CN1867381B - 用于高尔夫球棒碰撞的有源控制的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于有源控制碰撞球棒棒头和高尔夫球之间的碰撞的方法和装置。高尔夫球棒棒头具有带有激励器材料的面或机械耦合以影响面运动的装置。所述击球面激励控制碰撞参数、碰撞特性或获得的球参数，如从击球面和高尔夫球之间的情形中得到的速度、方向及旋转角速率。另外，所述装置具有用于确定击球面的激励的控制装置。几个实施例被提出，用于控制诸如球速和方向之类的参数。本发明可利用从击球中得到的能量，转换为电能，然后，以受控方式重新应用以影响所述击球面的一个方面，如位置、速度、变形、刚度、振动、运动、温度或其他物理参数。

Description

用于高尔夫球棒碰撞的有源控制的方法和装置

技术领域

本发明涉及高级运动装备设计的领域，尤其涉及一种用于控制球棒棒头和高尔夫球之间的碰撞的高尔夫球棒棒头系统的设计和操作。

背景技术

相关申请的交叉引用

本申请要求于2003年8月14日提出的美国临时专利申请第60/494,739号和于2004年8月9日提出的美国专利申请第10/915,804号的优先权。

本发明涉及通过将控制技术和激励(actuation)技术应用至球棒设计以获得高尔夫球棒(例如，长打棒)的精确性和距离的增加。这些年来，已经有许多改进，对于高尔夫球球手可以达到的精确度和距离产生了重大的影响。这些改进通常集中在无源(passive)系统的设计上；它们不具有在挥棒期间、尤其是在与高尔夫球碰撞情形期间在有源控制(activecontrol)下改变任意物理参数的能力。通常的无源性能改进，诸如棒头形状和体积、重量分布和所产生的惯性张量的分量、击球面(face)厚度和厚度剖面、击球面曲率和CG位置，均涉及对高尔夫球棒的最佳常数物理和材料参数的选择。本发明涉及有源系统的开发，在所述有源系统中，高尔夫球棒和棒头的重要参数(例如，表面位置/形状/曲率或有效摩擦系数，或击球面刚度)可响应于物理棒头-球系统的实际状态被有选择性地控制。所述状态可以是棒头速度、撞击力、强度、碰撞持续时间和时机、棒头的绝对位置或球在击球面上的相对位置、相对于球和挥棒路径或参数的棒头方位、击球面的物理变形，或众多的可物理或电气测量的条件中的任意一种。

本发明依赖于控制技术领域，尤其是结构或弹性系统激励技术和用于这种系统的控制算法。参见例子：Fuller，C.R.等的Active Control ofVibration，Academic Press，San Diego，CA 1996。一个受控系统的具体实施例依赖于使用超声波振动的摩擦控制(Katoh)。一个受控系统的可选择实施例依赖于改变击球面的有效刚度，以控制与球的碰撞。本发明还依赖于压电能量的获取和/或来自机械系统的同步能量获取和机械系统的激励。压电能量获取被描述在下面的美国专利中：4,504,761、4,442,372、5,512,795、4,595,856、4,387,318、4,091,302、3,819,963、4,467,236、5,552,657和5,703,474。

球和棒头之间的碰撞可用两个弹性体之间的理想碰撞来解释，其中每个弹性体具有在空间中平移和旋转的自由度，也就是完全6自由度(DOF)体，每个弹性体具有受碰撞时变形的性能，以及每个弹性体具有完全的填充质量(populated mass)和惯性张量。通常用于这种事件的初始条件是一固定球和以假定(perhaps)偏心点撞击所述球的高速棒头，所述偏心点大致上在球棒棒头的击球面上或大致上远离球棒棒头的击球面。碰撞引起在棒头和球之间接触面的法向和切向上的强作用力。这些力随时间结合以确定速度和方向，在球离开击球面后形成所述球的速度向量和自旋向量，以下被称为碰撞合成向量(impact resultant)。这些界面作用力由许多参数来确定，包括两个弹性体的弹性、材料特性和消耗、表面摩擦系数、体质量和惯性张量。

击球面的这些特性和条件中的一些在碰撞期间可以被有源控制(actively control)，结果产生对碰撞合成向量的一些控制措施。例如，在具体实施例中，所述表面可以在一些预定条件下被超声振动，以便在所述球和击球面之间产生有效的低摩擦系数，在触发(trigger)条件存在时，引起所述球的减少的旋转角速率和较长飞行。这种触发条件的一种可以是高的棒头球碰撞力(以及大的击球面变形)，表示高速碰撞，其中太多的旋转可产生过度的气动升力，导致减少的飞行距离。

在另一个实施例中，在一些预定条件下，击球面的位置和/或方位可相对于球和球棒的棒体被有源控制，以便为球提供更好的击球面状态，以获得更精确的球飞行，或在偏心碰撞情形中通过抵消球棒棒头的旋转来减少侧旋。这种触发条件的一种可以是高度偏心碰撞情形(离心撞击)，所述高度偏心碰撞情形可由在击球面上的形变传感器或在棒体中的角加速度传感器来检测。可以处理这些传感器信号，以确定必要的击球面运动来补偿和校正产生的球飞行。

在另一个实施例中，可控制碰撞期间的击球面的有效刚度，以产生更理想的碰撞情形。例如，系统可被设计为在强碰撞中使所述击球面刚硬及在较小强度碰撞中使所述击球面较软，以针对特定情形调整处于碰撞负荷下的击球面状态。例如，这可以通过短接或打开压电换能器(transducer)的引线来实现，所述压电换能器被表面粘结或机械连接至击球面。所述压电换能器在其电短路时是较软的(低模数)，以及在其开路(open circuited)时是较硬的(高有效模数)。连接至击球面的传感器可测量与碰撞强度成比例的量(例如，击球面变形、击球面应变、棒头减速度等)。在“强”冲击情况中，通常短路的压电换能器可被接通电路，以使击球面变硬，而在压电换能器保持短路条件的电路中缓冲冲击结果，从而减小硬度。

触发器可由外部传感器提供，或通过粘结至击球面自身的实际压电换能器，通过在触发事件之前引发在所述换能器上获得的电流或电压水平来提供触发器。作为例子，使用压电元件作为电荷传感器的电路可被连接至换能器导线。在电荷达到临界值时，电路可被触发，使引线与电路断开，有效地实现开路条件。

控制球-棒头碰撞的能力的要素是以有益方式激励所述系统的能力。由于棒头和球是机械系统，这要求将一些作用力或热能应用至所述系统，以产生一些机械物理性质的变化。本发明主要涉及机械激励技术。

Lazarus等的美国专利第6,102,426号公开了将压电陶瓷片用在雪橇上，以影响它的动态特性，譬如限制在较高速度下或在不规则表面上的不想要的振动。所述文件提到了对高尔夫球棒的应用以衰减振动或改变轴刚度或“影响其棒头”。

Spangler等的美国专利第6,196,935号、第6,086,490号和第6,485,380号公开了将压电陶瓷片用在高尔夫球棒上，以改变刚度和实施振动的衰减。图9G示意了在高尔夫球棒棒头上压电元件的布置，以捕获应变能，用于消耗在电路中用于衰减效应。

Vandergrift的美国专利第6,048,276号涉及压电设备的使用，以在从挥杆和轴的变形中捕获能量之后使高尔夫球棒的轴变硬。

Katoh在题目为“Active Control of Friction Using UltrasonicVibration”(Japanese Journal of Tribology Vol.38No.8(1993)，pp1019-1025)的文章中讨论了使用超声波振动减少摩擦的问题。还参见K.Adachi等的“The Micromechanism of Friction Drive with UltrasonicWave”(Wear 194(1996)pp 137-142)。

发明内容

本发明涉及一种用于控制在球和球棒击球面之间碰撞情形的系统，其使用激励和击球面位置或特性的控制以影响在球和击球面之间碰撞事件的进展。具体地，本发明涉及重新使用从碰撞事件产生的机械能并将其转换为电能。这种重新使用有益地控制碰撞事件。在一个具体实施例中，使用压电元件从碰撞转换的能量被转换为超声击球面变形/振荡，所述变形/振荡具有有效地降低球和击球面之间摩擦系数的能力。在替代实施例中，在碰撞下压电耦合面的刚度在预定碰撞参数发生时被控制为某一状态。例如，击球面在强打击下变硬、在低强度打击下变软。所有这些情况关于轻击棒(putter)、长打棒(driver)、铁头球棒(iron)是同等的，采用球棒棒头无偏见地指代所有这些类型。

面激励器(actuator)可为能够将电能转换为机械能的众多激励器中的任意激励器。这包括电磁型的，如螺线管，以及使用电磁感应场以实现材料尺寸变化的激励技术族；电致伸缩的、压电的、磁致伸缩的、铁磁形状记忆合金、形状记忆磁性和形状记忆陶瓷材料或上述类型的任意组合。包括在可能的激励方案中的有：使用电阻加热(resistive heating)或形状记忆合金的热激励器，所述热激励器利用施加的热能在材料内诱发相变，以引发尺寸改变或应力。所有这些可用于以受控方式将电能转变为击球面变形或击球面定位。

在这样一种使用纯激励器的系统中，必须有电能源、电池或其他发电机，将运动或碰撞能量转换为由击球面激励器使用的电能。所述系统可包括电源、电子设备和机械连接至棒头的激励器。

在另外的限定中，有作为替换的一类系统，其中换能器被连接至击球面。换能器能够从机械能产生电能，反之亦然。换能器材料的例子包括工作在偏置电场下的电磁线圈系统、压电和电致伸缩材料，以及磁场偏置磁致伸缩材料和铁磁形状记忆合金材料，或者上述材料本身或与其他成份的组合物。在下文中，这些材料被统称为压电材料，用语“压电”的使用决不应当被认为是限制性的。在使用这种换能器的系统中，换能器元件可被连接至击球面，以使球棒的变形或运动产生电能，所述电能可经逆激励功能被用于控制棒头-球的碰撞的各个方面。

压电激励器是换能器材料类别中最常用的一种。一般地，它们响应于所施加的电场而改变尺寸，并且，相反地，它们响应于所施加的载荷和应力而产生电荷。它们可被用作电驱动激励器及电发生器。

碰撞的控制包括施加作用力在棒头和/或击球面上，以有益地改变影响碰撞事件的系统的特性。例如，如果施加的作用力与击球面加速度成比例，则控制起到明显增加系统的质量或惯性的作用。这通过将相同作用力施加在棒头上来实现，使得在那个位置的质量被置于特定击球面运动之下。施加的作用力可被施加以有效地产生模拟系统中的弹性力和耗散力以及惯性力的力。例如，如果作用于击球面中心的作用力与速度成比例且与击球面中心处的速度反向，则它将有效地作为在击球面中心处的阻尼器且在击球面中心处产生粘性阻尼器。类似的，如果能够施加与击球面中心的变形基本成比例且反向的作用力，则看起来就像在击球面中心处应用弹簧一样——有效地变硬它。同样地，如果作用力与形变成比例且沿着形变的方向，则看起来像在击球面中心处应用负弹簧一样——有效地变软击球面。有源控制系统(如果人们可控制作用力)可模拟系统中许多不同的动态效应。面临的挑战是开发一种设备和系统，它们能够在系统上施加这些类型的作用力，即使某些其他约束条件阻止它。

应用一些模拟将从惯量或质量中得到的其它类型的力的作用力的想法，是可被应用的作用力的一个表现。在这种控制系统中，在施加的作用力和输入之间可有任意的相位关系，这种关系可是依赖于频率的。实质上，控制功能可以是在某些传感器和由激励器施加的输出力之间的线性的或非线性的动态系统。在典型的控制系统中，有一种控制系统，其采集传感器输出且施加作用力在主体上，以获得某些想要的效果。这就是动态系统控制，具体而言，用于弹性系统的结构控制的一般区域，这在本领域是意义明确的。

接触表面的超声或高频振荡可在两个表面之间产生低效的摩擦系数。振荡必须具有足够振幅和频率，以在振荡的至少一个部分期间使所述表面短暂地失去接触。这种接触的中断降低了有效摩擦系数。

连接至球棒端面的激励器可被构造为在被高频电输入驱动时，激发击球面的高频振荡。如果在或接近球棒/击球面主体的谐振频率处发生激发，则振幅可被最大化。

在碰撞期间法向力较大的诸如高尔夫球碰撞的情形中，关键的要求是：在振荡运动中击球面离开球的加速度应当足够高，以使球不能“抓住”且表面接触被中断。加速度与振荡运动的振幅乘以激发频率的平方成比例。这可被当作激励系统的设计的品质因数。由于用于被激励系统的振荡的振幅因系统惯性作用而趋于衰减，所以在以高频驱动和获得最高可能的振荡振幅之间有一个折衷。品质因数有助于这种平衡，以最大化摩擦控制效应。例如，在本发明的优选实施例中，有利的是以120,000Hz激发击球面表面模式，所述表面被连接至在此后被描述的激励驱动器。

