WO2009095986A1 - 締固め機械用転倒検出センサー - Google Patents

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Giichi Tanaka
Kenichi Nagasawa
Yoshinori Harashima
Hideo Saito
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    • G01P15/0891—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values with indication of predetermined acceleration values
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    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R21/00—Arrangements or fittings on vehicles for protecting or preventing injuries to occupants or pedestrians in case of accidents or other traffic risks
    • B60R2021/0065—Type of vehicles
    • B60R2021/0088—Cycles, e.g. motorcycles

Definitions

  • the present invention relates to a sensor for detecting that the compaction machine is in a tipping state so that the engine can be quickly stopped when the compaction machine equipped with the engine falls during operation.
  • the present invention relates to a fall detection sensor for a compaction machine that can be suitably applied to a machine that operates with a large vibration, such as a rammer or the like.
  • a pair of electrodes is disposed in a case in which mercury is enclosed, and when the case is in a normal posture, the electrodes are electrically connected via the mercury
  • a mercury switch or the like is known, which is configured to be connected to move the mercury when the case is inclined to a predetermined angle or more and to release the electrical connection between the electrodes.
  • an acceleration sensor is used as a fall detection sensor that detects a motorcycle when it falls.
  • the enclosed mercury may be violently scattered within the case due to vibration or impact of the rammer, or the inner surface of the case There is a possibility that the mercury will rotate and flow along. In these cases, the level of mercury drops, the electrical connection between the electrodes is released, and it is determined that the airframe has fallen despite normal operation, and the engine is against the designer's intention. May be inconvenient.
  • the value of the detected acceleration changes according to the angle of the detection axis of the acceleration sensor (for example, the detection axis is vertical)
  • the detection value of gravitational acceleration is 1 G, 0 G when the detection axis is horizontal, and about 0.7 G when the detection axis is inclined 45 °).
  • the two-wheeled motor vehicles which are equipped with an engine, such as a rammer etc., they try to overturn randomly in all directions, and try to grasp the inclination angle of the two-wheeled vehicle and the presence or absence of falling etc. It is difficult to have room for all fall detections because low frequency vibrations are applied for a long time. As a result, there is a problem that it takes time to detect a fall, or an erroneous determination causes a signal to stop the engine even though the engine is operating normally.
  • the present invention has been made to solve such problems in the prior art, and even when applied to a compaction machine operating with large vibration and impact, it is possible to properly fall over the body. That is, it aims at providing a fall detection sensor which can be determined with high accuracy.
  • the fall detection sensor for a compaction machine includes an acceleration sensor, a low pass filter, an integration circuit, and a comparator, and the acceleration sensor can detect a gravitational acceleration and has only one detection axis. And the acceleration sensor is mounted on the compaction machine in such a direction that the detection axis is within the range of approximately vertical (vertical ⁇ 15 °) or vertical ⁇ 30 ° when the compaction machine is in the basic posture
  • the signal output from the circuit is processed by a low pass filter and an integration circuit and then input to a comparator to determine whether the compaction machine has fallen or not.
  • a capacitance type sensor is used, and as an integration circuit, a unit time (0.01 to 5 seconds, more preferably 0.5 to 1) ending at a certain point T Preferably, it is arranged to integrate successive values of the input signal within .5 seconds and to output that value as the value of the signal at time T.
  • a cutoff frequency 1 Hz or more (more preferably, 50 to 150 Hz) be used.
  • the fall determination angle is preferably set in the range of 50 to 85 ° (more preferably, 60 to 80 °). Furthermore, the fall detection sensor for a compaction machine according to the present invention is preferably attached to an element of the compaction machine that is subjected to anti-vibration measures.
  • the fall detection sensor for a compaction machine can be suitably applied to a compaction machine that operates with large vibration and impact. More specifically, by processing the signal output from the acceleration sensor with a low pass filter and an integration circuit, the normal motion acceleration component generated during operation of the compaction machine is one of the components of the signal from the acceleration sensor. It is removed as much as possible, and as a result, it is possible to avoid an erroneous determination due to a large vibration, impact or the like during operation of the compaction machine, and to promptly and overturn that the compaction machine falls. It can be determined with high accuracy.
  • FIG. 1 is a block diagram of a fall detection sensor 1 for a compaction machine according to the present invention.
  • the fall detection sensor 1 for a compaction machine is constituted by an acceleration sensor 2, a low pass filter 3, an integration circuit 4, a comparator 5, and an output terminal 6. The components are arranged in series.
  • the fall detection sensor 1 for compaction machine grasps the posture (tilt angle) of the compaction machine based on the data of acceleration related to the compaction machine, and the compaction machine is inclined by a predetermined angle or more from the basic posture. If it is determined that "the compaction machine has fallen", the engine can be stopped immediately.
  • the acquisition of acceleration data for the compaction machine is performed by the acceleration sensor 2.
  • the acceleration sensor 2 operates by applying a power supply voltage, and is configured to output an electric signal (unit: V) of a level proportional to the magnitude of acceleration in the sensitivity direction. Therefore, the acceleration in the sensitivity direction can be grasped from the output level of the signal.
  • the acceleration sensor 2 a sensor of a type capable of detecting gravitational acceleration with only one detection axis is used. And, when the compacting machine (Lummer etc.) to be applied is in the basic posture (for example, in the case of a rammer in a self-standing state on a horizontal surface), the detection axis is substantially vertical (vertical ⁇ 15 °) It is mounted on the compacting machine in an inward orientation.
  • the value is "sum of motion acceleration component and gravity acceleration component".
  • the acceleration sensor capable of detecting the gravitational acceleration is held in a state in which the detection axis is vertical and is stopped, the value of the detected acceleration is 1 G.
  • the detection axis is held in a horizontal state and held stationary, neither the motion acceleration nor the gravity acceleration is detected, so the detection value is 0G.
  • the detection axis is stopped at a tilt of 80 °, the detected value is approximately 0.174 ( ⁇ cos 80 °) G.
