特許 6335010 ピン型ロードセル及びこれを備える作業機械

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6335010

(24)【登録日】2018年5月11日

(45)【発行日】2018年5月30日

(54)【発明の名称】ピン型ロードセル及びこれを備える作業機械

(51)【国際特許分類】

   G01L 1/22 20060101AFI20180521BHJP

   G01G 19/18 20060101ALI20180521BHJP

【ＦＩ】

   G01L1/22 G

   G01G19/18 A

【請求項の数】4

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2014-91775(P2014-91775)

(22)【出願日】2014年4月25日

(65)【公開番号】特開2015-210180(P2015-210180A)

(43)【公開日】2015年11月24日

【審査請求日】2017年1月18日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005522

【氏名又は名称】日立建機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000442

【氏名又は名称】特許業務法人 武和国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】水落 麻里子

(72)【発明者】

【氏名】石井 啓範

【審査官】 濱本 禎広

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６１−１４５４２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２４９５８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０３６９５０９６（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００２／０００２８６１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−２８１７８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５６−０７９２２２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｌ １／２２， １／００

Ｇ０１Ｌ ５／１６

Ｇ０１Ｇ ３／１４，１９／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

円柱状のピン本体と、前記ピン本体に設置した歪検出部材と、前記歪検出部材の検出信号から前記ピン本体に作用する荷重の大きさと作用方向を算出する荷重算出部を備えたピン型ロードセルであって、
前記ピン本体は、その外周における前記ピン本体の両端からそれぞれ所定位置に形成された２つの凹部と、前記ピン本体と同心で、前記ピン本体の軸方向に貫通するピン穴と、を有し、
前記歪検出部材は、前記ピン穴の内壁面であって、前記２つの凹部に対応する位置にそれぞれ設けられ、
前記歪検出部材は、歪検出方向が異なる２個以上の歪センサの組をもって構成し、前記ピン本体の周方向に２組以上設置され、
前記荷重算出部は、前記歪センサの検出値から各歪検出方向の荷重算出値を算出すると共に、算出された各歪検出方向の荷重算出値と前記ピン型ロードセルの校正試験により導出された各歪検出方向ごとの荷重算出値間の相関情報とを用いて、前記算出された各歪検出方向の荷重算出値に含まれる前記ピン本体の断面形状の変形に起因する計測誤差を除去した荷重値を算出することを特徴とするピン型ロードセル。

【請求項2】

請求項１に記載のピン型ロードセルにおいて、
前記歪検出部材は、前記歪センサの設置箇所におけるせん断方向の歪を検出する歪センサと前記ピン本体の軸方向の歪を検出する歪センサの組、又は、前記歪センサの設置箇所におけるせん断方向の歪を検出する歪センサと前記ピン本体の周方向の歪を検出する歪センサの組、若しくは、前記歪センサの設置箇所におけるせん断方向の歪を検出する歪センサと前記ピン本体の軸方向の歪を検出する歪センサと前記ピン本体の周方向の歪を検出する歪センサの組のいずれかを備えることを特徴とするピン型ロードセル。

【請求項3】

請求項１に記載のピン型ロードセルにおいて、
前記ピン本体の周方向に設置される前記歪センサの組を互いに直交する位置に備えることを特徴とするピン型ロードセル。

【請求項4】

請求項１に記載のピン型ロードセルと、前記ピン型ロードセルを介して互いに回動自在に連結した機構部材と、前記機構部材を回動して所要の作業を実行する機構部材駆動部と、前記ピン型ロードセルの検出信号から前記機構部材の連結部に作用する荷重の大きさ及び作用方向を演算する演算装置と、前記演算装置の演算結果を表示する表示装置とを備えた作業機械。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、構成部材を連結するピンに作用する荷重を検出するピン型ロードセルと、そのピン型ロードセルを備える作業機械とに関する。

【背景技術】

【0002】

機械を構成する各機械部品が受ける荷重を検出することは、機械の状態把握及び機械の駆動制御を行う上で重要である。従来、リンク状に組み合わされた機構部材の連結ピンに作用する荷重を検出する荷重検出装置として、機構部材の連結ピン自体に荷重検出機能を備えたピン型ロードセルを用いるものが知られている。ピン型ロードセルは、機構部材の連結部に挿入され、当該連結部に作用する荷重を検出する。

【0003】

油圧ショベル等の作業機械においては、作業量の把握や安定性確保のため、アタッチメント部に作用する負荷を計測することが不可欠であり、特許文献１には、アームとアタッチメントとの連結部にピン型ロードセルを設け、連結ピンに加わる荷重を検出することによってアタッチメント部に作用する負荷を検出する方法が示されている。

【0004】

また、特許文献２には、作業機械に好適なピン型ロードセルとして、ピンの軸方向に設けられたピン穴と、このピン穴の壁面又はピンの外周における同一周上に位置し、かつ互いに直交する２面にそれぞれ１つずつ取り付けられた２つのひずみセンサを備え、（ピン穴の径）÷（ピンの外径）の値を０．２以下としたものが提案されている。特許文献２に記載のピン型ロードセルは、ピン穴の径を規制することによって、荷重によるピンの断面形状の変形が防止されるので、荷重の作用方向が変化しても、ピンに作用する荷重の測定を高精度に行うことができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００２−２７７３１１号公報

【特許文献2】特開２０１０−１５９５４８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に示される例においては、ピン型ロードセルに作用する荷重の方向が作業機械（アタッチメント）の姿勢や作業内容に伴って変化するため、ピンに作用する荷重を互いに直交する２つの軸方向の荷重として検出する必要がある。このように荷重の作用する方向が変化する場合において、荷重の大きさ及び方向を検出するには、歪センサをピンに設けられたピン穴壁面の同一円周上に、互いに直交するように配置するのが一般的である。しかしながら、上記のように歪センサを配置した場合にも、荷重を受けたときにピンの断面形状が変形すると、荷重の作用方向の変化に伴う荷重検出誤差が発生する。特許文献２には、歪センサを取り付けるためのピン穴の径をピンの外径の０．２以下とすることによってピンの断面形状の変形を抑制し、これをもって上記の問題を解消することが示されている。しかし、ピンの外径が小さい場合には、ピン穴径を上記の要件を満たすように設計すると、歪センサの接着面を十分に確保することが困難になるので、計測精度はピンの寸法による制約を受ける。

【0007】

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、ピンの寸法によらず作用方向が変化する荷重の大きさ及び方向を高精度に検出可能なピン型ロードセルと、このピン型ロードセルを備え、作業を安定かつ高能率に行うことが可能な作業機械を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、上記課題を解決するため、円柱状のピン本体と、前記ピン本体に設置した歪検出部材と、前記歪検出部材の検出信号から前記ピン本体に作用する荷重の大きさと作用方向を算出する荷重算出部を備えたピン型ロードセルであって、前記ピン本体は、その外周における前記ピン本体の両端からそれぞれ所定位置に形成された２つの凹部と、前記ピン本体と同心で、前記ピン本体の軸方向に貫通するピン穴と、を有し、前記歪検出部材は、前記ピン穴の内壁面であって、前記２つの凹部に対応する位置にそれぞれ設けられ、前記歪検出部材は、歪検出方向が異なる２個以上の歪センサの組をもって構成し、前記ピン本体の周方向に２組以上設置され、前記荷重算出部は、前記歪センサの検出値から各歪検出方向の荷重算出値を算出すると共に、算出された各歪検出方向の荷重算出値と前記ピン型ロードセルの校正試験により導出された各歪検出方向ごとの荷重算出値間の相関情報とを用いて、前記算出された各歪検出方向の荷重算出値に含まれる前記ピン本体の断面形状の変形に起因する計測誤差を除去した荷重値を算出することを特徴とする。