在不能利用外部电源的系统中，碰撞能量的一部分(由连接至击球面的换能器将机械能转换为电能)可以高阶击球面模式(high orderface mode)的超声激发、击球面的高频振荡的形式被存储并返回到击球面，所述击球面被适当地连接至换能器。能量可被存储在换能器材料自身中，例如在压电材料的电容中存储的电荷中，或者可以主要存储在电连接至换能器的辅助电路元件中，如存储电容器或感应器或储能电路等。在触发效应释放能量后，电驱动电路可被构造，以使当连接至换能器时，它感生高振幅面振荡，所述振荡有效地减少在碰撞事件期间的时间中在临界点上在球和击球面之间的碰撞摩擦系数，这种时间临界点使用控制算法来选择。击球面振荡和被控制的摩擦导致对球旋转的控制，所述球旋转可在特定碰撞条件下被有选择地触发(诸如高碰撞作用力水平)。

也可通过向击球面施加与击球面变形成比例的作用力，来控制离开的球速。以适当的标志(sign)，通过增加碰撞的持续时间，这些力可有效地软化击球面，从而减小碰撞载荷和产生的球变形。通过球的非弹性变形及来自碰撞事件的增加的、可重新获得的能量，较小球变形导致减少的耗散，从而获得较高恢复系数(COR)和较高球速。反之，转换为电能的碰撞能量可被耗散以在选择的碰撞情形中减少有效的COR。

通过电学地有选择施加力来模拟专有的柔度(tailored compliance)的效果，部分击球面可被有选择地制成在碰撞事件期间比其他部分具有更大的变形，从而控制球的离开方向。因为最终球速(速率和方向)是由弹性碰撞产生的作用力确定的，所以离开方向被控制。击球面的不均匀变形(源于不平衡的柔度)改变球的正交反力(normal reaction)的方向，从而改变球将行进的最终方向。除了对球方向的这种直接控制之外，通过减少包括侧旋的旋转并且从而减少横向距离的行进，可以获得对球方向的间接控制。通过响应于诸如碰撞位置或棒头角加速度(由偏心碰撞引起的)之类的测得的碰撞变量而在碰撞中有源定位被激励的球棒端面，可以获得类似的控制特征。

作用力还可以施加至球棒棒头，以模拟较高转动惯量的效果。换言之，所述作用力类似于在碰撞期间将给定位置的附加质量作用在球棒棒头上的效果。这种作用力可在漏击情形中被触发，产生直线击射。例如，实施的一个方法为：通过与反作用质量(reaction mass)相作用在棒头上产生作用力。激励器在棒头和反作用质量之间起反作用。它以在碰撞下使棒头转动最小的方式起反作用。它用于有效地增加主体的转动惯量，因此保持击球面平直，因此在碰撞事件中保持球直线飞行。因为碰撞事件具有有限的持续时间，所以人们可以在该有限持续时间内在主体上施加这种作用力。中心柱(post)和环形双压电晶片环将被分割(segment)，以使人们可实际探测和检测棒头相对于反作用质量以何种方式移动。无论它是向上、向下、向左或向右，基本上击球面转动的方式可被用作对于补偿器/控制器的传感器输入，以允许被施加的作用力补偿得到的击球面运动。多压电元件或在单压电元件上带有多电极的结构将允许检测更大范围的碰撞。人们可实际确定球碰撞在击球面上的何种位置，以及相应地使用控制电路来补偿，例如，在偏心碰撞中略微转动击球面来补偿棒头转动。在优选实施例中，有来自于一块压电元件(piezo)的一个电压，使得难于从多个可能的碰撞位置中确定碰撞位置。但这不是必需的对本发明的限制。可能的是包括粘接至击球面的均匀的压电，其中电极被分割以允许检测碰撞的位置。在这种情形中，实际上将有多个被粘接至击球面的压电元件。可以有例如方形阵列形式的多个电极。例如，在击球面的背面实际上可能有3×3方形阵列的九个电极图案。这些电压将被施加至控制电路，所述电路将会确定球在何处碰撞以及对该碰撞产生的适当响应。接通(switch on)在响应上与其它相反的换能器上的一些电极上的电压能够根据碰撞位置调节响应。

附图说明

通过以下参考附图对本发明的详细说明，本发明的不同实施例、特征和优点将会被更完整地理解：

图1-5示例了本发明的不同构思的实施例，其中示出压电激励器与高尔夫球棒棒头击球面的不同形式的弹性连接；

图6-8示例了本发明的不同设计的实施例，其中示出压电激励器与高尔夫球棒棒头的不同形式的惯性连接；

图9示例了本发明的一种设计的实施例，其中压电换能器被设置在击球面和球棒的杆体之间，相对于杆体定位击球面；

图10a和10b是具有控制开关、感应器和控制电路的压电激励器的框图；

图11是更详细示出控制电路的图10b中的电路的示意图；

图12是在球碰撞下激励器输出电压信号的曲线图，示出未触发和已触发的电压时间关系；

图13是球与球棒碰撞中的关键参数的时间关系曲线图，示出A)碰撞法向力，B)碰撞切向(摩擦)力，C)换能器电压时间关系，D)换能器电流时间关系，及E)得到的球旋转时间关系；

图14-15是高尔夫球棒棒头的截面图，利用图2中设计的压电连接实施例，通过将球碰撞能量转变为棒头表面振动以降低棒头和高尔夫球之间的摩擦，从而降低高尔夫球的旋转角速率；

图16a和16b一起包括采用图2中设计的压电连接的实施例的高尔夫球棒棒头的示意图，详细示出具有系统电子器件的可去除的底板；

图17-19是击球面组件的详细示图，示出面向用于图2中设计的压电连接的实施例的连接硬件的压电换能器；

图20是用于击球面和球之间相互作用的摩擦模型的曲线图；

图21是频率响应函数，示出在球棒击球面上经历周期性载荷的开路压电换能器的电压响应；

图22是频率响应函数，示出作为压电换能器的时变电压激发的振幅的函数的击球面表面加速度；以及

图23是用于获得可变刚度的电子系统的电路框图，其在足够强度的压电机械激发下变硬。

具体实施方式

下面的说明假定已经理解压电材料、操作和模式的基本原理，譬如由Jaffe，Cook and Jaffe在Academia Press，1971的“PiezoelectricCeramics(压电陶瓷)”及其中引用的参考文件所描述的原理。从而，该出版物的内容在这里以其全文通过引用被合并。描述压电机械学领域的另一个有用的参考文件是H.S.Tzou，Kluwer，Academic Publishers，MASS.，1993的“Piezoelectric Shells(压电壳)”，其也在这里通过引用被合并。

至击球面的激励器耦合(连接)

有几种方法将激励元件和换能器耦合(连接)至球棒端面，即球和棒头之间的相互作用面。所述换能器可被直接耦合(连接)至1)击球面相对变形(弹性的)、2)使用各种技术的绝对运动(惯性)或3)在击球面或棒头体之间的相对运动。在这里描述了八种，它们交替将激励器或换能器耦合至击球面的弹性变形或棒头的惯性运动。对于激励功能，目标是以理想的激励频率对击球面变形实现最大控制。对于换能器，目标是最大化耦合进棒头(或击球面)的绝对运动(减速)或耦合进在棒头和被球撞击的击球面中感应的变形模式。将所述两种技术运用到在碰撞过程中可得到的动能或弹性能中。然后，这种能量被换能器转换为电能，所述电能可用于击球面和界面激励。下面说明用于将换能器连接至高尔夫球棒端面的八种可选择系统。

有三类激励器面耦合。第一类属于弹性压电面激励，其中换能器尺寸改变和变形被直接机械耦合进沿着击球面上的两个结构点或在这两个结构点之间的相对形变中。这种类型的弹性激励一般在结构控制的领域中是公知的，其中，压电元件(主要地)被安装或嵌入结构中，以实现有益的结构变形。弹性耦合的激励器的四个实施例如下：

构思1-如图1所示，压电晶片直接连接至击球面以激励弯曲。

构思2-如图2a、2b和3所示，压电堆叠件(stack)和/或管被安装在具有壳体的击球面上。

构思3-如图4所示，将压电元件(piezo)设置在击球面和硬衬底之间。

构思4-如图5a、5b所示，压电元件以剪切模式被操作且被设置在击球面和硬约束层之间。

第二类激励器面耦合是耦合至击球面的绝对运动的激励器或依赖于惯性力的那些激励器，所述惯性力是在与球碰撞时由击球面或棒头运动产生的。这些一般需要反作用质量(reaction mass)和作用在反作用质量和击球面之间的激励器或换能器元件。这些类型的击球面连接一般涉及检测质量(proof mass)或反作用质量激励器。以下描述这种类别的构思：

构思5-如图6所示，耦合在击球面和惯性质量之间的直接压电元件。

构思6-如图7所示，在击球面和惯性质量之间运动放大的压电元件

构思7-如图8所示，具有末端质量且被安装在击球面上的双压电晶体型压电元件。

第三类激励器-面耦合是耦合在球棒的击球面和棒体之间的激励器。所述激励器可是单独的或者在击球面和棒体之间的大量并行负载通路之一。这类似于构思3，但击球面更像一个可被定位的刚性体一样被处理，而不是像构思3中那样变形。设置在击球面和棒体之间的换能器支撑击球面和棒体之间的大多数载荷，因此可以在很大程度上参与碰撞事件。此外，击球面相对于棒体的激励引致定位实质上使用棒体自身作为大的反作用质量，以实现在碰撞中击球面的位置或方位的改变。

构思8-如图9所示，压电换能器被设置在球棒的击球面和棒体之间。

对于换能器应用，为了产生最大可利用的激励能量和最大可利用的耦合(例如，激励用于自旋控制的高振幅、高频率的击球面振荡)，理想的是获得与1)碰撞变形图案(pattern)及2)高频模式的良好耦合。对于击球面定位应用(而不是摩擦减少应用)，理想的是获得与1)碰撞载荷模式及2)在击球面和棒体之间的碰撞-时标(timescale)运动的良好耦合。

一般地，对于弹性耦合(连接)的构思(1-4)，击球面运动/载荷在换能器材料上产生载荷和相应的电能生成。相反地，作用在换能器上的电能控制击球面运动。理想的是，在击球面载荷/运动和电压及电流之间具有电-机械耦合(连接)。根据被转换为存储的电能(例如，在压电元件或分流电路上)的来自于碰撞的输入机械能量的一小部分可测量这种耦合，或者，相反地，使用在击球面的激励引致变形中被转换为应变能量的一小部分输入电能测量所述耦合。

构思1

在这种击球面耦合(连接)实施例中，能够改变平面尺寸的激励器21(也被称为3-1激励器，尽管各种相互交叉的压电晶片或复合激励器均能够改变平面尺寸)在击球面自身上或埋覆于击球面自身内被耦合至击球面10的平面。所述激励器还可以使用本领域已知的技术被封装。由于激励器不是正好位于中心线上，在被电激发时，它耦合到击球面的弯曲变形中，进而起到在击球面上施加弯矩(bending moment)105的作用。可替换地，对于优先耦合进平面内变形而不是弯曲的靠近中心线的平面内激励器，使用参数强制(parametric forcing)可在大的变形情况中获得耦合至平面外运动。激励载荷可被当作平面内作用力和作用在如图1中所示激励器的边界处的击球面上的弯曲力矩偶(curvature momentcouple)105的组合。一些关键参数为激励元件的空间范围(长度)以及厚度。通过最大化对给定的理想击球面变形形状的耦合，确定空间x-y范围。良好的耦合可被等同为横向应变场的积分(integration)乘以电场乘以激励器域(domain ofthe actuator)上的压电常数。对一些形状的耦合，因而一些结构模型在对应的激励器形状和范围处被最大化。

例如，对于覆盖给定半径的具有圆形激励片的轴对称板，在所述激励盘的范围延伸至节点半径而没有进一步延伸时，在第二轴对称板模式(一个节圆)中的耦合被最大化。如果所述盘具有大于节环的半径，则圆外的材料将呈现与圆内的材料符号相反的应变，当在整个盘上集成时将部分消除压电响应。

对于具体情况，其中换能器被耦合且希望获得来自碰撞的能量以及可能地激发高频模式(以控制摩擦)，激励器在范围和厚度上必须被设计以达到：1)耦合到由碰撞球产生的形状中(大致用于中心撞击的第一模式形变形状)；以及2)耦合进与高频模式相关的变形形状中。

因为击球面是相当厚的结构构件，要求提出1mm数量级上的相当厚的压电元件的建模，以产生对2-3mm的击球面的明显的激励。典型的击球面设计显示，几个厘米(1-5)直径的压电元件可实现期望的两个目的：耦合产生第一撞击形状的能量；以及耦合将被激发以用于摩擦控制的高频模式。这种类型击球面耦合的一般实现为3-1模式压电盘，电场通过其厚度和直接粘结至击球面10的盘(通常在内侧)被施加。

需要注意的是，压电元件21可使用聚合物封装以及在这种聚合物上的电位电极图案或挠曲电路被预先封装。所述图案可限定各种有源(active)区域，以及产生具有可能的曲线阵列形式的分段的、均匀的或相互交叉的电极图案。关键因素是使压电元件和击球面变形之间的电机械耦合最大化(如上所限定的)。

构思2

现在，将描述用于将激励器或换能器耦合至击球面的优选方法和系统。在这种方法中，激励元件21(优选压电元件，但可能是电致伸缩或磁致伸缩或前面描述的许多激励或换能器技术中的任意一种)通过壳体12或连接至击球面的支撑结构被连接至击球面。具体描述被示出在图2a以及图2b的截面装配图中。

