JP2019200123A - センサーユニット、建設機械、および構造物監視装置 - Google Patents

センサーユニット、建設機械、および構造物監視装置 Download PDF

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Abstract

【課題】センサーユニット同士をケーブルで直列的に接続してケーブルの引き回しをコンパクトにできるセンサーユニットを提供する。【解決手段】センサーユニット100は、蓋2を含む容器の第1の側壁46c、第2の側壁46d、第1の側壁の一方の端と第2の側壁の一方の端とに接続されている第3の側壁46a、第3の側壁と対向する第4の側壁46b、第1のコネクター31、および第2のコネクター32を含み、第1のコネクターは、第3の側壁の側よりも第4の側壁の側において第1の側壁に取り付けられ、第2のコネクターは、第4の側壁の側よりも第3の側壁の側において第2の側壁に取り付けられている。【選択図】図3

Description

本発明は、センサーユニット、建設機械、および構造物監視装置に関する。
従来、例えば加速度センサーや角速度センサーなどの慣性センサーを備えているセンサーユニットを用い、作業機構を構成する各部材の位置姿勢を高精度に計測できる作業機構検出装置を備えている建設機械(油圧ショベル)が記載されている(例えば、特許文献1参照)。ここで用いられているセンサーユニットでは、一つの加速度センサーがX軸方向の加速度を検出し、他の加速度センサーがZ軸方向の加速度を検出し、他の角速度センサーがY軸回りの角速度を検出するように、それぞれ配置されている。そして、センサーユニットは、油圧ショベルのアームの3箇所と車体を構成する上部旋回体とに設置されている。
特開2017−110998号公報
しかしながら、特許文献1に記載されているセンサーユニットには、コネクターが一箇所にしか設けられていないので、油圧ショベルのアーム部の極めて限られた領域内において、各箇所に設置されているセンサーユニット間を直列的に接続したケーブルの引き回しをコンパクトにすることが、実質的に困難であるという課題があった。
本願のセンサーユニットは、ベース、および内部に収納空間を構成するように前記ベースに取り付けられている蓋を含む容器と、前記収納空間に収納されている慣性センサーと、前記容器に取り付けられている第1のコネクター、および第2のコネクターと、を含み、前記容器は、対向している第1の側壁、および第2の側壁と、前記第1の側壁の一方の端と前記第2の側壁の一方の端とに接続されている第3の側壁と、前記第1の側壁の他方の端と前記第2の側壁の他方の端とに接続され、前記第3の側壁と対向している第4の側壁と、を含み、前記第1のコネクターは、前記第1の側壁に取り付けられ、且つ、前記第3の側壁の側よりも前記第4の側壁の側に配置され、前記第2のコネクターは、前記第2の側壁に取り付けられ、且つ、前記第4の側壁の側よりも前記第3の側壁の側に配置されていることを特徴とする。
上述のセンサーユニットにおいて、前記ベースは、平面視で、前記容器の対向している2つの側壁の側に、それぞれ被装着部に取り付けられる固定領域が設けられ、前記2つの側壁の一方の側壁の側の前記固定領域には、第1の貫通孔が設けられ、前記2つの側壁の他方の側壁の側の前記固定領域には、第2の貫通孔が設けられていることが好ましい。
上述のセンサーユニットにおいて、前記一方の側壁は、前記第1の側壁であり、前記他方の側壁は、前記第2の側壁であり、平面視で、前記第1のコネクターは、前記第1の貫通孔と重ならず、平面視で、前記第2のコネクターは、前記第2の貫通孔と重ならないことが好ましい。
上述のセンサーユニットにおいて、前記容器は、平面視で、矩形状であり、前記第1の側壁、および前記第2の側壁は、前記容器の短辺側の側壁であることが好ましい。
上述のセンサーユニットにおいて、前記固定領域は、前記容器の長辺方向の両側に配置されていることが好ましい。
上述のセンサーユニットにおいて、前記蓋は、平面視で、前記容器の前記第1の側壁の側において、前記第1の貫通孔側の第1の角部の第1の領域、および、平面視で、前記容器の前記第2の側壁の側において、前記第2の貫通孔側の第2の角部の第2の領域が、前記ベースに取り付けられていることが好ましい。
上述のセンサーユニットにおいて、前記蓋は、平面視で、前記容器の前記第1の側壁の前記第1の角部とは反対側の第3の角部の第3の領域の側よりも前記第2の領域の側に配置されている第5の領域、および、平面視で、前記容器の前記第2の側壁の前記第2の角部とは反対側の第4の角部の第4の領域の側よりも前記第1の領域の側に配置されている第6の領域が、前記ベースに取り付けられていることが好ましい。
上述のセンサーユニットにおいて、前記ベースは、前記第5の領域に設けられている第1の突起部と、前記第6の領域に設けられている第2の突起部と、を含むことが好ましい。
上述のセンサーユニットにおいて、前記ベースと前記蓋とは、ネジまたは接合部材により取り付けられていることが好ましい。
上述のセンサーユニットにおいて、前記蓋と前記ベースとは、周状のシール部材を介して取り付けられていることが好ましい。
上述のセンサーユニットにおいて、前記ベースの前記蓋が取り付けられている側の第1面に凹部が設けられ、前記慣性センサーは、前記凹部の内側の側壁の少なくともいずれかに沿って取り付けられていることが好ましい。
上述のセンサーユニットにおいて、前記第1のコネクターは、第1のシールリングを介して前記第1の側壁に取り付けられ、前記第2のコネクターは、第2のシールリングを介して前記第2の側壁に取り付けられていることが好ましい。
上述のセンサーユニットにおいて、前記固定領域のそれぞれには、平面視で前記第1の貫通孔または前記第2の貫通孔と重ならない位置に位置決め用の穴部が設けられ、前記穴部は、前記ベースの前記蓋が取り付けられている側の第1面と表裏関係となる第2面の側に設けられた凹部、または前記第1面から前記第2面に亘って貫通している貫通孔であることが好ましい。
上述のセンサーユニットにおいて、前記蓋は、凹陥型であり、前記ベースは、前記蓋の凹陥の開口を塞ぐように、前記蓋に取り付けられていることが好ましい。
上述のセンサーユニットにおいて、前記ベースは、凹陥部を含み、前記蓋は、前記凹陥部の開口を塞ぐように、前記ベースに取り付けられていることが好ましい。
本願の建設機械は、上述のいずれかに記載のセンサーユニットと、前記センサーユニットが取り付けられている回動可能な複数の部材で構成された作業機構と、前記作業機構を構成する各部材を操作する操作装置と、前記作業機構が設けられている車体と、を含み、前記センサーユニットは、前記各部材に作用する角速度、および加速度の少なくともいずれかを検出し、検出した前記角速度および加速度の少なくともいずれかに基づいて、前記各部材の姿勢角を算出することを特徴とする。
本願の構造物監視装置は、上述のいずれかに記載のセンサーユニットと、構造物に取り付けられている前記センサーユニットからの検出信号を受信する受信部と、前記受信部から出力された信号に基づいて、前記構造物の傾斜角度を算出する算出部と、を含むことを特徴とする。
センサーユニットが被装着面に固定された状態を示す斜視図。 図1の被装着面側から見たセンサーユニットの概要を示す斜視図。 図1と同じ状態のセンサーユニットの分解斜視図。 センサーユニットの平面図。 センサーユニットの断面図。 ベースの概要を示す平面図。 ベースの概要を示す図5のA−A断面図。 蓋の概要を示す開口側からの平面図。 蓋の概要を示す図7のB−B断面図。 第1のコネクターの取付部を示し、図1のD−D方向からの断面図。 第2のコネクターの取付部を示し、図1のF−F方向からの断面図。 慣性センサーとしての慣性計測ユニットの概略構成を示す分解斜視図。 慣性計測ユニットの慣性センサー素子の配置例を示す斜視図。 慣性センサーとしての加速度センサーユニットの概略構成を示す分解斜視図。 変形例に係るベースの概要を示す平面図。 変形例に係るベースの概要を示す図13のC−C断面図。 センサーユニットの備えられた油圧ショベルを示す概略図。 センサーユニットの接続構成を示すブロック図。 センサーユニットを備える構造物監視装置を示す構成図。
以下、本実施形態について説明する。なお、以下で説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。
なお、以下で参照する各図面には、互いに直交する3つの軸として、X軸、Y軸およびZ軸が図示しているものがある。また、これらの図面では、X軸に平行な(沿った)方向を「X軸方向」、Y軸に平行な(沿った)方向を「Y軸方向」、Z軸に平行な(沿った)方向を「Z軸方向」とも言う。また、各軸の矢印先端側を「プラス側」とも言い、反対側を「マイナス側」とも言う。また、Z軸方向マイナス側を「上」とも言い、Z軸方向プラス側を「下」とも言う。
<センサーユニット>
《センサーユニットの概要》
先ず、図1および図2を参照して、センサーユニットの概要について説明する。図1は、実施形態に係るセンサーユニットが被装着面に固定された状態を示す斜視図である。図2は、センサーユニットの概要を図1の被装着面側からみて示す斜視図である。
図1に示すセンサーユニット100は、自動車、農業機械(農機)、建設機械(建機)、ロボット、およびドローンなどの移動体(被装着装置)の姿勢や、挙動(慣性運動量)を検出する慣性計測装置である。センサーユニット100は、慣性センサーとして、3軸の角速度を検出する角速度センサーと、3軸の加速度センサーとを備えた、いわゆる6軸モーションセンサーとして機能させたり、3軸の加速度を検出する加速度センサーを備えた、いわゆる3軸モーションセンサーとして機能させたりすることができる。
