JP2018112567A - 回転速度測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】ボールの空中移動が終了したタイミングを自動的に検出できる回転速度測定システムを提供すること。【解決手段】磁気センサ３と、加速度センサ４と、終了検出部６と、算出部７とを備える。磁気センサ３は、少なくとも一軸方向の地磁気を測定する。加速度センサ４は、少なくとも一軸方向の加速度を測定する。終了検出部６は、加速度センサ４によって測定された加速度の、予め定められた微小時間単位における変化量の絶対値である加速度変化量が、第１の閾値以下にある低変動状態となった後、上記加速度変化量が第２の閾値以上となる高変動状態へ切り替わる時点を、ボール２の空中移動が終了したとみなす終了時点として検出する。算出部７は、終了時点までに磁気センサ３によって取得された、地磁気の測定データの周波数を解析することにより、空中を移動するボール２の回転速度を算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、空中を移動するボールの回転速度を測定するための回転速度測定システムに関する。

空中を移動するボールの回転速度を測定する回転速度測定システムとして、地磁気を測定する磁気センサを用いたものが知られている（下記特許文献１参照）。この回転速度測定システムでは、ボールに上記磁気センサを設け、この磁気センサの出力の時間変化を用いることにより、空中を移動するボールの回転速度を算出している。

ボールを投げたり蹴ったりすると、ボールが回転しながら空中を移動する。空中移動している間にボールが回転すると、ボール内に設けられた上記磁気センサの、地磁気に対する向きが周期的に変化する。そのため、磁気センサによって得られる地磁気の測定データが周期的に変化する。上記回転速度測定システムは、この周波数を解析することにより、空中を移動するボールの回転速度を算出するよう構成されている。

特開２０１４−１６００２５号公報

しかしながら、上記回転速度測定システムは、ボールの空中移動が終了したタイミングを自動的に検出できない場合がある。すなわち、高速で回転しながら空中移動するボールを、ミット等を用いて捕球する場合等は、捕球後、ボールの回転速度が急に低下するため、地磁気の測定データの周波数が急に低下する。したがって、この周波数の変化を検出することにより、ボールの空中移動が終了したタイミングを自動的に検出できる。ところが、ボールをネットに向かって投げる場合や、回転速度の小さい球種を投げる場合等、空中移動を終了したときに回転速度の急な変化が生じにくい場合には、地磁気の測定データの周波数が急に変化しない。そのため、ボールの空中移動が終了したタイミングを把握しにくい。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、ボールの空中移動が終了したタイミングを自動的に検出できる回転速度測定システムを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、空中を移動するボールの回転速度を測定する回転速度測定システムであって、
上記ボール内に設けられ、少なくとも一軸方向の地磁気を測定する磁気センサと、
上記ボール内に設けられ、少なくとも一軸方向の加速度を測定する加速度センサと、
該加速度センサによって測定された加速度の、予め定められた微小時間単位における変化量の絶対値である加速度変化量が予め定められた第１の閾値以下にある低変動状態となった後、上記加速度変化量が予め定められた第２の閾値以上となる高変動状態へ切り替わる時点を、上記ボールの空中移動が終了したとみなす終了時点として検出する終了検出部と、
上記終了時点までに上記磁気センサによって取得された、上記地磁気の測定データの周波数を解析することにより、空中を移動する上記ボールの回転速度を算出する算出部とを備えることを特徴とする回転速度測定システムにある。

上記回転速度測定システムにおいては、ボールに上記加速度センサを設けてある。また、回転速度測定システムは、上記終了検出部を備える。
そのため、終了検出部により、ボールの空中移動が終了したとみなすことができる時点である上記終了時点を検出することができる。すなわち、ボールが空中を移動しているときは、ボールには、空気抵抗が僅かに作用するものの、外部から大きな力は殆ど作用しない。そのため、ボールが空中移動している間は、加速度センサは、外部からの力に起因する加速度は殆ど検出せず、ボールの回転によって生じる遠心力に起因する、略一定の加速度を主に測定することになる。したがって、この間は、加速度センサの出力は略一定になる。また、ボールがミット等の外部の物体に当たり、空中移動を終了すると、ボールに大きな力が加わるため、加速度が短時間で大きく変化する。そのため、加速度センサによって検出できる加速度の変化を用いて、上記終了時点を検出することが可能になる。つまり、ボールが空中移動して加速度が一定時間大きく変化しない状態（上記低変動状態）から、加速度が短時間で大きく変化する状態（上記高変動状態）に切り替わる時点を、上記終了時点として検出することができる。
なお、加速度センサは、オフセット補正しない場合、実際の加速度が０であっても出力が０にならない。また、加速度センサをボールの中心に固定できない場合には、ボールの回転速度が速いと、加速度センサが遠心力による加速度を受けることになる。従って、低変動状態から高変動状態へ切り替わる時点の判断を、加速度センサの検出値自体で行うと、閾値の設定が難しく、正確な判断ができなくなる場合がある。そのため、本例では上記加速度変化量を用いて、低変動状態から高変動状態に切り替わる時点を判断するようにしている。上記加速度変化量を用いると、低変動状態から高変動状態に切り替わる時点を、正確かつ容易に判断することができる。