在这种情况中，激励元件21被构造以响应于输入的电能(电压或电流)而伸长或改变轴向尺寸。对于压电系统，这可通过各种方法来实现。具体地，可以使用压电堆叠件(stack)以将施加的电压耦合为长度变化。这被称为3-3耦合，是压电材料响应的高模式(high mode)。3-3堆叠件是具有层间电极的多压电材料层的布置，从而使电场与中心轴对准，以产生纵向压电效应。这被详细示出为图18中的组件15。激励器还可配置为加长的横向(transverse)或3-1型激励器，其中所述场垂直于轴向被施加。这可以由沿其长度在相对侧具有电极的杆，或管状激励器来实现，所述管状激励器具有沿其长度被施加的载荷，由在所述管内、外壁上的电极通过壁厚施加场。在本领域中有众多的其他轴向伸长的激励器/换能器构造。

第二元件是壳体12，其用于将激励元件的背端机械连接至击球面。它用作硬载荷返回路径，将激励的伸长耦合至击球面的变形。击球面变形引起在激励器所接触的点(可能在击球面中心)和壳体被连接至图2a中所示的击球面的点之间的相对运动，通过在这些点106处施加的力引起所述相对运动。硬壳体然后将所述相对运动转变为激励器的两端间的相对运动。从而，壳体12起到机械连接的作用，所述机械连接将激励器长度变化耦合至击球面的不同运动(变形)。因此，属于击球面耦合的弹性类型。

重要的是，壳体是硬的(理想刚硬，但是至少在压电元件的刚度的数量级上)，因为在激励载荷下壳体的任何伸长将减少传递给击球面的载荷和得到的击球面变形。为了看到这一点，人们应当考虑非常柔软的壳体的极限情形。那么，当激励元件开始伸长时，壳体仅以极小载荷与它一起伸展，从而小的变形被引入击球面。实际上，条件一般是，在壳体连接(attachment)和激励器连接处的相等但相反的载荷下，壳体必须是比击球面大1至20倍的刚硬，以确保载荷被有效地耦合至击球面变形而不是壳体伸长。壳体还应当尽可能的轻，以避免增加大质量，从而明显地改变棒头的重心或其惯性张量。

壳体12包括具有后板13的与激励器相接触的圆锥形或圆柱形壁52，以及在环56处建立与击球面的接触的圆形端部。参见用于构思2的优选实施例的详细附图的图17-19。壳体12可被螺纹连接29、铜焊或熔焊至击球面，或使用众多其他技术中的任一种技术。端板可被永久地连接至壁、被加工为与壁形成单一件，或被构造为螺丝部分13，以便于激励器系统组装和拆除以进行修理。重要的是，当考虑激励载荷下的刚度时，包括壳体的背面弯曲和其他变形的壳体的所有柔度被考虑在内。这就是为什么圆锥形结构非常有效的原因，它减少了背板的弯曲，且提供至击球面的更直接的载荷路径。用于壳体壁52的典型尺寸是～1mm，用于壳体背面13的典型尺寸是～3mm。换能器组件15，包括压电层叠式激励器21和端片23，如图18所示为～16mm长(总计)(其中10mm是活性材料21)。横截面是7mm×7mm方形堆叠件或优选9mm直径的圆形堆叠件。

具体设计中，重要的是在壳体和激励器及击球面之间接触点位置的选择。如果激励器被设置以与击球面中心相接触，则壳体可被构造以在距离中心的选择的距离处以固定半径在分散点或连续(圆形)环处连接至击球面。为了使给定控制应用的性能要求最大化，这个连接半径的选择是非常重要的。端片23优选由钢或铝或其它非常刚硬的材料制造，且具有某种曲率26，以在密切匹配的曲率(压痕)上提供与击球面33及壳体26的背面相接触的居中点。

在摩擦控制的具体情形中，如上所述，目标是激发高频振荡。直径必须被选择以满足以下需要：1)良好地耦合至碰撞变形形状，以产生电能；以及2)良好地耦合至高频模式。通过将连接半径设置为近似对应于所关心的击球面模式的反节点的半径，这种条件被实现。所述反节点(anti-node)应当优选在中心点处具有相反的变形方向以使相对运动最大化。

最优化的设计考虑如下：如果半径太小，则压电中心力和反作用力被非常靠近一起施加在击球面上。在这些空间点之间的击球面是非常刚硬的，几乎没有运动可被引入。相反地，在碰撞变形形状下，在那些连接点之间的不同变形是非常小的，由于它由碰撞载荷下的曲率所确定，所以在碰撞时几乎不产生电压。如果半径被做得太大，则对碰撞具有良好的耦合，但是，因壳体模式(housing mode)开始参与，有效地降低壳体的动态刚度，因此，变得难于构造刚硬的壳体结构及变得难于在高频模式中产生高振幅。在优选实施例中，近似35mm的连接直径作为最优值被选择用于击球面环56，以使耦合球碰撞面变形和耦合至在～120kHz处的高频面模式的双重目标最大化。

在评价具体设计中，必须考虑击球面和壳体及激励器在碰撞期间的应变。非常高的应变水平可导致壳体的低疲劳寿命。此外，在球碰撞期间施加在激励器上的高压缩应变可引起材料的永久“去极化”、激励器性能的永久下降。在各种球碰撞情况中，机械系统必须被分析其载荷，以确定对于壳体寿命或应变引起的压电元件的去极化的临界载荷没有被超过。

一个方案或可以具有在击球面中心的压电元件，或一个方案可以使用在击球面中心焊接的螺栓，以及使用与螺栓径向间隔开的压电圆柱体或多个压电元件(例如堆叠件)，如图3中所示。在这种配置中，可以耦合最低碰撞变形形状和高频模式形状。由于相对于击球面法线的轴向布置，易于对换能器元件21预先加载，以利用居中定位并带有螺纹以接纳预加载的螺栓206和背板212的击球面固定器205来增加稳固性，并易于设计期望的表面激发振幅。

构思3：

第三实施例被示出在图4中。在这个实施例中，压电元件21在击球面10中心和刚硬衬底/支撑结构207之间起作用。所述支撑结构必须是刚硬的，以得到在1-10×击球面刚度的级别上的高反作用力，从而使激励导致击球面而不是支撑结构的变形。具有在压电元件和击球面之间使用断续接触的可能性。因为高刚性的要求，支承结构倾向于较重。

在图4所示的构思3中，压电元件21被配置在击球面10和支承结构207之间，所述支承结构207将击球面界面载荷传递给球棒棒头的另一块，即后部、主体11或围绕击球面的周边。当在球的碰撞期间击球面移动大约1mm且因此挤压压电元件时，它产生可被用于向系统供给能量以及例如用于激发超声器件的电荷和电能。因为它通过相对运动和在击球面和支承结构之间的载荷产生电能，所以所述设计必须具有刚硬的支承结构以抵抗击球面运动且提供高压电载荷。如果支承结构是柔软的，它将在低载荷下随击球面变形，且不会真正地产生压挤或将载荷施加至压电元件。这将意味着对碰撞的较差的压电机电耦合。

这种构思耦合至击球面变形的轴向运动(或法向运动)。这可以通过具有轮询(polling)方向的单堆叠元件或单压电单块元件来实现，且载荷基本上与垂直于击球面的表面对齐。在这种结构中，激励器将使用3-3模式的激励。它可以是1-3模式激励器，或它可以是一个如构思2所描述的管，所述管具有在所述管内或外壁上的电极。因此，应变发生在垂直于轮询(polling)方向的方向上。基本的反作用力试图阻止击球面的运动。因此，支承结构需要为刚硬的，以实现这种作用。这种刚度要求可导致相对重的结构构件，所述结构构件可通过设计被相对靠近CG来定位。然而，因为在外围可得到很小的质量，所以，对于固定质量的棒头，增加的质量将减少棒头的转动惯量。

在构思3的另一个实施例中，压电元件最初没有与支承结构相接触。在球碰撞的情况下，变形的击球面将使压电元件与支承结构相接触，并且加载压电元件。例如，压电元件连接至击球面，所述击球面也许离开支承结构半毫米。在球撞击之前，没有实现接触。以这种方式，所述系统可被设计，以使只有高振幅碰撞加载所述压电元件以及触发控制作用。这种碰撞已被用于实现结构性系统中的阻尼。它还可以被用于改变在不同球加载情况中的有效刚度和有效击球面反作用，从而用于不同的棒头速度。例如，如果在击球面和支承结构之间存在小间隙，(即使在那里没有换能器)低强度碰撞可能使击球面没有支撑，没有强制接触。对于高强度碰撞，在击球面和支承结构之间接触将在碰撞期间被建立；并且，支承结构将支撑击球面且减少击球面变形。

构思4-剪切模式压电

在前面的构思中，压电元件上的载荷主要采用施加法向应力的形式。在构思4中，压电元件以剪切形式被加载且被耦合入使用压电操作的剪切模式的电场中。关于压电换能器工作的剪切模式和主要模式的更多信息可在Piezo Systems Inc.of Cambridge，Mass的产品文献中被找到。剪切模式压电元件包括在材料中围绕极化轴的剪切应力，如图5a所示，例如，如果极化沿材料中的x方向，则剪切应力将处于围绕y轴的x-z平面中，如图5a所示。在这种压电工作模式中，电场E垂直于极轴(poling axis)x被施加。这种压电响应的模式有时被称为1-5工作模式。

在构思4中，使用剪切模式压电的机构的工作实际上非常类似于约束层状阻尼处理，所述约束层状阻尼处理通常用于弯曲结构的振动响应的阻尼。趋向于以剪切形式被加载的压电元件21被定位在击球面和刚硬的垫层(backing layer)之间，所述刚硬的垫层被称为约束层208。当如图5b所示在碰撞载荷下击球面弯曲时，所述约束层抵抗该弯曲变形，将中间压电元件置于剪切形式。在构思4中，如图5b所示，一个或多个剪切模式压电元件被定位在支承结构208和击球面10之间，从而，当击球面弯曲时，在压电元件上引起剪切应力，然后所述剪切应力通过压电换能器可被耦合入电场中。在典型配置中，电场与表面法线对齐，并且1-5模式压电元件在击球面的平面内被极化。例如，所述元件之一可在高曲率的点处被设置在板的每一侧，然后作为约束层的杆或板被粘接在这些压电元件之间。在击球面变形时，杆试图保持不变形，并使用1-5激励模式将大剪切载荷加于压电元件上。

在另一实施例中，剪切模式压电元件是一个环，径向向外或向内被极化。所述环可围绕击球面中心被粘接。电场将穿过击球面和约束层之间的环厚度起作用。在这个实施例中，约束层将为具有与所述环相同外直径的盘，所述盘围绕其四周被粘接至所述环。这是上面所述的轴对称版本的构思，并且起到将类似鼓膜的击球面运动耦合进压电元件中的作用。

剪切操作模式是用于压电换能器的非常有效的、具有非常高的耦合系数的操作模式。对于3-3激励模式和1-5激励模式，耦合系数是非常类似的。耦合系数被粗略地定义为输入的机械能量的一部分，所述输入的机械能量的一部分在预定加载循环下被转换为电能。

构思1、2、3是弹性耦合系统。压电元件因弹性体的两部分之间的相对变形而被挤压。由于击球面-压电系统是弹性体的一部分，击球面的变形使压电元件产生变形。对于构思1，当击球面(弹性体)变形时，因为压电元件被粘结至击球面，所以使压电元件变形。构思2使用一种支撑结构壳体，所述支撑结构壳体在与压电元件不同的位置处连接至击球面(例如，压电元件在中心接触击球面，壳体在离开中心的限定半径的环上接触击球面)。因为建立了不同的接触点，相对运动有效地挤压所述压电元件。以这种方式，压电元件被耦合入击球面运动中。在构思3中，击球面的变形运动挤压连接于击球面和支承结构之间的压电元件。在构思4中，击球面的变形在压电元件中引起剪切应力。所有这些构思依赖于耦合至代表高尔夫球棒的棒头的击球面-主体结构的弹性变形中。因此，这些构思共同被称作具有弹性耦合的换能器。

构思5、6和7-惯性耦合构思

包括构思5、6和7的下面的类别表示将载荷施加给换能器的不同方法，所述换能器利用碰撞期间的惯性力。这些构思利用加速质量所必需的载荷来加载压电元件。因而，压电载荷是加速度而不是击球面的相对变形的函数(function)。在最简化的实施例中，如图6所示，有一个反作用质量209(有时称为校验质量)压电元件21被连接在反作用质量和击球面10之间。系统类似于质量-弹簧系统，以压电元件作为被加载的弹簧。运动面类似于质量-弹簧系统中的运动基体(base)。当击球面在球碰撞下运动时，惯性力抑制反作用质量的运动，压电“弹簧”通过击球面和质量之间的不同位移被加载。当弹簧被加载时，它产生此后可被用于控制击球面的电荷和电压，这一点将在后面被描述。

