JP4997138B2 - 荷重負荷機械 - Google Patents

Description

本発明はパワーショベル、ブルドーザ、各種トラック等の荷重負荷機械に係り、特に、作業中に機体バランスの崩れが発生して転倒の危険のある荷重負荷機械に関する。

荷重負荷機械での作業中に機体バランスを崩して転倒するのを防止するために、例えば特許文献１に示す油圧ショベルのように、転倒支点に対して作用する転倒モーメントを算出して転倒事故を防止する技術が既に提案されている。即ち、パワーショベルの吊作業時における転倒事故防止のために、ブーム角、アーム角、バケット角、ブームシリンダ油圧から転倒モーメントを算出して吊荷重を決めている。

特開平５−２０２５３５号公報

上記特許文献１による技術は、吊荷重をブーム角、アーム角、バケット角、ブームシリンダ油圧から転倒モーメントを算出して決めているので、多数のリンク機構が介在して間接的に吊荷重を決めなければならず、吊荷重の算出精度が低くなり、また、転倒モーメントを算出するために、吊荷重（負荷荷重）を考慮した上で、ブーム角、アーム角、バケット角を検出して複雑な演算を行わねばならず、転倒モーメントの算出精度を低下させることになる。

このほか、パワーショベルの吊作業は複雑で、ショベルでの掘削作業では、ブーム角、アーム角、バケット角、バケットの負荷荷重が常に変化しており、このために、転倒モーメントの算出に即応性に欠ける問題がある。

本発明の目的は、機体バランスを高精度に算出して即応性の高い転倒回避を行うことができる荷重負荷機械を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、地面に接地する地面接地部と、この地面接地部に連結された荷重負荷部とを備えた荷重負荷機械において、前記地面接地部と荷重負荷部の連結部に複数の力学量検知センサを設けると共に、これら力学量検知センサからの検出信号に基づいて機体バランスを演算して転倒の危険性を判断する演算装置と、この演算装置からの指令により転倒回避指令を出力する転倒回避指令出力手段を設けたのである。

以上のように、地面接地部と荷重負荷部の連結部に複数の力学量検知センサを設けることで、各力学量検知センサからの検出信号を比較するだけで作業中の機体バランスをリアルタイムで得ることができ、また、その結果を転倒回避指令出力手段で出力するので、オペレータは荷重負荷機械の転倒回避を即行うことができる。

このように本発明によれば、機体バランスを高精度に算出して即応性の高い転倒回避を行うことができる荷重負荷機械を得ることができる。

以下、本発明による荷重負荷機械の一実施の形態を、図１〜図６に示すパワーショベル１について説明する。

パワーショベル１は、大きく分けると、地面に接地して走行する地面接地部２と、この地面接地部２に連結された荷重負荷部３とより構成されている。

地面接地部２は、地面に接地するキャタピラ２Ａやこのキャタピラ２Ａを駆動する駆動輪や従動輪（図示せず）及びこれらを支持する構造物などで構成されている。

一方、荷重負荷部３は、連結部を構成する旋回フレーム４と、この旋回フレーム４に固定された運転台３Ａや釣合い重り３Ｂ及びブーム５と、このブーム５の先端部に軸支されたアーム６と、このアーム６の先端部に軸支されたバケット７とを備え、図示は省略するが、これらアーム６，バケット７を軸支部を中心として回動させる油圧機構が設けられている。

前記地面接地部２と荷重負荷部３とは、前記地面接地部２の構造物に平面的に設けた旋回手段である旋回輪８で連結部を構成し、この連結部と前記旋回フレーム４による連結部とをボルト締結することで連結している。ボルト締結は、旋回輪８の回転中心と同心円状となる外周部近傍位置で、複数の連結ボルト９を旋回輪８の旋回周方向に等間隔となるように、旋回フレーム４と旋回輪８とに貫通させ、その貫通端にナット１０をねじ込んで締結している。

