JP6583419B2 - 自走式草刈機及び自走式作業機 - Google Patents

Description

本発明は、電動モータを駆動源とし草刈領域内を自律的に走行して草を刈り取る自走式草刈機に関する。

地面に生えた芝生や雑草を刈り取るための草刈機として、ワイヤー等で区画された草刈領域内を自動的に走行して草を刈り取るようにした自律走行式（自走式、あるいはロボット式）の草刈機が普及してきた。自走式の草刈機においては、車輪を駆動するための車輪モータと、草刈用の刈刃を駆動する刈刃用のモータを設け、これらモータに電力を供給する二次電池を搭載して制御装置にて自律走行を制御する。

自走式にて草刈作業中に二次電池の充電容量が低下した場合には、草刈機が、送電装置が設けられた充電ステーション（充電ベース）に向けて自動的に帰還走行を行い、自動的に充電が行われる。二次電池の充電が終了した後は、指定された草刈領域での作業が自動的に再開される。このような草刈機は、充電が必要となる度に作業者が草刈機を充電ステーションに案内することが不要であり、作業者不在のまま長時間草刈りを行うことができる。ここで従来の自走式草刈機の使用例を図８を用いて説明する。家屋２００に隣接する庭２１０に芝生（図示せず）が植えられており、そこが草刈りを行う対象たる草刈領域２９０である。草刈領域２９０には芝生の上に自走式草刈機３０１が配置される。草刈領域２９０には、草刈機３０１を充電するための充電ステーション２７０が配置される。充電ステーション２７０は、芝刈り領域の隅に設置され、ケーブル２６０によってＡＣアダプタ２５０に接続される。ＡＣアダプタ２５０は、商用交流電源等のコンセント（図示せず）に接続され、コンセントから供給される交流電圧（例えば２３０Ｖ）を、直流電圧（例えば２１Ｖ）に変換する。充電ステーション２７０は直流出力端子（正極、負極）を有し、草刈機３０１が充電ステーション２７０の充電位置に到達すると、草刈機３０１の受電端子（図示せず）が充電ステーション２７０の直流出力端子（図示せず）に接触するようにして停止し、充電ステーション２７０側から草刈機３０１側への電力の供給が行われ、草刈機３０１は搭載された二次電池の充電を行う。

草刈機３０１には、車輪が複数（例えば４つ）設けられ、車輪のうちいくつかは車輪モータ（図示せず）により駆動される。また、草刈機３０１の前後方向に見て前輪と後輪の間には、地面と略平行な面で回転するロータリー式の刈刃（図示せず）が設けられ、刈刃は、走行用とは独立した刈刃用モータ（図示せず）によって回転される。

草刈機３０１の自律走行を助けるために、庭２１０内の草刈領域２９０とその他の領域との境界部分には、境界ケーブルや、柵や、無線や光等を用いた境界報知手段が予め配置される。図８では境界報知手段としてループ状に形成されたガイドワイヤ（誘導ワイヤー）２８０が配設（例えば埋設）される。ガイドワイヤ２８０の配設は草刈機３０１の使用者が草刈り前に予め行うもので、自走式の草刈機３０１はガイドワイヤ２８０を外縁とする内側の領域にて草刈作業を行う。ガイドワイヤ２８０には充電ステーション２７０内の誘導信号発生器（図示せず）が接続され、所定間隔でパルス状の電流が流される。草刈機３０１は、ガイドワイヤ２８０に流れる電流により発生した磁界を検知することにより、ガイドワイヤ２８０の内側にいるか外側にいるかを判別し、自動かつ自律的に走行しながら草刈作業を行う。

特開２０１５−１５９２２号公報

特許文献１に記載されるような従来の自走式の草刈機は、ガイドワイヤに流れる電流（誘導信号）による磁界の変化を読み取るため、モータに流れる電流により生ずるステータからの漏れ磁界が、ガイドワイヤによって発生される磁界のノイズとなる。従って、モータによるノイズの影響を低減させることが好ましい。ノイズを少なくする１つの方法として、（１）ガイドワイヤ２８０による電流のループ路の大きさ（面積）をできるだけ小さくすること考えられる。しかしながら、ガイドワイヤ２８０を配設する領域は草刈領域２９０の広さで決まるため変えることが難しい。ノイズを少なくする２つ目の方法として、（２）磁束容量の大きな鉄等で、ノイズ源となるモータからの漏れる磁界を抑制する方法がある。しかしながら、磁界の漏れを防ぐために磁束容量の大きな鉄をシールド材として用いると、シールド材の設置スペースが必要になる上に本体の重量が重くなり、小型の草刈機に採用するには限界がある。ノイズを少なくする３つ目の方法として、（３）ガイドワイヤセンサに、特定の電流パルスの帯域のみを通過させるバンドパスフィルタを介在させる方法がある。しかし、バンドパスフィルタは有効ではあるが、ノイズを完全に除去することは困難である。

本発明の目的は、上記背景に鑑みてなされたもので、ガイドワイヤによる誘導信号を確実に検出して、精度の良い誘導制御を行うことができる自走式草刈機を提供することにある。本発明の他の目的は、複数有するモータのうち、一部のモータの通電を一瞬止めることによって、その通電停止の間にガイドワイヤによる誘導信号を読み取るようにした自走式草刈機を提供することにある。

本願において開示される発明のうち代表的なものの特徴を説明すれば次の通りである。
本発明は、車輪を駆動する車輪モータと、刈刃を駆動する刈刃モータと、これらのモータに電力を供給する二次電池と、ループ状に形成されたガイドワイヤに流れる電流によって発生された磁界を検知するガイドワイヤセンサと、ガイドワイヤセンサの出力によりガイドワイヤで閉じられた領域の内側にいるか外側にいるかを判別して草刈領域の自律的な走行を制御する制御装置と、を有する自走式草刈機や自走式作業機に適用される。本発明では、制御装置は、ガイドワイヤセンサによって磁界を検知する際に刈刃モータへの供給電圧を低下させ、磁界の検知完了後に刈刃モータの駆動を再開させるようにした。つまり、草刈り作業中は刈刃モータへの通電→供給電圧低下（慣性回転）→通電→供給電圧低下（慣性回転）を繰り返し、供給電圧低下中にガイドワイヤセンサを用いて磁界の検知を行うようにした。このように、刈刃モータだけ所定の時間間隔ごとに供給電圧低下を行う間欠運転を行うようにした。尚、車輪モータは、刈刃モータの駆動状態に影響されずに独立して駆動制御が可能である。

