軸力算出方法および締付工具
【課題】ボルトの締結部に、パッキン等の軟性部材が介設されている場合において、所定の時間が経過した後に残留する軸力を算出することができる軸力算出方法を提供する。
【解決手段】各ワーク１３・１５にパッキン１４を介設した状態でボルト１１を締め付けて、各ワーク１３・１５を締結するときに、ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する予想軸力Ｆ２を算出するための軸力算出方法であって、ボルト１１の締め付け完了時において該ボルト１１に作用する軸力Ｆ１と、ボルト１１の締め付け完了時から所定時間経過後に該ボルト１１に作用する予想軸力Ｆ２と、の比（軸力降下率Ｍ（ｔ１））を、ボルト１１の締付時間ｔ１の関数として表した関係式（数式５）を予め算出しておくとともに、ボルト１１の締め付け完了時に該ボルト１１に作用する軸力Ｆ１の検出値と、ボルト１１の締付時間ｔ１を、関係式（数式５）に代入して、予想軸力Ｆ２を算出する。
【解決手段】各ワーク１３・１５にパッキン１４を介設した状態でボルト１１を締め付けて、各ワーク１３・１５を締結するときに、ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する予想軸力Ｆ２を算出するための軸力算出方法であって、ボルト１１の締め付け完了時において該ボルト１１に作用する軸力Ｆ１と、ボルト１１の締め付け完了時から所定時間経過後に該ボルト１１に作用する予想軸力Ｆ２と、の比（軸力降下率Ｍ（ｔ１））を、ボルト１１の締付時間ｔ１の関数として表した関係式（数式５）を予め算出しておくとともに、ボルト１１の締め付け完了時に該ボルト１１に作用する軸力Ｆ１の検出値と、ボルト１１の締付時間ｔ１を、関係式（数式５）に代入して、予想軸力Ｆ２を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボルトを締め付けたときに当該ボルトに作用する軸力を算出するための軸力算出方法およびその軸力算出方法を用いて動作を制御する締付工具の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、部品をボルトで固定する場合において、当該部品の被固定対象たる部位にナット孔を形成しておくとともに、当該部品にボルトを挿通するための前記ナット孔の配置に対応したボルト孔を形成しておき、ボルト孔にボルトを挿通しつつ、当該ボルトをナット孔に螺合させることによって、当該ボルトに生じた軸力（締結力）で部品を固定する方法が一般的に採用されている。
【０００３】
ところで、このように部品をボルトで固定する場合において、実際にボルトに作用している軸力を測定することは困難である。
このため、固定に要する所定の軸力がボルトに生じているか否かを判断するためには、軸力を測定する代わりに、ボルトを締め付けたときの締め付けトルクを測定し、締め付けトルクからボルトに生じた軸力の可否（即ち、部品の固定状態の可否）を判断するようにしている。
【０００４】
そして、適正な締め付けトルクでボルト・ナット等の締め付けを行うための技術が種々検討されており、例えば、以下に示す特許文献１にその技術が開示され公知となっている。
【０００５】
特許文献１に開示されているナットランナーの制御方法に係る従来技術では、目標締め付けトルクと、着座から締め付け完了までの目標締め付け時間を設定し、締め付け動作中における着座後の時点における回転数について、単位時間あたりのトルク上昇率を算出するとともに、その時点から目標締め付けトルクに至るまでの残り締め付けトルクと目標締め付け時間に至るまでの残り締め付け時間と、を算出するようにしている。
そして、トルク上昇率と残り締め付けトルクに基づいて、現時点から目標締め付けトルクに至るまでの残り締め付け予想時間を算出し、この残り締め付け予想時間と残り締め付け時間と現時点における回転数から、目標締め付け時間で締め付けを完了するための回転数を算出するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３２６２５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、所定の締め付けトルクで締め付けを完了し、締め付け完了時において、ボルトに所望する軸力が作用していると判断される場合であっても、その後の時間経過に伴って、ボルトに作用する軸力が低下して、ボルトに緩みが生じる場合があった。
このようなボルトに緩みが生じる現象は、ボルトの締結部に、パッキン等の軟性部材が介設されている場合に顕著に生じていた。
【０００８】
このため、ボルトの締結部に、パッキン等の軟性部材が介設されているような場合には、ボルトの締め付け完了時における締め付けトルクを管理するだけでは、ボルトによる固定状態の可否を適正に判断することができないという問題があった。
【０００９】
本発明は、斯かる現状の課題を鑑みて成されたものであり、ボルトの締結部に、パッキン等の軟性部材が介設されている場合において、所定の時間が経過した後に残留する軸力を算出することができる軸力算出方法を提供するとともに、その軸力算出方法を用いて、パッキン等の軟性部材が介設されているボルトの締結部において、所望する軸力を確実に確保することができる締付工具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】
【００１０】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【００１１】
即ち、請求項１においては、単一もしくは複数の部品に軟性の部材を介設した状態で螺合部材を締め付けて、前記部品を締結するときに、前記螺合部材もしくは該螺合部材の被螺合部に作用する軸力を算出するための軸力算出方法であって、前記螺合部材の締め付け完了時において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する軸力と、前記螺合部材の締め付け完了時から所定時間経過後において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する軸力と、の比を、前記螺合部材の締め付けに要した時間の関数として表した関係式を予め算出しておくとともに、前記螺合部材の締め付け完了時において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する軸力の検出値と、前記螺合部材の締め付けに要した時間を、前記関係式に代入して、前記螺合部材の締め付け完了時から所定時間経過後において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する予想軸力を算出するものである。
【００１２】
請求項２においては、単一もしくは複数の部品に軟性の部材を介設した状態で、螺合部材を締め付けて、前記部品を締結するときに用いる締付工具であって、前記螺合部材を所定のトルクで締め付けるためのレンチ部と、前記レンチ部の動作を制御するための制御部と、を備え、前記制御部には、前記螺合部材の締め付け完了時において前記螺合部材もしくは該螺合部材の被螺合部に作用する軸力と、前記螺合部材の締め付け完了時から所定時間経過後において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する軸力と、の比を、前記螺合部材の締め付けに要した時間の関数として表した第一の関係式が予め記憶され、前記制御部によって、前記螺合部材の締め付け完了時において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する軸力の検出値と、前記螺合部材の締め付けに要した時間から、前記第一の関係式に基づいて、前記螺合部材の締め付け完了時から所定時間経過後において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する予想軸力を算出するものである。
【００１３】
