(57)【要約】【課題】加速度センサおよび角速度センサが有効利用されるセンサ内蔵ボールを提供する。【解決手段】センサ内蔵ボール１は、加速度センサ３と、角速度センサ５と、半径算出部２１および／または速度算出部１９とを有している。半径算出部２１は、加速度センサ３の検出値に基づく加速度ａを、角速度センサ５の検出値に基づく、加速度ａの方向に交差する軸回りの角速度の自乗ω２で、割る演算によって回転半径ｒを算出する。速度算出部１９は、加速度センサ３の検出値に基づく加速度ａを、角速度センサ５の検出値に基づく、加速度ａの方向に交差する軸回りの角速度ωで、割る演算によって速度ｖを算出する。【選択図】図３
2018161379.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速度センサと、
角速度センサと、
前記加速度センサの検出値に基づく加速度を、前記角速度センサの検出値に基づく、前記加速度の方向に交差する軸回りの角速度の自乗で、割る演算またはこれに相当する演算によって回転半径を算出する半径算出部と、
を有しているセンサ内蔵ボール。
【請求項２】
加速度センサと、
角速度センサと、
前記加速度センサの検出値に基づく加速度を、前記角速度センサの検出値に基づく、前記加速度の方向に交差する軸回りの角速度で、割る演算またはこれに相当する演算によって速度を算出する速度算出部と、
を有しているセンサ内蔵ボール。
【請求項３】
前記角速度センサは１４４００ｄｅｇ／ｓ以上の角速度を検出可能である
請求項１または２に記載のセンサ内蔵ボール。
【請求項４】
外表面が、縫い目または縫い目状の形状からなる境界線によって２つの領域に分けられており、
前記２つの領域それぞれは、１対のドーム状部分と、前記１対のドーム状部分を接続する前記１対のドーム状部分よりも幅が狭い接続部とを有しており、
前記２つの領域は、各領域における前記１対のドーム状部分の対向方向が互いに直交しており、
前記角速度センサは、前記２つの領域それぞれの前記１対のドーム状部分の対向方向のいずれにも直交している軸、および前記２つの領域の一方の前記１対のドーム状部分の対向方向に平行な軸の少なくとも一方の軸回りの角速度を検出可能である
請求項１〜３のいずれか１項に記載のセンサ内蔵ボール。
【請求項５】
前記角速度センサは、互いに直交する３軸それぞれの回りの角速度を検出可能である
請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンサ内蔵ボール。
【請求項６】
必要電源電圧が４．２Ｖ以下である
請求項１〜５のいずれか１項に記載のセンサ内蔵ボール。
【請求項７】
計時を行うタイマーをさらに有し、
前記角速度センサは、
圧電体と、
前記圧電体に電圧を印加して前記圧電体を振動させる励振部と、
前記圧電体に加えられるコリオリの力に応じて生じる電気信号を検出する検出部と、を有しており、
前記タイマーは、前記圧電体の振動に基づいて生成される発振信号の波を計数することにより計時を行う
請求項１〜６のいずれか１項に記載のセンサ内蔵ボール。
【請求項８】
所定の距離を前記タイマーの計時した時間で割る演算またはこれに相当する演算によって平均速度を算出する平均速度算出部をさらに有している
請求項７に記載のセンサ内蔵ボール。
【請求項９】
センサ内蔵ボールと、
前記センサ内蔵ボールと通信可能な外部装置と、
を有しており、
前記センサ内蔵ボールは、
加速度センサと、
角速度センサと、を有しており、
前記外部装置は、
前記加速度センサの検出値に基づく加速度を、前記角速度センサの検出値に基づく、前記加速度の方向に交差する軸回りの角速度の自乗で、割る演算またはこれに相当する演算によって回転半径を算出する半径算出部、および
前記加速度センサの検出値に基づく加速度を、前記角速度センサの検出値に基づく、前記加速度の方向に交差する軸回りの角速度で、割る演算またはこれに相当する演算によって速度を算出する速度算出部、の少なくとも一方を有している
計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、センサを内蔵しているボール、および当該ボールを含む計測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
センサを内蔵したボールが知られている。特許文献１では、加速度センサおよび角速度センサを内蔵しているボールが開示されている。特許文献１では、角速度センサの検出値によってボールの向きが特定され、加速度センサの検出値によってボールの速度が特定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１４６７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
加速度センサおよび角速度センサが有効利用されるセンサ内蔵ボールおよび計測システムが提供されることが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の一態様に係るセンサ内蔵ボールは、加速度センサと、角速度センサと、前記加速度センサの検出値に基づく加速度を、前記角速度センサの検出値に基づく、前記加速度の方向に交差する軸回りの角速度の自乗で、割る演算またはこれに相当する演算によって回転半径を算出する半径算出部と、を有している。
【０００６】
本開示の一態様に係るセンサ内蔵ボールは、加速度センサと、角速度センサと、前記加速度センサの検出値に基づく加速度を、前記角速度センサの検出値に基づく、前記加速度の方向に交差する軸回りの角速度で、割る演算またはこれに相当する演算によって速度を算出する速度算出部と、を有している。