本発明の他の特徴によれば、刈刃は地面と略平行な面で回転するロータリー式の刈刃であって、刈刃モータは回転軸が鉛直方向に延びるように配置される。ガイドワイヤセンサは磁界の変化を検出するコイルを有し、コイルの軸方向が、刈刃モータの回転軸と平行となるように配置される。ガイドワイヤには所定の時間間隔でパルス状の電流群を流すための誘導信号発生器が接続され、制御装置は、刈刃モータの停止中に電流群による磁界の変化を複数検出することによってガイドワイヤで閉じられた領域の内側にいるか外側にいるかを判別する。この検出において制御装置は、タイムアウト時間内において磁界の変化が検出できないときは、検出異常が発生したとして、車輪モータの回転及び刈刃モータの回転を停止させる。尚、刈刃モータを駆動する時間は一定（例えば５００ミリ秒）とし、刈刃モータの通電停止をする時間は可変（ガイドワイヤ信号を検知できるまで）とし、ガイドワイヤ信号を検知する時間のタイムアウト時間を設定した。

本発明のさらに他の特徴によれば、自走式草刈機は、車輪モータと刈刃モータを保持する本体シャーシと、これらを覆う本体カバーを有し、本体シャーシの前側に前輪を設け、後側に後輪を設け、後輪のそれぞれに車輪モータを設け、刈刃モータは本体シャーシの前後方向に見て前輪と後輪の間に合って回転軸が鉛直方向に延びるように配置される。刈刃モータはブラシレスＤＣモータであり、モータを駆動するために、複数のスイッチング素子を有するインバータ回路を設け、制御装置はスイッチング素子の導通を完全に遮断、つまりＰＷＭのデューティ比を０％とすることにより通電を停止させる。

本発明によれば、刈刃モータへの供給電圧を低下させることによって、その低下の瞬間はガイドワイヤセンサに影響を及ぼすノイズがなくなるので、ガイドワイヤセンサはガイドワイヤによる誘導信号を正しく読み取ることができる。また、ノイズ対策として刈刃モータとガイドワイヤセンサの距離を大きくする必要が無いため、これらを従来よりも近づけることができ、草刈機の本体サイズの小型化が可能になる。さらに、刈刃モータの駆動中はガイドワイヤセンサによる検出を行う必要が無いため、刈刃モータに大きな電流を流すことができ、従来よりも高出力の草刈り作業を行うことができる。

本発明の実施例に係る草刈機１の斜視図である。 本発明の実施例に係る草刈機１の本体カバー２を外した状態の上面図である。 図２のＡ−Ａ部の断面から右方向を見た図である。 本発明の実施例に係る草刈機１の本体シャーシ１０に装備される各種機能部品を示すブロック図である。 ガイドワイヤ２８０に流される電流（誘導信号）を、ガイドワイヤセンサ４５にて読み取った電流値を示す波形図であり、（１）は理想的な受信波形図であり、（２）は本実施例における読み取り波形図である。 本発明の実施例に係る草刈機１において、ガイドワイヤによる誘導信号を読み取る手順を示すフローチャートである。 本発明の第二の実施例の草刈機におけるガイドワイヤセンサ４５によって読み取った電流値を示す波形図である。 従来技術における自走式の草刈機３０１の動作の概要を説明するための図である。 ガイドワイヤセンサを用いた位置検出方法を説明するための図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。なお、以下の図において、同一の部分には同一の符号を付し、繰り返しの説明は省略する。また、本明細書においては、前後左右、上下の方向は図中に示す方向であるとして説明する。

図１は本発明の実施例に係る自走式の草刈機１の斜視図である。草刈機１は、走行方向に沿って転回または揺動可能に設けられる小径の前輪１２ａ、１２ｂ（図１では１２ａは見えない）と、駆動輪である大径の後輪１３ａ、１３ｂ（図１では１３ａは見えない）が左右にそれぞれ設けられ、草刈機１は本体カバー２によって上部全体が覆われる。草刈機１の電源は、着脱可能なバッテリパック（図２で後述）であって、制御装置に含まれるマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と称する）によって車輪モータ（図示せず）の駆動が制御され、自律的に走行しながら草を刈り取る。本体カバー２の前方下端２ｃは、地面との間に所定の距離Ｈの隙間を隔てるように構成され、この隙間から本体カバー２の内部に入りこんだ草が、本体シャーシ１０の下側に配置される刈刃（後述）によって刈り取られる。本体カバー２の上側には、前方側の回動軸を中心に開閉可能な開閉カバー３が設けられる。開閉カバー３は例えば透明性を有する樹脂部材により構成され、開閉カバー３を開けることにより図２にて後述するダイヤル２０、キーボード２４、ディスプレイ２５にアクセス可能となる。本体カバー２の前方には前面視で略長方形の開口部５が設けられ、充電時に開口部５を介して充電ステーション２７０の送電端子が受電端子４１と接触可能となる。開口部５の内側には、本体シャーシ１０の先端部分が位置し、その左側側面と右側側面には受電端子４１が設けられる。本体カバー２の開口部５の左右両側には、前輪１２ａ（図２参照）、１２ｂの上部を覆うためのフェンダー２ａ、２ｂが形成される。本体カバー２の後方側上部には、手動停止用のストップスイッチ４が設けられる。

