JP2011098190A - 速度検出器、及びこれを備えた素振り用具 - Google Patents
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Abstract
【課題】速度検出器、打撃用具を提供する。
【解決手段】移動体の運動方向に空気導入孔16aを向けた状態で前記移動体に取り付けられたピトー管16と、圧力により受圧面24aが変位するダイアフラム24と、前記変位による力を受けて圧力を検知する感圧部26と、を備え、前記移動体に配置されて前記ピトー管16に発生した圧力を検知する圧力センサー20と、前記移動体の停止時の圧力と運動時の圧力との差分から前記移動体の速度を検出する演算部28と、を有し、前記圧力センサー20は、前記受圧面24aの法線24bが、前記運動方向に対して垂直となるように配置されたことを特徴とする。
【選択図】図1
【解決手段】移動体の運動方向に空気導入孔16aを向けた状態で前記移動体に取り付けられたピトー管16と、圧力により受圧面24aが変位するダイアフラム24と、前記変位による力を受けて圧力を検知する感圧部26と、を備え、前記移動体に配置されて前記ピトー管16に発生した圧力を検知する圧力センサー20と、前記移動体の停止時の圧力と運動時の圧力との差分から前記移動体の速度を検出する演算部28と、を有し、前記圧力センサー20は、前記受圧面24aの法線24bが、前記運動方向に対して垂直となるように配置されたことを特徴とする。
【選択図】図1
Description
本発明は、速度検出器に関し、特にピトー管と圧力センサーにより構成され、素振り用具に取り付けられる速度検出器、及び速度検出器が取り付けられた素振り用具に関する。
ゴルフや野球、テニス等の球技スポーツなどにおいて、ゴルフクラブやバット、ラケット等の素振りや打撃練習は技能向上の上で非常に重要なもので、スポーツ選手や愛好家などは日夜素振り練習を行なっているものである。そして素振りの練習においては、スイングのスピードを客観的に測定することにより打撃技能の向上状況を判断する場合が多い。
図7に第1の従来技術として特許文献1に係る速度測定装置を示す。図7(a)は速度測定装置の使用形態を示す図であり、図7(b)は速度測定装置の詳細図である。特許文献1においては、ピトー管104と、及びピトー管104に発生する圧力を検知するための圧力センサー106と、当該圧力センサー106の信号を演算して振り回し速度を算出するための演算手段116及び演算結果を表示するための表示手段118と、を有し、打撃用具(バット102)に組み込まれた速度測定装置100が開示されている。
特許文献1に係る打撃用具において、打撃用具を振り回した場合、空気と打撃用具との間には相対速度運動が生じ、打撃用具からみれば空気が打撃用具の移動速度と同じ速度で逆方向に流れることになる。この空気の流れを測定することによって打撃用具の振り回し速度を求めようとするものである。そして、特許文献1においては、空気の流れを測定するため、ピトー管104を使用している。打撃用具にピトー管104を取り付けた場合、バット102を振り回すと運動方向に向かって開口しているピトー管104には空気の流れによる圧力が掛かり、圧力センサー106により圧力を検知する。この検知信号から空気の流れを速度に変換することにより、打撃用具の振り回し速度を求めることができる。特許文献1においては、バット102に速度測定装置100が埋め込まれた態様をしており、ピトー管104がバットの運動方向に露出して取り付けられるとともに、ダイアフラム108、112の受圧面の法線を運動方向側に向けた圧力センサー106や圧力補正センサー110、そして圧力センサー106及び圧力補正センサー110の温度補償用の温度を測定する温度センサー114、演算手段116、表示手段118がバット102に埋め込まれている。
図8に第2の従来技術として特許文献に係るヘッドスピード測定装置を示す。図8(a)はヘッドスピード測定装置の使用形態を示す図であり、図8(b)はヘッドスピード測定装置のブロック図である。特許文献2においては、マイクロ波ドップラーセンサー202と、ドップラーセンサー202の出力信号を増幅するアンプ204と、アンプ204によって増幅された信号を基準値と比較し、ドップラーパルスを出力するコンパレータ206と、コンパレータ206から出力された信号を入力してスイング速度を求めるマイクロコントローラ208と、マイクロコントローラ208からの制御によってスイング速度等の表示を行なう表示部210と、マイクロコントローラ208に接続されたスイッチ群212とを備えたヘッドスピード測定装置200であって、ゴルフヘッド216の移動軌跡Kの最下点付近を通過するゴルフヘッド216の速度を測定可能な配置に設置した構成が開示されている。
