重心高さ測定装置
【課題】測定対象物の重心高さを定位置で測定することができる重心高さ測定装置を提供する。
【解決手段】荷重を検出する複数のロードセル１１〜１４と、ロードセル１１〜１４によって支持され、重心高さの測定対象物４を載せる載台５と、測定対象物４が載せられた載台５を水平方向に自由振動させる振動発生手段（１８，１９，２１，２３，２４）と、自由振動状態にある載台５の変位および加速度のいずれか一方または両方を検出する振動状態量検出手段（３０，３１）と、ロードセル１１〜１４からの検出信号と振動状態量検出手段（３０，３１）からの検出信号とに基づいて測定対象物４の重心高さを演算する演算手段（５０，５１）とを備えるものとする。
【解決手段】荷重を検出する複数のロードセル１１〜１４と、ロードセル１１〜１４によって支持され、重心高さの測定対象物４を載せる載台５と、測定対象物４が載せられた載台５を水平方向に自由振動させる振動発生手段（１８，１９，２１，２３，２４）と、自由振動状態にある載台５の変位および加速度のいずれか一方または両方を検出する振動状態量検出手段（３０，３１）と、ロードセル１１〜１４からの検出信号と振動状態量検出手段（３０，３１）からの検出信号とに基づいて測定対象物４の重心高さを演算する演算手段（５０，５１）とを備えるものとする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば貨物トラックの重心高さを測定する重心高さ測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、貨物トラックの横転による大事故がしばしば発生している。積荷の関係等で貨物トラックの重心位置が高くなると、低速走行でも曲路で横転する可能性が高くなる。貨物トラックの横転を防止する上で、貨物トラックの重心高さの測定が重要となる。
【０００３】
貨物トラックの重心高さの測定に資するものとして、例えば特許文献１にて提案されている技術がある。この特許文献１に係る技術においては、貨物トラックの荷台に取り付けた荷重センサや加速度センサ、傾斜センサなどからの信号に基づいて、積み荷を含む荷台の重心高さを求めるようにされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−９７０７２号公報
【０００５】
ところで、特許文献１に係る技術において、荷台の重心高さを求める上で必要とされる加速度センサや傾斜センサなどからの信号は、貨物トラックが曲路または傾斜路を走行することで得られるものとなっている。
【０００６】
このため、特許文献１に係る技術では、貨物トラックが曲路または傾斜路を走行しない限り重心高さを測定することができない。したがって、重心高さが未知のままでの曲路走行等が実施されることになり、安全性の観点から好ましくないという問題点がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、前述のような問題点に鑑みてなされたもので、測定対象物の重心高さを定位置で測定することができる重心高さ測定装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するために、本発明による重心高さ測定装置は、
荷重を検出する複数のロードセルと、
前記ロードセルによって支持され、重心高さの測定対象物を載せる載台と、
測定対象物が載せられた前記載台を水平方向に自由振動させる振動発生手段と、
自由振動状態にある前記載台の変位および加速度のいずれか一方または両方を検出する振動状態量検出手段と、
前記ロードセルからの検出信号と前記振動状態量検出手段からの検出信号とに基づいて測定対象物の重心高さを演算する演算手段と
を備えることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明において、前記振動発生手段は、前記載台に対し水平方向の力を与えるアクチュエータと、前記載台の水平方向の変位に対して復元力を発生する復元力発生機構とを備えてなるものとすることができる（第２発明）。
【００１０】
本発明において、前記測定対象物は、荷物を載せた車両であり、前記振動発生手段は、前記載台に進入した前記車両が停止する際にその車両から受ける力を利用して前記載台に対し自由振動を特定方向に与えるリンクと、前記載台の水平方向の変位に対して復元力を発生する復元力発生機構とを備えてなるものとすることができる（第３発明）。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の重心高さ測定装置においては、ロードセルによって支持される載台に測定対象物が載せられる。測定対象物が載せられた載台は、振動発生手段によって水平方向に自由振動状態とされる。自由振動状態にある載台の変位および加速度のいずれか一方または両方は、振動状態量検出手段によって検出される。ロードセルからの検出信号と振動状態量検出手段からの検出信号とに基づく演算が演算手段によって実行され、測定対象物の重心高さが求められる。
本発明の重心高さ測定装置によれば、測定対象物が載せられた載台を水平方向に自由振動させることにより、重心高さを求める上で必要とされる載台の変位および加速度のいずれか一方または両方が得られるので、測定対象物の重心高さを定位置で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る重心高さ測定装置の平面図（ａ）および（ａ）のＡ−Ａ線矢視図（ｂ）
【図２】図１（ａ）のＢ−Ｂ線矢視図
【図３】載台の支持構造の説明図
【図４】復元力の発生の理論説明図
【図５】重心高さ測定装置の制御系の概略システム構成図
【図６】制御装置の機能ブロック図
【図７】重心高さの求め方の理論説明図（１）
【図８】重心高さの求め方の理論説明図（２）
【図９】第１の実施形態の重心高さ測定装置で実行される重心高さ測定プログラムの処理内容を説明するフローチャート
【図１０】第１の実施形態の重心高さ測定装置の計測動作のタイムチャート
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る重心高さ測定装置の要部構造説明図（ａ）および載台の変位拘束の理論説明図（ｂ）
【図１２】制御装置の機能ブロック図
【図１３】第２の実施形態の重心高さ測定装置で実行される重心高さ測定プログラムの処理内容を説明するフローチャート
【図１４】第２の実施形態の重心高さ測定装置の計測動作のタイムチャート
【図１５】載台支持構造の他の態様例の説明図（１）で、正面図（ａ）、（ａ）のＣ−Ｃ線断面図（ｂ）および（ａ）のＤ部拡大図（ｃ）
【図１６】載台支持構造の他の態様例の説明図（２）で、正面図（ａ）、（ａ）のＥ−Ｅ線断面図（ｂ）および（ａ）のＦ部拡大図（ｃ）
【図１７】載台支持構造の他の態様例の説明図（３）で、正面図（ａ）、（ａ）のＧ−Ｇ線断面図（ｂ）
【図１８】図１５に示される載台支持構造を採用した場合の荷重検出に関わる力学モデルを表わす図（ａ）および図１６に示される載台支持構造を採用した場合の荷重検出に関わる力学モデルを表わす図（ｂ）
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、本発明による重心高さ測定装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００１４】
〔第１の実施形態〕
＜重心高さ測定装置の概略構成の説明＞
図１および図２に示されるように、重心高さ測定装置１は、設置ベース２上に組み付けられた計量台３を備えている。計量台３は、重心高さの測定の対象である測定対象物４（本例では、貨物トラック）が載ることのできる四角形の板状部材からなる載台５と、この載台５の四隅を下方から支持する４個のロードセル１１，１２，１３，１４とにより構成されている。
重心高さ測定装置１は、貨物トラック（測定対象物４）の重量を測定する装置（トラックスケール）と、貨物トラック（測定対象物４）の重心高さを測定する装置とを兼ねるものである。
なお、設置ベース２としては、例えば地表面を掘り下げて形成されるピットや、地表面上に敷設される床部材などが挙げられる。また、測定対象物４としては、コンテナ貨物等の荷物を積んだ貨物トラック以外に、コンテナ貨物単体など荷物だけの場合もあり得る。
【００１５】
＜ロードセルの基本構造の説明＞
図３に示されるように、ロードセル１１〜１４は、ダブルコンベックス・ローディング方式のコラム型ロードセルであり、弾性体１５と、密封ケーシング１６とを備えている。
弾性体１５は、例えばアルミニウム合金やステンレス等の金属製で略円柱形状に形成され、その軸線を鉛直方向に向けて起立配置されている。
弾性体１５は、軸線方向中央部に形成される起歪部１７と、上端に形成される上側凸面１８と、下端に形成される下側凸面１９とを有している。上側凸面１８および下側凸面１９はいずれも、所定の曲率半径Ｒの部分球面形状に形成されている。
弾性体１５は、起歪部１７が密封ケーシング１６内に気密に収められ、上端部および下端部がそれぞれ密封ケーシング１６から露出させた状態で密封ケーシング１６に組み込まれている。
【００１６】
＜ロードセルの上側受け部材および下側受け部材の説明＞
弾性体１５の上端部と載台５との間には、上側受け部材２０が介在されている。上側受け部材２０は、水平座面２１を有し、この水平座面２１を弾性体１５の上側凸面１８に接触させた状態で載台５に固定されている。
弾性体１５の下端部と設置ベース２との間には、下側受け部材２２が介在されている。下側受け部材２２は、水平座面２３を有し、この水平座面２３を弾性体１５の下側凸面１９に接触させた状態で設置ベース２に固定されている。
【００１７】
＜復元力発生機構の基本構成の説明＞
復元力発生機構は、弾性体１５の上側凸面１８および上側受け部材２０の水平座面２１と、弾性体１５の下側凸面１９および下側受け部材２２の水平座面２３とにより構成されている。復元力発生機構は、載台５の水平方向の変位ｙ０に対して復元力Ｆを発生する。この復元力Ｆについて、図４を用いて以下に説明する。
【００１８】
＜復元力の発生の理論説明＞
図４には、載台５の水平方向の変位ｙ０に伴ってロードセル１１〜１４の弾性体１５が垂直状態から横方向にｙ０だけ移動してθだけ傾斜した状態が示されている。図中記号を以下のように定める。
ｙ０：弾性体１５の上部の移動量
Ｓ：弾性体１５の上部と下部の接触点長さ
Ｈ：弾性体１５の高さ（ロードセル１１〜１４の高さ）
Ａ：上側凸面１８の曲率半径（＝Ｒ）
Ｂ：下側凸面１９の曲率半径（＝Ｒ）
Ｎ：弾性体１５に作用する垂直荷重
θ：弾性体１５の傾斜角
【００１９】
図４において、弾性体１５の傾斜角θの値が微小であるならば、次式（１）が成立する。
ｔａｎθ≒ｙ０／Ｈ ・・・（１）
また、弾性体１５の上部と下部の接触点長さＳは、次式（２）で表わすことができる。
Ｓ≒Ａ・ｔａｎθ＋（Ｂ−Ｈ）ｔａｎθ
＝（Ａ＋Ｂ−Ｈ）・ｙ０／Ｈ ・・・（２）
そして、垂直荷重Ｎと復元力Ｆとの比Ｋは、次式（３）で表わすことができる。
Ｋ＝Ｆ／Ｎ≒Ｓ／Ｈ＝（Ａ＋Ｂ−Ｈ）・ｙ０／Ｈ２ ・・・（３）