図２は、本発明の実施例に係る草刈機１の本体カバー２を外した状態の上面図である。本体シャーシ１０は先端が凸状に、上面視で三角形に絞り込まれ、その斜面から左右両側には取付アーム１１ａ、１１ｂが伸びるように設けられる。取付アーム１１ａ、１１ｂには前輪１２ａ、１２ｂが軸支され、草刈機１の移動方向に応じて車輪の向きが自在に追従可能なようにそれぞれ保持される。本体シャーシ１０の後方側には後輪１３ａ、１３ｂが設けられる。ここでは後輪１３ａ、１３ｂに大径の車輪を用いて、それぞれ独立した走行用の車輪モータ（右車輪モータ１６ａ、左車輪モータ１６ｂ）で駆動される。２つの車輪モータは、同期して又は非同期に駆動することによりメイン基板２６に搭載されるマイコン（図示せず）による操舵制御を可能としている。車輪モータの回転軸は図示しない減速機構によって所定の減速比にて減速された後に後輪１３ａ、１３ｂを回転させる。例えば、後輪１３ａ、１３ｂを同期して駆動することにより草刈機１が前進又は後進し、後輪１３ａ、１３ｂの回転差を生じさせるように駆動することにより所定方向に草刈機１を転回させることができる。車輪モータは、例えばブラシレスＤＣモータが用いられ、図示しないインバータ回路を介して駆動される。

本体シャーシ１０の先端近傍の左右両側の斜面には、２つの受電端子４１（正極端子４１ａ、負極端子４１ｂ）が設けられる。取付アーム１１ａ、１１ｂの水平部の上側には、本体カバー２を支持するために、本体カバー２の内壁部に設けられる板ばね部（図示せず）の端部を所定範囲内で移動可能に収容する凹部１７ａ、１７ｂが設けられる。本体シャーシ１０の後方側端部付近には、本体カバー２の内壁部に設けられる板ばね部（図示せず）の端部を所定範囲内で移動可能に収容する凹部１８ａ（左側端部付近の凹部は図示せず）が設けられる。

本体シャーシ１０の中央付近には、図示しない刈刃用のモータを上下方向に移動させることにより刈刃の位置を変更して、刈り取り高さを変えるための昇降機構が設けられ、昇降機構のダイヤル２０が上部から回転操作可能なように設けられる。ダイヤル２０は、後述する刈刃と地面との距離（刈り込み高さ）を“２０”、“３０”、“４０”、“５０”“６０”と刻印された基台部１４により回転可能なように保持される。ダイヤル２０をいずれかの数値に合わせることにより、それに対応して後述する刈刃と刈刃モータが上方向又は下方向に移動する。ダイヤル２０の前方には、本体シャーシ１０と本体カバー２の相対移動等から、草刈機１が障害物への衝突や、本体カバー２の持ち上げ状態、傾斜状態等を検出するリフトセンサ４７と接触センサ４８が設けられる。リフトセンサ４７と接触センサ４８と対応する位置であって本体カバー２の内壁側には、マグネット１９ａ、１９ｂが設けられる。リフトセンサ４７と接触センサ４８は、例えばホールセンサを有する基板を備えて構成される。

本体シャーシ１０の後方側にはバッテリパック（図３にて後述）を収容し、マイコンが搭載されるメイン基板を収容する容器部２２が設けられ、容器部２２の開口部は開閉可能な蓋部２３にて覆われる。蓋部２３の上面には液晶表示パネル等のディスプレイ２５と、キーボード２４と、メインスイッチ４２が設けられる。作業者はキーボード２４を操作して草刈りスケジュールの設定等を行うことができる。

図２には図示していないが、地面と平行に所定の距離を隔てて回転するロータリー式の刈刃３５（図３参照）はダイヤル２０の回転中心と同軸上で回転し、刈刃モータ３０（図３で後述）は、本体シャーシ１０の前後方向に見て前輪１２ａ、１２ｂと後輪１３ａ、１３ｂの間に設けられる。刈刃３５の外縁位置は、前輪１２ａ、１２ｂと後輪１３ａ、１３ｂのそれぞれの中心位置を結んだ仮想四角形の範囲内に収まるように配置される。また、点線で示す本体カバー２の外縁位置は、刈刃３５の外縁位置よりも十分外側に位置するように設定され、刈刃３５と本体カバー２とのクリアランスが十分確保される。

図３は図２のＡ−Ａ部の断面から右方向を見た図（草刈機１の左右中心位置を通る鉛直断面図）である。本体カバー２は地面側を除いて本体シャーシ１０のほぼ全体を覆う形状であって、バネ等によって本体シャーシ１０に対して浮いた状態で保持されることにより、前後左右及び上下方向に僅かに移動可能である。本体カバー２は岩や突起、壁などの障害物にぶつかることがあり、その際の本体カバー２の相対的な位置変動を後述する接触センサ等で検出することにより、後述する制御装置が草刈機１の衝突等を検出する。

本体シャーシ１０の中央付近下側には、複数の刃３５ｂを有し、地面と略平行な面で回転する刈刃３５が設けられる。刈刃３５を回転させるための駆動装置（刈刃モータ３０）は、モータハウジング２１の内部に収容される。モータハウジング２１はダイヤル２０を回転させることによって、本体シャーシ１０に対して上下方向に移動可能なように構成とされ、刈刃３５の高さを調整する場合は、駆動装置と一体に上下方向に昇降する。図３では刈刃モータ３０及び刈刃３５が最上位位置（刈刃高さＨ２＝６０ｍｍ）にある状態を示している。

上方に開口を有するカップ状のモータハウジング２１の内側に刈刃モータ３０が収容され、刈刃モータ３０の回転軸３０ｃは鉛直方向に延びるように配置され、回転軸３０ｃの下端はモータハウジング２１に形成される貫通穴を貫通して下側にまで延び、そこに刈刃３５が取り付けられる。刈刃３５は円盤状に形成された合成樹脂製のフレーム３５ａの外周側の数カ所に金属製の刃３５ｂを設けたものであり、地面に対して設定された高さＨ２の水平な面内で回転する。

