JP2011237253A

JP2011237253A - 受光器

Info

Publication number: JP2011237253A
Application number: JP2010108268A
Authority: JP
Inventors: Naomasa Nitta; 新田尚正
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-05-10
Filing date: 2010-05-10
Publication date: 2011-11-24

Abstract

【課題】
バックホウ等の建設機械を用いて掘削する際、掘削高さを検知する掘削支援装置において基準面に沿って出射するレーザ光を受光する受光器が、アームが傾斜した状態において良好に受光できる受光器を提供する。
【解決手段】
建設機械を用いた掘削作業を支援する装置であって、掘削箇所近傍に設置され、レーザ光を基準面に沿って出射する投光器のレーザ光を、受光する受光部を長手方向に沿って複数有し、アームに取り付けられる受光器の中の受光素子を傾斜させて取り付ける。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えばバックホウなどの建設車両のバケットやアームにレベル検出手段を取り付け、基準となるレーザ光をレベル検出手段で検知し、このレベル検出手段の情報をオペレーターに表示するようにしたレーザレベル検出システムに関する。

従来から、バックホウのアームにレベルセンサを取り付け、レーザ投光器のレーザ光をそのレベルセンサで受光し、このレベルセンサの受光位置に基づいて適正高さからのずれを表示する建設機械用レーザ光検出装置が知られている。
特開２００７−１０１２３５

しかしながら、このような建設機械用レーザ光検出装置は、アームに取り付けられた装置が垂直になった時点でチルトセンサが反応してランプが点灯し、その状態での高さに基づいて、その高さが適正高さから高いか低いかを表示する装置である。この装置において、所望する場所を高さ検知したい場合、その場所にアームを垂直に接地させるにはバケツの刃先をその場所に接地させてアームの傾斜を垂直になるようにバックホウを移動しながらアームを垂直方向に操作しなければならない。この操作は、走行動作、アーム操作、チルトセンサの点灯確認以上の３つの作業をしなければならないので面倒である。また別の方法では、所望する場所の近くで、バケットの刃先を所望する場所の高さより少し上方でアームをチルトセンサの点灯確認しながら垂直にする。それから所望する場所へ走行しバケットの刃先を接地させる。チルトセンサの点灯確認をして高さをみる。アームを垂直にしなければならないので、以上の作業が必須となる。
この改善策として本発明人は特願２００９−１４６１２１を開示している。この技術は、レーザ光を基準面に沿って出射する投光器と、レーザ光を受光する受光部を長手方向に沿って複数有し、アームに取り付けられる受光器と、アームの傾斜角度を検知する傾斜センサと、受光器および傾斜センサの検出信号に基づいて基準面からバケットの先端までの実際の掘削深さを演算し、これを予め設定された指定掘削深さと比較して掘削誤差を求めるものである。この技術を簡単に説明すると、アームに取り付けられた受光器からバケットの刃先までの距離と、所望する掘削高さからレーザ投光器までの距離を同じにして、傾斜分演算し、掘削誤差を求めるものである。

従来技術においては、受光器は基準面と並行なレーザ光を受光するものまたは、所定の角度のみ受光するものであった。本発明は、受光器が傾斜状態においてもレーザ光を良好に受光する受光器の提供を目的とするものである。

本発明の前記目的は、運転室を備える上部旋回体に対して上下方向に回動可能に設けられたブームと、前記ブームに対して上下方向に回動可能に設けられたアームと、前記アームに支持されたバケットとを備え、前記ブーム及びアームの駆動操作により前記バケットで土砂を掘削する建設機械を用いた掘削作業を支援する装置において、掘削箇所近傍に設置され、レーザ光を基準面に沿って出射する投光器からのレーザ光を受光する受光器であって、前記受光器は、バックホウのアームの長手方向に沿って脱着可能な取り付け金具を設け、前記取り付け金具にアームの長手方向に沿ってスライド可能にレールを設け、前記取り付け金具と前記レールの間に緩衝ゴムを設置し、レールに取り付けられた受光器がスライド可能で衝撃を緩和できることを特徴とする受光器により達成される。

この受光器を構成する受光素子は、１列にアームの長手方向に並んで配置され、レーザ光の入射角度が小さくなるようにアーム回動方向に受光素子の受光面が傾斜して設置されたことを特徴としている。

また、この受光器を構成する受光素子は、２および３に列アームの長手方向に並んで配置され、レーザ光の入射角度が小さくなるようにアーム回動方向に受光素子の受光面が傾斜して設置されたことを特徴としている。

或いは、この受光器において、アームの長手方向に並んだ受光素子が受光した際に、受光素子１個〜１０個のすくなくとも１個に対して、１個のＬＥＤランプが受光した受光素子の近くの位置で点灯することを特徴とした構成にしても良い。