以上のごとく、本発明によれば、ボールの空中移動が終了したタイミングを自動的に検出できる回転速度測定システムを提供することができる。

実施例１における、ボールの断面図。 実施例１における、ボール内の部品の概念図。 実施例１における、ボール内のメモリから磁気センサの測定データを無線送信している状態での、回転速度測定システムの概念図。 実施例１における、加速度の測定データの時間変化を表したグラフ。 実施例１における、加速度変化量の時間変化を表したグラフ。 実施例１における、地磁気の測定データの時間変化を表したグラフ。 実施例１における、回転速度測定システムのフローチャート。 実施例１における、３軸磁気センサの斜視図。 実施例２における、ボール内の部品の概念図。 実施例２における、ボールから外部機器に磁気センサの測定データを送信している状態での、回転速度測定システムの概念図。 実施例３における、回転速度測定システムの概念図。

上記回転速度測定システムは、上記加速度センサによって上記加速度の測定が開始された後に上記加速度変化量が予め定められた第３の閾値以上となる初期変動状態を終了した時点を、上記ボールの空中移動が開始されたとみなす開始時点として検出する開始検出部を備え、上記算出部は、上記開始時点から上記終了時点までに上記磁気センサによって取得された、上記地磁気の測定データの周波数を解析することにより、空中を移動する上記ボールの回転速度を算出するよう構成されていることが好ましい。
この場合には、加速度センサによって測定した加速度の変化を用いて、上記開始時点を検出することができる。すなわち、ボールが空中移動を開始するときは、手や足等からボールに大きな力が加わるため、加速度が短時間で大きく変化する。したがって、加速度センサによって加速度の測定を開始した後に、加速度の値が急に変化する時点を検出することにより、上記開始時点を検出することができる。
なお、開始検出部を設ける場合は、加速度の測定を開始してから、最初に加速度が短時間で大きく変化する時点を、上記開始時点と判断し、次に加速度が短時間で大きく変化する時点を、上記終了時点と判断すれば良い。また、開始検出部を設けない場合でも、加速度センサの測定値自体は得られているので、上述したように、加速度変化量を用いて、終了時点となったか否かを判断することができる。また、空中移動する時間は予め大体分かっているので、上記「低変動状態」が予め定められた時間以上続いた後、加速度が短時間で大きく変化する時点を、終了時点として判断することもできる。

また、上記加速度センサは、互いに異なる複数の軸方向の加速度を測定するよう構成され、上記終了検出部は、上記複数の軸方向についての上記加速度の測定データのうち、上記高変動状態における上記加速度の変化量が最も大きい測定データを用いて、上記終了時点を検出するよう構成されていることが好ましい。
この場合には、複数の軸方向について加速度を測定しているため、これら複数の軸方向のうちいずれか一つは、高変動状態に加速度の大きな変化を測定できる可能性が高い。そのため、一軸方向だけ加速度を測定する場合よりも、終了時点を検出しやすくなる。

また、上記加速度センサは、互いに直交する３つの軸方向の上記加速度を測定するよう構成されていることが、より好ましい。
この場合には、３つの軸方向について加速度を測定しているため、これら３つの軸方向のうちいずれか一つは、高変動状態に加速度の大きな変化を測定できる可能性が高い。そのため、一軸方向、または二軸方向だけ加速度を測定する場合よりも、終了時点を検出しやすくなる。

また、上記磁気センサは、互いに異なる複数の軸方向の上記地磁気を測定するよう構成され、上記算出部は、上記複数の軸方向についての上記地磁気の測定データのうち、振幅が最も大きい測定データを用いて、上記ボールの回転速度を算出するよう構成されていることが好ましい。
この場合には、複数の軸方向についての地磁気の測定データのうち、振幅が最も大きい測定データを用いるため、一軸方向のみ地磁気を測定する場合と比べて、上記周波数をより正確に算出することができる。そのため、ボールの回転速度をより正確に算出することができる。

また、上記磁気センサは、互いに直交する３つの軸方向の上記地磁気を測定するよう構成されていることが、より好ましい。
この場合には、３つの軸方向についての地磁気の測定データのうち、振幅が最も大きい測定データを用いて、ボールの回転速度を算出できるため、一軸方向、又は二軸方向のみ地磁気を測定する場合と比べて、ボールの回転速度をさらに正確に測定することができる。

また、上記ボール内に、上記地磁気の測定データを、該測定データに含まれる個々の測定値の測定時間を認識できるようにした状態で記憶する磁気センサ用メモリが設けられていることが望ましい。
地磁気の測定データを磁気センサ用メモリ（以下、単に「メモリ」とも記す）に記憶せず、外部に設けた算出部に無線送信することも可能であるが、この場合には、送信エラーが発生すると、測定データを再送信できないため、ボールの回転速度を算出できなくなる。これに対して、地磁気の測定データをメモリに記憶すれば、送信エラーが生じた場合には、メモリから測定データを読み出して再び送信することが可能になる。そのため、ボールの回転速度を確実に算出できる。
また、上記メモリは、地磁気の測定データを、該測定データに含まれる個々の測定値の測定時間を認識できるようにした状態で記憶している。そのため、加速度センサの測定データによって検出した開始時点や終了時点が、地磁気の測定データを構成する複数の測定値のうち、どの測定値に対応するのか認識することができる。このようにするためには、実際の測定時間を記憶しても良いし、測定の時間間隔が一定（例えば４ｍｓ）の場合は、測定値の順番から測定時間が分かるようにしても良い。この点は、加速度センサの測定データを加速度センサ用メモリに記憶する場合も全く同じである。
また、ボールの回転速度を測定するために必要な地磁気の測定データは膨大になりやすいため、ボールにメモリを搭載する場合は特に、記憶する測定データの量を少なくする工夫が望まれる。例えば野球のボールでは、回転速度は速い場合で５０回転／ｓにもなる。また、周波数を正確に算出するためには、地磁気の測定データを１回転につき５点以上取得することが好ましい。そのため、回転速度が速い場合でもこれを正確に測定できるようにするために、例えば地磁気の測定データを１秒間に２５０点以上取得することが好ましい。つまり、単位時間に取得する地磁気の測定データの量を多くする必要がある。したがって、ボールが空中移動しているときに得られた測定データか否かにかかわらず、全ての測定データを記憶しようとすると、記憶する測定データの総量が多くなり、メモリが大型化しやすい。これに対して、上記回転速度測定システムのように終了時点を検出すれば、終了時点の後に得られた測定データを記憶しなくてすむ。したがって、単位時間当たりの地磁気の測定データの量が多くても、メモリに記憶する測定データの総量を少なくすることができ、メモリを小型化することができる。

