センサーユニット及びそれを用いた運動計測システム

【課題】衝撃・振動吸収材の体積や材質だけで解決するのではなく、衝撃や振動を吸収し易い構造を備えたセンサーユニット及びそれを用いた運動計測システムを提供すること。
【解決手段】測定対象物体１に取り付けられるセンサーユニットであって、外側壁３２を含み、外側壁３２が測定対象物体１に固定される第１緩衝部３０と、第１緩衝部３０の外側壁３２の内側に配置され、かつ、第１緩衝部３０よりも軟らかい第２緩衝部４０と、第２緩衝部４０内に保持されるセンサー部２０と、を有する

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサーユニット及びそれを用いた運動計測システム等に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、モーションセンサー等の計測機器を運動器具等の計測対象物に取り付ける際、計測機器と計測対象物との間に衝撃・振動吸収材を配置している。吸収材により、測定対象物から受ける衝撃や振動を減衰して、衝撃や振動の影響を受けずに正確な計測を行っている。
【０００３】
特許文献１では、加速度センサーの外装パッケージの外面に緩衝材を取り付けて、搬送時の落下によって半導体センサーが破損することを防止している。加速度センサーは、緩衝材を介して車体に取り付け可能であることが開示されている。
【０００４】
特許文献２では、加速度センサーの基板を支持する機械的強度の高い第１部材に、コネクター部と並設されて緩衝材が設けられる。コネクターを本体部に接続すると、加速度センサーと本体部との間に緩衝材が介在される。
【０００５】
引用文献３では、加速度センサーのハウジングを衝撃吸収性の高い弾性覆体で被覆している。引用文献４では、加速度センサーと基板との間に緩衝材を介在させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１−３０２１６９号公報
【特許文献２】特開平３−１７００６５号公報
【特許文献３】実開平７−００８７７５号公報
【特許文献４】特開平９−１４５７３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１〜４には、運動器具に加速度センサー等のセンサー部を取り付ける具体的な構造については開示されていない。
【０００８】
図１は、運動器具例えばテニスラケット１のグリップエンド１Ａの取付面１Ｂにセンサー部２を取付けるに際して、特許文献１〜４のように衝撃・振動吸収材３を介在させる比較例を図示している。センサー部２によりテニスラケット１の動きを計測する場合、ボールを打撃した時に発生する衝撃・振動が直接センサー部２に伝達されないようにするために、図１の比較例のように衝撃・振動吸収材３を介在させることができる。
【０００９】
ここで、衝撃・振動吸収材３が打撃時の高い衝撃・振動を吸収するためには、衝撃・振動吸収材３の体積を増やすか、衝撃・振動を吸収し易い材質に変更する必要がある。
【００１０】
しかし、例えば図２に示すように衝撃・振動吸収材３の体積を増やすと、衝撃・振動吸収材３が重くなってラケット１全体を重くし、ラケット１の重量バランスも変化させてしまう。テニスラケット１のグリップを握るのに、図２のように突出した衝撃・振動吸収材３が邪魔になる。
【００１１】
また、衝撃・振動吸収材３の材質を軟らかくして衝撃・振動を吸収し易くすると、図３に示すようにセンサー部２自体が揺らいでしまい、テニスラケット１の正確な動きを計測できなくなる。
【００１２】
本発明の幾つかの態様によれば、衝撃・振動吸収材の体積や材質だけで解決するのではなく、衝撃や振動を吸収し易い構造を備えたセンサーユニット及びそれを用いた運動計測システムを提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（１）本発明の一態様は、測定対象物体に取り付けられるセンサーユニットであって、
外側壁を含み、前記外側壁が前記測定対象物体に固定される第１緩衝部と、
前記第１緩衝部の前記外側壁の内側に配置され、かつ、前記第１緩衝部よりも軟らかい第２緩衝部と、
前記第２緩衝部内に保持されるセンサー部と、
を有するセンサーユニットに関する。
【００１４】
