以下、本発明を実施するための最良の形� ��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� �ある。図1に示されているように、この締固� ��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� ��である。

 本実施形態の締固め機械用転倒検出セン� ��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� ��握し、締固め機械が基本姿勢から所定の角� ��以上傾斜した場合に「締固め機械が転倒し� ��」と判断し、速やかにエンジンを停止させ� ��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� ��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� �とによって動作し、感度方向についての加� �度の大きさに比例したレベルの電気信号(単� ��:V)を出力するように構成されている。従っ� ��、その信号の出力レベルから、感度方向に� ��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� �出できるタイプのものが用いられている。� �して、適用対象となる締固め機械(ランマー� ��)が基本姿勢にあるとき(例えば、ランマー� �場合、水平面上において自立した状態にあ� �とき)、検出軸が略垂直(垂直±15°)の範囲内� �なるような向きで、締固め機械に対して搭� �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� ��ついて簡単に説明すると、重力加速度を検� ��できる加速度センサーによって検出される� ��速度の値は、「運動加速度成分と重力加速� ��成分の和」ということになるが、加速度セ� ��サー自体が静止状態にある場合には、運動� ��速度は0Gとなるので、重力加速度のみが検� �されることになる。つまり、重力加速度を� �出できる加速度センサーを、検出軸が垂直� �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� ��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� ��め機械が基本姿勢にあるときに検出軸が略� ��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� �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� �り、「締固め機械は基本姿勢にある」とい� �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� ��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� ��て設定し、比較判定を行うことにより、締� ��め機械の姿勢(傾斜角度)を把握することが� �きる。例えば、加速度センサー2による加速� ��の検出値が0G以下であるかどうかを比較判� �することにより、締固め機械が90°以上倒れ� ��かどうかを把握することができ、また、検� ��値が0.174G以下であるかどうかを比較判定す� ��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� �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� ��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� �、エンジンを停止させるための信号を発す� �。それ以外の場合、即ち、入力信号の大き� �がしきい値と同じか、或いは、それよりも� �きいと判定された場合には、いかなる信号� �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� �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� �ス短絡回路)に接続されている。エンジン停� ��スイッチは、グラウンド(機器のボディー)� �、点火用イグニッションコイルに接続され� �おり、比較器5から出力された信号がこのエ� ��ジン停止スイッチに伝達されると、グラウ� ��ド線からイグニッションコイルに向かって� ��続されたサイリスタが点呼され、マイナス� ��の電圧が消失する。このため、締固め機械� ��エンジンの点火プラグはスパークしなくな� ��、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� ��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� �大きさの値」(厳密には、これを単位時間T _U にわたって積分した値)を、比較器5に与える� ��きしきい値として設定している。つまり、� ��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� �にある」ということを意味している。そし� �この場合、比較器5から信号が発せられ、速� ��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� ��固め機械が静止状態にある場合について説� ��したが、本発明によって締固め機械が転倒� ��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。� ��下、締固め機械の稼働時における締固め機� ��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� ��相応の振動が生じ、作業時(稼働時)におい� �は作業者の操作に従って前後方向、左右方� �、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� �ような大きな振幅の上下運動が繰り返され� �ことになる。この場合、上記のような静止� �態にある場合と異なり、加速度センサー2に� ��って検出される加速度の値には、運動加速� ��成分が加わることになる。ランマーのよう� ��締固め機械においては、運動加速度成分の� ��対値は1Gよりも大きくなるため、加速度セ� �サー2から出力される信号の値は、締固め機� ��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、� �えば、大きな振幅の上下運動を伴って動作� �るランマーの場合、その上下運動の加速度� �検出され、転倒していないにも拘わらず、� �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� ��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� �マーにおける振幅の大きな上下運動等に起� �して検出される運動加速度成分)をできる限� ��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� ��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� ��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� �細な構成と、その作用乃至は効果について� �明する。まず、積分回路4は、入力された信� ��を積分して連続的に出力するものである。� ��り詳細には、積分回路4は、図2に示すよう� �信号Aが入力された場合、ある時点T ₁ を終端とする単位時間T _U 内における信号の連続的な値を積分し、その 値を時点T ₁ における信号の値として出力する。また、時 点T ₂ においても同様に積分を行い(時点T ₂ から、単位時間T _U だけ遡った時点T ₂ ’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T ₂ 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� ��実行されるのではなく、連続的に実行され� ��。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� �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� �出力される。

 尚、本実施形態においては、単位時間T _U は「1秒」に設定されている。このため、加� �度センサー2の出力信号から、1Hz以上の周波� ��の加速度成分を除去することができる。締� ��め機械の稼働時において生じる通常の運動� ��速度成分は、殆どが1Hz以上であるので、加� ��度センサー2の出力信号を、この積分回路4� �よって加工することにより、純粋な重力加� �度成分のみからなる加速度のデータに近づ� �ることができる。

