JP2750585B2 - インパクトレンチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、回転軸を圧縮空気や電気を用いて回転さ
せ、ボルトやナット等に間歇的に衝撃力を与えて締め付
けるインパクトレンチに関する。

〔従来の技術〕

インパクトレンチは、手動または電動によりボルトや
ナット等に連続的な締め付け力を与えて締め付けるスタ
テックレンチとことなり、間歇的な衝撃力により締め付
けるため、トルクメータを取り付けて締め付けトルクを
読み取ることができない。このため、インパクトレンチ
の先端に歪ゲージを用いたトルク検出器を取り付け、締
め付けトルクを検出する方法が提案されている（特公昭
63−190号公報）。

この歪ゲージを用いたトルク検出器は、周知のように
計測対象となる軸の表面に４つの歪ゲージを貼着してブ
リッジ回路を形成し、トルクによる軸の捩じれに伴う歪
ゲージの抵抗の変化を検知してトルクを求めるものであ
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、歪ゲージを利用したトルク検出器は、歪ゲー
ジの抵抗の変化を検出するための電気回路に、スリップ
リングまたは交流トランスを使用しており、これらスリ
ップリングまたは交流トランスは、いずれもノイズが発
生しやすく、特に衝撃トルクの検出に対して、SN比（S/
N）を充分に取れない。このため、トルク検出器を用い
て締め付けトルクを検出し、締め付けトルクが予め設定
したトルクに達した時に、インパクトレンチの駆動を自
動的に停止させる場合、検出トルクと実際の締め付けト
ルクとが一致せず、実際の締め付けトルクのバラツキ大
きく、実用に供することができない欠点があった。そこ
で、スリップリングや交流トランスを用いない磁歪セン
サによるトルクの検出が考えられる。

磁歪センサは、一般に２つのコイルを回転軸に近接し
て直交配置し、一方のコイルを励磁して発生させた磁束
が回転軸中を透過するようにし、他方のコイルによって
軸の歪みに基づいて生じた磁化方向の変化による変形し
た磁束を検出するようにしたものである。従って、磁歪
式トルクセンサは、コイルを回転軸と非接触に配置して
トルクを検出することができるところから、磁歪センサ
をインパクトレンチに取り付けることにより、ノイズの
少ないトルク検出信号を容易に取り出すことがができ
る。

ところが、磁歪式トルクセンサは、無負荷の状態であ
っても、回転軸の回転に伴い、第９図に示したように軸
の周方向における検出信号が大きく変動する。この第９
図に示したデータは、トルクが5kg−ｍのときに、出力
電圧が820mVとなるように感度を調整した場合のもの
で、無負荷時における周方向の検出信号は、1000mV以上
変動する。そして、この無負荷時の出力変動が零点の変
動として作用するため、検出トルクが実際のトルクと異
なった値となる欠点がある。そこで、この問題を解決す
るために、各種の手法が開示されている。

例えば、回転軸の表面に磁性材料による被膜を形成
し、回転軸の磁気特性の向上を図る方法（特公昭52−14
985号公報）、著しい磁気歪み特性を有するアモルフ
ァス磁性薄帯を回転軸に巻き付けて固定し、回転軸の歪
み応力をアモルファス磁性薄帯の磁気歪みを介して検出
する方法（特開昭58−9034号公報）、常に回転軸の一
定の位置においてサンプリングするようにし、回転軸の
周方向の磁化のバラツキによる影響を除去する方法（特
開昭62−15427号公報）、回転軸の無負荷時における
周方向の検出値をオフセット成分として記憶しておき、
回転軸に負荷が作用しているときの検出信号からオフセ
ット成分を減算してトルクを求める方法（特開昭62−55
533号公報）などがある。