センサーユニット100は、平面形状が矩形形状(本例では長方形)の直方体であり、X軸方向に沿った長辺の長さが約100mm、X軸方向と直交するY軸方向に沿った短辺の長さが約40mmで、厚さ(Z軸方向)が約30mmのサイズである。センサーユニット100は、ベース1と、ベース1の長辺に沿った方向である長辺方向(X軸方向)の中央部に取り付けられた凹陥型(箱状)の蓋2と、を含む容器7を備えている。なお、本形態における容器7は、ベース1に、凹陥型(箱状)の開口を塞ぐように蓋2を取り付けることによって収納空間が構成されている。センサーユニット100は、ベース1の長辺方向(X軸方向)の両側の端部(固定領域)に、それぞれ長辺の側に寄って略対角に設けられた二つのネジ穴である第1の貫通孔11aおよび第2の貫通孔11bを有している。即ち、第1の貫通孔11aおよび第2の貫通孔11bは、ベース1の短辺方向の中央ではなく、長辺の側にずれた位置に設けられている。センサーユニット100は、この第1の貫通孔11aおよび第2の貫通孔11bのそれぞれに、固定ネジ70が挿通されてネジ締めされることによって、Z軸方向プラス側を向いているベース1の裏面1r(第2面)が、例えば橋梁や掲示板などの構造物(装置)の被装着面71に固定され、この状態で使用される。なお、蓋2は、4箇所に設けられている凹部(サライ部)15を含む第2の固定用ネジ穴18(図5参照)に挿通されるネジ16によって、ベース1に周状のシール部材6(図3参照)を介して固定されている。また、第1の貫通孔11aおよび第2の貫通孔11bのそれぞれのY軸方向における中央側には、位置決め穴12a,12bが設けられている。
センサーユニット100は、ベース1の裏面1rの反対側であるZ軸方向マイナス側を向いている表面側の中央部に、蓋2が取り付けられている。蓋2の長辺(X軸方向)に交差する短辺(Y軸方向)に沿って対向する二つの側壁には、それぞれ第1のコネクター31、および第2のコネクター32が、第1のシールリング66a、および第2のシールリング66b(図9A、図9B参照)を介して取り付けられている。第1のコネクター31、および第2のコネクター32は、容器7の内部と外部との電気的な接続を行う機能を有しており、このように二つのコネクターとして第1のコネクター31、および第2のコネクター32を備えることにより、複数のセンサーユニット100を直列的に接続して用いることが可能となる。
なお、センサーユニット100に係る上記サイズは一例であり、部品の選定や設計変更により、例えば、HMD(ヘッドマウントディスプレイ、スマートグラス)、スマートフォンやデジタルカメラに搭載可能なサイズに小型化することも可能である。
また、以下説明において、Z軸方向に沿った蓋2側からの平面視で、長方形をなすセンサーユニット100の長辺に沿った方向を第1の方向(X軸方向)とする。また、平面視で第1の方向(X軸方向)と直交する方向(短辺に沿った方向)を第2の方向(Y軸方向)とする。そして、センサーユニット100の厚さ方向を第3の方向(Z軸方向)として説明する。
センサーユニット100は、直列接続が可能な二つのコネクター(第1のコネクター31、および第2のコネクター32)を備え、且つ第2の方向(Y軸方向)の寸法である幅寸法を低減するための特徴あるパッケージ構成を採用している。以下、この特徴ある容器7(外形形状を含むパッケージ構成)について、詳しく説明する。なお、この構成は、3軸や6軸モーションセンサーに限定するものではなく、物理量センサー(慣性センサー3)を備えたユニット、またはデバイスであれば適用可能である。
《センサーユニットの構成》
次に、図1および図2に加え、図3、図4A、図4B、図5、図6、図7、図8、図9A、および図9Bを順次参照して、センサーユニットの構成について説明する。図3は、図1と同じ状態のセンサーユニットの分解斜視図である。図4Aは、センサーユニットの平面図である。図4Bは、センサーユニットの断面図である。なお、図4Bでは、説明の便宜上、蓋の第3の側壁46aを切り取った(透視した)断面図、換言すれば、センサーユニットをZ軸方向にカットした模式的な断面図として示している。図5は、ベースの概要を示す平面図である。図6は、ベースの概要を示す図5のA−A断面図である。図7は、蓋の概要を示す開口側からの平面図である。図8は、蓋の概要を示す図7のB−B断面図である。図9Aは、第1のコネクターの取付部を示し、図1のD−D方向からの断面図である。図9Bは、第2のコネクターの取付部を示し、図1のF−F方向からの断面図である。
図3に示すように、センサーユニット100は、ベース1、蓋2、慣性センサー3、制御回路基板4、I/F(インターフェイス)回路基板5、シール部材6、第1のコネクター31、および第2のコネクター32などから構成されている。詳述すれば、センサーユニット100は、ベース1および蓋2から構成される容器7の内部(収納空間)に、慣性センサー3、制御回路基板4、およびI/F回路基板5を収納し、蓋2に取り付けられている第1のコネクター31、および第2のコネクター32によって外部との信号の送受信を行うことができる。
センサーユニット100は、図3、図4A、および図4Bに示すように、ベース1の収容部13に設けられた第2の凹部24の底面21に慣性センサー3が取り付けられ、慣性センサー3の底面21に対向する面と反対側の面である上面に制御回路基板4が取り付けられている。制御回路基板4は、慣性センサー3のコネクター65と接続され、電気的接続をとって慣性センサー3に取り付けられている。制御回路基板4には、制御回路素子51や複数の電子部品52が実装されている。なお、制御回路素子51は、例えば、MCU(Micro Controller Unit)であり、不揮発性メモリーを含む記憶部や、A/Dコンバーターなどを内蔵しており、センサーユニット100の各部を制御することができる。
また、センサーユニット100は、蓋2の頂壁36の内部底面に設けられた台座39にI/F(インターフェイス)回路基板5が、例えば不図示の接着剤や取り付けネジなどによって取り付けられている。I/F回路基板5は、第1のコネクター31、および第2のコネクター32のそれぞれと、接続配線56,57によって電気的に接続されている。また、I/F回路基板5は、制御回路基板4とも、接続配線59によって電気的に接続されている。I/F回路基板5は、センサーユニット100と他のセンサーや回路ユニットとのインターフェイス機能を有する。
さらに、センサーユニット100は、蓋2の短辺側において対向する側壁のうちの一方側の側壁である第1の側壁46cに、第1のコネクター31が取り付けられ、対向する他方側の側壁である第2の側壁46dに、第2のコネクター32が取り付けられている。第1のコネクター31および第2のコネクター32は、他のセンサーユニットや制御回路装置などと電気的に接続される。
センサーユニット100は、ベース1の裏面1rが構造物(装置)の被装着面71に当接され、第1の貫通孔11aおよび第2の貫通孔11bのそれぞれに、固定ネジ70が挿通されてねじ締めされることによって構造物(装置)に固定される。また、ベース1に設けられている第1の貫通孔11aおよび第2の貫通孔11bのそれぞれのベース1のY軸方向中央側には、位置決め用の穴部としての位置決め穴12a,12bが設けられている。位置決め穴12a,12bは、ベース1のガイド穴として機能させることができ、センサーユニット100を被装着面71に取り付ける際、例えば被装着面71から突出する位置ピン72が挿入されることによって、センサーユニット100の位置決めを行うことができる。
なお、蓋2は、ベース1の4箇所に設けられている凹部(サライ部)15を含む第2の固定用ネジ穴18(図5参照)に挿通されるネジ16によって、ベース1の収容部13に周状のシール部材6(図3参照)を介して固定されている。この蓋2とベース1との具体的な取付位置は、後段にて詳細に説明する。
ベース1は、例えばステンレス材などの強靭な材料を用い、慣性センサー3の取り付け部材として機能すると共に、蓋2を取り付けることにより外部との気密性を保持することが可能な容器7として機能する。ここで、ベース1を、ステンレス材などの強靭な材料で構成することにより、構造物(装置)の被装着面71(図1参照)に対して、センサーユニット100を強固に固定することができるとともに、構造物(装置)の振動や衝撃によるベース1の変形を生じ難くすることができ、変形や固定の緩みによる検出精度の低下を減少させることができる。
ベース1は、図5、および図6に示すように、平面形状が略長方形の板部材であり、長辺に沿った方向(X軸方向)の中央部に収容部13が設けられ、その両側に固定領域としての固定部14が設けられている。つまり、固定領域としての固定部14は、容器7の対向している2つの側壁の内の一方の側壁である蓋2の第1の側壁46cの側、および一方の側壁である蓋2の第2の側壁46dの側に設けられている。換言すれば、固定領域としての固定部14は、容器7の長辺方向であるX軸方向の両側に配置されている。そして、収容部13に対向して蓋2が取り付けられ、容器7が構成される。容器7は、Z軸方向からの平面視で、平面形状が略長方形の矩形状であり、第1の側壁46c、および第2の側壁46dは、容器7を構成する蓋2の短辺側の側壁である。
収容部13は、固定部14から蓋2側に突出しており、蓋2が取り付けられる側の第1面13fの中央領域には、蓋2側に開口する凹部20が設けられ、外周部に壁部25を構成している。凹部20は、凹部20の内壁に沿って設けられている周状のシール部材6の案内溝22と、案内溝22に沿ってその内側に設けられている第1の凹部23と、第1の凹部23の内側にあって第1の凹部23よりも凹んだ底面21を有する第2の凹部24とを含んでいる。
