(57)【要約】【課題】移動体の回転方向によらずに回転状態を精度よく算出することができる回転状態解析装置を提供する。【解決手段】回転動作可能な移動体と、移動体に配置され、地磁気を検知する、第１地磁気センサおよび第２地磁気センサと、第１地磁気センサおよび第２地磁気センサによる検知信号を処理する信号処理部と、を有し、第１地磁気センサおよび第２地磁気センサは、磁気感度軸の方向が互いに異なるように移動体に配置されており、信号処理部は、第１地磁気センサおよび第２地磁気センサによる検知信号を比較し、この比較結果に基づいて移動体の回転状態を解析する。【選択図】図１
2019066407.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転動作可能な移動体と、
前記移動体に配置され、地磁気を検知する、第１地磁気センサおよび第２地磁気センサと、
前記第１地磁気センサおよび前記第２地磁気センサによる検知信号を処理する信号処理部と、を有し、
前記第１地磁気センサおよび前記第２地磁気センサは、磁気感度軸の方向が互いに異なるように前記移動体に配置されており、
前記信号処理部は、前記第１地磁気センサおよび前記第２地磁気センサによる検知信号を比較し、この比較結果に基づいて前記移動体の回転状態を解析することを特徴とする回転状態解析装置。
【請求項２】
前記信号処理部は、前記第１地磁気センサおよび第２地磁気センサによる検知信号を比較し、振幅が大きい方の検知信号を採用して信号処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の回転状態解析装置。
【請求項３】
前記移動体はボールであって、前記第１地磁気センサおよび前記第２地磁気センサは前記ボールの内部に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転状態解析装置。
【請求項４】
前記回転状態解析装置は、前記移動体に設けられた内蔵検知装置と、前記移動体とは独立した外部装置とを備え、
前記内蔵検知装置は、少なくとも、前記第１地磁気センサ、前記第２地磁気センサ、および送信部を備え、
前記外部装置は、少なくとも、前記信号処理部と、前記送信部から送信された信号を受信する受信部とを備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転状態解析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転動作可能な移動体の回転状態を解析するための回転状態解析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載の回転速度検出装置は、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装置であって、地磁気ベクトルを検出する磁気センサや、磁気センサが検出した検出信号を処理する信号処理部などが前記球体内に固定された構成を備える。このような構成においては、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検出信号は最大値となり、逆の方向を向いた時に最小値となる。球体が回転を続けると、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１６００２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の回転速度検出装置では、球体の回転方向によっては、磁気センサの感度軸と環境磁場の方向が一致または近い状態で回転が持続される場合があり、このような場合には、球体が回転しているのにかかわらず、磁気センサの各軸の検出値の変動が小さくなってしまうため、回転速度を精度よく算出することが困難であった。
【０００５】
そこで本発明は、移動体の回転方向によらずに回転状態を精度よく算出することができる回転状態解析装置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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の回転状態解析装置は、回転動作可能な移動体と、移動体に配置され、地磁気を検知する、第１地磁気センサおよび第２地磁気センサと、第１地磁気センサおよび第２地磁気センサによる検知信号を処理する信号処理部と、を有し、第１地磁気センサおよび第２地磁気センサは、磁気感度軸の方向が互いに異なるように移動体に配置されており、信号処理部は、第１地磁気センサおよび第２地磁気センサによる検知信号を比較し、この比較結果に基づいて移動体の回転状態を解析することを特徴としている。