以上の構成は、通常のパワーショベルの構成であるが、本実施の形態では、前記旋回フレーム４と旋回輪８とを連結する締結ボルト９のうち、４本の締結ボルトを、図３に示す力学量検知センサを構成する歪検出ボルト１１としたのである。そして、４本の歪検出ボルト１１のうち、２本の歪検出ボルト１１Ａ，１１Ｂを、図２に示すように、平面的に前記ブーム５の延在方向と一致する方向ａで旋回輪８の回転中心に対して対称となるように配置し、残る２本の歪検出ボルト１１Ｃ，１１Ｄを前記２本の歪検出ボルト１１Ａ，１１Ｂに対して平面的に直交する方向ｂで旋回輪８の回転中心に対して対称となるように配置したのである。

これら歪検出ボルト１１（１１Ａ〜１１Ｄ）は、ボルト頭部からボルト先端部に向って形成した収納穴１１Ｈに歪センサ１２を収納し、その周りに樹脂などの充填材１３を充填して埋設している。この歪センサ１２によって、ナット１０での締結後のボルトに作用する伸縮力Ｆｃに伴って発生する歪が検出される。したがって、歪センサ１２を内蔵した歪検出ボルト１１Ａ，１１Ｂが本発明の第１の２つの力学量検知センサとなり、歪センサ１２を内蔵した歪検出ボルト１１Ｃ，１１Ｄが本発明の第２の２つの力学量検知センサとなる。

そして、４つの歪検出ボルト１１Ａ〜１１Ｄからの歪検出信号を受信する受信装置１４と、受信装置１４で受信した歪検出信号を演算して地面接地部２の転倒の可能性の大小である機体バランスを求める演算装置１５と、演算装置１５で転倒の危険性が大である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１６とを前記運転台３Ａに搭載している。前記転倒回避指令出力手段１６は、演算装置１５での演算結果による機体バランス状態を表示する機体バランス表示装置１７と、演算装置１５で転倒の危険性が大であると判断されたとき、それをオペレータに報知する警告発生装置１８と、この警告発生装置１８からの警告を無視してオペレータが作業を継続すると、パワーショベル１の動力を停止させたり逆動作を行わせたりする動作を駆動部に出力する制御装置１９と、制御装置１９が駆動部に信号を出力する前の所定時間のパワーショベル１の動作を記憶するメモリ部２０を有している。

次に、以上のように、前記旋回フレーム４と旋回輪８との連結部に、ブーム５の延在方向を基準として歪検出ボルト１１（１１Ａ〜１１Ｄ）を設置したパワーショベル１を運転したときの機体バランスの検出及びその後にとることができる動作について説明する。

図４は、パワーショベル１の機体バランスが釣合っている場合で、そのとき歪検出ボルト１１Ａ〜１１Ｄには、図４（Ｂ）に示すように、下向きのほぼ同じ荷重Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４が負荷される。したがって、各歪検出ボルト１１Ａ〜１１Ｄ内の歪センサ１２からは同じ歪検出信号が出力される。そのため、各歪検出信号は受信装置１４を経由して演算装置１５に入力されて演算されるが、その演算結果は、各歪検出信号に機体バランスを崩すような差がなく、その結果を機体バランス表示装置１７に表示する。

一方、図５（Ａ）に示すように、例えば作業時にバケット７に下向きの荷重Ｗが作用すると、荷重負荷部３には、ブーム５側に傾斜させようとする力が作用するので、ブーム５側の歪検出ボルト１１Ａには圧縮側に作用する大きな下向きの荷重Ｆ１´が負荷され、歪検出ボルト１１Ａと対を成す歪検出ボルト１１Ｂには引張側に作用する上向きの荷重Ｆ２´が負荷される。検出ボルト１１Ａと対を成す歪検出ボルト１１Ｂと平面的に直交する対を成す歪検出ボルト１１Ｃ，１１Ｄには、左右のバランスが均衡している場合には、同じ圧縮側の荷重Ｆ３´，Ｆ４´が負荷される。歪センサ１２は、負荷される荷重に対して直線的に変化するので、対を成す歪検出ボルト１１Ａ，１１Ｂの歪センサ１２からの歪検出信号を比較することで、ブーム５の延在方向に沿う前後の機体バランスを演算することができ、これらと平面的に直行する方向に対を成す歪検出ボルト１１Ｃ，１１Ｄの歪センサ１２からの歪検出信号を比較演算することで、左右の機体バランスを演算することができる。