  • the acceleration sensor 2 since the acceleration sensor 2 is attached in such a direction that the detection axis is substantially vertical when the compaction machine is in the basic posture, the compaction machine is at rest.
  • the detection axis of the acceleration sensor 2 When the value of the acceleration detected by the acceleration sensor 2 is 1 G, the detection axis of the acceleration sensor 2 is vertical, that is, "the compaction machine is in the basic posture". Further, if the detected value is 0 G, it means that it is in the state of being inclined by 90 °, and if it is 0.174 G, it is in the state of being inclined by 80 °.
  • the posture of the compaction machine is determined by comparison and determination.
  • the inclination angle can be grasped. For example, by comparing and determining whether the detected value of acceleration by the acceleration sensor 2 is 0 G or less, it is possible to grasp whether the compaction machine has fallen 90 ° or more, and the detected value is 0.174 G or less. It can be grasped whether or not the compaction machine is inclined by 80 ° or more by comparing and judging whether or not.
  • the comparator 5 makes a comparison between the output signal from the acceleration sensor 2 and the threshold value. More specifically, an output signal from the acceleration sensor 2 (an electrical signal having a level proportional to the magnitude of the detected acceleration) is finally input to the comparator 5, and the comparator 5 The input signal is compared with a preset threshold value, and when the value of the input signal falls below the threshold value, the comparator 5 determines that the compaction machine has fallen, and the engine Emits a signal to stop the Otherwise, if it is determined that the magnitude of the input signal is equal to or greater than the threshold value, no signal is output.
  • the signal When a signal is issued from the comparator 5, the signal is output from the output terminal 6 to the outside of the overturn detection sensor 1 for a compaction machine.
  • the output terminal 6 is connected to an engine stop switch (pulse short circuit) of the compaction machine.
  • the engine stop switch is connected to the ground (body of the device) and the ignition coil for ignition, and when the signal output from the comparator 5 is transmitted to the engine stop switch, the ground line is directed to the ignition coil The connected thyristor is rolled and the negative voltage disappears. For this reason, the spark plug of the compaction machine's engine does not spark and the engine shuts down.
  • the compaction machine when the compaction machine is inclined by 80 ° or more, it is determined that “falling over” (that is, the fall determination angle is set to 80 °), and “the detected acceleration is 0.
  • the value of the magnitude of the signal output from the acceleration sensor 2 in the case of 174 G (strictly, the value obtained by integrating this over the unit time T U ) is set as a threshold value to be given to the comparator 5 There is. That is, when it is determined that the value of the signal input to the comparator 5 is smaller than the threshold value, "the detected acceleration is smaller than 0.174 G", which means that the compaction machine It means that it is in the state of being inclined by 80 ° or more. In this case, a signal is issued from the comparator 5, and the engine is immediately stopped.
  • the compaction machine vibrates in a corresponding manner, and during operation (operation), it moves in the front-rear direction, left-right direction, or diagonal direction according to the operation of the operator.
  • the up and down motion with a large amplitude will be repeated as if the aircraft lifted up.
  • a motion acceleration component is added to the value of the acceleration detected by the acceleration sensor 2 unlike in the above-described stationary state.
  • the absolute value of the motion acceleration component is larger than 1 G, the value of the signal output from the acceleration sensor 2 is even when the compacting machine is not inclined, It may fall below the threshold value given to the comparator 5.
  • the value of the signal output from the acceleration sensor 2 is directly input to the comparator 5, for example, in the case of a rammer operating with a large amplitude up and down movement, the acceleration of the up and down movement is detected and it does not fall Nevertheless, it may be determined that the vehicle has fallen (incorrect determination), and in this case, a signal is output and the engine may be stopped against the operator's intention.
  • the signal output from the acceleration sensor 2 is processed by the low pass filter 3 and the integration circuit 4 so that the component of the signal from the acceleration sensor 2 is generated during operation of the compaction machine.
  • the normal motion acceleration component is removed as much as possible, and as a result, it is possible to avoid such erroneous determination as described above, and to quickly and accurately determine that the compaction machine has fallen. It is supposed to be.
  • the integration circuit 4 integrates the input signal and continuously outputs the integrated signal. More specifically, when the signal A as shown in FIG. 2 is input, the integration circuit 4 integrates continuous values of the signal within the unit time T U ending at a certain time point T 1 , and the value thereof Is output as the value of the signal at time T 1 . Further, (integrating successive values of the signal in the time from time T 2, to the point T 2 'predated by a unit time T U) Similarly integration was carried out also at the time T 2, the time T 2 the value Output as the value of the signal at
  • the integration circuit 4 outputs a signal of continuous analog waveform, not a signal of stepped digital waveform. For example, when the signal A of the waveform indicated by the solid line in FIG. 2 is input to the integration circuit 4, the signal B of the waveform indicated by the alternate long and short dash line is output.
  • the unit time T U is set to "1 second". Therefore, an acceleration component with a frequency of 1 Hz or more can be removed from the output signal of the acceleration sensor 2.
  • the normal motion acceleration component generated during operation of the compaction machine is almost 1 Hz or more, so by processing the output signal of the acceleration sensor 2 by this integration circuit 4, an acceleration consisting only of a pure gravity acceleration component It can be approached to the data of
  • Unit time T U can be arbitrarily set within the range of 5.0 seconds 0.01 seconds.
  • the unit time T U when shorter than 0.01 seconds, such as vibration of the motor, regularly, fast (e.g., 100 Hz or more) when the vibration occurs, there is a possibility that the erroneous determination occurs.
  • the unit time T U is, as the reaction is fast short, it is difficult to distinguish the fall and sway, becomes longer time until the detection if longer. For example, if you longer than the unit time T U 5 seconds, to lead to a situation that does not stop immediately even if the fall, there is a problem.
  • the unit time T U is in the range of 0.01 seconds to 5.0 seconds, accurate determination can be made without being affected by slow oscillations such as frequency, irregular frequency, and wind like wind. It is possible.
