JP2003294777A

JP2003294777A - 回転数検出装置、物体計測システムおよび回転数検出方法

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Publication number: JP2003294777A
Application number: JP2002095290A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Ishimaru; 伊知郎石丸
Original assignee: Techno Network Shikoku Co Ltd
Current assignee: Techno Network Shikoku Co Ltd
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2003-10-15
Anticipated expiration: 2022-03-29
Also published as: JP3870233B2

Abstract

(57)【要約】【課題】一般的に使用される物体であってもその自転回
転数を簡単かつ容易に検出することができる回転数検出
装置、物体計測システムおよび回転数検出方法を提供す
る。【解決手段】自転する物体Ｍの自転回転数を検出する検
出装置であって、検出装置が、物体Ｍに向けて周波数が
一定である発信信号を発信する発信手段１０と、物体Ｍ
で反射した反射信号を受信する受信手段２０と、受信手
段２０が受信した反射信号が入力され、反射信号の周波
数スペクトル関数を形成する信号処理手段３０とからな
り、信号処理手段３０が、周波数スペクトル関数におい
て、反射信号の強度が所定の値以上となる周波数帯を算
出する。よって、物体Ｍが、一般的に使用される物体で
あっても、物体Ｍの表面における接線方向の速度を求め
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転数検出装置、
物体計測システムおよび回転数検出方法に関する。さら
に詳しくは、自転する物体の自転速度を検出するための
回転数検出装置、物体計測システムおよび回転数検出方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から自転しながら移動する物体の自
転速度を検出する場合、例えば白と黒に交互に着色した
物体に光を当てて反射光の明暗周期から自転回転数を求
めたり、高速度カメラによって物体を撮影して画像を解
析することによって自転回転数を求めたりしていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、前者の方法
では、計測する物体をあらかじめ着色しておかなければ
ならず、ゴルフやテニス等の試合中において、実際に競
技者が使用しているボール等の回転数は求めることがで
きない。また、高速度カメラの場合、カメラの撮影範囲
内に物体が入ったときに撮影を開始させるトリガー信号
が必要であるため、ゴルフやテニス等の試合中におい
て、飛んでいるボールを捉えて撮影することは困難であ
るし、撮影された画像の解析には時間と手間がかかる
し、装置が高価であるという問題がある。

【０００４】本発明はかかる事情に鑑み、一般的に使用
される物体であってもその自転回転数を簡単かつ容易に
検出することができる回転数検出装置および回転数検出
方法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１の回転数検出装
置は、自転する物体の自転回転数を検出する検出装置で
あって、該検出装置が、前記物体に向けて周波数が一定
である発信信号を発信する発信手段と、前記物体で反射
した反射信号を受信する受信手段と、該受信手段が受信
した前記反射信号が入力され、該反射信号の周波数スペ
クトル関数を形成する信号処理手段とからなり、該信号
処理手段が、前記周波数スペクトル関数において、前記
反射信号の強度が所定の値以上となる周波数帯を算出す
ることを特徴とする。請求項２の回転数検出装置は、請
求項１記載の発明において、前記周波数帯が、前記周波
数スペクトル関数において、前記反射信号の強度が最大
となる周波数を基準周波数とする周波数帯域幅であるこ
とを特徴とする。請求項３の回転数検出装置は、請求項
１記載の発明において、前記周波数スペクトル関数が、
複数の周波数において極大値を有する場合であって、前
記周波数帯が、前記周波数スペクトル関数において、前
記反射信号の強度が極大値となる一の周波数と、前記反
射信号の強度が極大値となる他の周波数との間の周波数
領域であることを特徴とする。請求項４の回転数検出装
置は、請求項３記載の発明において、前記一の周波数
が、前記周波数スペクトル関数において、前記反射信号
の強度が最大となる周波数であることを特徴とする。請
求項５の回転数検出装置は、請求項１記載の発明におい
て、前記信号処理手段に、前記発信信号の周波数情報が
入力されており、前記信号処理手段が、前記発信信号の
周波数と前記周波数スペクトル関数において前記反射信
号の強度が最大となる周波数との差を算出することを特
徴とする。請求項６の物体計測システムは、請求項１，
２，３，４または５記載の回転数検出装置を複数台備え
たシステムであって、各回転数検出装置が、前記周波数
帯に対応する回転速度信号を発信する発信部を備えてお
り、前記システムが、各回転数検出装置の信号処理器の
発信部が発信した回転速度信号が入力される移動状況解
析手段を備えており、該移動状況解析手段が、各回転数
検出装置から送信された回転速度信号と、前記複数の回
転数検出装置同士の相対的な位置関係を示す位置情報と
から前記物体の自転軸の傾きを算出することを特徴とす
る。請求項７の物体計測システムは、請求項６記載の発
明において、各回転数検出装置の信号処理器の発信部が
発信した前記発信信号の周波数と前記周波数スペクトル
関数において前記反射信号の強度が最大となる周波数と
の差に対応する移動速度信号が、前記移動状況解析手段
に入力されており、該移動状況解析手段が、各回転数検
出装置から送信された移動速度信号と、前記複数の回転
数検出装置同士の相対的な位置関係を示す位置情報とか
ら前記物体の並進速度ベクトルを算出することを特徴と
する。請求項８の回転数検出方法は、自転する物体の自
転回転数を検出する検出方法であって、自転する物体に
向けて発信信号を発信し、前記物体で反射した反射信号
を受信し、受信した前記反射信号を用いて該反射信号の
周波数スペクトル関数を形成し、該周波数スペクトル関
数において、前記反射信号の強度が所定の値以上となる
周波数帯を算出することを特徴とする。請求項９の回転
数検出方法は、請求項８記載の発明において、前記周波
数スペクトル関数において、前記反射信号の強度が最大
となる周波数を基準周波数とする周波数帯域幅を算出す
ることを特徴とする。請求項１０の回転数検出方法は、
請求項８記載の発明において、前記周波数スペクトル関
数において、前記反射信号の強度が極大値となる一の周
波数と、前記反射信号の強度が極大値となる他の周波数
を算出することを特徴とする。請求項１１の回転数検出
方法は、請求項１０記載の発明において、前記一の周波
数として、前記周波数スペクトル関数における前記反射
信号の強度が最大となる周波数を算出することを特徴と
する。