上記式（３）より復元力Ｆは、次式（４）で表わすことができる。
Ｆ＝Ｎ・（Ａ＋Ｂ−Ｈ）・ｙ０／Ｈ２ ・・・（４）
【００２０】
＜自由振動の初期条件を与えるアクチュエータの説明＞
図２に示されるように、載台５におけるロードセル１３，１４が設置されている側の近傍には、油圧シリンダ２４が配置されている。油圧シリンダ２４は、伸長作動時にピストンロッド２５で載台５の側面を押して、載台５に対し水平方向の力を加えることにより、載台５に水平方向の変位と速度を与えることができようになっている。油圧シリンダ２４は、載台５に対し自由振動の初期条件を与えるアクチュエータとして機能する。なお、油圧シリンダ２４に代えて、例えば空圧シリンダや磁性流体シリンダなどを用いることもできる。
ここで、「初期条件」とは、「初期変位」と「初期速度」とを含む概念であり、これらを総称するものである。
【００２１】
＜油圧シリンダの油圧回路の説明＞
油圧シリンダ２４は、電磁弁２６を介して油圧ポンプ２７に接続されている。油圧ポンプ２７が電動モータ２８の作動によって駆動されると、油圧ポンプ２７からの圧油が電磁弁２６の切換動作に応じて油圧シリンダ２４のヘッド側油室またはボトム側油室に供給されるようになっている。
【００２２】
＜油圧シリンダの作動説明＞
油圧シリンダ２４の伸長指令を示すバルブ切換信号が後述する制御装置４０から電磁弁２６に送信されると、電磁弁２６はそのバルブ切換信号に応じて次のような油路切換動作を実行する。すなわち、電磁弁２６は、油圧ポンプ２７からの圧油を油圧シリンダ２４のボトム側油室に供給すると同時に、油圧シリンダ２４のヘッド側油室の内部の油をタンク２９に還流させるような油路の切り換えを行う。これにより、油圧シリンダ２４が伸長作動され、載台５の側面がピストンロッド２５に押されて載台５に水平方向の変位と速度が与えられる。
これに対し、油圧シリンダ２４の収縮指令を示すバルブ切換信号が後述する制御装置４０から電磁弁２６に送信されると、電磁弁２６はそのバルブ切換信号に応じて次のような油路切換動作を実行する。すなわち、電磁弁２６は、油圧ポンプ２７からの圧油を油圧シリンダ２４のヘッド側油室に供給すると同時に、油圧シリンダ２４のボトム側油室の内部の油をタンク２９に還流させるような油路の切り換えを行う。これにより、油圧シリンダ２４が収縮作動され、載台５とピストンロッド２５との接触が解除される。
【００２３】
＜載台の自由振動の説明＞
載台５を水平方向（ｙ方向）に自由振動させるために、まず油圧シリンダ２４の伸長・収縮動作により、載台５に初期条件（初期変位と初期速度）を与える。載台５には、水平方向の変位に対する復元力発生機構からの復元力Ｆが作用する。こうして、載台５の水平方向の変位に対して復元力Ｆを作用させることで、載台５を水平方向に自由振動させることができる。
【００２４】
＜変位センサの説明＞
載台５におけるロードセル１１，１２が設置されている側の近傍には、油圧シリンダ２４と対向するように変位センサ３０が配置されている。変位センサ３０は、自由振動状態にある載台５の変位を検出する変位検出手段として機能する。なお、変位センサ３０としては、種々の方式のものを採用することができ、例えば光学式変位センサ、渦電流式変位センサ、差動変圧式変位センサなどが挙げられる。
【００２５】
＜加速度センサの説明＞
載台５におけるロードセル１１，１２が設置されている側の近傍には、油圧シリンダ２４と対向するように加速度センサ３１が配置されている。加速度センサ３１は、自由振動状態にある載台５の加速度を検出する加速度検出手段として機能する。なお、加速度センサ３１としては、種々の方式のものを採用することができ、例えば静電容量形加速度センサや、金属ひずみゲージ式加速度センサ、半導体ひずみゲージ式加速度センサ、圧電式加速度センサなどが挙げられる。
【００２６】
＜重心高さ測定装置の制御系のシステム構成の説明＞
図５に示されるように、重心高さ測定装置１は、制御装置４０と、操作装置４１と、表示装置４２とを備えている。
【００２７】
＜制御装置の概略説明＞
制御装置４０は、主として、増幅器４３と、ローパスフィルタ４４と、マルチプレクサ４５と、Ａ／Ｄ変換器４６と、Ｉ／Ｏ回路４７と、メモリ４８と、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）４９とにより構成されている。
増幅器４３は、送り込まれる信号をＡ／Ｄ変換可能な大きさに増幅して送り出す機能を有している。
ローパスフィルタ４４は、低域周波数のみを信号として通過させる機能を有している。
マルチプレクサ４５は、送り込まれる複数の信号を選択制御信号の指令に基づいて選択的に送り出す機能を有している。
Ａ／Ｄ変換器４６は、マルチプレクサ４５からのアナログ信号をデジタル信号に変換する機能を有している。
Ｉ／Ｏ回路４７は、Ａ／Ｄ変換器４６と、操作装置４１と、表示装置４２と、メモリ４８と、ＭＰＵ４９との間で各種の信号やデータの受け渡しを行う機能を有している。
メモリ４８は、ＰＲＯＭやＲＡＭなどで構成され、所定プログラムや基本データなどを長期的に記憶したり、種々のデータや演算用数値などを一時的に記憶したりする機能を有している。
ＭＰＵ４９は、メモリ４８に格納されている所定プログラムの指示に従って、必要な信号をＩ／Ｏ回路４７を介して受け取り、また必要なデータをメモリ４８から受け取り、受け取った信号やデータに基づいて演算を実行する機能を有している。
【００２８】
＜操作装置の概略説明＞
操作装置４１は、操作スイッチや数値キーなどを備えてなり、測定開始・終了の動作や零点調整動作、使用モードの切り換え動作、数値設定動作などの種々の動作の際に用いられる。
【００２９】
＜表示装置の概略説明＞
表示装置４２は、例えば液晶ディスプレイからなり、測定結果や各種データの入出力画面などが表示される。
【００３０】
＜重心高さ測定装置の制御系システムの処理動作の概略説明＞
重心高さ測定装置１の制御系システムにおいては、ロードセル１１〜１４、変位センサ３０および加速度センサ３１のそれぞれの信号は、増幅器４３、ローパスフィルタ４４、マルチプレクサ４５、Ａ／Ｄ変換器４６およびＩ／Ｏ回路４７を経由してＭＰＵ４９に送られる。ＭＰＵ４９は、メモリ４８に格納されている所定プログラムに従って、Ｉ／Ｏ回路４７からの信号を取り込み、またメモリ４８に記憶されている種々のデータを読み込み、これらの信号やデータに基づいて測定対象物４の平面的重心座標の演算や重心高さの演算を実行する。そして、その演算結果は表示装置４２に表示される。
【００３１】
＜ＭＰＵの機能説明＞
ＭＰＵ４９においては、所定プログラムが実行されることにより、図６に示される平面的重心座標演算部５０および重心高さ演算部５１のそれぞれの機能が実現される。
【００３２】
＜重心Ｇの平面座標（ｘＧ，ｙＧ）の求め方の理論説明＞
次に、図７および図８を用いて、測定対象物４の平面的重心座標、すなわち載台５に載せられた測定対象物４の重心Ｇを水平面（ｏ−ｘｙ平面）に射影したときのその面上における重心Ｇの座標（ｘＧ，ｙＧ）の求め方について説明する。
なお、理論説明の簡単化のために、載台５は密度が一定の直方体と仮定する。座標系ｏ−ｘｙｚの原点は載台５の中央にとる。ロードセル１１〜１４のそれぞれの出力は無負荷時において零に調整されているものとする。図７および図８中の記号および理論式で用いる記号の意味を下記のとおり定義する。
Ｇ：測定対象物４の重心
Ｇ０：載台５の重心
ａ：ロードセル１１（１３）とロードセル１２（１４）との間の距離
ｂ：ロードセル１１（１２）とロードセル１３（１４）との間の距離
ｃ：載台５の高さ
Ｈ：ロードセル１１〜１４の高さ（弾性体１５の高さ）
Ｗｉ：各ロードセル１１〜１４に作用する静荷重（ｉ＝１，２，３，４）
Ｗ：測定対象物４の自重（＝Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３＋Ｗ４）
Ｗ１２：Ｗ１＋Ｗ２
Ｗ２４：Ｗ２＋Ｗ４
なお、上記記号のうち、ａ，ｂ，ｃ，Ｈ，Ｒは既知の値であり、これらの値は予めメモリ４８に記憶される。
【００３３】
＜重心Ｇの平面座標（ｘＧ，ｙＧ）の求め方の理論説明＞
モーメントのつりあい条件として次式（５），（６）が成り立つ。
Ｗ２４ａ−Ｗ・（ａ／２＋ｘＧ）＝０ ・・・（５）
Ｗ１２ｂ−Ｗ・（ｂ／２＋ｙＧ）＝０ ・・・（６）
上記式（５），（６）より次式（７），（８）が得られる。
ｘＧ＝ａ・（Ｗ２４／Ｗ−１／２） ・・・（７）
ｙＧ＝ｂ・（Ｗ１２／Ｗ−１／２） ・・・（８）
よって、Ｗ２４，Ｗ１２およびＷの測定値を上記式（７），（８）に代入して計算することにより、重心Ｇの平面座標（ｘＧ，ｙＧ）を求めることができる。
【００３４】
＜測定対象物の重心高さｈの求め方の理論説明＞
次に、測定対象物４の重心高さｈの求め方について、主に図８を用いて以下に説明する。以下の理論説明では、測定対象物４が載せられた載台５が自由振動状態にあることが前提となる。油圧シリンダ２４にて自由振動の初期条件を与えるとともに、復元力発生機構からの復元力Ｆを作用させることにより、測定対象物４が載せられた載台５を水平方向（ｙ方向）に自由振動させる。なお、図８では、静止時における測定対象物４の重心Ｇのｙ座標ｙＧをｄで表わしている。また、ｏ−ｙｚ座標系は空間に固定した座標系とする。
【００３５】
ここで、以下の説明で用いる新しい記号を定義しておく。
（文１）
なお、上記記号のうち、ｍ０，ｅは既知の値であり、これらの値は予めメモリ４８に記憶される。
【００３６】
測定対象物４が剛体であるならば、測定対象物４の重心Ｇと載台５の重心Ｇ０とのＺ方向の相対変位は零である。測定対象物４が非剛体の場合、その相対変位は零ではないが、その量は微小である。よって、その相対変位の量は以下の運動方程式において無視することとする。すなわち、Ｚ０（ｔ）＝ＺＧ（ｔ）とおく。このとき、系の運動方程式は次式（９），（１０）で表わされる。
【数１】
上記式（９），（１０）は、測定対象物４が剛体であるか否かとは関係なく成立する。
また、転倒モーメントのつりあい条件として次式（１１）を得る。
【００３７】
【数２】
ここに、δは、重心Ｇの重心Ｇ０に対するｙ方向の相対変位である。δは（ｂ／２−ｄ）に比較して微小であるから以下の式変形においては無視する。
【００３８】
（文２）
【００３９】
【数３】
上記式（１２）より、測定対象物４の重心高さｈを求める次式（１３）が得られる。
【００４０】
【数４】
【００４１】
前述した復元力Ｆを求める式（４）において、弾性体１５に作用する垂直荷重ＮはＭｇ（ｇ：重力加速度）、弾性体１５の上側凸面１８および下側凸面１９の曲率半径Ａ，Ｂはいずれも所定半径Ｒであるから、ロードセル１１〜１４によって支持される載台５の復元力Ｆは、次式（１４）で表わすことができる。
【００４２】
【数５】
上記式（１４）を上記式（１３）に代入してｈを書き直すと次式（１５）となる。
【００４３】
【数６】
ただし、ｋは次式（１６）で表わされるものである。
【数７】
（文３）
【００４４】
（文４）
