(57)【要約】    【課題】加速に依存しない、建設機械等の移動体の正確な傾斜角を検出する。    【解決手段】傾斜角センサにより１つの平面内での傾斜角γを検出し、速度センサによりこの移動体の瞬間速度を検出する。演算ユニットにより、移動体の瞬間速度を使用してその瞬間加速度ａを検出し、検出された傾斜角γのうち移動体の瞬間加速度ａによる部分角βを算出し、これに基づいて加速に依存しない傾斜角αを検出する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速に依存しない移動体の傾斜角を検出する装置であって、
１つの平面内での前記移動体の傾斜角を検出可能な傾斜角センサと、
前記移動体の瞬間速度を検出可能な速度センサと、
前記移動体の瞬間加速度を、その瞬間速度に基づいて算出する演算ユニットと、を含んで構成され、
前記演算ユニットが、検出された傾斜角のうち前記移動体の瞬間加速度による部分角を算出し、これに基づいて前記傾斜角を検出する装置。
【請求項２】
前記傾斜角センサが加速補償のあるセンサ以外のセンサである請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記傾斜角センサがサイスミック質量により傾斜角を検出するものである請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記演算ユニットにより、前記傾斜角センサのサイスミック質量及び前記瞬間加速度に基づいて加速度に比例する変数が算出可能とされる請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
前記傾斜角センサが電気傾斜角センサである請求項１〜4のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
前記傾斜角センサが前記移動体に取り付けられた請求項１〜５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
前記速度センサにより、前記移動体に設けられた油圧モータの駆動軸の瞬間速度が検出される請求項１〜６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
加速に依存しない移動体の傾斜角を検出する方法であって、
傾斜角センサにより１つの平面内での傾斜角を検出するステップと、
速度センサにより前記移動体の瞬間速度を検出するステップと、
演算ユニットにより、前記移動体の瞬間速度を使用してその瞬間加速度を検出するステップと、を含んで構成され、
前記演算ユニットにより、検出された傾斜角のうち前記移動体の瞬間加速度による部分角を算出し、これに基づいて前記傾斜角を検出する方法。
【請求項９】
前記演算ユニットにより、前記傾斜角センサのサイスミック質量及び前記瞬間加速度に基づいて加速度に比例する変数を算出する請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記移動体のトラクションコントロールに適用される請求項１〜７のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
前記移動体のトラクションコントロールに適用される請求項８又は９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建設機械等の移動体、特に、シングルドラムローラの加速に依存しない傾斜角を検出する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
土工作業又は道路工事における路面圧縮にシングルドラムローラが使用されることは、一般的に知られるところである。従来、駆動エンジン付きのシングルドラムローラが公知である。このシングルドラムローラ１は、ディーゼル機関２を含んで構成され、このディーゼル機関２は、２つの送り方向が設定された可変容量ポンプ等の油圧ポンプ３を駆動する。油圧ポンプ３の動力は、その出力側に配設された２つの油圧モータ４，８に伝達される。油圧モータ４は、後方軸６を駆動する歯車装置５に接続されている。同様に、油圧モータ８は、前方軸１０を駆動する歯車装置９に接続されており、この前方軸１０がシングルドラムローラのローラエレメント（ドラム）として構成される。異なる作動モードにおける安全な制御を可能とするため、油圧アクチュエータのそれぞれが電気的に操作され、制御される。これには、油圧ポンプの吐出し量、及び油圧モータの吸入容積の制御が含まれる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
