KR101293402B1 - 골프 클럽 임팩트의 탄성 테일러링을 위한 장치와 방법 - Google Patents

골프 클럽 임팩트의 탄성 테일러링을 위한 장치와 방법 Download PDF

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Abstract

클럽 헤드와 골프공 사이의 임팩트를 효과적으로 제어하기 위한 장치와 방법이 기술된다. 골프 클럽 헤드(드라이버, 아이언 또는 퍼터와 같은)는 기계적으로 지지되는 페이스와 바디를 가지며, 상기 페이스와 바디는 임팩트 시에 효과적인 모션과 변형을 생성하도록 탄성적으로 테일러링 된다. 테일러된 클럽 헤드 컴플라이언스는 임팩트 특성들에 영향을 끼치며 클럽의 페이스와 골프공 사이에 임팩트 시의 속도, 방향 및 스핀율과 같은 골프공 파라미터들에 기인함을 보여준다. 몇몇 실시예들은 임팩트 로딩 하에서 바디와 페이스의 탄성적 및 동력학적 응답성의 디자인을 통해 골프공 스핀을 제어하기 위하여 기술된다.

Description

골프 클럽 임팩트의 탄성 테일러링을 위한 장치와 방법{METHOD AND APPARATUS FOR ELASTIC TAILORING OF GOLF CLUB IMPACT}
본 발명은 개선된 스포츠 도구 디자인 분야, 특히 퍼터, 드라이버 또는 아이언을 위한 골프 클럽 헤드 시스템의 분야에 관한 것이며, 상기 시스템은 수직 및 접선방향 임팩트 컴플라이언스(impact compliance)를 탄성적으로 테일러링 함으로써 골프공과 클럽 헤드 사이의 임팩트로부터 야기된 스핀을 제어하도록 디자인된다.
상기 명세서는 2004년 12월 22일에 출원된 특허 출원 번호 제 60/638,834호로부터 우선권 주장된다.
본 발명은 특히 골프공의 스핀을 증가시키거나 또는 감소시키기 위한 탄성적 테일러링과 구조적인 디자인 기술의 제공을 통해 골프 클럽(예컨대, 드라이버, 퍼터 또는 아이언)의 거리와 정확성을 향상시키기 위함이다. 골퍼가 구현할 수 있는 거리 및 정확성은 측정가능한 임팩트에 대해 그동안 많이 향상되어 왔다. 헤드 형태 및 체적, 중량 분배 및 관성 텐서(inertia tensor)의 결과적인 요소 및 중량 분 배, 페이스 두께 및 두께 프로파일, 페이스 곡률 및 CG 위치와 같은 일반적인 패시브 성능(passive performance)의 향상은 골프 클럽을 위한 물리적 및 재료적 파라미터를 최적으로 일정하게 선택하는 것에 관한 것이다.
골프공과 헤드 사이의 임팩트는 공간에서의 병진 운동과 회전 운동의 자유도 즉, 6 완전자유도(DOF)의 바디를 가진 2개의 탄성/변형 바디 사이의 임팩트로 모델링화 될 수 있으며, 이들 각각은 임팩트 시에 변형가능하고 완전히 집중된 질량(fully populated mass)과 관성 텐서를 가진다. 상기 경우에 있어서 일반적인 초기 조건은 정지된 골프공과 임팩트 시 실질적인 편심 지점(eccentric point) 또는 클럽 헤드의 페이스를 실질적으로 이격되어 타격하도록 하는 헤드의 빠른 속도이다. 고하중에서의 임팩트는 클럽 헤드와 골프공 사이의 접촉 표면에 수직방향과 접선방향으로 가해진다. 상기 하중들은 속도와 방향을 결정하도록 시간에 대해 적분되며, 페이스를 떠나고 나서는 골프공의 속도 벡터와 스핀 벡터(이 후 임팩트 합성 성분(impact resultant)으로 칭함)를 형성한다. 상기 인터페이스 하중들은 2개의 바디의 탄성(elasticity), 기계적 특성들과 분산 특성(dissipation property), 표면 마찰 계수, 바디 질량 및 관성 텐서를 포함한 다수의 특성들에 의해 측정된다.
본 발명은, 임팩트 합성 성분들이 임팩트 하중 하에서 클럽 헤드의 탄성적/동력학적 응답성으로부터 이득을 볼 수 있도록 페이스의 인서트(insert) 또는 특히 페이스와 헤드 바디 사이의 부착(attachment)과 같은 헤드의 탄성 구조적 파라미터의 디자인에 대한 것이다. 예를 들어, 페이스의 편향 및 동력학적 응답성은 임팩트로부터 야기되는 골프공 스핀을 최대화 또는 최소화시키도록 구조적 디자인이 선택될 수 있다. 헤드와 골프공의 임팩트 및 그에 따른 골프공의 운동에 영향을 끼치는 골프 클럽 헤드의 탄성 테일러링의 영역에서 다수의 작업(work)들이 수행되어 왔다.
1985년 2월 12일 Bulla씨에 허여된(issued) 미국 특허 번호 제 4,498,672호는 골프 클럽의 플렉처(flexure) 주기가 골프공의 변형(distortion) 주기와 일치하기 위해 수직 방향에서 클럽의 탄성 응답성이 튜닝되도록 디자인된 클럽 헤드를 공개한다. 이의 목적은 반발 계수(coefficient of restitution)을 증가시킴으로써 골프공 비행 거리를 증가시키는 데 있다.
1994년 4월 5일 Hutin씨에 허여된 미국 특허 번호 제 5,299,807호는 임팩트 성능과 감각(feel)을 향상시키기 위해 클럽 헤드와 페이스 사이에 낀 얇은 점탄성 시트(thin visco-elastic sheet)를 이용하여 디자인된 클럽 헤드를 공개한다. 스핀에 대한 어떠한 언급도 없으나, 상기 특허는 탄성적으로 지지된 페이스를 기술한다.
1994년 5월 31일 Hutin씨에 허여된 미국 특허 번호 제 5,316,298호는 노이즈(noise)를 테일러링 하기 위하여 바디 또는 페이스 상에 장착된 제한된 층 점탄성 댐핑 트리트먼트(constrained layer visco-eleastic damping treatment)로서 디자인된 클럽 헤드를 공개한다.
1996년 4월 9일 Mack씨에 허여된 미국 특허 번호 제 5,505,453호는 아마도 본 발명에 가장 가까운 내용이며, 지지부가 플레이어가 골프공의 속도와 수직 응답성을 최대로 하도록 튜닝될 수 있는 탄성적으로 지지된 임팩트 플레이트를 위한 몇몇(2) 디자인을 공개한다. 이는 실질적으로 임팩트 후 골프공 속도를 최대로 하기 위하여 수직 방향에서 최적화된 지지 강성(optimal support stiffness)을 결정하도록 단지 수직 임팩트에 대해 개선된 수치해석적 모델(1차원)을 이용한다. 상기 특허는 드라이버, 아이언 및 퍼터들에 각각 제공된 2개의 디자인을 도시한다. 스핀에 대한 어떠한 언급도 없으나 상기 특허는 탄성적으로 지지된 페이스를 공개한다.
1997년 10월 7일 Fisher씨에 허여된 미국 특허 번호 제 5,674,132호는 원하는 리바운드 팩터(rebound factor) 및/또는 감각/강성(feel/hardness)을 가지도록 디자인된 탄성적으로 테일러된 페이스 인서트를 포함하여 고안된 클럽 헤드를 공개한다. 스핀에 대한 어떠한 언급도 없으나 상기 특허는 탄성적으로 테일러된 페이스를 공개한다.
1997년 12월 16일 Aizawar씨에 허여된 미국 특허 번호 제 5,697,855호는 원하는 댐핑 팩터(damping factor)를 가지도록 디자인된 탄성적으로 지지된 페이스 인서트를 포함하여 고안된 클럽 헤드(아이언 및 드라이버)를 공개한다. 스핀에 대한 어떠한 언급도 없으나 상기 특허는 탄성적으로 지지된 페이스 인서트를 공개한다.
1998년 9월 15일 Krumme씨 등에게 허여된 미국 특허 번호 제 5,807,190호와 2001년 8월 21일 Krumme씨 등에게 허여된 미국 특허 번호 제 6,277,033호는 원하는 페이스 효과("sweet spot" 등등)를 제공하도록 선택적으로 배열되고 탄성적 특성들을 위해 각각 선택된 다수의 픽셀(pixel)들을 포함하는 탄성적으로 테일러된 페이스를 포함하여 고안된 클럽 헤드(아이언 및 드라이버-190 및 퍼터-033)를 공개한다. 스핀에 대한 어떠한 언급도 없으나 상기 특허는 탄성적으로 테일러된 페이스 디자인을 공개한다.
1999년 12월 14일 Delaney씨 등에게 허여된 미국 특허 번호 제 6,001,030호는 "제어된 압축력을 포함하여" 형성된 페이스 인서트 즉, 지지부가 임팩트 강도 및/또는 임팩트 위치에 기초한 특정 수직방향 작동을 제공하도록 고안된 위치에서 탄성적으로 지지된 강성의 페이스 임팩트 플레이트를 포함하여 고안된 클럽 헤드(오직 퍼터만)를 공개한다. 스핀에 대한 어떠한 언급도 없으나 상기 특허는 탄성적으로 테일러된 페이스 디자인을 공개한다.
2001년 10월 16일 Rohrer씨에 허여된 미국 특허 번호 제 6,302,807호는 가변적인 에너지 흡수부(variable energy absorption)를 포함하여 고안된 골프 클럽 헤드(선호적으로 퍼터)를 공개한다. 상기 특허는 중앙부를 치지 못한 타격에서 분산을 낮추고 이상적인 타격에 있어 분산을 최대화 시키도록 구성된 점탄성적으로 지지된 페이스를 위한 디자인을 공개한다. 스핀에 대한 어떠한 언급도 없으나 상기 특허는 탄성적으로 테일러된 페이스 디자인을 공개한다.
2001년 12월 11 Helmstetter씨 등에게 허여된 미국 특허 번호 제 6,328,661호와 2002년 11월 12일 Helmstetter씨 등에게 허여된 미국 특허 번호 제 6,478,690호, "Multiple Material Golf Club Head with a Polymer Insert Base"는 경도(hardness)와 리바운드 즉, 임팩트 COF와 감각에 영향을 주고자 탄성적으로 테일러된 인서트로 형성된 폴리머 페이스 인서트를 포함하여 고안된 골프 클럽 헤드(선호적으로 퍼터)를 공개한다.
2001년 12월 25일 Beasley씨 등에게 허여된 미국 특허 번호 제 6,332,849호, "Golf Club Driver with Gel Support of Face Wall"는 클럽 헤드의 중공 몸체의 뒷부분과 페이스의 중앙 사이에 연결되고 페이스를 지지하는 점탄성 부재를 포함하여 고안된 골프 클럽 헤드(선호적으로 드라이버)를 공개한다.
