JPS63190B2

JPS63190B2 -

Info

Publication number: JPS63190B2
Application number: JP52033375A
Authority: JP
Inventors: Chinko Higashijima
Original assignee: Nissan Motor Sales Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Sales Co Ltd
Priority date: 1977-03-28
Filing date: 1977-03-28
Publication date: 1988-01-06
Also published as: JPS53119498A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はインパクトレンチ用の締付トルク検出
装置に関する。

ネジ、ボルトなどを締付ける際に使用する従来
レンチの型式としては、手動もしくは電動により
連続的に負荷を締付けるスタテツクレンチと、圧
搾空気で駆動されるハンマの衝撃力を利用して、
負荷を間欠的に締付けるインパクトレンチが知ら
れている。スタテツクレンチは付設したトルクメ
ーターで締付トルクを測定表示し、これを確認し
ながら締付作業を行なうことができるから、負荷
を要求される締付トルクで締付けることができる
が、インパクトレンチと比較して、要求される締
付トルクが大きくなるに従い大型化し、取扱いに
困難を来し、さらに作業能率が悪いという欠点が
ある。

このステツクレンチの欠点のために、インパク
トレンチが汎用されているが、従来インパクトレ
ンチにおいては、圧搾空気の供給を作業員の勘に
頼つており、締付トルクの均一性が保証されず、
品質管理上極めて大きな問題を残していた。かか
る従来インパクトレンチの欠点を解消し、締付ト
ルクを自動的に一定にするため、本発明者等は、
先に第１図および第２図に示すインパクトレンチ
の締付トルク制御装置および締付トルク検出装置
を提案した。すなわち第１図に示したようにイン
パクトレンチ１の駆動軸に動力伝達軸を有する締
付トルク検出装置２を装着し、この検出装置２の
動力伝達軸を締付トルクに対応させた歪ませ、該
歪を検出手段で電気信号に変換して検出し、該検
出信号値が設定レベルに達した時に信号処理回路
３，４から空気制御弁５へ指令信号を送出し、圧
搾空気を停止することにより、締付トルクを一定
に維持することである。

前述の締付トルク検出装置２は、第２図に示し
たように、剛体の動力伝達軸６にストレンゲージ
等の検出素子７を設け、該検出素子７によつて締
付トルクに対応する動力伝達軸６の物理的歪を、
電気信号に変換して検出する構成になつている。
前記の検出素子７に対する電力の供給および検出
信号の取り出しは、検出素子７の両側部分に設け
た空隙付変圧器８，９によつて非接触的に行な
う。

しかし、その先行技術においては、負荷締付ト
ルクがスタテツクレンチで締付けた場合の締付ト
ルクまたは設定締付トルクに対応ないしは一致せ
ず、締付トルクの均一性保証および品質管理上の
問題を残していた。

次に、実験データを上げて、従来のインパクト
レンチの問題点を具体的に説明する。第３図Ａ，
Ｂはその実験データである。図において、横軸に
実締付トルクを、縦軸にその実締付トルクを供給
した頻度をそれぞれとつてある。本実験において
は、インパクトレンチの締付トルクを４Kg−ｍに
設定して負荷を締付けた後、トルクメータ付のス
タテツクレンチでこの負荷を緩め、その時のトル
クメータの表示を実締付トルクとみなしている。

第３図のうち、第３図Ａは、第２図に示した締
付トルク検出装置についての実験データを示して
おり、検出手段７を貼着した部分よりは締付負荷
側に位置する軸部６ａに、空隙付変圧器用コイル
付鉄心９ａを装着している。

次に第３図Ｂは、第２図に示す検出装置からコ
イル付鉄心を除去した締付コイル装置についての
実験データを示している。

第３図Ａに示す実験データから、実締付トルク
の平均値Ｘは4.6Kg−ｍであり、設定締付トルク
４Kg−ｍより0.6Kg−ｍも大きく、偏差値δは
0.201となつている。第３図Ｂの実験データでも
実締付トルクの平均値Ｘは4.23Kg−ｍであり、設
定締付トルク４Kg−ｍより0.23Kg−ｍも大きく、
偏差値δは0.292となつている。