【0009】

歪センサの設置箇所に歪検出方向が異なる２個以上の歪センサの組を設置すると、歪検出方向が異なるそれぞれの歪センサの検出値より、歪検出方向に応じた複数の荷重算出値を求めることができる。各荷重算出値には、荷重を受けることにより生じるピン本体の断面形状変化に起因する荷重計測誤差が含まれるが、複数の荷重算出値を用いて荷重を算出することになり、荷重計測誤差を低減することができる。一方、この歪検出部材をピン本体の周方向に２組以上設置すると、ピン本体の２軸方向の荷重算出値を得ることができるので、これら２軸方向の荷重算出値から、ピン本体に対する荷重の大きさと作用方向を算出できる。よって、ピン本体の寸法による制約を受けることなく、高い精度でピン本体に作用する荷重の大きさと作用方向を算出できる。

【0011】

荷重を受けてピン本体の断面形状が変形すると、ピン本体に設置した各歪センサは、荷重に応じたせん断歪のみならず、ピン本体の断面形状の変形に起因する歪も検出するので、歪センサの検出値から算出される各歪検出方向の荷重算出値には、断面形状の変形に起因する荷重計測誤差が含まれる。この荷重計測誤差は、ピン本体に対する荷重作用方向によって変化し、また、いずれの歪検出方向の荷重算出値においても同様の傾向となる特性がある。したがって、各歪検出方向の荷重算出誤差の間には相関関係が成立し、その相関情報は、ピン型ロードセルの校正試験を行うことで導出できる。よって、複数の荷重算出値と校正試験により導出された複数の荷重算出値間の相関情報を用いて荷重を算出することにより、各歪検出方向の荷重算出値に含まれる計測誤差を除去した荷重値を算出できる。

【0013】

歪検出部材をピン本体の外周に設置する構成にすると、ピン本体に対する歪検出部材の設置を容易化できる。歪検出部材をピン本体の軸方向に設けられたピン穴の壁面に設置する構成にすると、歪検出部材の損傷が防止され、ピン型ロードセルの長寿命化が図れる。歪検出部材をピン穴内に挿入する歪検出棒に設置する構成によると、歪検出部材の設置の容易化と、ピン型ロードセルの長寿命化が図れる。

【0014】

また本発明は、前記構成のピン型ロードセルにおいて、前記歪検出部材は、前記歪センサの設置箇所におけるせん断方向の歪を検出する歪センサと前記ピン本体の軸方向の歪を検出する歪センサの組、又は、前記歪センサの設置箇所におけるせん断方向の歪を検出する歪センサと前記ピン本体の周方向の歪を検出する歪センサの組、若しくは、前記歪センサの設置箇所におけるせん断方向の歪を検出する歪センサと前記ピン本体の軸方向の歪を検出する歪センサと前記ピン本体の周方向の歪を検出する歪センサの組のいずれかを備えることを特徴とする。

【0015】

ピン本体の断面形状変化の影響を除いた荷重算出値の算出は、少なくともピン本体のせん断方向の歪を検出する歪センサと、これとは歪検出方向が異なる歪センサを歪検出部材に備えれば足りる。そして、歪検出部材として、歪センサの設置箇所におけるせん断方向の歪を検出する歪センサと、ピン本体の軸方向の歪を検出する歪センサと、ピン本体の周方向の歪を検出する歪センサの組を用いると、算出できる荷重算出値の数を増加できるため、より高精度な荷重算出が可能になる。

【0016】

また本発明は、前記構成のピン型ロードセルにおいて、前記ピン本体の周方向に設置される前記歪センサの組を互いに直交する位置に備えることを特徴とする。

【0017】

かかる構成によると、各組の歪検出部材をピン本体の周方向に関して対向に配置する場合に比べて、歪検出部材の設置位置を減少できるので、ピン型ロードセルの製作をより容易化することができる。

【0018】

一方、本発明は、作業機械に関して、上記発明に係るピン型ロードセルと、前記ピン型ロードセルを介して互いに回動自在に連結した機構部材と、前記機構部材を回動して所要の作業を実行する機構部材駆動部と、前記ピン型ロードセルの検出信号から前記機構部材の連結部に作用する荷重の大きさ及び作用方向を演算する演算装置と、前記演算装置の演算結果を表示する表示装置とを備える。

【0019】

かかる構成によると、ピン型ロードセルを介して機構部材どうしを連結した作業機械について、ピン本体の寸法による制約を受けることなく、高い精度でピン本体に作用する荷重の大きさと作用方向を算出できるので、作業機械の状態把握及び駆動制御を安定かつ高精度に行うことができる。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、ピン型ロードセルを構成するピン本体に作用する荷重の方向が変化する場合においても、ピン本体の寸法による制約を受けない簡易な構成で、ピン本体に作用する荷重の大きさ及び方向を高精度に検出することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】実施形態に係る作業機械の側面図である。

【図2】アタッチメントとしてバケットを備えた作業機械の要部拡大側面図である。

【図3】アタッチメントとしてマグネットを備えた作業機械の要部拡大側面図である。

【図4】アタッチメントとしてグラップルを備えた作業機械の要部拡大側面図である。

【図5】実施形態に係る作業機械に備える荷重計測装置の構成図である。

【図6】実施形態に係る作業機械のアームとアタッチメントとの連結部の拡大正面図である。

【図7】実施形態に係る作業機械の回動軸に作用する荷重の説明図である。

【図8】実施形態に係るピン型ロードセルの構成図である。

【図9】従来例に係るピン型ロードセルのピン本体に対する歪検出部材の配置を示す横断面図である。

【図10】従来例に係るピン型ロードセルのせん断変形発生部の拡大図である。

【図11】従来例に係るピン型ロードセルの荷重を受けたときのピン本体の断面形状変化を示す図である。

【図12】従来例に係るピン型ロードセルの荷重算出値を示す図である。

【図13】実施形態に係るピン型ロードセルに用いる歪検出部材の構成と、ピン本体に対する歪検出部材の設置位置とを示す横断面図である。

【図14】実施形態に係るピン型ロードセルの歪検出方向ごとの荷重算出値を示す図である。

【図15】従来例に係るピン型ロードセルの荷重算出値と実施形態に係るピン型ロードセルの荷重算出値とを比較して示す図である。

【図16】実施形態に係るピン型ロードセルのピン本体に対する歪検出部材の他の配置例を示す図である。

【図17】実施形態に係るピン型ロードセルのピン本体に対する歪検出部材のさらに他の配置例を示す図である。

【図18】実施形態に係るピン型ロードセルに用いる歪検出部材の他の構成例を示す図である。

【図19】実施形態に係るピン型ロードセルに用いる歪検出部材のさらに他の構成例を示す図である。

【図20】実施形態に係るピン型ロードセルに用いる歪検出部材の他の配置例を示す図である。

【図21】図２０のピン型ロードセルに用いる歪検出部材の他の例を示す図である。

【図22】実施形態に係るピン型ロードセルのピン本体に対する歪検出部材と取付方位の他の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、本発明の実施形態を、油圧ショベル及びこれに備える２軸ピン型ロードセルを例にとり、図面を参照して説明する。

