JP7203537B2 - センサボール及びセンサモジュール - Google Patents

Description

本発明は、ボールの挙動情報を抽出することのできるセンサボール及びセンサモジュールに関するものである。

従来、ボールの内部に各種のセンサを搭載することにより、投球されたボールの挙動情報を抽出することのできるセンサボール及びセンサモジュールが知られている。例えば、特許文献１には、３軸のジャイロセンサと３軸の加速度計とを野球用ボールの内部に搭載し、センサより得られる角速度情報、及び加速度情報に基づいて、ボールの回転方向、回転速度、及び球速を算出する野球用ボールが開示されている。

特開２００８－７３２０９号公報

しかしながら、従来のセンサボールは、センサや通信装置などの電子機器に対する耐衝撃性能が十分に考慮されていない。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、実際の球の取扱い(例えば、捕球動作時等)において、負荷される外力に対する十分な耐衝撃性能を得ることのできるセンサボール及びセンサモジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明によるセンサボールは、ボールの挙動情報を検出する電子ユニットを、針入度が６０以上７０以下のシリコーンゲルよりなる充填材により、赤道面に沿って上半球と下半球とに２分割された中空の球体構造であって前記上半球の極部分に前記充填材を注入するための孔部が設けられた中空カプセルの内部に保持し、前記中空カプセルの外側を、少なくとも１層のカバー層で被覆したことを特徴としている。またボールの挙動情報を検出する電子ユニットを、ショアＡ硬度が５０以上７５以下のシリコーンゴムよりなる充填材により、赤道面に沿って上半球と下半球とに２分割された中空の球体構造であって前記上半球の極部分に前記充填材を注入するための孔部が設けられた中空カプセルの内部に保持し、前記中空カプセルの外側を、少なくとも１層のカバー層で被覆した、ことを特徴としている。これにより、電子ユニットに加わる衝撃を十分に抑えることができる。

中空カプセルをポリカーボネートにより形成することによっても、電子ユニットに対する耐衝撃性能を高めることができる。

また、中空カプセルの外側に、毛糸を巻回してなる第１カバー層を備え、前記第１カバー層の外側に、綿糸を巻回してなる第２カバー層を備え、前記第２カバー層の外側に、２枚の牛革を互いに逢着してなる第３カバー層を備えることにより、センサボールの使用感を硬式用野球ボールのものと同じにすることができる。

本発明によれば、繰り返し行われる実際の捕球動作においても十分な耐衝撃性能を得ることのできるセンサボール及びセンサモジュールを実現することが可能になる。

本発明に係るセンサボールの模式的断面図である。 本発明に係るセンサモジュールの正面図である。 本発明に係るセンサモジュールの断面図である。 本発明に係る電子ユニットの概略ブロック図である。

（実施の形態１）
以下、本実施の形態１に係るセンサボール及びセンサモジュールについて説明する。本実施の形態１によるセンサボールは、硬式野球用のボールを想定したものである。
図１は、本実施の形態１によるセンサボール１００の断面模式図である。図１において、センサボール１００は、計測センサや通信装置などの電子部品をパッケージングしたセンサモジュール１０と、センサモジュール１０の外側を覆う第１カバー層２０と、第１カバー層２０の外側を覆う第２カバー層３０と、第２カバー層３０を覆う第３カバー層４０とより構成される。

本実施の形態１によるセンサボール１００は、使用感を硬式用野球ボール（以下、「実ボール」という。）に近づけるために、センサモジュール１０以外の構造を、実ボールと同じ構成としている。具体的には、センサモジュール１０の外側を毛糸で球状に巻回して第１カバー層２０を形成し、第１カバー層２０の外側を綿糸で球状に巻回して第２カバー層３０を形成している。また２枚のひょうたん型の牛革を互いに逢着して第３カバー層４０を形成している。なお、カバー層の構成は上記のものに限らない。例えば、毛糸層よりなる第１カバー層の上から第３カバー層４０である牛革を直接被覆してもよい。また牛革の替わりに合成皮革を用いてもよい。

次に、センサモジュール１０の構成を、図２ないし図４を用いて説明する。
図２は、センサモジュール１０の正面図であり、図３はセンサモジュールを経線に沿って切断した断面図である。図４は、後述する電子ユニット１２の概略ブロック図である。なお、図２、及び図３において、電子ユニット１２は、便宜上、模式的な形状で表している。

図２、及び図３において、センサモジュール１０は、センサや通信装置などの電子部品を搭載した電子ユニット１２を、中空カプセル１１の略中心部分に、充填材１３により保持する構造をなす。