2002년 3월 12일 Allen씨에 허여된 미국 특허 번호 제 6,354,961호, "Golf Club Face Flexure Control System"는 클럽 헤드의 중공 몸체의 뒷부분과 페이스의 중앙 사이에 연결되고 페이스를 지지하는 유압식 피스톤/실린더를 포함하여 고안된 골프 클럽 헤드(선호적으로 드라이버)를 공개한다. 상기 피스톤은 사전결정된 임팩트 속도 범위에서 유효 강성을 가변시키고 접촉하도록 고안된다.
2002년 4월 2일 Kosmatka씨에 허여된 미국 특허 번호 제 6,364,789호, "Golf Club Head"는 클럽 헤드 바디와 단단한(stiff) 페이스 사이에 배치된 환형 편향 강화 부재를 포함하여 고안된 골프 클럽 헤드를 공개한다. 바람직하게, 임팩트 시에 페이스의 편향을 강화하고 COR을 증가시키도록 상기 환형 부재의 강성은 페이스보다 상대적으로 더 낮다.
2002년 11월 12일 Matsunaga씨 등에게 허여된 미국 특허 번호 제 6,478,693호, "Golf Club Head"는 다중 티어드된(multiple tiered) 두께 영역들에서 단계적인 변화를 가진 가변 두께 페이스를 포함하여 고안된 골프 클럽 헤드(선호적으로 드라이버 또는 아이언)를 공개한다. 상기 영역들에서의 센트로이드(centroid)는 스트라이크 응답성(strike response)의 균일 영역을 최대로 하도록 즉, 수직 하중 하에서 "sweet spot"을 증가시키도록 고안되고 배치된다.
2002년 12월 3일 Card씨 등에게 허여된 미국 특허 번호 제 6,488,594호, "Putter with a consistent Putting Face"는 중심에서 벗어난 타격에 있어서 분산효과를 낮추고 이상적인 분산을 최대화시키도록 디자인된 페이스 인서트를 포함하여 고안된 퍼터를 공개한다. 스핀에 대한 어떠한 언급도 없으나 상기 특허는 탄성적으로 테일러된 페이스 디자인을 공개한다.
2003년 7월 15일 Vincent씨 등에게 허여된 미국 특허 번호 제 6,592,468호, "Golf Club Head"는 클럽의 임팩트에 의한 진동에서 댐핑을 증가시키도록 점탄성적으로 지지된 인서트를 포함하여 고안된 골프 클럽 헤드를 공개한다.
2003년 7월 22일과 2003년 8월 12일 Bissonnette씨 등에게 허여된 미국 특허 번호 제 6,595,057호, "Golf Club Head with High Coefficient of Restitution"은 COR을 최대화시키도록 두께가 테일러된 페이스를 포함한 골프 클럽을 공개한다. 상기 페이스는 상대적으로 높은 강성 중앙 영역과 상대적으로 낮은 강성 주변 영역을 가진다.
2003년 8월 5일 Kosmatka씨에 허여된 미국 특허 번호 제 6,602,150호, "Golf Club Striking Plate with Vibration Attenuation"은 페이스 상에서 페이스 진동 감쇠를 위한 점탄성 재료가 배치된 가변 두께 페이스(중앙 부분이 두꺼움)를 포함한 골프 클럽을 공개한다.
상기 언급된 모든 특허들은 헤드와 페이스의 탄성 응답성이 임팩트 시에 느낌이 좋고 및/또는 클럽 헤드의 COR에 영향을 주도록 고안된 클럽 헤드에 대한 것이다. 상기 언급된 어떠한 특허들도 골프공 스핀의 제어에 영향을 끼치도록 클럽 헤드의 탄성/동력학적 응답성의 형상을 기술하지 않는다. 1993년 3월 16일 Burkly씨에 허여된 미국 특허 번호 제 5,193,806호는 스핀 제어에 영향을 미치기 위하여 원형 접촉 표면을 포함하여 고안된 클럽 헤드를 공개하나, 상기 클럽 헤드의 탄성적 응답성을 사용법에 대한 사항은 기술하지 않는다. 상기 페이스는 강성적인 것으로 간주된다. 접촉되는 바디들의 표면 처리를 통해 스핀 제어를 기술하고자 다수의 특허들이 시도하였으나, 어떠한 특허들도 클럽 헤드의 탄성적/구조적 디자인에 의해 스핀 제어를 직접적으로 기술하지는 못했다.
본 발명은 골프공과 페이스 사이의 임팩트의 진행 운동에 영향을 미치도록 페이스의 중간 지지부와 바디 및 페이스의 탄성적 테일러링을 이용하여, 골프공과 클럽 페이스 사이의 임팩트를 제어하기 위한 시스템에 관한 것이다. 특히, 페이스 모션과 임팩트로부터 야기된 변형을 통해 골프공 스핀에 이롭게 하도록 특별히 고안되고, 클럽 헤드 바디와 페이스 사이에 간격을 두고 배치된(interspersed) 페이스 마운팅 시스템의 디자인에 관한 것이다. 골프공 스핀의 제어는 임팩트 로딩 조건들 하에서 상기 시스템의 탄성적 및 동력학적 응답성의 특정 디자인을 통해 구현된다. 임팩트 로딩 하에서 페이스의 상기 탄성적 및 동력학적 응답성은 골프공 임팩트 합성 성분(스핀, 속도 및 방향)들에 영향을 주는 것을 보여준다. 상기 영향은 골프공 스핀의 효과적인 제어를 유도하도록 이용될 수 있다.
수직방향 페이스 강성의 탄성적 테일러링은 클럽 헤드-골프공 임팩트의 COR에 영향을 줄 수 있다고 잘 알려져 있다. 본 발명은 수직방향보다는 횡단방향에서의 시스템 응답성의 제어에 관한 것이다. 상기 시스템의 횡단방향 변형의 제어는 골프공 속도, 방향 및 특히 페이스와의 임팩트로부터 야기되는 공의 스핀에 영향을 주도록 사용될 수 있다.
골프공의 스핀은 상기 골프공과 페이스 사이에 발생되는 접선방향 하중(페이스에 대해 수직방향이 아닌 페이스를 따라)들에 의해 결정된다. 상기 하중들은 바디들 사이의 마찰 계수, 바디(골프공 및 페이스/헤드)들 사이의 수직방향 하중 및 접촉 영역에서 골프공 표면과 페이스 사이의 상대 운동에 의해 결정된다. 이 중 최종 요소(골프공과 페이스 사이의 상대 운동)는 임팩트 로드(impact load), 수직방향 및 접선방향 로드 하에서 페이스의 탄성적 및 동력학적 응답성의 적절한 디자인에 의해 영향을 받을 수 있다. 본 발명은 상기 임팩트 로드 하에서 페이스의 탄성적 및 동력학적 모션 응답성을 테일러링 함으로써 임팩트 시에 페이스와 골프공 사이의 접선방향 모션을 효과적으로(beneficially) 생성시키도록 클럽 헤드를 디자인하는 데 있다.
접선방향 페이스 모션이 어떻게 스핀에 영향을 끼치는지 알아보기 위하여, 클럽 헤드와 골프공 사이의 이상적인 수직방향 임팩트(즉 임팩트 속도 벡터가 페이스에 대해 수직인)를 고려해야 한다. 상기 타입의 임팩트는 일반적으로 골프공의 스핀을 야기시키지 않을 것이다. 하지만 임팩트 하중들에 의해 임팩트 동안 페이스가 접선방향으로 이동된다면, 스핀은 골프공에서 유발될 수 있다. 상기 스핀은 로딩 하에서 페이스의 접선방향 모션의 방향에 기초하여 양의 값(positive) 또는 음의 값(negative)을 가질 수 있다. 이와 같은 방법으로, 페이스의 접선방향 모션은 강성의 기울어진 페이스(로프트를 가진 페이스)의 상부 또는 하부에서 골프공 스핀에 현저하게 영향을 끼칠 수 있으며, 이 지점에서 임팩트 속도 벡터는 초기에 수직방향 성분 및 접선방향 성분을 가진다.
본 발명은 클럽 헤드와 페이스 사이의 상대적 접선방향 모션이 골프공의 임팩트 하중들에 의해 유발되도록 하는 페이스의 탄성 지지부(또는 페이스/헤드 시스템의 탄성적 응답성)에 대한 디자인에 관한 것이다. 상기 시스템에서 탄성적인 커플링에 기초하여, 페이스의 접선방향 모션은 상부, 하부, 발꿈치 또는 발끝을 향하는 방향으로 유발될 수 있으며, 이로 인해 가능한 다양한 응답성과 유발된(또는 감소된) 골프공 스핀들이 야기된다. 이로 인해 긴 드라이버 타격 동안에는 스핀이 감소하고 아이언 샷 때는 스핀이 증가하도록 사용될 수 있다.
대안의 실시예에서, 탄성 지지부, 페이스 및 바디의 디자인은 임팩트로부터 야기되는 골프공에 사이드스핀(side spin)을 증가시키거나 또는 감소시키도록 선택될 수 있다. 상기 경우에 있어서, 페이스 모션은 페이스를 따라 주 속도 합성 성분(dominant velocity resultant)에 수직으로, 그러나 페이스의 수직방향으로는 접선방향으로 테일러된다. 상기 페이스는 임팩트 하에서 상부 및 하부 방향보다는 측면에서 측면으로(발꿈치를 향하여 또는 발끝을 향하여) 이동한다. 상기 타입의 페이스 모션은 임팩트로부터 야기되는 골프공의 사이드스핀에 영향을 끼칠 수 있다. 상기 사이드스핀은 연속적인 골프공 비행에서 훅(hook)과 슬라이스(slice) 궤적에 심각한 영향을 끼칠 수 있다. 측면에서 측면으로의 모션은 페이스 상의 수직방향 하중들과 페이스의 접선방향 모션들 사이에서 탄성적 커플링을 통해 구현될 수 있다. 상기 모든 경우는 퍼터, 드라이버 및 아이언에 균등하게 적용되며 용어 "클럽 헤드"는 편견없이(without prejudice) 상기에 모두 적용될 것이다.
볼 발명의 다양한 실시예, 특징 및 이점들은 하기 도면들을 참조하여 여기에서 상세하게 기술함으로써 더 잘 이해될 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 사상적인(conceptual) 실시예를 도시하며, 탄성 마운트는 바디에 대해 페이스를 탄성적으로 연결하는 클럽의 바디와 페이스 사이에 배치된다.
도 3 및 도 4는 탄성 페이스 마운팅 시스템과 탄성적으로 지지된 페이스의 특정 실시예를 측면과 정면에서 도시한 아이언 클럽 헤드의 상세한 도면.