【０００７】
これにより、一方の地磁気センサの磁気感度軸と環境磁場の方向が一致または近い状態で回転が持続される場合であっても、他方の地磁気センサの磁気感度軸は地磁気の方向からずれた状態となるため、常にいずれかの地磁気センサからの検知出力に基づいて回転状態を精度よく算出することが可能となる。
【０００８】
本発明の回転状態解析装置において、信号処理部は、第１地磁気センサおよび第２地磁気センサによる検知信号を比較し、振幅が大きい方の検知信号を採用して信号処理を行うことが好ましい。
【０００９】
これにより、移動体の回転方向にかかわらず、環境磁場の方向と一致しない磁気感度軸を有する地磁気センサの検知出力に基づいて信号処理を継続することができるため、精度の高い回転状態解析を行うことができる。
【００１０】
本発明の回転状態解析装置において、移動体はボールであって、第１地磁気センサおよび第２地磁気センサはボールの内部に配置されていることが好ましい。
これにより、通常のボールと同様に扱うことができ、また、地磁気センサが外界と接触することによって破損することを防ぐことができる。
【００１１】
本発明の回転状態解析装置は、移動体に設けられた内蔵検知装置と、移動体とは独立した外部装置とを備え、内蔵検知装置は、少なくとも、第１地磁気センサ、第２地磁気センサ、および送信部を備え、外部装置は、少なくとも、信号処理部と、送信部から送信された信号を受信する受信部とを備えることが好ましい。
【００１２】
これにより、移動体と外部装置が独立するため、移動体を簡易な構成にすることができる。また、回転動作によって移動体が破損したとしても、検知信号を取得できれば回転状態の解析を行うことができる。また、複数の移動体の回転状態を１つの外部装置で解析することもできる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によると、一方の地磁気センサの磁気感度軸と環境磁場の方向が一致または近い状態で回転が持続される場合であっても、他方の地磁気センサの磁気感度軸は地磁気の方向からずれた状態となるため、常にいずれかの地磁気センサからの検知出力に基づいて回転状態を精度よく算出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（Ａ）は本発明の実施形態の移動体に内蔵された第１地磁気センサを示す説明図、（Ｂ）は第２地磁気センサを示す説明図である。
【図２】本発明の実施形態の回転状態解析装置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】
【００１５】
以下、本発明の実施形態に係る回転状態解析装置について図面を参照しつつ詳しく説明する。図１（Ａ）は、本実施形態の移動体に内蔵された第１地磁気センサを示す説明図、（Ｂ）は第２地磁気センサを示す説明図である。図２は、本実施形態の回転状態解析装置の構成を示すブロック図である。
【００１６】
移動体は、例えば球技に使われるボールであり、例えば、野球用ボール、ソフトボール用ボール、ボーリング用ボール、ラクビー用ボールである。本実施形態の回転状態解析装置では、投球動作などによってボールを移動させたときの回転状態を解析する。
【００１７】
図２に示すように、回転状態解析装置１０は、内蔵検知装置２０と外部装置３０とを備える。
内蔵検知装置２０は、移動体としてのボール１１に内蔵されている。内蔵検知装置２０は、図２に示すように、２つの地磁気センサ２１、２２と、ＣＰＵ２３と、送信部２４とを備える。
外部装置３０は、ボール１１とは独立しており、ボール１１とは離れた位置で使用される。図２に示すように、外部装置３０は、受信部３１と、制御部３２と、信号処理部３３と、操作部３４と、表示部３５とを備える。
【００１８】
図１（Ａ）には、ボール１１に内蔵された内蔵検知装置２０の第１地磁気センサ２１の構造の概略が示され、図１（Ｂ）には、内蔵検知装置２０の第２地磁気センサ２２の構造が示されている。第１地磁気センサ２１と第２地磁気センサ２２は、磁気感度軸の方向が互いに異なるように、ボール１１内にそれぞれ固定されている。
【００１９】
