(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
繰り出しユニットによって送り出される粉粒体の流動状態を評価する粉粒体状態評価装置であって、
前記粉粒体が衝突する検出面を有する圧電式衝撃検出センサと、
前記衝撃検出センサから出力される検出信号に含まれる、前記粉粒体の前記検出面への衝突によって生じる信号周波数成分以外の周波数成分の少なくとも一部をカットする周波数調整手段と、
前記周波数調整手段によって周波数調整された周波数調整検出信号の信号振幅値に基づいて粉粒体の流動状態を評価する評価部とを備え、
前記評価部は、前記粉粒体の前記検出面への衝突に起因するものであると判断した検出信号が衝突頻度条件生成部で生成された衝突頻度条件を満たすかどうかをチェックする頻度評価部を有し、前記衝突頻度条件は前記繰り出しユニットにおける前記粉粒体の繰り出し時間間隔に応じて決定される粉粒体状態評価装置。
【請求項２】
前記周波数調整手段がハイパスフィルタである請求項１に記載の粉粒体状態評価装置。
【請求項３】
前記評価部は、前記周波数調整検出信号を全波状態で評価する請求項１または２に記載の粉粒体状態評価装置。
【請求項４】
前記周波数調整検出信号が０Ｖを基準としてプラス側振幅値とマイナス側振幅値に振れる全波信号であり、この全波信号に調整値を付加することでプラス側でのみ振れる正信号にシフトさせる振幅シフト手段が備えられ、前記評価部は前記正信号を用いて粉粒体の流動状態を評価する請求項３に記載の粉粒体状態評価装置。
【請求項５】
前記衝撃検出センサが作業車両に搭載されている請求項１から４のいずれか一項に記載の粉粒体状態評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、穀粒、種籾、粒状肥料などの粉粒体が流れ経路上を流動する状態を評価する粉粒体状態評価装置に関する。このような粉粒体状態評価装置は、粉粒体を搬送する搬送流路における粉粒体の流れ量や詰まりの検出に用いられている。
【背景技術】
【０００２】
例えば、施肥ホースを通じて供給される粒状肥料を圃場に送り出す管状の作溝器の壁面に肥料詰まりセンサが配置されている施肥装置を搭載した乗用型田植機が知られている（例えば、特許文献１参照）。この肥料詰まりセンサは一対の間隔をあけて設けられた電極の間の導通レベルが肥料の介在によって高くなることを利用して、作溝器内での肥料詰まりを検出するものである。しかしながら、このような抵抗型の詰まりセンサでは、水分の含み具合などによっても電気抵抗が変化することから、検出信号にノイズ成分が多く、正確な詰まり検出が困難である。
【０００３】
また、収穫した穀粒をタンクに蓄えるコンバインにおいて、穀粒タンクの天板下面等に下向きに突設した基台に装着した圧電素子からなる流量センサに、穀粒タンクへ向かって放出された穀粒を衝突させることにより、穀粒の放出量に比例した検出値（電圧値）を出力させ、穀粒流量を測定する技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。圧電素子は穀粒や種籾などの粉粒体の衝突による衝撃（振動）の大きさに比例した電圧を発生するので、粉粒体の粒単位の流量、つまり流れ状態を検出することが期待できる。しかしながら、そのような圧電素子を組み込んだ流量センサには、粉粒体の衝突による振動だけでなく、周囲環境から様々の振動が到来してセンサハウジング等を通じて圧電素子に伝播し、その周囲環境からの振動に基づく電圧変化がノイズとなり、流量センサの検出信号のＳ／Ｎ比が悪くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００‐３２４９１６号公報（段落番号〔００１１−００１８〕、図３）