上記構成によれば、ボールBにインパクトを与えるゴルフクラブ214のゴルフヘッド216が最下点付近を通過する際に光軸Lのパルス光を当て、基準パルスとゴルフヘッド216から反射されドップラー効果により周波数が変動したパルス光との差分によりゴルフヘッド216の速度を測定することになるので、ゴルフヘッド216に対して非接触でスイング速度を測定することが可能である。
図9に第3の従来技術として特許文献3に係るロングパット練習器を示す。図9(a)は全体概要図、図9(b)はロングパット練習器を構成するユニットのブロック図である。特許文献3において、ボールにインパクトを与えるパターヘッド302底面に所定幅の薄板状マグネット304を貼り付け、グリーンの模擬マット306には磁気センサー310と、CPU演算処理回路312、表示回路314、電源回路316等をまとめたユニット308を置き、パターヘッド302のスピードを検出するロングパット練習器300が開示されている。これにより薄板状マグネット304から発生する磁界がパターヘッド302とともに移動し、磁気センサー310上を磁界が通過する時間を用いてパターヘッド302の速度を演算するので、特許文献2と同様に非接触でパターヘッド302の速度を測定することが可能である。
しかし、特許文献1においてはバット102の運動方向の加速度を補正するための圧力補正センサー110と、これを用いた補正処理が必要であり、さらに部品点数が多くなってコストがかかる問題があった。特許文献2、及び特許文献3においては、非接触で測定するため計測方向とゴルフクラブやパターを振り回す方向にズレが生じ、測定される振り回し速度にズレが生じていた。さらに特許文献3においては、パターヘッド302に取り付けられた薄板状マグネット304の磁気センサー310上を通過する際の、プレーヤーの技量に依存する高さ方向のばらつきにより、パターヘッド302の検出速度にばらつきが生じるという問題があった。
そこで本発明は、上記問題点に着目し、簡易な構成でありながら測定のばらつきを抑制した速度検出器、及びこれを搭載した素振り用具を提供することを目的とする。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。
[適用例1]移動体の運動方向に空気導入孔を向けた状態で前記移動体に取り付けられたピトー管と、圧力により受圧面が変位するダイアフラムと、前記変位による力を受けて圧力を検出する感圧部と、を備え、前記移動体に配置されて前記ピトー管に発生した圧力を検出する圧力センサーと、前記移動体の停止時の圧力と運動時の圧力との差分から前記移動体の速度を検出する演算部と、を有し、前記圧力センサーは、前記受圧面の法線が、前記運動方向に対して垂直となるように配置されたことを特徴とする速度検出器。
[適用例1]移動体の運動方向に空気導入孔を向けた状態で前記移動体に取り付けられたピトー管と、圧力により受圧面が変位するダイアフラムと、前記変位による力を受けて圧力を検出する感圧部と、を備え、前記移動体に配置されて前記ピトー管に発生した圧力を検出する圧力センサーと、前記移動体の停止時の圧力と運動時の圧力との差分から前記移動体の速度を検出する演算部と、を有し、前記圧力センサーは、前記受圧面の法線が、前記運動方向に対して垂直となるように配置されたことを特徴とする速度検出器。
上記構成により、一つの圧力センサーで移動体の速度が検出可能であるとともに、ダイアフラムの受圧面の法線を移動体の移動方向に対して垂直に配置したので、移動方向に加速度が発生しても、その加速度により受圧面の変位は発生しないため、圧力センサーが移動方向の加速度を圧力として誤検知することを防止できる。
[適用例2]移動体に取り付けられ開口部を有する容器と、前記移動体の運動方向に空気導入孔を向けた状態で前記開口部に取り付けられて前記容器と一体な内部空間を構成し、前記移動体の運動により前記内部空間の圧力を変化させるピトー管と、圧力により受圧面が変位するダイアフラムと、前記変位による力を受けて圧力を検出する感圧部と、を備え、前記容器内に配置された第1の圧力センサーと、前記内部空間外に配置された第2の圧力センサーと、前記第1の圧力センサーが検出する圧力と、前記第2の圧力センサーが検出する圧力との差分から前記移動体の速度を検出する第2の演算部と、を有し、前記圧力センサーは、前記受圧面の法線が、前記運動方向に対して垂直となるように配置されたことを特徴とする速度検出器。
上記構成により、第1の圧力センサーが測定する圧力(静圧+動圧)と、第2の圧力センサーが測定する圧力(静圧)とを同時に算出して、両者の差分により動圧を算出し、求められた動圧から移動体の速度を算出することになる。したがって、予め静圧を測定することなく移動体の速度を測定することができる。
