JP2011232121A - Visual force display, visual force science teaching material and science toy - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a force display device capable of visually displaying a direction of acting force and magnitude thereof without restriction of the direction when in use.SOLUTION: Based upon accelerations in a X-axis direction, a y-axis direction and a z-axis direction to be obtained from a triaxial acceleration sensor 20, as to each of axis directions, short cycle acceleration values (Sx, Sy and Sz) responding to force other than gravity acting on the triaxial acceleration sensor 20 and long cycle acceleration values Lx, Ly and Lz responding to the gravity acting on the triaxial acceleration sensor 20 are calculated. Then, based upon the short cycle acceleration values (Sx, Sy and Sz) and the long cycle acceleration values Lx, Ly and Lz, display information for each of axis directions is created. Based upon this display information, the direction of the force acting on the axis direction and the magnitude thereof are displayed.

Description

本発明は、物体に作用している力の向きと大きさを視覚的に認識できる表示器に関するものである。   The present invention relates to a display that can visually recognize the direction and magnitude of a force acting on an object.

学校教育の現場において、理科離れが叫ばれている。その理由の一つとして、理科で扱われる事柄の中には、視覚的に認識できないものがあることが掲げられる。一例として、力の概念がある。つまり、力は目に見えないために、その向きと大きさを視覚的に捉えることができず、中高生にとって難解なものの一つとなっている。したがって、教育現場において、物体に作用している力の向きと大きさを視覚化できる教材が求められている。
直交する2軸(又は3軸)の加速度を加速度センサにより検出し、基準方向と重力加速度とのなす角度、つまり傾斜角を求める傾斜センサは種々提案されている(特許文献1、特許文献2)。加速度センサを用いて傾斜角を求めることは、力の向きを認識することに対して示唆を与えるものであるが、特許文献1、特許文献2等は力の向きと大きさの両者を視覚化して表示できる機器を開示するものではなかった。
以上に対して本発明者らは、非特許文献1において力の向きと大きさの両者を視覚化して表示できる機器を提案している。
In the field of school education, crying away from science. One reason for this is that some of the things handled in science are not visually recognizable. One example is the concept of power. In other words, because the force is invisible, it cannot visually grasp its direction and size, making it one of the difficult things for junior and senior high school students. Therefore, there is a need for teaching materials that can visualize the direction and magnitude of the force acting on an object in an educational setting.
Various tilt sensors have been proposed in which two-axis (or three-axis) accelerations orthogonal to each other are detected by an acceleration sensor to obtain an angle formed by a reference direction and gravitational acceleration, that is, a tilt angle (Patent Documents 1 and 2). . Finding the angle of inclination using an acceleration sensor gives suggestions for recognizing the direction of force, but Patent Literature 1, Patent Literature 2, etc. visualize both the direction and magnitude of force. The device that can be displayed is not disclosed.
In contrast, the present inventors have proposed a device capable of visualizing and displaying both the direction and magnitude of force in Non-Patent Document 1.

特許第3114571号公報Japanese Patent No. 3114571 特開2008−96355号公報JP 2008-96355 A

伊東明彦・渡辺一博、力の学習を支援する力表示器「Fi−Cube」の製作と授業実践、宇都宮大学教育学部紀要、59−2、13−26、2009Ito Akihiko / Watanabe Kazuhiro, Production of Power Indicator “Fi-Cube” to Support Learning of Power and Class Practice, Bulletin of Faculty of Education, Utsunomiya University, 59-2, 13-26, 2009

非特許文献1に記載される力表示器(以下、従来の力表示器)は、物体に作用している力の向きと大きさを視覚化できる教材として独創的なものであった。ところが、従来の力表示器は、3軸加速度センサのz軸方向で取得される加速度の出力を、重力を表示するのに用いるとともに、力表示器の傾きを算出するのに用いる。そのために従来の力表示器は、z軸方向について、重力は測定できるものの、作用する力に対応する短時間の動きには反応しないように設定されていた。一方、x軸方向(又はy軸方向)については、z軸方向とは逆に、力に対応する短時間の動きにのみ反応するように設定されていた。したがって、従来の力表示器は、z軸方向を鉛直方向に揃えて自由落下(又は投げ上げ)させても、z軸方向に力(加速度)を表示させることができず、自由落下させる場合にはx軸方向(又はy軸方向)を鉛直方向に揃える制約があった。
本発明は、このように使用する際の向きの制約を受けることなく、作用している力の向きと大きさを視覚的に表示できる力表示器を提供することを目的とする。
The force indicator (hereinafter referred to as a conventional force indicator) described in Non-Patent Document 1 is an original teaching material that can visualize the direction and magnitude of a force acting on an object. However, in the conventional force indicator, the acceleration output acquired in the z-axis direction of the three-axis acceleration sensor is used for displaying gravity and for calculating the inclination of the force indicator. Therefore, the conventional force indicator is set so as not to react to a short-time movement corresponding to the applied force, although gravity can be measured in the z-axis direction. On the other hand, the x-axis direction (or the y-axis direction) is set to react only to a short-time movement corresponding to the force, contrary to the z-axis direction. Therefore, the conventional force indicator cannot display force (acceleration) in the z-axis direction even when the z-axis direction is aligned in the vertical direction and is free-falling (or throwing up), so There is a restriction that the x-axis direction (or y-axis direction) is aligned in the vertical direction.
An object of the present invention is to provide a force indicator that can visually display the direction and magnitude of an acting force without being restricted in the direction of use.

力は運動方程式F=m・aによって定義される。つまり、ある物体に働く力Fは質量mを比例定数として加速度aで表される。したがって、物体の加速度を可視化することは、力を可視化したことと等価になる。本発明の視覚的力表示器(以下、単に力表示器)はこの考えに従ったものであり、内部に装備された3軸加速度センサにより物体の加速度を測定し、これに基づいて力を視覚的に表示する。
力表示器として持つべき要件について述べる。水平な支持面上に置かれた物体には、地球の重力と支持面から受ける垂直抗力の2つの力が働いている。したがって、この場合には、z軸方向(鉛直方向)の下向きと上向きに同じ量の表示を行うことが必要である。しかしながら、地球上の物体には常に重力が働いているため、静止している加速度センサは上向きの加速度、つまりは上向きの力を常に出力していることになる。この上向きの力は支持面から受ける垂直抗力に対応する。ところが、重力に対応する加速度の出力を得ることができない。
The force is defined by the equation of motion F = m · a. That is, the force F acting on an object is represented by the acceleration a with the mass m as a proportional constant. Therefore, visualizing the acceleration of the object is equivalent to visualizing the force. The visual force indicator of the present invention (hereinafter simply referred to as force indicator) follows this idea, and the acceleration of an object is measured by a three-axis acceleration sensor provided therein, and the force is visually detected based on this. Display.
Describes the requirements to have as a force indicator. An object placed on a horizontal support surface is subject to two forces: the earth's gravity and the vertical drag received from the support surface. Therefore, in this case, it is necessary to perform the same amount of display downward and upward in the z-axis direction (vertical direction). However, since gravity always acts on an object on the earth, the stationary acceleration sensor always outputs upward acceleration, that is, upward force. This upward force corresponds to the normal force received from the support surface. However, an acceleration output corresponding to gravity cannot be obtained.

この課題に対して上述した従来の力表示器は、z軸方向で取得される加速度の出力を、重力を表示するのに用いていたが、力表示器の傾きを算出するのにも用いていたため、自由落下(又は投げ上げ)させる場合には、x軸方向を鉛直方向に揃える制約があった。これに対して本発明は、3軸加速度センサの各軸(x軸、y軸及びz軸)の各々について、重力に対応する加速度に関する情報と、重力以外の力に対応する加速度に関する情報の両者を求めることで、使用する向きの制約を排除することを可能とした。
本発明の力表示器は、3軸加速度センサと、コントローラと、表示体とを備える。
3軸加速度センサは、互いに直交するx軸方向と、y軸方向と、z軸方向の各々の軸方向について加速度を検出する。
コントローラは、3軸加速度センサから取得するx軸方向、y軸方向及びz軸方向の加速度に基づいて、軸方向の各々について、3軸加速度センサに作用する重力以外の力に対応する加速度情報S(Sx、Sy及びSz)及び3軸加速度センサに作用する重力に対応する加速度情報L(Lx、Ly及びLz)を算出する。コントローラは、また、算出された加速度情報S(Sx、Sy及びSz)及び加速度情報L(Lx、Ly及びLz)に基づいて、軸方向の各々について表示情報を生成する。
表示体は、コントローラで生成された表示情報に基づいて軸方向に作用する力の向きと大きさを表示する。
The conventional force indicator described above for this problem uses the output of acceleration acquired in the z-axis direction to display gravity, but also uses it to calculate the inclination of the force indicator. Therefore, in the case of free fall (or throwing up), there is a restriction that the x-axis direction is aligned with the vertical direction. On the other hand, the present invention provides both information relating to acceleration corresponding to gravity and information relating to acceleration corresponding to forces other than gravity for each axis (x axis, y axis and z axis) of the triaxial acceleration sensor. Therefore, it is possible to eliminate restrictions on the direction of use.
The force indicator of the present invention includes a three-axis acceleration sensor, a controller, and a display body.
The triaxial acceleration sensor detects acceleration in each of the x-axis direction, the y-axis direction, and the z-axis direction that are orthogonal to each other.
Based on the acceleration in the x-axis direction, the y-axis direction, and the z-axis direction acquired from the triaxial acceleration sensor, the controller performs acceleration information S corresponding to a force other than gravity acting on the triaxial acceleration sensor for each axial direction. (Sx, Sy and Sz) and acceleration information L (Lx, Ly and Lz) corresponding to gravity acting on the triaxial acceleration sensor are calculated. The controller also generates display information for each of the axial directions based on the calculated acceleration information S (Sx, Sy, and Sz) and acceleration information L (Lx, Ly, and Lz).
The display body displays the direction and magnitude of the force acting in the axial direction based on the display information generated by the controller.

本発明の力表示器において、コントローラは、力表示器が加速度運動又は非加速度運動のいずれの状態にあるのかを判断することができる。この判断を行うことで、加速度運動又は非加速度運動に対応した適切な表示を実現することが可能になる。この判断は、起動後に特定した基準重力G0と、加速度の絶対値G1とを比較することで行われる。ただし、加速度の絶対値G1は、基準重力G0を特定した後に算出される加速度情報S(Sx、Sy及びSz)から、G1=(Sx+Sy+Sz1/2により与えられる。 In the force indicator of the present invention, the controller can determine whether the force indicator is in an acceleration motion state or a non-acceleration motion state. By making this determination, it is possible to realize an appropriate display corresponding to acceleration motion or non-acceleration motion. This determination is made by comparing the reference gravity G0 specified after activation with the absolute value G1 of acceleration. However, the absolute value G1 of acceleration is given by G1 = (Sx 2 + Sy 2 + Sz 2 ) 1/2 from acceleration information S (Sx, Sy and Sz) calculated after specifying the reference gravity G0.

また本発明の力表示器において、コントローラは、表示器が非加速度運動の状態にあるものと判断すると、加速度情報L(Lx、Ly及びLz)と向きが逆で大きさの等しい加速度値G(Gx=−Lx、Gy=−Ly及びGz=−Lz)を、3軸加速度センサに作用する重力に対応する表示情報として扱うことができる。また、視覚的力表示器が加速度運動の状態にあるものと判断すると、加速度運動を開始する前の加速度情報L(Lx、Ly及びLz)と向きが逆で大きさの等しい加速度値G(Gx=−Lx、Gy=−Ly及びGz=−Lz)を、3軸加速度センサに作用する重力に対応する表示情報として扱うことができる。   Further, in the force indicator of the present invention, when the controller determines that the indicator is in a non-acceleration motion state, the acceleration value G (the direction is the same as the acceleration information L (Lx, Ly, and Lz) but is equal in magnitude. Gx = −Lx, Gy = −Ly, and Gz = −Lz) can be handled as display information corresponding to gravity acting on the triaxial acceleration sensor. If it is determined that the visual force indicator is in the state of acceleration motion, the acceleration value G (Gx) having the opposite direction and the same magnitude as the acceleration information L (Lx, Ly and Lz) before the acceleration motion is started. = −Lx, Gy = −Ly and Gz = −Lz) can be handled as display information corresponding to gravity acting on the triaxial acceleration sensor.

本発明の力表示器において、コントローラは、力の向きと大きさの表示について第1のモードと第2のモードを備えることができる。
第1のモードは、重力G(Gx=−Lx、Gy=−Ly及びGz=−Lz)と加速度情報S(Sx、Sy及びSz)の向きが逆の場合には、重力Gと加速度情報Sを各々独立した表示情報として扱う。また、第1のモードにおいては、重力G(Gx=−Lx、Gy=−Ly及びGz=−Lz)と加速度情報S(Sx、Sy及びSz)の向きが同じ場合には、重力Gと加速度情報Sとを加えたものを表示情報として扱う。
第2のモードは、重力G(Gx=−Lx、Gy=−Ly及びGz=−Lz)と加速度情報S(Sx、Sy及びSz)の向きに係らず、常に、重力Gと加速度情報Sとを加えたものを表示情報として扱う。
In the force indicator of the present invention, the controller can have a first mode and a second mode for displaying the direction and magnitude of the force.
In the first mode, when the directions of gravity G (Gx = −Lx, Gy = −Ly and Gz = −Lz) and acceleration information S (Sx, Sy and Sz) are opposite, gravity G and acceleration information S Are treated as independent display information. In the first mode, when the direction of gravity G (Gx = −Lx, Gy = −Ly and Gz = −Lz) and acceleration information S (Sx, Sy and Sz) are the same, gravity G and acceleration Information added with information S is handled as display information.
The second mode always includes gravity G and acceleration information S regardless of the direction of gravity G (Gx = −Lx, Gy = −Ly and Gz = −Lz) and acceleration information S (Sx, Sy and Sz). Is added as display information.

