JP2010233453A - 耕深測定装置及び方法、並びにトラクタ - Google Patents

Abstract

【課題】高精度かつ適切なタイミングで耕深測定を行う。
【解決手段】ロータリ作業機の水平面に対する傾斜量θから求められる、ポテンショメータの取り付け位置ａからロータリ作業機の最下点までの鉛直方向に関する距離（β＋γ）と、未耕起圃場の表面において、ポテンショメータにより検出される高さαと、を用いて、ロータリ作業機の耕深Ｌを算出するので、耕耘後の圃場表面の高さから耕深量を算出するような場合よりも、適切なタイミングで耕深Ｌを算出することができるとともに、ロータリ作業機の傾斜量θも考慮して耕深を算出することで、高精度に耕深Ｌを算出することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、耕深測定装置及び方法、並びにトラクタに関し、特に耕耘作業機の耕耘深度を測定する耕深測定装置及び方法、並びに前記耕深測定装置を備えるトラクタに関する。

水田においては、耕盤の深さ、すなわち作土層の厚さが、作物の生育に大きく影響する。すなわち、一定の耕深で耕耘を行うことにより、作土層の厚さを均一にすることができれば、作物の生育むらを減少させることができる。このように、耕深を一定に保つためには、耕耘作業機を、圃場の表面（地面）に対し一定高さ（一定姿勢）に制御する技術が必要となる。

最近では、耕耘作業機の地面からの高さを制御する技術として、耕耘作業機の後方に設けられたリヤカバーの動きを検知し、リヤカバーの揺動する角度に応じて耕耘作業機の高さを上下させるもの、が出現してきている（例えば、特許文献１〜４参照）。また、耕耘作業機の前あるいは後ろに取り付けた接地輪で、耕耘作業機の下降を規制し、地面からの高さを一定に保つものもある（例えば、特許文献５参照）。

特開２００８−２１１９７１号公報 特開２００５−１９８５２２号公報 特開２０００−１８４８０５号公報 特開平１１−２２５５０５号公報 特開２００１−１３６８１０号公報

しかしながら、上述したリヤカバーの動きを検知する技術では、耕耘後の表面高さを検出するため、土性や土壌水分状態によって変化する、耕耘時に形成される土塊の大きさの影響を受けて、正確な制御を行えないおそれがある。また、耕耘後のタイミングで表面高さを検出するため、耕耘作業機の高さ制御に遅れが生じるおそれもある。

また、上述した接地輪を利用する技術では、圃場表面の土壌水分が高く軟らかい場合と、土壌水分が低く硬い場合とで、接地輪の沈下度合が異なるため、下降規制を正確に行うことができないおそれがある。

さらに、上記いずれの方式も、耕耘作業機の姿勢角の変化は考慮されていないため、これによる計測誤差、制御誤差等が生じるおそれもある。

そこで本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、高精度かつ適切なタイミングで耕耘深度を測定することが可能な耕深測定装置及び耕深測定方法を提供することを目的とする。また、本発明は、適切なタイミングで、かつ高精度に耕耘作業機の耕耘深度を調整することが可能なトラクタを提供することを目的とする。

本発明の耕深測定装置は、耕耘作業機の耕耘深度を測定する耕深測定装置であって、前記耕耘作業機の進行方向前方に設けられ、前記耕深作業機に設定された測定基準点の、地面からの鉛直方向高さを検出する高さ検出手段と、前記耕耘作業機の水平面に対する傾斜量を検出する傾斜量検出手段と、前記傾斜量に基づいて、前記測定基準点から前記耕深作業機の鉛直方向最下点までの、前記鉛直方向に関する距離を算出し、当該距離と前記測定基準点の前記鉛直方向高さとから、前記耕耘作業機の耕耘深度を算出する算出手段と、を備える耕深測定装置である。

これによれば、算出手段が、傾斜量検出手段により検出される耕耘作業機の傾斜量に基づいて、測定基準点から耕深作業機の鉛直方向最下点までの距離（鉛直方向に関する距離）を算出し、当該距離と、高さ検出手段により耕耘作業機の前方で検出された測定基準点の地面からの鉛直方向高さとから、耕耘作業機の耕耘深度を算出するので、耕耘後の地面の高さから耕耘深度を遅れて算出するような場合よりも、適切なタイミングで算出することができるとともに、耕耘作業機の傾斜量も考慮して耕耘深度を算出することで、高精度に耕耘深度を算出することができる。