請求項３においては、前記制御部には、前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する締め付けトルクと軸力の相関を表した第二の関係式が予め記憶され、前記制御部によって、前記螺合部材の締め付け完了時において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する締め付けトルクから、前記第二の関係式に基づいて、前記螺合部材の締め付け完了時において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する軸力を検出するものである。
【００１４】
請求項４においては、前記制御部は、算出した前記予想軸力が、予め設定した閾値以上となったときに、前記レンチ部の締め付け動作を停止させるものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１６】
請求項１においては、所定の時間が経過した後に螺合部材もしくは被螺合部に作用する軸力を精度良く算出することができる。またこれにより、螺合部材による固定状態の可否を適正に判断することができる。
【００１７】
請求項２においては、所定の時間が経過した後に螺合部材もしくは被螺合部に作用する軸力を精度良く算出することができる。またこれにより、螺合部材による固定状態の可否を適正に判断することができる。
【００１８】
請求項３においては、螺合部材の締め付け完了時において螺合部材もしく被螺合部に作用する軸力を、簡易な装置構成で、容易かつ精度良く検出することができる。
【００１９】
請求項４においては、螺合部材の締結部において、所望する軸力を確実に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る軸力算出方法を示す模式図。
【図２】本発明の一実施形態に係る軸力算出方法を適用する締結部を示す図、（ａ）締結部を示す断面模式図、（ｂ）図２（ａ）に示す締結部のモデル図。
【図３】軟性部材を介設する締結部における軸力の変化状況を示す図。
【図４】締結部を表すモデルを同定するための実験の実施状況を示す模式図。
【図５】本発明の一実施形態に係る締付工具の全体構成を示す模式図。
【図６】本発明の一実施形態に係る締付工具の動作を示す制御フロー図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に、発明の実施の形態を説明する。
まず始めに、本発明の一実施形態に係る軸力算出方法について、図１〜図４を用いて説明をする。
図１に示す如く、本発明の一実施形態に係る軸力算出方法では、螺合部材たるボルトの締め付け完了時において該ボルトに作用する軸力を軸力Ｆ１、ボルトの締め付け完了後所定時間が経過したときにおいて該ボルトに作用する軸力を予想軸力Ｆ２、ボルトの締め付けに要した時間（以下、締付時間と呼ぶ）を締付時間ｔ１、軸力Ｆ１の降下率を締付時間ｔ１の関数として表したものを軸力降下率Ｍ（ｔ１）と規定するとき、予想軸力Ｆ２を、以下に示す数式１により求めるようにしている。
尚、ここでいう「螺合部材」とは、ボルト・ナット等であって、螺合することによって締結力を生じさせることができる部材を意味している。
【００２２】
【数１】
【００２３】
即ち、本発明の一実施形態に係る軸力算出方法では、ボルトの締め付け完了時において該ボルトに作用する軸力Ｆ１と、締付時間ｔ１と、軸力降下率Ｍ（ｔ１）に基づいて、予想軸力Ｆ２を算出するようにしている。
尚、本実施形態では、締め付け対象たる螺合部材を「ボルト」として説明を行うが、締め付け対象たる螺合部材は、「ナット」であってもよい。
また、本実施形態では、「ボルト」を締め付けたときに、該「ボルト」に作用する軸力を算出するものとしているが、「ボルト」が螺合される部位（被螺合部）である「ネジ部」や「ナット」等にも同等の反力が作用するため、本発明の一実施形態に係る軸力算出方法により、「ネジ部」や「ナット」等において軸方向に作用する反力を算出することもできる。
【００２４】
そして、本発明の一実施形態に係る軸力算出方法は、図２（ａ）に示すような締結部１０に対する予想軸力の算出に適している。
締結部１０は、ボルト１１を、第一のワーク（以下、第一ワークと呼ぶ）１３に形成されるボルト孔１３ａに挿通しつつ、被固定対象物たる第二のワーク（以下、第二ワークと呼ぶ）１５に形成されたナット孔１５ａに螺合させることにより、第一ワーク１３を第二ワーク１５に対して締結する構成としており、また、第一ワーク１３と第二ワーク１５の間には、軟性部材によって構成されるパッキン１４を介設している。
また、ボルト１１と第一ワーク１３には、ワッシャ１２を介設している。
尚、ここでいう軟性部材とは、ボルト１１を締め付けたときに生じる軸力で変形が生じる程度の硬さ（軟らかさ）を有する部材を意味している。
また、本実施形態では、第一ワーク１３と第二ワーク１５の間に軟性部材たるパッキン１４を介設するモデルを例示しているが、例えば、第一ワーク１３が無く、ボルト１１およびワッシャ１２と第二ワーク１５の間にパッキン１４を介設するモデルに対しても、本発明の一実施形態に係る軸力算出方法を同様に適用できる。
【００２５】
そして、このような軟性部材たるパッキン１４を有する締結部１０は、図２（ｂ）のようなモデルとして表すことができ、また、締結部１０における軸力の経時変化は、図３のように表される。
図３に示す如く、ボルト１１の締め付け時（即ち、時刻０から時刻ｔ１まで）において、ボルト１１に作用する軸力は時間の経過に略比例して増大していく。
即ち、パッキン１４は、ボルト１１の締め付け時においては、図２（ｂ）に示すバネ定数ｋ１のバネＳ１として機能するような挙動を示す。
【００２６】
また、このときパッキン１４は、粘性係数ηのダンパーＤとしても機能し、バネ定数ｋ２のバネＳ２としては未だ機能しない状態となっている。
そして、ボルト１１の締め付け完了時（即ち、時刻ｔ１）においては、ワッシャ１２と第二ワーク１５との距離は、距離Ｌとなっている。
即ち、このときの締め付けに要した時間（締付時間）は、締付時間ｔ１となっている。
【００２７】
そして、図３に示す如く、ボルト１１の締め付け完了後、ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する軸力は時間の経過に伴って急激に減少するとともに、十分な時間が経過すると所定の軸力（予想軸力Ｆ２）に収束していく。
即ち、ボルト１１の締め付け完了後において時間が経過すると、パッキン１４は、粘性係数ηのダンパーＤが押し縮められるような（即ち、パッキン１４の厚みが減少してくる）挙動を示すようになり、これに伴って、パッキン１４が、図２（ｂ）に示すバネ定数ｋ２のバネＳ２としても機能し始めるようになる。
【００２８】
そして、ダンパーＤの短縮する挙動が落ち着いた時点（即ち、図３においてｔ＝∞となる時点）では、パッキン１４は、バネＳ１とバネＳ２を合成した（即ち、バネ定数が（ｋ１＋ｋ２）である）バネとして機能するような挙動を示すようになる。
【００２９】
また、パッキン１４の挙動が落ち着いた時点では、パッキン１４の厚みが痩せる（薄くなる）ことに伴って、ワッシャ１２と第二ワーク１５との距離が、距離ΔＬだけ短縮し、距離（Ｌ−ΔＬ）となっている。
【００３０】
このようなモデルによれば、締結部１０にパッキン１４等の軟性部材を介設する場合において、締め付け完了後にボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する軸力が低下する（ボルト１１が緩む）現象を説明することができる。
そして、このようにモデル化した系の時刻ｔにおける軸力Ｆの理論式は、以下に示すような数式２として表すことができる。
【００３１】
【数２】
【００３２】
そして、ボルト１１の締め付けが完了したときに該ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する軸力Ｆ１は、締付時間ｔ１とするときには、以下に示す数式３のように表される。
【００３３】
【数３】
【００３４】
また、締め付け完了後において、パッキン１４の縮小する挙動が落ち着いた時点における予想軸力Ｆ２は、数式２の時刻ｔに「∞」を代入して、以下に示す数式４のように表される。
【００３５】
【数４】
【００３６】
そして、数式３および数式４から、以下に示す数式５を求めることができる。
【００３７】
【数５】
【００３８】
数式５では、軸力Ｆ１と予想軸力Ｆ２の比を、締付時間ｔ１の関数として表すことができる。