【0023】

図１に示すように、実施形態に係る油圧ショベル（作業機械）１００は、地面と接して走行する下部走行体１０２と、下部走行体１０２上に取り付けられた上部作業体１０３と、一端が上部作業体１０３に回動可能に取り付けられた作業装置１０６とから主に構成する。

【0024】

図１に記載の下部走行体１０２は、いわゆるクローラ式のものであり、地面に接する履体２０１と、履体２０１を駆動する駆動輪２０２と、履体２０１によって回転される従動輪２０３と、これらを支持する構造物２０４等で構成する。なお、下部走行体１０２は、複数の車輪を備えたいわゆるホイール式のものであっても良い。

【0025】

上部作業体１０３は、旋回装置を介して、或いは旋回装置を介さずに、下部走行体１０２の上部に取り付ける。上部作業体１０３には、所要の操作装置を備えた運転室１０４を設け、運転室１０４内には、図示しない所要の操作装置を備える。運転室１０４内に乗り込んだオペレータは、操作装置を用いて下部走行体１０２及び作業装置１０６の駆動を操作し、掘削等の作業を行う。

【0026】

作業装置１０６は、作業フロントとも呼ばれ、運転室１０４から見て上部作業体１０３の前方に取り付ける。図１の例において、作業装置１０６は、回動軸１４０を介して上下方向にのみ回動自在であるように上部作業体１０３に取り付けたブーム１１０と、回動軸１４１を介して上下方向にのみ回動自在であるようにブーム１１０の先端に取り付けたアーム１１２と、回動軸１４２を介して上下方向にのみ回動自在であるようにアーム１１２の先端に取り付けたアタッチメント１２３から構成される。

【0027】

図１の例においては、アタッチメント１２３としてバケット１２３Ａをアーム１１２の先端に取り付けている。バケット１２３Ａには、一端がアーム１１２に連結されたリンク機構１１８の他端を、回動軸１４４を介して連結する。また、リンク機構１１８には、一端がアーム１１２に取り付けたアタッチメントシリンダ１１５のロッド側の端部を、回動軸１４５を介して連結する。アタッチメントシリンダ１１５は油圧シリンダであり、伸縮することで回動軸１４２を中心としてアタッチメント１２３を回動させる。

【0028】

図４は、バケット１２３Ａを取り付けたアーム先端部の詳細図である。この図から明らかなように、図１に示したリンク機構１１８は、アタッチメントシリンダ１１５のロッド側の先端部とバケット１２３Ａの間に架け渡した第１リンク１１６と、アタッチメントシリンダ１１５のロッド側の先端部とアーム１１２の間に架け渡した第２リンク１１７を有している。第１リンク１１６は、一方側の端部において回動軸１４４を介してバケット１２３Ａに回動可能に取り付け、他方側の端部において回動軸１４５を介してアタッチメントシリンダ１１５に回動可能に取り付ける。一方、第２リンク１１７は、一方側の端部において回動軸１４６を介してアーム１１２と回動可能に取り付け、他方側の端部において回動軸１４５を介してアタッチメントシリンダ１１５に回動可能に取り付ける。なお、リンク機構１１８としては、他の構成のものを備えることもできる。例えば、図２のリンク機構１１８に、アタッチメントシリンダ１１５のロッド側の先端部と回動軸１４５の間に架け渡した第３のリンク部材と、アタッチメントシリンダ１１５のロッド側の先端部とアーム１１２の間に架け渡した第４のリンク部材とを追加してなる４節形のリンク機構を備えることができる。さらには、４つ以上のリンク部材の組合せからなるものを用いることもできる。

【0029】

なお、作業によっては、バケットに代えて、グラップル、カッタ、ブレーカ、マグネット等の他のアタッチメントを取り付けることもできる。図３には、アタッチメント１２３としてマグネット１２３Ｂを備えたアーム先端部の図を示す。また、図４には、アタッチメント１２３としてグラップル１２３Ｃを備えたアーム先端部の図を示す。これらの図から明らかなように、アーム１１２の先端部とアタッチメント１２３（マグネット１２３Ｂ及びグラップル１２３Ｃ）とは、回動軸１４４を介して連結する。

【0030】

図５に本実施形態の荷重計測装置１５０の概略構成図を示す。荷重計測装置１５０は、主に、状態量検出手段４０と、演算装置１６０と、表示装置１６１とから構成する。

【0031】

状態量検出手段４０は、作業機械１００の所要の部分に備えたピン型ロードセル４ａ、４ｂと、ブーム角度センサ１４０ａと、アーム角度センサ１４１ａと、アタッチメント角度センサ１４２ａをもって構成する。以下、実施の形態に係る状態量検出手段４０を、アタッチメント１２３の姿勢を検出する姿勢検出装置と、アタッチメント１２３に加わる荷重を検出する荷重検出装置とに分けて説明する。

【0032】

まず、姿勢検出装置について説明する。図１に示すように、作業機械１００は、アタッチメント１２３の姿勢を検出する姿勢検出装置として、ブーム角度センサ１４０ａと、アーム角度センサ１４１ａと、アタッチメント角度センサ１４２ａを備えている。ブーム角度センサ１４０ａは、上部作業体１０３に対するブーム１１０の回転角度（相対角度）を検出するもので、上部作業体１０３とブーム１１０の回動軸１４０に設ける。アーム角度センサ１４１ａは、ブーム１１０に対するアーム１１２の回転角度（相対角度）を検出するもので、ブーム１１０とアーム１１２の回動軸１４１に設ける。アタッチメント角度センサ１４２ａは、アーム１１２に対するアタッチメント１２３の回転角度（相対角度）を検出するもので、アーム１１２とアタッチメント１２３の回動軸１４２に設ける。ブーム角度センサ１４０ａ、アーム角度センサ１４１ａ及びアタッチメント角度センサ１４２ａの検出値は、後述する演算装置１６０に入力し、水平面に対するアタッチメント１２３の姿勢の絶対角度θ（対地角度）の算出に用いる。

【0033】

次に、荷重検出装置について説明する。図２に示すように、作業機械１００は、アタッチメント１２３に加わる荷重を検出する荷重検出装置として、互いに直交する２軸方向の荷重を検出するピン型ロードセル４ａ、４ｂを有している。ピン型ロードセル４ａ、４ｂは、回動軸１４２及び回動軸１４４に設けた連結ピンに代えて設ける。ピン型ロードセル４ａ、４ｂは、回動軸１４２、１４４に相当する所要の形状及びサイズに形成されたピン本体に歪検出センサを設けることにより、ピン本体に作用する力を検出できるようになっている。ピン型ロードセル４ａ、４ｂの具体的な構成については後述する。ピン型ロードセル４ａは、アタッチメント１２３と一体となって回転するように、回動軸１４２の設定位置において、アタッチメント１２３に固定する。一方、ピン型ロードセル４ｂは、アタッチメント１２３と一体となって回転するように、回動軸１４４の設定位置において、アタッチメント１２３に固定する。

