JP2010159548A - 作業機械及びピン型ロードセル - Google Patents

Abstract

【課題】荷重の作用方向が変化しても高精度な測定が可能で安価に製造できるピン型ロードセルと、そのピン型ロードセルを備えた作業機械を提供する。
【解決手段】リンク機構部２０４のピン４Ａとして利用され種々の方向から作用する荷重を検出するピン型ロードセル４を備える作業機械２００において、ピンの軸方向に設けられたピン穴４Ｂと、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面に取り付けられた２つのひずみセンサ８，９とを備え、ピン穴の径４Ｄ／ピンの外径４Ｃの値を０．２以下とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、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に関する。

機械を構成する各部品（機械部品）が受ける荷重を検出する技術の１つとして、各部品を結合する結合ピン自体を荷重センサとしたピン型ロードセルが知られている。特に油圧ショベル等の作業機械の分野では、作業機械の転倒防止や作業量の把握を目的として、各部品が受ける荷重を高精度に検出することが望まれている。例えば、油圧ショベルでは、バケットとアームを連結するリンク機構部の結合ピン（ジョイントピン）をピン型ロードセルとしたものがある（特開平１０−３８７１３号公報等参照）。

ピン型ロードセルには、ピンの内部に設けた検出ブロックにピンのひずみ測定用センサ（ひずみセンサ）を取り付けたタイプのもの（特開昭６１−１４５４２７号公報等参照）や、ピンの軸方向に設けたピン穴の内壁にひずみセンサを直接取り付けたタイプのものがある。油圧ショベル等の作業機械に組み込んで使用する場合、前者のタイプのものは、検出ブロックの構造が複雑になることが多く、製造コストが高くなる傾向があるため現実的ではない。これに対して後者のタイプのものは、前者と比較して構造が単純であり、製造コストが低廉なため作業機械での使用に適している。また、後者のピン型ロードセルは、荷重負荷時に生じる応力がピンの破断強度を超えないように設計される一方で、測定感度を向上させるためにピン穴の径をできるだけ大きく確保することが必要とされている。

特開平１０−３８７１３号公報 特開昭６１−１４５４２７号公報

ところで、上記の油圧ショベルの例では、作用する荷重の方向が一定であるクレーン等と異なり、アームに対するバケットの回動状況（アームとバケットの結合角度）に応じてピン型ロードセルに作用する荷重の方向が変化してしまう。

このように種々の方向から作用する荷重を測定する技術としては、ピンの同一周上に位置しかつ互いに直行する２面に取り付けたひずみセンサの検出値を利用するものがある。このようにひずみセンサを設けると、２つのひずみセンサの出力から２軸方向の荷重を分離計測することができるので、作用する方向が変化しても荷重を検出することが原理的に可能である。しかしながら、このように構成したピン型ロードセルを利用して荷重を測定した場合でも、実際に得られる測定結果が荷重の作用方向によって異なる場合があることを発明者らは知見した。

本発明の目的は、荷重の作用方向が変化しても高精度な測定が可能で安価に製造できるピン型ロードセルと、そのピン型ロードセルを備えた作業機械を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、ピンでリンクを連結するリンク機構部と、前記ピンとして利用され種々の方向からピンに作用する荷重を検出するピン型ロードセルとを備える作業機械において、前記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前記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つのひずみセンサとを備え、前記ピン穴の径／前記ピンの外径の値を０．２以下とする。

本発明によれば、ピンの断面形状の変形が抑制されるので、荷重の作用方向が変化しても高精度な荷重の測定を安価に実施することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態である作業機械の側面図であり、図２は図１の作業機械におけるアームとバケットの連結部付近の斜視図であり、図３は図１の作業機械におけるアームとバケットの連結部を図１中のＢ方向からみた矢視図である。

これらの図に示す作業機械２００は、地面と接して走行する下部走行体２０１と、下部走行体２０１の上部に取り付けられた上部作業体２０２を備えている。なお、本実施の形態の作業機械２００は油圧ショベルであり、その下部走行体２０１と上部作業体２０２は連結部２０３を介して旋回可能に連結されている。

下部走行体２０１は、いわゆるクローラ式のものであり、地面に接する履体７と、履体７を駆動する駆動輪（図示せず）と、履体７によって回転される従動輪（図示せず）と、これらを支持する構造物等で構成されている。なお、下部走行体２０１は、複数の車輪を備えたいわゆるホイール式で構成しても勿論良い。