換言すれば、予想軸力Ｆ２は、軸力Ｆ１と締付時間ｔ１の関数として表されるため、軸力Ｆ１と締付時間ｔ１が既知であれば、変位ΔＬを計測しなくても、数式５を用いて予想軸力Ｆ２を算出することができる。
【００３９】
ここで、モデル化した締結部１０の同定方法（即ち、各定数ｋ１、ｋ２、ηの決定方法）について、図４を用いて説明をする。
各定数ｋ１、ｋ２、ηを決定し、モデルを同定するためには、図４に示すような実験装置を用いる。
図４に示す実験装置では、本発明に係る軸力算出方法の適用対象たる締結部１０に対して、ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する軸力Ｆを測定するための圧力センサ（例えば、ロードセル）１６を介設して、直接的に軸力Ｆを測定することが可能な構成としている。
また、図４に示す実験装置では、ワッシャ１２の上方に変位センサ（例えば、超音波センサ）１７を設置して、パッキン１４が痩せたときに生じるワッシャ１２の微小な変位ΔＬを測定することができる構成としている。
【００４０】
時刻０から時刻ｔ１までの間（即ち、締付時間ｔ１の間）において、図２（ｂ）に示すモデルは、バネＳ１のみが機能する単純なモデル（即ち、ｔ＝０とした場合のモデル）と考えることができるため、この間における軸力Ｆは、以下に示す数式６のように表される。
【００４１】
【数６】
【００４２】
そして、図４に示す実験装置で、時刻０から時刻ｔ１までの間（即ち、締付時間ｔ１の間）において、実際に圧力センサ１６により測定した軸力Ｆと、変位センサ１７により測定した変位ΔＬの各測定値を数式６に代入することによって、図２（ｂ）に示すモデルにおけるバネＳ１のバネ定数ｋ１を同定することができる。
【００４３】
また、図４に示す実験装置で、十分に時間が経過した時刻ｔ２（即ち、ｔ２＝∞）において、実際に圧力センサ１６により測定した軸力Ｆと、変位センサ１７により測定した変位ΔＬの各測定値と既に求めたバネ定数ｋ１とを数式４に代入することによって、図２（ｂ）に示すモデルにおけるバネＳ２のバネ定数ｋ２を同定することができる。
【００４４】
さらに、図４に示す実験装置で、ダンパーＤが機能している時点（即ち、時刻ｔ１〜ｔ２の間）において、実際に圧力センサ１６により測定した軸力Ｆと、変位センサ１７により測定した変位ΔＬの各測定値と、既に算出した各バネ定数ｋ１・ｋ２の値を数式６に代入することによって、図２（ｂ）に示すモデルにおけるダンパーＤの粘性係数ηを同定することができる。
【００４５】
このようにして、本発明の適用対象たる締結部１０ごとに、図２（ｂ）に示すモデルにおける各定数ｋ１・ｋ２・ηを実験結果に基づき同定しておく。
【００４６】
次に、本発明の一実施形態に係る締付工具の全体構成について、図５を用いて説明をする。
図５に示す如く、本発明の一実施形態に係る締付工具１は、ボルト・ナット等を締結する用途に用いられる工具（所謂ナットランナー）であり、レンチ部２と制御部３等を備えている。
【００４７】
レンチ部２は、ボルト・ナット等を所定の締め付けトルクを付与しつつ締め付けるための部位あり、ボルト・ナット等に係合するソケット４と、該ソケット４を支持するための回転軸５ａを有するモーター５等からなる構成としている。
また、レンチ部２は、図示しないロボット装置の手先部等において支持されており、当該ロボット装置により姿勢の変更や変位等が行われ、締結対象たるボルト・ナット等に位置決めして配置される構成としている。
【００４８】
制御部３は、レンチ部２の締め付け動作を制御するための制御装置たる部位であり、レンチ部２のモーター５に接続されている。
また、制御部３は、モーター５の回転を制御するためのコントローラ３ａを備えており、該コントローラ３ａに設定されたプログラムに従って、モーター５の回転（即ち、締付工具１によるボルト・ナットの締結動作）を制御する構成としている。
【００４９】
また、制御部３は、締め付けトルクや軸力をリアルタイムで演算するための演算部３ｂや、演算に必要な情報を予め記憶してくための記憶部３ｃ等を備えている。
そして、演算部３ｂは、ボルト・ナット等を締結しているときのモーター５の電流値等（モーター５の負荷）に基づいて、そのときの締め付けトルクをリアルタイムで演算することができ、演算した締め付けトルクの値をコントローラ３ａにフィードバックして、モーター５の回転数を制御する構成としている。
【００５０】
また、記憶部３ｃには、締め付けトルクと軸力との相関を表す情報（相関式）が予め記憶されており、演算部３ｂによって、前記相関式等に基づいて、演算した締め付けトルクを、リアルタイムで軸力に変換することができる。
尚、ここで使用する相関式は、締結部１０（即ち、使用する各ワーク１３・１５やボルト１１およびパッキン１４等）の仕様ごとに実験等を行って、締め付けトルクと軸力との関係（摩擦係数）を予め把握して、相関式を導出しておいて、締結部１０の仕様ごとに記憶部３ｃに記憶させておくようにしている。
また、以下の説明では、検出した締め付けトルクに基づいて変換して求められた軸力を、軸力Ｆｔと記載して区別する。
【００５１】
さらに、記憶部３ｃには、本発明の一実施形態に係る軸力算出方法を用いるための数式６が予め記憶されており、演算部３ｂによって、数式６に基づいて、予想軸力Ｆ２を、リアルタイムで演算することができる。
尚、ここで使用する数式６は、締結部（即ち、使用する各ワーク１３・１５やボルト１１およびパッキン１４等）の仕様ごとに実験等を行って、各定数ｋ１・ｋ２・ηが予め同定しておいて、締結部１０の仕様ごとに記憶部３ｃに記憶させておくようにしている。
【００５２】
次に、本発明の一実施形態に係る締付工具１による締結部１０の締め付け状況について、図５および図６を用いて説明をする。
図５に示すような本発明の一実施形態に係る締付工具１において、制御部３の記憶部３ｃには、締め付け対象たる締結部１０に係る各定数ｋ１・ｋ２・ηが予め記憶されている。
また、記憶部３ｃには、数式５に係る情報も予め記憶されている。
【００５３】
図５および図６に示す如く、締付工具１により、締結部１０（図２（ａ）参照）の締め付け動作を開始すると、レンチ部２により検出される締め付けトルクを制御部３の演算部３ｂにフィードバックして、そのときに発生している軸力Ｆｔを算出する（ＳＴＥＰ−１）。
そして、算出した軸力Ｆｔに基づく判定を行う（ＳＴＥＰ−２）。
ここでは、軸力Ｆｔが発生しているか否か（即ち、Ｆｔ＞０か否か）によって、ワッシャ１２が着座する時刻を検出するようにしており、軸力Ｆｔ＞０となるまで、軸力Ｆｔの算出を継続する。
【００５４】
そして、軸力ＦｔがＦｔ＞０となったときには、ワッシャ１２が着座したものと判定し、その時刻を基準（即ち、時刻０）として、締付時間ｔ１の計時を開始するものとしている（ＳＴＥＰ−３）。
【００５５】
次に、現時点の時刻ｔ１に基づいて、演算部３ｂに締付時間ｔ１（即ち、ｔ１−０）を入力する（ＳＴＥＰ−４）。
そして、制御部３によって、時刻ｔ１における締め付けトルクから、締め付け完了時における軸力Ｆｔを算出し、これを軸力Ｆ１として採用する（ＳＴＥＰ−５）。
【００５６】
次に、算出した締付時間ｔ１と軸力Ｆ１に基づいて、前述した数式５に基づいて、締付時間ｔ１の場合予想軸力Ｆ２を算出する（ＳＴＥＰ−６）。
【００５７】
そして次に、算出した予想軸力Ｆ２に基づく判定を行う（ＳＴＥＰ−７）。
即ち、演算部３ｂによって、算出した予想軸力Ｆ２が、予め設定した閾値（即ち、所望する軸力）Ｆｘ以上の値となっているか否か（即ち、Ｆ２≧Ｆｘ）の判定をする。
ここで、算出した予想軸力Ｆ２が、閾値Ｆｘ以上の値となっていれば、制御部３によって、レンチ部２によるボルト１１の締め付け動作を完了する。
一方、算出した予想軸力Ｆ２が、未だ閾値Ｆｘ未満であれば、前述した（ＳＴＥＰ−４）に戻ってさらに締め付け動作を継続し、算出した予想軸力Ｆ２が、閾値Ｆｘ以上となるまで、（ＳＴＥＰ−４）〜（ＳＴＥＰ−７）を繰り返す。
【００５８】
このように、制御部３によって、予想軸力Ｆ２をリアルタイムで算出しながら、予想軸力Ｆ２が閾値Ｆｘ以上となるように締め付け動作を制御することによって、締め付け完了後にパッキン１４が痩せて、ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する軸力が軸力Ｆ１から減少したとしても、確実に所望する軸力以上（即ち、閾値Ｆｘ以上）の軸力（即ち、予想軸力Ｆ２）を確保することができるため、ボルト１１による固定状態の可否を適正に判断することができる。