中空カプセル１１は、赤道面に沿って上半球と下半球とに２分割できる中空の球体構造である。例えば、硬式野球用ボールの場合には、中空カプセル１１のサイズは、直径２５ｍｍ～３５ｍｍとするのが好ましく、これにより、センサモジュール１０の総質量を、コルクとゴムとにより構成される実ボールのコアの質量に近づけ易くなる。中空カプセル１１の上半球の極部分には、充填材１３を注入するための直径５ｍｍ程度の孔部１１ａが設けられている。中空カプセル１１は、ポリスチレンやポリカーボネートなどの樹脂で成型するのが好ましく、耐衝撃吸収性の観点より、ポリカーボネートで成型するのがより好ましい。

電子ユニット１２は、図４に示すように、センサボール１００の挙動を検出する各種のセンサを搭載するセンシングユニット１４と、電子ユニット１２の各部に電力を供給する充電ユニット１５と、外部機器との通信を担う通信ユニット１６と、各種のデータ処理や通信ユニット１６の制御などを実行する演算ユニット１７と、を備えている。

センシングユニット１４には、所望の計測項目に応じたセンサが搭載される。例えば、３軸ジャイロセンサ、及び３軸加速度センサを搭載することで、センサボール１００の回転数、回転方向、及び球速を検出することができる。また、３軸等の磁気センサにより、センサボール１００の回転軸の向き、回転数や回転方向を検出するようにしてもよい。

充電ユニット１５は、非接触充電方式を採用するのが好ましく、二次電池、受電制御ＩＣ、受電用コイル、及びリニアレギュレーターにより、非接触型の充電ユニット１５を構成することができる。受電用コイルは、電子ユニット１２の周囲に配置され、受電用コイルと電子ユニット１２とを、粘着テープや接着剤で複数個所固定することで、充電ユニット１５の耐衝撃性を向上させることができる。通信ユニット１６は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）や無線ＬＡＮなどの無線通信が可能な通信インターフェースと、通信アンテナとにより構成され、ユーザーが使用するＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）やスマートフォンなどの外部機器との間でデータ通信を行う。

演算ユニット１７は主に、情報処理を実行するＣＰＵと、プログラムを格納するメモリとにより構成される。演算ユニット１７による処理は、公知の方法により実行することができる。例えば、センサボール１００の挙動検出方法については、先に述べた特許文献１や、特開２０１７－０９０４３３に記載されている方法により実行することが可能である。

再び図３を参照して、充填材１３は、電子ユニット１２を中空カプセル１１内に保持するとともに、電子ユニット１２に加わる衝撃を吸収するものである。充填材１３は、衝撃吸収能力の観点より、ゲルあるいはゴムを用いるのが好適である。ゲルを用いる場合は、シリコーンゲルやウレタン系ゲルを使用するのが好ましい。ゴムを用いる場合は、シリコーンゴムを使用するのが好ましい。

後述するように、本発明者が検討した結果、ゲルを使用する場合は、針入度が６５前後のシリコーンゲルを使用することで、繰り返しの衝撃に耐え得る良好な耐衝撃性を得ることができる。ゴムを使用する場合は、ショアＡ硬度が５０～７５のシリコーンゴムを使用するのが好ましく、より好ましくはショアＡ硬度が７０程度のシリコーンゴムを使用することで、良好な耐衝撃性を得ることができる。

充填材１３の硬度は、センサボール１００の状態で測定する場合は、次のように測定することができる。まず、センサボール１００を２分割する。そして、中空カプセル１１と充填材１３との界面から約５ｍｍ内側のポイントにおいて硬度を測定する。測定にあたっては、計測値のバラツキを考慮して、少なくとも４箇所以上でなるべく等間隔に離して計測しその平均値とするのが望ましい。なお、測定機器としては、例えばシリコーンゲルを使用する場合は、アスカーＣタイプ（高分子計器株式会社製）を用いることができ、シリコーンゴムの場合はアスカーＡタイプ（高分子計器株式会社製）を用いることができる。

次に、以上のように構成されるセンサモジュール１０とセンサボール１００の製造方法を説明する。
まず、中空カプセル１１の下半球内部に充填材１３を注入し、電子ユニット１２を充填材１３の上に載置する。ここで注入する充填材１３の量は、載置した電子ユニット１２が中空カプセル１１の略中心に位置する程度とする。電子ユニット１２を載置した後に中空カプセル１１の上半球と下半球とを嵌め合わせ、充填材１３を中空カプセル１１の孔部１１ａより注入して、中空カプセル１１の内部を充填材１１で完全に充填させる。その後、充填材１３に応じた所定の条件下で充填材１３を硬化させてセンサモジュール１０を作成する。