本発明の力表示器において、コントローラは、基準重力G0を特定する以前から、加速度情報L(Lx、Ly及びLz)を算出し、基準重力G0を特定した際に与えられる各軸方向の加速度情報L0(Lx0、Ly0及びLz0)により初期重力値Gx0=−Lx0、Gy=−Ly及びGz=−Lz)として記憶することができる。   In the force indicator of the present invention, the controller calculates acceleration information L (Lx, Ly and Lz) before specifying the reference gravity G0, and the acceleration information in each axial direction given when the reference gravity G0 is specified. L0 (Lx0, Ly0 and Lz0) can be stored as initial gravity values Gx0 = −Lx0, Gy = −Ly and Gz = −Lz).

以上の本発明による視覚的力表示器は、理科教材、科学玩具として使用される。   The visual force indicator according to the present invention is used as a science teaching material and a scientific toy.

本発明によれば、3軸加速度センサの各軸(x軸、y軸及びz軸)の各々について、重力に対応する加速度に関する情報と、重力以外の力に対応する加速度に関する情報の両者を求めることで、使用する向きの制約を排除することを可能とした。   According to the present invention, for each axis (x-axis, y-axis, and z-axis) of the three-axis acceleration sensor, both information related to acceleration corresponding to gravity and information related to acceleration corresponding to force other than gravity are obtained. This made it possible to eliminate restrictions on the direction of use.

本実施の形態における力表示器の外観を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the external appearance of the force indicator in this Embodiment. 本実施の形態における力表示器の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the force indicator in this Embodiment. 本実施の形態の力表示器におけるコントローラにおける処理の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the process in the controller in the force indicator of this Embodiment. 本実施の形態の力表示器におけるコントローラにおける処理の手順を示すフローチャートであり、図3に示す処理以降の処理を示す。It is a flowchart which shows the procedure of the process in the controller in the force indicator of this Embodiment, and shows the process after the process shown in FIG. 重力のz軸方向の成分に応じて点灯されるLEDの数を定めるテーブルの一例を示す。An example of the table which defines the number of LED lighted according to the z-axis direction component of gravity is shown. 水平面に静止する通常モードの力表示器のLEDの点灯状態を示し、(a)はx−z表示面、(b)はx−y表示面を示している。The lighting state of the LED of the normal mode force indicator stationary on the horizontal plane is shown, (a) shows the xz display surface, and (b) shows the xy display surface. 図6と向きを変えた力表示器の点灯状態を示し、(a)はx−z表示面、(b)はx−y表示面を示している。FIG. 6 shows the lighting state of the force indicator whose direction is changed from FIG. 6, (a) shows the xz display surface, and (b) shows the xy display surface. 自由落下する通常モードの力表示器のLEDの点灯状態を示し、(a)はx−z表示面、(b)はx−y表示面を示している。The lighting state of the LED of the force indicator in the normal mode that falls freely is shown, (a) shows the xz display surface, and (b) shows the xy display surface. 外力を受けて水平面上を直線加速度運動する通常モードの力表示器のLEDの点灯状態を示し、(a)はx−z表示面、(b)はx−y表示面を示している。The lighting state of the LED of the normal mode force indicator that undergoes linear acceleration motion on a horizontal plane in response to an external force is shown, (a) shows the xz display surface, and (b) shows the xy display surface. 外力を受けずに水平面上を等速直線運動する通常モードの力表示器のLEDの点灯状態を示し、(a)はx−z表示面、(b)はx−y表示面を示している。The lighting state of the LED of the normal mode force indicator that moves linearly at a constant speed on a horizontal plane without receiving external force is shown, (a) shows the xz display surface, and (b) shows the xy display surface. . 傾斜面に静止する通常モードの力表示器のLEDの点灯状態を示し、(a)はx−z表示面、(b)はx−y表示面を示している。The lighting state of the LED of the normal mode force indicator stationary on the inclined surface is shown, (a) shows the xz display surface, and (b) shows the xy display surface. 傾斜面を自由滑走する通常モードの力表示器のLEDの点灯状態を示し、(a)はx−z表示面、(b)はx−y表示面を示している。The lighting state of the LED of the normal mode force indicator that freely slides on the inclined surface is shown, (a) shows the xz display surface, and (b) shows the xy display surface. (a)は軸Sの周りに自由に回転する円盤上に置かれている通常モードの力表示器を示し、(b)はx−y表示面のLEDの点灯状態を示している。(A) shows a force indicator in a normal mode placed on a disk that freely rotates around an axis S, and (b) shows a lighting state of LEDs on the xy display surface. 正立された通常モード(第1のモード)の力表示器を時計回りに90度回転させる過程におけるx−z表示面のLEDの点灯状態の変遷を示す図である。It is a figure which shows the transition of the lighting state of LED of the xz display surface in the process in which the force indicator of the normal mode (1st mode) erected 90 degree | times clockwise. 水平面に支持された実作用モード(第2のモード)の力表示器を自由落下させる過程におけるx−z表示面のLEDの点灯状態の変遷を示す図である。It is a figure which shows the transition of the lighting state of LED of a xz display surface in the process of freely dropping the force indicator of the actual action mode (2nd mode) supported by the horizontal surface. 水平に静止された通常モード(第1のモード)の力表示器を人為的に上下に振動させたときのx−z表示面のLEDの点灯状態の変遷を示す図である。It is a figure which shows the transition of the lighting state of LED of the xz display surface when the force indicator of the normal mode (1st mode) stationary horizontally is artificially vibrated up and down.

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図1は、本実施の形態における力表示器10の外観を示す斜視図、図2は力表示器10の機能ブロック図である。
力表示器10は、3軸加速度センサ20(以下単に加速度センサ20)、加速度センサ20から出力される電気信号からなる加速度情報を受け、かつ処理して表示情報を生成するコントローラ40と、コントローラ40で生成された表示情報に基づいて発光ダイオードLED(以下、単にLED)が点灯される表示部60とから構成される。なお、以下では図1の向きを力表示器10の正立とする。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the accompanying drawings.
FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of a force indicator 10 in the present embodiment, and FIG. 2 is a functional block diagram of the force indicator 10.
The force indicator 10 includes a three-axis acceleration sensor 20 (hereinafter simply referred to as an acceleration sensor 20), a controller 40 that receives acceleration information including electric signals output from the acceleration sensor 20, and processes the generated information to generate display information. And a display unit 60 in which a light emitting diode LED (hereinafter simply referred to as LED) is turned on based on the display information generated in step (b). In the following description, the direction of FIG.

<ケース11>
力表示器10は、隣接する2つの面を、x−z表示面12、x−y表示面13とする直方体状のケース11を備えている。ケース11は、例えば透明なアクリル樹脂板を組み立てて構成されるが、これに限定されるものではない。ケース11には、力表示器10の起動(オン)/停止(オフ)を行うスイッチが設けられているが、ここでは記載を省略している。
<Case 11>
The force indicator 10 includes a rectangular parallelepiped case 11 having two adjacent surfaces as an xz display surface 12 and an xy display surface 13. The case 11 is configured by assembling a transparent acrylic resin plate, for example, but is not limited thereto. The case 11 is provided with a switch for starting (turning on) / stopping (turning off) the force indicator 10, but the description thereof is omitted here.

<表示部60>
ケース11のx−z表示面12の内側にはx−z表示基板14が設けられ、また、x−y表示面13の内側にはx−y表示基板15が設けられている。x−z表示基板14、x−y表示基板15には、各々LEDからなる複数の表示灯が十字状に並べられてx−z表示体16、x−y表示体17をなしている。この2つの表示体16、17により、表示部60が構成される。なお、x軸、y軸及びz軸は、図1に矢印で示す通りである。x−z表示体16及びx−y表示体17を構成するLEDは、コントローラ40が生成する表示情報に基づいて必要な個数だけ点灯され、作用する力の向きと大きさを表示する。
x−z表示体16は、x方向に10個のLEDを、またz方向に10個のLEDを、直線上に並べて、十字を構成している。また、x−y表示体17もまた、x方向に10個のLEDを、またy方向に10個のLEDを、直線上に並べて、十字を構成している。x−z表示体16及びx−y表示体17において、十字の交差部(原点)を中心に、正(+)・負(−)が図示のように定められている。例えば、x−z表示体16において、z軸の負に対応するLEDが点灯すると、力表示器10が重力を受けていることを示す。なお、力表示器10は1つのLEDが点灯すれば、0.25g(g:重力加速度)が作用していることを示す。例えば、図5に示すように、z軸方向の加速度Azと点灯すべきLEDの数が対応付けられているテーブルを設けておき、このテーブルを参照することにより点灯させるLEDの数を決めることができる。
<Display unit 60>
An xz display substrate 14 is provided inside the xz display surface 12 of the case 11, and an xy display substrate 15 is provided inside the xy display surface 13. On the xz display board 14 and the xy display board 15, a plurality of display lamps each composed of LEDs are arranged in a cross shape to form an xz display body 16 and an xy display body 17. The display unit 60 is configured by the two display bodies 16 and 17. The x-axis, y-axis, and z-axis are as indicated by arrows in FIG. The necessary number of LEDs constituting the xz display body 16 and the xy display body 17 are turned on based on display information generated by the controller 40, and the direction and magnitude of the acting force are displayed.
The xz display body 16 forms a cross by arranging 10 LEDs in the x direction and 10 LEDs in the z direction on a straight line. The xy display body 17 also forms a cross by arranging 10 LEDs in the x direction and 10 LEDs in the y direction on a straight line. In the xz display body 16 and the xy display body 17, positive (+) and negative (−) are determined as shown in the figure centering on the intersection (origin) of the cross. For example, in the xz display 16, when an LED corresponding to the negative z-axis is lit, this indicates that the force indicator 10 is receiving gravity. The force indicator 10 indicates that 0.25 g (g: gravitational acceleration) is acting when one LED is lit. For example, as shown in FIG. 5, a table in which the acceleration Az in the z-axis direction is associated with the number of LEDs to be lit is provided, and the number of LEDs to be lit can be determined by referring to this table. it can.

<加速度センサ20>
力表示器10は、ケース11内に加速度センサ20を設けている。加速度センサ20は、x軸方向の加速度成分を検出するx軸センサ部、y軸方向の加速度成分を検出するy軸センサ部及びz軸方向の加速度成分を検出するz軸センサ部を備え、x軸センサ部,y軸センサ部,z軸センサ部が図1に示した力表示器10のx軸、y軸、z軸に沿うようにケース11内に配置される。
加速度センサ20は、力表示器10が加速度運動すると、加速度運動と逆向きの慣性力を受けて、x軸、y軸、z軸の各々の方向について、加速度を電気信号として出力する。この電気信号(加速度値)を、Ax、Ay及びAzとする。なお、運動方程式F=m×aより、加速度を表示することで、力の向きと大きさを認識できることは前述の通りである。また、加速度センサ20の検出原理によって、ピエゾ素子の結晶の歪により生ずる電気抵抗の変化を利用するピエゾ抵抗型、静電容量の変化を利用した静電容量型、圧電素子の結晶の歪により生ずる電圧を利用した圧電型等のいくつかのタイプがあるが、本発明はいずれのタイプの加速度センサを用いることができる。
なお、本実施形態では、加速度センサ20はデジタル出力を行うことを前提としているが、アナログ出力を行う3軸加速度センサを用いることもできる。この場合、ロー・パス・フィルタを備えるフィルタ・アンプ回路を、加速度センサ20とコントローラ40との間に介在させる等の要素を加える必要があるが、それ自体は公知であるので、ここでの説明は省略する。
<Acceleration sensor 20>
The force indicator 10 includes an acceleration sensor 20 in the case 11. The acceleration sensor 20 includes an x-axis sensor unit that detects an acceleration component in the x-axis direction, a y-axis sensor unit that detects an acceleration component in the y-axis direction, and a z-axis sensor unit that detects an acceleration component in the z-axis direction. The axis sensor unit, the y-axis sensor unit, and the z-axis sensor unit are arranged in the case 11 along the x-axis, y-axis, and z-axis of the force indicator 10 shown in FIG.
When the force indicator 10 performs an acceleration motion, the acceleration sensor 20 receives an inertial force in a direction opposite to the acceleration motion, and outputs acceleration as an electrical signal in each of the x-axis, y-axis, and z-axis directions. This electric signal (acceleration value) is Ax, Ay, and Az. As described above, the direction and magnitude of the force can be recognized by displaying the acceleration from the equation of motion F = m × a. Further, depending on the detection principle of the acceleration sensor 20, a piezoresistive type that utilizes a change in electrical resistance caused by a distortion of the crystal of the piezo element, a capacitance type that utilizes a change in capacitance, and a distortion caused by crystal distortion of the piezoelectric element. Although there are several types such as a piezoelectric type using voltage, any type of acceleration sensor can be used in the present invention.
In the present embodiment, it is assumed that the acceleration sensor 20 performs digital output, but a triaxial acceleration sensor that performs analog output may be used. In this case, it is necessary to add an element such as a filter amplifier circuit having a low-pass filter interposed between the acceleration sensor 20 and the controller 40. However, since this is known per se, it will be described here. Is omitted.