シングルドラムローラの駆動エンジンの「臨界荷重制御」及び「一定速度制御」という作動モードにおける制御のため、油圧モータの駆動軸の回転速度、及び／又は駆動エンジンが動かされる速度を把握することが必要となる。これは、油圧モータ４，８のそれぞれに設けられた速度センサ７，１１により行われ、それらの出力は、図示しない電子制御システムに送信される。「トラクションコントロール」という作動モードには、各油圧モータの駆動軸の速度だけでなく、シングルドラムローラの水平に対する傾斜を把握することが必要である。これは、傾斜角センサ１３により行われる。これにより検出される傾斜角は、シングルドラムローラの姿勢及び作動状態に依存する。図２は、傾斜角センサにより検出される、シングルドラムローラの姿勢及び作動状態に依存した角度を示している。傾斜の把握のため、傾斜角センサ１３は、たとえば、図２に数学的振り子として示される振り子を含んで構成される。測定信号の評価の原理、及び評価エレクトロニクスは、ここでは示されていない。
【０００４】
図２ａは、サイスミック質量（又は振り子塊）１４を含んで構成される傾斜角センサ１３を示しており、この質量１４は、振り子アーム１５により、軸受け１６から吊り下げられている。シングルドラムローラ及び／又は移動体が水平に位置し、かつ移動体が不動状態にあるか若しくは一定の速度で移動する場合は、振り子アームは、鉛直線及び／又は移動体の垂直線に対して０°の角度をなす。
【０００５】
移動体が水平に対して角度αだけ傾斜した斜面に位置する場合（図２ｂ）は、移動体の垂直線Ｖ及び振り子アームが角度αをなす。この状態は、移動体が不動状態にあるか、又は一定の速度で移動する場合に存在する。
移動体が水平に対して角度αだけ傾斜した斜面に位置し、かつ加速する場合（シングルドラムローラの斜面上での始動時等）は、図２ｂに示される状態に対して傾斜角センサにより角度γが検出される（図２ｃ）。この角度γは、角度α及びβの合計であり、β＞０であるため、γは、αとは一致しない。傾斜角センサは、水平に対する実際の傾斜角αではなく、角度γを検出する。
【０００６】
水平に対して角度αだけ傾斜した斜面に位置する移動体の始動後、加速度が０に達し、一定の速度での移動に移ると、γがαに一致し、傾斜角センサは、正確な傾斜角αを検出する（図２ｄ）。
水平に対して角度αだけ傾斜した斜面に位置する移動体が減速する場合は、傾斜角センサは、傾斜角γ（γ＜α）を検出する（図２ｅ）。減速の間、セイスミック質量１４が慣性により前方へ移動するので、傾斜角センサは、角度αではなく、部分角βだけ少ない角度γを検出する。
【０００７】
以上の関係は、角度αだけ反対に（すなわち、−αだけ）傾斜した斜面についても適用することができる。
このように、加速時に限らず、減速時においても、傾斜角センサにより水平に対する斜面の傾斜角αとは異なる角度γが検出される。駆動エンジンの制御をこのようにして誤検出された角度信号によることとすると、「トラクションコントロール」という作動モードにおいて、移動体の登坂能力に不足を来す。
【０００８】
従来、上述の外乱に対する依存性が大幅に解消された傾斜角を検出することのできるセンサが知られている。しかしながら、ここでの欠点は、それらのセンサが入手困難であり、又はそれらの複雑な製造技術のため、加速補償のないセンサと比較して大幅に高価なことである。
本発明は、加速に依存しない移動体の正確な傾斜角を検出する装置を提供することを目的とする。本発明に係る装置は、いかなる付加要素も必要とせず、経済的利点の高いことが理解される。
【課題を解決するための手段及びその効果】
【０００９】
移動体（特に、建設機械）の傾斜角を検出する本発明に係る装置は、１つの平面内での前記移動体の傾斜角を検出可能な傾斜角センサと、前記移動体の瞬間速度を検出可能な速度センサと、前記移動体の瞬間加速度を、その瞬間速度に基づいて算出する演算ユニットとを含んで構成され、前記演算ユニットが、検出された傾斜角のうち前記移動体の瞬間加速度による部分角を算出し、これに基づいて加速に依存しない傾斜角を検出することを特徴とする。
【００１０】
これは、シングルドラムローラ等において、通常既に存在する速度センサ及び傾斜角センサを使用して、始動加速度又は制動減速度等の外乱による誤った測定結果を補正し、水平に対する移動体の正確な傾斜角を検出することができるので、有利である。
本発明の好ましい形態では、前記傾斜角センサとして加速補償のあるセンサ以外のセンサが使用される。これにより、簡単であり、かつ入手の容易な経済性の高い傾斜角センサを採用することができる。
【００１１】
本発明の他の好ましい形態では、前記傾斜角センサとしてサイスミック質量により傾斜角を検出するものが採用される。この種のセンサは、マイクロシステム技術の採用により衝撃、振動及び温度変動に対する耐久性を持たせることができる。
本発明の更に別の好ましい形態では、前記演算ユニットにより、前記傾斜角センサのサイスミック質量及び前記瞬間加速度に基づいて加速度に比例する変数が算出可能とされる。これは、加速力を直接的に検出する必要がないので、有利である。これに代えて、加速力を２つの既知の変数であるサイスミック質量及び瞬間加速度に基づいて検出することができる。加速力の採用により補正関数を作成することが可能となり、瞬間加速度による部分角、及び／又は斜面の実際の傾斜角を直接的に示すことができる。
【００１２】
