(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）フレームと、
（Ｂ）上記フレームの下側に位置決めされたロータと、
（Ｃ）上記ロータを回転するエンジンと、
（Ｄ）制御モジュールと、
より成り、上記制御モジュールが、
上記フレームの角速度に応答する電気信号を作るジャイロスコープと、
上記ジャイロスコープから電気信号を受け取り、上記角速度の変化がしきい値を越えたときこれを判定してエンジンによるロータの回転を阻止する制御器と
を有することを特徴とするハンドガイド式こて。
【請求項２】
上記制御器が、上記ロータの回転を阻止するため上記エンジンを停止することを特徴とする請求項１記載のハンドガイド式こて。
【請求項３】
上記エンジンが、エンジン駆動のための複数の電気パルスを受け取る点火コイルを有し、
更に、上記点火コイルに並列接続され且つ電気的に接地された緩衝回路を有することを特徴とする請求項１記載のハンドガイド式こて。
【請求項４】
上記制御器が、エンジンを停止せしめるため上記緩衝回路を付勢し、上記点火コイルに対する上記複数の電気パルスを電気的に緩衝することを特徴とする請求項３記載のハンドガイド式こて。
【請求項５】
上記制御器が、エンジンによって上記ロータが回転されることを阻止するため上記電気パルスの一部を電気的に遮断することを特徴とする請求項４記載のハンドガイド式こて。
【請求項６】
上記ジャイロスコープからの電気信号が、１秒毎の回転角度に応答する可変電圧値であることを特徴とする請求項１記載のハンドガイド式こて。
【請求項７】
上記制御器が、上記ジャイロスコープによって作られた可変電圧値のヒストグラムを作ることを特徴とする請求項６記載のハンドガイド式こて。
【請求項８】
上記制御器が、角速度が７０度／秒を越えることを検出したときエンジンを停止することを特徴とする請求項７記載のハンドガイド式こて。
【請求項９】
上記制御器が、こてが少なくとも１５度回転する間に操作状態が設定範囲以外にあることを判定することを特徴とする請求項１記載のハンドガイド式こて。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は制御モジュール、特に、ハンドガイド式こての制御不能状態を阻止するためのジャイロスコープを有する制御モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
コンクリート面の仕上げにはハンドガイド式こてが用いられている。ハンドガイド式こては、地面上に載置される複数のこて刃で形成されたロータを含む。このロータはモータによって駆動され、放出されたコンクリート面を滑らかに仕上げる。このロータはフレームまたはケージに取り付けられる。こてはケージから数フィート延びるハンドルを介して操作者によって制御される。エンジン速度はハンドル上のスロットルによって制御される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ハンドガイド式こては幾つかの欠点を有する。例えば、こてを操作する操作者のグリップによって受けられる反動トルクが回転刃によりケージに加えられる。従ってハンドガイド式こての操作の間手動制御が必要となる。若し操作者がハンドルを放せば、トルクによってこてがスピンするようになる。
【０００４】
このような望ましくない制御不能なこての回転状態を検出するため機械的または電気的加速度計を用いることが試みられている。然しながら機械的加速度計はスピン制御に急速に反応することができない。また電気的加速度計はスピン制御に対する感度に信頼性がない。特に、電気的加速度計はノイズに敏感でノイズレベルの高いハンドガイド式こてには使用できない。
【０００５】
従って、ハンドガイド式こての通常の操作状態におけるノイズレベルに反応せず、制御不能なこての回転を急速且つ正確に検出し阻止できるものが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の目的は、コンクリートを仕上げるための改良されたハンドガイド式こてを得るにある。本発明のハンドガイド式こては、こての望ましくない制御不能なスピンを改良された感度と応答性で検出するジャイロスコープを有する制御モジュールを含む。