しかし、回転軸の表面に磁性材料からなる被膜を形成
する場合、被膜の厚さを一様にする事が困難である。ま
た、回転軸の表面にアモルファス磁性薄帯を巻き付ける
と、アモルファス磁性薄帯に歪みが生じることや、アモ
ルファス磁性薄帯を回転軸に密着させることが困難であ
る欠点を有している。そして、回転軸の一定位置でサン
プリングする方法や、無負荷時の回転軸周方向の検出値
を記憶しておく方法は、回転角を検出する手段等を必要
とし、センサが大型かつ高価となる欠点を有している。

本発明は、前記従来技術の欠点を解消するためになさ
れたもので、締め付けトルクの検出精度に優れたインパ
クトレンチを提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、回転軸の周方向における零点の変動が、回
転軸の強度を得るために焼入れ処理が施され、この焼入
れ処理により回転軸の残留応力分布がランダムになるこ
とに基づくことに着目してなされたもので、上記の目的
を達成するために、回転軸を駆動装置により回転させ、
ボルトまたはナット等に間歇的に締め付け力を与えて締
め付けるインパクトレンチにおいて、前記回転軸に近接
して磁歪センサを設けるとともに、前記回転軸は、磁歪
センサ対向部が全周にわたって残留応力を除去され、前
記磁歪センサ対向部以外の部分が表面硬化処理されてい
ることを特徴としている。

〔作用〕

インパクトレンチにおける回転軸は、締め付けトルク
に耐える強度を得るために、鋼による形成され、焼入れ
が施されている。そして、焼入れをした鋼は、焼入れし
たままでは組織的に不安定で、そのままにしておくと内
部応力が大きくなり、割れなどを生じるため、焼入れ後
焼もどしを行っている。しかし、焼もどしは、一般に靭
性の向上を目的としており、焼もどした軸中には内部応
力が残留し、この残留した内部応力が軸の周方向におけ
る磁化のバラツキが生じ、零点変動の原因となる。そこ
で、軸に残留している内部応力を除去すれば、軸の周方
向における磁化のバラツキを小さくでき、無負荷時の周
方向における検出信号（零点）の変動が小さくなって、
検出した締め付けトルクが実際の締め付けトルクと一致
するようになり、締め付けトルクの検出精度が向上し
て、検出した締め付けトルクが設定値に達したときに、
インパクトレンチの駆動を自動的に停止させることがで
きる。

〔実施例〕

本発明に係るインパクトレンチの好ましい実施例を、
添付図面に従って詳説する。

第１図は、本発明の実施例に係るインパクトレンチの
要部を示す断面図である。

第１図において、インパクトレンチ10は、例えば炭素
鋼をもって形成した回転軸12を有し、回転軸12の先端部
が外筒14から突出しており、この先端部がボルトまたは
ナット等を回転させるための図示しないソケットを連結
するための連結部16となっている。回転軸12の後端部
は、圧縮空気により作動する周知のエア駆動部（図示せ
ず）の接続部18に接続してある。また、回転軸12の中間
部には、軸方向にずらして、かつ90゜の角度を置いて一
対の磁石片20が取り付けてある。そして、外筒14には、
先端を磁石20に近接させて設けた回転角度センサ22が固
定してある。回転角度センサ22は、第２図に示したよう
に、回転軸12の周囲に90度間隔で配置したサインセンサ
22a、コサインセンサ22bの一対からなっている。

外筒14には、さらに回転角度センサ22より先端側に、
回転軸12に近接配置した詳細を後述する磁歪センサ24が
設けてある。そして、回転軸12は、磁歪センサ24に対向
した検出部26が焼なまし処理を施され、全周にわたって
残留応力が除去され、周方向における磁化特性の一様化
が図られるとともに、検出部26以外の部分が高周波焼入
れ、炎焼入れ、窒化処理などにより表面硬化処理され、
耐摩耗性と強度の向上とが図られている。