刈刃モータ３０はブラシレスＤＣモータであって、励磁コイルが巻かれたステータコア３０ｂの内側にて、永久磁石を有するロータコア３０ａが回転する。ステータコア３０ｂの一方側（ここでは上側）には円形のインバータ回路基板３１が設けられ、そこにロータコア３０ａの位置を検出するための複数のホールＩＣ（図示せず）と、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）やＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の複数のスイッチング素子が搭載される。

刈刃モータ３０の後方側には、バッテリパック２８、メイン基板２６等を収容するための略直方体状の容器部２２が設けられる。容器部２２は、プラスチック等の合成樹脂の一体成形にて製造される。容器部２２は、上側に開口を有し、蓋部２３を開閉するためのヒンジ２３ａが設けられ、開口は蓋部２３にて閉鎖される。容器部２２の中に収容されるバッテリパック２８は着脱式であって、その内部には複数の二次電池セル（図示せず）が収容される。容器部２２の上側後端付近には、ヒンジ２３ａの反対側で蓋部２３の開閉を固定するねじ等からなる蓋の操作部３７が設けられる。

本体シャーシ１０の前端付近には第１のガイドワイヤセンサ４５が設けられ、後端付近には第２のガイドワイヤセンサ４６が設けられる。ガイドワイヤセンサ４５、４６はコイルによって、周囲の磁界の変化を電流の変化に変換する。ここでは図示しないコイルの軸方向（磁界の検出方向）が上下方向（鉛直方向）になるようにガイドワイヤセンサ４５、４６の取り付け向きが設定される。後側のガイドワイヤセンサ４６は、その上下中央位置が後輪駆動用のモータ１６ａ、１６ｂの回転軸の高さとほぼ一致するように配置される。このようにガイドワイヤセンサ４６の位置を設定することによって、モータ１６ａ、１６ｂによってガイドワイヤセンサ４６が受けるノイズの影響を抑制することができる。

図４は草刈機１の本体シャーシ１０に装備される各種機能部品を示すブロック図である。メイン基板２６には草刈機１の動作を制御する制御装置や図示しない電源回路等が搭載される。制御装置は、図示しないマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と称する）や記憶装置、その他の電子素子が含まれる。メイン基板２６には、充電ステーション２７０の２つの送電端子（正極、負極）に接続可能な受電端子４１ａ、４１ｂと、電池取付部に装着されたバッテリパック２８の端子（図示しない出力電圧端子及び識別用端子）と着脱自在に接続する電池ターミナル２９が接続される。メインスイッチ４２は電池ターミナル２９とメイン基板２６の接続線路に挿入されるもので、草刈機１のメイン基板２６やモータ等への電源の供給スイッチである。

メイン基板２６には、刈刃モータ３０、右車輪モータ１６ａ、左車輪モータ１６ｂに接続され、メイン基板２６から駆動電力がモータ駆動回路２７ａ〜２７ｃを介して供給されることにより、刈刃３５が回転し、後輪１３ａ、１３ｂが独立して駆動される。モータ駆動回路２７ａ〜２７ｃはインバータ回路が含まれ、マイコンによって制御されるＰＷＭ制御信号に応じて直流電源から三相交流の励磁電流を生成して刈刃モータ３０、右車輪モータ１６ａ、左車輪モータ１６ｂを回転させる。マイコンは刈刃モータ３０を回転させる事により、刈刃モータ３０の回転軸３０ｃに減速機構無しで直結される刈刃３５を回転させる。また、マイコンは、右車輪モータ１６ａと左車輪モータ１６ｂを連動させて又は非連動で回転させることにより後輪１３ａ、１３ｂを回転させる。

メイン基板２６にはキーボード２４、ディスプレイ２５、ストップスイッチ４が接続されるとともに、第１（前方側）のガイドワイヤセンサ４５、第２（後方側）のガイドワイヤセンサ４６、リフトセンサ４７、接触センサ４８、傾斜センサ４９等の各種センサが接続される。第１及び第２のガイドワイヤセンサ４５，４６のコイルにより検出された信号は、メイン基板２６に出力され、草刈り領域の境界をメイン基板２６に搭載されたマイコンにて認識する。この認識結果に応じて、マイコンは草刈機１の方向制御等を左車輪のモータ１６ｂと右車輪のモータ１６ａを独立して駆動することにより、草刈機１の前進、後退、及び転回をおこなう。リフトセンサ４７は、草刈機１の本体シャーシ１０が持ち上げられたとき、又は、草刈機１が地面に対して所定角度以上傾斜したときに、これを検知するものであり、その際にマイコンは右車輪モータ１６ａ、左車輪モータ１６ｂ、及び、刈刃モータ３０を停止させる。接触センサ４８は、草刈機１が何かに接触した際の衝撃を検出するものである。傾斜センサ４９は、草刈機１が地面に対して所定角度以上傾斜したときに、これを検知して傾斜面に草刈機１が侵入しないように回避する。

本体カバー２の後端側上部の操作しやすい位置にストップ用の手動停止手段であるストップスイッチ４（図１参照）が設けられ、ユーザは手動操作で自動走行中若しくは草刈り中の草刈機１を停止させることができる。キーボード２４とそれに搭載されるディスプレイ２５は、草刈りに関する情報の入出力装置であり、操作者は本体カバー２に設けられた開閉カバー３を開くことでアクセスできるように配置され、動作開始の指示、タイマ設定、作業領域等の設定を行う。ここではキーボード２４を設けたが、ディスプレイ２５としてタッチ式の液晶ディスプレイを用いてこれらを一体に形成しても良い。

