JP2014160025A - 球体の回転速度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】野球等の球技に用いられる球体の回転速度を手軽に検出することを可能とする球体の回転速度検出装置の提供。
【解決手段】 ３次元空間中を回転しつつ移動する球体の回転速度を計測する球体の回転速度検出装置であって、少なくとも１軸方向の地磁気ベクトルを検出する磁気センサと、前記磁気センサが検出した検出信号を処理する信号処理部と、前記磁気センサ及び該信号処理部に電力を供給する電源部と、前記信号処理部において処理された前記磁気センサの検出データを外部の受信装置に無線送信するための無線手段と、前記無線手段により無線送信された前記磁気センサの検出データを受信する受信手段と、前記受信手段が受信した前記磁気センサの検出データの周波数を解析し、回転速度を算出する回転速度算出手段とを備え、前記磁気センサ、前記信号処理部、前記電源部、前記無線手段は、前記球体内に固定されていることを特徴とする球体の回転速度検出装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、野球の投手が投げるボール等、３次元空間中を回転しつつ移動する球体の回転速度を検出することが可能な球体の回転速度検出装置に関する。

野球、ソフトボール、バレーボール、サッカー、テニス等の球技において、競技者のレベルを評価する方法としては、使用するボールの速度を測定するスピードガン等が有名であり、幅広く用いられている。特に野球では、プロ野球等で投手の投げるボールを瞬時に計測し、球場の掲示板に表示したり、テレビ放送時に画面に表示したりされているように、その測定技術は広く普及し、用いられている。

その一方で、競技者のレベルを評価する指標は、ボールの速度だけではなく、回転速度も重要なことが知られている。特に前記した野球の投手の評価としては、速度と同程度かそれ以上に重要であると言われているが、回転速度の検出は、速度の測定に比較して測定器は普及していない。その理由は、その測定が速度の検出に比べ著しく困難であるためである。

例えば、従来の球体の回転数の計測技術としては、ハイスピードカメラにより、ボールを撮像して回転数を計測する方法がある。ところが、このような光学的に検出する測定方法では、装置が大がかりで手軽に誰もが測定することは到底困難である。

そこで、大がかりな装置を用いずに回転速度を測定する方法として、加速度センサを用いて３軸方向の加速度を測定し、その信号の時間変化から回転速度を求める方法が提案されている(特許文献１、２)。

また、角速度を測定可能なセンサとして、ジャイロセンサがあるため、これをボールの中に固定して測定することも考えられる。このようなセンサを用いその検出信号から回転速度を検出すれば、大がかりな装置を準備することなく、計測が可能になると考えられる。

特開２０１２−５８０６６号公報 特開２０１０−２５６０６８号公報

しかしながら、前記した球体の回転速度検出には、以下の問題がある。
まず、特許文献1、２の方法では、遠心力の影響を避けるために、加速度センサを球体の重心、すなわち中心に正確に固定しなければならない。また、３軸方向の加速度センサを用いることが必須とされている。従って、センサの数が多く必要になるとともに、固定が大変である。また使用中の衝撃等により、固定位置がずれることも考えられ、中心位置に固定されているため、交換等のメンテナンスが不便である。

また、野球の投手の投げるボールの回転速度は、４０ｒｐｍを超える場合があり、このような高速回転している球体の回転速度を計測することは、ジャイロセンサでは困難であるという問題がある。

本発明は、前記した課題を解決するために成されたものであり、その目的は、大がかりな装置を用いることなく球体の回転速度を検出することができ、かつ高速回転中の球体であっても安定して精度良く回転速度を測定可能な球体の回転速度検出装置を提供することを目的とする。

本発明は、３次元空間中を回転しつつ移動する球体の回転速度を計測する球体の回転速度検出装置であって、少なくとも１軸方向の地磁気ベクトルを検出する磁気センサと、前記磁気センサが検出した検出信号を処理する信号処理部と、前記磁気センサ及び該信号処理部に電力を供給する電源部と、前記信号処理部において処理された前記磁気センサの検出データを外部の受信装置に無線送信するための無線手段と、前記無線手段により無線送信された前記磁気センサの検出データを受信する受信手段と、前記受信手段が受信した前記磁気センサの検出データの周波数を解析し、回転速度を算出する回転速度算出手段とを備え、前記磁気センサ、前記信号処理部、前記電源部、前記無線手段は、前記球体内に固定されていることを特徴とする球体の回転速度検出装置である。

本発明の回転速度検出装置では、加速度センサやジャイロセンサではなく、磁気センサで地磁気を検出することにより、回転速度を検出する。

地磁気は、場所によりその強さや向きが変化するが、大きく移動しない限り、地磁気ベクトルの向きや大きさは一定と考えてよい。そして、野球のボール等の球体が３次元空間上で回転すると、球体に磁気センサを固定しておけば、その向きは地磁気の向きに対し変化するため、磁気センサの検出値が球体の回転とともに変化する。そして、この変化は、球体の中心にセンサを固定しなくても検出することができ、かつ加速度センサで検出する場合のように遠心力のような検出値の精度に大きく影響する信号が混在して検出されることもないため、必ずしも球体の重心位置に固定する必要はなく、交換等のメンテナンスしやすい位置に固定することが可能である。