[適用例3]前記ピトー管は、前記運動方向に向かって直径が細くなるテーパー状に形成したことを特徴とする適用例1または2に記載の速度検出器。
上記構成により、ピトー管外部において、ピトー管による空気の乱流の発生を抑制して、移動体の運動への干渉を抑制することができる。
上記構成により、ピトー管外部において、ピトー管による空気の乱流の発生を抑制して、移動体の運動への干渉を抑制することができる。
[適用例4]前記移動体は、前記運動方向に対して垂直な加速度を受け、前記圧力センサーは、前記受圧面の法線が、前記加速度の方向に対して垂直となるように配置されたことを特徴とする適用例1乃至3のいずれか1例に記載の速度検出器。
移動体の運動方向に対して垂直な加速度を受ける運動としては、例えば円運動がある。よって上記構成により、移動体が円運動を行なった場合に発生する加速度を圧力として誤検知することを防止して、高精度に移動体の速度を測定することができる。
[適用例5]前記移動体は、被測定点で所定時間停止したのち、被測定点を通過するように運動し、前記演算部は、前記被測定点で前記移動体が前記所定時間静止したときに前記圧力センサーが検出する圧力と、前記移動体が運動時に前記圧力センサーが検出する圧力と、の差分から前記移動体の速度を演算することを特徴とする適用例1、3、4のいずれか1例に記載の速度検出器。
上記構成において、圧力センサーは、移動体の静止時は静圧のみを検出するが、移動中は静圧と動圧の和を検出する。また圧力センサーにより測定される圧力は、圧力センサーの高さ位置が変化すると、気圧の変化によりその値が変化する。しかし移動体が同一の高さにいる限り静圧は一致する。よって被測定点において移動体の静止中の圧力と移動中の圧力の差分をとると移動体の動圧の成分を抽出することができ、これにより移動体の速度を算出することができる。例えば被測定点において移動体の速度が最大となる場合には、圧力センサーが検出する圧力のピーク値を検出し、この値と静止時の圧力値との差分を取ることにより移動体の速度を算出することができる。また被測定点にボールが配置されている場合、移動体を実際にボールに衝突させた瞬間に圧力センサーが検知する圧力値が不連続となる。よって不連続となる手前の時刻における圧力値と上述の静止時の圧力値との差分をとることにより、移動体の速度を算出することができる。
[適用例6]適用例1乃至5のいずれか1例に記載の速度検出器を取り付けたことを特徴とする素振り用具。
上記構成により、移動体に掛かる加速度の影響を受けることなく移動体の速度を算出可能な素振り用具となる。
上記構成により、移動体に掛かる加速度の影響を受けることなく移動体の速度を算出可能な素振り用具となる。
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図1、図2に第1実施形態に係る速度検出器と、速度検出器を取り付けた素振り用具を示す。図1(a)は速度検出器を素振り用具であるゴルフクラブに取り付けたときの模式図、図1(b)は速度検出器の内部構成を示す模式図、図1(c)は速度検出器を構成する圧力センサーの断面図、図2(a)は速度検出器を取り付けたゴルフクラブを運動方向から見た模式図、図2(b)は図2(a)の破線部分で囲まれた領域の部分詳細図であるとともに図1(a)のA−A’線断面図である。第1実施形態の速度検出器は、移動体(ゴルフヘッド12d)の運動方向に空気導入孔16aを向けた状態で前記移動体に取り付けられたピトー管16と、圧力により受圧面24aが変位するダイアフラム24と、前記変位による力を受けて圧力を検出する感圧部26と、を備え、前記移動体に配置されて前記ピトー管16に発生した圧力を検出する圧力センサー20と、前記移動体の停止時の圧力と運動時の圧力との差分から前記移動体の速度を検出する演算部28と、を有し、前記圧力センサー20は、前記受圧面24aの法線24bが、前記運動方向に対して垂直となるように配置されたものである。
また、前記移動体(ゴルフヘッド12d)は、前記運動方向に対して垂直な加速度(遠心力)を受ける運動をするとともに、前記圧力センサー20は、前記受圧面24aの法線24bが、前記加速度の方向に対して垂直となるように配置されたものである。
さらに、前記移動体は、最下点で所定時間静止したのち最下点を通過するように振り回す素振り用具(ゴルフクラブ12)の打撃部(ゴルフヘッド12d)を構成し、前記演算部28は、前記最下点で前記移動体が前記所定時間静止したときに前記圧力センサー20が検知する圧力と、前記移動体が運動時に前記圧力センサーが検知する特徴点における圧力との差分から前記移動体の速度を演算するものである。
