JPH0643936B2

JPH0643936B2 - 荷重検出装置

Info

Publication number: JPH0643936B2
Application number: JP62225256A
Authority: JP
Inventors: 龍二高田
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1987-09-10
Filing date: 1987-09-10
Publication date: 1994-06-08
Anticipated expiration: 2009-06-08
Also published as: JPS6468630A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、種々の物体に作用する荷重を検出する荷重検
出装置に関する。

〔従来の技術〕

ある物体又はある物体の特定部分に加わる荷重（力およ
びモーメント）を検出することは、多くの分野において
不可欠のことである。このような荷重を検出する荷重検
出装置として、平行たわみ梁構造又は放射たわみ梁構
造、あるいはその両者から成る優れた荷重検出装置が、
特開昭60-62497号公報により提案されている。この公報
には、前記平行たわみ梁構造、放射たわみ梁構造を用い
た種々の型の荷重検出装置が示されている。そのうちの
１つの型の荷重検出装置を第５図により説明する。

第５図は従来の荷重検出装置の一部破断斜視図である。
図で、Ｘ，Ｙ，Ｚは座標軸を示す。２２は柱状体であ
り、この柱状体２２には張出部２２ａ，２２ｂ，２２
ｃ，２２ｄが形成され、中心部に貫通孔２３があけられ
るとともに、隣接する各張出部間に上記貫通孔２３に達
する貫通孔を形成することにより薄肉部２４ａ，２４
ａ′………２４ｄ，２４ｄ′が形成される。各薄肉部の
上下面における根本中央部にはストレインゲージ２５ａ
〜２５ｈが設けられている。２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，
２６ｄは各張出部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄにお
いてＺ軸方向にあけられた貫通孔であり、これらの貫通
孔２６ａ〜２６ｄにより薄肉部１５ａ，１５ａ′………
１５ｄ，１５ｄ′が形成される。これら各薄肉部の根本
中央部にはストレインゲージ１７ｃが設けられている。
対向する張出部２２ｂ，２２ｄの上部は、上部環状体１
６ａにより連結され、他の対向する張出部２２ａ，２２
ｃの下部は、下部環状体１６ｂにより連結されている。
そして、上部環状体１６ａと張出部２２ａ，２２ｃの上
面、および下部環状体１６ｂと張出部２２ｂ，２２ｄの
下面との間には相当の隙間を有する。

この構成において、上部環状体１６ａと下部環状体１６
ｂとの間にＺ軸方向の力F_z，Ｘ軸，Ｙ軸まわりのモーメ
ントＭ_ｘ，Ｍ_ｙが作用すると、貫通孔２３に連通する貫
通孔で構成される十文字状平行わたみ梁構造部分の薄肉
部２４ａ，２４ａ′……２４ｄ，２４ｄ′のうちの対応
する薄肉部に変形を生じる。又、上部環状体１６ａと下
部環状体１６ｂとの間にＸ軸，Ｙ軸方向の力F_x,F_y，Ｚ
軸まわりのモーメントＭ_ｚが作用すると、各張出部に形
成された平行たわみ梁構造の薄肉部１５ａ，１５ａ′…
……１５ｄ，１５ｄ′のうちの対応する薄肉部に変形を
生じる。これらの変形は該当部分のストレインゲージに
より検出され、各ストレインゲージで適宜のブリツジ回
路を構成することにより、上記各力およびモーメントが
検出される。各薄肉部の変形やブリツジ回路等について
は前記公開公報に記述されている。結局、この荷重検出
装置は、Ｘ軸，Ｙ軸およびＺ軸方向に作用する力、なら
びにＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸まわりに作用するモーメント
の６つの荷重成分を検出することができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、平行たわみ梁構造，放射たわみ梁構造を用い
た上記のような荷重検出装置においては、当然ながらよ
り大きな出力感度が要求される。そして、出力感度を上
げるためには、定格荷重作用時の平行たわみ梁構造，放
射たわみ梁構造の応力をできるだけ大きくする必要があ
る。ところが、このように応力を大きくした場合、もし
一定限度を超える過荷重、例えば定格荷重の何倍かの大
きな荷重が作用すると、たわみ梁における応力値が過大
になり、その部分に塑性変形を生じるか又は破損してし
まう。そして、このような過大な荷重の作用は、実際に
検出対象荷重が過大となる以外に、荷重検出装置を取付
けた機械、装置の誤操作や、荷重検出装置自体を落す等
の取扱い上の誤り等によつても発生するものである。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであ
り、その目的は、過大な荷重が作用しても性能劣化や破
損を防止することができる荷重検出装置を提供するにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明は、たわみ部を有す
る剛体ブロツクと、この剛体ブロツクに異なる所定個所
で連結される２つの剛体部とで構成され、これら２つの
剛体部間に作用する荷重を検出する荷重検出装置におい
て、前記剛体ブロツクの前記所定個所以外の個所に固定
されたピン部材と、このピン部材が間隙を有して挿入さ
れる前記剛体部にあけられた穴とを設け、前記間隙が前
記剛体ブロツク側で小さく外側で大きくなるように前記
穴および前記ピン部材を構成したことを特徴とする。

