KR20060094025A - 골프 클럽 헤드 - Google Patents

Abstract

반발 계수를 규제 범위 내로 유지하면서, 공을 타격하기가 더 쉬운 골프 클럽 헤드를 제공한다. 공을 타격하는 페이스는 영률에 있어서 이방성 재료로 만들어진다. 바람직하게는, 페이스를 구성하는 재료상의 최대 영률의 방향은 그 페이스의 수평 방향과 수직이다.

Description

골프 클럽 헤드{GOLF CLUB HEAD}

도 1 은 골프 클럽 헤드의 개략적인 도면이다.

도 2 는 직교 이방성 탄성 재료 모델의 종탄성 계수의 방향 (재료 절단 각도 θ) 의존성을 나타내는 도면이다.

도 3 은 유한요소 해석(FEM)에서 사용된 메쉬 다이어그램이다. 원점은 공의 타격점이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1: 골프 클럽 헤드 2: 페이스 (face)

3: 크라운 (crown) 4: 솔 (sole)

5: 호젤 (hosel)

본 발명은 골프 클럽 헤드에 관한 것으로, 구체적으로는, 개선된 페이스를 가지는 골프 클럽 헤드에 관한 것이다.

골프 클럽 헤드는 고반발성을 획득하기 위한 관점에서는 강성(剛性)이 낮고, 내구성의 관점에서는 피로 강도가 높고, 경량화의 관점에서는 그 재료의 밀도가 낮 은 것이 바람직하다. 이들 요구 조건에 따라, 최근에는 티타늄 합금제 골프 클럽이 널리 사용되고 있다(일본특허공개공보 제2003-38690호).

클럽 헤드의 강성은 볼 타격시의 반발력을 나타낸다. 그러므로 강성이 낮으면, 소위 "스프링 효과"에 의해 더 긴 비거리를 얻을 수 있다. 페이스의 강성은 페이스 두께의 세제곱에 비례하므로, 페이스의 두께가 얇은 것이 바람직하다.

페이스는 볼을 타격할 때의 페이스 변형을 견디는 일정 수준의 피로 강도를 가져야만 하기 때문에, 피로 강도가 높은 쪽이 바람직하다. 높은 피로 강도를 갖는 재료에 의해, 클럽 헤드는 공에 의한 페이스의 손상 없이 보다 긴 비거리를 허용한다.

골프 클럽의 타격 용이성 관점에서 보면, 페이스의 재료의 밀도가 낮은 것이 바람직하다. 페이스 부분의 중량이 크면, 그 클럽의 무게 중심은 페이스 쪽으로 이동하고, 이것은 소위 "스윗 스팟(sweet spot)"의 면적을 감소시킨다.

상기의 사정을 감안하여, 최근에는 보다 먼 비거리를 얻을 수 있는 골프 클럽이 널리 유통되고 있다. 그 결과로, 선수들이 그들의 기량을 겨루는 경기인 골프가 도구의 우열에 크게 좌우되고 있다. 이러한 추세는 승부를 겨루는 경기로서의 골프 경기에 대한 흥미를 떨어뜨린다. 이 골프에 대한 흥미 저하에 대응하여 2008년부터는 클럽 헤드의 반발 계수 (COR) 를 0.83 이하로 규제하기로 결정되어 있다(이 규제는 프로 골프 경기에 대해서는 이미 시행되고 있다.)

그러나 기존의 재료에 의해 이러한 낮은 반발 계수를 실현하려한다면 페이스 가 두꺼워져야만 되어, 클럽 헤드의 무게가 증가하고, 그 클럽 헤드의 무게 중심을 페이스 쪽으로 이동시킴으로써 타격 용이성의 문제를 일으킨다.

상기의 사정을 감안하여, 반발 계수를 억누르면서 보다 타격이 쉬운 골프 클럽 헤드가 요망되고 있지만, 이러한 골프 클럽 헤드는 아직 개발되지 않았다.

본 발명은 이러한 상기의 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 반발 계수가규제값보다 높지 않으면서도, 타격하기가 쉬운 골프 클럽 헤드를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위해 연구를 거듭한 결과, 다음을 알아 낼 수 있었다.

