JP2003119818A - 掘削装置、この駆動方法、及び傾斜角計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パワーショベルのバケット部に傾斜角のセン
サを直接取り付けることなく、且つ少ない数のセンサで
そのバケット部の傾斜角を正確に制御する。 【解決手段】 ブーム１３に対するアーム１４の回転角
を油圧シリンダ１８で制御し、土砂を直接掘削する箱型
のバケット１５のアーム１４に対する回転角を油圧シリ
ンダ２１及びリンク機構２４を介して制御する。アーム
１４及びリンク機構２４のリンク部材２５にそれぞれ水
平面に対する傾斜角を検出する傾斜センサ５１及び５２
を取り付けておき、傾斜センサ５１，５２の計測情報及
びリンク機構２４の形状の情報等よりバケット１５の水
平面に対する傾斜角を算出し、この算出結果に基づいて
バケット１５の傾斜角を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば建設工事や
土木工事などの掘削工程で使用される掘削装置、この駆
動方法、及びその掘削装置に装着できる傾斜角計測装置
に関し、特に掘削の最終段階で使用されているパワーシ
ョベル、ホイールローダー、及び除雪用のロータリー車
等に適用して好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、建設工事や土木工事の工事現
場において、地面や土砂を掘削する工程では、油圧式の
パワーショベルが使用されている。従来の実際の現場作
業では、掘削最終面の傾斜角（勾配）は設計書によって
規定されているため、直接掘削面に勾配検出器をあて
て、水平面に対する傾斜角を検出した後、目標とする傾
斜角に近づくようにパワーショベルによる掘削を行うと
いう一連の作業を繰り返すことによって、過掘を防ぐよ
うにしていた。このように直接掘削面に勾配検出器をあ
てる方式では、掘削の最終段階では、オペレータは非常
に慎重に掘削作業を進める必要があるため、作業効率を
高めることができなかった。

【０００３】そこで、掘削作業の効率を高めるために、
最近はパワーショベルのバケット（土砂を直接掘削する
爪の付いた箱型の部材）の底面の傾斜角を計測する装置
が開発されている。図８は、バケット底面の傾斜角を計
測するための第１の従来技術を示し、この図８におい
て、不図示のパワーショベルの本体部にブーム１３が傾
斜自在に設けられ、ブーム１３に回転自在にアーム１４
が設けられ、アーム１４の先端部に回転自在にバケット
１５が取り付けられ、バケット１５に一体的に勾配検出
器５が固定されており、勾配検出器５によってバケット
１５の底面の水平面に対する傾斜角が直接検出されてい
る。この場合、パワーショベルによって工事対象の地面
に底面３ａがほぼ水平面となっている溝３を掘削するも
のとすると、掘削の最終段階では、勾配検出器５によっ
てバケット１５の傾斜角を検出し、この検出結果が所定
の許容範囲内で０となる方向（矢印Ｃの方向）にバケッ
ト１５を動かすように、オペレータがパワーショベルを
操作していた。

【０００４】また、バケット底面の傾斜角を計測するた
めの第２の従来技術として、パワーショベルのブーム、
アーム、及びバケットの駆動角度をそれぞれ計測する３
個のセンサと、パワーショベル本体部の傾斜角を計測す
る傾斜センサとを組み合わせて、これら４個のセンサの
計測値より演算によってバケットの傾斜角を求めるコン
トロールシステムも開発されている。このコントロール
システムでは、バケットには直接センサは取り付けられ
ていなかったが、ブーム、アーム、バケットの駆動角度
を計測するセンサとして、それぞれワイヤーの巻き取り
量から回転角を求めるセンサが使用されていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の如くパワーショ
ベルの作業効率を高めるために、バケット底面の傾斜角
を直接的に、又は間接的に計測する技術が開発されてい
る。しかしながら、第１の従来技術では、図８に示すよ
うに、バケット１５に勾配検出器５を直接装着している
ため、バケットの振動が直接勾配検出器５に伝わり易い
と共に、完全な防水構造を採用するのが困難であるた
め、勾配検出器５が故障し易いという不都合があった。
更に、バケット１５とアーム１４との間に信号ケーブル
を架け渡す必要があるが、バケット１５の激しい振動等
によってその信号ケーブルが断線する恐れもあった。

【０００６】また、パワーショベルにおいては、掘削対
象物に応じてバケットを交換したい場合があるが、バケ
ット自体に勾配検出器を設ける場合には、バケットの交
換が困難であるという不都合もある。一方、第２の従来
技術では、４個のセンサを用いるため、組立調整に時間
を要し、製造コストが高くなるという不都合があった。
また、多くのセンサを用いているため、メンテナンスも
煩雑であるという不都合があった。

【０００７】本発明は斯かる点に鑑み、パワーショベル
等の掘削装置のバケット部に対して傾斜角のセンサを直
接取り付けることなく、且つ少ない数のセンサでそのバ
ケット部の傾斜角を正確に計測又は制御できる技術を提
供することを目的とする。更に本発明は、そのような掘
削装置のバケット部を交換した場合にも、その交換後の
バケット部の傾斜角を容易に少ない数のセンサで正確に
計測又は制御できる技術を提供することをも目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による掘削装置の
駆動方法は、アーム部（１４）に対してリンク機構（２
４）を介して回転自在に設けられたバケット部（１５）
を用いて、被加工面を掘削する掘削装置の駆動方法にお
いて、そのアーム部に第１の傾斜センサ（５１）を取り
付け、そのリンク機構の内のそのアーム部及びそのバケ
ット部とはそれぞれ一体的に変位しない部分（２５）に
第２の傾斜センサ（５２）を取り付けておき、その第１
及び第２の傾斜センサの計測情報に基づいてそのバケッ
ト部の傾斜角を算出し、この算出結果に基づいて、その
バケット部の傾斜角を制御するものである。

