(57)【要約】【課題】荷重の作用方向が変化しても、高精度な測定を安価に行うことができるピン型ロードセルを提供すること。【解決手段】ピン４Ａと、ピンの軸方向に設けられたピン穴４Ｂと、ピン穴におけるピンの周方向に等間隔で配置され、それぞれピンの径方向外側にへこんだ４つの凹部１５と、４つの凹部のうち１つの凹部に取り付けられた第１ひずみセンサ８と、第１ひずみセンサが取り付けられた凹部に対してピンの周方向において隣接する凹部に取り付けられた第２ひずみセンサ９と、４つの凹部のうちピンの周方向において隣り合う２つの凹部を接続する合計４つの接続部１６とを備え、４つの接続部におけるピンの厚みを、４つの凹部におけるピンの厚みよりも厚くする。【選択図】図５
2010281783.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
前記ピン穴における前記ピンの周方向に等間隔で配置され、それぞれ前記ピンの径方向外側にへこんだ４つの凹部と、
前記４つの凹部のうち１つの凹部に取り付けられた第１ひずみセンサと、
前記第１ひずみセンサが取り付けられた凹部に対して前記ピンの周方向において隣接する凹部に取り付けられた第２ひずみセンサと、
前記４つの凹部のうち前記ピンの周方向において隣り合う２つの凹部を接続する合計４つの接続部とを備え、
前記４つの接続部における前記ピンの厚みは、それぞれ、前記４つの凹部における前記ピンの厚みよりも厚いことを特徴とするピン型ロードセル。
【請求項２】
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、
前記ピン穴における前記ピンの周方向に等間隔で配置され、それぞれ前記ピンの径方向外側にへこんだ４つの凹部と、
前記ピンの外周面上であって、前記４つの凹部のうち１つの凹部から前記ピンの径方向における外側に取り付けられた第１ひずみセンサと、
前記ピンの外周面上であって、前記１つの凹部に対して前記ピンの周方向において隣接する凹部から前記ピンの径方向外側に取り付けられた第２ひずみセンサと、
前記４つの凹部のうち前記ピンの周方向において隣り合う２つの凹部を接続する合計４つの接続部とを備え、
前記４つの接続部における前記ピンの厚みは、それぞれ、前記４つの凹部における前記ピンの厚みよりも厚いことを特徴とするピン型ロードセル。
【請求項３】
請求項１又は２記載のピン型ロードセルにおいて、
前記４つの凹部は、前記ピンの径方向における断面において、それぞれ円弧状に形成されており、
前記４つの凹部における各円弧の中心点は、前記ピンの径方向における断面において、それぞれ、正方形の頂点に位置しており、
前記正方形の中心点は、前記ピンの中心に位置することを特徴とするピン型ロードセル。
【請求項４】
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を備え、
前記ピン穴は、
前記ピンの中心を挟んで対向して配置された互いに平行な２つの面であって、前記ピンの中心からの距離がそれぞれ等しい２つの面から成る第１対向面と、
前記第１対向面を前記ピンの中心を中心に９０゜回転させた２つの平面に相当する第２対向面と、
前記第１対向面及び前記第２対向面を形成する面のうち前記ピンの周方向において隣り合う２つの面を接続する合計４つの接続面とによって形成されており、
前記４つの接続面は、前記第１対向面及び前記第２対向面を形成する４つの面よりも前記ピンの中心側に位置しており、
前記第１対向面における一方の面には第１ひずみセンサが取り付けられており、
前記第２対向面における一方の面には第２ひずみセンサが取り付けられていることを特徴とするピン型ロードセル。
【請求項５】
請求項１から４いずれかに記載のピン型ロードセルにおいて、
前記ピン穴は、貫通孔であることを特徴とするピン型ロードセル。
【請求項６】
請求項１から５いずれかに記載のピン型ロードセルにおいて、
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ピン型ロードセル。
【請求項７】
請求項１から６いずれかに記載のピン型ロードセルにおいて、
前記第１ひずみセンサ及び前記第２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。
【請求項８】
請求項１から７いずれかに記載のピン型ロードセルにおいて、
前記第１ひずみセンサの取付部と前記ピンにおける同一周上に位置する部分であって、前記第１ひずみセンサの取付部と対向する部分に取り付けられた第３ひずみセンサと、
前記第２ひずみセンサの取付部と前記ピンにおける同一周上に位置する部分であって、前記第２ひずみセンサの取付部と対向する部分に取り付けられた第４ひずみセンサとをさらに備えることを特徴とするピン型ロードセル。
【請求項９】
請求項１から８いずれかに記載のピン型ロードセルでリンクを連結するリンク機構部を備える作業機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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１０−０３８７１３号公報、実開平０３−０５６１８２号公報等参照）。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−０３８７１３号公報