上部作業体２０２は、運転台６Ａと、釣合重り（カウンターウエイト）６Ｂと、作業装置６Ｃ等を備えている。本実施の形態の作業装置６Ｃは、上部作業体２０２の本体に対してリ回動可能に取り付けられたブーム１と、ブーム１の先端に回動可能に取り付けられたアーム２Ａと、アーム２Ａの先端に回動可能に取り付けられたバケット３を備えている。バケット３は、リンク機構部２０４を介してアーム２Ａと連結されている。本実施の形態におけるリンク機構部２０４は、ピン（結合ピン）でリンク同士を連結しており、バケット３の取付けに用いられる結合ピンとしてピン型ロードセル４，５を利用している。また、リンク機構部２０４とアーム２Ａにはバケットシリンダ２Ｂが架け渡されており、バケットシリンダ２Ｂを伸縮させるとピン型ロードセル４を中心にバケット３が回動される。このようにバケット３が回動されると、ピン型ロードセル４，５に作用する荷重の方向が変化する。なお、本実施の形態の作業機械（油圧ショベル）２００のアタッチメントとしては、掘削作業を行うためのバケット３が取り付けられているが、リフティングマグネットやグラップル等の運搬用のものや、圧砕機やカッター等の破砕用のもの等、様々なアタッチメントを取り付けた場合も同様に本発明に係るピン型ロードセルを利用できる。

ピン型ロードセル４は、図３に示すように、アーム２Ａとバケット３を貫通してバケット３とアーム２Ａを連結している。このとき、バケット３からピン型ロードセル４に対しては、バケット３の自重とバケット３内の掘削物（土砂等）の重量による荷重Ｆが図３中の下向きに加わっており、一方、アーム２Ａからピン型ロードセル４に対しては、荷重Ｆと釣り合う上向きの力Ｆが図３中の上向きに加わっている。これにより、ピン型ロードセル４にはバケット３及びアーム２Ａによってせん断力が生じる。すなわち、このせん断力によってピン型ロードセル４に生じるひずみを測定すれば、荷重Ｆを算出することができる。図３におけるひずみセンサ８，１０（後述）は、ピン型ロードセル４に生じるひずみを検出するものである。このひずみセンサ８，１０は、リンク機構部２０４のジョイントであるピン４Ａを介して連結される２つの構造物（すなわち、アームとバケット）の間又はその近傍に位置するように、ピン４Ａに取り付けられている。なお、図を用いて後に詳述するが、ひずみセンサ８，１０の具体的な取り付け方法としては、ピン穴４Ｂの壁面に取り付ける方法と、ピン４Ａの外周に取り付ける方法がある。

図４は本発明の第１の実施の形態である作業機械におけるピン型ロードセルの縦断面図であり、図５は図４中のＡ−Ａ’断面図である。また、図６は本発明の第１の実施の形態に係るひずみセンサの他の配置例を示す図である。なお、先の図と同じ部分には同じ符号を付して説明は省略する（後の図も同様とする）。

これらの図に示すピン型ロードセル４は、ピン４Ａと、ピン４Ａの軸方向に設けられたピン穴４Ｂと、ピン４Ａに取り付けられたひずみセンサ８，９，１０，１１と、ピン４Ａの外周上においてピン４Ａの周方向に形成されたピン溝１２，１３と、ピン穴４Ｂに充填された樹脂１４を備えている。

ピン４Ａは、例えば構造用炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）を用いて製造され、略円柱状の外形を有している。ここでは図５に示すようにピン４Ａの外径を４Ｃとする。また、ピン４Ａには、ピン内部にひずみセンサ８，９，１０，１１が設置される箇所が短径となった円柱状のピン溝１２、１３が設けられている。

ピン穴４Ｂは、ピン４Ａの内部に設けられた貫通孔であり、ピン穴４Ｂの両端は開口部となってピン４Ａの両側面に表出している。ここで図５に示すようにピン穴４Ｂの径を４Ｄとすると、ピン穴の径４Ｄは、「４Ｄ（ピン穴の径）／４Ｃ（ピンの外径）」の値（以下において、「ピン穴の径４Ｄとピンの外径４Ｃの比」とすることがある）が０．２以下になるように設定されている。なお、本実施の形態のピン穴４Ｂは、円柱状に形成されており、その中心軸はピン４Ａの中心軸１００と合致している。また、本実施の形態ではピン穴４Ｂとして貫通孔の例を挙げたが、ピン４Ａの両側からピン中央付近まで穴を穿ち、貫通しない２つの穴をピン穴４Ｂとしても良い。