【０００９】斯かる本発明によれば、その第１及び第２
の傾斜センサは、それぞれ計測対象部の所定の基準面
（例えば水平面）、又は所定の基準部材に対する傾斜角
（回転角）を検出するものである。そして、そのリンク
機構は、そのバケット部と連動するため、そのアーム部
の傾斜角の情報（第１の傾斜センサの計測情報）とその
リンク機構の一部の傾斜角の情報（第２の傾斜センサの
計測情報）とを用いて、その掘削装置（例えばパワーシ
ョベル、ホイールローダーなど）のバケット部の例えば
底面の傾斜角を正確に算出することができ、この算出結
果に基づいてそのバケット部の傾斜角を正確に制御する
ことができる。

【００１０】なお、その本発明におけるバケット部に
は、パワーショベルなどに装着されて土砂を直接掘削す
るための先端部が開いた箱型の部材の他に、土砂や雪な
どを削る（かき取る）ためのブレード状の部材なども含
まれる。その本発明において、その第１及び第２の傾斜
センサ（５１，５２）は、それぞれ計測対象部の水平面
に対する傾斜角を計測し、この計測情報及びそのリンク
機構（２４）の形状情報に基づいてそのバケット部の水
平面に対する傾斜角を算出することが望ましい。

【００１１】そのリンク機構の形状情報（リンクを構成
する複数の部材の長さ等）と、それらの傾斜センサの水
平面を基準とする計測情報から、そのバケット部の水平
面に対する傾斜角を正確に算出することができる。通常
の建設工事や土木工事では、パワーショベル等の掘削装
置による掘削面の傾斜角を最終的に水平面を基準として
設計値（目標値）に加工する必要がある。従って、本発
明によれば、２つの傾斜センサを用いるのみで、バケッ
ト部の傾斜角を通常の工事で必要とされる角度に容易に
制御することができる。

【００１２】また、一例として、そのバケット部（１
５）の傾斜角の算出結果に基づいて、そのバケット部を
目標とする傾斜角の範囲内に設定した状態で、そのバケ
ット部を被加工面に対して移動するようにしてもよい。
これによって、掘削の最終段階でその被加工面（掘削
面）の傾斜角を容易に設計値に設定することができる。
次に、本発明による掘削装置は、所定の支持部材（１
３）に対して回転自在に設けられたアーム部（１４）
と、このアーム部に対してリンク機構（２４）を介して
回転自在に設けられたバケット部（１５）とを有する掘
削装置において、そのアーム部に対してそのリンク機構
を介してそのバケット部を回転駆動する駆動部（２１）
と、そのアーム部に設けられた第１の傾斜センサ（５
１）と、そのリンク機構の内のそのアーム部及びそのバ
ケット部とはそれぞれ一体的に変位しない部分（２５）
に設けられた第２の傾斜センサ（５２）と、その第１及
び第２の傾斜センサの計測情報に基づいてそのバケット
部の傾斜角を算出する演算部（５３）とを有するもので
ある。

【００１３】斯かる本発明によれば、そのリンク機構
は、そのバケット部と連動するため、そのアーム部の傾
斜角の情報（第１の傾斜センサの計測情報）とそのリン
ク機構の一部の傾斜角の情報（第２の傾斜センサの計測
情報）とを用いて、そのバケット部の例えば底面の傾斜
角を正確に算出することができ、この算出結果に基づい
てそのバケット部の傾斜角を正確に制御することができ
る。

【００１４】この場合、一例として、その第１及び第２
の傾斜センサは、それぞれ計測対象部の水平面に対する
傾斜角を計測し、そのリンク機構は、そのアーム部（１
４）の先端部よりなる第１部材（１４ａ）と、そのバケ
ット部と一体的に設けられた第２部材（３０）と、その
駆動部の先端部とそのバケット部とを連結する第３部材
（２８）と、その第１部材の一端とその第３部材の一端
とを連結する第４部材（２５）とを、それぞれ回転自在
な支点（２３，２６，２７，２９）を介して平行四辺形
状に連結して構成され、その第２の傾斜センサは、その
リンク機構のその第４部材（２５）の傾斜角を計測し、
その演算部は、その計測情報及びそのリンク機構の形状
情報に基づいてそのバケット部の水平面に対する傾斜角
を算出するものである。

【００１５】このようにそのリンク機構が平行四辺形状
である場合には、そのリンク機構の第４部材の傾斜角と
そのバケット部の傾斜角との関係が単純化されるため、
そのバケット部の傾斜角を容易に算出することができ
る。また、そのバケット部の水平面に対する傾斜角を算
出することによって、通常の工事での作業効率を改善す
ることができる。

【００１６】これに関して、そのリンク機構を完全な平
行四辺形としてもよい。この場合には、その第２の傾斜
センサの計測値がそのままそのバケット部の傾斜角にな
るため、演算がより簡単化される。そして、その第１の
傾斜センサの計測値は、そのアーム部の回転角のみを制
御するために使用することができる。又は、そのリンク
機構を完全な平行四辺形ではなく、その第４部材の回転
角に対してそのバケット部（第２部材）の回転角が大き
くなるように構成してもよい。これによって、その第４
部材に設ける第２の傾斜センサの傾斜角の検出角度範囲
を狭くできるため、その第２の傾斜センサを小型化でき
る。

【００１７】また、そのバケット部は、交換可能である
ことが望ましい。これによって、種々の掘削対象物
（面）に対応できると共に、交換後のバケット部に対し
て本発明によってその傾斜角を正確に計測することがで
きる。また、本発明の傾斜角計測装置は、所定の支持部
材（１３）に対して回転自在に設けられるアーム部（１
４）に配置される第１の傾斜センサ（５１）と、そのア
ーム部に対してバケット部（１５）を回転自在に支持す
るためのリンク機構（２４）の内のそのアーム部及びそ
のバケット部とはそれぞれ一体的に変位しない部分（２
５）に配置される第２の傾斜センサ（５２）と、その第
１及び第２の傾斜センサの計測情報とそのリンク機構の
形状情報とに基づいてそのバケット部の傾斜角を算出す
る演算部（５３）とを有するものである。斯かる傾斜角
計測装置は、本発明の掘削装置でバケット部の傾斜角を
計測するために使用することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の一例
につき図面を参照して説明する。図１は、本例の掘削装
置としての油圧式のパワーショベルの概略構成を示し、
この図１において、建設工事（又は土木工事）の現場の
地面（又は河川敷など）上に本例のパワーショベルが設
置されている。このパワーショベルは、その地面に底面
３ａがほぼ水平面となっている断面が長方形の溝３を掘
削する工程で使用されている。