【特許文献２】実開平０３−０５６１８２号公報
【特許文献３】特開昭６１−１４５４２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
本発明の目的は、荷重の作用方向が変化しても、高精度な測定を安価に行うことができるピン型ロードセルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記目的を達成するために、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、前記ピン穴における前記ピンの周方向に等間隔で配置され、それぞれ前記ピンの径方向外側にへこんだ４つの凹部と、前記４つの凹部のうち１つの凹部に取り付けられた第１ひずみセンサと、前記第１ひずみセンサが取り付けられた凹部に対して前記ピンの周方向において隣接する凹部に取り付けられた第２ひずみセンサと、前記４つの凹部のうち前記ピンの周方向において隣り合う２つの凹部を接続する合計４つの接続部とを備え、前記４つの接続部における前記ピンの厚みは、それぞれ、前記４つの凹部における前記ピンの厚みよりも厚いものとする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、種々の方向から荷重の作用したときにおけるピンのつぶれ変形によるひずみの偏差を小さくできるので、荷重の作用方向が変化しても高精度な測定を安価に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施の形態である作業機械の側面図。
【図２】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３】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。
【図４】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５】図４中のＡ−Ａ’断面図。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る４つの凹部の配置に関する説明図。
【図７】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。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係るひずみセンサの固定例を示す図。
【図９】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横断面図。
【図１０】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における当該ピン型ロードセルの横断面図。
【図１１】比較例のピン型ロードセルに対して荷重作用方向を変化させた場合の測定誤差発生状況を示す図。
【図１２】本発明の第１の実施のピン型ロードセルに対して荷重作用方向を変化させた場合の測定誤差発生状況を示す図。
【図１３】本発明の第１の実施におけるピン型ロードセルの第１変形例の横断面図。
【図１４】本発明の第１の実施におけるピン型ロードセルの第２変形例の横断面図。
【図１５】本発明の第１の実施の形態係るひずみセンサのさらに他の配置例を示す図。
【図１６】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。
【図１７】半導体ひずみセンサの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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いる。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８，９，１０，１１，８Ａ，９Ａ，１０Ａ，１１Ａ（（以下において「ひずみセンサ８〜１１Ａ」と略すことがある））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８〜１１Ａ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。
【００１７】
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（ピン４Ａの軸方向における断面図）であり、図５は図４中のＡ−Ａ’断面図（ピン４Ａの径方向における断面図）である。また、図６は本発明の第１の実施の形態に係る４つの凹部１５の配置に関する説明図であり、図７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）。
【００１８】
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、ピン穴４Ｂの壁面に設けられた４つの凹部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ（以下において「凹部１５」と略すことがある）と、ピン４Ａの周方向において隣り合う２つの凹部１５を接続する合計４つの接続部１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄ（以下において「接続部１６」と略すことがある）と、４つの凹部１５に取り付けられたひずみセンサ８〜１１Ａ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。