  • the low pass filter 3 passes only low frequency components (components below the predetermined frequency) and removes high frequency components (frequency components higher than the predetermined frequency), and the input signal has low frequency components. It is output only after being filtered.
  • a filter having a cutoff frequency of 100 Hz (a filter that passes only a signal with a frequency of 100 Hz or less and cuts a signal with a frequency above 100 Hz) is used. The signal output from the acceleration sensor 2 When passing through the low pass filter 3, high frequency components exceeding 100 Hz are removed.
  • the low pass filter 3 avoids misjudgment caused by sudden shock acting on the compaction machine (for example, when the rammer runs on a stone or asphalt surface during the pressing operation and jumps a lot). It is for. More specifically, when a sudden shock is received, the acceleration sensor 2 may output a signal having a waveform whose amplitude in the downward direction is extremely large with respect to the amplitude in the vicinity thereof. However, although such a waveform signal can not be processed well by the integration circuit 4 and an erroneous determination may occur, processing the signal using the low pass filter 3 having a cutoff frequency of 100 Hz Thus, such components can be suitably removed, and erroneous determination can be prevented.
  • the low-pass filter 3 is not limited to one having a cutoff frequency of 100 Hz.
  • the cutoff frequency is 1 Hz or more, only a component of pure gravity acceleration can be extracted.
  • a cutoff frequency of 50 Hz or less is used, the components of the special waveform as described above (waveform with extremely large amplitude in the downward direction) may not be removed properly in some cases.
  • the output signal from the acceleration sensor 2 is configured to be processed (filtered) by the low pass filter 3, so erroneous determination due to rapid shock, high frequency noise, etc. It can be effectively avoided.
  • the fall detection sensor 1 for a compaction machine of the present embodiment is a low-pass normal motion acceleration component generated during operation of the compaction machine.
  • the filter 3 and the integrating circuit 4 are to be removed, and as a result, it is possible to avoid such an erroneous determination as described above, and to determine quickly that the compaction machine has fallen, with high accuracy. ing.
  • a capacitance type sensor is used as the acceleration sensor 2.
  • a capacitive acceleration sensor is built in such a manner that a fixed electrode and a movable electrode supported by a beam function as a capacitor, and when an external force is applied to the sensor, an inertial force is generated.
  • the acceleration of a sensor or an object to which the sensor is attached is measured by estimating the displacement of the movable electrode caused by the change in the capacitance between the electrodes.
  • a piezoelectric type a piezoresistive type, a heat detection type, etc. are known as a measurement method of acceleration in the acceleration sensor, but as the acceleration sensor 2 to be adopted in the present invention,
  • the capacitance type is most suitable. Specifically describing this point, although the capacitive acceleration sensor can recognize the gravitational acceleration acting continuously on the object, the piezoelectric acceleration sensor is operated by applying pressure. Since "the amount of change in acceleration" is measured from the resulting potential difference, the gravitational acceleration can not be recognized.
  • the piezoresistive acceleration sensor is configured such that when the weight moves by displacement, the resistance value of the piezoresistor supporting the weight changes, and the direction and the amount of acceleration are determined from the amount of change, and it is continuous Although it is possible to recognize the gravitational acceleration acting on the sensor, there is a problem that the resistance value is changed due to the temperature change, and a large-scale correction circuit is required to correct this.
  • the heat detection type acceleration sensor measures the amount of movement of heated air, and there is a problem that the response is not good, and it is considered difficult to apply it to a machine that exercises violently like a rammer .
  • a capacitance type sensor which can be made simple and compact and can be realized at low cost and has good temperature characteristics is piezoresistive type. It is considered to be more suitable than heat and heat detection.
  • the capacitance type acceleration sensor has an advantage that it can be easily mounted at the time of mounting on a substrate because the sensor itself is present as an element.
  • the sensitivity direction has 3 axes (that is, has 3 detection axes), 2 axes, and only 1 axis etc.
  • the sensitivity direction has only one axis. The reason is as follows.
  • acceleration sensors used for fall sensors for motorcycles, airbag control systems for four-wheeled vehicles, and acceleration sensors used for vehicle stability control, etc. it is necessary to grasp in detail the fall direction, the attitude of the vehicle body, etc.
  • the sensitivity direction is necessarily required to have two or more axes, naturally, the composite vector must be calculated, and a complex arithmetic circuit is required.
  • the fall detection sensor 1 for a compaction machine of the present invention it is not necessary to grasp the fall direction etc. in detail, and it is sufficient if only gravity acceleration can be detected.
  • the acceleration component is preferably not detected. From this point of view, an acceleration sensor with only one detection axis is considered to be most suitable.
  • the acceleration sensor 2 is mounted on the compaction machine in such a direction that the detection axis is substantially vertical (within the range of ⁇ 15 ° in the vertical direction), This is very effective to try not to detect a normal motion acceleration component generated during operation of the compaction machine as much as possible by the acceleration sensor 2. For example, even when the compaction machine moves in the horizontal direction during operation, as long as the detection axis of the acceleration sensor 2 is vertical, the acceleration in the horizontal direction is not detected.
  • the orientation of the detection axis of the acceleration sensor 2 is basically preferably in the range of “vertical ⁇ 15 °”, but the compacting machine is used for the purpose of chewing pressure or self-propelled, Since the center of gravity of the airframe is often set in advance in an unbalanced state and most of them perform three-dimensional (three-axis direction) movement, depending on the type of compaction machine, some of the random movement may be performed. Therefore, even if the detection axis of the sensor is set within ⁇ 30 ° vertical, all components of the gravitational acceleration may be detected. If this point is taken into consideration, the direction of the detection axis of the acceleration sensor 2 is “vertical ⁇ 30 ° It is also conceivable that the setting should be made within the range of
  • the acceleration sensor 2 If the detection axis of the sensor is held horizontally, the acceleration in the horizontal direction may be detected by the centrifugal force acting on the movable electrode in the acceleration sensor 2. However, the detection axis of the acceleration sensor 2 may be detected. Is vertical, even if centrifugal force acts on the movable electrode, the direction in which the centrifugal force acts and the sensitivity direction deviate by 90 °, so that the acceleration in the horizontal direction is not detected. The presence or absence of can be determined with high accuracy.