ここで、「剛体」とは、外力による変形が全く生じない「完全剛体」と、外力による変形が若干生じてもその変形による重心高さ測定上の影響が極めて少なくて完全剛体と見なしても何ら支障がない「見なし剛体」とを包含するものである。また、「非剛体」とは、外力による変形が生じてその変形の影響が重心高さ測定上無視できない物体を総称して表現したものである。
【００４５】
【数８】
【数９】
（文５）
【００４６】
＜ロードセルで検出される荷重信号の補正の説明＞
ところで、載台５の水平方向の自由振動に伴って、ロードセル１１〜１４は回転振動となる。これにより、ロードセル１１〜１４の軸方向に作用する荷重は、回転角θの関数となる。今、ロードセル１１〜１４で検出される荷重Ｗｉ´（ｔ）が上記の軸方向荷重であると仮定する。
【００４７】
このとき、Ｗｉ´（ｔ）は次式（１８）で表わすことができる。
【数１０】
ただし、Ｆｉ（ｔ）およびθはそれぞれ次式（１９）および式（２０）で表わされる。
【数１１】
【数１２】
ここに、Ｆｉ（ｔ）は、各ロードセル１１〜１４に生じる復元力Ｆの符号を逆にしたものである。
上記式（１８）により次式（２１）が得られる。
【数１３】
式（２１）によりＷｉ（ｔ）がＷｉ´（ｔ）とｙ０（ｔ）から求まることがわかる。
なお、傾斜補正の成されたデジタルロードセルを用いる場合は、その出力はＷｉ（ｔ）であるから、上述の補正は不要となる。
【００４８】
＜重心高さ測定装置の計測動作の説明＞
以上に述べたように構成される重心高さ測定装置１の計測動作について、主に、図６の機能ブロック図、図９のフローチャートおよび図１０のタイムチャートを用いて以下に説明する。なお、図９において記号「Ｓ」はステップを表わす。
以下の計測動作説明は、測定対象物４が荷物を載せた車両（貨物トラック）である場合の例である。
【００４９】
＜ステップＳ１〜Ｓ４の処理内容の説明＞
載台５に進入した貨物トラックが停止するまで待機する（Ｓ１）。
貨物トラックが停止した時刻ｔ１から微小時間Δｔだけ経過した時刻（ｔ１＋Δｔ）以降において、平面的重心演算部５０は、ロードセル１１〜１４からの静荷重信号Ｗｉ（ｉ＝１，２，３，４）を読み込むとともに、読み込んだ静荷重信号Ｗｉから測定対象物４の質量（重量）を求める（Ｓ２）。
また、平面的重心演算部５０は、次式（１６）に基づいてｋを演算する（Ｓ３）とともに、次式（７），（８）に基づいて測定対象物４の重心Ｇの平面座標（ｘＧ，ｙＧ）を算出する（Ｓ４）。
【数１４】
ｘＧ＝ａ・（Ｗ２４／Ｗ−１／２） ・・・（７）
ｙＧ＝ｂ・（Ｗ１２／Ｗ−１／２） ・・・（８）
【００５０】
＜ステップＳ５の処理内容の説明＞
時刻ｔ２において、制御装置４０（Ｉ／Ｏ回路４７）は、油圧シリンダ２４の伸長作動を示すバルブ切換信号を電磁弁２６に送信する。これにより、油圧シリンダ２４が伸長作動され、載台５の側面がピストンロッド２５に押されて載台５に水平方向の変位と速度が与えられる。その後、あらかじめ定められた変位において、制御装置４０は、油圧シリンダ２４の収縮作動を示すバルブ切換信号を電磁弁２６に送信する。これにより、油圧シリンダ２４が収縮作動され、載台５とピストンロッド２５との接触が解除され、載台５に自由振動の初期条件が与えられる。そして、載台５には水平方向の変位に対する復元力発生機構からの復元力Ｆが作用するため、載台５は水平方向（ｙ方向）に自由振動する。
【００５１】
＜ステップＳ６，Ｓ７の処理内容の説明＞
（文６）
【００５２】
＜ステップＳ８の処理内容の説明＞
載台５が静止した時刻ｔ４以降から時刻ｔ５の間において、重心高さ演算部５１は、ステップＳ２で取得した静荷重信号ＷｉとステップＳ６で収得した動荷重信号Ｗｉ（ｔ）とに基づいてΔＷ（ｔ）およびΔＷ３４（ｔ）をそれぞれ演算する。
【００５３】
＜ステップＳ９の処理内容の説明＞
時刻ｔ５以降から時刻ｔ６の間において、重心高さ演算部５１は、次式（１５）に基づいて測定対象物４の重心Ｇの重心高さｈを演算する。なお、ｈの測定値は、あらかじめ定めた時間区間内の各サンプリング時刻において式（１５）で計算されたｈの平均値とする。
【数１５】
【００５４】
＜ステップＳ１０の処理内容の説明＞
そして、制御装置４０（Ｉ／Ｏ回路４７）は、ステップＳ９の演算の結果得られた重心高さｈの値を表示させる表示信号を表示装置４２に送信する。これにより、ステップＳ９の演算で求められた重心高さｈの値が表示装置４２に表示される。
【００５５】
＜第１の実施形態の重心高さ測定装置の作用効果の説明＞
第１の実施形態の重心高さ測定装置１によれば、貨物トラック（測定対象物４）が載せられた載台５を水平方向に自由振動させることにより、貨物トラックの重心高さを求める上で必要とされる載台５の水平方向の変位と加速度とが得られるので、貨物トラックの重心高さを定位置で測定することができる。
【００５６】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態に係る重心高さ測定装置について図１１〜図１４を用いて説明する。なお、第２の実施形態の重心高さ測定装置１Ａにおいて、第１の実施形態の重心高さ測定装置１と同一または同様のものについては図に同一符号を付すに留めてその詳細な説明を省略することとし、以下においては、第１の実施形態の重心高さ測定装置１と異なる点を中心に説明することとする。
【００５７】
＜第１の実施形態の重心高さ測定装置と異なる点の概略説明＞
第２の実施形態の重心高さ測定装置１Ａにおいては、第１の実施形態の重心高さ測定装置１において設けられている油圧シリンダ２４に代えて、図１１（ａ）に示されるように、載台５と設置ベース２とを連結する所要のリンク５５が設けられている。
【００５８】
＜リンクの配置とそのリンクによる載台の変位の拘束の説明＞
リンク５５は、図１１（ｂ）に示されるように、ｘ座標軸に対しθの傾きを持って配置されている。このリンク５５により、載台５のｘ方向とｙ方向の変位ｘ０，ｙ０は、次式（２２）で示されるような関係に拘束される。
ｙ０＝αｘ０，α＝１／ｔａｎθ（既知） ・・・（２２）
【００５９】
＜載台の自由振動の説明＞
リンク５５は、ｘ軸の正方向に走行している貨物トラック（測定対象物４）が載台５に進入し程なくして停止する際に、その貨物トラックから受ける力を利用して載台５の自由振動の方向を、リンク５５と直角を成す水平方向（特定方向ｕ）に拘束する（図１１（ｂ）参照）。載台５には、ｕ方向変位に対する復元力発生機構からの復元力Ｆが作用する。こうして、載台５の水平方向（ｕ方向）の変位に対して復元力Ｆを作用させることで、載台５を水平方向（ｕ方向）に自由振動させることができる。
【００６０】
＜測定対象物の重心高さｈの求め方の理論説明＞
載台５の自由振動が水平方向（ｕ方向）に拘束されているとき、ｙ方向の振動成分によりロードセル１１〜１４に作用する力を、添字ｙを付してΔＷｙ（ｔ）（＝ΔＷ１ｙ（ｔ）＋・・・＋ΔＷ４ｙ（ｔ）），ΔＷ３４ｙ（ｔ）（＝ΔＷ３ｙ（ｔ）＋ΔＷ４ｙ（ｔ））と書く。このとき、重心高さｈの理論式は、次式（２３）で表わされる。
【数１６】
上記式（２３）において、ΔＷｙ（ｔ），ΔＷ３４ｙ（ｔ）は、ロードセル１１〜１４に生じた荷重変化であるが、自由振動はｘ方向へも生じているから、ロードセル１１〜１４で検出される変化量ΔＷ（ｔ），ΔＷ３４（ｔ）とは異なる。
以下では、ΔＷｙ（ｔ）およびΔＷ３４ｙ（ｔ）がそれぞれΔＷ（ｔ）およびΔＷ３４（ｔ）によって求めることができることを示す。なお、添字ｘを付す記号はｘ方向の振動成分によりロードセル１１〜１４に作用する力を表わすものとする。
【００６１】
＜ΔＷｙ（ｔ）の求め方の理論説明＞
ΔＷｙ（ｔ）は、ΔＷ（ｔ）（＝ΣΔＷｉ（ｔ））を用いて表わすことができる。
すなわち、
【数１７】
であり、
ΔＷ（ｔ）＝ΔＷｘ（ｔ）＋ΔＷｙ（ｔ）＝（１＋１／α２）・ΔＷｙ（ｔ）
であるから、ΔＷｙ（ｔ）は次式（２４）で表わすことができる。
ΔＷｙ（ｔ）＝α２・ΔＷ（ｔ）／（１＋α２） ・・・（２４）
また、ΔＷｘ（ｔ）は次式（２５）で表わすことができる。
ΔＷｘ（ｔ）＝ΔＷ（ｔ）／（１＋α２） ・・・（２５）
【００６２】
＜ΔＷ３４ｙ（ｔ）の求め方の理論説明＞
ΔＷ３４ｙ（ｔ）は、ΔＷ３４（ｔ）とΔＷ（ｔ）を用いて表わすことができる。
すなわち、
ΔＷ３４（ｔ）＝ΔＷ３４ｘ（ｔ）＋ΔＷ３４ｙ（ｔ）
であるから、ΔＷ３４ｙ（ｔ）は次式（２６）で表わすことができる。
ΔＷ３４ｙ（ｔ）＝ΔＷ３４（ｔ）−ΔＷ３４ｘ（ｔ）
≒ΔＷ３４（ｔ）−ΔＷｘ（ｔ）／２（∵ｂ／２＞＞ｄ）
＝ΔＷ３４（ｔ）−ΔＷ（ｔ）／２（１＋α２） ・・・（２６）
【００６３】
＜重心高さ測定装置の計測動作の説明＞
次に、第２の実施形態の重心高さ測定装置１Ａの計測動作について、主に、図１２の機能ブロック図、図１３のフローチャートおよび図１４のタイムチャートを用いて以下に説明する。なお、図１３において記号「Ｔ」はステップを表わす。
以下の計測動作説明は、測定対象物４が荷物を載せた車両（貨物トラック）であり、ｘ軸の正方向に走行している貨物トラックが載台５に進入・停止する際にその貨物トラックの重心高さを測定する場合の例である。
【００６４】
＜ステップＴ１の処理内容の説明＞
載台５に進入した貨物トラックが停止するまで待機する（Ｔ１）。
このとき、リンク５５は、貨物トラックが載台５に進入・停止する際にその貨物トラックから受ける力を利用して載台５に対し自由振動を特定方向（ｕ方向）に与える。そして、載台５にはｕ方向変位に対する復元力発生機構からの復元力Ｆが作用するため、載台５はｕ方向に自由振動する。
【００６５】
＜ステップＴ２，Ｔ３の処理内容の説明＞
（文７）
【００６６】
＜ステップＴ４〜Ｔ６の処理内容の説明＞
載台５が自由振動状態から静止状態に移行した時刻ｔ３以降から時刻ｔ４において、平面的重心演算部５０は、ロードセル１１〜１４からの静荷重信号Ｗｉを読み込むとともに、読み込んだ静荷重信号Ｗｉから測定対象物４の質量（重量）を求める（Ｔ４）。
また、平面的重心演算部５０は、次式（１６）に基づいてｋを演算する（Ｔ５）とともに、次式（７），（８）に基づいて測定対象物４の重心Ｇの平面座標（ｘＧ，ｙＧ）を算出する（Ｔ６）。
【数１８】
ｘＧ＝ａ・（Ｗ２４／Ｗ−１／２） ・・・（７）
ｙＧ＝ｂ・（Ｗ１２／Ｗ−１／２） ・・・（８）
【００６７】
＜ステップＴ７の処理内容の説明＞
時刻ｔ４から時刻ｔ５の間において、重心高さ演算部５１は、ステップＴ４で取得した静荷重信号Ｗｉと、メモリ４８に記憶されている動荷重信号Ｗｉ（ｔ）とに基づいてΔＷ（ｔ）およびΔＷ３４（ｔ）をそれぞれ演算する。
【００６８】
＜ステップＴ８の処理内容の説明＞
時刻ｔ５から時刻ｔ６の間において、重心高さ演算部５１は、次式（２３），（２４），（２６）に基づいて測定対象物４の重心Ｇの重心高さｈを演算する。
【数１９】
ΔＷｙ（ｔ）＝α２・ΔＷ（ｔ）／（１＋α２） ・・・（２４）
ΔＷ３４ｙ（ｔ）＝ΔＷ３４（ｔ）−ΔＷ（ｔ）／２（１＋α２） ・・・（２６）
【００６９】
＜ステップＴ９の処理内容の説明＞
そして、制御装置４０は、ステップＴ８の演算の結果得られた重心高さｈの値を表示させる表示信号を表示装置４２に送信する。これにより、ステップＴ８の演算で求められた重心高さｈの値が表示装置４２に表示される。