【0034】

図６に示すように、アタッチメント１２３には、回動軸１４２、１４４を介してアーム１１２を連結するための２枚のリブ１２３ａ、１２３ｂが所要の間隔を隔てて対向に形成してある。アーム１１２とアタッチメント１２３は、アーム１１２の先端部を２枚のリブ１２３ａ、１２３ｂの間に配置した状態で、アーム１１２の先端部に開設された貫通孔及び２枚のリブ１２３ａ、１２３ｂに開設された貫通孔にピン型ロードセル４ａ、４ｂを貫通することにより回動自在に連結する。したがって、アタッチメント１２３に土砂等の負荷が加わった場合、ピン型ロードセル４ａ、４ｂには、図６に白抜き矢印で示すように、アーム１１２との接触部では上向きの、アタッチメント１２３との接触部では下向きの力が作用し、アーム１１２とリブ１２３ａ、１２３ｂの隙間部分１Ａ、１Ｂにせん断変形が生じる。このような理由から、ピン型ロードセル４ａ、４ｂとしては、この隙間部分１Ａ、１Ｂに生じるせん断歪を検出するものを用いる。

【0035】

演算装置１６０は、図示しない中央処理装置及び記憶装置を有しており、状態量検出手段４０の検出信号に基づいて、アタッチメント１２３に加わる荷重の大きさと方向を算出する。表示装置１６１は、演算装置１６０と接続されており、演算装置１６０が算出した荷重の大きさと方向を表示する。作業機械のオペレータは、この表示装置１６１に表示される力の大きさと方向を参照しながら、作業機械の運転を行うことができる。

【0036】

以下、図７を用いて演算装置１６０で行われる具体的な演算方法について説明する。演算装置１６０は、角度センサ１４０ａ、１４１ａ、１４２ａの検出信号に基づいてアタッチメント１２３の姿勢を検出すると共に、アタッチメント１２３の姿勢情報及びピン型ロードセル４ａ、４ｂの検出信号に基づいて、アタッチメント１２３に加わる荷重の大きさと方向を算出する。

【0037】

図７は、アタッチメント１２３に加わる力Ｆ_１２３と、ピン型ロードセル４ａで検出される力Ｆ_１４２と、ピン型ロードセル４ｂで検出される力Ｆ_１４４との関係図である。基準座標系として、作業機械１００の前後方向にＸ’軸を、鉛直方向にＹ’軸を設定する。また、アタッチメント１２３の座標系（アタッチメント座標系）として、回動軸１４２と回動軸１４４を結ぶ線分の方向にｘ軸を、このｘ軸に対して垂直な方向にｙ軸を設定する。ここで、アタッチメント１２３における点Ｐ_１２３に力Ｆ_１２３が作用したとき、回動軸１４２には力Ｆ_１４２が、回動軸１４４には力Ｆ_１４４が作用したとする。

【0038】

このとき、回動軸１４２に設けられ、アタッチメント１２３に固定されているピン型ロードセル４ａは、回動軸１４２に作用する力Ｆ_１４２を、ｘ軸方向の力Ｆ_１４２ｘと、ｙ軸方向の力Ｆ_１４２ｙとして検出し、演算装置１６０に出力する。同様に、回動軸１４４に設けられ、アタッチメント１２３に固定されているピン型ロードセル４ｂは、回動軸１４４に作用する力Ｆ_１４４を、ｘ軸方向の力Ｆ_１４４ｘと、ｙ軸方向の力Ｆ_１４４ｙとして検出し、演算装置１６０に出力する。

【0039】

演算装置１６０はアタッチメント１２３に作用する力Ｆ１２３のｘ軸方向成分Ｆ_１２３ｘ及びｙ軸方向成分Ｆ_１２３ｙを、Ｆ_１４２ｘ、Ｆ_１４２ｙ、Ｆ_１４４ｘ、Ｆ_１４４ｙを用いて、下記の（１）式で算出する。

【数1】

【0040】

演算装置１６０は、水平面（ｘ軸方向）に対するアタッチメント１２３の角度θ（図７参照）を、ブーム角度センサ１４０ａ、アーム角度センサ１４１ａ及びアタッチメント角度センサ１４２ａ（姿勢検出装置）の検出値に基づいて算出する。そして、演算装置１６０は、上記の角度θと上式から算出されたＦ_１２３ｘ、Ｆ_１２３ｙを用いて、アタッチメント１２３に加わる力Ｆ_１２３のＸ’軸方向成分Ｆ_{１２３Ｘ’}とＹ’軸方向成分Ｆ_{１２３Ｙ’}を、下記の（２）式で算出する。これにより、演算装置１６０は、アタッチメント１２３に作用する力Ｆ_１２３の大きさと方向を算出することができる。

【数2】

【0041】

次に、実施の形態に係るピン型ロードセル４ａ、４ｂの詳細について説明する。図８に示すように、実施の形態に係るピン型ロードセル４は、ピン本体１と、ピン本体１の軸方向に設けたピン穴２と、ピン本体１に発生する歪を検出する歪検出部材２０と、歪検出部材２０の検出信号から当該ピン型ロードセル４に作用する荷重を算出する荷重算出部３０とから構成する。荷重算出部３０は、歪検出部材２０の検出信号を取り込む入力部３１と、歪検出部材２０の検出値からピン本体１に加わる２軸方向の荷重Ｆｘ、Ｆｙを算出する算出部３２と、算出部３２が算出した２軸方向の荷重Ｆｘ、Ｆｙを演算装置１６０（図５参照）に出力する出力部３３とから構成する。なお、ピン型ロードセル４は、ピン型ロードセル４ａ、４ｂの総称である。

【0042】

ピン本体１は、例えばＳ４５Ｃ等の構造用炭素鋼を用いて、外観形状を円柱状に形成する。ピン本体１の外周の所定位置、即ち、図６に示したせん断歪発生部１Ａ、１Ｂに相当する部分には、凹部を形成してある。ピン穴２は、ピン本体１と同心で、ピン本体１の軸方向に設けた穴であり、ピン本体１を貫通する貫通孔とすることもできるし、ピン本体１の両端から少なくとも図６のせん断歪発生部１Ａ、１Ｂに相当する部分まで達するように設けた半貫通孔とすることもできる。

【0043】

歪検出部材２０は、ピン本体１の歪量を検出する複数の歪センサ２０１〜２０４、２１１〜２１４をもって構成され、これらの各歪センサ２０１〜２０４、２１１〜２１４は、せん断変形発生部１Ａ、１Ｂにおけるピン穴２の内壁面に設けられる。ここで、歪センサ２０１〜２０４、２１１〜２１４としては、一般に広く使用されている金属抵抗式歪ゲージや、単結晶シリコン基板に不純物を導入した不純物拡散抵抗を用いた半導体歪センサ等を用いることができる。

【0044】

実施の形態に係る歪検出部材２０及び荷重算出部３０の詳細を説明する前に、従来のピン型ロードセルにおいて、作用する荷重の方向が変化する際に発生する計測誤差の発生原理及び発生する誤差の傾向について説明する。本発明は以下に示す誤差に関する考察をもとになされたものであり、以下に示す原理で発生する誤差を回避する構成を有する。