  • the handle (portion gripped by the operator) of the compaction machine operating with large vibration is always provided with anti-vibration measures so as to reduce the burden on the operator.
  • the handle gripped by the worker is said to be the least vibrational part of the compaction machine components. Therefore, it is preferable that the overturn detection sensor 1 for a compaction machine according to the present invention be attached to a handle (an element on which anti-vibration measures are taken) that is least susceptible to vibration during operation of the compaction machine.
  • the compaction machine when attaching a base to a case, it is still more preferable to mold with resin and to take measures against vibration. Furthermore, it is very dangerous if the compaction machine is operated as it is when the overturn detection sensor 1 for the compaction machine is not functioning normally due to a problem such as disconnection, so that the warning means such as LED lamp It is preferable that the operator can easily check whether the solidifying machine fall detection sensor 1 is in a normal state or has an abnormality.
  • the fall determination angle is set to 80 °, but the fall determination angle is not necessarily limited to this angle, and can be set within the range of 50 to 85 °.
  • the fall determination angle when applied to a large-sized compaction machine, it is rare to use it in a state of being greatly inclined from the basic posture, but the risk of falling is also high, so it should be set at around 50 °
  • it when applied to a compact compacting machine, it may be considered to be set at about 85 °. However, practically, it is preferable to set in the range of about 60 to 80 °.
  • FIG. 6 is a view showing an example of the waveform of an input signal A to the integration circuit 4 and the waveform of an output signal B from the integration circuit 4;

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Abstract

　大きな振動、衝撃を伴って動作する締固め機械に適用された場合であっても、機体の転倒を的確に、つまり、高い精度にて判定することができる転倒検出センサーを提供する。 　加速度センサー２、ローパスフィルタ３、積分回路４、及び、比較器５を有し、加速度センサー２は、重力加速度を検出することができ、検出軸が１軸のみで、締固め機械が基本姿勢にあるときに、検出軸が略垂直となるような向きで締固め機械に対して搭載され、加速度センサー２から出力された信号が、ローパスフィルタ３及び積分回路４によって加工されたうえで比較器５に入力され、締固め機械が転倒したか否かが判定されるように構成した。

Description

締固め機械用転倒検出センサー
　本発明は、エンジンを搭載した締固め機械が運転中に転倒した場合において、速やかにエンジンを停止させることができるように、その締固め機械が転倒状態にあることを検出するためのセンサーに関し、特に、ランマー等のように、大きな振動を伴って動作する機械に対しても好適に適用することができる締固め機械用転倒検出センサーに関する。
　従来より、エンジンを搭載した作業機械や自動二輪車には、転倒時にエンジンを速やかに停止させる安全手段が講じられている。エンジン付きの作業機械等が運転中に誤って転倒してしまったような場合、作業機械が作業者の制御下から脱して暴走する危険があり、また、漏出した燃料が、電気系統のショートに起因するスパーク等によって引火、爆発する危険があるからである。
　転倒時に自動的にエンジンを停止させるための手段としては、例えば、水銀を封入したケース内に一対の電極を配置し、当該ケースが正常な姿勢にあるときは、水銀を介して電極間が電気的に接続され、ケースが所定角度以上に傾斜した状態になると、水銀が移動して、電極間の電気的な接続が解除されるように構成された水銀スイッチ等が知られている。また、自動二輪車が転倒した場合に、これを速やかに検出する転倒検出センサーとして、加速度センサーを用いたものなども知られている。
実開昭４９－１４９２６７号公報 特開２００２－７１７０３号公報
