JPH0643937B2

JPH0643937B2 - 荷重検出装置

Info

Publication number: JPH0643937B2
Application number: JP62226611A
Authority: JP
Inventors: 龍二高田
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1987-09-11
Filing date: 1987-09-11
Publication date: 1994-06-08
Anticipated expiration: 2009-06-08
Also published as: JPS6469927A

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，１５
ａ′………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ホイ
ートストン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。各薄肉部の変形やホ
イートストン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、荷実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２つの剛体部の少なくとも１つから他の剛体部
と連結された個所の前記剛体ブロツクの端面に面した伸
びた突出部と、前記端面にあけられた穴と、前記突出部
に固定され前記穴に間隙を有して挿入されたピン部材と
を設け、前記間隙が前記剛体ブロツクの中心側で小さく
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，３０ｂ，３０ｃ，３
０ｄはそれぞれ各張出部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２
ｄに構成されるストツパである。１６ａ_１，１６ａ_２は
それぞれ上部環状体１６ａから下方に突出した突出部、
１６ｂ_１，１６ｂ_２はそれぞれ下部環状体１６ｂから上
方に突出した突出部であり、これら各突出部１６ａ_１，
１６ａ_２，１６ｂ_１，１６ｂ_２はストツパ３０ａ，３０
ｂ，３０ｃ，３０ｄの構成の一部を成す。本実施例で
は、上記各ストツパ３０ａ〜３０ｄを含む荷重検出装置
を１つの剛体ブロツクから製造するために各スリツト
Ｓ，Ｓ′，Ｓ″が形成される。このようなスリツトを張
出部２２ａを例にとつて説明する。

張出部２２ａの張出端は第５図に示すように上部環状体
１６ａとは連結されていない。しかし、本実施例の荷重
検出装置の製造工程においては、張出部２２ａの張出端
と上部環状体１６ａは連結された状態で形成され、次い
で両者を分離するため上部環状体１６ａに図示のように
張出部２２ａの幅と等しいかそれより大きい幅の状の
スリツトＳを形成する。そして、スリツトＳの上部環状
体１６ａに沿つた部分はそのまま張出部２２ａの張出端
を縦断して（スリツトＳ′）下部環状体１６ｂに達す
る。次に、外面からスリツトＳ″を形成することによ
り、張出端を縦断したスリツトＳ′は当該外面からのス
リツトＳ″と連結される。これにより張出部２２ａと上
部環状体１６ａとが分離される。この外面からのスリツ
トＳ″は、張出部２２ａと同一構造の張出部２２ｃ側に
おいて図示されている。この結果、上部環状体１６ａか
らは、張出部２２ａおよび下部環状体１６ｂと切離さ
れ、かつ、張出部２２ａの端面に面した突出部１６ａ_１
が突出形成される。突出部１６ａ_２の形成、下部環状体
１６ａからの突出部１６ｂ_１，１６ｂ_２の形成も同様の
方法により行なわれる。

次に、各ストツパ３０ａ〜３０ｄの構成を説明するが、
これら各ストツパの構成は同じであるので、ストツパ３
０ｂの構成についてのみ説明する。第２図はストツパ３
０ｂ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してある。３１は突出部１６ｂ_１に
おいて張出部２２ｂの端面に対向する部分にあけられた
貫通孔である。３２は張出部２２ｂの端面から薄肉部１
５ｂ，１５ｂ′を形成する貫通孔２６ｂまで貫通する貫
通孔であり、貫通孔３１と同軸で同一径に形成される。
３３は大径部３３ａと小径部３３ｂとを有する段付ピン
であり、貫通孔３１，３２に挿入される。この段付ピン
３３の挿入において、大径部３３ａは貫通孔３１に圧入
され、これにより段付ピン３３は突出部１６ｂ_１に固定
される。

一方、小径部３３はテーパーをつけて形成されており、
その先端（貫通孔２６ｂ側）の径が最大であり、その根
本（大径部３３ａとの連結部分）の径が最小となつてい
る。したがつて、段付ピン３３が突出部１６ｂ_１に固定
された状態で、小径部３３ｂの外周面と貫通孔３２の内
壁面との間にギヤツプが生じるが、このギヤツプは、小
径部３３ｂの先端において最小（寸法δＦで示されてい
る）となり、根本において最大（寸法δＭで示されてい
る）となる。これらの寸法δＦ，δＭは予め定められた
値にされている。