【００１９】
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。また、ピン４Ａには、ピン内部にひずみセンサ８〜１１Ａ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。
【００２０】
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。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。なお、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。
【００２１】
４つの凹部１５は、図５に示すように、ピン穴４Ｂにおけるピン４Ａの周方向に等間隔で配置されている。すなわち、凹部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄは、中心軸１００を中心にしてピン４Ａの周方向に９０゜の間隔で配置されている。また、荷重が作用する際の対称性を保持するために、４つの凹部１５はそれぞれ同一の形状で形成することが好ましい。
【００２２】
本実施の形態における４つの凹部１５は、図５の断面（ピン４Ａの径方向における断面）において、それぞれ円弧状に形成されている。また、本実施の形態における４つの凹部１５は、図６に示すように、ピン４Ａの径方向における断面において、各円弧の中心点が正方形４Ｃの頂点にそれぞれ位置するように配置されている。さらに、本実施の形態における４つの凹部１５は、半径が同一の円弧で形成されており、正方形４Ｃの中心点はピン４Ａの中心（中心軸１００）と一致している。このように凹部１５を同一の半径の円弧で形成すると、ドリル等の一般的な工作機械で穴を開けることができるので、ピン穴４Ｂを容易に加工することができる。
【００２３】
接続部１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄは、４つの凹部１５のうちピン４Ａの周方向において隣り合う２つの凹部１５を接続する部分であり、ピン４Ａの周方向において合計４箇所に設けられている。また、各接続部１６におけるピン４Ａの厚み（ピン穴４Ｂの壁面からピン４Ａの表面までの距離）は、それぞれ、４つの凹部１５におけるピン４Ａの厚みよりも厚くなっている。すなわち、図５に示すように、ひずみセンサ８〜１１が取り付けられた面を通過する円Ｃを設定すると、各接続部１６は円Ｃよりもピン４Ａの中心側に位置している。このように接続部１６におけるピン４Ａの厚みを厚くすると、各接続部１６に荷重が作用したときにおけるピン４Ａの断面形状のつぶれ変形の発生を抑制することができる。なお、本稿における「ピン４Ａの断面形状のつぶれ変形」とは、後述する図９に示すように、ピン４Ａに荷重が作用したとき、ピン４Ａの径方向における断面において、当該断面の形状がつぶれるように変形することを示すものとする。
【００２４】
また、本実施の形態における接続部１６は、ピン穴４Ｂにおいて凸状の部分となっている。さらに詳細には、図５に示すようにひずみセンサ９の設置位置を０゜として角度を設定すると、接続部１６Ａは３１５゜の位置に設置されており、接続部１６Ｂは４５゜の位置に設置されており、接続部１６Ｃは１３５゜の位置に設置されており、接続部１６Ｄは２２５゜の位置に設置されている。
【００２５】
ひずみセンサ８は凹部１５Ａの底部に取り付けられており、ひずみセンサ９は凹部１５Ｂの底部に取り付けられており、ひずみセンサ１０は凹部１５Ｃの底部に取り付けられており、ひずみセンサ１１は凹部１５Ｄの底部に取り付けられている。さらに、これらのひずみセンサ８，９，１０，１１は、ピン穴４Ｂの壁面における同一周上に位置している。すなわち、ひずみセンサ８，９，１０，１１はＡ−Ａ’断面上に位置するように配置されている。
【００２６】
ひずみセンサ８Ａ，９Ａ，１０Ａ，１１Ａは、図３に示すように、それぞれ、ひずみセンサ８，９，１０，１１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８Ａは凹部１５Ａに、ひずみセンサ９Ａは凹部１５Ｂに、ひずみセンサ１０Ａは凹部１５Ｃに、ひずみセンサ１１Ａは凹部１５Ｄに取り付けられている。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観点からは、各ひずみセンサ８〜１１Ａは、図８に示したセンサ９のようにピン４Ａの軸方向（長手方向）に対して４５゜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ピン穴４Ｂの壁面に直接固定することが好ましい。また、ひずみセンサ８〜１１Ａ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。
【００２７】