本発明の更に別の好ましい形態では、前記傾斜角センサとして電気傾斜角センサが採用される。これは、傾斜角がセンサにより電気的な変数、たとえば、出力電圧として得られ、演算ユニット及び駆動エンジンの電子制御に直接的に採用することができるで、有利である。
本発明の更に別の好ましい形態では、前記傾斜角センサが前記移動体に取り付けられる。これは、検出された傾斜角の信頼性が高められるので、有利である。また、外部装置から移動体への伝送エラーを回避することができる。
【００１３】
本発明の更に別の好ましい形態では、前記速度センサにより、前記移動体に設けられた油圧モータの駆動軸の瞬間速度を検出する。これは、油圧モータの出力側に配設されたギアユニットが、たとえば、電子制御システムにより常に目標速度を使用して駆動されるので、有利である。
移動体（特に、建設機械）の傾斜角を検出する本発明に係る方法は、傾斜角センサにより１つの平面内での傾斜角を検出し、速度センサにより前記移動体の瞬間速度を検出し、演算ユニットにより、前記移動体の瞬間速度を使用してその瞬間加速度を検出する各ステップを含んで構成され、前記演算ユニットにより、検出された傾斜角のうち前記移動体の瞬間加速度による部分角を算出し、これに基づいて加速に依存しない傾斜角を検出することを特徴とする。
【００１４】
これは、シングルドラムローラ等において、通常既に存在する速度センサ及び傾斜角センサを使用して、始動加速度又は制動減速度等の外乱による誤った測定結果を補正し、水平に対する移動体の正確な傾斜角を検出することができるので、有利である。
本発明の好ましい形態では、前記演算ユニットにより、前記傾斜角センサのサイスミック質量及び瞬間加速度に基づいて加速力を算出する。これは、加速力を直接的に検出する必要がないので、有利である。これに代えて、加速力を２つの既知の変数に基づいて検出することができる。加速力の採用により補正関数を作成することが可能となり、瞬間加速度による部分角を直接的に示すことができる。
【００１５】
本発明の他の特徴によれば、以上の装置及び方法が移動体のトラクションコントロールに適用される。これは、トラクションコントロール及び移動体の登坂能力を改善することができるので、有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
本実施形態に係るシングルドラムローラは、駆動エンジン付きのものであって、図1に示す公知のシングルドラムローラ１と同様の構成であってよい。すなわち、シングルドラムローラ１は、ディーゼル機関２、油圧ポンプ３及び油圧モータ４，８を含んで構成される。油圧モータ４，８は、後方歯車装置５又は前方歯車装置９に夫々接続されており、前方軸１０がシングルドラムローラのローラエレメント（ドラム）として構成される。異なる作動モードにおける制御のため、油圧ポンプの吐出し量、及び油圧モータの吸入容積等が電気的に制御される。
【００１７】
図３は、サイスミック質量（又は振り子塊）１４、振り子アーム１５及び軸受け１６を含んで構成される振り子を模式的に示している。
図３から明らかなように、軸受けは、ピボット軸受けであってよく、その摩擦は、傾斜角測定に関して無視してよいほどに小さい。振り子アームが固定され、これに質量１４が取り付けられたピボット軸受けに代えて、一側で固定され、その端部に質量１４が取り付けられた重ね板ばねを使用することもできる。数学的振り子による場合は、振り子アームに質量がなく、質量１４の全体が１点に集約されるものと見做される。本発明に係る装置に関して、数学的振り子の使用が前提とされることはなく、物理的振り子を採用することも可能であり、この場合は、回転体が、回転体内に位置する旋回中心で吊り下げられる。本発明に係る装置では、傾斜角の検出のため、数学的振り子及び物理的振り子の間に位置付けることのできる任意の中間形態を採用することができる。もっとも、いずれの設計においても、傾斜角センサは、実際の傾斜角と検出される傾斜角との間に比例的な関係が示されるものでなければならない。
【００１８】
電気傾斜角センサでは、検出された傾斜角が、たとえば、差動キャパシタにより電気出力信号に変換される。ばねに取り付けられたサイスミック質量により、２つの隣り合う固定電極に加えて移動中心電極が形成される。センサ素子の傾斜によりサイスミック質量のニュートラル位置からの偏りが生じ、差動キャパシタの不釣合いが引き起こされる。このような容量の変化を、適切な評価エレクトロニクスにより電圧、周波数又はパルス幅等の更に処理すべき変数に変換することができる。傾斜角センサは、電気伝導原理により作動させることもでき、この場合は、センサの傾斜に応じて外部電極が電解液により様々に湿潤される。この結果として、傾斜に応じた電気抵抗が形成される。他の代替として、振り子の傾斜に応じて可変抵抗器を変位させることもできる。
【００１９】