<コントローラ40>
力表示器10は、ケース11内にコントローラ40を備えている。
コントローラ40は、前述したスイッチをオンしたのを受けて、加速度センサ20から送られるx軸、y軸、z軸の各々の加速度値を以下のように処理する。なお、コントローラ40は、例えばPIC(Peripheral Interface Controller:周辺機器接続制御用IC)により構成することができる。PICは、演算処理部、メモリ、入出力部等が一つのICに組込まれたワンチップ・マイクロコンピュータであり、メモリに記憶されるソフトウェアで制御される。
<Controller 40>
The force indicator 10 includes a controller 40 in the case 11.
The controller 40 processes the acceleration values of the x-axis, y-axis, and z-axis sent from the acceleration sensor 20 as follows in response to the switch being turned on. The controller 40 can be configured by, for example, a PIC (Peripheral Interface Controller). The PIC is a one-chip microcomputer in which an arithmetic processing unit, a memory, an input / output unit, and the like are incorporated in one IC, and is controlled by software stored in the memory.

[初期化−加速度値Ax、Ay及びAzのサンプリング]
コントローラ40は、力表示器10の起動後に、初期化の処理を行う。ここでは、力表示器10は正立されているものとする。
コントローラ40は、初期化を行うために、加速度センサ20から加速度値Ax、Ay及びAzを継続して取得(サンプリング)するとともに、メモリに記憶する。サンプリングを例えば40Hz(=40回/sec.)の周期で行うことで、加速度の0.025秒間の時間変化に追従することができる。ただし、40Hzというサンプリング周期はあくまで例示であり、他のサンプリング周波数を採用できることは言うまでもない。なお、Axは加速度センサ20のx軸方向の加速度値、Ayは加速度センサ20のy軸方向の加速度値、Azは加速度センサ20のz軸方向の加速度値である。
[Initialization-sampling of acceleration values Ax, Ay and Az]
The controller 40 performs an initialization process after the force indicator 10 is activated. Here, it is assumed that the force indicator 10 is upright.
In order to perform initialization, the controller 40 continuously acquires (samples) acceleration values Ax, Ay, and Az from the acceleration sensor 20 and stores them in a memory. For example, by performing sampling at a cycle of 40 Hz (= 40 times / sec.), It is possible to follow the time change of the acceleration for 0.025 seconds. However, the sampling period of 40 Hz is merely an example, and it goes without saying that other sampling frequencies can be adopted. Ax is the acceleration value of the acceleration sensor 20 in the x-axis direction, Ay is the acceleration value of the acceleration sensor 20 in the y-axis direction, and Az is the acceleration value of the acceleration sensor 20 in the z-axis direction.

コントローラ40は、加速度値Ax、Ay及びAzの各々から短周期加速度値(加速度情報S)Sx、Sy及びSzを算出する。また、コントローラ40は、加速度値Ax、Ay及びAzの各々から長周期加速度値(加速度情報L)Lx、Ly及びLzを算出する。なお、短周期加速度値Sx、Sy及びSz、並びに、長周期加速度値Lx、Ly及びLzの具体的な内容は後述する。   The controller 40 calculates short-cycle acceleration values (acceleration information S) Sx, Sy, and Sz from the acceleration values Ax, Ay, and Az. Further, the controller 40 calculates long-period acceleration values (acceleration information L) Lx, Ly, and Lz from the acceleration values Ax, Ay, and Az. The specific contents of the short cycle acceleration values Sx, Sy, and Sz and the long cycle acceleration values Lx, Ly, and Lz will be described later.

コントローラ40は、所定のサンプリング回数の間に短周期加速度値Sx、Sy及びSzのいずれも変化せずに、かつSx及びSyが0の場合には、力表示器10はZ軸を鉛直にして静置されているものと判断して、初期化を完了する。所定のサンプリング回数の間に短周期加速度値Sx、Sy及びSzのいずれかが変化すると、コントローラ40は初期化を再度試みる。   When the controller 40 does not change any of the short-cycle acceleration values Sx, Sy, and Sz during a predetermined number of samplings and Sx and Sy are 0, the force indicator 10 sets the Z axis to be vertical. Judging that it is left stationary, the initialization is completed. If any of the short-cycle acceleration values Sx, Sy, and Sz changes during the predetermined number of samplings, the controller 40 tries the initialization again.

[基準重力G0(G0=Lz0)の記憶]
コントローラ40は、初期化がなされた時点のz軸方向の長時間加速度値Lz0を、加速度センサ20(力表示器10)が受ける重力の大きさを基準重力G0(G0=Lz0)としてメモリに記憶する。基準重力G0は、後に力表示器10が加速度運動しているか否かの判断を行う際に用いる。
力表示器10が起動時の姿勢に保持されているのでここで得られる基準重力G0は1g(g:重力加速度)である。
[Memory of reference gravity G0 (G0 = Lz0)]
The controller 40 stores in the memory the long-term acceleration value Lz0 in the z-axis direction at the time of initialization as the reference gravity G0 (G0 = Lz0) as the magnitude of gravity received by the acceleration sensor 20 (force indicator 10). To do. The reference gravity G0 is used later to determine whether or not the force indicator 10 is accelerating.
Since the force indicator 10 is held in the starting posture, the reference gravity G0 obtained here is 1 g (g: gravitational acceleration).

基準重力G0を記憶するのと同時に、その時点での短周期加速度値Sx0、Sy0及びSz0、並びに、長周期加速度値Lx0、Ly0及びLz0も、初期化された値としてメモリに記憶される。さらに、長周期加速度値Lx0、Ly0及びLz0が重力の大きさ、向きとして記憶される。各軸の重力Gx0、Gy0、Gz0は、Gx0=−Lx0、Gy0=−Ly0及びGy0=−Lz0で表される。ただし、初期化時点では、常にGx0=0、Gy0=0、Gz0=G0である。   At the same time as storing the reference gravity G0, the short-period acceleration values Sx0, Sy0 and Sz0 and the long-period acceleration values Lx0, Ly0 and Lz0 at that time are also stored in the memory as initialized values. Further, the long-period acceleration values Lx0, Ly0, and Lz0 are stored as the magnitude and direction of gravity. The gravity Gx0, Gy0, Gz0 of each axis is represented by Gx0 = −Lx0, Gy0 = −Ly0, and Gy0 = −Lz0. However, at the time of initialization, Gx0 = 0, Gy0 = 0, and Gz0 = G0 are always set.

[短周期加速度値Sx、Sy及びSzの算出]
コントローラ40は、サンプリング間隔Δt秒毎に得られる加速度値Ax、Ay及びAzから短周期加速度値Sx、Sy及びSzを算出する。短周期加速度値Sx、Sy及びSzは、例えばTS=0.1sec.の間(短周期間)にサンプリングされた加速度値Ax、Ay及びAzの平均値で与えられる。TS秒間には、TS=NS×Δtで表わされるNS回の計測が行われる。よって、Sx、Sy及びSzは以下により特定される。なお、以下では、加速度値Ax、Ay及びAzを総称する場合には加速度Aと総称し、短周期加速度値を総称する場合には短周期加速度値Sと表記することがある。
Sx=(Ax1+Ax2+Ax3+…+AxNS)/NS
Sy=(Ay1+Ay2+Ay3+…+AyNS)/NS
Sz=(Az1+Az2+Az3+…+AzNS)/NS
ここで、各短周期加速度値Sを算出するためには最低NS回の加速度値Aの計測が必要なことは上式からも明らかである。こうして算出された最初の短周期加速度値SであるS1は以下により算出される。
=(S+S+S…SNS)/NS
しかし、一旦S1が算出されれば、その次のS2は次の計測値SNS+1とそれまでの計測値(Aは除く)を使って以下により算出できる。
=(A+A+…+ANS+ANS+1)/NS
つまり、加速度値Aの移動平均をとっていくことで短周期加速度値Sを順次算出することになる。これは、後述する長周期加速度値Lx、Ly及びLzについても同様である。したがって、最初のNS回以降は、毎回のサンプリング毎に短周期加速度値S及び長周期加速度値Lが算出される。
[Calculation of short cycle acceleration values Sx, Sy and Sz]
The controller 40 calculates short-period acceleration values Sx, Sy, and Sz from the acceleration values Ax, Ay, and Az obtained every sampling interval Δt seconds. The short cycle acceleration values Sx, Sy and Sz are, for example, TS = 0.1 sec. Is given as an average value of acceleration values Ax, Ay, and Az sampled during (short period). In TS seconds, NS measurements represented by TS = NS × Δt are performed. Thus, Sx, Sy and Sz are specified by: In the following description, the acceleration values Ax, Ay, and Az may be collectively referred to as acceleration A, and the short-period acceleration value may be collectively referred to as short-period acceleration value S.
Sx = (Ax1 + Ax2 + Ax3 +... + AxNS) / NS
Sy = (Ay1 + Ay2 + Ay3 +... + AyNS) / NS
Sz = (Az1 + Az2 + Az3 +... + AzNS) / NS
Here, it is clear from the above formula that at least NS times of measurement of the acceleration value A are necessary to calculate each short cycle acceleration value S. The first short-period acceleration value S1 calculated in this way is calculated as follows.
S 1 = (S 1 + S 2 + S 3 ... S NS ) / NS
However, if it is calculated once S1 is the next S2, can be calculated by the following using the following measurement values S NS + 1 and the measured value so far (A 1 is excluded).
S 2 = (A 2 + A 3 +... + A NS + A NS + 1 ) / NS
That is, the short cycle acceleration value S is sequentially calculated by taking the moving average of the acceleration values A. The same applies to long-period acceleration values Lx, Ly, and Lz described later. Therefore, after the first NS times, the short cycle acceleration value S and the long cycle acceleration value L are calculated for each sampling.

短周期加速度値(Sx、Sy及びSz)は、例えば、短周期間TSを0.1sec.とし、加速度値Aのサンプリング周波数を40Hz(Δt=0.025sec.)とすると、4回分のサンプリングされた加速度値Aの平均値である。したがって、短周期加速度値を算出することにより、短い周期で動いている力表示器10(加速度センサ20)に作用される力(重力は含まず)を検知することができる。しかも、短周期加速度値をx軸、y軸及びz軸の3軸全てについて算出することで、力表示器10を使用する向きの制約を排除することができる。
なお、ここでは短周期間TSを0.1sec.として説明したが、あくまで一例である。傾向として、短周期間TSが短いと音、振動などのノイズを拾うおそれがあり、逆に、短周期間TSが長いとx−z表示体16及びx−y表示体17への表示(発光ダイオードLEの点灯)が力表示器10の動きに追従せずに遅れる。したがって短周期間TSは、0.01〜0.3sec.以下の範囲から選択することが好ましく、0.05〜0.15sec.の範囲から選択するのがより好ましい。
The short cycle acceleration value (Sx, Sy, and Sz) is, for example, a short cycle TS of 0.1 sec. Assuming that the sampling frequency of the acceleration value A is 40 Hz (Δt = 0.025 sec.), The average value of the acceleration values A sampled four times. Therefore, by calculating the short cycle acceleration value, it is possible to detect a force (not including gravity) applied to the force indicator 10 (acceleration sensor 20) moving in a short cycle. In addition, by calculating the short-period acceleration values for all three axes of the x-axis, the y-axis, and the z-axis, the restriction on the direction in which the force indicator 10 is used can be eliminated.
Here, the short period TS is 0.1 sec. However, this is only an example. As a tendency, if the short period TS is short, noise such as sound and vibration may be picked up. Conversely, if the short period TS is long, the display on the xz display body 16 and the xy display body 17 (light emission). The lighting of the diode LE is delayed without following the movement of the force indicator 10. Therefore, the short period TS is 0.01 to 0.3 sec. It is preferable to select from the following range, 0.05 to 0.15 sec. It is more preferable to select from the range.

