CN103083884B - 高尔夫球杆杆头 - Google Patents

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Abstract

高尔夫球杆杆头2具有杆头主体h1和CFRP部件16。CFRP部件16构成顶部6的至少一部分或底部8的至少一部分。CFRP部件16具有含有层叠UD层的UD层叠部18。在UD层叠部18中，纤维的方向基本设置为三个方向。当三个方向是第一方向、第二方向和第三方向时，第二方向相对于第一方向的角度基本上为+60°，第三方面相对于第一方向的角度基本上为-60°。优选UD层叠部18在纤维定向角中具有层叠对称性。优选UD层叠部18的层数为5以上且12以下。

Description

高尔夫球杆杆头
技术领域
本申请基于2011年10月28日向日本提交的No.2011-236582的在先申请，因此将其全部内容通过引用结合在此。
背景技术
本发明的领域
本发明涉及高尔夫球杆杆头。具体地说，本发明涉及具有CFRP部件的高尔夫球杆杆头。
相关技术的说明
在高尔夫球杆杆头中，可依靠规则调整杆头的回弹系数和体积。就挥杆平衡而言，可限制杆头的重量。此外，就实用性而言，需要高强度。规则和限制使得设计具有提高的性能的杆头变得复杂。
为了改进杆头的性能，使用CFRP的杆头是已知的。CFRP是指碳纤维强化塑料（CarbonFiber Reinforced Plastic）。CFRP可具有比钛更高的特定强度。通过使用CFRP可产生超重（excess weight）。通过对超重进行重新处理，可以改变杆头重心位置。超重可以改进杆头设计的自由度。
日本申请公开No.4222118（US 2005/0026721）公开了具有由基于整体钛的金属材料、金属基板、以及纤维强化树脂主体组成的中空的高尔夫球杆杆头。段落[0036]公开了沿顺时针方向朝向跟趾方向倾斜60度定位的碳纤维的薄片、以及沿逆时针方向朝向跟趾方向倾斜60度定位的碳纤维的薄片。在日本专利申请公开No.2005-253606的图6中，公开了沿四个方向定位的层板（laminate）。日本专利申请公开No.2005-312646（US 2005/0245328、US 2009/0139643、US 2009/0176600）公开了其中纤维以30~90°的角交叉的构造。日本专利申请公开No.2005-296626（US 2005/0209022）公开了一种树脂部件，该部件包括其中纤维基本上相对于杆头前后方向线0°的0方向预浸料（prepreg）、以及其中纤维基本上相对于杆头前后方向线90°的90方向预浸料。
发明内容
CFRP具有大于金属的阻尼比率（损耗系数）。因此，击球声易于变短。此外，在使用CFRP的杆头中，击球声的初峰频率（primarypeak frequency）趋向于较低。具有低频率的较短击球声易于给高尔夫球手提供不良的印象。击球声可能对对高尔夫球手的心理和挥杆有影响。优选改进击球声。
本发明的目标在于提供一种具有CFRP部件且具有出色击球声的高尔夫球杆杆头。
根据本发明的高尔夫球杆杆头具有杆头主体和CFRP部件。CFRP部件构成顶部（crown）的至少一部分或底部（sole）的至少一部分。CFRP部件具有含有层叠UD层的UD层叠部。在UD层叠部中，纤维的方向基本设置为三个方向。
三个方向是第一方向、第二方向和第三方向。此时，优选第二方向相对于第一方向的角度基本上为+60°，第三方面相对于第一方向的角度基本上为-60°。
优选，UD层叠部在纤维定向角中具有层叠对称性。
优选，UD层叠部的层数为5以上且12以下。
优选，CFRP部件构成顶部的至少一部分。
优选，杆头的体积等于或大于400cc。优选，杆头的重量等于或低于200g。优选，横向惯性矩等于或大于4600g·cm2。
可以获得具有CFRP部件且具有出色击球声的高尔夫球杆杆头。
附图说明
图1是根据本发明实施方式的杆头的透视图。
图2是显示用于图1的杆头的杆头主体部分的平面图。
图3是用于图1的杆头的CFRP部件的分解透视图。
图4显示图3的CFRP部件的各层中纤维的方向。
图5是说明层叠对称性的横截面图。
图6是显示杆头平面图的模拟图，并且CFRP部件16在图6中显示为黑色。
图7是显示杆头底视图的模拟图。
图8是显示杆头平面图的模拟图，并且顶部打开位置cp1如图8所述。
图9是显示在模拟A中一阶（first-order）固有频率；
图10是显示在一阶模式中振动形态的模拟图，并且杆头A1~A8如图10中所示；
图11是显示在一阶模式中振动形态的模拟图，并且杆头A9~A16如图10中所示；
图12是显示在模拟B中固有频率（顶部的一阶模式中的固有频率）fm的计算结果的曲线图；
图13是显示在顶部的一阶模式中振动形态的模拟图，并且杆头Bx1~Bx3如图13中所示；
图14是显示在顶部的一阶模式中振动形态的模拟图，并且杆头Bx4~Bx7如图14中所示；
图15是显示在顶部的一阶模式中振动形态的模拟图，并且杆头By1~By3如图15中所示；
图16是显示在顶部的一阶模式中振动形态的模拟图，并且杆头By4~By7如图16中所示；
图17是显示在模拟C中固有频率（顶部的一阶模式中的固有频率）fm的计算结果的曲线图；