また、上記ボール内に、上記加速度の測定データを、該測定データに含まれる個々の測定値の測定時間を認識できるようにした状態で記憶する加速度センサ用メモリが設けられていることが望ましい。
この場合には、加速度センサ用メモリから加速度の測定データを読み出して、開始時点や終了時点を検出することができる。そのため、開始時点および終了時点の検出を確実に行うことができる。

また、上記終了検出部は上記ボール内に設けられていることが好ましい。
終了検出部をボール外に設けることも可能であるが、この場合には、ボール側で終了時点を検出できなくなる。そのため、上記終了時点の前に得られた地磁気の測定データだけでなく、終了時点の後に得られた地磁気の測定データをも、ボール外に設けた終了検出部に送信しなければ、終了時点を検出することができなくなる。そのため、送信する測定データの量が多くなりやすい。これに対して、終了検出部をボール内に設ければ、ボール側で終了時点を検出できるため、終了時点の前に得られた地磁気の測定データのみを、外部に送信することができる。そのため、送信する測定データの量を少なくすることができる。

また、上記磁気センサは、マグネトインピーダンスセンサからなることが好ましい。
マグネトインピーダンスセンサ（以下、ＭＩセンサとも記す）は、磁気の感度や応答速度が優れており、他の磁気センサと比べて、極めて短時間に多数の測定データを精度良く取得することができる。そのため、磁気センサとしてＭＩセンサを用いれば、ボールが空中移動している間に地磁気の測定データを確実に取得でき、ボールの回転速度を正確に算出することが可能になる。

（実施例１）
上記回転速度測定システムに係る実施例について、図１〜図８を用いて説明する。本例の回転速度測定システム１は、図１〜図３に示すごとく、磁気センサ３と、加速度センサ４と、終了検出部６と、算出部７とを備える。磁気センサ３は、少なくとも一軸方向の地磁気を測定する。加速度センサ４は、少なくとも一軸方向の加速度を測定する。磁気センサ３及び加速度センサ４は、ボール２内に設けられている。

終了検出部６は、加速度センサ４によって測定された加速度の、予め定められた微小時間単位における変化量の絶対値である加速度変化量｜ΔＡ｜（図５参照）が予め定められた第１の閾値Ｖ１以下にある低変動状態Ｓ_Ｌ（図４、図５参照）が、予め定められた時間以上続いた後、上記加速度変化量｜ΔＡ｜が予め定められた第２の閾値Ｖ２以上となる高変動状態Ｓ_Ｈへ切り替わる時点を、ボール２の空中移動が終了したとみなす終了時点Ｔ_Ｅとして検出する。また、ボール２は、上記加速度変化量｜ΔＡ｜の計算に必要な、加速度センサ４の測定値を記憶する加速度センサ用メモリ１１２を備えている。なお、加速度センサ用メモリ１１２は、低変動状態Ｓ_Ｌから高変動状態Ｓ_Ｈに切り替わる時点の判断に必要な加速度の測定データを記憶できる容量を確保できていればよく、大容量のメモリは不要である。

算出部７は、終了時点Ｔ_Ｅまでに磁気センサ３によって取得された、地磁気の測定データ（図６参照）の周波数を解析することにより、空中を移動するボール２の回転速度を算出する。

本例では図１、図２に示すごとく、ボール２内に、開始検出部５と、メモリ１１１（磁気センサ用）と、加速度センサ用メモリ１１２と、無線送信部１２と、バッテリ１３とを設けてある。ボール２は、野球用のボールである。ボール２は、空中移動を開始した後、ミットやネット等の外部部材（図示しない）に当たって、空中移動を終了する。この外部部材の近傍には、図３に示すごとく、外部機器１０が配されている。外部機器１０内には、算出部７と、表示部１４と、無線受信部１５とが設けられている。

開始検出部５は、加速度センサ４によって加速度の測定が開始された後に上記加速度変化量｜ΔＡ｜が予め定められた第３の閾値Ｖ３以上となる初期変動状態Ｓ_Ｂ（図４、図５参照）を終了した時点を、ボール２の空中移動が開始されたとみなす開始時点Ｔ_Ｓとして検出する。また、算出部７は、上記開始時点Ｔ_Ｓから上記終了時点Ｔ_Ｅまでに磁気センサ３によって取得された、地磁気の測定データの周波数を解析する。これにより、空中を移動するボール２の回転速度を算出する。算出した回転速度は、表示部１４に表示される。
なお、上記表示部１４には、上記開始時点Ｔ_Ｓから上記終了時点Ｔ_Ｅまでの平均的な回転速度を表示しても良いが、ボール２が空中を移動している時間を複数に分けて、例えば初期回転速度、中間回転速度、最終回転速度のように、複数の回転速度を表示することも可能である。

