JP3856066B2

JP3856066B2 - 弾性体の反発特性評価方法

Info

Publication number: JP3856066B2
Application number: JP28912398A
Authority: JP
Inventors: 誠亘理
Original assignee: NHK Spring Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd
Priority date: 1998-10-12
Filing date: 1998-10-12
Publication date: 2006-12-13
Anticipated expiration: 2018-10-12
Also published as: JP2000121522A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、球技用ボールを打撃手段で打撃したときのボールあるいは打撃手段の反発特性を評価する弾性体の反発特性評価方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、ゴルフボールの飛距離は、ボールの反発特性に大きく左右される。このボールの反発特性を評価する基準として、従来、剛壁に対するボールの反発係数が用いられている。ここでは、クラブヘッドを剛体とみなしてクラブによる打撃を剛壁に対する衝突現象に置き換えて評価を行っている。
【０００３】
一方、クラブヘッドについては、従来、パーシモンや中実なスチール製のものが一般的であったためにその弾性変形特性は特に問題とされず、それを評価する一般的な基準はなかったが、近年、中空金属製のものが普及するようになり、ヘッド性能を評価する上で弾性変形特性が注目されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、上記の剛壁に対するボールの反発係数は、衝突前後のボール速度の比で定義され、これを得るにはボール速度を実測する必要がある。しかし、高速に運動するボールの速度測定は面倒で計測誤差が大きく、しかもボール重量のばらつきを考慮し得ない等の問題がある。さらに、実際にクラブでボールを打撃する場合、上記のような中空金属製のクラブヘッドではその弾性変形特性がボールの飛距離に大きく影響することから、より適切な評価を行うためにはヘッドの特性を含めた総合的な評価基準が必要である。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、計測作業が簡易で済み、かつ適切な評価結果を得ることの可能な弾性体の反発特性評価方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような目的を果たすために、本発明においては、弾性体としてのボールを剛体とみなした打撃手段で打撃したときの反発特性を評価する弾性体の反発特性評価方法において、ボールに径方向の圧縮荷重を加える圧縮試験を行い、この圧縮試験と実際の打撃現象との間のボールの変形状態の相違に基づいて、圧縮試験で得られた負荷時並びに除荷時の荷重・たわみ曲線より求められる吸収エネルギー並びに放出エネルギーをそれぞれ衝突前後の運動エネルギーに換算してボールの反発係数を得るものとした。なお、この反発係数は、ボールを剛壁に衝突させた際の衝突前後の相対速度の比で表されるものである。
【０００７】
また、本発明においては、弾性体としてのボールを弾性を有する打撃手段で打撃したときの反発特性を評価する弾性体の反発特性評価方法において、ボールと打撃手段の打撃面とを当接させて打撃方向の荷重を加える圧縮試験を行い、この圧縮試験と実際の打撃現象との間のボール並びに打撃手段の変形状態の相違に基づいて、圧縮試験で得られた負荷時並びに除荷時の荷重・たわみ曲線より求められる吸収エネルギー並びに放出エネルギーをそれぞれ衝突前後の運動エネルギーに換算してボールと打撃手段との合成反発係数を得るものとした。なお、この合成反発係数は、ボールと打撃手段とが衝突した際の衝突前後の相対速度の比で表されるものである。
【０００８】
これによると、評価対象であるボールや打撃手段を静止させた静的な圧縮荷重試験となるため、簡易に測定可能でかつ計測誤差が小さい。しかも、衝突前後の運動エネルギーからの衝突速度の算出過程でボールや打撃手段の重量が加味されるため、ボールや打撃手段の重量のばらつきを考慮することができる。このため、ボール単独の反発特性並びにボールと打撃手段との総合的な反発特性について簡易で適切な評価を行うことが可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面を参照して本発明の構成を詳細に説明する。
【００１０】
図１は、本発明による弾性体の反発特性評価方法に基づくゴルフボールの圧縮試験の状況を模式的に示している。ここでは、圧縮試験機のステージ１上のボール２に対してロードセル３を介して圧縮荷重が加えられている。この試験により、無負荷状態から予め設定された最大荷重に至るまでの負荷過程、並びに最大荷重から無負荷状態までの除荷過程においてボール２に生じるたわみ量が測定され、図２に示すように、負荷並びに除荷の両過程におけるヒステリシスを示す荷重・たわみ曲線Ｐ_Bが得られる。
【００１１】
この荷重・たわみ曲線Ｐ_Bに基づき以下に詳しく示すように、圧縮試験時の吸収エネルギー並びに放出エネルギーが算出され、ついでこの吸収エネルギー並びに放出エネルギーがボール２の変形状態に応じて衝突前後の運動エネルギーに換算され、剛壁に対するボール２の反発係数を得る。
【００１２】
まず、負荷時並びに除荷時の仕事量がそれぞれ吸収エネルギー並びに放出エネルギーに等しく、この負荷時の吸収エネルギーＥ₁、並びに除荷時の放出エネルギーＥ₂は、図中に斜線を付して示す領域の面積、すなわち負荷時並びに除荷時の各荷重・たわみ曲線の積分値となり、次式により得られる。ここで、ｘはたわみ量を、ｐは荷重を示し、Ｐ（ｘ）は荷重・たわみ曲線の関数である。
【数１】

