JP5363714B2 - ゴルフクラブ用シャフトのシミュレーション方法。 - Google Patents

Description

本発明は、コンピュータを用いたゴルフクラブ用シャフトのシミュレーション方法に関し、さらに詳述すると、ゴルフクラブ用シャフトのスイング時における挙動を解析するためのシミュレーション方法に関する。

従来、ゴルフクラブ用シャフトのスイング時における挙動を調べる場合、シャフトに複数個の歪みゲージを取り付け、これらの歪みゲージによってシャフトの歪み量などを計測することが行われている（例えば、特許文献１、２参照）。

しかし、特許文献１、２の方法では、シャフトに取り付けた複数個の歪みゲージにそれぞれリード線を接続するので、ゴルフクラブが重くなり、ゴルファーがゴルフクラブをスイングするのが難しい。そのため、ゴルファーが同じスイングをすることが難しく、同じスイングを反復してシャフトの歪み量などを計測することが困難であった。

一方、ゴルフスイングシミュレーション方法として、特許文献３に記載されたものが提案されている。この方法は、ゴルフクラブの実物を用いてゴルファーのスイング挙動を計測し、上記ゴルファーのスイング時の上記ゴルフクラブのグリップの座標の時刻歴データ、グリップの傾斜角の時刻歴データ、シャフトの幾何学的中心軸であるシャフト軸周りにおけるグリップの回転角の時刻歴データを得て、３つの上記時刻歴データを基に、ゴルフクラブモデルにスイングの動きを与え、ゴルフクラブモデルの捻転を考慮して、シミュレーションによりゴルフクラブモデルの挙動を解析するものである（請求項１）。

しかし、特許文献３の方法は、シャフト材料の特性や、シャフトの体積、径といった多くのデータをコンピューターに入力するので、シミュレーションに時間を要するものであった。

特開２００３−２０５０５３号公報 特開２００３−２８４８０２号公報 特開２００２−３３１０６０号公報

本発明は、前述した事情に鑑みてなされたもので、少ないパラメータをコンピュータに入力して、簡単に精度良くシミュレーション計算を行うことができるゴルフクラブ用シャフトのシミュレーション方法を提供することを目的とする。

本発明は、前記目的を達成するため、コンピュータを用いたゴルフクラブ用シャフトのスイングのシミュレーション方法であって、シャフトの基端から先端までの間を長さ方向に沿って連続的に複数のモデル領域に分割し、前記複数のモデル領域の接合部分にそれぞれヤング率、剪断弾性率および断面２次モーメントの値を入力し、前記シャフトを所定のスイングパターンでスイングさせたときのシャフトの挙動を解析するゴルフクラブ用シャフトのシミュレーション方法であって、下記５種類のシャフトでシミュレーションを行うことを特徴とするゴルフクラブ用シャフトのシミュレーション方法を提供する。
ＳＴＤ：基準シャフト
ＴｉｐＤｏｗｎ：先端側のヤング率が低いシャフト
ＴｉｐＵｐ：先端側のヤング率が高いシャフト
ＢｕｔｔＤｏｗｎ：手元側のヤング率が低いシャフト
ＢｕｔｔＵｐ：手元側のヤング率が高いシャフト

本発明では、コンピュータに入力するパラメータとして、シャフトの曲げ剛性、ねじり剛性と関連するヤング率、剪断弾性率および断面２次モーメントを選択したので、少ないパラメータをコンピュータに入力して、簡単に精度良くシミュレーションを行うことができる。また、コンピュータに入力するパラメータが少ないので、簡単にパラメータを変更して、シャフトの挙動の変化を即座に確認することができ、素早くゴルフクラブの設計に役立たせることができる。

以下、本発明につきさらに詳しく説明する。本発明では、シャフトの基端から先端までの間を長さ方向に沿って連続的に複数のモデル領域に分割し、前記複数のモデル領域の接合部分にそれぞれヤング率、剪断弾性率および断面２次モーメントの値を入力する。この場合、シャフトの基端から先端までの間を５〜２０個のモデル領域に分割することが適当である。また、シャフトの基端から長さ５〜２０ｃｍの領域をグリップ部を想定した第１モデル領域とし、第１モデル領域の先端とシャフトの先端との間を同じ長さの複数のモデル領域に分割することができる。

