JP6110242B2 - 荷重検出装置及びこれを備えた作業機械 - Google Patents

Description

本発明は、ピン型ロードセルを備えた荷重検出装置と、当該荷重検出装置を備えた作業機械とに関する。

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。

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る。特許文献１には、この種の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１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。

特開２０１０−１５９５４８号公報

しかしながら、特許文献１に記載のピン型ロードセルは、ピンの穴径をピンの外径の０．２以下とするので、ピンの外径が小さく、かつピン穴内にひずみセンサを取り付けるピン型ロードセルについては、ピン穴内にひずみセンサの接着面を十分に確保することが困難であり、計測精度がピンの寸法による制約を受けるという問題がある。

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荷重検出装置と、この荷重検出装置を備え、作業を安全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。

本発明は、上記課題を解決するため、荷重検出装置に関しては、ピン型ロードセルと、前記ピン型ロードセルの検出信号出力から前記ピン型ロードセルに作用する荷重を算出する荷重算出部とを備えた荷重検出装置において、前記ピン型ロードセルは、軸方向にピン穴が設けられたピン本体と、前記ピン本体の周方向に配置された３対以上又は３個以上の歪検出部を備え、前記荷重算出部は、前記３対以上又は３個以上の歪検出部のうち、前記ピン本体の断面形状変化の影響が小さい歪検出部を選択する選択部と、前記選択部で選択された歪検出部の検出信号出力に基づいて、前記ピン本体に作用する荷重を算出する算出部を備えることを特徴とする。

ピン穴を有するピンの断面形状は、せん断荷重を受けたとき、荷重の作用方向に関して上下非対称に変形する。また、作業機械のアームとアタッチメントを連結する回動軸（ピン）には、作業の進行に伴って時々刻々と作用方向が変化する荷重が作用する。このため、従来例に係るピン型ロードセルのように、互いに直交する２面にそれぞれ１つずつ歪センサが取り付けられたピン型ロードセルを用いて、作業機械のアームとアタッチメントの連結部に作用する荷重を検出しようとすると、荷重の作用方向によっては、ピンの断面形状の変形に起因する歪量がピン型ロードセルの検出信号に重畳し、正確な荷重を検出することができない。これに対して、ピン（ピン本体）の周方向に３対以上又は３個以上の歪検出部を備えると、荷重検出に当たり、ピンの断面形状の変形の影響が小さい歪検出部を適宜選択して、ピンに作用する荷重の算出を行うことができるので、荷重を受けてピン穴を有するピンの断面形状が上下非対称に変形した場合にも、ピンに作用する荷重を正確に検出することができる。よって、ピン穴のサイズを規制する必要がなく、ピンサイズが異なる広範な部位の荷重検出を行うことができる。

また本発明は、前記構成の荷重検出装置において、前記歪検出部は、取付箇所におけるせん断歪を検出するものであることを特徴とする。

ピン型ロードセルは、リンク部材の連結部に作用する荷重の検出に用いられ、リンク部材の連結部には、せん断力が作用する。したがって、歪検出部として取付箇所におけるせん断歪を検出するものを用いることにより、リンク部材の連結部に作用する荷重を精度よく検出することができる。

また本発明は、前記構成の荷重検出装置において、前記３対以上の歪検出部は、それぞれ前記ピン本体の軸心を介して対向の位置に配置された２個の歪センサを１対とすることを特徴とする。

ピン本体の軸心を介して対向の位置に配置された２個の歪センサを１対として歪検出部を構成すると、これら２個の歪センサの検出信号出力の差をとることにより、ピン本体に作用する曲げモーメントの影響をキャンセルできるので、ピン本体に作用する剪断力を正確に検出することができる。

また本発明は、前記構成の荷重検出装置において、前記３対以上又は３個以上の歪検出部のうち、特定の１対又は１個の歪検出部の設定位置に対して、９０゜以上離れた箇所に少なくとも１対又は１個の歪検出部が設置されることを特徴とする。