次に、センサモジュール１０の外側に毛糸を巻回して第１カバー層２０を形成し、続けて、第１カバー層２０の上より綿糸を巻回して第２カバー層３０を形成する。ここで、第１カバー層２０を形成する際には、センサモジュール１０の表面に、例えば両面テープのような粘着性材量を適量付着させることで、第１カバー層２０を巻回しやすくなる。そして、第２カバー層３０の上から２枚の牛革を互いに逢着して第３カバー層４０を形成し、本実施の形態１に係るセンサボール１００を得ることができる。

次に、本発明の効果について説明する。
本実施の形態１によるセンサボール１００及びセンサモジュール１０は、電子ユニット１２に対する耐衝撃性を確保するために、ゲル又はゴムよりなる充填材１３を中空カプセル１１の内部に充填させ、充填材１３により電子ユニット１２を中空カプセル１１の内部に保持させたことを特徴としている。本発明者は、実捕球時にボールが受ける衝撃特性を模擬的に再現できる環境を構築し、実施例に係るセンサボールを用いて繰り返し衝突試験を行うことにより、良好な耐衝撃性を得ることのできる最適な充填材１３を見出した。繰り返し衝突試験の条件は以下の通りに設定した。

まず、人による実際の捕球時にボールに加わる衝撃力を推定した。具体的には、ピッチングマシン（ミズノ社製）から時速１２０ｋｍで実ボールを発射し、これを１８．４４メートル離れた位置で野球経験者にキャッチャーミットで捕球してもらった。キャッチャーミットの捕球面には、高圧用感圧紙（富士フィルム社製）を貼付しておき、圧力画像解析システムを用いて捕球面にかかる最大圧力（Ｍｐａ）を求めた。かかる捕球動作を５回行い、最大圧力（Ｍｐａ）の平均値を、実捕球時にボールに加わる衝撃力として推定した。計測の結果、最大圧力（Ｍｐａ）の平均値は６９．８Ｍｐａとなり、これより、球速１２０ｋｍ／ｈのときにボールにかかる最大圧力を７０．０Ｍｐａと推定した。

次に、７０．０Ｍｐａの衝撃力を、ピッチングマシン（ミズノ社製）と捕球器とを用いて発生させることのできる条件を特定した。具体的には、捕球器とピッチングマシンの距離を３ｍに設定し、実ボールをピッチングマシンより捕球器に向けて発射して、捕球面にかかる最大圧力が７０．０Ｍｐａとなるピッチングマシンの設定条件を求めた。捕球器は、９５ｍｍの鉄板の前面に１０ｍｍの人体硬度板（株式会社ジャスティ製）を固定し、人体硬度板の前面に高圧用感圧紙を貼付したキャッチャーミットを配置したものを使用した。

球速を４０ｋｍ／ｈ相当より上げながら最大圧力を計測していった結果、ピッチングマシンの設定が７０ｋｍ／ｈ相当のときに最大圧力が７２．２Ｍｐａとなり、先に特定した実捕球時の推定衝撃力である７０．０Ｍｐａに近い値となった。これより、球速７０ｋｍ／ｈで、ピッチングマシンから３ｍ離れた捕球器にボールを発射する試験条件を、人による球速１２０ｋｍ／ｈ時の実捕球を模擬した低速用条件とした。

次に、高速時の実捕球を模擬した高速用条件を以下のように特定した。まず、野球経験者に、８０ｋｍ／ｈ、９０ｋｍ／ｈ、１００ｋｍ／ｈ、１１０ｋｍ／ｈ、及び１２５ｋｍ／ｈの各スピードで実ボールを投球してもらい、１８．４４メートル離れた位置で野球経験者にキャッチャーミットで捕球してもらった。キャッチャーミットの捕球面には、高圧用感圧紙（富士フィルム社製）を貼付しておき、圧力画像解析システムを用いて捕球面にかかる最大圧力（Ｍｐａ）を、それぞれのスピードについて求めた。

そして、各スピードにおける衝撃値をプロットして球速と衝撃値との関係を示す近似直線を求め、当該近似直線を用いて１６０ｋｍ／ｈの衝撃値を予測した。その結果、球速１６０ｋｍ／ｈの時の衝撃値を９２．６Ｍｐａと推定した。