图18是显示在一阶模式、二阶模式、三阶模式、以及四阶模式中杆头C1的振动形态的模拟图；
图19是显示在顶部的一阶模式中振动形态的模拟图，并且杆头C2~C5如图19中所示；并且
图20是显示在顶部的一阶模式中振动形态的模拟图，并且杆头C6~C8如图20中所示。
具体实施方式
在下文中，将适当参考附图，基于优选实施方式，对本发明进行详细描述。
在本发明中，定义了基态、跟趾方向、前后方向FB。
[基态]
基态是杆头以预定杆头倾角（lie angle）和实际杆面角度（loft angle）设置在水平面h上的状态。更详细的说，基态是以下状态。杆头以如下状态放置在水平面h上：杆头的轴孔（shafthole）的中心轴线z设定为在可选的竖直表面VP1中，所述中心轴线z以杆头倾角倾向水平面h，并且所述杆面表面以实际杆面角度倾向竖直表面VP1。竖直表面VP1是平行于垂线的平面。
[跟趾方向]
在基态的杆头中，平行于竖直表面VP1和水平面h的相交线的方向是跟趾方向。
[前后方向]
在基态的杆头中，垂直于竖直表面VP1和水平面h的相交线的方向是前后方向。
图1是根据本发明实施方式的杆头2的透视图。杆头2是木型杆头。杆头2具有杆面4、顶部6、底部8、以及棒颈（hosel）10。棒颈10具有轴孔12。杆头2具有空心结构。此外，杆头2具有侧面14。
杆头2通过组合多个部件形成。所述具体实施方式的杆头2通过结合杆头主体h1和顶部部件c1形成。所述杆头2通过结合杆头主体h1和底部部件形成。
此外，杆头主体h1可以通过结合多个部件形成。例如，杆头h1可以由具有打开的杆面部（opened face portion）的第一部件以及形成杆面的第二部件形成。
图2是从顶部侧面观察的杆头主体h1的平面图。在实施方式中，杆头主体h1具有顶部打开位置cp1。顶部部件c1未在图2中显示。因此，在图2中，画出了底部8的内表面8n。在杆头2中，顶部打开位置cp1可被顶部部件c1闭合。因此，在杆头2中，看不见底部8的内表面8n。
如图2所示，杆头主体h1具有在顶部打开位置cp1周围设置的水平差异部（leveldifference part）cp2。水平差异部cp2的高度基本等于顶部部件c1的厚度。因此，在杆头2的外表面上，顶部部件c1和杆头主体h1之间的分界线k1没有水平差异。
顶部部件c1形成顶部6的一部分。顶部部件c1形成顶部6的大部分。顶部部件c1占顶部6的面积的50%以上。
用于结合顶部部件c1和杆头主体h1的方法是粘合。粘合剂被用于粘合。在顶部打开位置cp1和水平差异部cp2之间的区域是重叠部分a1。在重叠部分a1中，顶部部件c1和杆头主体h1是重叠的。在重叠部分a1中，顶部部件c1和杆头主体h1结合在一起。重叠部分a1设置为覆盖顶部打开位置cp1的全部圆周。
在除了重叠部分a1以外的部分中，顶部部件c1并不由杆头主体h1支持。在除了重叠部分a1以外的部分中，顶部部件c1单独形成顶部6。
顶部部件c1由CFRP形成。CFRP是指碳纤维强化塑料。在该实施方式中，顶部部件c1是CFRP部件16。
在本申请中，包括仅CFRP部件的部分被称为CFRP单一部分（single part）。在顶部部件c1中，除了重叠部分a1之外的部分是CFRP单一部分。换言之，CFRP单一部分是在顶部打开位置cp1内部的部分。CFRP单一部分不被杆头主体h1支持。CFRP单一部分占顶部6面积的50%以上。
CFRP部件16可位于除了顶部6之外的部分。CFRP部件16可设置在顶部6和侧面14中。CFRP部件16可以设置在顶部6、侧面14、和底部8。CFRP部件16可以设置在底部8。CFRP部件16可以设置在底部8和侧面14。
CFRP部件16是层叠片。CFRP部件16由数层形成。所有的层皆可由CFRP形成。
预浸料可用于生产CFRP部件16。预浸料具有基质树脂和碳纤维。一个层可由一个预浸料形成。层叠片可通过层叠多个预浸料而形成。
图3是显示CFRP部件16（顶部部件c1）的层叠片的分解透视图。图4是显示CFRP部件16的层叠片的平面图。CFRP部件16具有七层。CFRP部件16具有第一层s1、第二层s2、第三层s3、第四层s4、第五层s5、第六层s6、第七层s7。第一层s1是最内层。第一层s1形成杆头2的内表面。换言之，第一层s1与杆头的空心部分接触。第七层s7是最外层。第七层s7形成杆头2的最外面的表面。关于外观，第七层7s（最外层）的外表面通常是抛光的。此外，通常将涂层施加于抛光表面上。在该实施方式中，在第七层7s的外侧形成涂层膜。在图3中，各个层都是平的。然而，在实际杆头2中，各层可以形成弯曲表面。在图3中，各层的厚度画得比实际更厚。
可制备用于模制CFRP部件16的金属模具，从而生产CFRP部件16。如图3所示，可切出多个预浸料。接着，在层叠这些预浸料的同时，将预浸料放入金属模具中。然后，将预浸料加热加压。基质树脂通过加热固化，形成CFRP部件16。
CFRP部件16具有UD层叠部18和布层20。UD层叠部18是具有层叠的UD层的部分。术语“UD”表示单向。在UD层中，纤维的方向是一个方向。UD层通过UD预浸料形成。在布层20中，碳纤维的方向通常设定为两个方向。典型的布层20具有碳纤维织物。典型的布层20由织物预浸料形成。
在本实施方式中，第一层s1至第六层s6被包含在UD层叠部18中。第七层s7是布层20。布层20位于UD层叠部18外侧。UD层叠部18和布层20彼此接触。