壁部25は、取り付けられた蓋2の平面視で、蓋2の第1の側壁46cの側において、ベース1の第1の貫通孔11a側の第1の角部K1の第1の領域AL1に位置するコーナー部、および、同じく平面視で、蓋2の第2の側壁46dの側において、ベース1の第2の貫通孔11b側の第2の角部K2の第2の領域AL2に位置するコーナー部が平面視で三角状をなしており、それぞれに蓋2の固定用ネジ穴18が設けられている。また、壁部25は、平面視で、Y軸方向において第1の角部K1とは反対側に位置する第3の角部K3の第3の領域AL3よりも第2の領域AL2側に寄っている第5の領域AL5に、壁部25から内側に円弧状に突出する第1の突起部17aが設けられている。さらに、壁部25は、平面視で、Y軸方向において第2の角部K2とは反対側に位置する第4の角部K4の第4の領域AL4よりも第1の領域AL1側に寄っている第6の領域AL6に、壁部25から内側に円弧状に突出する第2の突起部17bが設けられている。そして、第1の突起部17aおよび第2の突起部17bには、蓋2を固定するための第2の固定用ネジ穴18が設けられている。つまり、壁部25の開口側の面には、4箇所の蓋2の固定用ネジ穴18が設けられている。このようなベース1の構成により、第1の突起部17aと第2の突起部17bとを含む箇所において、ベース1と蓋2とを確実に取り付けることができる。
第2の凹部24は、第1の凹部23から窪み、底面21を有している。第2の凹部24の底面21には、非貫通の四つの雌ネジ19が設けられている。そして、慣性センサー3は、第2の凹部24に配置され、固定ネジ37が雌ネジ19にねじ締めされることによって底面21に固定される。したがって、第2の凹部24の幅寸法W2は、慣性センサー3の幅寸法W1より、大きく設定される。なお、ここでの第2の凹部24の幅寸法W2とは、第2の凹部24の一方の内面である段差壁26と段差壁26に対向する側の壁面から突出する第1の突起部17aの頂部13pとの間の距離(寸法)をいう。但し、第2の凹部24の幅寸法W2を、慣性センサー3の幅寸法W1より、僅かに大きく設定することにより、慣性センサー3を装着したときのガタツキを小さくすることができ、慣性センサー3の装着性を向上させることができる。
また、第2の凹部24の内面の少なくともいずれかの面、本形態では段差壁26を慣性センサー3の装着ガイドとして用い、段差壁26に沿って慣性センサー3が取り付けられている。このように、ベース1の蓋2が取り付けられている側の第1面13fの中央領域に設けられている凹部20を構成する第2の凹部24の内側の側壁である段差壁26の少なくともいずれかに沿って慣性センサー3が取り付けられることにより、慣性センサー3の固定位置精度のばらつきを小さくすることができる。
固定領域として収容部13のX軸方向両側に位置する固定部14は、収容部13よりも厚みの薄い平板状をなしたフランジとして機能する。一方の固定部14には、ベース1の一方の長辺に寄った位置に表裏面を貫通する第1の貫通孔11aが設けられている。また、他方の固定部14には、ベース1の他方の長辺に寄った位置に表裏面を貫通する第2の貫通孔11bが設けられている。即ち、第1の貫通孔11aおよび第2の貫通孔11bは、ベース1の平面視の中心に対して略対角線上の位置に設けられている。
また、ベース1に設けられている第1の貫通孔11aおよび第2の貫通孔11bのそれぞれのY軸方向の中央側には、平面視で、第1の貫通孔11aまたは第2の貫通孔11bと重ならない位置に、センサーユニット100の被装着部への取り付けにおける位置決め用の穴部としての位置決め穴12a,12bが設けられている。なお、位置決め穴12a,12bは、第1面13fと、第1面13fと表裏関係となる第2面としての裏面1rとを貫通する貫通孔であってもよいし、裏面1r側に設けられた凹部であってもよい。ベース位置決め部としての位置決め穴12a,12bは、ベース1の位置決め用ガイド穴として機能させることができ、センサーユニット100を被装着面71に取り付ける際、例えば位置ピン(不図示)が挿入されることによって、センサーユニット100の位置決めを行うことができ、センサーユニット100を精度よく被装着面71(構造体)に取り付けることができる。
蓋2は、例えばアルミニウムを用い、内部に凹陥状の空間を有する、所謂箱状に構成されている。蓋2は、一方に開口を有した凹陥状をなしており、その開口を塞ぐようにベース1上に配置され、4本のネジ16(図2参照)によって、周状のシール部材6を介してベース1の収容部13に取り付けられる。蓋2は、アルミニウムの母材から削り出したり、もしくはダイキャスト法(金型鋳造法)を用いたりして形成することができる。なお、蓋2の材質は、アルミニウムに限定するものではなく、亜鉛やステンレスなど他の金属や、樹脂、または、金属と樹脂の複合材などを用いても良い。
蓋2は、図7および図8に示すように、平面視で矩形状をなした頂壁36から延伸する側壁35の開口面43の内側において開口する凹陥状の部材である。蓋2は、側壁35の開口面43の側の外面に、開口面43から所定位置まで帯状に掘り込まれた凹み部40が設けられている。なお、この凹み部40は、蓋2をベース1に装着したとき、収容部13の壁部25に挿通される部位となる(図4B参照)。なお、蓋2の側壁35は、矩形状をなした蓋2の短辺側の対向する側壁のうちの一方側の側壁となる第1の側壁46cと、短辺側の対向する側壁のうちの他方側の側壁となる第2の側壁46dと、長辺の一方側の側壁となる第3の側壁46aと、長辺の他方側の側壁となる第4の側壁46bと、を有している。
開口面43は、平面視で、第1の側壁46cの側において、ベース1に取り付けたときのベース1の第1の貫通孔11a側の第1の角部K1の第1の領域AL1に位置するコーナー部、および、同じく平面視で、第2の側壁46dの側において、ベース1の第2の貫通孔11b側の第2の角部K2の第2の領域AL2に位置するコーナー部が平面視で三角状をなしており、それぞれにベース1に設けられている第2の固定用ネジ穴18に対応する雌ネジ38が設けられている。また、開口面43は、平面視で、第3の側壁46aにおいて、第1の角部K1とはY軸方向の反対側に位置する第3の角部K3の第3の領域AL3よりも第2の領域AL2の側に寄っている第5の領域AL5に、第3の側壁46aから内側に円弧状に突出する第3の突起部44aが設けられている。さらに、開口面43は、平面視で、第4の側壁46bにおいて、第2の角部K2とはY軸方向の反対側に位置する第4の角部K4の第4の領域AL4よりも第1の領域AL1の側に寄っている第6の領域AL6に、第4の側壁46bから内側に円弧状に突出する第4の突起部44bが設けられている。そして、第3の突起部44aおよび第4の突起部44bには、それぞれにベース1に設けられている第2の固定用ネジ穴18に対応する雌ネジ38が設けられている。
そして、蓋2は、ベース1側から挿通されるネジ16を、この四つの雌ネジ38にねじ止めすることによって、ベース1に周状のシール部材6を介して取り付けられる。このように、ネジ16によって蓋2が周状のシール部材6を介してベース1に取り付けられることにより、容易な取り付けができると共に、蓋2とベース1との取り付けにおける気密性を高めることができ、容器7の内部への湿気や水分の侵入による検出精度の低下や構成部品の劣化を低減することができる。
なお、ベース1と蓋2との取り付けは、上述したネジ止めに限らず、接合部材、例えば接着剤などを用いて行うことができる。この場合、蓋2は、ベース1との間に、接合部材としての接着剤を塗布し、周状のシール部材6を押圧した状態で固化することによって、ベース1に取り付けることができる。このような取り付けにより、蓋2とベース1との取り付けにおける気密性を高めることができる。
さらに、蓋2には、頂壁36の内面に4箇所の台座39が設けられている。台座39には、I/F回路基板5が取り付けられる。なお、I/F回路基板5は、例えば接着剤やねじ等によって取付することができる。
さらに、蓋2は、短辺側の第1の側壁46cおよび第2の側壁46dのそれぞれに、第1のコネクター31、および第2のコネクター32を各々取り付けるための貫通孔である取付穴33,34が設けられている。第1の側壁46cに設けられている取付穴33は、第1のコネクター31の取り付け用であり、Y軸方向において、一方の長辺の側である第3の側壁46aの側に寄った位置に設けられている。また、第2の側壁46dに設けられている取付穴34は、第2のコネクター32の取り付け用であり、Y軸方向において、他方の長辺の側である第4の側壁46bの側に寄った位置に設けられている。
つまり、取付穴33は、蓋2がベース1に取り付けられたとき、Y軸方向の中央よりも一方の長辺側の側壁に寄って配置されている第1の貫通孔11aに対して、Y軸方向の中央よりも他方の長辺側の側壁の側に寄って配置されている。また、取付穴34は、蓋2がベース1に取り付けられたとき、Y軸方向の中央よりも他方の長辺側の側壁の側に寄って配置されている第2の貫通孔11bに対して、Y軸方向の中央よりも一方の長辺側の側壁の側に寄って配置されている。換言すれば、Z軸方向からの平面視で、取付穴33,34は、蓋2がベース1に取り付けられたとき、第1のコネクター31は、平面視で、センサーユニット100(ベース1)の取り付け用の第1の貫通孔11aと重ならないような位置に設けられ、および第2のコネクター32は、平面視で、センサーユニット100(ベース1)の取り付け用の第2の貫通孔11bと重ならない位置に設けられている。
このように、取付穴33,34と、ベース1の取り付け用の第1の貫通孔11aおよび第2の貫通孔11bとを配置することにより、センサーユニット100を構造物に取り付ける際に、第1のコネクター31および第2のコネクター32に邪魔されることなく(干渉されることなく)固定ネジ70の締め付けを容易に行うことができる。したがって、このような取付穴33,34と、ベース1の取り付け用の第1の貫通孔11aおよび第2の貫通孔11bとの配置を適用することにより、第1のコネクター31および第2のコネクター32が直列配置されたセンサーユニット100においても、幅方向(Y軸方向)の寸法を小さくすることができる。
