(57)【要約】  本発明は、ゴルフクラブ・ヘッドとゴルフボール間のインパクトを可動式制御する方法及びその装置に関する。ゴルフクラブ・ヘッドは、フェースの運動に機械的に作用するアクチュエータ材料又はアクチュエータ装置を備えたフェースを有する。フェース・アクチュエーションが、インパクトのパラメータ、インパクト特性、或いは結果的に生じるボール運動パラメータ（クラブのフェースとゴルフボール間のインパクトから生じるボールの速度、方向、回転率等）を制御する。更に装置はフェース・アクチュエーションを特定する制御装置を備える。幾つかの実施形態が、ボールの速度及び方向等のパラメータを制御するために提示される。本発明は、ボールのインパクトから生じるエネルギを使用し、そのエネルギを電気的エネルギに変換し、フェースの形態（位置、速度、変形、硬度、振動、運動、温度、その他の物理的パラメータ）に作用する制御方法に活用する。
2007503219.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゴルフボールをインパクトするための打撃面を備えるゴルフクラブ・ヘッドであって、
前記ゴルフボールをインパクトするための面からの機械的エネルギを電気的エネルギに変換する変換器と、
前記電気的エネルギを選択的に案内し、利用する回路と、
前記打撃面に機械的に結合されるとともに、前記電気的エネルギに反応して前記打撃面に作用し、前記電気的エネルギに応じてゴルフボールに加わるインパクトを変化させるアクチュエータを備えることを特徴とするゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項２】
前記変換器が圧電素子を備えることを特徴とする請求項１記載のゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項３】
前記アクチュエータが圧電素子を備えることを特徴とする請求項１記載のゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項４】
前記変換器及び前記アクチュエータの両方が一般的な圧電素子を備えることを特徴とする請求項１記載のゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項５】
前記圧電素子が前記打撃面に装着されることを特徴とする請求項４記載のゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項６】
前記圧電素子が前記打撃面に結合されることを特徴とする請求項４記載のゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項７】
中間部材により前記圧電素子が前記打撃面と連結されることを特徴とする請求項４記載のゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項８】
前記圧電素子が前記打撃面に支持されていることを特徴とする請求項４記載のゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項９】
前記ヘッド内に構造部材を更に備え、
前記構造部材が前記打撃面と前記アクチュエータの間に安定した接続を維持することを特徴とする請求項１記載のゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項１０】
前記ヘッド内に構造部材を更に備え、
前記構造部材が前記打撃面と前記圧電素子の間に安定した接続を維持することを特徴とする請求項１記載のゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項１１】
前記構造部材が円錐状ハウジングを備えることを特徴とする請求項９記載のゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項１２】
前記構造部材が円錐状ハウジングを備えることを特徴とする請求項１０記載のゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項１３】
前記ゴルフボールが前記打撃面によりインパクトされるときに、前記アクチュエータが前記打撃面に所定の周波数で振動させることを特徴とする請求項１記載のゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項１４】
前記アクチュエータが前記打撃面に超音波振動させることを特徴とする請求項１記載のゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項１５】
前記アクチュエータが前記打撃面に特定周波数の振動を与え、
該振動の周波数及び振幅が前記打撃面と前記ゴルフボールの間の接触を妨げるのに十分な周波数及び振幅であることを特徴とする請求項１記載のゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項１６】
前記回路が前記電気的エネルギを蓄積するためのリアクタンス性インピーダンスを備えることを特徴とする請求項１記載のゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項１７】
前記回路が前記電気的エネルギを蓄積するためのリアクタンス素子を備えることを特徴とする請求項１記載のゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項１８】
前記回路が前記電気的エネルギを蓄積するためのインダクタを備えることを特徴とする請求項１記載のゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項１９】
前記回路が前記電気的エネルギを蓄積するためのインダクタ及びコンデンサを備えることを特徴とする請求項１記載のゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項２０】
前記回路がスイッチを備え、
該スイッチが、前記ゴルフボールをインパクトするための前記打撃面の閾値パラメータに応じて選択的に前記電気的エネルギを利用することを特徴とする請求項１記載のゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項２１】
前記パラメータが、前記インパクトに応じて前記変換器により作り出された電圧の強さであることを特徴とする請求項２０記載のゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項２２】
静止したゴルフボールをインパクトするためのボール打撃面を備えるゴルフクラブ・ヘッドであって、
ゴルフボールのインパクトによる第１機械的エネルギを電気的エネルギに変換し、出力された電気的エネルギを第２機械的エネルギに変換する変換器と、
前記入力電気的エネルギを受け取るとともに前記出力電気的エネルギを供給する回路と、
前記入力電気的エネルギが、前記第１機械的エネルギに応じたパルス信号であり、
前記出力電気的エネルギが、振動信号であることを特徴とするヘッド。
【請求項２３】
前記第２機械的エネルギが前記振動信号と同じ周波数を有する振動であることを特徴とする請求項２２記載のゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項２４】
前記変換器が圧電素子を備えることを特徴とする請求項２２記載のゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項２５】
前記圧電素子が前記打撃面に機械的に結合されていることを特徴とする請求項２４記載のゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項２６】
更に前記ヘッド内にハウジングを備え、
前記ハウジングが前記打撃面に内側から装着されるとともに、前記圧電素子を取り囲むことを特徴とする請求項２４記載のゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項２７】
前記振動が前記打撃面に加えられ、該振動が前記打撃面と前記ゴルフボールの接触を間欠的に解除することを特徴とする請求項２３記載のゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項２８】
ゴルフクラブ・ヘッドの前記打撃面とゴルフボールの間の有効摩擦係数を低減するための方法であって、
ボールと前記打撃面の衝突のエネルギを前記打撃面の超音波振動に変換し、該衝突における前記打撃面と前記ボールの相互作用に影響を及ぼす段階を備えることを特徴とする方法。
【請求項２９】
前記変換する段階が、
前記ボールをインパクトするエネルギを電気的エネルギに変換する段階と、
前記電気的エネルギを前記超音波振動に変換する段階とを備えることを特徴とする請求項２８記載の方法。
【請求項３０】
前記打撃面に機械的に結合される圧電素子を用いて、前記変換する段階が行われることを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項３１】
ゴルフクラブ・ヘッドの打撃面と該打撃面によりインパクトされるゴルフボールの相互作用を変化させる方法であって、
圧電素子を前記打撃面に結合することにより、前記ゴルフボールをインパクトするための前記打撃面に応じて第１電気信号を作り出す段階と、
前記第１電気信号を所定の第２電気信号に変換する段階と、
前記第２電気信号を前記圧電素子に選択的に伝達して、前記打撃面に対する機械的効果を生み出すことにより、前記ゴルフボールの動きを変化させる段階を備えることを特徴とする方法。
【請求項３２】
前記機械的効果が所定周波数の振動であり、
前記ボールの動きが前記ゴルフボールに引き起こされた回転数であることを特徴とする請求項３１記載の方法。
【請求項３３】
打撃面と、
前記打撃面とゴルフボールの間のインパクトに応じて、該インパクトの力が所定閾値を超えたときに、該打撃面を硬化させる装置を備えることを特徴とするゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項３４】
前記装置が前記インパクトの前記力を感知するセンサと、
前記打撃面と接するとともに、前記インパクトの力が前記閾値を上回るか或いは下回るかに基づいて、少なくとも２つの異なる硬度を有する変換器を備えることを特徴とする請求項３３記載のゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項３５】
前記センサが圧電素子を備えることを特徴とする請求項３４記載のゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項３６】
前記変換器が圧電素子を備えることを特徴とする請求項３４記載のゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項３７】
前記センサと前記変換器のそれぞれが圧電素子を備えることを特徴とする請求項３４記載のゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項３８】
前記センサと前記変換器が一般的な圧電素子を備えることを特徴とする請求項３４記載のゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項３９】
前記ヘッドの打撃面の硬度を選択的に増加及びは減少させるための可変の硬化要素を備えることを特徴とするゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項４０】
前記硬化要素が圧電素子を備え、
該圧電素子が、短絡回路構成における第１硬度と、開回路構成における第２硬度とを備えることを特徴とする請求項３９記載のゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項４１】
前記圧電素子の構成がスイッチにより決定されることを特徴とする請求項４０記載のゴルフクラブ・ヘッド。
【請求項４２】
前記ゴルフクラブ・ヘッドとゴルフボールの間のインパクトの度合いに応じて、前記スイッチがセンサにより制御されることを特徴とする請求項４１記載のゴルフクラブ・ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスポーツ用品の先進技術分野に関する。より詳しくは、ゴルフクラブのヘッドとゴルフボールとの間のインパクトを制御するための、ゴルフクラブのヘッド機構の設計及び動作に関する。本出願の優先権を主張する出願は、米国仮特許出願第６０／４９４７３９号（提出日２００３年８月１４日）及び米国特許第１０／９１５８０４号（提出日２００４年８月９日）である。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、ゴルフクラブ（例えばドライバ）の設計に制御技術及び動作技術を適用し、ゴルフクラブの飛距離や正確性を向上させることを目的とする。ここ数年来、大きく技術が向上し、ゴルフの正確なショットや飛距離は大きく向上した。従来は、非可動式のシステムの設計に焦点が当てられていた。この非可動式のシステムとは、スウィング時や、特にゴルフボールを打撃するインパクト時に、物理的パラメータを変更する手段を全く備えていないシステムを示す。典型的な非可動式のシステムの実施形態は、ゴルフクラブの最適な物理的パラメータ或いは材料に関するパラメータの選択に関与する。性能を決定するパラメータは、ヘッドの形状、体積、重量配分、慣性テンソルの結果生じる要素、フェースの厚さ及び厚さの形状、表面の湾曲及び重心位置である。
【０００３】
本発明は可動式システムの開発に関する。可動式システムにおいては、ゴルフクラブとヘッドの重要なパラメータ（例えばフェースの位置／形状／湾曲、或いは有効摩擦係数、或いはフェースの硬度に関する）は、選択的に制御される。このような制御は、ヘッドとボールの物理的な関係性から生じる実際の状態に応じて行われる。ボールの状態を規定する要素には、ヘッドの速度、インパクトの力、強度、インパクト持続時間及びタイミング、ヘッドの絶対的位置又はフェース上のボールの相対的位置、ボール、スウィング経路又はパラメータにより決まるヘッドの方向、フェースの物理的変形、その他任意の物理的、電気的に測定可能な諸条件が含まれる。
【０００４】
本発明は制御技術に関し、より詳しくは、機械的システム又は弾力システムにより動作する技術、及びその機構を制御するアルゴリズムに関する。このようなシステムは、Fuller，C．R．他「Active Control of Vibration」アカデミック・プレス発行（サンディエゴ、カリフォルニア：1996年）に説明されている。制御機構の一実施形態は、超音波振動を利用した摩擦制御によるものである（Katoh）。他の制御機構の実施形態は、フェースの有効硬度を変化させて、ボールとのインパクトを制御するものである。本発明はまた、機械システムの動作でエネルギを得る考え方に基づく、圧電エネルギ生成及び／又は同時エネルギ生成を利用したものである。圧電エネルギの開示例には、米国特許第４５０４７６１号、４４４２３７２号、５５１２７９５号、４５９５８５６号、４３８７３１８号、４０９１３０２号、３８１９９６３号、４４６７２３６号、５５５２６５７号、５７０３４７４号がある。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第４５０４７６１号明細書
【特許文献２】米国特許第４４４２３７２号明細書
【特許文献３】米国特許第５５１２７９５号明細書
【特許文献４】米国特許第４５９５８５６号明細書
【特許文献５】米国特許第４３８７３１８号明細書
【特許文献６】米国特許第４０９１３０２号明細書
【特許文献７】米国特許第３８１９９６３号明細書
【特許文献８】米国特許第４４６７２３６号明細書
【特許文献９】米国特許第５５５２６５７号明細書
【特許文献１０】米国特許第５７０３４７４号明細書
【特許文献１１】米国特許第６１０２４２６号明細書
【特許文献１２】米国特許第６１９６９３５号明細書
【特許文献１３】米国特許第６０８６４９０号明細書
【特許文献１４】米国特許第６４８５３８９号明細書
【特許文献１５】米国特許第６０４８２７６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ボールとヘッド間のインパクトを、２つの弾性体間の理想的なインパクトの観点から、説明する。両弾性体はそれぞれ、空間を自由に平行移動及び回転する（自由度６（degree of freedom、ＤＯＭ）。両弾性体は、インパクト時に変形する機能を備える。更に両弾性体は、中実であり、慣性テンソルを備える。この時の通常の初期条件においては、まずボールが静止状態である。且つ高速運動をするヘッドが、クラブ・ヘッドのフェースの、中心から外れた点（eccentric point）近くで、静止状態のボールにインパクトを加える。このインパクトは、ヘッドとボール間の接触面の垂直方向と接線方向に、大きな力を生み出す。これらの力は、時間とともに統合され、フェースから離れた後のボールの運動速度、運動方向を決定する。この速度と方向がフェースから離れた後のボールの速度ベクトルと回転ベクトルを決定し、これをインパクト合成力とよぶ。これらのボールとヘッドの接触で生じる力は、ボールとヘッドの弾性、材料特性、拡散、表面摩擦係数、体積、慣性テンソル等、多くの特性により決定される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
フェースの特性や条件には、インパクト時に可動式制御が可能なものがあるため、インパクト合成力をある程度制御できる。例えば、一実施形態として、フェースの所定の条件（トリガ条件）が満たされると、超音波によりフェースの表面が振動されて、これによりボールとフェース間の有効摩擦係数が低減され、ボールの回転数が低下し、飛距離が伸びる。トリガ条件の一例には、ヘッドとボール間に加えられる強いインパクト即ち高速運動で加えられるインパクト（このときフェースの表面の大部分が変形する）が挙げられる。このような強いインパクトを受けると、ボールが高く上がりすぎて、飛距離が伸びない。
【０００８】
他の実施形態においては、フェースの位置及び／或いは方向は、所定の条件のもと、ボールとクラブ本体の関係性から能動的に制御可能である。これによりフェースのボールへの作用が向上し、より正確な打出しが可能となる。また、ボールが中心から外れた点で打出されるときは、ゴルフクラブ・ヘッドの影響を弱めることで、ボールの横回転を低減させる。トリガ条件の他の例には、かなり中心から外れた点で打出されるインパクトも含まれる。このようなインパクトはフェース上の変形センサ(deformation sensor)や、ゴルフクラブ・ヘッド本体内蔵の角加速度センサ（angular acceleration sensors）により検出可能である。このセンサからの信号は処理されて、フェースに必要となる運動を決定し、ボールの打出しを補助するとともに修正する。