そして、演算装置１５によって、前後の機体バランスが転倒に至る機体バランスでないと判断した場合には、警告発生装置１８や制御装置１９に作動指令を出力せずに、単に機体バランス表示装置１７に現状の機体バランスを表示し続ける。

演算装置１５で演算された機体バランスが、転倒の危険がある機体バランスに接近した場合には、機体バランス表示装置１７に現状の機体バランスを表示すると共に、警告発生装置１８に作業の継続中止を表示（画像表示や案内放送表示）して注意を促す。それでもオペレータが作業を継続すると、制御装置１９に作業継続中止指令を出力して動力源の運転を停止させて作業を強制的に中止させる。尚、作業を強制的に中止させる代わりに、メモリ部２０に転倒危険直前の動作と機体バランスを記憶させておき、転倒の危険がある場合には、制御装置１９によって、作業を前の動作に戻す指令を出して転倒の危険を回避させることもできる。

このように本実施の形態によれば、パワーショベル１の地面接地部２の荷重負荷部３との連結部に２組の歪検出ボルト１１Ａ，１１Ｂ及び１１Ｃ，１１Ｄを設け、これらに内蔵した歪センサ１２の歪変化を検出して比較することによって、機体バランスをリアルタイムで知ることができる。したがって、パワーショベル１の掘削作業中にブーム５の角度、アーム６の角度、バケット７の角度、バケット７の負荷荷重が常に変化し、その動作が複雑な場合にも、その作業中における機体バランスを直ちに知ることができる。

ところで、歪センサ１２としては、例えば金属線式の抵抗からなる歪ゲージやシリコン単結晶のピエゾ抵抗効果を利用した半導体歪センサを用いることができる。ただ、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ためには、検出感度の優れた図７に示す半導体歪センサ１２Ｓを用いることが望ましい。半導体歪センサ１２Ｓは、シリコン基板表面に４本の拡散抵抗１２ａ〜１２ｄを形成し、これらでブリッジ回路を形成している。そして４本の拡散抵抗１２ａ〜１２ｄはＰ型拡散抵抗であり、これらの長手方向がシリコン単結晶の<１１０>方向と平行になる４本を、２本づつ直交するように配置してブリッジ回路を構成している。図７中、矢印Ｌｂは歪検出ボルト１１Ａ，１１Ｂ及び１１Ｃ，１１Ｄの長手方向で、矢印Ｍｓは歪検出方向である。尚、半導体歪センサ１２Ｓの詳細については、本願出願人が先に出願した特願２００５-７８３７６号（と句会２００６-２５８６７４号公報）を参照されたい。

このような検出感度の高い半導体歪センサ１２Ｓを用いることで、機体バランスに伴う歪検出ボルト１１Ａ，１１Ｂ及び１１Ｃ，１１Ｄに負荷される歪変化は感度よく測定することができ、また、ブリッジ回路構成により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、半導体歪センサ１２Ｓが動力源であるモータなどのノイズ源近傍に設置されても、ノイズの混入を抑制して高精度の歪測定を行うことができる。

ところで、半導体歪センサ１２Ｓの拡散抵抗１２ａ〜１２ｄでブリッジ回路を形成することで、シリコン基板面外方向の歪に対する感度はゼロとなるので、歪検出ボルト１１Ａ，１１Ｂ及び１１Ｃ，１１Ｄの長手方向Ｌｂの歪を検出することが容易となり、測定誤差が小さい高精度の測定ができる。

さらに、シリコン基板表面に、図７に示すように、例えば、ＰＮ接合の温度センサ２１を設けることで、温度が変化する環境下で作業する場合、温度変化による歪測定変動分を温度センサ２１での測定温度を考慮して補正することで、より正確な歪の測定を行うことができる。

このほか、図７のシリコン基板表面に、ブリッジ回路の出力を増幅するための増幅器２２を設けても良い。増幅器２２を拡散抵抗１２ａ〜１２ｄが形成された半導体歪センサ１２Ｓに設けることで、拡散抵抗１２ａ〜１２ｄ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２２を備えた半導体歪センサ１２Ｓをユニット化することができる。

