JP5516876B2 - トルク角度レンチ - Google Patents

Description

本発明は、一般的にトルク角度レンチ分野に関し、特に、締め付け角度を測定する圧電ジャイロスコープ・センサを備えたトルク角度レンチに関する。

レンチ工具の目的は、２つの物を結合させるネジ付き固定具のような、物を回転させたり回転に対して物を保持することである。固定具のヘッドに加わるトルク量と結合される物に加わる負荷量との間には所定の関係がある。トルク・レンチは、この関係を利用し、結合力または負荷の指示値として加わったトルクを測定する。
トルクは、摩擦力、ヘッドの状態、潤滑の量およびその他の要因によってかなりの影響を受ける。したがって、所望のトルク指示値を得るトルク測定信頼度は、かなり変動的である。そのため、締め付け仕様が厳しい場合には、トルクの測定のみではなく、トルク角度固定具を装着する方法が推奨される。
トルク角度固定具の装着については、まずトルク・レンチを用いて、固定具が所望のトルクに締め付けられ、次に固定具は、さらに所定の回転角だけ回転される。この業界では、２つの物を締め付けるために固定具が加える負荷量は、加わったトルクよりも固定具の引っ張りまたは伸びに一層関係していることがよく知られている。その理由は、摩擦力、潤滑および他の要因が加わったトルクよりも、既知のピッチのネジの回転角で測定したネジの引っ張りに対してほとんど影響されないからである。角度基準のトルクは、均等な締め付けを確保するために一層正確な方法であるので、より多くの製造者が固定具の締め付けにトルク角の方法を使用している。トルク角導入の他の利点は、種々の潤滑、表面仕上げ等による個々の固定具間の変動なしで、類似の固定具が同一のクランプ力を加えることができる点にある。
現在、回転角度測定用の種々のレンチ工具が入手できる。初期の角度測定レンチ工具は、一般的に「土台」のクランプに接続されたたわみ帯金であるような一種の機械的基準に依存していた。
さらに最近の工具は、回転角度を測定するジャイロスコープを使用している。そのような装置の１つがヘルティング他の米国特許第４，２６２，５２８に開示されている。ジャイロスコープは、回転軸の交軸の回りのスイベル運動に反対の力を加えることによって動作する。ヘルティングのジャイロスコープ・レンチは、一組のコイル間に位置する刃要素に固く接続されたジャイロスコープを含んでいる。このジャイロスコープは、ジャイロスコープのスピン軸を決める回転子を有している。このジャイロスコープは、締め付け力を介した工具回転中の回転子の歳差運動に起因した、スピン軸方位の最初の方位の方向変化を許容するような方法によって、支持部材を介した工具上への設置がなされている。回転子の歳差運動の大きさを示す電気信号がセンサによって発生する。次に、この信号は、ジャイロスコープをその開始（元の）位置に戻すように動作する装置に供給される。この信号の電流密度は、ジャイロスコープ支持部材において所定のピボット軸回り角速度で起こるジャイロスコープ的運動に比例する。従って、適当な積分回路によって積分された信号は、工具回転軸回りのレンチ締め付け角度に比例する。このように積分信号は、レンチ回転角の可視的な指示を与える。