〔作用〕

２つの剛体部間に、ある一定限度内の荷重が作用する場
合には、当該荷重は２つの剛体部間にたわみ部を介して
伝達される。しかし、２つの剛体部間に作用する荷重が
前記一定限度を超えると、剛体部が大きく変位すること
により穴の内壁面とピン部材とが接触し、当該荷重はた
わみ部を介することなく２つの剛体部間で伝達される。

〔実施例〕

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明の実施例に係る荷重検出装置の斜視図で
ある。図で、第５図に示す部分と同一部分には同一符号
を付して説明を省略する。３０ａ，３０ｃはそれぞれ張
出部２２ａ，２２ｃと上部環状体１６ａとの間で構成さ
れるストツパ、３０ｂ，３０ｄ（図示されていない）は
それぞれ張出部２２ｂ，２２ｄと下部環状体１６ｂとの
間で構成されるストツパである。各ストツパ３０ａ，３
０ｂ，３０ｃ，３０ｄの構成は同じであるので、以下、
ストツパ３０ａの構成についてのみ説明する。

３１ａは張出部２２ａに形成されたピン固定部である。
このピン固定部３１ａは、薄肉部１５ａ，１５ａ′と上
部環状体１６ａに対面する部分との間に、上部環状体１
６ａとほぼ同一高さに形成されている。３２ａは上部環
状体１６ａにおいて、ピン固定部３１ａに対向する部分
に形成された貫通穴である。３３ａはピン固定部３１ａ
に固定されたピンであり、貫通穴３２ａに挿入されてい
る。このようなストツパ３０ａの構成は第２図に、より
詳細に示されている。

第２図は第１図に示すストツパ３０ａ部分の断面図であ
る。図で、第１図に示す部分と同一部分には同一符号が
付されている。ピン３３ａは貫通穴３２ａを通してピン
固定部３１ａに適宜な手段例えば圧入等の手段により固
定される。このピン３３ａの貫通穴３２ａに挿入される
部分にはテーパーが形成されており、その根本部分（固
定側の部分）の径は大きく、その先端部分の径は小さ
い。したがつて、ピン３３ａが貫通穴３２ａに挿入され
た状態において、ピン３３ａの外周面と貫通穴３２ａの
内壁面との間のギヤツプｇは、貫通穴３２ａの剛体ブロ
ツク側端面において最小、ピン３３ａの先端部分におい
て最大となる。このようなギヤツプの寸法は種々の条件
にしたがつて予め定められている。

ここで、本実施例の動作を説明するが、この動作の説明
は、ピン３３ａ〜３３ｄの径が均一である（テーパーが
付されていない）と仮定した場合の動作を説明すること
でより容易に理解されるものと考えるので、まずこれに
ついて第３図(a)〜(c)を参照しながら説明する。なお、
以下の説明はストツパ３０ａ，３０ｃについてのみの説
明であるが、ストツパ３０ｂ，３０ｄについても全く同
じである。

第３図(a)〜(c)は同一径のピンを備えた荷重検出装置の
断面図である。各図で、第１，２図に示す部分と同一部
分には同一符号を付して説明を省略する。３３ａ′，３
３ｃ′は均一な径を有するピンである。このピン３３
ａ′，３３ｃ′以外の構成は本実施例の構成と同じであ
る。ピン３３ａ′，３３ｃ′が均一な径に構成されてい
るので、貫通穴３２ａ，３２ｃの内面との間のギヤツプ
は同一寸法δとなる。