[長周期加速度値Lx、Ly及びLzの算出]
コントローラ40は、サンプリング間隔Δt秒毎に得られる加速度値Ax、Ay及びAzから長周期加速度値Lx、Ly及びLzを算出する。長周期加速度値Lx、Ly及びLzは、例えばTL=1.0sec.の間(長周期間)にサンプリングされた加速度値Ax、Ay及びAzの平均値で与えられる。TL秒間には、TL=NL×Δtで表わされるNL回の計測が行われる。よって、Lx、Ly及びLzは以下により特定される。
Lx=(Ax1+Ax2+Ax3+…+AxNL)/NL
Ly=(Ay1+Ay2+Ay3+…+AyNL)/NL
Lz=(Az1+Az2+Az3+…+AzNL)/NL
[Calculation of long-period acceleration values Lx, Ly, and Lz]
The controller 40 calculates long-period acceleration values Lx, Ly, and Lz from the acceleration values Ax, Ay, and Az obtained every sampling interval Δt seconds. The long-period acceleration values Lx, Ly, and Lz are, for example, TL = 1.0 sec. Is given as an average value of acceleration values Ax, Ay, and Az sampled during (long period). In TL seconds, NL measurements represented by TL = NL × Δt are performed. Therefore, Lx, Ly, and Lz are specified by the following.
Lx = (Ax1 + Ax2 + Ax3 +... + AxNL) / NL
Ly = (Ay1 + Ay2 + Ay3 +... + AyNL) / NL
Lz = (Az1 + Az2 + Az3 +... + AzNL) / NL

長周期加速度値(Lx、Ly及びLz)は、例えば、長周期間TLを1.0sec.とし、加速度値Aのサンプリング周波数を40Hzとすると、40回分のサンプリングされた加速度値Aの平均値である。長周期加速度値を算出するのは、力表示器10に作用する重力を検出するためである。つまり、重力は力表示器10に常に作用しており短周期間TSのように短い時間では変わらないことを前提にして、短周期間TSに比べて十分に時間の長い長周期間TLに基づいて長周期加速度値を算出することで、力表示器10に作用する重力(大きさ、向き)を検出する。しかも、長周期加速度値をx軸、y軸及びz軸の3軸全てについて算出することで、力表示器10を使用する向きの制約を排除することができる。
なお、ここでは長周期間TLを1.0sec.として説明したが、あくまで一例である。傾向として、長周期間TLが短すぎると短周期に対応する力との区別ができなくなるおそれがあり、逆に、長周期間TLが長いと短周期間TSと同様に表示が力表示器10の動きに追従せずに遅れる。したがって長周期間TLは、0.5〜10sec.以下の範囲から選択することが好ましく、0.8〜5.0sec.の範囲から選択するのが好ましい。
以下、長周期加速度値を総称する場合には、長周期加速度値Lと表記することがある。
The long-period acceleration values (Lx, Ly, and Lz) are, for example, a long-period TL of 1.0 sec. Assuming that the sampling frequency of the acceleration value A is 40 Hz, the average value of the acceleration values A sampled 40 times. The reason for calculating the long-period acceleration value is to detect the gravity acting on the force indicator 10. That is, on the premise that gravity always acts on the force indicator 10 and does not change in a short time like the short period TS, it is based on the long period TL that is sufficiently longer than the short period TS. By calculating the long-period acceleration value, gravity (size, direction) acting on the force indicator 10 is detected. In addition, by calculating long-period acceleration values for all three axes, the x-axis, the y-axis, and the z-axis, it is possible to eliminate restrictions on the direction in which the force indicator 10 is used.
Here, the TL between long periods is 1.0 sec. However, this is only an example. As a tendency, if the TL between the long periods is too short, it may be impossible to distinguish the force corresponding to the short period, and conversely, if the TL between the long periods is long, the display is similar to the short period TS. It is late without following the movement. Therefore, the long period TL is 0.5 to 10 sec. It is preferable to select from the following range, 0.8 to 5.0 sec. It is preferable to select from this range.
Hereinafter, when long-period acceleration values are generically referred to, they may be referred to as long-period acceleration values L.

[加速度の絶対値Gの算出]
コントローラ40は、算出された短周期加速度値(Sx、Sy及びSz)を用いて、加速度の絶対値G1を算出する。なお、絶対値G1はG1=(Sx+Sy+Sz1/2により求められる。
コントローラ40は、算出された絶対値G1と先に記憶された基準重力G0とを比較する。この比較により、力表示器10が加速度運動をしているのか否かの判断を行うことができる。つまり、力表示器10が加速度運動をしていなければG1はG0のままで一致(G1=G0)し、力表示器10が加速度運動をしていればG1はG0と相違する(G1≠G0)。以下、G1=G0(非加速度運動)の場合をCase-Aといい、G1≠G0(加速度運動)をCase-Bという。なお、Case-Aに該当するのは、静止、等速運動のいずれかである。
[Calculation of absolute value G of acceleration]
The controller 40 calculates the absolute value G1 of acceleration using the calculated short cycle acceleration values (Sx, Sy, and Sz). The absolute value G1 is obtained by G1 = (Sx 2 + Sy 2 + Sz 2 ) 1/2 .
The controller 40 compares the calculated absolute value G1 with the previously stored reference gravity G0. By this comparison, it can be determined whether or not the force indicator 10 is accelerating. That is, if the force indicator 10 is not accelerating, G1 remains G0 and matches (G1 = G0), and if the force indicator 10 is accelerating, G1 is different from G0 (G1 ≠ G0). ). Hereinafter, the case of G1 = G0 (non-acceleration motion) is referred to as Case-A, and G1 ≠ G0 (acceleration motion) is referred to as Case-B. Case-A corresponds to either stationary or constant speed motion.

Case-A(非加速度運動)の場合、長周期加速度値Lx、Ly及びLzは重力と逆の向きを示しており、コントローラ40はGx=−Lx、Gy=−Ly及びGy=−Lzをメモリに記憶する。
ここで、地球上の物体には常に重力が働いているため、静止している加速度センサ20は上向きの加速度、つまりは上向きの力を常に出力する。この場合、加速度センサ20の出力から求められる力は物体の支持面から受ける垂直抗力に対応する。しかし、重力に対応する下向きの出力は存在しない。そこで、Gx=−Lx、Gy=−Ly及びGy=−Lzと解釈することで重力を表示できるようにしている。
一方、Case-B(加速度運動)の場合、重力の向きは分からないので、コントローラ40は、格別な処理を行わない。したがって、メモリには前回サンプリングまでの加速度値(Ax、Ay及びAz)、短周期加速度値(Sx、Sy及びSz)、長周期加速度値(Lx、Ly及びLz)が記憶されている。
なお、Gx=−Lx、Gy=−Ly及びGy=−Lzを総称する場合には、重力Gと表記することがある。
In Case-A (non-acceleration motion), long-period acceleration values Lx, Ly, and Lz indicate directions opposite to gravity, and the controller 40 stores Gx = −Lx, Gy = −Ly, and Gy = −Lz. To remember.
Here, since gravity always acts on an object on the earth, the stationary acceleration sensor 20 always outputs upward acceleration, that is, upward force. In this case, the force obtained from the output of the acceleration sensor 20 corresponds to the normal force received from the support surface of the object. However, there is no downward output corresponding to gravity. Therefore, gravity can be displayed by interpreting Gx = −Lx, Gy = −Ly, and Gy = −Lz.
On the other hand, in the case of Case-B (acceleration motion), since the direction of gravity is not known, the controller 40 does not perform special processing. Therefore, the memory stores acceleration values (Ax, Ay and Az) up to the previous sampling, short cycle acceleration values (Sx, Sy and Sz), and long cycle acceleration values (Lx, Ly and Lz).
Note that Gx = −Lx, Gy = −Ly, and Gy = −Lz may be collectively referred to as gravity G.

[表示情報の特定]
<通常モードと実作用モード>
以上の結果に基づいて、コントローラ40は、表示部60のLEDを点灯、表示させる内容を特定する。この表示内容は、通常モード(第1モード)と実作用モード(第2モード)によって区分される。
通常モードの場合には、物体が静止していても重力と垂直抗力が同じ大きさで逆向きに作用していることを表示されるようする。つまり、通常モードは重力を特別に扱っている。これは、重力と垂直抗力がつりあっていることを学ぶ理科の学習内容に、力表示器10の表示を合わせるためである。しかしながら、静止状態においては実際には重力と垂直抗力はつりあっているのであって、トータルとしてみると力表示器10には力が負荷されていない。そこで、実作用モードは純粋に力表示器10に負荷される力のみを表示するために実作用モードを設けている。つまり、実作用モードでは、重力と垂直抗力がつりあう状態を表示させないようにする。
[Identify display information]
<Normal mode and actual operation mode>
Based on the above results, the controller 40 identifies the content to light and display the LED of the display unit 60. This display content is divided into a normal mode (first mode) and an actual action mode (second mode).
In the normal mode, even if the object is stationary, it is displayed that gravity and normal force are acting in the opposite direction with the same magnitude. In other words, the normal mode treats gravity specially. This is to match the display of the force indicator 10 with the content of science learning that gravity and vertical drag are balanced. However, in the stationary state, the gravity and the normal drag are actually balanced, and no force is applied to the force indicator 10 when viewed as a total. Therefore, the actual operation mode is provided in order to display only the force loaded on the force indicator 10 purely. That is, in the actual action mode, the state where gravity and the normal drag are balanced is not displayed.

モードの選択は、力表示器10に通常モードと実作用モードのいずれかを選択できるスイッチを設けてもよいし、起動する際の力表示器10の向きに応じて通常モードと実作用モードのいずれかが自動的に選択されるようにしてもよい。後者として、例えば、力表示器10を正立(図1の状態)させた状態で起動スイッチをオンすると通常モードが選択され、力表示器10を倒立(z軸の向きが図1とは逆さ)させた状態で起動スイッチをオンすると実作用モードが選択されるように、コントローラ40が処理するようにプログラムしておけばよい。   The mode may be selected by providing the force indicator 10 with a switch that can select either the normal mode or the actual action mode, and depending on the direction of the force indicator 10 when starting up, the normal mode and the actual action mode may be selected. One of them may be automatically selected. As the latter, for example, when the start switch is turned on while the force indicator 10 is in the upright state (the state shown in FIG. 1), the normal mode is selected, and the force indicator 10 is turned upside down (the direction of the z axis is opposite to that in FIG. 1). ), The controller 40 may be programmed so that the actual operation mode is selected when the start switch is turned on.

<通常モード>
通常モードでは、重力Gが常に表示される。しかし、短周期加速度値Sは、重力Gの向きによって表示が以下のように異なる。
短周期加速度値Sが重力Gと向きが逆(異符号)の場合は、短周期加速度値Sと重力Gを独立して両方とも表示させる。例えば、短周期加速度値Sxが正(+)方向にLEDが3つ分の大きさを有し、重力Gxが負(−)方向にLEDが1つ分の大きさを有しているとすると、x−z表示体16のx(+)側のLEDが3つ点灯し、x−z表示体16のx(−)側のLEDが1つ点灯する。
短周期加速度値Sが重力Gと向きが同じ(同符号)場合は、重力Gに短周期加速度値Sを加えて(S+G)表示させる。例えば、短周期加速度値Sxが正(+)方向にLEDが3つ分の大きさを有し、重力Gxが正(+)方向にLEDが1つ分の大きさを有しているとすると、x−z表示体16のx(+)側のLEDが4つ点灯する。
<Normal mode>
In the normal mode, gravity G is always displayed. However, the display of the short-period acceleration value S varies depending on the direction of gravity G as follows.
When the short cycle acceleration value S is opposite in direction to the gravity G (different sign), both the short cycle acceleration value S and the gravity G are displayed independently. For example, if the short-cycle acceleration value Sx has a size of three LEDs in the positive (+) direction and the gravity Gx has a size of one LED in the negative (−) direction. Three LEDs on the x (+) side of the xz display body 16 are lit, and one LED on the x (−) side of the xz display body 16 is lit.
When the short-cycle acceleration value S has the same direction as the gravity G (same sign), the short-cycle acceleration value S is added to the gravity G and displayed (S + G). For example, suppose that the short-cycle acceleration value Sx has three LEDs in the positive (+) direction and the gravity Gx has one LED in the positive (+) direction. , Four LEDs on the x (+) side of the xz display body 16 are lit.

<実作用モード>
実作用モードでは、短周期加速度値Sの向き(符号)に係わらず、常に重力Gに短周期加速度値Sを加えて(S+G)表示させる。例えば、重力Gと垂直抗力(短周期加速度値S)は異符号であるから、S+Gは0(ゼロ)になる。よって、力表示器10が静止しているときは何も表示されない。しかし、力表示器10を自由落下させると、垂直抗力(短周期加速度値S)は0(ゼロ)になるのでx−z表示体16のx(−)側に重力Gだけが表示されることになる。
以上の通常モード、実作用モードのいずれにおいても、重力Gに基づく表示は、力表示器10が傾かない限り変わらないか、変わる場合もゆっくり変わる。これに対して、短周期加速度値Sに基づく表示は、手で力表示器10を持って動かすと、その動きに追従して素早く変化する。
<Actual mode>
In the actual operation mode, regardless of the direction (sign) of the short cycle acceleration value S, the short cycle acceleration value S is always added to the gravity G and displayed (S + G). For example, gravity G and normal force (short cycle acceleration value S) have different signs, so S + G is 0 (zero). Therefore, nothing is displayed when the force indicator 10 is stationary. However, when the force indicator 10 is freely dropped, the normal force (short cycle acceleration value S) becomes 0 (zero), so that only the gravity G is displayed on the x (−) side of the xz display body 16. become.
In both the normal mode and the actual operation mode, the display based on the gravity G does not change unless the force indicator 10 is tilted, or changes slowly when changing. On the other hand, when the display based on the short-cycle acceleration value S is moved by holding the force indicator 10 by hand, it quickly changes following the movement.

[表示]
コントローラ40は、以上のようにして特定された表示内容に基づいて、表示部60のLEDを点灯、表示させる。本実施形態では、前述したよう、1つのLEDが0.25g(g=重力加速度)に相当するので、表示情報が、0.125g<d≦0.375gの場合にはLEDを1つ点灯させ、同様に0.375g<d≦0.625gの場合には2つ、0.625g<d≦0.875gの場合には3つというように点灯させればよい。表示情報が0.125gより小さい場合には、LEDは1つも点灯させない。
[display]
The controller 40 lights and displays the LED of the display unit 60 based on the display content specified as described above. In the present embodiment, as described above, one LED corresponds to 0.25 g (g = gravity acceleration), and therefore one LED is turned on when the display information is 0.125 g <d ≦ 0.375 g. Similarly, when 0.375 g <d ≦ 0.625 g, two may be lit, and when 0.625 g <d ≦ 0.875 g, three may be lit. When the display information is smaller than 0.125 g, no LED is lit.