【００１９】図１において、その地面上に、前進後退用
のキャタピラ部１２を介してパワーショベルの本体部１
０が設置され、本体部１０の上部前方に操縦席１１が配
置され、操縦席１１内の操作卓３３（図２参照）でオペ
レータ（不図示）がパワーショベルの操縦を行ってい
る。本体部１０は、キャタピラ部１２上に旋回駆動でき
るように設置され、本体部１０に対して傾斜角が制御で
きる状態で支持部材（又は吊り下げ用の部材）としての
ブーム１３が連結され、ブーム１３の先端部に軸３１を
介して回転自在にアーム１４が連結され、アーム１４の
先端部に軸２７を介して回転自在に保持部材３０の一端
が連結され、保持部材３０に一体的に土砂を直接掘削す
るための先端部が開いた箱型のバケット１５（本発明の
バケット部に対応する）が固定されている。バケット１
５の先端の開口の底部に設けられた爪部の底面１５ａは
ほぼ平面に加工されており、本例ではその底面１５ａを
バケット１５の底面とみなす。

【００２０】また、本体部１０から伸びる第１油圧シリ
ンダ１６の一端が回転可能の軸１７を介してブーム１３
に連結され、第１油圧シリンダ１６の伸縮によって本体
部１０に対するブーム１３の傾斜角が制御される。同様
に、ブーム１３及びアーム１４にそれぞれ回転可能な軸
１９及び２０を介して第２油圧シリンダ１８が連結さ
れ、第２油圧シリンダ１８の伸縮によってブーム１３に
対するアーム１４の回転角が制御される。

【００２１】更に、アーム１４の先端部の軸２７の内側
の軸２６に回転可能にロッド状のリンク部材２５の一端
が連結され、保持部材３０の他端の軸２９及びリンク部
材２５の他端の軸２３の間にロッド状のリンク部材２８
が連結されている。この場合、アーム１４の先端部の軸
２６及び２７の間のロッド状の部分をリンク部材１４ａ
とみなすと、本例では、リンク部材１４ａ、保持部材３
０、リンク部材２８、及びリンク部材２５をそれぞれ回
転可能な軸２７，２９，２３及び２６で平行四辺形状に
連結することによって、リンク機構２４が構成されてい
る。そして、アーム１４に設けられた回転可能な軸２２
とリンク機構２４の軸２３との間に第３油圧シリンダ２
１が連結され、第３油圧シリンダ２１の伸縮によってア
ーム１４に対するリンク機構２４及びバケット１５の回
転角が制御される。即ち、第３油圧シリンダ２１の伸縮
によってリンク機構２４の形状が変化することによっ
て、アーム１４に対するバケット１５の回転角が変化す
る。

【００２２】また、本例のバケット１５は、保持部材３
０と一体的に別の形状の異なるバケット（不図示）と交
換できるように構成されている。交換後のバケットの保
持部材（保持部材３０に対応する）の２つの軸２７，２
９の間隔は、交換前の保持部材３０と同じになるように
規格化されているため、そのバケットの交換は容易に、
且つ迅速に行うことができる。

【００２３】そして、アーム１４の中央付近に、アーム
１４の水平面に対する傾斜角を計測するための第１の傾
斜センサ５１が固定され、リンク機構２４の上部のリン
ク部材２５、即ちアーム１４及びバケット１５とはそれ
ぞれ一体的には変位しないリンク部材にも、このリンク
部材の水平面に対する傾斜角を計測するための第２の傾
斜センサ５２が固定されている。傾斜センサ５１，５２
は、一例としてそれぞれほぼ１２０°（水平面に対して
±６０°）の検出角度範囲で０．１°の計測分解能を有
し、ほぼ±１％（±１°程度）の計測精度（直線性）を
有する。傾斜センサ５１，５２の具体例については後述
する。傾斜センサ５１，５２の検出信号（計測情報）
は、不図示の信号ケーブルを介して操縦席１１内の副制
御系５３（図２参照）に供給されている。

【００２４】この場合、アーム１４及びリンク機構２４
は掘削作業時に直接土砂には触れない部分であるため、
アーム１４に取り付けた傾斜センサ５１、リンク機構２
４の一部に取り付けた傾斜センサ５２、及びこれらから
の信号ケーブルはそれぞれ防塵及び防水用の保護カバー
（不図示）によって完全に覆われている。また、リンク
機構２４には或る程度の衝撃吸収作用があるため、傾斜
センサ５１，５２にはバケット１５自体に加わる程の振
動は作用しない。従って、傾斜センサ５１，５２は常に
安定に動作すると共に、その信号ケーブルの断線も防止
されている。

【００２５】図２は、本例の制御系のブロック図を示
し、この図２において、制御系は大きくパワーショベル
・システム１と傾斜角計測システム２（本発明の傾斜角
計測装置に対応する）とに分かれている。パワーショベ
ル・システム１において、コンピュータよりなる主制御
系３２に対して、オペレータが操作卓３３から各種制御
情報を入力する。その制御情報に応じて主制御系３２
は、図１のパワーショベル全体の動作を統轄制御する。
また、オペレータは、操作卓３３のハンドルやクラッチ
等を操作してキャタピラ駆動系３５を介して図１のキャ
タピラ部１２の移動動作を制御する。この際に、本体部
１０の旋回動作も制御する。それと並行してオペレータ
は、操作卓３３の各種レバーを操作して油圧シリンダ駆
動系３４を介して図１の第１油圧シリンダ１６、第２油
圧シリンダ１８、及び第３油圧シリンダ２１の伸縮動作
を制御する。これによって、ブーム１３、アーム１４、
及びバケット１５による掘削動作が行われる。