受光器が傾斜状態においても、良好に受光できるようになったので、バックホウの車体を移動させなくとも所望する場所を検知でき、掘削作業中においてもアームの傾斜に拘わらず、掘削高さを検知できるので、より迅速に正確な掘削が可能となった。

請求項２記載の発明によれば、受光素子が１列で作業可能であるから、受光素子の数が大幅に軽減でき、受光素子の回路規模を縮小できる。

請求項３記載の発明によれば、受光素子が２および３列並んでいるから、より広範囲のレーザ光を入射角度の少ない状態で受光できるようになった。

請求項４記載の発明によれば、ＬＥＤランプが点灯することで、オペレーターがレーザ光の高さを、大まかに把握することができ、ＬＥＤランプが点灯しない場合、レーザ光が障害物で遮られて受光していないか、投光器がレーザ光を投光していないか、受光器がレーザ光を受けているにもかかわらず故障して作動しないか、レーザ光の高さから受光器が外れているか、以上の４つの点に関して、素早く判断して作業に復帰できるようになった。

図１は、本発明の受光器の斜視図である。図１において、１０は受光器、１１は受光素子、１３はＬＥＤランプ、１４は緩衝ゴム、１５はレール、１６は取り付け金具、２はバックホウのアーム、３はブーム、４はバケットである。本発明の受光器とレーザ光を基準面に沿って出射する投光器を合わせて掘削支援装置となる。本発明の受光器１０は、レール１５を支持する取り付け金具１６と、受光器１０をスライド可能にするレール１５と、取り付け金具１６とレール１５とをつないで衝撃を緩衝する役目をする緩衝ゴム１４と、受光器１０を取り付けレール１５に沿った任意の位置で固定できるノブとから構成されている。レール１５は、投光器の出射するレーザ光に合わせて受光器１０を移動させる場合に、受光器１０をスライドさせる役目をする。図４のようにレール１５の受光器側の断面が、方形状や図８のように円状でもスライド可能ではずれなければ、形状は、どんなものでもかまわない。また、ノブは、受光器１０をレール１5に締め付けて固定するものであるが、衝撃のための緩みを防止するために、レール１５側のノブのねじ部先端接触面に、凹凸を設けて確実に固定できるようにするとよい。

緩衝ゴム１４は、取り付け金具１６とレール１５とをつないで衝撃を緩衝する役目をするもので、取り付け金具１６から、２〜３か所柱状に緩衝ゴム１４が伸びてレール１５を支持している。緩衝ゴム１４の断面は、円状でなくともよい。バックホウのアーム２、ブーム３、バケット４の回動方向の衝撃を緩衝できる。また、旋回方向の衝撃は、バックホウの旋回動作はゆっくり停止し、またゆっくり旋回するようになっているのでバックホウの旋回方向の衝撃は、ほとんど無い。

図２は、バックホウのアーム傾斜時における受光角度の状態図である。図３は、本発明の受光器の受光素子が傾斜している状態の斜視図である。図４は、本発明の受光素子が一列である受光器の断面図である。本発明の受光器１０は、長尺状の支持体の凹部に一列に受光素子１１が並べられている。アーム２の長手方向一列に並べられた受光素子１１は、等間隔で複数配置されており、投光器６からレーザ光を受けた受光素子１１が固有の受光信号を出力することにより、受光器１０における長手方向の受光位置を特定することができる。受光素子１１の間隔は、例えば１０ミリ間隔であり、それを一列に８０個配置する。受光器１０の長さは８０センチ程度となる。受光器１０の検出分解能は、測定対象が土や石などであるから例えば±２０ミリ程度でよく、受光器１０に配置された受光素子１１の数を少なくして、低コスト化を図ることができる。また、アーム２を伸ばした状態では、受光器１０へのレーザ光の入射角度が水平面に対して４０度程度になるため、レーザ光の検出を確実にするために、指向特性が広い（本発明では１２０度の指向特性をもつもので図示している）受光素子１１を好ましく用いることができる。

図２において、Ｚ方向は垂直方向で、実線はアーム２が４０度傾斜している状態である。２点鎖線は、アーム２が垂直の状態である。Ｓは、アーム２が４０度傾斜している状態での受光素子１１への垂直方向である。またＳは、入射角がゼロ方向である。受光器１０の長手方向に、Ｓが垂直になるように受光素子１１を取り付けた場合、アーム２が４０度傾斜すると受光素子１１への入射角は、４０度となる。入射角を小さくして受光素子１１の出力を上げるために、受光素子１１をＢ（アーム傾斜角度の半分で例えば２０度）の角度だけ下方に傾斜させる。ようするにアーム２の傾斜方向（ＸＹ方向）に対してＺ軸を２０度傾斜させる。こうすることによって、アーム２が垂直時では水平レーザ光の入射角が２０度となり、アーム２が２０度傾斜時では入射角がゼロ、アーム２が４０度傾斜時では入射角が２０度となる。よって入射角を少なくでき、受光素子１１の出力を大きくできる。