【００１３】
実際の衝突現象では剛壁に対向したボールの片側にのみたわみが生じるのに対して、図１に示したように圧縮試験ではたわみがボールの両側に均等に生じる。。すなわち、圧縮試験では実際の衝突現象に比較して２倍のたわみが生じることになる。そこで、圧縮試験結果を実際の衝突現象にあてはめるにあたり、荷重に対するたわみ量を半分とみなし、これにより図３に示すように、圧縮試験で得られた測定曲線Ｐ_Bに基づいてたわみを半分とみなした推定曲線Ｐ_B’を得る。
【００１４】
この推定曲線Ｐ_B’とＸ軸との間の面積であらわされる衝突前並びに衝突後の運動エネルギーＥ_a、Ｅ_bがそれぞれ、上記圧縮試験時の吸収エネルギーＥ₁並びに放出エネルギーＥ₂の半分とみなすと、次式が得られる。
【数２】

【００１５】
一方、衝突前並びに衝突後の運動エネルギーＥ_a、Ｅ_bはそれぞれ、衝突速度Ｖ_a、反発速度Ｖ_bにより次式で示される。ここで、Ｍはボール重量、ｇは重力加速度である。
【数３】

この式５・６と上記式３・４より、衝突速度Ｖ_a並びに反発速度Ｖ_bが次式で示される。
【数４】

【００１６】
剛壁に対する弾性体の衝突時の反発係数ｅは、弾性体の衝突速度Ｖ_a、反発速度Ｖ_bより次式で定義される。
【数５】

この式９に上記式７・８を代入すると、次式を得る。
【数６】

これより、上記式１・２により算出された吸収エネルギーＥ₁、並びに放出エネルギーＥ₂から反発係数ｅを算出することができる。
【００１７】
なお、ここでは、式３・４において衝突前並びに衝突後の運動エネルギーＥ_a、Ｅ_bをそれぞれ、上記圧縮試験で得られた測定曲線Ｐ_Bから求められる吸収エネルギーＥ₁、並びに放出エネルギーＥ₂の半分とみなし、それらより反発係数ｅを直接算出する方法を示したが、本発明においては、上記のとおり圧縮試験で得られた測定曲線Ｐ_Bに基づいてたわみを半分とみなして得られた推定曲線Ｐ_B’ から衝突前後の運動エネルギーＥ_a、Ｅ_bを求める、すなわち推定曲線Ｐ_B’とＸ軸との間の面積を上記式１・２と同様な積分計算で求め、これより上記式１０と同様な反発係数ｅと衝突前後の運動エネルギーＥ_a、Ｅ_bとの間の関係式から反発係数ｅを算出すれば良い。また、衝突前後の運動エネルギーＥ_a、Ｅ_bから衝突速度Ｖ_a並びに反発速度Ｖ_bの両方を求めた上で式９から反発係数ｅを得る。
【００１８】
以上は、予め設定された最大荷重値に対するものであり、この最大荷重値の大きさに応じて反発係数は異なる値を示す。一般に、反発係数は衝突速度の増加に反比例して指数関数的に減少することが知られている。そこで、最大荷重の大きさを変えた試験を多数回行い、これにより得られる反発係数から、推定上の衝突速度と反発係数との関係式を作成しておけば、任意の衝突速度に対応した反発係数を簡単に求めることができる。
【００１９】
図４は、本発明による弾性体の反発特性評価方法に基づくゴルフボールとクラブヘッドの圧縮試験の状況を示している。ここでは、圧縮試験機のステージ１上のアダプタ５に支持された打撃手段としてのヘッド４のフェイス面（打撃面）４ａにボール２を当接させた状態でヘッド４並びにゴルフボール２にロードセル３を介して圧縮荷重が加えられている。ヘッド４は、中空のもので、例えばチタンやアルミニウム合金からなる金属製、あるいはＦＲＰコンポジットからなるものである。
【００２０】