３対以上又は３個以上の歪検出部を、ピン周方向の１つの象限に集中させることなく、特定の１対又は１個の歪検出部の設定位置に対して９０゜以上離れた箇所に他の少なくとも１対又は１個の歪検出部を設定すると、いかなる方向から荷重が作用した場合においても、ピンの断面形状の変形の影響が小さく、十分な出力を持った歪検出部を選択することができ、より高精度に荷重を検出することができる。

また本発明は、前記構成の荷重検出装置において、前記荷重算出部は、前記３対以上又は３個以上の歪検出部から、荷重算出値が最も小さくなる２対又は２個の歪検出部の組を選択し、当該選択された２対又は２個の歪検出部の検出信号出力から、前記ピン本体のｘ軸方向及びこれと直交するｙ軸方向に作用する荷重を算出することを特徴とする。

特定の１対又は１個の歪検出部の設定位置及びこれに直交する設定位置の荷重を用いた歪センサ校正結果を用いる場合、ピン本体の上下非対称の変形に起因する荷重検出値は、常に正方向に現れる。したがって、荷重算出値が最も小さくなる２対又は２個の歪検出部の組を選択して荷重を算出することにより、ピン本体の断面傾向変化に起因する検出誤差を最小にすることができる。

また本発明は、前記構成の荷重検出装置において、前記荷重算出部は、荷重作用方向情報を用いて、前記３対以上又は３個以上の歪検出部から前記ピン本体の断面形状変化の影響が小さい歪検出部を選択し、選択された歪検出部の出力から荷重を算出することを特徴とする。

荷重の作用方向を用いれば、各歪検出部と荷重作用方向の関係を導出でき、ピン本体の断面形状変化の影響が小さい歪検出部が判るので、これを選択することによって、ピン本体の断面形状変化の影響が小さい荷重算出を行うことができる。

また本発明は、前記構成の荷重検出装置において、前記荷重算出部は、前記荷重の作用方向と前記歪検出部とのなす角度が４５゜、１３５゜、２２５゜、３１５゜から最も離れた２対又は２個の歪検出部を選択し、当該選択された２対又は２個の歪検出部の検出信号出力に基づいて、前記ピン本体に作用する荷重を算出することを特徴とする。

ピン本体の断面形状変化の影響は、荷重の作用方向と歪検出部とのなす角度が４５゜、１３５゜、２２５゜、３１５゜で最も大きくなる。したがって、荷重の作用方向と歪検出部とのなす角度が４５゜、１３５゜、２２５゜、３１５゜から最も離れた２対又は２個の歪検出部を選択して、ピン本体に作用する荷重を算出することにより、高精度な荷重検出を行うことができる。

また本発明は、作業機械に関して、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のピン型ロードセルにより、機構部材の連結部が結合されることを特徴とする。

作業機械を構成する機構部材の連結部には、作業の進行に伴って時々刻々と大きさ及び方向が変化する荷重が作用する。上述したように、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のピン型ロードセルは、このような荷重を受けてピン本体の断面形状が変化した場合にも、荷重検出を高精度に行うことができるので、作業の安全性を高めつつ、作業の高能率化を図ることができる。

また本発明は、前記構成の作業機械において、下部走行体と、前記下部走行体の上部に取り付けられた上部作業体と、前記上部作業体に回動自在に取り付けられた作業装置と、前記作業装置の先端に回動軸を介して取り付けられたアタッチメントと、作業機械の姿勢を検出する姿勢検出部と、前記アタッチメントに作用する荷重を演算する演算装置と、前記アタッチメントに作用する荷重を表示する表示装置を備え、前記ピン型ロードセルにより前記作業装置とアタッチメントとの連結部が連結され、前記演算装置は、前記姿勢検出部及び前記ピン型ロードセルの出力に基づいて前記アタッチメントに加わる荷重を算出し、前記表示装置は、前記演算装置の出力結果に基づいて荷重の大きさおよび方向を表示することを特徴とする。