【００７０】
＜第２の実施形態の重心高さ測定装置の作用効果の説明＞
第２の実施形態の重心高さ測定装置１Ａによれば、第１の実施形態の重心高さ測定装置１と同様の作用効果を得ることができるのは言うまでもない。さらに、第２の実施形態の重心高さ測定装置１Ａによれば、貨物トラックが載台５に進入・停止する際に載台５が貨物トラックから受ける力を利用して載台５をリンク５５にてｕ方向に自由振動させるようにされているので、第１の実施形態の重心高さ測定装置１において必要とされる油圧シリンダ２４や電磁弁２６、油圧ポンプ２７、これらを繋ぐ油圧配管、電動モータ２８などを省略することができ、装置構成の簡素化を図ることができる。
【００７１】
以上、本発明の重心高さ測定装置について、複数の実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、各実施形態に記載した構成を適宜組み合わせる等、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。
【００７２】
＜構成変更例の概要説明＞
上記各実施形態では、図３に示されるように、ダブルコンベックス・ローディング方式のコラム型のロードセル１１〜１４とそのロードセル１１〜１４の上側受け部材２０および下側受け部材２２によって載台５を支持する構造を採用したが、これに限定されるものではなく、図１５に示されるような載台支持構造を採用してもよい。
【００７３】
＜載台支持構造の他の態様例（１）の説明＞
図１５に示される載台支持構造は、載台５から垂設される一対の脚部材６１，６１と、一対の脚部材６１，６１の間に位置するように設置ベース２上に立設される一対の支柱部材６２，６２と、一対の支柱部材６２，６２の上端部同士を繋ぐ軸形ロードセル６３と、一対の脚部材６１，６１の下端部同士を繋ぐ下部ピン６４と、軸形ロードセル６３と下部ピン６４とに掛け渡される吊り環部材６５とを備えて構成されている。
軸形ロードセル６３は、その軸線方向中央部に、全周に亘って所定の曲率半径で窪んだ窪み部６６を有している。この窪み部６６に吊り環部材６５の上部が掛け止められている。また、下部ピン６４も同様に、その軸線方向中央部に、全周に亘って所定の曲率半径で窪んだ窪み部６７を有している。この窪み部６７に吊り環部材６５の下部が掛け止められている。
この載台支持構造においては、軸形ロードセル６３の軸線回りの振り子の作用により、載台５の前後方向（軸形ロードセル６３の軸線と直交する水平方向）の変位に対する復元力が作用する。また、軸形ロードセル６３の窪み部６６に吊り環部材６５の上部が掛け止められているので、吊り環部材６５が軸形ロードセル６３の軸線方向に移動した際に、吊り環部材６５を窪み部６６の最低部へと戻す揺り戻し力が作用する。この揺り戻し力の作用により、載台５の左右方向（軸形ロードセル６３の軸線方向）の変位に対する復元力が作用する。
【００７４】
＜載台支持構造の他の態様例（２）の説明＞
また、図１５に示される載台支持構造に代えて、図１６に示される載台支持構造を採用することもできる。
図１６に示される載台支持構造においては、載台５から垂設される一対の脚部材６１，６１と、一対の脚部材６１，６１の間に位置するように設置ベース２上に立設される一対の支柱部材６２，６２と、一対の支柱部材６２，６２の上端部同士を繋ぐ上部ピン６８と、一対の脚部材６１，６１の下端部同士を繋ぐ下部ピン６４と、上部ピン６８と下部ピン６４とに掛け渡される吊り環部材６９とを備えて構成されている。
上部ピン６８は、その軸線方向中央部に、全周に亘って所定の曲率半径で窪んだ窪み部７０を有している。この窪み部７０に吊り環部材６９の上部が掛け止められている。
吊り環部材６９の上下方向中央部には、引張形ロードセル７１が介設されている。
この載台支持構造においては、上部ピン６８の軸線回りの振り子の作用により、載台５の前後方向（上部ピン６８の軸線と直交する水平方向）の変位に対する復元力が作用する。また、上部ピン６８の窪み部７０に吊り環部材６９の上部が掛け止められているので、吊り環部材６９が上部ピン６８の軸線方向に移動した際に、吊り環部材６９を窪み部７０の最低部へと戻す揺り戻し力が作用する。この揺り戻し力の作用により、載台５の左右方向（上部ピン６８の軸線方向）の変位に対する復元力が作用する。
【００７５】
＜載台支持構造の他の態様例（３）の説明＞
また、図１５に示される載台支持構造に代えて、図１７に示される載台支持構造を採用することもできる。
図１７に示される載台支持構造においては、載台５の下面に固定される上側受け部材８１と、設置ベース２上に固定される下側受け部材８２と、下側受け部材８２上に設置されるロードセル８３と、ロードセル８３と上側受け部材８１との間に配設される鋼球８４とを備えて構成されている。
上側受け部材８１には、鋼球８４との間に介在される上側受け座８５が形成されている。上側受け座８５は、鋼球８４の球面８４ａと接触される凹座面８６を有している。
ロードセル８３には、鋼球８４との間に介在される下側受け座８７が形成されている。下側受け座８７は、鋼球８４の球面８４ａと接触される凹座面８８を有している。
凹座面８６，８８の曲率半径は、鋼球８４の球面８４ａの曲率半径よりも大きく設定されている。
復元力発生機構は、鋼球８４の球面８４ａおよび上側受け座８５の凹座面８６と、鋼球８４の球面８４ａおよび下側受け座８７の凹座面８８とにより構成され、載台５の水平方向の変位に対して復元力を発生する。
【００７６】
＜用語の説明＞
油圧シリンダ２４が本発明の「アクチュエータ」に相当する。
変位センサ３０および加速度センサ３１を含む構成が本発明の「振動状態量検出手段」に相当する。
平面的重心座標演算部５０および重心高さ演算部５１を含む構成（ＭＰＵ４９）が本発明の「演算手段」に相当する。
弾性体１５の上側凸面１８および上側受け部材２０の水平座面２１と、弾性体１５の下側凸面１９および下側受け部材２２の水平座面２３とを含む構成が本発明の「復元力発生機構」に相当する。
脚部材６１と、支柱部材６２と、軸形ロードセル６３と、下部ピン６４と、吊り環部材６５とを含む構成が本発明の「復元力発生機構」に相当する。
脚部材６１と、支柱部材６２と、上部ピン６８と、下部ピン６４と、吊り環部材６９とを含む構成が本発明の「復元力発生機構」に相当する。
鋼球８４の球面８４ａおよび上側受け座８５の凹座面８６と、鋼球８４の球面８４ａおよび下側受け座８７の凹座面８８とを含む構成が本発明の「復元力発生機構」に相当する。
【００７７】
＜加速度検出手段の別態様例の説明＞
上記実施形態においては、自由振動状態にある載台５の加速度を検出する加速度検出手段として、加速度センサ３１を用いる例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、重心高さ演算部５１は、変位センサ３０の検出信号に基づいて２回微分演算を実行することで、載台５の加速度を求めることができる。この場合、加速度センサ３１は不要になる。なお、上記微分演算を重心高さ演算部５１に実行させるのではなく、別途に加速度演算部を設け、この加速度演算部に上記微分演算を実行させる態様もあり得る。
【００７８】
＜動荷重変動ΔＷ（ｔ）の測定の別態様例の説明＞
（文８）
【００７９】
＜ダブルコンベックス・ローディング方式以外のロードセルを採用した場合の説明＞
図３に示されるダブルコンベックス・ローディング方式のコラム型のロードセル１１〜１４に代えて、図１５に示される載台支持構造を採用した場合の荷重検出に関わる力学モデルは図１８（ａ）に示されるようになる。
この場合の復元力Ｆは、次式（２８）で表わされる。
【数２０】
このＦを式（１３）に代入するにあたり、式（１６）と同じようにｋとして表わすと、次式（２９）で示されるようになる。
【数２１】
このｋを式（１６）に代えて式（１５）に用いればよい。なお、軸形ロードセル６３は鉛直方向の力を検出するものであるとする。
また、測定対象物４が剛体の場合は、式（１７）´のｋを式（１６）に代えて式（２９）を用いればよい。
【００８０】
また、図３に示されるダブルコンベックス・ローディング方式のコラム型のロードセル１１〜１４に代えて、図１６に示される載台支持構造を採用した場合の荷重検出に関わる力学モデルは図１８（ｂ）に示されるようになる。
この場合の復元力Ｆは、次式（３０）で表わされる。
Ｆ＝Ｍｇ・ｙ０／ｌ ・・・（３０）
このＦを式（１３）に代入するにあたり、式（１６）と同じようにｋとして表わすと、次式（３１）で示されるようになる。
ｋ＝Ｍｇ／ｌ ・・・（３１）
このｋを式（１６）に代えて式（１５）に用いればよい。なお、引張形ロードセル７１は傾斜に応じた引張方向の力を検出するものであるとする。
また、測定対象物４が剛体の場合は、式（１７）´のｋを式（１６）に代えて式（３１）を用いればよい。
ただし、この場合、引張形ロードセル７１は鉛直方向の力を検出していないので、式の中のΔＷおよびΔＷ３４の値は次式（３２）（３３）に示されるように補正演算が必要である。
【数２２】
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明の重心高さ測定装置は、測定対象物の重心高さを定位置で測定することができるという特性を有していることから、コンテナ貨物や貨物トラックの重心高さの測定の用途に好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００８２】
１，１Ａ 重心高さ測定装置
４ 測定対象物
５ 載台
１１〜１４ ロードセル
１５ 弾性体
１８ 上側凸面
１９ 下側凸面
２０ 上側受け部材
２１ 水平座面
２２ 下側受け部材
２３ 水平座面
２４ 油圧シリンダ
３０ 変位センサ
３１ 加速度センサ
５０ 平面的重心座標演算部
５１ 重心高さ演算部
５５ リンク
６１ 脚部材
６２ 支柱部材
６３ 軸形ロードセル
６４ 下部ピン
６５ 吊り環部材
６８ 上部ピン
６９ 吊り環部材
７１ 引張形ロードセル
８４ 鋼球
８４ａ 球面
８５ 上側受け座
８６ 凹座面
８７ 下側受け座
８８ 凹座面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば貨物トラックの重心高さを測定する重心高さ測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、貨物トラックの横転による大事故がしばしば発生している。積荷の関係等で貨物トラックの重心位置が高くなると、低速走行でも曲路で横転する可能性が高くなる。貨物トラックの横転を防止する上で、貨物トラックの重心高さの測定が重要となる。
【０００３】
貨物トラックの重心高さの測定に資するものとして、例えば特許文献１にて提案されている技術がある。この特許文献１に係る技術においては、貨物トラックの荷台に取り付けた荷重センサや加速度センサ、傾斜センサなどからの信号に基づいて、積み荷を含む荷台の重心高さを求めるようにされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−９７０７２号公報