ひずみセンサ８，９は、ピン穴の壁面における同一周上に位置しかつ互いに直交する２面に対してそれぞれ１つずつ取り付けられている。このように直交する２つの面にそれぞれ１つずつひずみセンサを設けると、荷重方向が変化した場合でも荷重を検出することが可能となる。また、本実施の形態のひずみセンサ８，９は、Ａ−Ａ’断面上に位置するように配置されている。

ひずみセンサ１０，１１は、それぞれ、ひずみセンサ８，９からピン４Ａの軸方向に間隔を介して配置されている。すなわち、ひずみセンサ１０はひずみセンサ８と同一平面上に、ひずみセンサ１１はひずみセンサ９と同一平面上に配置されている。なお、ひずみセンサ８，９，１０，１１は、ピン４Ａのせん断ひずみをできるだけ正確に検出するために、ピン４Ａの軸方向（長手方向）に対して４５度傾けて固定することが好ましく、エポキシ系などの接着剤を用いて壁面に直接固定することが好ましい。また、ひずみセンサ８，９，１０，１１からは電圧入出力用の配線（図示せず）が延びており、当該配線はピン型ロードセル４の外部に引き出されている。

なお、本実施の形態では、図５に示すように、同一周上に２つのひずみセンサ８，９（１０，１１）を設けたが、図６に示すように、これら２つのひずみセンサ８，９（１０，１１）と対向する面上に１つずつひずみセンサ８Ａ，９Ａ（１０Ａ，１１Ａ（図示せず））を取り付けても良い。このように４つのひずみセンサ８，９，８Ａ，９Ａ（１０，１１，１０Ａ，１１Ａ）を同一周上に配置してピン型ロードセル４を構成すると、ピン４Ａに非対称な荷重が作用した場合にもその平均をとることができるので、測定精度を向上させることができる。

ところで、ひずみセンサ８，９，１０，１１としては、一般的に広く使用されている金属抵抗式ひずみゲージや、半導体ひずみセンサ等が適用できる。図１４を用いて後に詳述するが、半導体ひずみセンサは、ひずみ感応抵抗体として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ものである。なお、本実施の形態のように、ピン穴の径４Ｄとピンの外径４Ｃの比の最大値が決まっており、ピン穴の径４Ｄを大きくして感度を向上させることに制限がある場合には、ひずみゲージと比較して感度の高い半導体ひずみセンサを利用することが好ましい。また、半導体ひずみセンサは、低ドリフトなので検出値の誤差が小さく、さらに、増幅器（アンプ）を内蔵すると小型化できるという利点を有する。ここで、低ドリフトとは、経時的な出力変動が少ないとともに温度変化に対する出力変動が少ない、すなわち、経時ドリフトおよび温度ドリフトが低いことを示す。

ピン溝１２，１３は、それぞれ、ピン４Ａの周方向に沿ってピン４Ａの外周面上に設けられている。ピン溝１２，１３は、それぞれ、その幅内にひずみセンサ８，９，１０，１１が収まるように形成されている。すなわち、本実施の形態では、ピン溝１２にはひずみセンサ８，９が、ピン溝１３にはひずみセンサ１０，１１が収まっている。このようにピン溝１２，１３にセンサ８，９，１０，１１を収めると、ピン型ロードセル４に対して力を加える点（荷重点）の位置を容易に決定することができる。

樹脂１４は、ピン穴４Ｂの内部に充填されており、ピン穴４Ｂを封している。樹脂１４としては、耐候性を確保する観点から、シリコーン樹脂や、フッ素樹脂などを利用することが好ましい。なお、本実施の形態では、ピン穴４Ｂ内部に樹脂１４を充填した場合について説明したが、樹脂１４を充填することなくピン穴４Ｂを空洞のまま利用しても良い。

次に、従来のピン型ロードセルにおける課題に対して発明者らが得た知見を示しつつ、本実施の形態の作用及び効果について説明する。

先述のように、種々の方向から作用する荷重をピン型ロードセルで測定する技術としては、ピンの同一周上に位置しかつ互いに直交する２面に取り付けたひずみセンサの検出値を利用するものがある。しかしながら、発明者らは、この技術を利用しても荷重の作用方向が変化すると測定結果が異なることがあることを発見した。そして、この課題に対し、発明者らは測定結果に誤差が生じる原因が下記のメカニズムにあることを発見した。ここで、図７から図８を用いて、作用方向が変化する荷重を検知するときの測定誤差発生メカニズムについて説明する。

