(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブームを備える作業機械に設けられ、ブーム先端部にかかる荷重を測定するための荷重測定装置であって、
前記ブームに設けられた加速度センサ、速度検出器または位置検出器と、
前記ブームの長さを検出する長さ検出器と、
前記加速度センサ、前記速度検出器または前記位置検出器の検出波形が入力される荷重算出部と、を備え、
前記荷重算出部は、
前記加速度センサ、前記速度検出器または前記位置検出器の検出波形から前記ブームの固有振動数を求め、
前記固有振動数と前記長さ検出器の検出値とから前記荷重を求める
ことを特徴とする作業機械の荷重測定装置。
【請求項２】
ブームを備える作業機械に設けられ、ブーム先端部にかかる荷重を測定するための荷重測定装置であって、
前記ブームに設けられた加速度センサ、速度検出器または位置検出器と、
前記ブームの長さを検出する長さ検出器と、
前記加速度センサ、前記速度検出器または前記位置検出器の検出波形が入力される荷重算出部と、を備え、
前記荷重算出部は、
前記加速度センサ、前記速度検出器または前記位置検出器の検出波形から前記ブームの固有振動数を求め、
前記固有振動数と前記長さ検出器の検出値と前記ブームの振動方向とから前記荷重を求める
ことを特徴とする作業機械の荷重測定装置。
【請求項３】
前記加速度センサ、前記速度検出器または前記位置検出器は、前記ブーム先端部に設けられている
ことを特徴とする請求項１または２記載の作業機械の荷重測定装置。
【請求項４】
ブームを備える作業機械に設けられ、ブーム先端部にかかる荷重を測定するための荷重測定装置であって、
前記ブーム先端部に設けられたバケットに設けられた加速度センサ、速度検出器または位置検出器と、
前記ブームの長さを検出する長さ検出器と、
前記加速度センサ、前記速度検出器または前記位置検出器の検出波形が入力される荷重算出部と、を備え、
前記荷重算出部は、
前記加速度センサ、前記速度検出器または前記位置検出器の検出波形から前記ブームの固有振動数を求め、
前記固有振動数と前記長さ検出器の検出値とから前記荷重を求める
ことを特徴とする作業機械の荷重測定装置。
【請求項５】
ブームを備える作業機械に設けられ、ブーム先端部にかかる荷重を測定するための荷重測定装置であって、
前記ブーム先端部に設けられたバケットに設けられた加速度センサ、速度検出器または位置検出器と、
前記ブームの長さを検出する長さ検出器と、
前記加速度センサ、前記速度検出器または前記位置検出器の検出波形が入力される荷重算出部と、を備え、
前記荷重算出部は、
前記加速度センサ、前記速度検出器または前記位置検出器の検出波形から前記ブームの固有振動数を求め、
前記固有振動数と前記長さ検出器の検出値と前記ブームの振動方向とから前記荷重を求める
ことを特徴とする作業機械の荷重測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作業機械の荷重測定装置に関する。さらに詳しくは、高所作業車やクレーンなどのブームを備える作業機械において、ブーム先端部にかかる荷重を測定するための荷重測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な移動式クレーンには、起伏シリンダやブーム先端部に歪みゲージや圧力センサ、ロードセルなどのセンサが取り付けられており、そのセンサにより吊り荷の荷重を測定している。一方、小型の移動式クレーンなど、実荷重（吊り荷と吊り具の合計荷重）が吊り上げ荷重（実荷重の最大値として定められた荷重）以下であればブームをいかなる姿勢にしても機体の安定を確保できる機種には、吊り荷の荷重を測定するセンサが設けられていない場合がある。
【０００３】
上記のような機種の移動式クレーンであっても、実荷重が吊り上げ荷重を超えると、転倒や破損の恐れがある。そのため、吊り荷の荷重を測定することが求められている。しかし、一般的な移動式クレーンに取り付けられているセンサは高価である。特に小型の移動式クレーンに搭載するセンサとしては安価なものが求められる。
【０００４】
特許文献１には、ブーム先端部の作業台に加速度検出手段を取り付けることが開示されている。加速度検出手段により作業台の加速度を検出し、加速度を所定加速度範囲内に抑えるようにブームの作動を減速することで、作業台の乗り心地を向上している。しかし、加速度検出手段で荷重を測定することは開示されていない。
【０００５】