なお、本実施の形態では、図５に示すように、同一周上に４つのひずみセンサ８，９，１０，１１を設けた。しかし、図７に示すピン型ロードセル４３のように、ピン４Ａの周方向において隣接する２つの凹部１５を４つの凹部１５の中から任意に選択し、その選択した２つの凹部１５に対して１つずつひずみセンサを取り付けても良い。図７に示した場合は、４つの凹部１５のうちの１つである凹部１５Ａにひずみセンサ（第１ひずみセンサ）８を取り付け、その第１ひずみセンサが取り付けられた凹部１５Ａに対してピン４Ａの周方向において隣接する凹部１５Ｂにひずみセンサ（第２ひずみセンサ）９を取り付けた場合である。このように少なくとも２つのひずみセンサがあれば、荷重方向が変化した場合でも荷重を検出することができる。
【００２８】
なお、先述のように、第１ひずみセンサ８の取付部とピン４Ａにおける同一周上に位置する部分であって、第１ひずみセンサ８の取付部とピンの中心１００を介して対向する部分（すなわち、凹部１５Ｃの底部）にひずみセンサ（第３ひずみセンサ）１０を取り付け、さらに、第２ひずみセンサ９の取付部とピン４Ａにおける同一周上に位置する部分であって、第２ひずみセンサ９の取付部とピンの中心１００を介して対向する部分（すなわち、凹部１５Ｄの底部）にひずみセンサ（第４ひずみセンサ）１１を取り付けて同一周上に４つのひずみセンサを設けると、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、測定精度を向上できる点がメリットとなる。
【００２９】
ところで、ひずみセンサ８〜１１Ａ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。後に図１７を用いて詳述するが、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、ピン型ロードセルの測定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こと、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。
【００３０】
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は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おり、ピン溝１３はその幅内にひずみセンサ８Ａ，９Ａ，１０Ａ，１１Ａが収まるように形成されている。このようにピン溝１２，１３にセンサ８〜１１Ａ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）の位置を決定することが容易となる。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。ここでは、図９から図１１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。
【００３４】
図９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横断面図（ピン４Ａの径方向における断面図）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と比較してピン穴の断面形状のみが異なっており、円形状のピン穴４Ｄを備えている。なお、図９では図５と同様にひずみセンサ９の設置位置を０゜として角度を設定しており、以下においては当該角度に基づいて荷重の作用方向を規定することがある。
【００３５】
図１０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におけるピン型ロードセル５４の横断面である。図１０（ａ）は、ピン型ロードセル５４に対して、ひずみセンサ９の取付部（図９における０゜の位置）から中心軸１００に向かう方向に荷重が作用した場合の横断面図であり、図１０（ｂ）は、ひずみセンサ９の取付部とひずみセンサ１０の取付部の間（図９における４５゜の位置）から中心軸１００に向かう方向に荷重が作用した場合の横断面図である。図１０に示すようにピン型ロードセル５４に荷重が負荷されると、ピン４Ａの断面形状は荷重の作用方向に応じてつぶれるように変形（つぶれ変形）する。
【００３６】
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８〜１１Ａで検出したいのは、ピンのせん断変形によるひずみ（ピンの長手方向（軸方向）に対して４５゜方向に発生するひずみ）である。しかし、ピン型ロードセル５４では、このせん断変形によるひずみに加えて、ピンの断面形状のつぶれ変形によるひずみ（以下において「つぶれ変形によるひずみ」と略すことがある）も発生してしまう。発明者らは、このつぶれ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、つぶれ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部に対する荷重の作用方向（荷重作用角度）によってつぶれ変形によるひずみが変化するため、測定誤差が発生するのである。そのため、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、ピン型ロードセル５４に対して、荷重作用方向を変化させた場合の測定誤差の発生状況を調査した。
【００３７】
図１１は、比較例であるピン型ロードセル５４に対して、荷重作用方向を変化させた場合の測定誤差発生状況を示す図である。この図では、荷重作用方向を図９で設定した角度に基づいて規定しており、ひずみセンサ９の取付部から中心軸１００に向かって荷重が作用する場合を荷重作用角度０゜とした。