図７は本発明の実施の形態に対する比較例であるピン型ロードセルの縦断面図である。

この図に示すピン型ロードセル５４は、第１の実施の形態のピン型ロードセル４と比較して、ピン穴４Ｂの径４４Ｄのみが異なっている。すなわち、比較例のピン型ロードセル５４のピン穴４Ｂの径４４Ｄは、「ピン穴の径４４Ｄ／ピンの外径４Ｃ」の値（以下において、「ピン穴の径４４Ｄとピンの外径４Ｃの比」とすることがある）が０．２より大きくなるように設定されている。

図８は、比較例であるピン型ロードセル５４に対して、異なる方向から荷重が作用したときのＢ−Ｂ’（図７参照）における断面図である。すなわち、図８（ａ）はピン型ロードセル５４にひずみセンサ８，１０の取付面と平行な方向から荷重が作用する場合の横断面図であり、図８（ｂ）はピン型ロードセル５４にひずみセンサ８，１０の取付面に対して４５度方向から荷重が作用する場合の横断面図である。

図８に示すように、ピン穴の径４４Ｄとピンの外径４Ｃの比が０．２より大きいと、荷重が負荷されるとピン４Ａは図８（ａ），（ｂ）のように楕円状に変形する。そして、荷重の作用方向が変化すると、ひずみセンサ８，９，１０，１１が取り付けられているピン断面形状も変化してしまう。ところで、本来、ピン型ロードセルに取り付けたひずみセンサで検出したいのは、ピンの長手方向（軸方向）に対して４５度方向に発生するひずみであるが、比較例のピン型ロードセル５４ではこれに加えて断面形状の変形によるひずみも発生してしまう。発明者らは、この断面形状の変形によるひずみがピン型ロードセル５４の測定誤差の要因であることを発見した。すなわち、この断面形状の変形によるひずみが、荷重の作用方向に関わらず常に一定の値で発生するのであれば問題ないが、実際にはひずみセンサの取付面に対する荷重の作用方向（角度）によって変化するため、荷重の作用方向が変化する作業機械等に搭載した場合に荷重を正確に測定することができなくなるのである。そこで、発明者らは、下記に示すように、ピン穴の径とピンの外径の比と、荷重の測定誤差との関係を有限要素法によって解析した。

この計算では、ピンの外径とピン穴の径をパラメータにし、いろいろなパターンのピン型ロードセルのひずみ解析を行った。その結果、ピン穴の径とピンの外径の比と、測定誤差との間には次のような関係があることが分かった。すなわち、測定誤差が生じるのは、ピン穴の径とピンの外径の比の値が０．２よりも大きくなる場合であることが分かった。これは、この値よりも比が大きい場合には、図８で示したようなピンの断面形状の変形が生じるためである。したがって、ピンの断面形状の変形を防止して測定誤差の発生を防止する為には、ピン穴の径とピンの外径の比の値を０．２以下にすることが必要であることが分かった。なお、ピン穴の径は測定感度を向上させるためにできるだけ大きくすることが好ましいので、ピン穴の径とピンの外径の比は０．２とすることが好ましい。

図９は、本実施の形態のピン型ロードセル４に対して、異なる方向から荷重が作用したときのＡ−Ａ’（図４参照）における断面図である。すなわち、図９（ａ）はピン型ロードセル４にひずみセンサ８，１０の取付面と平行な方向から荷重が作用する場合の横断面図であり、図９（ｂ）はピン型ロードセル４にひずみセンサ８，１０の取付面に対して４５度方向から荷重が作用する場合の横断面図である。

本実施の形態の作業機械におけるピン型ロードセル４では、上記の解析結果に基づいて、ピン穴の径４Ｄとピンの外径４Ｃの比が０．２以下に設定されている。このようにピン型ロードセル４を設けると、荷重の作用方向が変化した場合でも、図９に示すようにピン４の断面を常に円形に保持することができる。これにより、ピンの断面形状の変形によるひずみが発生することを防止できるので、ピン４Ａに発生するせん断ひずみ（ピン４Ａの軸方向に対して４５度方向のひずみ）のみを測定することができる。したがって、本実施の形態のピン型ロードセル４によれば、油圧ショベル２００のバケット３の角度により荷重方向が変化した場合等でも、ピン型ロードセル４に負荷される荷重を正確かつ安価に測定することができる。また、本実施の形態のようにピン穴４Ｂの壁面に直接センサ８，９，１０，１１を取り付けると、検出ブロック等のように複雑な構造をとる必要がないので、製造コストを低廉に抑えることができるというメリットがある。