ピン型ロードセルを用いて作業装置とアタッチメントとの連結部を連結すると、例えば油圧ショベルなどのアタッチメントを備える作業機械について、荷重作用方向の変化によらず、作業装置とアタッチメントとの連結部に作用する荷重を高精度に検出することができる。また、演算部は、作業機械の各所に備えられた姿勢検出部及びピン型ロードセルの出力を基づいてアタッチメント部に加わる荷重を算出するので、アタッチメントに作用する荷重の方向を正確に把握することができる。さらに、荷重の算出結果を表示装置に表示するので、作業機械のオペレータはアタッチメントに作用する荷重を常時明確に認識することができ、作業の安全と作業効率の高能率化を図ることができる。

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。

実施形態に係る作業機械の側面図である。 実施形態に係る作業機械のアタッチメント周辺部の拡大側面図である。 実施形態に係る作業機械のアタッチメント周辺部の拡大正面図である。 実施形態に係る作業機械に備えられる荷重計測装置の構成図である。 実施形態に係る作業機械のアタッチメントに作用する負荷の演算方法を示す図である。 実施形態に係るピン型ロードセルの断面図である。 実施形態に係るピン型ロードセルのせん断変形発生部の横断面図である。 実施形態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。 従来例に係るピン型ロードセルのせん断歪検出部の横断面図である。 従来例に係るピン型ロードセルの荷重を受けたときの断面形状変化を示す図であり、図１０（ａ）は図８に示す荷重点１Ｃにおけるピン型ロードセルの断面形状、図１０（ｂ）は図８に示す計測点１Ｅにおけるピン型ロードセルの断面形状、図１０（ｃ）は図８に示す支持点１Ｄにおけるピン型ロードセルの断面形状である。 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り、図１１（ａ）は原点Ｏを通る直線の方位を荷重方向、原点Ｏからの距離を荷重測定値とするグラフ図、図１１（ｂ）は横軸を荷重方向、縦軸を荷重測定値とするグラフ図である。 実施形態に係るピン型ロードセルの荷重算出値を示す図であり、図１２（ａ）は実施の形態に係るピン型ロードセル４において、荷重作用方向を変化させたときのＦａｂ、Ｆａｃ、Ｆｂｃを示す図、図１２（ｂ）は荷重算出値Ｆａｂｃを示す図である。 歪センサの取り付け位置に対して荷重方向を０°から３６０°まで変化させたときのセンサ出力の理論値と測定値との関係を示す図である。

＜作業機械＞
まず、本発明に係る作業機械の実施形態を、図１〜図３を参照して説明する。

＜作業機械の外観構成＞
図１に示すように、実施形態に係る作業機械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とから主に構成されている。

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等で構成されている。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で構成しても良い。

上部作業体１０３は、下部走行体１０２の上部に取り付けられている。本例の作業機械１００は油圧ショベルであり、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上に取り付けられる。

作業装置１０６は、作業フロントとも呼ばれ、運転室から見て上部作業体１０３の前方に取り付けられる。図１の例においては、作業装置１０６が、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に取り付けられたブーム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の先端に取り付けられたアーム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の先端に取り付けられたアタッチメント１２３が取り付けられている。

図１の例においては、アタッチメント１２３としてバケットがアーム１１２の先端に取り付けられており、当該アタッチメント（バケット）１２３には、一端がアーム１１２に連結されたリンク機構１１８の他端が、回動軸１４４を介して連結されている。また、リンク機構１１８には、一端がアーム１１２に取り付けられたアタッチメントシリンダ１１５のロッド側の端部が、回動軸１４５を介して連結されている。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。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２は、アタッチメント１２３の周辺部の詳細図である。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におけるロッド側の先端部とアタッチメント１２３の間に架け渡された第１リンク１１６と、アタッチメントシリンダ１１５におけるロッド側の先端部とアーム１１２の間に架け渡された第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を介してアタッチメント１２３に回動可能に取り付けられており、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られている。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られており、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られている。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の間に架け渡された第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の間に架け渡された第４のリンク部材とが追加してなる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。

＜作業機械の状態量検出部＞
作業機械の所要の部分には、機械の状態量を検出するためのセンサ（状態量検出部）が備えられる。以下、実施の形態に係る作業機械１００に備えられる状態量検出部について、図１〜図３を参照しながら説明する。作業機械１００の状態量検出部は、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から構成される。