【０００９】
他の実施形態においては、インパクト時におけるフェースの有効硬度を制御して、これにより、より望ましいインパクトをもたらす。例えば、強いインパクト時にはフェースが硬くなり、比較的弱いインパクト時はフェースの硬度を下げるようなシステムを設計する。インパクト時のインパクト荷重に従って、フェースの動作を調整する。これは例えば圧電変換器のリード線を短絡状態とするか或いは開状態とすることで達成される。圧電変換器は表面に取り付けられるか或いは、機械的にフェースに結合される。圧電素子は短絡回路であるときには柔らかく（低効率モジュール）、開回路のときは硬くなる（高効率モジュール）。フェースに装着されたセンサはインパクトの強度に比例した物理的パラメータを測定可能である。物理的パラメータとは、例えばフェースのたわみ(deflection)、フェースの歪み（strain）、ヘッドの減速である。「強い」打撃の場合には、通常短絡回路の圧電素子が開回路となり、フェースを硬くする。「弱い」打撃の場合には圧電素子は短絡回路のままで、フェースは硬くならない。
【００１０】
トリガは、外部センサ又は圧電変換器自体で提供される。センサや圧電変換器はフェースに接合される。トリガは、トリガ前に変換器で処理された電流や電圧値をトリガ・オフして行われる。例えば、圧電素子を電荷センサとして利用するための回路構成が、変換器リード線に連結される。電荷が臨界値に達すると、回路はトリガされ、回路からリード線を解除して、効率的に開回路状態を実行する。
【００１１】
ボールとヘッド間のインパクトを制御するには、効果的な手法でシステムを動作させることが重要である。ヘッドとボールは機械的システムであるため、機械的・物理的特性に何らかの変化を引き起こすには、何らかの力や温度エネルギをシステムに加えることが必要である。本発明は、主に機械的動作技術に関する。
【００１２】
Lazarus他の米国特許第６１０２４２６号の開示技術は、スキー板の圧電セラミック・シートを使用することにより、動的パフォーマンスを高めるものである。これには高速で滑ったときや不均整な表面のときに、スキー板が不必要な振動を抑える。この開示技術をゴルフクラブに利用して、振動を弱めたり、シャフトの硬度を変化させたりして、ヘッドに作用を及ぼすことも言及されている。
【００１３】
Spangler他の米国特許第６１９６９３５号、第６０８６４９０号、第６４８５３８９号の開示技術は、圧電シートをゴルフクラブに使用することにより、硬度を変化させたり、振動を弱めたりするものである。図９Ｇはゴルフクラブ・ヘッド上の圧電素子の配置を示す図で、圧電素子がひずみエネルギを回路内に拡散して、振動を吸収する機能をあらわしたものである。
【００１４】
Vandergrift他の米国特許第６０４８２７６号の開示技術は、圧電装置を使用することにより、ゴルフクラブのシャフトの曲げとスウィングからエネルギを得て、シャフトを硬くする。
【００１５】
超音波振動を使用した摩擦の低減については、Katohによる「Active Control of Friction Using Ultrasonic Vibration」(Japanese Journal of Tribology Vol.38 No.8：1993年：pp1019〜pp1025)で論じられている。またK．Adachiらによる「The Micromechanism of Friction Drive with Ultrasonic Wave」（Wear 194：1996年：pp137〜pp142）にも詳しく説明されている。
【００１６】
本発明は、ボールとゴルフクラブのフェース間のインパクトを制御するシステムに関する。アクチュエーション及び、フェースの位置又は特性を制御することにより、ボールとフェース間のインパクトを制御し、インパクトの過程に影響を与えるものである。より詳しくは、インパクトによる生じる機械的エネルギを変換することにより、電気的エネルギを作り出して再利用するものである。この再利用がインパクトを効率的に制御する。一実施形態においては、圧電素子がインパクトから変換したエネルギが、超音波フェース変形／振動に変換され、ボール・ヘッド間の摩擦係数を効果的に低下させる。他の実施形態では、インパクト時に、圧電素子が結合された表面の硬度が、所定のインパクト・パラメータの発生に伴い、特定の動作をとるよう制御される。例えば、フェースは強い打撃を受けると硬くなり、比較的弱い打撃を受けると硬くならない。これらの構成は全て、パター、ドライバ、アイアンなどのゴルフクラブに関するもので、クラブ・ヘッドという語は、これら全てを含む。
【００１７】
フェースを動作させるアクチュエータの数は任意であって、電気的エネルギを機械的エネルギに変換する機能を有する。これらはソレノイドや電界・磁界を使用したアクチュエーション技術等の電磁タイプを有する。これらは材料の大きさを変化させる特性をもつ。電磁タイプの例は、電歪、圧電、磁歪、強磁性の形状記憶合金、形状記憶磁石、形状記憶セラミック材料、或いはこれら要素いずれかからなる構成物である。アクチュエーション機構に含まれる可能性のあるものは、温度アクチュエータがある。温度アクチュエータは、抵抗加熱法又は形状記憶合金を使用する。アクチュエータが、温度エネルギを加えられると、材料内に位相の変化を引き起こし、大きさの変化や圧迫が起きる。上記のいずれかの種類のアクチュエータを使用しても、電気的エネルギを変形や位置変更に制御可能に変換するために使用される。
【００１８】
単純なアクチュエータを使用したシステムでは、運動やインパクトのエネルギを、フェースに取り付けられたアクチュエータに利用される電気的エネルギに変換する、電気的エネルギ源又は電池又はその他の発電機が必要となる。このようなシステムでは電源、電子機器、アクチュエータがヘッドに機械的に結合されている。
【００１９】
更に、変換器がフェースに結合した種類のシステムがある。変換器は機械的エネルギから電気的エネルギを創出することもその逆も可能である。変換器の材料の例としては、電磁コイル・システムと、バイアス電場下で動作する圧電又は電歪材料と、バイアス磁場下の磁歪材料と、強磁性形状記憶合金材料と、これらを組み合わせたものやその他の材料からなる構成物からなる。以後これらの材料を圧電材料とよび、圧電という語の使用に関しては、特に限定した意味はないものとする。これら変換器を使用したシステムにおいては、変換器の要素はフェースに結合されてもよい。これによりクラブの変形や運動が、逆アクチュエーション機能(converse actuation function)を介して使用され、ボールとヘッド間のインパクトを制御するための電気的エネルギを生み出す。
【００２０】
圧電アクチュエータは最も一般的な種類の変換器の材料である。一般的には、圧電アクチュエータは適用される電場に応じて大きさを変化させる。また反対に適用される荷重や負荷に応じて電荷を作り出す。圧電アクチュエータは、電気駆動式アクチュエータとしても、発電機としても使用される。
【００２１】
インパクトの制御は、ヘッド及び／又はフェースに力を加えることにより行われる。これによりインパクトに影響を与えるシステムの特性が、効率的に変更される。例えば、加えられた力に応じて、フェースが加速する場合、慣性質量を増加させるように制御が働く。これは、ある位置で、ある動きをしているときの慣性質量と同じ力をヘッドに加えることにより行われる。加えられた力は、システムの弾性を与えたり、拡散させたりする力を創出するとともに、システムの慣性力を創出する。例えば、フェース中心部に加わる力の大きさはフェースの速度に比例し、力の向きはフェースの動く向きと反対である場合、フェース中心部に加わる力は、衝撃吸収装置（dash pot）としての役割を果たし、フェース中央部における粘性減衰を引き起こす。それと類似して、原則として力が、フェース中心部の変形方向と反対側に加わる場合、その力は、フェースを硬化させて、バネのような役割を果たす。同様にフェース中心部において力が速度に比例し、変形方向に加わる場合、フェースを効果的に軟化させることで、ネガティヴ・スプリングのような作用をもつ。可動式の制御可能なシステム（力を制御できるシステム）は、システム内において多種の動力作用を有する。課題としてあげられることは、種々の制約がありながらも、システムに作用する多種の力を加える装置及びシステムを開発することである。
【００２２】
この制御システムで利用され得る力には、慣性力やマスから生じる多種の力と同じ働きをする力を利用することもできる。このような制御システムにおいては、加わる力とインプットとの間に任意の位相関係が、存在し得る。その関係は周波数によるものである。基本的に制御機能は、直線状又は非直線状の動力システムである。制御機能は、何らかのセンサとアクチュエータにより出力される力の間に配される。従来の制御システムは、センサの出力を取得し、力を本体に加えて、何らかの望ましい効果をもたらすものであった。この技術は、動力のシステム制御（具体的には、弾力システムに関する構造制御）の一般的な技術分野の範囲であり、当該技術分野では明確に定められた技術である。
【００２３】
接触面の超音波或いは高周波振動により、ボール・ヘッドの間の有効摩擦係数が低減される。振動は、少なくとも振動の一部の期間では、表面同士の接触状態が一時的に解除されるように、十分な振幅と周波数を有する必要がある。接触状態が解除されると、有効摩擦係数が低下する。
【００２４】
クラブのフェースに結合されたアクチュエータは、高周波数の電気が入力されて動作するときに、表面に高周波振動を励起するように構成されてもよい。クラブ／フェース本体の共振周波数において、若しくはその付近の周波数において、励起状態となるとき、振幅は最大となる。
【００２５】
ゴルフボールのインパクトにおいて、垂直方向の力が高い場合、ボールからフェースが離れるときのフェースの加速度が、高いものであることが好ましい。つまり、ボールがフェースと一緒に動くことなく、ボールとフェースの接触状態が解除される程度に高い加速度が必要である。加速度は、振動モーションの振幅と励起周波数の２乗との積に比例する。これはアクチュエーション・システムを設計する際の性能指数と考えられる。動作されるシステムが振動するときの振幅は、システムの慣性力の影響で弱まる傾向があるため、より高周波数で動作することと、振動時の振幅を最大限とすることの間のバランスを調整しなければならない。性能指数は、これらのバランスを調整し、摩擦制御の効果を最大化する。例えば、本発明の好適な実施形態によれば、フェース表面を120，000Hzで励起する。この周波数の振動は、後述のアクチュエーション・ドライバに影響を及ぼす。
【００２６】
外部の電源が利用できないシステムにおいては、インパクト・エネルギの一部は、蓄積されて高周波数振動フェース・モードで、超音波励起の形式をとりながら、フェースに戻されてもよい。高周波数振動フェース・モードでは、フェースの高周波振動は変換器より生じる。エネルギは変換器材料自体に蓄積されてもよい。例えば、圧電材料の静電容量に蓄えられた電荷として蓄積される。或いはエネルギは、コンデンサ又はインダクタ又はタンク回路等の、補助的な回路素子に、最初に蓄積される。回路素子は、変換器に結合している。トリガ効果によりエネルギが放出された後、駆動回路（drive circuit）が形成される。変換器に連結された時に、大きな振幅を伴うフェースの振動時を引き起こす。これにより、インパクト時の、臨界点の時点での、ボールとフェース間の有効摩擦係数が、効果的に低減される。臨界点は、制御アルゴリズムにより選択される。フェースの振動によりフェースの摩擦が制御されて、この制御はインパクトが強いなど特定の条件が満たされると、トリガされる。このように、ボールの回転の制御が可能となる。
【００２７】
ボールが打ち出されるときの速度もまた、フェースの変形に応じた力をフェース適用することで、制御可能である。適切な刺激があると、インパクト持続時間を延長させることにより、効果的にフェースが軟化される。これにより、インパクト荷重を低減させ、ボールの変形が生じる。ボールの変形が少ないと、ボールの非弾性形状による拡散が減り、インパクト時の反発エネルギが増える。ボールの変形が低められると拡散が減少するが、これは、ボールが非弾性形状と、インパクトから得たエネルギが再び増加することによる。こうして、高い反発係数（coefficients of restitution、ＣＯＲ）が達成され、ボールが高速で飛ぶこととなる。反対に、所定のインパクトを受けた場合は、インパクト・エネルギが電気的エネルギに変換されると、拡散されて、有用なＣＯＲが低減されることとなる。
【００２８】
選択的に電気的エネルギを加えて、調整された弾力性の効果と同じような働きをすることにより、インパクト時にフェースの一部が、選択的にフェースのその他の部分よりも大きく変形される。これによりボールの打ち出される方向は制御される。これは最終的なボールの速度（速さと方向）が、弾性体のインパクトに生じる力により決定されるためである。弾力性の不均衡から生じる表面の不均一な変形により、ボールの垂直方向の反応が変化して、ボールが打ち出される最終的な方向となる。このボールが打ち出される方向に関する直接的制御に加えて、ボールが打ち出される方向に関する間接的な制御も可能である。この間接的制御は、横回転を含む回転を抑制することによるものである。これにより、横方向にそれて打ち出されることが回避できる。また、類似の制御特性が実施可能であり、これはインパクト時に動作中のクラブのフェースが、可動式で位置変更することによるものである。中心からずれたインパクトによる、クラブ・ヘッドの位置変更は、インパクトの位置或いは、ヘッドの角加速度などの測定されたインパクト変数に応じる。
【００２９】
より慣性運動と似たような力をヘッドに加えてもよい。つまり、その力は、インパクト時のヘッドに働く、所定の位置における付加的な質量（mass）に類似したものである。この力は、過度に直線的なショットなるような、打ち損じのショットをきっかけとして加えられる。例えば、その方法の一例は、ヘッドに加わる力を、リアクション・マスを伴う動作で、創出することである。アクチュエータは、ヘッドとリアクション・マスとの間で反応する。アクチュエータは、インパクト時にヘッドの回転が最小化されるように反応する。本体の慣性力のモーメントを効果的に増加させ、フェースを平らに保つことにより、インパクト時にボールが真っ直ぐに飛ぶ。インパクトの持続時間は限定されているため、限定された持続時間内で、このような本体に加わる力をもたらすことができる。中心柱（central post）と円環状バイモルフ(annular bimorph ring)は分けて備えられ、リアクション・マスに対するヘッドの移動方向が、検出及び感知される。上下左右等のフェースの回転方向は、補助器／制御器へのセンサの入力として使用される。これにより、加わる力が、結果的なフェースの動作を補助する。複数の圧電素子や、一つの圧電素子にある複数の電極からなる構成により、インパクトについて広範な範囲から検知することが可能となる。これによりフェースのどの位置にインパクトが加わるのかを特定できる。また、制御回路を使用して、僅かにフェースを回転させるなどして、インパクトの中心外の点におけるヘッドの回転を補助する。本発明に係る好適な実施形態によれば、一つの圧電素子からの電圧の影響で、インパクト位置を、様々な可能性の中から特定することが難しくなる。しかしこれは必ずしも、本発明に対する制限とはならない。均一な圧電素子をフェースに装着することが考えられる。フェースには、電極を分散して備えて、インパクトの位置を検知する。その場合、原則として複数の圧電素子が、例えば方形配列で、フェースに装着されることが考えられる。例えばフェースの内側に３×３の方形配列で、９つの電極を配するパターンが考えられる。これら電極の電圧は制御回路に利用される。これによりボールのインパクトが加わった場所を特定して、インパクトに対する適切な反応が生じる。変換器上の一部の電極は電圧を加えて、その他の場所には電圧を加えないでおくと、反応を調整することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明に係る多種の実施形態、技術的特徴、有利な点は、以下図面を参照しながらより詳細に説明される。
【００３１】
以後の記載は、「Piezoelectric Ceramics」(Jaffe、Cook、Jaffe、Academia Press発行：1971年）や同文献に記載された参考文献の内容のような、圧電素子やその取り扱いや形態に関する基本的な知識を有することを前提としたものである。これらの刊行物の内容は、この明細書内で参考文献として使用されている。圧電素子の構造に関する技術分野を記載した参考文献としては、「Piezoelectric Shell」（H．S. Tzou， Kluwer， Academic Publishers発行，MASS，1993年）とこの文献に記載された参考文献も有用である。
【００３２】
（アクチュエータのフェースへの作用）
アクチュエーション要素(actuation element)及び変換器をクラブのフェースに作用させる手法は幾つかある。尚、クラブのフェースとは、ヘッドの表面のうちボールにあたる面をいう。変換器は以下（１）又は（２）又は（３）の作用を生じさせる。
（１）フェースの相対的な変形（弾性）
（２）各種技術を導入した絶対的運動（慣性）
（３）フェースとヘッド本体の間の相対的運動
本願では、アクチュエータ又は変換器によりフェースの弾性変形又はヘッドの慣性運動を生じさせる方法が８つ開示される。アクチュエーション機能の目的は、動作時にフェースの歪みをもたらす最適な制御を望ましい周波数で提供することである。変換器の目的は、ヘッド（又はフェース）の絶対的運動（減速）を提供すること、若しくはボールのインパクトに応じてヘッド及びフェース上に適切な変形を提供することである。これら２つの技術は、インパクト時に発生する運動エネルギ或いは弾性エネルギなどを活用する。このエネルギは変換器により電気的エネルギに変換され、フェース及び接触面の動作に、用いられる。以下、変換器をゴルフクラブのフェースに作用させるための８つのシステムについて、記載する。
【００３３】