【００２６】この掘削動作の際にオペレータがバケット
１５の底面１５ａの水平面に対する傾斜角（回転角）、
又は所定の基準角度からのずれの傾斜角をモニタできる
ように、傾斜角計測システム２が設けられている。傾斜
角計測システム２において、図１の２つの傾斜センサ５
１，５２の検出信号が不図示のアナログ・デジタル変換
器を介してマイクロコンピュータよりなる副制御系５３
（本発明の演算部に対応する）に供給されている。副制
御系５３は、その内部にデータ保持用のＲＡＭ、及びプ
ログラムが記録されたＲＯＭを備えていると共に、必要
に応じて外部の電気的に書き換えが可能な不揮発性のＲ
ＯＭ（例えばフラッシュメモリ）５４から図１のリンク
機構２４の形状に関する情報（形状情報）などを読み出
す。そして、副制御系５３は、傾斜センサ５１，５２の
計測情報及びリンク機構２４の形状情報を用いて以下の
計算を行うことによって、バケット１５の底面１５ａの
水平面に対する傾斜角（以下、「出力角」とも言う）を
求める。

【００２７】図３（Ａ）は、図１中のブーム１３〜バケ
ット１５までの部分の拡大図であり、この図３（Ａ）に
おいて、本例の第１の傾斜センサ５１の検出中心は、リ
ンク機構２４の内のアーム１４上の２つの軸２６及び２
７の中心を通る直線のほぼ延長線上に位置しており、傾
斜センサ５１は、その２つの軸２６，２７の中心を通る
直線の水平面ＨＰ１に対する傾斜角θ１（これを本例で
は「アーム１４の水平面に対する傾斜角」とみなす）を
計測する。同様に第２の傾斜センサ５２の検出中心は、
リンク機構２４の２つの軸２６及び２３の中心を通る直
線上にほぼ位置しており、傾斜センサ５２は、その２つ
の軸２６，２３の中心を通る直線（リンク部材２５の中
心軸）の水平面ＨＰ２に対する傾斜角θ２（これを本例
では「リンク部材２５の水平面に対する傾斜角」とみな
す）を計測する。そして、計算目標（出力角）であるバ
ケット１５の底面１５ａの水平面ＨＰ３に対する傾斜角
をΦとする。以下での傾斜角(deg) の符号は、水平面に
対して時計回りの方向の値を正として、反時計回りの方
向の値を負とする。そのため、図３（Ａ）では、傾斜角
θ１は正の値、傾斜角θ２は負の値である。

【００２８】先ず、リンク部材２５に対するアーム１４
の角度（以下、「入力角」とも言う）θは、次のように
なる。 θ＝θ１−θ２ …（１） ここで、２つの傾斜角θ１，θ２より出力角Φを計算す
るために、本例では予めリンク機構２４の４つの辺の長
さ（図３（Ｂ）参照）であるリンク部材１４ａの長さａ
（軸２６，２７の間隔）、リンク部材２５の長さｂ（軸
２６，２３の間隔）、リンク部材２８の長さｃ（軸２
３，２９の間隔）、及び保持部材３０の長さｄ（軸２
７，２９の間隔）が計測されており、この計測された長
さａ，ｂ，ｃ，ｄの情報が図２のＲＯＭ５４に記憶され
ている。また、軸２７，２９の中心を結ぶ直線に対する
バケット１５の底面１５ａの傾斜角、即ち保持部材３０
に対するバケット１５の傾斜角のオフセットφ０も予め
計測されて、ＲＯＭ５４に記憶されている。本例では、
バケット１５は別のバケットと交換可能であるが、交換
可能の複数のバケットの傾斜角のオフセットがそれぞれ
ＲＯＭ５４に記憶されており、不図示の切り換えスイッ
チによってオペレータが対応するオフセットの情報を入
力できるように構成されている。更に、計算の便宜上、
リンク機構２４の一方の対角線の長さ、即ち軸２３，２
７の間隔をｅとする。

【００２９】図３（Ｂ）は、リンク機構２４を簡略化し
た図であり、この図３（Ｂ）において、軸２３，２６，
２７を頂点とする三角形の軸２６を挟む角度は（１８０
°−θ）であるため、余弦定理より軸２６に対向する辺
の長さ（軸２３，２７を結ぶ対角線の長さ）ｅは次のよ
うに計算できる。 ｅ＝｛ａ² ＋ｂ² −２ａｂcos(１８０°−θ)｝^1/2 …（２） 従って、その三角形に再び余弦定理を適用すると、軸２
７を挟む角度φ１は、次のように求めることができる。

【００３０】 φ１＝cos^-1｛（ｅ² ＋ａ² −ｂ² ）／（２ｅａ）｝ …（３） 次に、軸２３，２９，２７を頂点とする三角形の軸２７
を挟む角度φ２を、余弦定理より次のように計算する。 φ２＝cos^-1｛（ｄ² ＋ｅ² −ｃ² ）／（２ｄｅ）｝ …（４） 従って、軸２７，２９を結ぶ直線と軸２６，２７を結ぶ
直線との角度、即ち図３（Ａ）の保持部材３０に対する
アーム１４の角度φは、次のようになる。

【００３１】φ＝φ１＋φ２ …（５） また、軸２７，２９を結ぶ直線に対するバケット１５の
底面１５ａの傾斜角はφ０であるため、（３）式、
（４）式の計算値を用いて計算目標である水平面ＨＰ３
に対するバケット１５の底面１５ａの傾斜角（出力角）
Φは、次のように求めることができる。