【０００７】
一例においては、前記角速度センサは１４４００ｄｅｇ／ｓ以上の角速度を検出可能である。
【０００８】
一例においては、外表面が、縫い目または縫い目状の形状からなる境界線によって２つの領域に分けられており、前記２つの領域それぞれは、１対のドーム状部分と、前記１対のドーム状部分を接続する前記１対のドーム状部分よりも幅が狭い接続部とを有しており、前記２つの領域は、各領域における前記１対のドーム状部分の対向方向が互いに直交しており、前記角速度センサは、前記２つの領域それぞれの前記１対のドーム状部分の対向方向のいずれにも直交している軸、および前記２つの領域の一方の前記１対のドーム状部分の対向方向に平行な軸の少なくとも一方の軸回りの角速度を検出可能である。
【０００９】
一例においては、前記角速度センサは、互いに直交する３軸それぞれの回りの角速度を検出可能である。
【００１０】
一例においては、必要電源電圧が４．２Ｖ以下である。
【００１１】
一例においては、前記ボールは、計時を行うタイマーをさらに有し、前記角速度センサは、圧電体と、前記圧電体に電圧を印加して前記圧電体を振動させる励振部と、前記圧電体に加えられるコリオリの力に応じて生じる電気信号を検出する検出部と、を有しており、前記タイマーは、前記圧電体の振動に基づいて生成される発振信号の波を計数することにより計時を行う。
【００１２】
一例においては、前記ボールは、所定の距離を前記タイマーの計時した時間で割る演算またはこれに相当する演算によって平均速度を算出する平均速度算出部をさらに有している。
【００１３】
本開示の一態様に係る計測システムは、センサ内蔵ボールと、前記センサ内蔵ボールと通信可能な外部装置と、を有しており、前記センサ内蔵ボールは、加速度センサと、角速度センサと、を有しており、前記外部装置は、前記加速度センサの検出値に基づく加速度を、前記角速度センサの検出値に基づく、前記加速度の方向に交差する軸回りの角速度の自乗で、割る演算またはこれに相当する演算によって回転半径を算出する半径算出部、および、前記加速度センサの検出値に基づく加速度を、前記角速度センサの検出値に基づく、前記加速度の方向に交差する軸回りの角速度で、割る演算またはこれに相当する演算によって速度を算出する速度算出部の少なくとも一方と、を有している。
【発明の効果】
【００１４】
上記の構成によれば、加速度センサおよび角速度センサが有効利用される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１（ａ）および図１（ｂ）は実施形態に係るボールの利用例およびその原理を説明するための模式図である。
【図２】図２（ａ）および図２（ｂ）はボールの外観を示す正面図および上面図である。
【図３】図３（ａ）はボールの構成を示すブロック図であり、図３（ｂ）は角速度センサおよび演算部の構成を示すブロック図である。
【図４】図４（ａ）は角速度センサの圧電素子の一例を示す斜視図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のIVｂ−IVｂ線における断面図である。
【図５】角速度センサの励振部の構成の一例を示す回路図である。
【図６】第２実施形態に係る計測システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
＜第１実施形態＞
（センサの利用例およびその原理）
図１（ａ）は、実施形態に係るセンサ内蔵ボール１（以下、単に「ボール１」）の利用例を説明するための図である。
【００１７】
本開示に係るセンサ内蔵ボールは、種々のボールに適用されてよいが、実施形態の説明では、野球用のボール（厳密に言えば野球用のボールを模したもの）を例に取る。ボール１は、後述するように、加速度センサ３（図３（ａ））および角速度センサ５（図３（ａ））を内蔵しており、ボール１の加速度および角速度を検出可能となっている。
【００１８】
図１（ａ）は、ボール１が投げられる様子を示している。通常、ボール１が投げられる場合、矢印ｙ１で示すように、ボール１は、指によりつかまれた状態で、腰、肩、肘および／または手首の回りに概ね回転運動するように運ばれる。そして、ボール１は、リリースポイントにおいて離されると、それまでの円軌道上における速度と、遠心力に基づく速度とが合成された速度で飛び始め、概ね直線的に進行する（矢印ｙ２）。
【００１９】
図１（ｂ）は、上記のようなボール１の運動に係る諸量の記号を示す図である。
【００２０】
円軌道上のボール１に加えられる遠心力をＦ、ボール１の質量をｍ、ボール１の、円軌道の半径方向における加速度をａ、円軌道の半径（回転半径）をｒ、円軌道上のボール１の角速度をω、ボール１の、円軌道の接線方向における速度をｖとする。このとき、公知のように、Ｆ＝ｍａである。また、ａ＝ｒω２＝ｖω＝ｖ２／ｒおよびｖ＝ｒω等が成り立つ。
【００２１】
従って、例えば、ボール１の加速度ａを角速度の自乗ω２で割ることによって、ボール１の円軌道の半径ｒ（＝ａ／ω２）を求めることができる。また、例えば、ボール１の加速度ａを角速度ωで割ることによって、円軌道上（接線方向）の速度ｖ（＝ａ／ω）を求めることができる。
【００２２】
そして、例えば、このような半径ｒおよび／または速度ｖの瞬時値または時系列データに基づいて投球動作の解析を行うことができる。この際、半径ｒの大きさは、例えば、腰、肩、肘および手首がボール１の回転に及ぼす影響の解析に役立つ。また、例えば、加速度ａおよび速度ｖ（＝ａ／ω）は、リリースポイントにおいて最大値となると考えられるから、これらの値からリリースされたボール１の速度（矢印ｙ２で示す直線軌道上の速度）を予測することも可能である。