なお、上記の図４及び図５に示したピン型ロードセル４の他にも、下記のようなピン型ロードセルを利用しても良い。

図１０は本実施の形態におけるピン型ロードセルの第１変形例の縦断面図である。

この図に示すピン型ロードセル４１は、ピン穴４Ｂの内部に変形防止部材２３を有する点において先に説明したピン型ロードセル４と異なる。変形防止部材２３は、ピン穴４Ｂの形状に合わせて円柱状に形成された部材で、内部に貫通孔２３Ａを有している。変形防止部材２３は、例えば圧入等の方法によってピン穴４Ｂ内に挿入されており、ピン穴４Ｂの内部に固定されている。貫通孔２３Ａは、ひずみセンサ８，９，１０，１１の電圧入出力用の配線（図示せず）をピン４Ａの外部に引き出すためのもので、ピン４Ａの軸方向に穿たれている。なお、本変形例のピン穴４Ｂは、ピン４Ａの両端から設けられた２つの穴であり、この２つの穴の間には配線引き出し用穴４Ｅが設けられている。このように本変形例のピン穴４Ｂは貫通していないものであるが、先の図４及び図５の例のようにピン穴４Ｂを貫通孔で形成し、そこに変形防止部材２３を挿入しても良い。

上記のようにピン穴４Ｂに変形防止部材２３を挿入してピン型ロードセル４１を形成すると、荷重が作用した際にピンの断面形状の変形が発生することを変形防止部材２３によって抑制することができる。これによりピンの断面形状の変形によるひずみが発生することを一層効果的に抑制できるので、精度良く荷重を検出することができる。

図１１は本実施の形態におけるピン型ロードセルの第２変形例の縦断面図であり、図１２は図１１中のＣ−Ｃ’断面図である。

これらの図に示すピン型ロードセル４２は、ピン４Ａの外周における同一周上に取り付けられたひずみセンサ８，９，１０，１１を備えている点において先に説明したピン型ロードセル４と異なる。すなわち、本変形例のひずみセンサ８，９，１０，１１は、ピン溝１２，１３上の互いに直交する２面にそれぞれ取り付けられている。また、図１２において、配線用孔４Ｆは、ひずみセンサ９，１１の電圧入出力用の配線（図示せず）を通過させるための孔であり、ピン溝１２，１３の表面からピン穴４Ｂまで貫通している。一方、配線用孔４Ｇは、ひずみセンサ１０，１２の配線のためのものである。ひずみセンサ８，９，１０，１１の出力を取り出すための配線は、配線用孔４Ｆ，４Ｇを通過した後に、ピン穴４Ｂを通過してピン４Ａの外部に取り出される。

上記のようにひずみセンサ８，９，１０，１１をピン４Ａの外周に取り付けると、図４及び図５の例のようにピン４Ａの内部に取り付ける場合と比較してひずみセンサ８，９，１０，１１へのアクセスが容易になるので、センサのメンテナンス性を向上させることができる。また、ひずみセンサ８，９，１０，１１を溶接（例えば、スポット溶接）、ボルト締め、ネジ締め等を利用して固着することができるので、接着剤で固定する場合と比較して強固に固定することができ、センサの寿命を長期化することができる。さらに、本変形例によれば、ピン４Ａの内部にセンサ８，９，１０，１１のスペースを確保する必要が無く、ピン穴の径４Ｄを小さく設定できるので、ピン穴の径４Ｄとピンの外径４Ｃの比を０．２より積極的に小さくする必要がある場合にメリットとなる。なお、上記の溶接、ボルト締め、ネジ締め等を利用して固着する場合には、ひずみセンサ８，９，１０，１１に溶接等の影響を与えないようにするために、ひずみセンサ８，９，１０，１１に金属部材を取付けて、その金属部材をピン４Ａと固着することが好ましい。

なお、図４及び図５のようにピン４Ａの内部にひずみセンサ８，９，１０，１１を固定した場合には、水分の侵入を抑制することができるので、本比較例と比較して耐候性を向上させることができる。また、ひずみセンサ８，９，１０，１１をピン４Ａの中心軸近傍に配置することができるので、より強い曲げに対しても耐えることができる点もメリットである。

次に、作業機械２００に機体バランス検知システムを取り付けたものを第２の実施の形態として説明する。
図１３は本発明の第２の実施の形態である作業機械に係る機体バランス検知システムの概略図である。

この図に示す機体バランス検知システムは、ひずみセンサ８，９，１０，１１のひずみ検出信号を受信する受信装置３１と、受信装置３１で受信したひずみ検出信号を演算して機体バランスを求める演算装置３２と、演算装置３２で転倒の危険性が大である（危険性が高い）と判断されたときに転倒回避指令を出力する転倒回避指令出力手段３８を備えている。