加速力等の外乱の作用により生じる、図３に示す部分角βを検出するため、先ず加速力Ｆａのベクトルの方向を検出し、次にその長さを検出することができる。また、重力ＦＧのベクトルの方向及び長さが既知であれば、これらのベクトルの合成により、サイスミック質量１４に作用して振り子を変位させる総力Ｆｇｅｓが得られる。部分角βは、たとえば、計算又は実験により、この総力に対して割り付けられる。図３に示すスケッチでは、簡単のため、総力Ｆｇｅｓのベクトルと角度βとの間にファクター１を使用して形成される直接的な比例関係があるものと仮定している。しかしながら、実際には、ファクター１から逸脱した比例関係も存在し得る。このことは、部分角が総力に対して割り付けられることに何ら変更をもたらすものではない。
【００２０】
加速力Ｆａは、サイスミック質量１４の大きさと瞬間加速度ａ（ｔ）との積として、次式（１）により算出される。
【００２１】
【数１】
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【００２２】
加速度ａ（ｔ）は、次式（２）により瞬間速度ｖ（ｔ）を時間で微分することにより算出される。
【００２３】
【数２】
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【００２４】
本実施形態に係る装置では、この計算が演算ユニット１２により行われる。
シングルドラムローラの速度は、油圧モータの駆動軸上での速度センサ７，１１の検出信号により把握される。この速度が制御又は調整変数でない場合は、これは、少なくとも表示変数を示すことになり、式（１）又は（２）による計算に同様に適用することができる。
【００２５】
加速力Ｆａ及び関連する部分角βを把握することができれば、検出された傾斜角γから水平に対する斜面の実際の傾斜角αを検出することができる（図３）。
図４は、速度ｖ、加速度ａ、部分角β及び傾斜角センサの出力Ｕの時間に対する相互関係を模式的に示している。
一定の速度にあるフェーズ１では、加速度ａが０である。関連する部分角βも０である（図２ａ，２ｂを参照）。傾斜角センサの出力Ｕは、移動体が角度αだけ傾斜した平面を移動する場合は、正の値を有する。瞬間速度が一定に増加するフェーズ２では、時間による微分から一定の正の瞬間加速度を算出することができ、サイスミック質量は、更に部分角βだけ一定に変位することとなる（図２ｃを参照）。出力Ｕは、フェーズ１におけるよりも大きな値を有する。瞬間速度が引き続き増加するが、傾斜が減少したフェーズ３では、継続して一定の正の瞬間加速度を算出することができ、サイスミック質量１４は、より小さな部分角βだけ変位する。出力Ｕは、フェーズ２におけるよりも小さな値を有する。瞬間速度がそれ以上増加しなくなるフェーズ４では、瞬間加速度ａが０となり、部分角βも０となる（図２ｄを参照）。
【００２６】
電気傾斜角センサは、検出された傾斜角γに関連する出力、たとえば、出力電圧Ｕを示す。傾斜角βが把握される場合は、この傾斜角センサの出力を出力Ｕｋｏｒｒに補正することができる（図４）。
本実施形態において、部分角βを示し、これにより加速に依存しない傾斜角を検出するのに、加速力Ｆａを検出することは、強制的に要求されるものではない。水平に対する斜面の既知の傾斜角がαである場合に、加速度と、検出される傾斜角γ及び／又は出力Ｕとの間の相互関係が実験的に確立されることで充分である。検出された傾斜角γと、水平に対する斜面の実際の傾斜角αとの差から、瞬間加速度ａに関連した部分角βが得られる。この瞬間加速度ａ、及び補正される角度として捉えるべき部分角βの比例関係は、補正関数ｆｋｏｒｒ（ａ（ｔ））の形態で出力Ｕに適用することができる。補正関数ｆｋｏｒｒ（ａ（ｔ））を適用しない場合は、瞬間出力Ｕ（ｔ）は、実際に検出された傾斜角γ及び移動体の瞬間加速度ａ（ｔ）に依存する変数である。
【００２７】
【数３】
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【００２８】
補正関数が適用されることで、瞬間出力Ｕ（ｔ）の依存性が実際の傾斜角αに対するもののみとなる。
【００２９】
【数４】
2006053145.tif 000006
【００３０】
以上より、本実施形態に関して、シングルドラムローラの、その加速に依存しない実際の傾斜角を示す傾斜信号が検出される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】従来技術によるシングルドラムローラの駆動エンジンの構成
【図２】シングルドラムローラの位置及び作動状態に依存する傾斜角センサの動作説明
【図３】傾斜角センサのセイスミック質量に対する力の関係
【図４】速度、加速度、検出された傾斜角の部分角、及びセンサ出力のフェーズ毎の変化を示すタイムチャート
【符号の説明】
【００３２】
１…シングルドラムローラ、２…ディーゼル機関、３…油圧ポンプ、４，８…油圧モータ、５，９…歯車装置、６…後方軸、１０…前方軸（ローラエレメント）、７，１１…速度センサ、１２…演算ユニット、１３…傾斜角センサ、１４…質量、１５…振り子アーム、１６…軸受け。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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