＜姿勢検出装置＞
図１に示すように、作業機械１００には、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に設けられている。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に設けられている。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に設けられている。作業機械１００は、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の検出値に基づいて、後述の演算装置１６０が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）を算出している。

＜荷重検出装置＞
また、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に設けられた連結ピンに代えて設けられる。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部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、図６及び図７を用いて後に詳細に説明する。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に固定される。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に固定される。

図３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されている。アーム１１２の先端部は、２枚のリブ１２３ａ、１２３ｂの間に配置されており、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、回動軸１４２，１４４に対応した連結ピンに代わるピン型ロードセル４ａ、４ｂを貫通することにより、アーム１１２の先端部にアタッチメント１２３が回動自在に取り付けられる。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３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が用いられる。

＜荷重計測装置＞
図４に、上述した姿勢検出装置及び荷重検出装置の検出信号から、アーム１１２とアタッチメント１２３の連結部に作用する荷重を計測する荷重計測装置１５０の構成を示す。この図から明らかなように、本例の荷重計測装置１５０は、２軸ピン型ロードセル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と、演算装置１６０と、表示装置１６１とから構成される。

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、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の姿勢を検出し、アタッチメント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に加わる力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が算出した力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。

以下、図５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。図５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。

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。

演算装置１６０はアタッチメント１２３に作用する力Ｆ_１２３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、以下のように算出する。

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５参照）を、ブーム角度センサ４０ａ、アーム角度センサ４１ａ及びアタッチメント角度センサ４２ａ（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、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、上記の角度θと上式から算出されたＦ_{１２３ｘ’}，Ｆ_{１２３ｙ’}を用いて、以下の式を利用して算出する。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。

＜荷重検出装置＞
次に、上述した作業機械に適用される荷重検出装置の実施形態につき、図を参照しながら説明する。

＜ピン型ロードセルの構成＞
図６に示すように、実施の形態に係る荷重検出装置は、ピン型ロードセル４と、ピン型ロードセル４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とから構成される。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。

ピン型ロードセル４は、図６に示すように、Ｓ４５Ｃ等の構造用炭素鋼を用いて形成された所定寸法のピン本体１と、当該ピン本体１のピン穴２内に取り付けられたせん断歪検出部２０とからなる。ピン穴２は、ピン本体１と同心で、ピン本体１の軸方向に設けられた穴であり、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３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られた半貫通孔とすることもできる。ピン本体１の外周の所定位置、即ち、図３に記載したせん断歪発生部１Ａ、１Ｂに相当する部分には、凹部１ａが形成される。図６及び図７に示すように、ピン穴２の内部であって凹部１ａの形成部と対応する部分には、せん断歪検出部２０を構成する複数の歪センサが設けられる。

せん断歪検出部２０は、ピン本体１に作用するせん断歪を検出する複数の歪センサから構成される。歪センサとしては、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。

本実施の形態においては、図７に示すように、１つのせん断歪発生部１Ａ又は１Ｂについて、互いに対向に配置された２枚を１対とする歪センサが、ピン穴２の周方向に３対配置されている。図７において、歪センサ２１ａと２２ａは１対の歪センサを構成し、歪センサ２１ｂと２２ｂは他の１対の歪センサを構成し、歪センサ２１ｃと２２ｃはさらに他の１対の歪センサを構成する。センサ対（２１ａ、２２ａ）、（２１ｂ、２２ｂ）、（２１ｃ、２２ｃ）は、それぞれｘ軸からθａ、θｂ、θｃの位置に配置されるものとする。他方のせん断歪発生部１Ｂに設定される歪センサ２４ａと２５ａ、２４ｂと２５ｂ、２４ｃと２５ｃについても、同様に構成される。各対の歪センサは、それぞれのセンサ取付位置に発生するせん断歪を検出する。なお、ピン穴２の周方向に３対の歪センサを配置するのは、荷重を受けてピン本体１の断面形状がその軸心に関して非対称に変形したときにも、その変形の影響を受けにくい位置に２対の歪センサが存在するようにするためである。また、軸心を介して２枚の歪センサを対向に配置するのは、曲げモーメントによる歪の影響を除去するためであり、曲げモーメントによる歪の影響を無視できる場合には、対に配置する必要はなく、３個の歪センサをピン穴２の周方向に配置すれば足りる。