次に上述の誤差の原因について考察する。

第１図に示した締付トルク制御装置において、
インパクトレンチを駆動すると、第２図における
動力伝達軸６の軸部６ａにもエネルギーが伝達さ
れ、慣性エネルギーとして保存される。

したがつて、軸部６ａは負荷締付時には検出手
段７によつて検出されない慣性エネルギーを有す
ることになる。しかるにこの軸部６ａの慣性エネ
ルギーは負荷締付の際、負荷にはき出され、その
検出に寄与するものであるから、本来締付トルク
に含ませて測定されるべきものである。このため
各インパクト毎に軸部６ａの慣性エネルギーが測
定されることなく締付トルクに加算され、前述の
締付誤差を生じるものと考えられる。

この問題を解明し、適切な解決策を見い出すに
は、締付トルクを決定する諸要因を正確に把握す
ることが前提となるが、従来、このような課題解
決を目的とした先行技術は、本発明者の知る限り
では存在しない。そこで、インパクトレンチと同
様の技術分野にあるスタテツクレンチに関する技
術が転用できないかどうか問題になる。

しかしながら、スタテツクレンチにおいては、
連続した締付力によつて負荷を締付けて行くの
で、その負荷締付過程は静的であり、間欠的なハ
ンマの衝撃力によつて負荷を締付ける動的方式の
インパクトレンチとは、その動作原理を全く異に
する。したがつて、インパクトレンチにおいて
は、スタテツクレンチにおける締付トルク制御技
術を転用できるものではなく、その動作原理に適
合した特有の高度の技術的考察処理を必要とす
る。次に、その理由を詳しく述べる。

第８図は第１図に示したようなインパクトレン
チ用締付トルク検出装置の構造をモデル化して示
す図であり、１はインパクトレンチ、６は動力伝
達軸、７は歪検出素子である。このモデルにおい
て、 T₁；インパクトレンチ１の駆動動トルク T₂；検出トルク T₃；締付トルク I₁；歪検出素子７を設けた部分よりは駆動側の
動力伝達軸６の慣性能率 I₂；歪検出素子７を設けた部分よりは負荷側の
動力伝達軸６の慣性能率とすると、 T₁＝（I₁＋I₂）θ″＋T₃ …(1) T₂＝I₂.θ″＋T₃ …(2) ただし、θ″は角加速度で、 θ″＝d₂θ／dt₂ となる。

上記(2)式から明らかなように、インパクトレン
チによつて締付ける場合には、検出トルクT₂に
は、締付トルクT₃の他に、歪検出素子７を設け
た部分よりは負荷側の動力伝達軸６の慣性能率I₂
と角加速度θ″との積で表わされる成分が含まれ
る。

ここで、慣性能率I₂は、歪検出素子７を動力伝
達軸６のどの位置に配置するかによつて変化す
る。しかも、インパクトレンチでネジやボルト等
を締付ける場合、締始めは緩いので、ネジやボル
トはインパクトレンチ１の回転速度で高速回転す
るが、締り始まると、反作用として急激にブレー
キがかかり、最終的には停止してしまう。つま
り、角加速度θ″の変化が極めて大きくなる。

このように、インパクトレンチ１によつて締付
ける場合は、検出トルクT₂が歪検出素子７の配
置位置、角加速度θ″の影響を受けるため、検出ト
ルクT₂を締付トルクT₃に正確に対応させること
が極めて困難であるという特有の問題を生じるの
である。

一方、スタテツクチレンチの場合には、連続し
た締付力によつて負荷を締付けて行くので、角加
速度θ″＝零であり、また慣性能率I₂の影響を受け
ることもない。従つて、伝達軸６に対する歪検出
素子７の取付位置や角加速度θ″が検出トルクT₂
に影響を与えることがない。