この場合において、前記高さ検出手段は、前記地面に常時接する接触部材と、前記接触部材の鉛直方向への移動量を検出する移動量検出部と、を有することとすることができる。かかる場合には、地面に常時接する接触部材の移動量を検出することで、耕耘作業機に設定された測定基準点の地面からの高さを簡易に検出することができる。この場合において、前記移動量検出部は、前記接触部材の鉛直方向への移動量を、水平面内の一方向に延びる軸部材の回転量に変換するリンク機構と、前記回転量を検出する回転量検出機構と、を有することができる。

本発明のトラクタは、トラクタ本体と、前記トラクタ本体に接続される耕耘作業機と、前記耕耘作業機の耕耘深度を測定する、本発明の耕深測定装置と、前記耕深測定装置により算出される耕耘深度が、予め設定された値となるように、前記耕耘作業機の前記鉛直方向の高さ位置を調整する調整装置と、を備えるトラクタである。

これによれば、耕深測定装置により高精度かつ適切なタイミングで測定された耕耘深度が予め設定された値となるように、調整装置が、耕耘作業機の前記鉛直方向の高さ位置を調整するので、適切なタイミングで、かつ高精度に耕耘作業機の耕耘深度を調整することができる。

本発明の耕深測定方法は、耕耘作業機の耕耘深度を測定する耕深測定方法であって、前記耕耘作業機の進行方向前方において、前記耕深作業機に設定された測定基準点の、地面からの鉛直方向高さを検出する高さ検出工程と、前記耕耘作業機の水平面に対する傾斜量を検出する傾斜量検出工程と、前記傾斜量に基づいて、前記測定基準点から前記耕深作業機の鉛直方向最下点までの、前記鉛直方向に関する距離を算出し、当該距離と前記測定基準点の前記鉛直方向高さとから、前記耕耘作業機の耕耘深度を算出する算出工程と、を含む耕深測定方法である。

これによれば、耕耘作業機の傾斜量に基づいて、測定基準点から耕深作業機の鉛直方向最下点までの距離（鉛直方向に関する距離）を算出し、当該距離と、耕耘作業機の前方で検出された測定基準点の地面からの鉛直方向高さとから、耕耘作業機の耕耘深度を算出するので、耕耘後の地面の高さから耕耘深度を遅れて算出するような場合よりも、適切なタイミングで算出することができるとともに、耕耘作業機の傾斜量も考慮して耕耘深度を算出することで、高精度に耕耘深度を算出することができる。

本発明の耕深測定装置及び耕深測定方法は、高精度かつ適切なタイミングで耕耘深度を測定することができるという効果を奏する。また、本発明のトラクタは、適切なタイミングで、かつ高精度に耕耘作業機の耕耘深度を調整することができるという効果を奏する。

一実施形態に係るトラクタの構成を概略的に示す図である。 耕深測定装置を示す斜視図である。 図１のトラクタの制御系の一部を示すブロック図である。 図３の耕深演算部による耕深Ｌの演算方法を説明するための図である。 一実施形態の効果の一つについて説明するための図である。

以下、本発明のトラクタ、耕深測定装置及び方法の一実施形態について、図１〜図５に基づいて詳細に説明する。図１は、本実施形態に係るトラクタ１００の側面図である。

このトラクタ１００は、圃場（例えば水田）内を移動しながら耕耘を行い、作土層を形成する装置である。このトラクタ１００は、図１に示すように、圃場内を移動するトラクタ本体１０と、トラクタ本体１０の後方に装着された耕耘作業機としてのロータリ作業機５０と、を備えている。トラクタ本体１０は、エンジンを動力としており、ＰＴＯ軸１２及びヨークジョイント１４を介して、その動力をロータリ作業機５０側に伝達する。トラクタ本体１０の後部には、トラクタ本体１０にロータリ作業機５０を装着する接続機構２０が設けられている。