蓋2の側壁35のうちの第1の側壁46cに設けられた取付穴33には、図9Aに示すように、第1のコネクター31が取り付けられている。第1のコネクター31は、第1の側壁46cの外側に配線部55aを配し、内側に接続端子54aを配して蓋2に取り付けられる。具体的に、第1のコネクター31は、本体部51aを取付穴33に挿入し、第1の側壁46cの外側に外部ナット部52aを当接させ、内側にシール部材としての、例えばOリングなどの第1のシールリング66aを介してロックナット53aによって締め付けることによって第1の側壁46cに取り付けられる。ここで、第1のコネクター31の取り付けにおいて、第1のシールリング66aを介した締め付けが行われることによって、容器7内部の気密性を保持することができ、容器7内部への湿気や水分の侵入による検出精度の低下や構成部品の劣化を低減することができる。
なお、第1のコネクター31の取り付けに際し、第1の側壁46cの内側のロックナット53aを接続端子54aの先端よりも先側から本体部51aに取り付ける(ネジ締めする)ことが必要となる。同図では、このロックナット53aの挿入位置を二点鎖線で示している。第1のコネクター31の取り付け位置が第3の側壁46aの側に寄って設けられており、接続端子54aの先端の先には、ロックナット53aを取り付けるためのスペース(空間)が必要となる。第3の側壁46aの第3の領域AL3には、開口面43から円弧状に開口側に突出する第3の突起部44aが設けられているが、第3の突起部44aは、ロックナット53aの取り付けに際し、十分な取り付けスペースを得ることのできる位置となるようにX軸方向にずらして配置されている。具体的には、第1の側壁46cの内面から接続端子54aの先端までの距離L1と、ロックナット53aの厚さL2と、余裕スペース距離L4とを加えた距離L3が、第1の側壁46cの内面から第3の突起部44aの突出基点45aまでの距離L5よりも小さくなるように、第3の突起部44aの配置が決定される。
また、蓋2の側壁35のうちの第2の側壁46dに設けられた取付穴34には、図9Bに示すように、第2のコネクター32が取り付けられている。第2のコネクター32は、第2の側壁46dの外側に配線部55bを配し、内側に接続端子54bを配して蓋2に取り付けられる。具体的に、第2のコネクター32は、本体部51bを取付穴34に挿入し、第2の側壁46dの外側に外部ナット部52bを当接させ、内側にシール部材として、例えばOリングなどの第2のシールリング66bを介してロックナット53bによって締め付けることによって第1の側壁46cに取り付けられる。ここで、第2のコネクター32の取り付けにおいて、第2のシールリング66bを介した締め付けが行われることによって、容器7内部の気密性を保持することができ、容器7内部への湿気や水分の侵入による検出精度の低下や構成部品の劣化を低減することができる。
なお、第2のコネクター32の取り付けに際し、第1のコネクター31の取り付けと同様に、第2の側壁46dの内側のロックナット53bを接続端子54bの先端よりも先側から本体部51bに取り付けることが必要となる。また、第2のコネクター32の取り付け位置が第4の側壁46bの側に寄って設けられており、接続端子54bの先端の先には、ロックナット53bを取り付けるためのスペース(空間)が必要となる。同図では、このロックナット53bの挿入位置を二点鎖線で示している。第4の側壁46bの第4の領域AL4には、開口面43から円弧状に開口側に突出すると第4の突起部44bが設けられているが、第4の突起部44bは、ロックナット53bの取り付けに際し、十分な取り付けスペースを得ることのできるような位置となるようにX軸方向にずらして配置されている。具体的には、第2の側壁46dの内面から接続端子54bの先端までの距離L1と、ロックナット53bの厚さL2と、余裕スペース距離L4とを加えた距離L3が、第2の側壁46dの内面から第4の突起部44bの突出基点45bまでの距離L5よりも小さくなるように、第4の突起部44bの配置が決定される。
また、以上の実施形態の説明においては、矩形状のベース1と矩形状であって凹陥を有する凹陥型の蓋2とを用いて説明したが、本発明は、これに限定されず、ベース、および蓋の外形は、平面視で、円形、楕円形、台形、多角形、もしくは、円形、楕円などの曲線形状を含む略矩形形状であっても良いことは言うまでもない。
また、容器7について、凹陥型の蓋2およびベース1を用いて説明したが、本発明は、これに限定されず、凹陥状の凹陥部を含むベースに対して、ベースの凹陥部の開口をフラットな蓋で塞ぐようにした容器であってもよい。
《慣性センサーの構成》
慣性センサー3は、種々のモーションセンサーを適用することができる。以下、3軸の角速度を検出する角速度センサーと3軸の加速度を検出する加速度センサーとを備えた、いわゆる6軸モーションセンサー、および3軸の加速度を検出する加速度センサーを備えた、いわゆる3軸モーションセンサーを例示し、その構成を順次説明する。
[6軸モーションセンサー]
先ず、図10および図11を参照して、慣性センサーの一例としての6軸モーションセンサーである慣性計測ユニット(IMU:Inertial Measurement Unit)について説明する。図10は、慣性計測ユニットの概略構成を示す分解斜視図である。図11は、慣性計測ユニットの慣性センサー素子の配置例を示す斜視図である。
図10に示す慣性計測ユニット2000(IMU:Inertial Measurement Unit)は、自動車やロボットなどの移動体(被装着装置)の姿勢や、挙動(慣性運動量)を検出する装置である。慣性計測ユニット2000は、3軸の加速度センサーと、3軸の角速度センサーと、を備えた、いわゆる6軸モーションセンサーとして機能する。そして、慣性計測ユニット2000は、センサーユニット100に備えられる慣性センサー3として適用することができる。
慣性計測ユニット2000は、平面形状が略正方形の直方体である。また、正方形の対角線方向に位置する2箇所の頂点近傍に、固定部としてのネジ穴2110が形成されている。この2箇所のネジ穴2110に2本のネジを通して、自動車やロボットなどの被装着装置の被装着面に慣性計測ユニット2000を固定することができる。なお、部品の選定や設計変更により、例えば、スマートフォンや、デジタルカメラに搭載可能なサイズに小型化することも可能である。
慣性計測ユニット2000は、アウターケース2100と、接合部材2200と、センサーモジュール2300と、を有し、アウターケース2100の内部に、接合部材2200を介在させて、センサーモジュール2300を挿入した構成となっている。また、センサーモジュール2300は、インナーケース2310と、基板2320と、を有している。
アウターケース2100の外形は、慣性計測ユニット2000の全体形状と同様に、平面形状が略正方形の直方体であり、正方形の対角線方向に位置する2箇所の頂点近傍に、それぞれネジ穴2110が形成されている。また、アウターケース2100は、箱状であり、その内部にセンサーモジュール2300が収納されている。
インナーケース2310は、基板2320を支持する部材であり、アウターケース2100の内部に収まる形状となっている。また、インナーケース2310には、基板2320との接触を防止するための凹部2311や後述するコネクター2330を露出させるための開口2312が形成されている。このようなインナーケース2310は、接合部材2200(例えば、接着剤を含浸させたパッキン)を介してアウターケース2100に接合されている。また、インナーケース2310の下面には接着剤を介して基板2320が接合されている。
図11に示すように、基板2320の上面には、コネクター2330、Z軸まわりの角速度を検出する角速度センサー2340z、X軸、Y軸およびZ軸の各軸方向の加速度を検出する加速度センサー2350などが実装されている。また、基板2320の側面には、X軸まわりの角速度を検出する角速度センサー2340xおよびY軸まわりの角速度を検出する角速度センサー2340yが実装されている。なお、角速度センサー2340z,2340x,2340yとしては、特に限定されず、コリオリの力を利用したジャイロセンサーを用いることができる。また、加速度センサー2350としては、特に限定されず、静電容量型の加速度センサーなどを用いることができる。
また、基板2320の下面には、制御IC2360が実装されている。制御IC2360は、MCU(Micro Controller Unit)であり、不揮発性メモリーを含む記憶部や、A/Dコンバーターなどを内蔵しており、慣性計測ユニット2000の各部を制御する。記憶部には、加速度、および角速度を検出するための順序と内容を規定したプログラムや、検出データをデジタル化してパケットデータに組込むプログラム、付随するデータなどが記憶されている。なお、基板2320には、その他にも複数の電子部品が実装されている。
[3軸モーションセンサー]
次に、図12を参照して、慣性センサーの一例としての3軸モーションセンサーである加速度センサーユニットの構成について説明する。
図12に示す加速度センサー装置3000は、橋梁や建築物などの構造物の姿勢(傾斜)や、挙動(慣性運動量)を検出する装置である。加速度センサー装置3000は、3軸の加速度センサーを備えた、いわゆる3軸モーションセンサーとして機能する。そして、加速度センサー装置3000は、センサーユニット100に備えられる慣性センサー3として適用することができる。
加速度センサー装置3000は、容器3001、蓋部3002、シール部材3041、回路基板3015などから構成されている。詳述すれば、加速度センサー装置3000は、容器3001の内部に、固定部材(不図示)を介在させて、回路基板3015を取り付け、容器3001の開口をシール部材3041を介した蓋部3002によって覆った構成となっている。