【００５９】
即ち、本発明の一実施形態に係る軸力算出方法は、複数の各ワーク１３・１５（もしくは第二ワーク１５のみでもよい）に軟性の部材たるパッキン１４を介設した状態で螺合部材たるボルト１１を締め付けて、各ワーク１３・１５を締結するときに、ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する予想軸力Ｆ２を算出するための軸力算出方法であって、ボルト１１の締め付け完了時において該ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する軸力Ｆ１と、ボルト１１の締め付け完了時から所定時間経過後において該ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する予想軸力Ｆ２と、の比（即ち、軸力降下率Ｍ（ｔ１））を、ボルト１１の締め付けに要した時間たる締付時間ｔ１の関数として表した関係式（数式５）を予め算出しておくとともに、ボルト１１の締め付け完了時において該ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する軸力Ｆ１の検出値と、ボルト１１の締付時間ｔ１を、関係式（数式５）に代入して、ボルト１１の締め付け完了時から所定時間経過後において該ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する予想軸力Ｆ２を算出するものである。
【００６０】
また、本発明の一実施形態に係る締付工具１は、複数の各ワーク１３・１５（もしくは第二ワーク１５のみでもよい）に軟性の部材たるパッキン１４を介設した状態でボルト１１を締め付けて、各ワーク１３・１５を締結するときに用いるものであって、ボルト１１を所定のトルクで締め付けるためのレンチ部２と、レンチ部２の動作を制御するための制御部３と、を備え、制御部３には、ボルト１１の締め付け完了時において該ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する軸力Ｆ１と、ボルト１１の締め付け完了時から所定時間経過後において該ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する予想軸力Ｆ２と、の比（即ち、軸力降下率Ｍ（ｔ１））を、ボルト１１の締付時間ｔ１の関数として表した第一の関係式（数式６）が予め記憶され、制御部３によって、検出したボルト１１の締め付け完了時において該ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する軸力Ｆ１と、ボルト１１の締付時間ｔ１から、第一の関係式（数式５）に基づいて、ボルト１１の締め付け完了時から所定時間経過後において該ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する予想軸力Ｆ２を算出するものである。
このような構成により、所定の時間が経過した後にボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する予想軸力Ｆ２を精度良く算出することができる。またこれにより、ボルト１１による固定状態の可否を適正に判断することができる。
【００６１】
また、本発明の一実施形態に係る締付工具１において、制御部３には、ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する締め付けトルクと軸力の相関を表した第二の関係式（相関式）が予め記憶され、制御部３によって、ボルト１１の締め付け完了時において該ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する締め付けトルクから、前記第二の関係式に基づいて、ボルト１１の締め付け完了時において該ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する軸力Ｆｔを検出するものである。
このような構成により、ボルト１１の締め付け完了時において該ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する軸力Ｆ１（軸力Ｆｔ）を、簡易な装置構成で、容易かつ精度良く検出することができる。
【００６２】
さらに、本発明の一実施形態に係る締付工具１において、制御部３は、算出した予想軸力Ｆ２が、予め設定した閾値Ｆｘ以上となったときに、レンチ部２の締め付け動作を停止させるものである。
このような構成により、ボルト１１の締結部１０において、所望する軸力（即ち、閾値Ｆｘ以上の軸力）を確実に確保することができる。
【００６３】
尚、本発明の一実施形態に係る締付工具１は、本実施形態で示したように複数の部品にパッキン１４等の軟性部材が介設されている締結部１０を対象として、ボルト１１を締結する用途に特に適しているものであるが、軟性部材を介設しない態様の締結部の締め付けにも用いることができ、記憶部３ｃに、軟性部材を介設しない場合における各関係式を記憶させておくことで対応できる。
【符号の説明】
【００６４】
１ 締付工具
２ レンチ部
３ 制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボルトを締め付けたときに当該ボルトに作用する軸力を算出するための軸力算出方法およびその軸力算出方法を用いて動作を制御する締付工具の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、部品をボルトで固定する場合において、当該部品の被固定対象たる部位にナット孔を形成しておくとともに、当該部品にボルトを挿通するための前記ナット孔の配置に対応したボルト孔を形成しておき、ボルト孔にボルトを挿通しつつ、当該ボルトをナット孔に螺合させることによって、当該ボルトに生じた軸力（締結力）で部品を固定する方法が一般的に採用されている。
【０００３】
ところで、このように部品をボルトで固定する場合において、実際にボルトに作用している軸力を測定することは困難である。
このため、固定に要する所定の軸力がボルトに生じているか否かを判断するためには、軸力を測定する代わりに、ボルトを締め付けたときの締め付けトルクを測定し、締め付けトルクからボルトに生じた軸力の可否（即ち、部品の固定状態の可否）を判断するようにしている。
【０００４】
そして、適正な締め付けトルクでボルト・ナット等の締め付けを行うための技術が種々検討されており、例えば、以下に示す特許文献１にその技術が開示され公知となっている。
【０００５】
特許文献１に開示されているナットランナーの制御方法に係る従来技術では、目標締め付けトルクと、着座から締め付け完了までの目標締め付け時間を設定し、締め付け動作中における着座後の時点における回転数について、単位時間あたりのトルク上昇率を算出するとともに、その時点から目標締め付けトルクに至るまでの残り締め付けトルクと目標締め付け時間に至るまでの残り締め付け時間と、を算出するようにしている。
そして、トルク上昇率と残り締め付けトルクに基づいて、現時点から目標締め付けトルクに至るまでの残り締め付け予想時間を算出し、この残り締め付け予想時間と残り締め付け時間と現時点における回転数から、目標締め付け時間で締め付けを完了するための回転数を算出するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３２６２５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、所定の締め付けトルクで締め付けを完了し、締め付け完了時において、ボルトに所望する軸力が作用していると判断される場合であっても、その後の時間経過に伴って、ボルトに作用する軸力が低下して、ボルトに緩みが生じる場合があった。
このようなボルトに緩みが生じる現象は、ボルトの締結部に、パッキン等の軟性部材が介設されている場合に顕著に生じていた。
【０００８】
このため、ボルトの締結部に、パッキン等の軟性部材が介設されているような場合には、ボルトの締め付け完了時における締め付けトルクを管理するだけでは、ボルトによる固定状態の可否を適正に判断することができないという問題があった。