　ところで、エンジンを搭載した作業機械の中には、地盤の輾圧に用いられるランマー等のように、非常に大きな振動を伴って動作するものがあり、この種の作業機械についても、当然のことながら転倒時の安全対策が必要となるが、動作態様の特殊性から、上述したような水銀スイッチや転倒検出センサーをそのまま適用することは困難である。
　より具体的には、水銀スイッチをランマーの転倒検出センサーとして利用しようとする場合、ランマーの振動、或いは、衝撃により、封入されている水銀がケース内で激しく飛散してしまったり、ケースの内側面に沿って水銀が回転流動してしまう可能性がある。これらの場合、水銀の液面が低下し、電極間における電気的な接続が解除され、正常な動作中であるにも拘わらず機体が転倒したと判定されて、設計者の意図に反してエンジンが停止してしまう、といった不都合が生じ得る。
　また、加速度センサーを用いた自動二輪車用の転倒検出センサーは、加速度センサーの検出軸の角度に応じて、検出される加速度（重力加速度）の値が変化すること（例えば、検出軸が垂直である場合、重力加速度の検出値は１Ｇ、検出軸が水平である場合には０Ｇ、検出軸が４５°傾斜している場合には約０．７Ｇとなる。）を利用して、適用対象となる自動二輪車の傾斜角度、転倒の有無等を把握しようとするものであるが、ランマー等のように、エンジンを搭載した作業機械では、二輪車と異なり、四方にランダムに転倒するうえ、過度の衝撃や周波数の低い振動が長時間加わるため、転倒検出のすべてに余裕を持つことは困難である。その結果、転倒検出に時間がかかってしまったり、誤判定により、正常な動作中であるのにエンジンを停止させる信号が出力されてしまうという問題がある。
　本発明は、このような従来技術における問題を解決すべくなされたものであって、大きな振動、衝撃を伴って動作する締固め機械に適用された場合であっても、機体の転倒を的確に、つまり、高い精度にて判定することができる転倒検出センサーを提供することを目的とする。
　本発明に係る締固め機械用転倒検出センサーは、加速度センサー、ローパスフィルタ、積分回路、及び、比較器を有し、加速度センサーは、重力加速度を検出することができ、検出軸が１軸のみで、締固め機械が基本姿勢にあるときに、検出軸が略垂直（垂直±１５°）、或いは、垂直±３０°の範囲内となるような向きで締固め機械に対して搭載され、加速度センサーから出力された信号が、ローパスフィルタ及び積分回路によって加工されたうえで比較器に入力され、締固め機械が転倒したか否かが判定されるように構成されていることを特徴としている。
　尚、加速度センサーとしては、静電容量式のものが用いられ、また、積分回路としては、ある時点Ｔを終端とする単位時間（０．０１～５秒、より好ましくは、０．５～１．５秒）内における入力信号の連続的な値を積分し、その値を時点Ｔにおける信号の値として出力するように構成されていることが好ましい。更に、ローパスフィルタとしては、カットオフ周波数が１Ｈｚ以上（より好ましくは、５０～１５０Ｈｚ）のものが使用されていることが好ましい。
　また、転倒判定角度については、５０～８５°（より好ましくは、６０～８０°）の範囲内において設定されていることが好ましい。更に、本発明に係る締固め機械用転倒検出センサーは、締固め機械の構成要素のうち、防振対策が施されている要素に取り付けられることが好ましい。
　本発明に係る締固め機械用転倒検出センサーは、大きな振動、衝撃を伴って動作する締固め機械に対しても好適に適用することができる。より具体的には、加速度センサーから出力される信号を、ローパスフィルタ及び積分回路によって加工することにより、加速度センサーからの信号の成分のうち、締固め機械の稼働時において生じる通常の運動加速度成分が可及的に除去されるようになっており、その結果、締固め機械の稼働時における大きな振動、衝撃等に起因する誤判定を回避し、締固め機械が転倒したことを速やかに、かつ、高い精度で判定することができる。
　以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は、本発明に係る締固め機械用転倒検出センサー１のブロック図である。図１に示されているように、この締固め機械用転倒検出センサー１は、加速度センサー２、ローパスフィルタ３、積分回路４、比較器５、及び、出力端子６によって構成されており、これらの構成要素を直列に配置してなるものである。
　本実施形態の締固め機械用転倒検出センサー１は、締固め機械に関する加速度のデータに基づいて、締固め機械の姿勢（傾斜角度）を把握し、締固め機械が基本姿勢から所定の角度以上傾斜した場合に「締固め機械が転倒した」と判断し、速やかにエンジンを停止させることができるように構成されている。
　締固め機械に関する加速度のデータの取得は、加速度センサー２によって行われる。この加速度センサー２は、電源電圧を印加することによって動作し、感度方向についての加速度の大きさに比例したレベルの電気信号（単位：Ｖ）を出力するように構成されている。従って、その信号の出力レベルから、感度方向についての加速度を把握することができる。
　本実施形態においては、加速度センサー２として、検出軸が１軸のみで、重力加速度を検出できるタイプのものが用いられている。そして、適用対象となる締固め機械（ランマー等）が基本姿勢にあるとき（例えば、ランマーの場合、水平面上において自立した状態にあるとき）、検出軸が略垂直（垂直±１５°）の範囲内となるような向きで、締固め機械に対して搭載されている。
　ここで、加速度センサー２によって得られる締固め機械に関する加速度のデータから、締固め機械の姿勢（傾斜角度）を把握する原理について簡単に説明すると、重力加速度を検出できる加速度センサーによって検出される加速度の値は、「運動加速度成分と重力加速度成分の和」ということになるが、加速度センサー自体が静止状態にある場合には、運動加速度は０Ｇとなるので、重力加速度のみが検出されることになる。つまり、重力加速度を検出できる加速度センサーを、検出軸が垂直となるような状態で保持し、静止させた場合、検出される加速度の値は１Ｇとなる。一方、検出軸が水平となるような状態で保持し、静止させた場合、運動加速度も重力加速度も検出されないので、検出値は０Ｇとなる。また、検出軸を８０°傾斜させた状態で静止させた場合、検出値は約０．１７４（≒ｃｏｓ８０°）Ｇとなる。
　本実施形態においては、上述の通り、締固め機械が基本姿勢にあるときに検出軸が略垂直となるような向きで加速度センサー２が取り付けられているので、締固め機械が静止状態にあり、加速度センサー２によって検出された加速度の値が１Ｇであった場合には、加速度センサー２の検出軸が垂直となっている、つまり、「締固め機械は基本姿勢にある」ということになる。また、検出値が０Ｇであれば「９０°倒れた状態」、０．１７４Ｇであれば「８０°傾斜した状態にある」ということになる。