以上の説明から明らかなように、インパクトレ
ンチはスタテツクレンチとはその動作原理を全く
異にする。このため、インパクトレンチにおいて
は、スタテツクレンチにおける締付トルク制御技
術を転用できないのである。

本発明は上述する問題点を解決し、効率を向上
させつつ、インパクトレンチによる締付トルク
を、スタテツクレンチによる締付トルクないし設
定トルクに可能な限り近似させ、締付トルクの品
質を向上させると共に、インパクトレンチによる
締付トルクを、補正手段など付加的手段を必要と
することなく、高精度で検出できる締付トルク検
出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、締付負荷
とインパクトレンチの駆動軸との間に介装され、
前記インパクトレンチの駆動力を締付負荷に伝達
する剛体の動力伝達軸と、該動力伝達軸上に設け
られ前記インパクトレンチの駆動に伴つて生起す
る前記動力伝達軸の物理的歪を電気信号に変換し
て検出する検出手段とを有する締付トルク検出装
置において、前記検出手段を設けた部分よりは締
付負荷側に位置する前方部分の慣性が、前記検出
手段を設けた部分よりは前記インパクトレンチ側
に位置する後方部分の慣性より、前方部分の慣性
による検出誤差を除去し得る程度に小さくした前
記動力伝達軸と、前記検出手段からの検出信号を
外部へ伝送する空隙付変圧器と、前記検出手段へ
動作のための電力を供給する空隙付変圧器とを備
え、前記２つの空隙付変圧器は、前記動力伝達軸
上に同軸状に設けたことを特徴とする。

上掲(1)式、 T₁＝（I₁＋I₂）θ″＋T₃ …(1) より、駆動トルクT₁を締付トルクT₃として有効
に利用し、効率を上げるために、慣性能率（I₁＋
I₂）をできるだけ小さくしたい。

一方、上掲(2)式、 T₂＝I₂.θ″＋T₃ …(2) を見ると、検出トルクT₂を締付トルクT₃に近づ
け、検出精度を向上させるには、慣性能率I₂はで
きるだけ小さいほうがよい。

本発明においては、検出手段を設けた部分より
は締付負荷側に位置する前方部分の慣性が、検出
手段を設けた部分よりは前記インパクトレンチ側
に位置する後方部分の慣性より、前方部分の慣性
による検出誤差を除去し得る程度に小さくした動
力伝達軸を備えるから、慣性能率（I₁＋I₂）をで
きるだけ小さくして効率を向上させると同時に、
この制限の中で、慣性能率I₂を小さくし、検出精
度を向上させることができる。

また、本発明に係るトルク検出装置は、検出手
段からの検出信号を外部へ伝送する空隙付変圧器
と、検出手段への動作のための電力を供給する空
隙付変圧器とを備えるから、検出手段からの信号
の伝送及び電力供給が非接触動作となり、スプリ
ングとブラシとの組合せの場合のような、ブラシ
の摩耗に伴う接触圧、接触抵抗の変動、検出精度
の低下等を生じる余地がない。しかも、歪検出素
子等で構成されて駆動電力より著しく小さい検出
信号を、駆動電力から分離して確実に検出するこ
とができる。