ここで、本実施例の動作を説明するが、この動作の説明
は、小径部３３ｂ，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られるので、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３０ｂ，３０ｄについての
みの説明であるが、ストツパ３０ａ，３０ｃの構成も同
じである。

第３図(a)〜(c)は同一径の小径部を備えた荷重検出装置
の断面図である。各図で、第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。３３ｂ′は均一
な径を有する小径部である。この小径部３３ｂ′以外の
構成は本実施例の構成と同じである。小径部３３ｂ′が
均一な径に構成されているので、貫通孔３２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
ｂ，２４ｂ′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２２ｂ，２２ｄも下方に変位
し、小径部３３ｂ′と貫通孔３２の内面との間のギヤツ
プの寸法δも変化し、図の上方において小さくなり、下
方において大きくなる。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、貫通孔３２の内面と小径部３３ｂ′とが接
触し、寸法δは０となる。一方、段付ピン３３の大径部
３３ａが固定されている突出部１６ｂ_１は下部環状体１
６ｂに連結されているので、上部環状体１６ａをそれ以
上変位させようとする力、即ち柱状体２２の各薄肉部を
それ以上変形させようとする力は、上部環状体１６ａか
ら張出部２２ｂ、小径部３３ｂ′、大径部３３ａ、突出
部１６ｂ_１、を介して下部環状体１６ｂに伝達される。
他のストツパ３０ａ，３０ｃ，３０ｄにも同様の動作が
生じる。この結果、上部環状体１６ａ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時計回りに回転変位する。したがつ
て、張出部２２ｂ，２２ｄも回転変位し、小径部３３
ｂ′と貫通孔３２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
は小径部３３ｂ′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、貫通孔３２の突出部１６ｂ
_１，１６ｂ_２側の端縁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、貫
通孔３２の上記端縁と小径部３３ｂ′の根本部分とが接
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小径部３３ｂ′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。
小径部３３ｂ′に対する貫通孔３内面の変位量は、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、段付ピン３３
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)に示すように貫通孔３２の端縁が小径部３３
ｂ′の根本部分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、段付ピン３３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、当該段付
ピンがモーメント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
も段付ピン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、段付ピン３３の小径部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)を参照して本実施例の動作を説
明することにより明らかにする。

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、貫通孔３２の内面に対して小径部
３３ｂの先端および根本は、第２図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２２ｂ、２２ｄが図で下方に
変位し、小径部３３ｂと貫通孔３２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)に示すように小
径部３３ｂと貫通孔３２の内面とが接触する。この接触
は、小径部３３ｂ′がテーパー状に形成されていること
により、径の大きさ小径部３３ｂ′の先端において生じ
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２２ｂ、２２ｄも回転変位し、貫通孔
３２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、小径部３３ｂと貫
通孔３２の内面とが接触する。この接触は、本実施例で
は小径部３３ｂ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、段付ピンの小径部３３ｂの
先端部が大径に、根本部が小径になるように小径部３３
ｂ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、力による変位は小径部
３３ｂの先端部の小さな寸法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小径部３
３ｂ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、小径部３３ｂ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、段付ピンの小径部にテー
パーを形成する例について説明したが、段付ピンを均一
な径とし貫通孔の内面にテーパーを形成しても同様であ
り、又、貫通孔の内面と小径部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孔の内面と小径部外面とが一致す
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うような荷
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、剛体ブロツクから端面
にあけられた穴に、その端面に面して剛体部から突出し
た突出部からピン部材を挿入してストツパを構成し、ピ
ン部材と穴との間隙を長さ方向において異なるようにし
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……上記環状体、１６ｂ……下部環状体、１６ａ_１，
１６ａ_２，１６ｂ_１，１６ｂ_２……突出部、２２……柱
状体、２２ａ〜２２ｄ……張出部、３０ａ〜３０ｄ……
ストツパ、３１，３２……貫通孔、３３……段付ピン、
３３ｂ……小径部。

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２つの剛体部の少
なくとも１つから他の剛体部と連結された個所の前記剛
体ブロツクの端面に面して伸びた突出部と、前記端面に
あけられた穴と、前記突出部に固定され前記穴に間隙を
有して挿入されたピン部材とを設け、前記間隙が前記剛
体ブロツクの中心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、前記剛体ブロツクの中
心側における前記間隙において生じ、前記荷重がモーメ
ントであるとき、前記剛体ブロツクの外側における前記
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の中心側において大き
く外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の中心側において小さ
く外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。