【特許文献２】特開２０００‐６０２８１号公報（段落番号〔００３０−００３１〕、図９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、穀粒、種籾、粒状肥料などの粉粒体の圧電素子への衝突を、周囲環境からの振動によるノイズを抑制して高いＳ／Ｎ比を有する検出信号を取得して、粉粒体が流れ経路上を流動する状態を正確に評価する粉粒体状態評価装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、繰り出しユニットによって送り出される粉粒体の流動状態を評価するための本発明による粉粒体状態評価装置は、前記粉粒体が衝突する検出面を有する圧電式衝撃検出センサと、前記衝撃検出センサから出力される検出信号に含まれる、前記粉粒体の前記検出面への衝突によって生じる信号周波数成分以外の周波数成分の少なくとも一部をカットする周波数調整手段と、前記周波数調整手段によって周波数調整された周波数調整検出信号の信号振幅値に基づいて粉粒体の流動状態を評価する評価部とを備え、前記評価部は、前記粉粒体の前記検出面への衝突に起因するものであると判断した検出信号が衝突頻度条件生成部で生成された衝突頻度条件を満たすかどうかをチェックする頻度評価部を有し、前記衝突頻度条件は前記繰り出しユニットにおける前記粉粒体の繰り出し時間間隔に応じて決定されている。
【０００７】
圧電素子の検出面に直接粉粒体が衝突することによって生じる検出信号は、使用されている圧電素子とその周辺回路特性によって規定される特定の周波数成分を持つことになるが、周辺環境振動の結果圧電素子に生じる検出信号はそのような特定の周波数成分とは異なる周波数成分を持つ傾向がある。上記本発明の特徴構成はこの現象を利用しており、周波数調整手段が、得られた検出信号から粉粒体の衝突によって生じる特定周波数成分以外の周辺環境振動に起因する周波数成分をカットすることで、従来技術より高いＳ／Ｎ比をもつ検出信号を取得している。このように、Ｓ／Ｎ比をもつ検出信号を取得して、所定レベル以上の検出信号の出現頻度に基づいて流動状態を評価することで、信頼性の高い粉粒体の流動状態評価が可能となった。
【０００８】
さらに、本願発明者の研究結果から、圧電素子の検出面に直接粉粒体が衝突することによって生じる検出信号は、使用されている圧電素子とその周辺回路特性によって規定される比較的高い周波数成分をもつことになるが、それ以外の周辺環境振動、例えば、圧電素子の検出面のところまで詰まった粉粒体が全体として揺れることによって生じる振動等によって圧電素子に生じる検出信号は比較的低い周波数成分をもっていることが判明している。このような知見に基づいて、本発明の好適な実施形態の１つとして、前記周波数調整手段がハイパスフィルタである粉粒体状態評価装置が提案される。これにより、粉粒体の詰まり検出能力に優れた粉粒体状態評価装置が実現する。
【０００９】
圧電素子の出力信号は、圧電体の歪む向きによって正と負の両方の信号が発生するが、正負いずれかの半波信号だけを取り出して処理すると、正側が高感度な圧電体と負側が高感度な圧電体とではその出力電圧がばらつくという問題を生じる。この問題を解決するために、本発明の好適な実施形態の１つでは、前記評価部は、前記周波数調整検出信号を全波状態で評価するように構成されている。この構成により、評価部は、検出信号のパルス波形における正のピーク値と負のピーク値の両者を評価対象とすることができ、例えば、正のピーク値のしきい値越えと負のピーク値のしきい値越えが成立したときのみ粉粒体の衝突であるとみなすといった評価が可能となる。
【００１０】
前記周波数調整検出信号が０Ｖを基準としてプラス側振幅値とマイナス側振幅値に振れる全波信号である場合、本発明による好適な実施形態として、この全波信号に調整値(オ
フセット量)を付加することでプラス側でのみ振れる正信号にシフトさせる振幅シフト手
段が備えられ、前記評価部は前記正信号を用いて粉粒体の流動状態を評価するように構成すると好適である。この構成では、振幅シフト手段から出力された信号は正電圧領域でのみ変化する正電圧信号となるので、後段の評価部への入力部を負電圧を許すような設計にする必要がなく、好都合である。
【００１１】