図１（Ａ）に示すように、第１地磁気センサ２１は、磁気感度軸として、互いに直交する、Ｘ１軸、Ｙ１軸、およびＺ１軸を備え、Ｘ１軸方向の磁界成分を検知するＸ１軸磁気検知素子Ｓ１ｘと、Ｙ１軸方向の磁界成分を検知するＹ１軸磁気検知素子Ｓ１ｙ、および、Ｚ１軸方向の磁界成分を検知するＺ１軸磁気検知素子Ｓ１ｚが設けられている。各磁気検知素子Ｓ１ｘ、Ｓ１ｙ、Ｓ１ｚは、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）やホール素子などである。
【００２０】
第１地磁気センサ２１における、Ｘ１軸磁気検知素子Ｓ１ｘによる検知出力Ｘｈと、Ｙ１軸磁気検知素子Ｓ１ｙによる検知出力Ｙｈ、およびＺ１軸磁気検知素子Ｓ１ｚによる検知出力Ｚｈを合成することで、球面座標Ｇ１上における検知点Ｐｇの座標が得られる。検知点Ｐｇの座標はＣＰＵ２３で算出される。球面座標Ｇ１の半径は、Ｘ１軸磁気検知素子Ｓ１ｘ、Ｙ１軸磁気検知素子Ｓ１ｙ、および、Ｚ１軸磁気検知素子Ｓ１ｚのゲインなどで決められる。さらに、ＣＰＵ２３において、検知点Ｐｇから基準座標軸の中心Ｏに向かう地磁気ベクトルＶｇの方位が算出される。
【００２１】
一方、第２地磁気センサ２２は、ボール１１内において第１地磁気センサ２１とは独立して配置され、図１（Ｂ）に示すように、磁気感度軸として、互いに直交する、Ｘ２軸、Ｙ２軸、およびＺ２軸を備え、Ｘ２軸方向の磁界成分を検知するＸ２軸磁気検知素子Ｓ２ｘと、Ｙ２軸方向の磁界成分を検知するＹ２軸磁気検知素子Ｓ２ｙ、および、Ｚ２軸方向の磁界成分を検知するＺ２軸磁気検知素子Ｓ２ｚが設けられている。Ｘ２軸、Ｙ２軸、およびＺ２軸は、上述のＸ１軸、Ｙ１軸、およびＺ１軸に対して、角度Ａｘ、Ａｙ、Ａｚだけそれぞれ回転させた軸であり、例えば、図１（Ｂ）に示すように、Ｘ２軸は、Ｘ１−Ｙ１平面においてＸ１軸から角度Ａｘだけ回転させた軸であり、Ｙ２軸は、Ｘ１−Ｙ１平面においてＹ１軸から、角度Ａｘに等しい角度Ａｙだけ回転させた軸であり、Ｚ２軸はＺ１軸から角度Ａｚだけ回転させた軸である。ここで、３つの角度Ａｘ、Ａｙ、Ａｚは、０度より大きく９０度より小さい角度であり、Ｘ１軸、Ｙ１軸、およびＺ１軸と、Ｘ２軸、Ｙ２軸、およびＺ２軸とはいずれも重ならないように配置される。
【００２２】
各磁気検知素子Ｓ２ｘ、Ｓ２ｙ、Ｓ２ｚは、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）やホール素子などである。第１地磁気センサ２１と同様に、第２地磁気センサ２２における、各軸の磁気検知素子Ｓ２ｘ、Ｓ２ｙ、Ｓ２ｚによる検知出力を合成することで、球面座標Ｇ２上における検知点Ｐｇの座標が得られる。検知点ＰｇはＣＰＵ２３で算出される。球面座標Ｇ２の半径は、Ｘ２軸磁気検知素子Ｓ２ｘ、Ｙ２軸磁気検知素子Ｓ２ｙ、および、Ｚ２軸磁気検知素子Ｓ２ｚのゲインなどで決められる。さらに、ＣＰＵ２３において、検知点Ｐｇから基準座標軸の中心Ｏ’に向かう地磁気ベクトルＶｇの方位が算出される。
【００２３】
回転状態解析装置１０では、地磁気の検知の前に、ボール１１を保持した手を動かすことでキャリブレーション処理を行う。キャリブレーション処理は、まず、操作部３４を操作することにより待機状態となり、液晶パネルなどからなる表示部４４にボール１１を手に取ることを指示する表示が現れる。これに対して、所定位置に置かれたボール１１を手で取り上げることによって、キャリブレーション処理が開始される。ボール１１を持った手を動かすことで、それぞれの地磁気センサ２１、２２の球面座標Ｇ１、Ｇ２上で、検知点Ｐｇが移動し、それぞれの球面座標上で検知点Ｐｇの座標位置を３点以上の複数点求めることができる。ＣＰＵ２３では、それぞれの地磁気センサ２１、２２について、複数点の検知点Ｐｇの検知座標から、最小二乗法やその他の演算処理を行って、複数の検知点Ｐｇを含む球面座標Ｇ１の中心Ｏと球面座標Ｇ２の中心Ｏ’をそれぞれ算出する。さらに、球面座標Ｇ１の中心Ｏを、磁気感度軸Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１の中心に一致させる補正を行い、また、球面座標Ｇ２の中心Ｏ’を、磁気感度軸Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２の中心に一致させる補正を行うことで、検知点Ｐｇから基準座標軸の中心に向かう地磁気ベクトルＶｇの方位を正確に特定できるようになる。キャリブレーション処理が終了すると、表示部４４に、回転状態の解析が可能となった旨の表示がなされる。
【００２４】