【００２３】
以下、このような利用例を実現するための構成例について説明する。
【００２４】
（ボールの外観）
図２（ａ）および図２（ｂ）は、ボール１の外観を示す正面図および上面図である。
【００２５】
これらの図では、直交座標系ｘｙｚを付している。直交座標系ｘｙｚは、ボール１に固定されている座標系である。すなわち、ボール１の平行移動および／または回転移動に伴って、直交座標系ｘｙｚも平行移動および／または回転移動する。
【００２６】
ボール１は、例えば、投球等の所定の動作に関して、本物の野球用のボールと同様に扱うことができるように本物の野球用のボールに模して構成されている。例えば、図１（ａ）の例のように投球を対象としている場合、ボール１は、少なくとも概略球形とされるとともに、大きさ、質量および弾力（ゴムボールのように球形の歪みを容易に許容するような柔らかさを有するか否か）が本物の野球用のボールと概ね同等になるように設定されている。さらに、ボール１は、必要に応じて、表面の形状、表面の材質（別の観点では摩擦係数および表面の弾力）および／または質量分布等も本物の野球用のボールと概ね同等となるように設定されてよい。
【００２７】
図示の例では、ボール１は、表面の形状についても、本物の野球用のボールを模して構成されており、縫い目または縫い目状の形状からなる境界線７を有している。境界線７は、ボール１の表面を２つの領域９Ａおよび９Ｂ（以下、ＡおよびＢを省略することがある。）に分けている。
【００２８】
各領域９は、１対のドーム状部分９ａと、１対のドーム状部分を接続する１対のドーム状部分９ａよりも幅が狭い接続部９ｂとを有している。各領域９における１対のドーム状部分９ａの対向方向は、２つの領域９間で互いに直交している。なお、各領域９において、１対のドーム状部分９ａの対向方向は、領域９の幅方向中央かつ領域９の長手方向の両端からの距離が等しい２点と、ボール１の中心との３点を通る直線が延びる方向である。図示の例では、領域９Ａにおいては、１対のドーム状部分９ａは、ｚ軸方向において対向しており、領域９Ｂにおいては、１対のドーム状部分９ａは、ｙ軸方向において対向している。
【００２９】
図２（ａ）に示すように、ボール１は、例えば、表示部１１を有している。表示部１１は、例えば、セグメント表示によって数字を表示するだけのものであってもよいし、画像（数字のみの画像も含む）を表示可能なものであってもよい。前者としては、例えば、ＬＥＤ（light emitting diode）を配列したもの、および液晶表示装置（セグメント表示用）を挙げることができる。後者としては、例えば、液晶表示装置および有機ＥＬ（Electroluminescence）表示装置を挙げることができる。表示部１１の位置および大きさは適宜に設定されてよい。表示部１１は、ボール１の外部へ露出した状態が維持されるものであってもよいし、投球等の際には適宜なカバーによって覆われた状態とされるものであってもよい。
【００３０】
特に図示しないが、ボール１の外表面には、表示部１１の他、例えば、ボール１に対する操作を受け付けるための操作部、またはボール１の電池１３（図３（ａ））を充電するための端子（または電池１３を交換するための蓋）が設けられていてもよい。これらは、表示部１１と同様に、露出した状態が維持されるものであってもよいし、投球等の際に適宜なカバーによって覆われた状態とされるものであってもよい。
【００３１】
（ボールの構成）
図３（ａ）は、ボール１の構成を模式的に示すブロック図である。
【００３２】
ボール１は、例えば、加速度ａを検出する加速度センサ３と、角速度ωを検出する角速度センサ５と、検出された加速度ａおよび角速度ωに基づいて速度ｖおよび半径ｒを算出する演算部１５と、算出結果を示す既述の表示部１１と、これらに電力を供給する電源部１７とを有している。
【００３３】
なお、センサの語は、所定の物理量を電気信号に変換する部分（トランスデューサー）を指す語と捉えられてもよいし、トランスデューサーだけでなく、トランスデューサーへの電力を供給する部分、および／またはトランスデューサーからの電気信号を検出する部分を含む装置を指す語と捉えられてもよい。ただし、実施形態の説明では、角速度センサ５の語は、後者であるものとする。
【００３４】
加速度センサ３は、公知の種々の形式のものとされてよい。例えば、加速度センサ３は、加速度に応じた大きさで歪みを生じる圧電体に生じる電荷または電圧によって信号レベルが規定されるものであってもよいし、加速度に応じた大きさで歪みを生じる圧電体の抵抗値の変化によって信号レベルが規定されるものであってもよいし、加速度に応じた大きさで電極間距離が変化するキャパシタの容量の変化によって信号レベルが規定されるものであってもよい。また、加速度センサ３は、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術によって実現されるものであってよい。
【００３５】
加速度センサ３は、例えば、互いに直交する３軸それぞれの方向における加速度を検出可能である。そのような加速度センサ３は、１軸または２軸の加速度を検出可能な、１つまたは２つの加速度センサが組み合わされて構成されていてもよいし、１つの加速度センサ（例えば加速度によって変位する錘が３軸で共通化されているもの）によって実現されていてもよい。各軸について、加速度センサ３の検出範囲（下限値および上限値）ならびに精度はボール１の使用目的等に応じて適宜に設定されてよい。