アダプタ５は、ボール２並びにヘッド４に対してフェイス面４ａに略直交する打撃方向に圧縮荷重が作用するようにヘッド４を保持するものであり、これにより実際の打撃現象と略同一の負荷状態を実現することができる。ここでは、ヘッド４のフェイス面４ａと相反する側を緊密に受容する凹所５ａが設けられており、荷重が略均一に分散されてヘッド４の部分的な変形が抑制され、これにより実際にヘッド４によりボール２を打撃する場合の衝突現象と同様に、フェイス面４ａの側にのみたわみを生じさせることができる。なお、ヘッド４全体にたわみを生じさせる態様も可能であり、試験目的やヘッド４の構造等に応じて適宜な形態のアダプタが採用される。
【００２１】
他方、ボール２については上記のボール２単独の圧縮試験と同様に、ボール２の両側にたわみが生じる。このため、圧縮試験結果を実際の衝突現象にあてはめるにあたっては、荷重に対するボールのたわみ量のみを半分とみなしてボール２とヘッド４との合成反発係数を算出する。すなわち、上記圧縮試験により、図５に示すように、ボール２とヘッド４とが合成された状態での負荷並びに除荷の各過程における荷重・たわみ曲線Ｐ_BHが得られるが、この荷重・たわみ曲線Ｐ_BHに対してボール２のたわみ量についての補正を行う。
【００２２】
これにはまず、上記ボール２単独の場合と同様にして、ボール２単独の測定曲線Ｐ_Bを求め、このボール２単独の測定曲線Ｐ_Bに基づき、たわみを半分とみなしたボール２単独の推定曲線Ｐ_B’を得る。そして、上記圧縮試験により得られたボール２とヘッド４との合成の測定曲線Ｐ_BHからボール２単独の推定曲線Ｐ_B’を差し引く。これにより、ボール２とヘッド４との合成の推定曲線Ｐ_BH’が得られ、この合成の推定曲線Ｐ_BH’に基づいてボール２とヘッド４との合成反発係数を算出する。なお、ここで得られるボール２とヘッド４との合成の推定曲線Ｐ_BH’は、ボール２単独の推定曲線Ｐ_B’とヘッド４単独の測定曲線Ｐ_Hとを合成したものに等しくなる。
【００２３】
ところで、上記のとおり反発係数は衝突速度に左右されるため、反発係数による評価を行うにあたっては衝突速度を特定することになる。このとき、上記式５・６に示した衝突前後の運動エネルギーと衝突速度並びに反発速度との関係式においてボール重量が加味されることになり、ここでボール重量のばらつきを考慮することができる。またボールとヘッドとの合成反発係数による評価においても上記ボール単独の評価と同様にしてボールとヘッドとの両方の重量が加味されることになり、そこでボールやヘッドの重量のばらつきが考慮される。
【００２４】
以上、ゴルフで使用されるボール並びにその打撃手段としてのクラブヘッドについて説明を行ったが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、硬式野球ボールやソフトボールでも良く、その他軟式野球ボールやテニスボールといった比較的変形の大きなものにも適用可能である。また、野球用の打撃手段として金属バットを挙げることができる。さらに、テニスラケット等も適切な圧縮試験装置を用いて荷重・たわみ曲線を得ることにより評価可能である。また、圧縮試験機による計測作業の制御回路とその出力に基づいて所要の数値を算出するための演算回路とを接続したシステムを組み立てることで評価を容易に行うことができる。
【００２５】