【０００６】請求項１の発明によれば、物体が自転して
いる場合において、物体の自転にのみ起因して発生する
物体表面の接線方向の速度ベクトルを回転速度ベクトル
とする。すると、発信手段によって発信された発信信号
が自転する物体の表面で反射すると、物体の表面で反射
した反射信号のうち、回転速度ベクトルが発信信号の進
行方向と逆向きの速度成分を有する表面で反射した反射
信号の周波数は、ドップラー効果によって、発信信号の
周波数よりも周波数が高くなる。逆に、回転速度ベクト
ルが発信信号の進行方向と同じ向きの速度成分を有する
表面で反射した反射信号の周波数は、ドップラー効果に
よって、発信信号の周波数よりも周波数が低くなる。し
たがって、物体表面で反射した反射信号の周波数スペク
トル関数は、その強度が所定の値以上となる周波数成分
が広がりをもつことになる。よって周波数スペクトル関
数において、その強度が所定の値以上となる周波数帯を
算出すれば、物体の表面における接線方向の速度、つま
り回転速度ベクトルの大きさを求めることができる。そ
して、一般的に使用される物体であっても、その物体に
おいて、その自転軸と垂直な断面の半径さえ分かってい
れば、回転速度ベクトルの大きさからその物体の自転回
転数を簡単かつ容易に検出することができる。また、物
体が自転しながら移動している場合においても、回転速
度ベクトルが発信信号の進行方向と逆向きの速度成分を
有する表面で反射した反射信号の周波数は、物体の移動
速度に起因する反射信号の周波数よりも周波数が高くな
り、逆に、回転速度ベクトルが発信信号の進行方向と同
じ向きの速度成分を有する表面で反射した反射信号の周
波数は、物体の移動速度に起因する反射信号の周波数よ
りも周波数が低くなる。したがって、周波数スペクトル
関数において、その強度が所定の値以上となる周波数帯
を算出すれば、物体が移動している場合であっても、回
転速度ベクトルの大きさを求めることができる。請求項
２の発明によれば、受信手段で受信された反射信号の周
波数スペクトル関数は、物体の移動速度に対応する周波
数（物体が停止している場合には、発信信号の周波数）
を中心とする山形の波形となる。このため、周波数スペ
クトル関数において、物体の移動速度に対応する周波
数、つまり反射信号の強度が最大となる周波数を基準周
波数として、その周波数帯域幅を求めれば、物体の表面
における接線方向の速度、つまり回転速度ベクトルの大
きさを正確に求めることができる。よって、一般的に使
用される物体であっても、その自転軸と垂直な断面の形
状が円形であり、かつその物体の半径さえ分かっていれ
ば、回転速度ベクトルの大きさからその物体の自転回転
数を正確に検出することができる。請求項３の発明によ
れば、周波数スペクトル関数は、物体の移動速度に対応
する周波数（物体が停止している場合には、発信信号の
周波数）だけでなく、物体の自転軸をはさんで左右両側
の端面で反射した周波数近傍でも極大値を有する場合が
ある。物体の左右両側の端面の速度は、物体の移動速度
（物体が停止している場合には、移動速度＝０）から物
体の表面の速度、つまり回転速度ベクトルの大きさを引
いた速度または物体の移動速度（物体が停止している場
合には、移動速度＝０）に回転速度ベクトルの大きさを
加えた速度とほぼ同じ値となる。このため、周波数スペ
クトル関数において極大値となる複数の周波数のうち、
いずれか２つの周波数の差を求めれば、回転速度ベクト
ルの大きさをより正確に求めることができる。よって、
一般的に使用される物体であっても、その物体の半径さ
え分かっていれば、回転速度ベクトルの大きさからその
物体の自転回転数を正確に検出することができる。そし
て、左右両側の端面近傍から反射される反射信号にノイ
ズが多く含まれる場合でも、そのノイズの影響を抑える
ことができる。請求項４の発明によれば、一の周波数を
基準周波数とすれば、周波数帯域幅を正確に求めること
ができるので、物体の表面の速度、つまり回転速度ベク
トルの大きさを正確に求めることができる。請求項５の
発明によれば、物体が移動している場合、物体の自転回
転数だけでなく、物体の移動速度も計測することができ
る。請求項６の発明によれば、移動状況解析手段によっ
て複数の回転数検出装置から入力された回転数信号と各
測定装置の相対的な位置から物体の表面の速度ベクト
ル、つまり回転速度ベクトルを算出することができるの
で、物体の自転軸の傾きを求めることができる。請求項
７の発明によれば、物体が移動している場合、移動状況
解析手段によって複数の回転数検出装置から入力された
移動速度信号と各測定装置の相対的な位置から物体の並
進速度ベクトルを算出することができる。このため、物
体の自転が物体の移動方向に与える影響を把握すること
ができる。請求項８の発明によれば、物体が自転してい
る場合において、物体の自転にのみ起因して発生する物
体表面の接線方向の速度ベクトルを回転速度ベクトルと
する。すると、自転する物体に向けて発信された発信信
号が物体の表面で反射すると、物体の表面で反射した反
射信号のうち、回転速度ベクトルが発信信号の進行方向
と逆向きの速度成分を有する表面で反射した反射信号の
周波数は、ドップラー効果によって、発信信号の周波数
よりも周波数が高くなる。逆に、回転速度ベクトルが発
信信号の進行方向と同じ向きの速度成分を有する表面で
反射した反射信号の周波数は、ドップラー効果によっ
て、発信信号の周波数よりも周波数が低くなる。したが
って、物体表面で反射した反射信号の周波数スペクトル
関数は、その強度が所定の値以上となる周波数成分が広
がりをもつことになる。よって周波数スペクトル関数に
おいて、その強度が所定の値以上となる周波数帯を算出
すれば、物体の表面における接線方向の速度、つまり回
転速度ベクトルの大きさを求めることができる。そし
て、一般的に使用される物体であっても、その物体にお
いて、その自転軸と垂直な断面の半径さえ分かっていれ
ば、回転速度ベクトルの大きさからその物体の自転回転
数を簡単かつ容易に検出することができる。また、物体
が自転しながら移動している場合においても、回転速度
ベクトルが発信信号の進行方向と逆向きの速度成分を有
する表面で反射した反射信号の周波数は、物体の移動速
度に起因する反射信号の周波数よりも周波数が高くな
り、逆に、回転速度ベクトルが発信信号の進行方向と同
じ向きの速度成分を有する表面で反射した反射信号の周
波数は、物体の移動速度に起因する反射信号の周波数よ
りも周波数が低くなる。したがって、周波数スペクトル
関数において、その強度が所定の値以上となる周波数帯
を算出すれば、物体が移動している場合であっても、回
転速度ベクトルの大きさを求めることができる。請求項
９の発明によれば、受信された反射信号の周波数スペク
トル関数は、物体の移動速度に対応する周波数（物体が
停止している場合には、発信信号の周波数）を中心とす
る山形の波形となる。このため、周波数スペクトル関数
において、物体の移動速度に対応する周波数、つまり反
射信号の強度が最大となる周波数を基準周波数として、
その周波数帯域幅を求めれば、物体の表面における接線
方向の速度、つまり回転速度ベクトルの大きさを正確に
求めることができる。よって、一般的に使用される物体
であっても、その物体の半径さえ分かっていれば、回転
速度ベクトルの大きさからその物体の自転回転数を正確
に検出することができる。請求項１０の発明によれば、
周波数スペクトル関数は、物体の移動速度に対応する周
波数（物体が停止している場合には、発信信号の周波
数）だけでなく、物体の自転軸をはさんで左右両側の端
面で反射した周波数近傍でも極大値を有する場合があ
る。物体の左右両側の端面の速度は、物体の移動速度
（物体が停止している場合には、移動速度＝０）から物
体の表面の速度、つまり回転速度ベクトルの大きさを引
いた速度または物体の移動速度（物体が停止している場
合には、移動速度＝０）に回転速度ベクトルの大きさを
加えた速度とほぼ同じ値となる。このため、周波数スペ
クトル関数において極大値となる複数の周波数のうち、
いずれか２つの周波数の差を求めれば、回転ベクトルの
大きさをより正確に求めることができる。よって、一般
的に使用される物体であっても、その物体の半径さえ分
かっていれば、回転速度ベクトルの大きさからその物体
の自転回転数を正確に検出することができる。請求項１
１の発明によれば、一の周波数を基準周波数とすれば、
周波数帯域幅を正確に求めることができるので、物体の
表面の速度、つまり回転速度ベクトルの大きさを正確に
求めることができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】つぎに、本発明の実施形態を図面
に基づき説明する。本発明の回転数検出装置は、自転す
る物体の表面の接線方向の速度を検出し、その接線方向
の速度から物体の自転回転数を算出するものであり、停
止した物体だけでなく、移動しながら自転する物体の自
転回転数を算出することができるものである。なお、本
発明の回転数検出装置によって自転回転数を計測するこ
とができる物体の形状は、自転軸に垂直な断面が円形で
ある球や円柱等に限られず、自転軸に垂直な断面が四角
形や長方形等の多角形状等でもよく、その形状に特に限
定はない。以下には、理解を容易にするために、代表と
して自転軸と垂直な断面が円形の物体について説明す
る。