【００３２】 Φ＝θ１−φ＋φ０＝（θ１＋φ０）−（φ１＋φ２） …（６） 逆に、出力角Φから入力角θを算出するためには、図３
（Ｂ）において、軸２６，２９を結ぶ対角線の長さを
ｅ’とすると、（５）式の角度φ（＝−Φ＋φ０＋θ
１）を用いて長さｅ’は次のように計算できる。 ｅ’＝（ａ² ＋ｄ² −２ａｄcos φ）^1/2 …（７） そして、この長さｅ’を用いると、入力角θ（＝θ１−
θ２）は、次のように計算することができる。 θ＝１８０°−cos^-1｛（ｅ’² ＋ａ² −ｄ² ）／（２ｅ’ａ）｝ −cos^-1｛（ｅ’² ＋ｂ² −ｃ² ）／（２ｅ’ｂ）｝ …（８） 一例として、リンクの長さをａ＝５２４（ｍｍ）、ｂ＝
８２７（ｍｍ）、ｃ＝７２６（ｍｍ）、ｄ＝６１１（ｍ
ｍ）として、傾斜角のオフセットφ０を＋１０°とす
る。そして、傾斜センサ５１，５２によって計測される
傾斜角θ１を＋６８°、傾斜角θ２を−２３°とする
と、（１）式、（２）式より一方の対角線の長さｅは次
のようになる。

【００３３】ｅ＝９７１．８（ｍｍ） …（９） この結果を（３）式、（４）式に代入すると、（５）式
より角度φは次のようになる。 φ＝＋１０６．６° …（１０） この結果と傾斜角θ１、オフセットφ０とを（６）式に
代入すると、出力角Φは次のようになる。

【００３４】Φ＝−２８．６° …（１１） 図２に戻り、副制御系５３には、計算した出力角Φの情
報を表示するバケットモニタ５６及びオペレータが副制
御系５３に目標とする出力角等を設定するための角度設
定部５５も接続されている。これらの角度設定部５５及
びバケットモニタ５６は図１の操縦席１１内でオペレー
タが操作できる位置に設置されている。

【００３５】図６は、角度設定部５５及びバケットモニ
タ５６のパネル面を示し、先ず図６の角度設定部５５に
おいて、第１の表示部６３には、図３（Ａ）のバケット
１５の出力角Φの目標値（設定角度）が表示され、第２
の表示部６５には、図３（Ａ）の傾斜センサ５１，５２
の計測値に基づいて副制御系５３によって計算されたバ
ケット１５の出力角Φ（実測値：バケット角度）が表示
される。出力角Φは通常は例えば分解能０．１°の度
（deg)で表示されるが、その他に計測範囲に対する％で
表示するモード、及び計測範囲に対する割・分で表示す
るモードも設けられている。これらの表示モードは表示
切り換えスイッチ６６で切り換えることができる。更
に、角度設定部５５には、出力角Φの目標値に対する実
測値（計算で求められた値）の誤差が＋及び−のときに
点灯する誤差表示ランプ７３も設けられている。

【００３６】また、第１の表示部６３にオペレータが所
望の角度を設定するために、角度を＋方向に変化させる
ための角度設定スイッチ６２Ａ、角度を−方向に変化さ
せるための角度設定スイッチ６２Ｂ、及び表示部６３内
の角度を副制御系５３に設定するための設定スイッチ６
４が設けられている。これに関して、例えばバケット１
５を掘削面に対して所定角度に配置した状態で、バケッ
ト１５の出力角Φを所定値（本例では０°又は９０°）
にプリセットできるように、初期設定スイッチ６８，６
９が設けられている。この場合、オペレータが第１の初
期設定スイッチ６８を操作すると、第２の表示部６５に
は出力角Φの実測値として＋９０°がプリセットされる
と同時に、この設定情報が副制御系５３にも供給され
る。一方、第２の初期設定スイッチ６９を操作すると、
第２の表示部６５には出力角Φの実測値として０°がプ
リセットされると同時に、この設定情報が副制御系５３
にも供給される。それ以降はプリセットした値を初期値
としてバケット１５の傾斜角が表示される。なお、例え
ば電源投入時には、自動的な初期設定として、バケット
１５の出力角Φは、水平面に平行であるときに０°とな
るように表示される。これらの場合に、既に説明したよ
うに、出力角Φは水平面に対して時計回りの方向の値が
＋で、反時計回りの方向の値が−となっている。

【００３７】その出力角Φの目標値及び実測値、並びに
傾斜センサ５１，５２で計測された傾斜角の情報は、副
制御系５３から図２のパワーショベル・システム１の主
制御系３２にも供給されている。本例ではその出力角Φ
の目標値及び実測値の情報に基づいてオペレータがマニ
ュアル方式でバケット１５の傾斜角を制御するが、その
主制御系３２が自動的にバケット１５の傾斜角を制御す
るような自動制御方式も可能である。自動制御する場合
には、一例として図３（Ａ）において、オペレータが油
圧シリンダ１６，１８を制御してブーム１３及びアーム
１４の動作を制御するのと並行して、バケット１５の出
力角Φが目標値に維持されるように主制御系３２が油圧
シリンダ２１を介してバケット１５の回転角を制御する
ようにしてもよい。

【００３８】更に、本例の傾斜角計測システム２には、
バケット１５の出力角Φの目標値に対する実測値の誤差
が所定の許容範囲を超えた場合に警報音を発生する機能
も備えている。そのため、図６の角度設定部５５には、
その警報音のレベルを切り換えるための音量切り換えス
イッチ６７が設けられている。その警報音としては、ブ
ザー音の他に、「誤差がプラスです」のような音声も使
用することができる。一例として、その出力角Φの誤差
が±０．５°を超えるとき（後述のバケットモニタ５６
の表示の分解能が１°の場合）、又は±１°を超えると
き（その表示の分解能が２°の場合）には、警報音が鳴
動するように構成されている。この際に、その誤差が＋
の場合の警報音と−の場合の警報音とは例えば音声によ
る「誤差がプラスです」又は「誤差がマイナスです」の
ように容易に識別できるように設定されている。これに
よって、オペレータは、必ずしも後述のバケットモニタ
５６を目視することなく、掘削面に集中した状態でバケ
ット１５の出力角Φの誤差を認識することができるた
め、作業効率が向上する。