以上の草刈機１の構成において、本体シャーシ１０の電池取付部にバッテリパック２８を装着し、本体シャーシ１０を充電ステーション２７０に位置付けると、充電ステーション２７０側の制御装置は草刈機１の接続を判別して、図示しない送電回路から充電用の直流電圧を本体シャーシ１０に供給する。充電回路は定格出力電圧にてバッテリパック２８を充電する。充電完了後、マイコンは図示しないリレーを制御する事によりバッテリパック２８を負荷側（モータ等への電力供給側）から、モータ１６ａ、１６ｂ、３０に接続する側に切り替える。その後、草刈機１は充電ステーション２７０から離脱してメイン基板２６上のマイコンにより予め定められた自動走行プログラムに沿って草刈り動作を行う。草刈機１は要求された草刈り動作が終了したとき、又はバッテリパック２８の残量が低下したときは充電ステーション２７０に帰還する。

次に図９を用いてガイドワイヤセンサ４５を用いた位置検出方法を説明する。本実施例においてループ状に結線されたガイドワイヤ２８０には、１５ミリ秒周期で、５マイクロ秒幅のパルス電流を複数、所定のパターンとなるように流している。図９のように地表上又は地表近くに配置されたガイドワイヤ２８０に対して、矢印２８１の方向に電流を流すと、その周りに同心円を描くように磁界２８２ができる（右ネジの法則）。この磁界２８２の向きは、ガイドワイヤ２８０による閉空間の内側では矢印２８３のように地面に対して上から下向きとなり、閉空間の外側では矢印２８４のように地面に対して上から下向きとなる。つまり、草刈機１のガイドワイヤセンサ４５が図中の位置Ａのようにガイドワイヤ２８０の内側にいるときは、ガイドワイヤセンサ４５が読み取る磁界の向き（矢印２８３）は、上から下向きとなる。一方、ガイドワイヤセンサ４５が図中の位置Ｂのようにガイドワイヤ２８０の外側にいるときは、ガイドワイヤセンサ４５が読み取る磁界の向き（矢印２８４）は、下から上向きとなる。この原理を利用して草刈機１は、ガイドワイヤセンサ４５、４６の双方が読み取る磁界の向きによって草刈機１がガイドワイヤ２８０によって閉じられた領域の内側（位置Ａ）にいるか、外側（位置Ｂ）に出てしまったかを識別することができる。

磁界の向きがどちらかになるかによってガイドワイヤ２８０の位置を検出するには、ガイドワイヤセンサのコイルの軸方向を垂直方向に向けるように配置することが重要である。本実施例では、ガイドワイヤセンサを走行方向の前側端部付近（第１のガイドワイヤセンサ４５）と、後側端部付近（第２のガイドワイヤセンサ４６）を設け、双方で同じように検出を行うので、草刈機１がガイドワイヤ２８０を跨いだような状態まで検出が可能となる。さらに草刈機１の左右中心点がガイドワイヤ２８０の上にあるように、ガイドワイヤ２８０に沿って移動する場合は、ガイドワイヤセンサ４５、４６の出力が特徴的に弱くなるが、その状態も検出可能である。尚、電流２８１の流れる向きが反対になると、ガイドワイヤセンサが読み取る磁界の向き（矢印２８３、２８４）も反対になる。従って、ガイドワイヤ２８０に流す電流の向きを周期的に変えたパルス群（詳細は後述）とすることにより、ガイドワイヤセンサ４５、４６で検出された電流値からガイドワイヤ２８０の内側か外側かを正しく識別できるようにしている。

図５は草刈機３０１のガイドワイヤセンサによる検出信号の波形を示す図である。ここでは第１のガイドワイヤセンサ４５が、ガイドワイヤ２８０の内側位置（位置Ａ）にあるときに検出される電流値を示している。ガイドワイヤセンサ４５はコイルによって、その位置での磁界の変化を電圧に変換する（ガイドワイヤセンサ４６も同じ）。その電圧をマイコンが読み取り、マイコンが記憶していたガイドワイヤ２８０の電流パターンと一致するか比較し、ガイドワイヤ２８０による信号を判定する。（１）はモータ等のノイズの影響が無い場合の理想的な読み取り波形（電流値７０）である。本実施例のガイドワイヤ２８０に所定のパターンの電流（ガイドワイヤ信号）を流すもので、ガイドワイヤセンサ４５がガイドワイヤ２８０の内側に位置する場合であって、図９のように電流の向き２８１となる時にガイドワイヤセンサ４５が＋電流を検出し、電流の向きが２８１と反対方向となる時にガイドワイヤセンサ４５が−電流を検出する。誘導信号は、図９の矢印２８１の方向に短い電流を流し（＋側第１パルス）、次に矢印２８１と反対方向に短い電流を流し（−側第１パルス）、次に矢印２８１の方向に短い電流を流し（＋側第２パルス）、次に矢印２８１と反対方向に短い電流を流し（−側第２パルス）、最後に、矢印２８１の方向に短い電流を流し（＋側第３パルス）。このように＋側パルス７１ａを３つ、−側パルス７１ｂを２つとしてパルス群７１を形成する。パルス群７１〜７９は１５ミリ秒周期で出現するので、マイコンはガイドワイヤセンサ４５によって検出された信号から、＋側パルスと−側パルスの数を検出して草刈機１がガイドワイヤ２８０の内側にいるか、外側にいるかを正しく識別することができる。尚、ガイドワイヤセンサ４５がガイドワイヤ２８０の外側に位置する際には、磁界の方向が逆になるために、（１）の波形を上下反転した形の波形を検出することになるが、３パルス出現した側の極性（外側に位置する際には−側）を識別することで、ガイドワイヤ２８０の外側（位置Ｂ）にいることが正しく識別できる。

図５（２）は草刈機３０１にて実際に草刈り中にガイドワイヤセンサ４５にて検出される波形の一例を示すものである。電流値８０のうち、パルス群８１、８２の含まれる矢印６１の時点まで、刈刃３５を駆動する刈刃モータ３０へ通電中である。この区間では、刈刃モータ３０からの漏れ磁界の影響を受けてしまい、検出された電流値８０は、矢印８１ａ、８１ｂ、８２ａ、８２ｂのように大きな波形の乱れ（ノイズ）を検出してしまう。ここではノイズの一例を示したものであるが、通常、ノイズの大きさや向きは一定ではないので予測できない。刈刃モータ３０の電流をもとにノイズを打ち消す等の積極的な対応策をとることも考えられる。しかしながら、刈刃モータ３０の負荷が決まっていれば予測することができるが、実際には芝の伸び具合や芝の密度によって刈刃モータ３０に掛かる負荷がその都度変化する為、刈刃モータ３０の電流とその磁界の変化を予測することは困難である。