図４は、本発明の受光素子が一列である受光器の断面図である。図５は、本発明の受光素子が一列である受光器を、バックホウ上部から見た受光角度を示す図である。図５の中で、Ｘ方向付近は、受光素子１１の出力が半値程度になるので、アーム２が傾斜した場合、出力が半値以下に下がって、受光できない場合がある。そのために、図示Ａの角度だけ、正面側へ振ってやる。図６は、受光素子の半値角検討図である。ＯＧは受光素子１１に対して垂直、∠ＦＯＧ＝∠ＧＯＤ＝６０度、∠ＨＯＣ＝４０度、ＯＦ＝ＯＩ＝ＯＨ＝ＯＣ＝Ｒとして、ＯＩをＸＹ方向、∠ＨＯＣをアーム２の傾斜角度とする。受光素子１１がレーザ光を受けて、半値以上の出力を出せる範囲を１２０度の範囲とすると、ＯＩをＸＹ方向に合わせると、アーム２の傾斜時には半値角から外れる。そのため、ＯＥをＸＹ方向に合わせると受光できる。ようするにθの角度だけ正面側に振らなければならない。バックホウ５の車体の傾斜がある場合には、角度のずれがあるので、θ＋余裕角度＝Ａだけ補正しなければならない。本発明においては、Ａは５度程度が良い。

防護ガラス１２は、作業中に石や木の接触が考えられるので強化されたガラスもしくは、強化プラスチックなどが好まれる。

図７は、本発明の受光素子が２列の受光器の断面図である。図９は、本発明の受光素子が２および３列である受光器を、バックホウ上部から見た受光角度を示す図である。受光素子１１が２列の場合、図示のようにＸＹ方向左半分全て受光できる。また二つの受光素子１１の受光範囲が重複しているので、受光素子１１の出力が半値以上で検出することができる。受光素子１１が一列の場合と同様に、アーム２傾斜方向（ＸＹ方向）にＺ軸を２０度傾斜させる。バックホウ５の運転室側の受光素子１１は、受光素子の面が上を向くように傾斜させ、運転室反対側の受光素子１１は、受光素子の面が下を向くように傾斜させる。また、オペレーター側には、ＬＥＤランプ１３が見えるように設置されている。

図８は、本発明の受光素子が３列の受光器の断面図である。図９は、本発明の受光素子が２および３列である受光器を、バックホウ上部から見た受光角度を示す図である。図９で示すように、３列の場合２７０度を超える範囲まで受光することができる。アーム２がある方向は、アーム２がレーザ光を遮るので、受光できない。また、バックホウ５の車体方向も受光できない。３列の受光器１０の場合、受光器１０の設置位置がアーム２のオペレーター側の角から４５度の方向で外へ出ている。１列、２列同様にオペレーター側よりＬＥＤランプ１３が見えるように設置されている。掘削支援装置の場合、受光器の長手方向延長上にバケットの刃先を合わせて、アイマークを設定しなければならないが、３列の受光素子の場合アーム２の角から４５度内側に受光器１０が伸びているが、１及び２列同様に受光器の長手方向延長上にバケットの刃先を設定すればよいので、１〜３列同様に設定可能である。受光素子が１および２列の場合と同様に、アーム２傾斜方向（ＸＹ方向）にＺ軸を入射角度が少なくなるように２０度程度傾斜させる。

図１０は、バックホウの掘削作業方向と投光器および受光器の設置位置説明図である。各作業内容に対して、バックホウ５の移動方向、投光器６の設置高さを説明してある。投光器６の設置高さは、所望する掘削深さの１．５〜２Ｍ（バックホウ５の大きさで決まってくる長さである）程度上方で投光しなければならない。そのために、簡単に投光器６を設定するために本発明人は、エレベータ式三脚や法面用三脚を開示しています。また、本発明の受光器１０はバックホウ５の作業方向を考えて、投光器６を設置しなければならない。図９に各作業別に分けて図示する。大きく分けて直線方向で掘削する場合と、広い面を整地または掘削する場合に分かれる。バックホウ５の掘削作業方向が、直線方向に関しては、掘削開始地点付近ＸＹ方向よりやや受光器１０側に投光器６を設置すると後は、バックホウ５が掘削しながら下がるので、レーザ光を受光することができる。また、宅地などの広い面の場合は、図９の建築基礎の図で説明すると、投光器６を左の隅（上側の直線を掘削するために直線よりやや下側）に設置して矢印の方向で掘削しなければならない。しかし、Ｄ方向の掘削に関しては受光できない場合がある。その場合、投光器６の移動が必要となる。受光素子１１が一列である場合、正面Ｘ方向よりほぼ１２０度程度受光角度があれば、上記の作業は、ほとんど可能となる。