【００３８】
図１１に示すように、荷重作用角度を０゜から３６０゜まで変化させた場合、測定誤差は荷重作用角度に応じて変化し、荷重作用角度が４５゜，１３５゜，２２５゜，３１５゜のときに特に大きくなることが分かった。これらの角度は、ピン４Ａの周方向における各ひずみセンサ８，９，１０，１１の取付部の中間部分に位置している。さらに、発明者らは、荷重作用角度が４５゜，１３５゜，２２５゜，３１５゜のときに誤差が大きくなるのは、これらの方向から荷重が作用した場合のつぶれ変形によるひずみが特に大きくなるためであることを知見した。そこで、発明者らは、つぶれ変形の影響を受けやすい４５゜，１３５゜，２２５゜，３１５゜のときにおけるピン４Ａ自体のつぶれ変形の発生を抑制することにより、その他の方向から荷重が作用したときにおけるつぶれ変形によるひずみ間に生じる偏差を小さくすることを考えた。
【００３９】
本実施の形態におけるピン型ロードセル４は、上記の技術的思想に基づいて形成されたものであって、４つの凹部１５と、ピン４Ａの周方向において隣り合う２つの凹部１５を接続する４つの接続部１６と、ピン４Ａの周方向において隣り合う２つの凹部１５に取り付けられたひずみセンサ８，９を備えており、４つの接続部１６におけるピン４Ａの厚みは４つの凹部１５におけるピン４Ａの厚みよりも厚くなっている。すなわち、本実施の形態におけるピン型ロードセル４には、上記の４５゜，１３５゜，２２５゜，３１５゜方向におけるピン４Ａの厚みが厚くなるように、接続部１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄが設けられている。
【００４０】
このようにピン型ロードセル４を設けると、４５゜，１３５゜，２２５゜，３１５゜方向から荷重を受けたときのつぶれ変形の発生を抑制できるので、その他の方向から荷重が作用したときにおけるつぶれ変形によるひずみ間に生じる偏差を小さくすることができる。そのため、種々の方向から荷重が作用したときに発生するつぶれ変形によるひずみの差を低減できるので、つぶれ変形によるひずみが荷重の作用方向に関わらず概ね一定であるとみなすことができる。これにより、つぶれ変形によるひずみを除外して、せん断ひずみのみに基づいて荷重を算出することができるので、種々の方向から作用する荷重の測定誤差を小さくすることができる。
【００４１】
図１２は、本実施の形態のピン型ロードセル４に対して、荷重作用方向を変化させた場合の測定誤差発生状況を示す図である。この図に示すように、本実施の形態のピン型ロードセル４によれば、４５゜，１３５゜，２２５゜，３１５゜方向から荷重が作用した場合にも測定誤差の発生を抑制できることが分かる。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する場合等でも、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８〜１１Ａ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。
【００４２】
なお、本実施の形態における４つの接続部１６におけるピン４Ａの厚みは、ピン４Ａに種々の方向から荷重が作用したときにおけるピン４Ａの断面形状のつぶれ変形量が一定に近づくように設定することが好ましい。このように接続部１６を設けると、種々の方向から荷重が作用したときに発生するつぶれ変形によるひずみを一定に近づけることができるので、荷重の測定精度を向上させることができるからである。例えば、本実施の形態のように円弧状の凹部１５を組み合わせて接続部１６を形成した場合に、４５゜，１３５゜，２２５゜，３１５゜におけるつぶれ変形量が他の方向と比較して抑制され過ぎる場合には、次のように調節すると良い。
【００４３】
図１３は本実施の形態におけるピン型ロードセルの第１変形例の横断面図である。この図に示すピン型ロードセル４１における接続部１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄは、それぞれ、切り欠き部１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ，１７Ｄ（以下において「切り欠き部１７」と略すことがある）を備えている点で、先に説明したピン型ロードセル４と異なる。
【００４４】
切り欠き部１７は、ピン型ロードセル４における凸状の接続部１６において中心軸１００側に位置する凸部を削って形成した部分である。凸部を削る程度は、荷重の作用方向を変更したときのピン４Ａの断面形状のつぶれ変形量が一定に近づくように調節されている。このように接続部１６に切り欠き部１７を設けると、種々の方向から荷重が作用したときに発生するつぶれ変形によるひずみを一定に近づけることができるので、荷重の測定精度を向上させることができる。なお、図１３に示した場合と逆に、４５゜，１３５゜，２２５゜，３１５゜におけるつぶれ変形量が他の方向と比較して大きい場合には、ピン型ロードセル４の接続部１６におけるピン４Ａの厚さをさらに厚くすることでつぶれ変形量を一定に調節すれば良いことはいうまでもない。
【００４５】
図１４は本実施の形態におけるピン型ロードセルの第２変形例の横断面図である。本変形例は、断面形状が多角形となるようにピン穴４Ｂを形成している点に特徴がある。