本発明の一態様では、衝撃・振動吸収構造を二重構造とし、外側を硬めの外側壁を備えた第１緩衝部とし、その第１緩衝部の外側壁の内側を軟らかめの第２緩衝部としている。外側を硬めの外側壁を備えた第１緩衝部が、その内側の第２緩衝部を押さえ込むことで、第２緩衝部が変形し易くなって衝撃・振動を抑える。第１緩衝部は、第２緩衝部が吸収し切れなかった衝撃・振動を吸収する。
【００１５】
（２）本発明の一態様では、前記第２緩衝部と前記センサー部との間に介在される緩衝層をさらに有することができる。こうすると、第２緩衝部の衝撃・振動を吸収するための変形は緩衝層にて吸収できるので、センサー部への衝撃・振動の伝達がより少なくなる。
【００１６】
（３）本発明の一態様では、前記緩衝層はエアーギャップとすることができる。第２緩衝部の変形はエアーギャップにて吸収して、センサー部に伝達されることを低減できる。
【００１７】
（４）本発明の一態様では、前記緩衝層は、前記第２緩衝部と前記センサー部との隙間に充填されて固化された充填材にて形成することができる。第２緩衝部の変形は充填材にて吸収して、センサー部に伝達されることを低減できる。しかも、充填材はセンサー部を第２緩衝部と直接接触させずに中空状態で保持できるので、衝撃・振動の伝達を極小にすることができる。
【００１８】
（５）本発明の一態様では、前記センサー部は基板を有し、前記第２緩衝部は、前記基板を境にして２つの緩衝部に分割することができる。こうすると、センサー部を第２緩衝部内に配置させる組み立て性が向上する。
【００１９】
（６）本発明の一態様では、前記第２緩衝部は、前記２つの緩衝部によって前記基板を挟待することができる。こうして、第２緩衝部が基板を挟待することで、第２緩衝部とセンサー部との間にエアーギャップを形成でき、あるいはそのエアーギャップ内を充填材で満たすことができる。
【００２０】
（７）本発明の一態様では、前記第１緩衝部は、前記測定対象物体に固定される面とは反対側の面に対向壁を含み、前記センサー部は、前記緩衝層を形成する充填材を介して前記対向壁に固定することができる。こうすると、第１緩衝部のうち最も変形が少ない対向壁に、緩衝層を形成する充填材を介してセンサー部を固定しているので、センサー部への衝撃・振動の伝達を低減することができる。
【００２１】
（８）前記第１緩衝部の前記外側壁は、厚さ方向にて貫通するスリットを有し、前記第２緩衝部を前記スリット内に入り込んで配置することができる。こうすると、第２緩衝部はスリットからはみ出す方向に変形する自由度が増して、変形し易くなる。よって、第２緩衝部での衝撃・振動吸収量を増大できる。しかも、スリットにより第１，第２緩衝部の接触面積が増え、第１，第２緩衝部間で衝撃・振動が伝達し易くなり、衝撃・振動吸収効率が増大する。
【００２２】
（９）本発明の一態様では、前記第２緩衝部の比重は前記第１緩衝部の比重よりも小さくすることができる。より多く衝撃・振動を吸収する第２緩衝部の体積を増やしても、比重が小さいので重量の増大を抑制できる。しかも、外側壁を備えた第１緩衝部が硬く比重が重いので、センサー部の揺らぎは防止される。
【００２３】
（１０）本発明の他の態様は、上述したセンサーユニットが取り付けられている運動器具を定義している。この運動器具は、例えば打撃時などによって発生する過大な衝撃・振動を第１，第２緩衝部が吸収するので、計測に不要な衝撃・振動を緩和させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】テニスラケットのグリップエンドに衝撃・振動吸収材を介してセンサー部を固定した比較例を示す図である。
【図２】図１に示す比較例にて衝撃・振動吸収材の体積を増やした態様を示す図である。
【図３】図１に示す比較例にて衝撃・振動吸収材の材質を軟らかくした態様を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態のセンサーユニットを示す断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態での衝撃・振動の伝達作用を示す図である。
【図６】図１に示す比較例での玉突き状態の衝撃・振動の伝達作用を示す図である。
【図７】図７（Ａ）〜図７（Ｃ）は衝撃・振動吸収材なしの３軸加速度の計測データを示し、図７（Ａ）はＺ軸成分を、図７（Ｂ）はＹ軸成分を、図７（Ｃ）はＸ軸成分をそれぞれ示している。
【図８】図８（Ａ）〜図８（Ｃ）は図１に示す比較例の３軸加速度の計測データを示し、図８（Ａ）はＺ軸成分を、図８（Ｂ）はＹ軸成分を、図８（Ｃ）はＸ軸成分をそれぞれ示している。