以上説明したように本実施の形態は、力学量検知センサとしてパワーショベル１の旋回輪８と旋回フレー部４とを接続する締結ボルト９の一部に歪センサ１２を内蔵した歪検出ボルト１１（１１Ａ〜１１Ｄ）を用いた。このように構成することで、力学量検知センサを設置するためにパワーショベル１の構成を敢えて改造する必要がない利点がある。しかしながら、歪センサ１２を内蔵した歪検出ボルト１１を用いる代わりに、その他の力学量検知センサ、例えば、シート状の圧力センサを旋回フレーム４と荷重負荷部３の運転台３Ａとの連結部で、前記歪検出ボルト１１Ａ〜１１Ｄの設置位置に対応した位置に設け、圧力センサに作用する圧力変化を検出比較して機体バランスを検知するようにしてもよい。

さらに、本実施の形態では、歪検出ボルト１１Ａ〜１１Ｄを４箇所に接置したものであるが、締結ボルト９の全てを歪検出ボルト１１にして木目細かなあらゆる方向の機体バランスを検知するようにしてもよい。

図８は、図２に示す旋回フレーム４の変形例を示すもので、図２の符号と同符号は同一構成部品を示すので、再度の詳細な説明は省略する。

図８に示す変形例において、旋回フレーム４は、四角形状の外側フレーム４Ｓと、中心部に位置する中心フレーム４Ｒと、これら外側フレーム４Ｓと中心フレーム４Ｒを連結し強度部材となる４つの連結フレーム４Ａ〜４Ｄから構成されている。そして、これら連結フレーム４Ａ〜４Ｄは、前記歪検出ボルト１１Ａ〜１１Ｄの設置位置に対応した位置で外側フレーム４Ｓと中心フレーム４Ｒとを連結するようにしている。

このような旋回フレーム４の構成とすることで、歪検出ボルト１１Ａ〜１１Ｄの設置位置に対応した位置で中心フレーム４Ｒを連結フレーム４Ａ〜４Ｄによって外側フレーム４Ｓに強固に支持することができる。その結果、荷重負荷によるパワーショベルに作用する傾斜力によって旋回輪８と連結される中心フレーム４Ｒが容易に変位して歪の測定が正確にできなくなると云う不都合を回避することができる。云い代えれば、荷重負荷によるパワーショベルに作用する傾斜力が中心フレーム４Ｒに作用しても、中心フレーム４Ｒは連結フレーム４Ａ〜４Ｄを介して荷重負荷部３の運転台３Ａや釣合い重り３Ｂと一体の外側フレーム４Ｓに強固に連結されているので、中心フレーム４Ｒは容易に変位することはなく安定した支持が行える。そのため、傾斜力は歪検出ボルト１１Ａ〜１１Ｄに集中して作用するので、正確に歪を検出することができる。

図９は、図８に示す旋回フレーム４と旋回輪８を連結する歪検出ボルト１１の設置位置の変形例を示すもので、図８の符号と同符号は同一構成部品を示すので、再度の詳細な説明は省略する。
図８では歪検出ボルト１１Ａ〜１１Ｄを４箇所に接置しているが、図９では歪検出ボルト１１Ａ〜１１Ｄのすぐ隣に歪検出ボルト１１Ｅ〜１１Ｈを設置している。図のように、旋回フレーム４のブーム５の延在方向に設けられた連結フレーム４Ａ，４Ｂと、前記ブーム５の延在方向に対して平面的に直交する方向に設けられた連結フレーム４Ｃ，４Ｄに対向した位置に集中して複数個の歪検出ボルト１１Ａ，１１Ｅ、１１Ｂ，１１Ｆ及び１１Ｃ，１１Ｇ、１１Ｄ，１１Ｈを配置することにより、機体の傾斜に伴いボルトに負荷される荷重を、効率よく歪検出ボルト１１Ａ〜１１Ｈに伝達することが可能であるだけでなく、万が一、対を成す歪検出ボルトのうち一方に不具合が生じた場合でも、他方の歪検出ボルトが正常に動作していれば，正確な機体バランスを検知することができる。また、対を成す歪検出ボルトの出力差が、ある規定値を超えたら歪検出ボルトの不具合とするなど、歪検出ボルトの異常を検知できるという効果が得られる。