本発明においては、複数のモデル領域にそれぞれヤング率、剪断弾性率および断面２次モーメントの値を入力する。ヤング率、剪断弾性率および断面２次モーメントの値は、下記のようにして求めることができる。

［ヤング率、断面２次モーメント］
ＥＩ値は、曲げ剛性の指標値となるものであり、３点曲げ試験を行って、ＥＩ値を求めることができる。このＥＩ値から、ヤング率（Ｅ）と断面２次モーメント（Ｉ）を求めることができる。具体的には、一定間隔（Ｌ）離れた一対の支持具でシャフトを水平に支持し、両支持点（支持具）の中心位置に垂直に荷重（Ｐ）を加え、その中心位置でのシャフトの歪み量（σ）を求める。
ＥＩ＝（Ｌ^３／４８）・（Ｐ／σ）（ｋｇ・ｍｍ^２×１０^６）
Ｌ：両支持具間の距離（ｍｍ） …３００ｍｍ
Ｐ：シャフトに垂直に加えた荷重（Ｋｇ） …２０ｋｇ
σ：荷重を加えたときの歪み量（ｍｍ）
断面２次モーメント（Ｉ）は、シャフト断面から、計算式で求めることができる。
Ｉ＝π×（ｄ^４−ｄ１^４）／６４
ｄ：シャフトの外径
ｄ１：シャフトの内径
上記結果よりヤング率（Ｅ）を求めることができる。
Ｅ＝（Ｌ^３／４８）・（Ｐ／σ）／Ｉ
［剪断弾性率］
まず、剪断弾性率を求めるためにトルクを各部分で求める。つまり、シャフトのある箇所を回転しないように固定し、その固定箇所より先端方向または手元方向に一定方向離れた箇所に一定の回転力を加え、その回転力を加えた箇所が回転した角度を測定する。本発明では、シャフトの固定位置をチャックで固定し、１００ｍｍ離れた箇所に回転力（１ｆｔ・ｌｂｔ：１３８．２５ｋｇｆ・ｍｍ：１．３５Ｎ・ｍ）を加え、回転した角度を測定する。
Ｔ＝Ｇ・Ｉｐ（ｘ）・ｄθ／ｄｘ
Ｔ：トルク（ねじりモーメント）
Ｇ：剪断弾性率
Ｉｐ（ｘ）：断面２次極モーメント
ｄθ／ｄｘ：単位あたりの回転角度
断面２次極モーメントは、シャフト断面から、計算式で求めることができる。
Ｉｐ（ｘ）＝π×（ｄ^４−ｄ１^４）／３２
ｄ：シャフトの外径
ｄ１：シャフトの内径
よって、剪断弾性率は、以下の式で求めることができる。
Ｇ＝Ｔ／（Ｉｐ（ｘ）・ｄθ／ｄｘ）

本発明においては、クラブヘッドの重量、重心距離および重心深さをシミュレーションの入力要素に加えることができ、これにより実際のクラブでスイングした時にシャフトにかかる負荷を再現することができる。また、クラブヘッドの特性に合わせたシャフト設計を行うためのシミュレーションを行うことができる。

本発明においては、クラブヘッドの重量、重心距離、重心深さおよび重心高さをシミュレーションの入力要素に加えることにより、後述するインパクト時のダイナミックロフトやフェースアングルを出力することができ、これによってインパクト時のヘッドの状態を推測することができる。