【０００７】
上記の一つまたはそれ以上の要望は、ロータを回転するために操作されるエンジンによって駆動されるハンドガイド式こてのための制御モジュールを作ることによって達成される。この制御モジュールはジャイロスコープと制御器とを含む。ジャイロスコープは、ハンドガイド式こて上の基準機構の角度的運動に応答して電気信号を作る。制御器はジャイロスコープからこの信号を受け取り、上記角度的運動の変化がしきい値を越えたときこれを判断してエンジンによるロータの回転を止める。
【０００８】
ハンドガイド式こては、基準機構を有するフレームと、フレームの下に位置決めしたロータと、ロータを回転するためのエンジンと、制御モジュールとを有する。制御モジュールはジャイロスコープと制御器とを有する。ジャイロスコープは、フレーム上の基準機構の角度的運動に対応する電気信号を作る。制御器は、ジャイロスコープから電気信号を受け取り、角度的運動速度がしきい値を越えたときこれを判定してエンジンを止める。
【０００９】
本発明の制御モジュールは他の機械的なものに比べ幾つかの利点を有する。制御モジュールはハンドガイド式こての正常な操作を妨げることはない。更に、制御モジュールは好ましくない制御不能なこてのスピンにより急速且つ正確に応答する。
【００１０】
制御モジュールによる利益は、ハンドガイド式こてにとって特に好ましい。上述のような制御モジュールとこれを取り付けるハンドガイド式こては別々に作り得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下図面によって本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１２】
本発明の制御モジュール２０はハンドガイド式こて２５に連結する。一般にハンドガイド式こて２５はロータ４０上のフレームまたはケージ３５に設けたエンジン３０を有する。こて２５は、ケージ３５から数フィート延びるハンドル４５を介して操作者によって操作される。
【００１３】
エンジン３０は、ハンドガイド式こてに一般的に用いられる型の内燃エンジンである。エンジン３０は、クランクケース５０と、燃料タンク５５と、空気供給システム６０と、出力軸（図示せず）等を有する。エンジン３０は更に内燃エンジンを点火するための点火システムを有する。本発明の一実施例における点火システムはマグネット点火（図示せず）である。マグネット点火は、エンジン出力軸と共に回転し各サイクルで磁束変化を発生し、点火コイル（図示せず）に出力を生ぜしめる磁石を含む。点火コイルは点火プラグを点火するに十分な電気的出力を作る。
【００１４】
図２に示すように、ロータ４０は、垂直軸（図示せず）によって駆動されるハブ７０から半径方向に延びる複数のこて刃６５を含む。この実施例の軸はギヤボックス出力軸を含む。軸はギヤボックス出力軸に直接または干渉トルク伝達機構を介して結合しても良い。所定のクラッチ速度でエンジン出力軸によりロータ４０とこて刃６５を回転せしめる。回転こて刃６５は放出されたコンクリートの面を滑らかに仕上げる形状である。
【００１５】
本発明の好ましい実施例においては制御モジュール２０によって、ハンドガイド式こての望ましくない制御できないスピンを検出してエンジンを停止せしめる。制御モジュールはこて２５に取り付けた図１と図２に示すハウジング７７内に設ける。モジュール２０とハウジング７７の位置は変え得る。この実施例においては、エンジン支持板上に設ける。
【００１６】
（回路図）
【００１７】
図３は本発明の制御モジュール２０のブロック図である。各ブロックは回路機能を示す。図４Ａ及び図４Ｂは制御モジュールの回路図である。図５は図４Ａに示すマイクロ制御器Ｕ１のピン位置説明図である。
【００１８】