今、上部環状体１６ａと下部環状体１６ｂとの間に第３
図(b)に示す矢印方向の力Ｆが作用すると、薄肉部２４
ａ〜２４ｄ′が変形し、柱状体２２が図で下方に変位す
る。したがつて、張出部２２ａ，２２ｃも下方に変位
し、ピン３３ａ′，３３ｃ′と貫通穴３２ａ，３２ｃの
内面との間のギヤツプの寸法δも変化し、図の上方にお
いて大きくなり、下方において小さくなる。当該変位は
作用する力Ｆに比例する。ところで、この力Ｆの値が増
加してゆくと上記変位もこれに比例して増加してゆき、
遂には第３図(b)に示すように、貫通穴３２ａ，３２ｃ
に内面とピン３３ａ，３３ｃとが接触し、寸法δは０と
なる。一方、ピン３３ａ′，３３ｃ′が固定されている
ピン固定部３１ａ，３１ｃは下部環状体１６ｂに連結さ
れているので、柱状体２２の各薄肉部をそれ以上変形さ
せようとする力は、下部環状体１６ｂから張出部２２
ａ，２２ｃ、ピン固定部３１ａ，３１ｃ、ピン３３
ａ′，３３ｃ′を介して上部環状体１６ａに伝達され
る。他のストツパ３０ｂ，３０ｄにも同様の動作が生じ
る。この結果、下部環状体１６ｂにそれ以上の過大な力
Ｆが加えられても、柱状体２２の各薄肉部は所定量以上
の変形はせず、塑性変形や破損を生じることはなく保護
される。

次に、上部環状体１６ａと下部環状体１６ｂとの間に第
３図(c)に示す矢印方向のモーメントＭが作用すると、
柱状体２２の対応する薄肉部が変形し、柱状体２２はＸ
軸を中心として図で反時計回りに回転変位する。したが
つて、張出部２２ａ，２２ｃも回転変位し、ピン３３
ａ′，３３ｃ′と貫通穴３２ａ，３２ｃの内面との間の
寸法δも変化する。この場合、上記変位は回転変位であ
るため、寸法δの変化はピン３３ａ′，３３ｃ′の長さ
方向において均一ではない。そして、この寸法δの変化
は、ピン３３ａ′，３３ｃ′の先端において最も大きく
現れる。このような回転変位は作用するモーメントＭに
比例する。モーメントＭが増加してゆくと上記回転変位
もこれに比例して増加してゆき、遂には第３図(c)に示
すように、ピン３３ａ′，３３ｃ′の先端部と貫通穴３
２ａ，３２ｃの内面とが接触し、その部分の寸法δは０
となる。そして、それ以上の過大なモーメントＭが作用
しても、前述の過大な力Ｆが作用した場合と同様、柱状
体２２の各薄肉部は所定量以上の変形はせず、塑性変形
や破損を生じることはなく保護される。

さて、上記のように均一径のピン３３ａ′，３３ｃ′を
採用した場合、不都合な事態を生じる。以下、これを説
明する。ピン３３ａ′，３３ｃ′と貫通穴３２ａ，３２
ｃの内面との間の変位量は、力Ｆが作用した場合にはど
の部分においても同一であるが、モーメントＭが作用し
た場合には上述のように各部分において異なる変位量と
なり、その変位量は荷重検出装置の中心からの距離に比
例する。ところがピン３３ａ′，３３ｃ′、貫通穴３２
ａ，３２ｃは荷重検出装置の外側に位置するので中心か
らの距離が長くなり、モーメントＭが作用したときその
変位量は必然的に大きくなる。今、モーメントを基準に
考えると、第３図(c)に示すようにピン３３ａ′，３３
ｃ′の先端が貫通穴３２ａ，３２ｃの内面に当接したと
きのモーメントはこの荷重検出装置の定格モーメントよ
り大きいある定められた許容値である。そして、寸法δ
は当該許容値により決定される。

このようにして決定された寸法δは、モーメントが作用
したときの変位量が大きいため、相当程度に大きくなら
ざるを得ない。一方、力Ｆが作用したときの変位はモー
メントＭが作用したときの変位に比べて比較的に小さい
ので、上記のように決定された寸法δを０にする力Ｆの
大きさは極めて大きくなり、力Ｆに対する許容値を遥か
に超えてしまうという不都合が生じる。又、逆に、力Ｆ
の許容値を基準にして寸法δを決定すると、モーメント
Ｍが作用した場合、モーメントＭの許容値より遥かに低
い値で寸法δが０となり、これも同様に不都合である。
即ち、力ＦおよびモーメントＭのいづれに対しても適切
である寸法δを得るのは不可能である。