[処理手順]
以上説明したコントローラ40による力表示器10の処理手順を図3、図4に示すフローチャートに基づいて説明する。
<初期化処理>
起動スイッチが入ると、コントローラ40は力表示器10の初期化の処理を行う。この初期化処理は、力表示器10の一連の処理を行うために必要な情報を得るために行うものであり、図3のS101〜S109の各ステップを実行することで遂行される。
コントローラ40は、起動スイッチが入ると、加速度センサ20から加速度値Ax、Ay及びAzをサンプリングし(ステップS101)、短周期加速度値Sx、Sy及びSz、並びに、長周期加速度値Lx、Ly及びLzを算出する(ステップS103,S105)。ステップS101〜S105は繰り返して行われる。ステップS101〜S105が所定のサンプリング回数(n回)に達すると、コントローラ40は、各回数の短周期加速度値Sx、Sy及びSzの各々が一致していて、かつ、SxおよびSyが0であるという初期化の条件を満たすか否か、つまり力表示器10がz軸を鉛直方向に向けて静置されているか否かの判断を行う(ステップS107)。例えば、力表示器10を手に持って動かしていると短周期加速度値Sx、Sy及びSzのいずれかが変動しているので初期化が失敗したと判断され(ステップS107 No)、再度、ステップS101からステップS105までの処理を所定のサンプリング回数(n回)に達するまで行い、ステップS107の判断が行われる。
[Processing procedure]
The processing procedure of the force indicator 10 by the controller 40 described above will be described based on the flowcharts shown in FIGS.
<Initialization process>
When the activation switch is turned on, the controller 40 performs initialization processing of the force indicator 10. This initialization process is performed to obtain information necessary for performing a series of processes of the force indicator 10, and is performed by executing the steps S101 to S109 of FIG.
When the activation switch is turned on, the controller 40 samples the acceleration values Ax, Ay, and Az from the acceleration sensor 20 (step S101), and the short-period acceleration values Sx, Sy, and Sz, and the long-period acceleration values Lx, Ly, and Lz. Is calculated (steps S103 and S105). Steps S101 to S105 are performed repeatedly. When Steps S101 to S105 reach a predetermined number of sampling times (n times), the controller 40 indicates that the short-period acceleration values Sx, Sy, and Sz for each number coincide with each other, and Sx and Sy are 0. It is determined whether or not the initialization condition is satisfied, that is, whether or not the force indicator 10 is stationary with the z-axis oriented in the vertical direction (step S107). For example, when the force indicator 10 is held and moved, any one of the short-period acceleration values Sx, Sy, and Sz fluctuates, so that it is determined that the initialization has failed (No in step S107). The processing from S101 to step S105 is performed until the predetermined number of times of sampling (n times) is reached, and the determination of step S107 is performed.

ステップS107において、初期化の条件を満たすと判断される(ステップS107 Yes)と、コントローラ40は、n回目にサンプリングしたz軸方向の加速度値Lz0を前述した基準重力G0(G0=Lz0)としてメモリに記憶する(ステップS109)。以上で、初期化処理は完了する(図3 ステップS111)。なお、初期化が完了した時点の短周期加速度値(Sx、Sy及びSz)、長周期加速度値(Lx、Ly及びLz)は、メモリに記憶されることなく、そのまま保持される。長周期加速度値(Lx、Ly及びLz)は、後述するステップS121において非加速度運動(Yes)と判断されると新たに算出される。また、後述するステップS121において加速度運動(No)と破断されると、さらにそのまま保持される。   In step S107, when it is determined that the initialization condition is satisfied (step S107 Yes), the controller 40 stores the acceleration value Lz0 sampled in the n-th time in the z-axis direction as the above-described reference gravity G0 (G0 = Lz0). (Step S109). This completes the initialization process (step S111 in FIG. 3). Note that the short cycle acceleration values (Sx, Sy, and Sz) and the long cycle acceleration values (Lx, Ly, and Lz) at the time when the initialization is completed are held as they are without being stored in the memory. The long-period acceleration values (Lx, Ly, and Lz) are newly calculated when it is determined as non-acceleration motion (Yes) in step S121 described later. In addition, when it is broken with acceleration motion (No) in step S121, which will be described later, it is further maintained as it is.

<表示のためのサンプリング、算出>
初期化が完了すると、加速度センサ20から加速度値Ax、Ay及びAzをサンプリングし(ステップS113)、短周期加速度値Sx、Sy及びSz、並びに、長周期加速度値Lx、Ly及びLzを算出する(ステップS115,S117)。
コントローラ40は、算出された短周期加速度値Sx、Sy及びSzから、加速度の絶対値G1(G1=(Sx+Sy+Sz1/2)を算出し(ステップS119)、次いで、算出された加速度の絶対値G1と初期化に伴って記憶した基準重力G1とを比較する(ステップS121)。力表示器10が加速度運動をしていなければG1はG0のままであるからG1はG0に一致し(G1=G0,ステップS121 Yes)、力表示器10が加速度運動をしていればG1はG0と相違する(G1≠G0,ステップS121 No)。ただし、測定の誤差もあるために、ある閾値αを設け、|G0−G1|<αならば非加速度運動をしていると判断することが現実的な処理である。また、(Sx+Sy+Sz1/2)の計算を省略するために、G0とG1を比較してもよいことは言うまでもない。
<Sampling and calculation for display>
When the initialization is completed, the acceleration values Ax, Ay, and Az are sampled from the acceleration sensor 20 (step S113), and the short cycle acceleration values Sx, Sy, and Sz, and the long cycle acceleration values Lx, Ly, and Lz are calculated (step S113). Steps S115 and S117).
Controller 40, short period acceleration value Sx calculated from Sy and Sz, the absolute value G1 of the acceleration (G1 = (Sx 2 + Sy 2 + Sz 2) 1/2) was calculated (step S119), then the calculated The absolute value G1 of the acceleration and the reference gravity G1 stored with the initialization are compared (step S121). If the force indicator 10 is not accelerating, G1 remains G0, so G1 coincides with G0 (G1 = G0, Step S121 Yes), and if the force indicator 10 is accelerating, G1 is It is different from G0 (G1 ≠ G0, step S121 No). However, since there is a measurement error, it is a realistic process to set a certain threshold value α and to determine that non-acceleration motion is performed if | G0−G1 | <α. Further, (Sx 2 + Sy 2 + Sz 2) in order to omit the calculation of 1/2), G0 2 and G1 2 may of course be compared.

前述したように、Case-A(非加速度運動)の場合には、コントローラ40はGx=−Lx、Gy=−Ly及びGy=−Lzをメモリに記憶し(ステップS123)、Case-B(加速度運動)の場合、格別な処理を行わずに先行する長周期加速度値(Lx、Ly及びLz)を保持する(ステップS121〜S125)。   As described above, in the case of Case-A (non-acceleration motion), the controller 40 stores Gx = −Lx, Gy = −Ly, and Gy = −Lz in the memory (step S123), and Case-B (acceleration). In the case of motion, the preceding long-period acceleration values (Lx, Ly, and Lz) are held without performing special processing (steps S121 to S125).

次に、コントローラ40は、力表示器10が通常モードと実作用モードのいずれが選択されているかの判断を行う(ステップS125)。
通常モードが選択されている場合には、図4の(A)に続く処理がなされる。通常モードの場合には、短周期加速度値Sと重力Gの向きの異同が判断される(ステップS201)。当該向きが逆であれば(ステップS201 Yes)、短周期加速度値Sと重力Gを独立して表示情報とする(ステップS203)。当該向きが同じ又は少なくとも一方の値が0であれば(ステップS201 No)、重力Gに短周期加速度値Sを加えて(S+G)表示情報とする。
一方、実作用モードが選択されている場合には、図4の(B)に続く処理がなされる。この場合、短周期加速度値Sの向き(符号)に係わらず、常に重力Gに短周期加速度値Sを加えて(S+G)表示情報とする(ステップS207)。
コントローラ40は、各表示情報に基づいて、表示部60のLEDを点灯、表示させる(ステップS209)。
Next, the controller 40 determines which of the normal mode and the actual operation mode is selected for the force indicator 10 (step S125).
When the normal mode is selected, the processing following (A) of FIG. 4 is performed. In the case of the normal mode, it is determined whether the short-cycle acceleration value S and the direction of gravity G are different (step S201). If the direction is opposite (Yes in step S201), the short cycle acceleration value S and the gravity G are independently used as display information (step S203). If the direction is the same or at least one of the values is 0 (No in step S201), the short period acceleration value S is added to the gravity G (S + G) to obtain display information.
On the other hand, when the actual operation mode is selected, the processing following (B) in FIG. 4 is performed. In this case, regardless of the direction (sign) of the short cycle acceleration value S, the short cycle acceleration value S is always added to the gravity G (S + G) to obtain display information (step S207).
The controller 40 lights and displays the LED of the display unit 60 based on each display information (step S209).

コントローラ40は、ステップS209までの処理を終えると、図3のステップS111(図3,4の(C))に戻り、ステップS111からステップS209までの処理を繰り返すことで、力表示器10の状態の変化に応じた表示を表示部60に行わせる。繰り返しの周期は任意であるが、例えば1秒間に30〜50回程度の回数でステップS111からステップS209までの処理を繰り返すことができる。   When the process up to step S209 is completed, the controller 40 returns to step S111 in FIG. 3 ((C) in FIGS. 3 and 4), and repeats the process from step S111 to step S209, so that the state of the force indicator 10 The display unit 60 is caused to display in accordance with the change of. Although the repetition cycle is arbitrary, for example, the processing from step S111 to step S209 can be repeated at a frequency of about 30 to 50 times per second.

[表示例]
さて、以上の力表示器10を用いて実際に力を視覚化して表示させる例を、以下の順で説明する。
(I)水平面に静止(通常モード)…図6、図7、図14
(II)自由落下(又は投げ上げ,通常モード)…図8
(III)水平面を直線加速度運動(外力あり,通常モード)…図9
(IV)水平面を等速直線運動(外力なし,通常モード)…図10
(V)傾斜面に静止(通常モード)…図11
(VI)傾斜面を自由滑走(通常モード)…静止解除…図12
(VII)回転運動(通常モード)…図13
(VIII)静止→自由落下運動(実作用モード)…図15
(IX)静止→人為的に上下に振動(通常モード)…図16
[Display example]
Now, an example of actually visualizing and displaying the force using the force indicator 10 will be described in the following order.
(I) Still on the horizontal plane (normal mode) ... FIG. 6, FIG. 7, FIG.
(II) Free fall (or throwing up, normal mode) ... Figure 8
(III) Linear acceleration motion on the horizontal plane (with external force, normal mode) ... Fig. 9
(IV) Constant-velocity linear motion on the horizontal plane (no external force, normal mode) ... Fig. 10
(V) Still on the inclined surface (normal mode) ... Fig. 11
(VI) Free sliding on the inclined surface (normal mode) ... Release of static state ... Fig. 12
(VII) Rotational motion (normal mode) ... FIG.
(VIII) Stationary → Free fall motion (actual action mode) ... Fig. 15
(IX) Stationary → artificially oscillate up and down (normal mode) ... Fig. 16

(I)水平面に静止…図6,7,14
通常モードの力表示器10が水平面に静止していると、力表示器10には重力及び水平面からの垂直抗力が作用する。重力はz軸方向の下向きに作用し、垂直抗力はz軸方向の上向きに作用する。しかし、重力を力表示器10の加速度センサ20で測定できない。そこで、力表示器10は、加速度センサ20で測定された加速度の長周期加速度値Lzを用いてその逆の向きの力を重力とみなして表示させる。
力表示器10を水平面に静止させると、重力と垂直抗力とは釣り合い、x−z表示体16は、z軸方向の正(+)側の4つのLEDが、また、z軸方向の負(−)側の4つのLEDが点灯される(図6(a))。
正(+)側の4つの点灯されたLEDが垂直抗力を表し、負(−)側の4つの点灯されたLEDが重力を表しており、これを見た者は、物体(力表示器10)に、重力と垂直抗力が作用していることを視覚的に認識できる。
(I) Resting on a horizontal plane ... Figs.
When the force indicator 10 in the normal mode is stationary on the horizontal plane, gravity and vertical drag from the horizontal plane act on the force indicator 10. Gravity acts downward in the z-axis direction, and normal drag acts upward in the z-axis direction. However, gravity cannot be measured by the acceleration sensor 20 of the force indicator 10. Therefore, the force indicator 10 displays the force in the opposite direction as gravity using the long-period acceleration value Lz of the acceleration measured by the acceleration sensor 20.
When the force indicator 10 is stationary on the horizontal plane, gravity and normal drag are balanced, and the xz display 16 has four LEDs on the positive (+) side in the z-axis direction and negative ( The four LEDs on the − side are turned on (FIG. 6A).
Four lit LEDs on the positive (+) side represent vertical drag, and four lit LEDs on the negative (−) side represent gravity. A person who has seen this is the object (force indicator 10 ), It can be visually recognized that gravity and normal force are acting.