【００３６】
加速度センサ３は、例えば、検出対象の軸（本実施形態では上記のように３軸）がボール１の境界線７に対して特定の関係になるようにボール１の内部に実装されている。例えば、検出対象である３軸は、図２（ａ）および図２（ｂ）において示した直交座標系ｘｙｚの３軸である。具体的には、例えば、この３軸のうち１つ（ｚ軸）は、２つの領域９のうち一方（９Ａ）における１対のドーム状部分９ａの対向方向に延びる軸であり、３軸のうち他の１つ（ｙ軸）は、２つの領域９のうち他方（９Ｂ）における１対のドーム状部分９ａの対向方向に延びる軸であり、３軸のうち残りの１つ（ｘ軸）は、前記の２方向に直交する軸である。
【００３７】
加速度センサ３は、ボール１の重心に位置していてもよいし、重心から離れて位置していてもよい。換言すれば、加速度センサ３は、ボール１の重心回りの回転（以下、「スピン」ということがある。）による遠心力に係る加速度を基本的に含まない加速度を検出してもよいし、スピンによる遠心力に係る加速度を検出可能であってもよい。
【００３８】
角速度センサ５は、公知の種々の形式のものとされてよい。例えば、角速度センサ５は、回転体に働く慣性力によって信号レベルが規定されるものであってもよいし、振動体に働くコリオリの力によって信号レベルが規定されるものであってもよいし、流体に働くコリオリの力によって信号レベルが規定されるものであってもよい。ただし、実施形態の説明では、振動体に働くコリオリの力によって信号レベルが規定されるものを例に取る。
【００３９】
角速度センサ５は、例えば、互いに直交する３軸それぞれの回りにおける角速度を検出して出力可能である。なお、そのような角速度センサ５は、１軸または２軸の角速度を検出可能な、１つまたは２つの角速度センサが組み合わされて構成されていてもよいし、１つの角速度センサ（例えば振動体を構成する圧電体が３軸で一体的に形成されているもの）によって実現されていてもよい。
【００４０】
各軸について、角速度センサ５の検出範囲（下限値および上限値）ならびに精度はボール１の使用目的等に応じて適宜に設定されてよい。例えば、角速度センサ５は、１４４００ｄｅｇ／ｓ（＝３６０ｄｅｇ×４０ｒｐｓ（rotations per second））以上の角速度を検出可能である。このような大きさまで検出可能であると、例えば、野球用のボール１のスピンを十分に計測可能である。
【００４１】
角速度センサ５は、例えば、検出対象の軸（本実施形態では上記のように３軸）がボール１の境界線７に対して特定の関係になるようにボール１の内部に実装されている。例えば、角速度センサ５の検出対象である３軸は、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸である。これらの軸については、加速度センサ３の説明で述べたとおりである。
【００４２】
角速度センサ５は、加速度センサ３の検出対象の軸に対して直交する軸の回りの角速度を検出可能である。例えば、加速度センサ３がｘ軸方向の加速度を検出可能であるのに対して、角速度センサ５は、ｙ軸回りおよび／またはｚ軸回り（本実施形態では双方）の角速度を検出可能である。同様に、ｙ軸方向の加速度に対してｘ軸および／またはｚ軸回り（本実施形態では双方）の角速度が検出され、ｚ軸方向の加速度に対してｘ軸および／またはｙ軸回り（本実施形態では双方）の角速度が検出される。
【００４３】
従って、遠心力Ｆ（合力または各軸における分力。以下同様。）に係る加速度ａと、遠心力Ｆに係る角速度ωとが検出可能となる。ひいては、図１（ｂ）を参照して説明したように、速度ｖおよび／または半径ｒを算出可能となる。
【００４４】
なお、別の観点では、角速度センサ５の検出対象の３軸は、加速度センサ３の検出対象の３軸と同一である。角速度センサ５は、ボール１の重心に位置していてもよいし、重心から離れて位置していてもよい。
【００４５】
演算部１５は、例えば、ＩＣ（Integrated Circuit）によって構成されており、特に図示しないが、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read only memory）、ＲＡＭ（Random access memory）および補助記憶装置（省略可）を含んでいる。そして、ＣＰＵが、ＲＯＭおよび／または補助記憶装置に記録されているプログラムを実行することによって、種々の演算（制御含む）を行う複数の機能部（後述）が構成される。なお、演算部１５の一部または全部は、電子回路によって構成されていてもよい。
【００４６】
電源部１７は、例えば、電池１３を含んでおり、電池１３からの直流電力を、適宜な電圧の直流電力、または適宜な電圧および周波数の交流電力に変換して、加速度センサ３、角速度センサ５、演算部１５および表示部１１に供給する。ボール１内において必要とされる電圧（必要電圧）は適宜に設定されてよい。必要電圧は、ボール１が正常に動作するために必要な、電源部１７に供給される電力の電圧である。正常に動作しているか否かは、例えば、仕様書またはパンフレットによって特定されてよい。必要電圧は、例えば、４．２Ｖ以下である。
【００４７】
電池１３は、使い捨ての電池（一次電池）であってもよいし、充電して繰り返し使用される電池（二次電池）であってもよい。二次電池は、例えば、リチウムイオン電池である。充電は、ボール１に設けられた不図示の端子を介してなされてもよいし、電池１３がボール１から取り外されて外部の充電器に装着されることによってなされてもよいし、電磁誘導などを利用した無線給電によってなされてもよい。電池１３の数および１つの電池１３が供給する電力の電圧は適宜に設定されてよい。例えば、電池１３の数は１つであり、かつその電圧は４．２Ｖ以下である。