転倒回避指令出力手段３８は、演算装置３２によって演算された機体バランスを表示する機体バランス表示装置３４と、演算装置３２で作業機械（油圧ショベル）２００が転倒する危険性が大であると判断されたときに、それをオペレータに報知する警告発生装置３３と、警告発生装置３３からの警告に反してオペレータが作業を継続したときに、作業機械２００の動力源を停止させる指令（停止指令）や、転倒の危険性がない時点の姿勢まで作業機械２００の姿勢を遡らせる指令（逆動作指令）等を出力する制御装置３６と、転倒する危険性が大であると演算装置３２が判断した時点から遡って一定期間（すなわち、転倒の危険が無い期間）の作業機械２００の動作を記憶するメモリ部３５を有している。なお、警告発生装置３３としては、例えば、転倒の危険がある旨を表示装置（機体バランス表示装置３４でも良い）に表示するものや、その旨の案内放送を行うものや、警告灯を点灯させるもの等がある。

上記のように構成される機体バランス検知システムを備える作業機械において、演算装置３２によって、作業機械２００の機体バランスが転倒に至るものでないと判断された場合には、警告発生装置３３や制御装置３６に作動指令を出力することなく、機体バランス表示装置３４に現在の機体バランスが表示される。これに対して、演算装置３２で演算された機体バランスが転倒の危険がある領域に接近した場合には、機体バランス表示装置３４に現在の機体バランスを表示するとともに、警告発生装置３３によってオペレータの注意を促す。それでもオペレータが作業を継続した場合には、機体が転倒してしまう前に、制御装置３６から動力源（エンジン）に対して停止指令を出力させる等して強制的に作業を中止させる。

従来、油圧ショベル等の動作が複雑な作業機械では、ピン型ロードセルに作用する荷重の作用方向が変化するので荷重を正確に測定することが難しく、実用に耐え得る機体バランス検知システムを構築することが困難だった。これに対して、本実施の形態の作業機械は、作用方向が変化しても荷重を正確に測定できるピン型ロードセル４を備えている。このピン型ロードセル４を利用して上記のような機体バランス検知システムを構築すれば、ひずみセンサ８，９，１０，１１のひずみ変化を検出することによって、正確な機体バランスをリアルタイムに取得することができる。したがって、本実施の形態によれば、油圧ショベル等の作業機械の作業中に荷重の作用方向が変化した場合にも、その作業中の機体バランスを直ちに知ることができる。

なお、上記において、制御装置３６によって強制的に作業を中止させる代わりに、メモリ部３５に記憶されている転倒の危険の無い動作データに基づいて、安全な姿勢まで強制的に遡らせる逆動作指令を作成し、その逆動作指令を制御装置３６から作業機械２００に出力することで転倒を回避するように構成しても良い。また、オペレータに自発的な注意を促すことなく制御装置３６の動作だけで転倒を回避する構成を採用する場合には、機体バランス表示装置３４は省略しても良い。

ところで、第１の実施の形態では、ひずみセンサ８，９，１０，１１としては、検出感度の優れた半導体ひずみセンサを適用することが好ましいと説明したが、第２の実施の形態のように荷重を精度よく検出して機体バランスを瞬時に報知して転倒事故などを防止する場合等には、半導体ひずみセンサを用いることが更に好ましい。ここで半導体ひずみセンサについて詳述する。

図１４は半導体ひずみセンサの概略図である。
この図に示す半導体ひずみセンサ８Ｓは、同一のシリコン基板表面に取り付けられた４本の拡散抵抗８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄを有しており、これら４本の拡散抵抗８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄは、ブリッジ回路を形成している。４本の拡散抵抗８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄはそれぞれＰ型拡散抵抗であり、拡散抵抗８ｂ及び拡散抵抗８ｄは長手方向がシリコン単結晶の＜１１０＞方向Ｄ１と平行に配置されており、拡散抵抗８ａ及び拡散抵抗８ｃは長手方向がシリコン単結晶の＜１１０＞方向Ｄ２と平行に配置されている。図１４中に示すように、シリコン単結晶の＜１１０＞方向Ｄ１とシリコン単結晶の＜１１０＞方向Ｄ２は互いに直交しているので、拡散抵抗８ｂ及び拡散抵抗８ｄの組と、拡散抵抗８ａ及び拡散抵抗８ｃの組とは、互いに直交している。すなわち、拡散抵抗８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄは、長手方向がシリコン単結晶＜１１０＞方向Ｄ１と平行な２本の拡散抵抗８ｂ，８ｄと、この拡散抵抗８ｂ，８ｄと垂直な２本の拡散抵抗８ａ，８ｃとからなるブリッジ回路を構成している。なお、ピン４Ａのせん断ひずみをできるだけ正確に検出するためには、シリコン単結晶＜１１０＞方向がピン４Ａの軸方向（長手方向）に対して４５度傾く方向に半導体ひずみセンサ８Ｓを配置することが好ましい。また、半導体ひずみセンサ８Ｓの詳細については、例えば、特開２００６−２５８６７４号公報等の特許文献を参照されたい。