そして、磁気センサの検出データを信号処理回路で処理し、検出信号を球体内の送信装置で外部の受信装置に無線送信する。送信された信号を受信装置で受けた後、ＰＣやスマートフォン等に内蔵された回転速度算出手段により回転速度を算出し、画面に回転速度を表示する。なお、回転速度算出手段としては、具体的には磁気センサの検出信号をＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理により実現することができる。

本発明は、磁気センサで地磁気を検出し、検出信号の周波数解析を行うだけで、球体の回転速度を検出できるので、大がかりな装置を準備することなく、回転速度を簡単に検出できる。また、地磁気信号の変動により周波数が把握できれば回転速度は算出できるため、地磁気の大きさの絶対値は、方位算出の場合にように正確に求める必要がないため、オフセット補正も必要なく、かつ磁気センサは１つのみでよいので、前記特許記載の技術のように、３軸方向の地磁気を測定可能なセンサを必ずしも用いる必要がない。また、加速度センサで測定する場合の遠心力のような球体の重心以外の場所で検出される信号の存在もないため、必ずしもセンサを球体の重心位置に固定する必要もなく、センサ交換等のメンテナンスに都合のいい位置に固定しても、精度良く測定することができる。

球体内に内蔵された磁気センサにより検出した地磁気信号の時間変化の一例（最も回転速度の遅い場合）。 球体内に内蔵された磁気センサにより検出した地磁気信号の時間変化の一例（中間の回転速度の場合）。 球体内に内蔵された磁気センサにより検出した地磁気信号の時間変化の一例（最も回転速度が速い場合）。

上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
磁気センサの検出値は、球体が回転して、磁気センサの測定可能な軸方向と地磁気ベクトルの方向が一致ないし最も近い方向を向いた時に最大値となり、逆の方向を向いた時に最小値となる。そして、球体が回転すると、磁気センサの各軸の検出値は、この最大値から最小値の間を変動する。この変動は、磁気センサの測定可能な方向が地磁気の方向との関係でどの方向であっても検出可能なため、センサは１軸のみで測定することができ、特許文献１のように必ずしも３軸方向にセンサを固定する必要はない。但し、球体の回転方向によっては、磁気センサの検出値の変動が小さくなり回転速度算出が難しくなる可能性がある。そこで、少なくとも異なる２軸方向の地磁気ベクトルを測定できるように磁気センサを固定し、回転速度算出には、最も変動の大きい軸方向の磁気データを採用して回転速度を算出するようにすることが好ましい（請求項２）。

最近では、互いに直交する３軸方向の磁気を測定可能なように一体化された３軸磁気センサが市販されているので、これを用いることにより、３軸方向の地磁気の値を検出し、最も変動（最大値と最小値の差）が大きい軸方向のデータを使って回転速度を検出するようにすることもできる。

なお、磁気センサにより地磁気を測定する場合、周囲の磁気を帯びた部品、建造物等が存在していると地磁気だけでなく、そのような外乱磁場分が加わった磁場強さを検出することになることから、電子コンパスとして方位算出を目的に磁気センサを使用する場合には、通常このような地磁気以外の磁場(＝オフセット)の大きさを求め、オフセット分を補正することが必要である。ところが、本発明の場合は、検出信号の周波数のみがわかれば回転速度を検出可能であるため、オフセット補正は不要であり、簡単な構成で回転速度を検出可能である。

但し、プロ野球の投手が投げる球体等、回転速度が非常に速いことが予想される球体を測定対象としている場合は、地磁気ベクトルのサンプリング間隔を極めて短時間にするとともに、そのような短時間での高精度測定が可能な磁気センサを用いる必要がある。例えば、１秒間に５０回転する球体を測定する場合、１回転する時間は２０ｍｓであるため、１周期の検出値の変動を正確に測定可能にするには、少なくとも１周期に５点以上、すなわち４ｍｓ以下の時間間隔で地磁気を検出することが好ましい。

このような高速応答が可能で、かつ高精度の磁気センサとしては、マグネト・インピーダンス・センサ素子が最も適しているため、磁気センサとしては、マグネト・インピーダンス素子を用いることが好ましい(請求項３)。

なお、本発明では回転速度を検出するために、球体内に野球等の公式球には存在しない磁気センサ、送信装置等を固定することから、試合の公式球としては用いることができないのは説明するまでもないが、公式球と比較して質量や手触り感覚等が変化してしまうと、例えば野球の投手が本発明からなる球体を持った場合に、公式球と感覚が変化し、それを投げた場合に、公式球を用いた場合と速度や回転速度に変化が生じてしまう可能性が生じる。従って、可能な限り質量、触った際の感覚等に差異がないように仕上げるとともに、プレー途中の衝撃に対する耐久性も改善させ、選手が同じ感覚でプレーしても耐久性が良く、かつ精度の良い測定ができるように、前記した磁気センサ等の本発明で必要となる球体内に固定する部品の仕様、固定構造等を工夫することが望ましい。