アクチュエータのフェースへの作用については、３つの類型がある。第一の類型は、圧電素子とフェースの弾性的なアクチュエーションに関するものである。このアクチュエーションにおいては、変換器の大きさの変化と変換器の変形が、直接に構造に対して相対的変形をもたらす。この作用は、変換器がフェースに力を付加する２つの点に沿って又はその２点の間で、働く。このような種類の弾性アクチュエーションは、一般的に構造制御の分野で知られている。弾性アクチュエーションにおいては、圧電素子を構造上に取り付けるか、構造内に埋め込み、有用な構造的変形をもたらす。弾性アクチュエータが作用する４つの形態は以下のとおりである。
形態（１）：図１に示すように、板状の圧電素子がフェースに直接的に取り付けられ、歪みをもたらす。
形態（２）：図２ａ、図２ｂ、図３に示すように、圧電性のスタック及び／又はチューブはフェース上に装着され、ハウジングを備える
形態（３）：図４に示すように、フェースと硬い裏当て部材間に圧電素子が配される。
形態（４）：図５ａ、図５ｂに示すように、圧電素子はフェースと硬い抑制層との間に配され、せん断モードで動作する。
【００３４】
アクチュエータのフェースへの作用の第二の類型は、フェースの絶対的運動に作用するアクチュエータである。絶対的運動とは、ボールへの打撃によるフェースやヘッドの運動により発生する慣性力に基づくものである。これらは通常リアクション・マスと、リアクション・マスとフェースの間で動作するアクチュエータ又は変換器要素を必要とする。このようなフェースの作用の類型は、一般的にプルーフ・マス（リアクション・マス）のアクチュエータに関する。この類型の実施形態は、以下の通りである。
形態（５）  図６に示すように、圧電素子が直接的にフェースとリアクション・マスとの間で結合する。
形態（６）  図７に示すように、モーション増幅器を伴う圧電素子が、フェースとリアクション・マスとの間で結合する。
形態（７）  図８に示すように、チップ型マス（tip mass）を伴うバイモルフ型圧電素子が、フェースに装着される。
【００３５】
アクチュエータのフェースへの作用の第三の類型は、フェースとゴルフクラブ本体の間にアクチュエータが結合されるものである。アクチュエータはソール板であってもよい。或いは、フェースとクラブ本体との間にある並列荷重経路（parallel load paths）のうちのひとつであってもよい。これは形態（３）と似ているが、形態（３）のようなフェースの変形はしないので、フェースは硬い材質で形成されてもよい。フェースとクラブ本体の間に配される変換器は、フェースとクラブ本体間にかかる荷重の大部分を受けるので、インパクト時に大幅に機能を発揮させることが可能となる。また、アクチュエーションにより引き起こされた本体との相対的なフェースの位置数は、クラブ本体自体を、大きなリアクション・マスとして使用して、インパクト時のフェースの位置や方向を変化させる。
【００３６】
形態（８）  図９に示すように、圧電変換器がフェースとクラブ本体との間に配される。
【００３７】
変換器の適用に関しては、利用可能な最大のアクチュエーションの力と利用可能な最大の作用（例えば、回転を制御するために高振幅、高周波数でフェースを振動させる。）を創出するためには、（１）インパクト変形パターンと（２）高周波数モードを共に使用して、適切に変換器の作用を与えることが望ましい。フェースの位置決め（摩擦を低減するための措置）については、（１）インパクト荷重パターンと（２）高周波数モードによるインパクトの運動を共に使用して、フェースとクラブ本体の間に適切な変換器の作用を与えることが望ましい。
【００３８】
通常、形態（１）乃至（４）の弾力作用においては、フェースの運動／荷重が変換器の材料に対して荷重をもたらし、それに応じて電気的エネルギを生み出す。反対に、変換器に加わる電気的エネルギはフェースのモーションを制御する。フェースの荷重／運動と電圧、電流の間で、高効率な電気的エネルギと機械的エネルギの相互作用があることが望ましい。この相互作用は、まずインパクトから生じた機械的エネルギの一部として扱われる。そしてこの機械的エネルギは電気的エネルギに変換されて蓄積される。（例えば、圧電素子又は分留回路（shunting circuit）に蓄積される。）若しくは反対に、変換器に入力される電気的エネルギが、アクチュエーションが誘引するフェースの変形において、フェースに歪みを引き起こすエネルギに変換される。
【００３９】
形態（１）
このアクチュエータのフェースへの作用の実施形態においては、フェース面のサイズを変化させる。（またアクチュエータ（２１）には、いわゆる３−１アクチュエータを用いる。多種の相互にかみ合った圧電ウエハ又は各種の要素からなるアクチュエータも、フェース面のサイズを変化させることができる。）アクチュエータ（２１）は、フェース（１０）面上に取り付けられるか又はフェース（１０）内に埋め込まれて、結合される。アクチュエータ（２１）は、当該技術分野で知られた技術を使用して装備されてもよい。アクチュエータは、正確にフェースの中心線上にあるわけではないため、フェースのひずみを起こすように作用し、アクチュエータが電気的に励起されると、フェースの変形運動（１０５）に衝撃を加えるように働く。中心線の近くで、フェース面の内側に作用を加えるアクチュエータは、面の外側へ曲がるのではなく、面の歪みを生じさせることが好ましい。これは可変の力を使用して大幅にフェースを変形させる場合により達成される。アクチュエーションの荷重は、平面の内向きの力と屈曲モーメント（１０５）との組合せと考えられる。図１に示すように、アクチュエーションの荷重は、アクチュエータの境界に生じて、フェースに作用する。重要なパラメータはアクチュエータの空間的広がり、長さと厚みである。望ましいフェースの形状への作用を最大化するように、空間的な広がりＸ−Ｙが特定される。適切な形状は、歪場の長さ方向の長さ×電場×アクチュエータの領域にかかる圧電素子の圧電定数の積分値に等しい。ある形状を生じさせることにより、それに応じたアクチュエータの形状や範囲で、ある構造的形式が最適化される。
【００４０】
例えば、任意の半径の円状のアクチュエーション・パッチ（圧電素子の影響が及ぶ範囲）を持つ軸対象の平面の、もう一つの軸対称の平面（節円、つまりフェース面の半径）への影響は、アクチュエーション・パッチがその節円の半径にまで広がったときに最大となる。アクチュエーション・パッチが節円よりも長い半径を有する場合、節円の外側の材料は、節円内部と反対方向のひずみを受ける。パッチ全体に圧電性反応が集まると、部分的な相殺が生じる。
【００４１】
変換器がフェースに結合されていて、インパクトからエネルギを得ることが望ましい場合、または摩擦を制御するために、高周波数モードを励起する可能性を有することが望ましい場合は、アクチュエータは広がり、厚みにおいて以下の２点を満たすように設計されなければならない。
（１）インパクトを加えるボールにより生み出された形状を生じさせる。（概略的に言うと、ボールの中心点打撃に対する変形形状の第一モード）
（２）高周波数モードに関連した変形形状を生じさせる。
【００４２】
フェースは比較的分厚い部材であるため、２〜３ｍｍの厚さのフェースに十分なアクチュエーションをもたらすには、約１ｍｍの比較的分厚い圧電素子が必要となる。通常のフェースの設計では、圧電素子は直径１乃至５ｃｍである。これにより、二つの目的が達成される。即ち最初のインパクトで生まれるエネルギに作用することと、且つ高周波数モードで励起して、摩擦を制御するエネルギに作用することが達成される。この類型に属するフェースの作用を実施するには、３−１モードの圧電性ディスクが用いられる。通常、３−１モードの圧電性ディスクは、ディスクの厚さにわたる電場を備え、フェース（１０）に（通常内側に）直接接合される。
【００４３】
圧電素子（２１）は、ポリマ・カプセルで取り囲んでもよい。またポリマ又は可撓性回路基盤（flex circuit）上に電極を配してもよい。電極の配置パターンは、多種の活動領域を規定し、曲線上の配列で、分割又は統一又は相互にかみ合ったパターンの電極の配置を形成し得る。重要な点は、上記で定義した、圧電素子とフェースの変形との間の、電気的エネルギと機械的エネルギの相互作用を最大化することである。
【００４４】
（形態２）
アクチュエータ又は変換器をフェースに結合する好適な方法及びシステムを以下に記載する。この方法においては、アクチュエータ（２１）は支持部となるハウジング（１２）を使用してフェースに装着される（アクチュエータ（２１）は、圧電素子が好ましいが、上述した電歪又は磁歪又は数多くのその他のアクチュエータ又は変換器技術であってもよい）。より詳しくは、図２ａ及び組立て品の断面図である図２ｂに記載される。
【００４５】
この場合において、アクチュエーション要素（２１）は、入力電気的エネルギ（電圧又は電流）に応じて、軸方向にサイズを拡張したり、変化させたりするよう形成される。圧電性システムに関して、この変化は様々な方法で達成される。より詳しくは、圧電性スタックを使用して、加えられた電圧によって、長さを変化させる。これは３−３型圧電コンポジット（３−３coupling）として知られ、圧電素子の反応が高いモードである。３−３型圧電コンポジットは、複数の圧電材料層（スタック）を備え、層の間に電極が配される。これにより、電場は中心軸上に整列し、伸縮する圧電効果がもたらされる。この機能を有する装置は、図１８中のアセンブリの一部（１５）として詳細に記載されている。アクチュエータは、また横方向に延設する３−１型圧電コンポジットを使用してもよい。３−１型圧電コンポジットでは、軸方向に対して直角に電場が形成される。これはフェースの反対側となる面に長手方向に電極を配した棒状アクチュエータにより実施可能である。または円筒型アクチュエータでも実施可能で、円筒型アクチュエータには荷重が長手方向に沿って加えられ、円筒型アクチュエータ壁面の厚さ方向にわたって電場が形成される。電場は円筒型アクチュエータの内壁及び外壁に配される電極により形成される。当該技術分野では、その他にも数多くの軸方向に伸びるアクチュエータ／変換器が知られている。
【００４６】
第二の要素は、ハウジング（１２）である。ハウジング（１２）によりアクチュエーション要素の終端が、フェース表面に構造的に連結される。ハウジング（１２）は、硬い荷重帰還経路（load return path）としての機能を果たし、アクチュエーション要素の伸びによりフェースの変形が生じる。図２ａに示されるように、フェースの変形により、アクチュエータがフェースに接触する点（フェースの中心と考えられる）とハウジングがフェースに接触する点との間に相対的運動が起こる。この相対的運動はこれらの接触点で加えられる力（１０６）による。硬いハウジングは、その相対的運動を、アクチュエータの両端間の相対的運動へ転換する。このようにハウジング（１２）は、アクチュエータの長さの変化によって、フェースの差動運動（変形）を生じさせる。従って、フェースの弾性的作用の類型に属する。
【００４７】
設計に際し、ハウジングの強度を高くすること重要である。理想的には、湾曲しないもので、少なくとも圧電素子と同様の硬度をもつ。これは、アクチュエーションの荷重のもとでハウジングが伸長すると、フェースに伝わる荷重が低減され、フェースの変形が少なくなるためである。この仕組みを理解するには、非常に柔軟なハウジングの場合を想定するとよい。アクチュエーション要素が伸び始めると、アクチュエーション要素とともに、ハウジングが僅かな加重でも伸び、フェースが僅かしか変形しない。実際には、通常の条件では、ハウジングの装着部とアクチュエータの装着部では反対方向に等しい大きさの荷重が加わる。その条件下では、通常、ハウジングは少なくともフェースの１乃至２０倍の硬度をもたねばならない。これにより、ハウジングの伸長を必要とせずとも、荷重によって、効果的にフェースの変形を生じさせる。ハウジングはまた、大きく慣性力が加わることを回避するために、可能な限り軽量なものを設けるとよい。大きな慣性力が加わると、ヘッドの重心や慣性テンソルが大幅に変わる。
【００４８】
ハウジング（１２）は、円錐状又は円筒状に形成された壁面（５２）からなり、壁面（５２）は、背板（１３）を備え、背板（１３）は、アクチュエータとハウジング（１２）とを連結し、ハウジング（１２）は、円環状の連結材（５６）を介してフェースと連結する。図１７乃至１９は、形態（２）の好適な実施形態を詳細に示す図である。ハウジング（１２）のフェースへの連結は、ねじ込み式接続部（２９）を介するか、蝋接又は溶接又はその他の技術を用いて連結してもよい。背板（１３）は、永久的に装着されるか、壁面の一部材として加工されるか、背板（１３）をねじ込み式にして、アクチュエータ機構を分解したり修理したりするときに取り外しができるように設ける。背板（１３）の屈曲やその他各種のハウジングの変形といった弾性変形を配慮して、アクチュエーションの荷重下のハウジングの強度を提供することが重要である。ハウジング（１２）が円錐状の構造であることが非常に効果的である。ハウジング（１２）が円錐状であると、背板の変形量を低減し、より直接的にフェースに荷重が伝わる。通常の寸法は、ハウジングの壁面（５２）が１ｍｍ以下、背板（１３）が３ｍｍ以下である。図１８に示す、圧電層を備えたアクチュエータ（２１）と端部材（２３）とからなる変換器アセンブリ（１５）は全体で１６ｍｍ以下である。変換器アセンブリ（１５）に含まれるアクチュエータ（２１）は１０ｍｍである。アクチュエータの断面は、７ｍｍ×７ｍｍの方形スタック、又は好ましくは直径が９ｍｍの環状スタックとなる。
【００４９】
ハウジングとアクチュエータとフェースと接する点の位置選択は、設計の際に重要となる。アクチュエータがフェースの中心と接し、ハウジングがアクチュエータ周囲を取り囲むように装着される。ハウジングは、複数の点でフェースに固定して取り付けられてもよい。又は特定の半径の円環状連結部材を介して、フェースに装着されてもよい。この際、制御機能を作用させるための性能要件を最適化するためには、ハウジングを連結する円環の径の選択が、非常に重要となってくる。端部材（２３）は、好ましくは、スチール又はアルミナ又はその他非常に硬い材料から形成される。端部材（２３）は、曲面（２６）を備える。端部材（２３）はフェースの中心で、フェース（３３）とハウジング（１２）の背板（１３）と接する。
【００５０】
摩擦制御の場合、上述の如く、高周波振動を励起することが目的となる。円環の直径は以下の要件を満たすものであることが好ましい。
（１）インパクトによって適切な変形を生じさせ、電気的エネルギを創出すること。
（２）適切な作用によって高周波モードを及ぼすこと。
これらの要件は装着する部品の半径を、フェースの半径に、略一致させることで可能となる。フェースは、フェースの変形の方向と反対方向にフェースが湾曲した形状（凹面状）を持つことが望ましい。これによってフェースの変形量が大きくなる
【００５１】
最適な設計は、以下の点を考慮すべきである。フェースの径が小さすぎる場合は、圧電素子の中心からの力と反力は、互いに近い位置でフェースに作用する。力の加わる点の間のフェースは、非常に硬く、ほとんど動きは生じない。反対に、インパクトにより変形した形状のもとでの、連結点同士の間での、変形の差は、非常に小さい。これは、形状の変化がインパクトの荷重が加わった曲面により決定されており、インパクトで発生する電圧が非常に小さいためである。一方で、フェース径が大きすぎる場合は、インパクトに適切に作用するが、ハウジングの構造を硬く設定することが難しくなる。また、ハウジングを硬くすると高周波数モードで高振幅を生ずることが難しくなる。好適な実施形態においては、円環状連結部材（５６）の装着部の直径は、約３５ｍｍとし、ボールのインパクトによってフェースの変形を生じさせること、及び１２０ｋＨｚでの高周波数モードを生じさせること、の二つの目的に最適に合致するものとする。
【００５２】
特定の設計の評価において、インパクト時にフェース、ハウジング、アクチュエータにかかる負荷を考慮に入れるべきである。非常に高いレベルの負荷をかけると、ハウジングの耐用年数が短くなる。加えて、ボールのインパクトで、アクチュエータにかかる圧縮負荷は、材料の永久的な「減極（depolarization）」を引き起こし、アクチュエータの特性が永久的に劣化する。機械的システムは、ボールのインパクト時の、多様なパターンの荷重について、解析される。構造解析により、臨界レベルを超えているかどうかが決定される。臨界レベルとは、ハウジングの寿命に対する臨界レベル、或いは負荷により引き起こされる圧電素子の減極に対する臨界レベルである。
【００５３】
圧電素子をフェース中心部に配する。又は、フェース中心部にボルトを溶接して、ボルトを用いて、円筒状圧電素子を配するか、ボルトから放射状に複数の圧電素子（例えばスタックなど）を配する（図３参照）。この構成において、非常に弱いインパクトでも、変形形状や高周波数モードの形状を生じさせることができる。フェースに直角に変換器要素（２１）の軸を配置することによって、（２１）に予圧が加えられ、（２１）を頑丈にすることが容易となる。変換器要素（２１）に予圧を与えるためには、フェース中央部に配されるアンカ（２０５）と裏当て部材（２１２）を使用する。アンカ（２０５）は、ボルト（２０６）に螺合する。変換器要素（２１）のこのような配置により、望ましい振幅を表面に励起することが可能となる。
【００５４】
（形態３）
図４に第三の実施形態を示す。この実施形態においては、圧電素子（２１）がフェース（１０）の中心と硬い裏当て部材（２０７）との間で作用する。裏当て部材（２０７）は、高い反力を作り出すために、フェースの硬度の１乃至１０倍の硬度でなければならない。これによりアクチュエーションが、裏当て部材の変形は引き起こさずに、フェースの変形をもたらす。圧電素子とフェースが間欠的な接触を起こすような設計を行うことも可能である。尚、裏当て部材（２０７）は、非常に硬い構造が要求されるため、質量が大きくなる傾向がある。
【００５５】
図４に示される形態３においては、圧電素子（２１）がフェース（１０）と裏当て部材（２０７）の間に設けられる。裏当て部材（２０７）は、フェースにかかる荷重を、クラブ・ヘッドの他の部分に伝える。クラブ・ヘッドの他の部分とは、即ち、フェースを取り囲む、クラブ・ヘッドの本体（１１）である。フェースがボールのインパクトを受け、フェースが１ｍｍほど動き、圧電素子（２１）が圧縮されると、圧電素子（２１）は電荷と電気的エネルギを創出する。その電気的エネルギは、システムの動力として使用されて、圧電素子（２１）が、超音波装置の励起など、システムの動力として使用される。フェースと裏当て部材（２０）の間の相対的運動と荷重を介して電気的エネルギを創出するため、システムが硬い裏当て部材を備えて、裏当て部材（２０）が、フェースの動きに抵抗し、圧電素子の荷重が大きくフェースに働くように設計する。裏当て部材（２０）が軟らかいと、裏当て部材（２０）は低い荷重で変形を起こす。このような状態では圧電素子に殆ど荷重が伝わらず、圧電素子が圧縮されない。つまりインパクトへの圧電素子の電気的エネルギから機械的エネルギへの変換率が弱くなる。
【００５６】