このようにひずみセンサ８，９，１０，１１に検出感度の高い半導体ひずみセンサ８Ｓを用いると、作業機械の作業中にピン型ロードセル４に負荷される荷重によるピンのひずみ変形を感度良く測定することができる。また、ブリッジ回路構成によって局部的な温度変化による測定誤差を抑制することができるので、半導体ひずみセンサ８Ｓがノイズ源（例えば、動力源であるモータ等）の近傍に配置されても、ノイズの混入が抑制されて高精度のひずみ測定を実施することができる。

なお、シリコン基板表面には、図１４に示すように、ＰＮ接合の温度センサ２２を設けることが好ましい。このようにすると、温度が変化する環境下で作業する場合にも、温度センサ２１による測定温度に基づいて温度変化によるひずみ測定変動分を補正できるので、より正確にひずみを測定できる。また、シリコン基板表面には、ブリッジ回路の出力を増幅するための増幅器（アンプ）２１を設けても良い。このように増幅器２１を半導体ひずみセンサ８Ｓに設けると、拡散抵抗８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄからの出力を増幅できるので耐ノイズ性が向上し、増幅器２１を備えた半導体ひずみセンサ８Ｓをユニット化することができる。

ところで、以上の各実施の形態においては、作業機械として油圧ショベルを例に挙げて説明したが、リンク機構部の結合ピンとしてピン型ロードセルを利用する作業機械であって、そのピン型ロードセルに作用する荷重の方向が変化するものであれば、本発明は適用可能であることは言うまでもない。

本発明の第１の実施の形態である作業機械の側面図。 図１の作業機械におけるアームとバケットの連結部付近の斜視図。 図１の作業機械におけるアームとバケットの連結部を図１中のＢ方向からみた矢視図。 本発明の第１の実施の形態である作業機械におけるピン型ロードセルの縦断面図。 図４のＡ−Ａ’における断面図。 本発明の第１の実施の形態に係るひずみセンサの他の配置例を示す図 本発明の実施の形態に対する比較例であるピン型ロードセルの縦断面図。 比較例のピン型ロードセルに対して異なる方向から荷重が作用したときの、図６のＢ−Ｂ’における断面図。 本発明の第１の実施の形態である作業機械におけるピン型ロードセルに対して異なる方向から荷重が作用したときの、図４のＡ−Ａ’における断面図。 本発明の第１の実施の形態である作業機械におけるピン型ロードセルの第１変形例の縦断面図。 本発明の第１の実施の形態である作業機械におけるピン型ロードセルの第２変形例の縦断面図。 図１１のＣ−Ｃ’における断面図。 本発明の第２の実施の形態である作業機械に係る機体バランス検知システムの概略図。 半導体ひずみセンサの概略図。

１ ブーム
２Ａ アーム
２Ｂ バケットシリンダ
３ バケット
４ ピン型ロードセル
４Ａ ピン
４Ｂ ピン穴
４Ｃ ピンの外径
４Ｄ ピン穴の径
６Ｃ 作業装置
７ 履体
８，９，１０，１１ ひずみセンサ
８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ 拡散抵抗
８Ｓ 半導体ひずみセンサ
１２，１３ ピン溝
１４ 樹脂
２１ 増幅器
２２ 温度センサ
２３ 変形防止部材
２３Ａ 貫通孔
３１ 受信装置
３２ 演算装置
３３ 警告発生装置
３５ メモリ部
３６ 制御装置
３８ 転倒回避指令出力手段
２００ 作業機械
２０１ 下部走行体
２０２ 上部作業体

Claims (19)