制御モジュール２０は点火システム８０から送られる電気パルスまたは信号から電気パワーを受け取る。制御モジュール２０は図４Ａに示す点火システム８０の一次コイル８５に並列接続せしめる。一次コイル８５はエンジン３０を点火する約１００Ｖの電気パルス周波数の交流電流（ＡＣ）を受け取る。一次コイル８５に対する電気パルス周波数はエンジン３０のサイクルに関連する。上述のようにエンジン３０のサイクルがマグネット点火を励起し、一次コイル８５を励磁して電気パルス周波数を発生せしめる。一次コイル８５は、二次コイル（図示せず）と共働し、エンジン３０に対する燃料に点火するため点火プラグに例えば１０，０００ボルトの高圧アーク電圧を加える。
【００１９】
図３及び図４Ａに示すシステムエネルギ貯蔵ブロック９０（ダイオードＤ３、キャパシティＣ１，Ｃ２，Ｃ３、  リニア電圧レギュレータＶＲ１）は一次コイル８５に対する電気パルスを用いて制御モジュール２０に低電圧を送る電源を構成する。キャパシタＣ１，Ｃ３及びリニア電圧レギュレータＶＲ１は、電気パルスから作られたサージ電圧からマイクロ制御器Ｕ１を保護する。ダイオードＤ３は、キャパシタＣ１内貯えられた電気エネルギが一次コイル８５に流れるのを阻止する。
【００２０】
点火検出回路９５（ゼナダイオードＺ１，ダイオードＤ４，キャパシタＣ５，抵抗Ｒ１，Ｒ３）は、一次コイルからの電気パルスを検知し、検知した電気パルスを制御器１００に送る。ゼナダイオードＺ１は電気点火パルスまたは信号を修正し、一方抵抗Ｒ１とキャパシタＣ５は電気信号を平滑し、抵抗Ｒ３とダイオードＤ４は、図５に示すマイクロ制御器Ｕ１のデータ入力ピンＰ７に対し伝送される電気パルスの電圧を制限する。
【００２１】
緩衝回路１０５（抵抗Ｒ２，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６、トランジスタＱ１、ダイオードＤ１，Ｄ２、キャパシタＣ４、トライアックＴ１）は、制御器１００の指令がない限り点火コイルに対する電気パルスを電気的に緩衝または阻止する（即ち接地に接続する）ように作用する。ダイオードＤ１はキャパシタＣ４内に貯えられたエネルギが点火コイル回路に流されるのを阻止する。トランジスタＱ１が導通したとき、キャパシタＣ４と抵抗Ｒ５がトライアックＴ１を付勢するのに必要なゲート電圧と電流を作る。トライアックＴ１の付勢によって、エンジン３０の点火のため一次コイル８５に送る電気パルスの電気的緩衝または停止回路を調整する。電気パルスの電気的緩衝によりエンジン３０の点火が停止され、エンジン３０によってロータ４０を回転するのが阻止される。
【００２２】
ジャイロスコープ回路１１０（抵抗Ｒ１０とＲ１１、キャパシタＣ１０，Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ１４，Ｃ１５，Ｃ１６，Ｃ１７、ジャイロスコープＧ１）は、ハンドガイド式こて２５の操作の間フレーム３５上の基準機構の角度的運動の変化を検出するように操作される。好ましいジャイロスコープＧ１は、アナログデバイス  インコーポレーテッド製のモデルＮｏ．ＡＤＸＲＳ  １５０  ＡＢＧである。ジャイロスコープＧ１は、こての回転角速度変化に応じた電圧信号を発生し、制御器に対する電圧信号を作る。ジャイロスコープＧ１は０〜５Ｖを基準ベースとする電気信号を作る。この電気信号は２５５の中間ステップ（即ち１ステップ１９．０６１ｍＶ）を含む。１９．０６１ｍＶの各ステップは、毎秒約１．５７度、または毎秒１２．５ｍＶの公称こて回転角速度となる。この型のジャイロスコープ回路１１０、ジャイロスコープＧ１、対応する分離した構成部分及び対応する電気信号出力は変え得る。
【００２３】
制御器１００は、制御モジュール２０の多くの機能を制御するプログラム可能な集積体である。制御器１００によって得られる機能は以下の通りである。（１）こて２５のフレームの回転角変化をモニタする。（２）回転角変化を設定範囲と比較する。（３）こて２５の回転角速度が設定範囲を越えたときロータ４０を回転するためのエンジン出力を阻止する。
【００２４】
こての回転角速度が設定範囲を越えたとき、制御器１００が緩衝回路を付勢し、一次コイル８５に対する電気パルスを電気的に緩衝する。即ち、制御器１００がエンジンによりロータが回転することを阻止する。
【００２５】