以上のように表示される際の短周期加速度値S(以下、短周期加速度値を省略することがある)、長周期加速度値L(以下、長周期加速度値を省略することがある)を対比して以下の表1に示す。なお、表1において、初期化の列に記載されているのは初期化が完了した時点の情報である。また、表1において、初期化が完了した時点で、NS回及びNL回の加速度値Aの計測が行われているものとする。
この例では、初期化のときから同じ水平面上に静止されており、初期化の際のLzがg(重力加速度)であることから、Gz0は−gとして記憶される。
初期化が完了した後も力表示器10は静止し続けるが、その間、図3のS121の非加速度運動又は加速度運動の判断が常にYesなので、SxとLx、SzとLzは常に同じ値になる。つまり、Sz及びLzはともにgのままである。この場合、力表示器10は非加速度運動の状態にあるものと判断され、Gz0=−Lz0=−gが表示情報として扱われる。したがって、Sz=g(正)、Gz0=−g(負)は各々独立して加速度情報となる結果として、z軸方向の正(+)側の4つのLEDが、また、z軸方向の負(−)側の4つのLEDが点灯される。なお、水平面に静止された力表示器10は、x−y方向には力が作用していないので、x−y表示体17のLEDは一つも点灯されない(図6(b))。
Contrast the short cycle acceleration value S (hereinafter, the short cycle acceleration value may be omitted) and the long cycle acceleration value L (hereinafter, the long cycle acceleration value may be omitted) displayed as described above. And shown in Table 1 below. In Table 1, what is described in the column of initialization is information at the time when initialization is completed. In Table 1, it is assumed that NS and NL acceleration values A have been measured when initialization is completed.
In this example, since it is stationary on the same horizontal plane from the time of initialization and Lz at the time of initialization is g (gravity acceleration), Gz0 is stored as -g.
The force indicator 10 remains stationary after the initialization is completed, but during that time, the determination of non-acceleration motion or acceleration motion in S121 of FIG. 3 is always Yes, so Sx and Lx, Sz and Lz always have the same value. . That is, both Sz and Lz remain g. In this case, it is determined that the force indicator 10 is in a non-accelerated motion state, and Gz0 = −Lz0 = −g is handled as display information. Therefore, Sz = g (positive) and Gz0 = −g (negative) are acceleration information independently. As a result, four LEDs on the positive (+) side in the z-axis direction are also negative. The four LEDs on the (−) side are turned on. In addition, since no force is acting in the xy direction on the force indicator 10 stationary on the horizontal plane, none of the LEDs of the xy display body 17 is lit (FIG. 6B).

Figure 2011232121
Figure 2011232121

力表示器10は、図7に示すように、その向きを変えて静止させても重力と垂直抗力とが釣り合っていることを表示できる。例えば、図14に示すように、力表示器10を時計回りに回転させて、x軸を鉛直方向にしても、重力と垂直抗力を示すことができる。これは、力表示器10が、3軸の各々について算出した短周期加速度値S、長周期加速度値Lに基づいて表示情報を生成していることによる。つまり、力表示器10は、x軸、y軸及びz軸の向きに制限を受けることなく使用できる等方的な性質を備えている。以下の(II)自由落下(又は投げ上げ)の以降の場合も同様である。   As shown in FIG. 7, the force indicator 10 can display that the gravity and the normal force are balanced even if the direction of the force indicator 10 is changed to stand still. For example, as shown in FIG. 14, even if the force indicator 10 is rotated clockwise and the x-axis is in the vertical direction, gravity and normal drag can be shown. This is because the force indicator 10 generates display information based on the short cycle acceleration value S and the long cycle acceleration value L calculated for each of the three axes. That is, the force indicator 10 has an isotropic property that can be used without being restricted by the orientations of the x-axis, y-axis, and z-axis. The same applies to the case after the following (II) free fall (or throwing up).

(II)自由落下(又は投げ上げ)…図8
正立状態にある通常モードの力表示器10を自由落下させると、水平面に静置していた時に作用していた垂直抗力は作用しない。しかし、力表示器10には、重力は作用する。したがって、図8(a)に示すように、x−z表示体16のz軸方向の負(−)側の4つのLEDのみが点灯されなければならない。
下向き(−側)の4つのLEDは重力を表しており、これを見た者は、自由落下時には、物体(力表示器10)に重力のみが作用していることを視覚的に認識できる。
なお、力表示器10を投げ上げた場合も、同様に、x−z表示体16のz軸方向の負(−)側の4つのLEDのみが点灯される。
(II) Free fall (or throwing up) ... Figure 8
When the normal mode force indicator 10 in the upright state is allowed to fall freely, the normal drag that was acting when the force indicator 10 was placed on a horizontal plane does not act. However, gravity acts on the force indicator 10. Accordingly, as shown in FIG. 8A, only the four LEDs on the negative (−) side in the z-axis direction of the xz display body 16 have to be lit.
The four LEDs facing downward (− side) represent gravity, and a person who sees the LED can visually recognize that only gravity acts on the object (force display 10) during free fall.
Similarly, when the force indicator 10 is thrown up, similarly, only four LEDs on the negative (−) side in the z-axis direction of the xz display body 16 are lit.

以上のように表示される際の短周期加速度値S、長周期加速度値Lを対比して以下の表2に示す。なお、初期化がなされるまでは力表示器10は水平面上に静止されており、初期化の際にGz0はGz0=−gとして記憶される。
加速度センサが自由落下しているとき(又は投げ上げられているとき)は、慣性力と重力とが打ち消しあうことで鉛直方向の加速度センサの出力は0(ゼロ)になる。つまり、G0≠G1を満たす。したがって、コントローラ40は、力表示器10が加速度運動しているものと判断する(図3 S121の判断がNo)ので、Lx、Lz(Gx、Gz)は先行する、つまり初期化完了時点のLx、Lz(Gx、Gz)が保持される(表2の→)。なお、表3以降も先行する長周期加速度値Lが保持されることを矢印(→)で示す。一方、先に記憶されているGz=−gとSz=0から、z軸方向の表示情報はSz+Gz=−g+0=−gとなり、x−z表示体16のz軸方向の負(−)側の4つのLEDのみが点灯される。
Table 2 below compares the short cycle acceleration value S and the long cycle acceleration value L when displayed as described above. Note that the force indicator 10 is stationary on a horizontal plane until initialization is performed, and Gz0 is stored as Gz0 = −g at the time of initialization.
When the acceleration sensor is free-falling (or thrown up), the inertial force and gravity cancel each other, so that the output of the acceleration sensor in the vertical direction becomes 0 (zero). That is, G0 ≠ G1 is satisfied. Therefore, since the controller 40 determines that the force indicator 10 is accelerating (No in S121 in FIG. 3), Lx and Lz (Gx, Gz) precede, that is, Lx at the time of completion of initialization. , Lz (Gx, Gz) is held (→ in Table 2). In addition, it is shown by an arrow (→) that the long-period acceleration value L that precedes Table 3 is also held. On the other hand, from the previously stored Gz = −g and Sz = 0, the display information in the z-axis direction becomes Sz + Gz = −g + 0 = −g, and the negative (−) side of the xz display body 16 in the z-axis direction. Only the four LEDs are turned on.

Figure 2011232121
Figure 2011232121

(III)水平面を直線加速度運動(外力あり)…図9
通常モードの力表示器10が、例えば手で押されながら水平面上を直線加速度運動する場合、力表示器10には、x軸方向の図中左向きの外力Fが作用する。したがって、図9(a)に示すように、x−z表示体16のx軸方向の正(+)側の例えば3つのLEDが点灯される。この場合、点灯されている3つのLEDは、外力Fに対応する加速度の大きさがg(重力加速度)の3/4程度であることを示している。
また、力表示器10が、外力Fを受けながら水平面上を加速度運動する場合、力表示器10には、重力及び水平面からの垂直抗力が作用する。したがって、x−z表示体16は、z軸方向の正(+)側の4つのLEDが、また、z軸方向の負(−)側の4つのLEDが点灯される。
以上の通りであり、x−z表示体16のx軸方向の正(+)側の3つのLEDが外力Fを表し、正(+)側の4つのLEDが垂直抗力を表し、負(−)側の4つのLEDが重力を表しており、これを見た者は、物体(力表示器10)に、右向き水平方向の外力F、重力及び垂直抗力が力表示器10に作用していることを視覚的に認識できる。
(III) Linear acceleration motion on the horizontal plane (with external force) ... Fig. 9
For example, when the force indicator 10 in the normal mode performs linear acceleration motion on a horizontal plane while being pressed by a hand, an external force F directed to the left in the figure in the x-axis direction acts on the force indicator 10. Accordingly, as shown in FIG. 9A, for example, three LEDs on the positive (+) side in the x-axis direction of the xz display body 16 are turned on. In this case, the three LEDs that are lit indicate that the magnitude of the acceleration corresponding to the external force F is about 3/4 of g (gravity acceleration).
Further, when the force indicator 10 accelerates on the horizontal plane while receiving the external force F, the force indicator 10 is subjected to gravity and vertical drag from the horizontal plane. Therefore, in the xz display body 16, four LEDs on the positive (+) side in the z-axis direction and four LEDs on the negative (−) side in the z-axis direction are turned on.
As described above, the three LEDs on the positive (+) side in the x-axis direction of the xz display body 16 represent the external force F, the four LEDs on the positive (+) side represent the vertical drag, and the negative (− The four LEDs on the) side represent gravity, and a person who has seen this is acting on the object (force indicator 10) with external force F, gravity and vertical drag in the rightward horizontal direction acting on the force indicator 10. Can be recognized visually.

以上のように表示される際の短周期加速度値S、長周期加速度値Lを対比して以下の表3に示す。なお、初期化までは上述と同じである。
静止状態(非加速度運動)から直線加速度運動に移ると、力表示器10には水平方向の外力Fが加わることで、x軸方向に加速度が生じる。もちろん、G0≠G1を満たす。したがって、コントローラ40は、力表示器10が加速度運動しているものと判断する(図3 S121の判断がNo)ので、Lx、Lz(Gx、Gz)は先行する、つまり初期化完了時点のLx、Lz(Gx、Gz)が保持される(表3の→)。一方、先に記憶されているGz=−gとSz=gは向きが逆であるから、Sz(g)とGz(−g)が各々独立してz軸方向の表示情報となり、x−z表示体16のz軸方向の正(+)側と負(−)側の4つのLEDが点灯される。また、Sx=0.75gと保持されているLx=0とから、x軸方向の表示情報はSx+Lx=0.75g+0=0.75gとなり、x軸方向の正(+)側の3つのLEDが点灯される。
Table 3 below compares the short cycle acceleration value S and the long cycle acceleration value L when displayed as described above. Note that the process up to initialization is the same as described above.
When moving from a stationary state (non-acceleration motion) to a linear acceleration motion, a horizontal external force F is applied to the force indicator 10 to generate acceleration in the x-axis direction. Of course, G0 ≠ G1 is satisfied. Therefore, since the controller 40 determines that the force indicator 10 is accelerating (No in S121 in FIG. 3), Lx and Lz (Gx, Gz) precede, that is, Lx at the time of completion of initialization. , Lz (Gx, Gz) is held (→ in Table 3). On the other hand, since Gz = -g and Sz = g stored previously have opposite directions, Sz (g) and Gz (-g) are independently display information in the z-axis direction, and xz Four LEDs on the positive (+) side and the negative (−) side in the z-axis direction of the display body 16 are turned on. Also, since Sx = 0.75g and held Lx = 0, the display information in the x-axis direction is Sx + Lx = 0.75g + 0 = 0.75g, and the three LEDs on the positive (+) side in the x-axis direction are Illuminated.

Figure 2011232121
Figure 2011232121

(IV)水平面を等速直線運動(外力なし)…図10
通常モードの力表示器10が、水平面上を等速直線運動する場合には、図10に示すように、力表示器10には、重力及び水平面からの垂直抗力のみが作用する。
したがって、x−z示体16は、z軸方向の正(+)側の4つのLEDが、また、z軸方向の負(−)側の4つのLEDが点灯される。正(+)側の4つのLEDが垂直抗力を表し、負(−)側の4つのLEDが重力を表しており、これを見た者は、物体(力表示器10)に、重力及び垂直抗力が力表示器10に作用していることを視覚的に認識できる。
以上のように表示される際の短周期加速度値S、長周期加速度値Lは、水平面に静止している場合(I)と同じである。
(IV) Constant-velocity linear motion on the horizontal plane (no external force) ... Fig. 10
When the force indicator 10 in the normal mode moves at a constant linear velocity on the horizontal plane, as shown in FIG. 10, only gravity and vertical drag from the horizontal plane act on the force indicator 10.
Therefore, in the xz indicator 16, four LEDs on the positive (+) side in the z-axis direction and four LEDs on the negative (−) side in the z-axis direction are lit. Four LEDs on the positive (+) side represent vertical drag, and four LEDs on the negative (−) side represent gravity, and a person who has seen this is subject to gravity and vertical on the object (force indicator 10). It can be visually recognized that the drag acts on the force indicator 10.
The short-cycle acceleration value S and the long-cycle acceleration value L when displayed as described above are the same as in the case (I) where the short-cycle acceleration value L is stationary on a horizontal plane.