【図９】図９（Ａ）〜図９（Ｃ）は本発明の第１実施形態の３軸加速度の計測データを示し、図９（Ａ）はＺ軸成分を、図９（Ｂ）はＹ軸成分を、図９（Ｃ）はＸ軸成分をそれぞれ示している。
【図１０】本発明の第１実施形態での打撃衝撃時を含む角速度データを示す特性図である。
【図１１】比較例での打撃衝撃時を含む角速度データを示す特性図である。
【図１２】本発明の第２実施形態に係るセンサーユニットの断面図である。
【図１３】本発明の第３実施形態に係るセンサーユニットの断面図である。
【図１４】図１３に示すセンサーユニットの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して具体的に説明する。
【００２６】
１．第１実施形態
図４は、本発明の第１実施形態に係るセンサーユニットを示す断面図である。図４において、このセンサーユニット１０Ａは、センサー部２０と、第１緩衝部３０と、第２緩衝部４０とを有する。
【００２７】
センサー部２０は、基板２２Ａの例えば表裏面に、３軸加速度センサー及び３軸角速度センサーや、その駆動回路及び信号処理回路を搭載することができる。センサー部２０を含む運動計測システムは、センサー部２０の他、センサー部２０からの信号出力に基づいて計測対象物の動きを出力する表示装置や印刷装置などの出力装置を含み、必要によりセンサー部２０からの信号出力を演算して出力結果を得る演算回路などの処理回路を含むことができる。本実施形態では、センサー部２０で計測できる最大加速度は例えば５０Ｇである。
【００２８】
第１緩衝部３０は外側壁３２を有する。第１緩衝部３０はさらに、計測対象物である例えば図１のテニスラケット１の取付面１Ｂと対向する対向壁３４を有することができる。第１緩衝部３０は、組み立て性の便宜から、上蓋３０Ａと下蓋３０Ｂとに分割しても良い。この場合、上蓋３０Ａは外側壁３２Ａと対向壁３４を有し、下蓋３０Ｂは外側壁３２Ｂを有する。第１緩衝部３０は、例えば樹脂にて形成される。第１緩衝部３０の外側壁３２の端面３２Ｃが、テニスラケット１の取付面１Ｂに、両面テープ等により接合されて固定される。
【００２９】
第２緩衝部４０は、第１緩衝部３０の内側に配置される。第２緩衝部４０内にセンサー部２０が保持される。第２緩衝部４０は、第１緩衝部３０よりも軟らかい材質で形成される。第１緩衝部３０が樹脂製であれば、第２緩衝部４０は例えばゴム製とすることができる。第２緩衝部４０の比重は第１緩衝部３０よりも小さい。
【００３０】
本発明の第１実施形態では、衝撃・振動吸収構造を二重構造とし、外側を硬めの外側壁３２を備えた第１緩衝部３０とし、その第１緩衝部３０の外側壁３２の内側を軟らかめの第２緩衝部４０としている。外側を硬めの外側壁３２を備えた第１緩衝部３０が、その内側の第２緩衝部４０を押さえ込むことで、第２緩衝部４０が変形し易くなって衝撃・振動を抑えることができる。第１緩衝部３０は、第２緩衝部４０が吸収し切れなかった衝撃・振動を吸収することができる。
【００３１】
こうして、図１に示すテニスラケット１にてボールをヒットした打撃時などの衝撃・振動は、図５に示すようにセンサーユニット１０Ａの第１，第２緩衝部３０，４０にて吸収され、センサー部２０には伝達されにくい構造となる。
【００３２】
これに対して、図１〜図３に示す比較例では、テニスラケット１の打撃時などの衝撃・振動は、図６に示すように、衝撃・振動吸収材３で吸収されて緩和されるが、衝撃・振動吸収材３で吸収されなかった衝撃・振動の逃げ道の途上にセンサー部２が存在するので、過大な衝撃・振動はいわゆる玉突き状態となってセンサー部２に直接伝達されていた。
【００３３】
図４では、第２緩衝部４０とセンサー部２０との間に介在される緩衝層５０をさらに有することができる。こうすると、第２緩衝部４０の変形は緩衝層５０にて吸収できるので、センサー部２０への衝撃・振動の伝達がより少なくなる。
【００３４】
この緩衝層５０はエアーギャップとすることができる。第２緩衝部４０の変形はエアーギャップ５０にて吸収して、センサー部２０に伝達されることを低減できる。
【００３５】
ここで、図４では、第２緩衝部４０は、組み立て性の便宜から、上蓋４０Ａと下蓋４０Ｂとに分割されている。しかも、第２緩衝部４０は、センサー部２０の基板２２Ａを境にして上蓋４０Ａと下蓋４０Ｂとに分割されている。そして、センサー部２０を第２緩衝部４０内に配置させる組み立て性を向上させている。
【００３６】