次に、９２．６Ｍｐａの衝撃値を、ピッチングマシン（ミズノ社製）と捕球器とを用いて発生させることのできる条件を、以下のように特定した。まず、立設させた矩形状の枠体の上辺から、厚み１．８５ｍｍの牛革を三枚重ねて暖簾状に垂れ下げたものを、高速用条件の捕球器として用意した。最外側の革の表面には高圧用感圧紙（富士フィルム社製）を貼付している。次に、捕球器とピッチングマシン（ミズノ社製）の距離を２ｍに設定し、実ボールを、ピッチングマシンより１００ｋｍ／ｈ相当、１２０ｋｍ／ｈ相当、１４０ｋｍ相当、及び１５０ｋｍ／ｈ相当で捕球器の革部に向けて発射した。そして、各球速において得られた衝撃値をプロットすることで、球速と衝撃値との関係を示す近似直線を求め、当該近似直線を用いて９２．６Ｍｐａとなるピッチングマシンの設定条件を求めた。

この結果、ピッチングマシンの設定が１５３ｋｍ／ｈ相当のときに最大圧力が９２．６Ｍｐａとなることが分かり、球速１５３ｋｍ／ｈで、ピッチングマシンから２ｍ離れた捕球器にボールを発射する試験条件を人による球速１６０ｋｍ／ｈ時の実捕球を模擬した高速用条件とした。

次に、充填材１３の材料をそれぞれ異ならせた実施例１～７に係るセンサボールを作成し、上記の低速用条件、及び高速用条件のもと３０００球の繰り返し衝突試験を行い動作不良の有無を検証した。動作不良の検証は、５０球毎に、充電システムの動作確認、センサボールとスマートフォンとのペアリングの可否、すなわち、スマートフォンがセンサボールを認識し通信の接続が行えているかどうかの確認、及びスマートフォンでのデータ取得の可否について行った。

また、参考例として、実施例とは充填剤１３の材料を異ならせたセンサボールを作成し、上記の低速用条件のうち、人体硬度板を使用せずセンサボールを鉄板に直接衝突させて繰り返し衝突試験を行った。

実施例１～７、及び参考例１～２に係るセンサボールは、ボール質量、及びボール直径共に、実ボールと略同じになるように作成した。中空カプセル１１は、実施例１～７、及び参考例１～２のいずれもポリカーボネート（ＰＣ）で厚さ２ｍｍ、直径３０ｍｍの中空状に成型したものを使用した。

充填材１３は、実施例１～３では、針入度６５のシリコーンゲルを使用し、実施例４では針入度５５のシリコーンゲルを使用し、実施例５では針入度７５のシリコーンゲルを使用した。実施例６では、ショアＡ硬度７０のシリコーンゴムを使用し、実施例７では、ショアＡ硬度２０のシリコーンゴムを使用した。一方、参考例１では、ショアＡ硬度７６のウレタンゴムを使用し、参考例２では、ショアＡ硬度３０のウレタンゴムを使用した。

受電コイルと電子ユニット１２の接合方法は、実施例３、実施例７、及び参考例１～２では、接着剤を用いて受電コイルと電子ユニット１２とを略均等な間隔で４か所固定している。一方、実施例１～２、及び実施例４～６では、粘着テープで略均等な間隔で４か所固定している。

実捕球の模擬条件は、実施例１、及び実施例６～７は低速用条件で行い、実施例２～５は高速用条件で行った。参考例１～２では、上述のように低速用条件において人体硬度板を使用せずに繰り返し衝突試験を行った。

なお、実施例１～７、及び参考例１～２の電子ユニット１２はいずれも、３軸ジャイロセンサ、３軸磁気センサ、及び３軸加速度センサをセンシングユニット１４に搭載したものを使用し、球速、回転数、回転軸、及び軌道を検出するようにした。充電ユニット１５は非接触充電方式により構築し、通信ユニット１６はＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）により、ユーザーのスマートフォンとの間で必要なデータ通信を行っている。

表１に、本発明の実施例、及び参考例のそれぞれに係るセンサボールの構成と、繰り返し衝突試験の結果を示す。

表１の試験結果を参照して、実施例１～３は、３０００球の衝突試験の後でも、充電、ペアリング、及びデータ取得のいずれも正常に動作した。また、実施例４、及び実施例５は、高速用条件のもとペアリング、及びデータ取得は正常に動作し、充電についても５００球までは可能であった。また、実施例２、実施例４、及び実施例５の充電結果より、使用するシリコーンゲルの針入度は６０～７０が好ましいことが分かる。さらに、実施例３は充電が４０００球まで可能であったのに対して、実施例２は３３００球で充電ができなくなり、この結果より、受電コイルと電子ユニット１２の固定方法は接着剤によるのが好ましいことが分かる。また実施例６は、２４５０球で充電、ペアリング、及びデータ取得ができなくなったが、実使用に十分な回数の繰り返し衝突試験に耐え得ることが分かる。また、実施例７は、充電、ペアリング、及びデータ取得が３５０球まで可能であったが、第３カバー層４０として牛革を使用した場合の第３カバー層４０の耐汚性や耐傷性を考慮すると、実施例７は実捕球を行うボールとしての実用性は十分に得られている。