在这些构思中，重要的是调整质量和压电“弹簧”，以在碰撞期间与击球面运动很好地耦合。与弹簧-质量系统的第一固有频率期间相比，在击球面缓慢移动的情形中，在击球面和质量之间几乎没有相对运动，从而几乎没有压电加载。在这种情形中，由于弹簧的弹性力远大于惯性阻力，所以质量很好地跟随击球面。在可替换的情形中，如果击球面非常快地运动，质量不能作出响应，压电“弹簧”以壁移动的数量被挤压。因此，压电元件承受的载荷及因此耦合至击球面运动的量，依赖于所述系统的相对质量和弹簧常数以及受迫振动(forcing)的时标。

为了说明系统的行为，考虑击球面以类似于碰撞运动的1/2正弦波被移动时的情况，在球加载下击球面的中心向内移动一个距离(大约1mm)，然后在称为碰撞持续时间的特定时间内回到正常位置。如果碰撞事件花费1/2毫秒，它将对应于对应1kHz输入的一半循环的输入波形。如果压电元件21、质量209和弹簧(击球面10)具有明显大于1kHz的固有频率，则该系统在该基体(击球面)运动下看起来像刚性体。在这种情形中，在压电元件中没有大量的相对变形。相对运动对应于压电元件经历(see)的应变的量，进而对应于压电元件在开路中经历(see)的电压的量。使用这作为尺度，在碰撞下可获得的开路电压以非常低的频率输入(长持续时间碰撞和刚硬压电-质量系统)减少至零。在击球面保持刚硬时，当输入与弹簧质量系统的时间常数相当时，电压升至共振峰值。如果弹簧质量系统的第一基本模式(fundamental mode)低于受迫振动频率(forcing frequency)，则当击球面移动时，压电元件以在移动面和惯性质量之间的相对变形的量被挤压。这是因为所述质量不能足够快地移动，以对相对高频的击球面运动做出响应。

在末端上具有典型的10克质量的典型1cm乘以1cm乘以1cm的立方压电元件，可具有在20-40kHz范围内的频率。如果没有非常大的反作用质量被使用，则其将太硬以至于不能很好地耦合该～1kHz击球面运动。这样，则意味着设计者必须尽力制造一个系统，其中，具有较小的质量和更小的有效压电元件刚度，以支撑那个质量。如果被很好地设计，质量-压电固有频率是相称的，从而很好地耦合入球碰撞中。

为了实现这种频率调整，设计者必须通过使压电元件变薄或者使用某些机构使压电元件有效地具有较低的弹簧常数，以此软化压电元件。示出在图7及图8中的构思6和7分别示范了这种使用机械放大的压电换能器配置的一些表现形式。通过降低压电元件的有效弹簧常数，使之低于堆叠元件(stack element)，这些构思起作用。堆叠元件可以是非常刚硬的。机械放大增加了压电换能器行程，同时降低其阻挡力(blocked force)，实质上减小换能器的有效刚度，降低在校验质量(proofmass)或反作用质量(reaction force)和击球面的壁之间的弹簧刚度。

如果击球面的表面相对于有效压电弹簧和质量系统的固有振动较慢地移动，则压电变形和电荷集聚相当少。如果它相对于时间常数快速地移动，则压电元件以大约击球面的变形被挤压。为了使能量进入压电换能器，问题是你如何设计弹簧及质量必须为多大？如果弹簧和质量具有被调整至击球面运动的时间常数的固有频率，例如1/2ms的时间常数，则你需要所述弹簧系统的固有频率为大约1kHz，然后在压电元件中的载荷被最大化。在高频时，所述质量看起来更像惯性反作用质量。压电元件从该反作用质量处离开(push off)。这允许通过反作用质量209和击球面10之间的作用力在表面中的直接表面运动的激发。

构思5存在这样的明显问题：直接与终止(end up)的质量相联的压电元件是非常刚硬的系统，要求大的质量以使固有频率降低到最适于球碰撞耦合的范围。有许多使用机械设计来降低压电元件(piezoelectric)刚度的技术。例如，由直径非常细小的柱状物构成的压电杆可被植入环氧树脂中，以降低有效刚度，但保持压电电荷系数在适当位置。这称为1-3压电合成物。合成物还很好地以在环氧树脂中使用压电颗粒的颗粒复合物工作。通过选择适当的颗粒体积率(volume fraction)，换能器可被设计以降低有效材料刚度。降低有效压电弹簧常数而不牺牲耦合系数的其它方式是压电系统的其它配置，诸如使压电元件机械放大。图7中所示的构思6示例了机械放大器210的一般概念，以降低放大的压电元件的有效刚度。有数以千计的不同类型的机械放大器接收非常大的作用力和行程(stroke)非常小的压电运动，并将其转变为非常大的行程但较低的力输出。基本上，所述机械放大的压电元件的有效耦合系数总是低于压电元件自身的有效耦合系数。构思6表示使用被称为aflex-tensional压电的构思的一种方法。在这种情形中，运动放大器的轴向形变(在垂直于击球面的方向中)产生所述压电元件的水平运动和变形。在所述压电元件左右地改变尺寸时(也就是，压电元件变长、变短)，它在反作用质量和击球面之间推或拉。放大率可以为2至100中间的任何系数。非常小的运动产生系统的非常大的运动。机械放大的压电激励器产生较高的行程和较低的作用力输出。因此，较软的弹簧可被用在击球面和作用质量之间，以降低所需的反作用质量，使之低于假如你具有没有机械放大的压电元件时所要求的反作用质量。

图8中所示构思7是一种弯曲体结构(bender configuration)。双晶弯曲体(bender)211的一种可能的表现形式是一种具有一个中心垫片(shim)层和在每一侧上的2层压电层的矩形片。有时没有垫片，只有2层压电层。所述压电层被激励，以使顶层扩张和底层收缩。由于顶层和底层具有不同的热膨胀系数，这产生非常类似于双金属片弯曲的元件弯曲。这种器件211的输出为尖端的作用力和变形。这是一种弯曲模式激励器，其实质上将双压电晶片平面内的小压电运动变为平面外的大尖端变形。其以类似于机械放大器的方式工作。一般地，双压电晶片(bi-morph)具有比在轴向冲程压电元件中大得多的尖端变形。基本上，代表双压电晶片弯曲体的杆(beam)的尖端变形变为压电元件上的轴向压缩或张力。典型的1-3模式元件中，具有在弯曲元件的平面内带有电极和载荷的压电晶片。一些人已使用压电纤维复合物(PFC)激励器，用于双压电晶片压电层。这些PFC可被配置以使用交叉(inter-digitated)电极和系统平面内的纤维将电场置于系统平面中，从而耦合至平面场。两个压电纤维复合物可被相互连接(粘接或层叠)，并可被构造为双压电晶片弯曲体。其是一种具有高耦合系数的元件，但具有非常好的力变形(force deflection)特征。在这种构思中，双压电晶片一般位于校验质量209和面结构10之间。

图8示出偏向一侧的校验质量中的单个双压电晶片。你可以在相对侧具有两个。双压电晶片换能器具有使其有效地作为机电换能器的特性。取代具有杆纯矩形平面(beam pure rectangular plane)的形式以使杆(beam)具有恒定宽度，双压电晶片的宽度和/或厚度可作为沿所述杆的长度的函数(function)被改变。实际上，有利的是，使双压电晶片形成锥形，以使其在基部较宽，而在施加载荷的点处减少至非常窄的平台(platform)。这作为对尖端运动的更有效的耦合系统。并且，有利的是，改变杆的厚度，所述杆的厚度作为其沿着双压电晶片长度的位置的函数。最好在根部处具有较厚的杆及在外侧处具有较薄的杆。这使器件中的应力最大化，且使获得所述的能量耦合水平所需的器件的质量最小化。平衡(equalize)压电元件的应力水平，以便不具有压电元件的一个高加载部分和一个非常轻的加载部分。相对均匀的载荷增加了有效耦合系数。

双压电晶片不必是矩形元件。它们可为锥形或圆形。它们可有可变的厚度。它们还被制造为弯曲的结构。压电双压电晶片有许多不同结构。特别提到的是一种盘形的(圆形的)双压电晶片结构的可能性。使用支座(standoff)，压电双压电晶片盘在盘的中心被连接至击球面。校验质量是被连接在压电双压电晶片的外径处的环。双压电晶片上的电极可以是轴对称且均匀的，或者沿圆周成扇形(饼块形状的扇形)，以便可通过压电元件激励/响应不同的倾斜(differential tilt)。

构思5的实施例被示出在图6中。压电元件21作用在击球面中心10和反作用质量209之间，反作用质量209被设定大小以使该质量在压电元件上的第一固有频率与碰撞持续时间(调整后的)的两倍相当。这意味着如果几乎没有反作用质量被使用，则需要放大的或刚度减小的压电元件。一种挑战是使压电元件足够软以接收高碰撞能量，但又足够刚硬以在高频下碰撞大的作用力(impact high force)。可能要求重的反作用质量。

构思6的实施例被示出在图7中。其类似于构思5，但是用机械放大器210代替压电激励器。运动放大器210在击球面中心和反作用质量之间将小压电运动转换为大的相对运动。人们可以解决阻抗不匹配的问题，但是有一种可能的较重且更复杂的机构。

构思7的实施例被示出在图8中。双压电晶片弯曲体211作用在质量209和击球面10的中心之间。它与构思5和6相似，但是在击球面和质量之间使用双压电晶片压电元件。它可以使用轴对称双压电晶片盘和环质量。它可使用多个矩形或三角形形状的双压电晶片和质量。人们必须将第一质量固有频率调整至碰撞事件，然后分段电极，以帮助在击球面上定位球碰撞。存在不确定的高频作用力输出。

构思8-在击球面和球棒主体之间耦合的激励器

构思8的实施例被示出在图9中。在这个实施例中，具有电引线22的激励器或换能器21被设置在球棒主体11和击球面10之间。以这种方式，在碰撞期间，碰撞的击球面和所述主体之间的载荷可被换能器转换为电能，并且，通过换能器元件的选择性受控激励，在碰撞期间击球面可相对于主体被定位。这些激励可被用于改变例如相对于主体的击球面转动位置，以抵消由偏心碰撞在系统中引起的转动。

使用所述系统的这种结构，有多种可能的工作模式。第一种是准静态定位。在这种工作模式中，击球面相对于主体和球从其初始方位被重新定位到替代位置。例如，击球面角度在偏心碰撞事件中被略微调整。所述角度调整被预先校准，以实现误差距离(miss distance)的减小--例如通过重嵌(re-pointing)击球面来补偿曲线击球或曲球(hook orslice)。通过改变击球面的静态(相对于碰撞事件)定位来增加优点。

在替代工作模式中，在碰撞事件中，击球面被重新定位，从而，所引起的运动自身对碰撞结果产生期望的效果。例如，击球面可以沿切向被移动(垂直于击球面法线)，以便通过球和当前切向移动的表面之间的摩擦界面使碰撞期间的击球面切向速度有益地影响球旋转。击球面可被施加作用力(be forced)以具有切向速度，所述切向速度具有减少或增加由碰撞事件引起的球旋转的效果。这种旋转控制对随后的球飞行或球跳动及它撞击地面后的滚动行为具有良好的影响。

在具体例子中，在碰撞事件中击球面可相对于击球面法线轴的切向向上运动。这可被控制以仅仅发生在强碰撞情形中，否则所述强碰撞情形将在碰撞期间产生太强的旋转。如本领域公知的，该太强的旋转可导致过度的升高及减少的飞行距离。在这种相同的坐标框架中，向上运动的速度可为球切向速度的一部分。在这种情况中，将有更少的在击球面表面和球表面之间的相对运动，导致在碰撞期间球的更小上旋，从而导致更大的飞行距离。

当前优选的实施例(构思2)

工作原理

作为最终设计目标，棒头被设计以将碰撞能量转换为球棒端面的高频率、高振幅振动。利用Katoh和Adachi参考文件中披露的及本领域公知的技术，所述面的高频激发降低了击球面/球的有效摩擦系数。在面振荡期间球/击球面有效摩擦系数的降低，起到了降低由于在撞击时与击球面的摩擦接触引起的球旋转的作用。对球飞行的模拟显示出：减少的来自于碰撞的球旋转在高效球速的情形中导致增加的球行程。这些情形是与高效球速相关的情形，也就是高棒头速度和/或高逆风。在这些条件下，由球的高速旋转引起的过度升高导致上升轨道(ballooningtrajectory)，导致下降行程轨道(down range trajectory)的相当大的减少。研究表明，在一些相对高的速度情形中，球旋转25％的降低可使向下行程飞行距离增加10-20码。

球和击球面之间的减少的摩擦还可导致减少的来自碰撞的球侧旋。减少的球侧旋导致减少的横向距离分散(cross range scatter)以及增加的驱动精确度。因此，本发明的意图是提供一种能够在球棒端面上赋予必需的表面振荡的系统，以获得受控制的自旋减少的已知的想要的益处。所述系统在只有高速碰撞(呈现不想要的过度旋转的那些碰撞)将触发旋转减少振荡的意义上被控制。本发明的另外目的是，完全从高尔夫球棒棒头和球碰撞时获得的能量来为这种受控制的摩擦减少系统提供能量，从而不需要诸如电池的额外的动力源。