図１０は、本発明による第２の実施の形態を示すもので、第１の実施の形態による構成に加えて、荷重負荷部３の旋回フレーム４に傾斜センサ２３を設けたのである。

このように構成することで、傾斜地で掘削作業を行ってバケット７に下向きの荷重が負荷された場合には、その負荷荷重が平地においてはパワーショベル１を転倒させるに足りない荷重であっても、傾斜地においては機体バランスが大きく崩れて転倒する危険があるので、これを回避させることができる。

即ち、図１１に示すように、歪検出ボルト１１Ａ〜１１Ｄによる歪を測定して演算装置１５によって機体バランスを算出する際に、傾斜センサ２３によって検出された傾斜方向と傾斜角を加味して機体バランスを補正し、転倒モーメントを算出し、第１に実施の形態と同じように、機体バランスの表示、作業継続中止の表示（画像表示や案内放送表示）を行うと共に、強制的な運転停止さらには作業を前の動作に戻す指令を出して転倒の危険を回避させるのである。

尚、第２に実施の形態において、傾斜センサ２３を旋回フレーム４に設けた例を説明したが、荷重負荷部３では旋回フレーム４と一体的なものであれば何処でもよく、また、地面接地部２側に設けてもよい。

ところで、以上の説明は、荷重負荷機械として旋回輪８と旋回フレーム４とを有するパワーショベルを一例に説明したが、旋回輪８と旋回フレーム４は存在しないが、傾斜地での作業中に機体バランスの崩れが発生して転倒の危険のあるブルドーザ、各種トラック等の荷重負荷機械にも本発明を適用できることは云うまでもない。例えば、ブルドーザ、各種トラック等は、地面に接地して走行する地面接地部２が車輪となり、荷重負荷部３が車輪の車軸に支持された部分となり、地面接地部２と荷重負荷部３との連結部が軸受部となる。

具体的には、ブルドーザの場合、キャタピラ２Ａを駆動する前後左右の駆動輪や遊動輪の車軸に軸受を介して運転席を含む荷重負荷部が支持されているので、その軸受の夫々に歪センサなどの力学量検知センサを設けることで、傾斜地における整地作業時に軸受に作用する荷重のアンバランスを検出して機体バランスを算出して転倒に危険を報知することができる。

また、トラックの場合も前後左右の走行車輪の車軸に軸受を介して車体枠があり、この車体枠に運転席や荷台を支持させて荷重負荷部を構成している。そして軸受と車体枠との間に力学量検知センサを設けたのである。したがって、荷台に均一に荷物が搭載されない限り機体バランスは崩れ、傾斜地走行時には軸受に作用する荷重にさらに偏差が生じるので、機体バランスはさらに崩れる。また、荷台が傾斜するトラックの場合、荷台の傾斜によって軸受に作用する荷重に偏差が生じるので、機体バランスが崩れる。したがって、軸受と車体枠との連結部に設けた力学量検知センサにより機体バランスを算出して転倒の危険を報知することができる。

本発明による荷重負荷機械の第１の実施例であるパワーショベルを示す側面図。 図１のＡ−Ａ線に沿う横断拡大平面図。 本発明に用いる歪検出ボルトでの締結状態を示す一部破断図。 （Ａ）は機体バランスが取れているパワーショベルを示す側面図で、（Ｂ）は歪検出ボルトに作用する荷重を示す斜視図。 （Ａ）は機体バランスが取れていないパワーショベルを示す側面図で、（Ｂ）は歪検出ボルトに作用する荷重を示す斜視図。 歪センサからの検出信号の処理を示すフロー図。 歪センサとして半導体歪センサを示す概要図。 図２の旋回フレームの変形例を示す平面図。 図８の旋回フレームの歪検出ボルトの設置位置の変形例を示す平面図。 本発明による荷重負荷機械の第２の実施例であるパワーショベルを示す側面図。 第２の実施の形態による歪センサからの検出信号の処理を示すフロー図。