図４Ａに示すように、制御器１００は、点火検出回路９５にこれから電気パルス信号を受け取るように接続され、及び緩衝回路１０５の操作を行なうためこれに接続される。マイクロ制御器Ｕ１は、制御モジュール２０の多くの機能を達成するためソフトウエア指令によってマイクロ制御器Ｕ１をプログラムするためプログラム部ＰＰ１に接続される。好ましいマイクロ制御器Ｕ１はマイクロチップテクノロジイ  インコーポレーテッド製のモデルＮｏ．ＰＩＣ１２Ｆ６７５である。マイクロ制御器Ｕ１の機能を達成するため他のマイクロ制御器を単独または分離した電気的部材及びまたは回路と共に用いることができる。マイクロ制御器Ｕ１は他の分離した部材及びまたは回路に交換できる。
【００２６】
制御モジュール２０とジャイロスコープＧ１はハンドガイド式こて２５のフレーム３５上の基準点に位置決めする。上記基準点の位置は変え得る。ジャイロスコープＧ１は、フレーム３５上の基準点の回転角度に応じて制御器１００に対する信号を作る。制御器１００が設定範囲を越えるこて２５の状態を検知したとき制御器１００はエンジン３０によってロータ４０が回転されることを阻止する。制御器１００は、こて２５の回転角速度に応じてジャイロスコープＧ１からの信号をベースとする操作状態を定める。例えば検出した回転角速度が設定範囲を越えた操作状態になれば、制御器１００がトランジスタＱ１の遮断を止め、トライアックＴ１にこれを付勢するためキャパシタＣ４からの電気出力を加えるようにする。付勢されたトライアックＴ１は、エンジン３０の点火コイルに対する電気パルスを緩衝し、エンジン３０の操作を遮断し、エンジン３０によってロータ４０が回転されることを阻止する。
【００２７】
（回路操作）
【００２８】
本発明の制御モジュール２０の操作方法２００を以下説明する。方法２００は制御モジュールの他の実施例に合致するよう変え得る。更にその行為の順序も変え得る。
【００２９】
図６に示すように方法２００は行為２０５から始める。エンジン３０をスタートするため操作者は手動でスタートコード２０７を引く。ハンドガイド式こて２５の初期スタートによりマグネット点火のマグネットが回転し、制御モジュール２０と点火コイルのための電力が作られる。
【００３０】
エンジン３０の初期スタートの後、方法２００は行為２１０で初期化される。行為２１０での初期化にはエンジン３０のアイドリング操作のため例えば１秒の最小期間を必要とする。この最小アイドリング期間は変え得る。このアイドリングの間制御器１００は、エンジン３０のアイドリング速度に変換される、マグネット点火によって作られる順次の電気信号またはパルスの間の期間を定める。制御器１００は、次の２０ミリ秒、または２０の読み取りの１グループのため１ミリ秒毎にジャイロスコープ回路１１０から信号を得る。一例としてアイドリング速度が約１２００ｒｐｍのとき、制御器１００は、アイドリング期間を越える２０の読取りの約１０グループ、または２００の全読取りを得ることができる。アイドリング速度が１１１６と１６１６ｒｐｍの間であれば、制御器は３７．１〜５３．８ミリ秒毎に約２０の読取り、最終的には２０ＡＤＣ読取りの１８〜２７グループ、または３６０〜５４０の全読取りを得ることができる。アイドリング速度と望まれるアイドリング時間は変え得る。
【００３１】
方法２００の行為２１０において制御器１００は、こての制御不能な好ましくないスピンの有無を決定するために用いられる、ジャイロスコープＧ１と、こて２５の回転角速度の後述するベースライン値を定める。制御器１００は所定のベースライン値を使用しても良い。
【００３２】
上述のように、設定範囲は設定しきい値までとすることが好ましい。設定しきい値の一例は、平均またはベースライン値とこて２５の回転角速度の移動平均値間の差である。ベースライン値は、あらかじめ定めるか、または、こて２５の延長された操作期間を越えて定める。移動平均値は、こて２５の操作期間を含む複数の時間間隔を越えて定める。制御器１００が設定しきい値を越える差を検出したとき、制御器１００はエンジン３０の点火システムを止めこて２５の回転を止める。
【００３３】