また、上記メモリ１１１には、地磁気の測定データが記憶され、加速度センサ用メモリ１１２には、加速度センサ４の測定データが記憶される。本例では、加速度センサ用メモリ１１２から、加速度の測定データを取り出し、これを用いて開始時点Ｔ_Ｓ及び終了時点Ｔ_Ｅを求めている。メモリ１１１には、地磁気の測定データを全て記憶するのではなく、上記開始時点Ｔ_Ｓから上記終了時点Ｔ_Ｅまでの間に得られた測定データのみを記憶する。ボール２が上記外部部材に当たり、空中移動を終了すると、メモリ１１１に記憶された地磁気の測定データは、無線送信部１２によって、無線受信部１５に無線送信される。この、無線送信された地磁気の測定データを用いて、算出部７がボール２の回転速度を算出する。

また、本例の磁気センサ３は、互いに直交する３つの軸方向における地磁気をそれぞれ測定するよう構成されている。同様に、本例の加速度センサ４は、互いに直交する３つの軸方向における加速度をそれぞれ測定するよう構成されている。磁気センサ３の構造は、後述する。

次に、図４、図６を用いて、ボールを空中移動させたときの、加速度センサ４及び磁気センサ３の出力の時間変化について説明する。まず、同図のグラフを得たときの条件について説明する。これらのグラフを得るにあたって、まず、野球のボール２に磁気センサ３及び加速度センサ４を設けた。そして、このボール２を、手に持って回転させつつ鉛直方向上方に放出し、落下したボール２を、手の中で回転させつつ受け止めた。このとき、加速度センサ４によって測定された、３つの軸方向についての加速度の測定データのうち、高変動状態Ｓ_Ｈにおける変動量が最も大きい測定データを、図４に示す。また、磁気センサ３によって測定された、３つの軸方向についての地磁気の測定データのうち、振幅が最も大きい測定データを、図６に示す。

加速度センサ４は、４ｍｓ毎に加速度の測定データを出力するよう構成してある。つまり、図４のグラフの各測定データは、４ｍｓ間隔で取得されたものである。この測定データを用いて、図５のグラフを作成した。図５のグラフを作成するにあたって、加速度センサ４によって取得された各測定データＡ（ｎ）から、一つ前に取得した測定データ、すなわち４ｍｓ前に取得した測定データＡ（ｎ−１）を減算し、これの絶対値をとって上記加速度変化量｜ΔＡ｜とした。すなわち、
｜ΔＡ｜＝｜Ａ（ｎ）−Ａ（ｎ−１）｜ ・・・（１）
として加速度変化量｜ΔＡ｜を算出した。このように、本例では、加速度変化量｜ΔＡ｜を算出する際の上記微小時間単位を、４ｍｓにした。
なお、本例では、加速度の測定データを、測定時間の情報と共に加速度センサ用メモリ１１２に記憶しつつ、加速度センサ用メモリ１１２から加速度の測定データを読み出し、その測定データを用いて、各測定時間における加速度変化量｜ΔＡ｜を算出している。また、本例では、算出した加速度変化量｜ΔＡ｜も、時間情報と共に加速度センサ用メモリ１１２に記憶している。これにより、低変動状態がどの程度継続したかの判断を容易に行うことが可能になる。

図４に示すごとく、加速度の測定を開始した後、上記初期変動状態Ｓ_Ｂが現れる。これは、ボール２を空中に放出する際に、ボール２が手から力を受けるため、加速度が短時間で大きく変化するからである。

初期変動状態Ｓ_Ｂが終了した後、上記低変動状態Ｓ_Ｌが現れる。低変動状態Ｓ_Ｌでは、ボール２は空気抵抗を僅かに受けるものの、その他の外力は殆ど受けない。そのため、加速度センサ４は、外部からの力に起因する加速度を殆ど検出しない。また、ボール２は自由落下しているため、重力加速度も検出されない。低変動状態Ｓ_Ｌでは、ボール２が回転して遠心力が発生するため、この遠心力に起因する加速度を、加速度センサ４は主に検出する。ボール２が空中を移動している間は、遠心力は略一定であるため、低変動状態Ｓ_Ｌでは、加速度の測定値は略一定になる。

低変動状態Ｓ_Ｌが暫く続いた後、高変動状態Ｓ_Ｈが現れる。高変動状態Ｓ_Ｈでは、ボール２が受け止められるため、ボール２が手から大きな力を受ける。そのため、加速度センサ４が加速度の大きな変化を検出する。

以上説明したように、ボール２が空中移動を開始する際には、ボール２は手から大きな力を受けるため、加速度の測定データが短時間で大きく変化する上記初期変動状態Ｓ_Ｂが現れる。したがって、この初期変動状態Ｓ_Ｂが終了する時点を、ボール２が空中移動を開始する時点とみなすことができる。
また、空中移動を終了する際には、ボール２は外部から再び大きな力を受けるため、加速度の測定データが短時間で大きく変化する上記高変動状態Ｓ_Ｈが現れる。したがって、低変動状態Ｓ_Ｌから高変動状態Ｓ_Ｈに切り替わる時点を、ボール２の空中移動が終了する時点とみなすことができる。