焼なまし処理は鋼種により異なるが、例えば回転軸12
を500〜600℃に加熱し、この温度に所要時間保持した
後、室温まで徐冷する。この焼なまし処理により、残留
応力の殆どを除去することができ、回転軸12の周方向の
磁化特性のバラツキを大幅に改善して、回転軸12の無負
荷時における周方向の検出信号の変動を、焼なまし処理
をしない従来の回転軸に比較して極めて小さくすること
ができる。

第５図は、回転軸12の焼なまし効果を示す零点移動を
特性図である。

第５図は、回転軸12に加える負荷を変化させるととも
に、回転軸12の周方向に60度間隔の位置における出力電
圧のヒステリシスを求めたときの5kg−ｍと無負荷との
出力電圧をプロットしたもので、零点移動の最大値は、
定格出力（5000mV）の約＋６％となり、従来のものに比
較して零点移動を大幅に改善することがでる。この結
果、磁歪センサ24の検出誤差を従来に比較して大幅に小
さくすることができ、締め付けトルクが精度よく検出で
きて、締め付けトルクが予め設定したトルクに達したと
きに、インパクトレンチ10の駆動を自動的に停止させる
ことが可能となる。

磁歪センサ24は、第３図に示したように、励磁コイル
28と検出コイル30とからなっている。励磁コイル28は、
回転軸12の軸方向に直交して配置したコの字状の励磁コ
ア32に巻回してある。また、検出コイル30は、励磁コア
32の内側に位置し、回転軸12の軸線に平行したコの字状
の検出コア34に巻回してある。

励磁コイル28は、励磁回路36に接続され、励磁回路36
から励磁電流を受けて回転軸12を透過する磁束を発生す
る。一方、検出コイル30は、回転軸12を透過した磁束を
検出し、検出した磁束に応じた電圧を検出信号として検
出回路38に入力する。また、検出回路38には、サインセ
ンサ22aとコサインセンサ22bとの検出信号も入力するよ
うになっている。そして、検出回路38の出力信号は、ト
ルクを算出するトルク演算回路40に入力するようになっ
ており、トルク演算回路40が求めたトルクの値は、表示
器42と比較回路44とに送出される。

励磁回路36は、第４図の如く、周波数調整器48により
周波数の調整がなされ、振幅調整器50により振幅の調整
がなされる励磁アンプ46を有し、所定周波数、所定振幅
の励磁電流を励磁コイル28に供給する。

検出回路38は、検出コイル30の検出信号を増幅するAC
アンプ52、サインセンサ22a、コサインセンサ22bの出力
信号を処理するコントローラ54、56を備えている。そし
て、ACアンプ52が増幅した検出コイル30の検出信号は、
検波器58によって検波された後、DCアンプ60により増幅
される。このDCアンプ60には、粗調ツマミ62、オートゼ
ロ調整器64が接続され、表示器42に表示されるトルク値
の零点が調整される。

一方、コントローラ54、56の出力側は、それぞれバッ
ファアンプ66、68に接続してあり、バッファアンプ66、
68を介してサインセンサ22a、コサインセンサ22bの検出
した角度位置信号を受けてコントローラ54、56が正弦・
余弦波形を発振して表示部70、72に表示される。

トルク演算回路40は、DCアンプ60、バッファアンプ6
6、68が出力するアナログ信号をディジタル信号に変換
するアナログ・ディジタル変換器（A/D変換器）74、7
6、78と、A/D変換器76、78の出力を受けて回転軸12の回
転角を演算する回転角演算器80と、零点補正データおよ
び感度補正データを格納しているメモリ82と、このメモ
リ82内のデータとA/D変換器74、回転角演算器80の出力
に基づいて回転軸12に作用するトルクを求めるトルク演
算器84とからなっている。

メモリ82に格納してある零点補正データは、回転軸12
の無負荷時における磁歪センサ24が検出した周方向の検
出値であり、回転軸12の回転角度と対応させてある。ま
た、感度補正データは、無負荷時の検出データと所定の
トルク、例えば5kg−ｍを加えた時の検出値との差が所
定の値（例えば＋5000mVまたは−5000mV）となるような
係数であって、これも回転角度と対応させてある。