【0045】

なお、従来例に係るピン型ロードセルとしては、説明を容易にするため、図９に示すように、ピン本体１におけるせん断変形発生部１Ａ、１Ｂのそれぞれに対応するピン穴壁面の同一円周上に、９０°ピッチで４枚の歪センサ２０１ａ、２０２ａ、２０３ａ、２０４ａを取り付けたものを例にとって説明する。対向に配置した歪センサ２０１ａと２０２ａ及び歪センサ２０３ａと２０４ａは、それぞれ一対の歪センサ対を構成する。このように、図９に示した従来例に係るピン型ロードセルは、２枚を一対とする２対の歪センサ対を、互いに直交するように配置してなる。

【0046】

図１０に、従来例に係るピン型ロードセル４のせん断変形発生部１Ａを拡大して示す。この図から明らかなように、一対の歪センサ２０１ａと２０２ａは、荷重点１Ｃと支持点１Ｄの中間位置１Ｅ（計測点）に相当する部位に取り付ける。なお、図示は省略するが、他の一対の歪センサ２０３ａと２０４ａも、荷重点１Ｃと支持点１Ｄの中間位置１Ｅ（計測点）に相当する部位に取り付ける。歪センサ２０１ａ、２０２ａは、計測点の近傍における軸方向に対して４５°方向の伸縮を検出し、これら２枚の歪センサ２０１ａ、２０２ａの出力値の差をせん断歪として出力する。同様に、歪センサ２０３ａ、２０４ａは、計測点の近傍における軸方向に対して４５°方向の伸縮を検出し、これら２枚の歪センサ２０３ａ、２０４ａの出力値の差をせん断歪として出力する。ピン型ロードセル４の断面形状が変化せず、歪センサ２０１ａ〜２０４ａに対してせん断変形のみが作用する場合、ピン型ロードセル４は、これに作用する荷重のセンサ設置面に対応した方向成分に応じたせん断歪を検出する。

【0047】

このピン型ロードセル４に対し、歪センサ２０１ａと２０２ａの設置方向を０°とするθ方向（図９参照）から大きさＦの荷重が作用した時、０°方向に備えられた歪センサ対（２０１ａ、２０２ａ）と９０°方向に備えられた歪センサ対（２０３ａ、２０４ａ）の出力値Ｓｘ及びＳｙは、理論的には下記の（３）式で表される関係にある。

【数3】

【0048】

ここで、１／αは歪センサの荷重に対する感度を表す定数である。ｘ軸方向の力Ｆｘ、ｙ軸方向の力Ｆｙは、各センサ対の出力値Ｓｘ、Ｓｙに、αを乗ずることにより算出できる。また、荷重の大きさは、Ｆｘ、Ｆｙを用いて、下記の（４）式で算出できる。

【数4】

【0049】

しかしながら、実際には、荷重を受けたとき、ピン穴２やピン取付部の寸法公差等の影響によりピン型ロードセル４の断面形状が図１１に示すように変形するので、ピン型ロードセル４は、これに作用する荷重に応じたせん断歪のみならず、断面形状の変形に起因する歪も検出する。図１１（ａ）は荷重点１Ｃ、図１１（ｂ）は計測点１Ｅ、図１１（ｃ）は支持点１Ｄにおける断面形状の変形の拡大図である。これらの図から明らかなように、荷重点１Ｃ及び支持点１Ｄでは、荷重の影響により、上下非対称な変形となる。各点における断面形状に着目すると、荷重点１Ｃでは上部が小さく下部が大きい形状となり、逆に支持点１Ｄでは上部が大きく下部が小さい形状となる。このような場合には、歪センサ２００の検出値にはせん断変形による歪に加えて、上記の非対称な変形によって発生する歪が含まれる。また、この非対称な断面形状の変形による歪は、荷重作用方向とセンサ位置の関係によって異なるため、荷重作用方向によって非対称な断面形状の変形による影響の大きさは変化し、ある荷重作用方向において校正した歪センサの校正値を用いて荷重値を算出すると、荷重作用方向が変化した際に計測誤差が生じる。

【0050】

図１２（ａ）に、荷重作用方向を０°から３６０°まで変化させたときのｘ軸方向及びｙ軸方向の荷重の理論値及び算出値の傾向を示す。また、図１２（ｂ）に横軸を荷重作用方向、縦軸を荷重の大きさの算出値とするグラフ図を示す。これらの図から明らかなように、荷重計測誤差は、荷重作用方向によって変化し、４５°、１３５°、２２５°、３１５°で特に大きくなる傾向がある。また、荷重算出値は、０°、９０°、１８０°、２７０°で最小値を取る傾向がある。つまり、０°方向及び９０°方向の荷重を用いて導出した歪センサ校正結果を用いる場合には、誤差は常に正方向に発生する。荷重計測誤差の大きさは、ピンの剛性、即ち、ピンの材質や外径、ピン穴径によって異なり、ピン穴径が小さい場合には減少する。一方、荷重作用方向と誤差の大きさとの関係は常に上記と同様の傾向を示す。

【0051】

上述したように、荷重によりピン本体１の断面形状が上下非対称に変形する場合には、ピン本体１の０°方向に備えられた歪センサ対（２０１ａ、２０２ａ）と９０°方向に備えられた歪センサ対（２０３ａ、２０４ａ）の出力値Ｓｘ、Ｓｙを用いても、ピン本体１に作用する荷重Ｆ及びその作用方向を正確に求めることができない。ピン本体１に作用する荷重Ｆ及びその作用方向を正確に求めるためには、ピン本体１の断面形状の非対称な変形の影響に起因する荷重計測誤差を除去する必要がある。

【0052】

本発明のピン型ロードセルは、上述の知見に基づいて創作されたものであり、以下に記載の構成を有する。本発明のピン型ロードセルによれば、ピン本体１の断面形状変形の影響を除去でき、荷重の作用方向によらず、作用する荷重の大きさ及びその作用方向を高精度に検出できる。

【0053】

図１３（ａ）は、図８のＡ−Ａ’断面図であり、図１３（ｂ）は、せん断変形発生部１Ａに設置される各歪センサの構成と配置とを示す図である。図１３（ａ）、（ｂ）に示す２軸ピン型ロードセル４は、歪検出部材２０として、検出方向が異なる２個を１組とする４組の歪センサを備えると共に、せん断変形発生部１Ａ、１Ｂに対応するピン穴２の壁面の円周上に、２組の歪センサをそれぞれ対向に配置している。

【0054】

即ち、図１３（ａ）、（ｂ）に示す２軸ピン型ロードセル４は、歪検出部材２０としてせん断変形発生部１Ａに対応するピン穴２の壁面に、互いに対向に配置された２対４組の歪センサ２０１、２０２、２０３、２０４を備える。各組の歪センサ２０１、２０２、２０３、２０４は、図１３（ｂ）に示すように、検出方向が異なる２個の歪センサ（２０１ａと２０１ｂ）、（２０２ａと２０２ｂ）、（２０３ａと２０３ｂ）、（２０４ａと２０４ｂ）からなる。図１３（ａ）に示すように、歪センサ組２０１と２０２、２０３と２０４は対向するように設けられ、それぞれ歪センサ対を形成する。なお、図１３（ａ）では、２つの歪センサ対（２０１、２０２）と（２０３、２０４）とが直交するように、０°方向に（２０１、２０２）を、９０°方向に（２０３、２０４）を備える例を示したが、２つの歪センサ対の設置位置は必ずしも０°方向及び９０°方向である必要はなく、ピン穴２の内壁の円周上の任意の位置に配置して良い。但し、荷重作用方向がいかなる場合も十分な出力値を得るためには、歪センサ対を４５°以上離した位置に配置することが望ましい。