 単位時間T _U は、0.01秒から5.0秒の範囲で任意に設定する� �とができる。単位時間T _U を、0.01秒よりも短くすると、モータの振動� �ような、規則正しく、速い(例えば、100Hz以� �の)振動が生じた場合に、誤判定が生じる可� ��性がある。また、単位時間T _U 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T _U を5秒よりも長くすると、転倒してもすぐに� �止まらないという事態を招来し、問題があ� �。単位時間T _U は、0.01秒から5.0秒の範囲とすれば、風のよ� �に、タイミングが不規則で、周波数も変則� �な遅い振動の影響も受けずに、正確な判定� �可能である。

 尚、発明者らが行った各種の実験により、� ��位時間T _U を「1秒(±0.5秒)」に設定した場合に最も高精� ��に転倒の有無を判定できる、ということが� ��明している。例えば、ランマーのように、� ��周波で運動加速度の大きい機械に取り付け� ��場合、0.5秒以下では、機体の引き上げ動作� ��、速いターン等の人的作業行為で誤判定が� ��じてしまうことがある。一方、1.5秒よりも� ��くすると、エンジン停止に時間がかかり、� ��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� ��う。そのため、比較的短い1.5秒までが最適� ��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、� ��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� �。本実施形態においては、カットオフ周波� �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� ��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� �ルタ3を通過する際に、100Hzを超える高周波� �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� �いてランマーが石やアスファルト面に乗り� �げて、大きく跳ね上がってしまったような� �合)等に起因する誤判定を回避するためのも� ��である。より具体的に説明すると、急激な� ��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� �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� �うな成分を好適に除去することができ、誤� �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� ��ば、1Hz以上のものであれば、純粋な重力加� ��度の成分のみを抽出できるため、好適に用� ��ることができる。但し、カットオフ周波数� ��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� �)の成分を好適に除去できないことがあり、� ��た、150Hz以上のものを使用した場合、電動� �等によるノイズを受けやすく、誤判定を招� �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� ��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� ��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� �め機械の稼働時において生じる通常の運動� �速度成分が、ローパスフィルタ3及び積分回� ��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� ��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� ��には、静電容量式のほかに、圧電式、ピエ� ��抵抗式、熱検知式のものなどが知られてい� ��が、本発明において採用すべき加速度セン� ��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� ��よって錘が移動すると、その錘を支えてい� ��ピエゾ抵抗の抵抗値が変化し、その変化量� ��ら加速度の方向と量を割り出すように構成� ��れており、連続的に作用する重力加速度を� ��識することはできるが、温度変化により抵� ��値が変化してしまうという問題があり、こ� ��を補正するために大掛かりな補正回路が必� ��となる。また、熱検知式の加速度センサー� ��、加熱した空気の移動量を測定するという� ��ので、応答性が良好でないという問題があ� ��、ランマーのような激しい運動をする機械� ��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� ��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� ��には、感度方向が3軸のもの(つまり、3方向� ��検出軸を有しているもの)、2軸のもの、及� �、1軸のみのものなどがあるが、本実施形態� ��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� ��加速度センサーや、四輪自動車のエアバッ� ��制御システム、車両安定性制御等に利用さ� ��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� ��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� �向等を詳細に把握する必要はなく、また、� �力加速度だけ検出できれば良く、締固め機� �の稼働時において生じる通常の運動加速度� �分は、検出されない方が好ましい。かかる� �点からは、検出軸が1軸のみの加速度センサ� ��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� ��、加速度センサー2は、検出軸が略垂直(垂� �±15°の範囲内)となるような向きで、締固め� ��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� ��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� �限り、水平方向についての加速度は検出さ� �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� ��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� ��軸を垂直±30°以内に設定した場合でも、重� ��加速度の全ての成分を検出できることがあ� ��、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� �更しようとする場合、つまり、定点上で締� �め機械をターンさせようとする場合、加速� �センサー2の検出軸が水平に保持されている� ��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、� �動電極に遠心力が作用しても、遠心力が作� �する方向と感度方向とは90°ずれるため、水� ��方向についての加速度が検出されることは� ��く、その結果、転倒の有無を高精度に判定� ��ることができる。

 尚、大きな振動を伴って動作する締固め� ��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� �者によって把持されるハンドルは、締固め� �械の構成要素の中で最も振動の少ない部分� �あると言える。そこで、本発明に係る締固� �機械用転倒検出センサー1は、締固め機械の� ��働時における振動を最も受けにくいハンド� ��(防振対策が施されている要素)に取り付け� �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� ��が更に好ましい。更に、断線等のトラブル� ��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� �あるか、異常があるかを作業者において簡� �に確認できるようにしておくことが好まし� �。

 上述の通り、本実施形態においては、転� ��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� �ることは稀である一方、転倒時の危険度も� �いため、50°程度に設定すべき場合が考えら� ��、反対に、小型の締固め機械に対して適用� ��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� �。