(a) 반발 계수의 증가를 억제하면서, 타격하기가 쉬운 골프 클럽 헤드를 실현하기 위해서는 그 재료의 강성을 높이는 것이 효과적이다.

(b) 클럽 페이스의 재료의 영률을 이방성으로 만들면, 이방성이 아닌 경우와 비교해서 강성이 높아지고, 특히, 영률이 높은 방향을 그 페이스의 수평 방향에 수직으로 하면, 더욱 높은 강성을 얻을 수 있다.

(c) (α+β)형 티타늄 합금에서 일반적으로 채용되는 크로스 압연(cross- rolling)에서는 영률이 거의 등방성으로 된다. 그러나 실질적으로 일방향의 압연을 실시함으로써, 영률에 있어서 현저한 이방성이 나타나고, 압연 방향, 즉, 주 압연방향에 대하여 수직인 방향에서 최대 영률이 얻어지게 된다.

(d) 영률에 있어서 이방성이 나타나기 위한 관점 및 필요한 강도를 확보하기 위한 관점에 있어서 (α+β)형 티타늄 합금이 효과적이다.

본 발명은 상기의 알아낸 바를 바탕으로 하여 이루어진 것으로, 이하의 (1)~(6) 을 제공한다.

(1) 볼을 타격하는 페이스가 영률에 있어서 이방성 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 골프 클럽 헤드.

(2) (1) 의 골프 클럽 헤드에 있어서, 상기 페이스 재료의 영률에 있어서 가장 큰 방향을 그 페이스의 수평 방향에 수직인 방향으로 하는 것을 특징으로 하는 골프 클럽 헤드.

(3) 볼을 타격하는 페이스가 실질적으로 일방향으로 압연하여 얻어진 압연판으로 만들어지고, 그 주 압연 방향을 그 페이스의 수평 방향이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 골프 클럽 헤드.

(4) (1)~(3) 중 어느 하나의 골프 클럽 헤드에 있어서, 상기 페이스의 재료는 티타늄 합금인 것을 특징으로 하는 골프 클럽 헤드.

(5) (4) 의 골프 클럽 헤드에 있어서, 상기 페이스의 재료는 (α+β)형 티타늄 합금인 것을 특징으로 하는 골프 클럽 헤드.

(6) (5) 의 골프 클럽 헤드에 있어서, 상기 티타늄 합금은, 질량%로 Al:3.5~5.5%, V: 2.5~3.5%, Fe: 1.5~2.5%, Mo: 1.5~2.5%, O:0.25% 이하, 그리고 잔부가 Ti 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 골프 클럽 헤드.

본 발명은 볼을 타격하는 페이스로서, 영률에 있어서 이방성인 재료를 사용 하기 때문에, 영률에 있어서 이방성이 아닌 재료와 비교하여 그 페이스의 강성을 높일 수가 있고, 따라서 페이스 두께를 증가시키지 않고 반발 계수를 억제할 수 있어 낮은 반발 계수를 가지며 또한, 경량이고 공을 타격하기가 쉬운 골프 클럽 헤드를 실현할 수 있다. 특히, 그 페이스를 구성하는 재료의 영률이 최대인 방향을 그 페이스의 수평 방향에 대해 수직으로 선택함으로써, 페이스의 강성을 더욱 높일 수가 있으며, 클럽 헤드를 더 경량화할 수 있다. 구체적으로는, 공을 타격하는 페이스를 실질적으로 일방향만의 압연, 통상 일방향만의 압연(일방향 압연)에 의해 얻어진 압연판으로 구성하고, 그 주 압연 방향을 그 페이스의 수평 방향이 되도록 함으로써, 영률이 최대인 방향을 그 페이스의 수평 방향에 수직인 방향으로 하여, 낮은 반발 계수를 가지며, 또한 경량의 골프 클럽 헤드를 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 실시형태에 관해 상세히 설명한다.

도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 관한 골프 클럽 헤드를 보여주는 사시도이다. 이 골프 클럽 헤드 (이하, 헤드라고도 칭함) (1) 는 공을 타격하는 페이스 (2), 그 페이스 (2) 의 상단으로부터 연장하여 헤드 (1) 의 윗면을 형성하는 크라운 (3), 헤드 (1) 의 바닥을 형성하는 솔(sole) (4), 그리고 샤프트를 부착하기 위한 호젤 (hosel) (5) 을 가진다.