容器3001は、例えばアルミニウムを用い、内部空間を有する箱状に成形した、回路基板3015の収容容器としての部材である。なお、容器3001の材質は、アルミニウムに限定するものではなく、亜鉛やステンレスなど他の金属や、樹脂、または、金属と樹脂の複合材などを用いても良い。容器3001の外形は、平面形状が略長方形の直方体であり、一方の長辺のそれぞれの端部近傍の2箇所および他方の長辺の中央部の1箇所に、固定突起部3004が設けられ、この固定突起部3004のそれぞれにネジ穴3003が形成されている。
容器3001は、外形が直方体で一方に開口した箱状である。容器3001の内部(内側)は、底壁3012と側壁3011とで囲まれた内部空間(収容空間)となっている。換言すれば、容器3001は、底壁3012と対向する一面を開口面3023とする箱状をなしており、回路基板3015の外縁が側壁3011の内面3022に沿うように配置(収容)され、開口を覆うように蓋部3002が固定される。ここで、底壁3012と対向する開口面3023とは、蓋部3002が載置される面である。開口面3023には、容器3001の一方の長辺のそれぞれの端部近傍の2箇所および他方の長辺の中央部の1箇所において、固定突起部3004が立設されている。そして、固定突起部3004の上面(−Z方向に露出する面)が、容器3001の上面と略同一の面となる。なお、蓋部3002は、3箇所に設けられている凹部(サライ部)を含む貫通孔3076内に挿通されるネジ3072によって、容器3001にシール部材3041を介して固定されている。
また、容器3001の内部空間(収容空間)には、他方の長辺の中央部に設けられた固定突起部3004と対向する位置の一方の長辺の中央部にあって、底壁3012から開口面3023にかけて側壁3011から内部空間側に突出する突起部3029が設けられている。突起部3029の上面(開口面3023と同一面)には、蓋部3002を固定するための雌ネジ3074が設けられている。なお、突起部3029および固定突起部3004は、回路基板3015の括れ部3033,3034に対向する位置に設けられる。
加えて、容器3001の内部空間(収容空間)には、底壁3012から開口面3023側に向かって一段高い段状に突出する第1の台座3027および第2の台座3025が設けられている。第1の台座3027は、回路基板3015に取り付けられたプラグ型(オス)のコネクター3016の配置領域と対向する位置に設けられており、プラグ型(オス)のコネクター3016が挿入される開口部(不図示)が設けられている。第1の台座3027は、プラグ型(オス)のコネクター3016の周囲に配設される固定部材(不図示)によって回路基板3015を容器3001に固定するための台座として機能する。なお、開口部(不図示)は、第1の台座3027の内側の面と容器3001の外面である下面とを貫通している。即ち、開口部は、容器3001の内部(内側)と外部とを貫通している。
第2の台座3025は、長辺の中央部に位置する固定突起部3004に対して第1の台座3027と反対側に位置し、固定突起部3004の近傍に設けられている。なお、第2の台座3025は、固定突起部3004と連結されていてもよい。第2の台座3025は、固定突起部3004に対して第1の台座3027と反対側において、回路基板3015を容器3001に固定するための台座として機能する。また、第2の台座3025は、突起部3029側に設けられてもよい。
なお、上述では、容器3001の外形が、平面形状が略長方形の直方体で蓋のない箱状である一例について説明したが、これに限らず、容器3001の外形の平面形状は、正方形、もしくは、例えば六角形や八角形などの多角形であってもよいし、その多角形の頂点部分の角が面取りされていたり、各辺が曲線である平面形状であったりしてもよい。また、容器3001の内部(内側)の平面形状も、上述の例示形状に限らず、他の形状であってもよい。また、容器3001の外形と内部の平面形状とは相似形であってもよいし、相似形でなくてもよい。
基板としての回路基板3015は、複数のスルーホールなどが形成された多層基板である。回路基板3015は、一方面に加速度センサー3018x,3018y,3018z、および制御IC3019が実装され、反対面である他方面にプラグ型(オス)のコネクター3016が実測されている。回路基板3015は、平面視で、容器3001の長辺に沿った第1の方向(X軸方向)の中央部に、回路基板3015の外縁が括れている括れ部3033,3034を備えている。なお、回路基板3015には、種々の配線や端子電極などが設けられているが、図示およびその説明は省略する。
回路基板3015は、多方面を第1の台座3027、および第2の台座3025に向けて容器3001の内部空間に挿入される。そして、回路基板3015は、第1の台座3027上において、取り付けられているプラグ型(オス)のコネクター3016の外縁を囲んでいる領域内であってプラグ型(オス)のコネクター3016の周囲にリング状に配置される固定部材(不図示)と、第2の台座3025との間に配置される固定部材3030によって、容器3001に取り付けられている。即ち、回路基板3015は、固定部材3042,3030を介して、容器3001の第1の台座3027、および第2の台座3025に取り付けられている。
加速度センサー3018x,3018y,3018zは、それぞれ1軸方向の加速度を検出することができる。加速度センサー3018x,3018y,3018zは、好適例として、水晶を振動子として用い、振動子に加わる力によって変化する共振周波数に基づいて加速度を検出する振動型の加速度センサーを用いている。
加速度センサー3018xは、X軸方向にパッケージの表裏面が向くように、回路基板3015の一方面に側面を対向させて立設され、X軸方向に加わる加速度を検出する。加速度センサー3018yは、Y軸方向にパッケージの表裏面が向くように、回路基板3015の一方面に側面を対向させて立設され、Y軸方向に加わる加速度を検出する。加速度センサー3018zは、Z軸方向にパッケージの表裏面が向くように、即ち表裏面が回路基板3015の一方面と正対するように接続され、Z軸方向に加わる加速度を検出する。
なお、加速度センサー3018x,3018y,3018zは、水晶を用いた振動型の加速度センサーに限定するものではなく、加速度を検出可能なセンサーであれば良い。他のセンサーとしては、例えば、シリコン基板をMEMS技術で加工した静電容量型の加速度センサー、ピエゾ抵抗型加速度センサーや、熱検知型加速度センサーであっても良い、また、1軸ごとの三つの加速度センサー3018x,3018y,3018zを用いる構成に限定するものではなく、3軸の加速度が検出可能なセンサーであれば良く、例えば一つのデバイス(パッケージ)で3軸の加速度が検出(検知)可能なセンサーデバイスを用いても良い。
以上説明したセンサーユニット100によれば、平面視で矩形状のセンサーユニット100の短辺側の蓋2の第1の側壁46cに長辺の一方側の第3の側壁46aに寄って第1のコネクター31が取り付けられ、第1の側壁46cに対向する第2の側壁46dに長辺の他方側の第4の側壁46bに寄って第2のコネクター32が取り付けられている。また、被装着部へ取り付けられる固定領域において、対向している一方の側壁としての第1の側壁46cの側の固定領域には、第4の側壁46bの側に寄って、平面視で少なくとも一部が第1のコネクター31と重ならないように第1の貫通孔11aが設けられ、他方の側壁としての第2の側壁46dの側の固定領域には、第3の側壁46aの側に寄って、平面視で少なくとも一部が第2のコネクター32と重ならないように第2の貫通孔11bが設けられている。即ち、第1のコネクター31および第2のコネクター32がセンサーユニット100の第1の対角線上に配置され、被装着部との取付け部である第1の貫通孔11aおよび第2の貫通孔11bがセンサーユニット100の第1の対角線と逆位置の第2の対角線上に配置されることにより、直列接続が可能な二つのコネクター(第1のコネクター31および第2のコネクター32)を備えたセンサーユニット100の第2の方向(Y軸方向)の寸法である幅寸法を低減することができる。即ち、センサーユニット100の形状をコンパクトに構成することができる。これにより、被装着部として、例えば、油圧ショベルのアーム部のような可動領域内に複数箇所の設置が必要な場合であっても、各箇所に設置されているセンサーユニット100同士をケーブルで直列的に接続することが可能となり、即ち一つの配線によって接続が可能となることから可動領域内のケーブルの引き回しをコンパクトにすることができる。
また、センサーユニット100をコンパクトにすることができることから、被装着部として、例えば、油圧ショベルのアーム部のような極めて限られた領域内であっても、センサーユニット100の設置箇所毎に複数のセンサーユニット100を直列接続(マルチ接続)してコンパクトに配置することが可能となる。このように、複数のセンサーユニット100をマルチ接続することにより、検出信号のSN比が向上し、ノイズ成分を低減させることができることから、センサーユニット100の検出精度を向上させることが可能となる。
また、第1の貫通孔11aの側、および第2の貫通孔11bの側の第1の角部K1の第1の領域AL1および第2の角部K2の第2の領域AL2において、蓋2とベース1とが取り付けられているため、第1のコネクター31および第2のコネクター32の配置に影響を与えることが無く、二つのコネクター(第1のコネクター31および第2のコネクター32)を備えたセンサーユニット100をコンパクトに構成することができる。