本実施形態に係る速度検出器10が取り付けられる素振り用具としてはゴルフクラブ12を前提として述べていく。よって本実施形態において、移動体はゴルフクラブ12のボールの打撃部となるゴルフヘッド12dを前提とし、この上部に本実施形態の速度検出器10が取り付けられる。
図1に示すように、第1実施形態に係る速度検出器10は、ゴルフヘッド12dに取り付けられる容器14と、容器14に取り付けられるピトー管16と、容器14内に設置される圧力センサー20を有し、外部にゴルフヘッド12dの速度を算出する演算部28を有している。
ピトー管16は、中空形状で先端が空気導入孔16aとなっている。そして先端の長手方向の反対側の他端が容器14に形成された開口部14aに接続される。よってピトー管16は容器14を介してゴルフヘッド12dに取り付けられる。またピトー管16と容器14との間で一体に内部空間18が形成され、ピトー管の運動により空気導入孔16aに入ってくる空気(相対速度V1)の動圧により、内部空間18の圧力が変化することになる。
いま、ピトー管16の空気導入孔16aに入ってくる空気の相対速度がV1のとき、内部空間の圧力をP1とし、同様に相対速度がV2のとき圧力をP2とし、空気の密度をρとすると、ベルヌーイの定理により以下の関係が成立する。
本実施形態において、ゴルフヘッド12dの速度は、ゴルフヘッド12dが静止時に圧力センサー20が感知する圧力と、ゴルフヘッド12dが運動時に圧力センサー20が感知する圧力を用いて算出する。よって、数式1においてゴルフヘッド12dの運動時の空気の相対速度をV1とし、静止時の空気の相対速度をV2としてこれをゼロとすると、V1は以下のようになる。
ここで、kはピトー管係数であり、取り付け角度や形状に依存する因子である。よって、圧力差P1−P2が動圧となり、これを算出することによりゴルフヘッド12dの速度を算出することができる。
また、本実施形態において、ピトー管16はゴルフヘッド12dの運動方向(スイングする方向)に向かって細くなるテーパー状に形成されている。これによりピトー管16の運動による空気の乱流の発生を防止してゴルフヘッド12dの運動に対する干渉を抑制することができる。
図1(c)に示すように、圧力センサー20は、ハウジング22と、ハウジング22の一部を構成し圧力により受圧面が変位するダイアフラム24と、ハウジング22内に配置されダイアフラム24の受圧面24aの変位による力を受けることにより圧力を検知する感圧部26と、を有しており、ハウジング22内部を真空に気密封止され、真空を基準とした絶対圧を測定するものである。
ダイアフラム24は、その受圧面24aが外部からの圧力によりハウジング22の内側に撓み変形する。またダイアフラム24の内側には一対の支持部24cが配置されている。
感圧部26は、双音叉型またはシングルビーム型の振動腕26aと、振動腕26aの両端に接続した一対の基部26bと、を有し一対の基部26bを結ぶ線の方向を力の検出軸としている。各基部26bはダイアフラム24の内側に形成された支持部24cにそれぞれ固定されて支持されている。また振動腕26aには励振電極(不図示)が形成され、励振電極(不図示)に外部から交流電圧を印加することにより、振動腕26aは所定の共振周波数により振動する。
図1(c)に示すように、ダイアフラム24に圧力Pが印加されると、受圧面24aは圧力Pの大きさに応じてハウジング22の内側に撓み変形するとともに、支持部24c間の距離が圧力Pの大きさに対応して長くなる。よって振動腕26aは圧力Pの大きさに対応した引張応力Fを受けるため、圧力Pの大きさに対応して振動腕26aの共振周波数が高くなる。すなわち、受圧した圧力に応じて振動腕26aに内部応力が生じ、当該内部応力に応じて共振周波数が変化するので、圧力センサー20は圧力を検出し、測定することができる。なお、圧力センサー20の内部は真空を基準としているので、外部がハウジング22内部同様に真空である場合は、ダイアフラム24の受圧面24aで圧力を受けることはないので振動腕26aに内部応力が生じることはない。
ところでダイアフラム24の受圧面24aは圧力のみならず、加速度によっても撓み変形する。本実施形態の速度検出器10の適用対象であるゴルフクラブ12はグリップ12aとシャフト12bとゴルフヘッド12dを直列に接続した形を有し、グリップ12aを中心としてゴルフヘッド12dを振り回す運動を行なうので、ゴルフヘッド12dは運動方向への加速度のみならず、運動方向に対して垂直な加速度(遠心力)を受けることになる。
よって本実施形態においては、ダイアフラム24の受圧面24aの法線24bが上記2つの加速度に対して垂直となるように圧力センサー20を配置する必要がある。ゴルフクラブ12の素振りの際は、ほぼゴルフクラブ12のシャフト12bの長手方向に加速度(遠心力)が掛かることになるため、図2(b)に示すように受圧面24aの法線24bがゴルフヘッド12dの運動方向(振り回す方向、図2において+X方向)とシャフト12bの長手方向12cとに対して垂直になるように圧力センサーを配置する必要がある。