[层叠对称性]
术语“层叠对称性”在本申请中使用。该术语单独地在本申请中进行说明。在UD层叠部18中限定层叠对称性。可以对每一规格进行层叠对称性限定。规格的例子包括纤维的定向角、层厚、碳纤维的种类、以及预浸料种类。
层叠对称性是指在总n层中从中性面（neutral plane）数起的外部第n层中的规格基本上与从中性面数起内部第n层的规格相同。n是整数，等于或大于1。
图5A和图5B对层叠对称性进行说明。图5A和图5B显示了UD层叠部的横截面图。在横截面图中，各层是平的。然而，事实上，各层可以形成弯曲表面。
当UD层叠部的层数量N是偶数，中性层是指在第[N/2]层和第[(N/2)+1]层之间的分界。例如，如图5A所示，当UD层叠部的层数量N是6时，中性层m1是第三层s3和第四层s4之间的分界。图5A的实施方式满足以下条款（a1）、（a2）、和（a3）。因此，图5A的实施方式在纤维定向角中具有层叠对称性。
(a1)在第三层s3中纤维定向角与第四层s4基本相同。
(a2)在第二层s2中纤维定向角与第五层s5基本相同。
(a3)在第一层s1中纤维定向角与第六层s6基本相同。
另一方面，当UD层叠部的层数量N是奇数时，中性层是指第[(N/2)+1]层本身。例如，如图5B所示，当UD层叠部的层数量N是5时，中性层m1是第三层s3。图5B的实施方式满足以下条款（b1）和（b2）。因此，图5B的实施方式在纤维定向角中具有层叠对称性。
(b1)在第二层s2中纤维定向角与第四层s4基本相同。
(b2)在第一层s1中纤维定向角与第五层s5基本相同。
在纤维的定向角中，术语“基本（上）”具有允许±10°（优选±5°）误差的意图。通常，杆头2的外表面由自由曲面形成，而不是一个平面。因此，在纤维定向角中一定程度上不可避免地会产生误差。
在纤维定向角中的层叠对称性如上所述。在其它规格中，层叠对称性也进行相似的限定。例如，当UD层叠部的层数量N是6时，满足以下条款（a4）、（a5）和（a6）的UD层叠部在层厚中具有层叠对称性。
(a4)第三层s3的层厚与第四层s4的层厚基本相同。
(a5)第二层s2的层厚与第五层s5的层厚基本相同。
(a6)第一层s1的层厚与第六层s6的层厚基本相同。
在层厚中，术语“基本（上）”具有允许±10%（优选±5%）误差的意图。通常，基质树脂在UD层叠部18的成型加工中会有部分流动。因此，在层厚中一定程度上不可避免地会产生误差。
类似地，例如，当UD层叠部的层数量N是6时，满足以下条款（a7）、（a8）和（a9）的UD层叠部在预浸料种类上具有层叠对称性。
(a7)在第三层s3中使用的预浸料种类与第四层s4中使用的预浸料种类相同。
(a8)在第二层s2中使用的预浸料种类与第五层s5中使用的预浸料种类相同。
(a9)在第一层s1中使用的预浸料种类与第六层s6中使用的预浸料种类相同。
预浸料的种类可以通过预浸料的型号进行区分。
本申请中，纤维的定向角由数值表示。为了易于理解，为了表示本申请中的定向角θ，限定以下规则（参见图4）。
[规则1]：在从顶部侧观察的平面中确定纤维的定向角。
[规则2]：相对于前后方向的45°倾斜角定义为参考方向X1。参考方向X1定义为0°。
[规则]：从顶部侧观察的顺时针方向定义为正，从从顶部侧观察的逆时针方向定义为负。
定向角θ具有±10°（优选±5°）的误差允许范围。
如图4所示，在CFRP部件16中，第一层s1的定向角θ为60°(+60°)。第二层s2的定向角θ为-60°。第三层s3的定向角θ为0°。第四层s4的定向角θ为0°。第五层s5的定向角θ为-60°。第六层s6的定向角θ为60°。第七层s7的定向角θ为0°和45°。
因此，UD层叠部18在纤维定向角中具有层叠对称性。
在UD层叠部18中，在第三层s3中使用的预浸料种类与第四层s4中使用的预浸料种类相同。在第二层s2中使用的预浸料种类与第五层s5中使用的预浸料种类相同。在第一层s1中使用的预浸料种类与第六层s6中使用的预浸料种类相同。因此，UD层叠部18在预浸料种类中具有层叠对称性。当预浸料种类相同时，层厚相同；碳纤维种类也相同；并且纤维含量（质量%）也相同。因此，UD层叠部18在层厚中具有层叠对称性。UD层叠部18在碳纤维种类中具有层叠对称性。UD层叠部18在碳纤维含量中具有层叠对称性。
如上所述，在UD层叠部18中，纤维的定向角是-60°（±10°）、0度（±10°）、以及60度（±10°）。也就是说，在UD层叠部18中纤维的方向实际设定为三个方向。
三个方向限定为第一方向、第二方向和第三方向。在UD层叠部18中，第二方向对第一方面的角度为+60°（±10°）。此外，第三方向对第一方向的角度为-60°（±10°）。在UD层叠部18中，不存在以除了三个方向之外的其他方向定位的纤维。
本发明人发现，与以两个方向和四个方向定位的情况相比，具有基本上以三个方向定位的纤维的UD层叠部18呈现出有利效果。本发明人发现三个方向的定位有利于改进击球声。该效果会在下文中所述的实施例中显示出来。
使用CFRP部件16的一个目的是产生超重。因此，期望有较轻的CFRP部件。为了实现重量的减轻，可限制层数。在有限的层数中期望呈现击球声的改进。三个方向的纤维设置能够在限制层数的情况下有效改进击球声。