この形態は、フェースの変形の軸方向の動き（即ちフェースに対して直角方向の動き）に作用する。ポーリング（polling）方向を持つ一つの圧電性スタック又は一つの一体式(monolithic)圧電素子によって、この作用が生じる。荷重は、基本的にフェースに対して垂直にフェース全体にわたって加わる。この設定では、アクチュエータは、３−３型圧電コンポジットを使用する。形態（２）で記載された、１−３型圧電コンポジットか、或いは内面と外面に電極が配された円筒型ピエゾ素子であってもよい。従って、負荷はポーリング方向に対して直角方向にかかる。基本的な反力は、フェースの動きを抑制するように働く。従って、裏当て部材は、フェースの動きを抑制できる強度を持つことが好ましい。裏当て部材を硬く形成すると、裏当て部材は、比較的重い構造となる。裏当て部材はヘッドの重心位置近くに配される。裏当て部材の質量が加わっても、壁の質量を減少させれば、マスの質量は変化させずにヘッド全体の慣性質量を低減することが出来る。
【００５７】
形態（３）の他の実施形態においては、圧電素子は、当初は裏当て部材と接触しない。ボールとのインパクト時、フェースの変形により圧電素子が裏当て部材に接触して、圧電素子に荷重が加わる。圧電素子は、例えば、裏当て部材から約０．５ｍｍ離れて、フェースに装着される。ボールを打撃するまで、接触が生じることはない。この方法で、システムは、高い振幅を有するインパクトの時にだけ、圧電素子に荷重がかかり、制御機能をトリガする。このような強いインパクトを使用して、システム内を減衰させるとともに、様々なパターンのボールからの荷重やヘッドの運動速度に応じて、効率的なフェースの硬度や反応を変化させる。例えば、フェースと裏当て部材の間に僅かな隙間があると、（変換器がない場合も）強度の低いインパクトでは裏当て部材がフェースに接触しない。強度の高いインパクトを受けると、フェースと裏当て部材の間の接触が生じ、裏当て部材はフェースを支持し、フェースの屈曲を低減する。
【００５８】
（形態（４）せん断モードの圧電素子）
上記の形態では、圧電素子にかかる荷重は、基本的に直角方向の負荷の形をとるものであった。形態（４）では、圧電素子は、圧電素子の作用によるせん断モードを使用して、荷重が加えられ、電場が生じる。圧電素子のせん断モードと主要な動作様式に関する情報は、Piezo System Inc. of Cambridge, Massの出版物を参照するとよい。せん断モードの圧電素子は、図５ａに示すように、材料の分極軸（axis of polarization）にかかる負荷をずらす。例えば、材料の分極がＸ方向になされると、せん断負荷は、Ｘ−Ｚ平面をＹ軸方向に押すように加わる（図５ａ参照）。この圧電素子の動作においては、電場Ｅは軸方向Ｘに対して垂直に形成される。この様式の圧電素子の反応は、１−５型圧電コンポジットと称されることがある。
【００５９】
形態（４）においては、せん断モードの圧電素子を使用した構造が拘束層と同様の減衰作用をもつ。拘束層は、一般的に、屈曲構造の振動反応を減衰するために使用される。圧電素子（２１）は荷重がかかるとせん断を生じるように設けられ、フェースと、拘束層（２０８）と称される裏当て層との間に配される。図５ｂのように、フェースはインパクトの荷重によって屈曲しても、拘束層はこの変形を拒絶し、フェースと拘束層との間にある圧電素子がせん断を生じる。形態（４）では、一つ又は複数のせん断モードの圧電素子が拘束層（２０８）とフェース（１０）との間に配される。フェースが屈曲すると、フェースが圧電素子にせん断負荷をかける。せん断負荷が圧電変換器によって、電場を生じさせる。通常の設計では、電場が垂直な表面に沿って整列するように形成され、１−５型の圧電素子がフェース平面上に分極される。例えば複数の圧電素子のうち一つが、両端の大きく屈曲した点に配され、この拘束層として作用する棒状又は面状の拘束層は、複数の圧電素子間に連結されている。フェースが変形すると、拘束層は変形を拒絶するように作用するので、フェースが、１−５型アクチュエーションの圧電素子に、大きな荷重を加える。
【００６０】
他の実施形態においては、せん断モードの圧電素子は円環状であって、外方向又は内方向へ放射状に分極される。円環状圧電素子はフェースの中心付近に装着されてもよい。電場はフェースと拘束層の間で、円環状圧電素子の厚さ方向に、形成される。この実施形態においては、拘束層は、円環状圧電素子と同じ径の円を備える。拘束層は、円環状圧電素子の円周上に装着される。これは上述の軸対象の形式で、太鼓の皮のような動きをするフェースの動きが、圧電素子に影響を及ぼすように作用する。
【００６１】
せん断モードの動作は非常に効率的であるため、圧電変換器に対して、非常に高い結合係数を有する様式となる。３‐３型圧電コンポジットと１‐５型圧電コンポジットの結合係数は非常に近い。結合係数は、所定の荷重サイクルの下、電気的エネルギへと変換される機械的エネルギの入力の一部として、大まかに定義される。
【００６２】
形態（１）（２）（３）（４）は弾力性を利用した結合システムである。圧電素子が、２つの弾力体の間で相対的運動による変形をすることにより、圧縮される。フェース圧電素子機構が、この弾力体の一部であるため、フェースの変形が圧電素子に伝わり、圧電素子も変形する。形態（１）に関して、フェース（弾力体）が変形すると、圧電素子がフェースに装着されているので、フェースが圧電素子を変形させる。形態（２）は、圧電素子と異なる場所でフェースと連結しているハウジング支持部材を使用する。（具体的には、圧電素子はフェースの中心点と接し、ハウジングはフェースの中心から一定の半径を有する円環状で接する。）接する点がそれぞれに異なることにより、フェースの運動と慣性が働くマスの間の相対的運動で、効率的に圧電素子を圧縮する。この方法により、圧電素子はフェースの動きを生じさせる。形態（３）では、フェースが変形する動きはフェースと裏当て部材との間に装着された圧電素子を圧縮する。形態（４）では、フェースの変形が圧電素子にせん断負荷を引き起こし、せん断が生じる。これらの形態は全て、フェース・クラブ本体構造の弾性変形への作用を利用している。フェース・クラブ本体構造とは、ゴルフクラブのヘッドを示す。これにより、これらの形態は選択的に、弾力性結合を有すると分類することができる。
【００６３】
（形態５、６、７  慣性作用形態）
形態５、６、７からなる本類型は、インパクト時の慣性力を利用するという異なる方法をとって、荷重を変換器に伝える。これらの形態は、質量を加速するのに必要な荷重を利用して、圧電素子に荷重を与える。圧電素子への荷重は、フェースの相対的運動の関数としてではなく、加速度の関数として表される。
最も単純な実施形態では、リアクション・マス（２０９）（プルーフ・マスとも称される）及びリアクション・マス（２０９）とフェース（１０）との間に装着される圧電素子（２１）を備える。このシステムは、圧電素子が荷重をうけるバネのように動作するのでマス・スプリング・システム（基部にバネがつながり、スプリングの端部にマスがついているシステム）ともいえる。運動するフェースは、マス・スプリング・システム中の移動する基部となる。ボールの打撃によりフェースが動くと、慣性力がリアクション・マスの運動を抑制し、圧電性の「バネ」がフェースとマスの間の位置の差により、荷重をうける。圧電素子に荷重がかかると、圧電素子は電荷と電圧を発生させ、電荷と電圧はフェースを制御するために使用される。これについては後述する。
【００６４】
これらの形態においては、マスと圧電素子を調整して、インパクト時のフェースの動きに適切に影響を及ぼすことが重要である。マス・スプリング・システムの固有振動数が生じるときと比較して、フェースの動きが遅い場合、フェースとマスの間にほとんど相対的運動が生じない。従って圧電素子には荷重がほとんど加わらない。この場合、バネ（圧電素子）の弾力は慣性力の抵抗よりもはるかに大きいため、マス（２０９）はフェース（１０）に押される。またフェースの動きが速い場合、マスは反応せず、圧電性「バネ」は壁面の移動量によって圧縮される。このようにして圧電素子に荷重がかかり、圧電素子の動き、すなわちフェースの動きに作用を伸縮量は、システムの相対的マスとバネ定数と、力の加わる時間によって決定される。
【００６５】
システムの動作を説明するために、フェースがインパクトの動きに似た１／２正弦波で動く場合を想定する。この場合、フェースの中心は、ボールの荷重受けると、フェースの中心が内側へ１ｍｍほど移動し、特定の時間（インパクト持続時間）の後、フェースの中心が通常の位置へ戻る。インパクト持続時間が、１／２ミリ秒であるとき、入力波の形状は、１ｋＨｚのサイクルの１／２となる。圧電素子（２１）、マス（２０９）、バネ（フェース（１０））が１ｋＨｚを大きく超える固有振動数を有するとき、システムの基部（フェース）が動き、圧電素子には相対的変形が大きく生じない。相対的運動は圧電素子にかかる荷重の量、つまりは開回路内で圧電素子が受ける電圧に応じて変化する。これを基準とし、インパクト時の開回路電圧を非常に低い入力周波数でゼロにまで下げることができる。（長インパクト持続時間、硬い圧電素子とマスのシステムを条件とする。）入力が、硬いフェースを備えるマス・スプリング・システムと同一の時定数を有するとき、開回路電圧は、共振ピークにまで上昇する。インパクトを受けるときのマス・スプリング・システムがインパクトの周波数よりも低い場合、フェースの運動と慣性が働くマスとの間の相対的運動による変形量に応じて、圧電素子が圧縮される。これは比較的高周波数のフェースの運動に対応するほどマスが速く移動できないためである。
【００６６】
１０ｇのマスを備え、通常状態の各辺が１ｃｍの立方体の圧電素子は２０〜４０ｋＨｚのレンジの周波数である。非常に大きなリアクション・マスが用いられない限りは、圧電素子は硬すぎて、１ｋＨｚ以下のフェース・モーションに影響しない。また、マスを小さく抑え、その質量を支えることのできる、より効率的な圧電素子の硬度を備えるシステムを作る必要がある。マスと圧電素子の固有振動数が同一となり、ボールのインパクトによく作用するように設定することが望ましい。
【００６７】
固有振動数を調整するには、圧電素子を薄くするか、低いバネ定数を効率的に有する機構を使用して、圧電素子を柔らかく設計する必要がある。図７、８に示す形態（６）と形態（７）は、それぞれ機械的に増幅された圧電素子変換器を使用する構成を明確に示したものである。これらの形態は、圧電素子の効率的なバネ定数をスタック素子よりも低めることにより行われる。スタック素子は、非常に硬いものであってもよい。機械的増幅は、圧電変換器の伸縮量（stroke）を増加させる一方で、変換器の伸縮に対する阻止力（blocked force）を低減させる。これにより、原則として変換器の硬度を低減させ、プルーフ・マス（リアクション・マス）とフェースの壁面の間のバネ（伸縮する圧縮素子）のバネ定数も低下する。
【００６８】
フェースの表面が、圧電バネ（圧電素子）の固有振動数とマス・システムと比較して、ゆっくりと動く場合、圧電素子は比較的変形が小さく、電荷は殆ど生じない。フェースの表面が、圧電バネ（圧電素子）の時定数と比較して速く動く場合、圧電素子はフェースのひずみにより圧縮される。圧電変換器へのエネルギを伝えるためには、バネの設計とマスの大きさが問題となる。バネとマスの時定数がフェースの動きの時定数（例えば１／２ｍｓ）と同一である場合、スプリング・マス・システムの固有振動数を約１ｋＨｚにする。このとき圧電素子の荷重は最大となる。高周波数においては、マスが慣性リアクション・マスのような作用を有する。圧電素子はリアクション・マスから押し離される。これによりリアクション・マス（２０９）とフェース（１０）の間に働く力で、フェース表面の動きを励起状態とすることが可能となる。
【００６９】
形態（５）は圧電素子が、リアクション・マスに直接連結されており、明らかな問題が生じる。リアクション・マスを圧電素子に直接つなぐと、非常に硬いシステムとなり、大きなマスが必要で、固有振動数を、ボールとのインパクトに適応する範囲にまで下げる必要があるためである。機械的な設計によって圧電素子の硬度を低減させる技術は、多く存在する。例えば、非常に径の小さな円柱形状の圧電素子が、エポキシ樹脂に埋め込まれてもよい。これにより圧電素子の有効硬度を低減させるが、圧電電荷係数は一定とすることができる。これは１−３型圧電コンポジットと称される。１−３型圧電コンポジットは、エポキシ内に圧電粒子を使用した圧電性構成物を備えると、よく作用する。適切な粒子の体積を選択することにより、変換器は、材料の硬度を低減するように設定することができる。結合係数を低下させずに、効率的な圧電バネのバネ定数を低下させるには、他の形態を圧電システムにしてもよい。例えば、機械的に増幅された圧電素子を備える形態である。図７に示される形態（６）は、機械的増幅器（モーション増幅器）（２１０）が、増幅された圧電物質の硬度を効率的に低減させる形態を示すものである。非常に大きな力を取得する機械的増幅器が、多数存在する。機械的増幅器（２１０）は大きな力と圧電素子の小さな振動を、圧電素子の大きな振動と小さな力に変換する。基本的に、機械的に増幅された圧電素子の有効結合係数は、常に圧電素子自体の有効結合係数よりも低いものとなる。形態（６）は、伸縮型圧電素子（aflex-tensional piezo）と呼ばれる形態を使用した方法である。その場合、モーション増幅器の軸方向（フェースに対して直角方向）の変形は、水平方向の動きや圧電素子の変形をもたらす。圧電素子の長さ方向の大きさを変化させて、圧電素子がリアクション・マスとフェースの間の距離を伸縮させる。増幅率は２乃至１００の範囲のいずれかの値である。非常に小さな動きが、システム全体の大きな動きを生み出すことになる。機械的に増幅された圧電性アクチュエータにより、より小さな力で、より高いストロークが生み出される。従って、機械的増幅を伴わない圧電素子の場合、柔らかいバネがフェースとアクション・マスとの間に使用されてもよい。これにより、必要なリアクション・マスの大きさが小さくなる。
【００７０】
図８に示す形態（７）はベンダの構造である。バイモルフ・ベンダ（２１１）は、矩形の帯状部分であって、２層の圧電板に挟持された１層の間隙調整板を備える。間隙調整板が無い構造も考えられ、その場合は、圧電板２層のみとなる。圧電板は上層が拡張し、下層が収縮するように変形する。これにより、上層部と下層部で異なる熱膨張係数を有するバイメタルが変形するように、圧電素子が変形する。バイモルフ・ベンダ（２１１）の出力は力と圧電板の変形を生み出す。この形態では、原則的に、バイモルフの平面における小さな圧電素子の動きを、バイモルフ平面外に装着されたマスの大きな運動量に変換する。また、この形態でのバイモルフ・ベンダ（２１１）は、機械的増幅器と似た構造を備える。通常、バイモルフは、軸方向に振動する圧電素子に比べて、変形量が大きい。基本的に、バイモルフ・ベンダとなる片持ち梁構造の圧電板の変形は、上述した形態での圧電素子の軸方向の伸縮に相当する。これらは１−３型圧電コンポジットであって、圧電ウエハを備える。圧電ウエハは、電極を備える。圧電素子の平面上に荷重が加わる。バイモルフ型圧電素子に、圧電ファイバコンポジット（piezo fiber composite、ＰＦＣ）を使用してもよい。ＰＦＣは、システムの平面内に相互にかみ合うように配置された電極とファイバを使用して電場をシステムの平面内に形成し、平面に作用する。２つのＰＦＣは相互に重なり合うように装着（接着又は積層）可能で、且つバイモルフ・ベンダとして設けられる。バイモルフ・ベンダは高い結合係数を持つ要素であるが、ＰＦＣはそれ以上に性能の良い変形特性を備える。この形態において、バイモルフは通常、プルーフ・マス（２０９）とフェース（１０）との間に配設される。
【００７１】
図８は、リアクション・マスがフェース面と直接的に密着せずにリアクション・マス片側にバイモルフを連結して運動をフェースに伝える状態を示す。リアクション・マス両側にバイモルフを連結してもよい。バイモルフ変換器は、バイモルフを電気機械変換器として効率的に機能させる特性を示す。バイモルフは幅が一定の正確な片持ち梁構造の矩形の形状であってもよい。バイモルフの幅及び／又は厚さが、バイモルフの長さ方向の長さに応じて変更されてもよい。バイモルフの形状をリアクション・マスと連結する基端部は幅広にしてもよい。これにより、より効率的にシステムが圧電素子の運動を生じさせる。また、バイモルフの長さ方向の長さに応じて、バイモルフの厚さを変化させることも有用である。底部の層は分厚くして、外側の層は薄くすることが最も望ましい。それにより、バイモルフにかかる負荷が最大となり、エネルギ作用の一定水準を満たすために必要な、装置のマスが最小化される。圧電素子にかかる負荷は全体に均等にかかるため、圧電素子一部にだけ荷重が集中したり、かかる荷重が小さくなったりすることはない。圧電素子全体にわたって比較的均一に荷重がかかるので、結合係数が増加する。
【００７２】
バイモルフは、必ずしも矩形型とならなくてもよい。先が細い形状でも丸型でもよい。厚さが可変でもよい。カーブ状の構造としてもよい。バイモルフ型圧電素子は、様々な形状で設けられることが考えられる。特にディスク型でもよい。ディスク型圧電素子はその中心でフェースに、スタンドオフにより装着される。プルーフ・マスは輪型であって、バイモルフ型圧電素子の円周状に装着される。バイモルフ上の電極は、軸対称であって、均一又は放射状の区画ごとに配されてもよい。これにより、傾きの差に応じて、夫々異なる動作や反応を圧電素子からもたらされる。
【００７３】
形態（５）の実施形態を、図６に示す。圧電素子（２１）は、フェースの中心（１０）とリアクション・マス（２０９）との間で動作する。圧電素子に連結したリアクション・マス（２０９）の固有振動数は、インパクト持続時間（チューニング後）の２倍に相当する。これは、リアクション・マスが殆ど使用されていない場合、圧電素子を増幅させたり、硬度を抑えたりする必要があることを示す。圧電素子を、強いインパクトを受けられる程度に軟らかく、且つ高周波数で強いインパクトを与えられる程度に硬くすることは困難である。リアクション・マスを重くすることが必要となると考えられる。
【００７４】
形態（６）の実施形態を、図７に示す。これは形態（５）に似ているが、形態（５）では機械的増幅器（２１０）が圧電素子に用いられている点で異なる。モーション増幅器（２１０）は、僅かな圧電素子の動きを、フェースの中心とリアクション・マスとの間の、比較的大きなモーションへと変換する機能を有する。モーション増幅器（２１０）がある形態では、インピーダンス不整合の問題が解消され得るが、モーション増幅器（２１０）を付けると、より重く、より複雑な機構を備える可能性がある。
【００７５】