なお、上述した３対の歪センサの配置θａ、θｂ、θｃは、ピン穴の周方向に関して必ずしも等間隔である必要はなく、ある１対の歪センサの設定位置に対して、９０゜〜１８０゜となる箇所に少なくとも他の１対の歪センサを設置するように配置すれば良い。これは、０°〜９０°に全てのセンサ対を密集して配置すると、計測精度が劣化するためである。但し、荷重を受けてピン本体１の断面形状が荷重方向に関して上下非対称に変形した場合を考慮し、３対の歪センサのうちのいずれか２対の間の角度が９０゜となる配置は、避けることが望ましい。これらの理由については、以下に記載する（誤差の発生原理と誤差回避の原理）で詳細に説明する。また、せん断歪発生部１Ａに設けられる各歪センサと、せん断歪発生部１Ｂに設けられる各歪センサの配置についても、必ずしも同じである必要はない。

＜誤差の発生原理と誤差回避の原理＞
作業機械の回動軸には、作業の進行に伴って、時々刻々と方向が変化する荷重が作用する。以下に、回動軸に代わるピン型ロードセルに方向が変化する荷重が作用する場合における計測誤差の発生原理及び発生する誤差の傾向と、３対又は３個の歪センサを備えることによって計測誤差の回避が可能になる理由について説明する。

図８は、ピン型ロードセル４のせん断変形発生部１Ａの拡大図である。ピン型ロードセル４では、荷重点１Ｃと支持点１Ｄの中間位置１Ｅ（計測点）であってピン穴２の内壁に歪センサ２１ａ、２２ａを設けている。歪センサ２１ａ、２２ａ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、対向するように配置された２枚の歪センサ２１ａ、２２ａ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２１ａ、２２ａに対し、せん断変形のみが作用する場合には、歪センサ２１ａ、２２ａは、ピン型ロードセル４に作用する荷重のセンサ取付面に対応した方向成分によるせん断歪を検出する。

次に、図９に示すように、２対の歪センサ（２１ａ、２２ａ）と（２１ｂ、２２ｂ）が等間隔に配置された従来例に係るピン型ロードセル４０について考える。このピン型ロードセル４０に対し、θ方向から大きさＦの荷重が作用した時、０゜方向に備えられた歪センサ対（２１ａ、２２ａ）と９０゜方向に備えられた歪センサ対（２１ｂ、２２ｂ）の出力値Ｓｘ及びＳｙは、理論的には以下のようになる。

ここで、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、１／αを乗ずることにより算出できる。

ところで、実際のピン本体１にあっては、ピン穴２やピン取付部の寸法公差等の影響により、荷重を受けたときに、断面形状が図１０に示すように変形する。図１０（ａ）は荷重点１Ｃ、図１０（ｂ）は計測点１Ｅ、図１０（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２１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ける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。したがって、荷重を受けてピン本体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（２１ａ、２２ａ）と９０゜方向に備えられた歪センサ対（２１ｂ、２２ｂ）の出力値Ｓｘ、Ｓｙ（数３参照）に基づいてピン本体１に作用する荷重Ｆ及びその作用方向を求めることができない。

図１１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測定値の傾向を示す。図１１（ａ）は原点Ｏを通る直線の方位を荷重方向、原点Ｏからの距離を荷重測定値とするグラフ図であり、図１１（ｂ）は横軸を荷重方向、縦軸を荷重測定値とするグラフ図である。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゜方向および９０゜方向の荷重を用い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が、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。