(V)傾斜面に静止…図11
図11に示すように、通常モードの力表示器10が傾斜面に支持体70によって保持され静止されている場合には、力表示器10には、x軸とz軸方向それぞれに、重力成分と傾斜面や支持体70から受ける垂直抗力が作用する。ただし、ここでは,傾斜面と力表示器10の間には摩擦は働かないものとする。この場合、x軸及びz軸のそれぞれで力は釣り合う。力表示器10は、支持体70から傾斜面と水平方向に抗力Dを受ける。この抗力Dは、重力のx軸方向の成分と、大きさが等しく、向きが逆である。
(V) Still on the inclined surface ... Fig. 11
As shown in FIG. 11, when the force indicator 10 in the normal mode is held by the support 70 on the inclined surface and is stationary, the force indicator 10 has a gravity component in each of the x-axis and z-axis directions. The vertical drag received from the inclined surface and the support 70 acts. However, here, it is assumed that no friction acts between the inclined surface and the force indicator 10. In this case, the force is balanced between the x-axis and the z-axis. The force indicator 10 receives a drag D from the support 70 in the horizontal direction with respect to the inclined surface. This drag D is equal in magnitude and opposite in direction to the x-axis component of gravity.

したがって、x−z表示体16は、z軸方向の正(+)側の例えば3つのLEDと、z軸方向の負(−)側の例えば3つのLEDが点灯される。また、x−z表示体16は、x軸方向の正(+)側の2つのLEDと、x軸方向の負(−)側の2つのLEDが点灯される。これを見た者は、物体(力表示器10)に、重力及び垂直抗力がx軸方向及びz軸方向に作用していること、また、x軸方向およびz軸方向それぞれにおいて力はつりあっていることを視覚的に認識できる。   Therefore, in the xz display body 16, for example, three LEDs on the positive (+) side in the z-axis direction and three LEDs on the negative (−) side in the z-axis direction are turned on. In the xz display body 16, two LEDs on the positive (+) side in the x-axis direction and two LEDs on the negative (−) side in the x-axis direction are lit. A person who sees this shows that gravity and normal drag act on the object (force indicator 10) in the x-axis direction and the z-axis direction, and that the forces are balanced in the x-axis direction and the z-axis direction, respectively. Can be visually recognized.

この例では、初期化の際に正立している力表示器10を初期化後に傾けるものとする。また、正立している力表示器10を傾ける動作(表4の傾斜過程)は例えば5秒程度の時間をかける非加速度運動で行うものとする。初期化から傾斜面に支持されるまでの短周期加速度値S、長周期加速度値Lを対比して以下の表4に示す。
傾斜過程では、力表示器10が非加速度運動をしている(図3 S121の判断がYes)ので、Sx、Sz、Lx、Lzは傾きに応じて逐次変化する。具体的には、Sx、Lxは初期化時点から増加し、Sz、Lzは初期化時点から逐次減少する。この傾斜過程では、SxとGxは向きが逆であるので、SxとGxは独立して表示情報となる。図11の記載は省略しているが、例えば、Sx=0.1g、Gx=−0.1gの場合にはx軸方向のLEDの点灯数は0であり、Sx=0.2g、Gx=−0.2g及びSx=0.3g、Gx=−0.3gの場合にはx軸方向のLEDの点灯数は1であり、Sx=0.4g、Gx=−0.4gの場合にはx軸方向のLEDの点灯数は2である。また、Sz=0.99g〜0.92g、Gz=−0.99g〜−0.92gの場合にはz軸方向のLEDの点灯数は4のままである。
所定の角度まで傾斜させたのちに力表示器10を一定時間その状態を維持(静止)させると、力表示器10は非加速度運動のままである(図3 S121の判断がYes)。そうすると、傾斜の角度に応じてSx=0.5g、Sz=0.87g、Lx=0.5g、Lz=0.87gが求められるので、Gx0=−0.5g、Gz0=−0.87gが表示情報として扱われる。したがって、Sx=0.5g(正)とGx=−0.5g(負)、また、Sz=0.87g(正)とGz=−0.87g(負)、は各々独立して加速度情報として扱われる結果として、x軸方向については正(+)側と負(−)側の2つのLEDが点灯され、z軸方向については、正(+)側と負(−)側の3つのLEDが点灯される。
In this example, it is assumed that the force indicator 10 standing upright at the time of initialization is tilted after the initialization. Further, it is assumed that the operation of tilting the force indicator 10 that is standing up (inclination process in Table 4) is performed by a non-acceleration motion that takes about 5 seconds. The short cycle acceleration value S and the long cycle acceleration value L from initialization to support on the inclined surface are shown in Table 4 below.
In the tilting process, since the force indicator 10 is performing non-acceleration motion (Yes in S121 in FIG. 3), Sx, Sz, Lx, and Lz are sequentially changed according to the tilt. Specifically, Sx and Lx increase from the initialization time, and Sz and Lz decrease sequentially from the initialization time. In this tilting process, since Sx and Gx have opposite directions, Sx and Gx become display information independently. Although the description of FIG. 11 is omitted, for example, when Sx = 0.1 g and Gx = −0.1 g, the number of LEDs lit in the x-axis direction is 0, and Sx = 0.2 g, Gx = When -0.2 g, Sx = 0.3 g, and Gx = -0.3 g, the number of LEDs lit in the x-axis direction is 1, and when Sx = 0.4 g and Gx = -0.4 g The number of LEDs lit in the x-axis direction is 2. In addition, when Sz = 0.99 g to 0.92 g and Gz = −0.99 g to −0.92 g, the number of LEDs lit in the z-axis direction remains four.
When the force indicator 10 is maintained (still) for a certain time after being tilted to a predetermined angle, the force indicator 10 remains in a non-accelerated motion (Yes in S121 in FIG. 3). Then, since Sx = 0.5 g, Sz = 0.87 g, Lx = 0.5 g, and Lz = 0.87 g are obtained according to the inclination angle, Gx0 = −0.5 g and Gz0 = −0.87 g are obtained. Treated as display information. Therefore, Sx = 0.5 g (positive) and Gx = −0.5 g (negative), and Sz = 0.87 g (positive) and Gz = −0.87 g (negative) are each independently acceleration information. As a result of the treatment, two LEDs on the positive (+) side and negative (−) side are lit in the x-axis direction, and three LEDs on the positive (+) side and negative (−) side in the z-axis direction. Lights up.

Figure 2011232121
Figure 2011232121

(VI)傾斜面を自由滑走…図12
通常モードの力表示器10が摩擦のない傾斜面を自由滑走する場合には、力表示器10には、重力及び傾斜面からの垂直抗力が作用する。傾斜面から受ける垂直抗力は、重力のz軸方向の成分、つまりz軸方向の加速度情報Azと大きさが同じで向きが逆である。
力表示器10は、傾斜面を自由滑走するから、受ける力は、重力のx軸方向の成分と、重力のz軸方向の成分と、傾斜面から受ける垂直抗力の3つである。
(VI) Free sliding on the inclined surface ... Fig. 12
When the force indicator 10 in the normal mode freely slides on an inclined surface having no friction, the force indicator 10 is subjected to gravity and a normal force from the inclined surface. The normal force received from the inclined surface has the same magnitude as the z-axis direction component of gravity, that is, the acceleration information Az in the z-axis direction, and has the opposite direction.
Since the force indicator 10 freely slides on the inclined surface, the force received is three components, ie, the x-axis direction component of gravity, the z-axis direction component of gravity, and the normal force received from the inclined surface.

したがって、x−z表示体16は、例えばz軸方向の正(+)側の3つのLEDと、z軸方向の負(−)側の3つのLEDが点灯される。また、x−z表示体16は、例えばx軸方向の正(+)側の2つのLEDが点灯される。これを見た者は、物体(力表示器10)に、z軸方向には重力のZ成分及び垂直抗力が、x軸方向には重力のx成分が作用していること、また、力表示器10が重力のx軸方向の成分によって加速されることを視覚的に認識できる。   Therefore, for example, three LEDs on the positive (+) side in the z-axis direction and three LEDs on the negative (−) side in the z-axis direction are lit on the xz display body 16. Further, in the xz display body 16, for example, two LEDs on the positive (+) side in the x-axis direction are turned on. A person who sees this shows that the Z component of the gravity and the normal drag are acting on the object (force display 10) in the z-axis direction, and the x component of the gravity is acting in the x-axis direction. It can be visually recognized that the vessel 10 is accelerated by the x-axis component of gravity.

この例では、はじめ図12に示すように力表示器10を支持していた支持体70を取り除いて自由滑走させるものとする。したがって、支持体70を取り除く前の状況は傾斜面支持と同様である。
支持体70を取り除いた後は、力表示器10は支持体70からの抗力Dを受けなくなるので、表5に示すように、Sx=0となる。また。力表示器10は加速度運動する(図3 S121の判断がNo)ので、Lx、Lz(Gx、Gz)は先行する、つまり初期化完了時点のLx、Lz(Gx、Gz)が保持され(表5の→)、Gx0=−0.5g、Gz0=−0.87gが表示情報として扱われる。したがって、Sz=0.87g(正)とGz=−0.87g(負)、は各々独立して表示情報として扱われる結果として、x軸方向については正(+)側の2つのLEDが点灯され、z軸方向については、正(+)側と負(−)側の3つのLEDが点灯される。
In this example, as shown in FIG. 12, first, the support body 70 that has supported the force indicator 10 is removed, and free sliding is performed. Therefore, the situation before removing the support 70 is the same as that of the inclined surface support.
After the support 70 is removed, the force indicator 10 does not receive the drag D from the support 70, so Sx = 0 as shown in Table 5. Also. Since the force indicator 10 performs acceleration motion (No in S121 in FIG. 3), Lx and Lz (Gx, Gz) precede, that is, Lx and Lz (Gx, Gz) at the completion of initialization are held (Table 5 →), Gx0 = −0.5 g, and Gz0 = −0.87 g are treated as display information. Therefore, Sz = 0.87g (positive) and Gz = −0.87g (negative) are treated as display information independently, and as a result, two LEDs on the positive (+) side are lit in the x-axis direction. In the z-axis direction, the three LEDs on the positive (+) side and the negative (−) side are turned on.

Figure 2011232121
Figure 2011232121

(VII)回転運動…図13
通常モードの力表示器10を図13(a)のように、軸Sの周りに自由に回転できる円盤70の端に置き、円盤70を回転させると、力表示器10には向心力が働き図13(b)のようにLEDが点灯する。一般に、回転する物体には遠心力が働くと考えられており、実際回転座標系では遠心力が働く。ところが,図13(a)のように置かれた力表示器10が円盤と共に円運動をするためには向心力が必要なのである。この関係を生徒が理解することは通常極めて困難である。本発明を用いることで、回転物体には確かに向心力が働いていることを明確に示すことができる。
(VII) Rotating motion ... Fig. 13
When the force indicator 10 in the normal mode is placed on the end of a disk 70 that can freely rotate around the axis S as shown in FIG. 13A and the disk 70 is rotated, a centripetal force acts on the force indicator 10. The LED is lit as in 13 (b). In general, it is considered that centrifugal force acts on a rotating object, and actually centrifugal force acts on a rotating coordinate system. However, centripetal force is necessary for the force indicator 10 placed as shown in FIG. 13 (a) to make a circular motion with the disk. It is usually very difficult for students to understand this relationship. By using the present invention, it can be clearly shown that the centripetal force is acting on the rotating object.

(VIII)静止→自由落下運動(実作用モード)…図15
図15に示すように、水平に支持されて静止している実作用モードの力表示器10(図15の上段)を、支持を解除して自由落下させる(図15の下段)とする。
支持されている状態では、x−z表示体16のLEDは一つも点灯されない。これは実作用モードにより、釣り合っている重力と垂直抗力の表示を回避しているためである。ところが、自由落下し始めると、x−z表示体16のz軸方向の負(−)側の4つのLEDが点灯され、力表示器10には重力が作用することが示される。
このように、実作用モードを採用することで、静止状態のように釣り合うことで力表示器10全体としては負荷されていない力(加速度)を表示するのを回避しながらも、自由落下時には力表示器10に重力が負荷されていることを示すことができる。通常モードと実作用モードの力表示器10の表示を比べることで、物体に負荷される力の理解をより深めることができる。
(VIII) Stationary → Free fall motion (actual action mode) ... Fig. 15
As shown in FIG. 15, it is assumed that the force indicator 10 (the upper stage in FIG. 15) in the actual operation mode that is supported horizontally and stationary is released to fall freely (the lower stage in FIG. 15).
In the supported state, none of the LEDs of the xz display body 16 is lit. This is because the actual action mode avoids the display of balanced gravity and normal force. However, when the free fall starts, four LEDs on the negative (−) side in the z-axis direction of the xz display body 16 are turned on, indicating that gravity acts on the force indicator 10.
In this way, by adopting the actual operation mode, it is possible to avoid displaying the force (acceleration) that is not applied to the force indicator 10 as a whole by balancing as in the stationary state, but the force at the time of free fall. It can be shown that gravity is applied to the display 10. By comparing the display of the force indicator 10 in the normal mode and the actual action mode, the understanding of the force applied to the object can be deepened.

この例では、自由落下するまでは水平面上に支持されており、表6に示すように、Sz=g、Gz=−gとなる。しかるに、実負荷モード(表示情報は常にSz+Gz)であるため、水平面上に支持されている間の表示情報は、Sz+Gz=g+(−g)=0となる。水平面への支持が解除されると、垂直抗力がなくなるのでSz=0となり、その結果として自由落下の際にはGz=−gに対応して、z軸方向にの負(−)側の4つのLEDが点灯される。   In this example, it is supported on a horizontal plane until it falls freely, and as shown in Table 6, Sz = g and Gz = −g. However, since the actual load mode (the display information is always Sz + Gz), the display information while being supported on the horizontal plane is Sz + Gz = g + (− g) = 0. When the support to the horizontal plane is released, there is no vertical drag, so Sz = 0. As a result, in the case of free fall, 4 on the negative (−) side in the z-axis direction corresponds to Gz = −g. One LED is lit.