【００４８】
（演算部の構成）
図３（ｂ）は、主として角速度センサ５および演算部１５の構成を示すブロック図である。
【００４９】
上述のように、演算部１５においては、各種の機能部（１９、２１、２３、２５および２７）が構築される。これらの動作は、例えば、以下のとおりである。
【００５０】
速度算出部１９は、図１（ｂ）を参照して説明したように、加速度センサ３の検出した加速度ａと、角速度センサ５の検出した角速度ωとに基づいて、速度ｖ（＝ａ／ω）を算出する。この算出は、例えば、所定の算出開始条件が満たされてから所定の算出終了条件が満たされるまで、比較的短い所定の周期で繰り返し行われる。
【００５１】
算出開始条件は、不図示の操作部に対して所定の操作がなされたことであってもよいし、不図示の外部機器から所定の情報を含む無線信号が入力されたことであってもよいし、加速度センサ３および／または角速度センサ５の検出値が所定の条件を満たしたことであってもよい。所定の条件は、例えば、検出値または検出値に所定の演算を施した値が所定の閾値を超えたこととされてよい。算出終了条件も、同様に、不図示の操作部に対して所定の操作がなされたことであってもよいし、不図示の外部機器から所定の情報を含む無線信号が入力されたことであってもよいし、加速度センサ３および／または角速度センサ５の検出値が所定の条件を満たしたことであってもよい。
【００５２】
速度ｖの具体的な算出方法は種々可能である。例えば、まず、３軸それぞれの加速度（ベクトル）を合成して全体の加速度を求める。また、３軸それぞれの角速度（回転軸の延びる方向を向きとするベクトル）を合成して全体の角速度を求める。そして、全体の加速度の大きさを全体の角速度の大きさで割ってもよい。また、例えば、上記のように合成した全体の角速度（ベクトル）を、全体の加速度（ベクトル）の方向の成分（全体の加速度の方向に平行な軸の回りの角速度）と、残りの成分とに分解する。そして、全体の加速度の大きさを前記残りの成分の大きさで割ってもよい。なお、上記のような演算においては、加速度センサ３の検出対象の３軸と、角速度センサ５の検出対象の３軸との相対関係が特定できれば、必ずしも両者の３軸が同一である必要はない。
【００５３】
速度ｖの算出において、加速度ａは、重力加速度が除去されたものとされてよい。例えば、演算部１５は、検出された加速度からローパスフィルタによって重力加速度を抽出し、この抽出した重力加速度を、検出された加速度から差し引いて、速度ｖの演算に用いる加速度を算出する。半径ｒの演算等の他の演算についても同様である。
【００５４】
半径算出部２１は、図１（ｂ）を参照して説明したように、加速度センサ３の検出した加速度ａと、角速度センサ５の検出した角速度ωとに基づいて、回転半径ｒ（＝ａ／ω２）を算出する。この算出は、例えば、上記の速度ｖの算出と同様に、所定の算出開始条件が満たされてから所定の算出終了条件が満たされるまで、比較的短い所定の周期で繰り返し行われる。算出開始条件および算出終了条件は、速度ｖのものと同様とされてよい。
【００５５】
半径ｒの具体的な算出方法も、速度ｖの算出方法と同様に、種々可能である。例えば、速度ｖの算出と同様に、全体の加速度（ベクトル）の大きさを全体の角速度（ベクトル）の大きさの自乗で割ってもよいし、全体の加速度の大きさを、全体の角速度のうちの上記の残りの成分の大きさの自乗で割ってもよい。なお、加速度および／または角速度の合成および／または分解等、速度ｖの算出と半径ｒの算出とで共通する演算は、１回行われればよい（速度算出部１９と半径算出部２１とは一部が共用されていてよい。）。
【００５６】
タイマー２３は、所定の計時開始条件が満たされてから所定の計時終了条件が満たされるまでの間の時間を計測する。例えば、タイマー２３は、ボール１が投げられたとみなすことができる条件が満たされたときに計時を開始し、ボール１が捕球されたとみなすことができる条件が満たされたときに計時を終了する。これにより、予め定められた距離ｄで投球及び捕球がなされることを前提として、計時された時間Ｔで距離ｄを割ることにより、投球から捕球までの平均速度ｖｍ（＝ｄ／Ｔ）を求めることができる。
【００５７】
上記のような条件判定は、例えば、加速度センサ３および／または角速度センサ５の検出値に基づいてなされてよい。例えば、投球がなされたと判定される条件は、角速度センサ５が検出した角速度（合成されたものまたは１軸のもの）の大きさが所定の閾値を超えたこと、合成された３軸全体の加速度の大きさが重力加速度よりも大きい所定の閾値を超えたこと、または速度算出部１９が算出した速度ｖが所定の閾値を超えたこととされてよい。また、例えば、捕球がなされたと判定される条件は、投球がなされたと判定された後またはそれから所定の時間が経過した後、角速度センサ５が検出した角速度（合成されたものまたは１軸のもの）の大きさが所定の閾値を下回ったこと、または合成された３軸全体の加速度の大きさが重力加速度よりも大きい所定の閾値を下回ったこととされてよい。
【００５８】
平均速度算出部２５は、タイマー２３が計時した時間Ｔと、予め保持している距離ｄとに基づいて、上述の平均速度ｖｍ（＝ｄ／Ｔ）を算出する演算を行う。
【００５９】