特に図４では、第２緩衝部４０は、上蓋４０Ａと下蓋４０Ｂとによって基板２２Ａを挟待している。こうして、第２緩衝部４０が基板２２Ａを挟待することで、第２緩衝部４０とセンサー部２０との間にエアーギャップ５０を形成できる。
【００３７】
図７（Ａ）〜図９（Ｃ）に、衝撃・振動試験結果のデータを示す。図７（Ａ）〜図７（Ｃ）は図１に示すテニスラケット１の取付面１Ｂに取付治具を介してセンサー部２を取り付けて（衝撃・振動吸収材３なし）計測したデータを示す。図８（Ａ）〜図８（Ｃ）は図１に示す比較例の方法により衝撃・振動吸収材３を介してセンサー部２を取り付けて計測したデータである。図９（Ａ）〜図９（Ｃ）が図４に示す本実施形態のセンサーユニット１０Ａを図１に示すテニスラケット１の取付面１Ｂに取り付けて計測したデータである。
【００３８】
図７（Ａ）〜図９（Ｃ）は、同じ高さからテニスラケット１をＺ軸方向に落下させた時に３軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）の加速度を計測したデータである。図７（Ａ）、図８（Ａ）及び図９（Ａ）はそれぞれＺ軸の加速度を示し、図７（Ｂ）、図８（Ｂ）及び図９（Ｂ）はそれぞれＹ軸の加速度を示し、図７（Ｃ）、図８（Ｃ）及び図９（Ｃ）はそれぞれＸ軸の加速度を示す。図７（Ａ）〜図７（Ｃ）と図８（Ａ）〜図８（Ｃ）とを比較すると、図８（Ａ）ではＺ軸方向の強い衝撃を受けている時間が短くなっているのは、図１の衝撃・振動吸収材３を挿入した効果であると認められる。その一方で、図８（Ｂ）（Ｃ）は図７（Ｂ）（Ｃ）よりもＸ，Ｙ軸方向での変化が大きい。これは、図１の衝撃・振動吸収材３を挿入したことで、センサー部２自体の揺らぎが大きくなったからと考えられる。
【００３９】
その点、本実施形態の測定データである図９（Ａ）では、Ｚ軸方向の強い衝撃を受けている時間が図８（Ａ）よりもさらに短く、図９（Ｂ）（Ｃ）に示すようにＸ，Ｙ軸を含めて、衝撃・振動の影響を受けている時間が短縮される等、高い効果が確認できる。
【００４０】
本実施形態のセンサーユニット１０Ａでは、図１に示すテニスラケット１にてボールをヒットした打撃時の衝撃・振動の影響を低減できることも確認できた。図１０は、３軸Ｘ，Ｙ，Ｚ軸周りの角速度のデータを示し、衝撃を受けた時刻Ｔ以降も、その衝撃の影響を受けずに各軸周りの角速度がテニスラケット１の姿勢に追従して計測されている。
【００４１】
一方、図１の比較例では、図１１に示すように、例えばＹ軸周りの角速度が矢印Ａで示す通りに計測されてしまい、本来計測されるべき矢印Ｂのデータを計測することができなかった。
【００４２】
２．第２実施形態
本発明の第２実施形態に係るセンサーユニット１０Ｂを図１２に示す。図１２に示すセンサーユニット１０Ｂが図４に示すセンサーユニット１０Ａと相違する点は、図４のエアーギャップで形成された緩衝層５０を、図１２では充填材６０にて形成している。
【００４３】
充填材６０は、第２緩衝部４０とセンサー部２０との隙間に充填されて固化される。充填材６０として、商品名ＴＳＥ３０５１（株式会社タナック）または商品名１２３０Ｇ（スリーボンド）等のポッティング材を好適に使用することができる。
【００４４】
充填材６０を用いる利点として、図４に示すように第２緩衝部４０の上蓋４０Ａと下蓋４０Ｂにより基板２２Ａは挟待されたが、図１２の基板２２Ｂは挟待される必要はない。充填材６０により第２緩衝部４０内にてセンサー部２０を保持することができるからである。こうすると、センサー部２０は第２緩衝部４０と直接接触しないので、第２緩衝部４０の変形がセンサー部２０に伝達されることがなくなる。これにより、センサー部２０の揺らぎを低減することができる。
【００４５】
なお、図１２に示すセンサー部２０は、緩衝層を形成する充填材６０を介して、第１緩衝部３０の対向壁３４に固定することができる。こうすると、第１緩衝部３０のうち最も変形が少ない対向壁３４に、緩衝層を形成する充填材６０を介してセンサー部２０を固定しているので、センサー部２０の揺らぎを低減することができる。
【００４６】
３．第３実施形態
本発明の第３実施形態では、図１３及び図１４に示すように、第１緩衝部３０の外側壁３２は、厚さ方向にて貫通するスリット３６を有する。第２緩衝部４０は第１緩衝部３０のスリット３６内に入り込んで配置することができる。こうすると、第２緩衝部４０はスリット３６からはみ出す方向に変形する自由度が増して、変形し易くなる。よって、第２緩衝部４０での衝撃・振動吸収量を増大できる。しかも、スリット３６により第１，第２緩衝部３０，４０の接触面積が増える。このため、第１，第２緩衝部３０，４０間、特に内側の第２緩衝部４０から外側の第１緩衝部３０との間で衝撃・振動が伝達し易くなり、衝撃・振動吸収効率が増大する。