Figure 2011232121
Figure 2011232121

(IX)静止→人為的に上下に振動(通常モード)…図16
図16の(a)に示すように、水平に支持して人が保持(静止)している通常モードの力表示器10を、図16(b)の位置まで瞬時に降下させた後に、図16(c)の位置まで上昇させるものとする。
保持(静止)されている状態では、(I)の水平面に支持されているのと同じであるから、x−z表示体16は、z軸方向の正(+)側の4つのLEDが、また、z軸方向の負(−)側の4つのLEDが点灯される(図16(a))。正(+)側の4つの点灯されたLEDが垂直抗力に相当し、負(−)側の4つの点灯されたLEDが重力に相当する。
保持状態から瞬間的に下降させると、垂直抗力がなくなるので、z軸方向の正(+)側のLEDは点灯されない。また、下方に向けた外力が加わることで、z軸方向の負(−)側は5つのLEDが点灯する(図16(b))。
さらに、下降から上昇に転じると、上向きの力が加わるので、z軸方向の正(+)側のLEDは上向きの力に相当する1つだけ点灯される。また、z軸方向の負(−)側については、重力に相当する4つのLEDが点灯する(図16(c))。
(IX) Stationary → artificially oscillate up and down (normal mode) ... Fig. 16
As shown in FIG. 16 (a), the normal mode force indicator 10 that is horizontally supported and held (stationary) is instantaneously lowered to the position shown in FIG. 16 (b). It shall be raised to the position of 16 (c).
In the held (static) state, it is the same as that supported by the horizontal plane of (I), so the xz display body 16 has four LEDs on the positive (+) side in the z-axis direction, Further, the four LEDs on the negative (−) side in the z-axis direction are turned on (FIG. 16A). Four lit LEDs on the positive (+) side correspond to vertical drag, and four lit LEDs on the negative (−) side correspond to gravity.
When it is momentarily lowered from the holding state, the vertical drag is lost, and the positive (+) side LED in the z-axis direction is not lit. In addition, when an external force directed downward is applied, five LEDs are lit on the negative (−) side in the z-axis direction (FIG. 16B).
Furthermore, since the upward force is applied when turning from descending to ascending, only one LED corresponding to the upward force is lit on the positive (+) side in the z-axis direction. On the negative (−) side in the z-axis direction, four LEDs corresponding to gravity are lit (FIG. 16C).

以上のように表示される際の短周期加速度値S、長周期加速度値Lを対比して以下の表7に示す。
この例では、下降・上昇、つまり振動が始まるまでは水平に保持されており、Sz=g、Gz=−gとなり、これに対応して、z軸方向の正(+)側及び負(−)側ともにの4つのLEDが点灯される。
瞬間的に下降されている間は、下向きの力を受ける。この下向きの力が0.25gに相当するものとする。瞬間的な下降に対して、短周期加速度値Sは追従するが、長周期加速度値Lは追従しないので、短周期加速度値はSz=−025gとなるのに対して、Gzは−gのままである。表示情報は、SzとGzは向きが同じなので、Sz+Gz=−1.25gとなる。
瞬間的に上昇されている間は、上向きの力を受ける。この上向きの力が0.25gに相当するものとする。そうすると、短周期加速度値はSz=025gとなるのに対して、Gzは−gのままである。SzとGzは向きが逆なので、Sz=0.25gとGz=−1の各々が表示情報となる。
Table 7 below compares the short cycle acceleration value S and the long cycle acceleration value L when displayed as described above.
In this example, it is held horizontally until descending / rising, that is, until vibration starts, and Sz = g and Gz = −g, corresponding to the positive (+) side and negative (−) in the z-axis direction. 4 LEDs on both sides are lit.
While descending momentarily, it receives downward force. This downward force corresponds to 0.25 g. Although the short cycle acceleration value S follows the instantaneous fall, but the long cycle acceleration value L does not follow, the short cycle acceleration value becomes Sz = −025g, whereas Gz remains −g. It is. In the display information, since Sz and Gz have the same direction, Sz + Gz = −1.25 g.
While being raised momentarily, it receives upward force. It is assumed that this upward force corresponds to 0.25 g. Then, the short-period acceleration value becomes Sz = 025 g, while Gz remains −g. Since Sz and Gz have opposite directions, each of Sz = 0.25 g and Gz = −1 becomes display information.

Figure 2011232121
Figure 2011232121

以上、本発明の実施形態を説明したが、加速度センサ20はアナログ出力を有する加速度センサを用いることもできる。ただしこの場合、フィルタ・アンプ回路等の他の要素を設ける必要がある。
また、力表示器10は直方体状のケース11を用いたが、本発明はこれに限るものではない。x−z表示面とx−y表示面という二つの表示面を形成できるのであれば、例えば、ケース11を四角形以上の多角形としてもよいし、球状としてもよい。
さらに、x−z表示体16、x−y表示体17についても、異なる大きさのLEDを並べてもよく、3軸(x軸、y軸、z軸)の各々について、正・負を表示できるものであればよく、十字状にLEDを並べることに限定されるものでない。
さらにまた、表示情報をそのまま用いるのではなく、例えば表示情報を2倍にして表示させるモードを設けることで、小さな力が作用した場合の視認性を向上させることもできる。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the acceleration sensor 20 may be an acceleration sensor having an analog output. However, in this case, it is necessary to provide other elements such as a filter / amplifier circuit.
Moreover, although the rectangular parallelepiped case 11 was used for the force indicator 10, this invention is not limited to this. As long as two display surfaces, an xz display surface and an xy display surface, can be formed, for example, the case 11 may be a polygon more than a quadrangle or may be a sphere.
Furthermore, regarding the xz display body 16 and the xy display body 17, LEDs of different sizes may be arranged, and positive / negative can be displayed for each of the three axes (x axis, y axis, z axis). What is necessary is just to be a thing, and it is not limited to arranging LED in a cross shape.
Furthermore, instead of using the display information as it is, for example, by providing a mode in which the display information is displayed twice, it is possible to improve the visibility when a small force is applied.
In addition to this, as long as it does not depart from the gist of the present invention, the configuration described in the above embodiment can be selected or changed to another configuration as appropriate.

10…力表示器
11…ケース
12…x−z表示面、13…x−y表示面
14…x−z表示基板、15…x−y表示基板
16…x−z表示体、17…x−y表示体
20…3軸加速度センサ、40…コントローラ、60…表示部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Force indicator 11 ... Case 12 ... xz display surface, 13 ... xy display surface 14 ... xz display substrate, 15 ... xy display substrate 16 ... xz display body, 17 ... x- y display body 20 ... 3-axis acceleration sensor, 40 ... controller, 60 ... display unit

Claims (7)

互いに直交するx軸方向と、y軸方向と、z軸方向の各々の軸方向について加速度を検出する3軸加速度センサと、
前記3軸加速度センサから取得する前記x軸方向、前記y軸方向及び前記z軸方向の前記加速度に基づいて、前記軸方向の各々について、前記3軸加速度センサに作用する重力以外の力に対応する加速度情報S(Sx、Sy及びSz)及び前記3軸加速度センサに作用する重力に対応する加速度情報L(Lx、Ly及びLz)を求め、
算出された前記加速度情報S(Sx、Sy及びSz)及び前記加速度情報L(Lx、Ly及びLz)に基づいて、前記軸方向の各々について表示情報を生成するコントローラと、
前記表示情報に基づいて前記軸方向に作用する力の向きと大きさを表示する表示体と、
を備えることを特徴とする視覚的力表示器。
A triaxial acceleration sensor that detects acceleration in each of the x-axis direction, the y-axis direction, and the z-axis direction orthogonal to each other;
Based on the acceleration in the x-axis direction, the y-axis direction, and the z-axis direction acquired from the triaxial acceleration sensor, corresponding to forces other than gravity acting on the triaxial acceleration sensor in each of the axial directions Obtaining acceleration information S (Sx, Sy, and Sz) and acceleration information L (Lx, Ly, and Lz) corresponding to gravity acting on the three-axis acceleration sensor,
A controller that generates display information for each of the axial directions based on the calculated acceleration information S (Sx, Sy, and Sz) and the acceleration information L (Lx, Ly, and Lz);
A display for displaying the direction and magnitude of the force acting in the axial direction based on the display information;
A visual force indicator characterized by comprising:
前記コントローラは、
起動後に特定した基準重力G0と、
前記基準重力G0を特定した後に算出される前記加速度情報S(Sx、Sy及びSz)から算出される加速度の絶対値G1(ただし、加速度の絶対値G1=(Sx+Sy+Sz1/2と、を比較することで、前記視覚的力表示器が加速度運動又は非加速度運動のいずれの状態にあるのかを判断する、
請求項1に記載の視覚的力表示器。
The controller is
Reference gravity G0 specified after startup,
Absolute value G1 of acceleration calculated from the acceleration information S (Sx, Sy and Sz) calculated after specifying the reference gravity G0 (where absolute value of acceleration G1 = (Sx 2 + Sy 2 + Sz 2 ) 1 / 2 to determine whether the visual force indicator is in an accelerated or non-accelerated state.
The visual force indicator according to claim 1.
前記コントローラは、
前記視覚的力表示器が非加速度運動の状態にあるものと判断すると、
前記加速度情報L(Lx、Ly及びLz)と向きが逆で大きさの等しい加速度値G(Gx=−Lx、Gy=−Ly及びGz=−Lz)を、前記3軸加速度センサに作用する重力に対応する前記表示情報として扱い、
前記視覚的力表示器が加速度運動の状態にあるものと判断すると、
当該加速度運動を開始する前の前記加速度情報L(Lx、Ly及びLz)と向きが逆で大きさの等しい加速度値G(Gx=−Lx、Gy=−Ly及びGz=−Lz)を、前記3軸加速度センサに作用する重力に対応する前記表示情報として扱う、
請求項2に記載の視覚的力表示器。
The controller is
If it is determined that the visual force indicator is in a non-accelerated motion state,
An acceleration value G (Gx = −Lx, Gy = −Ly and Gz = −Lz) whose direction is opposite to that of the acceleration information L (Lx, Ly and Lz) is applied to the triaxial acceleration sensor. As the display information corresponding to
If it is determined that the visual force indicator is in an acceleration motion state,
The acceleration information G (Gx = −Lx, Gy = −Ly and Gz = −Lz) having the opposite direction and the same magnitude as the acceleration information L (Lx, Ly and Lz) before the acceleration motion is started, Treated as the display information corresponding to gravity acting on the three-axis acceleration sensor,
The visual force indicator according to claim 2.
前記コントローラは、
前記力の向きと大きさの表示について第1のモードと第2のモードを備え、
前記第1のモードは、
前記重力G(Gx=−Lx、Gy=−Ly及びGz=−Lz)と前記加速度情報S(Sx、Sy及びSz)の向きが逆の場合には、前記重力Gと前記加速度情報Sを各々独立した前記表示情報として扱い、
前記重力G(Gx=−Lx、Gy=−Ly及びGz=−Lz)と前記加速度情報S(Sx、Sy及びSz)の向きが同じ場合には、前記重力Gと前記加速度情報Sとを加えて前記表示情報として扱い、
前記第2のモードは、
前記重力G(Gx=−Lx、Gy=−Ly及びGz=−Lz)と前記加速度情報S(Sx、Sy及びSz)の向きに係らず、前記重力Gと前記加速度情報Sとを加えて前記表示情報として扱う、
請求項3に記載の視覚的力表示器。
The controller is
A first mode and a second mode for displaying the direction and magnitude of the force;
The first mode is:
When the directions of the gravity G (Gx = −Lx, Gy = −Ly and Gz = −Lz) and the acceleration information S (Sx, Sy and Sz) are opposite, the gravity G and the acceleration information S are Treated as independent display information,
When the direction of the gravity G (Gx = −Lx, Gy = −Ly and Gz = −Lz) and the acceleration information S (Sx, Sy and Sz) are the same, the gravity G and the acceleration information S are added. Treated as the display information,
The second mode is:
Regardless of the direction of the gravity G (Gx = −Lx, Gy = −Ly and Gz = −Lz) and the acceleration information S (Sx, Sy and Sz), the gravity G and the acceleration information S are added and the Treat as display information,
The visual force indicator according to claim 3.
前記コントローラは、
前記基準重力G0を特定する以前から、前記加速度情報L(Lx、Ly及びLz)を算出し、
前記基準重力G0を特定した際に与えられる前記各軸方向の前記加速度情報L0(Lx0、Ly0及びLz0)により初期重力値Gx0=−Lx0、Gy=−Ly及びGz=−Lz)として記憶する、
請求項1〜4のいずれかに記載の視覚的力表示器。
The controller is
Prior to specifying the reference gravity G0, the acceleration information L (Lx, Ly and Lz) is calculated,
The initial gravity values Gx0 = −Lx0, Gy = −Ly and Gz = −Lz) are stored according to the acceleration information L0 (Lx0, Ly0 and Lz0) in the respective axial directions given when the reference gravity G0 is specified.
The visual force indicator according to any one of claims 1 to 4.
請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の視覚的力表示器からなる視覚的理科教材。   A visual science teaching material comprising the visual force indicator according to any one of claims 1 to 5. 請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の視覚的力表示器からなる視覚的科学玩具。   A visual scientific toy comprising the visual force indicator according to any one of claims 1 to 5.
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