ジャイロスコープ装置は、その無視できない電力消費およびそれぞれに適当な積分と信号増幅回路ばかりでなくスピニング・ジャイロスコープ、回転子を装備するという個々のハウジング・ユニットの大きさの問題にも拘わらず、何年間も人気を得て来た。ジャイロスコープ・ユニットがたわみ性の「土台」すなわち「基準」帯金を必要としないという事実は、その人気に寄与している。しかしながら、高い電力消費、大容積構造、高製造コストおよびより高精度の要求は、科学者および技術者に対し、より良いまた効果的なトルク角度レンチの出現に向かわせた。
トルク測定のために圧電センサを使用することは、公知である。しかしながら、圧電ジャイロスコープ素子は、トルク動作中の固定具回転測定のためには使用されていなかった。
発明の要約
本発明の全般的な目的は、経済的、高精度および製造容易なトルク角度レンチを提供することである。
本発明の他の目的は、帯金のないトルク角度レンチを提供することである。
本発明のさらに他の目的は、低消費電力、スピニング・ジャイロスコープを使用する従来の工具よりも小さく正確で寿命の長いトルク角度レンチを提供することである。
本発明のこれらのおよび他の特徴は、一転角速度において、締め付け力を通して、固定具等にトルクを加えるハンドル付トルク角度レンチを提供することによって達成される。発振体を振動させる回路を有する圧電ジャイロスコープ・センサ装置は、レンチに結合される。レンチが締め付け角度だけ回転すると、その角速度により振動体がその振動方向を変化させる。新たな振動パターンが適当な検知回路によって検知され、ハンドルの角速度に強度に比例した電気信号に変換される。
この電気信号は、適当な変換および表示回路によって電子的に処理され、締め付け角度を示す可視表示を提供する。そのような変換および表示回路が内蔵型トルク角度レンチ工具に一体的に収納され、またはその代替としては、ブレーカ棒または他の適当な工具ハンドルに接続されたトルク／角度アダプタと共に使用できるアダプタ結合式の測定計器の一部である。
本発明は、以下に十分説明し、また図面に示し、特に請求の範囲に指摘した新規のいくつかの特徴またはその組合せから成り、その詳細の種々の変更は、本発明の精神および利点を損ねることなく実行できる。

本発明をより良く理解するために、本発明の好適実施例が添付する図面に示されている。図面を参照して実施例を見れば、本発明の構成、動作および多くの利点が容易に理解され、かつ認識できる。
電子回路論理を備えた電子ハウジング・ユニットおよびトルクや回転角のような変数を示すディスプレイを含み、固定具を締め付ける内蔵型トルク角度レンチの斜視図である。 第１図のトルク角度レンチの電子回路および構成要素を示す機能的ブロック図である。 第２図に示した電子回路および構成要素の詳細な図である。 本発明の電源構成要素の概略図である。 第２の好適実施例に従うトルク角度レンチの斜視図であり、共通のブレーカ棒および共通のディスプレイ／制御ユニットと共に使用する一連のトルク角度アダプタから成る多重センサ装置を示している。