したがって、断面形状の非対称な変形の影響を受けやすく、計測誤差が大きくなる４５゜、１３５゜、２２５゜、３１５゜及びその近傍を避けて計測できれば、荷重計測誤差を小さくすることが可能である。つまり、図７に示すピン型ロードセル４のように、ピン本体１の周方向に３対又は３個の歪センサを配置する場合において、ある１対の歪センサの設定位置に対して、９０゜〜１８０゜となる箇所に少なくとも他の１対の歪センサを設置すると共に、これら３対の歪センサのうちのいずれか２対の間の角度が９０゜となる配置を避ければ、ピン本体１に対していかなる方向から荷重が作用しようとも、少なくとも２対又は２個の歪センサについては、ピン本体１の変形の影響を受けにくくすることができる。よって、これら２対又は２個の歪センサの検出信号に基づいてピン本体１に作用する荷重を算出することにより、高精度な荷重計測が可能となる。

＜荷重算出部＞
荷重算出部３０は、図６に示すように、せん断歪検出部２０の検出信号を入力する入力部３１と、３対の歪センサから選択される２対の歪センサの検出信号を用いて、歪センサ対の組合せが異なる３種のピン本体１に加わる荷重の大きさを算出する算出部３２と、３種の歪センサの組合せのうち、算出された荷重の大きさが最も小さくなる組合せを選択する選択部３３と、選択された歪センサから算出された２軸方向の荷重Ｆｘ、Ｆｙを出力する出力部３４とから構成される。この荷重算出部３０は、マイクロコンピュータ等をもって構成できる。なお、本発明の要旨は、荷重算出部３０に算出部と選択部を備えれば足りるのであって、入力部３１に入力されたひずみ信号の選択部を前段に配置し、選択されたひずみ信号から２軸方向の荷重Ｆｘ、Ｆｙを算出する算出部を後段に配置する構成とすることもできる。

図７に示した３対の歪センサのうちから２対を選択して荷重を算出する方法として、歪センサ対（２１ａ、２２ａ）と歪センサ対（２１ｂ、２２ｂ）を用いる場合、歪センサ対（２１ｂ、２２ｂ）と歪センサ対（２１ｃ、２２ｃ）を用いる場合、歪センサ対（２１ａ、２２ａ）と歪センサ対（２１ｃ、２２ｃ）を用いる場合の３通りが考えられる。上述したように、各歪センサ対に対して、０゜の方向及び９０゜の方向から荷重を付加した際の検出値を用いて導出した校正値を用いる場合には、荷重計測誤差は必ず正方向に生じる。したがって、最も計測誤差が小さくなる歪センサ対の組合せは、２対の歪センサの検出信号を用いて算出された荷重値が３通りの中で最も小さい値となるものである。つまり、歪センサ対（２１ａ、２２ａ）と歪センサ対（２１ｂ、２２ｂ）を用いて算出した荷重値Ｆａｂ、歪センサ対（２１ｂ、２２ｂ）と歪センサ対（２１ｃ、２２ｃ）を用いて算出した荷重値Ｆａｃ、歪センサ対（２１ａ、２２ａ）と歪センサ対（２１ｃ、２２ｃ）を用いて算出した荷重値Ｆｂｃのうち、Ｆａｂが最も小さい場合には、歪センサ対（２１ａ、２２ａ）と歪センサ対（２１ｂ、２２ｂ）が、計測誤差の最も小さくなるセンサの組合せとなる。したがって、荷重算出部３０は、３通りの組合せそれぞれにおける荷重値を算出し、算出された荷重値が最も小さくなる組合せを最良の組合せとして選択し、その組合せを用いて算出した荷重値を荷重算出値とする。各センサ対の取付位置がピン型ロードセル４のｘ軸に対してそれぞれθａ、θｂ、θｃであるとき、各組合せにおけるｘ軸方向およびｙ軸方向の荷重値は以下のように算出される。

ここで、Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃは各センサ対の出力を力次元に変換したものであり、各センサ対を形成する２枚のセンサ出力の差分に、歪センサの校正値を乗ずることによって算出される値である。荷重値の大きさＦａｂ、Ｆａｃ、Ｆｂｃは以下のように算出できる。

荷重算出部３０は、各組合せにおける荷重算出値に基づき、せん断変形発生部１Ａに作用する荷重Ｆ１Ａｘ、Ｆ１Ａｙを以下のように算出する。

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Ｆ４ｘ、Ｆ４ｙをせん断変形発生部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をとして算出し、荷重算出値Ｆｘ、Ｆｙとして出力する。