【０００８】まず、装置の構成を説明する前に、本発明
の回転数検出装置の測定原理を説明する。なお、以下の
説明では、測定原理を分かりやすく説明するために、発
信信号Ｆｗの進行方向と逆向きに移動する物体（以下、
移動物体Ｍという）の場合を説明する。そして、静止し
ている物体の場合には、以下に示す移動物体Ｍの移動速
度｜Ｖ０｜を０とすればよい。

【０００９】図２は本発明の回転数検出装置１の測定原
理を示した概略説明図であって、(Ａ)は移動物体Ｍが自
転していない場合であり、(Ｂ)は移動物体Ｍが自転して
いる場合である。図３は（Ａ）は移動物体Ｍが自転して
いる場合において、中心面方向ベクトルＶＣと位相角θ
との関係を示した図であり、（Ｂ）は反射信号Ｒｗの周
波数スペクトル関数を示した図である。

【００１０】図２において、符号Ｂ１は移動物体Ｍに向
けて周波数が一定の発信信号Ｆｗを発信する発信手段を
示している。この発信手段Ｂ１が発信する発信信号Ｆｗ
は、例えば電波などの電磁波や超音波であるが、周波数
が一定の信号であれば、特に限定はない。図２(Ａ)に示
すように、移動物体Ｍに向けて発信された発信信号Ｆｗ
は、移動物体Ｍの表面で反射して反射信号Ｒｗとなる。
この反射信号Ｒｗは、ドップラー効果により移動物体Ｍ
の並進速度ベクトルＶｈのうち、移動物体Ｍから発信手
段Ｂ１に向かう方向の速度成分の大きさ｜Ｖ０｜（以
下、単に移動速度｜Ｖ０｜という）に対応した周波数だ
け発信信号Ｆｗに対して周波数がシフトし、その周波数
はＦＲ０となる。したがって、発信信号Ｆｗの周波数Ｆ
０と反射信号Ｒｗの周波数ＦＲ０の差、つまり周波数シ
フト量Ｓから、移動速度｜Ｖ０｜を求めることができる
（図３（Ｂ）参照）。

【００１１】そして、図２(Ａ)に示すように、移動物体
Ｍが自転していない場合には、移動物体Ｍの表面のどの
位置でも、移動物体Ｍの速度成分は、その値が全て同じ
になる。したがって、その表面で反射される反射信号Ｒ
ｗは、移動物体Ｍの表面において、発信手段Ｂ１と移動
物体Ｍの中心とを含む面（以下、単に中心面という）が
交わる部分で反射した反射信号Ｒｗの周波数と、中心面
からずれた位置で反射した反射信号Rw1 の周波数が同じ
値になる。このため、図３(Ｂ)に示すように、移動物体
Ｍが自転していない場合における反射信号Ｆｗの周波数
スペクトル関数Fsa は、その中心周波数ＣＦに対して、
ほとんど広がりを有しないものとなる。