도 5 및 도 6A와 도 6B는 탄성적으로 지지된 페이스를 위해 탄성 마운팅 모듈의 특정 실시예를 상세하게 도시한 도면.
도 7(도 7A와 도 7B 포함)은 아이언에서 페이스 인터페이스와 플렉처 모듈을 상세하게 도시한 도면.
도 8(도 8A와 도 8B 포함)은 시트된(seated) 플렉처를 포함한 페이스와 클럽 헤드를 도시한 도면.
도 9(도 9A와 도 9B 포함)는 테일러된 페이스-바디 탄성, 골프공 탄성 및 6 완전자유도를 가진 골프공-클럽 헤드 임팩트를 시뮬레이션하기 위해 사용된 모델을 도식적으로 도시한 도면.
도 10(도 10A와 도 10B 포함)은 페이스 캡(face cap)과 플렉처 인터페이스를 절단한 추가적인 도면.
도 11은 페이스/플렉처 인터페이스를 도시한 도식적인 단면도.
도 12(도 12A, 도 12B, 도 12C, 도 12D 및 도 12E 포함)은 시뮬레이션(A)임팩트 수직 하중, B)임팩트 접선방향(마찰) 하중, C)시간에 대한 접선방향 상대 속도, D)시간에 대한 헤드 스핀, E)시간에 대한 골프공 스핀 결과)으로부터 유도된 클럽의 임팩트를 나타내기 위해 골프공의 핵심 파라미터들을 시간에 대해 나타낸 그래프.
도 13(도 13A, 도 13B, 도 13C, 도 13D 및 도 13E 포함)은 시뮬레이션(A)골프공 탄성 변형, B)상대적 수직방향 페이스 변형, C)상대적 접선방향 페이스 변형, D)시간에 대한 접선방향 골프공 CG 속도, E)시간에 대한 수직방향 골프공 속도)으로부터 유도된 클럽의 임팩트를 나타내기 위해 골프공의 핵심 파라미터들을 시간에 대해 나타낸 그래프.
도 14(도 14A, 도 14B, 도 14C, 도 14D 및 도 14E 포함)은 시뮬레이션(A)임팩트 수직 하중, B)임팩트 접선방향(마찰) 하중, C)시간에 대한 접선방향 상대 속도, D)시간에 대한 헤드 스핀, E)시간에 대한 골프공 스핀 결과)으로부터 유도되며 가변적인 플렉처 각도를 포함한 클럽의 임팩트를 나타내기 위해 골프공의 핵심 파라미터들을 시간에 대해 나타낸 그래프.
도 15(도 15A, 도 15B, 도 15C, 도 15D 및 도 15E 포함)은 시뮬레이션(A)골프공 탄성 변형, B)상대적 수직방향 페이스 변형, C)상대적 접선방향 페이스 변형, D)시간에 대한 접선방향 골프공 CG 속도, E)시간에 대한 수직방향 골프공 속도)으로부터 유도되며 가변적인 플렉처 각도를 포함한 클럽의 임팩트를 나타내기 위해 골프공의 핵심 파라미터들을 시간에 대해 나타낸 그래프.
도 16(도 16A, 도 16B, 도 16C, 도 16D 및 도 16E 포함)은 시뮬레이션(A)임팩트 수직 하중, B)임팩트 접선방향(마찰) 하중, C)시간에 대한 접선방향 상대 속도, D)시간에 대한 헤드 스핀, E)시간에 대한 골프공 스핀 결과)으로부터 유도되며 가변적인 접선방향 강성(언커플된)을 포함한 클럽의 임팩트를 나타내기 위해 골프공의 핵심 파라미터들을 시간에 대해 나타낸 그래프.
도 17(도 17A, 도 17B, 도 17C, 도 17D 및 도 17E 포함)은 시뮬레이션(A)골프공 탄성 변형, B)상대적 수직방향 페이스 변형, C)상대적 접선방향 페이스 변형, D)시간에 대한 접선방향 골프공 CG 속도, E)시간에 대한 수직방향 골프공 속도)으로부터 유도되며 가변적인 접선방향 강성(언커플된)을 포함한 클럽의 임팩트를 나타내기 위해 골프공의 핵심 파라미터들을 시간에 대해 나타낸 그래프.
도 18(도 18A, 도 18B, 도 18C, 도 18D 및 도 18E 포함)은 시뮬레이션(A)임팩트 수직 하중, B)임팩트 접선방향(마찰) 하중, C)시간에 대한 접선방향 상대 속도, D)시간에 대한 헤드 스핀, E)시간에 대한 골프공 스핀 결과)으로부터 유도되며 가변적인 페이스 마찰 계수를 포함한 클럽의 임팩트를 나타내기 위해 골프공의 핵심 파라미터들을 시간에 대해 나타낸 그래프.
도 19(도 19A, 도 19B, 도 19C, 도 19D 및 도 19E 포함)은 시뮬레이션(A)골프공 탄성 변형, B)상대적 수직방향 페이스 변형, C)상대적 접선방향 페이스 변형, D)시간에 대한 접선방향 골프공 CG 속도, E)시간에 대한 수직방향 골프공 속도)으로부터 유도되며 가변적인 페이스 마찰 계수를 포함한 클럽의 임팩트를 나타내기 위해 골프공의 핵심 파라미터들을 시간에 대해 나타낸 그래프.
도 20(도 20A, 도 20B, 도 20C, 도 20D 및 도 20E 포함)은 시뮬레이션(A)임팩트 수직 하중, B)임팩트 접선방향(마찰) 하중, C)시간에 대한 접선방향 상대 속도, D)시간에 대한 헤드 스핀, E)시간에 대한 골프공 스핀 결과)으로부터 유도되며 가변적인 페이스 질량을 포함한 클럽의 임팩트를 나타내기 위해 골프공의 핵심 파라미터들을 시간에 대해 나타낸 그래프.
도 21(도 21A, 도 21B, 도 21C, 도 21D 및 도 21E 포함)은 시뮬레이션(A)골프공 탄성 변형, B)상대적 수직방향 페이스 변형, C)상대적 접선방향 페이스 변형, D)시간에 대한 접선방향 골프공 CG 속도, E)시간에 대한 수직방향 골프공 속도)으로부터 유도되며 가변적인 페이스 질량을 포함한 클럽의 임팩트를 나타내기 위해 골프공의 핵심 파라미터들을 시간에 대해 나타낸 그래프.
본 발명의 목적은 임팩트 로딩(impact loading) 하에서 클럽 헤드의 동력학적 변형 응답성(dynamic deformation response)과 탄성(elasticity)을 이용함으로써 클럽 헤드-골프공 임팩트로부터 야기되는 골프공의 스핀(spin)을 제어하기 위한 장치와 방법을 제공하는데 있다. 골프공을 접촉하는 지점에 대해 헤드 변형을 유발하는 임팩트 로드(impact load)와 골프공 접촉 표면(이하 페이스(face)로 칭함)의 연속 운동은 골프공의 속도와 다축 스핀(multi-axial spin)(이하 임팩트 합성 성분(impact resultant)으로 칭함)에 중대한 영향을 끼친다. 본 발명은 골프공의 스핀을 제어(증가 또는 감소)하는 페이스의 탄성적 및 동력학적 응답성을 이용한 장치와 방법을 포함한다. 상기 방법은 탑스핀(topspin)과 사이드스핀(sidespin)을 제어하기에 적합하다.
골프공과 헤드 사이의 임팩트(잠재적으로는 비스듬한(oblique)) 시에 골프공과 페이스 사이의 접촉점에서(또는 접촉영역에 걸쳐) 고항력(high force)이 발생된다. 상기 하중들은 상기 페이스에 수직으로 정렬된 성분(이하 수직방향 하중)들과 페이스 또는 타격 표면에 접선방향 성분(이하 접선방향 하중)들로 분해될 수 있다. 수직 방향은 공간 내에서 임의적인 방향이 될 수 있으며 상기 접선방향은 평면 내의 임의의 지점에서 상기 수직방향에 직교하는 방향이 될 수 있다. 상기 하중들은 페이스의 배향(orientation)과 골프공 및 페이스 운동에 따라 페이스의 상부방향 또는 하부방향으로, 발끝을 향하여(toeward) 또는 발꿈치를 향하여(heelward) 작용할 수 있다. 상기 방향들은 로컬(local) 수직 및 접선 평면에 대해서 만곡된 타격 표면(curved hitting surface)을 위해 형성되며, 만곡된 타격 표면에 대해 어떠한 일반성도 본 출원서에서는 상실되지 않는다.
상기 하중들의 수직방향 성분은 골프공의 CG를 통해 작용하며 임팩트 시에 골프공을 가속시킨다. 상기 하중들의 접선방향 성분은 수직방향에 직교하는 페이스 와 골프공 사이의 접촉점에서 작용하며 따라서 CG를 직접적으로 가속하는 힘들뿐만 아니라 CG(골프공의 스핀에 영향을 끼치는) 주위로 골프공에 동등한 토크(torque)로 분해될 수 있다. 따라서 상기 임팩트로 인해 유발된 접선방향 하중들은 상기 토크가 골프공의 스핀 속도를 발생시키도록 시간에 걸쳐 적분(integrated)됨과 같이 골프공 스핀 결과를 완전히 제어한다. 외부 토크와 하중 하에서, 강체(rigid body)의 자유회전운동과 자유병진운동의 동력학을 위한 6 자유도를 가진 운동 방정식을 위한 오일러 방정식(Euler Equation)에 잘 공지된 바와 같이, 상기 토크는 골프공의 회전 관성(rotational inertia)을 극복(overcome)한다. 본 발명의 목적은 임팩트 동안 적합한 디자인에 의해 상기 항력들을 테일러(tailor) 하고, 임팩트 시 클럽 헤드 페이스의 동력학적 응답성(dynamic response)과 횡단 탄성 응답성을 테일러링(tailoring) 하는 데 있다.
임팩트 하중 즉, 수직방향 하중 및 접선방향 하중들은 바디의 동력학과 탄성뿐만 아니라 바디의 질량, 바디 임팩트 시의 초기 속도를 포함한 다수의 요인들에 의해 결정된다. 골프공 임팩트와 클럽 헤드의 수직방향 응답성(normal response)(COR)이 시스템의 일반적인 동력학의 튜닝(tuning)에 의해 개선될 수 있음이 보여져 왔다. 본 발명은 클럽 헤드의 동력학적 응답성과 횡단 탄성 응답성의 최적화된 선택에 관한 것이다.