制御器１００は制御不能なまたは好ましくないこてのスピンの有無を検知しベースライン値を好ましく調節する。制御器１００は、インクリメンタル／デクレメンタルレベル（ＩＤＬ）技術を用いてこて２５の回転角速度のあらかじめプログラムされた所定の平均ベースライン値を調節するためプログラムされる。ＩＤＬ技術は、ジャイロスコープ回路１１０の好ましいジャイロスコープＧ１によって形成したステップ電圧信号の数に等しい０〜２５５のＩＤＬスケールを用いる。制御器１００は、０〜２５５のスケールの間に沿って所定のベースライン値１２８で初期化する。制御器１００が、ベースライン値１２８（即ち２．５Ｖ）よりも大きい電圧の、ジャイロスコープ回路１１０からの電気信号を検知したとき、制御器１００がベースライン値を１だけ増加する。逆に、制御器１００が、ベースライン値より低い電圧の、ジャイロスコープ回路１１０からの電気信号を検知したとき、制御器１００がベースライン値を１だけ減少する。制御器１００は予期される値より一般的な範囲にスケールを縮少するため実際のＩＤＬスケールを好ましくは１１５〜１４０に制限する。また、制御器１００は、制御不能な、好ましくないこての動作を検出するためあらかじめプログラムしたベースライン値と設定したしきい値差を用いる。ベースライン値を定める技術は変え得る。
【００３４】
エンジンのアイドリング期間が十分であり、制御器１００が行為２１０で初期化されたとき、方法２００を行為２１５に進め、ジャイロスコープ回路１１０からの信号の移動平均を定める。移動平均の決定においては、制御器１００は、ジャイロスコープ回路１１０から得られる回転角速度信号の変換と平均をプロセスループを通して繰り返す。移動平均の初期値は、エンジンのアイドリング時間の間に初めに定められたベースライン値である。この初期移動平均値は変え得る。制御器１００は、行為２２０で例えば約１．０２４ミリ秒（±０．５ｍＳ）の所定の間隔でジャイロスコープから検知した回転角速度信号を受け取る。行為２２５で制御器は、移動平均を定めるためジャイロスコープ回路１１０からの信号によって示される複数の検知角速度運動を平均する。制御器１００は移動平均を調節するため上記と同様のＩＤＬ技術を用いることができる。移動平均の回転率は１／１．０２４ｍＳで、これはベースライン値の回転率よりも１２８倍速い。この移動平均を定める技術は変え得る。
【００３５】
方法２００を、行為２３０に進め、ここで制御器１００は移動平均とベースライン値間の差を比較する。方法２００の行為２３５において制御器１００は、ベースライン値と移動平均間の差をベースとして制御不能のスピンの有無を定める。制御器１００は、例えば毎秒約６０と１１０度の間、より好ましくは毎秒７０と１００度の間回転角速度の差が設定されたしきい値になるかまたはこれを越えたとき、制御不能のスピンであると判定する。
【００３６】
行為２３５の好ましい実施例においては、所定のしきい値差の範囲は、約９４１〜９８０ｍＶの電圧降下と約７５．３〜７８．４の検出回転角速度の変化を示す４８〜５０（０〜２５５のスケール）である。然しながら、所定のしきい値は変え得る。しきい値差の好ましい値の決定に際しては、ハンドガイド式こて２５の好ましい実施例の実験テストを用いた。このテストでは制御器１００は、制御不能または好ましくないスピンが生じたとき、ジャイロスコープ回路１１０から約３７５ｍＶ／１００ｍＳ（±１５ｍＶ／１００ｍＳ）降下した電圧信号を得ることができた。このようなシナリオにより、信号は２６２ｍＳで９８３ｍＶ降下した。制御不能な期間、制御器１００は、ジャイロスコープ回路１１０から受け取った２つの信号をベースライン値に平均でき、ジャイロスコープ回路１１０から受け取った２５６信号を移動平均に平均できる。従って、ベースライン値を２つのステップ値によって変えることができ、一方、約５０のステップ値（例えば１ステップ毎に９８３ｍＶ／１９．６ｍＶ）によって移動平均を変えることができる。
【００３７】
方法２００の他の実施例においては、制御器１００はジャイロスコープ回路１１０から信号読み取りのヒストグラムを作ることができる。例えば、制御器１００はジャイロスコープから３７０〜５１０ｍＳ間隔（±１０ｍＳ）毎に信号を読み取ることができる。もちろん、ジャイロスコープ回路１１０からの信号間の間隔の長さは変え得る。
【００３８】