特許文献２には、ゴンドラに設けられた加速度センサでゴンドラに加わる加速度を検出して、記録することが開示されている。しかし、加速度センサで荷重を測定することは開示されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】実開平７−１９２９９号公報
【特許文献２】実開昭６３−１４８７００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記事情に鑑み、ブーム先端部にかかる荷重を測定できる作業機械の荷重測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１発明の作業機械の荷重測定装置は、ブームを備える作業機械に設けられ、ブーム先端部にかかる荷重を測定するための荷重測定装置であって、前記ブームに設けられた加速度センサ、速度検出器または位置検出器と、前記ブームの長さを検出する長さ検出器と、前記加速度センサ、前記速度検出器または前記位置検出器の検出波形が入力される荷重算出部と、を備え、前記荷重算出部は、前記加速度センサ、前記速度検出器または前記位置検出器の検出波形から前記ブームの固有振動数を求め、前記固有振動数と前記長さ検出器の検出値とから前記荷重を求めることを特徴とする。
第２発明の作業機械の荷重測定装置は、ブームを備える作業機械に設けられ、ブーム先端部にかかる荷重を測定するための荷重測定装置であって、前記ブームに設けられた加速度センサ、速度検出器または位置検出器と、前記ブームの長さを検出する長さ検出器と、前記加速度センサ、前記速度検出器または前記位置検出器の検出波形が入力される荷重算出部と、を備え、前記荷重算出部は、前記加速度センサ、前記速度検出器または前記位置検出器の検出波形から前記ブームの固有振動数を求め、前記固有振動数と前記長さ検出器の検出値と前記ブームの振動方向とから前記荷重を求めることを特徴とする。
第３発明の作業機械の荷重測定装置は、第１または第２発明において、前記加速度センサ、前記速度検出器または前記位置検出器は、前記ブーム先端部に設けられていることを特徴とする。
第４発明の作業機械の荷重測定装置は、ブームを備える作業機械に設けられ、ブーム先端部にかかる荷重を測定するための荷重測定装置であって、前記ブーム先端部に設けられたバケットに設けられた加速度センサ、速度検出器または位置検出器と、前記ブームの長さを検出する長さ検出器と、前記加速度センサ、前記速度検出器または前記位置検出器の検出波形が入力される荷重算出部と、を備え、前記荷重算出部は、前記加速度センサ、前記速度検出器または前記位置検出器の検出波形から前記ブームの固有振動数を求め、前記固有振動数と前記長さ検出器の検出値とから前記荷重を求めることを特徴とする。
第５発明の作業機械の荷重測定装置は、ブームを備える作業機械に設けられ、ブーム先端部にかかる荷重を測定するための荷重測定装置であって、前記ブーム先端部に設けられたバケットに設けられた加速度センサ、速度検出器または位置検出器と、前記ブームの長さを検出する長さ検出器と、前記加速度センサ、前記速度検出器または前記位置検出器の検出波形が入力される荷重算出部と、を備え、前記荷重算出部は、前記加速度センサ、前記速度検出器または前記位置検出器の検出波形から前記ブームの固有振動数を求め、前記固有振動数と前記長さ検出器の検出値と前記ブームの振動方向とから前記荷重を求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
第１発明によれば、ブームの長さを考慮して荷重を求めるので、伸縮式のブームであってもブーム先端部にかかる荷重を測定できる。
第２発明によれば、ブームの振動方向を考慮して荷重を求めるので、ブーム先端部にかかる荷重を精度よく測定できる。
第３発明によれば、加速度センサ、速度検出器または位置検出器がブーム先端部に設けられているので、加速度センサ、速度検出器または位置検出器で検出される振動の振幅が大きくなり、ブームの固有振動数を精度よく求めることができる。
第４、第５発明によれば、加速度センサ、速度検出器または位置検出器がバケットに設けられているので、加速度センサ、速度検出器または位置検出器で検出される振動の振幅が大きくなり、ブームの固有振動数を精度よく求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る荷重測定装置Ａのブロック図である。
【図２】片持ち梁の説明図である。
【図３】荷重算出のフローチャートである。