【０００９】
本発明は、斯かる現状の課題を鑑みて成されたものであり、ボルトの締結部に、パッキン等の軟性部材が介設されている場合において、所定の時間が経過した後に残留する軸力を算出することができる軸力算出方法を提供するとともに、その軸力算出方法を用いて、パッキン等の軟性部材が介設されているボルトの締結部において、所望する軸力を確実に確保することができる締付工具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】
【００１０】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【００１１】
即ち、請求項１においては、単一もしくは複数の部品に軟性の部材を介設した状態で螺合部材を締め付けて、前記部品を締結するときに、前記螺合部材もしくは該螺合部材の被螺合部に作用する軸力を算出するための軸力算出方法であって、前記螺合部材の締め付け完了時において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する軸力と、前記螺合部材の締め付け完了時から所定時間経過後において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する軸力と、の比を、前記螺合部材の締め付けに要した時間の関数として表した関係式を予め算出しておくとともに、前記螺合部材の締め付け完了時において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する軸力の検出値と、前記螺合部材の締め付けに要した時間を、前記関係式に代入して、前記螺合部材の締め付け完了時から所定時間経過後において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する予想軸力を算出するものである。
【００１２】
請求項２においては、単一もしくは複数の部品に軟性の部材を介設した状態で、螺合部材を締め付けて、前記部品を締結するときに用いる締付工具であって、前記螺合部材を所定のトルクで締め付けるためのレンチ部と、前記レンチ部の動作を制御するための制御部と、を備え、前記制御部には、前記螺合部材の締め付け完了時において前記螺合部材もしくは該螺合部材の被螺合部に作用する軸力と、前記螺合部材の締め付け完了時から所定時間経過後において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する軸力と、の比を、前記螺合部材の締め付けに要した時間の関数として表した第一の関係式が予め記憶され、前記制御部によって、前記螺合部材の締め付け完了時において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する軸力の検出値と、前記螺合部材の締め付けに要した時間から、前記第一の関係式に基づいて、前記螺合部材の締め付け完了時から所定時間経過後において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する予想軸力を算出するものである。
【００１３】
請求項３においては、前記制御部には、前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する締め付けトルクと軸力の相関を表した第二の関係式が予め記憶され、前記制御部によって、前記螺合部材の締め付け完了時において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する締め付けトルクから、前記第二の関係式に基づいて、前記螺合部材の締め付け完了時において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する軸力を検出するものである。
【００１４】
請求項４においては、前記制御部は、算出した前記予想軸力が、予め設定した閾値以上となったときに、前記レンチ部の締め付け動作を停止させるものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１６】
請求項１においては、所定の時間が経過した後に螺合部材もしくは被螺合部に作用する軸力を精度良く算出することができる。またこれにより、螺合部材による固定状態の可否を適正に判断することができる。
【００１７】
請求項２においては、所定の時間が経過した後に螺合部材もしくは被螺合部に作用する軸力を精度良く算出することができる。またこれにより、螺合部材による固定状態の可否を適正に判断することができる。
【００１８】
請求項３においては、螺合部材の締め付け完了時において螺合部材もしく被螺合部に作用する軸力を、簡易な装置構成で、容易かつ精度良く検出することができる。
【００１９】
請求項４においては、螺合部材の締結部において、所望する軸力を確実に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る軸力算出方法を示す模式図。
【図２】本発明の一実施形態に係る軸力算出方法を適用する締結部を示す図、（ａ）締結部を示す断面模式図、（ｂ）図２（ａ）に示す締結部のモデル図。
【図３】軟性部材を介設する締結部における軸力の変化状況を示す図。
【図４】締結部を表すモデルを同定するための実験の実施状況を示す模式図。
【図５】本発明の一実施形態に係る締付工具の全体構成を示す模式図。
【図６】本発明の一実施形態に係る締付工具の動作を示す制御フロー図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に、発明の実施の形態を説明する。
まず始めに、本発明の一実施形態に係る軸力算出方法について、図１〜図４を用いて説明をする。
図１に示す如く、本発明の一実施形態に係る軸力算出方法では、螺合部材たるボルトの締め付け完了時において該ボルトに作用する軸力を軸力Ｆ１、ボルトの締め付け完了後所定時間が経過したときにおいて該ボルトに作用する軸力を予想軸力Ｆ２、ボルトの締め付けに要した時間（以下、締付時間と呼ぶ）を締付時間ｔ１、軸力Ｆ１の降下率を締付時間ｔ１の関数として表したものを軸力降下率Ｍ（ｔ１）と規定するとき、予想軸力Ｆ２を、以下に示す数式１により求めるようにしている。
尚、ここでいう「螺合部材」とは、ボルト・ナット等であって、螺合することによって締結力を生じさせることができる部材を意味している。
【００２２】
【数１】
【００２３】
即ち、本発明の一実施形態に係る軸力算出方法では、ボルトの締め付け完了時において該ボルトに作用する軸力Ｆ１と、締付時間ｔ１と、軸力降下率Ｍ（ｔ１）に基づいて、予想軸力Ｆ２を算出するようにしている。
尚、本実施形態では、締め付け対象たる螺合部材を「ボルト」として説明を行うが、締め付け対象たる螺合部材は、「ナット」であってもよい。
また、本実施形態では、「ボルト」を締め付けたときに、該「ボルト」に作用する軸力を算出するものとしているが、「ボルト」が螺合される部位（被螺合部）である「ネジ部」や「ナット」等にも同等の反力が作用するため、本発明の一実施形態に係る軸力算出方法により、「ネジ部」や「ナット」等において軸方向に作用する反力を算出することもできる。
【００２４】
そして、本発明の一実施形態に係る軸力算出方法は、図２（ａ）に示すような締結部１０に対する予想軸力の算出に適している。
締結部１０は、ボルト１１を、第一のワーク（以下、第一ワークと呼ぶ）１３に形成されるボルト孔１３ａに挿通しつつ、被固定対象物たる第二のワーク（以下、第二ワークと呼ぶ）１５に形成されたナット孔１５ａに螺合させることにより、第一ワーク１３を第二ワーク１５に対して締結する構成としており、また、第一ワーク１３と第二ワーク１５の間には、軟性部材によって構成されるパッキン１４を介設している。
また、ボルト１１と第一ワーク１３には、ワッシャ１２を介設している。
尚、ここでいう軟性部材とは、ボルト１１を締め付けたときに生じる軸力で変形が生じる程度の硬さ（軟らかさ）を有する部材を意味している。
また、本実施形態では、第一ワーク１３と第二ワーク１５の間に軟性部材たるパッキン１４を介設するモデルを例示しているが、例えば、第一ワーク１３が無く、ボルト１１およびワッシャ１２と第二ワーク１５の間にパッキン１４を介設するモデルに対しても、本発明の一実施形態に係る軸力算出方法を同様に適用できる。