また、第1のコネクター31および第2のコネクター32の寄っている蓋2の長辺の側において、第3の角部K3の第3の領域AL3よりも第2の領域AL2の側に寄っている第5の領域AL5、および第4の角部K4の第4の領域AL4よりも第1の領域AL1の側に寄っている第6の領域AL6において、蓋2とベース1とが取り付けられている。したがって、第1のコネクター31および第2のコネクター32を取り付ける際の蓋2との干渉を無くすことができ、二つのコネクター(第1のコネクター31および第2のコネクター32)を備えたセンサーユニット100をコンパクトに構成することができる。
《センサーユニットの構成に係る変形例》
なお、センサーユニット100の構成では、構成部材の追加などの変更を行うことができる。以下、センサーユニットの構成に係る変形例について、図13および図14を参照してその一例を説明する。図13は、変形例に係るベースの概要を示す平面図である。図14は、変形例に係るベースの概要を示す図13のC−C断面図である。なお、前述の実施形態で説明したベース1と同様な構成は、同符号を付し、その説明は省略する。
変形例に係るセンサーユニット100のベース1aは、前述の実施形態で説明したベース1の構成に対し、慣性センサー3と第2の凹部24の底面21との間に緩衝部材60が設けられていることが異なっている。
緩衝部材60は、ベース1aの材料よりも弾性率の小さな部材で構成する。緩衝部材60は、例えばシリコーン系、エポキシ系、ウレタン系などの樹脂を基材とする樹脂板やゴムを基材とするゴム板などを用いることができる。また、緩衝部材60としては、樹脂接着剤などを塗布することによって設けることができる。そして、慣性センサー3は、第2の凹部24に配置され、固定ネジ37がベース1aの雌ネジ19にねじ締めされることによって、緩衝部材60を介して底面21に固定される。
このように、ベース1aの第2の凹部24の底面21に、ベース1aの材料よりも弾性率の小さな緩衝部材60を介して慣性センサー3を取り付けることにより、緩衝部材60を防振部材、もしくは緩衝部材として機能させることができ、センサーユニット100に対して加わった衝撃や振動などがノイズ振動として慣性センサー3に伝わることを低減することができる。
なお、緩衝部材60は、平面視で、慣性センサー3の全域と重なるように配置された一つの板で構成されていたが、これに限らない。緩衝部材60は、ベース1aの材料よりも弾性率の小さな複数の板や突起などで構成されていてもよい。
<建設機械(建機)>
上述した実施形態に係るセンサーユニット100は、建設機械(建機)の姿勢制御などにおいて効果的に用いることができる。以下、図15および図16を参照して、建設機械(建機)の一例として、油圧ショベル400を例示して説明する。図15は、センサーユニットの備えられた油圧ショベルを示す概略図である。図16は、センサーユニットの接続構成を示すブロック図ある。
図15に示すように、油圧ショベル400は、車体を下部走行体412と、下部走行体412上に旋回可能に搭載された上部旋回体411とで構成され、上部旋回体411の前部側に上下方向に回動可能な複数の部材で構成された作業機構420が設けられている。上部旋回体411には運転席(不図示)が設けられ、運転席には、作業機構420を構成する各部材を操作する操作装置(不図示)が設けられている。そして、上部旋回体411には、上部旋回体411の傾斜角を検出する傾斜センサーとして機能するセンサーユニット100dが配置されている。
作業機構420は、複数の部材として、上部旋回体411の前部側に俯仰動可能に取付けられたブーム413と、ブーム413の先端側に俯仰動可能に取付けられたアーム414と、アーム414の先端側に回動可能に取付けられたバケットリンク416と、アーム414およびバケットリンク416の先端側に回動可能に取付けられたバケット415と、ブーム413を駆動するブームシリンダー417と、アーム414を駆動するアームシリンダー418と、バケット415をバケットリンク416を介して駆動するバケットシリンダー419とを備えている。
ブーム413の基端側は、上部旋回体411に上下方向に回動可能に支持され、ブームシリンダー417の伸縮によってブーム413が上部旋回体411に対して相対的に回転駆動される。そして、ブーム413には、ブーム413の動きの状態を検出する慣性センサーとして機能するセンサーユニット100cが配置されている。
ブーム413の先端側には、アーム414の一端側が回転可能に支持され、アームシリンダー418の伸縮によってアーム414がブーム413に対して相対的に回転駆動される。アーム414には、アーム414の動きの状態を検出する慣性センサーとして機能するセンサーユニット100bが配置されている。
アーム414の先端側には、バケットリンク416とバケット415とが回動可能に支持されていて、バケットシリンダー419の伸縮に応じてバケットリンク416がアーム414に対して相対的に回転駆動され、それに連動してバケット415がアーム414に対して相対的に回転駆動される。そして、バケットリンク416には、バケットリンク416の動きの状態を検出する慣性センサーとして機能するセンサーユニット100aが配置されている。
ここで、センサーユニット100a,100b,100c,100dは、前述の実施形態において説明したセンサーユニット100を用いることができる。センサーユニット100a,100b,100c,100dは、作業機構420の各部材や上部旋回体411に作用する角速度、および加速度の少なくともいずれかを検出することができる。また、センサーユニット100a,100b,100cは、図16に示すように、直列的に接続され、検出信号を演算装置431に送信することができる。このようにセンサーユニット100a,100b,100cを直列接続することにより、可動領域内における検出信号を送信するための配線数を減らし、コンパクトな配線構造を得ることができる。コンパクトな配線構造により、配線の敷設方法の選択が容易となり、配線の劣化や損傷などの発生を低減させることが可能となる。
更に、油圧ショベル400には、図15に示すように、上部旋回体411の傾斜角や作業機構420を構成するブーム413、アーム414、バケット415の位置姿勢を演算する演算装置431が設けられている。演算装置431は、各センサーユニット100a,100b,100c,100dからの各種検出信号を入力し、各種検出信号に基づいてブーム413、アーム414、バケット415の位置姿勢(姿勢角)や上部旋回体411の傾斜状態を演算する。演算されたブーム413、アーム414、バケット415の姿勢角を含む位置姿勢信号や上部旋回体411の姿勢角を含む傾斜信号、例えばバケット415の位置姿勢信号は、運転席のモニター装置(図示せず)の表示、または作業機構420や上部旋回体411の動作を制御するためのフィードバック情報に用いられる。
なお、建設機械(建機)に適用されるセンサーユニット100(100a,100b,100c,100d)は、上記に例示した油圧ショベル(ユンボ、バックホー、パワーショベル)の他にも、例えば、ラフテレーンクレーン(クレーン車)、ブルドーザー、掘削機・積み込み機、ホイールローダー、高所作業車(リフト車)などにおいても適用することができる。
以上、説明したような油圧ショベル400によれば、二つのコネクター(第1のコネクター31および第2のコネクター32:図1参照)を備えたコンパクトなセンサーユニット100を装着しているため、例えば、バケットリンク416などの極めて限られた狭い領域内であっても、センサーユニット100の設置箇所毎に、複数のセンサーユニットを直列接続(マルチ接続)してコンパクトに配置したり、各箇所に設置されているセンサーユニット100同士をケーブルで直列的に接続するケーブルの引き回しをコンパクトにしたりすることが可能な建設機械を提供することができる。
また、センサーユニット100は、上記にて例示した建設機械(建機)の他にも、例えば、二足歩行ロボットや電車などの姿勢制御、ラジコン飛行機、ラジコンヘリコプター、およびドローンなどの遠隔操縦あるいは自律式の飛行体の姿勢制御、農業機械(農機)、もしくは建設機械(建機)などの姿勢制御、ロケット、人工衛星、船舶、およびAGV(無人搬送車)などの制御において利用することができる。
<構造物監視装置>
図17に、構造物監視装置(SHM:Structural Health Monitoring)500を示す。構造物監視装置500は、上述した実施形態のセンサーユニット100と同じ構造を有し、監視対象とされる構造物590に取り付けられる物理量センサーデバイス510を有する。物理量センサーデバイス510は、検出信号を送信する送信部511を含む。送信部511は、物理量センサーデバイス510とは別体の通信モジュールおよびアンテナとして実現するとしてもよい。
物理量センサーデバイス510は、無線、または有線の通信網580を介して例えば監視コンピューター570と接続される。監視コンピューター570は、通信網580を介して物理量センサーデバイス510と接続される受信部520と、受信部520から出力された信号に基づいて構造物590の傾斜角度を算出する算出部530と、を有する。
算出部530は、本実施形態では監視コンピューター570に搭載されたASIC(Application Specific Integrated Circuit)やFPGA(Field Programmable Gate Array)等で実現することとする。ただし、算出部530をCPU(Central Processing Unit)等のプロセッサーとして、当該プロセッサーがICメモリー531に記憶されたプログラムを演算処理することによりソフトウェア的に実現する構成としてもよい。監視コンピューター570は、キーボード540によりオペレーターの各種操作入力を受け付け、演算処理の結果をタッチパネル550に表示することができる。