此外，本发明人发现，层叠对称性有利于提高杆头的固有频率。层叠对称性有利于改进击球声。具体原因未知。层叠对称性的效果会在下文中所述的实施例中显示出来。
UD层叠部18的层数没有限制。就将纤维设定为三个方向而言，UD层叠部18的层数设定为等于或大于3。就提高击球声的频率而言，UD层叠部18的层数优选设定为等于或大于5，更优选等于或大于6。就减轻重量而言，UD层叠部18的层数优选为大于或小于12，更优选为等于或小于9，并且更优选等于或小于7。
就提高击球声的频率而言，UD层叠部18的层厚优选等于或大于0.5mm、且优选等于或大于0.6mm。就减轻重量而言，UD层叠部18的层厚优选等于或小于0.9mm，且更优选等于或小于0.8mm。
就提高击球声频率而言，CFRP部件的厚度（总厚度）优选等于或大于0.5mm，更优选等于或大于0.6mm。就减轻重量而言，CFRP部件的厚度优选等于或小于0.9mm，更优选等于或小于0.8mm。
超重由CFPR部件的使用引起。超重增加了杆头设计的自由度。更优选为了降低杆头重心位置，使用CFPR部件。通过降低杆头重心位置，能够实现高发射角和低后旋率（backspin rate）。底重心位置有利于增加飞行距离。在此方面，CFRP部件的重心位置优选高于整个杆头的重心位置。CFRP部件安置的优选例子包括以下安置A~D。
[安置A]：CFRP部件构成顶部的一部分。
[安置B]：CFRP部件构成整个顶部。
[安置C]：CFRP部件构成顶部的一部分和侧面的一部分。
[安置D]：CFRP部件构成整个顶部和侧面的一部分。
如上所述CFRP单一部分很大程度上有助于超重的产生。换言之，CFRP单一部分很大程度上有助于重心位置的移动。就此方面而言，更优选以下安置E~H。
[[安置E]：CFRP单一部分构成顶部的一部分。
[[安置F]：CFRP单一部分构成整个顶部。
[[安置G]：CFRP单一部分构成顶部的一部分和侧面的一部分。
[[安置H]：CFRP单一部分构成整个顶部和侧面的一部分。
就降低杆头重心而言，优选CFRP部件不构成底部。
使用CFRP部件，由此可实现击球声的改进。此外，使用CFRP部件，由此可在增加杆头体积和杆头惯性矩的同时抑制杆头重量。在此方面，杆头体积优选等于或大于400cc。就降低空气阻力和易于瞄准（address）而言，杆头的体积优选等于或小于500cc，更优选等于或小于470cc，并且更优选等于或小于460cc。通过具有上述结构的CFRP部件，能将杆头重量减小到等于或小于200g。就耐久性而言，杆头重量优选等于或大于100g，更优选等于或大于150g。
就击球方向稳定性而言，杆头的横向惯性矩（横向MI）优选等于或大于4600g·cm2，更优选等于或大于5000g·cm2，更优选等于或大于5500g·cm2。不需要在性能上限定横向MI。然而，考虑到所使用的材料和结构，横向MI可以限定为等于或小于8000g·cm2，并且可以进一步限定为等于或小于7000g·cm2。
在横向MI的测定（计算）中考虑Z轴。Z轴是在基态中垂直于水平面h的轴线。横向MI是围绕穿过杆头重心且平行于Z轴的轴的惯性矩。
可以使用布层20，也可以不使用。布层20能够改进成型性。在CFRP部件形成期间，可能在各层中产生皱纹。布层20可抑制皱纹的产生。关于获得该效果，布层20优选设置在最外层和/或最内侧，更优选设置在最外层。
在杆头的制造工艺中，CFRP部件的表面通常是抛光的。设置在最外层的布层20可防止UD层叠部18的最外层被抛光。当抛光UD层叠部18的最外层时，UD层叠部18的层叠对称性会丧失。即使当抛光表面时，仍可通过布层20的存在而维持UD层叠部18的层叠对称性。布层20设置在最外层可用于在抛光后使表面平滑。平滑能够改进杆头的外表美观。就这些方面而言，布层20优选设置在最外层。
就增强这些效果、以及成本降低而言，布层20优选具有彼此相差90°的双向定向纤维。
如下文中实施例所显示的那样，本发明人发现，在布层20中，纤维的定向影响较小。在UD层叠部18中的纤维定向是重要的。就该方面而言，在布层20中的纤维定向没有限制。
就抑制重量而言，布层20的层数优选等于或小于2，更优选1。
用于CFRP部件的碳纤维的拉伸弹性模量没有限制。就强度和刚度之间的平衡性而言，拉伸弹性模量优选为23.5(tonf/mm2)以上、且40(tonf/mm2)以下。
可用于CFRP部件材料的预浸料的例子如表1所示。
[表1]
表1：能够使用的预浸料的例子
如上所述，三个方向设定为第一方面、第二方向、和第三方向。此处，纤维定向是第一方向的层数被限定为N1。纤维定向是第二方向的层数被限定为N2。纤维定向是第三方向的层数被限定为N3。N1是等于或大于1的整数。N2是等于或大于1的整数。N3是等于或大于1的整数。
就减轻重量而言，N1优选等于或小于4，更优选等于或小于3。类似地，N2优选等于或小于4，更优选等于或小于3。类似地，N3优选等于或小于4，更优选等于或小于3。
N1、N2、N3中的最大值被定义为Nmax，并且N1、N2、N3中的最小值被定义为Nmin。就层叠对称性而言，差值（Nmax–Nmin）优选等于或小于1，特别优选为0。
优选考虑杆头的固有模态（natural mode）和固有频率。通过考虑杆头的固有模态和固有频率，可以优选改进使用CFRP部件的杆头的击球声。