임팩트 동안, 바디의 탄성이 시간에 대해 어떻게 상기 하중을 결정하는지 알아보기 위하여, 매우 부드러우나 수직방향에서 손실없이(lossless) 지지되는 강성의 페이스를 고려하여야 한다. 수직방향 임팩트(비스듬하지 않은) 동안, 상기 부드 러운 지지부(support)로 인해 페이스와 임팩트되는 골프공(상기 페이스는 임팩트되는 골프공으로부터 이격되어 변형된다) 사이에 상대적으로 더 많이 편향되며, 이로 인해 골프공의 체공 시간(dwell time)을 상대적으로 더 길게 하고 인터페이스 하중들을 상대적으로 더 낮춘다. 따라서 페이스의 탄성적 응답성은 시간에 대해 하중에 중요한 영향을 끼치게 된다.
수직방향 하중뿐만 아니라 접선방향 하중들을 포함한 비스듬한 임팩트의 경우가 고려된다. 상기 접선방향 하중들은 비스듬한 임팩트가 발생되는 임팩트 속도 벡터의 접선방향 성분들로부터 발행된다. 페이스 좌표 시스템(face coordinate system)에 적용될 때, 골프공과 페이스 사이의 접촉점은 수직방향과 접선방향으로 이동한다. 상기 접촉점에서, 페이스와 골프공 사이의 접선방향 상대 속도는 상기 페이스와 골프공 사이의 마찰로 인한 접선방향 하중으로부터 야기된다. 바디 사이에 마찰이 존재하지 않는다면, 접선방향 하중들이 없으며 이로 인해 초기 조건으로부터 골프공의 스핀에 아무런 변화가 없게 된다.
2개의 바디 사이의 마찰력들은 상기 바디 사이의 수직방향 하중, 상기 바디 사이의 마찰 계수 및 상기 바디 사이의 상대 모션/속도에 좌우된다. 예를 들어, 종래의 2개의 바디 사이의 쿨롱 마찰력(Coulomb Frictrion)은 마찰 계수와 수직방향 하중의 곱(product)로 그 크기(magnitude)가 정해지며, 상기 2개의 바디 사이의 상대적인 횡단 속도 벡터들로부터 방향이 정해진다.
쿨롱 마찰 방정식 및 등등( Coulomb Friction Equation and others )
다른 모델들은 그 크기가 2개의 바디 사이의 접선방향 상대 속도의 방향과 크기에 좌우되는 하중의 성분을 가진다. 임의의 모델에서, 2개의 바디 사이의 접선방향 상대 속도는 접선방향 하중의 크기와 방향을 결정하는 데 있어 매우 중요한 요인이 된다.
상기 접선방향 하중은 골프공과 페이스 사이의 접선방향 상대 속도에 차례로 영향을 미친다. 골프공에 가해진 접선방향 하중은 접선방향에서 CG에 가해지는 하중(접선방향에서 골프공의 CG의 속도를 변화시키고 가속시키는 하중)과 수직방향 속도 벡터와 접선방향 속도 벡터에 수직인 축에 대해 작용하며 골프공의 CG에 대한 토크로서 작용한다. 상기 균등한 토크는 골프공의 스핀을 가변시키도록 작용한다.
대부분의 경우에 골프공은 임팩트 초기에는 회전하지 않는다. 수직방향 하중뿐만 아니라 비스듬한 임팩트로부터의 접선방향 속도는 골프공을 상부방향으로 회전하게 하는 접선방향 마찰력을 발생시키도록 작용한다. 이는 골프공의 CG가 아니라 골프공과 페이스 사이의 접촉점에 작용하기 때문에 골프공 스핀을 발생시킨다. 따라서 임팩트 초기 시에 골프공은 실질적으로 비스듬한 페이스에서 상부방향으로 슬라이딩하게 되고 상기 슬라이딩 하중은 골프공이 회전하기 시작하도록 작용한다. 접선방향 하중들이 골프공의 스핀을 증가시킴에 따라, 다수의 경우에서 골프공 스핀은 골프공과 페이스 사이의 접촉점에서 상대적 운동이 더 이상 존재하지 않는 지점으로 증가된다. 골프공은 페이스의 상부방향으로 롤링 업(rolling up)되며 페이스와 골프공 사이에는 슬라이딩 하중(마찰 하중)이 발생하지 않는다. 이는 롤링 조건(rolling condition)이라 불리며, 일반적으로 페이스를 떠날 때 골프공에 최종 스핀을 결정한다.
본 발명에서, 클럽 헤드의 탄성적인 디자인으로 인해 페이스가 접선방향 하중들에도 응답할 수 있다. 상기 페이스가 접선방향으로도 응답할 수 있는 시스템에서(스핀을 변화시키는 골프공도 마찬가지), 페이스와 골프공 표면 사이에 상대적인 속도에 대해 새로운 요소(new contributor)가 존재한다. 이제 페이스가 골프공 표면과 페이스 사이의 상대적 속도에 대해 작동함으로써, 그의 모션은 바디 사이의 마찰에 상당한 영향을 끼치며 접선방향 하중을 야기하며 골프공을 회전하게 한다. 이는 본 발명의 핵심적 사항이다.
상기 접선방향 페이스 모션을 구현하기 위하여, 클럽 헤드는 타격 표면(페이스)이 클럽 헤드의 다수의 바디에 대해 접선방향 모션을 가질 수 있도록 고안된다. 상기 시스템에서, 임팩트 로딩 하에서 적절한 응답성을 위하여 테일러되는 페이스와 클럽 헤드 바디(또는 페이스와 클럽 헤드 바디의 탄성) 사이에 탄성적 연결이 형성된다. 상기 응답성은 적용분야에 따라 가변적이 될 수 있다. 예를 들어, 스핀을 증가시키고자 한다면, 탄성은 페이스가 골프공의 접선방향 속도 벡터에 반대로 이동하도록 테일러될 수 있다. 이는 골프공과 페이스 사이의 접선방향 상대 속도를 증가시켜 롤링 조건에 도달하기 전 및 회전운동을 가속하지 못하기 위하여, 전 상기 빠른 접선방향 상대 속도에 일치하도록 골프공은 상대적으로 더 빨리 회전되어야 한다.
본 발명의 또 다른 실시예(manifestation)에서, 임팩트 로드 하에서 골프공 접선방향 속도 벡터 방향에서 이동하도록, 페이스는 탄성적으로 장착될 수 있다. 이는 골프공의 표면과 페이스 사이의 접선방향 상대 속도를 감소시켜, 롤링 조건에 도달하기 충분한 낮은 스핀을 야기한다.
골프공 표면과 페이스 사이의 시간에 대한 마찰력, 따라서 그에 따른 골프공 최종 각속도 벡터(스핀율)을 결정하기 위하여, 시간에 대한 페이스의 모션 따라서 시간에 대해 접선방향 상대 속도 벡터를 고려하는 것이 중요하다. 몇몇 경우에서, 바디에 대한 페이스의 속도는 골프공 스핀 합력에 현저히 영향을 미치는 임팩트 과정 중에서 상당히 변화하거나 또는 리버스(reverse)될 수 있다. 따라서 주어진 분야의 디자인에 있어 탄성적 클럽 헤드의 시간에 대한 및 동력학을 고려하는 것이 중요하다.
본 발명의 핵심적인 요소는 바디 상에 탄성적으로/복원적으로 지지된 헤드의 접촉 표면(페이스)이며, 골프공 표면과 타격 표면 사이의 접촉 하중(contact force)은 클럽 헤드의 바디에 대해 페이스 내의 운동을 포함한다. 페이스를 위해 기본적으로 2가지 타입의 탄성 지지부가 존재하며, 상기 지지부는 수직방향과 접선방향에서 하중과 모션이 탄성적으로 커플(coupled)되었는지 또는 언커플(uncoupled)되었는지에 의해 특징지어 진다. 상기 2 타입들은 하기에서 기술될 것이다.
언커플( Uncoupled )
시스템의 상기 타입에서, 페이스 상의 수직방향 하중들은 접선방향이 아닌 오직 수직방향에서 상기 페이스의 변형을 발생시킨다. 마찬가지로 상기 페이스에 가해진 접선방향 하중들은 상기 페이스의 오직 접선방향 모션만을 발생시킨다. 상기 모션들은 페이스의 탄성 변형을 일으키는 것으로 이해되며 임팩트 로드 하에서 헤드의 전 강체 모션(global rigid body motion)과 결합(associated)되지 않는다. 따라서 로드(load)와 수직방향 변형 사이에 및 로딩(loading)과 접선방향 변형 간에는 어떠한 커플링(coupling)도 존재하지 않는다. 이때 상기 시스템은 언커플(uncoupled) 되었다고 불린다.
도 1에 이론적으로 도시된 바와 같이, 상기 타입의 시스템의 디자인에 있어서, 클럽 헤드 디자이너는 횡단 하중(transverse load) 하에서 클럽 헤드 시스템의 횡단 응답성과 횡단 강성(transverse stiffness) 만을 고려할 필요가 있으며 이에 따라 디자인은 매우 단순화된다. 상기 횡단 하중들은 일반적으로 수직방향 하중보다 상대적으로 작으나 상기 시스템의 유용한 하중들과 그에 따른 변형들은 모든 강성들이 동일할 때 상대적으로 작을 수 있다.
커플( Coupled )
시스템의 상기 타입에서, 페이스의 지지부를 위한 유효 강성 행렬(effective stiffness matrix)은 수직방향 하중들이 타격 표면의 수직방향 모션 및 횡단 모션과 시스템의 수직방향 변형 및 횡단 변형을 발생시키도록 결합(coupled)된다. 탄성 지지부(예를 들어 도 2 및 도 3에 기술된 틸트된 지지부(tilted support)에 의한)의 적절한 디자인에 의해, 상기 결합으로 인해 상기 지지부의 틸트(tilt)에 따른 클럽 헤드에 대해 임팩트 로딩 하에서 페이스의 가변된 횡단 모션, 상부방향 모션, 하부방향 모션, 발꿈치를 향하는 모션 및 발끝을 향하는 모션을 발생시킬 수 있다. 이러한 탄성적으로 테일러된 횡단 모션은 페이스와 골프공 사이의 슬라이딩 상대 모션을 지시하고 상기 방향들로 스핀을 증가시키고 및 감소시키도록 사용될 수 있다.
따라서 상기 커플링은 디자이너에게 임팩트로부터 야기되는 넓은 범위의 골프공 스핀을 생성하는 데 있어 잘 활용될 수 있으며, 이는 페이스 모션(예를 들어 클럽의 상부 또는 하부)이 페이스와 골프공 사이의 넓은 범위의 상대적 운동 및 따라서 넓은 범위의 골프공 스핀을 용이하게 조절할 수 있기 때문이다. 하기 기술될 바와 같이, 상기 페이스 커플링은 볼의 탑스핀을 발생하고 골프공 스핀을 없애며 또는 상기 스핀을 증가시키도록 사용될 수 있다.