【０００５】
ところで、特許文献１に係る技術において、荷台の重心高さを求める上で必要とされる加速度センサや傾斜センサなどからの信号は、貨物トラックが曲路または傾斜路を走行することで得られるものとなっている。
【０００６】
このため、特許文献１に係る技術では、貨物トラックが曲路または傾斜路を走行しない限り重心高さを測定することができない。したがって、重心高さが未知のままでの曲路走行等が実施されることになり、安全性の観点から好ましくないという問題点がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、前述のような問題点に鑑みてなされたもので、測定対象物の重心高さを定位置で測定することができる重心高さ測定装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するために、本発明による重心高さ測定装置は、
荷重を検出する複数のロードセルと、
前記ロードセルによって支持され、重心高さの測定対象物を載せる載台と、
測定対象物が載せられた前記載台を水平方向に自由振動させる振動発生手段と、
自由振動状態にある前記載台の変位および加速度のいずれか一方または両方を検出する振動状態量検出手段と、
前記ロードセルからの検出信号と前記振動状態量検出手段からの検出信号とに基づいて測定対象物の重心高さを演算する演算手段と
を備えることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明において、前記振動発生手段は、前記載台に対し水平方向の力を与えるアクチュエータと、前記載台の水平方向の変位に対して復元力を発生する復元力発生機構とを備えてなるものとすることができる（第２発明）。
【００１０】
本発明において、前記測定対象物は、荷物を載せた車両であり、前記振動発生手段は、前記載台に進入した前記車両が停止する際にその車両から受ける力を利用して前記載台に対し自由振動を特定方向に与えるリンクと、前記載台の水平方向の変位に対して復元力を発生する復元力発生機構とを備えてなるものとすることができる（第３発明）。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の重心高さ測定装置においては、ロードセルによって支持される載台に測定対象物が載せられる。測定対象物が載せられた載台は、振動発生手段によって水平方向に自由振動状態とされる。自由振動状態にある載台の変位および加速度のいずれか一方または両方は、振動状態量検出手段によって検出される。ロードセルからの検出信号と振動状態量検出手段からの検出信号とに基づく演算が演算手段によって実行され、測定対象物の重心高さが求められる。
本発明の重心高さ測定装置によれば、測定対象物が載せられた載台を水平方向に自由振動させることにより、重心高さを求める上で必要とされる載台の変位および加速度のいずれか一方または両方が得られるので、測定対象物の重心高さを定位置で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る重心高さ測定装置の平面図（ａ）および（ａ）のＡ−Ａ線矢視図（ｂ）
【図２】図１（ａ）のＢ−Ｂ線矢視図
【図３】載台の支持構造の説明図
【図４】復元力の発生の理論説明図
【図５】重心高さ測定装置の制御系の概略システム構成図
【図６】制御装置の機能ブロック図
【図７】重心高さの求め方の理論説明図（１）
【図８】重心高さの求め方の理論説明図（２）
【図９】第１の実施形態の重心高さ測定装置で実行される重心高さ測定プログラムの処理内容を説明するフローチャート
【図１０】第１の実施形態の重心高さ測定装置の計測動作のタイムチャート
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る重心高さ測定装置の要部構造説明図（ａ）および載台の変位拘束の理論説明図（ｂ）
【図１２】制御装置の機能ブロック図
【図１３】第２の実施形態の重心高さ測定装置で実行される重心高さ測定プログラムの処理内容を説明するフローチャート
【図１４】第２の実施形態の重心高さ測定装置の計測動作のタイムチャート
【図１５】載台支持構造の他の態様例の説明図（１）で、正面図（ａ）、（ａ）のＣ−Ｃ線断面図（ｂ）および（ａ）のＤ部拡大図（ｃ）
【図１６】載台支持構造の他の態様例の説明図（２）で、正面図（ａ）、（ａ）のＥ−Ｅ線断面図（ｂ）および（ａ）のＦ部拡大図（ｃ）
【図１７】載台支持構造の他の態様例の説明図（３）で、正面図（ａ）、（ａ）のＧ−Ｇ線断面図（ｂ）
【図１８】図１５に示される載台支持構造を採用した場合の荷重検出に関わる力学モデルを表わす図（ａ）および図１６に示される載台支持構造を採用した場合の荷重検出に関わる力学モデルを表わす図（ｂ）
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、本発明による重心高さ測定装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００１４】
〔第１の実施形態〕
＜重心高さ測定装置の概略構成の説明＞
図１および図２に示されるように、重心高さ測定装置１は、設置ベース２上に組み付けられた計量台３を備えている。計量台３は、重心高さの測定の対象である測定対象物４（本例では、貨物トラック）が載ることのできる四角形の板状部材からなる載台５と、この載台５の四隅を下方から支持する４個のロードセル１１，１２，１３，１４とにより構成されている。
重心高さ測定装置１は、貨物トラック（測定対象物４）の重量を測定する装置（トラックスケール）と、貨物トラック（測定対象物４）の重心高さを測定する装置とを兼ねるものである。
なお、設置ベース２としては、例えば地表面を掘り下げて形成されるピットや、地表面上に敷設される床部材などが挙げられる。また、測定対象物４としては、コンテナ貨物等の荷物を積んだ貨物トラック以外に、コンテナ貨物単体など荷物だけの場合もあり得る。
【００１５】
＜ロードセルの基本構造の説明＞
図３に示されるように、ロードセル１１〜１４は、ダブルコンベックス・ローディング方式のコラム型ロードセルであり、弾性体１５と、密封ケーシング１６とを備えている。
弾性体１５は、例えばアルミニウム合金やステンレス等の金属製で略円柱形状に形成され、その軸線を鉛直方向に向けて起立配置されている。
弾性体１５は、軸線方向中央部に形成される起歪部１７と、上端に形成される上側凸面１８と、下端に形成される下側凸面１９とを有している。上側凸面１８および下側凸面１９はいずれも、所定の曲率半径Ｒの部分球面形状に形成されている。
弾性体１５は、起歪部１７が密封ケーシング１６内に気密に収められ、上端部および下端部がそれぞれ密封ケーシング１６から露出させた状態で密封ケーシング１６に組み込まれている。
【００１６】
＜ロードセルの上側受け部材および下側受け部材の説明＞
弾性体１５の上端部と載台５との間には、上側受け部材２０が介在されている。上側受け部材２０は、水平座面２１を有し、この水平座面２１を弾性体１５の上側凸面１８に接触させた状態で載台５に固定されている。
弾性体１５の下端部と設置ベース２との間には、下側受け部材２２が介在されている。下側受け部材２２は、水平座面２３を有し、この水平座面２３を弾性体１５の下側凸面１９に接触させた状態で設置ベース２に固定されている。
【００１７】
＜復元力発生機構の基本構成の説明＞
復元力発生機構は、弾性体１５の上側凸面１８および上側受け部材２０の水平座面２１と、弾性体１５の下側凸面１９および下側受け部材２２の水平座面２３とにより構成されている。復元力発生機構は、載台５の水平方向の変位ｙ０に対して復元力Ｆを発生する。この復元力Ｆについて、図４を用いて以下に説明する。
【００１８】
＜復元力の発生の理論説明＞
図４には、載台５の水平方向の変位ｙ０に伴ってロードセル１１〜１４の弾性体１５が垂直状態から横方向にｙ０だけ移動してθだけ傾斜した状態が示されている。図中記号を以下のように定める。
ｙ０：弾性体１５の上部の移動量
Ｓ：弾性体１５の上部と下部の接触点長さ
Ｈ：弾性体１５の高さ（ロードセル１１〜１４の高さ）
Ａ：上側凸面１８の曲率半径（＝Ｒ）
Ｂ：下側凸面１９の曲率半径（＝Ｒ）
Ｎ：弾性体１５に作用する垂直荷重
θ：弾性体１５の傾斜角
【００１９】
図４において、弾性体１５の傾斜角θの値が微小であるならば、次式（１）が成立する。
ｔａｎθ≒ｙ０／Ｈ ・・・（１）
また、弾性体１５の上部と下部の接触点長さＳは、次式（２）で表わすことができる。
Ｓ≒Ａ・ｔａｎθ＋（Ｂ−Ｈ）ｔａｎθ
＝（Ａ＋Ｂ−Ｈ）・ｙ０／Ｈ ・・・（２）
そして、垂直荷重Ｎと復元力Ｆとの比Ｋは、次式（３）で表わすことができる。
Ｋ＝Ｆ／Ｎ≒Ｓ／Ｈ＝（Ａ＋Ｂ−Ｈ）・ｙ０／Ｈ２ ・・・（３）
上記式（３）より復元力Ｆは、次式（４）で表わすことができる。
Ｆ＝Ｎ・（Ａ＋Ｂ−Ｈ）・ｙ０／Ｈ２ ・・・（４）
【００２０】
＜自由振動の初期条件を与えるアクチュエータの説明＞
図２に示されるように、載台５におけるロードセル１３，１４が設置されている側の近傍には、油圧シリンダ２４が配置されている。油圧シリンダ２４は、伸長作動時にピストンロッド２５で載台５の側面を押して、載台５に対し水平方向の力を加えることにより、載台５に水平方向の変位と速度を与えることができようになっている。油圧シリンダ２４は、載台５に対し自由振動の初期条件を与えるアクチュエータとして機能する。なお、油圧シリンダ２４に代えて、例えば空圧シリンダや磁性流体シリンダなどを用いることもできる。
ここで、「初期条件」とは、「初期変位」と「初期速度」とを含む概念であり、これらを総称するものである。
【００２１】
＜油圧シリンダの油圧回路の説明＞
油圧シリンダ２４は、電磁弁２６を介して油圧ポンプ２７に接続されている。油圧ポンプ２７が電動モータ２８の作動によって駆動されると、油圧ポンプ２７からの圧油が電磁弁２６の切換動作に応じて油圧シリンダ２４のヘッド側油室またはボトム側油室に供給されるようになっている。
【００２２】
＜油圧シリンダの作動説明＞
油圧シリンダ２４の伸長指令を示すバルブ切換信号が後述する制御装置４０から電磁弁２６に送信されると、電磁弁２６はそのバルブ切換信号に応じて次のような油路切換動作を実行する。すなわち、電磁弁２６は、油圧ポンプ２７からの圧油を油圧シリンダ２４のボトム側油室に供給すると同時に、油圧シリンダ２４のヘッド側油室の内部の油をタンク２９に還流させるような油路の切り換えを行う。これにより、油圧シリンダ２４が伸長作動され、載台５の側面がピストンロッド２５に押されて載台５に水平方向の変位と速度が与えられる。
これに対し、油圧シリンダ２４の収縮指令を示すバルブ切換信号が後述する制御装置４０から電磁弁２６に送信されると、電磁弁２６はそのバルブ切換信号に応じて次のような油路切換動作を実行する。すなわち、電磁弁２６は、油圧ポンプ２７からの圧油を油圧シリンダ２４のヘッド側油室に供給すると同時に、油圧シリンダ２４のボトム側油室の内部の油をタンク２９に還流させるような油路の切り換えを行う。これにより、油圧シリンダ２４が収縮作動され、載台５とピストンロッド２５との接触が解除される。