【００２５】
そして、このような軟性部材たるパッキン１４を有する締結部１０は、図２（ｂ）のようなモデルとして表すことができ、また、締結部１０における軸力の経時変化は、図３のように表される。
図３に示す如く、ボルト１１の締め付け時（即ち、時刻０から時刻ｔ１まで）において、ボルト１１に作用する軸力は時間の経過に略比例して増大していく。
即ち、パッキン１４は、ボルト１１の締め付け時においては、図２（ｂ）に示すバネ定数ｋ１のバネＳ１として機能するような挙動を示す。
【００２６】
また、このときパッキン１４は、粘性係数ηのダンパーＤとしても機能し、バネ定数ｋ２のバネＳ２としては未だ機能しない状態となっている。
そして、ボルト１１の締め付け完了時（即ち、時刻ｔ１）においては、ワッシャ１２と第二ワーク１５との距離は、距離Ｌとなっている。
即ち、このときの締め付けに要した時間（締付時間）は、締付時間ｔ１となっている。
【００２７】
そして、図３に示す如く、ボルト１１の締め付け完了後、ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する軸力は時間の経過に伴って急激に減少するとともに、十分な時間が経過すると所定の軸力（予想軸力Ｆ２）に収束していく。
即ち、ボルト１１の締め付け完了後において時間が経過すると、パッキン１４は、粘性係数ηのダンパーＤが押し縮められるような（即ち、パッキン１４の厚みが減少してくる）挙動を示すようになり、これに伴って、パッキン１４が、図２（ｂ）に示すバネ定数ｋ２のバネＳ２としても機能し始めるようになる。
【００２８】
そして、ダンパーＤの短縮する挙動が落ち着いた時点（即ち、図３においてｔ＝∞となる時点）では、パッキン１４は、バネＳ１とバネＳ２を合成した（即ち、バネ定数が（ｋ１＋ｋ２）である）バネとして機能するような挙動を示すようになる。
【００２９】
また、パッキン１４の挙動が落ち着いた時点では、パッキン１４の厚みが痩せる（薄くなる）ことに伴って、ワッシャ１２と第二ワーク１５との距離が、距離ΔＬだけ短縮し、距離（Ｌ−ΔＬ）となっている。
【００３０】
このようなモデルによれば、締結部１０にパッキン１４等の軟性部材を介設する場合において、締め付け完了後にボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する軸力が低下する（ボルト１１が緩む）現象を説明することができる。
そして、このようにモデル化した系の時刻ｔにおける軸力Ｆの理論式は、以下に示すような数式２として表すことができる。
【００３１】
【数２】
【００３２】
そして、ボルト１１の締め付けが完了したときに該ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する軸力Ｆ１は、締付時間ｔ１とするときには、以下に示す数式３のように表される。
【００３３】
【数３】
【００３４】
また、締め付け完了後において、パッキン１４の縮小する挙動が落ち着いた時点における予想軸力Ｆ２は、数式２の時刻ｔに「∞」を代入して、以下に示す数式４のように表される。
【００３５】
【数４】
【００３６】
そして、数式３および数式４から、以下に示す数式５を求めることができる。
【００３７】
【数５】
【００３８】
数式５では、軸力Ｆ１と予想軸力Ｆ２の比を、締付時間ｔ１の関数として表すことができる。
換言すれば、予想軸力Ｆ２は、軸力Ｆ１と締付時間ｔ１の関数として表されるため、軸力Ｆ１と締付時間ｔ１が既知であれば、変位ΔＬを計測しなくても、数式５を用いて予想軸力Ｆ２を算出することができる。
【００３９】
ここで、モデル化した締結部１０の同定方法（即ち、各定数ｋ１、ｋ２、ηの決定方法）について、図４を用いて説明をする。
各定数ｋ１、ｋ２、ηを決定し、モデルを同定するためには、図４に示すような実験装置を用いる。
図４に示す実験装置では、本発明に係る軸力算出方法の適用対象たる締結部１０に対して、ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する軸力Ｆを測定するための圧力センサ（例えば、ロードセル）１６を介設して、直接的に軸力Ｆを測定することが可能な構成としている。
また、図４に示す実験装置では、ワッシャ１２の上方に変位センサ（例えば、超音波センサ）１７を設置して、パッキン１４が痩せたときに生じるワッシャ１２の微小な変位ΔＬを測定することができる構成としている。
【００４０】
時刻０から時刻ｔ１までの間（即ち、締付時間ｔ１の間）において、図２（ｂ）に示すモデルは、バネＳ１のみが機能する単純なモデル（即ち、ｔ＝０とした場合のモデル）と考えることができるため、この間における軸力Ｆは、以下に示す数式６のように表される。
【００４１】
【数６】
【００４２】
そして、図４に示す実験装置で、時刻０から時刻ｔ１までの間（即ち、締付時間ｔ１の間）において、実際に圧力センサ１６により測定した軸力Ｆと、変位センサ１７により測定した変位ΔＬの各測定値を数式６に代入することによって、図２（ｂ）に示すモデルにおけるバネＳ１のバネ定数ｋ１を同定することができる。
【００４３】
また、図４に示す実験装置で、十分に時間が経過した時刻ｔ２（即ち、ｔ２＝∞）において、実際に圧力センサ１６により測定した軸力Ｆと、変位センサ１７により測定した変位ΔＬの各測定値と既に求めたバネ定数ｋ１とを数式４に代入することによって、図２（ｂ）に示すモデルにおけるバネＳ２のバネ定数ｋ２を同定することができる。
【００４４】
さらに、図４に示す実験装置で、ダンパーＤが機能している時点（即ち、時刻ｔ１〜ｔ２の間）において、実際に圧力センサ１６により測定した軸力Ｆと、変位センサ１７により測定した変位ΔＬの各測定値と、既に算出した各バネ定数ｋ１・ｋ２の値を数式６に代入することによって、図２（ｂ）に示すモデルにおけるダンパーＤの粘性係数ηを同定することができる。
【００４５】
このようにして、本発明の適用対象たる締結部１０ごとに、図２（ｂ）に示すモデルにおける各定数ｋ１・ｋ２・ηを実験結果に基づき同定しておく。
【００４６】
次に、本発明の一実施形態に係る締付工具の全体構成について、図５を用いて説明をする。
図５に示す如く、本発明の一実施形態に係る締付工具１は、ボルト・ナット等を締結する用途に用いられる工具（所謂ナットランナー）であり、レンチ部２と制御部３等を備えている。
【００４７】
レンチ部２は、ボルト・ナット等を所定の締め付けトルクを付与しつつ締め付けるための部位あり、ボルト・ナット等に係合するソケット４と、該ソケット４を支持するための回転軸５ａを有するモーター５等からなる構成としている。
また、レンチ部２は、図示しないロボット装置の手先部等において支持されており、当該ロボット装置により姿勢の変更や変位等が行われ、締結対象たるボルト・ナット等に位置決めして配置される構成としている。
【００４８】
制御部３は、レンチ部２の締め付け動作を制御するための制御装置たる部位であり、レンチ部２のモーター５に接続されている。
また、制御部３は、モーター５の回転を制御するためのコントローラ３ａを備えており、該コントローラ３ａに設定されたプログラムに従って、モーター５の回転（即ち、締付工具１によるボルト・ナットの締結動作）を制御する構成としている。
【００４９】
また、制御部３は、締め付けトルクや軸力をリアルタイムで演算するための演算部３ｂや、演算に必要な情報を予め記憶してくための記憶部３ｃ等を備えている。
そして、演算部３ｂは、ボルト・ナット等を締結しているときのモーター５の電流値等（モーター５の負荷）に基づいて、そのときの締め付けトルクをリアルタイムで演算することができ、演算した締め付けトルクの値をコントローラ３ａにフィードバックして、モーター５の回転数を制御する構成としている。
【００５０】
また、記憶部３ｃには、締め付けトルクと軸力との相関を表す情報（相関式）が予め記憶されており、演算部３ｂによって、前記相関式等に基づいて、演算した締め付けトルクを、リアルタイムで軸力に変換することができる。