【００１２】ところが、図２(Ｂ)に示すように、移動物
体Ｍが紙面と垂直な自転軸を中心として反時計回りに自
転している場合、前記中心面（図２では紙面に垂直な
面）と交わる部分以外の移動物体Ｍの表面の速度は、移
動物体Ｍの自転にのみ起因して発生する移動物体Ｍ表面
の接線方向の速度ベクトル、つまり移動物体Ｍの並進速
度ベクトルＶｈの影響を含まない移動物体Ｍ表面の速度
ベクトル（以下、回転速度ベクトルＶという）の影響を
受ける。このため、移動物体Ｍの表面において、並進速
度ベクトルＶｈと回転速度ベクトルＶの両方の影響を受
けた表面の速度ベクトルにおける、その中心面と平行な
方向、つまり発信信号Ｆｗの進行方向と平行な方向の速
度成分ＶＣ（以下、単に中心面方向成分ＶＣという）の
大きさは、位置によって移動物体Ｍの移動速度｜Ｖ０｜
に対して変化する。つまり移動物体Ｍの表面のある点Ｐ
と移動物体Ｍの自転軸を結ぶ線Ａが、前記中心面と成す
角がθ（以下、位相角θという）の場合、点Ｐにおける
中心面方向成分ＶＣは、以下の式で表わされ、図３(Ａ)
に示すような関数となる。ＶＣ＝｜Ｖ０｜−｜Ｖ｜ cos（π／２−θ）＝｜Ｖ０｜−Ｒω cos（π／２−θ）（なお、Ｒ＝移動物体の半径、ω＝移動物体の回転角速
度であり、θは反時計回りを正としている。）このため、図３（Ｂ）に示すように、移動物体Ｍが自転
している場合における反射信号Ｆｗの周波数スペクトル
Fsb は、移動物体Ｍの移動速度｜Ｖ０｜に対応する反射
信号RW0 の周波数FR0 を中心周波数ＣＦとして広がりを
有することになる。

【００１３】そして、図３（Ａ）に示すように、中心面
方向成分ＶＣは、図２（Ｂ）における点Ｐ１、つまり前
記位相角θが−９０°となる点で最大速度Ｖ１となり、
点Ｐ２、つまり前記位相角θが９０°となる点で最小速
度Ｖ２となる。したがって、反射信号Ｆｗの周波数スペ
クトルFsb の幅（以下、周波数帯ＢＦという）は、最大
速度Ｖ１のときの周波数ＦＲ１と最小速度Ｖ２のときの
周波数ＦＲ２の差によって決定される。つまり、周波数
帯ＢＦは、回転速度ベクトルＶの大きさ｜Ｖ｜と一定の
関係を有し、移動物体Ｍにおいて、自転軸に対して垂直
な断面の形状が円形であれば、周波数帯ＢＦと回転速度
ベクトルＶの大きさ｜Ｖ｜の関係は、以下の式で表され
る。｜Ｖ｜＝（ＢＦ／２Ｆ_０）ＶＳ（ＶＳは音速）つまり、回転速度ベクトルＶの大きさ｜Ｖ｜と周波数帯
ＢＦは比例関係にあるから、周波数帯ＢＦを検出するこ
とができれば、回転速度ベクトルＶの大きさ｜Ｖ｜を算
出することがでる。そして、自転軸に対して垂直な断面
の半径が分かっていれば、自転の回転角速度ωが算出で
きるから、移動物体Ｍの自転回転数も求めることができ
るのである。

【００１４】なお、周波数帯ＢＦは、移動物体Ｍの移動
速度｜Ｖ０｜に対応する周波数ＦＲ０を基準周波数とす
る周波数帯域幅、つまり周波数ＦＲ０における信号強度
に対して、信号強度の値が一定の範囲内にある周波数の
範囲（以下、周波数帯域幅Ｓｗという）としてもよい。
周波数ＦＲ１の近傍および周波数ＦＲ２の近傍では、そ
の反射信号の強度が弱いためノイズの影響を受けやす
く、このノイズの影響は測定精度に影響を与える。この
ような場合に、周波数帯ＢＦとして周波数帯域幅Ｓｗを
用い、この周波数帯域幅Ｓｗから移動物体Ｍの表面の速
度を算出すれば、ノイズの影響をすくなくすることがで
きる。

【００１５】また、移動物体Ｍにおいて、自転軸に対し
て垂直な断面の形状が円形であれば、図３（Ｂ）に示す
ように、周波数スペクトル関数Ｆｓｂは、移動物体Ｍの
移動速度｜Ｖ０｜に対応する周波数ＦＲ０だけでなく、
最大速度Ｖ１のときの周波数ＦＲ１の近傍（図３ではＦ
Ｒ３）および最小速度Ｖ２のときの周波数ＦＲ２の近傍
（図３ではＦＲ４）において極大値を有する場合があ
る。これは、図３(Ａ)に示すように中心面方向成分ＶＣ
のうち、最大速度Ｖ１の近傍および最小速度Ｖ２の近傍
の速度となる位相角θの範囲がその他の速度となる位相
角θの範囲に比べて広いからである。

【００１６】このため、周波数スペクトル関数Ｆｓｂに
おいて極大値となる複数の周波数のうち、いずれか２つ
の周波数の差を求めれば、移動物体Ｍの表面の回転速度
ベクトルＶの大きさ｜Ｖ｜をより正確に求めることがで
きる。そして、この場合には、移動物体Ｍの左右両側の
端面近傍から反射される反射信号にノイズが多く含まれ
ていても、そのノイズの影響を小さくできるから移動物
体Ｍの自転回転数を正確に検出することができる。とく
に、一の周波数を中心周波数ＣＦ、つまり移動物体Ｍの
移動速度｜Ｖ０｜に対応する周波数ＦＲ０とすれば、中
心周波数ＣＦとなる周波数ＦＲ０は他の極大値となる周
波数よりも正確に求められるので、例えば、FR0 とFR4
の差を周波数帯ＢＦとして正確に求めることができ、回
転速度ベクトルＶの大きさ｜Ｖ｜を正確に求めることが
できる。

【００１７】さて、本実施形態の回転数検出装置１を説
明する。図１は（Ａ）は本実施形態の回転数検出装置１
の概略ブロック図であり、（Ｂ）は本実施形態の移動物
体計測システム５０の概略ブロック図である。同図
（Ａ）に示すように、本実施形態の回転数検出装置１
は、発信手段１０と、受信手段２０と、信号処理手段３
０とから基本構成されている。