上記加速度変化量｜ΔＡ｜を用いれば、上記開始時点Ｔｓ及び終了時点Ｔ_Ｅを自動的に検出することができる。すなわち、図５に示すごとく、初期変動状態Ｓ_Ｂでは、ボール２が力を受けて加速度が短時間で大きく変化するため、加速度変化量｜ΔＡ｜が高くなる。そのため、加速度変化量｜ΔＡ｜が第３の閾値Ｖ３以上になった状態を、初期変動状態Ｓ_Ｂとして検出できる。また、この初期変動状態Ｓ_Ｂが終了する時点、すなわち加速度変化量｜ΔＡ｜が第３の閾値Ｖ３以下になる時点を、上記開始時点Ｔｓとして検出することができる。

また、低変動状態Ｓ_Ｌでは、加速度が大きく変化しないため、加速度変化量｜ΔＡ｜は小さな値になる。そのため、開始時点Ｔｓの後、加速度変化量｜ΔＡ｜が第１の閾値Ｖ１以下になったか否かを判断することにより、低変動状態Ｓ_Ｌになったか否かを判断できる。また、ボール２が空中移動を終了し、ミット等の外部の物体に当たると、高変動状態Ｓ_Ｈとなり、ボール２が力を受けて加速度が短時間で大きく変化する。そのため、加速度変化量｜ΔＡ｜が高くなる。したがって、加速度変化量｜ΔＡ｜が第２の閾値Ｖ２以上になった状態を、高変動状態Ｓ_Ｈとして検出できる。また、低変動状態Ｓ_Ｌから高変動状態Ｓ_Ｈに切り替わる時点、すなわち加速度変化量｜ΔＡ｜が第２の閾値Ｖ２以上になる時点を、終了時点Ｔ_Ｅとして検出できる。

なお、図４に示すごとく、初期変動状態Ｓ_Ｂの前にも、加速度が比較的大きく変化する状態（投球準備状態Ｓ_Ｐ）が現れる。この投球準備状態Ｓ_Ｐは、ボール２を持つ手が、ボール２を放出する準備動作を行ったため現れた状態であると考えられる。投球準備状態Ｓ_Ｐは、測定データの変化が、初期変動状態Ｓ_Ｂほど大きくない。すなわち、投球準備状態Ｓ_Ｐでは、加速度が初期変動状態Ｓ_Ｂほど急激に変化していない。そのため、投球準備状態Ｓ_Ｐにおける加速度の変化が初期変動状態Ｓ_Ｂほど急でなければ、投球準備状態Ｓ_Ｐと初期変動状態Ｓ_Ｂとを区別することができる。なお、投球準備状態Ｓ_Ｐと初期変動状態Ｓ_Ｂとを区別できない場合は、投球準備状態Ｓ_Ｐが終了した時点を、開始時点Ｔ_Ｓとして検出してもよい。

また、図４に示すごとく、初期変動状態Ｓ_Ｂから低変動状態Ｓ_Ｌに切り替わる際に、加速度が僅かに変動する遷移状態Ｓ_Ｔが現れる。遷移状態Ｓ_Ｔでは、ボール２が手から離れつつあるが、完全に離れておらず、指から僅かに力を受けるため、加速度センサ４が小さな加速度を検出すると考えられる。この遷移状態Ｓ_Ｔも、加速度が初期変動状態Ｓ_Ｂほど急激に変化しない。本例の回転速度測定システム１は、遷移状態Ｓ_Ｔは、図５に示すごとく、加速度変化量｜ΔＡ｜が第３の閾値Ｖ３よりも小さいため、初期変動状態Ｓ_Ｂとして検出しない。

図６に示すごとく、磁気センサ３による地磁気の測定データは、ボール２が空中移動している間、略一定の周期で変化する。これは、空中でボール２が回転しているため、地磁気に対する磁気センサ３の向きが周期的に変化するからである。したがって、地磁気の測定データの周波数は、ボール２の単位時間当たりの回転数と等しい。そのため、上記周波数を算出することにより、ボール２の回転速度を求めることができる。なお、周波数を算出する際には、地磁気の測定データをＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理する方法を用いることができる。

終了時点Ｔ_Ｅの後、地磁気の測定データの周波数は、暫くの間は、空中移動中の周波数と略同じであるが、次第に低くなる。すなわち、周期が次第に長くなる。これは、本例では、ボール２を手で受け止めた後、すぐにボール２を手でつかんで回転を止めずに、ボール２が手の中で暫く回転を続け、ゆっくりと、摩擦によって回転速度が低下する状況で、地磁気を測定したからである。このように、ボール２を受け止めた後、回転がすぐに止まらない場合は、地磁気の測定データの周波数が終了時点Ｔ_Ｅの前後で大きく変化しない。そのため、この場合、磁気センサ３のみを用いて終了時点Ｔ_Ｅを正確に検出することは困難である。これに対して、加速度センサ４の測定データは、終了時点Ｔ_Ｅの前後で大きく変化する。そのため、加速度センサ４の測定データを用いれば、ボール２を受け止めた後、回転がすぐに止まらない場合であっても、終了時点Ｔ_Ｅを正確に検出することが可能となる。