【図４】加速度センサ１の検出波形の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
本発明の一実施形態に係る荷重測定装置Ａは、高所作業車やクレーンなどの、ブームを備えるあらゆる作業機械に設けられ、ブーム先端部にかかる荷重を測定する。荷重測定装置Ａは、小型の作業機械に好適に設けられるが、大型の作業機械に設けてもよい。以下、荷重測定装置Ａが高所作業車に設けられる場合を例に説明する。
【００１２】
（高所作業車100）
まず、高所作業車100の基本的構造を説明する。
図１において符号110は車両であり、車両110の荷台の後方には旋回台120が搭載されている。旋回台120の旋回動作は旋回モータで行われる。旋回台120にはテレスコピック状に形成された多段式の伸縮ブーム130が起伏自在に取り付けられている。ブーム130の伸縮動作は伸縮シリンダで行われ、起伏動作は起伏シリンダで行われる。ブーム130の先端部131には、作業員が乗ることのできる籠状のバケット140が設けられている。バケット140は、ブーム130の起伏角の変化に拘わらず常に水平に維持され、かつ水平面内で旋回可能となっている。
【００１３】
（荷重測定装置Ａ）
本実施形態の荷重測定装置Ａは、高所作業車100のブーム先端部131にかかる荷重を測定する機能を有する。高所作業車100において「荷重」とは、バケット140の自重とバケット140に積載された作業員や荷物などの積載物の重量とを加算したものを意味する。
【００１４】
荷重測定装置Ａは、加速度センサ１と、長さ検出器２と、荷重算出部３とを備えている。
【００１５】
加速度センサ１はブーム130に設けられ、ブーム130の撓みによる振動を加速度として検出する。加速度センサ１としては特に限定されないが、機械式、光学式、半導体方式などを用いることができる。特に、ＭＥＭＳ技術を用いて作成された半導体方式の加速度センサは安価であるので好適である。
【００１６】
加速度センサ１の検出方向は、ブーム130の旋回方向のみでもよいし、起伏方向のみでもよいし、その両方でもよい。ブーム130の旋回方向と起伏方向の両方の加速度を検出する場合には２軸加速度センサを用いればよい。加速度センサ１の検出方向をブーム130の旋回方向とした場合には、ブーム130の旋回方向の振動（横揺れ）を検出できる。加速度センサ１の検出方向をブーム130の起伏方向とした場合には、ブーム130の起伏方向の振動（縦揺れ）を検出できる。
【００１７】
加速度センサ１の取り付け位置はブーム130であれば特に限定されないが、ブーム130の基端部よりも先端部131のほうが好ましい。また、加速度センサ１をバケット140に取り付けてもよい。後述のごとく、加速度センサ１の検出波形の周期からブーム130の固有振動数を求める。ブーム130は基端部が固定端であり先端部131が自由端であるので、基端部よりも先端部131のほうが振動の振幅が大きくなる。加速度センサ１をブーム先端部131またはバケット140に設ければ、加速度センサ１で検出される振動の振幅が大きくなり、ブーム130の固有振動数を精度よく求めることができる。
【００１８】
長さ検出器２はブーム130の長さを検出する検出器である。長さ検出器２の構成は特に限定されないが、例えばブーム130の先端部にコードの端部が固定されたコードリールの回転角度をポテンショメータで読み取る構成が挙げられる。
【００１９】
荷重算出部３はＣＰＵやメモリなどで構成された車載コンピュータである。荷重算出部３には加速度センサ１および長さ検出器２が電気的に接続されており、加速度センサ１の検出波形および長さ検出器２の検出値が入力されている。なお、加速度センサ１がブーム130の旋回方向と起伏方向の両方の加速度を検出する場合には、各方向の検出波形がそれぞれ荷重算出部３に入力される。
【００２０】
（荷重算出方法）
つぎに、荷重算出部３による荷重の算出方法を説明する。
（原理）
図２（Ａ）に示すように、先端部131に荷重がかかるブーム130は、自由端に錘を取り付けた片持ち梁に近似できる。この片持ち梁の固有振動数ｆをレイリーの方法（Rayleigh method）により求めると式（１）が得られる。式（１）において、ｆは片持ち梁の固有振動数、Ｅは片持ち梁の弾性係数、Ｉは片持ち梁の断面二次モーメント、Ｍは錘の質量、ｍは片持ち梁の自重、Ｌは片持ち梁の長さである。なお、錘の質量Ｍがブーム先端部131にかかる荷重に相当する。
【数１】
0006657739.tif 000002
【００２１】
