JP4655666B2 - ゴルフクラブヘッド - Google Patents

Description

本発明は、フェースを改良したゴルフクラブヘッドに関する。

ゴルフクラブヘッドは高反発性、耐久性の観点から剛性が低く、疲労強度が高い、密度の小さい材料が望まれており、近年、チタン合金製のゴルフクラブが多用されるようになってきている（特許文献１等）。

ヘッドの剛性はボールのインパクト時の反発力を示すもので、低い方がいわゆる“トランポリン効果”により、大きな飛距離を得ることができて、有利である。疲労強度はインパクト時のフェースの撓みによる繰り返し疲労に耐える強度を有することが必要で、高い方が好ましい。特に、フェースの剛性は板厚の３乗に比例し、薄いほどより大きなトランポリン効果が得られ有利であることから、疲労強度が高い材料により、打球によるフェースの破損がなく、より大きな飛距離をもたらすヘッドが得られる。

一方、ゴルフクラブヘッドに使用される材料の密度は、ゴルフクラブの打ちやすさの観点から、小さい方が有利である。フェース部分が重いとゴルフクラブヘッドの重心がフェース側に移動し、ボールのインパクト時のゴルフクラブヘッドの振れが生じやすく、いわゆるスウィートスポットが狭くなるからである。したがって、ゴルフクラブヘッドの材料としては、密度が小さい材料が好ましい。

ところが、上記のように、近年、より大きな飛距離が得られるゴルフクラブが広く流通するようになり、本来、技量を競うべき競技としてのゴルフが、道具の優劣により結果が左右され、競技としての興味が減退する恐れが生じたため、２００８年からは、ヘッドの反発係数（ＣＯＲ）が０．８３以下に規制されることになった（プロ競技については、前倒し実施済み）。

このような低反発係数を従来と同じ材料を用いて満たそうとする場合には、より板厚の厚いフェースにする必要があり、ヘッドが重くなるとともにヘッド重心の位置がフェース側に移動し、打ちやすさの点から問題になっている。

以上のような背景から、反発係数を抑えつつ、より打ち易いゴルフクラブヘッドが望まれているが、そのようなゴルフクラブヘッドは未だ開発されていない。
特開２００３−３８６９０号公報

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、反発係数を規制値範囲に抑え、かつ打ちやすいゴルフクラブヘッドを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために検討を重ねた結果、以下の知見を得た。
（ａ）反発係数を抑えつつ、打ちやすいゴルフクラブヘッドを実現するためには、材料の剛性を高くすることが有効であること。
（ｂ）材料にヤング率の異方性を形成すれば異方性がない場合に比較して剛性が高くなり、特にヤング率の高い方向をフェースの縦方向とすることにより、より高い剛性が得られること。
（ｃ）（α＋β）型チタン合金で通常採用されるクロス圧延では、ヤング率がほぼ等方的になるが、実質的に一方向圧延を実施することにより、ヤング率に大きな異方性が生じ、圧延方向もしくは主圧延方向に対して垂直な方向が最もヤング率が高くなること。
（ｄ）ヤング率の異方性を形成する観点、および必要な強度を確保する観点から、（α＋β）型チタン合金が有効であること。

本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、以下の（１）〜（３）を提供する。

（１） ボールを打撃するフェースが、ヤング率に異方性のある（α＋β）型チタン合金からなり、前記フェースを構成する（α＋β）型チタン合金のヤング率が最も高い方向をフェースの縦方向とするゴルフクラブヘッドであって、
前記フェースを構成する（α＋β）型チタン合金を圧延方向が実質的に一方向の圧延により得られた圧延板とし、前記フェースを構成する（α＋β）型チタン合金のヤング率が最も高い前記フェースの縦方向が鉛直方向から±１５°の範囲であることを特徴とするゴルフクラブヘッド。
（２） ボールを打撃するフェースが、ヤング率に異方性のある（α＋β）型チタン合金からなり、前記フェースを構成する（α＋β）型チタン合金のヤング率が最も高い方向をフェースの縦方向とするゴルフクラブヘッドであって、
前記フェースを構成する（α＋β）型チタン合金を圧延方向が実質的に一方向の圧延により得られた圧延板とし、前記圧延板の主圧延方向がフェースの横方向になるようにし、フェースの横方向が水平方向から±１５°の範囲であることを特徴とするゴルフクラブヘッド。
（３） （１）または（２）のゴルフクラブヘッドにおいて、前記チタン合金は、質量％で、Ａｌ：３．５〜５．５％、Ｖ：２．５〜３．５％、Ｆｅ：１．５〜２．５％、Ｍｏ：１．５〜２．５％、Ｏ：０．２５％以下、残部Ｔｉおよび不可避不純物からなることを特徴とするゴルフクラブヘッド。