図3にダイアフラム24に掛かる加速度を示す。いまグリップ12a(手を握る位置)を中心Oとし、中心からゴルフヘッド12dに取り付けられた速度検出器10のダイアフラム24の中心位置Aまでの距離rとし、振り回す方向(運動方向)をθ、ダイアフラム24の質量をMとすると、ゴルフヘッド12dの運動方向の加速度はM・r・d2θ/dt2となり、シャフト12bの長手方向12c(r方向)の加速度はM・r・(dθ/dt)2となる。ここで、ゴルフクラブ12の場合、ゴルフヘッド12dが最下点に来たときにゴルフボールに打撃を与えるとともに、最下点においてゴルフヘッド12dの速度が最大となるのが理想である。このときdθ/dtは最大となると同時に極値となるため、d2θ/dt2はゼロになる。よって、θ方向の加速度は最下点では存在しないとも思われる。しかし実際にはプレーヤーの技量により、ゴルフヘッド12dの運動方向(θ方向)の成分は最下点においても現れることになるので、本実施形態のように圧力センサー20を配置することによってθ方向の加速度成分を検知しないようにして、θ方向の速度を算出することができる。
演算部28は、圧力センサー20から出力される発振信号である共振周波数の変化から容器内の圧力の変化を算出し、この圧力の変化からゴルフヘッド12dの速度を算出するものである。特に、最下点でゴルフヘッド12dが所定時間静止したときに圧力センサー20が検知する圧力と、ゴルフヘッド12dが運動時に圧力センサー20が検知する特徴点における圧力との差分からゴルフヘッド12dの速度を演算するものである。ここで特徴点とは、ゴルフクラブ12をスイングしたときに測定される圧力の最大値(最下点で圧力が最大となる場合がほとんど)となる時刻や、ゴルフクラブ12を用いてゴルフボールを打った瞬間に発生する圧力の不連続的な変化が起きた時刻をいう。
演算部28は圧力センサー20の励振電極(不図示)と電気的に接続されていることが必要であるが、配置位置についての制限はない。よって、演算部28は、たとえば励振電極(不図示)に接続するケーブル30をシャフト12bとグリップ12a中に挿通し、演算部28はゴルフクラブ12の外部に配置してケーブル30と接続すればよい。また演算部28は所定時間ごとに共振周波数を測定するとともに、ディスプレイ上にその時間変化をグラフとして表示できるものとする。また演算部28は、測定した発振周波数を、発振周波数を変数とする多項式とその係数により圧力を算出できるようにプログラムが構成されている。そして演算部28は、ゴルフヘッド12dが運動時の発振周波数を変換して得られた圧力(動圧+静圧)と、ゴルフヘッド12dが静止時の発振周波数を変換して得られる圧力(静圧)との差分から動圧を算出し、数式2を用いてゴルフヘッドの速度を算出するようにプログラムが構成されている。なお、容器14内にはケーブル30を介して演算部28と接続された温度センサー(不図示)が配置され、演算部28は入力された温度のデータに基づいて圧力センサー20から入力される発振信号の発振周波数の温度補償を行う構成を有しているものとする。
図4に圧力センサー20の周波数と圧力との関係を示す。図4(a)は圧力と周波数、及び正規化された周波数との関係(測定温度30℃)を示す表、図4(b)は圧力と周波数との関係を示すプロット図、図4(c)は圧力と周波数との関係を示すプロットを多項式を用いてフィッティングした図を示す。圧力センサー20の発振周波数は、上述のように外部からの圧力によって変化する。よって演算部28において発振周波数から圧力を算出する際には予め以下の作業を外部のPC等を用いて行う。まず圧力センサー20の発振周波数を所定の周波数で規格化し、圧力センサー20において想定される圧力範囲で、発振周波数と圧力との関係をプロットする。そして図4(c)に示すように、周波数の変数をxとし、変数xの関数となる圧力の変数をyとし、これらのプロットにフィットする発振周波数の多項式(べき級数)の係数を、連立多元一次方程式を用いて算出し、この係数を演算部28の記憶領域(不図示)に格納する。これにより、演算部28は圧力センサー20の発振信号の発振周波数を測定すると記憶領域(不図示)から係数を読み出し、発振周波数の多項式に係数を代入することにより圧力を算出することができる。