【００４６】
この図に示すピン型ロードセル４２は、２つの平面１８Ａ，１８Ｂから成る第１対向面１８と、２つの平面１９Ａ，１９Ｂから成る第２対向面１９と、第１対向面１８及び第２対向面１９を形成する合計４つの面（平面１８Ａ，１８Ｂ，１９Ａ，１９Ｂ）のうちピン４Ａの周方向において隣り合う２つの面を接続する合計４つの接続面１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄを備えている。
【００４７】
第１対向面１８を構成する２つの平面１８Ａ，１８Ｂは、ピン４Ａの中心１００を挟んで対向して配置された互いに平行な面であり、ピン４Ａの中心１００からの距離がそれぞれ等しくなるように設置されている。また、第２対向面１９を構成する２つの平面１９Ａ，１９Ｂは、第１対向面１８における２つの平面１８Ａ，１８Ｂをピン４Ａの中心１００を中心に９０゜回転させた面に相当する。
【００４８】
平面１８Ａにはひずみセンサ８が取り付けられており、平面１９Ａにはひずみセンサ９が取り付けられており、平面１８Ｂにはひずみセンサ１０が取り付けられており、平面１９Ｂひずみセンサ１１が取り付けられている。また、ひずみセンサ８，９，１０，１１は、ピン４Ａにおける同一周上に取り付けられている。特に図示して説明しないが、ひずみセンサ８，９，１０，１１からピン４Ａの軸方向に間隔を介した位置には、図４の場合と同様にひずみセンサ８Ａ，９Ａ，１０Ａ，１１Ａが配置されている。
【００４９】
なお、ここでは、同一周上に４つのひずみセンサ８，９，１０，１１を設けた場合について説明するが、図７に示した例と同様に、４つの平面１８Ａ，１８Ｂ，１９Ａ，１９Ｂの中から互いに直交する２つの平面を任意に選択し、その選択した２つの平面に対して１つずつひずみセンサ（第１ひずみセンサ、第２ひずみセンサ）を取り付けても良い。すなわち、種々の方向から作用する荷重を測定する観点からは、第１対向面１８における一方の面及び第２対向面１９における一方の面に、それぞれ１つずつひずみセンサを取り付ければ足りる。
【００５０】
４つの接続面１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄは、第１対向面１８及び第２対向面１９を形成する合計４つの面（平面１８Ａ，１８Ｂ，１９Ａ，１９Ｂ）よりもピン４Ａの中心１００側に位置している。これは、図１４における４つの平面１８Ａ，１８Ｂ，１９Ａ，１９Ｂ及び４つの接続面１６と円Ｃとの関係から明らかである。
【００５１】
上記のようにピン型ロードセル４２を形成しても、ピン穴の断面形状が円である場合と比較して、４５゜，１３５゜，２２５゜，３１５゜方向におけるピン４Ａの厚みを厚くすることができる。したがって、４５゜，１３５゜，２２５゜，３１５゜方向から荷重を受けた場合のつぶれ変形の発生を抑制できるので、先に示したピン型ロードセル４と同様の効果を得ることができる。なお、図１４では、ピン４Ａの径方向におけるピン穴４Ｂの断面形状が八角形の場合について説明したが、各接続面１６をそれぞれ２以上の面を組み合わせて形成し、ピン穴４Ｂの断面形状を１２角形以上にしても良い。
【００５２】
ところで、上記の各実施の形態では、ひずみセンサ８〜１１Ａをピン穴４Ｂの壁面（すなわち、凹部１５、第１対向面１８、第２対向面１９）に取り付けたが、ピン４Ａの外周面上に取り付けても良い。ここでは、図５に示した例におけるひずみセンサ８〜１１Ａをピン４Ａの外周面上に取り付けた場合について説明する。
【００５３】
図１５は本発明の第１の実施の形態係るひずみセンサのさらに他の配置例を示す図である。この図におけるひずみセンサ８〜１１は、ピン４Ａの外周面上であって、各凹部１５からピン４Ａの径方向における外側にそれぞれ取り付けられている。すなわち、ひずみセンサ８〜１１は、図５に示した例と同様の姿勢でピン溝１２内に取り付けられている。なお、特に図示して説明しないが、ひずみセンサ８Ａ〜１１Ａも同様にピン溝１３内に取り付けられている。
【００５４】
このようにひずみセンサ８〜１１Ａをピン４Ａの外周面上に取り付けると、図５に示した例等のようにピン４Ａの内部に取り付ける場合と比較してひずみセンサ８〜１１Ａへのアクセスが容易になるので、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８〜１１Ａ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。なお、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８〜１１Ａ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８〜１１Ａ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。
【００５５】
ところで、図５の例等のようにピン４Ａの内部にひずみセンサ８〜１１Ａ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、ピン４Ａの外周面上に取り付ける場合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８〜１１Ａを中心軸１００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。