以下术语用于本申请。
[固有模态]
当物体振动时，所有物体都具有固有形态。固有形态就是固有模态。在本申请中考虑杆头（整个杆头）的固有模态。杆头的固有模态与击球声有关。
本申请的“固有模态”是杆头的固有模态。当在本申请中仅说明“固有模态”时，“固有模态”是指整个杆头的固有模态。当在本申请中说明“杆头的固有模态”时，“杆头的固有模态”是指整个杆头的固有模态。
用于获得固有模态的方法没有限制。可使用模态试验（也称为实验模态分析）或模态分析。在模态试验中，进行激振试验，并基于试验结果获得固有模态。在模态分析中，通过模拟获得固有模态。例如，在模拟中，可以使用有限元法。模态试验和模态分析的方法是已知的。
模态试验或模态分析在自由支撑条件下进行。也就是说，没有约束条件。在模态分析中，流入使用市售的固有值（natural value）分析软件。软件的例子包括：“ABAQUS”(商品名)(SIMULIA公司制造)、“MARC"(商品名)(MSC软件公司制造)和“NX”(SiemensPLM Solutions公司制造)。
在用于以下说明的例子中，使用模态值分析软件进行模态分析。另一方面，例如，按如下方法进行通过实际测试的模态试验。线（thread）固定到杆头区域（例如颈部的端面）。在用线悬挂杆头的状态下，用冲击锤击打杆头的各个部分。通过测定一个面中心的加速度响应的传递函数，获得模态。
[固有频率]
本申请中的术语“固有频率”是杆头的固有频率。当本申请中仅说明“固有频率”时，“固有频率”是指整个杆头的固有频率。
[N阶固有频率]
本申请中的术语“N阶固有频率”是“在整个杆头中的固有频率中从最小固有频率开始计数的N阶固有频率”。N是等于或大于1的整数。杆头未变形的刚度模态不被计数为阶。例如，“一阶固有频率”是“整个杆头中的一阶固有频率”。例如，“二阶固有频率”是“整个杆头中的二阶固有频率”。当在本申请中仅说明“N阶固有频率”时，“N阶固有频率”是指在整个杆头中的N阶固有频率。
[N阶模态]
本申请中的术语“N阶模态”是“整个杆头中的N阶模态”。N是等于或大于1的整数。例如，“一阶模态”是“整个杆头中的一阶模态”。例如，“二阶模态”是“整个杆头中的二阶模态”。当在本申请中仅说明“N阶模态”时，“N阶模态”是指在整个杆头中的N阶模态。
“一阶固有频率”是杆头固有频率中最小的固有频率。“二阶固有频率”是由最小固有频率开始的第二个固有频率。“三阶固有频率”是由最小固有频率开始的第三个固有频率。“N阶固有频率”是由最小固有频率开始的第N个固有频率。“一阶固有频率”的提高被认为在制造高音击球声中最有效。较低的阶数趋向于极大影响击球声。
[杆头的阶（order）]
杆头的阶是指在整个杆头中固有模态的阶。
[最大振幅点]
在N阶固有模态中，具有最大振幅的点是最大振幅点。最大振幅点通常在每个阶固有模态中设定一个位置。例如，在一阶模态中最大振幅点Pm1通常设定在一个位置。相似地，在二阶模态中最大振幅点Pm2通常设定在一个位置。最大振幅点Pm1是一阶模态中具有最大振幅的点。最大振幅点Pm2是二阶模态中具有最大振幅的点。
据认为击球声是高尔夫球杆的一个重要性能。为了改进击球声，在稍后所述的例子中，分析在设置CFRP部件的区域中的振动。CFRP部件具有比金属例如钛合金更大的阻尼系数。阻尼系数越大，击球声越短。与金属例如钛合金相比，CFRP部件趋向于降低频率。期望有较长且较高的击球声。
CFRP部件的设置趋向于降低击球声频率并缩短击球声。为了改进击球声，优选分析在设置CFRP部件的区域中的振动。在稍后说明的实施例中显示了这种分析。
本发明可以改进击球声。因此，本发明优选应用于具有较响击球声的杆头。在该方面，优选中空杆头，并且优选减少杆头的厚度。就击球声的音量而言，底部的厚度Ts优选等于或小于1.5mm，更优选等于或小于1.2mm，更优选等于或小于1.0mm，更优选等于或小于0.8mm。就杆头的强度而言，底部的平均厚度Ts优选等于或大于0.5mm。就击球声的音量而言，顶部的平均厚度Tc优选等于或小于1.2mm，更优选等于或小于1.0mm，更优选等于或小于0.8mm，更优选等于或小于0.7mm。在杆头强度方面，顶部的平均厚度Tc优选等于或大于0.4mm。
就击球声的音高而言，杆头主体的材料优选金属。金属的例子包括一种以上选自下组的金属：纯钛、钛合金、不锈钢、马氏体时效钢、铝合金、镁合金、以及钨镍合金。不锈钢的例子包括SUS630和SUS304。不锈钢的具体例子包括：CUSTOM450(Carpenter技术公司制造)。钛合金的具体例子包括6-4钛(Ti-6A1-4V)、以及Ti-15V-3Cr-3Sn-3A1。当杆头的体积较大时，击球声趋向于较响。本发明在具有较大击球声的效果中是特别优选的。就该方面而言，杆头主体h1的材料特别优选钛合金。就该方面而言，底部和侧面的材料优选钛合金。
实施例
在下文中，将通过实施例来清楚说明本发明。然而不应当解释为本发明限于实施例的说明。
[模拟杆头数据的准备]