表示制御部２７は、算出された速度ｖ、半径ｒおよび／または平均速度ｖｍを表示するように表示部１１に制御信号を出力する。例えば、表示制御部２７は、繰り返し算出された速度ｖのうちの代表値、繰り返し算出された半径ｒの代表値、および／または平均速度ｖｍを選択的にまたは同時に表示部１１に表示させる。表示される内容は、不図示の操作部に対する操作、不図示の外部装置からの無線信号の入力、または加速度センサ３および／もしくは角速度センサ５を操作部代わりとした所定の操作によって切り換えられてもよい。速度ｖの代表値は、例えば、最大値または平均値である。半径ｒの代表値は、例えば、速度ｖの最大値が得られたときの半径ｒ、または半径ｒの平均値である。
【００６０】
なお、繰り返し算出された速度ｖおよび半径ｒは、例えば、時系列データとして演算部１５に保持されていてよい（例えばＲＡＭまたは補助記憶装置に記憶されていてよい。）。そして、時系列データは、無線または有線で外部の機器（例えばパーソナルコンピュータ）に転送されてよい。外部の機器に着脱可能な記録媒体をボール１に着脱可能にボール１を構成し、記録媒体に時系列データを保持させてもよい。また、繰り返し算出された速度ｖおよび半径ｒは、例えば、各々の算出時点において、算出開始からの最大値が更新されるか否かの判定および更新されると判定されたときの更新に用いられ、直後に破棄されてもよい（時系列データとして保持されなくてもよい。）。
【００６１】
（角速度センサ）
角速度センサ５は、例えば、トランスデューサーとしての圧電素子３３と、圧電素子３３を励振させる励振部３５と、圧電素子３３に生じる電気信号を検出し、当該電気信号（所定の処理が施されてもよい）を演算部１５に入力する検出部３７とを有している。なお、図３（ｂ）では、これらは、３軸のうち１軸に係るものが代表して示されている。ただし、３軸全体のものが示されていると捉えられても構わない。
【００６２】
図４（ａ）は、１軸の角速度を検出する角速度センサ３１（図４（ｂ））の圧電素子３３の一例を示す斜視図である。３軸の角速度センサ５は、例えば、角速度センサ３１またはこれに類する角速度センサが、検出対象の軸が互いに直交するように組み合わされることによって構成される。
【００６３】
図４（ａ）においては、圧電素子３３に対して固定された直交座標系Ｄ１−Ｄ２−Ｄ３を付している。圧電素子３３は、例えば、Ｄ２軸回りの角速度を検出するように構成されている。圧電素子３３は、Ｄ１軸方向に励振され、Ｄ３軸方向にコリオリの力が生じるように構成されている。具体的には、以下のとおりである。
【００６４】
圧電素子３３は、圧電体３９と、圧電体３９に電圧を印加するための励振電極４１Ａおよび４１Ｂ（以下、ＡおよびＢを省略することがある。）と、圧電体３９に生じた電気信号を取り出すための検出電極４３Ａおよび４３Ｂ（以下、ＡおよびＢを省略することがある。）とを有している。
【００６５】
圧電体３９は、その全体が一体的に形成されている。圧電体３９は、単結晶であってもよし、多結晶であってもよい。また、圧電体３９の材料は適宜に選択されてよく、例えば、水晶（ＳｉＯ２）、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＰＺＴである。
【００６６】
圧電体３９において、電気軸乃至は分極軸（以下、両者を代表して分極軸のみに言及することがある。）は、Ｄ１軸に一致するように設定されている。なお、分極軸は、所定の範囲（例えば１５°以内）でＤ１軸に対して傾斜していてもよい。また、圧電体３９が単結晶である場合において、機械軸及び光軸は、適宜な方向とされてよいが、例えば、機械軸はＤ２軸方向、光軸はＤ３軸方向とされている。
【００６７】
圧電体３９は、概略Ｕ字状に形成されている。すなわち、圧電体３９は、基部４５と、基部４５からＤ２軸方向に互いに並列に延びる駆動腕４７及び検出腕４９とを有している。
【００６８】
図４（ｂ）は、図４（ａ）のIVｂ−IVｂ線における断面図である。
【００６９】
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、励振電極４１は、駆動腕４７のＤ１軸方向またはＤ３軸方向に面する４面に設けられている。Ｄ３軸方向において対向する励振電極４１Ａ同士は同電位とされる。Ｄ１軸方向において対向する励振電極４１Ｂ同士は同電位とされる。励振部３５は、励振電極４１Ａと４１Ｂとの間に所定の周波数の交流電圧を印加する。
【００７０】
検出電極４３は、検出腕４９において、Ｄ１軸方向に面する２面において、Ｄ３軸方向に分割して設けられている。Ｄ２軸に直交する断面において互いに斜めの位置関係になる検出電極４３Ａ同士は同電位とされ、同様に、検出電極４３Ｂ同士は同電位とされる。検出部３７は、検出電極４３Ａと４３Ｂとの間の電位差を検出する。なお、電荷または電流の検出等は電位差の検出と等価である。
【００７１】
励振電極４１に交流電圧が印加されると、駆動腕４７はＤ１軸方向に湾曲するように振動する。その振動は、基部４５を介して検出腕４９に伝達され、検出腕４９もＤ１軸方向において振動する。具体的には、検出腕４９は、駆動腕４７の湾曲する側とは反対側に湾曲するように、駆動腕４７とは逆の位相で振動する。
【００７２】
圧電素子３３がＤ２軸回りに回転されると、Ｄ１軸方向において振動している検出腕４９には、慣性力の一つである、その角速度に応じた大きさのコリオリの力が加わる。その結果、検出腕４９はＤ３軸方向において振動する。なお、駆動腕４７もＤ３軸方向において振動する。
【００７３】
その結果、検出電極４３Ａおよび４３Ｂには交流電圧が生じ、検出部３７は、この交流電圧を検出する。そして、電圧の振幅に基づいてＤ２軸回りの角速度が特定される。また、励振部３５の印加電圧と検出した電気信号との位相差に基づいてＤ２軸回りの回転の向きが特定される。