【００３９】次に、図６のバケットモニタ５６におい
て、多数のバーコード状の表示部７１に、角度設定部５
５の第１の表示部６３に設定したバケット１５の底面１
５ａの傾斜角（出力角Φ）の目標値に対する、第２の表
示部６５に表示されているその出力角Φの計算値（実測
値）の誤差が表示されている。また、その誤差の感度を
切り換えるための感度切り換えスイッチ７０も設けられ
ており、オペレータがそのスイッチ７０を操作すること
によって、誤差の分解能を２通り、例えば１°と２°と
に切り換えることができる。現在の分解能は表示部７２
に表示される。誤差の表示の分解能が１°である場合に
は、その誤差が±０．５°以内であるときには表示部７
１の中央の１本の「ＯＫ」の発光部のみが赤色で発光
し、その誤差が１．５°から２．５°であるときには、
表示部７１の中央のすぐ上から＋側の２個分の発光部が
緑色で発光する。そして、その誤差が−１．５°から−
２．５°であるときには、表示部７１の中央の直下から
−側に２個分の発光部が黄色で発光する。従って、オペ
レータは表示部７１の表示から目視によって、その出力
角Φの誤差を分解能１°でほぼ±５°の範囲内で確認す
ることができる。同様に、分解能を２°に切り換えたと
きには、オペレータはその出力角Φの誤差をほぼ±１０
°の範囲内で確認することができる。そして、例えば掘
削の最終段階では、オペレータはその出力角Φの誤差が
許容範囲内に収まるようにバケット１５の動きを操作す
る。

【００４０】次に、本例のパワーショベルを用いて図１
の地面に底面３ａがほぼ水平面となっている溝３を掘削
する際の動作の一例につき説明する。この場合、パワー
ショベルのオペレータは、図６の角度設定部５５を用い
て第１の表示部６３に目標角度として０°を設定し、設
定スイッチ６４を操作してその目標角度を副制御系５３
に知らせて、音量切り換えスイッチ６７を操作して誤差
の警報音のレベルを設定すると共に、バケットモニタ５
６の感度切り換えスイッチ７０を用いて表示部７１の誤
差の表示感度を設定する。なお、自動的な初期設定によ
って、バケット１５の底面１５ａが水平面に平行である
ときに、第２の表示部６５に表示されるバケット１５の
出力角Φの実測値（演算によって求められた値）が０°
になるように設定されている。これに応じて副制御系５
３は、角度設定部５５の第１の表示部６３に０°を設定
し、第２の表示部６５の傾斜センサ５１，５２の計測値
に基づいて計算して得られるバケット１５の出力角Φを
所定のサンプリングレート（例えば１００Ｈｚ程度）で
表示すると共に、バケット１５の出力角Φの目標値に対
する実測値の誤差を角度設定部５５の誤差表示ランプ７
３、及びバケットモニタ５６のバーコード形式の表示部
７１に表示し、更にその誤差に応じた警報音を発生させ
る。

【００４１】この状態でオペレータは、図１のパワーシ
ョベルを操縦して溝３の掘削を行い、その底面３ａの掘
削の最終段階では、バケットモニタ５６の表示部７１の
誤差の表示、又はその誤差に応じた警報音に基づいて、
バケット１５の底面１５ａが水平面に平行になるように
バケット１５を底面３ａに沿って移動させて土砂を掘削
する。

【００４２】図４は、その掘削の最終段階でのバケット
１５の動きの一例を示し、図４（Ａ）に示すように、バ
ケット１５の底面１５ａを溝の底面３ａ上で矢印Ｂで示
す水平方向に移動させる際に、オペレータは例えば図６
のバケットモニタ５６の誤差の表示部７１で中央の「Ｏ
Ｋ」の赤色の発光部のみが発光するように、ブーム１
３、アーム１４、及びバケット１５の動作を制御する。
これによって、バケット１５は図４（Ｂ）に示すよう
に、底面３ａ上を水平方向に移動して、容易に底面３ａ
を水平に掘削することができる。これによって、底面３
ａの過掘も防止することができる。なお、その動作の代
わりに、バケット１５を水平に維持した状態でブーム１
３、アーム１４、及びバケット１５を固定して、図１の
キャタピラ部１２の移動によって底面３ａの掘削を行う
ことによっても、底面を容易に水平に掘削することがで
きる。

【００４３】次に、本例のパワーショベルを用いて図７
に示すように、傾斜面４を水平面に対して所定の角度α
（αは例えば４５°程度）で交差する平面に掘削する場
合の動作の一例につき説明する。この場合、角度αは水
平面に対して反時計回りの角度であるため、バケット１
５の傾斜角の目標値は−αとなる。従って、オペレータ
は、図６の角度設定部５５の第１の表示部に出力角Φの
目標値として−αを設定する。これに応じて副制御系５
３は、バケットモニタ５６の誤差の表示部７１にバケッ
ト１５の出力角Φの目標値（−α）に対する誤差を表示
し、その誤差に応じた警報音も発生させる。そこで、オ
ペレータは、傾斜面４の掘削の最終段階では、その誤差
が許容範囲に収まるようにブーム１３、アーム１４、バ
ケット１５、及びキャタピラ部１２の動作を制御するこ
とで、傾斜面４を容易に水平面に対して角度αの平面に
掘削することができる。

