(57)【要約】【課題】  低消費電力、低コストで回転体の速度を測定する測定装置および測定方法を提供する。【解決手段】  測定システム１０は、電子装置２０と超音波発生装置３０とを含む。超音波発生装置３０は、タイヤ等の回転体に取り付けられ、電子装置２０は、自転車等の本体に固定される。超音波発生装置３０は、タイヤと共に回転しながら超音波を発生する。電子装置２０は、超音波発生装置３０から発生する超音波を観測するが、超音波発生装置３０と電子装置２０との距離Ｌは、タイヤの回転と共に近づいたり遠ざかったりして変化するため、電子装置２０で受信する超音波は、ドップラー効果による周波数変化が生ずる。電子装置２０は、ドップラー効果に基づく周波数変化の周期変動から、タイヤの回転数、回転速度、ひいては当該タイヤを備える自転車等の速度を含む回転情報を算出する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体の回転情報を測定する測定装置であって、
回転体に取り付けられた超音波発生装置から発生された超音波を検出する超音波検出手段と、
前記超音波検出手段により検出された超音波の周波数の変化に基づき前記回転体の回転情報を算出する算出手段と、
を有する測定装置。
【請求項２】
前記算出手段は、前記超音波のドップラー効果を利用して回転情報を算出する、請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記回転体は、自転車のタイヤである、請求項１に記載の測定装置。
【請求項４】
前記超音波発生装置は、電力を使用せずに回転体の回転により超音波を発生する、請求項１に記載の測定装置。
【請求項５】
前記超音波発生装置は、犬笛である、請求項４に記載の測定装置。
【請求項６】
測定装置は、多機能型携帯電話（スマートフォン）である、請求項１ないし５いずれか１つに記載の測定装置。
【請求項７】
回転体に取り付けられた超音波発生装置から超音波を発生させるステップと、
前記超音波を検出するステップと、
前記超音波の周波数の変化に基づき前記回転体の回転情報を算出するステップと、
を有する測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体の回転情報（例えば、回転速度）を測定する方法に関し、特に、自転車等のタイヤに取り付けられた超音波発生装置から発生される超音波の周波数変化を利用した測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自転車や自動車のタイヤの回転数や回転速度は、ホールセンサなどを利用して測定される。例えば、自転車のホイールに磁石を設置し、本体フレームに磁石センサ（リードスイッチ等）を設置し、回転する磁石の通過を検出することで自転車の速度を測定する方法がある（磁石式）。当該方法は、ホイールと非接触で速度を測定することができるため、既存の多くのサイクルコンピュータで採用されている。また、ＧＰＳの測位結果から移動速度を計算するサイクルコンピュータも存在する（ＧＰＳ式）。
【０００３】
自転車等の速度計に関する考案として、特許文献１は、車輪に取り付けられた永久磁石の通過を磁気検出器によって検出し、磁気検出器の出力結果を超音波信号等で表示器に送信する速度計を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開平２−１１３１６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図７は、従来の磁石式における速度測定方法の課題を説明する図である。磁石式で車輪１の回転数や自転車の速度を測定する場合、磁力の強いネオジム磁石２を使用する場合が多い。これは、車輪１に取り付けられた磁石２と自転車本体３に取り付けられた磁石センサ４の間が１０ｍｍ程度離れている場合でも検出できるようにするためである。このように、強い磁気を発する磁石２が、自転車本体に取り付けられた電子機器５に影響を及ぼすことがある。例えば、図７（Ｂ）に示す様に、磁石２の回転により強い磁力によって地球の磁気（地磁気）が乱され、電子コンパス（地磁気センサ）６により正確に方位を検出できなくなるといった影響が考えられる。近年では、電子機器５としてスマートフォンを自転車用ナビとして使用する人が増加しており、スマートフォンに備えられた電子コンパスの重要性が高まっていることから、強い磁石を自転車の近傍に設置することは好ましくない。
【０００６】