　従って、加速度センサー２からの出力を常時モニタリングし、傾斜角度に対応する重力加速度の値（信号のレベル）を「しきい値」として設定し、比較判定を行うことにより、締固め機械の姿勢（傾斜角度）を把握することができる。例えば、加速度センサー２による加速度の検出値が０Ｇ以下であるかどうかを比較判定することにより、締固め機械が９０°以上倒れたかどうかを把握することができ、また、検出値が０．１７４Ｇ以下であるかどうかを比較判定することにより、締固め機械が８０°以上傾斜したかどうかを把握することができる。
　本実施形態においては、加速度センサー２からの出力信号としきい値との比較判定は、比較器５（図１参照）によって行われる。より詳細には、加速度センサー２からの出力信号（検出した加速度の大きさに比例したレベルの電気信号）は、最終的に比較器５に入力されるようになっており、比較器５は、入力された信号と、予め設定されているしきい値とを比較し、入力信号の値がしきい値を下回った場合、比較器５は「締固め機械が転倒した」と判断して、エンジンを停止させるための信号を発する。それ以外の場合、即ち、入力信号の大きさがしきい値と同じか、或いは、それよりも大きいと判定された場合には、いかなる信号も出力されない。
　比較器５から信号が発せられた場合、その信号は、出力端子６から、締固め機械用転倒検出センサー１の外部へ出力される。出力端子６は、締固め機械のエンジン停止スイッチ（パルス短絡回路）に接続されている。エンジン停止スイッチは、グラウンド（機器のボディー）と、点火用イグニッションコイルに接続されており、比較器５から出力された信号がこのエンジン停止スイッチに伝達されると、グラウンド線からイグニッションコイルに向かって接続されたサイリスタが点呼され、マイナス側の電圧が消失する。このため、締固め機械のエンジンの点火プラグはスパークしなくなり、エンジンが停止する。
　本実施形態においては、締固め機械が８０°以上傾斜した場合に「転倒した」と判断することとし（つまり、転倒判定角度が８０°に設定されている）、「検出された加速度が０．１７４Ｇである場合に加速度センサー２から出力される信号の大きさの値」（厳密には、これを単位時間ＴＵにわたって積分した値）を、比較器５に与えるべきしきい値として設定している。つまり、比較器５に入力された信号の値がしきい値よりも小さいと判定された場合、「検出された加速度が０．１７４Ｇよりも小さい」ということであり、これは「締固め機械が８０°以上傾斜した状態にある」ということを意味している。そしてこの場合、比較器５から信号が発せられ、速やかにエンジンが停止する。
　尚、ここでは、便宜上、適用対象となる締固め機械が静止状態にある場合について説明したが、本発明によって締固め機械が転倒したことを速やかに検出する必要があるのは、締固め機械が静止状態にある場合ではなく、締固め機械が稼働状態にある場合である。以下、締固め機械の稼働時における締固め機械用転倒検出センサー１の動作態様について説明する。
　締固め機械は、エンジン始動後においては相応の振動が生じ、作業時（稼働時）においては作業者の操作に従って前後方向、左右方向、或いは、斜め方向へ移動することになり、更に、ランマーの場合は、機体が浮き上がるような大きな振幅の上下運動が繰り返されることになる。この場合、上記のような静止状態にある場合と異なり、加速度センサー２によって検出される加速度の値には、運動加速度成分が加わることになる。ランマーのような締固め機械においては、運動加速度成分の絶対値は１Ｇよりも大きくなるため、加速度センサー２から出力される信号の値は、締固め機械が傾斜していない場合であっても、比較器５に与えられているしきい値を下回ってしまうことがある。
　従って、加速度センサー２から出力される信号の値をそのまま比較器５に入力すると、例えば、大きな振幅の上下運動を伴って動作するランマーの場合、その上下運動の加速度が検出され、転倒していないにも拘わらず、転倒したと判断（誤判定）されてしまうことがあり、この場合、信号が出力されて、作業者の意図に反して、エンジンが停止させられることになってしまう。
　つまり、締固め機械が転倒したかどうかを正確に判定するためには、加速度センサー２によって検出される加速度のデータから、締固め機械の稼働時において生じる通常の運動加速度成分（例えば、エンジン回転時の振動、作業者の操作による締固め機械の移動、ランマーにおける振幅の大きな上下運動等に起因して検出される運動加速度成分）をできる限り除去することにより、比較器５に入力される加速度のデータを、純粋な重力加速度成分のみからなる加速度のデータに近づけることが必要である。
　そこで、本実施形態においては、加速度センサー２から出力される信号を、ローパスフィルタ３及び積分回路４によって加工することにより、加速度センサー２からの信号の成分のうち、締固め機械の稼働時において生じる通常の運動加速度成分が可及的に除去されるようになっており、その結果、上記のような誤判定を回避し、締固め機械が転倒したことを速やかに、かつ、高い精度で判定できるようになっている。
　ここで、積分回路４とローパスフィルタ３の詳細な構成と、その作用乃至は効果について説明する。まず、積分回路４は、入力された信号を積分して連続的に出力するものである。より詳細には、積分回路４は、図２に示すような信号Ａが入力された場合、ある時点Ｔ１を終端とする単位時間ＴＵ内における信号の連続的な値を積分し、その値を時点Ｔ１における信号の値として出力する。また、時点Ｔ２においても同様に積分を行い（時点Ｔ２から、単位時間ＴＵだけ遡った時点Ｔ２’までの時間における信号の連続的な値を積分する）、その値を時点Ｔ２における信号の値として出力する。
　このような積分は、単位時間毎に断続的に実行されるのではなく、連続的に実行される。従って、積分回路４からは、階段状のデジタルな波形の信号ではなく、連続的なアナログ波形の信号が出力される。例えば、図２において実線で示す波形の信号Ａが積分回路４に入力された場合、一点鎖線で示す波形の信号Ｂが出力される。
　尚、本実施形態においては、単位時間ＴＵは「１秒」に設定されている。このため、加速度センサー２の出力信号から、１Ｈｚ以上の周波数の加速度成分を除去することができる。締固め機械の稼働時において生じる通常の運動加速度成分は、殆どが１Ｈｚ以上であるので、加速度センサー２の出力信号を、この積分回路４によって加工することにより、純粋な重力加速度成分のみからなる加速度のデータに近づけることができる。