接続機構２０は、左右（図１では、紙面手前側と奥側）２本のロアリンク２２ａ、２２ｂと、２本のロアリンク２２ａ，２２ｂの上方で、両ロアリンク２２ａ，２２ｂからほぼ等距離の位置に設けられたトップリンク２４と、ロアリンク２２ａ，２２ｂとトップリンク２４とを連結する、オート・ヒッチ・フレーム２６と、を有する。

一方の（図１の紙面手前側の）ロアリンク２２ａには、リフトロッド３２ａの一端（下端）が接続されている。このリフトロッド３２ａの他端（上端）は、リフトアーム３０ａに接続されている。リフトアーム３０ａは、油圧シリンダ２８の駆動力（図１の破線矢印方向の駆動力）を受けて、軸３１を中心に回転する。また、他方の（図１の紙面奥側の）ロアリンク２２ｂには、リフトロッド３２ｂの一端（下端）が接続されている。このリフトロッド３２ｂの他端（上端）は、軸３１を中心とする回転が自在とされたリフトアーム３０ｂに接続されている。なお、油圧シリンダ２８は、リフトアーム３０ｂにも、リフトアーム３０ａと同一の駆動力を付与することとしても良い。

ロータリ作業機５０は、ＰＴＯ軸１２及びヨークジョイント１４を介してトラクタ本体１０から供給される動力により回転する回転爪５２を有している。また、ロータリ作業機５０は、第１連結部５４と、左右（図１の紙面手前側と奥側）一対の第２連結部５６ａ，５６ｂと、を有しており、第１連結部５４にてオート・ヒッチ・フレーム２６の上部と連結され、一対の第２連結部５６ａ，５６ｂにて、オート・ヒッチ・フレーム２６の下部と連結される。耕深測定装置７０は、回転爪５２の前方に位置するように、ロータリ作業機５０に取り付けられている。

図２は、耕深測定装置７０を取り出して、斜視図にて示す図である。この耕深測定装置７０は、連結部材６８を介して、図１のロータリ作業機５０に取り付けられている。耕深測定装置７０は、支持体７２と、支持体７２上に設けられた軸受部７４及び回転量検出機構としてのポテンショメータ７６と、軸受部７４及びポテンショメータ７６に接続されたリンク機構７８と、リンク機構７８の下端部に設けられた接触部材としての接地輪８０と、支持体７２の側面に設けられた傾斜量検出手段としての傾斜角計測器８２と、を有する。

接地輪８０は、リンク機構７８の下端部に、回転軸８４を介して回転自在に設けられており、図１に示すように、圃場の表面に常時接触する。なお、接地輪８０を圃場表面に常時接触させるための方法としては、接地輪８０が圃場表面に沈み込まない程度に重量を重く設定する方法を採用しても良いし、接地輪８０に下向きの力を常時付勢するための付勢手段、例えばバネやゴムなどの弾性部材、をリンク機構７８と支持体７２との間に設ける方法を採用しても良い。

リンク機構７８は、図２に示すように、３枚の板状部材８６ａ〜８６ｃと、これらを連結するピン８８ａ，８８ｂとを有する。板状部材８６ａの上端部近傍は、ポテンショメータ７６の計測軸に固定されている。板状部材８６ｂの上端部近傍には回転軸９２が設けられ、当該回転軸９２は、軸受部７４にて軸支されている。板状部材８６ｃは、板状部材８６ａの下端部近傍と、板状部材８６ｂの長手方向中央部近傍とをピン８８ａ，８８ｂを介して連結する。

このように構成されるリンク機構７８では、接地輪８０が上下方向に移動すると、板状部材８６ｂが、回転軸９２を中心に回転し、その回転力が板状部材８６ｃを介して、板状部材８６ａに伝達する。そして、板状部材８６ａは、計測軸７６ａを回転する。すなわち、リンク機構７８は、接地輪８０の上下方向の移動量を計測軸７６ａの回転量に変換する機能を有している。

ポテンショメータ７６は、計測軸７６ａの回転量（回転角）を電気的に検出するものである。ポテンショメータ７６による検出結果（出力電圧）は、図３に示す制御装置１１０（耕深算出部１１２）に向けて出力される。