本実施形態の構造物監視装置500によれば、上述した実施形態のセンサーユニット100を利用して構造物590の傾斜を監視している。そのため、極めて限られた狭い領域内であっても、センサーユニット100の設置箇所毎に、複数のセンサーユニットを直列接続(マルチ接続)してコンパクトに配置したり、各箇所に設置されているセンサーユニット100同士をケーブルで直列的に接続するケーブルの引き回しをコンパクトにしたりすることが可能な構造物監視装置500とすることができる。
以下に、上述した実施形態から導き出される内容を、各態様として記載する。
[態様1]本態様に係るセンサーユニットは、ベース、および内部に収納空間を構成するように前記ベースに取り付けられている蓋を含む容器と、前記収納空間に収納されている慣性センサーと、前記容器に取り付けられている第1のコネクター、および第2のコネクターと、を含み、前記容器は、対向している第1の側壁、および第2の側壁と、前記第1の側壁の一方の端と前記第2の側壁の一方の端とに接続されている第3の側壁と、前記第1の側壁の他方の端と前記第2の側壁の他方の端とに接続され、前記第3の側壁と対向している第4の側壁と、を含み、前記第1のコネクターは、前記第1の側壁に取り付けられ、且つ、前記第3の側壁の側よりも前記第4の側壁の側に配置され、前記第2のコネクターは、前記第2の側壁に取り付けられ、且つ、前記第4の側壁の側よりも前記第3の側壁の側に配置されていることを特徴とする。
本態様によれば、第3の側壁の側よりも第4の側壁の側の第1の側壁に第1のコネクターが取り付けられ、第4の側壁の側よりも第3の側壁の側の第2の側壁に第2のコネクターが取り付けられている。即ち、第1のコネクターおよび第2のコネクターがセンサーユニットの第1の側壁および第2の側壁の側に位置する一つの対角線に沿って配置されることにより、二つのコネクターを備えたセンサーユニットをコンパクトに構成することができる。これにより、例えば、油圧ショベルのアーム部のような複数箇所の設置が必要な場合であっても、各箇所に設置されているセンサーユニット同士をケーブルで直列的に接続することが可能となり、ケーブルの引き回しをコンパクトにすることができる。
また、センサーユニットをコンパクトにすることができることから、油圧ショベルのアーム部のような極めて限られた領域内であっても、センサーユニットの設置箇所毎に複数のセンサーユニットを直列接続(マルチ接続)してコンパクトに配置することが可能となる。このように、複数のセンサーユニットをマルチ接続することにより、検出信号のSN比が向上し、ノイズ成分を低減させることができることから、センサーユニットの検出精度を向上させることが可能となる。
[態様2]上記態様に記載のセンサーユニットにおいて、前記ベースは、平面視で、前記容器の対向している2つの側壁の側に、それぞれ被装着部に取り付けられる固定領域が設けられ、前記2つの側壁の一方の側壁の側の前記固定領域には、第1の貫通孔が設けられ、前記2つの側壁の他方の側壁の側の前記固定領域には、第2の貫通孔が設けられていることが好ましい。
本態様によれば、センサーユニットは、容器の対向している2つの側壁の側のそれぞれに設けられた固定領域で被装着部に固定される。即ち、センサーユニットは、ベースの両側の端部において、貫通孔および第2の貫通孔を用いて被装着部に固定できることから、強固且つ確実に固定を行うことができる。
[態様3]上記態様に記載のセンサーユニットにおいて、前記一方の側壁は、前記第1の側壁であり、前記他方の側壁は、前記第2の側壁であり、平面視で、前記第1のコネクターは、前記第1の貫通孔と重ならず、平面視で、前記第2のコネクターは、前記第2の貫通孔と重ならないことが好ましい。
本態様によれば、被装着部へ取り付けられる固定領域において、第1の側壁の側の固定領域には、平面視で、第1のコネクターと重ならないように第1の貫通孔が設けられ、第2の側壁の側の固定領域には、平面視で、第2のコネクターと重ならないように第2の貫通孔が設けられている。第1の貫通孔および第2の貫通孔は、センサーユニットの被装着部への取り付け穴として機能する。したがって、このような第1の貫通孔および第2の貫通孔の配置とすることにより、センサーユニットを被装着部に取り付けるとき用いる固定ネジなどの挿入に際し、固定ネジと第1のコネクターおよび第2のコネクターとの干渉を防止することが可能となり、二つのコネクターを備えたセンサーユニットをコンパクトに構成することができる。
[態様4]上記態様に記載のセンサーユニットにおいて、前記容器は、平面視で、矩形状であり、前記第1の側壁、および前記第2の側壁は、前記容器の短辺側の側壁であることが好ましい。
本態様によれば、センサーユニットの形状が、平面視で矩形状のセンサーユニットの容器の短辺側の側壁(第1の側壁および第2の側壁)に、第1のコネクター、第2のコネクター、第1の貫通孔、および第2の貫通孔が配置される。したがって、センサーユニットは、細長の矩形形状のコンパクトな外形形状を成すことから、被装着部への装着の自在性を向上させることができる。
[態様5]上記態様に記載のセンサーユニットにおいて、前記固定領域は、前記容器の長辺方向の両側に配置されていることが好ましい。
本態様によれば、センサーユニットの被装着部への固定を長辺方向の両側で行うことができ、強固且つ確実に固定を行うことができる。
[態様6]上記態様に記載のセンサーユニットにおいて、前記蓋は、平面視で、前記容器の前記第1の側壁の側において、前記第1の貫通孔側の第1の角部の第1の領域、および、平面視で、前記容器の前記第2の側壁の側において、前記第2の貫通孔側の第2の角部の第2の領域が、前記ベースに取り付けられていることが好ましい。
本態様によれば、第1の貫通孔側、および第2の貫通孔側の第1の角部の第1の領域および第2の角部の第2の領域において蓋とベースとが取り付けられているため、第1のコネクターおよび第2のコネクターの配置に影響を与えることが無く、二つのコネクターを備えたセンサーユニットをコンパクトに構成することができる。
[態様7]上記態様に記載のセンサーユニットにおいて、前記蓋は、平面視で、前記容器の前記第1の側壁の前記第1の角部とは反対側の第3の角部の第3の領域の側よりも前記第2の領域の側に寄っている第5の領域、および、平面視で、前記容器の前記第2の側壁の前記第2の角部とは反対側の第4の角部の第4の領域の側よりも前記第1の領域の側に配置されている第6の領域が、前記ベースに取り付けられていることが好ましい。
本態様によれば、第1のコネクターおよび第2のコネクターの寄っている蓋の長辺の側において、第3の角部の第3の領域の側よりも第2の領域の側に寄っている第5の領域、および第4の角部の第4の領域の側よりも第1の領域の側に寄っている第6の領域において、蓋とベースとが取り付けられている。したがって、第1のコネクターおよび第2のコネクターの取り付けにおける干渉を無くすことができ、二つのコネクターを備えたセンサーユニットをコンパクトに構成することができる。
[態様8]上記態様に記載のセンサーユニットにおいて、前記ベースは、前記第5の領域に設けられている第1の突起部と、前記第6の領域に設けられている第2の突起部と、を含むことが好ましい。
本態様によれば、第1の突起部と第2の突起部との箇所において、蓋とベースとを取り付けるため、より確実な取り付けを行うことができる。
[態様9]上記態様に記載のセンサーユニットにおいて、前記ベースと前記蓋とは、ネジまたは接合部材により取り付けられていることが好ましい。
本態様によれば、ネジまたは接合部材により、ベースと蓋とを容易に取り付けることができる。
[態様10]上記態様に記載のセンサーユニットにおいて、前記蓋と前記ベースとは、周状のシール部材を介して取り付けられていることが好ましい。
本態様によれば、蓋とベースとの取り付けにおける気密性を高めることができ、内部への湿気や水分の侵入による検出精度の低下や構成部品の劣化を低減することができる。
[態様11]上記態様に記載のセンサーユニットにおいて、前記ベースの前記蓋が取り付けられている側の第1面に凹部が設けられ、前記慣性センサーは、前記凹部の内側の側壁の少なくともいずれかに沿って取り付けられていることが好ましい。
本態様によれば、ベースの前蓋が取り付けられている側の第1面に設けられている凹部の内側の側壁の少なくともいずれかを取付位置のガイドとして、慣性センサーを取り付けることができる。これにより、慣性センサーの取り付け位置のばらつきを減少させることができる。
[態様12]上記態様に記載のセンサーユニットにおいて、前記第1のコネクターは、第1のシールリングを介して前記第1の側壁に取り付けられ、前記第2のコネクターは、第2のシールリングを介して前記第2の側壁に取り付けられていることが好ましい。
本態様によれば、第1のシールリングおよび第2のシールリングによって、第1のコネクターと第1の側壁との取り付け、および第2のコネクターと第2の側壁との取り付けにおける気密性を高めることができ、内部への湿気や水分の侵入による検出精度の低下や構成部品の劣化を低減することができる。
[態様13]上記態様に記載のセンサーユニットにおいて、前記固定領域のそれぞれには、平面視で前記第1の貫通孔または前記第2の貫通孔と重ならない位置に位置決め用の穴部が設けられ、前記穴部は、前記ベースの前記蓋が取り付けられている側の前記第1面と表裏関係となる第2面の側に設けられた凹部、または前記第1面から前記第2面に亘って貫通している貫通孔であることが好ましい。
本態様によれば、ベース位置決め用の穴部により、センサーユニットを位置精度よく構造物に取り付けることができる。
[態様14]上記態様に記載のセンサーユニットにおいて、前記蓋は、凹陥型であり、前記ベースは、前記蓋の凹陥の開口を塞ぐように、前記蓋に取り付けられていることが好ましい。