선호되는 실시예
상기 기술된 효과들을 구현하기 위한 하나의 특정 방법과 장치는 페이스와 바디로 구성된 클럽 헤드를 포함하며, 상기 페이스는 다수의 가능한 형상들로 탄성 마운트 상에서 지지된다. 임팩트 하에서, 지지부들의 탄성으로 인해 바디와 타격 표면(페이스) 사이의 상대적인 운동이 존재한다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 한 실시예에서, 지지부들은 페이스의 후측부와 후방판(backplate) 사이에 탄성 연결을 형성하며, 상기 후방판은 지지부들의 후측부와 클럽 헤드 바디 사이에서 인터페이스 작용을 한다. 상기 지지부들은 나사고정(screwed), 용접, 프레스 맞춤 또는 그 외의 다른 방법으로 바디 구조물과 페이스에 기계적으로 밀착되어 결합되는 방식으로 부착될 수 있다. 선호적인 실시예에서, 상기 지지부는 탄성적이며 낮은 댐핑을 가지나 클럽 헤드의 바람직한 감각을 구현하기 위해서 페이스와 바디 사이에 상호작동하는 댐핑을 삽입할 가능성도 존재한다.
상기 기술한 바와 같은 지지부의 한 가능한 형태는 클럽의 바디 상부에서 페이스를 지지하는 일련의 빔(beam), 리브(rib) 또는 포스트(post)이다. 상기 지지부들은 도 2 및 도 3에서 도시된 바와 같이 임팩트 동안 페이스 모션을 테일러하도록 페이스 표면을 가로질러 분포될 수 있다. 예를 들어, 상기 지지부들은 임팩트 위치에 상관없이 페이스를 가로질러 동일한 수직방향 강성을 나타내거나 또는 클럽의 임팩트 위치의 함수로서 유효 수직방향 강성을 테일러 하도록 분포될 수 있다. 예를 들어 페이스를 원주를 따라 수직방향으로 부드럽게 작용하도록 할 수 있다. 추가적으로, 상기 지지부는 도 2에 도시된 바와 같이 접선방향에서 페이스의 순수 병진운동을 수행할 수 있도록 배열될 수 있다.
도 2 에서, 빔, 리브 또는 포스트는 주 축이 수직방향 임팩트 방향과 평행하도록 배열될 수 있다. 이 경우, 상기 수직방향 하중들은 상기 지지부들에 의해 축방향으로 작용되며 횡단 임팩트 하중들은 지지부들이 만곡되도록 작용된다(도 2 참조). 상기 형상에서, 탄성 지지부는 언커플된 타입이며 수직방향 하중들은 실질적인 횡단 편향을 발생시키지 않는다. 상기 타입의 지지부에서, 지지부들의 만곡된 강성은 페이스의 접선방향 모션들이 하기 기술될 바와 같이 골프공의 스핀을 증가시키거나 또는 감소시키도록 테일러 될 수 있다.
대안으로 주 축은 수직방향 하중들과 접선방향 하중들이 만곡되는 로드와 지 지부 상에 축방향 로드와 같이 가해지도록 수직방향으로부터 약간 틸트될 수 있다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 비스듬한 배향은 수직방향 로딩과 페이스의 접선방향 모션 사이에 커플링을 이끌어낸다(lead). 상기 지지부 틸트의 각도와 상기 지지부 틸티의 방향은 바디와 페이스 사이의 탄성 커플링을 테일러하는 데 사용되며 임팩트 로딩 하에서 원하는 페이스 모션의 넓은 범위를 구현할 수 있다. 특히, 틸트된 지지부들로 인해 수직방향 하중은 상기 지지부 틸트의 방향에서 큰 접선방향 모션을 발생시킨다. 이는 특정 접선방향에서 페이스를 론치(launch)하도록 사용될 수 있으며, 따라서 임팩트의 끝부분을 향해 원래 조건/위치로 회귀(return)할 수 있도록 한다. 상기는 수직방향 하중이 상대적으로 작을 때 임팩트의 끝부분에서 골프공 스핀을 테일러링 하기 위해 중요한 요인이 될 수 있다.
지지부의 한 실시예에서, 개별적인 지지부들은 클럽의 바디와 페이스의 후측부에 부착된 빔(beam)들로 구성된다(도 2 참조).
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 선호되는 실시예에서, 2.0mm의 디자인(0.25mm 내지 4mm 범위 내에서)을 위해 백킹 구조물(backing structure)로부터 페이스의 베이스라인(baseline) 분리가 발생되며, 상기 디자인으로 인해 임의의 페이스 틸팅과 간섭(interference) 또는 접촉 없이 중앙부로부터 크게 이격되어 타격할 수 있다. 또한, 탄성 마운트(elastic mount)가 임팩트 시에 보이도록 즉, 상기 탄성 마운트를 보호하도록, 편향과 응력을 제한하기 위하여 접선방향 또는 수직방향(또는 상기 2방향 모두)에서 페이스 모션을 위한 기계적 스탑(mechanical stop)이 삽입될 가능성도 존재한다. 예를 들어, 벙커샷 토핑(skulled shot)을 고려해 보 자. 여기에서 로딩은 9000/2000(N 수직방향/N 접선방향)으로부터 한참 벗어나고 상대적으로 4000 N/4000 N에 유사하며, 이로 인해 모션이 제한받지 않는다면 마운트를 손상시킬 수 있다.
선호되는 실시예에서, 탄성 마운트는 돌출된 형태로 96mm 및80mm 사이에서 합계가 되는(totaling) 마운트의 2개 열에 배열될 수 있다. 상기 2개의 열에 배열에 있어서, 일반적으로 5번 아이언은, 도 5 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 40/50(탑 열/바닥 열)에서 지지부의 전체 길이 90mm를 취급(handle)한다. 이로 인해 페이스를 지지하기 위하여 탑(top) 열에서 2-20mm 유닛, 바닥(bottom) 열에서 2-20mm 유닛 및 1-10mm 유닛이 되도록, 상기 마운트는 마운팅 모듈이 20mm와 10mm의 분류로 배열되어 제조된다. 탄성 지지부 모듈로 인해 서로에 대해 버트 업(butt up)될 수 있다. 러빙(rubbing)을 최소화시키기 위하여 '이동(moving)' 부분들을 수 천분의 1 인치(inch) 만큼 좁히는 것이 가능하다.
탄성 마운트 모듈 디자인 특성( Elastic Mount Module Design Specifics )
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 선호되는 실시예에서, 탄성 마운트 모듈(EMM)은 접혀진 빔 구조물에 배열된 3개의 만곡된 빔들로 구성된다. 상기 배열에서 외부 2개의 빔들의 각각의 단부 중 한 단부는 바디 백킹 구조물(body backing structure)에 연결된다. 이들은 연결 스테이지(connection stage)에 백킹 구조물 하부로 돌출된다. 상기 연결 스테이지는 중앙 빔이 한 측부 상에 부착되는 이동식 플랫폼으로서 작동한다. 상기 연결 스테이지가 2개의 빔들에 의해 대칭적으로 지지 됨에 따라, 페이스에 평행하게 병진운동을 우세하게 수행한다. 수직방향 로드와 편향은 빔들에 축방향으로 지탱된다(born). 내부 중앙 빔은 임팩트 로드를 압축상태로 두는 반면, 외부 빔들은 임팩트 수직방향 로드를 인장상태로 둔다. 상기 빔들의 2개 세트(내부 및 외부)는 전체 모듈이 임팩트 로딩을 위해 수직방향으로 정렬되는 한, 횡단 로드를 구부림 상태(in bending)로 둔다. 이미 기술한 바와 같이 탄성적으로 결합된 지지부 모듈을 형성하기 위해 틸트될 수 있다. 중앙 빔은 연결 스테이지로부터 단일 탄성 마운트 모듈을 형성하는 하우징의 후측부로 연결되며, 상기 모듈은 도 5에 됫된 바와 같이 빔의 암곡 방향에 직교하는 방향으로 다면적인 돌출부(prismatic extrusion)로서 연장된다. 상기 모듈들은 원하는 모듈레리티(modularity)와 디자인 강성에 기초한 다양한 돌출된 길이로 제조될 수 있다.
탄성 지지부 모듈의 디자인은 원하는 모션이 임팩트 로딩 경우에서 구현되도록 수직방향 강성과 접선방향 강성(현재 커플된 강성)의 디자인을 제공하도록 의도된다. 원하는 탄성(하기 기술된)은 로딩 하에서 구조적 일체화(structural integrity)를위한 요구사항을 충족시키는 시스템에 맞아야 한다. 이는 상기 시스템이 영구적 변형 또는 버클링(buckling) 없이 로딩을 취해야 한다. 도 5 및 도 6에 나타난 디자인은 상기 요구조건을 충족한다.
도 5에 도시된 디자인 언커플된 타입이다. 목표로 하는 접선방향 강성은 21.4 N/mm/mm 또는 (96mm 길이 당 2050 N/mm)이며 원하는 바와 같이 23.9 N/mm/mm 또는 (96mm 길이 당 2300 N/mm)를 구현한다. 상기 디자인은 수직방향 강성 2140 N/mm/mm 또는 (96mm 길이 당 205000 N/mm) 또는 대략 100x 의 접선방향 강성을 목 표로 한다. 기술된 디자인은 수직방향 강성 2188 N/mm/mm 또는 (96mm 길이 당 210000 N/mm) 또는 91x 의 접선방향 강성을 구현한다. 상기 구현된 강성들로서, 9000/2000 N 로딩(수직방향 및 접선방향) 하에서, ESM(Elastic Support Module)의 편향은 (0.042mm/0.870mm) 도 5에 도시된 횡단면의 96mm 길이의 돌출부를 위함이다. 수직방향 변위(displacement)는 상기 디자인의 높은 수직방향 강성으로 인해 매우 작은 반면 콰지-스태틱(quasi-static) 2000N 로드 하에서의 접선방향 변위는 거의 1mm 내에서 형성된다.
상기 디자인의 문제(chanllenge)는 구조적으로 활발한(robust) 디자인에서 상기 탄성 상수(elastic constant)를 구현하는 것이었다. 탄성 지지부 모듈을 위해 선택된 재료는 특정 고강도와 고항복응력(high yield stress)을 위한Ti-3Al-6V 재료였다. 스틸 또는 대체 티타늄 합금 등과 같은 그 외의 다른 재료들도 사용될 수 있었다. 상기 기술한 수직방향 및 접선방향 로딩 조합 하에서, 디자인에 있어서의 피크응력(peak stress)은 상기 재료를 위한 항복응력 미만인 940 MPa 이었다. 응력 해석에 추가하여, 상기 탄성 지지부 모듈(ESM)은 압축성 임팩트 로드 하에서 내부 칼럼(column)의 버클링에 저항하도록 디자인되어야만 한다. 상기 응력해석에서 상기 디자인(버클링 로드/피크 로드)을 위한 버클링 로드 마진(buckling load margin)은 상기 디자인에서 3.6이다. 따라서 상기 모듈은 구조적 일체화와 절충(compromising)하지 않고 원하는 탄성 작용(elastic behavior)을 충족한다.