符号の説明

１…パワーショベル、２…地面接地部、３…荷重負荷部、４…旋回フレーム、５…ブーム、６…アーム、７…バケット、８…旋回輪、９…締結ボルト、１０…ナット、１１，１１Ａ〜１１Ｈ…歪検出ボルト、１２…歪センサ、１３…充填材、１４…受信装置、１５…演算装置、１６…転倒回避指令出力手段、１７…機体バランス表示装置、１８…警告発生装置、１９…制御装置、２０…メモリ部、２１…温度センサ、２２…増幅器、２３…傾斜センサ。

Claims (14)

1. 地面に接地する地面接地部と、この地面接地部に連結された荷重負荷部とを備えた荷重負荷機械において、前記地面接地部と荷重負荷部との連結部を複数本の締結ボルトで連結すると共に、前記複数の締結ボルトのうち少なくとも４つの締結ボルトに力学量検知センサを埋設して力学量検出ボルトを構成し、かつ、前記力学量検出ボルトに作用する力学量に基づいて機体バランスを演算して転倒の危険性を判断する演算装置と、この演算装置からの指令により転倒回避指令を出力する転倒回避指令出力手段と、を設けたことを特徴とする荷重負荷機械。
2. 前記地面接地部に平面的に設けられた旋回手段を有し、前記旋回手段と前記荷重負荷部とが前記締結ボルトで連結されていることを特徴とする請求項１記載の荷重負荷機械。
3. 前記旋回手段は旋回フレームを備えており、前記荷重負荷部は、前記旋回フレームに支持されたブームと、このブームに連結されたアームと、このアームに連結されたバケットとを備えていることを特徴とする請求項２記載の荷重負荷機械。
4. 前記旋回手段と旋回フレームとの連結部に前記力学量検知センサを埋設した複数の締結ボルトを旋回方向に設けると共に、前記複数の力学量検知センサは、平面的に前記ブームの延在方向に沿って前記旋回手段の旋回中心を挟んだ等距離に位置する第１の２つの力学量検知センサと、前記ブームの延在方向に沿った第１の２つの力学量検知センサを結ぶ線に対して平面的に直行し前記旋回手段の旋回中心を挟んで等距離に位置する第２の２つの力学量検知センサと、を有し、前記演算装置は、これら力学量検知センサからの検出信号に基づいて機体バランスを演算するように構成されていることを特徴とする請求項３記載の荷重負荷装置。
5. 前記力学量検知センサが設置される連結部は、強度部材によって補強されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の荷重負荷機械。
6. 前記力学量検知センサは歪センサであり、この歪センサは前記連結部に設けられた締結ボルトの内部に埋め込まれて、前記締結ボルトに作用する歪を検出することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の荷重負荷機械。
7. 前記歪センサは、シリコン基板表面に形成した４つの拡散抵抗によるブリッジ回路を構成した半導体歪センサであることを特徴とする請求項６記載の荷重負荷機械。
8. 前記転倒回避指令出力手段は、機体バランスを表示する機体バランス表示装置であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の荷重負荷機械。
9. 前記転倒回避指令出力手段は、転倒の警告を発する警告発生装置であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の荷重負荷機械。
10. 前記転倒回避指令出力手段は、転倒に繋がる作業を中断させる制御装置であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の荷重負荷機械。
11. 前記転倒回避指令出力手段は、メモリ部に記憶した今までの動作を逆行させる指令を出力する制御装置であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の荷重負荷機械。
12. 前記力学量検知センサは、旋回方向に等間隔に設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の荷重負荷機械。
13. 前記複数の力学量検知センサは、旋回フレームのブームの延在方向に設けられた連結フレームと、前記ブームの延在方向に対して平面的に直行する方向に設けられた連結フレームに対向した位置に集中して設けられていることを特徴とする請求項５又は６記載の荷重負荷機械。
14. 前記地面接地部又は前記荷重負荷部に傾斜センサが設けられており、前記演算装置は、前記力学量検知センサからの検出信号を前記傾斜センサの出力信号を考慮して転倒モーメントを演算して転倒の危険性を判断するように構成されていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の荷重負荷機械。

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