次に本発明である球体の回転速度検出装置を実際に回転速度検出に使用した場合における効果について、具体的に実施例を示すことにより以下に説明する。

実施例として使用したボールは、卓球で用いられるピンポン玉である。試験用にピンポン玉を用いたのは、磁気センサを固定するのが容易で、容易に回転速度を変化させて投げることができ、本発明の回転速度検出の性能把握試験として適しているためである。

そして、市販のピンポン玉を半分に切り、内部にマグネト・インピーダンス素子からなる３軸磁気センサと磁気センサの検出信号を処理する信号処理回路と磁気センサ及び信号処理回路に電源を供給するボタン型電池からなる電源部と外部の受信装置に信号処理回路で処理した磁気センサの検出信号を送信する送信装置をピンポン玉の内壁に固定した後、別のピンポン玉を半分に切ったものを接合して、元のピンポン玉と見掛けが同一形状のピンポン玉を作成した。この際、内部の固定された磁気センサ、信号処理回路、電源部、送信装置等が全体としてピンポン玉の中心位置に配置されるように固定し、重心位置ができるだけピンポン玉の中心位置になるように配慮した。

そして、このように製造したピンポン玉を回転速度が３水準となるように、実際に投げてピンポン球内に内蔵された磁気センサで地磁気ベクトルの変化を検出し、その検出信号を送信装置から外部の受信装置へ無線送信し、データをＰＣで処理して回転速度を算出した。なお、今回は受信装置で受信し、そのデータをＰＣで処理したが、回転速度を算出する専用のアプリを開発すれば、スマートフォン等の携帯機器でデータを受信し、回転速度を計算し、画面に表示することもできる。

なお、磁気センサによる地磁気ベクトル検出の時間間隔は４ｍｓｅｃとした。これにより、仮に５０ｒｐｍの速度でピンポン玉が回転した場合でも１回転につき５点以上のデータを検出し、記憶できるため、５０ｒｐｍ程度までの回転速度であれば、精度の良い検出が期待できる。以上説明した実験により得た磁気センサの検出信号の時間変化を図１〜図３に示す。なお、本実施例では、磁気センサとして３軸の磁気センサを用いているため、データは３軸方向の信号が得られているが、図１〜図３には、そのうちの変動が最も大きかった１軸方向のデータを示した。また回転速度もこの変動が最も大きかった軸方向のデータを用いて算出した。前記した通り、回転速度を３水準で実験を行い、最も回転速度が遅い場合の図が図１、中間速度の図が図２、最も回転速度が速い場合が図３である。この図より、目視でカウントした結果、それぞれの回転速度が１５．０ｒｐｍ、２７．３ｒｐｍ、５１．３ｒｐｍであることを確認した。なお、図をみると磁気測定値の値がマイナス側にずれているが、これはオフセット補正をしていないためである。

しかしながら、実際の使用を考えると、目視でみてカウントするのではなく、自動で回転速度を算出し、スマートフォン等の携帯機器やＰＣ等に自動で回転速度が表示されるようにすることが望ましい。そこで、図１〜図３のデータを用いてＦＦＴ処理を行い、パワースペクトル密度が最大となる周波数を求めることにより回転速度を算出した。その結果、図１のデータから求めた回転速度が１５．６ｒｐｍ、図２のデータから求めた回転速度が２８．７ｒｐｍ、図３のデータから求めた回転速度が５０．７ｒｐｍとなり、目視で求めた回転速度とほぼ一致する結果が得られた。その他、図示しない他の条件でも実験を行ったが、同様に目視で求めた回転速度とＦＦＴ処理により求めた回転速度はほぼ一致することが確認できた。

従って、磁気センサにより検出した地磁気のデータを使ってＦＦＴ処理を行うことにより、自動で回転速度を算出し、表示させることが可能になる。

Claims (3)

1. ３次元空間中を回転しつつ移動する球体の回転速度を計測する球体の回転速度検出装置であって、
   少なくとも１軸方向の地磁気ベクトルを検出する磁気センサと、
   前記磁気センサが検出した検出信号を処理する信号処理部と、
   前記磁気センサ及び該信号処理部に電力を供給する電源部と、
   前記信号処理部において処理された前記磁気センサの検出データを外部の受信装置に無線送信するための無線手段と、
   前記無線手段により無線送信された前記磁気センサの検出データを受信する受信手段と、
   前記受信手段が受信した前記磁気センサの検出データの周波数を解析し、回転速度を算出する回転速度算出手段とを備え、
   前記磁気センサ、前記信号処理部、前記電源部、前記無線手段は、前記球体内に固定されていることを特徴とする球体の回転速度検出装置。
2. 前記磁気センサは、少なくとも異なる２軸方向が検出可能となるよう前記球体内に固定され、前記回転速度算出手段での周波数解析において、検出データの最大値と最小値の差が最も大きい軸方向の検出データを用いて周波数を解析し、回転速度を算出することを特徴とする請求項１に記載の球体の回転速度検出装置。
3. 前記磁気センサは、マグネト・インピーダンス・センサ素子からなることを特徴とする請求項１、２のいずれか１項に記載の球体の回転速度検出装置。

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