【００２３】
＜載台の自由振動の説明＞
載台５を水平方向（ｙ方向）に自由振動させるために、まず油圧シリンダ２４の伸長・収縮動作により、載台５に初期条件（初期変位と初期速度）を与える。載台５には、水平方向の変位に対する復元力発生機構からの復元力Ｆが作用する。こうして、載台５の水平方向の変位に対して復元力Ｆを作用させることで、載台５を水平方向に自由振動させることができる。
【００２４】
＜変位センサの説明＞
載台５におけるロードセル１１，１２が設置されている側の近傍には、油圧シリンダ２４と対向するように変位センサ３０が配置されている。変位センサ３０は、自由振動状態にある載台５の変位を検出する変位検出手段として機能する。なお、変位センサ３０としては、種々の方式のものを採用することができ、例えば光学式変位センサ、渦電流式変位センサ、差動変圧式変位センサなどが挙げられる。
【００２５】
＜加速度センサの説明＞
載台５におけるロードセル１１，１２が設置されている側の近傍には、油圧シリンダ２４と対向するように加速度センサ３１が配置されている。加速度センサ３１は、自由振動状態にある載台５の加速度を検出する加速度検出手段として機能する。なお、加速度センサ３１としては、種々の方式のものを採用することができ、例えば静電容量形加速度センサや、金属ひずみゲージ式加速度センサ、半導体ひずみゲージ式加速度センサ、圧電式加速度センサなどが挙げられる。
【００２６】
＜重心高さ測定装置の制御系のシステム構成の説明＞
図５に示されるように、重心高さ測定装置１は、制御装置４０と、操作装置４１と、表示装置４２とを備えている。
【００２７】
＜制御装置の概略説明＞
制御装置４０は、主として、増幅器４３と、ローパスフィルタ４４と、マルチプレクサ４５と、Ａ／Ｄ変換器４６と、Ｉ／Ｏ回路４７と、メモリ４８と、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）４９とにより構成されている。
増幅器４３は、送り込まれる信号をＡ／Ｄ変換可能な大きさに増幅して送り出す機能を有している。
ローパスフィルタ４４は、低域周波数のみを信号として通過させる機能を有している。
マルチプレクサ４５は、送り込まれる複数の信号を選択制御信号の指令に基づいて選択的に送り出す機能を有している。
Ａ／Ｄ変換器４６は、マルチプレクサ４５からのアナログ信号をデジタル信号に変換する機能を有している。
Ｉ／Ｏ回路４７は、Ａ／Ｄ変換器４６と、操作装置４１と、表示装置４２と、メモリ４８と、ＭＰＵ４９との間で各種の信号やデータの受け渡しを行う機能を有している。
メモリ４８は、ＰＲＯＭやＲＡＭなどで構成され、所定プログラムや基本データなどを長期的に記憶したり、種々のデータや演算用数値などを一時的に記憶したりする機能を有している。
ＭＰＵ４９は、メモリ４８に格納されている所定プログラムの指示に従って、必要な信号をＩ／Ｏ回路４７を介して受け取り、また必要なデータをメモリ４８から受け取り、受け取った信号やデータに基づいて演算を実行する機能を有している。
【００２８】
＜操作装置の概略説明＞
操作装置４１は、操作スイッチや数値キーなどを備えてなり、測定開始・終了の動作や零点調整動作、使用モードの切り換え動作、数値設定動作などの種々の動作の際に用いられる。
【００２９】
＜表示装置の概略説明＞
表示装置４２は、例えば液晶ディスプレイからなり、測定結果や各種データの入出力画面などが表示される。
【００３０】
＜重心高さ測定装置の制御系システムの処理動作の概略説明＞
重心高さ測定装置１の制御系システムにおいては、ロードセル１１〜１４、変位センサ３０および加速度センサ３１のそれぞれの信号は、増幅器４３、ローパスフィルタ４４、マルチプレクサ４５、Ａ／Ｄ変換器４６およびＩ／Ｏ回路４７を経由してＭＰＵ４９に送られる。ＭＰＵ４９は、メモリ４８に格納されている所定プログラムに従って、Ｉ／Ｏ回路４７からの信号を取り込み、またメモリ４８に記憶されている種々のデータを読み込み、これらの信号やデータに基づいて測定対象物４の平面的重心座標の演算や重心高さの演算を実行する。そして、その演算結果は表示装置４２に表示される。
【００３１】
＜ＭＰＵの機能説明＞
ＭＰＵ４９においては、所定プログラムが実行されることにより、図６に示される平面的重心座標演算部５０および重心高さ演算部５１のそれぞれの機能が実現される。
【００３２】
＜重心Ｇの平面座標（ｘＧ，ｙＧ）の求め方の理論説明＞
次に、図７および図８を用いて、測定対象物４の平面的重心座標、すなわち載台５に載せられた測定対象物４の重心Ｇを水平面（ｏ−ｘｙ平面）に射影したときのその面上における重心Ｇの座標（ｘＧ，ｙＧ）の求め方について説明する。
なお、理論説明の簡単化のために、載台５は密度が一定の直方体と仮定する。座標系ｏ−ｘｙｚの原点は載台５の中央にとる。ロードセル１１〜１４のそれぞれの出力は無負荷時において零に調整されているものとする。図７および図８中の記号および理論式で用いる記号の意味を下記のとおり定義する。
Ｇ：測定対象物４の重心
Ｇ０：載台５の重心
ａ：ロードセル１１（１３）とロードセル１２（１４）との間の距離
ｂ：ロードセル１１（１２）とロードセル１３（１４）との間の距離
ｃ：載台５の高さ
Ｈ：ロードセル１１〜１４の高さ（弾性体１５の高さ）
Ｗｉ：各ロードセル１１〜１４に作用する静荷重（ｉ＝１，２，３，４）
Ｗ：測定対象物４の自重（＝Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３＋Ｗ４）
Ｗ１２：Ｗ１＋Ｗ２
Ｗ２４：Ｗ２＋Ｗ４
なお、上記記号のうち、ａ，ｂ，ｃ，Ｈ，Ｒは既知の値であり、これらの値は予めメモリ４８に記憶される。
【００３３】
＜重心Ｇの平面座標（ｘＧ，ｙＧ）の求め方の理論説明＞
モーメントのつりあい条件として次式（５），（６）が成り立つ。
Ｗ２４ａ−Ｗ・（ａ／２＋ｘＧ）＝０ ・・・（５）
Ｗ１２ｂ−Ｗ・（ｂ／２＋ｙＧ）＝０ ・・・（６）
上記式（５），（６）より次式（７），（８）が得られる。
ｘＧ＝ａ・（Ｗ２４／Ｗ−１／２） ・・・（７）
ｙＧ＝ｂ・（Ｗ１２／Ｗ−１／２） ・・・（８）
よって、Ｗ２４，Ｗ１２およびＷの測定値を上記式（７），（８）に代入して計算することにより、重心Ｇの平面座標（ｘＧ，ｙＧ）を求めることができる。
【００３４】
＜測定対象物の重心高さｈの求め方の理論説明＞
次に、測定対象物４の重心高さｈの求め方について、主に図８を用いて以下に説明する。以下の理論説明では、測定対象物４が載せられた載台５が自由振動状態にあることが前提となる。油圧シリンダ２４にて自由振動の初期条件を与えるとともに、復元力発生機構からの復元力Ｆを作用させることにより、測定対象物４が載せられた載台５を水平方向（ｙ方向）に自由振動させる。なお、図８では、静止時における測定対象物４の重心Ｇのｙ座標ｙＧをｄで表わしている。また、ｏ−ｙｚ座標系は空間に固定した座標系とする。
【００３５】
ここで、以下の説明で用いる新しい記号を定義しておく。
（文１）
なお、上記記号のうち、ｍ０，ｅは既知の値であり、これらの値は予めメモリ４８に記憶される。
【００３６】
測定対象物４が剛体であるならば、測定対象物４の重心Ｇと載台５の重心Ｇ０とのＺ方向の相対変位は零である。測定対象物４が非剛体の場合、その相対変位は零ではないが、その量は微小である。よって、その相対変位の量は以下の運動方程式において無視することとする。すなわち、Ｚ０（ｔ）＝ＺＧ（ｔ）とおく。このとき、系の運動方程式は次式（９），（１０）で表わされる。
【数１】
上記式（９），（１０）は、測定対象物４が剛体であるか否かとは関係なく成立する。
また、転倒モーメントのつりあい条件として次式（１１）を得る。
【００３７】
【数２】
ここに、δは、重心Ｇの重心Ｇ０に対するｙ方向の相対変位である。δは（ｂ／２−ｄ）に比較して微小であるから以下の式変形においては無視する。
【００３８】
（文２）
【００３９】
【数３】
上記式（１２）より、測定対象物４の重心高さｈを求める次式（１３）が得られる。
【００４０】
【数４】
【００４１】
前述した復元力Ｆを求める式（４）において、弾性体１５に作用する垂直荷重ＮはＭｇ（ｇ：重力加速度）、弾性体１５の上側凸面１８および下側凸面１９の曲率半径Ａ，Ｂはいずれも所定半径Ｒであるから、ロードセル１１〜１４によって支持される載台５の復元力Ｆは、次式（１４）で表わすことができる。
【００４２】
【数５】
上記式（１４）を上記式（１３）に代入してｈを書き直すと次式（１５）となる。
【００４３】
【数６】
ただし、ｋは次式（１６）で表わされるものである。
【数７】
（文３）
【００４４】
（文４）
ここで、「剛体」とは、外力による変形が全く生じない「完全剛体」と、外力による変形が若干生じてもその変形による重心高さ測定上の影響が極めて少なくて完全剛体と見なしても何ら支障がない「見なし剛体」とを包含するものである。また、「非剛体」とは、外力による変形が生じてその変形の影響が重心高さ測定上無視できない物体を総称して表現したものである。
【００４５】
【数８】
【数９】
（文５）
【００４６】
＜ロードセルで検出される荷重信号の補正の説明＞
ところで、載台５の水平方向の自由振動に伴って、ロードセル１１〜１４は回転振動となる。これにより、ロードセル１１〜１４の軸方向に作用する荷重は、回転角θの関数となる。今、ロードセル１１〜１４で検出される荷重Ｗｉ´（ｔ）が上記の軸方向荷重であると仮定する。
【００４７】
このとき、Ｗｉ´（ｔ）は次式（１８）で表わすことができる。
【数１０】
ただし、Ｆｉ（ｔ）およびθはそれぞれ次式（１９）および式（２０）で表わされる。
【数１１】
【数１２】
ここに、Ｆｉ（ｔ）は、各ロードセル１１〜１４に生じる復元力Ｆの符号を逆にしたものである。
上記式（１８）により次式（２１）が得られる。
【数１３】
式（２１）によりＷｉ（ｔ）がＷｉ´（ｔ）とｙ０（ｔ）から求まることがわかる。
なお、傾斜補正の成されたデジタルロードセルを用いる場合は、その出力はＷｉ（ｔ）であるから、上述の補正は不要となる。
【００４８】
＜重心高さ測定装置の計測動作の説明＞
以上に述べたように構成される重心高さ測定装置１の計測動作について、主に、図６の機能ブロック図、図９のフローチャートおよび図１０のタイムチャートを用いて以下に説明する。なお、図９において記号「Ｓ」はステップを表わす。
以下の計測動作説明は、測定対象物４が荷物を載せた車両（貨物トラック）である場合の例である。
【００４９】
＜ステップＳ１〜Ｓ４の処理内容の説明＞
載台５に進入した貨物トラックが停止するまで待機する（Ｓ１）。
貨物トラックが停止した時刻ｔ１から微小時間Δｔだけ経過した時刻（ｔ１＋Δｔ）以降において、平面的重心演算部５０は、ロードセル１１〜１４からの静荷重信号Ｗｉ（ｉ＝１，２，３，４）を読み込むとともに、読み込んだ静荷重信号Ｗｉから測定対象物４の質量（重量）を求める（Ｓ２）。