トルク演算器84が求めたトルクは、バッファアンプ86
を介して表示器42とトルク出力端子88および比較回路44
に入力する。比較回路44は、コンパレータ90とこのコン
パレータ90に基準値を入力するリミット設定器92とから
なる。そして、コンパレータ90の出力側は、リレー94を
介して制御出力端子96に接続してある。

なお、これら各回路の電源部98は、電源スイッチ10
0、ヒューズ102、ノイズフィルタ104を介してAC100Vに
接続される。

上記の如く構成した実施例の作用は、次のとおりであ
る。

メモリ82には、回転軸12の回転角（回転位置）に対応
して、例えば回転角１度ごとに前記した零点補正デー
タ、感度補正データが予め格納してある。

回転軸12の先端に形成した連結部16に装着したソケッ
ト（図示せず）を、ボルトまたはナットと嵌合させ、図
示しないエア駆動部を作動させて回転軸12を回転させ
る。また、磁歪センサ24の励磁コイル28は、励磁アンプ
50から所定周波数、所定振幅の励磁電流が供給され、磁
束を発生する。励磁コイル28が発生した磁束は、励磁コ
ア32の一方の脚から出て回転軸12を透過して他方の脚に
達する。そして、回転軸12は、回転してボルトまたはナ
ットに締め付けトルクを与えると、捩じれて歪みを生
じ、磁化の方向が変化する。この結果、回転軸12を透過
する磁束の一部が検出コイル30と鎖交し、検出コイル30
に電圧が誘起される。

検出コイル30に誘起した電圧は、検出信号としてACア
ンプ52に入力されて増幅された後、検波器58により直流
の検出信号に変換される。検波器58から出力された検出
信号は、DCアンプ60により増幅された後、A/D変換器74
に送られてアナログ値からディジタル値に変換され、ト
ルク演算器84に送られる。

一方、回転軸12が回転すると、サインセンサ22aとコ
サインセンサ22bとは、対向する軸に取り付けられた磁
石片20から生じている磁束の周期的変化を検出してコン
トローラ54、56に入力する。コントローラ54、56は、サ
インセンサ22a、コサインセンサ22bの検出信号を360度
周期の波形となるように処理し、バッファアンプ66、68
を介して表示部70、72に表示するとともに、トルク演算
回路40のA/D変換器76、78に送る。A/D変換器76、78は、
入力してきたアナログ値をディジタル値に変換し、回転
角演算器80に入力する。回転角演算器80は、A/D変換器7
6、78が出力したサインセンサ22a、コサインセンサ22b
の検出データに基づき回転軸12の回転角を演算し、例え
ば回転角１度ごとに回転角データをトルク演算器84に送
出する。

トルク演算器84は、A/D変換器から磁歪センサ24の検
出信号が入力してくると、このときの回転角演算器80が
求めた回転軸12の回転角に基づき、メモリ82に読出信号
を送出して、その回転角度における前記した零点補正デ
ータと感度補正データとを読み出す。そして、トルク演
算器84は、検出コイル30が検出した値から零点補正デー
タの値を減算するとともに、この減算した値に感度補正
データを乗算し、検出値の補正をするとともに、補正し
た検出値からトルクを算出して出力する。

トルク演算器84が出力したトルクの値は、バッファア
ンプ86を介して表示器42に表示されるとともに、比較回
路44のコンパレータ90とトルク出力端子88とに出力され
る。コンパレータ90には、リミット設定器92により基準
値が入力しており、トルク演算器84の出力したトルクの
値が基準値に達すると、例えば"1"を出力してリレー94
を作動させる。リレー94が作動すると、制御出力端子96
から、インパクトレンチ10と図示しない圧縮空気源との
間に介在させた電磁弁を閉じる信号が出力され、電磁弁
が閉じてインパクトレンチ10のエア駆動部の作動が停止
する。また、トルク出力端子88に入力してきたトルクの
値は、プリンタなどの外部装置に送られる。