形態（７）の実施形態を、図８に示す。バイモルフ・ベンダ（２１１）はマス（２０９）とフェースの中心（１０）との間で動作する。形態（７）は、形態（５）及び形態（６）と似ているが、フェースとマスとの間にバイモルフ型圧電素子が用いられている点で異なる。バイモルフ型圧電素子は、軸対称のディスク型バイモルフと輪型マスを備えてもよい。複数の矩形又は三角形のバイモルフ型圧電素子と輪状マスを備えてもよい。インパクトに対するマスの当初の固有振動数を、インパクトに動作に合わせて調節する。その後、電極を区画して、フェースに対するインパクト位置が適切となるよう補助する。そして間欠的に高周波が出力される。
【００７６】
（形態（８）  フェースとクラブ本体との間に結合されたアクチュエータ）
形態（８）の実施形態を図９に示す。この実施形態においては、アクチュエータ即ち変換器（２１）は、リード線（２２）を備えるとともに、クラブ本体（１１）とフェース（１０）との間に配される。この方法では、インパクト時に、フェースと本体間の荷重が、変換器により電気的エネルギに変換される。同時に、インパクト時にフェースは、変換器の選択的制御アクチュエーションにより、本体に対して、位置決めされる。これらのアクチュエーションは、フェースの位置を変化させる。例えばフェースがボディ（クラブ本体）に対して傾斜すると中心から外れたインパクト時のボディの傾斜が是正される。
【００７７】
このシステム形態で実施可能な動作形態は、複数考えられる。まず準静的な位置決めである。この動作形態では、フェースは初期状態から、本体とボールに対する位置を変化させる。例えば、中心から外れたインパクトにおいては、フェースの角度は、やや調整される。角度調整によりボールの飛距離の誤差が較正される。例えば、フェースの位置を調整して、ボールのフックやスライスを修正する。このような効果が、インパクト動作に対して、フェースの静的な位置を変更する。
【００７８】
他の実施形態としては、インパクト時にフェースが位置決めされ、インパクトからうける運動が、インパクトにより生み出される運動にも望ましい効果をうむ。例えば、フェースは接線方向に（フェースの垂線に対して直角に）動いてもよい。ボールと接線方向に動くフェース間に摩擦が起こるため、フェースの接線方向に動く速度が効率的にボールに回転を加える。フェースは、インパクトによりボールの回転数を減少又は増加させるような、接線方向の速度を有するよう制御される。この回転制御は、ボールの飛行又は跳ね返り、及び着地後のボールの回転といったボールの動きに望ましい効果を与える。
【００７９】
例として、インパクト時にフェースが、フェースの垂線軸上の接線方向に上方へ動く。フェースの制御は強いインパクトが起きた場合にのみ起こるように制御される。強いインパクトはボールに過剰な回転を加える。ボールの回転数があまりにも高いと、ボールが大幅に上昇し、飛距離が伸びないことが知られている。フェースの上方向の運動速度は、同じ座標上のボールの接線方向速度の一部となる。この場合、ボールの表面とフェースの表面の間で相対的な運動がなくなるため、ボールの回転数が減少して、ボールの飛距離が伸びる。
【００８０】
（好適な実施形態（形態２））
（動作の原理）
設計の最終的な目的は、ヘッドがインパクト・エネルギを変換して、フェースを高周波数、高振幅で振動させることである。フェースを高周波数で励起させると、フェース／ボールの有効摩擦係数が低減される。これには、Katoh及びAdachiの文献に開示された技術と、当該技術分野で周知の技術を使用する。フェースが振動する最中の、ボール／フェースの有効摩擦係数を低下させると、インパクト時にボールとフェースが、摩擦接触し、それにより誘引されるボールの回転を低減される。
【００８１】
ボール飛行の試行実験では、ボールが高速運動する時、インパクトから生じるボールの回転が弱まると、ボールの飛距離が伸びることが示されている。ボールが高速運動する時の諸条件は、ボールの最適速度、つまり、ヘッドの高速運動及び／又はヘッドの運動による風速から決定される。これらの条件下では、ボールの高い回転数が引き起こす、ボールの過度な上昇は回避される。ボールに過度に高い回転が加わると、ボールが高く上がりすぎ、軌道が膨らむ。ボールの軌道が膨らむと、飛距離が低下する。研究によると、ボール高速運動時、ボール回転数が２５％抑えられると、飛距離が１０〜２０ヤード伸びる。
【００８２】
ボールとフェース間の摩擦を減少させると、インパクトにより生じるボールの横回転も抑制される。ボールの横回転を抑制させると、ボールが側方にそれることが防止され、ドライバに正確性が増す。従って、本発明の目的は、クラブ・フェースの表面に必要な振動をもたらすシステムを提供することである。これにより、回転数を制御して減少させる所望の効果が得られる。システムは、高速運動によるインパクト（不必要に過度な回転を引き起こす）の場合のみ、ボールの回転を減少させる振動を誘引するように、制御される。本発明の目的はまた、ゴルフクラブ・ヘッドとボールとの間のインパクトから生じるエネルギのみを用いて、摩擦抑制システムを動作させることである。よってこのシステムは、電池のような外部電力を必要としない。
【００８３】
試行実験によると、５〜１０ミクロンの振幅で約１２０ｋＨｚ或いはそれ以上の高周波数で振動する、クラブ・フェースは、ボールの回転数を大幅に低下させる機能をもつ。ボールとクラブ間のインパクトに関する試行実験を、図１２及び図１３に示す。図１２はインパクト時の、フェースに結合された圧電変換器の電圧の経時的変化を示す。
【００８４】
電圧は、臨界誘引レベル（電子機器に設定されている）に到達する点までは上昇し、その点において、励起されて、所望の周波数（１２０ＫＨｚ）を有する振動が起こる。高周波振動は、ボールとフェース間の摩擦係数と接線方向の力を減少させる（図１３参照）。これにより、インパクト時のボールの回転数の上昇が抑えられる。図１３の曲線Ｃによると、電圧の経時的変化は図１２に示された経時的変化と類似している。図１３Ｂは、ボールとフェース間の接線方向の力（摩擦力）を示す。高周波振動（図１３Ｃ参照）により、接線方向の力が低下することを示す。図１３Ｅはボールの回転数を示している。接線方向の力がフェースの振動により減少した期間は、ボールの回転数が増加していない。振動周期内で臨界のピーク加速度にまで達した表面に、このような効果が表れる。摩擦低減のためには、重要なパラメータ即ち、打撃を与える表面（クラブ・フェース）がインパクト時のボールと間欠的に接触を解除することが必要である。ボールとフェースとの衝突でその状況が起こるには、ボールから離れるときのフェースの加速度が、接触を解除するほどに大きいものであることが好ましい。その結果フェースがボールの下方から離れることとなる。これは図１３に示すような摩擦を起こすためには、インパクトのごく一期間に限り、必要である。図１３Ａに示すように、ボールとフェースとのインパクト時には、高い予圧があるので、ボールとフェースの間には圧縮荷重が生じる。ボールとフェースの垂直方向の荷重が加わると、ボールが飛行する方向に加速される。ボールは、初期状態においては静止しており、除々に加速度が高まり、インパクト後に最大速度に達する。接触を解除するには、フェースは、クラブを振る周期の一部に関しては、このボールの加速度と同じ程度で加速されなければならない。
【００８５】
フェースは、ボールから離れているときに、接触が解除される程度十分に加速される必要がある。フェースの振動運動の振幅と周波数の積の２乗は、表面のピーク加速度に比例する。周波数５乃至１２０ｋＨｚ若しくは１２０ｋＨｚを若干超えた程度の範囲、振幅５乃至２０ミクロンの範囲で、フェース表面が振動されていれば、フェースと様々なパターンのインパクトを加えるボール間の接触を解除するのに十分な加速度をフェース表面が備えることとなる。表面に、より高い周波数での振動が起きると（その他の条件は等しいとして）、より低い振幅での運動が必要となる。
【００８６】
これは、フェースが非常に高い加速度で、且つ非常に短い期間、ボールから後方へ離れることにより実行される。動作の原理は、誘引される表面が、ボールのインパクトによる圧縮荷重を超える程度に十分高い、振幅、周波数、表面の加速度を有することである。これによりボールとフェース間の接触が解除される。ボールが接触面に働く力の低下に反応する前に、フェースが動いてボールの表面から離れる。フェースは、ボール下方から離れていく。
【００８７】
接触が解除されると、一般的な摩擦接触のモデルに使用される、マイクロ‐スリップ域が再設定される。図２０に示すKatohによる摩擦接触モデルによると、少量の相対的接線方向運動ｕは、物体間での摩擦力がクーロン摩擦（すべり摩擦）に関連したレベルに達するまで、生じている。図２０は、物体間の相対的移動を関数として、有効摩擦係数（接線方向の摩擦係数）Φｔをプロットしたものである。摩擦係数が低下している範囲があるのは、接触面における接線方向の弾性が原因である。表面が互いに滑ると、摩擦が急激に高まり、２つのスライドする表面間のクーロン摩擦のレベルに漸近的に近づく。（図２０中のｕ１で記される数ミクロンを移動中に）。この摩擦モデルは、ミクロ変形を示す。ミクロ変形は、物体が接触面でスライドし始める表面間の相対的運動に適応するように起こる。この接触に関するモデルは、Adachiの文献に説明されている。
【００８８】
ボールとフェース間の接触が、ボールとフェースが漸近的範囲に入る程度に十分な相対的運動を有するまで、繰り返し解除されることにより、接触面でのすべりは、有効摩擦係数が低いマイクロ‐スリップ域でのみ起こる。接触を解除する周期を複数繰り返すと、スライド運動が統合されて、ボールとフェース間の平均有効摩擦係数が低くなる。
【００８９】
多数の動的相互作用が、ボールとフェース間のインパクトで生じる。その力はフェースに対して直角に働くとともに、フェースの接線方向にも働くと考えられる。直角方向の力は、ボールの重心を通って作用し、初期の段階でボールを加速させて、直接的に回転を引き起こさない。ボールとフェース間での摩擦から生じる接線方向の力は、速度の接線方向の成分とボールの回転の双方に作用する。
【００９０】
インパクトの過程で、ボールが回転すると、フェースが接線方向にスライドを開始する。ボールがフェースを離れる時に、ボールは通常フェース上で回転するが、ほとんどスライドさせる力の成分は加わらずに回転する。即ち、ボールはある速度で回転するが、フェースは動かない。ボールとフェース間の有効摩擦係数を制御することにより、インパクト時にボールの回転数は、図１３Ｅのように制御される。接線方向の摩擦力を十分に低減させれば、ボールを回転数が増加することはない。従って、接線方向の摩擦力は、直接的にボールの回転を生じさせ、これらの力を制御することでボールの回転を制御することができる。
【００９１】
（システムの実施）
システムはボールとクラブ・ヘッドの衝突からエネルギを得るように設計される。またシステムは、そのエネルギをフェース表面での高周波（超音波）振動へと励起して、その振動を上述のボールとフェース間の摩擦を制御するために用いる。このシステムは、圧電素子を用いる。圧電素子は、フェースの変形に弾性作用を及ぼす。好適な実施形態において、（上記の圧電素子と広い意味で同一の）圧電変換器を使用して、インパクトからエネルギを得て、システムを動作させるとともに、そのエネルギを使用して、クラブのフェース上で超音波振動を励起させる。動作中は、インパクトがクラブ・フェースを変形させる。クラブ・フェース上に、圧電変換器が弾性作用を及ぼす。フェースの変形が電気的エネルギ（圧電性素子の電荷と電圧）に変換される。圧電変換器は例えば図１０に示すＰ１０又はＰ１１の要素である。圧電変換器に結合される電子機器は、圧電素子が、初期条件としてインパクトから電荷を得るときは、開状態とするように設計される。圧電電圧が、システム内で所定の臨界レベル（トリガ・レベル）にまで到達する点において、図１０に示すスイッチＱ１０又はＱ１１は、閉状態である。これにより、インダクタＬ１０又はＬ１１が圧電性電極へ接続される。インダクタは、結果的なＬＲＣ回路（Ｃは圧電素子の静電容量であって、Ｌは分路インダクタ（shunt inductor）である。）が振動（リング・ダウン）に応答して、接続がインダクタ回路を圧電性電極へ接続を開始させるように設計される。成分値は、リング・ダウン時の周波数が、フェース／圧電素子システムの高周波数可動式構造モード（このモードは例えば、図２２の周波数応答関数で強調されているモードである）に略一致するように調整されるように、選択される。周波数応答機能が特徴の様式のように調整され、これにより、圧電素子の電気機械変換の作用によって、高周波数でフェースの運動／振動が誘引される。上述のようにシステムは、高周波でのフェースの運動が、ボールとフェース間の摩擦を効率的に制御するのに十分であるように、設計される。
【００９２】
システムは多数の設計課題を有するが、以後それについて言及する。システムの設計は、リング・ダウン／振動が開始する前に、圧電素子の静電容量内で電気的エネルギが最大限に蓄えられるように、圧電素子内に最適に充電する。これにより振動の振幅が最大化される。またシステムは、圧電素子の高周波数のフェースの運動への影響を最大化するように、構造的、電気的観点から設計を施す。詳細については以後記載する。
【００９３】
図２ａ及び図２ｂの圧電素子（２１）は、弾性的に高周波数フェースモードへと作用し、これにより、高周波数振動が励起される。電気回路はインパクトにより電気的エネルギを得て、そのエネルギを用いて、ほぼ所定のフェースの様式（modal）の周波数へと調整された振動を起こし、電子機器は、インパクト・エネルギの一部を、クラブ・フェースの高周波振動に変換する。圧電素子が充電して、閾値（トリガ・レベル）にまで達すると、制御スイッチ（図１０におけるＱ１０及びＱ１１、及び図１１におけるＱ３）がオン状態となる。スイッチは、インダクタを、スイッチが入る前は開回路であった圧電素子へと分岐させる。インダクタ及び圧電素子の静電容量により決定される周波数での、高周波振動を開始する（図１２）。
【００９４】
周波数は、ＬＣ時定数により決定される。インダクタは高周波数と共振するサイズに設けられ、非常に低い抵抗を備えることにより、ロスを抑える。また、インダクタは適切な磁心又は空心を備えることにより、磁気ヒステリシスによるロス及び磁界の飽和効果を抑制する。スイッチは、ＭＯＳＦＥＴトランジスタを用いると、最も容易に実施可能となる。しかしその他のスイッチでも、（1ミクロ秒以下の）ターン・オン時間(turn-on -time)が速く、閉状態のときに、低抵抗であれば実施可能である。望ましいスイッチの特性はこの他にも多数あり、それに関しては後述する。
【００９５】
（フェース及び圧電素子の設計）
圧電変換器はフェースの動きを生じさせる。これにより、フェースの変形が圧電素子の電圧、電荷に変換される。設計の目的は、圧電変換器を最適にフェースに結合して、同時に以下の２つの効果を達成することである。
（１）フェースとボールのインパクト（フェースの中心点でのインパクト及び中心から外れた点でのインパクトを含む）により、最適なフェースの変形を生じさせること。（結果的に電圧が発生する）
（２）圧電素子‐フェース構造システム内での、振動の高周波モードを最適に生じさせること。
フェースの荷重から圧電素子の開回路（open circuit、ＯＣ）電圧への作用を、図２１に示す。図２１は、ボールのインパクトから分配された荷重が、圧電素子の開回路電圧に変換される関数を示す。各曲線は、フェースの中心での打撃に対する反応を示すとともに、４つの各方向に中心から０．５インチ離れた点で打撃したときの反応を示したものである。図２１において、４つの各方向は夫々、北は上方を、南は下方を、西はつま先方向を、東はかかと方向を示している。９５ＭＰＨのヘッド・スウィングで生じる１０,０００Ｎ荷重時の、準静的開回路の電圧は、図２１に示された変換関数の低周波数での漸近線として示される。この性能指数（Figure of Merit、ＦＯＭ）はインパクトの位置間で平均化され、設計ＦＯＭが求められる。設計ＦＯＭにより、フェースの中心点及び、中心から外れた点での打撃により生じる圧電素子の電圧が最大化される。
【００９６】
図２２に高周波数のフェースの機械的振動への作用を変換関数により示す。図２２は正弦曲線の圧電電圧から、フェース中心（及び前述の各方向に中心から０．５インチ離れた点）におけるフェース表面の加速度への変換関数を示す。図２２で示された変換関数の電圧応答の方法では、測定される範囲での運動／加速を、（平均値又は重み付き平均でもよい）性能指数として設計に使用する。上述の如く、高周波数加速応答はフェースが振動状態にあるときに最大化され、圧電システムに影響を及ぼす（図２２の「励起モード」）。好適な実施形態では、１２７ｋＨｚで励起モードが出現する。この周波数でフェースを振動させると、フェースの加速が最大化される。この方法で高加速度の周波数応答の範囲における圧電素子の振動によるリング・ダウンは、フェース表面の最大の加速につながる。
【００９７】
設計の目的は、フェースの中心又は中心から外れた点でとらえた打撃により生じる開回路の電圧を最大化すること及び、回路がトリガされた後、開回路の電圧に続くリングダウン応答中に表面の加速度を最大化することである。システムの形状は、２つの性能指数を最大化するように選定され、これにより、システムの動作によって表面に最適な高周波数応答が生じる。
【００９８】
圧電素子、クラブ・フェース、円錐状ハウジングについて以下に記載する。これらを組み合わせることで成り立つ結合システムは、これらパーツの性能が上手く機能するように設計される。インパクトに対する表面の反応及び反応のより生じる電圧は、ハウジング、圧電変換器、フェースの形状及び材料に応じて、設計される。加えて、高周波数モードの形状及び周波数は、これら３つの要素により決まるところが大きい。後段で圧電変換器と、ハウジングとフェースの構造を説明する。
【００９９】
（スタックとエンド・キャップの設計）