本発明によれば、ボールを打撃するフェースとして、ヤング率に異方性のある材料を用いるので、ヤング率に異方性のない材料と比較して剛性を高めることができ、フェースを厚くせずに反発係数を抑えることができ、低反発係数でありかつ軽量で打ちやすいゴルフクラブヘッドを実現することができる。特に、フェースを構成する材料のヤング率が最も高い方向をフェースの縦方向とすることにより、フェースの剛性を一層高めることができ、ゴルフクラブヘッドをより軽量化することができる。具体的には、ボールを打撃するフェースを、圧延方向が実質的に一方向の圧延、典型的には一方向のみの圧延（一方向圧延）により得られる圧延板により構成し、その主圧延方向がフェースの横方向になるようにすることにより、ヤング率が最も高い方向をフェースの縦方向として、低反発係数でかつ軽量のゴルフクラブヘッドを得ることができる。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るゴルフクラブヘッドを示す斜視図である。このゴルフクラブヘッド（以下、単にヘッドともいう）１は、ボールを打撃するフェース２と、フェース２の上端から延び、上面を構成するクラウン３と、ヘッドの底面をなすソール４と、シャフトを取り付けるためのフォーゼル５とを有している。

フェース２は、金属または合金、典型的にはチタン合金からなっており、ヤング率に異方性を有している。好ましくは、その材料のヤング率が最も高い方向をフェース２の縦方向とする。ここで、縦方向とは、完全に鉛直方向に限らず、鉛直方向から±１５°程度の範囲が許容される。この範囲で他の方向よりもヤング率を大きくすることができる。

このようにヤング率に異方性を持たせることにより、実質的にヤング率が等方的である従来よりもフェース２の剛性率を高くすることができ、反発係数を低下させることができる。

すなわち、従来ヘッド材として多用されている材料である（α＋β）型チタン合金板は、通常、直交する２方向に圧延を行うクロス圧延により製造されるから、これをフェース材として用いる場合には、ヤング率は実質的に等方的となるが、上述のようにヤング率に異方性を持たせることにより、従来よりも剛性率を高くすることができるのである。

このようにヤング率に異方性を持たせるためには、圧延方向が実質的に一方向の圧延、典型的には一方向のみの圧延（一方向圧延）により得られる圧延板を用いることが有効である。そして、その材料のヤング率が最も高い方向をフェース２の縦方向とするためには、そのような圧延板の主圧延方向をフェース２の横方向になるようにする。

フェース２を構成する材料としては、従来最も多用されており典型的なヘッド材料であるチタン合金が好ましいが、チタン合金に限らず、複合材料等の材料の使用も有効である。チタン合金は、スチール等と比較して低密度でありながら強度が高いため、ヘッドの軽量化を図ることができ、しかも疲労強度が高いため耐久性も高い。また、複合材料は通常の金属や合金と比較して密度の割にヤング率が高く、さらに長繊維複合材料はヤング率の異方性が大きいことから、いずれも本発明を具現化するに非常に好ましい。

チタン合金の中では（α＋β）型合金が好ましい。（α＋β）型合金は十分な強度を有しつつ、β型合金に比べヤング率の異方性がつきやすい。

（α＋β）型合金としては、質量％で、Ａｌ：３．５〜５．５％、Ｖ：２．５〜３．５％、Ｆｅ：１．５〜２．５％、Ｍｏ：１．５〜２．５％、Ｏ：０．２５％以下、残部Ｔｉおよび不可避不純物からなるものが好ましい。このような組成のチタン合金は、強度、特に疲労強度が高く、ゴルフクラブのフェース用材料として非常に好ましい。