上述したように、本発明による粉粒体状態評価装置は、周辺環境振動がノイズ信号として加わってくるような状況下においても、良好なＳ／Ｎ比が得られるので、例えば、搭載作業装置の振動や、車両走行に伴う振動、主に低周波振動が車体フレームを通じて伝達してくるような作業車両に適用されると、その利点が生かされる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】粉粒体の衝突によって生じる検出信号から特定周波数成分以外の周辺環境振動に起因する周波数成分をカットすることによる本発明の実施形態における効果を説明する説明図である。
【図２】本発明による粉粒体状態評価装置における、基本的な検出信号処理を説明する説明図である。
【図３】本発明による粉粒体状態評価装置を施肥装置に搭載した田植機の斜視図である。
【図４】図３による田植機の施肥装置領域を示す側面図である。
【図５】圧電センサの取り付けた施肥装置を示す断面図である。
【図６】粉粒体状態評価装置の圧電センサを播種装置に取り付けた田植機の播種装置領域を示す側面図である。
【図７】圧電センサを取り付けた播種装置を示す断面図である。
【図８】粉粒体状態評価装置の１つの実施形態における機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
最初に、本発明による粉粒体状態評価装置の重要な特徴である周波数調整手段によって得られる効果を、粉粒体が供給管路を流れる穀粒、種籾、粒状肥料などのような粒体とで、周波数調整手段が圧電素子からなる衝撃検出センサから出力される検出信号の低周波成分をカットする機能を有するものを例として、図１を用いて説明する。
【００１４】
図１の上左側の信号波形は圧電素子の検出面に粉粒体が間隔をあけて個別に衝突した際の検出信号を示している。ここでは、５個の粉粒体が検出面に順次衝突することで、５個の区分けされるパルス状波形が示されている。このパルス状波形のピークを検出し、このピークが所定時間間隔で発生していることに基づいて粉粒体が供給管路を詰まることなく順調に流れていると評価することが可能である。図１の上右側の信号波形は、供給管路に詰まりが生じ、圧電素子の検出面に粉粒体が堆積している状態での検出信号を示している。ここで示された信号波形は、検出面上に堆積した粉粒体が全体的に揺すられて検出面に与える振動などによるものとみなされる。そのような堆積した塊としての粉粒体の揺れは、この衝撃検出センサを取り付けている装置の振動を起因とするもので、衝撃検出センサが走行車両などに設置されていたり、動力装置を備えた定置機械に設置されていたりすると、その振動は、回避が困難な周囲環境振動である。その信号波形の平均的な振幅値は、粉粒体の個別衝突によって生じる信号波形のピーク値より低いが、突発的にかなり高い振幅値を示す突発波形が生じることがあり、その突発波形のピークが粉粒体の個別衝突によって生じる信号波形のピークであると誤評価される可能性がある。このような粉粒体の塊が揺れることによって生じる信号波形が粒体の個別衝突によって生じる信号波形に較べて低周波数成分を多く含んでいるという、本願発明者の知見により、本発明では、衝撃検出センサから出力された、いわゆる生の検出信号に対して低周波成分をカットする処理を施す。
【００１５】
この低周波成分カット処理を施された後の、いわゆるハイパス検出信号が図１の下側に示されている。図１の下左側の信号波形は粉粒体が詰まることなく圧電素子の検出面に間隔をあけて個別に衝突した際の検出信号のハイパス検出信号を示している。この個別衝突の波形に含まれている主な周波数成分はカットされないので、生の検出信号に較べてハイパス検出信号の振幅値の低下は無視できる程度である。これに対して、図１の下左側に示された、粉粒体詰まり時の信号波形は、その振幅値を低下させており、前述した突発波形のピークが粉粒体の個別衝突時の信号波形のピークであると誤評価される可能性はほとんどなくなる。
【００１６】
次に図２を用いて、上述した本発明の効果を有するように粉粒体詰まり検出装置として構成された粉粒体状態評価装置に含まれる具体的な信号処理機能を以下に説明する。まず、この圧電式衝撃検出センサ（以下圧電センサと略称する）１は、圧電素子１０と、圧電素子１０を保護するとともに検出面として機能する保護プレート１１と、圧電素子１０とその他の圧電回路素子をカバーするハウジング１２を備えており、供給管路内を流れる粉粒体が供給管路で保護プレート１１と衝突するような姿勢で配置されている。