好適実施例の詳細な説明
一端における、スチール、アルミニウムまたは他の適当な硬い材料から成る管状の取手部１２、ハウジング１１の作動端にピボット状に支持されたレンチ・ヘッド１４を含む前方延長部１３および以下に説明する電子装置とディスプレイ構成要素を含む電子ハウジング・ユニット１５を含んだ細長いハウジング１１によってトルク・レンチを構成するトルク角度レンチ１０が第１図に示されている。レンチ・ヘッド１４は、ボルトまたはナットのヘッドを締め付けるために使用されるソケット（図示せず）に摺動自在に係合するような形状となっている。
トルク角度レンチ１０は、最大トルク１３．５Ｋｇ−ｍ（１００ ｌｂ−ｆｔ）を出すことのできるものが例示されている。本発明は、その設計最大トルク容量には関係なく如何なるレンチにも容易に適用できる。電子ハウジング・ユニット１５は、その外部にディスプレイ窓１６を備えるように示されているが、以下に説明するディスプレイ下部のディスプレイ回路によって、その受信信号に応答するようになっている発光ダイオードまたは他の種類の文字表示ディスプレイから成るものでよい。また、それぞれが電子ハウジング・ユニット１５の電子回路およびディスプレイ構成要素と協働して特定の機能を果たすことのできる選択キーまたはボタン１７、１８が含まれている。
上端部および下端部２０、２１で特徴付けられた垂直柱１９は、圧電センサ４０を収容している。垂直柱１９は、ハウジング・ユニット１５の末端部から延在しているように示されているが、センサ４０は、一般的にレンチ・ヘッド１４とグリップ部１２との間のハウジングに沿ったどこにあっても良い。
ハウジング・ユニット１５は、第２図に一層明確に示されているように、圧電センサ４０に電気的に結合されている角度積分論理回路３０を収容している。角度積分論理回路３０は、実質的に４つの部分、すなわち、レベル・シフタ５０、電圧周波数変換器６０、統合化回路７０およびディスプレイ論理８０から成る。これらの部分は、圧電センサ４０と協働し、角度トルク動作中のような、ピボット支持されたレンチ・ヘッド１４の長軸に対するハウジング１１の何らかの回転動作を検知し作動する。
ここに開示された構造的実施例においては、センサ４０は、ムラタ・エリー・ノース・アメリカのカタログＮｏ．Ｇ−０９−Ａによって市販されている種類のジャイロスター^ＴＭ圧電振動ジャイロスコープである。第３図を参照すると、ジャイロスター圧電センサ４０は、Ｔ１−Ｔ５で示す５つの端子を有している。端子Ｔ１は、入力電力について直流電圧８から１３．５ボルトの間で最大１５ミリアンペアの電圧入力端子である。端子Ｔ２は、２つの出力端子の第１のものであり、その信号は、ゼロ回転である休止状態における２．５（＋／−１０ｍＶ）ボルトから、反時計方向の０．５ボルトと時計方向の最大回転速度９０度／秒の４．５ボルトの間で変化する（その出力は、休止から最大回転速度まで直線的である）。端子Ｔ３は、第２の出力端子であり、レベル・シフタ５０に対し２．５ボルトの定常電圧基準信号を提供する。端子Ｔ４は、診断出力（使用されない）であり、Ｔ５は、回路の接地である。

ジャイロスター圧電センサ４０からの動作出力、端子Ｔ２、Ｔ３は、角度積分論理回路３０および、さらに詳細には、抵抗Ｒ１−Ｒ４と計測増幅器ＩＣ１から成るレベル・シフタ５０に供給される。端子Ｔ２は、抵抗Ｒ２の一端に接続され、一方、端子Ｔ３は、抵抗Ｒ１の一端に接続される。抵抗Ｒ１、Ｒ２の他端は、増幅器ＩＣ１の入力に直接接続される。増幅器ＩＣ１は、差動モードで使用され、ジャイロスター圧電センサ４０の出力を回路接地（ゼロ電圧）にシフトする。抵抗Ｒ１からＲ４は、レベル・シフタ５０の出力に１の利得を作る。
レベル・シフタ５０の出力は、次に抵抗Ｒ６および容量Ｃ１を介して電圧周波数変換器ＩＣ２の入力利得を調整するために使用される（１０キロオームの）電位差計Ｒ５に加えられる。構成的な実施例においては、抵抗Ｒ１からＲ４の各々について２４０キロオームの抵抗が選択された。同一の実施例において、ＩＣ２は、レーセオン（Raytheon）によって市販され、精密な電圧周波数変換器モードで動作する線形集積回路製品仕様マニュアル９−１４および９−２６頁に規定されたＲＣ４１５３集積回路である。それに従えば、容量Ｃ１（３３００ｐＦ）は、ＩＣ２の入力回路を安定化し、容量Ｃ２（０．０１μＦ）および抵抗Ｒ７（２０キロオーム）は、入力回路バイアスを形成する。容量Ｃ３（０．１μＦ）は、容量Ｃ１および抵抗Ｒ６（２０キロオーム）の値に関連して、最大出力周波数を形成するように選択される。抵抗Ｒ８（１０キロオーム）は、ゼロ・バランス調整を与える。