模拟显示了在120kHz或120kHz以上以5-10微米振幅振荡的被高频驱动的球棒端面具有显著降低球旋转角速率的能力。球-球棒碰撞的模拟被示出在图12和13中。图12示出在碰撞期间耦合至击球面的压电换能器的电压随时间的变化。电压上升直至它达到临界触发电平(在电子设备中被设定)，在所述触发电平点，振荡被激发，并被调整至所关心的击球面模式(120kHz)。这些高频振荡被示出在图13中，以减少求和击球面之间的摩擦系数和切向作用力，从而减少在碰撞时加快旋转的速率和所导致的球旋转。图13中的曲线C示出类似于图12中示出的电压随时间的变化。图13B示出在球和击球面之间的切向(摩擦)作用力，显示由在C中的高频振荡提供的减少。球旋转角速率被示出在13E中，其中在由于击球面振荡而减少切向作用力的时间期间球旋转没有增加。效果基于在振荡循环期间达到临界峰值加速度的击球表面。摩擦减少的临界参数为击球表面(球棒端面)必须间歇地中断与碰撞球的接触。为了使之在球-击球面碰撞情形中发生，离开球的击球面加速度必须为足够大以中断所述接触。实际上，所述击球面必须从球下面移出。这仅仅需要为碰撞事件的短摩擦发生，以实现如图13所示的球-击球面摩擦。由于在球-击球面碰撞期间有一个高预载荷，所以在球和棒头之间有高压缩载荷，如图13A所示。这种球-击球面法线载荷引起球在最终的球飞行方向上的加速。球最初是静止的，然后它必须经历高加速度变化率以在碰撞事件后达到其峰值速度。为了中断接触，击球面必须在这个球加速度的大约水平上加速周期(cycle)的至少一部分时间。

所述击球面必须达到一个向后离开球的足够的加速度，以中断接触。击球面振荡运动的振幅乘以平方的振荡运动的频率与峰值表面加速度成比例。已经发现，频率在50-120+KHz范围、振幅在5-20微米范围内的表面振荡运动具有足够的表面加速度以在大范围碰撞情况中中断击球面和所述球之间的接触。如果振荡发生在较高频率(其他一切为相等的)处，则较低表面运动振幅是必需的。

当这种情况发生时，击球面以非常高的加速度变化率并以非常短的时间离开球向回移动。工作原理为：引发的表面运动具有足够大的振幅和频率，并且表面加速度将足够高以克服由于球碰撞引起的压缩载荷和实际上中断球和击球面之间的接触。击球面实际上以比球可响应界面作用力的降低的更快的速度离开球表面。击球面从球下面移出。

接触的中断重置在界面间摩擦的通用模型中使用的微滑移区域。在图20所示的这种摩擦模型(Katoh)中，在摩擦力增大至与库仑(滑动)摩擦相应的水平之前，在主体(表面)之间允许有少量相对切线运动u。图20是作为在主体之间的相对位移u的函数的有效摩擦系数(切向系数)φt的曲线。降低摩擦系数的区域源于界面处的切向弹力。当表面互相滑动通过时，摩擦快速增长(在几个微米的行进过程中，在图20中由u1提示)至与两个滑动面之间的库仑摩擦相关的渐近水平。这种摩擦模型表示微变形，所述微变形发生以适应在界面开始滑动之前表面间的相对运动。这种界面模型在Adachi参考文献中被提出。

在目标具有足够的相对运动以位于渐进区域中之前，通过重复地中断球和击球面间的接触，表面之间的滑动仅仅发生在具有非常低的有效摩擦系数的微滑移区域中。结过中断接触的多个循环，滑动运动因此被结合至球和击球面之间的较低的平均摩擦系数。

在球-击球面碰撞期间，发生多个动态相互作用。力可被当作与击球面垂直和与击球面相切地作用。法向力穿过球的质心起作用，以一阶加速球而不直接产生旋转。切向力起到影响速度的切向分量和球旋转的作用，所述切向力来自于球和击球面之间的摩擦。

在碰撞事件的过程中在切线方向上，球在开始滚动时开始沿击球面滑动。当球离开击球面时，它通常以极少滑动分量沿所述击球面滚动，也就是，球以这样的速度滚动(转动)，以使球表面和击球面处的接触点相对于击球面接触点不移动。通过控制球和击球面之间的有效摩擦系数，在碰撞中球向上旋转的程度如图13的轨迹E所示被控制。如果摩擦被足够地减小，切向作用力将不足以使球旋转至纯滚动的点。因此，由于切向(摩擦)力直接产生球旋转，控制这些力可产生对球旋转的控制。

系统实现

系统被设计以俘获来自于球棒棒头碰撞的能量，并使用它激励击球面的高频(超声)振动，使用这些以控制如上所述的击球面和球之间的摩擦。实现了使用弹性耦合至击球面变形的压电元件。在优选实施例中，同样的压电换能器(以在上面所定义的压电元件的最广泛的意义)即被用于从碰撞中提取能量，以向系统供给能量，并被用于利用所提取的能量激发球棒端面中的超声振动。在操作中，碰撞使球棒端面变形，压电换能器被弹性耦合在所述面上，以使击球面变形被转换为电能(压电元件上的电荷和电压)，例如图10中的元件P10或P11。耦合至压电换能器的电子设备被构造以使压电元件在碰撞期间被充电时最初处于开路状态。在某点处，压电电压达到在系统中预先定义的临界电平(触发电平)，在所述点处图10中的开关Q10或Q11被关闭，从而在压电电极间连接感应器L10或L11。所述感应器被构造以使得到的LRC电路(C为压电元件的电容，以及L为分路感应器)在振荡(振铃(ringdown))中响应，所述振荡在跨过压电电极连接感应电路时开始。元件值(component value)被选择以使振铃(ring down)频率被近似调整(如下面所述)为击球面/压电系统的高频动态结构模式，诸如在图22中的频率响应函数中所强调的模式，从而产生源于压电机电耦合的高频击球面运动/振荡。系统被设计以使高频击球面运动足以如上所述控制球和击球面之间的摩擦。

系统具有许多设计问题，以下将进行说明。系统被设计以最大化地对所述压电元件充电，以获得在启动振铃/振荡之前存储在压电电容中的最大的电能。这使振荡振幅最大化。此外，所述系统在结构上和电气上被设计，以使压电元件最大化地耦合至高频击球面运动，后面将说明。

图2a和2b中所示的压电元件(21)被弹性耦合至高频面模式，以激发高频振动。电路被设计以获取碰撞电能并使用它驱动振荡器，所述振荡器近似被调整至选择的击球面模式频率。电子设备将碰撞能量的一小部分转换为球棒端面的高频振荡。随着压电元件被充电，当它达到阈值(触发电平)时，控制开关(图10中的Q10和Q11及图11中的Q3)被打开，分流跨接在先前开路的压电元件上的感应器，并且以感应器和如图12中所示的压电电容所确定的频率启动高频振荡。

频率由LC时间常数确定。感应器被设定大小以用于高频共振，并且应当具有非常低的阻抗以减少能量损耗，以及适当的磁芯或空气芯以减少磁滞损耗和磁场饱和效应。尽管具有可能的快速导通时间和在关闭时具有低阻抗的特性的开关也可以使用，开关可使用MOSFET晶体管最容易地实现。此后将说明开关的许多其他理想的特性。

击球面和压电设计

压电换能器被耦合至击球面运动，以使击球面变形产生压电电压和电荷。设计的目标是最大化地耦合压电换能器，以同时达到两个效果：1)最大化耦合(以及产生的电压)由碰撞击球面(在击球面中心处碰撞及偏离中心碰撞)的球产生的击球面变形；以及2)最大化耦合至被耦合的压电-击球面结构系统的高频振荡模式。从击球面载荷至压电开路(OC)电压的耦合被表述在图21中，所述图21示出从表示球碰撞的分布式载荷至压电开路电压的转移函数。曲线表示对中心撞击的响应，对应在各个直角方向(上：北，下：南，朝向尖端：西，朝向尾端：东)上距离中心位置0.5英寸(inch)处的每个撞击位置有不同的曲线。用于与95MPH的棒头摆动成比例的10,000N载荷的准静态开路电压，由图21中标注的转移函数的低频渐近线来表示。可以在一系列撞击位置上对品质因数(FOM)取平均，以产生设计的FOM，所述FOM试图使由一定范围的中心和偏心撞击所产生的压电电压最大化。

对高频击球面机械振荡的耦合由图22中的转移函数来表示。该数字表示从被施加的正弦压电电压至击球面中心处(以及在前面标注的方向上的0.5英寸的点处)的击球面表面加速度的转移函数。以类似于在图22中提到的电压响应转移函数的方式，在一定范围的位置处的运动/加速度可被用作设计的平均的或加权的品质因数。如所看到的，高频加速度响应在击球面的振动模式和被耦合的压电系统处被最大化(图22中的“激发模式”)。在优选实施例中，这种模式发生在127KHz处。在这个频率处驱动击球面将最大化表面加速度。以类似的方式，在与高加速度响应相关的频率范围内振荡的压电的振铃将引起最大化的表面加速度。

设计的目标是最大化因中心和偏心撞击所获得的开路电压，并最大化在电路被触发后来自该电压的随后的振铃响应期间的表面加速度。所述系统的几何形状被选择，以最大化这两个品质因数，导致因系统激励的最大化的表面高频响应。

压电元件、球棒端面和下面描述的圆锥形壳体元件全部被构造为，使得到的耦合系统展示这些特性。由于表面对碰撞的响应及得到的电压是壳体、压电换能器及击球面几何结构和材料的函数，所以它是一种耦合系统设计。此外，高频模式形状和频率更是设计的全部三个要素的函数。在下面的部分中，压电换能器将在壳体和击球面结构之前被描述。

堆叠件(stack)和端盖设计

压电元件以击球面分组件的分解图形式被示出在图18中，且以击球面分组件的截面图形式被示出在图19中。压电堆叠件自身被表示为元件21，而包括堆叠件21、引线22、堆叠件端盖23和卸拆器(strain relief)25的激励器组件共同被当作图18中的分组件15。压电激励器21被优选配置为多层堆叠件、3-3型激励器。它可选择地为单一杆、管或条，以使电输入主要地产生轴向激励(运动和应力)，以及相反地使轴向载荷在元件上产生电压和电荷。注意，1-3(横向的)耦合管或系统也具有这种效果，但是使用3-3堆叠件使电压最小化，因为层可被制成薄的且3-3模式多层堆叠件利用与3-3模式操作相关的高压电耦合系数。居中定位的压电堆叠件被设置在击球面10和支承板(帽13)之间，所述支承板在细心确定的位置处被结构耦合至所述击球面。压电堆叠件具有凸状端盖23，其具有与击球面的点接触，从而最小化因系统中的偏心布置而在堆叠件上引起的弯矩。这在这种高应力系统中是重要的，因为理想的是在最大允许应力附近操作压电元件以最小化系统重量，同时最大化机电耦合。此外，凸状端盖26被设计以使应力通过堆叠件分布更均匀，产生更理想的堆叠件操作，以及最小化在堆叠件中应力的不均匀性，所述不均匀性在碰撞下可产生破裂或引起堆叠件失效。端盖厚度被确定以确保足够的均匀性。在优选实施例中，端盖在圆端具有12.5mm的曲率半径，以及从顶部至与压电堆叠件的界面的距离测得为3mm，它们由诸如铝或钢之类的刚硬材料制成，以在最小厚度/质量部分中将应变更有效地分布至堆叠件。可替换地，为了容易制造，它们可由这些材料的迭片构成。

堆叠件21包括共同烧结的多层压电元件，具有从15至150+微米范围内的层厚。带有较薄层的系统具有非常高的电容，因而，与使用较厚层的系统相比，具有较低的必需电感，用于调整至给定频率。例如，1cm总长度的9mm直径的圆形堆叠件，如果它由90微米的层组装，则堆叠件电容为550nF，而如果它由35微米的层组装，则堆叠件电容为3442nF。

使用较薄层的堆叠件相反地在触发期间还具有非常高的电流。较高的电流可引起过度的损耗。较薄层还导致在可比较的应变下较低的电压系统，所述较低电压系统可简化和减轻电子器件设计。优选实施例使用90-100微米厚的层。压电材料是一种类似于典型的PZT-4的“硬”合成物。它被选择以最小化压电磁滞损耗，并最大化在碰撞期间的堆叠件稳固性和对高轴向应力的耐受力。引线被连接以使所有的压电层并行起作用。如图18所示，引线被连接至堆叠件的侧面。压电元件为～1cm长和直径为9mm。它使用强环氧树脂被连接至具有非常薄的层的弯曲的端盖上(以最大化耦合)，从而使整体压电/端盖组件15为～16mm长。

击球面和锥形体设计

目的是耦合至在碰撞期间的击球面变形，以最大化在碰撞期间产生的电压和电荷(产生的电能)，并且耦合至面系统的高频模式，所述高频模式由激励器的高频振荡来激发。系统将碰撞能量转换为击球面的高频振荡。使用通过表面振动减少界面摩擦力的构思，高频击球面振荡可被用于控制球和击球面之间的摩擦界面。