【００４４】なお、この実施の形態において、傾斜面４
の一部が完成しているような場合には、その完成してい
る面にバケット１５の底面１５ａを平行に押し当てた状
態で、図６の角度設定部５５の設定スイッチ６９を操作
して、バケット１５の出力角Φの実測値を０°にプリセ
ットしてもよい。この場合には、第１の表示部６３に設
定する目標値も０°にすればよく、これによって傾斜面
４の全面を実際に完成している面に容易に平行に仕上げ
ることができる。

【００４５】上述のように本例のパワーショベルによれ
ば、アーム１４に設けた傾斜センサ５１及びリンク機構
２４に設けた傾斜センサ５２の計測値、並びにリンク機
構２４の形状の情報に基づいてバケット１５の傾斜角を
演算によって求めているため、バケット１５自体には傾
斜角計測用のセンサを設けることなく、且つ少ない数の
傾斜センサを用いるのみで、バケット１５の傾斜角を正
確に計測することができ、この計測結果に基づいてバケ
ット１５の傾斜角を高精度に制御することができる。ま
た、バケット１５には傾斜センサが配置されていないた
め、バケット１５を別のバケットと交換した場合にも、
交換後のバケットの傾斜角を正確に計測し、制御するこ
とができる利点がある。

【００４６】次に、図３の第１の傾斜センサ５１の具体
例につき図５を参照して説明する。なお、第２の傾斜セ
ンサ５２も同様に構成できる。図５（Ｂ）は傾斜センサ
５１を示す正面図、図５（Ａ）は図５（Ｂ）のＡＡ線に
沿う断面図、図５（Ｃ）は図５（Ｂ）の傾斜センサ５１
を水平面に平行な軸の回りに回転した状態を示す図であ
り、図５（Ａ），（Ｂ）に示すように、本例の傾斜セン
サ５１は、絶縁体よりなり円板状の空洞を持つ密閉容器
５７の内部に第１の１対の半円の金属の電極板５８、及
び第２の１対の半円の金属の電極板５９を隣接して設置
し、これらの電極板５８，５９の内側の空間の半分を満
たすように絶縁性の液体（例えばオイル）６０を充填し
て構成されている。この場合、液体６０の表面は水平面
ＨＰ１に平行になっているため、図５（Ｂ）の状態では
第１の電極板５８の間の静電容量Ｃ１と第２の電極板５
９の間の静電容量Ｃ２とは等しいが、図５（Ｃ）のよう
に傾斜センサ５１が角度θ１だけ回転すると、電極板５
８間の静電容量Ｃ１が増加し、電極板５９間の静電容量
Ｃ２が減少するため、２つの静電容量Ｃ１，Ｃ２の差分
を検出することで、傾斜角θ１を高精度に検出すること
ができる。

【００４７】そこで、外部の検出回路６１では、電極板
５８間の静電容量Ｃ１、及び電極板５９間の静電容量Ｃ
２を検出して、これら２つの静電容量Ｃ１，Ｃ２の差分
に対応する検出信号を生成し、この検出信号を傾斜セン
サ５１の水平面に対する傾斜角θ１を示す信号として出
力している。即ち、本例の傾斜センサ５１は差動静電容
量方式の傾斜センサである。これ以外に、例えば水平面
の基準となる回転体の外部の容器に対する回転角を光学
式のロータリエンコーダ方式で検出する光学式の傾斜セ
ンサ等も使用することができる。

【００４８】なお、上記の実施の形態では、図３（Ａ）
に示すように、第２の傾斜センサ５２はリンク機構２４
の上部のリンク部材５２に固定されているため、バケッ
ト１５の掘削時の振動の影響が最も少なくなっている。
但し、例えば構造上でリンク部材２５が短くなり傾斜セ
ンサ５２用の設置スペースが狭くなるような場合には、
リンク機構２４内でアーム１４及びバケット１５とは一
体的に変位しない別の部材である、外側のリンク部材２
８に傾斜センサ５２を取り付けるようにしてもよい。ま
た、リンク機構２４は平行四辺形状の構造に限られず、
例えば三角形状やそれ以外の他角形状であってもよく、
これらの場合にも第２の傾斜センサ５２は、アーム１４
及びバケット１５とは一体的に変位しない部材に設けれ
ばよい。

【００４９】また、上記の実施の形態では、傾斜センサ
５１，５２は水平面に対する傾斜角を検出している。し
かしながら、図３（Ａ）において、例えばブーム１３の
水平面に対する傾斜角が別のセンサや水準器などで計測
されている場合には、第１の傾斜センサ５１の代わりに
ブーム１３に対するアーム１４の相対回転角を検出する
ロータリエンコーダのような傾斜センサを使用し、第２
の傾斜センサ５２の代わりにアーム１４に対するリンク
部材２５の相対回転角を検出するロータリエンコーダの
ような傾斜センサを使用してもよい。

【００５０】なお、上記の実施の形態は本発明をパワー
ショベルに適用したものであるが、本発明はバケットを
有するホイールローダー、及びブレード（バケット部に
対応する）を有するグレーダーなどの掘削装置にも適用
することができる。前者の場合には、一例として本発明
によってバケットの傾斜角が検出され、この検出結果と
ホイールローダー本体部の傾斜角との差分からバケット
の路面の角度が検出される。後者の場合には、一例とし
て本発明によってブレードの傾斜角が検出される。

【００５１】また、本発明は、掘削装置としての除雪用
のロータリー車にも適用することが可能である。この場
合には、一例として本発明によってロータリー車の本体
部とロータリーオーガー部分（除雪用の回転ブレード
部）との角度差から、ロータリーオーガー部分の道路に
対するアタック角度（交差角）が検出される。更に、上
記の実施の形態は本発明を走行機能を有する掘削装置、
即ち自走式のパワーショベルに適用したものであるが、
本発明は、例えば図１のアーム１４、リンク機構２４、
バケット１５、及び油圧シリンダ２１を含む掘削機構の
みを所定の支持機構で支持して、河川を拡張するような
工事にも適用することができる。その掘削機構のみの部
分も、本発明では「狭義の掘削装置」とみなす。