傾斜角計測器８２は、支持体７２の水平面に対する傾斜角を計測するものである。この場合、支持体７２は、連結部材６８を介して、ロータリ作業機５０に連結されているので、傾斜角計測器８２は、ロータリ作業機５０の傾斜角を計測しているとも言える。この傾斜角計測器８２による検出結果は、図３の制御装置１１０（耕深算出部１１２）に向けて出力される。

図３には、本実施形態のトラクタの制御系の一部（ロータリ作業機５０の耕深制御のための制御系）がブロック図にて示されている。この図３に示すように、制御装置１１０は、算出手段としての耕深算出部１１２と、調整部１１４と、を有している。耕深算出部１１２は、回転爪５２の回転軌道最下端部の、未耕起の圃場表面からの位置（深さ）、すなわち耕耘深度（耕深）を算出する。調整部１１４は、耕深算出部１１２による算出結果に基づいて、油圧シリンダ２８を制御する。

次に、耕深算出部１１２による耕深の算出方法について、図４に基づいて説明する。前提として、図４に示す、回転爪５２の回転軌道最下端部から回転爪５２の回転中心ｂまでの距離βは既知であり、また、ポテンショメータ７６の取り付け位置（計測基準位置）ａから回転爪５２の回転中心ｂまでの距離ｍも既知であるものとする。

この場合において、耕深算出部１１２は、ポテンショメータ７６の計測結果（出力電圧）に基づいて、未耕起圃場の表面からロータリ作業機５０に予め設定された測定基準点（ここでは、ポテンショメータ７６の取り付け位置ａとする）までの鉛直方向距離（高さ）αを求める。この場合、耕深算出部１１２は、ポテンショメータ７６の出力電圧と高さαとの関係を示すテーブル（マップ）を予め用意しておくことにより、簡易にαを求めることができる。ただし、これに限らず、出力電圧から計測軸７６ａの回転角を求め、回転角と高さαの関係式から高さαを求めることとしても良い。

また、耕深算出部１１２は、傾斜角計測器８２の出力θ（図４参照）と、既知の値ｍとを用いて、ポテンショメータの取り付け位置ａと回転爪５２の回転中心ｂとの高さ差γを、次式（１）より算出する。
γ＝ｍ×ｓｉｎθ …（１）

なお、この場合においても、耕深算出部１１２が、傾斜角計測器８２の計測値（θ）とγとの関係を示すテーブル（マップ）を予め保持しておけば、簡易にγを求めることができる。

そして、耕深算出部１１２は、次式（２）より、耕深Ｌを算出する。なお、次式（２）の（β＋γ）は、測定基準点（ポテンショメータ７６の取り付け位置ａ）からロータリ作業機５０の最下点までの、鉛直方向に関する距離を意味する。
Ｌ＝（β＋γ）―α …（２）

このようにして算出される耕深Ｌは、図３の調整部１１４に送られる。調整部１１４では、入力装置１２０（例えばトラクタ本体１０内に装備）を介してユーザから入力された目標値（Ｌ’）と計測値（Ｌ）との差（Ｌ’−Ｌ）が０になるように、油圧シリンダ２８の油圧を制御する。この油圧制御では、耕深（Ｌ）が目標値（Ｌ’）よりも大きい（深い）場合には、図１に示すリフトアーム３０ａが軸３１を中心に反時計回りに回転するように、油圧シリンダ２８を駆動する。これにより、ロータリ作業機５０が、上方に持ち上げられることになる。また、これとは逆に、耕深（Ｌ）が目標値（Ｌ’）よりも小さい（浅い）場合には、リフトアーム３０ａが軸３１を中心に時計回りに回転するように、油圧シリンダ２８を駆動する。

これまでの説明から分かるように、本実施形態では、調整部１１４、油圧シリンダ２８及び接続機構２０を含んで、調整装置が構成されている。また、ポテンショメータ７６と、リンク機構７８を含んで、移動量検出部が構成されている。また、ポテンショメータ７６、リンク機構７８、接地輪８０、及び耕深算出部１１２を含んで、高さ検出手段が構成されている。