【００１７】
保護プレート１１の材料としては、一般的に良く用いられているアクリル樹脂や合成ゴムなどを使用することも可能であるが、この圧電センサ１が周辺環境振動にさらされるような装置ハウジング壁や供給管路などに設置される場合、圧電センサ１に達する周辺環境振動よりも高い固有振動数をもつ材料が適している。例えば、この圧電センサ1を田植機やコンバインといった作業走行車両に取り付けるケースでは、作業中の車両機体の振動数が数百Ｈｚであることからそれよりは高く、圧電素子の固有振動数（例えば３ＫＨｚ程度）を避けた固有振動数を有する金属や樹脂が好適であり、例えばステンレス鋼などが好ましい。
【００１８】
保護プレート１１に粉粒体が衝突すると、保護プレート１１に生じた衝撃（振動）はその直下の圧電素子１０に伝達される（＃０１）。圧電素子１０に伝達された衝撃は圧電素子１０を振動させ、その結果圧電センサ１は図２の（ａ）で示されるような波形を有する検出信号を出力する。圧電センサ１から出力された検出信号が後段の信号処理に適した信号レベルとなるように増幅器によって増幅される（＃０２、図２の（ｂ）を参照）。適当な信号レベルまで増幅された検出信号は周波数調整手段によって、図１を用いて説明された効果を得るために、特定の低周波成分（低周波帯域）がカットされる（＃０３）。ただし、この例では、粉粒体が個別に圧電センサ１に衝突している流動状態での検出信号が示されており、その検出信号及びその周辺信号には上記特定の低周波成分がほとんど含まれていないで、図２の（ｃ）の波形図から理解できるように、低周波成分のカット前とカット後ではその波形に際立った違いはない。
【００１９】
続いて、周波数調整された検出信号の評価が行われるが、その評価の前に、振幅シフト手段がこの検出信号に対して所定のオフセット量を付与して、クランプする（＃０４）。オフセット量は、入力されうる検出信号の負のピーク値が完全に正の領域となるに十分な量である。例えば、正と負のピーク値がそれぞれ＋３ｖと−３ｖ程度とすると、オフセット量を５ｖとし、全波の信号成分を全て正の値とする。そのような振幅シフト処理後の検出信号波形が図２の（ｄ）の波形図で示されている。この振幅シフトされた検出信号を用いて実質的な信号評価が評価部で行われるが、この信号評価の最も簡単なものは、しきい値による粉粒体の衝突の評価である。評価すべき検出信号は全波の波形をもっているので、しきい値として、高レベルの高しきい値Ｈ-ＳＨと低レベルの低しきい値Ｌ-ＳＨとが用いられる。つまり、粉粒体の衝突結果と推定されるパルス状の検出信号の高い方のピーク値を高しきい値Ｈ-ＳＨと比較して、そのピーク値が高ければ、高しきい値Ｈ-ＳＨ条件の成立Ｈ-ＯＮとなる。また、低い方のピーク値を低しきい値Ｌ-ＳＨと比較して、そのピーク値が低ければ、低しきい値Ｌ-ＳＨ条件の成立Ｌ-ＯＮとなる（＃０５、図２の（ｅ）参照）。これらのしきい値評価に基づいて、例えば、高しきい値Ｈ-ＳＨ条件と低しきい値Ｌ-ＳＨ条件の両方が成立した場合に粉粒体の衝突を認識し、さらにそのような粉粒体の衝突の所定時間間隔での発生によって粉粒体の詰まりのない正常な流れを認識するアルゴリズムが好適である。
【００２０】
これに対して、そのような粉粒体の衝突が認識されず、あるいは単発の衝突が認識されたとしても所定時間間隔での連続した粉粒体の衝突が認識されない場合は、粉粒体の詰まりが発生しているとして生成された詰まり検出信号が報知部に送られる（＃０６）。詰まり検出信号を受け取った報知部は、ブザーやランプなどを通じて操作者に粉粒体の詰まりを報知して詰まり回復の処理を促したり、その他のコントローラにエラー発生信号を転送することで機械的なエラー処理の実行を要求したりする（＃０７）。
【００２１】