このチタン合金は、上記組成の合金素材を（β変態点−２５０℃）以上β変態点未満の温度範囲に加熱し、次いで、５０％以上、好ましくは７５％以上の圧下率で熱間鍛造、熱間圧延、熱間押し出し等の熱間加工することにより得ることができる。

次に、上記組成範囲内のチタン合金を用いて、圧延方向とヤング率の関係を実測し、ヤング率の異方性とフェースの剛性との関係を有限要素法解析（ＦＥＭ解析）で確認した結果について説明する。

ここでは、上記組成範囲内のチタン合金を一方向圧延した圧延材を用い、まず、圧延方向（Ｌ方向）、圧延方向と垂直の方向（Ｔ方向）、圧延方向に対して４５°の方向（４５°方向）のヤング率（縦弾性係数）およびポアソン比を実測した。その結果を表１に示す。

ＦＥＭ解析を行うに当たっては、ＦＥＭ解析コードＡＮＳＹＳの要素モデルにある弾性係数直交異方性材料モデルを用い、その特性値として表２に示す値を使用した。また、図２に、この直交異方性材料モデルにおける縦弾性係数の方向（材料取り角度θ）依存性を示す。

ＦＥＭ解析モデルは、ゴルフクラブヘッドの縦（Ｙ）方向４０ｍｍ、横（Ｘ）方向８０ｍｍの大きさのフェースを５角形で近似したものとし、図３に示すＦＥＭ解析メッシュ図を用いた。その中央をボールの打撃点に相当する原点とし、周辺は全ての変位を拘束している。ボールの打撃点（ＸＹ座標原点）においてＺ方向に１ニュートン（Ｎ）の力を作用させて、その点のＺ方向変位δを求めた。剛性は、力（１Ｎ）を変位δで除した値である。

ここでは、従来のクロス圧延と同様のヤング率が等方的な場合（ｃａｓｅ１）、ヤング率の高い方向（圧延方向に対し垂直な方向）をフェース横方向（水平方向）にした場合（ｃａｓｅ２）、ヤング率の高い方向をフェース縦方向（上下方向）にした場合（ｃａｓｅ３）、ヤング率の高い方向を４５°方向にした場合（ｃａｓｅ４）について剛性を求めた。なお、板厚は、３ｍｍとした。また、ｃａｓｅ１のヤング率は１１５ＭＰａとして計算した。その結果を表３に示す。

表３に示すように、ヤング率に異方性のないｃａｓｅ１に比較して、ヤング率に異方性を有するｃａｓｅ２〜４はいずれもｃａｓｅ１よりも高い剛性を示し、ｃａｓｅ１を１とした剛性比ではいずれも１．０５以上となり、特に、ｃａｓｅ３では、剛性比が１．１２となり、ｃａｓｅ１よりも１２％も剛性が上昇することが確認された。フェースの剛性は板厚の３乗に比例するので、同じ剛性、同じ反発係数で比較した場合に、ｃａｓｅ３はｃａｓｅ１よりも板厚を４％程度薄くすることができる。

このように、フェース材料がヤング率に異方性を有する場合、従来の等方的なヤング率を有する場合に比較して剛性を高くすることができ、フェースを厚くすることによる不都合を防止しつつ低反発係数化することが可能となる。

なお、上記説明ではチタン合金を用いた場合について説明したが、本発明は、チタン合金以外の金属もしくは合金、または上述したような複合材料でも適用可能である。

次に、本発明に係るゴルフクラブヘッドの実施例について説明する。

[製造方法]
表４に示す成分組成を有するチタン合金を用いて、チタン合金の板材を調製した。本合金はα＋β型チタン合金である。次いで、加熱温度８３０℃で圧延開始温度８００℃、圧延終了温度６８０℃にて一方向圧延による熱間加工を行い、３ｍｍの板厚を有するフェース用板材を本発明例として調製した。比較例として、加工温度、圧延開始および終了温度等、上記と同じ圧延条件にてクロス圧延を行い熱間加工した板厚３ｍｍのフェース用板材を調製した。