ＧＰＳ方式により速度を測定する方法では、ＧＰＳ電波を受信するＧＰＳレシーバ自体の消費電力が高いため、バッテリーによる動作可能時間が制限されてしまう。例えば、ＧＰＳ方式の動作可能時間は、１０〜２０時間程度であるのに対し、磁石式は、ボタン電池で１００時間以上の動作が可能である。また、充電可能なバッテリーを搭載するも、頻繁に充電する必要があるため、コストも高くなってしまう。さらに、ＧＰＳ電波を受信できない環境（屋内、トンネル等）では使用することができず、電波環境が悪いエリア（高架下やビルの谷間など）や歩行速度以下の低速の場合に、正確な速度を測定することができない問題がある。
【０００７】
本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、低消費電力、低コストで回転体の回転情報を測定する測定装置および測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る回転体の回転情報を測定する測定装置は、回転体に取り付けられた超音波発生装置から発生された超音波を検出する超音波検出手段と、前記超音波検出手段により検出された超音波の周波数の変化に基づき前記回転体の回転情報を算出する算出手段と、を有する。
【０００９】
好ましくは前記算出手段は、前記超音波のドップラー効果を利用して回転情報を算出する。好ましくは前記回転体は、自転車のタイヤである。好ましくは前記超音波発生装置は、電力を使用せずに回転体の回転により超音波を発生する。好ましくは前記超音波発生装置は、犬笛である。好ましくは測定装置は、多機能型携帯電話（スマートフォン）である。
【００１０】
本発明に係る測定方法は、回転体に取り付けられた超音波発生装置から超音波を発生させるステップと、前記超音波を検出するステップと、前記超音波の周波数の変化に基づき前記回転体の回転情報を算出するステップと、を有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、従来のように回転体に強力な磁石を取り付けることなく、回転体に取り付けた超音波発生装置を利用して回転体の回転情報を測定することができる。また、強力な磁石を用いていないため、電子コンパスと測定装置とを１つにまとめることができる。例えば、電子コンパスとして使用されるスマートフォンにおいて、同時に回転体の回転情報を測定することが可能になる。さらに超音波発生装置を犬笛等の非電力機器にすれば、測定装置を動作させる電力だけすみ、低消費電力化、低コスト化を図ることができ、メンテナンス性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例に係る測定システムの全体構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例に係る超音波発生装置の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施例に係る電子装置の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施例に係る測定プログラムの機能的な構成を示す図である。
【図５】本発明の実施例に係る超音波受信部および振幅フィルタリング部を説明する図である。
【図６】図６（Ａ）はデジタル信号変換部の動作を説明するグラフ、図６（Ｂ）は、周期変動検出部の動作を説明するグラフである。
【図７】従来の磁石式の速度測定方法の課題を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。本発明の実施の形態に係る測定システムは、超音波発生装置と電子装置とを含む。本実施の形態に係る超音波発生装置は、自転車の車輪等の回転体に取り付け可能であり、当該回転体と共に回転する。また、超音波発生装置は、当該回転体の回転を検出し、電気的な方法により超音波を発生させても良いし、超音波発生装置として犬笛などを用いて、回転体と共に犬笛が回転し、風を切ることで、電気的な方法によらず超音波を発生させても良い。本実施の形態に係る電子装置は、自転車等のフレームに予め取り付けられ、例えば、スマートフォン、タブレット型端末、コンピュータ装置等であることができ、さらに電子装置は、自転車等のフレームから取り外し可能なものであっても良い。電子装置は、超音波発生装置から発生した超音波を観測し、回転体の回転数、回転速度、当該回転体を備える自転車等の速度や自転車等の速度を算出する。なお、回転数、回転速度、および、これらの情報に派生して算出可能な自転車等の速度等の情報を回転情報と呼ぶ。また、回転情報の算出については、ドップラー効果による周波数の変化に基づいた算出を行う。
【００１４】