次に、本例の回転速度測定システム１のフローチャートについて説明する。図７に示すごとく、回転速度測定システム１は、まず、ステップＳ１を行う。ここでは、加速度センサ４の測定データを用いて、上記初期変動状態Ｓ_Ｂになったか否かを判断する。すなわち、上記加速度変化量｜ΔＡ｜（図５参照）が第３の閾値Ｖ３以上となる状態（初期変動状態Ｓ_Ｂ）になったか否かを判断する。ここでＹｅｓと判断した場合は、ステップＳ２に移る。ここでは、初期変動状態Ｓ_Ｂが終了した時点を、上記開始時点Ｔ_Ｓとして検出する。

その後、ステップＳ３に移る。ここでは、ボール２が低変動状態Ｓ_Ｌとなり、その後、高変動状態Ｓ_Ｈになったか否かを判断する。すなわち、上記加速度変化量｜ΔＡ｜が第１の閾値Ｖ１以下にある低変動状態Ｓ_Ｌから、加速度変化量｜ΔＡ｜が第２の閾値Ｖ２以上となる状態（高変動状態Ｓ_Ｈ）へ切り替わったか否かを判断する。ここでＹｅｓと判断した場合は、ステップＳ４に移る。

ステップＳ４では、低変動状態Ｓ_Ｌから高変動状態Ｓ_Ｈに切り替わった時点を、終了時点Ｔ_Ｅとして検出する。その後、ステップＳ５に移る。ステップＳ５では、開始時点Ｔ_Ｓから終了時点Ｔ_Ｅまでに得られた地磁気の測定データを、無線送信部１２を用いて、外部機器１０に無線送信する。その後、ステップＳ６に移る。ステップＳ６では、算出部７を用いて、開始時点Ｔ_Ｓから終了時点Ｔ_Ｅまでに磁気センサ３によって得られた地磁気の測定データの周波数を解析する。これにより、ボール２の回転速度を算出する。そして、算出した回転速度を表示部１４に表示する。

次に、磁気センサ３の構造について説明する。本例の磁気センサ３は、マグネトインピーダンスセンサからなる。図８に示すごとく、磁気センサ３は、センサ基板３０と、ワイヤ固定部３１と、アモルファスワイヤ３２と、検出コイル３３とを備える。アモルファスワイヤ３２は、ワイヤ固定部３１に固定されている。アモルファスワイヤ３２は、３本設けられている。個々のアモルファスワイヤ３２に、上記検出コイル３３を巻回してある。

３本のアモルファスワイヤ３２は、互いに異なる軸方向（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向）を向いている。個々のアモルファスワイヤ３２を用いて、各軸方向における、地磁気の強さを測定するよう構成されている。

また、加速度センサ４としては、市販の静電容量型で、互いに直交する３軸方向の加速度が測定可能なセンサを用いた。

なお、本発明では、ボール２の回転による遠心力が加速度センサ４の検出値に影響を与えても、開始時点Ｔ_Ｓ及び終了時点Ｔ_Ｅの判断は可能であるため、加速度センサ４は、必ずしも、遠心力の影響が小さいボール２の中心に設ける必要はなく、ボール２の表面付近に設けてもよい。但し、現実の試合に用いる普通のボールと、持ったときの感覚に差異が生じないようにすることは必要である。

次に、本例の作用効果について説明する。図２、図３に示すごとく、本例においては、ボール２に加速度センサ４を設けてある。また、本例の回転速度測定システム１は、上記終了検出部６を備える。
そのため、終了検出部６により、ボール２の空中移動が終了したとみなすことができる時点である上記終了時点Ｔ_Ｅを検出することができる。すなわち、ボール２が空中を移動しているときは、ボール２には、空気抵抗が僅かに作用するものの、外部から大きな力は殆ど作用しない。そのため、ボール２が空中移動している間は、加速度センサ４は、外部からの力に起因する加速度は殆ど検出せず、ボール２の回転によって生じる遠心力に起因する、略一定の加速度を主に測定することになる。したがって、この間は、加速度センサ４の出力は略一定になる。また、ボール２がミット等の外部部材に当たり、空中移動を終了すると、ボール２に大きな力が加わるため、加速度が短時間で大きく変化する。そのため、加速度センサ４によって検出できる加速度の変化を用いて、上記終了時点Ｔ_Ｅを検出することができる。つまり、ボール２が空中移動して加速度が大きく変化しない状態（低変動状態Ｓ_Ｌ）から、加速度が短時間で大きく変化する状態（高変動状態Ｓ_Ｈ）に切り替わる時点を、上記終了時点Ｔ_Ｅとして検出することができる。

なお、ボール２に加速度センサ４を設けず、磁気センサ３のみを用いて、上記終了時点Ｔ_Ｅを検出する方法も考えられる。すなわち、ボール２がミット等に当たって空中移動を終了し、ミット内でボール２の回転速度が急速に低下する場合は、地磁気の測定データの周波数が急速に低下する。そのため、この場合には、上記周波数が急に低下する時点を検出することにより、終了時点Ｔ_Ｅを検出することができる。しかしながら、ボール２がネット等の柔らかい部材に当たって空中移動を終了した場合は、ボール２はネット等に当たった後も暫く回転運動を続けるため、回転速度が急速には低下しない。そのため、この場合、地磁気の測定データは、終了時点Ｔ_Ｅの前後において、暫くの時間は大きく変化しない（図６参照）。したがって、磁気センサ３のみを用いても、ボール２の空中移動が終了したタイミングを正確に検出できない。これに対して、本例のように加速度センサ４を用いれば、ボール２がネット等の柔らかい部材に当たったときでも、加速度センサ４によって加速度の大きな変化を検出できるため（図４参照）、ボール２の空中移動が終了したタイミングを正確に検出することが可能になる。