本発明では、シャフトの機械的要素（曲げ剛性、ねじり剛性）を長さ方向の各モデル領域にそれぞれ設定することで、コンピューター上で、スイング中のシャフトのしなりやねじりなどを調べ、それぞれのスイングパターンの違いによって、どのようにシャフトのしなりやねじりが変化するかが分かる。また、シャフトに取り付けるヘッドのデータを加えることで、インパクト時の情報などを得ることができる。このシミュレーション方法によって、ヘッドの大きさなどから、各部分のシャフトデータを与えることで、最適値に近づけ、短期間にシャフトの設計を行うことが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明するが、本発明は下記例に限定されるものではない。図１に示すように、コンピュータ内において、シャフト１０の基端から先端までの間を長さ方向に沿って連続的に複数（本例では１０個）のモデル領域１２に分割するとともに、シャフト１０の先端にクラブヘッド１４を取り付けた。そして、入力パラメータとして、シャフトの重量、ヤング率、断面２次モーメントおよび剪断弾性率、ならびにクラブヘッドの重量、重心距離および重心深さを入力した。この場合、弾性体としてのパラメータであるシャフトのヤング率、断面２次モーメントおよび剪断弾性率は、各モデル領域１２同士の接合部分１６に入力し、これによりシャフト１０を弾性体として表現した。本例では、シャフト１０として下記５種類のシャフトを作製した。
ＳＴＤ：基準シャフト
ＴｉｐＤｏｗｎ：先端側のヤング率が低いシャフト
ＴｉｐＵｐ：先端側のヤング率が高いシャフト
ＢｕｔｔＤｏｗｎ：手元側のヤング率が低いシャフト
ＢｕｔｔＵｐ：手元側のヤング率が高いシャフト

また、図２に示す４種類のスイングパターンをコンピュータに入力した。「加速：大」は、インパクト直前におけるヘッド角速度の加速が大きいスイングパターン、「加速：小」は、インパクト直前におけるヘッド角速度の加速が小さいスイングパターン、「減速：大」は、インパクト直前におけるヘッド角速度の減速が大きいスイングパターン、「減速：小」は、インパクト直前におけるヘッド角速度の減速が小さいスイングパターンである。

この場合、図３に示すように、上腕部に相当する第１リンク２０、下腕部に相当する第２リンク２２、シャフト部２４およびヘッド部２６を連結し、かつ、第１リンク２０の上端部に全体の回転運動を行う第１回転モーション２８、第１リンクと第２リンクとの接続部に手首のコックを再現する第２回転モーション３０を配した２リンクモデル３２をコンピュータ内で構築し、第１回転モーション２８および第２回転モーション３０による回転速度を調整することにより前記４種類のスイングパターンを構成した。

前記５種類のシャフトを前記４種類のスイングパターンでスイングさせたときのシャフトの挙動を解析した。この場合、シャフト１０は、水平面に対して５０°傾けてスイングさせた。また、シャフトの手元部分の角速度を一定とし、シャフトを撓まないものと仮定したときのシャフト先端部分のヘッドスピードを４５ｍ／ｓとした。出力パラメータとして、シャフトの先端と手元の速度差、ダイナミックロフトおよびフェースアングルを出力した。

シャフトの先端と手元の速度差の解析結果を図４に示す。シャフトの先端と手元の速度差は、シャフト手元の速度が同じ場合に予測されるシャフト先端の速度を表し、シャフトに同じ運動量の入力がなされた場合に、シャフトの特性により得られるヘッドスピードアップあるいはダウンの量を表すものである。図４では、基準シャフト（ＳＴＤ）の速度差の値を１として表示している。図４より、インパクト直前に加速度が大きいスイングパターン（加速：大）を除き、ほとんどのスイングパターンで、先端側および手元側の剛性値が低いほうが、手元側に比べ先端側の速度が速く、ヘッドスピードアップが期待できると言える。特に、先端剛性を下げることによる効果は大きい傾向にある。

ダイナミックロフトの解析結果を図５に示す。ダイナミックロフトは、インパクトの瞬間のロフト（水平面を基準とした）であり、ボールの打出角、つまりボールの上がりやすさを表すものである。図５では、ＳＴＤのダイナミックロフトを０°（基準）とし、ＳＴＤのダイナミックロフトとの差を表示している。なお、図５では、表示上、ＳＴＤのダイナミックロフトを０°としているが、実際にはＳＴＤのダイナミックロフトもゼロ以外の特定の数値を有する。図５より、先端剛性が低いほうがダイナミックロフトが大きいという傾向は、スイングモードに因らず一定であり、手元剛性については、スイングモードによって傾向が変化することがわかる。