【００５２】このように本発明は上述の実施の形態に限
定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成
を取り得る。

【００５３】

【発明の効果】本発明によれば、掘削装置のバケット部
に対して所定の位置関係で変位する部分に２つの傾斜セ
ンサを配置しているため、そのバケット部に対して傾斜
角のセンサを直接取り付けることなく、且つ少ない数の
センサでそのバケット部の傾斜角を正確に計測すること
ができる。そして、この計測結果を用いることによっ
て、そのバケット部の傾斜角を正確に制御できる利点が
ある。

【００５４】また、本発明によれば、そのバケット部に
は傾斜角のセンサが配置されていないため、そのバケッ
ト部を交換した場合に、交換後のバケット部に対しても
その傾斜角を正確に計測できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態の一例のパワーショベル
を示す地面を断面とした概略構成図である。

【図２】 図１のパワーショベルの制御系を示すブロッ
ク図である。

【図３】 （Ａ）は図１のブーム１３からバケット１５
までの機構を示す拡大図、（Ｂ）は図３（Ａ）のリンク
機構２４を簡略化して示す図である。

【図４】 バケット１５の底面１５ａを水平に移動して
溝の底面３ａを掘削する場合の動作の説明図である。

【図５】 傾斜センサ５１の具体例を示す図である。

【図６】 図２の制御系中の傾斜角計測システム２の角
度設定部５５及びバケットモニタ５６を示す図である。

【図７】 図１のパワーショベルを用いて傾斜面の掘削
を行う場合を示す地面を断面とした図である。

【図８】 従来のパワーショベルのバケット１５の傾斜
角の計測方法の説明に供する地面を断面とした図であ
る。

【符号の説明】

１…パワーショベル・システム、２…傾斜角計測システ
ム、１０…本体部、１１…操縦席、１３…ブーム、１４
…アーム、１５…バケット、１６，１８，２１…油圧シ
リンダ、２４…リンク機構、２５，２８…リンク部材、
３０…保持部材、５１，５２…傾斜センサ、５３…副制
御系、５５…角度設定部、５６…バケットモニタ

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１３年１０月１５日（２００１．１０．
１５）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図５

【補正方法】変更

【補正内容】

【図５】

フロントページの続き (72)発明者 篁 宏治 長野県飯山市大字常盤1240番地 株式会社 ワイズ内 Ｆターム(参考） 2D003 AA01 AB03 AB04 AC07 BA02 BA06 BB05 DB04 FA02

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アーム部に対してリンク機構を介して回
   転自在に設けられたバケット部を用いて、被加工面を掘
   削する掘削装置の駆動方法において、 前記アーム部に第１の傾斜センサを取り付け、前記リン
   ク機構の内の前記アーム部及び前記バケット部とはそれ
   ぞれ一体的に変位しない部分に第２の傾斜センサを取り
   付けておき、 前記第１及び第２の傾斜センサの計測情報に基づいて前
   記バケット部の傾斜角を算出し、該算出結果に基づい
   て、前記バケット部の傾斜角を制御することを特徴とす
   る掘削装置の駆動方法。
2. 【請求項２】 前記第１及び第２の傾斜センサは、それ
   ぞれ計測対象部の水平面に対する傾斜角を計測し、 該計測情報及び前記リンク機構の形状情報に基づいて前
   記バケット部の水平面に対する傾斜角を算出することを
   特徴とする請求項１に記載の掘削装置の駆動方法。
3. 【請求項３】 前記バケット部の傾斜角の算出結果に基
   づいて、前記バケット部を目標とする傾斜角の範囲内に
   設定した状態で、前記バケット部を被加工面に対して移
   動することを特徴とする請求項１又は２に記載の掘削装
   置の駆動方法。
4. 【請求項４】 所定の支持部材に対して回転自在に設け
   られたアーム部と、該アーム部に対してリンク機構を介
   して回転自在に設けられたバケット部とを有する掘削装
   置において、 前記アーム部に対して前記リンク機構を介して前記バケ
   ット部を回転駆動する駆動部と、 前記アーム部に設けられた第１の傾斜センサと、 前記リンク機構の内の前記アーム部及び前記バケット部
   とはそれぞれ一体的に変位しない部分に設けられた第２
   の傾斜センサと、 前記第１及び第２の傾斜センサの計測情報に基づいて前
   記バケット部の傾斜角を算出する演算部とを有すること
   を特徴とする掘削装置。
5. 【請求項５】 前記第１及び第２の傾斜センサは、それ
   ぞれ計測対象部の水平面に対する傾斜角を計測し、 前記リンク機構は、前記アーム部の先端部よりなる第１
   部材と、前記バケット部と一体的に設けられた第２部材
   と、前記駆動部の先端部と前記バケット部とを連結する
   第３部材と、前記第１部材の一端と前記第３部材の一端
   とを連結する第４部材とを、それぞれ回転自在な支点を
   介して平行四辺形状に連結して構成され、 前記第２の傾斜センサは、前記リンク機構の前記第４部
   材の傾斜角を計測し、 前記演算部は、前記計測情報及び前記リンク機構の形状
   情報に基づいて前記バケット部の水平面に対する傾斜角
   を算出することを特徴とする請求項４に記載の掘削装
   置。
6. 【請求項６】 前記バケット部は、交換可能であること
   を特徴とする請求項４又は５に記載の掘削装置。
7. 【請求項７】 所定の支持部材に対して回転自在に設け
   られるアーム部に配置される第１の傾斜センサと、 該アーム部に対してバケット部を回転自在に支持するた
   めのリンク機構の内の前記アーム部及び前記バケット部
   とはそれぞれ一体的に変位しない部分に配置される第２
   の傾斜センサと、 前記第１及び第２の傾斜センサの計測情報と前記リンク
   機構の形状情報とに基づいて前記バケット部の傾斜角を
   算出する演算部とを有することを特徴とする傾斜角計測
   装置。