　単位時間ＴＵは、０．０１秒から５．０秒の範囲で任意に設定することができる。単位時間ＴＵを、０．０１秒よりも短くすると、モータの振動のような、規則正しく、速い（例えば、１００Ｈｚ以上の）振動が生じた場合に、誤判定が生じる可能性がある。また、単位時間ＴＵは、短いほど反応は早いが、転倒と揺れの区別がつき難く、長ければ検出までの時間も長くなってしまう。例えば、単位時間ＴＵを５秒よりも長くすると、転倒してもすぐには止まらないという事態を招来し、問題がある。単位時間ＴＵは、０．０１秒から５．０秒の範囲とすれば、風のように、タイミングが不規則で、周波数も変則的な遅い振動の影響も受けずに、正確な判定が可能である。
　尚、発明者らが行った各種の実験により、単位時間ＴＵを「１秒（±０．５秒）」に設定した場合に最も高精度に転倒の有無を判定できる、ということが判明している。例えば、ランマーのように、低周波で運動加速度の大きい機械に取り付ける場合、０．５秒以下では、機体の引き上げ動作や、速いターン等の人的作業行為で誤判定が生じてしまうことがある。一方、１．５秒よりも長くすると、エンジン停止に時間がかかり、転倒後機体が暴れてしまうという問題がある。特に、ランマーは運動加速度が大きいため、転倒後短い時間でかなりの距離を進んでしまう。そのため、比較的短い１．５秒までが最適であると考えられる。
　一方、ローパスフィルタ３は、低周波成分（既定の周波数以下の成分）のみを通過させ、高周波成分（既定周波数よりも高い周波数成分）を除去するものであり、入力された信号は、低周波成分のみに濾波された上で出力される。本実施形態においては、カットオフ周波数が１００Ｈｚのもの（１００Ｈｚ以下の周波数の信号のみを通過させ、１００Ｈｚを超える周波数の信号をカットするフィルタ）が使用されており、加速度センサー２から出力された信号は、ローパスフィルタ３を通過する際に、１００Ｈｚを超える高周波成分が除去される。
　ローパスフィルタ３は、締固め機械に作用する急激なショック（例えば、輾圧作業中においてランマーが石やアスファルト面に乗り上げて、大きく跳ね上がってしまったような場合）等に起因する誤判定を回避するためのものである。より具体的に説明すると、急激なショックを受けた場合、加速度センサー２からは、下方への振幅が、それに前後する上方への振幅に対して極端に大きい波形の信号が出力されることがあり、このような波形の信号は、積分回路４ではうまく処理することができず、誤判定が生じてしまう可能性があるが、カットオフ周波数が１００Ｈｚのローパスフィルタ３を用いて信号を加工することにより、そのような成分を好適に除去することができ、誤判定を防止することができる。
　尚、ローパスフィルタ３としては、カットオフ周波数が１００Ｈｚのものには限定されず、例えば、１Ｈｚ以上のものであれば、純粋な重力加速度の成分のみを抽出できるため、好適に用いることができる。但し、カットオフ周波数が５０Ｈｚ以下のものを使用すると、上記のような特殊な波形（下方への振幅が極端に大きい波形）の成分を好適に除去できないことがあり、また、１５０Ｈｚ以上のものを使用した場合、電動機等によるノイズを受けやすく、誤判定を招いてしまうという問題がある。従って、５０～１５０Ｈｚのものを使用することが好ましい。
　このように、本実施形態においては、加速度センサー２からの出力信号が、ローパスフィルタ３によって加工（濾波）されるように構成されているため、急激なショック、高周波ノイズ等に起因する誤判定を有効に回避することができる。
　以上に説明したように、本実施形態の締固め機械用転倒検出センサー１は、加速度センサー２から出力される信号の成分のうち、締固め機械の稼働時において生じる通常の運動加速度成分が、ローパスフィルタ３及び積分回路４によって除去されるようになっており、その結果、上記のような誤判定を回避し、締固め機械が転倒したことを速やかに、かつ、高い精度で判定できるようになっている。
　尚、本実施形態においては、加速度センサー２として、静電容量式のものが用いられている。静電容量式の加速度センサーは、一般に、固定電極と、ビームによって支えられた可動電極とが、コンデンサとして機能するような状態で内蔵されており、センサに外力が加えられた場合において、慣性力によって生じる可動電極の変位を、電極間の静電容量の変化量から推測することにより、センサー或いはセンサーが取り付けられた対象物の加速度を測定するというものである。
　加速度センサーにおける加速度の測定方式には、静電容量式のほかに、圧電式、ピエゾ抵抗式、熱検知式のものなどが知られているが、本発明において採用すべき加速度センサー２としては、静電容量式のものが最も適している。この点について具体的に説明すると、静電容量式の加速度センサーは、物体に対して連続的に作用する重力加速度を認識することができるが、圧電式の加速度センサーは、圧力が加えられることによって生じる電位差から「加速度の変化量」を測定しているため、重力加速度を認識することができない。
　ピエゾ抵抗式の加速度センサーは、変位によって錘が移動すると、その錘を支えているピエゾ抵抗の抵抗値が変化し、その変化量から加速度の方向と量を割り出すように構成されており、連続的に作用する重力加速度を認識することはできるが、温度変化により抵抗値が変化してしまうという問題があり、これを補正するために大掛かりな補正回路が必要となる。また、熱検知式の加速度センサーは、加熱した空気の移動量を測定するというもので、応答性が良好でないという問題があり、ランマーのような激しい運動をする機械への適用は難しいと考えられる。
　本発明において採用されるべき加速度センサー２としては、シンプルかつコンパクトな構成とすることができ、低コストで実現できるほか、温度特性も良好である静電容量式のものの方が、ピエゾ抵抗式のものや熱検知式のものよりも適していると考えられる。また、静電容量式の加速度センサーは、センサー自体が素子として存在するため、基盤実装時の取り付けが容易であるという利点も有している。
　尚、一般的に普及している加速度センサーには、感度方向が３軸のもの（つまり、３方向の検出軸を有しているもの）、２軸のもの、及び、１軸のみのものなどがあるが、本実施形態においては、上述の通り、感度方向が１軸のみのものが使用されている。その理由は、次の通りである。
　自動二輪車用の転倒センサーに用いられる加速度センサーや、四輪自動車のエアバッグ制御システム、車両安定性制御等に利用される加速度センサーにおいては、転倒方向や、車体の姿勢等を詳細に把握する必要があるため、必然的に感度方向が２軸以上のものが求められるが、当然のことながら、合成ベクトルを計算しなければならず、複雑な演算回路が必要となる。これに対し、本発明の締固め機械用転倒検出センサー１においては、転倒方向等を詳細に把握する必要はなく、また、重力加速度だけ検出できれば良く、締固め機械の稼働時において生じる通常の運動加速度成分は、検出されない方が好ましい。かかる観点からは、検出軸が１軸のみの加速度センサーが最も適していると考えられる。