本発明者らが検証したところ、ガイドワイヤセンサ４５にノイズを及ぼすのが、刈刃モータ３０であって、刈刃モータ３０のステータに電流を流す時に漏れ磁束が出て、その磁束の向きがガイドワイヤセンサ４５のコイルの向きと近いためであることがわかった。特に、刈刃モータ３０は、回転軸３０ｃが鉛直方向を向いており、漏れ磁束の方向が鉛直方向になる。一方、回転軸が水平方向になるモータ（右車輪モータ１６ａ、左車輪モータ１６ｂ）では漏れ磁束は横方向が多いので、ガイドワイヤセンサ４５、４６との高さ方向中心位置を同じにすれば、影響が少ないことがわかった。縦置きの刈刃モータ３０のノイズの影響を除去するのは、刈刃モータ３０から漏れる磁界を消失させれば良い。この際、刈刃モータ３０が回転しているか停止しているかはさほど問題では無くて、漏れ磁界の有無が問題である。これは、電流値８０に影響するノイズは、電磁波を拾ったノイズではなくて、磁束の変動に伴うノイズ、つまり刈刃モータ３０のステータコアとコイルからの漏れ磁束が問題となるからである。そこで本実施例ではガイドワイヤセンサ４５、４６にてガイドワイヤ２８０による誘導信号を検出する際に、刈刃モータ３０への電源供給（通電）を一時的に停止して、ノイズの影響がない状態として、刈刃モータ３０の停止中に誘導信号を検出するように構成した。この刈刃モータ３０への通電停止中のガイドワイヤセンサ４５による検出波形を示すのが（２）のパルス群８３から８７の区間である。

刈刃モータ３０への通電停止は、草刈機１における草刈り作業中の所定の時間間隔ごとに行い、刈刃モータ３０に電流を５００ミリ秒流したら、刈刃モータ３０への通電を完全に停止させる。この停止はモータ駆動回路２７ａ（図４参照）に含まれるスイッチング素子の導通を遮断状態とすれば良い。この刈刃モータ３０の通電停止中にガイドワイヤセンサ４５、４６による誘導信号の検出を行う。この検出は誘導信号としてのパルス群８３〜８７の複数を連続して正しく検出することである。複数連続で検出するようにしたのは、誤動作を防ぎ信頼性を上げるためである。ガイドワイヤセンサ４５、４６による誘導信号の検出が完了したら、矢印６２で示すタイミングにて刈刃モータ３０への駆動電流の供給を再開する。従って、刈刃モータ３０を停止させる時間は一定ではなくて、検出毎に変わることがある。

刈刃モータ３０への通電を一時的に停止すると、刈刃３５は慣性力により惰性で回転し続け、わずかながら刈刃３５の回転速度が脈動するが、連続的に回転を続けることには変わりが無い。従って、草の刈り取り作業の効率の低下を心配する恐れはほとんど無い。また、車輪モータ１６ａ、１６ｂについては停止せずに、駆動したままで良いので、草刈機１の走行制御には何ら影響を与えない。図５（２）の矢印６２において、パルス群８７の後に刈刃モータ３０への通電を再開したら、同様の処理、即ち、刈刃モータ３０への通電、慣性回転、通電、慣性回転を繰り返す。

図６は本実施例に係る草刈機１において、ガイドワイヤによる誘導信号を読み取る手順を示すフローチャートである。図６に示す一連の手順は、マイコンを有する制御装置にあらかじめ格納されたプログラムによってソフトウェア的に実行可能である。芝刈り動作が開始されると、まずマイコンは制御に必要なカウンタの初期設定や、一時記憶メモリの初期化を行う（ステップ１０１）。ここでは、刈刃モータ３０の稼働時間をカウントするためのタイマや、ガイドワイヤセンサ４５、４６の判定結果を格納するメモリ、草刈り停止命令の有無を格納する停止命令メモリ等を初期化する。次に、マイコンは、刈刃モータ３０への通電を開始して、刈刃３５を回転させる（ステップ１０２）。刈刃モータ３０は、ブラシレスＤＣモータであるので、インバータ回路に含まれる複数のＦＥＴ（電界効果トランジスタ）にゲート信号を供給することにより、刈刃モータ３０のコイルへ所定の駆動電流を供給する。また、マイコンは車輪モータ（右車輪モータ１６ａ、左車輪モータ１６ｂ）への通電を開始することにより、草刈機１の走行を開始する（ステップ１０２）。

次にマイコンは、停止命令メモリの内容から草刈り動作の停止命令があったかどうかを判定する（ステップ１０３）。停止命令は、例えば、所定の草刈り動作が終了した場合、何らかの異常の発生が検出された場合、又は、停止用のストップスイッチ４が操作された場合等、様々な要因があり得るが、この停止命令の状態は停止命令メモリの内容にて確認できる。ステップ１０３にて草刈り停止命令があったら、刈刃モータ３０と車輪モータ（右車輪モータ１６ａ、左車輪モータ１６ｂ）への通電を停止することにより、草刈機１の動作を停止させ（ステップ１１４）、草刈り動作を停止する。

ステップ１０３にて草刈り停止命令が無い場合は、刈刃モータ３０の起動が完了したかどうかを判定し、完了していない場合や停止中の場合はステップ１０３に戻る（ステップ１０４）。ステップ１０４にて刈刃モータの起動が完了している場合は、ステップ１０５にて刈刃モータ３０への通電が継続しているかどうかを判定し、通電中の場合はステップ１１２に移行する。ステップ１１２では刈刃モータへの通電開始から所定時間、ここでは５００ミリ秒が経過したかどうかを判定し、経過した場合は刈刃モータ３０への通電を停止し（ステップ１１３）、ステップ１０３に戻る。尚、刈刃モータ３０への通電は停止するだけで、コイル間の短絡などによるブレーキ制御を行うわけではないので、刈刃モータ３０は慣性により回転を続けることになる。ステップ１１２にて５００ミリ秒が経過していない場合は、ステップ１０３に戻る。