上記のような不都合を解消するために考えられる手段と
して、ピン３３ａ′，３３ｃ′、上下環状体１６ａ，１
６ｂを何等かの方法によりできるだけ荷重検出装置の中
心に近付けて配置することが考えられ、これによりモー
メントＭによる変位量を小さくすることができる。しか
しながら、このような手段は、荷重検出装置の構造上極
めて困難であるばかりでなく、当該ピン３３ａ′，３３
ｃ′がモーメントＭから受ける力は中心からの距離に反
比例するので、仮にこれを中心近くに配置できたとして
もピン３３ａ′，３３ｃ′が受ける荷重は大となり、必
要以上に大径のピンを用いねばならないという問題を生
じる。

本実施例は、ピン３３ａ′，３３ｃ′を均一な径とした
場合に生じる不都合を避け、又、その不都合を解決する
ために考えられる手段を有する上記問題を生じることな
く、本発明の目的を達成することができる。以下、その
理由を、第４図(a)〜(c)参照して本実施例を動作を説明
することにより明かにする。

第４図(a)〜(c)は本実施例の荷重検出装置の断面図であ
る。各図で、第１図および第２図に示す部分と同一部分
には同一符号が付してある。第４図(a)は、上記環状体
１６ａと下部環状体１６ｂとの間に荷重が作用していな
い場合の状態を示し、貫通穴３２ａ，３２ｃの内面に対
してピン３３ａ，３３ｃの先端および根本は、第４図
(a)に示されるようにそれぞれ寸法δＦ，δＭに保持さ
れている。

今、上部環状体１６ａと下部環状体１６ｂとの間に第４
図(b)に示す矢印方向の力Ｆが作用すると、薄肉部が変
形して柱状体２２，張出部22a,22cが図で下方に変位
し、ピン３３ａ′，３３ｃ′と貫通穴３２ａ，３２ｃの
内面との間の寸法も変化する。力Ｆが増加してゆくと上
記変位もこれに比例して増加してゆき、遂には第４図
(b)に示すようにピン３３ａ，３３ｃと貫通穴３２ａ，
３２ｃの内面とが接触する。この接触は、ピン３３ａ，
３３ｃが図示のようなテーパー状に形成されていること
により、貫通穴３２ａ，３２ｃの剛体ブロツク側の端部
において生じる。以後、それ以上の過大な力Ｆが作用し
ても、前述のように各薄肉部にそれ以上の変形は生じ
ず、各薄肉部は保護される。

次に、上部環状体１６ａと下部環状体１６ｂとの間に第
４図(c)に示す矢印方向のモーメントＭが作用すると、
対応する薄肉部が変形し、柱状体２２は回転変位する。
このため、張出部２２ａ，２２ｃも回転変位し、ピン３
３ａ，３３ｃと貫通穴３２ａ，３２ｃの内面との間の寸
法も変化する。モーメントＭが増加してゆくと上記回転
変位もこれに比例して増加してゆき、遂には第４図(c)
に示すように、ピン３３ａ，３３ｃと貫通穴３２ａ，３
２ｃの内面とが接触する。この接触は、本実施例ではピ
ン３３ａ，３３ｃ上で均一に生じる。以後、それ以上の
過大なモーメントＭが作用しても、前述のように各薄肉
部にもそれ以上の変形は生じず、各薄肉部は保護され
る。

このように、本実施例では、ピン３３ａ，３３ｃの先端
部が小径に、根本部が大径になるようにピン３３ａ，３
３ｃにテーパーがつけられているので、例えば、モーメ
ントを基準に考えた場合、モーメントの許容値に適合す
るようにテーパーを形成したとき、力による変位はピン
３３ａ，３３ｃの根本部分の小さな寸法δＦにより規制
され、力の許容値を適切な値とすることができる。又、
逆に、力を基準に考えると、力の許容値に適合するよう
にピン３３ａ，３３ｃの先端の径を設定してテーパーを
形成したとき、モーメントによる変位はテーパーにより
大きくすることができ、これによりモーメントの許容値
を適切な値とすることができる。即ち、ピン３３ａ，３
３ｃにテーパーをつけたことにより、力による変位量を
小さな値で規制し、かつ、モーメントによる変位量を大
きな値で規制することができるので、力およびモーメン
トの許容値を同時に適切なものとすることができる。