선호되는 제조 공정은 표준 표면 처리공정을 포함한 와이어 EDM(방전가공, electro discharge machining)이다. 필요한 강도를 가진 부분들을 생산하는 한, 플 런지(plunge) DEM과 같은 그 외의 다른 표준 기계가공 또는 포밍가공(forming) 공정이 사용될 수 있다. 도 7 내지 도 11에 나타난 디자인은 전방(페이스)으로부터 후방(연결 스테이지)까지 19mm의 전체 깊이를 가지며, 클럽의 페이스 상의 2개의 열에 배열된 20mm 및 10mm 길이의 모듈에서 총 90mm 돌출된 길이를 가진다. 이로 인해 클럽 윗 부분의 페이스의 병진운동은 수직방향 또는 대안의 접선방향에서 고 강성(high stiffness)을 허용한다. 본 디자인에 있어서, 페이스 질량은 41.6그램이다. 페이스 모션의 제 1 접선방향 고유진동수가 대략 임팩트의 지속기간에 뉴팅되도록 상기 강성들이 위와 같이 선택되었다. 정확한 튜닝 조건은 하기 접선방향 강성 튜닝 조건에서 기술된다.
선호되는 디자인의 핵심 요소는 바디 백킹 구조물, 페이스 구조 및 ESM 사이의 부착(attachment)이다. 시스템을 위한 디자인 탄성 상수를 구현하기 위하여, ESM과 페이스 및 바디 사이에 인터페이스에서 어떠한 여분의 컴플라이언스가 존재할 수 없다. 이는 시스템이 조인트 부분에서 추가적인 컴플라이언스 또는 플레이(play)에 거의 영향을 주지 못하도록 단일 바디로 작동하도록, 끼워맞춤(fit)이 기밀(에폭시로 잠재적으로 결합된)해야 하며 또는 땜납하거나 또는 용접되어야 한다. 선호되는 실시예에서, ESM의 빔들의 단부(end)는 페이스와 백킹 구조의 요홈과 일치하도록 끼워맞춤되는 웨지 형태의 도브 테일(dove tail)로서 디자인된다. 페이스의 횡단면, ESM 및 바디 마운팅 구조는 도 7 내지 도 16에 도시된다. 2개의 접혀진 빔 ESM과 페이스 및 백킹 구조에 대한 인터페이스를 도시한다. 상기 인터페이스는 ESM과 페이스 및 바디 사이의 인터페이스를 프리로드(preload)하기 위하여 에폭 시 또는 단순한 셋 스크루를 이용하여 영구히 고정될 수 있다.
ESM은 임팩트 로드 하엥서 빔들의 응력을 최소화하기 위하여 디자인된 길이를 따라 가변적인 두께를 가진 빔 구조를 가진다. 상기 특징은 중앙부에 근접한 빔을 가늘게(thin)하고 단부에서는 그들을 두껍게 한다. 상기 타입의 가변적인 두께는 상기 타입의 모션 즉, 종래의 슬라이딩-슬라이딩 빔 경계 조건을 가지는 빔에 적합하며, 단부에서는 어떠한 각도 편향(angular deflection)이 없으며 접선방향에서 단지 슬라이딩 병진운동만이 존재한다. 상기 타입의 모션에서, 피크 휨응력(peak bending stress)은 클램프-슬라이딩 단부에서 지탱되며 중앙부에는 로드가 거의 없다. 따라서 상기 중앙부는 중앙부의 재료가 단지 약간 응력을 받기 때문에 가늘게 될 수 있다. 추가적인 디자인 특성으로서, 페이스는 클럽의 외부 변부들에서 페이스와 백킹 구조 사이에 추가적인 간격을 허용하도록 두께가 테이퍼된다. 이는 수직방향 로드가 2개의 ESM 열들의 위치로부터 이격되어 가해지는 위치에서 높은 편심 샷(high eccentric shot)을 수용한다. 이 경우 페이스는 상기 2개의 ESM 열들로부터 이격되어 칸틸레버(cantilevered)되며 수직방향에서 상대적으로 약간 더 부드럽게 된다.
선호되는 실시예에서, 백킹 구조는 매우 강성이며 시스템에 대해 추가적인 컴플라이언스를 거의 제공하지 않는다. 기저부에서 공칭(nominally) 2.0mm 넓이 x 4.0mm 높이를 가지는 중앙 리브는 상기 강성을 제공하는 ESM 열들 사이에 추가된다. 몇몇 컴플라이언스는 또한 백킹/지지부 구조로 디자인되고/허용할 수 있으나 상기 컴플라이언스는 전체 시스템의 탄성이 최적값이 되도록 플렉처 탄성 테일러 링(flexure elastic tailoring)에서 설명되어야만 한다. 결과적으로 본 디자인에서, 2.14mm 측면에서 측면으로 페이스의 모션은 ESM의 외부 빔들과 백킹 구조의 변부들 사이에서 접촉이 이루어지기 전에 허용될 수 있다. 이는 상기 백킹 구조에서 컷-아웃 폭(cutout width)에 의해 결정된다.
퍼터 적용분야( Putter Application )
종래 기술에서 공지된 바와 같이, 퍼팅에서의 핵심사항은 골프공이 퍼터 페이스를 떠나기 전에 골프공에 가능한 최대의 탑스핀을 걸어서 스키드(skid)를 감소시키는 것이며 골프공이 구르기 시작하기 전에 상기 골프공이 미끄러지는 거리를 최소화시키는 것이 선호된다.
드라이버 적용분야( Driver Application )
종래 기술에서 공지된 바와 같이, 드라이버를 칠 때, 빠른 속도로 골프공을 임팩트하여 골프공의 비행 거리를 증가시키고 크로스 레인지 비행(cross range travel)을 감소시키기 위한 핵심사항은 빠른 속도로 임팩트할 때 골프공이 과도하게 높기 뜨는 것(excess lift)을 피하도록, 골프공에 탑스핀 거는 것을 감소시키는 데에 있다.
비선형 시스템 모델링( Nonlinear System Modeling )
이 부분에서, 페이스와 바디 사이에 탄성적으로 테일러된 페이스 지지부를 포함한 클럽 헤드 및 탄성적으로 변형가능한 골프공 사이의 임팩트의 시뮬레이션을 위한 모델이 설명된다. 상기 모델을 위한 기하하적 배열은 도 9에 도식적으로 도시된다. 상기 시스템은 공간에서 자유회전운동과 자유병진운동을 하기 위한 강성의 클럽 헤드 바디 상에서 탄성적으로 지지된 강성의 페이스와 접촉하는 탄성적인 골프공을 포함하는 몇몇의 요소들로 구성된다. 상기 클럽 헤드를 위해서, 바디는 페이스를 위한 탄성 지지부를 통해 삽입된 하중들에 응답하는 6 완전자유도(3 병진운동 및 3 회전운동)를 가진 강성의 바디에 의해 나타내진다. 상기 페이스는 지지 하중들에 차례대로 응답하고 골프공과 접촉한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 페이스는 수직방향에 대해 횡단방향으로 클럽 헤드 바디에 대해 강성의 바디로서 이동될 수 있다. 지지부의 탄성은 하기와 같이 2 x 2 강성 행렬 또는 2 x 2 컴플라이언스 행렬에 의해 나타내진다.
[Xn Xt]T = {Knn Knt; Ktn Ktt}-1[Fn Ft]T
여기에서 Xn은 바디에 대한 페이스의 수직방향 편향, Xt는 바디에 대한 페이스의 접선방향 편향, Fn은 골프공 임팩트에 의해 야기된 페이스 상의 수직방향 하중, Ft는 골프공 임팩트에 의해 야기된 페이스 상의 접선방향 하중 및 K'은 페이스 지지부를 위한 탄력성 행렬(elasticity matrix)의 각각의 요소들이다.
골프공은 초기에 정지상태로부터 출발하여 특정 헤드 속도에서 클럽 헤드를 이동하며, 클럽이 전진(advance)함에 따라 골프공과 접촉하게 된다. 모델은 수직방 향과 접선방향에서 접촉 하중을 고려되며, 이 위치에서 접선방향은 페이스 상에 골프공기 롤링/슬라이딩 하는 방향에 의해 형성된다. 이는 페이스의 기하하적 배열과 초기 클럽 헤드의 배향 및 속도에 의해 결정된다. 골프공은 초기에 정지상태로부터 출발하여 수직방향 임팩트 하중들과 접선방향 임팩트 마찰 하중들은 골프공의 CG에 대한 속도와 상기 CG 주위로 회전한다. 골프공의 압축과 손실은 골프공 동력학의 단일 압축 모드로 나타내지고 허용된 점탄성 모델을 이용하여 모델링된다. 시간에 대한 상기 커플된 비선형 동력학 방정식은 Matlab Simulink toolbox에서 수치해석 적분기법을 이용하여 시간의 함수로서 수치해석적으로 해결된다. 상기 모델링으로 인해 골프공 헤드 임팩트에서 주요한 효과가 연구되며 그에 따른 결과는 골프공 스핀에 주어진 효과를 위해 선호되는 형상들과 최적 디자인 퀄리티를 강조한다.
케이스 스터디( Case Study )
페이스 마운트 탄력성, 페이스 질량 및 골프공/페이스 마찰 계수와 같은 파라미터들을 변화시키는 다수의 케이스 스터디가 수행된다. 달리 언급되지 않는 한, 10그램 강성의 페이스에서 27°로프트 각도를 가진 공칭 5번 아이언(nominal 5 iron)의 결과가 언급된다.
도 12 및 도 13은 하기 기술된 3 케이스를 위해서 시간에 대한 임팩트 시뮬레이션을 나타낸다. 도면의 있어서 도면부호는 dash/dot=1, dashed=2, solid=3 이다.
상기 dash/dot는 Knn=4.4e6, Ktt=2.8e5, Knt=5.5e5의 강성 행렬 값을 가진 커플된 페이스(coupled face)를 나타낸다. 이는 수직방향과 접선방향 사이에 결합된 시스템을 나타낸다. Dashed는 커플링은 포함하지 않으나 상대적으로 낮은 횡단 강성을 가진 시스템으로부터 야기된다. Knn=1.8e7, Knt=0, Ktt=7.2e5의 값들을 가진다. 상기 시스템은 10 그램 페이스를 지지하는 길이 5mm와 대략 0.5 * 1mm 넓이의 6개의 수직 포스트(vertical post)의 탄성 마운트 장치(elastic mount arrangement)에 상응한다.