击球面结构是具有精心控制的厚度的钛，以产生想要的模式结构，所述结构具有容易由压电元件激发的高频模式。击球面、壳体和压电元件的一般结构(共同为击球面组件14)在图17以装配图、在图18以分解图和在图19以截面图被示出。它包括具有端盖23(在上面描述)的压电元件21，所述端盖通过圆锥形壳体结构12被连接至击球面10且相对它被加载。压电元件在碰撞的中心点33处与击球面相接。使用具有略大于端盖的大约13mm的曲率半径的小凹窝33制造击球面，以规定堆叠件在击球面上的正确定位。

具有任选的带螺纹的独立端件(endpiece)13的圆锥形壳体12被构造，以与压电/端盖激励器组件15的远端(与击球面端相对)相接。它同样具有弯曲的界面，以规定压电端盖的正定位。圆锥形端盖具有带螺纹的基体29，所述带螺纹的基体29如图所示被旋入球棒10的击球面(内侧表面)上的螺纹环37中。通过将锥形体螺接到击球面上，压电元件被机械耦合至击球面，并且压电元件轴向尺寸改变被耦合至击球面弯曲。环56的半径及圆锥形壳体的厚度和几何形状被精心确定，以最小化弹性损耗以及击球面和压电元件的远端之间的变形。壳体的轴向刚度必须为尽可能的高，以最大化对击球面变形的压电耦合。

如图18中所示，锥形壳体在其侧面可配置有检查孔元件32。这些允许堆叠件定位和引线被引出至位于球棒棒头内侧的其他位置的电子器件。对于击球面、锥形壳体和压电元件的结构设计必须十分小心，以避免在重复的强碰撞载荷下在这些部件中的临界应力水平。系统被设计以使壳体可被拧到击球面上以牢固地将压电堆叠件挤压在击球面上并在压电元件上提供足够高的压缩预载荷。目的是在碰撞和操作期间使激励元件保持压缩状态，因为压电元件不具有高的抗张强度。

击球面厚度在锥形环39内侧为2.4mm，在所述环外侧的台阶35中为2.7mm，并通过渐变锥体36从所述环径向向外移动至2.2mm的最小厚度34。环外侧的较大厚度是由于刚硬的锥形壳体增加了应力，使得在这些区域中需要较厚的壁。螺纹环可被焊接在击球面上或与击球面一起形成。它在38处具有大约2mm的厚度及3.5mm的高度。锥形外壳12的壁厚为大约1mm。

在击球面连接环38处的壳体直径非常重要。这个直径被选择为尽可能地大，同时允许系统在足够高的频率下具有完全的轴对称振动模式，以允许在击球面结构中激发高加速度。在优选实施例中，环38具有大约35mm的直径和4mm的高度。环39内侧的面厚度为2.4mm，并且被选择以将它的部件模式(component mode)(就好像它是一块圆板，在未连接至压电元件的状态下振动)之一与压电元件的第一轴向扩展模式相匹配。该击球面-压电模式匹配产生耦合的系统(一旦压电元件被连接至击球面)，所述耦合系统在该设计频率处具有高模式振幅。

锥形壳体在其远端可具有螺纹端盖13，壳体的带螺纹的表面30与端盖的螺纹表面27相匹配。壳体中的开口允许简化的组装过程。利用可拆除的端盖设计，锥形壳体被首先连接至击球面。然后压电元件被插入，端盖被拧在锥形壳体上，以相对击球面预加载压电元件。端盖可具有凹曲表面，以与压电元件的凸状端盖相匹配。端盖13可具有连接到锥形壳体12的螺纹连接件27。

电路

总的系统是一种转换电能的系统-所述电能是在碰撞期间由在碰撞期间被加载的弹性耦合的压电元件“准静态”地产生的。在应力/载荷被施加至压电元件时，电压和存储的电能在压电元件上积聚。图10和图11中所示的电子元件将在压电元件上存储的电能转化为压电元件的高频振荡运动。为了完成这个转变，存在一个“切换事件”(switching-event)，其在预定电压阈值处跨过带电荷的压电元件的电极切换图11中的感应器L1和图10中的感应器L10或L11。电压电平可被预先确定，以对应于特定大小或强度的碰撞，从而仅仅在足够强度的碰撞中触发系统，以保证对球旋转的校正作用。

切换还可以利用不同于临界电压水平的事件来触发。例如，利用峰值检测电路，触发可发生在碰撞期间的载荷峰值处，所述峰值检测电路在压电电压开始从其先前的值(峰值检测电路)回退时启动。

感应器被设定大小，以使电容器和感应器在预定的频率处(大约120KHz)振荡。对于直径9mm和总长度为1cm、层厚100微米的堆叠件，压电元件电容量大约为480nF-600nF。在这种系统中优选的感应器L10、L11、L1的值为～1-10微亨。

总之，从高功能性水平考虑，电路设计是这样的：当压电电极为开路时它将检测压电元件上的电压水平，然后在预定的电压水平处，关闭将感应器连接至电路的开关，从而当压电元件上的电压和电荷通过感应器放电时引起压电元件(在触发之前其上具有电压)在高频下振荡，所述放电引起如图12所示的振铃(ringing)。

图10和11中所描绘的电路具有触发开关的这种简单功能。当换能器(压电元件)在碰撞期间被施加应力时，电荷和电压在其电极上累积，实质上存储碰撞的机械能量，所述机械能量已由换能器转换为电能。特定电路工作以使当电压达到临界阈值时开关被关闭，以将电容压电元件连接至感应器。所述感应器被设定大小以使闭合电路的LC时间常数(电共振频率)非常接近结构模型(structural mode)——在本例中为选择的击球面弯曲模型的共振频率。

在将压电电容器中的“准静态”能量转化为振荡能量中，高频振铃(ringing)必须尽可能有效。这需要非常低的损耗振荡(lossoscillation)，以使振铃(ring-down)具有非常低的阻尼率、通常小于10％的临界值(critical)的非常高的品质因数，优选小于5％的临界值。这又要求在主连接通路中具有非常低的“导通(on)”电阻开关(resistanceswitch)和非常低的——没有损耗的元件，诸如低损耗的感应器，以及没有电阻器。

系统中的高性能还意味着对任意寄生损耗的避免。典型的寄生损耗是由于驱动开关控制电路所需的电荷或任意的电气系统元件，诸如起降低开路电压作用的电容器，所述开路电压为压电元件在碰撞时通常产生的。

在触发前期望压电元件上经历(see)的典型电压为大约400v(系统可经历100v至600v)。许多这种元件将为高电压元件，因此必须具有高击穿电压，但同时为了非常小的损耗必须具有非常低的电阻。

因此，总的来说，所述系统包括四个元件：1)具有一些电容的压电换能器21，2)图11中的开关Q3，所述开关由3)控制电路控制，以及其跨过压电电极连接4)图11中的感应器L1。

非常重要的是，在压电元件电极上的电压达到临界水平(预定的阈值水平)时，该主开关导通非常快。所述开关快速导通对于减少损耗是非常重要的，因为，在120kHz处，如果它导通相当慢，假如它用几微秒来导通，在真正的振铃(ringdown)可能发生之前压电电压中的损耗可能相当大。实际上，压电电荷在完全连接感应器之前被泄放。这严重地限制了振荡的初始和随后的电压。理想电路将感应器连接在压电元件(piezo)上，从其原始开路状态(在切换开始之前)在压电元件中很少或没有压降。总之，在工作中，系统达到一个触发阈值水平，然后快速关闭高压开关，以使它具有非常低的损耗且振铃(ringdown)在由触发事件确定的开路电压下启动。

电路框图被示出在图10a和b中，所述图示出控制电路，其驱动开关以将感应器元件连接至压电元件的终端。图10a示出一种开关在压电元件(piezoelectric)和感应器之间(高侧)的结构，而10b是一种开关漏极名义上接地(低侧)的结构。图10b中结构的详细电路被示出在图11中。在下面的部分中，它的操作将参考图中的元件标记被描述。电路的主要元件的操作如下：

压电元件(P1)：

电路被连接至压电器件P1，压电器件的高电极(high electrode)(在堆叠压缩下的正电压)被连接至感应器L1(图11)。在图11中，压电元件可由与典型电容C串联的电压源来表示。实际上，这些元件不是电路的一部分，而仅仅用于表示用于调谐(tuning)目的的压电元件。这种表示忽略了从电能至机械能的耦合，实际上仅仅反映了机械力(mechanical forcing)在压电元件上的效果(机械至电的耦合)。电容器C被设定大小以反映压电元件的开路电容；同时电压源输入被设定大小以表示开路电压偏移，在开路条件下(没有东西被连接)压电元件在机械力下将经历所述电压偏移。用于压电元件的更完整模型应当包括对诸如压电器件的刚度和惯量的机械性能的电模拟，以及耦合机械和电领域(domain)的变压器或回转器。

感应器(L1)：

感应器L1被连接至压电元件P1。它最初是浮接的(没有连接至地)，因为，开关Q3是打开的，因此没有电流流过它。在触发事件和随后主开关(Q3)关闭时，L1的浮接侧被连接至地且在压电元件和感应器之间形成闭合电路-现在并行连接至压电电容。这产生一个闭合的LRC电路，压电元件作为电容，L1作为电感，L1的串联电阻及主开关Q3的及任意导通电阻(及任意引线电阻)作为R。本设计的主要目标是产生高共振电路(低R和低阻尼)，以允许从电振荡耦合至压电元件和击球面的机械振荡。因此，感应器在LRC电路的振荡频率处必须具有非常低的串联电阻。这一般地在50-200kHz的范围内。有必要使用高品质、低损耗、额定用于高频操作(诸如在开关电源中)的感应器。对于我们的系统，在200-600nF的级别上(更典型地在～400nF)的压电电容和在1-12μH范围内的电感一般被用于设定由公式 $=1/\sqrt{\mathrm{LC}}$ 给出的振荡频率(更典型的为～6μH)，其中f是理想的电谐振频率(公式用于轻阻尼系统)。在我们的系统中，我们从VishayIHLP5050FDRZ3R3M1中选择3.3μH电源滤波扼流圈或从PanasonicPCC-F126F(N6)中选择线圈，所述线圈对于8.2μH值，具有～11mΩ的DC阻抗(和非常紧凑的封装)。权衡考虑的是低阻抗与封装尺寸。这些中的每一个重量为大约3克。由于电感值一般是频率的函数，因此重要的是选择一个感应器，所述感应器在谐振电路的频率下具有适当的值。

由于在切换时饱和效应可能是重要的(由于电流可能较大)，因此必须小心选择不会使芯饱和的感应器。饱和改变有效的调谐和电感值，且使调谐过程变得很复杂。在高电流水平时，线圈中的磁场饱和，有效地降低了线圈电感。这可导致难于调整谐振，所述谐振此时是依赖于振幅的，并且，由于饱和感应器的较低电感不能起到有效轭流圈的作用以限制切换时的高电流，而导致切换时的过渡损耗。理想的是选择一个能最小化非线性效应复杂调谐的感应器，诸如芯中的饱和和磁滞损耗。

主开关(Q3)：

主开关是电路的最关键元件之一。当达到预定的阈值电压时，控制电路通过升高N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极电压打开金属氧化物半导体场效应晶体管Q3。在临界栅极电压(～5-10伏特)以上，金属氧化物半导体场效应晶体管的“导通”电阻急剧下降。金属氧化物半导体场效应晶体管从开路向低导通电阻连接改变，以将感应器接地。电阻器R4被设定大小，以使得即使存在从金属氧化物半导体场效应晶体管Q2的漏充电电流，栅极也被标称接地。当控制电路开启(fire)时，Q3的栅极被快速充电至阈值电压，然后Q3的“导通”电阻快速下降，基本上关闭了开关。由于开启开关所需要的电荷来自于压电元件自身，该启动电荷是完全寄生的且应当被最小化以最大化初始压电电压水平。为此效果，这种MOSFET的主要要求是低栅极驱动电荷和低的总栅极电容。MOSFET还必需工作在高源极对漏极电压下，也就是，在达到触发条件和开启之前无击穿地支持压电电压。高击穿电压因此是重要的。低导通电阻，通常小于0.1欧姆，也是重要的，因为这有助于电振荡的衰减，并且也许是系统中的主要的电能损耗机理。重要的还有，注意到MOSFET具有从源极至漏极的本征二极管。这在切换后的电振荡中提供上升期间的逆电流路径。在当前电路中，通过二极管D3，开关Q3在电振荡中保持为导通，所述二极管D3在其开启时允许电荷流动到栅极上，而在振荡期间随后的电压偏移中不流出栅极。Q3在开启后保持导通的时间长短的时间常数由栅极电容和电阻器R4的组合确定。在开启后，电荷将开始慢慢地泄漏出栅极，直到通过电压阈值，急剧地增加漏源电阻，且实际上打开开关。

几个高压MOSFET被获得且被评价，当前有两个基准：来自于Advanced Power Technologies的APT30M75和来自于Vishay Siliconex的S14490。它们的比较性能在下面被示出：

器件	Vds Max	栅极源极电荷	Vg处的Ron＝10V	二极管正向电压
					APT30M75	300V	57nC	0.075	1.3
S14490	200V	34nC	0.070欧姆	0.75

这些基于它们的低栅极电荷和低“导通”电阻被选择，同时仍具有高电压容量。然而，对于非常高电压的系统，优选开关为来自于STMicroelectronics的STY60NM50，额定用于500伏特及60安培。