さらに、２つの空隙付変圧器は、動力伝達軸上
に同軸状に設けてあるから、ハウジング内への組
込みが容易になる。

以下、実施例たる添付図面を参照し、本発明に
係るインパクトレンチ用の締付トルク検出装置を
具体的に説明する。

第４図は、本発明に係る締付トルク検出装置の
破断部分断面図を示している。図において２０は
ハウジング、１９は動力伝達軸である。該動力伝
達軸１９は剛体をもつて構成されており、その一
端にはインパクトレンチ１０の駆動軸１０ａを嵌
め込む矩形孔１１が設けられ、他端面側にはボル
ト、ナツト等の締付負荷を連結する連結部１２が
設けられている。１３ａ，１３ｂは動力伝達軸１
９をハウジング２０内に回転自在に横設するため
の軸受であり、ベアリング等をもつて構成され
る。いまインパクトレンチ１０の駆動軸１０ａを
矩形孔１１に嵌合させ、かつ連結部１２に締付負
荷を連結した後、インパクトレンチ１０を駆動す
ると、その間欠的駆動力は動力伝達軸１９を介し
て締付負荷に伝達され、間欠的締付作業が遂行さ
れる。なおインパクトレンチ１０の駆動軸１０ａ
と動力伝達軸１９とを一体的に連結すること、ま
たは螺合などの方法によりインパクトレンチ１０
をハウジング２０に一体的に連結することなど、
必要に応じて変形できるもので、必ずしも実施例
に限定されない。軸受１３ａに嵌合される軸部１
９ａは許容される範囲内で可及的に断面小径と
し、かつその軸方向長さも可及的に短くする。こ
れは本発明の趣旨よりして、締付負荷側に位置す
る前方部分の軸部１９ａの慣性を、検出誤差を除
去し得る程度に小さくする必要があるからであ
る。ここに可及的にとは、要求される締付トルク
の大小、軸１９を構成する材料の材質および機構
的要素等によつて、軸部１９ａの断面径、長さ等
の最小値が制限されるが、その許容範囲内で小さ
くすることを意味する。したがつて実施例に示す
ような軸部１９ａをベアリング１３ａで支える構
造の方が望ましい場合もあり得る。なお軸部１９
ａとは、現に軸受１３ａに嵌合している部分だけ
でなく、検出手段を設けた部分より締付負荷側に
位置する軸部の前方部分すべてを包含するものと
する。１４は軸部１９ａよりインパクトレンチ１
０側寄りに連設した歪検出素子貼着部分である。
その断面形状は、一般には円形であるが、検出素
子貼着部表面を面取りしてもよい。該貼着部分１
４には、負荷締付の際、締付トルクに対応した物
性的歪が生起する。１５は前記貼着部分１４の表
面に貼着したストレンゲージ、磁歪素子などの歪
検出素子であり、貼着部分に生じた前記物性的歪
を、電気信号に変換して検出する検出手段を構成
する。該検出手段１５は一般的にはブリツジ回路
である。１６ａ，１７ａは、前記貼着部分１４よ
りはインパクトレンチ１９側寄りの動力伝達軸１
９上に、一体的に設けたコイル付鉄心であり、環
状磁性体をもつて構成される。この鉄心１６ａ，
１７ａには、動力伝達軸１９の回転方向にそつて
コイルが巻装されている。該コイルは検出手段１
５と電気的に接続される。前記コイル付鉄心１６
ａ，１７ａを設けた部分、すなわち、前記貼着部
分１４よりはインパクトレンチ１０側寄りの動力
伝達軸１９の軸長、軸径は、貼着部分１４よりは
負荷側に位置する軸部１９ａの軸長、軸径が大き
くなつており、したがつて貼着部分１４よりはイ
ンパクトレンチ１０寄りの後方部分の動力伝達軸
１９の慣性は、軸部１９ａの慣性より大きい。１
６ｂ，１７ｂは、前記コイル付鉄心１６ａ，１７
ａにそれぞれ空隙を介して対応すべく、ハウジン
グ２０の内面に環状に取付けた固定側のコイル付
鉄心を示している。該固定側コイル付鉄心１６
ｂ，１７ｂと、動力伝達軸側コイル付鉄心１６
ａ，１７ａとは空隙付変圧器１６，１７を構成
し、検出手段１５へ電力を非接触的に供給し、検
出手段１５からの検出信号を非接触的に外部へ導
出する働きをなすものである。検出手段１５への
電力の供給および検出手段１５からの検出信号の
導出にあたつては、動力伝達軸１９上に、前記検
出手段１５に電気的に接続されたスリツプリング
を装着し、このスリツプリングに摺動ブラシを接
触させる構造も考えられるが、動力伝達軸１９が
インパクトレンチによつて非常に高速度で回転さ
れ、しかもその回転動作が繰返されるためスリツ
プリングとブラシとの組合せでは、ブラシの摩耗
が激しく、ブラシを頻繁に交換せねければならな
いこと、ブラシの摩耗によつて接触圧、接触抵抗
が変動し、検出精度が低下すること等の難点があ
り、実用に向かない。これに対し、本発明のよう
に、空隙付変圧器１６，１７によつて検出手段１
５に対して電力供給し、検出手段１５から検出信
号を導出する構成とした場合には、非接触動作と
なるから、スプリングとブラシとの組合せの場合
のような欠点が生じる余地がなく、したがつて保
守、取扱いが容易で、検出精度の高いものが実現
できる。さらに、検出信号伝送用空隙付変圧器
と、電力供給用空隙付変圧器とに分離してあるた
め、歪検出素子等で構成されて駆動電力より著し
く小さい検出信号を、駆動電力から分離して確実
に検出することができる。