ＩＣ２の出力は、その周波数がレベル・シフタ５０からの入力電圧の関数である狭いパルス列である。各パルスは、回路接地に行く負であり、統合化回路７０の抵抗Ｒ９（１０キロオーム）を介してインバータ・トランジスタＱ１のベースに結合される。抵抗１０（５．１キロオーム）は、ＩＣ２の出力に接続され、ＩＣ２の出力がオープン・コレクタであるためプル・アップ負荷抵抗として働く。
電圧周波数変換器ＩＣ２からのパルス列出力は、統合化回路７０に加えられ、インバータＱ１によって反転され、その出力がデジタル・カウンタＩＣ３に入力される。カウンタＩＣ３は、統合化回路７０の心臓部であり、そこに加えられた信号によって発光ディスプレイ８０を駆動する。再度述べると、この構成上の実施例においては、ＩＣ３は、市販のインターシル（Intersil）製ＩＣＭ７２０８ＩＰ１集積回路デジタル・カウンタである。
カウンタＩＣ３の動作条件は、容量Ｃ４（０．０１μＦ）、抵抗Ｒ１３（１００キロオーム）および抵抗Ｒ１４（１００キロオーム）に対すると同様に、バイアス抵抗Ｒ１１（４．７キロオーム）およびプル・アップ抵抗Ｒ１２（４．７キロオーム）について適当な値を選定することによって決定され、なお前者３つが適当なディスプレイ多重比を設定する。抵抗Ｒ１２は、スイッチＳ１をリセットするプル・アップ抵抗である。抵抗Ｒ１５は、ディスプレイ８０への電流を制限し、１０分の１の小数点を選定する入力を提供する。
トルク角度レンチ１０は、化学電池（図示せず）による電源を意図している。第４図を参照すると、好適実施例において、電圧電源（１２Ｖ）が極姓逆転防止ダイオードＤ１および電圧調整器ＶＲ１を介してＶ１（１０Ｖ）に調整される。容量Ｃ５（０．２２μＦ）およびＣ６（１０μＦ）が電圧調整器ＶＲ１をフィルタし、安定化させる。電圧調整器ＶＲ１は、ジャイロスター圧電センサ４０に出力する。また、それは、統合化回路７０に電源を供給し、統合化回路７０は、電圧調整器ＶＲ２を介して電源供給され、電圧調整器ＶＲ２は、電圧Ｖ１’（５Ｖ）を発生する。容量Ｃ７（０．２２μＦ）およびＣ８（１０μＦ）は、電圧調整器ＶＲ２をフィルタし、安定化させる。
電圧調整器ＶＲ１の出力は、第３図のＩＣ１およびＩＣ２用に正のＶ２（１５Ｖ）および負の−Ｖ２（−１５Ｖ）を供給するために採用された電圧変換器９０に供給される。
動作に関して、本発明のトルク角度レンチ１０は、最初、トルクが加わり回転角の関数として測定される固定具の縦軸のピボット回転について第１の位置に位置づけられている。締め付け角度仕様は、一般に予め設定された変数であり、通常は、製造者によって決められ、レンチ使用者によって適用され、レンチ１０は、最初の方位からの回転度合いのデジタル読取りを提供する。