【００７４】
（角速度センサの励振部）
図５は、主として励振部３５の構成の一例を示す回路図である。
【００７５】
励振部３５は、例えば、圧電素子３３に並列に接続されているインバータ５１および帰還抵抗５３と、これらと圧電素子３３との間に直列に接続されている制限抵抗５５と、圧電素子３３の前後と基準電位部との経路に介在しているキャパシタ５７Ａおよび５７Ｂとを有している。
【００７６】
この回路図から理解されるように、圧電素子３３および励振部３５は、水晶発振器またはセラミック発振器と同様の構成とされてよい。従って、角速度センサ５は、圧電素子３３の振動に基づく比較的精度が高い発振信号を出力可能である。確認的に記載すると、発振信号は、信号レベル（例えば電圧）が一定の周期で変化する信号である。発振信号の波形（１周期における信号レベルの変化態様）は、適宜なものであってよい。
【００７７】
図３（ｂ）および図５に示すように、タイマー２３は、この圧電素子３３の振動に基づいて生成される発振信号を角速度センサ５から取得する。そして、タイマー２３は、角速度センサ５からの発振信号の波の計数に基づいて計時を行う。なお、図５に示すように、励振部３５とタイマー２３との間には、バッファ５９等が介在してもよい。また、タイマー２３が計数する発振信号は、角速度センサ５からの発振信号そのままであってもよいし、分周器または逓倍器によって周波数が変えられたものであってもよい。
【００７８】
なお、角速度センサ５からのそのままの発振信号に基づいてタイマー２３が計時を行っても、平均速度算出部２５は、十分な精度で平均速度を算出することができる。例えば、角速度センサ５からの発振信号の周波数（角速度センサ５の駆動周波数）が５０ｋＨｚであると仮定する。投手から捕手までの距離を１８ｍと仮定する。球速１００ｋｍ／ｈと仮定する。そうすると、投手から投げられたボール１が捕手に到達するまでの時間は６４８ミリ秒（＝１８ｍ／１００ｋｍ／ｈ）である。５０ｋＨｚの発振信号の１つの波の周期は０．０２ミリ秒である。従って、１つの波の周期で誤差が生じたとしても、誤差は０．０１％にも満たない。
【００７９】
以上のとおり、本実施形態では、センサ内蔵ボール１は、加速度センサ３と、角速度センサ５と、半径算出部２１および／または速度算出部１９とを有している。半径算出部２１は、加速度センサ３の検出値に基づく加速度ａを、角速度センサ５の検出値に基づく、加速度ａの方向に交差（基本的には直交）する軸回りの角速度の自乗ω２で、割る演算によって回転半径ｒを算出する。速度算出部１９は、加速度センサ３の検出値に基づく加速度ａを、角速度センサ５の検出値に基づく、加速度ａの方向に交差（基本的には直交）する軸回りの角速度ωで、割る演算によって速度ｖを算出する。
【００８０】
従って、例えば、図１（ａ）および図１（ｂ）を参照して説明したように、投球中のボール１の半径ｒおよび／または速度ｖを特定することができる。これにより、例えば、投球動作の解析を行うことができる。また、例えば、リリース直前の速度ｖに基づいて、投球されたボール１の速度予測を行うことができる。
【００８１】
ボール１は、外表面が、縫い目または縫い目状の形状からなる境界線７によって２つの領域９Ａおよび９Ｂに分けられている。角速度センサ５は、２つの領域９それぞれの１対のドーム状部分９ａの対向方向に直交している軸（ｘ軸）、および前記２つの領域９の一方の１対のドーム状部分９ａの対向方向に平行な軸（ｙ軸またはｚ軸）の少なくとも一方の軸回りの角速度を検出可能である。
【００８２】
従って、例えば、境界線７と、角速度センサ５の検出対象の軸との関係が明確である。ここで、例えば、投手は、通常、境界線７を基準にしてボール１に対する指の位置を決定する。従って、境界線７と角速度センサ５の検出対象の軸との関係が明確であることによって、投手がボール１を投げるときのボール１の運動の解析が容易化される。
【００８３】
本実施形態では、角速度センサ５は、互いに直交する３軸それぞれの回りの角速度を検出可能である。
【００８４】
従って、例えば、３軸の角速度（ベクトル）の合成によって、ボール１の円軌道について、回転軸の向きを特定することができる。これにより、例えば、腕を振るときの向きを特定するなど、投球フォームの解析を行うことができる。また、加速度センサ３も３軸の加速度を検出可能であれば、遠心力Ｆに係る加速度ａを正確に求め、ひいては、速度ｖおよび／または半径ｒを正確に求めることができる。
【００８５】
本実施形態では、ボール１は、計時を行うタイマー２３をさらに有している。角速度センサ５は、圧電体３９と、圧電体３９に電圧を印加して圧電体３９を振動させる励振部３５と、圧電体３９に加えられるコリオリの力に応じて生じる電気信号を検出する検出部３７と、を有している。タイマー２３は、圧電体３９の振動に基づいて生成される発振信号の波を計数することにより計時を行う。
【００８６】
従って、例えば、タイマー２３は、圧電体３９の振動に基づく比較的正確な発振信号によって計時を行うことができる。また、そのような正確な計時のために角速度センサ５とは別個に発振回路を設ける必要はなく、小型化および／またはコスト削減が図られる。
【００８７】
本実施形態では、ボール１は、所定の距離をタイマー２３の計時した時間で割る演算またはこれに相当する演算によって平均速度ｖｍを算出する平均速度算出部２５をさらに有している。
【００８８】
従って、例えば、上記のように小型化かつ正確に計時を行うタイマー２３の有効利用が図られる。また、例えば、投球中のボール１の半径ｒおよび／または速度ｖの算出と組み合わされることによって、投球動作と球速との関係を解析することができる。