Solid는 매우 높은 수직 강성과 횡단 강성을 가진 "강성"의 페이스를 나타낸다. 이는 스핀과 같은 임팩트 파라미터가 5번 아이언을 위한 공칭 케이스(nominal case)에 접근함을 입증한다. 따라서 상기 공칭 예상 스핀(nominal expected spin)은 ~ 6,400 RPM 이다.
Case 1(dash/dot)의 증가된 스핀과 Case 2(dashed)의 감소된 스핀은 임팩트 로딩 하에서 클럽의 바디에 대해 비변형 위치(un-deformed position)로부터 페이스의 운동이 야기된다. 상기 운동의 방향과 타이밍(timing)은 매우 중요하여 스핀을 증가시키거나 또는 감소시키는 것과 같은 원하는 지지 효과에 있어서, 마운트 탄성의 테일러링하고 연구할 수 있다. 임팩트 지속기간과 임팩트 시에 대한 페이스 운동의 타이밍은 스핀을 결정하는 데 있어서 특히 핵심적인 요소이다. 상기 일련의 케이스에서의 페이스 질량은 10 그램이다.
스핀에 있어서 현저한 증가 또는 감소는 적절한 페이스 커플링으로 구현될 수 있다. 상기 결과들은 실제적인 페이스 튜닝(actual face tuning) vs. 임팩트 지속기간에 상당히 민감하게 작동한다.
Case 번호 1 dash/dot 2 dashed 3 solid
헤드속도(mph) 89.48 89.48 89.48
골프공속도(mph) 130.028 127.086 125.398
골프공론치각도(elev.)(deg) 17.1585 22.7782 18.7527
골프공론치각도(yaw)(deg) 0.0376313 0.159735 0.0747685
골프공스핀(top)(rpm) 8327.01 3198.94 6410.85
골프공스핀(side)(rpm) 44.6463 125.551 68.7056
접선방향 강성( Tangential Stiffness )(도 16 및 도 17)
언커플된 경우에서, 접선방향 강성 튜닝(tangential stiffness tuning)에 대한 일련의 케이스들의 베이스라인 케이스(baseline case)는,
Case 1 = Knn = 1.8e7, Knt = 0(dash/dot)
강성 변형물들은 다음과 같이 나타난다.
Case 2 = Ktt/2(dashed)
Case 3 = Ktt*2(solid)
Case 4 = Ktt*8(dash/double dot)
Case 5 = Ktt*32(베이스라인 "강성의 접선방향 강성 케이스")
Case 번호 1 2 3 4 5
헤드속도(mph) 89.48 89.48 89.48 89.48 89.48
골프공속도(mph) 126.782 124.954 127.497 126.586 126.494
골프공론치각도
(elev.)(deg)		 16.7354 23.1676 15.7433 18.4742 18.5917
골프공론치각도
(yaw)(deg)		 0.064 0.2062 0.03187 0.07313 0.07265
골프공스핀
(top)(rpm)		 8406.61 2845.11 9206.93 6691.47 6658.87
골프공스핀
(side)(rpm)		 62.7807 151.819 41.5697 72.12 69.7804
상기 접선방향 강성 튜닝은 골프공 스핀을 증가시키는 효과를 최대화한다. 시간에 대한 임팩트의 분석은 하기에 기술된다.
접선방향 강성이 너무 낮으면(Case 2), 페이스는 골프공과 상기 페이스 사이의 마찰력에 상응하여 상부를 향하여 빠르게 이동된다. 상기 접선방향 강성이 낮기 때문에 (및 페이스는 10그램으로 가볍기 때문에), 페이스의 속도는 급격히 증가하며 골프공의 CG가 페이스를 횡단하여 병진 운동하는 지점의 속도를 초과하여 골프공의 스핀을 감소시킨다. 최종적으로, 접선방향 강성이 페이스를 스프링백(spring back) 시킬 때, 상기 페이스는 골프공을 다시 상부방향으로 회전시키지만 상기 골프공이 너무 작고 너무 늦어서 임팩트가 거의 끝난다(낮은 강성은 페이스 질량에 대해 낮은 페이스 응답 주기(face response frequency)를 의미함). 이에 따라 스핀을 감소시키도록 사용될 수 있다.
접선방향 강성이 대략 적절하면(Case 1, 3은 허용가능 값들의 범위를 나타냄), 페이스는 골프공 접촉점이 상기 페이스를 슬라이딩/롤링업되는 속도보다 약간 느린 속도에서 클럽의 상부방향으로 이동하며 이에 따라 골프공은 스핀업(spin up) 을 계속하여 페이스도 또한 클럽 헤드의 상부로 이동한다. 접선방향 강성과 페이스의 질량은 골프공 임팩트가 지속되는(계속 수직방향 하중과 접선방향 하중을 가지는) 반면 페이스는 스프링백(spring back)하여 이에 따라 페이스 스프링백은 골프공과 클럽 페이스 사이의 접선방향 상대 속도를 증가시키고 일반적인 범위를 훨씬 초과하여(~+3,000 RPM 까지) 골프공을 지속적으로 스핀업시킨다. 이는 종래적으로 언테일러된 페이스 마운팅을 유발할 수도 있는 골프공 스핀을 증가시키도록 사용될 수 있다.
접선방향 강성이 너무 높으면(Case 4, 5), 페이스의 접선방향 모션은 상관없거나 또는 중요치않다. 이 경우, 골프공의 롤링이 페이스와 골프공 사이의 접선방향 속도 성분과 일치할 때까지 골프공은 스핀업되고 실질적으로 페이스/골프공 인터페이스에서 슬라이딩이 되지 않아서 상기 페이스를 롤링업시킨다. 이는 더 간단한 모델에서 종래적으로 계산되는 스핀율과 동일하다. 페이스의 접선방향 강성이 더 높아질수록 시스템의 스핀 합력(spin resultant)은 상기 "롤링" 스핀값에 접근한다.
최적의 강성 범위는 1)골프공-페이스 마찰 계수, 2)페이스 로프트 및 3)페이스 자유 질량(face free mass)에 일차적으로(first order) 의존된다. 이들은 모두 접선방향 로딩의 각도와 페이스 응답 타이밍에 영향을 끼친다.
상기 강성들은 매우 종래적인(언커플된) 플렉처 장치에 의해 구현될 수 있다. 상기 장치는 페이스를 지지하는 일련의 연신된 원형 또는 직사각형 포스트들로 구성될 수 있다. 상기 장치는 또한 다수의 위치에서 스트링 스틸 인서트(string steel insert)를 포함할 수 있다. 베이스라인 케이스는 6으로 구성되며, ~ 5mm 길이를 가진 1mm 정사각형(square) 지지부이다.
접선방향 편향은 너무 크지는 않지만 (대략 베이스라인을 위한 3mm 및 Case 3을 위한 2mm) 이로 인해 디자인하기에는 좋으나 마운트 스트레인(mount strain)은 상기 모듈에서 상당히 크기 때문에, 높은 스트레인에 대한 적응성(high strain capability)을 가진 재료를 선택하는 것이 바람직하다. 일반적인 티타늄 합금 또는 스틸 합금 외에도, 가능한 다른 재료들은 모듈 또는 전체 페이스 조립체를 위해 형상기억 재료(shape memory material) 또는 준-탄성 재료(pseudo-elastic material)(니티놀(Nitinol)과 같은)가 될 수 있다.
다음의 몇몇 단락에서, 로프트 각도와 페이스 질량의 효과를 설명하는 일련의 케이스들에 대해서 기술될 것이다.
마찰 계수 및 로프트 각도
도 18 및 도 19는 도시된 2개의 케이스에 있어서 다른 사항들이 동일할 때 5번 아이언(로프트 각도 27°) 상에 단지 COF 만을 변화시켰을 때 나타나는 효과를 도시한다. 상기 케이스에서 마찰 계수는 골프공의 스핀에 중요한 영향을 끼치지 않는다. 주어진 로프트 각도를 위해 스핀은 상대적으로 상기 마찰 계수에 덜 민감하게 작용한다. Dash/dot=0.2, dashed=0.8로 매우 다른 임팩트를 나타내지만 결과는 비슷하다.
페이스 각도가 27°(5번 아이언)로부터 47°로프트(웨지(wedge)를 모델링)로 변화하며 COF가 0.2로부터 0.5로 증가하면, 상대적으로 낮은 로프트 각도의 아이언/클럽 헤드에 나타난 작용(behavior)은 심지어 동일한 강성을 이용했을 때에도 회복(recover)될 수 있다. 이것은 샌드 블래스티드 가공된 표면(sand blasted surface)으로 용이하게 구현할 수 있는 COF이다. 그 이유로는 상대적으로 높은 로프트 각도에서는 페이스의 수직방향 하중이 상대적으로 낮고 접선방향 속도는 상대적으로 높기 때문이다. 상대적으로 낮은 COFS를 가진 클럽 헤드의 낮은 로프트 각도에서 볼 수 있듯이, 페이스의 접선방향 속도/골프공 접선방향 속도의 거의 동일한 비율에서, 상대적으로 높은 COF는 상대적으로 높은 페이스 접선방향 하중을 야기하며 상대적으로 높은 페이스 속도/골프공 속도를 야기시킨다. 이는 서로 다른 페이스 각도를 가지나 이와 유사하게 원하는 공의 스핀 효과를 위한 디자인에서 유지되어야만 하는 핵심 파라미터(상대적 페이스/골프공 접선방향 속도)를 기술한다.
질량 변화(도 20 및 도 21)
본 섹션에서는, 페이스의 질량 증가의 효과를 살펴보는 일련의 실험들이 설명될 것이다. 케이스는 다음과 같다.
Case 1(solid) : 공칭 5번 아이언(27°)-이전의 모든 분석과 유사한 10그램의 페이스, 강성-공칭, COF 0.2
Case 2(dashed) : 로프트-공칭, 20그램의 페이스, 강성-공칭, COF 0.2
Case 3(solid) : 로프트-공칭, 20그램의 페이스, 강성-x3, COF 0.2
Case 4(dash/double dot) : 로프트-공칭, 20그램의 페이스, 강성-x3, COF 0.5
Case 5 : 로프트-공칭, 20그램의 페이스, 강성-공칭, COF 0.5
결과는 다음과 같다.
Case 번호 1 2 3 4 5
헤드속도(mph) 89.48 89.48 89.48 89.48 89.48
골프공속도(mph) 126.374 125.401 126.093 125.79 125.833
골프공론치각도
(elev.)(deg)		 15.904 17.3999 16.6756 18.8698 16.5546
골프공론치각도
(yaw)(deg)		 0.0471286 0.0803896 0.0423863 0.0485769 0.0437321
골프공스핀
(top)(rpm)		 9040.29 7718.06 8193.13 6374.33 8772.42
골프공스핀
(side)(rpm)		 49.4707 66.775 46.2163 58.7473 45.2584
결과에 대한 분석은 하기에 따른다.