ステップ１０５において、刈刃モータ３０が通電中でない場合、即ち通電停止中の場合は、マイコンはガイドワイヤセンサ４５、４６の出力信号からガイドワイヤ２８０によって発生される誘導信号を検出し、草刈機１が草刈領域２９０の中にいるか否かの判定処理を行う（ステップ１０６）。この判定は、プラス又はマイナス側に複数出現するパルス波形において、どちら側に３つ出現するかを検出する。例えば、図５（２）のパルス群８３においては、＋側に３つ、−側に２つのパルスが出現するため、マイコンは草刈機１が草刈領域２９０の内側にいると判定できる。ちなみに、草刈機１が草刈領域２９０の外側にいる場合は、パルス群は、−側に３つ、＋側に２つのパルスが出現する。このようにして周期１５ミリ秒ごとに出現するパルス群のうち、連続する数群分の“内側”判定が得られたらマイコンは“草刈領域２９０の内側”との確定判定をする。逆にパルス群のうち、連続する数群分の“外側”判定が得られたらマイコンは“草刈領域２９０の外側”との確定判定をする。

このように領域の検知が完了して、その結果が正しく得られた時点でステップ１０７がＹＥＳとなり、マイコンは刈刃モータ３０への通電を再開する（ステップ１０８）。次に、判定された結果はメモリに格納される。メモリに格納された判定結果は、車輪モータの制御を行う走行制御プログラム（図４のフローチャートとは並行して処理されるもので、ここでは図示していない）での制御に用いられる。図示しない走行制御プログラムでは、得られた位置判定結果と、ルート制御プログラムに応じて、車輪モータ（右車輪モータ１６ａ、左車輪モータ１６ｂ）を制御し、必要ならば操舵指示を行う。例えば、ガイドワイヤセンサ４５が外側で、ガイドワイヤセンサ４６が内側との判定の場合は、車輪モータの一方だけを停止して草刈機１を１８０度反転（Ｕターン）させるようにしても良い。また、ガイドワイヤセンサ４５、４６の双方が外側との判定された場合は、草刈機１を後退させても良いし、草刈機１を停止させても良い。

ステップ１０７にて判定が完了しない場合（ＮＯの場合）は、ガイドワイヤセンサ４５、４６を用いた確定判定がタイムアウト時間内に終了しない場合、つまりタイムアウトになっていないかどうかを判定する（ステップ１１０）。所定の時間（タイムアウト時間）内に判定ができなかった場合には、判定結果をメモリに格納すると共に、刈刃モータへの通電停止を継続する（ステップ１１１）。この際、エラーコードをディスプレイ２５に表示すると良い。刈刃モータ３０は通電が停止時に併せてブレーキ制御が行われる。また、車輪モータは減速機を介して駆動されることから、抵抗により惰性走行が抑制される構成とされているが、併せてブレーキ制御を行うようにしてもよい。ステップ１１０にて所定の時間内に判定ができたらステップ１０３に戻る。尚、図６のフローチャートはガイドワイヤによる誘導信号を読み取る手順だけを示し、図６の手順とは並列して走行制御プログラムが実行されると説明したが、それ以外にマイコンはバッテリパック２８の残量管理と、スケジュール管理やディスプレイ制御等の制御を並列して行う。

本実施例によれば、刈刃モータ３０を一定の間隔ごとに通電を停止させるように間欠駆動させ、刈刃モータによる駆動を一瞬止めることによって、通電停止中はガイドワイヤセンサ４５、４６に対するノイズを消失させることができる。本実施例では、このノイズを消失させた状態でガイドワイヤセンサ４５、４６による誘導信号の検出を主に行うので、誘導信号を正しく読み取ることができる。また、刈刃モータ３０の間欠駆動によって刈刃モータ３０とガイドワイヤセンサ４５を近づけることができる為、本体シャーシ１０の小型化が可能になる。さらに、刈刃モータ３０によるガイドワイヤセンサ４５、４６へのノイズの影響を気にしなくてすむので、刈刃モータ３０に大きな電流を流すことができる為、よりパワフルな刈り取り作業を行うことができる。

次に図７を用いて本発明の第二の実施例について説明する。第二の実施例ではモータのＯＮをする継続時間の設定が第一の実施例と違うだけであって、基本的な制御方法は第一の実施例と同じである。ここでは刈刃モータ３０を止めるタイミング（停止開始タイミング、矢印６３、６４）の間隔が一定となるように、刈刃モータ３０への通電期間の長さを調整する。例えば、刈刃モータ３０をオフにして、電流値９０に対する矢印９１ａ、９１ｂ、９２ａ、９２ｂのようなノイズの影響を消失させる。そして、矢印６３の時点で誘導信号の検出を開始し、複数のパルス群９３〜９７によって誘導信号を検出した際に、その検出時間にαミリ秒かかったら、その後に続く刈刃モータ３０のＯＮ時間を、５００−αミリ秒とする。そして、矢印６２から５００ミリ秒が経過した矢印６４のタイミングで、再び刈刃モータ３０への通電を停止させてガイドワイヤセンサ４５、４６による誘導信号の検出を行う。以後同様の制御を繰り返す。このように刈刃モータ３０の止める始期の間隔が一定になるので、刈刃モータ３０の停止始期の時間間隔が一定になり、作業音が一定になる。