本態様によれば、蓋は凹陥を有しているため、この凹陥の開口を塞ぐようにベースに取り付けることで、収納部を容易に構成することができる。
[態様15]上記態様に記載のセンサーユニットにおいて、前記ベースは、凹陥部を含み、前記蓋は、前記凹陥部の開口を塞ぐように、前記ベースに取り付けられていることが好ましい。
本態様によれば、ベースは凹陥部を含んでいることから、この凹陥部の開口を塞ぐように蓋を取り付けることで、収納部を容易に構成することができる。
[態様16]本態様に係る建設機械は、上記態様1ないし15のいずれかに記載のセンサーユニットと、前記センサーユニットが取り付けられている回動可能な複数の部材で構成された作業機構と、前記作業機構を構成する各部材を操作する操作装置と、前記作業機構が設けられている車体と、を含み、前記センサーユニットは、前記各部材に作用する角速度、および加速度の少なくともいずれかを検出し、検出した前記角速度および加速度の少なくともいずれかに基づいて、前記各部材の姿勢角を算出することを特徴とする。
本態様によれば、二つのコネクターを備えたコンパクトなセンサーユニットを装着しているため、極めて限られた狭い領域内であっても、センサーユニットの設置箇所毎に複数のセンサーユニットを直列接続(マルチ接続)してコンパクトに配置したり、各箇所に設置されているセンサーユニット同士をケーブルで直列的に接続するケーブルの引き回しをコンパクトにしたりすることができる建設機械とすることができる。
[態様17]本態様に係る構造物監視装置は、上記態様1ないし15のいずれかに記載のセンサーユニットと、構造物に取り付けられている前記センサーユニットからの検出信号を受信する受信部と、前記受信部から出力された信号に基づいて、前記構造物の傾斜角度を算出する算出部と、を含むことを特徴とする。
本態様によれば、二つのコネクターを備えたコンパクトなセンサーユニットを装着しているため、マルチ接続や直列的な接続が可能な構造物監視装置を提供することができる。
1…ベース、1r…第2面としてのベースの裏面、2…蓋、3…慣性センサー、4…制御回路基板、5…I/F(インターフェイス)回路基板、6…周状のシール部材、7…容器、11a…第1の貫通孔、11b…第2の貫通孔、12a,12b…位置決め穴、13…収容部、13f…第1面、13p…頂部、14…固定部、15…凹部(サライ部)、16…ネジ、17a…第1の突起部、17b…第2の突起部、18…第2の固定用ネジ穴、19…雌ネジ、20…凹部、21…底面、22…案内溝、23…第1の凹部、24…第2の凹部、25…壁部、31…第1のコネクター、32…第2のコネクター、33,34…取付穴、35…側壁、36…頂壁、38…雌ネジ、39…台座、40…凹み部、43…開口面、44a…第3の突起部、44b…第4の突起部、46a…第3の側壁、46b…第4の側壁、46c…第1の側壁、46d…第2の側壁、51…制御回路素子、51a,51b…本体部、52…電子部品、52a,52b…外部ナット部、53a,53b…ロックナット、54a,54b…接続端子、55a,55b…配線部、56,57,59…接続配線、60…緩衝部材、65…コネクター、66a…第1のシールリング、66b…第2のシールリング、70…固定ネジ、71…被装着面、100…センサーユニット、400…建設機械としての油圧ショベル、500…構造物監視装置、2000…慣性計測ユニット、3000…角速度センサー装置、K1…第1の角部、K2…第2の角部、K3…第3の角部、K4…第4の角部、AL1…第1の領域、AL2…第2の領域、AL3…第3の領域、AL4…第4の領域、AL5…第5の領域、AL6…第6の領域。

Claims (17)

  1. ベース、および内部に収納空間を構成するように前記ベースに取り付けられている蓋を含む容器と、
    前記収納空間に収納されている慣性センサーと、
    前記容器に取り付けられている第1のコネクター、および第2のコネクターと、
    を含み、
    前記容器は、
    対向している第1の側壁、および第2の側壁と、
    前記第1の側壁の一方の端と前記第2の側壁の一方の端とに接続されている第3の側壁と、
    前記第1の側壁の他方の端と前記第2の側壁の他方の端とに接続され、前記第3の側壁と対向している第4の側壁と、
    を含み、
    前記第1のコネクターは、
    前記第1の側壁に取り付けられ、且つ、前記第3の側壁の側よりも前記第4の側壁の側に配置され、
    前記第2のコネクターは、
    前記第2の側壁に取り付けられ、且つ、前記第4の側壁の側よりも前記第3の側壁の側に配置されていることを特徴とするセンサーユニット。
  2. 請求項1において、
    前記ベースは、平面視で、前記容器の対向している2つの側壁の側に、それぞれ被装着部に取り付けられる固定領域が設けられ、
    前記2つの側壁の一方の側壁の側の前記固定領域には、第1の貫通孔が設けられ、
    前記2つの側壁の他方の側壁の側の前記固定領域には、第2の貫通孔が設けられていることを特徴とするセンサーユニット。
  3. 請求項2において、
    前記一方の側壁は、前記第1の側壁であり、
    前記他方の側壁は、前記第2の側壁であり、
    平面視で、前記第1のコネクターは、前記第1の貫通孔と重ならず、
    平面視で、前記第2のコネクターは、前記第2の貫通孔と重ならないことを特徴とするセンサーユニット。
  4. 請求項3において、
    前記容器は、平面視で、矩形状であり、
    前記第1の側壁、および前記第2の側壁は、前記容器の短辺側の側壁であることを特徴とするセンサーユニット。
  5. 請求項4において、
    前記固定領域は、前記容器の長辺方向の両側に配置されていることを特徴とするセンサーユニット。
  6. 請求項5において、
    前記蓋は、
    平面視で、前記容器の前記第1の側壁の側において、前記第1の貫通孔側の第1の角部の第1の領域、
    および、平面視で、前記容器の前記第2の側壁の側において、前記第2の貫通孔側の第2の角部の第2の領域が、
    前記ベースに取り付けられていることを特徴とするセンサーユニット。
  7. 請求項6において、
    前記蓋は、
    平面視で、前記容器の前記第1の側壁の前記第1の角部とは反対側の第3の角部の第3の領域の側よりも前記第2の領域の側に配置されている第5の領域、
    および、平面視で、前記容器の前記第2の側壁の前記第2の角部とは反対側の第4の角部の第4の領域の側よりも前記第1の領域の側に配置されている第6の領域が、
    前記ベースに取り付けられていることを特徴とするセンサーユニット。
  8. 請求項7において、
    前記ベースは、
    前記第5の領域に設けられている第1の突起部と、
    前記第6の領域に設けられている第2の突起部と、
    を含むことを特徴とするセンサーユニット。
  9. 請求項2ないし8のいずれか一項において、
    前記ベースと前記蓋とは、ネジまたは接合部材により取り付けられていることを特徴とするセンサーユニット。
  10. 請求項2ないし8のいずれか一項において、
    前記蓋と前記ベースとは、周状のシール部材を介して取り付けられていることを特徴とするセンサーユニット。
  11. 請求項2ないし8のいずれか一項において、
    前記ベースの前記蓋が取り付けられている側の第1面に凹部が設けられ、
    前記慣性センサーは、前記凹部の内側の側壁の少なくともいずれかに沿って取り付けられていることを特徴とするセンサーユニット。
  12. 請求項2ないし11のいずれか一項において、
    前記第1のコネクターは、第1のシールリングを介して前記第1の側壁に取り付けられ、
    前記第2のコネクターは、第2のシールリングを介して前記第2の側壁に取り付けられていることを特徴とするセンサーユニット。
  13. 請求項2ないし12のいずれか一項において、
    前記固定領域のそれぞれには、平面視で前記第1の貫通孔または前記第2の貫通孔と重ならない位置に位置決め用の穴部が設けられ、
    前記穴部は、
    前記ベースの前記蓋が取り付けられている側の第1面と表裏関係となる第2面の側に設けられた凹部、
    または前記第1面から前記第2面に亘って貫通している貫通孔であることを特徴とするセンサーユニット。
  14. 請求項1ないし13のいずれか一項において、
    前記蓋は、凹陥型であり、
    前記ベースは、前記蓋の凹陥の開口を塞ぐように、前記蓋に取り付けられていることを特徴とするセンサーユニット。
  15. 請求項1ないし13のいずれか一項において、
    前記ベースは、凹陥部を含み、
    前記蓋は、前記凹陥部の開口を塞ぐように、前記ベースに取り付けられていることを特徴とするセンサーユニット。
  16. 請求項1ないし15のいずれか一項に記載のセンサーユニットと、
    前記センサーユニットが取り付けられている回動可能な複数の部材で構成された作業機構と、
    前記作業機構を構成する各部材を操作する操作装置と、
    前記作業機構が設けられている車体と、
    を含み、
    前記センサーユニットは、
    前記各部材に作用する角速度、および加速度の少なくともいずれかを検出し、
    検出した前記角速度および加速度の少なくともいずれかに基づいて、前記各部材の姿勢角を算出する、
    ことを特徴とする建設機械。
  17. 請求項1ないし15のいずれか一項に記載のセンサーユニットと、
    構造物に取り付けられている前記センサーユニットからの検出信号を受信する受信部と、
    前記受信部から出力された信号に基づいて、前記構造物の傾斜角度を算出する算出部と、
    を含むことを特徴とする構造物監視装置。
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