【0055】

歪センサ組２０１、２０２、２０３、２０４は、図１３（ｂ）に示すように、それぞれ、ピン軸方向に対して４５°方向の歪を検出する歪センサ（２０１ａ、２０２ａ、２０３ａ、２０４ａ）とピン軸方向の歪を検出する歪センサ（２０１ｂ、２０２ｂ、２０３ｂ、２０４ｂ）とから構成する。つまり、せん断変形発生部１Ａに対応するピン穴２の内壁面におけるピン軸方向に対して４５°方向の歪を検出する歪センサと、せん断変形発生部１Ａに対応するピン穴２の内壁面におけるピン軸方向の歪を検出する歪センサをもって１組の歪センサとし、これを接着等の方法を用いて４つの歪検出位置に取り付ける。

【0056】

せん断変形発生部１Ｂについてもこれと同様であり、図８に示すように、せん断変形発生部１Ｂに対応するピン穴２の壁面に、歪センサ２１１（２１１ａ、２１１ｂ）、２１２（２１２ａ、２１２ｂ）、２１３（２１３ａ、２１３ｂ）、２１４（２１４ａ、２１４ｂ）の４組を備える。

【0057】

荷重算出部３０は、マイクロコンピュータ等から構成され、歪検出部材２０の検出信号を入力する入力部３１と、歪検出部材２０の検出信号を用いてピン本体１に加わる荷重を算出する算出部３２と、算出された２軸方向の荷重Ｆｘ、Ｆｙを出力する出力部３４を有する。

【0058】

算出部３２では、歪検出部材２０を構成する歪センサのうち、同一の検出方向を持つ歪センサを用いて、歪検出方向ごとに荷重算出値を算出し、算出された複数の荷重算出値と、校正情報としてあらかじめ導出された、歪検出方向ごとの荷重算出値間の相関情報とを用いて、算出された荷重値に含まれるピン本体１の断面形状変化の影響を除去し、ピン本体１に作用する荷重値を算出する。

【0059】

以下、算出部３２における荷重算出方法の詳細を説明する。

【0060】

まず、歪検出部材２０の検出信号を用いて、歪センサの歪検出方向ごとに荷重値を算出する。図１３（ｂ）に示した例では、歪センサ２０１ａ、２０２ａ、２０３ａ、２０４ａは、ピン軸方向に対して４５°方向の歪を検出し、歪センサ２０１ｂ、２０２ｂ、２０３ｂ、２０４ｂは、ピン軸方向の歪を検出する。そして、歪センサ２０１ａ、２０２ａ、２０３ａ、２０４ａの検出値を用いて荷重算出値Ｆａを算出し、歪センサ２０１ｂ、２０２ｂ、２０３ｂ、２０４ｂの検出値を用いて荷重算出値Ｆｂを算出する。

【0061】

具体的には、まず、対向に設置された歪センサ２０１ａと２０２ａの出力値の差分より歪出力値Ｓ_２０１Ａを算出し、歪センサ２０３ａと２０４ａの出力値の差分より歪出力値Ｓ_２０３Ａを算出する。同様に、歪センサ２０１ｂと２０２ｂの出力値の差分より歪出力値Ｓ_２０１Ｂを算出し、歪センサ２０３ｂと２０４ｂの出力値の差分より歪出力値Ｓ_２０３Ｂを算出する。次に、歪検出方向がピン軸方向に対して４５°方向の歪センサを用いた荷重算出値Ｆａを歪出力値Ｓ_２０１Ａ、Ｓ_２０３Ａから算出し、歪検出方向がピン軸方向の歪センサを用いた荷重算出値Ｆｂを歪出力値Ｓ_２０１Ｂ、Ｓ_２０３Ｂから算出する。図１３（ａ）のように、歪センサ２０１と２０２を０°方向に、歪センサ２０３と２０４を９０°方向に設けた場合、荷重算出値Ｆａ、Ｆｂは、下記の（５）式で算出できる。

【数5】

ここで、Ｆａｘ、Ｆｂｘはｘ軸方向の荷重算出値、Ｆａｙ、Ｆｂｙはｙ軸方向の荷重算出値、Ｆａ、Ｆｂは荷重の大きさを意味する。また、α及びβは、各歪検出方向の歪センサ出力を力次元に変換する歪センサの校正値である。

【0062】

歪センサ２０１と歪センサ２０２をθ１方向に、歪センサ２０３と２０４をθ２方向に設けた場合、荷重算出値Ｆａ、Ｆｂは、下記の（６）式で算出される。なお、以降の演算は、センサ組の設置位置に関わらず、同様であるため、歪センサ２０１と歪センサ２０２を０°方向に、歪センサ２０３と２０４を９０°方向に設ける例を用いて説明する。

【数6】

【0063】

次に、荷重算出値Ｆａ、Ｆｂと、校正情報としてあらかじめ導出された歪検出方向ごとの荷重算出値ＦａとＦｂの相関情報とを用いて、荷重算出値に含まれるピン本体１の断面形状変化の影響を除去し、せん断変形発生部１Ａに作用する荷重Ｆ１Ａｘ、Ｆ１Ａｙを算出する。

【0064】

上述のように、実際にピン本体１に作用する荷重の大きさが変化しない場合においても、ピン本体１の断面形状が非対称に変形した場合には、その影響により、荷重作用方向を変化させた際に、荷重算出値Ｆａ、Ｆｂが変動する。ピン本体１の断面形状変化の影響を詳細に検討した結果、荷重作用方向による荷重算出値の変動は、ピン軸に対して４５°方向の歪を検出する歪センサの出力値から算出したＦａと、ピン軸方向の歪を検出する歪センサの出力値から算出したＦｂとで同様の傾向を示すことが確認された。

【0065】

図１４に、荷重の作用方向を変化させた際の、荷重算出値Ｆａ、Ｆｂの算出結果を示す。図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、荷重の作用方向を変化させた際の変動の大きさは荷重算出値ＦａとＦｂで異なるものの、荷重算出値Ｆａ、Ｆｂはいずれも、荷重の作用方向が０°、９０°、１８０°、２７０°で最小値を取り、４５°、１３５°、２２５°、３１５°で最大値を取る傾向がある。荷重算出値Ｆａ、Ｆｂの最小値からのずれ分が、断面変形の影響分である。