本組成（表４）で、従来のクロス圧延により製造した板を用いた比較例と、一方向圧延でヤング率に異方性をつけ、ヤング率の高い方向をフェースの縦方向にした本発明例について、剛性と反発係数を測定した。

[評価方法]
・剛性
剛性の測定は、歪ゲージ法により以下の方法に従って実施した。
上記の方法で製造した本発明例および比較例のチタン合金板から、長手方向（１０ｃｍ）が圧延方向と平行になるように切り出した６ｃｍ×１０ｃｍの試験材の中央に歪ゲージを貼り付けた上で、同寸法の長方形の枠に固定し、秒速４５ｍ／秒で中央にゴルフボールを撃ちつけ、その際の歪ゲージの出力を測定した。

・反発係数
反発係数は、ＵＳＧＡ（アメリカゴルフ連盟）においてＲｕｌｅ４−１ｅに規定する方法により求めた。上記の方法で製造したチタン合金板（本発明例）から、ヘッドフェースの横（水平）方向が圧延方向と平行になるように配置した本発明例のゴルフクラブヘッドとクロス圧延法により製造した比較例のゴルフクラブヘッドについて反発係数（ＣＯＲ）を測定した。反発係数は、ヘッドで反発した速度（Ｖ_ｏｕｔ）とヘッドがヘッドに入射する速度（Ｖ_ｉｎ）の比である速度比（Ｖ_ｏｕｔ／Ｖ_ｉｎ）を求める以下の（１）式中のｅとして算出することができる。
Ｖ_ｏｕｔ／Ｖ_ｉｎ＝（ｅＭ−ｍ）／（Ｍ＋ｍ） ‥‥‥（１）
ただし、Ｍはクラブヘッドの質量、ｍはボールの平均質量である。

[評価結果]
試験結果を表５に示す。表５から明らかなように、本発明例は比較例と対比して１４％の剛性の向上が確認された。ほぼ、ＦＥＭ解析結果（表２）に対応する結果であり、本発明例が剛性の向上に有効であることが確認された。

また、本発明例のゴルフクラブヘッドの反発係数は０．８２であり、ＵＳＧＡ規格を満足するものであった。これに対し、比較例のゴルフクラブヘッドの反発係数は０．８４であった。この結果から明らかなように、本発明例においては、フェース厚を厚くすることなく、従来よりも反発係数を低くして、規制値である０．８３以下とすることが可能となった。

ゴルフクラブヘッドを示す模式図。 直交異方性材料モデルにおける縦弾性係数の方向（材料取り角度θ）依存性を示す図。 ＦＥＭ解析に用いたメッシュ図。

符号の説明

１；ゴルフクラブヘッド
２；フェース
３；クラウン
４；ソール
５；フォーゼル

Claims (3)

1. ボールを打撃するフェースが、ヤング率に異方性のある（α＋β）型チタン合金からなり、前記フェースを構成する（α＋β）型チタン合金のヤング率が最も高い方向をフェースの縦方向とするゴルフクラブヘッドであって、
   前記フェースを構成する（α＋β）型チタン合金を圧延方向が実質的に一方向の圧延により得られた圧延板とし、前記フェースを構成する（α＋β）型チタン合金のヤング率が最も高い前記フェースの縦方向が鉛直方向から±１５°の範囲であることを特徴とするゴルフクラブヘッド。
2. ボールを打撃するフェースが、ヤング率に異方性のある（α＋β）型チタン合金からなり、前記フェースを構成する（α＋β）型チタン合金のヤング率が最も高い方向をフェースの縦方向とするゴルフクラブヘッドであって、
   前記フェースを構成する（α＋β）型チタン合金を圧延方向が実質的に一方向の圧延により得られた圧延板とし、前記圧延板の主圧延方向がフェースの横方向になるようにし、フェースの横方向が水平方向から±１５°の範囲であることを特徴とするゴルフクラブヘッド。
3. 前記チタン合金は、質量％で、Ａｌ：３．５〜５．５％、Ｖ：２．５〜３．５％、Ｆｅ：１．５〜２．５％、Ｍｏ：１．５〜２．５％、Ｏ：０．２５％以下、残部Ｔｉおよび不可避不純物からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のゴルフクラブヘッド。

Images