【００１８】発信手段１０は、例えば圧電セラミックを
使用した超音波発信機や電磁波発信機等であるが、周波
数が一定の発信信号Ｆｗを移動物体Ｍに向けて発信する
ことができるものであればよい。この発信手段１０に
は、周波数調整器１１が接続されており、この周波数調
整器１１によって発信手段１０から発信する発信信号Ｆ
ｗの周波数Ｆ０を調整することができる。また、この周
波数調整器１１は、発信信号Ｆｗの周波数情報、つまり
発信信号Ｆｗの周波数Ｆ０に対応する信号（以下、単に
発信周波数信号という）を出力することができるもので
ある。

【００１９】受信手段２０は、例えば圧電セラミックを
使用した超音波受信機や電磁波受信機等、移動物体Ｍで
反射した反射信号Ｒｗを受信するものであり、この反射
信号Ｒｗの各周波数ＦＲの強度に対応した信号（以下、
単に受信強度信号という）を出力することができるもの
である。なお、受信手段２０は、上記の機能を有するも
のであれば、特に限定はない。

【００２０】前記周波数調整器１１および前記受信手段
２０は、信号処理手段３０に接続されている。この信号
処理手段３０は、各手段が出力した発信周波数信号およ
び受信強度信号が入力されている。この信号処理手段３
０は、受信強度信号から図３（Ｂ）に示したような周波
数スペクトル関数Ｆｓを作成することができるものであ
り、作成した周波数スペクトル関数Ｆｓを用い、前述し
た原理に基づき、回転速度ベクトルＶの大きさ｜Ｖ｜を
算出することができるものである。

【００２１】また、この信号処理手段３０には、図示し
ない入力部が設けられており、この入力部から、例えば
測定する移動物体Ｍの半径や反射係数、材質等の情報を
入力することができる。このため、入力された移動物体
Ｍの半径と、前記発信信号に基づいて算出される回転速
度ベクトルＶの大きさ｜Ｖ｜から、移動物体Ｍの自転回
転数算出することができる。そして、回転速度ベクトル
Ｖの大きさ｜Ｖ｜を算出するときに、移動物体Ｍの反射
係数や材質等を、誤差を補正する係数の決定に使用すれ
ば、移動物体Ｍの回転速度ベクトルＶの大きさ｜Ｖ｜等
の測定精度を高くすることができる。

【００２２】上記のごとく、本実施形態の回転数検出装
置１によれば、発信手段１０によって一定周波数の発信
信号Ｆｗを移動物体Ｍに向けて発信し、受信手段２０に
よって移動物体Ｍの表面で反射した反射信号Ｒｗを受信
すれば、信号処理手段３０によって、反射信号Ｒｗの周
波数スペクトル関数Ｆｓを作成することができる。そし
て、信号処理手段３０によって作成した周波数スペクト
ル関数Ｆｓからその周波数帯ＢＦを算出すれば、回転速
度ベクトルＶの大きさ｜Ｖ｜を求めることができる。

【００２３】よって、自転回転数測定のための特別な加
工等がされていない移動物体Ｍであっても、回転速度ベ
クトルＶの大きさ｜Ｖ｜の大きさを測定することができ
るし、その移動物体Ｍの自転軸と垂直な断面の半径が分
かっていれば、移動物体Ｍの半径を用いて移動物体Ｍの
自転回転数を簡単かつ容易に検出することができる。つ
まり、球体であればその半径がわかっていればよく、円
筒状の部材であってその中心軸まわりに回転するもので
あれば、その中心軸と垂直な断面の半径がわかっていれ
ばよい。

【００２４】また、信号処理手段３０には、発信周波数
信号も入力されているから、この発信周波数信号と周波
数スペクトル関数が最大となる周波数（図３ではＦＲ
０）との差から、移動物体Ｍの移動速度｜Ｖ０｜も計測
することができる。

【００２５】なお、周波数調整器１１を設けずに、信号
処理手段３０によって直接発信手段１０が発信する発信
信号Ｒｗを調整するようにしてもよい。

【００２６】つぎに、本実施形態の移動物体計測システ
ム５０を説明する。図１（Ｂ）に示すように、本実施形
態の移動物体計測システム５０は、複数の前記回転数検
出装置１と、移動状況解析手段５１を備えたシステムで
ある。なお、図１には回転数検出装置１は２つしか示し
ていないが、回転数検出装置１の数は、４つ以上設けら
れている。

【００２７】図１（Ｂ）において、符号５２は同期器を
示している。この同期器５２は、複数の回転数検出装置
１の発信手段１０が発信信号を発信するタイミングを調
整するためのものであり、回転数検出装置１Ａ，１Ｂお
よび図示しない回転数検出装置１Ｃ，１Ｄ（以下、単に
回転数検出装置１Ａ〜１Ｄで示す）の各発信手段１０か
ら、常に同時に発信信号が発信されるように調整されて
いる。なお、同調器５２として、任意波形発生装置（例
えば、ファンクション・ゼネレータ（ソニー・テクトロ
ニクス社製：ＡＦＧ３１０型））を用い、この同調器５
２を全ての回転数検出装置１Ａ〜１Ｄの周波数調整器１
１として使用してもよい。

【００２８】回転数検出装置１Ａ〜１Ｄには移動状況解
析手段５１が接続されており、回転数検出装置１Ａ〜１
Ｄの信号処理器３０から回転速度信号が入力されてい
る。この回転速度信号とは、各回転数検出装置１Ａ〜１
Ｄが計測した回転速度ベクトルＶの大きさ｜Ｖ｜や自転
回転数の情報を含むものである。そして、この移動状況
解析手段５１には、予めある任意の点ＢＰに対する回転
数検出装置１Ａ〜１Ｄの相対的な位置に関する位置情報
が入力されている。