また、平面的重心演算部５０は、次式（１６）に基づいてｋを演算する（Ｓ３）とともに、次式（７），（８）に基づいて測定対象物４の重心Ｇの平面座標（ｘＧ，ｙＧ）を算出する（Ｓ４）。
【数１４】
ｘＧ＝ａ・（Ｗ２４／Ｗ−１／２） ・・・（７）
ｙＧ＝ｂ・（Ｗ１２／Ｗ−１／２） ・・・（８）
【００５０】
＜ステップＳ５の処理内容の説明＞
時刻ｔ２において、制御装置４０（Ｉ／Ｏ回路４７）は、油圧シリンダ２４の伸長作動を示すバルブ切換信号を電磁弁２６に送信する。これにより、油圧シリンダ２４が伸長作動され、載台５の側面がピストンロッド２５に押されて載台５に水平方向の変位と速度が与えられる。その後、あらかじめ定められた変位において、制御装置４０は、油圧シリンダ２４の収縮作動を示すバルブ切換信号を電磁弁２６に送信する。これにより、油圧シリンダ２４が収縮作動され、載台５とピストンロッド２５との接触が解除され、載台５に自由振動の初期条件が与えられる。そして、載台５には水平方向の変位に対する復元力発生機構からの復元力Ｆが作用するため、載台５は水平方向（ｙ方向）に自由振動する。
【００５１】
＜ステップＳ６，Ｓ７の処理内容の説明＞
（文６）
【００５２】
＜ステップＳ８の処理内容の説明＞
載台５が静止した時刻ｔ４以降から時刻ｔ５の間において、重心高さ演算部５１は、ステップＳ２で取得した静荷重信号ＷｉとステップＳ６で収得した動荷重信号Ｗｉ（ｔ）とに基づいてΔＷ（ｔ）およびΔＷ３４（ｔ）をそれぞれ演算する。
【００５３】
＜ステップＳ９の処理内容の説明＞
時刻ｔ５以降から時刻ｔ６の間において、重心高さ演算部５１は、次式（１５）に基づいて測定対象物４の重心Ｇの重心高さｈを演算する。なお、ｈの測定値は、あらかじめ定めた時間区間内の各サンプリング時刻において式（１５）で計算されたｈの平均値とする。
【数１５】
【００５４】
＜ステップＳ１０の処理内容の説明＞
そして、制御装置４０（Ｉ／Ｏ回路４７）は、ステップＳ９の演算の結果得られた重心高さｈの値を表示させる表示信号を表示装置４２に送信する。これにより、ステップＳ９の演算で求められた重心高さｈの値が表示装置４２に表示される。
【００５５】
＜第１の実施形態の重心高さ測定装置の作用効果の説明＞
第１の実施形態の重心高さ測定装置１によれば、貨物トラック（測定対象物４）が載せられた載台５を水平方向に自由振動させることにより、貨物トラックの重心高さを求める上で必要とされる載台５の水平方向の変位と加速度とが得られるので、貨物トラックの重心高さを定位置で測定することができる。
【００５６】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態に係る重心高さ測定装置について図１１〜図１４を用いて説明する。なお、第２の実施形態の重心高さ測定装置１Ａにおいて、第１の実施形態の重心高さ測定装置１と同一または同様のものについては図に同一符号を付すに留めてその詳細な説明を省略することとし、以下においては、第１の実施形態の重心高さ測定装置１と異なる点を中心に説明することとする。
【００５７】
＜第１の実施形態の重心高さ測定装置と異なる点の概略説明＞
第２の実施形態の重心高さ測定装置１Ａにおいては、第１の実施形態の重心高さ測定装置１において設けられている油圧シリンダ２４に代えて、図１１（ａ）に示されるように、載台５と設置ベース２とを連結する所要のリンク５５が設けられている。
【００５８】
＜リンクの配置とそのリンクによる載台の変位の拘束の説明＞
リンク５５は、図１１（ｂ）に示されるように、ｘ座標軸に対しθの傾きを持って配置されている。このリンク５５により、載台５のｘ方向とｙ方向の変位ｘ０，ｙ０は、次式（２２）で示されるような関係に拘束される。
ｙ０＝αｘ０，α＝１／ｔａｎθ（既知） ・・・（２２）
【００５９】
＜載台の自由振動の説明＞
リンク５５は、ｘ軸の正方向に走行している貨物トラック（測定対象物４）が載台５に進入し程なくして停止する際に、その貨物トラックから受ける力を利用して載台５の自由振動の方向を、リンク５５と直角を成す水平方向（特定方向ｕ）に拘束する（図１１（ｂ）参照）。載台５には、ｕ方向変位に対する復元力発生機構からの復元力Ｆが作用する。こうして、載台５の水平方向（ｕ方向）の変位に対して復元力Ｆを作用させることで、載台５を水平方向（ｕ方向）に自由振動させることができる。
【００６０】
＜測定対象物の重心高さｈの求め方の理論説明＞
載台５の自由振動が水平方向（ｕ方向）に拘束されているとき、ｙ方向の振動成分によりロードセル１１〜１４に作用する力を、添字ｙを付してΔＷｙ（ｔ）（＝ΔＷ１ｙ（ｔ）＋・・・＋ΔＷ４ｙ（ｔ）），ΔＷ３４ｙ（ｔ）（＝ΔＷ３ｙ（ｔ）＋ΔＷ４ｙ（ｔ））と書く。このとき、重心高さｈの理論式は、次式（２３）で表わされる。
【数１６】
上記式（２３）において、ΔＷｙ（ｔ），ΔＷ３４ｙ（ｔ）は、ロードセル１１〜１４に生じた荷重変化であるが、自由振動はｘ方向へも生じているから、ロードセル１１〜１４で検出される変化量ΔＷ（ｔ），ΔＷ３４（ｔ）とは異なる。
以下では、ΔＷｙ（ｔ）およびΔＷ３４ｙ（ｔ）がそれぞれΔＷ（ｔ）およびΔＷ３４（ｔ）によって求めることができることを示す。なお、添字ｘを付す記号はｘ方向の振動成分によりロードセル１１〜１４に作用する力を表わすものとする。
【００６１】
＜ΔＷｙ（ｔ）の求め方の理論説明＞
ΔＷｙ（ｔ）は、ΔＷ（ｔ）（＝ΣΔＷｉ（ｔ））を用いて表わすことができる。
すなわち、
【数１７】
であり、
ΔＷ（ｔ）＝ΔＷｘ（ｔ）＋ΔＷｙ（ｔ）＝（１＋１／α２）・ΔＷｙ（ｔ）
であるから、ΔＷｙ（ｔ）は次式（２４）で表わすことができる。
ΔＷｙ（ｔ）＝α２・ΔＷ（ｔ）／（１＋α２） ・・・（２４）
また、ΔＷｘ（ｔ）は次式（２５）で表わすことができる。
ΔＷｘ（ｔ）＝ΔＷ（ｔ）／（１＋α２） ・・・（２５）
【００６２】
＜ΔＷ３４ｙ（ｔ）の求め方の理論説明＞
ΔＷ３４ｙ（ｔ）は、ΔＷ３４（ｔ）とΔＷ（ｔ）を用いて表わすことができる。
すなわち、
ΔＷ３４（ｔ）＝ΔＷ３４ｘ（ｔ）＋ΔＷ３４ｙ（ｔ）
であるから、ΔＷ３４ｙ（ｔ）は次式（２６）で表わすことができる。
ΔＷ３４ｙ（ｔ）＝ΔＷ３４（ｔ）−ΔＷ３４ｘ（ｔ）
≒ΔＷ３４（ｔ）−ΔＷｘ（ｔ）／２（∵ｂ／２＞＞ｄ）
＝ΔＷ３４（ｔ）−ΔＷ（ｔ）／２（１＋α２） ・・・（２６）
【００６３】
＜重心高さ測定装置の計測動作の説明＞
次に、第２の実施形態の重心高さ測定装置１Ａの計測動作について、主に、図１２の機能ブロック図、図１３のフローチャートおよび図１４のタイムチャートを用いて以下に説明する。なお、図１３において記号「Ｔ」はステップを表わす。
以下の計測動作説明は、測定対象物４が荷物を載せた車両（貨物トラック）であり、ｘ軸の正方向に走行している貨物トラックが載台５に進入・停止する際にその貨物トラックの重心高さを測定する場合の例である。
【００６４】
＜ステップＴ１の処理内容の説明＞
載台５に進入した貨物トラックが停止するまで待機する（Ｔ１）。
このとき、リンク５５は、貨物トラックが載台５に進入・停止する際にその貨物トラックから受ける力を利用して載台５に対し自由振動を特定方向（ｕ方向）に与える。そして、載台５にはｕ方向変位に対する復元力発生機構からの復元力Ｆが作用するため、載台５はｕ方向に自由振動する。
【００６５】
＜ステップＴ２，Ｔ３の処理内容の説明＞
（文７）
【００６６】
＜ステップＴ４〜Ｔ６の処理内容の説明＞
載台５が自由振動状態から静止状態に移行した時刻ｔ３以降から時刻ｔ４において、平面的重心演算部５０は、ロードセル１１〜１４からの静荷重信号Ｗｉを読み込むとともに、読み込んだ静荷重信号Ｗｉから測定対象物４の質量（重量）を求める（Ｔ４）。
また、平面的重心演算部５０は、次式（１６）に基づいてｋを演算する（Ｔ５）とともに、次式（７），（８）に基づいて測定対象物４の重心Ｇの平面座標（ｘＧ，ｙＧ）を算出する（Ｔ６）。
【数１８】
ｘＧ＝ａ・（Ｗ２４／Ｗ−１／２） ・・・（７）
ｙＧ＝ｂ・（Ｗ１２／Ｗ−１／２） ・・・（８）
【００６７】
＜ステップＴ７の処理内容の説明＞
時刻ｔ４から時刻ｔ５の間において、重心高さ演算部５１は、ステップＴ４で取得した静荷重信号Ｗｉと、メモリ４８に記憶されている動荷重信号Ｗｉ（ｔ）とに基づいてΔＷ（ｔ）およびΔＷ３４（ｔ）をそれぞれ演算する。
【００６８】
＜ステップＴ８の処理内容の説明＞
時刻ｔ５から時刻ｔ６の間において、重心高さ演算部５１は、次式（２３），（２４），（２６）に基づいて測定対象物４の重心Ｇの重心高さｈを演算する。
【数１９】
ΔＷｙ（ｔ）＝α２・ΔＷ（ｔ）／（１＋α２） ・・・（２４）
ΔＷ３４ｙ（ｔ）＝ΔＷ３４（ｔ）−ΔＷ（ｔ）／２（１＋α２） ・・・（２６）
【００６９】
＜ステップＴ９の処理内容の説明＞
そして、制御装置４０は、ステップＴ８の演算の結果得られた重心高さｈの値を表示させる表示信号を表示装置４２に送信する。これにより、ステップＴ８の演算で求められた重心高さｈの値が表示装置４２に表示される。
【００７０】
＜第２の実施形態の重心高さ測定装置の作用効果の説明＞
第２の実施形態の重心高さ測定装置１Ａによれば、第１の実施形態の重心高さ測定装置１と同様の作用効果を得ることができるのは言うまでもない。さらに、第２の実施形態の重心高さ測定装置１Ａによれば、貨物トラックが載台５に進入・停止する際に載台５が貨物トラックから受ける力を利用して載台５をリンク５５にてｕ方向に自由振動させるようにされているので、第１の実施形態の重心高さ測定装置１において必要とされる油圧シリンダ２４や電磁弁２６、油圧ポンプ２７、これらを繋ぐ油圧配管、電動モータ２８などを省略することができ、装置構成の簡素化を図ることができる。
【００７１】
以上、本発明の重心高さ測定装置について、複数の実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、各実施形態に記載した構成を適宜組み合わせる等、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。
【００７２】
＜構成変更例の概要説明＞
上記各実施形態では、図３に示されるように、ダブルコンベックス・ローディング方式のコラム型のロードセル１１〜１４とそのロードセル１１〜１４の上側受け部材２０および下側受け部材２２によって載台５を支持する構造を採用したが、これに限定されるものではなく、図１５に示されるような載台支持構造を採用してもよい。
【００７３】
＜載台支持構造の他の態様例（１）の説明＞
図１５に示される載台支持構造は、載台５から垂設される一対の脚部材６１，６１と、一対の脚部材６１，６１の間に位置するように設置ベース２上に立設される一対の支柱部材６２，６２と、一対の支柱部材６２，６２の上端部同士を繋ぐ軸形ロードセル６３と、一対の脚部材６１，６１の下端部同士を繋ぐ下部ピン６４と、軸形ロードセル６３と下部ピン６４とに掛け渡される吊り環部材６５とを備えて構成されている。
軸形ロードセル６３は、その軸線方向中央部に、全周に亘って所定の曲率半径で窪んだ窪み部６６を有している。この窪み部６６に吊り環部材６５の上部が掛け止められている。また、下部ピン６４も同様に、その軸線方向中央部に、全周に亘って所定の曲率半径で窪んだ窪み部６７を有している。この窪み部６７に吊り環部材６５の下部が掛け止められている。