本実施形態において、圧力センサー20は高さ方向の位置が変わることによる気圧の変動により測定圧力に変化が生じる。よってゴルフヘッド12dの最下点における圧力を他の高さ位置で測定することはできない。さらに、ゴルフヘッド12dの最下点における静止時の圧力(静圧)と、ゴルフクラブ12を素振りさせたときのゴルフヘッド12dの最下点における運動時の圧力(動圧+静圧)とを同時に測定することはできない。一方、ゴルフクラブ12の素振りの手順は、まずゴルフヘッド12dの最下点、すなわちゴルフボールを打撃する位置でゴルフヘッド12dを数秒程度静止させ(アドレス操作)、そしてゴルフボールを飛ばす方向(運動方向)とは反対方向にゴルフヘッド12dを振り上げ、ゴルフヘッド12dが最下点を通るように運動方向にスイングする。ここで、アドレス操作を行なっている間は高さ方向の変動は殆どないとみることができるため、最下点での静圧をこのアドレス操作の段階で測定することが可能である。
したがって、演算部28では、プレーヤーがスイングしたのち、発振周波数の最大値となる時刻をゴルフヘッド12dが最下点を通過した時刻とし、発振周波数の最大値から運動時の圧力(動圧+静圧)の最大値を算出し、その時刻より前の時間帯であって数秒程度の一定時間、発振周波数の変動が一定の範囲に収まっている時間帯を抽出し、その時間帯における発振周波数(その時間帯における発振周波数の平均値のほか、最大値でも最小値でもよい)から静止時の圧力を算出して、運動時の圧力の最大値から静止時の圧力を差し引いて動圧を算出し、その動圧からゴルフヘッド12d(速度検出器10)の速度を算出するようにプログラムが構成されている。
さらに、本実施形態においては、ゴルフクラブ12の素振りのみならず、実際にゴルフクラブ12によりゴルフボールを打つ際にも利用できる。この場合、ゴルフヘッド12dをゴルフボールに衝突させた瞬間に圧力センサー20から出力される発振信号の発振周波数は不連続な値を示すので、演算部28において不連続な値となる直前の圧力を抽出して、この圧力と静止時の圧力の差分からスイング時の速度として算出することができる。
図5に演算部28において測定される圧力と移動体(ゴルフヘッド12d)の速度を表すグラフを示す。図5(a)は演算部28において測定される圧力を示すグラフであり、図5(b)は測定された圧力から算出された移動体(ゴルフヘッド12d)の速度を示すグラフである。図5においてはゴルフクラブ12を3回振っている。ゴルフクラブ12の一連の動作として、(1)最下点におけるアドレス操作(初期位置)、(2)振り上げ、(3)振り上げ先で一端停止、(4)最下点を通過するスイング、(5)スイング先で一端停止、(6)再び初期位置に戻るための移動、がある。図5(a)に示すように、(1)のときはゴルフヘッド12d(速度検出器10)が最下点(初期位置)にいるため、一定の周波数とこれに対応する測定圧力を有している。そして(2)、(3)のように振り上げて停止することによりピトー管16の位置が高くなるため測定圧力が低下し、これに対応して発振周波数が低下する。次に(4)のようにスイングすることにより、ピトー管16に空気が入ってくるためピトー管16に動圧が加味され測定圧力及び発振周波数は上昇し、ゴルフヘッド12dが最下点にて最高速度に達したときに測定圧力及び発振周波数はピークとなり、その後ピークを過ぎて両者の値は低下する。そして(5)においてはスイングし切った後なので動圧は存在せず、再びピトー管16は(3)と同様に高い位置に来るので測定圧力は低い状態となり、(6)再び最下点に戻すことで測定圧力は(1)の状態に戻る。以上のように測定圧力が得られるので、最下点にゴルフヘッド12cが静止しているときの圧力を基準圧力とすると、図5(b)に示すようにゴルフヘッド12cの速度を算出することができる。なお、図5(b)においては、数式2の右辺は平方根で括られており、測定圧力(P1)が基準圧力(P2)より低い値であると計算できないので、測定圧力と基準圧力との差分の絶対値を用いて算出している。
第2実施形態に係る速度検出器を図6に示す。第2実施形態に係る速度検出器は、移動体に取り付けられ開口部42aを有する容器42と、前記移動体の運動方向に空気導入孔44aを向けた状態で前記開口部42aに取り付けられて前記容器42と一体な内部空間46を形成し、前記移動体の運動により前記内部空間46の圧力を変化させるピトー管44と、圧力により受圧面が変位するダイアフラムと、前記変位による力を受けて圧力を検知する感圧部と、を備え、前記容器42内に配置された第1の圧力センサー48と、前記内部空間46外に配置された第2の圧力センサー54と、前記第1の圧力センサー48が検出する圧力と、前記第2の圧力センサー54が検出する圧力との差分から前記移動体の速度を検出する第2の演算部(不図示)と、を有し、前記圧力センサー48、54は、前記受圧面の法線が、前記運動方向に対して垂直となるように配置されたものである。