페이스 (2) 는 금속 또는 합금, 통상은 티타늄 합금으로 만들어지고, 영률에 있어서 이방성을 가진다. 바람직하게는, 페이스 (2) 는 영률이 최대인 방향을 그 페이스의 수평 방향에 수직인 방향으로 한다. 여기서, 수평 방향에 수직인 방향으로는, 완전한 수직 방향에만 한정되는 것이 아니라 수직 방향으로부터 대략 ±15°정도의 범위가 허용된다. 이 범위 내에서는 다른 방향의 영률로부터 영률이 증가 될 수 있다.

이렇게 영률에 있어서 이방성을 가짐으로써, 영률에 있어서 실질적으로 등방성인 종래의 페이스와 비교하여 그 페이스 (2) 의 강성을 높일 수 있음으로써, 반발 계수를 낮출 수가 있다.

즉, 종래의 헤드 재료로서 널리 사용되었던 (α+β)형 티타늄 합금판은 통상 직교하는 2 방향으로 압연을 실시하는 크로스 압연(cross-rolling)에 의해 제조되었다. 따라서 이러한 재료를 페이스의 재료로서 사용하는 경우에는, 영률에 있어서 실질적으로 등방적이 된다. 그러나 상기한 바와 같이, 영률에 있어서 이방성을 부여함으로써, 종래보다 그 강성을 높일 수가 있다.

영률에 있어서의 이방성을 가지기 위해서는, 실질적으로 일방향으로 압연된 판재, 통상 일방향만으로(일방향 압연) 압연된 판재를 사용하는 것이 유효하다. 그 재료의 영률이 최대인 방향을 페이스 (2) 상의 수평 방향에 수직으로 하기 위해서는, 그러한 압연판의 주 압연 방향을 페이스 (2) 상의 수평 방향으로 한다.

페이스 (2) 의 재료로는, 종래 가장 많이 사용되어 온 통상의 헤드 재료인 티타늄 합금이 바람직하다. 그러나 티타늄 합금 이외에 복합 재료 등도 유효하다. 티타늄 합금은 비록 강 및 다른 금속에 비해 저밀도이지만 강도가 높기 때문에 헤드의 무게를 줄일 수 있다. 또한, 티타늄 합금은 피로 강도가 높기 때문에 내구성도 높다. 통상의 금속 및 합금과 비교하여 복합 재료는 그 밀도에 비해 높은, 영률에 있어서의 이방성을 제공한다. 또한, 복합 재료도 높은, 영 률에 있어서의 이방성을 가진다. 그러므로 티타늄 합금과 복합 재료는 본 발명을 구현함에 있어 매우 바람직하다.

티타늄 합금으로서는, (α+β)형 티타늄 합금이 바람직하다. (α+β)형 티타늄 합금은 β 티타늄 합금보다 충분한 강도를 유지하면서, 영률에 있어서의 이방성을 쉽게 제공한다.

바람직한 (α+β)형 티타늄 합금은, 질량%로 Al:3.5~5.5%, V: 2.5~3.5%, Fe: 1.5~2.5%, Mo: 1.5~2.5%, O:0.25% 이하, 그리고 나머지 Ti 및 불가피한 불순물을 포함한다. 이러한 조성의 티타늄 합금은 강도, 특히 피로 강도가 높아서 골프 클럽 페이스용 재료로서 매우 바람직하다.

이러한 티타늄 합금은 상기 조성의 출발 소재를 (β 변태점-250℃)의 온도 이상, β 변태점 미만의 온도 범위로 가열한 후, 50% 이상, 바람직하게는 75% 이상의 압하율로 열간 단조, 열간 압연, 열간 압출 등의 열간 가공을 수행하여 제조할 수 있다.

다음으로, 상기 범위 내의 조성을 가지는 티타늄 합금을 사용하여, 압연 방향과 영률 사이의 관계를 결정한 결과와, 영률에 있어서의 이방성과 페이스의 강성 사이의 관계를 결정하기 위한 유한요소 해석(FEM)의 결과에 관해 설명한다.