また、空隙付変圧器１６，１７は動力伝達軸１
９上に適当な間隔をおいて同軸状に装着してあ
る。このような構造であると、空隙付変圧器１
６，１７を装着した状態で、動力伝達軸１９をハ
ウジング２０の一端側から挿入して組立てること
ができ、ハウジング２０に対する動力伝達軸１９
の組込み作業が非常に容易になる。

第７図は検出手段１５をストレンゲージ１５ａ
〜１５ｂによるブリツジ回路とした場合の電気回
路図を示し、ブリツジ回路の対角接続点に、空隙
付変圧器１６ａ，１７ａのコイルをそれぞれ接続
した回路構成となつている。空隙付変圧器１６，
１７の一方、たとえば空隙付変圧器１６は、検出
手段１５によつて検出された歪検出信号を、ロー
タ側のコイル付鉄心１６ａからのステータ側のコ
イル付鉄心１６ｂに、その巻数比に比例する信号
として伝送し、また空隙付変圧器１７は、ステー
タ側のコイル付鉄心１７ｂからロータ側のコイル
付鉄心１７ａに、その巻数比によつて定まる電圧
を供給し、これによつて歪検出手段１５を動作さ
せるようになつている。

前記空隙付変圧器１６，１７を検出素子貼着部
分１４よりはインパクトレンチ１０側寄りの動力
伝達軸部に設けたことは本発明の特徴の一つであ
り、第２図に示す検出装置との構造的差異でもあ
る。このように構成することにより、貼着部分１
４よりは締付負荷側に位置する動力伝達軸１９の
軸部１９ａを断面小径とし、かつその軸心方向長
さをも短縮し、もつて軸部１９ａの慣性を可及的
に小さくできるからである。

次に第４図に示し本発明に係る締付トルク検出
装置を使用して第１図に示す締付トルク制御装置
を構成し、負荷締付実験を行つた場合の結果を第
５図に示す。実験方法およびグラフ軸のとり方は
第３図の場合と同様である。ただし、設定締付ト
ルクは３Kg―ｍである。第３図と第５図とを比較
すると、頻度ピークを示す締付トルクは第３図
Ａ，Ｂより第５図の方が設定値に近接しているこ
と、平均締付トルクＸの設定値に対する誤差は、
第３図Ａ，Ｂにおいてそれぞれ15％、５％である
のに対し、第５図においては、1.557％にすぎな
いこと、偏差値δは第３図より第５図の方がはる
かに小さいことが理解できる。

したがつて、本発明に係る締付トルク検出装置
を使用して負荷を締付けると、第２図に示す従来
検出装置を使用した場合より、遥かに高精度で負
荷を締付け、締付トルクの均一性を保証し、品質
を数段向上させる優れた効果を得ることができ
る。