【００２９】このため、４つの回転数検出装置１Ａ〜１
Ｄのうち、３つの回転数検出装置１Ａ ,１Ｂ ,１Ｃが計
測した回転速度ベクトルＶの大きさ｜ＶＡ｜，｜ＶＢ
｜，｜ＶＣ｜と３つの回転数検出装置１Ａ ,１Ｂ ,１Ｃ
の相対位置から、点ＢＰから各回転数検出装置１Ａ ,１
Ｂ ,１Ｃに向かう方向と平行な３つのベクトルを法線と
する３つの面の交線のベクトルＶｓ１（図７（Ａ）参
照）を求めることができる。また、３つの回転数検出装
置１Ａ ,１Ｂ ,１Ｄが計測した回転速度ベクトルＶの大
きさ｜ＶＡ｜，｜ＶＢ｜，｜ＶＤ｜と３つの回転数検出
装置１Ａ ,１Ｂ ,１Ｄの相対位置から、点ＢＰから各回
転数検出装置１Ａ ,１Ｂ ,１Ｄに向かう方向と平行な３
つのベクトルを法線とする３つの面の交線のベクトルＶ
ｓ２（図７（Ａ）参照）を求めることができる。そし
て、Ｖｓ１を法線とする面とＶｓ２を法線とする面の交
線が、移動体Ｍの自転軸となるので、ＢＰを原点とする
ＸＹＺ直交座標系の各座標軸に対する移動体Ｍの自転軸
の傾きをθ＝（θ_ｘ，θ_ｙ，θ_ｚ）とし、自転軸方向の
単位ベクトルを（ａ，ｂ，ｃ）とするれば、以下の関係
が成り立つ。 θ＝（θ_ｘ，θ_ｙ，θ_ｚ）＝（cos^−１ａ，cos^−１ｂ，
cos^−１ｃ）（ただし、ａ，ｂ，ｃと│ＶＡ│,│ＶＢ│,│ＶＣ│，
│ＶＤ│の関係は図７（Ｂ）に示す。）このため、移動状況解析手段５１によって点ＢＰを通る
ときの移動物体Ｍの自転軸の傾きを求めることができ
る。

【００３０】なお、各回転数検出装置１Ａ〜１Ｄが移動
物体Ｍまでの距離を同時に測定できるようにすれば、任
意の場所を通過する移動物体Ｍの自転軸の傾きを求める
ことも可能である。

【００３１】また、移動状況解析手段５１には、各回転
数検出装置１Ａ〜１Ｄによって測定された移動物体Ｍの
移動速度｜Ｖ０｜の情報を含む移動速度信号が入力され
ている。この４つの回転数検出装置１Ａ〜１Ｄのうち、
３つの回転数検出装置１Ａ ,１Ｂ ,１Ｃが検出した移動
物体Ｍの移動速度を用いれば、点ＢＰから回転数検出装
置１Ａ ,１Ｂ ,１Ｃに向かう方向と平行な３つのベクト
ルを法線とする３つの面の交線のベクトルが求められ
る。そして、この交線のベクトルは、移動物体Ｍの並進
速度ベクトルＶｈと平行であるから、移動状況解析手段
５１によって移動物体Ｍの移動方向を求めることができ
る。

【００３２】例えば、移動物体Ｍが点ＢＰを通るときに
おける移動物体Ｍの並進速度ベクトルＶｈは、点ＢＰを
原点とし、回転数検出装置１Ａ，１Ｂ，１Ｃが計測した
移動物体Ｍの移動速度｜Ｖ０｜をそれぞれ│Ｖ_０Ａ│,
│Ｖ_０Ｂ│,│Ｖ_０Ｃ│、移動物体Ｍの並進速度ベクト
ルＶｈ＝（Ｖ_ｘ，Ｖ_ｙ，Ｖ_ｚ）とすると、以下の式から
求めることができる。Ｖｈ＝Ａ^−１Ｆ（Ｆ＝（│Ｖ_０Ａ│,│Ｖ_０Ｂ│,│Ｖ_０
Ｃ│）行列Ａは図６に示す。）

【００３３】そして、移動状況解析手段５１には、各回
転数検出装置１Ａ，１Ｂ，１Ｃの点ＢＰに対する相対的
な位置情報が入力されているから、移動物体Ｍが点ＢＰ
を通過するときの並進速度ベクトルＶｈを求めることが
できる。なお、各回転数検出装置１Ａ，１Ｂ，１Ｃが移
動物体Ｍまでの距離を同時に測定できるようにすれば、
任意の場所を通過する移動物体Ｍの並進速度ベクトルＶ
ｈを求めることも可能である。

【００３４】

【実施例】つぎに、本発明の実施例として、静止した状
態で自転している物体の自転回転数を本発明の回転数検
出装置を用いて測定した結果を示す。図４は実験装置の
概略説明図である。同図に示すように、測定対象である
回転体ＭをモータＭＴの主軸に固定し、このモータＭＴ
によって回転体Ｍを自転させたときの自転回転数を、本
発明の回転数検出装置と市販されているタコメータＴＭ
によって同時に測定し、得られた回転体Ｍの自転回転数
を比較した。

【００３５】発信手段１０および受信手段２０には、圧
電セラミックを使用した超音波センサ（日本セラミック
ス株式会社製：Ｔ／Ｒ４０−１６）を使用し、発信手段
１０から発信される周波数は、任意波形発生装置である
ファンクション・ゼネレータ（ソニー・テクトロニクス
社製：ＡＦＧ３１０型）によって制御した。そして、発
信手段１０および受信手段２０から回転体Ｍまでの距離
を２．０ｍ、発信手段１０から発信される発信信号の周
波数は４０kHz に固定して計測した。また、比較に使用
した市販タコメータＴＭには、ハンディデジタル非接触
回転計（アテックス株式会社製：ＲＭ１０００）を使用
した。なお、タコメータＴＭは、赤外線を物体に出射
し、物体表面で反射した反射信号を受信し、その信号強
度変化の周波数から回転数を求めるものであるから、赤
外線を反射させるための反射テープＰを物体Ｍの表面に
貼付ている。

【００３６】回転体Ｍには、ディンプルのないゴルフボ
ール（実施例１）、ディンプル付ゴルフボール（実施例
２）、テニスボール大のゴムボール（実施例３）を使用
した。