공칭 케이스는 7그램의 질량으로 수행된다.
Dash/dot은 Knn의 베이스(base) 강성-1.08e8 및 Ktt=1.08e6, Knt=0(언커플된)을 가진 공칭 케이스이며, 이는 1.5mm 두께에서 241.5cm 길이의 정사각형 횡단면의 스틸 플렉처로 수행된다. 가장 중요하게 살펴보아야 할 그래프는 도 21C에 나타난 Tang 서프 속도 그래프(Tang surf velocity plot)이다. 접선방향 표면 속도가 0으로 접근할 때, 이는 페이스와 골프공 표면 사이의 상대적 속도가 0으로 접근함을 뜻하며 즉, 골프공이 롤링 되며 상기 페이스는 접촉점이 슬립(slip)되지 않도록 이동한다. 도 21C "Tang Head comp"에 있어서, 임팩트의 제 1 하프(half)에서 페이스는 상부를 향하여 이동하며 그 뒤 1.55초에서 하부를 향하여 이동을 시작한다. 페이스 속도는 상기 곡선의 미분값(derivative)이며 스핀을 결정하는 데 있어서 헤드 위치보다 훨씬 더 중요한 요소이다. 상기 페이스가 최상측점(most upward point)에 도달되고 하부를 향하여 이동하기 시작할 때, 페이스의 음(negative)의 속도가 증가하고 골프공을 위로 스핀시키도록 시작하며, 이는 도 21C의 "Tang Surf Vel"에서 1.5초 및 1.8초 사이에서(dash/dot line) 상승됨을 뜻한다. 상기 스프링백(spring back)은 골프공의 스핀업을 지속시키며 증가된 스핀의 원인이 된다.
일반적으로, 이는 몇몇의 튜닝 경향(tuning trend) 즉, 접선방향 DOF가 임팩트 시간마다 대략 튜닝되도록 할 때 이에 따라 페이스는 임팩트 시의 제 2 하프(second half)에서 스프링백 될 수 있다. 도 21C에서 ~1.8초에서 "Tang Surf Vel" 그래프 상의 dash/dot 곡선에서의 뾰족한 끝부분(cusp)은 페이스가 상기 스프링백의 최대한 먼 하부 범위에 제공될 때 점차 느려지는 페이스의 효과를 설명한다. 상기 "스프링백의 끝부분"에서 느려지는 페이스는 임팩트의 테일 단부(tail end)에서 발생하며, 그 외의 다른 경우에서는 골프공이 페이스를 떠나기 전 골프공의 스핀을 감소시킨다(도 21E의 "Ball Spin"에서 dash/double dot line에 도시된 바와 같이).
Dashed 곡선은(Case 2) 페이스의 질량을 20그램으로 증가시키고 그 외의 나머지들은 동일하게 유지할 때의 효과를 나타낸다. 도 21C의 "Tang Surf Vel" 그래프로부터, 큰 페이스 관성(face inertia)은 페이스의 속도를 점차 느리게 하며, 골프공의 속도와 일치시키기 위하여 롤링(rolling)을 1.45초에서 시작할 때만이 속도를 증가시키기에 상대적으로 긴 시간이 걸리는 것처럼 보인다. 스핀에 대해 좀더 살펴보면, 상대적으로 무거운 질량은 롤링 지점(rolling point)에 도달한 뒤에 스 핀업의 속도를 느려지게 한다. 이는 더욱더 느리게 이동하여 상대적으로 긴 시간 상수(time constant)를 가지며 이에 따라 속도도 그에 상응하여 느려지게 되기 때문이다. 골프공의 스핀업은 페이스 상에서 롤링할 때 페이스의 가속도(acceleration)와 연관될 때 발생된다. 상기 가속도는 상대적으로 큰 질량(및 동일한 강성)을 포함해서는 크지 않기 때문에, 상기 스핀업은 그리 두드러지지 않는다. 긴 시간 상수로 인해 스프링백이 임팩트의 후반부(late)에 발행하고 따라서 시스템이 스핀업하기 위한 충분한 시간이 생긴다.
시스템의 속도를 증가시키면, 강성(수직방향 및 접선방향)들은 3배로 증가되었다(solid 곡선). 이는 단지 작은 효과만을 가지지만 스프링백의 끝부분이 임팩트의 끝부분 바로 직전에 발생하는 지점에서 시스템의 속도를 증가시켰다. 이로써 진동하는(oscillating) 페이스는 골프공이 접촉되는 페이스를 떠나기 약간 전에 상기 공을 디-스핀(de-spin) 시킬 수 있다. 상기 3가지 케이스 모두 스핀이 훌륭하며, 이는 흠 없는 디자인임을 입증한다.
Case 4(dash/double dot)는 최종 케이스를 택하며 COF를 0.5(예상값)로 상승시키고, 이로 인해 골프공이 더 빨리 구르게 하는 효과를 야기했다. 롤링 조건은 상대적으로 낮은 마찰 하중과 연관되며, 이에 따라 페이스는 급격하지 않게 가속되고 임팩트 타이밍에 대해 더욱 빠른 스프링백을 유발한다. 상기 더 빠른 스프링 백은 코스에서 작용하며 임팩트의 끝부분 전에 감속(decelerating)을 시작한다. 상기 마찰이 높음으로 인하여 도 21E(dash/double dot)에 도시된 "Ball Spin"에서 발생되는 급격한 디-스핀을 야기한다.
Case 5는 20그램의 페이스, COF=0.5인 원래 강성(original stiffness)으로 회귀함으로써 교정하고자 한다. 이는 강성을 상대적으로 적게 하여 이에 따라 페이스는 더욱더 천천히 스프링백되고 더 멀리 나아간다(travel). 높은 마찰에 의해 야기된 관성은 페이스가 상부를 향하여 이동하도록 지속시키며, 상대적으로 느려진 시스템에 의해 임팩트가 실질적으로 끝난 뒤에 스핀이 거의 없던지 또는 디-스핀이 없도록 회귀된다(return).
베이스라인 강성이 심지어 더 큰 20그램의 페이스 경우에도 정확한 값을 제공하는 것으로 보인다. 페이스의 COR이 질량이 증가됨에 따라 변화하지 않았음이 중요한 의미를 지닌다. 일반적으로 큰 페이스 질량은 골프공의 운동 에너지를 소모(drain)시키도록 작용할 수 있다.
따라서 공개된 본 발명의 다양한 실시예들로 인해, 이제 다수의 추가적인 변형물들이 명백하게 가능하며, 상기 변형물들의 설명은 본 발명의 사상(concept)들을 단지 설명할 뿐이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 상세한 설명에 의해 제한되어서는 안 되며 오직 첨부된 청구항들과 그의 균등물(equivalent)들에 의해서만 그 범위가 정해져야 한다.

Claims (25)

  1. 톱(top), 솔(sole), 발끝(toe), 발꿈치(heel) 및 후방 표면(rear surface)을 가진 바디(body)와 골프공 타격 페이스에 의해 형성된 골프 클럽 헤드에 있어서,
    상기 헤드는:
    - 상기 헤드와 골프공과의 임팩트 시에, 상기 바디에 대한 상기 페이스의 접선방향 모션(tangential motion)을 제어하기 위하여, 상기 바디의 후방 표면과 페이스 사이에 삽입된(interposed) 하나 이상의 플렉처 모듈(flexure module)을 포함하며;
    - 상기 하나 이상의 플렉처 모듈은 상기 페이스의 접선방향 모션을 위해 연신된 플렉처 빔에 부착된 페이스 마운트를 가진 접혀진 빔을 포함하는 것을 특징으로 하는 골프 클럽 헤드.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 헤드는 골프 클럽 아이언 헤드인 것을 특징으로 하는 골프 클럽 헤드.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 페이스에 대해 평행하고 상기 페이스의 후방에 위치한 평면 백킹 구조물(planar backing structure)을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 골프 클럽 헤드.
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  11. 톱, 솔, 발끝, 발꿈치 및 후방 표면에 의해 형성된 바디와 골프공 타격 페이스를 가진 골프 클럽 헤드에 있어서,
    상기 헤드는:
    - 상기 바디에 대한 페이스의 접선방향 모션이 상기 헤드와 골프공과의 임팩트에 응답하도록 구성된 페이스를 포함하며;
    - 하나 이상의 플렉처 모듈을 포함하고, 상기 하나 이상의 플렉처 모듈은 고정된 백킹 구조물에 대해 페이스의 접선방향 모션을 위해 연신된 제 2 플렉처 빔에 부착된 하나 이상의 백킹 구조물 마운트와 연신된 제 1 플렉처 빔에 부착된 하나의 페이스 마운트를 가진 접혀진 빔을 포함하는 것을 특징으로 하는 골프 클럽 헤드.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 페이스는 상기 바디에 대해 탄성적으로 지지되는 것을 특징으로 하는 골프 클럽 헤드.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 헤드는 골프 클럽 아이언 헤드인 것을 특징으로 하는 골프 클럽 헤드.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 페이스는 다수의 탄성 마운트들에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 골프 클럽 헤드.
  15. 제 11 항에 있어서, 상기 페이스는 연신된 빔 상에서 하나 이상의 탄성 모션 마운트에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 골프 클럽 헤드.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 빔은 길이를 따라 가변적인 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 골프 클럽 헤드.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 빔은 빔의 단부보다 중앙에서 두께가 더 얇은 것을 특징으로 하는 골프 클럽 헤드.
  18. 제 11 항에 있어서, 상기 페이스는 접혀진 빔 상에서 지지된 복수의 탄성 마운트 상에서 지지되며, 상기 접혀진 빔은 상기 바디의 상기 후방 표면으로 연장되는 것을 특징으로 하는 골프 클럽 헤드.
  19. 제 11 항에 있어서, 상기 페이스는 페이스의 접선방향 모션이 상기 골프공과의 임팩트에 응답하여 공의 스핀을 감소시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 골프 클럽 헤드.
  20. 제 11 항에 있어서, 상기 페이스는 페이스의 접선방향 모션이 상기 골프공과의 임팩트에 응답하여 공의 스핀을 증가시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 골프 클럽 헤드.
  21. 제 11 항에 있어서, 상기 페이스는 페이스의 접선방향 모션이 상기 바디의 톱과 솔 사이의 방향에서 골프공의 스핀을 가변시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 골프 클럽 헤드.
  22. 제 11 항에 있어서, 상기 페이스는 페이스의 접선방향 모션이 상기 바디의 발끝과 발꿈치 사이의 방향에서 골프공의 스핀을 가변시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 골프 클럽 헤드.
  23. 제 11 항에 있어서, 상기 페이스는 페이스의 접선방향 모션이 상기 골프 클럽 헤드에 의해 임팩트된 골프공의 궤적을 가변시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 골프 클럽 헤드.
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