ここで、ドップラー効果とは、超音波などの波を一定の周波数で発生させる発生源と、当該波を観測する観測者とが、近づいたり遠ざかったりすることにより、異なった周波数の波が観測される自然現象である。本実施の形態に係る測定システムでは、観測者である電子装置は、自転車等のハンドルやフレーム等の本体に固定され、波の発生源である超音波発生装置が回転体に取り付けられ、電子装置と超音波発生装置の距離が回転体の回転に合わせて変化することにより生じるドップラー効果を観測する。すなわち、超音波発生装置が電子装置に近づくほど観測される周波数は高くなり、離れるほど低くなる。
【実施例】
【００１５】
図１は、本実施例に係る測定システムの全体構成を示す図である。本実施例に係る測定システム１は、電子装置２０と超音波発生装置３０とを含む。超音波発生装置３０は、自転車等のタイヤ１に取り付けられ、電子装置２０は、自転車本体３のフレーム等に取り付けられる。このように取り付けにより、自転車のタイヤ１が回転すると、超音波発生装置３０と電子装置２０との距離Ｌが変化し、ドップラー効果が発生する。なお、本実施例の測定システム１０として自転車を対象にするが、超音波発生装置３０は、自転車以外の移動体の回転体に取り付けられても良く、その移動体の回転体の回転速度や移動体の速度を測定するものであってもよい。
【００１６】
図２は、本実施例に係る超音波発生装置の構成を示すブロック図である。本実施例に係る超音波発生装置３０は、電気的な動力を用いずに超音波を発生可能な装置、例えば、犬笛であり、犬笛は、吸気口１００および超音波発生部１１０を含む。吸気口１００は、空気を取り込む穴であり、超音波発生部１１０が吸気口１００から取り込まれた空気を超音波に変換する。超音波発生装置３０は、自転車のタイヤまたはタイヤのスポーク部分の任意の位置に取り付けられる、タイヤが回転することにより吸気口１００から空気が取り込まれ、超音波発生部１１０からタイヤの回転数に応じた超音波が発生される。超音波は、人間の耳には聞こえないほどの高周波または人間の耳では聞こえにくい周波数である。
【００１７】
図３は、本実施例に係る電子装置の構成を示すブロック図である。電子装置２０は、好ましくは多機能型携帯電話（スマートフォン）であり、通信部２００、入力部２１０、表示部２２０、音声出力部２３０、超音波受信部２４０、記憶部２５０、および制御部２６０を含む。なお、電子装置２０は、超音波を受信し、超音波を検出できる機能を備えれば、スマートフォン以外の他の電子装置であってもよい。
【００１８】
通信部２００は、外部サーバ等の他の装置と無線通信を確立したり、電話回線を確立したりする。無線通信は、例えば、Ｗｉ−Ｆｉ（登録商標）等の通信である。入力部２１０は、ユーザからの入力を受け取り、これを制御部２６０に提供する。表示部２２０は、液晶ディスプレイ等の表示媒体を含み、例えば、超音波の受信状態、測定されたタイヤの回転数や回転速度、あるいは自転車の速度等を表示する。音声出力部２３０は、可聴音である音声を出力する。
【００１９】
超音波受信部２４０は、超音波発生装置３０が発生する超音波を受信する。超音波受信部２４０は、例えば、超音波を集音可能なマイクロフォンを含むことができる。超音波受信部２４０は、受信した超音波を電気信号に変換し、変換した電気信号を制御部２６０へ提供する。記憶部２５０は、種々の機能を実行するためのプログラムやデータ等を記憶することができる。
【００２０】
制御部２６０は、好ましい態様では、ＲＯＭ、ＲＡＭ、マイクロコントローラ等を含み、ＲＯＭまたはＲＡＭは、電子装置２０の各部の動作を制御するための種々のプログラムを格納することができる。本実施例では、制御部２６０は、超音波発生装置３０が発生する超音波受信信号のドップラー効果に基づき、タイヤの回転速度等の回転情報を測定する測定プログラム３００を実行する。
【００２１】
図４は、本実施例に係る測定プログラムの機能的な構成を示す図である。測定プログラム３００は、超音波信号受信部３１０、振幅フィルタリング部３２０、デジタル信号変換部３３０、周期変動算出部３４０、回転情報算出部３５０を含む。
【００２２】
超音波信号受信部３１０は、超音波受信部２４０で受信された超音波のアナログ信号を受信する。振幅フィルタリング部３２０は、受信された超音波のアナログ信号の振幅をフィルタリングする。振幅は、ドップラー効果による距離Ｌの変化の検出に使用したいため、フィルタリングする。
【００２３】
図５は、超音波信号受信部３１０および振幅フィルタリング部３２０を説明する図である。超音波発生装置３０が発生する超音波は、図５（Ａ）に示すように、一定の周波数で固定された波形である。タイヤの回転により超音波発生装置３０の位置が変化すると、超音波発生装置３０と超音波受信部３１０との距離Ｌが変化し、すなわち、図５（Ｂ）に示すように、タイヤが反時計方向に回転すると、その半周期の間、超音波発生装置１０が超音波受信部３１０に徐々に近づき（距離Ｌが小さくなり）、残りの半周期で徐々に遠ざかる（距離Ｌが大きくなる）。このとき、超音波受信部３１０で受信される超音波は、ドップラー効果により周波数が変化し、距離Ｌが短くなると、周波数が高くなり（波長が短くなり）、距離Ｌが大きくなるほど、周波数が低くなる（波長が長くなる）。図５（Ｃ）は、超音波信号受信部３１０で受信される超音波の波形であり、この波形は、超音波発生源の位置変化に応答してドップラーシフトされ、あたかも周波数変調したＦＭ信号のように、波長が短い区間と波長が長い区間とが混合した波形が観測される。超音波受信信号の振幅は、振幅フィルタリング部３２０により一定の大きさにフィルタリングされている。