なお、上記実施例の説明では、各ピンにテーパーを形成
する例について説明したが、ピンを均一な径とし貫通穴
の内面にテーパーを形成しても同様であり、又、貫通穴
の内面とピンの両方にテーパーを形成してもよいのは明
らかである。さらにこれらテーパーの代りに段を形成し
ても同様の効果を得ることができる。さらに又、上記実
施例の説明では、モーメントが許容値に達したとき貫通
穴の内面とピン外面とが一致する例について説明した
が、必ずしも一致する必要がないのは明らかである。

又、上記実施例の説明では、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のそれぞ
れについての力およびモーメントを検出する荷重検出装
置を例示して説明したが、これに限ることはなく、剛体
ブロツク内に薄肉部を有するものであればどのような荷
重検出装置であつても適用可能である。又、ストツパの
数は検出対象荷重に対応して定めることができる。又、
突出部は必ずしも環状体と一体構成である必要はなく別
体のものを環状体に取付けてもよい。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明では、剛体ブロツクから突出
したピンを剛体部の穴に挿入し、両者の間隙をそれらの
長さ方向において異なるようにしてストツパを構成した
ので、定格値の所定倍以上の力およびモーメントが作用
しても各薄肉部にはそれ以上の力およびモーメントは作
用せず、過大な荷重による薄肉部の塑性変形や破損を防
止することができる。又、このような効果は荷重検出装
置自体の寸法を増加させることなく得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る荷重検出装置の一部破断
斜視図、第２図は第１図に示すストツパ部分の断面図、
第３図(a)，(b)，(c)、第４図(a)，(b)，(c)はそれぞれ
本実施例の動作を説明するための荷重検出装置の断面
図、第５図は従来の荷重検出装置の一部破断斜視図であ
る。１５ａ〜１５ｄ′，２４ａ〜２４ｄ′……薄肉部、１６
ａ……上部環状体、１６ｂ……下部環状体、２２……柱
状体、２２ａ〜２２ｄ……張出部、３０ａ〜３０ｄ……
ストツパ、３２ａ〜３２ｄ……貫通穴、３３ａ〜３３ｄ
……ピン。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】たわみ部を有する剛体ブロツクと、この剛
体ブロツクに異なる所定個所で連結される２つの剛体部
とで構成され、これら２つの剛体部間に作用する荷重を
検出する荷重検出装置において、前記剛体ブロツクの前
記所定個所以外の個所に固定されたピン部材と、このピ
ン部材が間隙を有して挿入される前記剛体部にあけられ
た穴とを設け、前記間隙が前記剛体ブロツク側で小さく
外側で大きくなるように前記穴および前記ピン部材を構
成したことを特徴とする荷重検出装置。
【請求項２】特許請求の範囲第(1)項において、前記剛
体ブロツクは、ほぼ十文字状を形成する２組の張出部を
備えていることを特徴とする荷重検出装置。
【請求項３】特許請求の範囲第(2)項において、前記各
組の張出部は、それぞれ前記２つの剛体部の一方および
他方に連結されていることを特徴とする荷重検出装置。
【請求項４】特許請求の範囲第(1)項において、前記間
隙は、前記荷重が定格値を超える定められた値以上であ
るとき前記ピン部材と前記穴との接触が生じるような寸
法に設定されていることを特徴とする荷重検出装置。
【請求項５】特許請求の範囲第(4)項において、前記接
触は、前記荷重が力であるとき、前記剛体ブロツク側に
おける前記間隙において生じることを特徴とする荷重検
出装置。
【請求項６】特許請求の範囲第(1)項において、前記穴
はその内径が均一に構成され、かつ、前記ピン部材は、
その外径が前記剛体ブロツク側において大きく反対側に
おいて小さく構成されていることを特徴とする荷重検出
装置。
【請求項７】特許請求の範囲第(6)項において、前記ピ
ン部材は、テーパー形状とされていることを特徴とする
荷重検出装置。
【請求項８】特許請求の範囲第(6)項において、前記ピ
ン部材は、段形状とされていることを特徴とする荷重検
出装置。
【請求項９】特許請求の範囲第(1)項において、前記ピ
ン部材は、その外径が均一に構成され、かつ、前記穴
は、その内径が前記剛体ブロツクにおいて小さく反対側
において大きく構成されていることを特徴とする荷重検
出器。
【請求項１０】特許請求の範囲第(9)項において、前記
穴はテーパー形状とされていることを特徴とする荷重検
出装置。
【請求項１１】特許請求の範囲第(9)項において、前記
穴は段形状とされていることを特徴とする荷重検出装
置。