第2実施形態における第1の圧力センサー48、第2の圧力センサー54は第1実施形態の圧力センサー20と同一のものであり、圧力センサー20と同一方向に移動体に取り付けられている。また第1の圧力センサー48は、第1実施形態に係る圧力センサー20と同様に、容器42とピトー管44により形成された内部空間46に配置され、ピトー管44の空気導入孔44aに入ってくる空気の速度に応じた内部空間46内の圧力を検知することができる。一方、第2の圧力センサー54は、容器42の外部にある第2の容器50内に配置され、第2の容器50の開口部50aには静圧測定用の第2のピトー管52が接続されている。第2のピトー管52は第1のピトー管44と一体に形成され、空気導入孔52aを有するが、さらにリーク孔52bが形成されているため、空気導入孔52aに入ってくる空気の速度に関わらず第2の容器50内の圧力は常に静圧と一致する。
したがって第2の演算部(不図示)では、第1の圧力センサー48で測定した発振周波数を変換して得られる圧力(動圧+静圧)と、第2の圧力センサー54で測定した発振周波数を変換して得られる圧力(静圧)との差分をとることにより、動圧を測定することが可能となる。なお、第2の演算部(不図示)においても、測定された発振周波数を圧力に変換する演算を行っているが、第1実施形態の演算部28と同様の演算を行なうので説明を省略する。
以上述べたように本実施形態に係る速度検出器10によれば、第1には、一つの圧力センサー20でゴルフヘッド12dの速度が検出可能であるとともに、ダイアフラム24の受圧面24aの法線24bがゴルフヘッド12dの移動方向に対して垂直に配置したので、移動方向に加速度が発生しても、その加速度により受圧面24aの変位は発生しないため、圧力センサー20が移動方向の加速度を圧力として誤検知することを防止できる。
第2には、第2実施形態の構成を採用することにより、第1の圧力センサー48が測定する圧力(静圧+動圧)と、第2の圧力センサー54が測定する圧力(静圧)とを同時に算出して、両者の差分により動圧を算出し、求められた動圧からゴルフヘッド12dの速度を算出することになる。したがって、予め静圧を測定することなくゴルフヘッド12dの速度を測定することができる。
第3には、ピトー管16、44は、ゴルフヘッド12dの運動方向に向かって直径が細くなるテーパー状に形成したことにより、ピトー管16、44外部において、ピトー管16、44による空気の乱流の発生を抑制して、ゴルフヘッド12dの運動への干渉を抑制することができる。
第4には、ゴルフヘッド12dは、その運動方向に対して垂直な加速度を受ける運動をするとともに、圧力センサー20(48、54)は、受圧面24aの法線24bが、加速度(遠心力)の方向(r方向)に対して垂直となるように配置した。ゴルフヘッド12dの運動方向に対して垂直な加速度を受ける運動としては円運動(スイング)がある。よって上記構成により、ゴルフヘッド12dが円運動を行なった場合に発生する加速度を圧力として誤検知することを防止して、高精度にゴルフヘッド12dの速度を測定することができる。
第5には、第1実施形態で述べたように、演算部28は、ゴルフヘッド12dの運動(スイング)の最下点でゴルフヘッド12dが所定時間静止したときに圧力センサー20が検知する圧力と、ゴルフヘッド12dが運動時(スイング時)に圧力センサー20が検知する特徴点における圧力との差分からゴルフヘッド12dの速度を演算する構成とした。
上記構成において特徴点とは、測定される圧力が最大となる時刻や測定される圧力が不連続となる手前の時刻を言う。圧力センサー20により測定される圧力は、圧力センサー20の高さ位置が変化すると、気圧の変化によりその値が変化する。また上述の運動を行うゴルフヘッド12dにおいては、最下点での速度が最も速くなるため、演算部28においてピーク値として検出することが可能である。また最下点で予め測定したゴルフヘッド12dの静止時の圧力と、ゴルフヘッド12dが最下点を通過したときの運動時(スイング時)の圧力における静圧の成分は原理的に同じ値となる。よって上記構成により、ゴルフヘッド12dが最下点を通過したときの運動時の圧力から、予め最下点で測定された静止時の圧力を差し引くことにより動圧を算出し、その動圧からゴルフヘッド12dの最下点での速度を算出することができる。またゴルフヘッド12dを実際にボールに衝突させた瞬間に圧力センサー20が検知する圧力が不連続となる。よって不連続となる手前の時刻における圧力と上述の静止時の圧力との差分をとることにより、ゴルフヘッド12dの速度を算出することができる。
第6には、上述の速度検出器10をゴルフヘッド12dに取り付けて振り回すことが可能なゴルフクラブ12を構成することにより、ゴルフヘッド12dに掛かる加速度の影響を受けることなくゴルフヘッド12dの速度を算出可能なゴルフクラブ12となる。
なお、いずれの実施形態においても速度検出器10を取り付ける素振り用具、移動体としてゴルフヘッド12dを前提として述べてきたが、これに限定されない。例えばテニスラケットの枠やガットに取り付けたり、野球のバット等に取り付けてもよい。