【0066】

図１４（ｃ）は、せん断変形発生部１Ａに作用する荷重の大きさを変えた際の、荷重算出値ＦａとＦｂの相関を示している。この図に示されるように、作用した荷重の大きさによらず、荷重の作用方向を変化させた際の荷重算出値Ｆａ、Ｆｂの最小値は、いずれも、せん断変形発生部１Ａに作用する荷重の大きさどおりの値となる。また、荷重算出値Ｆａにおける最小値からのずれ分、すなわち、断面形状変化の影響分と、荷重算出値Ｆｂにおける最小値からのずれ分とは線形の関係にあり、その比例係数は、荷重の大きさを変えた場合にも変化しないことが確認できる。断面形状変化の影響の大きさは、荷重の作用方向によって変化するため、荷重作用方向θの関数として表すことができ、せん断変形発生部１Ａに作用する荷重の大きさＦ１Ａと、荷重算出値Ｆａ、Ｆｂとの関係は下記の（７）式で表わすことができる。

【数7】

【0067】

断面変形の影響を表す関数δ（θ）及び係数γは、ピン型ロードセル４の校正試験によって導出できる。図１３に示すセンサ配置とする場合には、図１４（ａ）、（ｂ）に示されるように、断面形状変化の影響の大きさを表す関数δ（θ）は０°、９０°において０となり、４５°において最大値となる、周期が９０°の周期関数である。δ（θ）の形式としては、例えば、下記の（８）式で表される例が考えられる。

【数8】

【0068】

（７）式において、荷重算出値Ｆａ、Ｆｂは歪センサの出力値から算出される値であり、この２つの式を用いれば、せん断変形発生部１Ａに作用する荷重の大きさＦ１Ａと荷重作用方向θ１Ａを算出することができる。具体的には、Ｆ１Ａは下記の（９）式で算出される。

【数9】

【0069】

また、断面変形の影響分は下記の（１０）式で算出される。

【数10】

【0070】

荷重作用方向θ１Ａは、δ（θ）の逆関数に上式で算出されるδ（θ１Ａ）の値を代入して算出される値と、ｘ軸方向の荷重算出値Ｆａｘとｙ軸方向の荷重算出値Ｆａｙを用いて算出されるｔａｎ^−１（Ｆａｙ／Ｆａｘ）から導出できる。

【0071】

上述の演算を行った後、荷重算出部３０は、算出した荷重の大きさＦ１Ａと荷重作用方向θ１Ａとを用いて、せん断変形発生部１Ａに作用するｘ軸方向の荷重Ｆ１Ａｘとｙ軸方向の荷重Ｆ１Ａｙを下記の（１１）式で算出する。

【数11】

【0072】

せん断変形発生部１Ｂについても、これと同様の演算を行い、せん断変形発生部１Ｂに作用する荷重Ｆ１Ｂｘ、Ｆ１Ｂｙを算出する。荷重算出部３０は、ピン型ロードセル４に作用する荷重を、下記の（１２）式で、せん断変形発生部Ｆ１Ａにおいて検出された荷重値とせん断変形発生部Ｆ１Ｂにおいて検出された荷重値の和として算出し、荷重算出値Ｆ１ｘ、Ｆ１ｙとして出力する。

【数12】

【0073】

また、ピン型ロードセル４に作用する荷重の大きさＦ１は、下記の（１３）式で算出される。

【数13】

【0074】

以下に、本実施の形態に係るピン型ロードセル４の効果について述べる。

【0075】

本実施の形態に係るピン型ロードセル４は、検出方向が異なる複数の歪センサを同一箇所に設置し、それらの各出力値の関係を用いて、ピン本体１の断面形状の非対称な変形の影響を除去するため、従来例に係るピン型ロードセルを用いた場合と比べて、荷重算出値の誤差を大幅に抑制することができる。図１５に、本実施の形態に係るピン型ロードセル４を用いた場合の荷重方向に応じた荷重算出値と、従来例に係るピン型ロードセルを用いた場合の荷重方向に応じた荷重算出値とを比較して示す。この図から明らかなように、従来例においては荷重作用方向が４５°、１３５°、２２５°、３１５°付近の場合に大きな誤差が発生していたが、本実施の形態の構成では、そのような荷重作用方向においても誤差を小さく保つことができ、荷重作用方向によらず高精度な計測ができていることがわかる。また、本実施の形態のピン型ロードセル４では、ピン穴２に制約を設けることなく、上述の結果が得られており、ピンの外径が小さい場合にも、高精度な荷重計測が可能である。

【0076】

また、上述のように本実施の形態に係る作業機械は、荷重の作用方向が時々刻々と変化した場合においても、回動軸（ピン型ロードセル）に作用する荷重の大きさ及び方向を高精度に検出可能な荷重検出装置を備えたため、いかなる場合においても、アタッチメント１２３に作用する荷重の大きさ及び方向を高精度に検出することができる。

【0077】

アタッチメント１２３に加わる荷重Ｆ１２３はピン型ロードセルの検出値より（１）式及び（２）式を用いて算出されるが、このとき、２つのピン型ロードセルの出力値を合成するため、それぞれの出力値Ｆ１４２ｘ、Ｆ１４２ｙ、Ｆ１４４ｘ、Ｆ１４４ｙに含まれる誤差の正負によっては算出される荷重値の誤差がピン型ロードセルで発生する誤差よりも大きくなる。つまり、２軸ピン型ロードセル４ａ、４ｂに求められる計測精度は、アタッチメント荷重計測に要求される精度よりも高い。一方、図８に示した従来例のピン型ロードセルでは、荷重作用方向が変化した場合にピン型ロードセルの出力値が大きな誤差を含み、作業機械１００のアタッチメント１２３の荷重計測に適用した場合には、アタッチメント１２３に作用する荷重は姿勢や作業によって時々刻々と変化するため、作業中にアタッチメント荷重を正確に計測することができない。一方、本実施の形態に示すような、荷重作用方向がいかなる場合においてもピンに作用する荷重の大きさ及び方向を高精度に検出可能なピン型ロードセル４を用いて荷重計測装置を構成した場合には、荷重の作用方向によらず、アタッチメント１２３に作用する荷重を高精度に計測することが可能となり、作業者あるいは作業管理者が作業機械の状態を正確に把握することできる。これにより、作業及び作業管理の効率向上が期待できる。

【0078】

以下、本発明に係る２軸ピン型ロードセル及びこれを備える作業機械の他の実施形態を列挙する。

【0079】

上記の実施形態では、歪検出部材２０としてピン穴２の壁面に歪センサを備えたが、せん断歪検出部材２０は、せん断変形発生部１Ａ、１Ｂに発生する歪を検出できれば良く、図１６に示すように、ピン本体１の外周に形成された凹部内に歪センサ２０１〜２０４、２１１〜２１４を備えても良いし、図１７に示すように、ピン穴２内に歪検出ブロック２２０を挿入し、当該検出ブロック２２０の表面に歪センサ２０１〜２０４、２１１〜２１４を備えても良い。いずれの場合においても、歪センサの配置方法及び荷重算出部３０における荷重算出方法は上記の実施の形態と同様とすれば良い。

【0080】

上記の実施形態では、ピン型ロードセル４の歪検出部材２０として、各せん断歪発生部に検出方向の異なる複数の歪センサから構成される歪センサ組を周方向に２対４組設ける例を示したが、２対４組はピン本体１に加わる２軸方向の荷重を検出するための最小構成であり、さらに多くのセンサ対を備えても良い。センサ対が多い場合には、荷重算出部３０において、非対称な断面変形の影響が比較的小さい２対を選択した上で、上述の荷重算出演算を行えばよい。センサ対を多く配置することによって、非対称な断面変形の影響のより小さいセンサを用いて荷重を算出することが可能となり、荷重算出のさらなる高精度化が可能である。