圧電素子は図１８及び図１９に示される。図１８はフェース・アセンブリの分解図で、図１９はフェース・アセンブリの断面図である。圧電性スタックは要素（２１）として示される。アクチュエータ・アセンブリは、スタック（２１）、リーズ（２２）、スタック・エンド・キャップ（２３）及び張力緩和部材（２５）を備える。各部品が組み合わされて、図１８中、アセンブリ（１５）として示される。圧電アクチュエータ（２１）は、複層型スタック、即ち３−３型圧電コンポジットを設けることが好ましい。圧電アクチュエータ（２１）は、一体型（モノリシック型）のロッド、円筒状部材、棒状部材で代替可能であり、電気インプットが主に軸方向の伸縮（運動及び負荷）を生み出し、軸方向の荷重に荷重が加わると、圧電素子に電圧と電流が蓄えられる。１−３型圧電コンポジットに結合された円筒状部材又はシステムもまた、この効果を有するが、３−３型圧電コンポジットは駆動電圧が低くてすむ。これは、３−３型圧電コンポジットの複層型スタックの層は薄く形成されており、３−３型の複層型スタックは、３−３型の動作に応じた高い結合係数を備えるためである。中心に設けられた圧電性スタックは、フェース（１０）と裏当て板（キャップ（１３））の間に配され、フェース上の厳密に定められた位置に、構造的に結合される。圧電性スタックは、凸状エンド・キャップ（２３）を備え、凸状エンド・キャップ（２３）は、フェースと一点で接している。これにより、システムが中心外のインパクトを受けると、スタック上で誘引された変形運動が最小化される。この作用は、システムが高い負荷を受ける場合には重要なものである。なぜなら圧電素子が最大に受容できる負荷で動作させ、システムの重さを最小化させ、電気機械変換を最大化させることが望ましいためである。更に、凸状エンド・キャップ（２３）は、負荷をスタック内に均一に分散させるように設計される。この凸状エンド・キャップ（２３）によって、より理想的な状態でスタックが動作し、スタック内に不均一に負荷がかかることが最小限に抑えられる。スタック内に不均一に負荷がかかると、インパクト時に、スタックの破砕や故障を引き起こす恐れがある。またエンド・キャップ（２３）は、負荷が均一にかかるように厚さが決められる。好適な実施形態においては、エンド・キャップ（２３）は端面が曲率半径１２．５ｍｍの円となり、エンド・キャップ（２３）の端から圧電性スタックとの接触面へは３ｍｍある。エンド・キャップ（２３）はアルミナ又はスチール等の硬い材料で形成され、厚さ／質量が最小である部分のスタックに負荷を効率的に分散する。製造の便宜上、上述した材料の代わりに、上述の材料の積層体で構成されてもよい。
【０１００】
スタック（２１）は同時焼成された複層型の圧電素子で、層の厚さは、１５ミクロン乃至１５０ミクロン若しくは１５０を若干超えた程度の範囲である。薄い層からなるシステムは、静電容量が高い。また任意の周波数へのチューニングに際して、厚い層を使用したシステムよりもインダクタンスが低い。例えば、直径９ｍｍで全長が１ｃｍの円形スタックについて、全長は、９０ミクロンの層からなる場合は、スタックの静電容量は５５０ｎＦとなる。また、３５ミクロンの層からなる場合は、スタックの静電容量は３４４２ｎＦとなる。
【０１０１】
スタックが薄い層を備えると、トリガ時に逆に非常に高い電流が流れる。高い電流ではロスが大きくなる。スタックが薄い層を備えると、負荷を受けるシステムに生じる電圧は低くなり、電子機器の単純化、軽量化が図れる。好適な実施形態では９０〜１００ミクロンの厚さの層を使用する。圧電素子の材料は、典型的なＰＺＴ−４などのハード系の材料とする。圧電素子の材料は、圧電素子のヒステリシスのロスを最小化するように、選定される。圧電素子の材料はまた、インパクト時に軸方向にかかる高い負荷に対して、スタックが最大限の頑健性及び耐久性を有するように、選定される。図１８に示される如く、リード線は、圧電素子の層が全て水平となるように装着される。また、リード線は、スタックの側方に装着される。圧電素子は長さ１ｃｍ未満で、直径９ｍｍである。圧電素子は、強固なエポキシ樹脂で包まれ、カーブ状のエンド・キャップに接着される。カーブ状のエンド・キャップは、最大限の影響度を保てるように、非常に薄い層を備える。圧電素子／エンド・キャップ・アセンブリ全体（１５）の長さは、１６ｍｍ未満となる。
【０１０２】
（フェースと円錐形状の設計）
設計の目的は、インパクト時に創出される電圧と電荷を最大化するように、インパクト時のフェースの変形を生じさせること（電気的エネルギを創出すること）である。またアクチュエータの高周波振動によって励起されるフェース・システムの高周波モードを生じさせることである。システムはインパクトのエネルギを変換して、フェースの高周波数振動に変換する。高周波数でフェースを振動させると、ボールとフェース間の接触面の摩擦が制御される。これは、表面の振動により接触面の摩擦が低減されるからである。
【０１０３】
フェースは、チタニウムで構成され、その厚さは厳密に調整される。これにより、圧電素子によりフェースが容易に励起されて、高周波数モードを備える望ましい構造が形成されるようになる。図１７の組立て図、図１８の展開図、図１９の側面図は、フェースとハウジングと圧電素子の形態（組み合わされて、フェース・アセンブリ（１４）となる）を示す。フェース・アセンブリ（１４）においては、圧電素子（２１）がエンド・キャップ（２３）を備え、円錐状ハウジング（１２）により、フェース（１０）に装着され、圧電素子（２１）に対して荷重が加わる。圧電素子は、インパクトの中心点（３３）でフェースと接触する。フェースは小さな凹部（３３）を備え、凹部（３３）の径は約１３ｍｍであって、エンド・キャップの曲率半径よりも僅かに大きい。これにより、スタックがフェース上で押圧されるように配される。
【０１０４】
円錐状ハウジング（１２）はオプションとしてねじ式エンド・ピース（１３）を備えてもよい。また円錐状ハウジング（１２）は、圧電素子／エンド・キャップのアクチュエータ（１５）の遠心端（フェースと反対側）と接触するように、設けられる。エンド・ピース（１３）も、カーブ状の接触面を有し、これにより圧電素子（２１）のエンド・キャップ（２３）が押圧されるように配される。円錐状ハウジング（１２）は、ねじ式基台部（２９）を備え、クラブのフェース(１０)内壁部で、ねじ式基台部（２９）は、ねじ式円環部材（３７）に螺合される。円錐状ハウジング（１２）をフェースに螺合することにより、圧電素子はフェースに機械的に結合され、圧電素子の軸方向に圧電素子の大きさが変化すると、フェースが屈曲する。リング（５６）の半径と円錐状ハウジングの厚さと形状を、厳密に決定される。これにより、弾力のロスと、フェースと圧電素子の遠心端との間の変形が、最小限に抑えられる。ハウジングの軸方向の硬度をなるべく硬くして、圧電素子によって電圧をフェースの変形を最大限に生じさせる。
【０１０５】
円錐状ハウジング（１２）の側面には、貫通孔（図１８中（３２））が設けられる。貫通孔（３２）は、スタックの位置変更を可能とし、クラブ・ヘッド内面に配される電子機器への出口となる。フェース、円錐状ハウジング（１２）、圧電素子（２１）の構造を設計する際には、注意が必要である。なぜならインパクトで高い荷重が繰り返し加えられても、これらの部材が臨界負荷レベルに達するのを回避するためである。システムは、ハウジングがフェースに螺合して、圧電性スタックをフェースに堅固に押圧することで、十分な圧縮力をもつ予圧を圧電素子にもたらす。この目的は、インパクト時及び動作時に、アクチュエーション要素に対する圧縮を維持することである。なぜなら圧電素子は、引張強度があまり強くないためである。
【０１０６】
円環部材（３９）内部のフェースの厚さは、２．４ｍｍであり、円環部材（３９）の外部の段部（step）（３５）の厚さは、２．７ｍｍである。勾配部（３６）で、除々に厚さを落としながら、図１８中（３４）で最も薄い厚さ２．２ｍｍになる。円環部材から外方へ向かって放射状に、フェースが薄くなっていく。円錐状ハウジングが硬く、負荷が増加すると、より厚い円環状部材外部のフェースが必要となり、この部位一帯の壁面もより分厚く形成する必要がある。ねじ式円環部材（３７）はフェースに溶接接合されるか、フェースの一部として形成される。ねじ式円環部材（３７）は、凸部（３８）で厚さ約２ｍｍ、高さ３．５ｍｍを有する。円錐状ハウジング（１２）の壁面の厚さは、約１ｍｍである。
【０１０７】
重要な寸法は、円環状フェース装着部（３８）との接着部分におけるハウジングの直径である。この径は、高周波数で振動するときに、システムが正確に軸対象に振動させることが可能である範囲で、できるだけ大きいものとする。これにより、フェース構造に高加速度が励起される。好適な実施形態によると、円環状フェース装着部（３８）は、直径約３５ｍｍ、高さ約４ｍｍを有することが好ましい。円環部材（３９）内部のフェースの厚さは、２．４ｍｍとする。この厚さは、構成部品の様式が、圧電素子によって変換されたエネルギで軸方向に伸長する様式と、整合するように設計される。構成部品の例としては、例えば（３３）のような圧電素子に装着されずに振動する円形プレートのような部品がある。フェースの様式と圧電素子の様式が整合すると、設定された周波数での高い振幅モデル（high modal amplitude）を有する結合システム（圧電素子がフェースに結合される時）が形成される。
【０１０８】
円錐状ハウジングは、遠心端で、ねじ式エンド・キャップ（１３）を備えてもよい。ハウジングのねじ式表面部（３０）は、エンド・キャップのねじ式表面部（２７）と螺合する。また、ハウジングに開口部が設けられているので、簡単に組み立てることが可能となる。エンド・キャップは着脱可能に設計され、まず円錐状ハウジングがフェースに装着される。次に圧電素子がハウジング内に挿入され、エンド・キャップが円錐状ハウジングに螺合される。これにより、圧電素子にフェースから予圧が加えられる。エンド・キャップは凹状曲面を有し、圧電素子の凸状エンド・キャップと整合する。エンド・キャップ（１３）は、ねじ式装着部（２７）により円錐状ハウジング（１２）に螺合される。
【０１０９】
（電気回路）
通常のシステムは電気的エネルギを変換するものである。電気的エネルギは、インパクトにより荷重を受ける圧電素子に弾性作用を及ぼすことにより、インパクト時に「準静的」に作り出される。負荷／荷重は圧電素子に加わると、その圧電素子において、電圧及び蓄積された電気的エネルギが、構築される。図１０及び図１１に示される回路図は、圧電素子に蓄積された電気的エネルギを、圧電素子の高周波数振動運動へと変換する。このような変換を行うために、図１１のインダクタＬ１、図１０のＬ１０又はＬ１１を、所定の電圧閾値で、充電された圧電素子の電極にスイッチを入れる「スイッチング・イベント」がある。電圧レベルは、特定の振幅や強度を有するインパクトに応じて、あらかじめ決められる。これにより、十分な強度のインパクト時にのみ、システムがトリガされ、ボールの回転を修正できる作用が発揮される。
【０１１０】
スイッチは、臨界電圧レベルに達せられたとき以外にもトリガされることがある。インパクトによる荷重がピークに達するときに、スイッチがトリガされるようにしてもよい。この場合はピーク検出回路を使用する。圧電素子の電圧値が、前の値よりも低減し始めるときに、ピーク検出回路が動作する。
【０１１１】
インダクタは、コンデンサとインダクタが所定の周波数で振動するようなサイズとする（約１２０ｋＨｚ）。スタックの層の夫々の厚さが１００ミクロン、直径９ｍｍ、スタックの全長が１ｃｍであるとき、スタック型圧電素子の静電容量は約４８０ｎＦ乃至６００ｎＦである。このシステムにおいて、インダクタＬ１０、Ｌ１１、Ｌ１の最適な値は、１マイクロヘンリより若干低い値から１０マイクロヘンリである。
【０１１２】
要約すると、回路は高水準の機能を有するように設計される。つまり、圧電電極が開回路状態であるとき、圧電素子の電圧レベルを感知して、所定の電圧レベルに達すると、インダクタと回路を接続するスイッチを閉状態とする。これにより、圧電素子の電圧又は蓄積エネルギがインダクタを介して放電され、圧電素子が高周波数で振動する。圧電素子は、トリガリング前に電圧を持っている。インダクタは、図１２に示される如く、リンギングを引き起こす。
【０１１３】
図１０及び図１１の回路は、簡易なトリガ・スイッチ機能を備える。変換器（圧電素子）がインパクト時に負荷を受けると、変換器の電極に電荷と電圧が蓄えられる。基本的にインパクトによる機械的エネルギが変換器により電気的エネルギに変換され、その電気的エネルギを蓄積する。電圧が臨界閾値に達すると、容量性の圧電素子とインダクタとの接続が解除されるように回路が動作する。インダクタのサイズは、閉回路のＬＣ時定数（電気共振周波数）が構造モード（この場合、フェースの屈曲モード）の共振周波数に非常に近くなるように決定される。
【０１１４】
高周波数のリンギングは、圧電性コンデンサの「準静的」エネルギを、振動エネルギに変換するために、できるだけ効率的なものであることが好ましい。これには、振動のロスを非常に低く抑えて、リング・ダウンは非常に低い減衰比とし、非常に高いＱ値（クオリティ・ファクタ）が必要である。Ｑ値は通常、臨界値の１０％以下程度、特に、臨界値の５％以下が好ましい。これは、オン状態時の抵抗が非常に低いスイッチか或いは、ロスの非常に低い或いはロスの無い要素が必要である。その要素の例は、ロスの低いインダクタンス及び初期の接続経路のレジスタをもちいないものである。
【０１１５】
システムの性能を向上させると、システムに寄生的なロスが回避されることになる。通常の寄生的なロスは、スイッチ制御回路又はコンデンサなどの電気的システム要素のスイッチ制御回路を動作させるのに必要な電流により起こる。電気的システムの要素は、開回路電圧を低減させる機能をもつ。開回路電圧は圧電素子がインパクト時に通常作り出す電圧である。
【０１１６】
トリガ前の圧電素子上の、通常の電圧は、約４００Ｖである。（システム内には１００Ｖから６００Ｖの範囲の電圧が現れる。）システムの構成要素は、非常に高い電圧を有するものとなる。従って、降伏電圧は非常に高いものとなるが、同時に抵抗は低く、ロスはほとんどない。
【０１１７】
通常、システムは以下の４つの構成要素からなる。
（１）圧電変換器（２１）(ある程度の静電容量を有する)
（２）スイッチＱ３(図１１に示す如く、制御回路により制御される)
（３）制御回路
（４）インダクタンスＬ１（図１１に示す如く、圧電性電極へと接続される。）
【０１１８】
システムで非常に重要なことは、主スイッチは、圧電素子の電極の電圧が臨界レベル（所定の閾値レベル）に達すると、非常に速くオン状態となることである。スイッチを速くオンに切り替えることは、ロスを抑えるのに重要なことである。１２０ｋＨｚの電圧であって、スイッチがオンに切り替わるのが比較的遅く、数マイクロ秒かかるとすると、リング・ダウンが起こる前の圧電素子の電圧のロスは、相当なものとなる。基本的に、圧電素子の充電は、インダクタが十分に連結されるまでに、除々に減少する。これは振動の初期状態と、その後の振動の電圧を大幅に制限する。理想的な回路では、（スイッチを起動する前の）最初の開回路の状態から、圧電素子で電圧をほとんど又は全く低減せずに、インダクタを圧電素子に接続する。要約すると、システムはトリガされる閾値レベルにまで達すると、高電圧スイッチを閉状態とする。これにより、電圧のロスが非常に少なくなり、トリガ時に決定される開回路電圧レベルでリング・ダウンが始まる。
【０１１９】
図１０に回路のブロック線図を示す。制御回路は、スイッチを動作させ、インダクタ要素と圧電素子の端子を接続する。Ａは、スイッチが圧電素子とインダクタとの間に配される形態である（ハイ・サイド）。Ｂは、スイッチ・ドレーンが実質、接地状態である（ロー・サイド）。Ｂの回路の詳細な形態を、図１１に示す。後段において、図中の符号を用いながら、回路の動作について、説明する。以下、回路の主な構成要素について述べる。
【０１２０】
（圧電素子（Ｐ１））
回路は、圧電素子（Ｐ１）に接続される。圧電素子（Ｐ１）は、容量性の高い電極を備え、インダクタ（Ｌ１）に接続される（図１１）。図１１において、圧電素子は、直列の電圧と表現され、Ｃで表現される静電容量が並ぶ。実際には、これらの要素は回路の一部となるものではなく、チューニングのために圧電素子を表現したものである。この図は電気的エネルギから機械的エネルギへの結合は考慮せず、圧電素子上にかかる機械的な力のみを表したものである。コンデンサＣは、圧電素子の開回路を反映するようにサイズが決定される。電圧源への入力のサイズは、開回路電圧の経路に従って決められる。開回路電圧経路は、圧電素子が開回路状態（何もとりつけられていない状態）で機械的負荷を受けたときに生じる。圧電素子のより完全なモデルには、機械的・電気的特性、（例えば、硬度や圧電素子の慣性など、変圧器や機械的領域と電気的領域の螺旋状結合）を備える。
【０１２１】
（インダクタ（Ｌ１））
インダクタ（Ｌ１）は、圧電素子Ｐ１に接続される。インダクタＬ１は、最初はフロート状態である（接地状態ではない）。これはスイッチ（Ｑ３）が開状態であり、スイッチ（Ｑ３）から電流が流れ込まないためである。トリガされて、主スイッチ（Ｑ３）が閉まると、Ｌ１のフロート側が接地されて、圧電素子とインダクタとの間で閉回路が形成され、Ｌ１のフロート側が圧電性静電容量と並列に連結される。これは閉回路のＬＲＣ回路を形成する。ＬＲＣ回路では、圧電素子が静電容量（Ｃ）として、Ｌ１がインダクタンス（Ｌ）として、Ｌ１の直列抵抗と主スイッチ（Ｑ３）のオン状態時の抵抗（及びそれに付随する抵抗）が（Ｒ）として作用する。設計の基本的な目的は、高共振性電気回路（Ｒが低く、且つ低減衰率）を作り、電気的振動を圧電素子とフェースの機械的振動に影響可能とすることである。このため、インダクタはＬＲＣ回路の振動周波数において、非常に低い直列抵抗を備える必要がある。直列抵抗は通常、５０乃至２００ｋＨｚの範囲である。（電力供給のスイッチを切り替えるような動作のための）高品質でエネルギ・ロスの少ない、高周波数動作可能なインダクタを使う必要がある。システムでは、振動周波数を６μＨと設定することが好ましい。このような設定とするためには、静電容量を約２００μＨ乃至６００μＨ、インダクタンスを１乃至１２μＨで使用する。振動周波数は式ｆ＝１／ｓｑｒｔ（ＬＣ）で提供される。式ｆは、望ましい電気的共振周波数である。（式は軽度の減衰が起きるシステムで成立する。）本システムでは、Vishay社のIHLP5050FDRZ3R3M1から３．３μＨパワー・チョーク・コイルを使うか又はPanasonic社のPCC‐F126F（N6）コイルを使う。これは８．２μＨに対して抵抗１１ｍΩ以下を有する（非常にコンパクトなパッケージを有する）。抵抗とパッケージのサイズのバランスがとれるように調整しなければならない。これらコイルの重量は夫々約３グラム程度である。インダクタンスの値は通常、周波数に応じて決まる。共振回路の周波数において、正しい値のインダクタを選ぶことが重要である。
【０１２２】
電流が大きくなることがあり得るため、飽和効果がスイッチングの切り替えの動作に重大な影響を与えることもあり得る。コアを飽和させないインダクタを選ぶ必要がある。飽和すると、効率的なチューニングやインダクタンスの値が変化するため、チューニングの工程が大変複雑になる。高レベルの電流では、コイルの磁場が飽和し、効率的にコイルのインダクタンスが低下される。コイルのインダクタンスが低下すると、共振が振幅に依存するようになる。チューニングが難しくなると、スイッチング時のロスが増える。なぜなら、飽和したインダクタの低下したインダクタンスは、効率的なチョークとして機能せず、スイッチング時に高レベルの電流が制限されない。コアにおける飽和やヒステレシスのロスなどの、非線形な影響による、複雑なチューニングを最小限に抑えた、インダクタを選ぶことが望ましい。