尚、ここで使用する相関式は、締結部１０（即ち、使用する各ワーク１３・１５やボルト１１およびパッキン１４等）の仕様ごとに実験等を行って、締め付けトルクと軸力との関係（摩擦係数）を予め把握して、相関式を導出しておいて、締結部１０の仕様ごとに記憶部３ｃに記憶させておくようにしている。
また、以下の説明では、検出した締め付けトルクに基づいて変換して求められた軸力を、軸力Ｆｔと記載して区別する。
【００５１】
さらに、記憶部３ｃには、本発明の一実施形態に係る軸力算出方法を用いるための数式６が予め記憶されており、演算部３ｂによって、数式６に基づいて、予想軸力Ｆ２を、リアルタイムで演算することができる。
尚、ここで使用する数式６は、締結部（即ち、使用する各ワーク１３・１５やボルト１１およびパッキン１４等）の仕様ごとに実験等を行って、各定数ｋ１・ｋ２・ηが予め同定しておいて、締結部１０の仕様ごとに記憶部３ｃに記憶させておくようにしている。
【００５２】
次に、本発明の一実施形態に係る締付工具１による締結部１０の締め付け状況について、図５および図６を用いて説明をする。
図５に示すような本発明の一実施形態に係る締付工具１において、制御部３の記憶部３ｃには、締め付け対象たる締結部１０に係る各定数ｋ１・ｋ２・ηが予め記憶されている。
また、記憶部３ｃには、数式５に係る情報も予め記憶されている。
【００５３】
図５および図６に示す如く、締付工具１により、締結部１０（図２（ａ）参照）の締め付け動作を開始すると、レンチ部２により検出される締め付けトルクを制御部３の演算部３ｂにフィードバックして、そのときに発生している軸力Ｆｔを算出する（ＳＴＥＰ−１）。
そして、算出した軸力Ｆｔに基づく判定を行う（ＳＴＥＰ−２）。
ここでは、軸力Ｆｔが発生しているか否か（即ち、Ｆｔ＞０か否か）によって、ワッシャ１２が着座する時刻を検出するようにしており、軸力Ｆｔ＞０となるまで、軸力Ｆｔの算出を継続する。
【００５４】
そして、軸力ＦｔがＦｔ＞０となったときには、ワッシャ１２が着座したものと判定し、その時刻を基準（即ち、時刻０）として、締付時間ｔ１の計時を開始するものとしている（ＳＴＥＰ−３）。
【００５５】
次に、現時点の時刻ｔ１に基づいて、演算部３ｂに締付時間ｔ１（即ち、ｔ１−０）を入力する（ＳＴＥＰ−４）。
そして、制御部３によって、時刻ｔ１における締め付けトルクから、締め付け完了時における軸力Ｆｔを算出し、これを軸力Ｆ１として採用する（ＳＴＥＰ−５）。
【００５６】
次に、算出した締付時間ｔ１と軸力Ｆ１に基づいて、前述した数式５に基づいて、締付時間ｔ１の場合予想軸力Ｆ２を算出する（ＳＴＥＰ−６）。
【００５７】
そして次に、算出した予想軸力Ｆ２に基づく判定を行う（ＳＴＥＰ−７）。
即ち、演算部３ｂによって、算出した予想軸力Ｆ２が、予め設定した閾値（即ち、所望する軸力）Ｆｘ以上の値となっているか否か（即ち、Ｆ２≧Ｆｘ）の判定をする。
ここで、算出した予想軸力Ｆ２が、閾値Ｆｘ以上の値となっていれば、制御部３によって、レンチ部２によるボルト１１の締め付け動作を完了する。
一方、算出した予想軸力Ｆ２が、未だ閾値Ｆｘ未満であれば、前述した（ＳＴＥＰ−４）に戻ってさらに締め付け動作を継続し、算出した予想軸力Ｆ２が、閾値Ｆｘ以上となるまで、（ＳＴＥＰ−４）〜（ＳＴＥＰ−７）を繰り返す。
【００５８】
このように、制御部３によって、予想軸力Ｆ２をリアルタイムで算出しながら、予想軸力Ｆ２が閾値Ｆｘ以上となるように締め付け動作を制御することによって、締め付け完了後にパッキン１４が痩せて、ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する軸力が軸力Ｆ１から減少したとしても、確実に所望する軸力以上（即ち、閾値Ｆｘ以上）の軸力（即ち、予想軸力Ｆ２）を確保することができるため、ボルト１１による固定状態の可否を適正に判断することができる。
【００５９】
即ち、本発明の一実施形態に係る軸力算出方法は、複数の各ワーク１３・１５（もしくは第二ワーク１５のみでもよい）に軟性の部材たるパッキン１４を介設した状態で螺合部材たるボルト１１を締め付けて、各ワーク１３・１５を締結するときに、ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する予想軸力Ｆ２を算出するための軸力算出方法であって、ボルト１１の締め付け完了時において該ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する軸力Ｆ１と、ボルト１１の締め付け完了時から所定時間経過後において該ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する予想軸力Ｆ２と、の比（即ち、軸力降下率Ｍ（ｔ１））を、ボルト１１の締め付けに要した時間たる締付時間ｔ１の関数として表した関係式（数式５）を予め算出しておくとともに、ボルト１１の締め付け完了時において該ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する軸力Ｆ１の検出値と、ボルト１１の締付時間ｔ１を、関係式（数式５）に代入して、ボルト１１の締め付け完了時から所定時間経過後において該ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する予想軸力Ｆ２を算出するものである。
【００６０】
また、本発明の一実施形態に係る締付工具１は、複数の各ワーク１３・１５（もしくは第二ワーク１５のみでもよい）に軟性の部材たるパッキン１４を介設した状態でボルト１１を締め付けて、各ワーク１３・１５を締結するときに用いるものであって、ボルト１１を所定のトルクで締め付けるためのレンチ部２と、レンチ部２の動作を制御するための制御部３と、を備え、制御部３には、ボルト１１の締め付け完了時において該ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する軸力Ｆ１と、ボルト１１の締め付け完了時から所定時間経過後において該ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する予想軸力Ｆ２と、の比（即ち、軸力降下率Ｍ（ｔ１））を、ボルト１１の締付時間ｔ１の関数として表した第一の関係式（数式６）が予め記憶され、制御部３によって、検出したボルト１１の締め付け完了時において該ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する軸力Ｆ１と、ボルト１１の締付時間ｔ１から、第一の関係式（数式５）に基づいて、ボルト１１の締め付け完了時から所定時間経過後において該ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する予想軸力Ｆ２を算出するものである。
このような構成により、所定の時間が経過した後にボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する予想軸力Ｆ２を精度良く算出することができる。またこれにより、ボルト１１による固定状態の可否を適正に判断することができる。
【００６１】
また、本発明の一実施形態に係る締付工具１において、制御部３には、ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する締め付けトルクと軸力の相関を表した第二の関係式（相関式）が予め記憶され、制御部３によって、ボルト１１の締め付け完了時において該ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する締め付けトルクから、前記第二の関係式に基づいて、ボルト１１の締め付け完了時において該ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する軸力Ｆｔを検出するものである。
このような構成により、ボルト１１の締め付け完了時において該ボルト１１（もしくはナット孔１５ａ）に作用する軸力Ｆ１（軸力Ｆｔ）を、簡易な装置構成で、容易かつ精度良く検出することができる。
【００６２】
さらに、本発明の一実施形態に係る締付工具１において、制御部３は、算出した予想軸力Ｆ２が、予め設定した閾値Ｆｘ以上となったときに、レンチ部２の締め付け動作を停止させるものである。
このような構成により、ボルト１１の締結部１０において、所望する軸力（即ち、閾値Ｆｘ以上の軸力）を確実に確保することができる。