次に、上述した本発明による粉粒体状態評価装置を、粒状肥料や種籾の供給機能を有する乗用型田植機に採用した実施形態を図３、図４、図５、図６、図７を用いて説明する。図３は圃場で苗植え付け作業と施肥作業を同時に行っている田植機の斜視図であり、図４は側面図である。この田植機には苗植え付け装置６０と、粉粒体としての粒状肥料を供給する施肥装置７０とが搭載されている。施肥装置７０を取り出して模式的に図示している図５から明らかなように、施肥装置８０の粒状肥料（粉粒体）繰り出しユニット７１は粒状肥料ホッパ７１ｂに貯留された粒状肥料を適量配給するものであり、横軸心周りに間欠回転する毎に繰り出しロール７１ａの周面に設けられた適量配給凹部から排出された粒状肥料が供給管路７２に送り出される。供給管路７２の終端は粒状肥料を圃場に埋設する作溝ユニット７３として形成されており、この作溝ユニット７３の周壁７３ａの一部に圧電センサ１がはめ込まれている。このように粒状肥料供給管路７２内に圧電センサ１が設置されることにより、上述した粉粒体流動状態認識アルゴリズムに基づいて、粒状肥料の供給管路７２内での詰まりを検出することが可能となる。
【００２２】
なお、このような田植機では、一般的に、苗植え付け装置６０に代えて、あるいは苗植え付け装置５０に付加して、播種装置８０を搭載することで、播種作業と施肥作業を同時に行うことも可能である。図６は、苗植え付け装置６０に代えて、播種装置８０を取り付けた状態を示す田植機後部の側面図である。図７は播種装置８０の種籾ホッパ８５から送り出された種籾を圃場に供給する種籾供給管路８２と、この種籾供給管路８２内に設置された圧電センサ１とを詳しく図示した断面図である。図７から明らかなように、この播種装置８０でも、粉粒体（種籾）繰り出しユニット８１は種籾ホッパ８１ｂに貯留された種籾を適量配給するものであり、横軸心周りに間欠回転する毎に繰り出しロール８１ａの周面に設けられた適量配給凹部から排出された種籾が供給管路８２に送り出される。供給管路８２の終端は種籾を圃場に播く播種ユニット８３として形成されており、この播種ユニット８３の周壁８３ａの一部に圧電センサ１がはめ込まれている。この圧電センサ１からの検出信号を、上述した粉粒体流動状態認識アルゴリズムに基づいて処理することにより、播種の供給管路８２内での詰まりを検出することが可能となる。
【００２３】
図８は、そのような田植機に採用され、粉粒体（ここでは粒状肥料又は種籾）供給管路７２、８２での流動状態、特に詰まりを検出するように構成された粉粒体状態評価装置のコントローラに構築された機能部を模式的に示す機能ブロック図である。
【００２４】
圧電センサ１の周辺またはコントローラ３０内に圧電センサ１の出力信号を増幅する増幅器２が備えられている。この増幅器２は、プレアンプ部とメインアンプ部に分割構成することができ、その際プレアンプ部は圧電センサ１の周辺に配置し、メインアンプ部はコントローラ３０に設けるとよい。
【００２５】
図８から明らかなように、コントローラ３０には、図２で説明された詰まり検出アルゴリズムを実現するための機能が備えられており、特に重要な機能部として、周波数調整手段の一例であるハイパスフィルタ３、オフセット量生成部４、振幅シフト手段５、しきい値生成部６、評価部２０、衝突頻度条件生成部８が挙げられる。これらの機能部は、ハードウエアまたはソフトウエアあるいはその両方によって構築可能である。なお、ここでは周波数調整手段としてハイパスフィルタ３だけが示されているが、通常圧電センサ１などのセンサ信号には有害な高周波ノイズ成分が含まれているので、これを除去する目的のローパスフィルタを備えることは好適である。
【００２６】
オフセット量生成部４は、正負の値で振れる全波の検出信号を正の値だけを持つようにクランプするためのオフセット量を生成するものであり、粉粒体としての粒状肥料または種籾の衝突衝撃度と圧電センサ１の特性等によって予め設定される。粒状肥料または種籾の種類などが変更された場合、増幅器２の増幅値を変更するとともにこのオフセット量も変更するように構成すると好適である。振幅シフト手段５は、オフセット量生成部４によって生成されたオフセット量を用いてハイパスフィルタ３を通ってきた正負の値をもつ全波の検出信号を正の振幅領域にシフトするものである。
【００２７】