【０１２３】
（主スイッチ（Ｑ３））
主スイッチは回路の重要な要素として大きな役割を占めるものである。所定の閾値電圧が達せられると、制御回路は、このＮチャネルのＭＯＳＦＥＴのゲート電圧を上昇させることにより、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ３）（モス電界効果トランジスタ）をオン状態とする。臨界ゲート電圧（５乃至１０ボルト）を超えると、ＭＯＳＦＥＴのオン状態時の抵抗が急激に下がる。ＭＯＳＦＥＴは開回路からインダクタンスを接地させる低いオン状態時の抵抗の接続へと変化する。レジスタＲ４は、ＭＯＳＦＥＴＱ２からのリーク電流が発生しても、実質上、ゲート部が接地できるサイズとする。制御回路が放電を開始すると、Ｑ３のゲートが閾値まで急激に電圧をかけられ、同時に、Ｑ３のオン状態時の抵抗が急激に下がり、これによりスイッチが略閉状態となる。スイッチを放電させるのに必要な電荷は、圧電素子自体から生成されるため、この放電開始時の電荷は、完全に寄生的であり、圧電素子の当初の電圧を最大化するには、最小化されなければならない。この効果を得るために、ＭＯＳＦＥＴに必要とされる要件は、ゲート駆動電荷が低いことと、ゲートの総静電容量が低いことである。ＭＯＳＦＥＴはまた、高いソース・ドレーン電圧で動作される必要がある。即ち、トリガ条件に達したり、放電が開始したりする前に、降伏せずに、圧電素子の電圧をサポートする必要がある。したがって降伏電圧が高いことが重要である。スイッチが入った状態での抵抗が低い（好ましくは０．１オーム）であることも重要である。なぜならオン状態時の抵抗は、システム内で、電気的振動における減衰や、電気的エネルギに関するメカニズムのロスの主要な原因となるためである。更に重要なことに、ＭＯＳＦＥＴはソース・ドレーンから真性ダイオードを備える。これにより、電気振動のスイッチング後の電流上昇時に、逆電流経路が提供される。この回路において、スイッチ（Ｑ３）はダイオード（Ｄ３）による電気的振動時にオン状態となり（hold on）、これにより、制御回路が放電を開始すると、ゲート部に電流が流れる。しかしその後の振動時の電圧経路では、ゲートから電流が流れない。放電開始後、Ｑ３のオンである期間の時定数は、ゲート部の静電容量とレジスタＲ４との組み合わせにより、決定される。回路動作後、閾値電圧を越えるまで、ゲート部から電荷が徐々に放電され、閾値電圧を超えると、急激にソース・ドレーンの抵抗を増加させ、スイッチを開状態とする。
【０１２４】
現在、幾つかの高電圧ＭＯＳＦＥＴが提供されている。そのＭＯＳＦＥＴには２つの潮流がある。Advenced Power Technologies社のAPT30M75と、Vishay Siliconex社のSI4490である。以下に、これら２つのＭＯＳＦＥＴの比較を示す。
【０１２５】
【表１】
2007503219.tif 000003
【０１２６】
これらは、ゲート電荷とオン状態時の抵抗が低い一方で、電圧性能が高いことに基づいて選択された。しかしながら非常に高電圧のシステム下においては、スイッチは、ST Microelectronics社のSTY60NM50が好ましく、５００Ｖ、６０Ａの範囲である。
【０１２７】
（制御回路）
制御回路は、圧電素子において臨界閾値電圧レベルが満たされたときに、ゲートＱ３の電圧を急激に上昇させるように設計される。オン状態への移行時における高いエネルギ・ロスを防ぐためには、急速にオン状態（制御回路における高いゲイン）にすることが必要である。移行が遅いと、回路のピーク負電圧エクスカーションが制限され、続くリンギングも制限される。
【０１２８】
制御回路は更に、ラッチという特徴を備える。すなわち一度Ｑ３がオンとされると、圧電電圧エクスカーションに関係なく、この制御回路はオン状態を維持する。Ｑ３ゲート・ドライブ・チャージのＲ４を介した漏れ量により決定される期間、制御回路はオン状態を持続する。Ｒ４は通常３メガオームである。
【０１２９】
制御回路の動作は以下のとおりである。Ｑ３は最初開状態であるから、Ｑ３のソース・ターミナル（トップ）の電圧は、圧電素子の開回路電圧と基本的に等しい。ツェナー・ダイオードＤ４、Ｄ５、及びＤ６により決定される臨界電圧において、電流がＤ４乃至Ｄ６を通して伝導し始める。ツェナー・ダイオードＤ４乃至Ｄ６は、電圧が定格電圧の合計（にＤ１に関連するダイオード電圧降下を加えたもの）に達すると、一括して導電し始める。Ｄ４乃至Ｄ６を介した電流は、コンデンサＣ３を充電してＱ１を部分的に或いは時期を早めてオンにする。Ｒ２がツェナー・ダイオードのリーク電流に関連した電圧の上昇を制限し、且つコンデンサＣ３（ヒットの間）のための放電経路を確保できるように、Ｒ２の抵抗値が定められる（通常１００ｋΩ）。トランジスタＱ１の定格電圧は低くてよい。これは、トランジスタのソースが制御供給コンデンサＣ４に接続されているからである。コンデンサＣ４はツェナー・ダイオードＤ２により、２８ボルト以下に維持される。
【０１３０】
圧電素子の初期高電圧エクスカーションの間に、制御供給コンデンサＣ４は充電される。制御供給コンデンサＣ４は、レジスタＲ３（通常５ｋΩ）により決定されるレイトで充電される。本発明に係るシステムにおいては、このレイトは５ｋΩに設定される。これにより、約１００乃至２００μ秒間Ｃ４を充電すると、約４７ｎＦの容量が得られる。コンデンサＣ４のサイズが決定された後に、レジスタＲ３のサイズが決定される。コンデンサＣ４が主スイッチＱ３ゲートに接続されたときに（Ｑ２スイッチがオンであるときに）、コンデンサＣ４が、まだ充電されていないＱ３ゲートに電荷をダンプするように、コンデンサＣ４のサイズは決定される。コンデンサＣ４がＱ３ゲートに電荷を移動（dump）すると、Ｃ４の電圧が低下するとともに、Ｑ３のゲート電圧が条件つきで最大まで上昇する。したがってＣ４のサイズは、Ｑ３のゲート電荷を必要なオン・レベルまで供給できるように十分に大きいサイズとする。Ｃ４の電荷は圧電電荷に寄生的であり、効率的に圧電電圧を低下させるから、Ｃ４の電荷をできる限り小さく形成することが好ましい。但し、Ｃ４がＱ３のゲート電圧を必要なだけ上昇させることが可能であるようにする。選択されたＭ１に対して、この値は約３．３ｎＦ程度に低い値であってもよい。しかし、メインＭＯＳＦＥＴに対しては、４７ｎＦが必要である。実際には、コンデンサＣ４のピーク電圧（ツェナー・ダイオードＤ２により制限される）はできる限り高く設定される。一方で制御ＭＯＳＦＥＴ及びトランジスタは、低コスト且つ低損失に保たれる。本発明における回路では、供給コンデンサＣ４に対して、ピーク電圧を２８ボルトに設定する。これらの成分値において、制御回路が、開回路圧電電圧の一部により、圧電電圧を減少させたことが示されている。
【０１３１】
臨界電圧が達せられると、スイッチＱ１がオンとなり、スイッチＱ１がオンとなることにより更にＰチャネルＭＯＳＦＥＴＱ２のゲートが下げられる。これにより、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴが急速にオンにされ、充電されたコンデンサＣ４がメインＭＯＳＦＥＴＱ３ゲートに接続される。これにしたがって、Ｑ３ゲートが充電されて、Ｑ３が急速にオンとなる。ＰチャネルＭＯＳＦＥＴＱ２としてFairchild BSS110が使用された。ＭＯＳＦＥＴを備える形態の回路は、Ｃ４からＱ３ゲートまでの区間におけるリーク電流（leakage）が非常に低い。Ｃ４が充電されており、且つスイッチＱ２及びＱ３が開いているとき、このリーク電流は起きる。このゲートＱ３へのリーク電流は、時期の早い部分的なＱ３のオンへの切り換えにより起こる。Ｑ２にＭＯＳＦＥＴを用いることにより、このリーク電流を排除するとともに、リーク電流なく切り替えが実現できる。一度ゲートＱ３が充電されると、ゲートＱ３は充電された状態を維持する。ゲートＱ３が充電状態を維持できるのは、ゲートＱ３がダイオードＤ３を介して充電し、Ｒ４を介してゲート電荷がドレーンされない限り、開いた状態に切り換えられないからである。
【０１３２】
（電気的側面のまとめ）
基本的に初期状態において開回路である圧電素子が充電する。低い寄生的ロス（圧電電圧を低下させる）が閾値レベル（使用者により制御可能）に達すると、電気的スイッチがインダクタを圧電素子に接続するとともに、圧電素子が非常に高い周波数で振動し始めるようにする。開回路から閉回路への移行の間のロスを防止するためには、このスイッチは非常に急速に切り替わる必要がある。また、このスイッチのオン状態時の抵抗は非常に低くなければならない。このようなスイッチに電力を供給する回路が必要であるが、この回路として容量性ドレーンが小さい回路を用いる。これは、この回路の容量性ドレーンが大きいと、圧電素子の電圧を低下させるからである。スイッチをオンにするエネルギは、振動のためには利用できない。
【０１３３】
インダクタを波長調節したり、オフにしたり、或いは電気的制御下でオンにしたりすることが可能であることが好ましい。これにより、異なる同調周波数が可能になる。
【０１３４】
セルフロック式の振動を行う回路も存在する。このような回路の周波数は、自動的に、回路のフィードバック・ゲイン或いはディレイ・ゲインにより決定される振動周波数になる。これにより圧電素子の振動を固定することが可能となる。
【０１３５】
システムがいくつかの外部インターフェースを備えると有用である。この外部インターフェースは、操作時のシステムの電圧及び信号をプローブすることを可能にする。様々なリード／センサ／プローブ・ポイント（基板からの外部インターフェース）は、テストや操作を通して、システムの状態を調節及び調査することを可能にする。信号は外部配線などにより伝達されても、或いは無線で伝えられてもよいが、システムの妨げとならないようにする。外部の電子機器（有線或いは無線）へのインターフェースは、システムの性能をモニタ／遠隔測定、及び再プログラミングしたり、診断やデータのダウンロードを行ったりするためにも利用可能である。
【０１３６】
これらの電気回路を構成する要素（フェースに結合された圧電素子に外付けされる）は単一の或いは複数の基板の１若しくはそれ以上の面に配される。図１３及び図１４に示すごとく、好ましくは、基板はゴルフクラブ・ヘッドの内側に配されるか或いはクラブの外側に配されて、ヘッド内部から基板へと延出する変換器リード線により接続される。これら構成要素の一部或いは全てが、外部基板上に配置可能である。このような配置により回路に容易にアクセスして、トリガ・レベルの変更やその他の調節を回路に加えることが可能になる。若しくは、基板（１８）は、ソール板（５４）（或いはその他の取り外し可能な要素）上に、ソール板アセンブリ（１６）の一部として配されてもよい。ソール板アセンブリ（１６）は図１４及び図１５においてはヘッドに取り付けられており、図１６ａ及び図１５ｂにおいては、クラブ・ヘッドから分離している。ソール板アセンブリ（１６）はリード（２２）或いはプラグ・コネクタ（２０）を備えて、取り外し可能部分を構成するアセンブリとクラブ本体部が電気的に接続されるようにしてもよい。このような形態は図１４及び図１５の断面図に示される。図１６ａ及び図１６ｂは、このような形態をソール板アセンブリが分離した状態で示す。これらの図において、電気回路基板（１８）はスタンドオフ（４５）により取り外し可能なソール板（５４）に取り付けられている。これにより、ソール板（５４）がクラブ本体部（１１）に挿入され、留め具（４７）によりクラブ本体部（１１）に接続されたときに、第１基板（４９）と第２「コネクタ」基板（１９）上のコネクタ（２０）間に電気的接続が形成されるようにしてもよい。第２「コネクタ」基板（１９）は、スタンドオフ（４４）により永続的にヘッド（１１）に取り付けられるとともに、変換器（２１）及びフェース・アセンブリ（１４）に電気的に接続される。
【０１３７】
このような形態により、電気回路及び基板の、取り外し、調整／維持／修理が容易になる。コネクタ及びコネクタ基板は、ヘッドに永続的に取り付けられているから、第１基板の取り外しが容易である。追加的なコネクタを第１基板上に配すると、クラブのスウィング及びインパクト中の外部モニタリング／診断が可能になる。これにより得られる情報がレシーバに無線で伝達され、その後の調査のために格納されてもよい。若しくは、インパクト時に採取されたデータがその後のダンピング／ダウンロードのために基板上のオン・ボード・メモリに格納されてもよい。ダンピング／ダウンロードはコマンド・プロンプトにしたがって実行される。遠隔測定に関する情報は、無線或いは有線チャネルのいずれによって伝達されてもよい。格納される情報としては、スウィング速度、インパクト時の力、ボールとフェースの衝突位置及び衝突強度、クラブ・ヘッドの減速度及び結果的なボールの加速度、或いはシステムの状態に関する情報が挙げられる。格納されるシステムの状態は、クラブのスウィングやインパクト（又はボールとヘッドシステムの反応による結果的な振動）の力学及び状態に関する任意の状態である。
【０１３８】
（組立て工程）
組立て工程は複数の段階を備える。これら段階は様々な順序で実行可能であるが、一例を以下に示す。
（１）適切な形状のリングによりフェース（１０）を形成する。鍛造後に、機械研削を行い、リングの内径と、リング内径のねじ部（３７）を形成する。フェースと接触したときにスタックと接合する位置に、凹部（３３）を形成するとともに、これを研磨する。
（２）フェース・リングのねじ部にダミーのねじ部材を挿入して、このねじ部の形状を保持して、フェースを本体部（１１）に溶接する。その後、ねじ部を支持していたダミーのねじ部材を除去する。
（３）円錐状ハウジング（１２）に螺合する。
（４）圧電スタック／圧電エンドキャップ・アセンブリ（１５）を円錐状ハウジング（１２）内に挿入して、アセンブリ（１５）がフェースと接続するようにする。円錐状ハウジングのエンドキャップが圧電素子に螺合されることにより、圧電素子がフェースに予め取り付けられた後に適切な位置に係止されるまで、樹脂或いはその他の可撓性材料からなる支持要素を用いて圧電素子を適切な位置に固定してもよい。圧電素子（２２）のリードはハウジング壁内の貫通孔（３２）を通されなければならない。インパクト時の運動によって引き起こされる摩滅を防止するために、これらのリードは、適切な環索或いは張力緩和のための要素を備えなければならない。
（５）エンドキャップ（１３）はその後、円錐状ハウジング（の圧電スタック・アセンブリに接続する曲面状の面）に螺合される。圧電素子がフェースに安定的に取り付けられて、十分にフェースに対して予圧（約１０００Ｎの圧縮荷重）が加えられるまで、この螺合された状態を維持する。これは、インパクト時にフェースと圧電素子のエンドキャップの接続が解除されないようにするためである。マシン・オイルの薄い層を、圧電アセンブリのエンドキャップ、フェース、及び円錐状ハウジングのエンドキャップの間に用いて、据付を補助するようにしてもよい。
（６）円錐状ハウジングのエンドキャップ（１３）のねじはその後、適切な位置に固定される。この固定には、位置決めねじ、エポキシ樹脂、あるいはその他の固定手段を用いる。
（７）圧電素子のリード線は、その後、小型のコネクタ基板（１９）にはんだ付けされる。コネクタ基板（１９）はコネクタ（２０）を保持し、コネクタ（２０）は第１（取り外し可能な）基板（１８）に接続する。コネクタ基板は、エポキシ樹脂或いはスタンドオフ（４４）へのねじ留めにより、永続的にヘッド内に取り付けられる。コネクタ基板は、第１基板に干渉することなく接続するように位置決めされる。
（８）その後、クラブ・ヘッド（４３）の頂部がヘッド本体部（１１）に接着される。この接着として、摂氏１６０度でエポキシ樹脂による接着を行う。
（９）第１基板（１８）及びコネクタ（４９）が取り外し可能なソール板（５４）に取り付けられる。その後、取り外し可能なアセンブリ（１７）全体がクラブ・ヘッド内に挿入されるとともに螺合される。この段階で、システムが動作可能となる。
【０１３９】
（フェースの硬度を制御する変更形態）
以上では、フェースとボールの摩擦を、超音波振動を用いて制御する方法及びシステムを説明した。ここでは、ゴルフクラブ（パター、ドライバ、アイアン）のフェースに結合された圧電（或いはその他の）変換器を用いて硬度を制御する別の形態を説明する。フェースの有効硬度を変えることにより、ボールのコースとボールとフェースの衝突の結果に影響を与える／制御できる。以下の例は、固体の変換器材料を用いた衝撃制御システムの一例である。この例の基本形態は、フェースに結合された圧電変換器を用いる例について説明されるが、この形態は、フェースの動きに接続された任意の変換器に、より一般的に適用可能である。但し、変換器としては、機械的エネルギを電気的エネルギに、及び電気的エネルギを機械的エネルギに変換可能な（すなわち、電気機械結合が可能な）変換器を使用する。
【０１４０】
（一般的原理）
このシステムの一般的形態は、フェースと結合された変換器の上記の電気機械結合を利用して、予め定められた条件下で、フェースの有効硬度を変化させることである。基本的に、制御した硬度において、結果的なボールとフェースの衝突から所望の効果を得るためにフェースの硬度を制御する。この硬度は、制御可能である。電気機械連関を備えるシステムにおいて、システムの電気的側面の境界条件を変化させると、このシステムの機械的な有効硬度が変化する。例えば、当技術分野においては、短絡圧電素子の硬度は、電極が開状態である同じ圧電素子の対応する硬度よりも低いことが知られている。この現象を利用すると、圧電材料及び圧電素子の実効的な硬度（長手方向すなわち軸方向における硬度或いはせん断モードにおいては軸方向と直角の方向における硬度）を変化させることができる。圧電要素はフェースに機械的に結合されているから、圧電素子の硬度が変化すると、フェースの硬度が変化する。
【０１４１】
変換器−フェースの機械的結合の上記した形態（形態１乃至８）のいずれにおいても、変換器はフェースに機械的に結合されるから、変換器の硬度の変化がフェースの動作を変化させる。弾性結合を行う実施形態（形態１乃至４）においては、変換器の硬度の変化は、ボールと衝突時のフェースの硬度を変化させる。これにより、ボールと衝突時のフェースの屈曲が変化する。慣性結合を利用する場合（形態５乃至８）においては、変換器の硬度が変化すると、フェースの運動とプルーフ・マス（形態８におけるプルーフ・マスは、クラブ・ヘッドの残りの部分）の作用が変化する。フェースの硬度とは、準静的硬度（ＤＣ）ではなく、動的硬度である。これは、これら慣性結合はＤＣ結合ではないからである。非常に低い周波数においては、これらはシステムに影響を与えない。なぜならば低周波数のプルーフ・マスからは小さな慣性力しか起こらないからである。しかしながら、これらは、インパクト時にシステムに影響を与えるように設計されているから、これら実施形態の変換器の硬度の変化は、ボールのインパクトに関連した周波数（約１ｋＨｚで約０．５ミリ秒）におけるシステムの硬度を変化させる。したがって、形態１乃至８のいずれを利用しても、変換器の硬度を変化させることにより、インパクト時のフェースの有効硬度を変化させることが可能である。