사용된 재료는 상기 조성 범위를 가지는 티타늄 합금을 일방향으로 압연한 판재였다. 압연 방향 (L 방향), 압연 방향과 수직인 방향 (T 방향), 그리고 압연 방향에 대하여 45°의 방향(45°방향) 에서 영률(종탄성계수) 및 프와송 비를 결정하였다. 그 결과를 표 1 에 나타낸다.

FEM 해석을 수행함에 있어서는, FEM 해석 코드 ANSYS의 요소 모델에서 사용되는 탄성 계수 직교 이방성 재료 모델을 사용하였다. 그 해석의 특성값으로는 표2 에 나타낸 값을 사용하였다. 등방적인 영률은 115GPa 로 하였다. 도 2 에는 이 직교 이방성 재료 모델에 있어서의 종탄성계수의 방향(재료 절단 각도 θ) 의존성을 나타낸다.

FEM 해석 모델은 페이스를 5각형에 유사하게 한 것이다. 페이스의 치수는, 그 헤드의 수평 방향에 수직인 방향 (Y) 으로는 40mm 로 하고, 그 헤드의 수평 (X) 방향으로는 80mm 로 하고, 판 두께는 3mm 로 하였다. FEM 해석을 수행하는 데는 도 3 에 나타낸 FEM 해석 메쉬 다이어그램을 사용하였다. 이 메쉬 다이어그램의 중앙을 공의 타격점에 상당하는 원점으로 하고, 주변의 지점들은 모든 변위를 구속하고 있다. 공의 타격점 (X-Y 좌표의 원점) 에 있어서, Z 방향에 1 뉴튼(N) 의 힘을 작용시키고, 그 점의 Z 방향에서의 변위 δ 를 결정하였다. 강성은 힘 (1N) 을 변위 δ 로 나눈 값이다.

종래의 크로스 압연과 유사한 영률에 있어서 등방적인 경우(case 1), 영률이 큰 방향 (압연 방향에 대해 수직인 방향)을 페이스의 수평 방향으로 한 경우 (case 2), 영률이 큰 방향을 페이스의 수평 방향에 수직인 방향으로 하는 경우 (case 3), 영률이 큰 방향을 45°방향으로 하는 경우 (case 4) 의 네 가지 경우에 대해 그 강성을 결정하였다. 그 결과를 표 3 에 나타낸다.

표 3 에 나타낸 바와 같이, 영률에 있어서 이방성이 없는 경우 (case 1) 와 비교하여 영률에 있어서 이방성을 가지는 경우 (case 2~4) 는 (case 1) 보다 큰 강 성을 나타내었고, (case 1) 에서의 강성의 크기를 1로 한 강성비로는 모두다 1.05 이상을 나타내었다. 특히, (case 3) 에서는, 강성비가 1.12 로 되어 (case 1) 보다 12 % 강성이 더 상승하였다.

상기한 바와 같이, 페이스 재료가 영률에 있어서 이방성을 가지는 경우, 그 강성은, 영률에 있어서 등방성을 나타내는 종래의 경우에 비해 높아져서 페이스의 두께를 증가시키지 않으면서도 반발 계수를 낮출 수가 있다.

또한, 상기 설명에서는 티타늄 합금을 사용하는 경우에 대해 설명하였지만, 본 발명은 티타늄 합금 이외의 금속 또는 합금, 그리고 상기한 바와 같은 복합 재료에도 적용될 수 있다.

실시예

이하 본 발명에 따른 골프 클럽 헤드의 실시예에 관해 설명한다.

표 4 에 나타낸 조성을 가지는 티타늄 합금을 사용하여, 티타늄 합금 판재를 준비하였다. 본 합금은 (α+β)형 티타늄 합금이다. 본 발명의 실시예로서, 상기 판재를, 가열 온도 830℃, 압연 개시 온도 800℃, 압연 종료 온도 680℃ 의 조건하에서 일방향 압연으로 열간 가공하여 판두께 3mm의 페이스용 판재를 제조하였다. 비교예로서는, 가공 온도, 압연 개시 및 종료 온도 등, 상기와 같은 압연 조건하에서 크로스 압연으로 열간 가공한 판 두께 3mm 의 페이스용 판재를 제조하였다.