控制电路：

控制电路被设计，以在压电元件上达到临界阈值电压水平时快速升高Q3栅极的电压。快速导通(以及在控制电路中的高增益)是必需的，以防止在向导通状态转变期间的高能量损耗-太慢的转变限制了电路的峰值负电压偏移和随后的振铃。

控制电路的另一个特征在于，它是闭锁装置，意味着一旦Q3被导通，则它不管压电电压漂移而保持导通。它在由Q3栅极驱动电荷通过R4的泄漏所确定的期间保持导通，R4一般为3兆欧姆。

控制电路的工作如下：Q3在开始时打开，以使Q3的源极端子(上部)上的电压基本上为压电元件的开路电压。在由齐纳二极管D4、D5和D6所确定的临界电压处，电流将开始通过D4-D6传导，对电容器C3充电且导通晶体管Q1，其中所述齐纳二极管D4、D5和D6在额定电压之和(加上与D1相关的二极管压降)处集中开始导通。重要的是，D4-D6为低泄漏的，因为，过早通过D4-D6的小泄漏可引起电容器C3的充电且部分或过早地导通Q1。R2的大小被设定(一般为100k欧姆)以限制与齐纳管D4-D6的泄漏电流有关的电压升高且允许用于电容器C3的放电通路(在撞击之间)。晶体管Q1仅仅需要用于低电压的额定值，因为其源极被连接至控制供电电容器(control supply capacitor)C4，所述电容器C4由齐纳管D2保持在不高于28伏特。

在压电元件的起始高压偏移期间，控制供电电容器C4被充电。它使用由电阻器R3(一般为5kΩ)确定的速率(rate)充电。在本系统中，这被设定在大约5kΩ处，允许近似100-200微秒的充电时间用于大约47nF范围内的C4值。在设计中，在电容器C4被设定大小后，电阻器R3被设定大小以用于快速充电。电容器C4被设定大小以使当它连接至主开关Q3的栅极(此时Q2打开)时它将它的电荷倾泻入至今未充电的Q3栅极，降低C4上电压且升高Q3上的栅极电压至完全接通条件(fullon condition)。因此，C4被制成为足够大以供给Q3栅极电荷直至所需的ON水平。由于C4上的电荷寄生于压电电荷且有效地降低压电电压，理想的是使C4尽可能小4，但仍能够在Q3上获得必须的栅极电压上升。对于选择的M1s，这个值可低至3.3nF，但是对于一些较大的主MOSFET，47nF是必需的。实际上，由齐纳管D2限制的电容器C4的峰值电压被设置为可行的最高值，同时保持控制MOSFET和晶体管具有低成本和低损耗。在我们的电路中，我们选择28伏特用于供电电容器C4。测试表明，在这些元件值处，控制电路仅以总开路压电电压的仅仅一小部分降低压电电压。

当达到临界电压且开关Q1被打开时，接下来，这降低(pull down)P沟道MOSFET Q2的栅极，快速将它导通且将充电的电容器C4连接至主MOSFET Q3的栅极。接下来，这对Q3栅极充电，进而快速导通Q3。Fairchild BSS110被用于P沟道MOSFET Q2。电路中MOSFET类型具有从C4至Q3栅极的非常低的泄漏。这种泄漏发生在C4被充电但开关Q2和Q3标称(nominally)打开时。这种电荷在Q3栅极上的泄漏引起Q3过早的部分接通。使用Q2中的MOSFET消除这种泄漏且引起完全切换(clean switching)。一旦Q3的栅极被充电，由于它通过二极管D3充电且仅仅在栅极电荷通过R4泄放之后恢复打开，所以它保持充电。

电的结论概括：基本上且最初为开路的压电元件被充电。当降低压电电压的低寄生损耗达到用户可控制的某一阈值水平时，电开关跨接压电元件连接感应器且使其以非常高的频率开始振荡。所述开关必须非常快地切换，以避免在从开路至闭路的转变期间的损耗。它必须具有非常低的导通电阻且需要这样的电路，所述电路开启和向开关提供电能，并且不具有大量的电容泄漏(capacitive drain)，因为那将降低压电元件上的电压。用于打开开关的能量是不能用于振荡的能量。

理想的是，具有能够进行调谐、断开或在电气控制下接通和改变感应器的能力以提供可变的调谐频率。

某些电路具有自锁振荡。它们自动地落入由电路中的反馈增益或延迟增益所确定的振荡频率。这将可能允许锁定到压电振动。

已经发现，有用的是，系统具有一些外部接接口，所述外部接口允许在操作中对系统中的电压和信号的探测。各种引线/检测器/探测点(来自于板的外部接口)允许人们在整个测试和操作中调整和检查系统的状态和条件。信号可由不干扰系统的外部导线等传输出去(carry out)，或者被无线地引出。与外部电子设备(有线的或无线的)的接口也可用于监测/遥测系统性能以及对系统性能重新编程或诊断和数据下载。

这些电路元件(耦合至击球面的压电元件之外的)在单侧或者多侧被配置在单个或多个板中。所述板优选被配置在高尔夫球棒的棒头内部或球棒外部，并被换能器引线连接，所述引线从棒头引出到达板，如图13和14中所示。一些或所有元件可被定位在外部板上，以允许容易地访问电路，用于改变触发电平或其他电路调整。可替换地，板18可被配置在底板54上(或者其他可拆除部件)，所述底板作为底板组件16的一部分，所述底板组件如图14和15所示被连接至棒头，以及在图16a和15b中被从棒头拆卸。底板组件16可配置有引线22或插头连接器20，以实现可拆除件的组件至球棒的棒体的电连接。这种布置被以截面图形式示出在图14和15中，以及以拆卸的底板组件的形式示出在图16a和16b中。这些图说明使用支座(standoff)45安装在可去除的底板54上的电路板18，从而，当底板被插入且使用紧固件47被连接至球棒体11时，在主板49上的连接器和在附属“连接器”板19上的连接器20之间实现电连接，所述附属“连接器”板通过支座44永久地安装在棒头11上且被电连接至换能器21和击球面组件14。

这种结构允许对电路和板进行简单的去除和调整/维护/修理。永久安装在棒头中的连接器和连接器板允许主板的简单去除。附加连接器可被配置在主板上，以在球棒摆动和碰撞期间允许外部监视/诊断。可替换地，这种信息可被无线传递给接收器且被存储以用于后面的测试。可选择地，在碰撞事件期间采集的数据可在板上被存储于板上存储器中，用于在随后在指令提示下进行信息转储(dumping)/下载。遥测传输可经过无线或有线信道发生。这种可被存储和监视的信息包括摆动速度、碰撞力、球面碰撞位置和强度、球棒棒头减速度和作为结果的球加速度或与球棒摆动和碰撞(或产生的球-棒头系统的振动响应)的动态和状态相关的许多系统状态中的任一种状态。

组装程序

在装配中，事件的顺序可以多种次序进行，其中一种顺序在下面被说明：

1)使用适当构造的环形成击球面10。执行锻造后加工操作，以在环的内径上设置内径和螺纹37。并且，在堆叠件与击球面相接触时的界面位置处形成和抛光凹窝(dimple)33。

2)将模型(dummy)螺纹件放置在击球面环螺纹内以保持它的形状，然后将所述击球面焊接在主体11上。此后去除支撑模型螺纹件。

3)旋拧锥体12直到紧固。

4)将压电堆叠件/压电端盖组件15插入锥体中以实现与击球面的接触。可以有由塑料或其它弹性材料制造的支撑元件，被设计以保持压电元件在合适的位置/定位，直到锥体的端盖可被拧紧，从而压电元件可被预加载并紧靠击球面且被锁入位置。压电元件22的引线必须穿过壳体壁32中的孔被传送。这些应当具有适当的垫环(grommet)或卸拆器(strain relief)，以避免在碰撞引起的运动期间的磨损。

5)然后，端盖13被旋到锥体上(与压电堆叠组件相接的弯曲侧面)，直到压电元件相对击球面被牢固固定且被充分预加载，以有助于中断在碰撞期间击球面和压电端盖之间的接触(大约1000N的压缩预载荷)。一薄层机油可被使用在压电组件的端盖和击球面及锥体端盖之间，以有助于密合。

6)锥体端盖13的旋紧接着使用固定螺丝、环氧树脂和其他固定方法被锁定在适当位置。

7)然后，压电引线焊接在小连接器板19上，所述连接器板保持连接器20以与主板(可去除的)18界面连接。连接器板使用环氧树脂或支座44上的螺丝被永久地连接在棒头内。连接器板被定位，以无干扰地界面连接至主板。

8)然后，球棒棒头43的冠帽43通过摄氏160度环氧树脂粘接操作被粘接至棒头主体11。

9)主板18和连接器49被连接至可去除的底板54。并且，整个可去除组件17然后被插入球棒棒头且被旋入。所述系统现在是可工作的。

可替换实施例：击球面刚度控制

在前面部分，提出一种用于使用超声振动来获得击球面-球摩擦控制的方法和系统。在这个部分，提出使用耦合至高尔夫球棒(轻击棒、长打棒、铁头球棒)端面的压电(或其它)换能器来实施刚度控制的可替换实施例。通过改变有效击球面刚度，球-击球面碰撞的过程和结果被影响/控制，因此这总的来说是使用固态换能器材料的碰撞控制系统的一个例子。在这个部分提出的构思按照耦合至击球面的压电换能器来描述，但更一般地，其可应用至具有耦合至面运动的任意换能器的系统-只要换能器能够将机械能转换为电能，反之亦然，也即，显示电-机械耦合。

一般原理

总体构思为利用前述的击球面-耦合换能器的电-机械耦合，在规定的条件下改变击球面的有效刚度。实质上，人们控制击球面的刚度以从得到的球-击球面碰撞(具有被控制的刚度)来产生理想的效果。刚度可被控制，因为在具有电-机械耦合的系统中，对系统的电侧(端口)的边界条件的改变将改变系统的机械侧的有效刚度。例如，本领域众所周知的是，短接的压电元件的刚度低于电极打开的等价压电元件的相应刚度。这种效应可被用于改变压电材料和压电元件的有效刚度(纵向的，即立杆方向(poling direction)，或剪切模式，即立杆方向的横向)。由于压电元件被机械耦合至所述击球面，这种压电元件刚度的改变导致所述击球面刚度的改变。

在上面提出的任意换能器-击球面机械耦合实施例中(构思1-8)，换能器被机械耦合至击球面，以使换能器刚度的改变改变击球面的状态。在弹性耦合实施例的情况中(构思1-4)，可以说，换能器刚度的改变直接改变了击球面对于球碰撞的刚度。这相当于改变击球面在碰撞下的变形。在惯性耦合例子中(构思5-8)，换能器刚度的改变引起击球面运动和惯性质量之间耦合的改变(对于构思8，这是球棒棒头的剩余部分(remainder))-如果不是准静态刚度(DC)，改变击球面的动态刚度。这是因为这些惯性耦合构思不是DC耦合。由于在低频下几乎没有来自校验质量的惯性力，所以它们在非常低的频率下对系统没有影响。然而，它们被设计以在碰撞时标(timescale)处对系统具有影响，这样，在这些构思中换能器刚度的改变引起在与球碰撞相关的频率范围(大约0.5毫秒和1kHz)内所述系统刚度的改变。因此，构思1-8中的任意构思可被用于通过改变换能器的刚度来改变击球面在碰撞下的有效刚度。

换能器结构

如上所述，任意前面描述的换能器结构可被用作这种碰撞控制构思的基础。例如，如在构思2中，一个实施例使用耦合至击球面的压电堆叠件(piezoelectric stack)。在前面提出的用于构思2且示意性示出在图2a和2b中及详细示出在图13-19中的机械设计中，击球面DC刚度(垂直于击球面的中心球作用力)从短路情况至开路情形中增加约25％。使用堆叠换能器(stack transducer)的可替换的结构为使用平面形(可能被封装)压电换能器(或其他固态换能器材料)，所述换能器被粘接至击球面从而通过耦合面的扩展和弯曲被耦合至击球面运动。通过改变电路边界条件(开路或短路)，击球面弯曲刚度、因此对球作用力的整体刚度可被改变。

系统电路工作

为了实现控制，换能器电边界条件必须基于系统的某些响应或行为被确定(控制)。这可以基于换能器自身(也就是，在加载下的电压或电荷)被确定，或者它可使用例如面应变或面变形传感器之类的独立传感器被确定。加速度计也可被使用以确定在碰撞下球棒棒头的减速度，并因此触发所述系统。

在操作中，根据传感器，换能器被设置为开路或短路状态。例如，电连接可基于碰撞强度被控制-在较强球碰撞下使系统较硬及在较软球碰撞下使系统较不刚硬。这在要求增强的感觉、较长球停留时间和上旋或发射角增加(诸如在打球入洞(putting)和轻击棒、或楔形铁头球棒和短铁头球棒击球中)的情况下尤其重要。