以上、詳細に説明したように、本実施形態の耕深測定装置７０によると、耕深算出部１１２が、傾斜角計測器８２により計測される傾斜角θ（ロータリ作業機５０の水平面に対する傾斜角）に基づいて、位置ａ（測定基準点）からロータリ作業機５０の最下点までの鉛直方向距離（β＋γ）を算出し、当該距離（β＋γ）と、未耕起の圃場表面においてポテンショメータ７６（及び耕深算出部１１２）により検出された、位置ａから圃場表面までの高さαと、から、耕深算出部１１２が上式（２）に基づいて耕深Ｌを算出するので、従来のリヤカバーを用いた耕深計測のように、耕起後の圃場表面高さから耕深を算出するような場合よりも、適切なタイミングで耕深Ｌを算出することができる。また、従来のリヤカバーを用いた耕深計測のように、土塊の大きさの影響を受けることがなく、下降を規制する接地輪を用いる場合のように、接地輪から地面に対して大きな力が加わることが無いことから、耕深Ｌを高精度に算出することができる。また、本実施形態では、ロータリ作業機５０の傾斜量を考慮して耕深Ｌを算出することから、従来よりも高精度に耕深Ｌを算出することができる。

また、本実施形態では、圃場表面に常時接する接地輪８０と、当該接地輪８０の高さ方向への移動量を間接的に検出するポテンショメータ７６と、を用いて、高さαを検出するので、簡易な構成で地面からの高さαを検出することができる。この場合、計測軸７６ａの回転角から高さαを算出するので、ロータリ作業機５０が傾いている場合でも、高さαを精度良く算出することができる。

また、本実施形態のトラクタ１００では、耕深測定装置７０により高精度かつ適切なタイミングで測定された耕深Ｌと、入力装置１２０から入力された目標値Ｌ’とが一致するように、調整部１１４が油圧シリンダ２８の油圧を調整するので、適切なタイミングで、かつ高精度にロータリ作業機５０の耕深を所望の値に調整することができる。

また、本実施形態では、傾斜角計測器８２により、角度θを検出しているため、当該角度θに基づいた油圧シリンダ２８の制御を行うことで、以下のような効果をもたらす。

すなわち、回転爪５２の回転（耕耘）により、ロータリ作業機５０が地面側からの上向きの反力を受けると、ロータリ作業機５０は、ロアリンク２２ａ，２２ｂとの連結部分を中心に反時計回りに回転する。この回転は、耕深Ｌを変動させる。また、地面側から受ける反力は、地面が軟らかいときと硬いときとで異なるため、地面の状態によって耕深Ｌの変動量が変わる。これに対し、本実施形態では、ロータリ作業機５０自体の角度θを直接計測しているので、この角度θが極力水平となるように油圧シリンダ２８を制御することにより、反力に起因する耕深Ｌの変動を抑制することができる。

また、本実施形態では、前述のように、ＰＴＯ軸１２とロータリ作業機５０との間がヨークジョイント１４により接続され、当該ヨークジョイント１４を介して、トラクタ本体１０側からロータリ作業機５０に動力が供給されている。ここで、ヨークジョイント１４は、図５（ａ）に示すように、その両端に、ユニバーサルジョイント１５ａ，１５ｂを有している。本実施形態では、このような構成を採用しているため、図５（ａ）のようにＰＴＯ軸１２の軸方向（ＡＸ１）と、ロータリ作業機５０のユニバーサルジョイント１５ｂが取り付けられる部分の向き（ＡＸ２）とが一致している（平行である）場合には、最も効率よくトラクタ本体１０側からロータリ作業機５０側に動力を伝達することができる。ここでの、効率の良い伝達とは、ロータリ作業機５０側に伝達する動力の最大値と最小値との差が小さいことを意味する。

一方、図５（ｂ）のように、軸ＡＸ１とＡＸ２とが非平行である場合には、トラクタ本体１０側からロータリ作業機５０側への動力の伝達が非効率的になってしまう。すなわち、ロータリ作業機５０側に伝達する動力の最大値と最小値との差が大きくなる。

したがって、本実施形態のように、ロータリ作業機５０自体の角度θを直接計測し、この角度θがトラクタ本体１０のＰＴＯ軸１２の軸ＡＸ１の角度と一致するように油圧シリンダ２８を制御することにより、トルクを効率良く伝達することができるようになる。また、トルクの伝達を効率的に行うことにより、トラクタ本体１０の移動に必要な動力を大きく確保することが可能である。