【００６３】
尚、本発明の一実施形態に係る締付工具１は、本実施形態で示したように複数の部品にパッキン１４等の軟性部材が介設されている締結部１０を対象として、ボルト１１を締結する用途に特に適しているものであるが、軟性部材を介設しない態様の締結部の締め付けにも用いることができ、記憶部３ｃに、軟性部材を介設しない場合における各関係式を記憶させておくことで対応できる。
【符号の説明】
【００６４】
１ 締付工具
２ レンチ部
３ 制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一もしくは複数の部品に軟性の部材を介設した状態で螺合部材を締め付けて、
前記部品を締結するときに、
前記螺合部材もしくは該螺合部材の被螺合部に作用する軸力を算出するための軸力算出方法であって、
前記螺合部材の締め付け完了時において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する軸力と、
前記螺合部材の締め付け完了時から所定時間経過後において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する軸力と、
の比を、
前記螺合部材の締め付けに要した時間の関数として表した関係式を予め算出しておくとともに、
前記螺合部材の締め付け完了時において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する軸力の検出値と、
前記螺合部材の締め付けに要した時間を、
前記関係式に代入して、
前記螺合部材の締め付け完了時から所定時間経過後において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する予想軸力を算出する、
ことを特徴とする軸力算出方法。
【請求項２】
単一もしくは複数の部品に軟性の部材を介設した状態で、螺合部材を締め付けて、前記部品を締結するときに用いる締付工具であって、
前記螺合部材を所定のトルクで締め付けるためのレンチ部と、
前記レンチ部の動作を制御するための制御部と、
を備え、
前記制御部には、
前記螺合部材の締め付け完了時において前記螺合部材もしくは該螺合部材の被螺合部に作用する軸力と、
前記螺合部材の締め付け完了時から所定時間経過後において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する軸力と、
の比を、
前記螺合部材の締め付けに要した時間の関数として表した第一の関係式が予め記憶され、
前記制御部によって、
前記螺合部材の締め付け完了時において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する軸力の検出値と、前記螺合部材の締め付けに要した時間から、前記第一の関係式に基づいて、前記螺合部材の締め付け完了時から所定時間経過後において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する予想軸力を算出する、
ことを特徴とする締付工具。
【請求項３】
前記制御部には、
前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する締め付けトルクと軸力の相関を表した第二の関係式が予め記憶され、
前記制御部によって、
前記螺合部材の締め付け完了時において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する締め付けトルクから、前記第二の関係式に基づいて、前記螺合部材の締め付け完了時において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する軸力を検出する、
ことを特徴とする請求項２に記載の締付工具。
【請求項４】
前記制御部は、
算出した前記予想軸力が、
予め設定した閾値以上となったときに、
前記レンチ部の締め付け動作を停止させる、
ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の締付工具。
【請求項１】
単一もしくは複数の部品に軟性の部材を介設した状態で螺合部材を締め付けて、
前記部品を締結するときに、
前記螺合部材もしくは該螺合部材の被螺合部に作用する軸力を算出するための軸力算出方法であって、
前記螺合部材の締め付け完了時において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する軸力と、
前記螺合部材の締め付け完了時から所定時間経過後において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する軸力と、
の比を、
前記螺合部材の締め付けに要した時間の関数として表した関係式を予め算出しておくとともに、
前記螺合部材の締め付け完了時において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する軸力の検出値と、
前記螺合部材の締め付けに要した時間を、
前記関係式に代入して、
前記螺合部材の締め付け完了時から所定時間経過後において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する予想軸力を算出する、
ことを特徴とする軸力算出方法。
【請求項２】
単一もしくは複数の部品に軟性の部材を介設した状態で、螺合部材を締め付けて、前記部品を締結するときに用いる締付工具であって、
前記螺合部材を所定のトルクで締め付けるためのレンチ部と、
前記レンチ部の動作を制御するための制御部と、
を備え、
前記制御部には、
前記螺合部材の締め付け完了時において前記螺合部材もしくは該螺合部材の被螺合部に作用する軸力と、
前記螺合部材の締め付け完了時から所定時間経過後において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する軸力と、
の比を、
前記螺合部材の締め付けに要した時間の関数として表した第一の関係式が予め記憶され、
前記制御部によって、
前記螺合部材の締め付け完了時において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する軸力の検出値と、前記螺合部材の締め付けに要した時間から、前記第一の関係式に基づいて、前記螺合部材の締め付け完了時から所定時間経過後において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する予想軸力を算出する、
ことを特徴とする締付工具。
【請求項３】
前記制御部には、
前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する締め付けトルクと軸力の相関を表した第二の関係式が予め記憶され、
前記制御部によって、
前記螺合部材の締め付け完了時において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する締め付けトルクから、前記第二の関係式に基づいて、前記螺合部材の締め付け完了時において前記螺合部材もしくは前記被螺合部に作用する軸力を検出する、
ことを特徴とする請求項２に記載の締付工具。
【請求項４】
前記制御部は、
算出した前記予想軸力が、
予め設定した閾値以上となったときに、
前記レンチ部の締め付け動作を停止させる、
ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の締付工具。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２３２３８６（Ｐ２０１２−２３２３８６Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０３５３０（Ｐ２０１１−１０３５３０）
【出願日】平成２３年５月６日（２０１１．５．６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月６日（２０１１．５．６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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