1. ピンでリンクを連結するリンク機構部と、前記ピンとして利用され種々の方向から作用する荷重を検出するピン型ロードセルとを備える作業機械であって、
   前記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前記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つのひずみセンサとを備え、
   前記ピン穴の径／前記ピンの外径の値が０．２以下であることを特徴とする作業機械。
2. 請求項１記載の作業機械において、
   前記ピン穴は、貫通孔であることを特徴とする作業機械。
3. 請求項１記載の作業機械において、
   前記ピン穴は、前記ピンの両端から穿たれた２つのピン穴であることを特徴とする作業機械。
4. 請求項１から３いずれかに記載の作業機械において、
   前ピン穴には、前記ピンの断面形状の変形を抑制する変形防止部材が挿入されていることを特徴とする作業機械。
5. 請求項１から４いずれかに記載の作業機械において、
   前記２つのひずみセンサのひずみ検出信号を受信する受信装置と、
   この受信装置で受信したひずみ検出信号を演算して前記作業機械の機体バランスを求める演算装置と、
   この演算装置で前記作業機械が転倒する危険性が大であると判断されたときに、転倒回避指令を前記作業機械に出力する転倒回避指令出力手段とをさらに備えることを特徴とする作業機械。
6. 請求項５記載の作業機械において、
   前記転倒回避指令出力手段は、前記作業機械が転倒する危険性が大であることをオペレータに報知する警告発生装置を備えることを特徴とする作業機械。
7. 請求項５又は６記載の作業機械において、
   前記転倒回避指令出力手段は、前記作業機械の動力源に停止指令を出力する制御装置を備えることを特徴とする作業機械。
8. 請求項５から７いずれかに記載の作業機械において、
   前記転倒回避指令出力手段は、
   前記演算装置が転倒する危険性があると判断する直前の一定期間における前記作業機械の姿勢のデータを記憶するメモリ部と、
   このメモリ部のデータに基づいて、転倒の危険性がない時点の姿勢まで遡る逆動作指令を作成し、その逆動作指令を前記作業機械に出力する制御装置とを備えることを特徴とする作業機械。
9. 請求項１から８いずれかに記載の作業機械において、
   前記ひずみセンサは、シリコン基板表面に拡散抵抗を設けたものであり、同一基板表面に４本の拡散抵抗からなるブリッジ回路で構成されている半導体ひずみセンサであることを特徴とする作業機械。
10. 請求項９記載の作業機械において、
    前記シリコン基板表面には、増幅器が取り付けられていることを特徴とする作業機械。
11. 請求項９又は１０記載の作業機械において、
    前記シリコン基板表面に設けられた拡散抵抗はＰ型拡散抵抗であり、
    そのＰ型拡散抵抗は、長手方向がシリコン単結晶の＜１１０＞方向と平行な２本の拡散抵抗と、この２本の拡散抵抗と垂直な２本の拡散抵抗とからなるブリッジ回路を構成していることを特徴とする作業機械。
12. 請求項９から１１いずれかに記載の作業機械において、
    前記ひずみセンサのシリコン単結晶の＜１１０＞方向は、前記ピンの軸方向に対して４５度方向に配置されていることを特徴とする作業機械。
13. 請求項１から１２いずれかに記載の作業機械において、
    前記ひずみセンサは、金属部材を介して前記ピン溝に取り付けられており、
    前記金属部材は、前記ピンと固着されていることを特徴とする作業機械。
14. 請求項１から１３いずれかに記載の作業機械において、
    前記２つのひずみセンサが収まるように、前記ピンの外周の周方向に形成されたピン溝をさらに備えることを特徴とする作業機械。
15. 請求項１から１４いずれかに記載の作業機械において、
    前記２つのひずみセンサと同一周上に取り付けられ、かつ前記２つのひずみセンサと対向する面に１つずつ取り付けられた２つのひずみセンサをさらに備えることを特徴とする作業機械。
16. 請求項１から１５いずれかに記載の作業機械において、
    前記ひずみセンサは、前記ピンを介して連結される２つの構造物の間又はその近傍に位置するように前記ピンに取り付けられていることを特徴とする作業機械。
17. 種々の方向から荷重が作用するピンと、
    前記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前記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面に取り付けられた２つのひずみセンサとを備え、
    前記ピン穴の径／前記ピンの外径の値が０．２以下であることを特徴とするピン型ロードセル。
18. 請求項１７記載のピン型ロードセルにおいて、
    前記２つのひずみセンサが収まるように、前記ピンの外周の周方向に形成されたピン溝をさらに備えることを特徴とするピン型ロードセル。
19. 請求項１７又は１８記載のピン型ロードセルにおいて、
    前記２つのひずみセンサと同一周上に取り付けられ、かつ前記２つのひずみセンサと対向する面に１つずつ取り付けられた２つのひずみセンサをさらに備えることを特徴とするピン型ロードセル。

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