う慣性力差による出
力トルク値のばらつきが生じることがない。また、ステ
ッピングモーターがブラシ等電気的摺動部を持たない構
造のため耐久性に富む。さらに、減速機にハーモニック
ドライブ機構を採用したことにより、減速部の耐久性を
向上させることができる。

【００３５】請求項５記載の発明のネジ締め装置によれ
ば、１台のネジ締めドライバーで複数の出力トルクが自
由に得られ、かつ、切り替えを瞬時に行なうことができ
るため、複数の異なるネジ締め作業でも工具の交換を必
要とせず、より短時間に作業を行うことができる。ま
た、プログラムシーケンサー及び電空レギュレータの組
合せによりネジの本数や出力トルク値および出力回転速
度の設定数には制限がない。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例のクラッチ機構を一部断面で
示す斜視図。

【図２】上記クラッチ機構の作動状態を示す斜視図。

【図３】上記クラッチ機構の出力トルク値と供給空気圧
力の関係を示すグラフ。

【図４】上記クラッチ機構を用いたネジ締めドライバー
の断面図。

【図５】上記ネジ締めドライバーを用いたネジ締め装置
の回路図。

【図６】従来の機械式のクラッチ機械を示す断面図。

【図７】従来の電流検出によるトルク制御方式のクラッ
チ機構の原理を示すグラフ。

【図８】上記電流検出型のクラッチ機構を用いたネジ締
め装置の回路図。

【符号の説明】

１０…クラッチ機構 １０ａ，１０ｂ…シリンダ Ｂ１，Ｂ２…断面積差を持つシリンダ １６ａ，１６ｂ…スラスト玉軸受け １７…ピストン ２０…ネジ締めドライバー ２１…ステッピングモーター ２２…減速機 ３０…ネジ締め装置 ３２…レギュレータ ３３…電気信号発生手段

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 機構内部に設けられた円筒状シリンダ内
   の円筒状ピストンに外部から任意の圧力をもった圧搾空
   気を供給することで、供給空気圧に比例したトルク値で
   動力を断続できるように構成したことを特徴とするクラ
   ッチ機構。
2. 【請求項２】 請求項１記載のクラッチ機構において、
   ピストンを段付き形状とし、ピストンの両側に断面積差
   を持つシリンダを形成したことを特徴とするクラッチ機
   構。
3. 【請求項３】 請求項１記載のクラッチ機構において、
   加圧ピストンと断続部間をスラスト玉軸受けを介して連
   携したことを特徴とするクラッチ機構。
4. 【請求項４】 供給空気圧に比例したトルク値で動力を
   断続できるように構成したクラッチ機構と、動力用にス
   テッピングモーターと、減速機としてハーモニックドラ
   イブ機構とを備えたことを特徴とするネジ締めドライバ
   ー。
5. 【請求項５】 供給空気圧に比例したトルク値で動力を
   断続できるように構成したクラッチ機構を装備したネジ
   締めドライバーと、電気信号により供給空気圧を切り換
   えられる空圧レギュレータまたはレギュレータ群と、切
   り換えに必要な電気信号発生手段とを備えたことを特徴
   とするネジ締め装置。