なお、本実施形態においては、圧縮試験での吸収エネルギー並びに放出エネルギーを衝突前後の運動エネルギーに換算するにあたり、圧縮試験と実際の衝突現象との間のボールの変形状態の相違に基づいて衝突前後の運動エネルギーをそれぞれ吸収エネルギー並びに放出エネルギーの半分とみなす、すなわち係数０．５を乗じる換算を行ったが、この換算する際の係数は０．５に限定されるものではなく、圧縮試験と実際の衝突現象との間の変形状態の相違に基づいて適宜設定される。
【００２６】
【実施例】
実際にゴルフボールに対して圧縮試験を行い上記の手順で反発係数を算出した。ここでは、重量４５．５５ｇのツーピースボールに対して最大荷重を１５００ｋｇとして圧縮試験を行った。これによると、負荷時の吸収エネルギーＥ₁が６．８４９４ｋｇｆ・ｍ、除荷時の放出エネルギーＥ₂が４．３６６９ｋｇｆ・ｍとなり、推定衝突速度Ｖ_aは３８．３８７９ｍ／ｓｅｃ、推定反発速度Ｖ_bは３０．６５１７ｍ／ｓｅｃ、反発係数ｅは０．７９８５であった。これと同一構造のボールについて衝突前後の速度を実測する従来の方法により得られた反発係数が、衝突速度が３８ｍ／ｓｅｃのときに平均で０．７９５４となっており、本発明に基づく方法により適切な評価が可能であることが実証された。
【００２７】
【発明の効果】
このように本発明によれば、静的な荷重による圧縮試験で得られる負荷時並びに除荷時の荷重・たわみ曲線に基づいて反発特性の評価を行うため、簡易に測定可能でかつ計測誤差が小さく、しかもボールや打撃手段の重量のばらつきを考慮することができ、反発特性について簡易で適切な評価を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づくゴルフボールの圧縮試験状況を示す模式図。
【図２】図１に示した圧縮試験で得られる負荷並びに除荷の各過程における荷重・たわみ曲線を示す線図。
【図３】実際の打撃時の想定される荷重・たわみ曲線を示す線図。
【図４】本発明に基づくゴルフボール並びにクラブヘッドの圧縮試験状況を示す模式図。
【図５】図１に示した圧縮試験で得られる負荷並びに除荷の各過程における荷重・たわみ曲線、並びに実際の打撃時の想定される荷重・たわみ曲線を示す線図。
【符号の説明】
１圧縮試験機のステージ
２ゴルフボール
３ロードセル
４クラブのヘッド
５アダプタ

Claims

弾性体としてのボールを剛体とみなした打撃手段で打撃したときの反発特性を評価する弾性体の反発特性評価方法であって、
ボールに径方向荷重を加える圧縮試験を行い、該圧縮試験と実際の打撃現象との間のボールの変形状態の相違に基づいて、前記圧縮試験で得られた負荷時並びに除荷時の荷重・たわみ曲線より求められる吸収エネルギー並びに放出エネルギーをそれぞれ衝突前後の運動エネルギーに換算して前記ボールの反発係数を得ることを特徴とする弾性体の反発特性評価方法。
弾性体としてのボールを弾性を有する打撃手段で打撃したときの反発特性を評価する弾性体の反発特性評価方法であって、
前記ボールと前記打撃手段の打撃面とを当接させて打撃方向に荷重を加える圧縮試験を行い、該圧縮試験と実際の打撃現象との間のボール並びに前記打撃手段の変形状態の相違に基づいて、前記圧縮試験で得られた負荷時並びに除荷時の荷重・たわみ曲線より求められる吸収エネルギー並びに放出エネルギーをそれぞれ衝突前後の運動エネルギーに換算して前記ボールと前記打撃手段との合成反発係数を得ることを特徴とする弾性体の反発特性評価方法。