なお、上記実施形態では、リンク機構７８の下端部に、未耕起圃場の表面と常時接触する接地輪８０を設ける場合について説明したが、これに限られるものではない。例えば、接地輪８０に代えて、未耕起圃場の表面と常時接触するソリ状の部材や、レーキ状の部材を設けることとしても良い。

また、上記実施形態では、高さαを計測するために、ポテンショメータ７６を用いる場合について説明したが、これに限られるものではない。例えば、ポテンショメータに代えて、ロータリエンコーダなどの他の計測装置を用いることとしてもよい。また、上記実施形態では、ロータリ作業機５０の測定基準点をポテンショメータ７６の取り付け位置ａとしたが、これに限らず、ロータリ作業機５０上であれば、その他の点を測定基準点として用いても良い。また、耕深測定装置７０では、リンク機構７８を設けずに、接地輪８０を、上下方向に延びる板状部材（又は棒状部材）で保持し、当該板状部材（棒状部材）の上下移動量を検出することで、高さαを求めることとしても良い。この場合には、ポテンショメータ７６に代えて、リニアエンコーダなどの検出装置を用いることができる。ただし、このような構成を採用する場合には、高さαの算出の際に、角度θの値を考慮することが好ましい。

なお、上記実施形態ではロータリ作業機５０として、回転爪５２を有するロータリ作業機を採用する場合について説明したが、これに限らず、ボトムプラウ、ディスクプラウ、ロータリプラウなどのプラウを採用することとしても良い。

上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

１０ トラクタ本体
２０ 接続機構（調整装置の一部）
２８ 油圧シリンダ（調整装置の一部）
５０ ロータリ作業機（耕耘作業機）
７０ 耕深測定装置
７６ ポテンショメータ（高さ検出手段の一部、移動量検出部の一部、回転量検出機構）
７８ リンク機構（高さ検出手段の一部、移動量検出部の一部）
８０ 接地輪（高さ検出手段の一部、接触部材）
８２ 傾斜量計測器（傾斜量検出手段）
１１２ 耕深算出部（高さ検出手段の一部、算出手段）
１１４ 調整部（調整装置の一部）

Claims (5)

1. 耕耘作業機の耕耘深度を測定する耕深測定装置であって、
   前記耕耘作業機の進行方向前方に設けられ、前記耕深作業機に設定された測定基準点の、地面からの鉛直方向高さを検出する高さ検出手段と、
   前記耕耘作業機の水平面に対する傾斜量を検出する傾斜量検出手段と、
   前記傾斜量に基づいて、前記測定基準点から前記耕深作業機の鉛直方向最下点までの、前記鉛直方向に関する距離を算出し、当該距離と前記測定基準点の前記鉛直方向高さとから、前記耕耘作業機の耕耘深度を算出する算出手段と、を備える耕深測定装置。
2. 前記高さ検出手段は、前記地面に常時接する接触部材と、前記接触部材の鉛直方向への移動量を検出する移動量検出部と、を有することを特徴とする請求項１に記載の耕深測定装置。
3. 前記移動量検出部は、前記接触部材の鉛直方向への移動量を、水平面内の一方向に延びる軸部材の回転量に変換するリンク機構と、前記回転量を検出する回転量検出機構と、を有することを特徴とする請求項２に記載の耕深測定装置。
4. トラクタ本体と、
   前記トラクタ本体に接続される耕耘作業機と、
   前記耕耘作業機の耕耘深度を測定する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の耕深測定装置と、
   前記耕深測定装置により算出される耕耘深度が、予め設定された値となるように、前記耕耘作業機の前記鉛直方向の高さ位置を調整する調整装置と、を備えるトラクタ。
5. 耕耘作業機の耕耘深度を測定する耕深測定方法であって、
   前記耕耘作業機の進行方向前方において、前記耕深作業機に設定された測定基準点の、地面からの鉛直方向高さを検出する高さ検出工程と、
   前記耕耘作業機の水平面に対する傾斜量を検出する傾斜量検出工程と、
   前記傾斜量に基づいて、前記測定基準点から前記耕深作業機の鉛直方向最下点までの、前記鉛直方向に関する距離を算出し、当該距離と前記測定基準点の前記鉛直方向高さとから、前記耕耘作業機の耕耘深度を算出する算出工程と、を含む耕深測定方法。

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