方法２００を行為２４０に進める。行為２４０において制御器１００は制御不能なスピンが起きたか否かを判定する。制御不能なスピンが生じていないときには方法２００を行為２５０に進める。行為２５０において、制御器１００は“境界か”、または、移動平均値をベースライン値（行為２５０）に平均するための所定の期間が経過したか否かを判定する。境界にある場合には行為２５５で、制御器１００は、対応するベースライン調節期間で回転角速度のため移動平均値をベースライン値に平均する。次いで、方法２００を行為２１５に戻す。境界でない場合には制御器１００を行為２１５に進める。
【００３９】
方法２００の行為２４０で制御器１００は、制御不能のスピンが生じており角速度変化がしきい値差を越えていることを検知したとき、方法２００を行為２６０に進める。行為２６０ではエンジン３０によってロータ４０を回転することを阻止する。制御器１００はトライアックＴ１を付勢し、一次コイル８５を付勢するマグネット点火からの電気信号を電気的に緩衝するか接地する。電気信号の電気的な緩衝または接地によりエンジン３０は停止され、エンジンによってロータ４０が回転されるのが阻止される。行為２６０の後、方法２００を行為２６５のエンドに進める。
【００４０】
こて２５の制御モジュール２０は、制御不能のスピンが開始されたときこてが３００度回転する間にエンジン３０によってロータ４０が駆動されることを阻止する。従って、こてのスピンによる操作者に対する衝撃が確実に阻止されるようになる。制御器１００は、制御不能のスピンが開始されたとき、こてが２５度回転する間に制御不能のスピンを検出し操作される。この応答はこての操作に適している。
【００４１】
実験テストは、制御不能なスピンが開始して（例えばこて２５のハンドル４５を釈放して）からこてがその位置から２７０度回転する間にこて２５を停止するよう本発明の制御モジュール２０が作用することを示している。
【００４２】
制御器１００は、少なくとも約１００度／秒（±１０度／秒）回転する間のしきい値差を用いて、制御不能なスピンが開始されてからこて２５が少なくとも１５度回転する間にこて２５の制御不能なスピンを検出する。これらの結果は既知のこての制御性能を超えるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の制御モジュールを有するハンドガイド式こての斜視図である。
【図２】図１に示す制御モジュールを有するハンドガイド式こての側面図である。
【図３】本発明の制御モジュールのブロック図である。
【図４Ａ】図１の制御モジュールの回路図である。
【図４Ｂ】図１の制御モジュールの回路図である。
【図５】図４Ａに示す制御器Ｕ１のピン結合説明図である。
【図６】本発明のハンドガイド式こての操作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４４】
２０  制御モジュール
２５  ハンドガイド式こて
３０  エンジン
３５  ケージ
４０  ロータ
４５  ハンドル
５０  クランクケース
５５  燃料タンク
６０  空気供給システム
６５  こて刃
７０  ハブ
７７  ハウジング
８０  点火システム
８５  一次コイル
９０  システムエネルギ貯蔵ブロック
９５  点火検出回路
１００  制御器
１０５  緩衝回路
１１０  ジャイロスコープ回路
１２８  ベースライン値
２００  方法
２０５  行為
２０７  スタートコード
２１０  行為
２１５  行為
２２０  行為
２３５  行為
２４０  行為
２５０  行為
２５５  行為
２５６  信号
２６０  行為
２６５  行為
Ｕ１    マイクロ制御器
ＰＰ１  プログラム部
Ｄ１    ダイオード
Ｄ２    ダイオード
Ｄ３    ダイオード
Ｄ４    ダイオード
Ｃ１    キャパシティ
Ｃ２    キャパシティ
Ｃ３    キャパシティ
Ｃ４    キャパシタ
Ｃ５    キャパシタ
ＶＲＩ  リニア電圧レギュレータ
Ｚ１    ゼナダイオード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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