【０１４２】
（変換器の形態）
上述のごとく、上記の変換器の形態のいずれを用いてもインパクトを制御可能である。例えば、一実施例においては、形態２に示すような、フェースに結合された圧電スタックを用いる。形態２で説明した機械的形態（図２ａ、図２ｂに示す。詳細を図１３乃至図１９に示す）においては、フェースのＤＣ硬度（ボール中央からフェースに直角に掛かる力に対する硬度）は、短絡回路から開回路への変化を利用する場合と比べて、約２５％向上される。スタック変換器の他に、平面状（ハウジングを備えてもよい（packaged））の圧電変換器（又はその他の固体変換器材料）を利用してもよい。平面状の圧電変換器（又はその他の固体変換器材料）は、フェースに接着されることにより、フェースの拡張や屈曲と連動し、フェースの運動が生じる。フェースの屈曲硬度、すなわちボールの力に対する硬度は、電気回路の境界条件（開回路或いは短絡回路）を変えることにより変化する。
【０１４３】
（システムにおける回路の動作）
制御を可能にするためには、システムの反応或いは動作に基づいて、変換器の電気的境界条件が決定（制御）されなければならない。変換器の電気的境界条件は、変換器自体（すなわち、荷重下での電圧或いは電荷）に基づいて決定されるか、或いは独立したセンサ（フェースのたわみ或いはフェースの屈曲を検知するセンサ）により決定される。加速度計を更に用いて、インパクト時のクラブ・ヘッドの減速度を決定し、これに従って、システムをトリガしてもよい。
【０１４４】
動作時には、センサにしたがって、変換器は開回路或いは短絡回路状態におかれる。例えば、電気的接続はインパクトの強度に基づいて制御可能である。具体的には、ボールへのインパクトが強い場合には、システムの硬度を上げて、ボールへのインパクトが弱い場合にはシステムの硬度を下げることができる。このような制御は、特に以下のような場合に重要である。すなわち、手への感覚の伝わり易さ（enhanced feeling）、ボールの接触時間、トップスピン、及び打ち出し角の向上が必要な場合である。打ち出し角とは、パットやパター、或いはウェッジやショートアイアンでのショットの打ち出し角のことをいう。
【０１４５】
パットにおいては、横滑りを減らすためには、ボールがパターのフェースを離れる前に、ボールにできる限り多くのトップスピンを与えることが重要であることが知られている。また、できる限り多くのトップスピンを与えることは、ボールが回転し始めるまでの間に横滑りする距離を最小化するためにも役立つ。
【０１４６】
パターによるインパクトは、瞬間的にゴルフボールを前後方向に圧縮し、周囲の長さを大きくする。ボールはその後、初期の形状まで反発する。ボールの形状が元に戻るときに、ボールがクラブフェースから前方に推進する。理想的には、ゴルフボールはパターの移動方向及びパターのフェースのパターの移動方向に対する角度によってのみ決定される方向に反発する。ゴルフボールは完全に均整のとれた形状ではないから、反発の方向にずれが生じる。これを圧縮偏差という。インパクト時にボールが圧縮される度合いを下げると、圧縮偏差を低減できる。フェースの硬度を低くすると、接触時の負荷が小さくなり、ボールの圧縮も低減される。したがって、適切に調整されたシステムを用いると、ボールの圧縮偏差を低減し、ボールの打ち出し及び回転の状態を最適化するという所望の効果が得られる。例えば、パターに関しては、比較的硬度の低いクラブフェースと反発性の高いボールを組み合わせることにより、距離及び方向の両方をより正確に制御できる。
【０１４７】
インパクト時に、ボールとフェースの材料の弾性変形は、ボールの方向、速度、ボールの飛び方、打ち出し、つまりインパクト時に圧縮されたボールがクラブフェースから反発する動作に多大な影響を及ぼす。ボールをインパクトするクラブフェースの実効的な弾性は、ボールの弾性とクラブフェースの弾性を組み合わせたものに等しい。最大限のコントロールを可能にするためには、パター及びウェッジに関しては、実効的な弾性の大部分が、クラブフェースの弾性であることが好ましい。ボールの圧縮による弾性の占める割合が高くなると、圧縮偏差が大きくなる。
【０１４８】
コントロールを向上するためにフェースの弾性を増加することが望まれるのに対して、パットや距離の短いショットにおいては、インパクトの速度が増すにつれて、衝突位置に対する衝撃が強くなるとともにインパクトによる力が強くなるから、フェースの弾性が高いと、潜在的にボールのコントロールは難しくなる。インパクトによる変形は、ボールの軌道誤差やインパクトの一貫性の欠如の原因となる。これらの現象は、理想的でないインパクトが、激しい強さで行われたときに顕著である。基本的には、弾性が増加すると、激しいインパクトにおけるコントロールは難しくなる。
【０１４９】
したがって、ショットのコントロールを向上してバラつきを減らすためには、弱いインパクトにおいては硬度の低いクラブフェースを使用して、強いインパクトにおいては、硬度の高いクラブフェースを使用することが望ましい。
【０１５０】
本発明の好適な実施形態においては、圧電素子は短絡状態であり、且つボールがクラブフェースとの接触を持続する時間の長さ（すなわち「滞留時間」）が長くなると、ボールの打ち出し条件の制御及び最適化がより正確に実行可能となる。尚、滞留時間は、クラブフェースの摩擦係数が高くなるにつれて長くなる。
【０１５１】
滞留時間が長くなると、クラブフェースがボールを掴んでトップスピンを加える機会が増える。また、滞留時間が長いと、手に感覚が伝わりやすいことも知られている。
【０１５２】
例えば、パターを用いて低速度でボールをインパクトすると、短絡圧電素子が、クラブフェースがボールと接触時にボールに振動を加えることを可能にする。これにより、滞留時間が長くなり、グリーン上での横滑りが少なくなる。加えて、この性能特性は、手の感覚やコントロールを向上させる。これらは、インパクトの正確性、再現性、及び信頼性につながる。
【０１５３】
更に、高速でのインパクトにおいて、フェースを硬化させることによっても、弾性変形による誤差を低減して、正確性や再現性を向上することが可能である。加えて、硬度を変化させることにより、電気回路に単純な変化を加えるだけで、単一のゴルフクラブから、広い範囲の性能特性を引き出すことが可能である。一方で、非可動式のゴルフクラブに同じ範囲の性能特性を持たせるためには、複数の別個に設計されたゴルフクラブが必要である。これらゴルフクラブの材料は異なる臨界条件を備える。よって、抵抗レベル或いはトリガ・レベルを利用して、特定のプレーヤーやプレイ条件に合わせてクラブの動作を変化させることが可能であるとともに電気的に調整可能なクラブ・システムが提供できる。
【０１５４】
インパクト中に特定条件下でシステムを硬化させることにより、インパクトの結果が制御される。システムの硬度は、ショットの前に使用者により一定の硬度に設定されてもよい。これにより、クラブを使用者に一定程度合わせることが可能になる。使用者は、最も適した硬度設定を選択できる。この硬度は、工場において設定されても、使用者により制御可能なシステムを用いて設定されてもよい。このようなシステムを使用する場合は、ユーザは、プレイ前に、ユーザの希望或いはゲーム条件（天気、風など）にしたがって硬度を設定する。スイッチ或いはその他の電気的設定装置がクラブに配されてもよい。この設定装置は使用者が使いやすいように、例えばグリップの先端に配される。
【０１５５】
図２３は、本発明の好適な実施形態の一例を示す図であり、この実施形態においては、インパクト・センサとして圧電素子自体が用いられている。
【０１５６】
動作時には、硬度の高い面でインパクトする場合には、回路は圧電電極を開状態にし、硬度の低い面でインパクトする場合には、回路は圧電電極を短絡状態のままに放置する。変換器（フェースに結合される）は、電流或いは電圧検出回路に電気的に接続される。基本的には、電圧検出回路はセンサとして形成される。検出回路は、圧電素子ハイ・リードを接地状態に保つと同時に、基本的に圧電素子を短絡させる。この状態で、圧電変換器は、短絡回路の機械的特性を示す。センサの出力電圧が臨界レベルに達すると、回路がトリガされ、圧電素子を回路に接続するスイッチ（通常は閉状態）が開状態にされる。基本的には、圧電変換器の電極を開状態にすることにより、回路が開状態となる。電極をトリガすると同時に、圧電変換器は、開回路時の硬度になり、この圧電変換器が接続されるフェースは、残りのインパクト時間中、高い硬度を維持する。
【０１５７】
このような形態の回路は、上記の摩擦制御回路と非常に類似している。上記の回路のインダクタＬ１をレジスタＲ１２（図２３）と置換し、スイッチＭ１（摩擦制御回路におけるｎ−チャネルエンハンス型ＭＯＳＦＥＴ）を新たなＭＯＳＦＥＴＱ１２（ｎ−チャネルデプレッション型ＭＯＳＦＥＴ）と置換すると、このような回路が得られる。デプレッション型ｎチャネルＭＯＳＦＥＴＱ１２を備えるこのような回路は、最初、短絡回路状態にある。すなわち、スイッチＱ１２は閉じられている。ＭＯＳＦＥＴゲートの電圧を下げると同時に、（ＭＯＳＦＥＴゲートが動作し、）デプレッション型ＭＯＳＦＥＴは回路を開状態にする。これによりレジスタ及び圧電電極が接続解除される。この時点で、この回路は開回路となる。制御回路はゲート電圧を低下させる。尚、摩擦制御回路においては、制御回路はゲート電圧を上昇させる。このような電圧駆動型ＭＯＳＦＥＴ駆動回路は当技術分野において一般的である。
【０１５８】
圧電素子の電圧がツェナー・ダイオードにより送られる閾値電圧に達したときに、トリガ動作が設定される。圧電素子に充電された電荷はレジスタＲ１２を介して放電されて、圧電素子は完全には短絡されないから、電圧は上昇する。圧電素子が、完全に短絡されたならば、電圧は上昇して、トリガは起こらない。圧電素子は、最初はレジスタ（Ｒ１２）により分流される（スイッチＱ１２は初め閉状態である）から、強制がシステムＲＣ時定数と同じ或いはこれより大きいレイトで起こると、電圧は上昇する。ＲＣ時定数と関連した周波数よりも低い周波数での強制では、電圧は大幅には上昇しない。これは、レジスタが短絡と同様であるからである。時定数がこれ以上になると（すなわち、比較的急速な強制に対しては、）レジスタは開回路と同様になり、電圧は上昇する。一連の動作中には、圧電素子がレジスタを介して放電する時間は基本的にはない。
【０１５９】
このように、レジスタにより分流された圧電素子の電圧を上昇させるのに十分な速度或いは強さのインパクトが、回路をトリガし、デプレッション型ＭＯＳＦＥＴを開状態にして、回路を開状態にし、圧電素子を開回路電気状態にする。これにより、十分な強さ或いは速度のインパクトと同時にシステムがシステム自体を硬化させる。システムは適切な分流レジスタを選択することにより、或いは（最初に）ツェナーの降伏電圧の適切なトリガリングを選択することにより、調節される。
【０１６０】
上述のシステムは、セルフセンシング式で且つ自家発電式のシステムであり、このシステムは、外部ソースからではなくフェースに結合された変換器自体からの電荷を電源として利用する。或いは、トリガ信号はセンサからの信号であってもよい。加えて、フィードバック・ロジックがより複雑なロジックであり、プログラム可能なマイクロプロセッサにより決定されてもよい。このマイクロプロセッサは、外部からプログラムされてもよい。このようなプログラムは、個々のゴルファの特徴や能力に特異的な所定の条件下で反応する適合システムにしたがって行われる。これが、プログラム可能でスマート（自動制御式の）なクラブの基本形態である。このようなクラブは、任意のゴルファのスウィングから起こるインパクトを最大限に利用する。プログラミングにより、基本的には、クラブの動作を調整して、個々のゴルファ及びその特徴や能力にカスタマイズすることが可能になる。例えば、フックやスライスを減少させるような矯正が可能である。
【０１６１】
以上では、本発明の様々な実施形態を説明したが、多数の追加や変更が可能であり、本明細書中で説明した実施形態は、本発明の基本概念を示すためにのみ示されたものであることは明らかである。したがって本発明の範囲は、上記の説明によっては限定されず、以下の請求の範囲及びこれに等しいものによってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【０１６２】
【図１】ゴルフクラブのヘッドの実施形態の一例を示す図であり、ゴルフクラブのヘッドに圧電アクチュエータが弾性作用を施す様子の一例を示す。
【図２ａ】ゴルフクラブのヘッドの実施形態の一例を示す図であり、ゴルフクラブのヘッドに圧電アクチュエータが弾性作用を施す様子の一例を示す。
【図２ｂ】ゴルフクラブのヘッドの実施形態の一例を示す図であり、ゴルフクラブのヘッドに圧電アクチュエータが弾性作用を施す様子の一例を示す。
【図３】ゴルフクラブのヘッドの実施形態の一例を示す図であり、ゴルフクラブのヘッドに圧電アクチュエータが弾性作用を施す様子の一例を示す。
【図４】ゴルフクラブのヘッドの実施形態の一例を示す図であり、ゴルフクラブのヘッドに圧電アクチュエータが弾性作用を施す様子の一例を示す。
【図５ａ】ゴルフクラブのヘッドの実施形態の一例を示す図であり、ゴルフクラブのヘッドに圧電アクチュエータが弾性作用を施す様子の一例を示す。
【図５ｂ】ゴルフクラブのヘッドの実施形態の一例を示す図であり、ゴルフクラブのヘッドに圧電アクチュエータが弾性作用を施す様子の一例を示す。
【図６】ゴルフクラブのヘッドの実施形態の一例を示す図であり、ゴルフクラブのヘッドに圧電アクチュエータが慣性作用を施す様子の一例を示す。
【図７】ゴルフクラブのヘッドの実施形態の一例を示す図であり、ゴルフクラブのヘッドに圧電アクチュエータが慣性作用を施す様子の一例を示す。
【図８】ゴルフクラブのヘッドの実施形態の一例を示す図であり、ゴルフクラブのヘッドに圧電アクチュエータが慣性作用を施す様子の一例を示す。
【図９】ゴルフクラブ・ヘッドの一実施形態を示す図であり、圧電変換器がフェースとクラブ本体の間に配され、本体との相対的な位置を変化させる様子を示す。
【図１０】制御スイッチとインダクタと制御回路とを備える圧電アクチュエータのブロック線図である。
【図１１】図１０Ｂの回路の概略図であって、制御回路をより詳細に示している。
【図１２】ボールとのインパクト時のアクチュエータの出力電圧信号を示すグラフであって、非トリガ時とトリガ時の電圧を時系列で示している。
【図１３】クラブのインパクトを受けたときのボールにおける、キー・パラメータを時系列で示したグラフであって、図１３Ａは垂直方向のインパクトの力、図１３Ｂはインパクトの接線方向の力（摩擦力）、図１３Ｃは変換器の電圧の経時的変化、図１３Ｄは変換器の電流の経時的変化、図１３Ｅはボール回転数の経時的変化を夫々示している。
【図１４】図２の実施形態の圧電素子を使用したゴルフクラブのヘッドの断面図である。ヘッドとゴルフボール間の摩擦を低減させるために、ボールとのインパクトによるインパクト・エネルギをヘッドのフェースの振動に変換して、ゴルフボールの回転数を低減させる。
【図１５】図２の実施形態の圧電素子を使用したゴルフクラブのヘッドの断面図である。ヘッドとゴルフボール間の摩擦を低減させるために、ボールとのインパクトによるインパクト・エネルギをヘッドのフェースの振動に変換して、ゴルフボールの回転数を低減させる。
【図１６ａ】図２の実施形態の圧電素子を使用したゴルフクラブのヘッドを示す図である。電気システムを備える取り外し可能なソール板を詳細に示す。
【図１６ｂ】図２の実施形態の圧電素子を使用したゴルフクラブのヘッドを示す図である。電気システムを備える取り外し可能なソール板を詳細に示す。
【図１７】フェース・アセンブリを詳細に示す図である。圧電変換器をフェースに結合したハードウェアであって、図２の実施形態に結合された圧電素子の形態に基づく。
【図１８】フェース・アセンブリを詳細に示す図である。図２の実施形態に結合された圧電素子の形態に関する、圧電変換器をフェースに結合したハードウェアを示す。
【図１９】フェース・アセンブリを詳細に示す図である。図２の実施形態に結合された圧電素子の形態に関する、圧電変換器をフェースに結合したハードウェアを示す。
【図２０】フェース・アセンブリを詳細に示す図である。図２の実施形態に結合された圧電素子の形態に関する、圧電変換器をフェースに結合したハードウェアを示す。
【図２１】周波数応答の関数を示す図であって、開回路形態の圧電変換器からの電圧応答を示し、該変換器はクラブのフェースにおいて周期的に荷重を受ける様子を示す。
【図２２】周波数応答の関数を示す図であって、フェース表面の加速度を、圧電変換器の経時的に変化する電圧励起の振幅を関数として示した図である。
【図２３】電気システムの回路ブロック線図である。十分な強度を有する圧電素子の機械的な励起が発生するときの可変の硬さを得るための電気回路を示す。
【図１】
2007503219.tif 000004
【図２ａ】
2007503219.tif 000005
【図２ｂ】
2007503219.tif 000006
【図３】
2007503219.tif 000007
【図４】
2007503219.tif 000008
【図５ａ】
2007503219.tif 000009
【図５ｂ】
2007503219.tif 000010
【図６】
2007503219.tif 000011
【図７】
2007503219.tif 000012
【図８】
2007503219.tif 000013
【図９】
2007503219.tif 000014
【図１０】
2007503219.tif 000015
【図１１】
2007503219.tif 000016
【図１２】
2007503219.tif 000017
【図１３】
2007503219.tif 000018
【図１４】
2007503219.tif 000019
【図１５】
2007503219.tif 000020
【図１６ａ】
2007503219.tif 000021
【図１６ｂ】
2007503219.tif 000022
【図１７】
2007503219.tif 000023
【図１８】
2007503219.tif 000024
【図１９】
2007503219.tif 000025
【図２０】
2007503219.tif 000026
【図２１】
2007503219.tif 000027
【図２２】
2007503219.tif 000028
【図２３】
2007503219.tif 000029
【国際調査報告】
2007503219.tif 000030
2007503219.tif 000031