また、本例の回転速度測定システム１は、開始検出部５を備える。開始検出部５は、加速度センサ４によって加速度の測定が開始された後に上記加速度変化量｜ΔＡ｜が予め定められた第３の閾値Ｖ３以上となる初期変動状態Ｓ_Ｂを終了した時点を、ボール２の空中移動が開始されたとみなす開始時点Ｔ_Ｓとして検出する。
このようにすると、加速度センサ４によって測定した加速度の変化を用いて、開始時点Ｔ_Ｓを検出することができる。すなわち、ボール２が空中移動を開始するときは、手や足等からボール２に大きな力が加わるため、加速度が短時間で大きく変化する。したがって、加速度センサ４によって加速度の測定を開始した後に、加速度の値が急に変化する時点を検出することにより、開始時点Ｔ_Ｓを検出することができる。

また、上記開始時点Ｔ_Ｓと上記終了時点Ｔ_Ｅとをそれぞれ検出すると、ボール２が空中移動を開始する前や、空中移動を終了した後に得られた地磁気の測定データを、外部機器１０に無線送信しなくてすむ。つまり、ボール２が空中移動しているときに得られた地磁気の測定データのみを、外部機器１０に無線送信できる。そのため、無線送信に必要なバッテリ１３の消費速度を低減することができる。

また、本例の加速度センサ４は、互いに異なる複数の軸方向の加速度を測定するよう構成されている。そして、終了検出部６は、複数の軸方向についての加速度の測定データのうち、高変動状態Ｓ_Ｈにおける加速度の変化量が最も大きい測定データを用いて、終了時点Ｔ_Ｅを検出するよう構成されている。
このようにすると、複数の軸方向について加速度を測定しているため、これら複数の軸方向のうちいずれか一つは、高変動状態Ｓ_Ｈに加速度の大きな変化を測定できる可能性が高い。そのため、一軸方向だけ加速度を測定する場合よりも、終了時点Ｔ_Ｅを検出しやすくなる。

また、本例の開始検出部５は、複数の軸方向についての加速度の測定データのうち、初期変動状態Ｓ_Ｂにおける加速度の変化量が最も大きい測定データを用いて、上記開始時点Ｔ_Ｓを検出するよう構成されている。
このようにすると、複数の軸方向について加速度を測定しているため、これら複数の軸方向のうちいずれか一つは、初期変動状態Ｓ_Ｂに加速度の大きな変化を測定できる可能性が高い。そのため、一軸方向だけ加速度を測定する場合よりも、開始時点Ｔ_Ｓを検出しやすくなる。

また、本例の磁気センサ３は、互いに異なる複数の軸方向の地磁気を測定するよう構成されている。そして、算出部７は、複数の軸方向についての地磁気の測定データのうち、振幅が最も大きい測定データを用いて、ボール２の回転速度を算出するよう構成されている。
このようにすると、複数の軸方向についての地磁気の測定データのうち、振幅が最も大きい測定データを用いるため、上記周波数をより正確に算出することができる。したがって、ボール２の回転速度をより正確に算出することができる。

また、本例では、ボール２内に、地磁気の測定データを記憶するメモリ１１１を設けてある。
後述するように、地磁気の測定データをメモリ１１１に記憶せず、外部に設けた算出部７に無線送信することも可能であるが、この場合には、送信エラーが発生すると、測定データを再送信できないため、ボール２の回転速度を算出できなくなる。しかしながら、地磁気の測定データをメモリ１１１に記憶すれば、送信エラーが生じた場合には、メモリ１１１から測定データを読み出して再び送信することが可能になる。そのため、ボール２２の回転速度を確実に算出できる。

なお、ボール２の回転速度を測定するために必要な地磁気の測定データは膨大になりやすいため、ボール２にメモリ１１１を搭載する場合は特に、記憶する測定データの量を少なくする工夫が望まれる。例えば野球のボール２では、回転速度は速い場合で５０回転／ｓにもなる。また、周波数を正確に算出するためには、地磁気の測定データを１回転につき５点以上取得することが好ましい。そのため、回転速度が速い場合でもこれを正確に測定できるようにするために、例えば地磁気の測定データを１秒間に２５０点以上取得することが好ましい。つまり、単位時間に取得する地磁気の測定データの量を多くする必要がある。したがって、ボール２が空中移動しているときに得られた測定データか否かにかかわらず、全ての測定データを記憶しようとすると、記憶する測定データの総量が多くなり、メモリ１１１が大型化しやすい。これに対して、本例の回転速度測定システム１のように終了時点Ｔ_Ｅを検出すれば、終了時点Ｔ_Ｅの後に得られた測定データを記憶しなくてすむ。したがって、単位時間当たりの地磁気の測定データの量が多くても、メモリ１１１に記憶する測定データの総量を少なくすることができ、メモリ１１１を小型化することができる。