したがって、ピン型ロードセル４に作用する荷重の大きさＦは、次式で求められる。

図１２（ａ）は本実施の形態に係るピン型ロードセル４において、荷重作用方向を変化させたときのＦａｂ、Ｆａｃ、Ｆｂｃを示す図であり、図１２（ｂ）は荷重算出値Ｆａｂｃを示す図である。この図に示されるように、３対のセンサを配置し、そのうち２対を用いて荷重を算出し、全てのセンサの組合せのうち最も荷重算出値が小さくなる組合せを最良の組合せとして選択することにより、図９に示した従来例の構成を用いた場合と比べて、大幅に誤差を抑制することができる。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、本発明の構成では、そのような荷重作用方向においても誤差が小さく保たれており、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分かる。

＜変形例＞
上記の実施形態では、歪センサ２１をせん断歪検出部１Ａ、１Ｂにそれぞれ３対備える例を示したが、３対は前述の非対称な断面変形の影響の小さいセンサ対が常に２対以上存在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もおいても、上記の３対の場合と同様に取り得る全ての２対の組合せについて荷重を算出し、算出値が最も小さい組合せを採用の組合せとして選択し、Ｆｘ、Ｆｙの算出に用いる。センサ対をさらに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選択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。

また、上記の実施形態では、荷重作用方向を未知とし、せん断歪検出部２０の出力値をもとに非対称な変形の影響の小さいセンサを選択し、荷重算出に用いる方法を示したが、荷重作用方向が既知の場合には、荷重作用方向の情報を用いて荷重作用方向とセンサとの角度を算出し、この角度情報に基づいて、ピン本体の断面形状変化の影響が大きい位置に配置されたセンサ対を避け、断面形状変化の影響が小さい２対を選択し、荷重算出に用いるように構成しても良い。図１３に、センサの取付位置に対して荷重方向を０°から３６０°まで変化させたときのセンサ出力の理論値と測定値との関係を示す。図１３に示す理論値と測定値との差がピン本体の断面変形の影響分であるが、この大きさは、荷重作用方向とセンサ取付位置との角度によって異なる。したがって、荷重作用方向とセンサとの角度を用いれば、３対のセンサ対のうち、よりピン本体の断面変形の影響が小さい２対を選択することができる。また、上述のように、一般に、ピン本体の断面変形の影響は、荷重方向に対して、４５゜、１３５゜、２２５゜、３１５゜の近傍で発生しやすい傾向がある。したがって、一般には、荷重作用方向とセンサとのなす角度が４５゜、１３５゜、２２５゜、３１５゜から最も離れた２対を選択し、荷重算出に用いるように構成すれば良い。荷重作用方向が既知な例としては、作業機械のアタッチメント部に作用する負荷の計測にピン型ロードセルを適用した場合のうち、作業する力が重力方向に限定される場合が挙げられる。この場合には、ピン型ロードセルと重力方向との角度を傾斜角センサや角度センサ等から導出することにより、ピンが他ロードセルに作用する荷重の方向を算出することができる。

また、上記の実施形態では、せん断歪検出部２０としてピン穴２の内壁に歪センサを備える構成としたが、せん断歪検出部２０はせん断変形発生部１Ａ、１Ｂのせん断歪を検出できれば良く、ピン本体１の外周に形成された凹部内に歪センサを備えるように構成しても良いし、ピン穴に歪検出ブロックを挿入し、検出ブロック表面に歪センサを備える構成（例えば、特開昭６１−１４５４２６号公報参照。）としても良い。いずれの場合においても、各センサ対の配置方法および荷重算出部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。

また、上記の実施形態では、せん断歪検出部２０として互いに対向するように歪センサを配置する例を示したが、対向面に配置する代わりに同一面の同一位置に２枚の歪センサを互いに直交するように配置しても良い。また、２枚の歪センサの差分を算出するのと同等の機能を有する歪センサを用いる場合には、３枚の歪センサを配置するようにしても良い。この場合には、歪センサ２１Ａから９０゜以上離れた位置に少なくとも１枚の歪センサを存在するように歪センサを配置すればよい。