在打球入洞中，本领域公知的是，减少打滑(skid)的关键是在球离开轻击棒端面之间给予球尽可能多的上旋，并且，有利的是，使球开始滚动之前的滑动距离最小化。

轻击棒的碰撞从前至后压缩高尔夫球，同时瞬间加宽围长(girth)。此后，球回弹至其初始形状，引起它从击球面向前推进。优选情形应当使高尔夫球在仅仅由轻击棒行进的方向和轻击棒端面相对于该方向的角度所确定的方向上回弹。由于高尔夫球不具有理想的平衡，球的非理想可能引起被称为压缩变形的在回弹方向上的偏离。在碰撞时球被压缩的数量的减少减小压缩变形。较软的击球面减少界面载荷且减少球压缩。因此，当被适当地调整时，系统的预期效果减少球压缩变形及最优化发射和滚动条件。例如，在轻击棒中，具有相当软的球棒端面和高回弹回复力的组合在距离和方向上增加了控制。

球和击球面材料的弹性变形对高尔夫球在碰撞事件期间被压缩之后从球棒端面推进、发射或弹出的方向、速度和方式有极大的影响。打击球的球棒端面的有效回复力是球和球棒端面的回复力的组合。为了最大化控制，在轻击棒和楔形铁头球棒中，有效回复力的大部分最好是来自于球棒端面，而不是来自于球的压缩，以减少压缩形变。

与希望击球面具有更大柔度以增加控制相对照，在打球入洞和较短高尔夫击打中，当碰撞的速度增加时，由于碰撞的强度和相对于撞击点的打击力，控制的量可能随着更柔顺的击球面而潜在地减小。碰撞引起的变形造成球轨迹误差和击打(stroke)不一致，尤其是在高强度的非理想碰撞中。实质上，增加的柔度在较高强度碰撞情形中可导致控制的损失。

为了增加对击射的控制和减少分散，因此理想的是具有在低碰撞强度事件中具有低刚度而在高碰撞强度事件中具有高刚度的球棒端面。

在优选实施例中，当压电元件处于短路状态且球与球棒端面保持接触的时间量增加时，“驻留时间”被耦合至具有高摩擦系数的球棒端面，产生控制的明显增加和球发射条件的优化。

增加的驻留时间使球棒端面能有延长的机会保持球以便给予上旋。另外，公知的是，较长的驻留时间改善了感觉。

例如，在使用轻击棒的低速碰撞中，短路的压电元件使球棒端面在接触中轻轻托着(cradle)球，导致更多驻留时间和向果岭(green)的更少滑动。此外，这种性能特征转化为增强的感觉和控制，这在本领域也是公知的，以提高精确度、一致性和信心。

作为对照，通过减小弹性变形引起的误差，在高速碰撞中变硬击球面也可增加精确度和一致性。此外，可变的变硬效果仅仅使用简单的电路变化，提供来自一个高尔夫球棒的相当大的性能特征范围。而在被动高尔夫球棒设计中的相同范围的性能特征将要求几个相同设计的高尔夫球棒，它们具有改变的球棒端面材料边界条件以在该范围上工作。因此，电可调整的或可装配的球棒系统的想法是可行的，其中，改变电阻器或触发电平可被用于改变球棒行为，以匹配特定选手或运动条件。

通过在碰撞过程中在特定条件下使系统变硬，碰撞结果被控制。可选择地，使用者可在击球之前配置和固定刚度变化，从而为使用者实现一种球棒装配。使用者可选择最理想的刚度设置，且将它在工厂中或使用者可控制的系统中设定，刚度可由使用者在使用之前设定-取决于使用者的意愿或比赛的条件(天气、风等)。开关或其它电设定器件可被配置以便于使用者操作，例如在把手的末端。

使用压电元件自身作为碰撞传感器的优选实施例的简图被使出在图23中。

在操作中，电路起到在较硬碰撞情形中打开压电电极且在较软碰撞情形中使它们短路的作用。换能器(耦合至击球面)被电连接至电荷或电压检测电路。实质上，它被构造为传感器。检测电路使压电元件高端引出线接地，基本上短路压电元件。在这种条件中，压电换能器显示短路机械性能。如果传感器输出电压达到临界水平，然后，电路被触发且将压电元件连接至电路的开关(通常为关闭)被打开，基本上打开压电换能器的电极。在触发电子设备时，此后压电换能器具有开路刚度，以及被压电换能器机械耦合的击球面现在将具有较高刚度，以用于碰撞的剩余部分。

执行这种操作的电路为非常类似于在上面描述的用于摩擦控制应用的电路。在图23中使用电阻器R12代替感应器L1来改变所述电路，并且在摩擦控制电路中为n沟道增强型MOSFET的开关M1由新的MOSFET所取代，新的MOSFET为n沟道耗尽型MOSFET Q12。使用耗尽型n沟道MOSFET Q12，电路开始处于短路状态，即开关Q12是关闭的。在降低MOSFET栅极电压时(当它触发时)，耗尽型MOSFET打开所述电路，从而断开电阻器，进而断开压电电极。电路现在为开路。当在摩擦控制电路中时，控制电路工作以降低而不是升高栅极电压。这种电压驱动的MOSFET驱动电路在本领域中是常见的。

当压电元件上的电压达到由齐纳二极管发送的阈值电压时，触发事件被设定。因为压电元件被强制通过电阻器R12放电，所以电压升高，因此不是完全短接。这提供机会以触发电压上升，所述电压上升发生在压电元件被施加压力时。如果压电元件被完全短接，电压将不会上升且触发不会发生。由于压电元件在开始时由电阻器R12分流(开关Q12初始是关闭的)，只要施加压力(forcing)以等价于或大于系统的RC时间常数的速率发生，电压将上升。在低于与RC时间常数相关的频率下施加压力，电压将不会有太多上升，因为电阻器表现为短路。在这个时间常数之上(也就是较快地施加压力)，电阻器表现为开路，电压上升。压电元件实质上在事件过程中不具有通过电阻器放电的时间。

因此，电路具有这样的效果：升高被电阻器分流的压电元件上的电压的具有足够速率或强度的碰撞，触发电路且打开耗尽型MOSFET，有效地打开电路且使压电元件处于开路电状态中。因此，在足够强度或快速碰撞下，该系统变硬该系统。通过选择或适当的分流电阻器、或(主要地)通过选择适当的触发齐纳管击穿电压，可调整该系统。

上面提到的系统是自检测和自我供给能量的，因为它没有从外部来源汲取能量，而是从击球面耦合的换能器自身的电荷中获取能量。应注意到，触发信号可从供替换的检测器中得到。此外，反馈逻辑可以是更复杂的，也许甚至由可编程微处理器来确定。这种微处理器可通过电路从碰撞事件中汲取的能量来被供给能量。作为适宜的系统的结果，该微处理器从外部编程，以在预定条件下，特别是对单个高尔夫球手的特点和能力作出响应。这是可编程的智能球棒的构思，所述智能球棒被设计以使来自于从指定高尔夫球手的挥棒得到的碰撞的优点最大化。编程实质上允许球棒状态被调整以及为单个高尔夫球手及他的特点和能力量身定制。例如，对曲线击球或曲球的修正。

因此，已经公开了本发明的各种实施例，很显然，许多另外的变型是可能的，并且在这里说明的仅仅是本发明构思的示例。因此本发明的范围不被上面公开的内容所限定，而仅仅由权利要求书及其等同物限定。

Claims (34)

1.一种高尔夫球棒棒头，其具有用于碰撞高尔夫球的击打表面；所述棒头包括：换能器，其用于将来自碰撞高尔夫球的所述表面的机械能转换为电能；

用于选择性控制且应用所述电能的电路；以及

激励器，其机械耦合至所述击打表面并响应于所述电能，以响应于所述电能影响所述击打表面，且改变高尔夫球碰撞，

其中所述激励器被构造以引起所述击打表面以足以中断所述击打表面和所述高尔夫球之间的接触的频率和振幅振动。

2.如权利要求1所述的高尔夫球棒棒头，其中所述换能器包括压电元件。

3.如权利要求1所述的高尔夫球棒棒头，其中所述激励器包括压电元件。

4.如权利要求1所述的高尔夫球棒棒头，其中所述换能器和所述激励器均包括通用的压电元件。

5.如权利要求4所述的高尔夫球棒棒头，其中所述压电元件被粘附至所述击打表面。

6.如权利要求4所述的高尔夫球棒棒头，其中所述压电元件被耦合至所述击打表面。

7.如权利要求4所述的高尔夫球棒棒头，其中所述压电元件通过中间构件被内部连接至所述击打表面。

8.如权利要求4所述的高尔夫球棒棒头，其中所述压电元件被支撑在所述击打表面上。

9.如权利要求1所述的高尔夫球棒棒头，还包括位于所述棒头内的结构构件，所述结构构件维持所述击打表面和所述激励器之间的牢固接触。

10.如权利要求4所述的高尔夫球棒棒头，还包括位于所述棒头内的结构构件，所述结构构件维持所述击打表面和所述压电元件之间的牢固接触。

11.如权利要求9所述的高尔夫球棒棒头，其中所述结构构件包括锥形壳体。

12.如权利要求10所述的高尔夫球棒棒头，其中所述结构构件包括锥形壳体。

13.如权利要求1所述的高尔夫球棒棒头，其中所述激励器被构造以引起所述击打表面以超声波频率振动。

14.如权利要求1所述的高尔夫球棒棒头，其中所述电路包括用于存储所述电能的无功阻抗。

15.如权利要求1所述的高尔夫球棒棒头，其中所述电路包括用于存储所述电能的电抗。

16.如权利要求1所述的高尔夫球棒棒头，其中所述电路包括用于存储所述电能的感应器。

17.如权利要求1所述的高尔夫球棒棒头，其中所述电路包括用于存储所述电能的感应器和电容器。

18.如权利要求1所述的高尔夫球棒棒头，其中所述电路包括开关，用于响应于碰撞所述高尔夫球的所述击打表面的阈值参数而选择性地施加所述电能。

19.如权利要求18所述的高尔夫球棒棒头，其中所述参数为由所述换能器响应于所述碰撞而产生的电压的大小。

20.一种高尔夫球棒棒头，其具有用于打击固定的高尔夫球的击球面，所述棒头包括：

换能器，用于将高尔夫球碰撞的第一机械能转换为输入电能且将输出电能转换为第二机械能；以及

用于接收所述输入电能且供给所述输出电能的电路；

所述输入电能为响应于第一机械能的脉冲信号，所述输出电能为振荡信号，

其中所述第二机械能为具有所述振荡信号的频率的振动，所述振动被施加至所述面，以间歇地中断所述面和所述高尔夫球之间的接触。

21.如权利要求20所述的高尔夫球棒棒头，其中所述换能器包括压电元件。

22.权利要求21所述的高尔夫球棒棒头，其中所述压电元件被机械耦合至所述面。

23.如权利要求21所述的高尔夫球棒棒头，还包括位于所述棒头内的壳体，所述壳体从内部粘附至所述面且包围所述压电元件。

24.一种降低高尔夫球棒棒头击球面和高尔夫球之间的有效摩擦系数的方法，该方法包括步骤：

将球与所述面碰撞的能量转换为所述面的超声振动，以影响在所述碰撞期间所述面和所述球的相互作用，

其中所述超声波振动被施加至所述面，以间歇地中断所述面和所述高尔夫球之间的接触。

25.如权利要求24所述的方法，其中所述转换步骤包括步骤：

将所述球碰撞能量转换为电能；以及

将所述电能转换为所述超声振动。

26.如权利要求25所述的方法，其中使用机械耦合至所述面的压电元件执行每一个所述转换步骤。

27.一种改变高尔夫球棒棒头的击打表面和被所述击打表面碰撞的高尔夫球之间的相互作用的方法，该方法包括步骤：

将压电元件耦合至所述击打表面，以响应碰撞所述高尔夫球的所述击打表面而产生第一电信号；

将所述第一电信号转变为选择的第二电信号；

选择性地将所述第二电信号连接至所述压电元件，以对所述击打表面产生机械影响来改变所述高尔夫球的运转状态，

其中所述机械影响是选择频率的振动，所述振动被施加至所述击打表面，以间歇地中断所述击打表面和所述高尔夫球之间的接触。

28.如权利要求27所述的方法，其中所述运转状态是所引起的所述高尔夫球的旋转角速率。

29.一种高尔夫球棒棒头，其具有击打表面且包括响应于所述击打表面与高尔夫球的碰撞的装置，所述装置用于在所述碰撞的力超过选择的阈值时使所述击打表面变硬，其中所述装置包括：用于检测所述碰撞的所述力的传感器；以及换能器，所述换能器与所述击打表面相接触且具有取决于所述碰撞力是高于还是低于所述阈值的至少两个不同的刚度水平。

30.如权利要求29所述的高尔夫球棒棒头，其中所述传感器包括压电元件。

31.如权利要求29所述的高尔夫球棒棒头，其中所述换能器包括压电元件。

32.如权利要求29所述的高尔夫球棒棒头，其中所述传感器和所述换能器均包括压电元件。

33.如权利要求29所述的高尔夫球棒棒头，其中所述传感器和所述换能器包括通用压电元件。

34.一种高尔夫球棒棒头，包括可变刚度元件，用于选择性地增加和减小所述棒头的击打表面的刚度，其中所述可变刚度元件包括在短路结构中具有第一刚度水平和在开路结构中具有第二刚度水平的压电元件，其中所述压电元件的结构由开关确定，并且其中由传感器响应于所述高尔夫球棒棒头与高尔夫球碰撞的水平控制所述开关。

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