式（１）を荷重Ｍの式に変換すると式（２）が得られる。式（２）より、ブーム130の固有振動数ｆが分かれば、荷重Ｍが求まることが分かる。
【数２】
0006657739.tif 000003
【００２２】
（関係式による方法）
荷重算出部３は、上記式（２）で表されるような固有振動数ｆと荷重Ｍとの関係式にもとづいて荷重Ｍを求める。
図３に示すように、まず、荷重算出部３は、加速度センサ１の検出波形からブーム130の固有振動数ｆを求める（ステップＳ１）。図４に加速度センサ１の検出波形の一例を示す。ブーム130が撓んで振動すると、加速度センサ１の検出波形は図４に示すような波形となる。荷重算出部３はこのような検出波形の周期Ｔから固有振動数ｆを求める。ここで固有振動数ｆの求め方は特に限定されないが、例えば加速度センサ１の検出波形をフーリエ変換して振動数ｆを求めればよい。
【００２３】
なお、加速度センサ１の検出波形から固有振動数ｆを求めるタイミングは特に限定されないが、ブーム130の旋回動作または起伏動作の開始時または停止時が好ましい。動作開始時または動作停止時はブーム130やバケット140の慣性力によりブーム130が撓むため、ブーム130の振動の振幅が大きくなり、固有振動数ｆを精度よく求めることができるからである。
【００２４】
動作開始時および動作停止時の検出は、例えば加速度センサ１により行えばよい。動作開始時および動作停止時には加速度が大きくなることから、加速度センサ１で検出された加速度が閾値を超えたタイミングを動作開始時または動作停止時と判断すればよい。また、ブーム130を操作するレバーなどの操作装置から出力される操作信号により動作開始時および動作停止時を判断してもよい。
【００２５】
つぎに、荷重算出部３は、求めた固有振動数ｆを式（２）に代入して荷重Ｍを求める（ステップＳ２）。なお式（２）中のブーム130の弾性係数Ｅ、断面二次モーメントＩ、および自重ｍは、試験などにより予め求めた値を用いればよい。
【００２６】
本実施形態のようにブーム130が伸縮式の場合には、ブームの長さＬとして長さ検出器２の検出値を式（２）に代入する。すなわち、式（２）を固有振動数ｆとブームの長さＬとを変数とした式とみなして、固有振動数ｆとブームの長さＬとから荷重Ｍを求める。このように、ブームの長さＬを考慮して荷重Ｍを求めれば、伸縮式のブーム130であってもブーム先端部131にかかる荷重Ｍを測定できる。
【００２７】
ブーム130が固定長の場合には、ブームの長さＬとして予め定められた値を用いればよい。この場合、長さ検出器２を設ける必要はない。すなわち、式（２）を固有振動数ｆを変数とした式とみなして、固有振動数ｆから荷重Ｍを求める。
【００２８】
ところで、式（２）中の断面二次モーメントＩは式（３）で表される。式（３）において、ｗは片持ち梁の横幅、ｈは片持ち梁の厚さである（図２（Ｂ）参照）。ここで、横幅ｗとは片持ち梁の断面寸法のうち振動方向と直交する成分を意味し、厚さｈとは片持ち梁の断面寸法のうち振動方向と平行な成分を意味する。
【数３】
0006657739.tif 000004
【００２９】
ブーム130が旋回方向に振動する場合（横揺れ）、横幅ｗはブーム130の高さ寸法、厚さｈはブーム130の幅寸法である。一方、ブーム130が起伏方向に振動する場合（縦揺れ）、横幅ｗはブーム130の幅寸法、厚さｈはブーム130の高さ寸法である。このように、式（３）中の横幅ｗおよび厚さｈは、ブーム130の振動方向によって異なる。すなわち、ブーム130が旋回方向に振動する場合と起伏方向に振動する場合とでは、断面二次モーメントＩが異なる。
【００３０】
断面二次モーメントＩがブーム130の振動方向によって大きく異なる場合には、ブーム130の振動方向ごとにそれに対応する断面二次モーメントＩを用いてもよい。具体的には、ブーム130が旋回方向に振動する場合の断面二次モーメントＩｓと、起伏方向に振動する場合の断面二次モーメントＩｄとを、試験などにより予め求めておく。そして、加速度センサ１が旋回方向の振動を検出した場合には、式（２）中の断面二次モーメントＩとして旋回方向に振動する場合の断面二次モーメントＩｓを用いる。加速度センサ１が起伏方向の振動を検出した場合には、式（２）中の断面二次モーメントＩとして起伏方向に振動する場合の断面二次モーメントＩｄを用いる。このように、固有振動数ｆとブームの長さＬとブームの振動方向とから荷重Ｍを求める。ブームの振動方向を考慮して荷重Ｍを求めれば、ブーム先端部131にかかる荷重Ｍを精度よく測定できる。
【００３１】