図１１は、本発明の受光器のＬＥＤランプの配置図である。図１１においては、受光素子１１が５個に対してＬＥＤランプ１３が１個取り付けられている。オペレーターが見える位置に、受光素子１１が１個〜１０個の少なくとも１個にたいして１個のＬＥＤランプ１３が、受光した受光素子１１の近傍で点灯するようになっている。ＬＥＤランプ１３が点灯することで、オペレーターがレーザ光の高さを、大まかに把握することができる。また、ＬＥＤランプ１３が点灯しない場合、レーザ光が障害物で遮られて受光していないか、投光器がレーザ光を投光していないか、受光器１０がレーザ光を受けているにもかかわらず故障して作動しないか、レーザ光の高さから受光器１０が外れているか、以上の４つの点に関して、素早く判断できる。

本発明においては、アーム２の傾斜角度を４０度に設定してきたが、実際バックホウ５は、もっと傾斜可能なので、傾斜角度設定を５０度にして受光素子１１の傾斜を２５度位にしても良い、また、バックホウ５は、後ろへ下がりながら掘削する機械なので１箇所仕上げると後ろへ下がって、また仕上げるという動作を繰り返して掘削する。そこで、後ろへ下がった状態ではアーム２傾斜角度が４０〜５０度の場所は仕上がっている。その仕上がった場所からまた、直線掘削するものであるから、アーム２の傾斜角度が１０〜３０度位傾斜した状態が多く検知されるようになる。高さ検知する頻度が多い角度は、１０〜３０度と思われるので受光素子１１の傾斜を５〜１５度位にしても良い。また、掘削誤差は、受光器のレーザ光を受光した位置からバケットの刃先までの距離に、傾斜計の角度を演算して垂直高さを出すものであるから、傾斜計の誤差も含むようになる。例えば、傾斜計が１度の誤差を持つ場合、同じ１度の誤差でも傾斜角度が少ないほうが、三角関数の特性（傾斜角が少ないほうが、角度が１度変化しても、三角関数値はあまり変化しない）により、誤差が少なくなる。よって、アーム２の角度が１０〜３０度位が精度良く検知できる。

本発明の受光器の斜視図である。バックホウのアーム傾斜時における受光角度の状態図である。本発明の受光器の受光素子が傾斜している状態の斜視図である。本発明の受光素子が一列である受光器の断面図である。本発明の受光素子が一列である受光器を、バックホウ上部から見た受光角度を示す図である。受光素子の半値角検討図である。本発明の受光素子が２列の受光器の断面図である。本発明の受光素子が３列の受光器の断面図である。本発明の受光素子が２列および３列である受光器を、バックホウ上部から見た受光角度を示す図である。バックホウの掘削作業方向と投光器および受光器の設置位置説明図である。本発明の受光器のＬＥＤランプの配置図である。

１０受光器
１１受光素子
１２防護ガラス
１３ＬＥＤランプ
１４緩衝ゴム
１５レール
１６取り付け金具
２アーム
３ブーム
４バケット
５バックホウ
６投光器

Claims

運転室を備える上部旋回体に対して上下方向に回動可能に設けられたブームと、前記ブームに対して上下方向に回動可能に設けられたアームと、前記アームに支持されたバケットとを備え、前記ブーム及びアームの駆動操作により前記バケットで土砂を掘削する建設機械を用いた掘削作業を支援する装置において、掘削箇所近傍に設置され、レーザ光を基準面に沿って出射する投光器からのレーザ光を受光する受光器であって、前記受光器は、バックホウのアームの長手方向に沿って脱着可能な取り付け金具を設け、前記取り付け金具にアームの長手方向に沿ってスライド可能にレールを設け、前記取り付け金具と前記レールの間に緩衝ゴムを設置し、レールに取り付けられた受光器がスライド可能で衝撃を緩和できることを特徴とする受光器。
前記受光器を構成する受光素子は、１列にアームの長手方向に並んで配置され、レーザ光の入射角度が小さくなるようにアーム回動方向に受光素子の受光面が傾斜して設置されたことを特徴とする請求項１記載の受光器。
前記受光器を構成する受光素子は、２および３に列アームの長手方向に並んで配置され、レーザ光の入射角度が小さくなるようにアーム回動方向に受光素子の受光面が傾斜して設置されたことを特徴とする請求項１記載の受光器。
前記受光器において、アームの長手方向に並んだ受光素子が受光した際に、受光素子１個〜１０個のすくなくとも１個に対して、１個のＬＥＤランプが受光した受光素子の近傍で点灯することを特徴とした請求項１〜４の少なくとも１つ記載の受光器。