第６図は、本発明の他の実施例を概略的に示し
ている。図において、１４は歪検出素子貼着部１
６及び１７は動力伝達軸１９上に一体的に取付け
たコイル付鉄心から成る空隙付変圧器、１３ａ，
１３ｂは軸受を示している。第６図は、コイル付
鉄心１６ａ，１７ａを、軸受１３ａおよび１３ｂ
の間に配設し、かつ検出手段１５を前記軸受１３
ａ，１３ｂ間外部に配置して、検出素子貼着部１
４よりは締付負荷側に位置する軸部の慣性をより
一層小さくしたものを示している。

以上述べたように、本発明に係る締付トルク検
出装置は、締付負荷とインパクトレンチの駆動軸
との間に介装され、前記インパクトレンチの駆動
力を締付負荷に伝達する剛体の動力伝達軸と、該
動力伝達軸上に設けられ前記インパクトレンチの
駆動に伴つて生起する前記動力伝達軸の物理的歪
を電気信号に変換して検出する検出手段とを有る
締付トルク検出装置において、前記検出手段を設
けた部分よりは締付負荷側に位置する前方部分の
慣性が、前記検出手段を設けた部分よりは前記イ
ンパクトレンチ側に位置する後方部分の慣性よ
り、前方部分の慣性による検出誤差を除し得る程
度に小さくした前記動力伝達軸を備えるから、慣
性による効率の低下及び検出誤差を小さくして、
実締付トルクを設定締付トルクに対応ないし一致
させ、締付負荷を一定の許容される誤差の範囲内
で均一に締付けることができる。

また前記検出手段からの検出信号を外部へ伝送
する空隙付変圧器と、前記検出手段へ動作のため
の電力を供給する空隙付変圧器とを備えるから、
検出手段への電力供給、検出手段からの検出信号
の導出を非接触的に行ない、インパクトレンチの
ように高速度で繰返し回転するものであつても、
スリツプリングとブラシとの組合せの場合のよう
なブラシの摩耗交換、検出精度の低下等を招く余
地がなく、しかも、駆動電力より著しく小さい検
出信号を、駆動電力から分離して確実に検出し得
る取扱いの容易な検出精度の高い高信頼性の締付
トルク検出装置を実現することができる。

更に、前記２つの空隙付変圧器を、動力伝達軸
上に同軸状に設けたから、ハウジングに対する動
力伝達軸の組込みが非常に容易になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る締付トルク検出装置を組
込んだインパクトレンチの総合的概略図、第２図
は従来の締付トルク検出装置の破断部分断面図、
第３図は実験データ、第４図は本発明に係る締付
トルク検出装置の破断部分断面図、第５図は本発
明に係る締付トルク検出装置についての実験デー
タ、第６図は本発明に係る締付トルク検出装置の
他の実施例を示す概略図、第７図は本発明に係る
締付トルク検出装置の電気回路図、第８図はイン
パクトレンチ用の締付トルク検出装置をモデル化
して示す図である。１，１０…インパクトレンチ、６，１９…動力
伝達軸、１４…歪検出素子貼着部、１５…歪検出
素子、１６，１７…空隙付変圧器、１６ａ，１６
ｂ，１７ａ，１７ｂ…コイル付鉄心。

Claims

【特許請求の範囲】

１締付負荷とインパクトレンチの駆動軸との間
に介装され、前記インパクトレンチの駆動力を締
付負荷に伝達する剛体の動力伝達軸と、該動力伝
達軸上に設けられ前記インパクトレンチの駆動に
伴つて生起する前記動力伝達軸の物理的歪を電気
信号に変換して検出する検出手段とを有する締付
トルク検出装置において、前記検出手段を設けた
部分よりは締付負荷側に位置する前方部分の慣性
が、前記検出手段を設けた部分よりは前記インパ
クトレンチ側に位置する後方部分の慣性より、前
方部分の慣性による検出誤差を除去し得る程度に
小さくした前記動力伝達軸と、前記検出手段から
の検出信号を外部へ伝送する空隙付変圧器と、前
記検出手段への動作のための電力を供給する空隙
付変圧器とを備え、前記２つの空隙付変圧器は、
前記動力伝達軸上に同軸状に設けたことを特徴と
する締付トルク検出装置。