フェースアングルの解析結果を図６に示す。ここでのフェースアングルは、インパクトの瞬間のフェースアングルであり、ボールのつかまり易さを表すものである。図６では、ＳＴＤのフェースアングルを０°（基準）とし、ＳＴＤのフェースアングルとの差を表示している。図６より、インパクト時に減速するスイングパターンの場合、先端剛性が低いと、フェース面が大きくクローズ（左に向く）することがわかる。

以上の結果より、出力パラメータの中には、スイングパターンとシャフト剛性分布との関係によって傾向が変化しないものと、傾向が変化するものとがあり、したがって本発明のシミュレーション方法により、シャフトの部分による曲げ剛性、ねじり剛性の持つ意味を明確にすることができ、目標とする特性を持つシャフト設計や、スイングパターンに応じたシャフトの設計が可能となり、本発明のシミュレーション方法がゴルフクラブの設計に役立つことがわかる。

シャフトを複数のモデル領域に分割した状態を示す説明図である。 各種スイングパターンにおけるヘッド角速度の経時変化を示すグラフである。 各種スイングパターンを構成するための２リンクモデルを示す説明図である。 本発明によるシャフトの先端と手元の速度差の解析結果を示すグラフである。 本発明によるダイナミックロフトの解析結果を示すグラフである。 本発明によるフェースアングルの解析結果を示すグラフである。

符号の説明

１０ シャフト
１２ モデル領域
１４ クラブヘッド
１６ 接合部分

Claims (6)

1. コンピュータを用いたゴルフクラブ用シャフトのスイングのシミュレーション方法であって、シャフトの基端から先端までの間を長さ方向に沿って連続的に複数のモデル領域に分割し、前記複数のモデル領域の接合部分にそれぞれヤング率、剪断弾性率および断面２次モーメントの値を入力し、前記シャフトを所定のスイングパターンでスイングさせたときのシャフトの挙動を解析するゴルフクラブ用シャフトのシミュレーション方法であって、下記５種類のシャフトでシミュレーションを行うことを特徴とするゴルフクラブ用シャフトのシミュレーション方法。
   ＳＴＤ：基準シャフト
   ＴｉｐＤｏｗｎ：先端側のヤング率が低いシャフト
   ＴｉｐＵｐ：先端側のヤング率が高いシャフト
   ＢｕｔｔＤｏｗｎ：手元側のヤング率が低いシャフト
   ＢｕｔｔＵｐ：手元側のヤング率が高いシャフト
2. 下記４種類のスイングパターンでシミュレーションを行うことを特徴とする請求項１に記載のゴルフクラブ用シャフトのシミュレーション方法。
   「加速：大」（インパクト直前におけるヘッド角速度の加速が大きいスイングパターン）
   「加速：小」（インパクト直前におけるヘッド角速度の加速が小さいスイングパターン）
   「減速：大」（インパクト直前におけるヘッド角速度の減速が大きいスイングパターン）
   「減速：小」（インパクト直前におけるヘッド角速度の減速が小さいスイングパターン）
3. シャフトの基端から先端までの間を５〜２０個のモデル領域に分割することを特徴とする請求項１または２に記載のゴルフクラブ用シャフトのシミュレーション方法。
4. シャフトの基端から長さ５〜２０ｃｍの領域を第１モデル領域とし、第１モデル領域の先端とシャフトの先端との間を同じ長さの複数のモデル領域に分割することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のゴルフクラブ用シャフトのシミュレーション方法。
5. クラブヘッドの重量、重心距離および重心深さをシミュレーションの入力要素に加えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のゴルフクラブ用シャフトのシミュレーション方法。
6. 出力パラメータとして、シャフトの先端と手元の速度差、ダイナミックロフトおよびフェースアングルを出力することを特徴とする請求項５に記載のゴルフクラブ用シャフトのシミュレーション方法。

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