上記キャリブレーション処理の後、ＣＰＵ２３は、２つの地磁気センサ２１、２２から逐次送られる検知出力に基づいて、球面座標Ｇ１、Ｇ２のそれぞれについて検知点Ｐｇと地磁気ベクトルＶｇを継続して算出し、さらに検知点Ｐｇの移動軌跡を算出する。この算出結果は、内蔵検知装置が備えるメモリ（不図示）に記憶されるとともに、検知信号として、内蔵検知装置２０に設けられた送信部２４から送信される。この送信信号は、外部装置３０の受信部３１で受信され、受信出力が制御部３２に与えられる。この送受信は、例えばブルートゥース（登録商標）により行われる。
【００２５】
制御部３２は、与えられた検知信号を信号処理部３３へ出力する。信号処理部３３は、第１地磁気センサ２１の検知出力に基づく検知信号と、第２地磁気センサ２２の検知出力に基づく検知信号とを比較し、振幅が大きい信号を採用し、信号処理として回転状態解析を行う。すなわち、振幅が大きいと判断された地磁気センサからの出力に基づいて算出した、検知点Ｐｇの移動軌跡から、ボール１１の回転状態として、回転速度および回転数が算出される。算出結果は表示部４４に表示され、外部装置３０が備える記憶部（不図示）に保存される。
【００２６】
以上のように構成されたことから、上記実施形態によれば、ボール１１内の２つの地磁気センサ２１、２２の磁気感度軸が互いに重ならないように構成されているため、ボール１１の移動の過程において、一方の地磁気センサの磁気感度軸と環境磁場の方向が一致または近い状態で回転が持続される場合であっても、他方の地磁気センサの磁気感度軸は地磁気の方向からずれた状態となるため、この地磁気センサからの検知出力に基づいて回転状態を算出することにより精度の高い解析を行うことができる。
【００２７】
なお、上記実施形態では、ＣＰＵ２３において、検知点Ｐｇ、地磁気ベクトルＶｇ、および、検知点Ｐｇの移動軌跡の算出を行い、この算出結果を信号処理部３３において２つの地磁気センサ２１、２２について比較していたが、これに代えて、ＣＰＵ２３においては検知点Ｐｇの算出は行わず、信号処理部３３において、２つの地磁気センサ２１、２２からの検知出力を比較し、振幅が大きな信号について、検知点Ｐｇ、地磁気ベクトルＶｇ、および、検知点Ｐｇの移動軌跡の算出を行うようにしてもよい。
【００２８】
また、ボール１１に加速度センサを設けることもできる。加速度センサは、質量が加速度の向きに沿って移動するときの力を検知するものであり、例えば、質量を支持する梁と、梁の撓みを検知する歪センサとから構成される。歪センサで検知される歪量が前記力に比例する。質量と梁と歪センサとから成るセンサ部は３組設けられており、互いに直交する基準座標軸の３軸方向の加速度を検知できるように、それぞれの梁の撓み方向が３軸のそれぞれの方向に向けられている。３軸方向の加速度を検知することで、２つの地磁気センサ２１、２２に設定されている磁気感度軸と重力方向との関係を求めることができる。これによって、２つの地磁気センサ２１、２２のうち、環境磁場の方向に一致しない方の地磁気センサの選択をより正確に行うことが可能となる。
【００２９】
さらにまた、ボール１１に内蔵される地磁気センサは３つ以上であってもよい。この場合も各地磁気センサの磁気感度軸は、その方向が互いに重ならないように設定する。
本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
以上のように、本発明に係る回転状態解析装置は、移動体の回転方向によらずに回転状態を精度よく算出することができる点で有用である。
【符号の説明】
【００３１】
１０    回転状態解析装置
１１    ボール（移動体）
２０    内蔵検知装置
２１    第１地磁気センサ
２２    第２地磁気センサ
２３    ＣＰＵ
２４    送信部
３０    外部装置
３１    受信部
３２    制御部
３３    信号処理部
３４    操作部
３５    表示部
Ｇ１、Ｇ２  球面座標
Ｏ、Ｏ’    中心
Ｐｇ        検知点
Ｓ１ｘ、Ｓ１ｙ、Ｓ１ｚ、Ｓ２ｘ、Ｓ２ｙ、Ｓ２ｚ  磁気検知素子
Ｖｇ        地磁気ベクトル
Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１、Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２  磁気感度軸
【図１】
2019066407.tif 000003
【図２】
2019066407.tif 000004