【００２４】
デジタル信号変換部３３０は、振幅フィルタリング部３２０によって振幅がフィルタリングされた図５（Ｃ）に示すようなアナログ信号をデジタル信号に変換する。ここで、超音波のアナログ信号の瞬間の振幅は、Ａｔ＝Ａｓｉｎ（２πｆｃｔ＋ｓｉｎ（２πｆｓｔ））によって表される。
Ａ：フィルタリング後の基準振幅
ｆｃ：超音波発生源の発振周波数（固定：図５（Ａ）参照）
ｆｓ：超音波発生源の位置変動周波数
ｔ：時刻
【００２５】
デジタル信号変換部３３０は、アナログ信号を一定のサンプリング周期でサンプリングし、これをＰＣＭ信号等に変換する。図６（Ａ）は、アナログ信号のサンプリング点の例示である。次に、周期変動検出部３４０は、変換されたデジタル信号に基づき値の増減にかかった時間の変化（長短）を波形の周期変動として検出する。次に、回転情報算出部３５０は、検出された波形の周期変動に基づきタイヤの回転速度または自転車の移動速度を算出する。図６（Ｂ）に示す様に、周期の増減を１サイクルとして回転体の１周をカウントすることで、時間当たりの周期からタイヤの回転速度を算出したり、あるいは既知のタイヤサイズから自転車の移動速度を算出する。回転情報算出部３５０は、算出した結果を表示部２２０ないし音声出力部２３０に出力する。
【００２６】
本実施例に係る測定システム１０においては、磁石を使用していないため、電子コンパスなど、磁気に影響を受ける機器と共存して用いることができる。また、超音波の受信は、スマートフォンなどのマイクを使用することが可能であるため、スマートフォンに回転情報の算出用のアプリケーションを追加し、超音波発生源として犬笛等を用意するだけで測定システム１０の実現が可能になる。さらに、超音波発生源として犬笛等の超音波ホイッスルを用いれば、超音波発生源の電源が不要になり、低消費電力化、低コスト化およびメンテナンス性を向上させることができる。
【００２７】
本実施例においては、測定システム１０の利用例として自転車を例示しているが、超音波発生装置３０と電子装置２０の超音波受信部２４０（マイク等）の距離が決まった範囲内で変化する状況であれば他の回転体や移動体に応用可能であり、自転車以外の例えば、産業機械などにも適用することができる。
【００２８】
また、本実施例の超音波発生装置３０として、犬笛等の電源を必要としない装置の代わりに、回転体であるタイヤの回転を検出し、当該検出に合わせて超音波を発生させる、電源を必要とする超音波発生装置を用いても良い。例えば、回転を検出するセンサと、当該センサの出力に基づいて超音波を電気的に発生させる超音波発生器を用いることができる。この場合、犬笛等のように、ある程度の空気の流入を必要としないため、回転体が非常に低速である場合でも、センサが回転を検出すれば超音波が発生するため、非常に低速である場合であっても速度を検出できるというメリットがある。
【００２９】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の要旨の範囲において、種々の変形、変更が可能である。
【符号の説明】
【００３０】
１０：測定システム                          ２０：電子装置
３０：超音波発生装置                      １００：吸気口
１１０：超音波発生部                        ２００：通信部
２１０：入力部                              ２２０：表示部
２３０：音声出力部                          ２４０：超音波受信部
２５０：記憶部                              ２６０：制御部
３００：測定プログラム                      ３１０：超音波信号受信部
３２０：振幅フィルタリング部                ３３０：デジタル信号変換部
３４０：周期変動検出部                      ３５０：回転情報算出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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