　また、上述の通り、本実施形態においては、加速度センサー２は、検出軸が略垂直（垂直±１５°の範囲内）となるような向きで、締固め機械に対して搭載されているが、このことは、締固め機械の稼働時において生じる通常の運動加速度成分が、加速度センサー２によってなるべく検出されないようにしようとするうえで、非常に有効である。例えば、締固め機械が稼働時において水平方向へ移動した場合でも、加速度センサー２の検出軸が垂直である限り、水平方向についての加速度は検出されないからである。
　尚、加速度センサー２の検出軸の向きは、上述の通り、基本的には「垂直±１５°」の範囲内とすることが好ましいが、締固め機械は、輾圧や自走の目的から、予め機体重心がアンバランスに設定されていることが多く、更に、三次元（三軸方向）的な運動をするものが殆どであるため、締固め機械の機種によっては、そのランダムな運動の中で、センサーの検出軸を垂直±３０°以内に設定した場合でも、重力加速度の全ての成分を検出できることがあり、この点を考慮すると、加速度センサー２の検出軸の向きを「垂直±３０°」の範囲内で設定すべき場合も考えられる。
　また、作業者が、その場で（水平方向へ移動させることなく）締固め機械の向きだけを変更しようとする場合、つまり、定点上で締固め機械をターンさせようとする場合、加速度センサー２の検出軸が水平に保持されている場合には、加速度センサー２内の可動電極に作用する遠心力によって、水平方向についての加速度が検出されてしまう可能性があるが、加速度センサー２の検出軸が垂直であれば、可動電極に遠心力が作用しても、遠心力が作用する方向と感度方向とは９０°ずれるため、水平方向についての加速度が検出されることはなく、その結果、転倒の有無を高精度に判定することができる。
　尚、大きな振動を伴って動作する締固め機械のハンドル（作業者によって把持される部分）は、作業者への負担を軽減できるように、必ず防振対策が施されている。従って、作業者によって把持されるハンドルは、締固め機械の構成要素の中で最も振動の少ない部分であると言える。そこで、本発明に係る締固め機械用転倒検出センサー１は、締固め機械の稼働時における振動を最も受けにくいハンドル（防振対策が施されている要素）に取り付けられることが好ましい。
　また、基盤をケースに取り付ける際には、樹脂でモールドを行い、振動対策をすることが更に好ましい。更に、断線等のトラブルによってこの締固め機械用転倒検出センサー１が正常に機能していない場合において、締固め機械をそのまま動作させると非常に危険であるので、ＬＥＤランプ等の報知手段により、締固め機械用転倒検出センサー１が正常な状態にあるか、異常があるかを作業者において簡単に確認できるようにしておくことが好ましい。
　上述の通り、本実施形態においては、転倒判定角度は８０°に設定されているが、必ずしもこの角度に限定されるものではなく、５０～８５°の範囲内で設定することができる。例えば、大型の締固め機械に対して適用される場合、基本姿勢から大きく傾斜させた状態で使用することは稀である一方、転倒時の危険度も高いため、５０°程度に設定すべき場合が考えられ、反対に、小型の締固め機械に対して適用される場合には、８５°程度に設定すべき場合が考えられるからである。但し、現実的には、６０～８０°程度の範囲内で設定することが好ましい。
本発明に係る締固め機械用転倒検出センサー１のブロック図。 積分回路４への入力信号Ａの波形と、積分回路４からの出力信号Ｂの波形の一例を示す図。
符号の説明
１：締固め機械用転倒検出センサー、
２：加速度センサー、
３：ローパスフィルタ、
４：積分回路、
５：比較器、
６：出力端子

Claims (12)

  1. 　加速度センサー、ローパスフィルタ、積分回路、及び、比較器を有し、
    　前記加速度センサーは、重力加速度を検出することができ、検出軸が１軸のみのものが用いられ、
    　前記加速度センサーから出力された信号が、前記ローパスフィルタ及び前記積分回路によって加工されたうえで前記比較器に入力され、締固め機械が転倒したか否かが判定されるように構成されていることを特徴とする締固め機械用転倒検出センサー。
  2. 　締固め機械が基本姿勢にあるときに、検出軸が垂直±３０°の範囲内となるような向きで前記加速度センサーが締固め機械に対して搭載されていることを特徴とする、請求項１に記載の締固め機械用転倒検出センサー。
  3. 　締固め機械が基本姿勢にあるときに、検出軸が垂直±１５°の範囲内となるような向きで前記加速度センサーが締固め機械に対して搭載されていることを特徴とする、請求項１に記載の締固め機械用転倒検出センサー。
  4. 　前記加速度センサーとして、静電容量式のものが用いられていることを特徴とする、請求項１～３のいずれかに記載の締固め機械用転倒検出センサー。
  5. 　前記積分回路は、ある時点Ｔを終端とする単位時間内における入力信号の連続的な値を積分し、その値を時点Ｔにおける信号の値として出力するように構成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締固め機械用転倒検出センサー。
  6. 　前記単位時間が、０．０１～５秒の範囲内において設定されていることを特徴とする、請求項５に記載の締固め機械用転倒検出センサー。
  7. 　前記単位時間が、０．５～１．５秒の範囲内において設定されていることを特徴とする、請求項５に記載の締固め機械用転倒検出センサー。
  8. 　前記ローパスフィルタとして、カットオフ周波数が１Ｈｚ以上のものが使用されていることを特徴とする、請求項１～７のいずれかに記載の締固め機械用転倒検出センサー。
  9. 　前記ローパスフィルタとして、カットオフ周波数が５０～１５０Ｈｚのものが使用されていることを特徴とする、請求項１～７のいずれかに記載の締固め機械用転倒検出センサー。
  10. 　転倒判定角度が、５０～８５°の範囲内において設定されていることを特徴とする、請求項１～９のいずれかに記載の締固め機械用転倒検出センサー。
  11. 　転倒判定角度が、６０～８０°の範囲内において設定されていることを特徴とする、請求項１～９のいずれかに記載の締固め機械用転倒検出センサー。
  12. 　締固め機械の構成要素のうち、防振対策が施されている要素に取り付けられていることを特徴とする請求項１～１１のいずれかに記載の締固め機械用転倒検出センサー。
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