准备如图1和2所示的杆头的三维数据。杆头的体积设定为449cc，杆头的重量设定为178g。杆头使用市场上可购得的预处理器（(HyperMesh等）进行网格划分，划分为有限元，从而获得计算模型。图6是划分为网格的杆头的平面图。图7是划分为网格的杆头的仰视图。在图6中涂布黑色的部分显示了CFRP。图8是如图6所示网格的杆头的平面图。与图6不同，在图8中，CFRP部件没有涂布为黑色。在图8中，顶部打开位置cp1通过粗线显示。顶部打开位置cp1内侧是CFRP单一部分。
顶部打开位置cp1（参见图8）位于CFRP部件（参见图6）的轮廓线（contour line）内侧。在杆头上CFRP部件轮廓线和打开位置cp1之间的区域是如上所述的重叠部a1（未示）。
使用杆头进行固有值分析，从而计算固有频率和模态形状。固有值分析软件用于固有值分析。MSC软件公司制造的“NASTRAN”用作软件。边界条件被设定为自由支持（无限制）。
对于CFRP部件的层叠结构，使用为此准备的杆头数据进行不同改变，从而进行模拟（固有值分析）。在以下计算模型中对各层的厚度进行均一化。也就是说，各层的厚度设定为通过如下方法获得的值：根据层数划分CFRP部件的厚度。
在模拟中使用以下物理值。在具有24(tonf/mm2)纤维弹性模量的层中，沿长度方向的弹性模量设定为142GPa；泊松比设定为0.32；沿横向的弹性模量设定为8.8GPa；并且面内剪切弹性模量（in-plane shearing elastic modulus）设定为4.2GPa。在具有30(tonf/mm2)纤维弹性模量的层中，沿长度方向的弹性模量设定为168GPa；泊松比设定为0.31；沿横向的弹性模量设定为7.9GP；并且面内剪切弹性模量设定为4.1GPa.。在具有40(tonf/mm2)纤维弹性模量的层中，沿长度方向的弹性模量设定为228GPa；泊松比设定为0.26；沿横向的弹性模量设定为7.2GPa；并且面内剪切弹性模量设定为4.1GPa。长度方向表示与纤维定向平行的方向。横向表示垂直于纤维定向的方向。
为了详细证实本发明的效果，进行三种模拟。模拟A、模拟B、和模拟C，以该顺序进行说明。
[模拟A]
通过改变CFRP部件的规格，获得杆头（计算模型）A1~A16。计算杆头的一阶固有频率。随着一阶固有频率越高，击球声趋向于也越高。一阶固有频率较高，也就是说，结果是良好的。
[杆头A1]
在杆头A1中CFRP部件的规格如下。杆头A1的部件也显示在下述表2中。
纤维的弹性模量：24(tonf/mm2)
总层数：6
UD层叠部分的层数：6
布层的层数：0
CFPR部件的总厚度：0.76mm
纤维的定向角（按从内层开始的顺序）：90°、0°、90°、30°、150°、90°。
[杆头A2~A16]
在杆头A2~A10中，UD层叠部的层数设定为6。在杆头A11中层数设定为8。在杆头A12中，层数设定为10。在杆头A13~A16中，层数设定为5。杆头的规格显示在下述表2中。
[表2]
杆头中，一阶固有频率的计算结果如下。
[杆头A1]：4841Hz
[杆头A2]：5041Hz
[杆头A3]：5001Hz
[杆头A4]：5002Hz
[杆头A5]：4968Hz
[杆头A6]：4983Hz
[杆头A7]：4954Hz
[杆头A8]：4074Hz
[杆头A9]：4554Hz
[杆头A10]：5087Hz
[杆头A11]：4244Hz
[杆头A12]：4498Hz
[杆头A13]：4606Hz
[杆头A14]：4746Hz
[杆头A15]：4641Hz
[杆头A16]：4737Hz
图9是其中标绘了杆头A1~A16的一阶固有频率的曲线图。图10和11是显示杆头A1~A16的一阶固有频率的模拟图。图10呈现杆头A1~A8。图11显示了杆头A9~A16。在这些模拟图中，较深的部分具有较大的振幅。
在图10和11中，最深部位的中心部分是一阶模态中最大振幅点Pm1。最大振幅点Pm1位于各杆头中的CFRP单一部分。然而，最大振幅点Pm1的位置取决于杆头变化。
如图9所示，观察到一阶固有频率之间的差值。该差值显示了本发明的效果。将在下文中描述该效果。
在杆头A1~A8中，除了纤维定向之外，CFRP部件的规格是常规的。当杆头A1~A8的一阶固有频率相互比较时，杆头A8具有最低的一阶固有频率，并且杆头A1具有次级较低的一阶固有频率。杆头A2~A7具有比较高的一阶固有频率。杆头A8的纤维定向被设置为两个方向。杆头A1的纤维定向被设置为四个方向。另一方面，杆头A2~A7的纤维定向被设置为三个方向。结果显示了设置为三个方向的纤维定向的优势。
杆头A2和A3除了层叠顺序之外是相同的。杆头A2在纤维定向角中具有层叠对称性。然而，杆头A3不具有层叠对称性。当杆头A2和A3彼此比较时，杆头A2具有较高的一阶固有频率。这显示出层叠对称性的优势。类似地，层叠对称性的优势显示在杆头A4与杆头A5的比较中。类似地，层叠对称性的优势显示在杆头A6与杆头A7的比较中。
在杆头A8至A10中，仅纤维的拉伸弹性模量是不同的。由于拉伸弹性模量较大，一阶固有频率较高。
在杆头A11和A12中，层数增加，并且CFRP部件的厚度也很厚。然而，杆头A11和A12的一阶固有频率低于杆头A2~A7。该结果也显示了设置为三个方向的出纤维定向的优势。
在杆头A13~A16中，层数是5。杆头A13和杆头A15除了层叠顺序之外是相同的。杆头15在纤维定向角中具有层叠对称性。然而，杆头A13不具有层叠对称性。当A13和A15相互比较时，A15具有较高的一阶固有频率。这显示出层叠对称性的优势。相似地，层叠对称性的优势显示在A14与A16的比较中。