【0081】

上記の実施形態では、ピン型ロードセル４の歪検出部材２０を構成する歪センサ組を、歪検出部１Ａ、１Ｂのそれぞれについて、ピン本体１の軸方向の歪を検出する歪センサ（２０１ｂ、２０２ｂ、２０３ｂ、２０４ｂ）、（２１１ｂ、２１２ｂ、２１３ｂ、２１４ｂ）と、ピン本体１の軸方向に対して４５°方向の歪を検出する歪センサ（２０１ａ、２０２ａ、２０３ａ、２０４ａ）、（２１１ａ、２１２ａ、２１３ａ、２１４ａ）の組み合わせから構成したが、これは歪センサ組を最少の歪センサ（２つ）から構成する際の最良の組合せであって、２つの歪センサの組み合わせは、これに限定されるものではない。例えば、図１８に示すように、ピン本体１の周方向の歪を検出する歪センサ（２０１ｃ、２０２ｃ、２０３ｃ、２０４ｃ）、（２１１ｃ、２１２ｃ、２１３ｃ、２１４ｃ）と、ピン本体１の軸方向に対して４５°方向の歪を検出する歪センサ（２０１ａ、２０２ａ、２０３ａ、２０４ａ）、（２１１ａ、２１２ａ、２１３ａ、２１４ａ）の組み合わせから構成することもできる。なお、歪センサ組は２方向以上の歪を検出できるように構成すれば良く、歪センサの検出方向は、上述の構成に限定されることなく、自由に決定することができる。歪センサの検出方向が異なる場合においても、荷重算出部３０における荷重算出方法は上記の実施の形態と同様とすれば良い。

【0082】

上記の実施形態では、ピン型ロードセル４の歪検出部材２０を構成する歪センサ組が、各設置位置における２方向の歪を検出する例を示したが、これは、ピンの非対称な断面変形の影響を除去し、荷重方向によらず高精度な荷重計測を行うための最小構成であり、より多くの方向の歪を検出するように構成しても良い。例えば、図１９に示すように、各設置位置における３方向の歪を検出するように歪センサ組を構成することが考えられる。このように構成することによって、各設置位置におけるあらゆる方向の歪を算出することが可能となり、荷重算出のさらなる高精度化が可能である。

【0083】

また、上記の実施形態では、歪センサ組を構成する２つの歪センサを対向に配置する構成としたが、図２０（ａ）、（ｂ）に示すように、２つの歪センサを同一面の同一位置に互いに直交するように配置しても良い。この場合には、各せん断歪発生部の周方向に、上述の歪センサ組を２組以上設ければ良い。また、ピン本体１に加わる曲げ等の影響が少ない場合には、歪センサ組を対向面に設ける、あるいは、同一面の同一位置に歪センサ組を互いに直交するように配置することなく、図２１に示すように、検出方向の異なる複数の歪センサから構成される歪センサ組を周方向に２組設けるように構成することもできる。このように構成することにより、歪センサ組設置位置を減少させることが可能であり、より簡易に製作することが可能である。さらに、上記の実施形態では、ピン型ロードセル４の歪検出部材２０を構成する歪センサ組を、ピン本体１の軸方向に対して４５°方向の歪を検出する歪センサ（２０１ａ、２０２ａ、２０３ａ、２０４ａ）、（２１１ａ、２１２ａ、２１３ａ、２１４ａ）と、ピン本体１の軸方向の歪を検出する歪センサ（２０１ｂ、２０２ｂ、２０３ｂ、２０４ｂ）、（２１１ｂ、２１２ｂ、２１３ｂ、２１４ｂ）又はピン本体１の周方向の歪を検出する歪センサ（２０１ｃ、２０２ｃ、２０３ｃ、２０４ｃ）、（２１１ｃ、２１２ｃ、２１３ｃ、２１４ｃ）とから構成したが、各歪センサは、必ずしもこれらの方向の歪を検出しなくてはならないものではなく、図２２に示すように、ピン本体１の軸方向に対して４５°方向、ピン本体１の軸方向及びピン本体１の周方向から偏倚した方向に配置してもよい。

【0084】

また、上記の実施形態では、姿勢検出手段として、ブーム角度センサ１４０ａと、アーム角度センサ１４１ａと、アタッチメント角度センサ１４２ａとを備える例を示したが、各回動軸に角度センサを設ける代わりに、アタッチメント１２３の水平面に対する絶対角度を検出する他の装置を用いても良い。例えば、ブームシリンダ、アームシリンダ、アタッチメントシリンダに、それぞれの伸縮を計測するストロークセンサを設ける例や、アタッチメント１２３に傾斜角を検出する傾斜角センサを設ける例が考えられる。このような構成にすることによって、回動軸に角度センサを設けるのが困難な場合においても、アタッチメント１２３の姿勢情報を得ることができる。さらに、上記の実施形態では、油圧ショベルを例にとって説明したが、本発明の要旨はこれに限定されるものではなく、ブルドーザ、ロードローラ、ホイールローダ、ダンプトラック、クレーンなどの他の作業機械にも適用できる。

【0085】

また、上記の実施形態では、ピン型ロードセル４を用いてアタッチメント１２３に作用する荷重の大きさ及び方向を検出する場合を例にとって説明したが、本発明の要旨はこれに限定されるものではなく、例えば上部作業体１０３とブーム１１０の連結部又はブーム１１０とアーム１１２の連結部など、他の部位に作用する荷重の大きさ及び方向をピン型ロードセルを用いて検出することも、勿論可能である。

【0086】

また、上記の実施形態では、ピン型ロードセル４を作業機械のアタッチメント荷重計測に用いる例を示したが、本発明のピン型ロードセル４は、単に作業機械に適用できるだけでなく、機械一般の荷重検出に広く適用することができる。

【0087】

なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記の実施の形態は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【符号の説明】

【0088】

１…ピン本体、１Ａ、１Ｂ…せん断変形発生部、１Ｃ…荷重点、１Ｄ…支持点、１Ｅ…計測点、２…ピン穴、４、４ａ、４ｂ…ピン型ロードセル、２０…せん断歪検出部材、３０…荷重算出部、１００…作業機械、１０２…下部走行体、１０３…上部作業体、１０６…作業装置、１１０…ブーム、１１２…アーム、１１２ａ…傾斜角センサ、１１５…アタッチメントシリンダ、１１６…第１リンク、１１７…第２リンク、１１８…リンク機構、１２３…アタッチメント、１２３ａ…傾斜角センサ、１４０…回動軸、１４０ａ…ブーム角度センサ、１４１…回動軸、１４１ａ…角度センサ、１４２…回動軸（アーム側ピン）、１４２ａ…アタッチメント角度センサ、１４４…回動軸（リンク側ピン）、１４５…回動軸、１４６…回動軸、１５０…荷重計測装置、１６０…演算装置、１６１…表示装置、２００…歪センサ、２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃ、２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ…歪センサ、２０１、２０２、２０３、２０４、２１１、２１２、２１３、２１４…歪センサ組

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】