評価部２０は、振幅シフト手段５によってシフトされた検出信号を評価して供給管路７２内での粒状肥料または種籾の詰まりを認識した場合、詰まり検出信号を出力するものである。このため、評価部２１には、比較部２１、頻度評価部２２、流動状態評価部２３が備えられている。しきい値生成部６は、前述したように、振幅シフトされた検出信号の高い方のピーク値に対してしきい値判定するための高しきい値Ｈ-ＳＨと、低い方のピーク値に対してしきい値判定するための低しきい値Ｌ-ＳＨを生成するものである。比較部２１は、これらのしきい値を用いてしきい値判定を行い、高しきい値判定において条件成立するとのＨ-ＯＮ信号を出力し、低しきい値判定において条件成立するとＬ-ＯＮ信号を出力する。この実施形態では、頻度評価部２２は、２つの重要な機能を有し、そのひとつは、比較部２１からＨ-ＯＮ信号とＬ-ＯＮ信号が同時に送られてくると、つまりＨ-ＯＮ信号とＬ-ＯＮ信号のアンド条件が成立すると、その対象となった検出信号が粒状肥料または種籾の圧電センサ１への衝突に起因するものであると判断する機能である。他のひとつは、粒状肥料または種籾の圧電センサ１への衝突に起因するものと判断された検出信号が衝突頻度条件生成部８で生成された衝突頻度条件を満たすかどうかをチェックする機能である。衝突頻度条件生成部８は、粒状肥料または種籾の流量、繰り出しユニットにおける粒状肥料または種籾繰り出し時間間隔、田植機の走行速度などをパラメータとして、衝突頻度条件を決定することができる。また、オペレータによって操作されるマニュアル設定器からの信号によって決定するような構成も採用するとよい。頻度評価部２２での評価結果は流動状態評価部２３に送られる。
【００２８】
流動状態評価部２３は、頻度評価部２２での評価結果、及び必要に応じて設定された重み係数や信頼係数などを加味して、供給管路７２、８２内での粒状肥料または種籾の詰まりを判断する。例えば、頻度評価部２２から１つまたは複数の衝突頻度条件の成立を示す評価結果を受け取ると、詰まりのない流れと判断し、それ以外では詰まり等のエラーが生じていると判断するようなルールが利用される。
【００２９】
流動状態評価部２３によって、供給管路７２、８２内での流動状態として粒状肥料または種籾の詰まり状態が判定されると、詰まり検出信号が報知部５０に出力される。報知部５０には、報知信号生成部５１が備えられており、詰まり検出信号に応答して、詰まりを報知する警報をスピーカ５２から鳴らす駆動信号や、詰まりを報知する警告光をランプ５３から発する駆動信号を生成して、出力する。
【００３０】
〔別実施の形態〕
（１）複数の圧電センサ１が使用される場合、圧電センサ１からの出力信号を時分割制御して共通のコントローラ３０で流動状態評価を行ってもよい。その際、施肥装置７０に取り付けられた圧電センサ１及び播種装置７０に取り付けられた圧電センサ１からの出力信号も共通のコントローラ３０で評価可能である。しきい値レベルや衝突頻度条件は施肥装置７０と播種装置８０とで、変更されるようにするとよい。
（２）評価すべき流動状態として単なる供給流路７２、８２での詰まり検出だけなら、頻度評価部２２と流動状態評価部２３は一体化可能で、詰まり検出部として構成することができる。その他の機能部も同一または類似の機能を果たす限りにおいて、任意に組み合わせや分離を行うことが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、粉粒体の流れ経路上の流動状態の評価が要求される、種々の粉粒体取り扱い機器に適用することができる。
【符号の説明】
【００３２】
１：圧電センサ（衝撃検出センサ）
３：ハイパスフィルタ（周波数調整手段）
４：オフセット量生成部
５：振幅シフト手段
６：しきい値生成部
８：衝突頻度条件生成部
２０：評価部
２１：比較部
２２：頻度評価部
２３：流動状態評価部
５０：報知部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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