角度回転のための使用以前にスピン運動において設定されているジャイロスコープとは異なり、ジャイロスター圧電センサ４０は、可動要素（図示せず）を含んでおり、等辺のプリズム形振動体である。振動体のそれぞれの側面に取り付けられた圧電セラミック板の１セットは、最初、交流電流によって励起され、振動体の中心に直角な１つの面上でセンサ４０を前後に曲げる。トルク角度レンチ１０が時計方向または反時計方向のいずれかに最初の方位から回転し、固定具にトルクをかけると、振動体は、回転の最初の面を曲げ始め、コリオリス力を与え、第２セットの圧電セラミック板によって検知され、電気信号に変換される。ジャイロスター圧電センサ４０の特徴である電気信号は、回転するトルク角度レンチ１０の角速度の関数である。ジャイロスター圧電センサ４０からの電気信号は、レベル・シフタ５０に供給され、レベル・シフタ５０は、この信号を回路接地より高い２．５Ｖの元の基準からの回路接地と比較する。
レベル・シフタ５０からの出力を回転角表示に変換するために、それは、まず電圧周波数変換器６０に供給される。実際の入力電圧当たりの周波数値は、電位差計Ｒ５を調整することによって校正される。電圧周波数変換器６０からの出力周波数は、次に直接的に統合化回路７０に供給され、パルスが累積され、一方、同時に回転角としてデジタル的に駆動の総計が表示される。
統合化回路７０に結合されたリセット・スイッチＳ１は、負荷前の固定具装着間に統合化回路が動作しないようにするために使用される。実際、トルク測定回路は、負荷をかける前のトルク値にあらかじめ設定される。ディスプレイ論理８０は、予め設定されたトルクに達するまではリセット（Ｓ１）に保持される。スイッチＳ１が解放されると、ディスプレイ論理８０および統合化回路７０が動作可能となり、回転度合いを示す角度表示を与え、特定の固定具組み立て用の特定角度に到達する時点を操作者に対し視覚的に伝える。
構成的実施例において、好適な圧電センサ４０は、ムラタ・エリー製のジャイロスター圧電振動ジャイロスコープ・センサであり、そのセンサは、３つの側面のそれぞれに装填された圧電セラミック・センサ板を備えた電気的に励起可能な振動プリズムから成る振動体によって特徴づけられる。しかしながら、回転体の角度運動を示す電気信号を発生することのできる任意の形式の圧電センサが等価であり、ここに説明したジャイロスターの代替となりうる。

さらに、好適実施例は、電圧周波数変換器６０からのパルスを累積するために統合化回路７０を使用しているが、予備設定可能なカウンタ等が代わりに使用でき、それと協働して、警報信号が所定数の回転度に達したことを音声的に知らせるものとして働くことが理解できる。この予備設定は、使用者が調整可能なものである。
他の代替的な形態において、統合化回路７０（または予備設定可能なカウンタ）は、固定具装着のトルク部分の間、リセットの状態に保持できる。トルク予備設定レベルにおいて、カウンタは、次に回転度合いの監視を開始することにより適切なリアルタイム表示を提供し、および／または締め付け角度の予備設定レベルに達した時、警報の設定を解放する。したがって、トルクの予備的負荷および締め付け角度双方共に使用者によって予備設定され、レンチの単一ストロークは、第１のトルク・レベルと、次に個々の最大予備設定レベルまで回転の度合いを監視および表示する。
第５図は、第２の好適実施例に従って構成されたトルク角度レンチ１０を示す。レンチ１００は、共通ディスプレイ／制御ユニット１０１およびブレーカ棒１０４と共に使用する一連のトルク角度アダプタ１０２、１０３から成る多重センサシステムである。アダプタ１０２、１０３は、それぞれ固定具装着の間に所定の最大トルク（例えば、それぞれ１３．５ｋｇ−ｍ（１００ ｌｂ−ｆｔ）および３３．７ｋｇ−ｍ（２５０ ｌｂ−ｆｔ）として示されている）を加えるように構成されている。第５図の実施例においては、ジャイロスター圧電センサ４０がアダプタ１０２、１０３のそれぞれに収納され、先に述べた方法で、締め付け角度を介して、固定具装着のブレーカ棒１０４の角速度を表す電気的信号を発生する。アダプタ１０２、１０３は、それぞれブレーカ棒と一体的に形成された雄型柱（図示せず）にスライド式に係合する空洞１０５を有している。また、各アダプタ１０２、１０３は、アダプタ・プラグ１０６が含まれ、電気アダプタ・ケーブル１０７を介して電気信号がユニット１０１に伝送される。ディスプレイ／制御ユニット１０１は、ジャイロスター圧電センサ４０を除き、第１図に示す全ての角度積分論理回路３０を収納し、このセンサ４０は、個々にそれぞれのアダプタ１０２、１０３に収納される。表示窓１０８および選択キー１０９、１１０は、第１図に示す内蔵型トルク角度レンチに関して図示および説明した第１の好適実施例に実際に提供されている。