[模拟B]
在模拟B中，层叠层之间的纤维角的相对关系被固定，并且考虑了定向角的绝对值的影响。首先，测定以下两种层叠模式（lamination pattern）Bx和By。在层叠模式Bx中，纤维的定向被设置为两个方向。在层叠方式By中，纤维的定向被设置为三个方向。各模式的层数为6。
[层叠模式Bx]：CFRP部件的叠层的角度从内侧开始依序为0°、90°、0°、90°、90°、0°。
[层叠模式By]：CFRP部件的叠层的角度从内侧开始依序为0°、-60°、-120°、0°、-60°、-120°。
在各层叠模式Bx和By中，层厚从内侧开始依序设置为0.1mm、0.1mm、0.15mm、0.15mm、0.1mm、0.1mm。
制造其中纤维角度的相对关系与模式Bx相同的杆头Bx1~Bx7。
[杆头Bx1]：最内层的纤维的定向角为-45°。
[杆头Bx2]：最内层的纤维的定向角为-30°。
[杆头Bx3]：最内层的纤维的定向角为-15°。
[杆头Bx4]：最内层的纤维的定向角为0°。
[杆头Bx5]：最内层的纤维的定向角为15°。
[杆头Bx6]：最内层的纤维的定向角为30°。
[杆头Bx7]：最内层的纤维的定向角为45°。
也就是说，杆头Bx1~Bx7能够通过旋转层叠模型Bx而获得。
相似地，制备其中纤维角的相对关系与By相同的杆头By1~By7。
[杆头By1]：最内层的纤维的定向角为-45°。
[杆头By2]：最内层的纤维的定向角为-30°。
[杆头By3]：最内层的纤维的定向角为-15°。
[杆头By4]：最内层的纤维的定向角为0°。
[杆头By5]：最内层的纤维的定向角为15°。
[杆头By6]：最内层的纤维的定向角为30°。
[杆头By7]：最内层的纤维的定向角为45°。
也就是说，杆头By1By7能够通过旋转层叠模型By而获得。
在模拟B中，测定当最大振幅点位于顶部时的最低阶（lowest order）Dc。计算在最低阶Dc中固有频率。例如，当在一阶模态中最大振幅点Pm1位于底部时；在二阶模态中最大振幅点Pm2也位于底部；在三阶模态中最大振幅点Pm3也位于底部；并且在四阶模态中最大振幅点Pm4位于顶部，最低阶Dc是四阶。在最低阶Dc中固有频率是四阶固有频率。在本申请中，最低阶Dc被称为顶部一阶。固有频率fm被称为顶部一阶固有频率。
在最低阶Dc中固有频率fm反映了其中存在CFRP部件的区域（顶部）中的振动。固有频率fm显示了击球声和CFRP部件之间的关系。
杆头中的固有频率fm如下。
[两个方向]
[杆头Bx1]：3660Hz
[杆头Bx2]：3744Hz
[杆头Bx3]：3786Hz
[杆头Bx4]：3751Hz
[杆头Bx5]：3673Hz
[杆头Bx6]：3644Hz
[杆头Bx7]：3682Hz
[三个方向]
[杆头By1]：4284Hz
[杆头By2]：4283Hz
[杆头By3]：4279Hz
[杆头By4]：4273Hz
[杆头By5]：4272Hz
[杆头By6]：4273Hz
[杆头By7]：4276Hz
图12是其中标绘了固有频率fm的曲线图。如图12所示，在其中纤维定向被设置为三个方向的杆头By1~By7中，固有频率fm的最大值和最小值之间的差值为12Hz。也就是说，本发明人发现，当纤维定向被设置为三个方向时，固有频率fm较少受到纤维定向的绝对值影响。另一方面，在其中纤维定向被设置为两个方向的杆头Bx1~Bx7中，固有频率fm的最大值和最小值之间的差值为142Hz。也就是说，本发明人发现，当纤维定向被设置为两个方向时，固有频率fm易于受到纤维定向的绝对值影响。当纤维定向被设置为三个方向时，即使纤维定向由于制造误差等发生波动，固有频率fm也几乎没有变化。因此，趋向于获得稳定的击球声。
此外，如图12所示，当纤维定向被设置为三个方向时，趋向于获得高固有频率fm。因此，击球声的频率趋向增加。
图13~16是显示最低阶Dc（顶部一阶）中振动形态的模拟图。图13显示了杆头Bx1、Bx2、和Bx3的图。图14显示了杆头Bx4、Bx5、Bx6和Bx7的图。图15显示了杆头By1、By2、和By3的图。图16显示了杆头By4、By5、By6和By7的图。较深的部位具有较高的振幅。
如图13和14所示，在杆头Bx1~Bx7中，在顶部一阶模态中最大振幅点位于CFRP单一部分中。另一方面，在杆头By1~By7中，在顶部一阶模态中最大振幅点不位于CFRP单一部分中。在杆头By1~By7中，在顶部一阶模态中最大振幅点位于重叠部分a1或金属单一部分中。金属单一部分是仅由金属制成的部分。金属具有比CFRP小的阻尼率。在顶部一阶模态中最大振幅点与CFRP单一部分相分离，由此击球声延长。在顶部一阶模态中最大振幅点与CFRP单一部分相分离，由此击球声的频率增加。就这些方面而言，优选在顶部一阶模态中最大振幅点与CFRP单一部分相分离。当杆头Bx1~Bx7的图像和杆头By1~By7的图像相互比较时，在顶部一阶模态中最大振幅点发生大幅度移动。最大振幅点的移动显示出当纤维设置为三个方向时的显著效果。就击球声而言，在顶部一阶模态中最大振幅点最优选位于金属单一部分中。
该实施方式中的金属单一部分是钛单一部分。钛单一部分是仅由钛合金制成的部分。
[模拟C]