【００５６】
なお、ピン４Ａの外周面上にひずみセンサを取り付ける場合にも、ピン４Ａにおける同一周上に少なくとも２つのひずみセンサ（例えば、ひずみセンサ８，９）を取り付ければ荷重が測定可能なことは先の場合と同様である。具体的には、図５の例のようにピン穴４Ｂに４つの凹部１５が設けられている場合には、ピン４Ａの外周面上に取り付けられたひずみセンサであって、４つの凹部１５のうち任意の１つである凹部１５Ａからピン４Ａの径方向外側に取り付けられたひずみセンサ（第１ひずみセンサ）８と、ピン４Ａの外周面上に取り付けられたひずみセンサであって、先の凹部１５Ａに対してピン４Ａの周方向において隣接する凹部１５Ｂからピン４Ａの径方向外側に取り付けられたひずみセンサ（第２ひずみセンサ）９を取り付ければ足りる。また、図１４の例のようにピン穴４Ｂの断面形状が多角形の場合には、ピン４Ａの外周面上に取り付けられたひずみセンサであって、第１対向面１８における一方の面からピン４Ａの径方向外側に取り付けられたひずみセンサ（第１ひずみセンサ）８と、ピン４Ａの外周面上に取り付けられたひずみセンサであって、第２対向面１９における一方の面からピン４Ａの径方向外側に取り付けられたひずみセンサ（第２ひずみセンサ）９を取り付ければ足りる。
【００５７】
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１６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。
【００５８】
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８〜１１Ａ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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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８〜１１Ａ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。
【００６２】
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期間の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。
【００６３】
ところで、第１の実施の形態では、ひずみセンサ８〜１１Ａとして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。
【００６４】
図１７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１７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。
【００６５】
このようにひずみセンサ８〜１１Ａ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。
【００６６】
なお、シリコン基板表面には、図１７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。
【００６７】
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。
【符号の説明】
【００６８】
４      ピン型ロードセル
４Ａ    ピン
４Ｂ    ピン穴
４Ｃ    正方形
６Ｃ    作業装置
７      履体
８，９，１０，１１，８Ａ，９Ａ，１０Ａ，１１Ａ    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
１５    凹部
１６    接続部
１７    切り欠き部
１８    第１対向面
１９    第２対向面
２１    増幅器
２２    温度センサ
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
１００    ピンの中心軸
２００    作業機械
【図１】
2010281783.tif 000003
【図２】
2010281783.tif 000004
【図３】
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【図４】
2010281783.tif 000006
【図５】
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【図６】
2010281783.tif 000008
【図７】
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【図８】
2010281783.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2010281783.tif 000015
【図１４】
2010281783.tif 000016
【図１５】
2010281783.tif 000017
【図１６】
2010281783.tif 000018
【図１７】
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