この載台支持構造においては、軸形ロードセル６３の軸線回りの振り子の作用により、載台５の前後方向（軸形ロードセル６３の軸線と直交する水平方向）の変位に対する復元力が作用する。また、軸形ロードセル６３の窪み部６６に吊り環部材６５の上部が掛け止められているので、吊り環部材６５が軸形ロードセル６３の軸線方向に移動した際に、吊り環部材６５を窪み部６６の最低部へと戻す揺り戻し力が作用する。この揺り戻し力の作用により、載台５の左右方向（軸形ロードセル６３の軸線方向）の変位に対する復元力が作用する。
【００７４】
＜載台支持構造の他の態様例（２）の説明＞
また、図１５に示される載台支持構造に代えて、図１６に示される載台支持構造を採用することもできる。
図１６に示される載台支持構造においては、載台５から垂設される一対の脚部材６１，６１と、一対の脚部材６１，６１の間に位置するように設置ベース２上に立設される一対の支柱部材６２，６２と、一対の支柱部材６２，６２の上端部同士を繋ぐ上部ピン６８と、一対の脚部材６１，６１の下端部同士を繋ぐ下部ピン６４と、上部ピン６８と下部ピン６４とに掛け渡される吊り環部材６９とを備えて構成されている。
上部ピン６８は、その軸線方向中央部に、全周に亘って所定の曲率半径で窪んだ窪み部７０を有している。この窪み部７０に吊り環部材６９の上部が掛け止められている。
吊り環部材６９の上下方向中央部には、引張形ロードセル７１が介設されている。
この載台支持構造においては、上部ピン６８の軸線回りの振り子の作用により、載台５の前後方向（上部ピン６８の軸線と直交する水平方向）の変位に対する復元力が作用する。また、上部ピン６８の窪み部７０に吊り環部材６９の上部が掛け止められているので、吊り環部材６９が上部ピン６８の軸線方向に移動した際に、吊り環部材６９を窪み部７０の最低部へと戻す揺り戻し力が作用する。この揺り戻し力の作用により、載台５の左右方向（上部ピン６８の軸線方向）の変位に対する復元力が作用する。
【００７５】
＜載台支持構造の他の態様例（３）の説明＞
また、図１５に示される載台支持構造に代えて、図１７に示される載台支持構造を採用することもできる。
図１７に示される載台支持構造においては、載台５の下面に固定される上側受け部材８１と、設置ベース２上に固定される下側受け部材８２と、下側受け部材８２上に設置されるロードセル８３と、ロードセル８３と上側受け部材８１との間に配設される鋼球８４とを備えて構成されている。
上側受け部材８１には、鋼球８４との間に介在される上側受け座８５が形成されている。上側受け座８５は、鋼球８４の球面８４ａと接触される凹座面８６を有している。
ロードセル８３には、鋼球８４との間に介在される下側受け座８７が形成されている。下側受け座８７は、鋼球８４の球面８４ａと接触される凹座面８８を有している。
凹座面８６，８８の曲率半径は、鋼球８４の球面８４ａの曲率半径よりも大きく設定されている。
復元力発生機構は、鋼球８４の球面８４ａおよび上側受け座８５の凹座面８６と、鋼球８４の球面８４ａおよび下側受け座８７の凹座面８８とにより構成され、載台５の水平方向の変位に対して復元力を発生する。
【００７６】
＜用語の説明＞
油圧シリンダ２４が本発明の「アクチュエータ」に相当する。
変位センサ３０および加速度センサ３１を含む構成が本発明の「振動状態量検出手段」に相当する。
平面的重心座標演算部５０および重心高さ演算部５１を含む構成（ＭＰＵ４９）が本発明の「演算手段」に相当する。
弾性体１５の上側凸面１８および上側受け部材２０の水平座面２１と、弾性体１５の下側凸面１９および下側受け部材２２の水平座面２３とを含む構成が本発明の「復元力発生機構」に相当する。
脚部材６１と、支柱部材６２と、軸形ロードセル６３と、下部ピン６４と、吊り環部材６５とを含む構成が本発明の「復元力発生機構」に相当する。
脚部材６１と、支柱部材６２と、上部ピン６８と、下部ピン６４と、吊り環部材６９とを含む構成が本発明の「復元力発生機構」に相当する。
鋼球８４の球面８４ａおよび上側受け座８５の凹座面８６と、鋼球８４の球面８４ａおよび下側受け座８７の凹座面８８とを含む構成が本発明の「復元力発生機構」に相当する。
【００７７】
＜加速度検出手段の別態様例の説明＞
上記実施形態においては、自由振動状態にある載台５の加速度を検出する加速度検出手段として、加速度センサ３１を用いる例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、重心高さ演算部５１は、変位センサ３０の検出信号に基づいて２回微分演算を実行することで、載台５の加速度を求めることができる。この場合、加速度センサ３１は不要になる。なお、上記微分演算を重心高さ演算部５１に実行させるのではなく、別途に加速度演算部を設け、この加速度演算部に上記微分演算を実行させる態様もあり得る。
【００７８】
＜動荷重変動ΔＷ（ｔ）の測定の別態様例の説明＞
（文８）
【００７９】
＜ダブルコンベックス・ローディング方式以外のロードセルを採用した場合の説明＞
図３に示されるダブルコンベックス・ローディング方式のコラム型のロードセル１１〜１４に代えて、図１５に示される載台支持構造を採用した場合の荷重検出に関わる力学モデルは図１８（ａ）に示されるようになる。
この場合の復元力Ｆは、次式（２８）で表わされる。
【数２０】
このＦを式（１３）に代入するにあたり、式（１６）と同じようにｋとして表わすと、次式（２９）で示されるようになる。
【数２１】
このｋを式（１６）に代えて式（１５）に用いればよい。なお、軸形ロードセル６３は鉛直方向の力を検出するものであるとする。
また、測定対象物４が剛体の場合は、式（１７）´のｋを式（１６）に代えて式（２９）を用いればよい。
【００８０】
また、図３に示されるダブルコンベックス・ローディング方式のコラム型のロードセル１１〜１４に代えて、図１６に示される載台支持構造を採用した場合の荷重検出に関わる力学モデルは図１８（ｂ）に示されるようになる。
この場合の復元力Ｆは、次式（３０）で表わされる。
Ｆ＝Ｍｇ・ｙ０／ｌ ・・・（３０）
このＦを式（１３）に代入するにあたり、式（１６）と同じようにｋとして表わすと、次式（３１）で示されるようになる。
ｋ＝Ｍｇ／ｌ ・・・（３１）
このｋを式（１６）に代えて式（１５）に用いればよい。なお、引張形ロードセル７１は傾斜に応じた引張方向の力を検出するものであるとする。
また、測定対象物４が剛体の場合は、式（１７）´のｋを式（１６）に代えて式（３１）を用いればよい。
ただし、この場合、引張形ロードセル７１は鉛直方向の力を検出していないので、式の中のΔＷおよびΔＷ３４の値は次式（３２）（３３）に示されるように補正演算が必要である。
【数２２】
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明の重心高さ測定装置は、測定対象物の重心高さを定位置で測定することができるという特性を有していることから、コンテナ貨物や貨物トラックの重心高さの測定の用途に好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００８２】
１，１Ａ 重心高さ測定装置
４ 測定対象物
５ 載台
１１〜１４ ロードセル
１５ 弾性体
１８ 上側凸面
１９ 下側凸面
２０ 上側受け部材
２１ 水平座面
２２ 下側受け部材
２３ 水平座面
２４ 油圧シリンダ
３０ 変位センサ
３１ 加速度センサ
５０ 平面的重心座標演算部
５１ 重心高さ演算部
５５ リンク
６１ 脚部材
６２ 支柱部材
６３ 軸形ロードセル
６４ 下部ピン
６５ 吊り環部材
６８ 上部ピン
６９ 吊り環部材
７１ 引張形ロードセル
８４ 鋼球
８４ａ 球面
８５ 上側受け座
８６ 凹座面
８７ 下側受け座
８８ 凹座面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷重を検出する複数のロードセルと、
前記ロードセルによって支持され、重心高さの測定対象物を載せる載台と、
測定対象物が載せられた前記載台を水平方向に自由振動させる振動発生手段と、
自由振動状態にある前記載台の変位および加速度のいずれか一方または両方を検出する振動状態量検出手段と、
前記ロードセルからの検出信号と前記振動状態量検出手段からの検出信号とに基づいて測定対象物の重心高さを演算する演算手段と
を備えることを特徴とする重心高さ測定装置。
【請求項２】
前記振動発生手段は、前記載台に対し水平方向の力を与えるアクチュエータと、前記載台の水平方向の変位に対して復元力を発生する復元力発生機構とを備えてなるものである請求項１に記載の重心高さ測定装置。
【請求項３】
前記測定対象物は、荷物を載せた車両であり、
前記振動発生手段は、前記載台に進入した前記車両が停止する際にその車両から受ける力を利用して前記載台に対し自由振動を特定方向に与えるリンクと、前記載台の水平方向の変位に対して復元力を発生する復元力発生機構とを備えてなるものである請求項１に記載の重心高さ測定装置。
【請求項１】
荷重を検出する複数のロードセルと、
前記ロードセルによって支持され、重心高さの測定対象物を載せる載台と、
測定対象物が載せられた前記載台を水平方向に自由振動させる振動発生手段と、
自由振動状態にある前記載台の変位および加速度のいずれか一方または両方を検出する振動状態量検出手段と、
前記ロードセルからの検出信号と前記振動状態量検出手段からの検出信号とに基づいて測定対象物の重心高さを演算する演算手段と
を備えることを特徴とする重心高さ測定装置。
【請求項２】
前記振動発生手段は、前記載台に対し水平方向の力を与えるアクチュエータと、前記載台の水平方向の変位に対して復元力を発生する復元力発生機構とを備えてなるものである請求項１に記載の重心高さ測定装置。
【請求項３】
前記測定対象物は、荷物を載せた車両であり、
前記振動発生手段は、前記載台に進入した前記車両が停止する際にその車両から受ける力を利用して前記載台に対し自由振動を特定方向に与えるリンクと、前記載台の水平方向の変位に対して復元力を発生する復元力発生機構とを備えてなるものである請求項１に記載の重心高さ測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１１−５３２０６（Ｐ２０１１−５３２０６Ａ）
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７３７５０（Ｐ２０１０−１７３７５０）
【出願日】平成２２年８月２日（２０１０．８．２）
【出願人】（０００２０８４４４）大和製衡株式会社 (535)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２日（２０１０．８．２）
【出願人】（０００２０８４４４）大和製衡株式会社 (535)
【Ｆターム（参考）】
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