【００３７】まず、各実施例における計測結果を説明す
る前に、本発明の回転数検出装置によって計測された周
波数スペクトル関数の一例を図８（Ａ）に示す。同図に
示すように、本実施例で計測された反射信号から形成さ
れる周波数スペクトル関数は、回転体Ｍが移動していな
いため、発信周波数と同じ周波数である４０kHz を中心
として、対称な波形となる。しかも、相対強度が非常に
強い中心スペクトルＣＳと、この中心スペクトルＣＳよ
りも高周波数側、低周波数側の両方に、山形のスペクト
ルＬＳ、ＨＳが形成されている。この３つのスペクトル
ＣＳ、ＬＳ、ＨＳは、図８（Ｂ）に示す理論上得られる
周波数スペクトル関数のうち、相対強度がＬとＵの間の
値となる周波数でのスペクトルであると考えられる。つ
まり、反射信号を受信する受信器の感度の範囲が狭く、
しかもその感度がＦＲ_１やＦＲ_２のごく近傍の反射信号
を測定するのに十分な感度を有していないため、Ｌより
小さい信号強度の周波数およびＵより大きい強度の周波
数は計測できず、このような周波数スペクトルとなって
いると考えられる。しかし、図８（Ａ）より、本発明の
回転数検出装置を用いれば、中心周波数ＣＦ近傍だけで
なく、回転体Ｍの両端近傍で反射した反射信号の周波数
の近傍においても、極大値を有する反射信号の周波数ス
ペクトル関数を形成することができることが確認でき
る。

【００３８】また、図８に示すように、今回の実施例で
は、回転体Ｍの両端近傍で反射した反射信号の周波数で
あるＦＲ_１およびＦＲ_２は計測できないので、回転数検
出装置により計測した回転数は、図８（Ａ）における
（ＦＲ_３‐ＦＲ_４）の値を用いて算出している。そし
て、算出した結果には補正等を加えていない。

【実施例１】図５は（Ａ）ディンプルのないゴルフボー
ルの回転数を測定した結果を比較した図、（Ｂ）ディン
プルのないゴルフボールの回転数とディンプルのあるゴ
ルフボールの回転数を測定した結果を比較した図、
（Ｃ）ゴムボールの回転数を測定した結果を示した図で
ある。図５（Ａ）に示すように、本発明の回転数検出装
置によって計測されたゴルフボールの回転数の計測値
は、タコメータＴＭの計測値に比べて低い回転数となっ
ている。そして、前述したように、受信手段の検出感度
の制約から、回転数を図８（Ｂ）に示すＦＲ１およびＦ
Ｒ２よりも中心周波数ＣＦに近い値となるＦＲ３および
ＦＲ４を用いて算出しているので、得られる周波数帯Ｂ
Ｆの値が、（ＦＲ１−ＦＲ２）から得られる周波数帯Ｂ
Ｆ０の値よりも小さくなり、回転数もタコメータＴＭの
値よりも低い値となっている。しかし、両者が比例関係
にあること、および本発明の回転数検出装置の計測値に
は全く補正等を行っていないことを考慮すると、本発明
の回転数検出装置の計測値に最適な補正を行うことによ
り、タコメータＴＭの検測値と一致させることができる
と推測できる。つまり、本発明の回転数検出装置を用い
れば、回転体Ｍの回転数を市販のタコメータＴＭと同等
のレベルで計測可能であることが確認できるし、受信手
段の感度が向上すれば、さらに精度良く回転数を計測す
ることができる。

【実施例２】図５（Ｂ）に示すように、実施例１と実施
例２の計測結果を比較すると、タコメータＴＭによって
計測された物体Ｍの自転回転数が同じ場合には、本発明
の回転数検出装置による実施例１および実施例２の自転
回転数は、ほぼ一致することが確認できる。この実施例
１と実施例２は、回転体Ｍの表面にディンプルがあるか
ないかの違いだけであることから、同一の半径かつ同一
の素材の回転体Ｍの場合には、本発明の回転数検出装置
は、物体Ｍの表面の形状の影響を受けることなく、自転
回転数を計測できると考えられる。

【実施例３】図５（Ｃ）に示すように、実施例１におい
てタコメータＴＭの計測値が同じ場合、実施例１の回転
体Ｍの自転回転数に比べて、実施例３の回転体Ｍの自転
回転数は、その回転数が小さく計測されている。しか
し、実施例３の場合も、本発明の回転数検出装置によっ
て計測された自転回転数とタコメータＴＭの計測値とが
比例関係にあり、その傾きも実施例１の傾きとほぼ同じ
傾きとなっている。よって、物体Ｍの大きさ、材質が変
っても、最適な補正を行えば、本発明の回転数検出装置
を用いて市販のタコメータと同等レベルの計測が可能で
あると推測できる。

【００３９】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、反射信号の周
波数スペクトル関数の周波数帯を算出すれば、物体の表
面における接線方向の速度を求めることができる。よっ
て、一般的に使用される物体であっても、その物体にお
いて、その自転軸と垂直な断面の半径さえ分かっていれ
ば、その自転回転数を簡単かつ容易に検出することがで
きる。請求項２の発明によれば、反射信号の強度が最大
となる周波数を基準周波数として、その周波数帯域幅を
求めれば、物体の表面における接線方向の速度を正確に
求めることができるので、一般的に使用される物体であ
っても、その物体の半径さえ分かっていれば、その自転
回転数を正確に検出することができる。請求項３の発明
によれば、周波数スペクトル関数において極大値となる
複数の周波数のうち、いずれか２つの周波数の差を求め
れば、物体の表面の速度をより正確に求めることができ
るので、一般的に使用される物体であっても、その物体
の半径さえ分かっていれば、その自転回転数を正確に検
出することができる。請求項４の発明によれば、物体の
表面の速度を正確に求めることができる。請求項５の発
明によれば、物体の自転回転数だけでなく、物体の移動
速度も計測することができる。請求項６の発明によれ
ば、移動状況解析手段によって複数の回転数検出装置か
ら入力された回転数信号と各測定装置の相対的な位置か
ら物体の表面の速度ベクトルを算出することができるの
で、物体の自転軸の傾きを求めることができる。請求項
７の発明によれば、移動状況解析手段によって複数の回
転数検出装置から入力された移動速度信号と各測定装置
の相対的な位置から物体の並進速度ベクトルを算出する
ことができる。このため、物体の自転が物体の移動方向
に与える影響を把握することができる。請求項８の発明
によれば、反射信号の周波数スペクトル関数の周波数帯
を算出すれば、物体の表面における接線方向の速度を求
めることができる。よって、一般的に使用される物体で
あっても、その物体において、その自転軸と垂直な断面
の半径さえ分かっていれば、その自転回転数を簡単かつ
容易に検出することができる。請求項９の発明によれ
ば、反射信号の強度が最大となる周波数を基準周波数と
して、その周波数帯域幅を求めれば、物体の表面におけ
る接線方向の速度を正確に求めることができるので、一
般的に使用される物体であっても、その物体の半径さえ
分かっていれば、その自転回転数を正確に検出すること
ができる。請求項１０の発明によれば、周波数スペクト
ル関数において極大値となる複数の周波数のうち、いず
れか２つの周波数の差を求めれば、物体の表面の速度を
より正確に求めることができるので、一般的に使用され
る物体であっても、その物体の半径さえ分かっていれ
ば、その自転回転数を正確に検出することができる。請
求項１１の発明によれば、物体の表面の速度を正確に求
めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本実施形態の回転数検出装置１の概略
ブロック図であり、（Ｂ）は本実施形態の物体計測シス
テム５０の概略ブロック図である。