본 조성(표 4) 에서는, 종래의 크로스 압연에 의해 제조된 판을 사용한 각각의 비교예와, 일방향 압연에 의해 형성된 영률에 있어서의 이방성을 가지고, 영률이 큰 방향을 페이스의 수평 방향에 수직인 방향으로 가지는 판재를 사용한 본 발명의 각각의 실시예에 대해 강성 및 반발 계수를 결정하였다.

강성의 측정은, 스트레인 게이지법에 의해 이하의 방법을 따라 실시하였다.

상기의 방법으로 제조한 본 발명의 실시예 및 비교예의 티타늄 합금판으로부터, 그 길이 방향(10cm)이 압연 방향과 평행하도록 시험 재료(6cm×10cm)를 절단하였다. 상기 시험 재료의 중앙에 스트레인 게이지를 붙였다. 그리고 이 시험 재료는 그 시험 재료 자신과 동일한 치수를 갖는 직사각형의 프레임에 고정되었다. 상기 시험 재료의 중앙에 골프공을 연속하여 45m/sec의 속도로 때리고 그때의 스트레인 게이지의 출력을 측정하였다.

반발 계수는 USGA (미국 골프 협회) 의 규정 4-1e 에 규정된 방법에 위해 측정하였다. 상기 방법으로 제조된 티타늄 합금판(본 발명의 실시예)을 가지고, 그 페이스의 수평 방향이 그 압연 방향과 평행이 되도록 배치하여 본 발명의 실시예의 골프 클럽 헤드를 제조하였고, 또한, 크로스 압연법에 의해 비교예의 골프 클럽 헤드를 제조하였다. 실시예와 비교예의 양 헤드에 대하여 반발 계수 (OCR) 를 측정하였다. 반발 계수는 속도비 (V_out /V_in) (여기서, V_out 은 타격 후의 헤드 속도이고 V_in 은 타격 전의 헤드 속도) 를 결정하는 다음 식 (1) 의 "e" 이다.

V_out /V_in =(eM-m)/(M-m) (1)

여기서, M 은 클럽 헤드의 질량, m은 공의 평균 질량이다.

시험 결과를 표 5에 나타낸다. 표 5 로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예는 비교예와 대비하여 14%의 강성 향상이 확인되었다. 또한, 상기 결과값은 FEM 해석 결과 (표2) 와 거의 일치하며, 본 발명의 예가 강성의 향상에 효과를 가진다는 것을 확인하여준다.

또한, 본 발명에 따른 골프 클럽 헤드의 반발 계수는 0.82 로 USGA 규격을 만족하는 것이다. 이에 반하여, 비교예의 골프 클럽 헤드의 반발 계수는 0.84 였다. 이 비교가 나타내듯이, 본 발명의 실시예에 있어서는, 페이스의 두께를 증가시키지 않으면서도 종래 헤드의 반발 계수와 비교하여 반발 계수를 낮추어 규제값 0.83 이하로 할 수가 있었다.

	강성비(剛性比)	반발 계수 (COR)
본 발명의 실시예	1.14	0.82
비교예	1	0.84

반발 계수가 규제값보다 높지 않으면서도, 타격하기가 쉬운 골프 클럽 헤드를 제공한다.

Claims (6)

1. 볼을 타격하는 페이스가 영률에 있어서 이방성 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 골프 클럽 헤드.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 페이스 재료의 영률이 가장 큰 방향을 그 페이스의 수평 방향에 수직인 방향으로 하는 것을 특징으로 하는 골프 클럽 헤드.
3. 볼을 타격하는 페이스가 실질적으로 일방향으로 압연하여 얻어진 압연판으로 만들어지고, 그 주 압연 방향을 그 페이스의 수평 방향이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 골프 클럽 헤드.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 페이스의 재료는 티타늄 합금인 것을 특징으로 하는 골프 클럽 헤드.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 페이스의 재료는 (α+β)형 티타늄 합금인 것을 특징으로 하는 골프 클럽 헤드.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 티타늄 합금은, 기본적으로, 질량%로 Al:3.5~5.5%, V: 2.5~3.5%, Fe: 1.5~2.5%, Mo: 1.5~2.5%, O:0.25% 이하, 그리고 잔부가 Ti 및 불 가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 골프 클럽 헤드.

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