在模拟C中，考虑布层的影响。计算其中最外层是布层的杆头固有频率fm。
[杆头C1]
在杆头C1中的CFRP部件的规格如下所示。杆头C1的规格也显示在下述表3中。
纤维的拉伸弹性模量：24(tonf/mm2)
总层数：7
UD层叠部的层数：6
布层的层数：1
布层的位置：最外层
CFRP部件的总厚度：0.70mm
（从内层开始依序）纤维的定向角：60°、-60°、0°、0°、-60°、60°、0°和90°交叉
为了简单起见，通过层叠两个具有UD层一半厚度的层而构成布层。纤维的定向角在两层中以90°彼此不同。
[杆头C2~C8]
杆头C2~C8按照与杆头C1相同的方法制成，不同的是UD层和布层的定向按照下述表3中所示进行改变。这些杆头的规格显示在下述表3中。
[表3]
作为杆头C1的计算结果，一阶固有频率为3395Hz；二阶固有频率为3809Hz；三阶固有频率为3837Hz；四阶固有频率为4277Hz。在杆头C1中，杆头四阶模态是顶部一阶模态。
在杆头中固有频率如下所述。
[杆头C1]：4277Hz
[杆头C2]：4269Hz
[杆头C3]：4279Hz
[杆头C4]：4279Hz
[杆头C5]：4269Hz
[杆头C6]：3736Hz
[杆头C7]：3739Hz
[杆头C8]：3750Hz
作为在顶部一阶模态中杆头的阶（整个杆头中的阶），杆头C1~C5的阶是四阶，并且杆头C6~C8的阶是二阶。
在顶部一阶模态中杆头的阶与顶部振动引起的声音频率有关。由顶部振动引起的高音击球声可以通过增加顶部一阶模态中的杆头的阶获得。因此，即使将CFRP部件设置为顶部，击球声的频率也很难降低。就这方面而言，顶部一阶模态中杆头的阶优选等于或大于三阶，更优选等于或大于四阶。
图17是其中标绘了杆头C1~C8固有频率fm的曲线图。如曲线图所示，在杆头C1~C5中，固有频率fm基本相同。这显示出布层定向的影响非常小。也就是说，显示了关注UD层叠部的意义。
如表3所示，在杆头C1~C5中，在UD层叠部的纤维定向被设置为三个方向。另一方面，在杆头C6~C8中，在UD层叠部的纤维定向被设置为两个方向。如图17所示，杆头C1~C5的固有频率fm显著不同于杆头C6~C8。杆头C1~C5具有高于杆头C6~C8的固有频率fm。该结果显示了三个方向的优势。
图18显示了杆头C1中一阶至四阶的振动形态的模拟图。如图18所示，在杆头C1中，顶部一阶模态是四阶模态。
图19和20是显示顶部一阶模态中振动形态的模拟图。图19显示了杆头C2、C3、C4、和C5的图。图20显示了杆头C6、C7、和C8的图。较深的部位具有较大的振幅。
如图18和19所示，在杆头C1~C5中，在顶部一阶模态中最大振幅点不位于CFRP单一部分。在杆头C1~C5中，在顶部一阶模态中最大振幅点位于重叠部分a1或金属单一部分中。另一方面，如图20所示，在杆头C6~C8中，在顶部一阶模态中最大振幅点位于CFRP单一部分。因此，通过将纤维定向由两个方向改变为三个方向，可大幅度移动在顶部一阶模态中的最大振幅点。该移动提高了固有频率fm。该移动显示了将纤维定向设置为三个方向的效果。
就提高击球声音频率而言，固有频率fm优选等于或大于3900Hz，更优选等于或大于4000Hz，更优选等于或大于4100Hz。
如上所述，通过沿三个方向定位纤维，可获得较高的技术效果。本发明的优势由这些模拟结果显而易见。
上述方法可应用于所有高尔夫球杆杆头。
此处的描述仅用于说明性例子，并且各种变形皆在本发明原理的保护范围内。

Claims (11)

1.高尔夫球杆杆头，其包含：
杆头主体；和
CFRP部件，
其中CFRP部件构成顶部的至少一部分或底部的至少一部分；
CFRP部件具有含有层叠UD层的UD层叠部；并且
在UD层叠部中，纤维的方向基本设置为三个方向，
UD层叠部在纤维定向角度上具有层叠对称性。
2.如权利要求1所述的高尔夫球杆杆头，其特征在于，当三个方向是第一方向、第二方向和第三方向时，第二方向相对于第一方向的角度基本上为+60°，第三方向相对于第一方向的角度基本上为-60°。
3.如权利要求1所述的高尔夫球杆杆头，其特征在于，UD层叠部的层数为5以上且12以下。
4.如权利要求1所述的高尔夫球杆杆头，其特征在于，CFRP部件构成顶部的至少一部分。
5.如权利要求1所述的高尔夫球杆杆头，其特征在于，杆头的体积等于或大于400cc；杆头的重量等于或小于200g；并且横向惯性矩等于或大于4600g·cm2。
6.如权利要求1所述的高尔夫球杆杆头，其特征在于，CFRP部件具有CFRP单一部分；并且
CFRP单一部分构成顶部的至少一部分。
7.如权利要求1所述的高尔夫球杆杆头，其特征在于，CFRP部件存在于顶部的至少一部分中，且不存在于底部中。
8.如权利要求1所述的高尔夫球杆杆头，其特征在于，UD层叠部的厚度为0.5mm以上且0.9mm以下。
9.如权利要求1所述的高尔夫球杆杆头，其特征在于，CFRP部件的厚度为0.5mm以上且0.9mm以下。
10.如权利要求1所述的高尔夫球杆杆头，其特征在于，UD层叠部在层厚中具有层叠对称性。
11.如权利要求6所述的高尔夫球杆杆头，其特征在于，在顶部的一阶模态中最大振幅点不位于CFRP单一部分中。
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