【００４７】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、図１３及び図１４に示すスリット３６は、図４及び図１２に示すセンサーユニット１０Ａ，１０Ｂに設けてもよい。また、第１緩衝部３０よりも軟らかい第２緩衝部４０の比重は、一般的に第１緩衝部３０の比重よりも小さくすることができる。こうして、より多く衝撃・振動を吸収する第２緩衝部４０の体積を増やしても、比重が小さいので重量の増大を抑制できる。しかも、外側壁３２を備えた第１緩衝部３０が硬く比重が重いので、センサー部２０の揺らぎは防止される。
【００４８】
また、図４、図１２及び図１３において、第２緩衝部４０は第１緩衝部３０の外側壁３２の端面３２Ｃ（図４参照）と面一でなく、テニスラケット１の取付面１Ｂと直接接触させない構造としても良い。こうすると、テニスラケット１からの衝撃・振動は第１緩衝部３０を経由するか、または取付面１Ｂと第２緩衝部４０との間の第２緩衝層（エアーギャップ）を経由することになるので、第２緩衝部４０にテニスラケット１からの衝撃・振動が直接伝達されない構造とすることができる。
【００４９】
また、本発明のセンサーユニットが装着される計測対象物は、特に打撃に用いるテニスラケットやゴルフクラブ等の運動器具に好適であるが、加速度及び／または角速度計測により動きや姿勢等の計測対象となる他の全ての器具例えば遊戯器具等も広く用いることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃセンサーユニット、２０センサー部、２２Ａ，２２Ｂ基板、３０第１緩衝部、３０Ａ上蓋、３０Ｂ下蓋、３２，３２Ａ，３２Ｂ外側壁、３４対向壁、４０第２緩衝部、４０Ａ上蓋、４０Ｂ下蓋、５０緩衝層（エアーギャップ）、６０緩衝層（充填材）

【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物体に取り付けられるセンサーユニットであって、
外側壁を含み、前記外側壁が前記測定対象物体に固定される第１緩衝部と、
前記第１緩衝部の前記外側壁の内側に配置され、かつ、前記第１緩衝部よりも軟らかい第２緩衝部と、
前記第２緩衝部内に保持されるセンサー部と、
を有することを特徴とするセンサーユニット。
【請求項２】
請求項１において、
前記第２緩衝部と前記センサー部との間に介在される緩衝層をさらに有することを特徴とするセンサーユニット。
【請求項３】
請求項２において、
前記緩衝層はエアーギャップであることを特徴とするセンサーユニット。
【請求項４】
請求項２において、
前記緩衝層は、前記第２緩衝部と前記センサー部との隙間に充填されて固化された充填材にて形成されていることを特徴とするセンサーユニット。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項において、
前記センサー部は基板を有し、
前記第２緩衝部は、前記基板を境にして２つの緩衝部に分割されていることを特徴とするセンサーユニット。
【請求項６】
請求項５において、
前記第２緩衝部は、前記２つの緩衝部によって前記基板を挟待することを特徴とするセンサーユニット。
【請求項７】
請求項４において、
前記第１緩衝部は、前記測定対象物体に固定される面とは反対側の面に対向壁を含み、
前記センサー部は、前記緩衝層を形成する充填材を介して前記対向壁に固定されることを特徴とするセンサーユニット。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一項において、
前記第１緩衝部の前記外側壁は、厚さ方向にて貫通するスリットを有し、
前記第２緩衝部は前記スリット内に入り込んで配置されていることを特徴とするセンサーユニット。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一項において
前記第２緩衝部の比重は前記第１緩衝部の比重よりも小さいことを特徴とするセンサーユニット。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか一項に記載のセンサーユニットが取り付けられていることを特徴とする運動計測システム。

【図１】