一方、ウレタンゴムを使用した参考例１は、ペアリングは３０００球後も正常に動作したが、充電とデータ取得は１００球でできなくなった。また参考例１よりも硬度の低いウレタンゴムを使用した参考例２は、５０球で充電、ペアリング、及びデータ取得ができなくなった。

以上より、本発明によれば、複数回の実捕球を想定した使用環境においても、センサモジュールの動作を十分に確保することができることが分かる。

なお、本実施の形態１では、本発明のセンサボール及びセンサモジュールを硬式野球用のボールに適用した例について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、センサモジュール１０の外側に少なくとも１のカバー層を備え、センサボール全体として中実構造をとるものであれば、例えばソフトボールやゴルフボール、あるいはボーリングの球など、他のボールにも適用することができる。この場合、センサボールの使用感が、想定する実ボールと同じになるよう、カバー層の材料選択や層構造の設計を行うのが好ましい。特に、センサボールの大きさや質量の他に、ボール表面の接触感などが実ボールのものに近づくよう、カバー層の設計を行うのが好ましい。

１０ センサモジュール、１１ 中空カプセル、１１ａ 孔部、１２ 電子ユニット、１３ 充填材、１４ センシングユニット、１５ 充電ユニット、１６ 通信ユニット、１７ 演算ユニット、２０ 第１カバー層、３０ 第２カバー層、４０ 第３カバー層

Claims (7)

1. ボールの挙動情報を検出する電子ユニットを、針入度が６０以上７０以下のシリコーンゲルよりなる充填材により、赤道面に沿って上半球と下半球とに２分割された中空の球体構造であって前記上半球の極部分に前記充填材を注入するための孔部が設けられた中空カプセルの内部に保持し、
   前記中空カプセルの外側を、少なくとも１層のカバー層で被覆した、ことを特徴とするセンサボール。
2. ボールの挙動情報を検出する電子ユニットを、ショアＡ硬度が５０以上７５以下のシリコーンゴムよりなる充填材により、赤道面に沿って上半球と下半球とに２分割された中空の球体構造であって前記上半球の極部分に前記充填材を注入するための孔部が設けられた中空カプセルの内部に保持し、
   前記中空カプセルの外側を、少なくとも１層のカバー層で被覆した、ことを特徴とするセンサボール。
3. 請求項１又は請求項２の何れかに記載のセンサボールにおいて、
   前記中空カプセルが、ポリカーボネートにより形成されている、ことを特徴とするセンサボール。
4. 請求項１又は請求項２の何れかに記載のセンサボールにおいて、
   前記中空カプセルの外側に、毛糸を巻回してなる第１カバー層を備え、
   前記第１カバー層の外側に、綿糸を巻回してなる第２カバー層を備え、
   前記第２カバー層の外側に、２枚の牛革を互いに逢着してなる第３カバー層を備える、ことを特徴とするセンサボール。
5. センサボールの中心部分に配置され、外力からボールの挙動情報を検出する電子ユニットを保護する構造を有するセンサモジュールであって、
   前記電子ユニットを、針入度が６０以上７０以下のシリコーンゲルよりなる充填材により、赤道面に沿って上半球と下半球とに２分割された中空の球体構造であって前記上半球の極部分に前記充填材を注入するための孔部が設けられた中空カプセルの内部に保持したことを特徴とするセンサモジュール。
6. センサボールの中心部分に配置され、外力からボールの挙動情報を検出する電子ユニットを保護する構造を有するセンサモジュールであって、
   前記電子ユニットを、ショアＡ硬度が５０以上７５以下のシリコーンゴムよりなる充填材により、赤道面に沿って上半球と下半球とに２分割された中空の球体構造であって前記上半球の極部分に前記充填材を注入するための孔部が設けられた中空カプセルの内部に保持した、ことを特徴とするセンサモジュール。
7. 請求項５又は請求項６の何れかに記載のセンサモジュールにおいて、
   前記中空カプセルが、ポリカーボネートにより形成されている、ことを特徴とするセンサモジュール。

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