上述したように、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ので、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、作業者又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。よって、作業の安全性の向上、作業および作業管理の効率向上を図ることができる。

なお、上述の実施形態においては、荷重検出装置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１０６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荷重検出装置を用いて検出することも、勿論可能である。

また、実施形態に係る荷重検出装置は、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。

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、２１ａ、２２ａ、２１ｂ、２２ｂ、２１ｃ、２２ｃ…歪センサ（歪検出部）、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…アーム角度センサ、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

Claims (9)

1. ピン型ロードセルと、前記ピン型ロードセルの検出信号出力から前記ピン型ロードセルに作用する荷重を算出する荷重算出部とを備えた荷重検出装置において、
   前記ピン型ロードセルは、軸方向にピン穴が設けられたピン本体と、前記ピン本体の周方向に配置された３対以上又は３個以上の歪検出部を備え、
   前記荷重算出部は、前記３対以上又は３個以上の歪検出部のうち、前記ピン本体の断面形状変化の影響が小さい歪検出部を選択する選択部と、前記選択部で選択された歪検出部の検出信号出力に基づいて、前記ピン本体に作用する荷重を算出する算出部を備えることを特徴とする荷重検出装置。
2. 請求項１に記載の荷重検出装置において、
   前記歪検出部は、取付箇所におけるせん断歪を検出するものであることを特徴とする荷重検出装置。
3. 請求項１及び請求項２のいずれか１項に記載の荷重検出装置において、
   前記３対以上の歪検出部は、それぞれ前記ピン本体の軸心を介して対向の位置に配置された２個の歪センサを１対とすることを特徴とする荷重検出装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の荷重検出装置において、
   前記３対以上又は３個以上の歪検出部のうち、特定の１対又は１個の歪検出部の設定位置に対して、９０゜以上離れた箇所に少なくとも１対又は１個の歪検出部が設置されることを特徴とする荷重検出装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の荷重検出装置において、
   前記荷重算出部は、前記３対以上又は３個以上の歪検出部から、荷重算出値が最も小さくなる２対又は２個の歪検出部の組を選択し、当該選択された２対又は２個の歪検出部の検出信号出力から、前記ピン本体のｘ軸方向及びこれと直交するｙ軸方向に作用する荷重を算出することを特徴とする荷重検出装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の荷重検出装置において、
   前記荷重算出部は、荷重作用方向情報を用いて前記３対以上又は３個以上の歪検出部から前記ピン本体の断面形状変化の影響が小さい歪検出部を選択し、選択された歪検出部の出力から荷重を算出することを特徴とする荷重検出装置。
7. 請求項６に記載の荷重検出装置において、
   前記荷重算出部は、前記荷重の作用方向と前記歪検出部とのなす角度が４５゜、１３５゜、２２５゜、３１５゜から最も離れた２対又は２個の歪検出部を選択し、当該選択された２対又は２個の歪検出部の検出信号出力に基づいて、前記ピン本体に作用する荷重を算出することを特徴とする荷重検出装置。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のピン型ロードセルにより、機構部材の連結部が結合されることを特徴とする作業機械。
9. 請求項８に記載の作業機械において、
   下部走行体と、前記下部走行体の上部に取り付けられた上部作業体と、前記上部作業体に回動自在に取り付けられた作業装置と、前記作業装置の先端に回動軸を介して取り付けられたアタッチメントと、作業機械の姿勢を検出する姿勢検出部と、前記アタッチメントに作用する荷重を演算する演算装置と、前記アタッチメントに作用する荷重を表示する表示装置を備え、
   前記ピン型ロードセルにより前記作業装置とアタッチメントとの連結部が連結され、
   前記演算装置は、前記姿勢検出部及び前記ピン型ロードセルの出力に基づいて前記アタッチメントに加わる荷重を算出し、
   前記表示装置は、前記演算装置の出力結果に基づいて荷重の大きさおよび方向を表示することを特徴とする作業機械。