また、テレスコピック形の伸縮ブーム130の場合、ブーム130が収縮した状態と、伸長した状態とでは、断面二次モーメントＩが異なる。伸縮ブーム130は基端ブームの中に中間ブームが挿入され、中間ブームの中に先端ブームが挿入された構造である。基端ブーム、中間ブーム、先端ブームの順に断面寸法が小さくなる。ブーム130が完全に収縮した状態では基端ブームの断面寸法により断面二次モーメントＩが決まるが、ブーム130が伸長した状態では、中間ブームや先端ブームの断面寸法によっても断面二次モーメントＩが決まる。そのため、断面二次モーメントＩはブームの長さＬによっても変化する。そこで、式（２）中の断面二次モーメントＩをブームの長さＬによって変化させてもよい。このように、断面二次モーメントＩをブームの長さＬによって変化させれば、荷重Ｍを精度よく測定できる。
【００３２】
以上のステップＳ１とステップＳ２の処理を繰り返し行えば、リアルタイムで荷重Ｍを測定できる。
【００３３】
（荷重テーブルによる方法）
以上に説明した方法は固有振動数ｆと荷重Ｍとの関係式にもとづいて荷重Ｍを求める方法である。これに代えて、種々の固有振動数ｆに対応する荷重Ｍが記憶された荷重テーブルを用いて荷重Ｍを求める方法を採用してもよい。
【００３４】
荷重算出部３には予め荷重テーブルが記憶されている。例えば、荷重テーブルは、４つのフィールド「固有振動数ｆ」、「ブームの長さＬ」、「ブームの振動方向」、「荷重Ｍ」を有するテーブルである。荷重テーブルには、種々の固有振動数ｆ、ブームの長さＬ、およびブームの振動方向に対応する荷重Ｍが記憶されている。荷重Ｍの値は試験などにより予め求めておく。
【００３５】
荷重算出部３は、まず、加速度センサ１の検出波形からブーム130の固有振動数ｆを求める（ステップＳ１）。また、長さ検出器２からブームの長さＬを取得し、加速度センサ１の検出方向からブームの振動方向を判断する。
【００３６】
つぎに、荷重算出部３は、荷重テーブルを参照して、固有振動数ｆ、ブームの長さＬ、ブームの振動方向に対応する荷重Ｍを取得する（ステップＳ２）。すなわち、固有振動数ｆとブームの長さＬとブームの振動方向とから荷重Ｍを求める。
【００３７】
なお、ブーム130が固定長の場合、荷重テーブルのフィールドとして「ブームの長さＬ」を省略してもよい。また、ブームの振動方向による断面二次モーメントＩの変化が小さい場合には、荷重テーブルのフィールドとして「ブームの振動方向」を省略してもよい。これらの場合には、固有振動数ｆのみから、または固有振動数ｆとブームの長さＬとから、荷重Ｍを求めることになる。
【００３８】
以上のように、荷重測定装置Ａは加速度センサ１の検出波形をもとに、ブーム先端部131にかかる荷重を測定できる。しかも、一般に、加速度センサ１は一般的な移動式クレーンに取り付けられている歪みゲージや圧力センサ、ロードセルなどのセンサよりも安価である。したがって、荷重測定装置Ａを安価にできる。
【００３９】
荷重測定装置Ａで測定された荷重Ｍは単に表示装置に表示してもよいし、過負荷制限装置に入力してもよい。過負荷制限装置に荷重Ｍを入力すれば、高所作業車100の転倒や破損を防止できるため、安全性が高くなる。
【００４０】
〔その他の実施形態〕
荷重測定装置Ａを移動式クレーンに設けてもよい。この場合、加速度センサ１は移動式クレーンのブームに設ければよく、ブーム先端部に設けることが好ましい。移動式クレーンにおいて「荷重」とは、実荷重（吊り荷と吊り具の合計荷重）を意味する。荷重測定装置Ａにより実荷重を測定できる。
【００４１】
また、加速度センサ１に代えて、速度検出器または位置検出器を用いてもよい。速度検出器としてはブームの速度（特にブーム先端部の速度）を検出できれば特に限定されない。位置検出器としてはブームの位置（特にブーム先端部の位置）を検出できれば特に限定されない。
【００４２】
速度検出器でも位置検出器でもブームが振動すると、図４に示すような波形が検出される。荷重算出部３は、位置検出器または速度検出器の検出波形の周期からブームの固有振動数ｆを求める。その後の手順は前記実施形態と同様である。速度検出器または位置検出器によってもブーム先端部にかかる荷重を測定できる。
【符号の説明】
【００４３】
Ａ  荷重測定装置
１  加速度センサ
２  長さ検出器
３  荷重算出部
【図１】
0006657739.tif 000005
【図２】
0006657739.tif 000006
【図３】
0006657739.tif 000007
【図４】
0006657739.tif 000008