また、本例の終了検出部６は、ボール２内に設けられている。
終了検出部６をボール２外に設けることも可能であるが、この場合には、ボール２側で終了時点Ｔ_Ｅを検出できなくなる。そのため、終了時点Ｔ_Ｅの前に得られた地磁気の測定データだけでなく、終了時点Ｔ_Ｅの後に得られた地磁気の測定データをも、ボール２外に設けた終了検出部６に送信しなければ、終了時点Ｔ_Ｅを検出することができなくなる。そのため、送信する測定データの量が多くなりやすい。これに対して、本例のように終了検出部６をボール２内に設ければ、ボール２側で終了時点Ｔ_Ｅを検出できるため、終了時点Ｔ_Ｅの前に得られた地磁気の測定データのみを、外部に送信することができる。そのため、送信する測定データの量を少なくすることができる。

また、本例の磁気センサ３は、ＭＩセンサからなる。
ＭＩセンサは、磁気の測定感度が高い。また、応答性に優れているため、短時間に多数の測定値を取得できる。そのため、磁気センサ３としてＭＩセンサを用いれば、例えば１秒間に２５０点測定する場合等、短時間に多数の測定を行う必要がある場合でも、地磁気の測定値を正確かつ確実に取得でき、ボール２の回転速度を正確に算出することが可能になる。

以上のごとく、本例によれば、ボールの空中移動が終了したタイミングを自動的に検出できる回転速度測定システムを提供することができる。

なお、本例の回転速度測定システム１は、上記開始検出部５を備えるが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、ボール２に起動スイッチを設けておき、この起動スイッチをオンにしてからすぐにボール２を投げれば、開始時点Ｔ_Ｓと略等しい時点から、地磁気の測定データを取得できる。そのため、この場合でも、ボール２の回転速度を比較的正確に算出できる。

また、本例の開始検出部５は、加速度センサ４によって測定した加速度の値を用いて、上記開始時点Ｔ_Ｓを検出しているが、本発明はこれに限るものではない。例えば、ボール２に、指が触れたか否かを検出する接触センサを設けておき、ボール２が投げられて指が接触センサから離れた時点を、上記開始時点Ｔ_Ｓとして検出してもよい。

また、本例では、回転速度測定システム１の測定対象として、野球のボールを想定して説明したが、ソフトボール、バレー、サッカー、テニス、ゴルフ、卓球等の、他の球技のボールを測定対象としてもよい。

また、本例では、加速度変化量｜ΔＡ｜を算出する際における上記微小時間単位を４ｍｓにしたが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、微小時間単位は４ｍｓより長くてもよく、短くても良い。また、本例では、上記式（１）を用いて加速度変化量｜ΔＡ｜を算出した。すなわち、加速度センサ４によって得られた各測定データＡ（ｎ）から、一つ前に得られた加速度の測定データＡ（ｎ−１）を減算して絶対値をとったが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、上記測定データＡ（ｎ）から、２つ前に得られた加速度の測定データＡ（ｎ−２）を減算してもよく、３つ前に得られた加速度の測定データＡ（ｎ−３）を減算してもよい。

（実施例２）
以下の実施例においては、図面に用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例は、地磁気の測定データの送信方法を変更した例である。図９に示すごとく、本例では、ボール２にコネクタ１６を形成してある。また、実施例１と同様に、ボール２が空中移動を行っている際に、地磁気の測定データをメモリ１１１に記憶するよう構成してある。そして、図１０に示すごとく、ボール２の空中移動が終了した後、配線１７をコネクタ１６に接続し、この配線１７を介して、メモリ１１１に記憶した地磁気の測定データを外部機器１０に送信するよう構成してある。
その他、実施例１と同様の構成および作用効果を備える。

（実施例３）
本例は、ボール２内の部品の構成を変更した例である。図１１に示すごとく、本例では、ボール２内に、回転速度測定システム１を構成する部品を全て搭載している。すなわち、ボール２内に、磁気センサ３と、加速度センサ４と、開始検出部５と、終了検出部６と、メモリ１１１と、バッテリ１３と、算出部７と、表示部１４とを設けてある。実施例１と同様に、本例では、開始検出部５と終了検出部６とを用いて、上記開始時点Ｔ_Ｓおよび上記終了時点Ｔ_Ｅを検出する。また、算出部７は、開始時点Ｔ_Ｓから終了時点Ｔ_Ｅまでの間に、磁気センサ３によって得られた地磁気の測定データを用いて、空中移動しているボール２の回転速度を算出する。そして、算出した回転速度を、ボール２に設けた表示部１４に表示するよう構成されている。
その他、実施例１と同様の構成および作用効果を備える。

１ 回転速度測定システム
２ ボール
３ 磁気センサ
４ 加速度センサ
５ 開始検出部
６ 終了検出部
７ 算出部
｜ΔＡ｜ 加速度変化量

Claims (1)

1. 空中を移動するボールの回転速度を測定する回転速度測定システムであって、
   上記ボール内に設けられ、少なくとも一軸方向の地磁気を測定する磁気センサと、
   上記ボール内に設けられ、少なくとも一軸方向の加速度を測定する加速度センサと、
   該加速度センサによって測定された加速度の、予め定められた微小時間単位における変化量の絶対値である加速度変化量が予め定められた第１の閾値以下にある低変動状態となった後、上記加速度変化量が予め定められた第２の閾値以上となる高変動状態へ切り替わる時点を、上記ボールの空中移動が終了したとみなす終了時点として検出する終了検出部と、
   上記終了時点までに上記磁気センサによって取得された、上記地磁気の測定データの周波数を解析することにより、空中を移動する上記ボールの回転速度を算出する算出部とを備えることを特徴とする回転速度測定システム。

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