第６図は、実施例によりナットを締めたときのトルク
出力の時系列データを示したものである。4kg/cm²のエ
ア圧力によりナットを締め付けたもので、表示器42に表
示された検出トルクの最大瞬時値は6.78kg−ｍであっ
た。また、このときのスパナによるナット緩め時のトル
ク計測装置によるトルク検出値は6.2kg−ｍとなり、実
施例により検出されたトルクの方が約10％大きな値を示
した。

このように、実施例においては、検出トルクの誤差を
従来に比較して大幅に小さくすることができ、予め設定
した締め付けトルクに達したときに、インパクトレンチ
10の駆動を自動的に停止させることが可能となった。

なお、前記実施例においては、励磁コイル28を回転軸
12の軸線に直交させて配置した場合について説明した
が、励磁コイル28を軸線に沿って配置し、検出コイル30
を軸線と直交させてもよい。また、励磁コイル28と検出
コイル30とを回転軸12の周囲に重ねて巻回してもよい。
さらに、前記実施例においては、トルク演算器84で零点
補正、感度補正をする場合について説明したが、かれら
の補正を省略することも可能である。また、前記実施例
においては、焼入れ処理により残留応力を除去する場合
について説明したが、これに限定されず機械的方法等の
他の方法によって残留応力を除去してもよい。

第７図は、回転軸の他の実施例を示したものである。

第７図に示した回転軸12は、焼なまし処理を施した検
出部26を他の部分より大径に形成したものである。これ
により、焼なまし処理により低下した検出部26の強度を
補強することができる。

第８図は、回転軸のさらに他の実施例の断面図を示し
たものである。

第８図に示した回転軸12は、周方向の残留応力あるい
は磁化特性のバラツキ、すなわち無負荷時の検出値の周
方向のバラツキに応じて回転軸12またはコマ11（回転軸
の検出部外周に装着する）を切削加工し、無負荷時の検
出値が周方向において一様となるよう修正できるように
したものである。ただし、この場合、光センサ106など
のギャップｄを検出するセンサを設け、磁歪センサ24と
回転軸12またはコマ11との回転角度ごとのギャップｄを
求めて検出値の補正をする必要がある。

〔発明の効果〕

以上に説明した如く、本発明によれば、回転軸に近接
して磁歪センサを設けるとともに、回転軸の磁歪センサ
に対向した部分を、全周にわたって残留応力を除去した
ことにより、締め付けトルクを精度よく検出できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係るインパクトレンチの要部
を示す断面図、第２図は第１図のII−II線に沿う断面
図、第３図は実施例のトルク検出回路の概略を示すブロ
ック図、第４図はトルク検出回路の詳細ブロック図、第
５図は焼なまし処理による回転軸の周方向のバラツキの
改善状態を示す特性図、第６図は実施例によりナットを
締めたときのトルク出力の時系列データを示し特性図、
第７図は回転軸の他の実施例を示す説明図、第８図は回
転軸のさらに他の実施例の断面図、第９図は従来の回転
軸の無負荷時における検出値の周方向のバラツキの説明
図である。 10……インパクトレンチ、12……回転軸、20……磁石、
22……回転角度センサ、24……磁歪センサ、26……検出
部、28……励磁コイル、30……検出コイル。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−117230（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−122997（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−193345（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転軸を駆動装置により回転させ、ボルト
   またはナット等に間歇的に締め付け力を与えて締め付け
   るインパクトレンチにおいて、前記回転軸に近接して磁
   歪センサを設けるとともに、前記回転軸は、磁歪センサ
   対向部が全周にわたって残留応力を除去され、前記磁歪
   センサ対向部以外の部分が表面硬化処理されていること
   を特徴とするインパクトレンチ。