回転角測定のために圧電センサ４０を使用することによって、非ジャイロスコープ型トルク角度レンチにおいて必要とされる土台基準帯金等の必要性が無くなることが容易に明らかとなる。
さらに、角度測定可能なトルク角度レンチ内に圧電振動ジャイロスコープ・センサ４０を使用することにより、従来の複雑な「スピニング」ジャイロ機構の問題を克服でき、従って、上述のように、可視表示とリセット／プリセット要素を備えた内蔵型トルク角度レンチ内に、これを使用する商業的可能性が出てくる。
好適実施例に関連して先に説明した角度積分論理回路３０は、ハードウェア回路実施されるように示されたが、関連するソフトウェア・プログラムを備えたマイクロ制御器が同様の機能を達成するために代替できる。
また、回路図に関して、適当な電気エネルギとしてレンチ工具に保持されたバッテリによって提供されるように説明したが、その代わりに、本明細書に記載した種々の構成要素および回路を適切に動作させる自在ケーブルによって工具回路に接続された外部電源によって提供されてもよい。
本発明の特定の実施例が示され説明されたが、本発明の広い態様から離れる事なく種々の変更修正が可能であることは、当業者にとって自明である。それ故、添付する請求の範囲の目的は、そのような全ての変更修正が本発明の真の精神および範囲内に含めることである。以上の記述および添付の図面に述べた事項は、描写のみの目的であり、限定的なものではない。実際の発明の範囲は、先行技術に基づき適切に判断した請求の範囲中に定義されている。

Claims (4)

1. 回転角速度において締め付け角度によるトルクを固定具に加えるように構成されるハンドルと、
   前記ハンドルの回転角に応答する振動体を含み、前記回転角速度を表す電気信号を発生するジャイロスコープ・センサを備える回路ベース・センサと、
   前記電気信号を前記ハンドルの回転角の度合いに対応する数のデジタル・パルス信号を含むパルス列に変換するように構成される電圧周波数変換器と、
   前記デジタル・パルス信号の数をカウントし、デジタル・パルス信号の数が所定数に達したときに警報を発するように構成される統合化回路と、
   前記締め付け角度を所定のレベルに予め設定するように構成される設定器と、
   予め設定された負荷をかける前のトルク値に達するまで前記統合化回路が動作しないように、使用者が操作可能なリセット・スイッチと、
   を含むトルク角度レンチ。
2. 請求項１記載のレンチであって、前記変換器は、電圧周波数変換器を含む積分器を備え、前記電気信号は、前記電圧周波数変換器によって前記デジタル・パルス信号に変換され、前記デジタル・パルス信号は、前記統合化回路に直接加えられる前記レンチ。
3. 回転角速度において締め付け角度によるトルクを固定具に加えるように構成されるハンドルと、
   それぞれが前記ハンドルと共に使用されるように構成される一組の異なるトルク角度アダプタ・ユニットであって、それぞれが前記ハンドルの回転角に応答する振動体を含み、回転角速度を表す電気信号を発生するように構成されるジャイロスコープ・センサを備える回路ベース・センサを備えるトルク角度アダプタ・ユニットと、
   前記電気信号を前記ハンドルの回転角の度合いに対応する数のデジタル・パルス信号を含むパルス列に変換するように構成される電圧周波数変換器と、
   前記デジタル・パルス信号の数をカウントするように構成される統合化回路と、
   前記数を所定のトルク・レベルに予め設定するように構成される設定器と、
   前記回転角の度合いに対応するデジタル・パルス信号の数が所定数に達した時、警報を発するように構成される警報器と、
   を含むトルク角度レンチシステム。
4. 請求項３記載のレンチシステムであって、さらに、前記締め付け角度を所定のレベルに予め設定するように構成される締め付け角度設定器を含む前記レンチシステム。
   

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