【図２】本発明の回転数検出装置の測定原理を示した概
略説明図であって、(Ａ)は移動物体Ｍが自転していない
場合であり、(Ｂ)は移動物体Ｍが自転している場合であ
る。

【図３】（Ａ）は移動物体Ｍが自転している場合におい
て、中心面方向ベクトルＶＣと位相角θとの関係を示し
た図であり、（Ｂ）は反射信号Ｒｗの周波数スペクトル
関数を示した図である。

【図４】実験装置の概略説明図である。

【図５】（Ａ）ディンプルのないゴルフボールの回転数
を測定した結果を比較した図、（Ｂ）ディンプルのない
ゴルフボールの回転数とディンプルのあるゴルフボール
の回転数を測定した結果を比較した図、（Ｃ）ゴムボー
ルの回転数を測定した結果を示した図である。

【図６】行列Ａを示した図である。

【図７】（Ａ）は交線のベクトルＶｓ１および交線のベ
クトルＶｓ２を示した図であり、（Ｂ）は、ａ，ｂ，ｃ
と│ＶＡ│,│ＶＢ│,│ＶＣ│，│ＶＤ│の関係を示し
た図である。

【図８】反射信号の周波数スペクトル関数を示した図で
あって、（Ａ）は実測された反射信号に基づく周波数ス
ペクトル関数であり、（Ｂ）は理論上の周波数スペクト
ル関数である。

【符号の説明】

１回転数検出装置１０発信手段２０受信手段３０信号処理手段５０移動物体計測システム５１移動物体解析手段Ｍ移動物体Ｆｗ発信信号Ｆ０発信信号の周波数Ｒｗ反射信号ＦＲ反射信号の周波数

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】自転する物体の自転回転数を検出する検出
装置であって、該検出装置が、前記物体に向けて周波数
が一定である発信信号を発信する発信手段と、前記物体
で反射した反射信号を受信する受信手段と、該受信手段
が受信した前記反射信号が入力され、該反射信号の周波
数スペクトル関数を形成する信号処理手段とからなり、
該信号処理手段が、前記周波数スペクトル関数におい
て、前記反射信号の強度が所定の値以上となる周波数帯
を算出することを特徴とする回転数検出装置。
【請求項２】前記周波数帯が、前記周波数スペクトル関
数において、前記反射信号の強度が最大となる周波数を
基準周波数とする周波数帯域幅であることを特徴とする
請求項１記載の回転数検出装置。
【請求項３】前記周波数スペクトル関数が、複数の周波
数において極大値を有する場合であって、前記周波数帯
が、前記周波数スペクトル関数において、前記反射信号
の強度が極大値となる一の周波数と、前記反射信号の強
度が極大値となる他の周波数との間の周波数領域である
ことを特徴とする請求項１記載の回転数検出装置。
【請求項４】前記一の周波数が、前記周波数スペクトル
関数において、前記反射信号の強度が最大となる周波数
であることを特徴とする請求項３記載の回転数検出装
置。
【請求項５】前記信号処理手段に、前記発信信号の周波
数情報が入力されており、前記信号処理手段が、前記発
信信号の周波数と前記周波数スペクトル関数において前
記反射信号の強度が最大となる周波数との差を算出する
ことを特徴とする請求項１記載の回転数検出装置。
【請求項６】請求項１，２，３，４または５記載の回転
数検出装置を複数台備えたシステムであって、各回転数
検出装置が、前記周波数帯に対応する回転速度信号を発
信する発信部を備えており、前記システムが、各回転数
検出装置の信号処理器の発信部が発信した回転速度信号
が入力される移動状況解析手段を備えており、該移動状
況解析手段が、各回転数検出装置から送信された回転速
度信号と、前記複数の回転数検出装置同士の相対的な位
置関係を示す位置情報とから前記物体の自転軸の傾きを
算出することを特徴とする物体計測システム。
【請求項７】各回転数検出装置の信号処理器の発信部が
発信した前記発信信号の周波数と前記周波数スペクトル
関数において前記反射信号の強度が最大となる周波数と
の差に対応する移動速度信号が、前記移動状況解析手段
に入力されており、該移動状況解析手段が、各回転数検
出装置から送信された移動速度信号と、前記複数の回転
数検出装置同士の相対的な位置関係を示す位置情報とか
ら前記物体の並進速度ベクトルを算出することを特徴と
する請求項６記載の物体計測システム。
【請求項８】自転する物体の自転回転数を検出する検出
方法であって、自転する物体に向けて発信信号を発信
し、前記物体で反射した反射信号を受信し、受信した前
記反射信号を用いて該反射信号の周波数スペクトル関数
を形成し、該周波数スペクトル関数において、前記反射
信号の強度が所定の値以上となる周波数帯を算出するこ
とを特徴とする回転数検出方法。
【請求項９】前記周波数スペクトル関数において、前記
反射信号の強度が最大となる周波数を基準周波数とする
周波数帯域幅を算出することを特徴とする請求項８記載
の回転数検出方法。
【請求項１０】前記周波数スペクトル関数において、前
記反射信号の強度が極大値となる一の周波数と、前記反
射信号の強度が極大値となる他の周波数を算出すること
を特徴とする請求項８記載の回転数検出方法。
【請求項１１】前記一の周波数として、前記周波数スペ
クトル関数における前記反射信号の強度が最大となる周
波数を算出することを特徴とする請求項１０記載の回転
数検出方法。