また、いずれの実施形態においても、感圧部26に圧電振動子を適用し、ダイアフラム24から受ける力による圧電振動子の発振周波数の変化から圧力を検知する圧力センサーを前提に述べてきたがこれに限定されない。すなわちダイアフラム24を用いた圧力センサーであれば、感圧部として上述の周波数変化型のみならず、容量変化型、ピエゾ抵抗変化型等広く適用できることはいうまでもない。
10………速度検出器、12………ゴルフクラブ、12a………グリップ、12b………シャフト、12c………長手方向、12d………ゴルフヘッド、14………容器、14a………開口部、16………ピトー管、16a………空気導入孔、18………内部空間、20………圧力センサー、22………ハウジング、24………ダイアフラム、24a………受圧面、24b………法線、24c………支持部、26………感圧部、26a………振動腕、26b………基部、28………演算部、30………ケーブル、40………速度検出器、42………容器、42a………開口部、44………ピトー管、44a………空気導入孔、46………内部空間、48………第1の圧力センサー、50………第2の容器、50a………開口部、52………第2のピトー管、52a………空気導入孔、52b………リーク孔、54………第2の圧力センサー、100………速度測定装置、102………バット、104………ピトー管、106………圧力センサー、108………ダイアフラム、110………圧力補正センサー、112………ダイアフラム、114………温度センサー、116………演算手段、118………表示手段、200………ヘッドスピード測定装置、202………ドップラーセンサー、204………アンプ、206………コンパレータ、208………マイクロコントローラ、210………表示部、212………スイッチ群、214………ゴルフクラブ、216………ゴルフヘッド、300………ロングパット練習器、302………パターヘッド、304………薄板状マグネット、306………模擬マット、308………ユニット、310………磁気センサー、312………CPU演算処理回路、314………表示回路、316………電源回路、318………ボール。
Claims (6)
- 移動体の運動方向に空気導入孔を向けた状態で前記移動体に取り付けられたピトー管と、
圧力により受圧面が変位するダイアフラムと、前記変位による力を受けて圧力を検出する感圧部と、
を備え、
前記移動体に配置されて前記ピトー管に発生した圧力を検出する圧力センサーと、
前記移動体の停止時の圧力と運動時の圧力との差分から前記移動体の速度を検出する演算部と、を有し、
前記圧力センサーは、
前記受圧面の法線が、前記運動方向に対して垂直となるように配置されたことを特徴とする速度検出器。 - 移動体に取り付けられ開口部を有する容器と、
前記移動体の運動方向に空気導入孔を向けた状態で前記開口部に取り付けられて前記容器と一体な内部空間を構成し、前記移動体の運動により前記内部空間の圧力を変化させるピトー管と、
圧力により受圧面が変位するダイアフラムと、
前記変位による力を受けて圧力を検出する感圧部と、
を備え、
前記容器内に配置された第1の圧力センサーと、
前記内部空間外に配置された第2の圧力センサーと、
前記第1の圧力センサーが検出する圧力と、前記第2の圧力センサーが検出する圧力との差分から前記移動体の速度を検出する第2の演算部と、
を有し、
前記圧力センサーは、
前記受圧面の法線が、前記運動方向に対して垂直となるように配置されたことを特徴とする速度検出器。 - 前記ピトー管は、前記運動方向に向かって直径が細くなるテーパー状に形成したことを特徴とする請求項1または2に記載の速度検出器。
- 前記移動体は、前記運動方向に対して垂直な加速度を受け、
前記圧力センサーは、
前記受圧面の法線が、前記加速度の方向に対して垂直となるように配置されたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の速度検出器。 - 前記移動体は、被測定点で所定時間停止したのち、被測定点を通過するように運動し、
前記演算部は、前記被測定点で前記移動体が前記所定時間静止したときに前記圧力センサーが検出する圧力と、
前記移動体が運動時に前記圧力センサーが検出する圧力と、
の差分から前記移動体の速度を演算することを特徴とする請求項1、3、4のいずれか1項に記載の速度検出器。 - 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の速度検出器を取り付けたことを特徴とする素振り用具。
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