【００８９】
＜第２実施形態＞
図６は、第２実施形態に係る計測システム２０１の構成を示すブロック図である。
【００９０】
なお、第２実施形態の説明では、基本的に、第１実施形態との相違部分について述べる。特に言及がない点は、第１実施形態と同様でよい。また、第１実施形態の構成と同様または類似の構成については、第１実施形態の構成に付した符号を付すことがある。
【００９１】
第２実施形態に係る計測システム２０１は、端的に言えば、第１実施形態における計測システム（ボール１）において、ボール１に内蔵された構成の一部をボール１の外部へ移設した構成である。具体的には、以下のとおりである。
【００９２】
計測システム２０１は、ボール２０３と、ボール２０３と通信可能な外部装置２０５とを有している。
【００９３】
ボール２０３は、例えば、ボール１に設けられていた演算部１５および表示部１１を有しておらず、代わりに、無線信号（例えば電波）を出力する送信部２０７を有している。なお、電源部１７は不図示であるがボール１と同様にボール２０３にも設けられている。
【００９４】
送信部２０７は、例えば、所定の送信開始条件が満たされてから所定の送信終了条件が満たされるまでの間、所定の時間刻みで継続的に、加速度センサ３および角速度センサ５の検出値を送信している。なお、送信開始条件および送信終了条件は、不図示の操作部に対して所定の操作がなされたことであってもよいし、外部装置２０５から所定の情報を含む無線信号が入力されたことであってもよいし、加速度センサ３および／または角速度センサ５の検出値が所定の条件を満たしたことであってもよい。
【００９５】
外部装置２０５は、例えば、パーソナルコンピュータと、無線通信を行う機器とを組わせて構成されており、受信部２０９、演算部２１１および表示部２１３を有している。
【００９６】
受信部２０９は、送信部２０７からの無線信号を受信する。これにより、外部装置２０５には、加速度センサ３および角速度センサ５の検出値が所定の時間刻みで継続的に入力される。
【００９７】
演算部２１１においては、ＣＰＵがＲＯＭおよび／または補助記憶装置に記憶されているプログラムを実行することによって、第１実施形態の演算部１５と同様の機能部（１９、２１、２３、２５および２７）が構築される。ただし、速度算出部１９および半径算出部２１等は、加速度センサ３および角速度センサ５の検出値を受信部２０９から受信する。また、タイマー２３は、角速度センサ５からの発振信号ではなく、例えば、演算部２１１自身の発振回路が生じる発振信号に基づいて計時を行う。
【００９８】
表示部２１３は、例えば、パーソナルコンピュータのディスプレイであり、表示制御部２７からの信号に基づいて画像を表示する。なお、画面の大きさがボール１の大きさに制限される第１実施形態の表示部１１に比較して、表示部２１３は、時系列データの表示等が容易である。
【００９９】
以上のような構成においても、第１実施形態と同様の効果が奏される。例えば、投球中の速度ｖおよび／または半径ｒの算出によって投球動作の解析を行うことができる。
【０１００】
本発明は、以上の実施形態に限定されず、種々の態様で実施されてよい。
【０１０１】
例えば、ボールは、野球用のもの（厳密に言えば野球用のボールを模したもの）に限定されない。例えば、ソフトボール、ハンドボール、水球、バスケットボール、バレーボール、サッカー、テニス、ゴルフ、砲丸投げ、ボーリング、ラグビー、アメリカンフットボール用のボールであってもよい。
【０１０２】
上記の例示から理解されるように、ボールは、投球されることが前提とされていなくてもよい。この場合においても、例えば、速度ｖおよび／または半径ｒの特定によってボールの軌道上の運動の解析を行うことができる。また、上記の例示から理解されるように、ボールは、球形のものに限定されない。
【０１０３】
また、ボールは、所定の動きが制限された状態のものであってもよい。例えば、スポーツ用のボールを模した模擬球と、当該模擬球の一定の挙動のみを許容可能に模擬球を支持しているアームとを有するアーケードゲーム機において、模擬球に対して本開示の技術が適用されてもよい。
【０１０４】
加速度センサは、３軸の加速度を検出可能でなくてもよく、１軸または２軸の加速度のみを検出可能であってよい。同様に、角速度センサは、３軸の加速度を検出可能でなくてもよく、１軸または２軸の加速度のみ検出可能であってもよい。例えば、ボールは、１つの所定軸の加速度のみを検出可能な加速度センサと、前記所定軸に直交する１つまたは２つの軸の回りの角速度のみを検出可能な角速度センサとを有していてもよい。このような態様であっても、運用次第で十分に有用なデータを得ることができる。
【０１０５】
速度ｖを算出する具体的な算出方法は、加速度ａを角速度ωで割る演算だけでなく、これに相当する演算を含む。同様に、半径ｒを算出する具体的な算出方法は、加速度ａを角速度の自乗ω２で割る演算だけでなく、これに相当する演算を含む。平均速度についても同様である。例えば、速度ｖは、半径ｒを算出した後、半径ｒに角速度ωを乗じて算出されてもよいし、逆に、半径ｒは、速度ｖを算出した後、速度ｖを角速度ωで割って算出されてもよい。
【符号の説明】
【０１０６】
１…センサ内蔵ボール、３…加速度センサ、５…角速度センサ、２５…平均速度算出部。
【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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