以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。例えば、ガイドワイヤに流す誘導信号は上述の実施例のパターンに限られずに、その他のパターンであっても良い。また、刈刃モータ３０への供給電圧を変更できるならば（但し、チョッパ制御による電流のオンオフを繰り返すことによって実効値電圧を下げる方法を除く）、ガイドワイヤセンサ４５、４６による誘導信号の検出時に通電停止ではなくて大幅に電圧を下げるようにすることにより、ガイドワイヤセンサを用いた信号検出時のノイズを大幅に低減させるようにしても良い。

１…草刈機、２…本体カバー、２ａ，２ｂ…フェンダー、２ｃ…本体カバーの前方下端、３…開閉カバー、４…ストップスイッチ、５…開口部、１０…本体シャーシ、１１ａ，１１ｂ…取付アーム、１２ａ，１２ｂ…前輪、１３ａ，１３ｂ…後輪、１４…基台部、１６ａ…右車輪モータ、１６ｂ…左車輪モータ、１７ａ，１７ｂ，１８ａ…凹部、１９ａ，１９ｂ…マグネット、２０…ダイヤル、２１…モータハウジング、２２…容器部、２３…蓋部、２３ａ…ヒンジ、２４…キーボード、２５…ディスプレイ、２６…メイン基板、２７ａ〜２７ｃ…モータ駆動回路、２８…バッテリパック、２９…電池ターミナル、３０…モータ（刈刃モータ）、３０ａ…ロータコア、３０ｂ…ステータコア、３０ｃ…回転軸、３１…インバータ回路基板、３５…刈刃、３５ａ…フレーム、３５ｂ…刃、３７…操作部、４１，４１ａ，４１ｂ…受電端子、４２…メインスイッチ、４５，４６…ガイドワイヤセンサ、４７…リフトセンサ、４８…接触センサ、４９…傾斜センサ、７０…電流値、７１〜７９…パルス群、７１ａ…＋側パルス、７１ｂ…−側パルス、８０…電流値、８１〜８９…パルス群、９０…電流値、９１〜９９…パルス群、２００…家屋、２１０…庭、２５０…ＡＣアダプタ、２６０…ケーブル、２７０…充電ステーション、２８０…ガイドワイヤ、２８２〜２８４…磁界の向き、２９０…草刈領域、３０１…草刈機

Claims (9)

1. 車輪を駆動する車輪モータと、
   刈刃を駆動する刈刃モータと、
   これらのモータに電力を供給する二次電池と、
   ループ状に形成されたガイドワイヤに流れる電流によって発生された磁界を検知するガイドワイヤセンサと、
   前記ガイドワイヤセンサの出力により前記ガイドワイヤで閉じられた領域の内側にいるか外側にいるかを判別して草刈領域の自律的な走行を制御する制御装置と、を有する自走式草刈機において、
   前記制御装置は、前記刈刃モータの回転中に前記ガイドワイヤセンサによって磁界を検知する際に前記刈刃モータへの供給電圧を低下させ、前記刈刃モータが惰性回転を継続しているうちに磁界の検知を試行し、磁界の検知完了後に前記刈刃モータへの供給電圧を増加させるとともに、前記刈刃モータの制御とは独立して前記車輪モータへの通電を継続することを特徴とする自走式草刈機。
2. 前記刈刃モータへの供給電圧の低下は、通電を停止させることで行われることを特徴とする請求項１に記載の自走式草刈機。
3. 前記刈刃モータへの通電停止は、前記自走式草刈機における草刈り作業中の所定の時間間隔ごとに行うことを特徴とする請求項２に記載の自走式草刈機。
4. 前記刈刃は地面と略平行な面で回転するロータリー式の刈刃であって、前記刈刃モータは回転軸が鉛直方向に延びるように配置され、前記ガイドワイヤセンサは磁界の変化を検出するコイルを有し、前記コイルの軸方向が、前記刈刃モータの回転軸と平行となるように配置されることを特徴とする請求項２又は３に記載の自走式草刈機。
5. 前記ガイドワイヤには所定の時間間隔でパルス状の電流群を流すための誘導信号発生器が接続され、前記制御装置は、前記刈刃モータの停止中に前記電流群による磁界の変化を複数検出することによって前記ガイドワイヤで閉じられた領域の内側にいるか外側にいるかを判別し、タイムアウト時間内において前記磁界の変化が検出できないときは、前記車輪モータの回転及び前記刈刃モータの回転を停止させることを特徴とする請求項３又は４に記載の自走式草刈機。
6. 前記制御装置は、前記刈刃モータを駆動する時間を一定とし、前記刈刃モータの通電停止をする時間を可変としたことを特徴とする請求項５に記載の自走式草刈機。
7. 前記刈刃モータはブラシレスＤＣモータであり、前記ブラシレスＤＣモータを駆動するために、複数のスイッチング素子を有するインバータ回路を設け、前記制御装置は前記スイッチング素子の導通をＰＷＭのデューティ比を０％とすることにより前記通電を停止させることを特徴とする請求項６に記載の自走式草刈機。
8. 前記自走式草刈機は、前記車輪モータと前記刈刃モータを保持する本体シャーシと、これらを覆う本体カバーを有し、前記本体シャーシの前側に前輪を設け、後側に後輪を設け、前記後輪のそれぞれに車輪モータを設け、前記刈刃モータは、前記本体シャーシの前後方向に見て前輪と後輪の間に設けられることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の自走式草刈機。
9. 車輪を駆動する車輪モータと、
   作業機器を駆動する作業用モータと、
   これらのモータに電力を供給する二次電池と、
   信号出力手段から出力される信号を検出する信号検出センサと、
   前記信号検出センサからの出力により作業を行う作業領域内の自律的な走行を制御する制御装置と、を有する自走式作業機において、
   前記制御装置は、前記作業用モータの回転中に前記信号検出センサによって前記信号を検知する際に前記作業用モータへの供給電圧を低下させ、前記作業用モータが惰性回転を継続しているうちに磁界の検知を試行し、前記信号の検知完了後に前記作業用モータへの供給電圧を増加させるとともに、前記作業用モータの制御とは独立して前記車輪モータへの通電を継続することを特徴とする自走式作業機。
   

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