(57)【要約】  摩擦撹拌処理（ＦＳＰ）は、ゴルフクラブとボールとの間に、より効率良くモーメントを伝達する硬化されたゴルフクラブフェースを提供して、（ボールの所定飛距離に対して）高いロフトを付与するために、飛び出し速度を増大させる。ＦＳＰ硬化面はまた、ゴルフクラブがより一貫した性能を付与し且つより長持ちするように、より高い耐摩耗性をも有する。フェース上に摩擦撹拌処理されたスイートスポットによって打つことができたか否かをゴルファーが感じ取るのを可能にすることができる。
2007507300.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゴルフクラブの性能を改良するための方法であって、
クラブフェースを有するゴルフクラブのヘッドを形成するステップと、
前記ゴルフクラブのクラブフェース面の所定領域に摩擦撹拌処理を施すステップと、
所望の表面位相を提供するために、少なくとも摩擦撹拌処理を施した前記所定領域の表面を新しくするステップとを含む方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記ゴルフクラブのヘッドが、アルミニウム、チタン、ニッケル、銅、鉄及びこれらの合金からなる群から選択された金属を含んでいる方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、
前記ヘッドを製造するステップが鋳造又は鍛造するステップを含んでいる方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、
前記摩擦撹拌処理ステップが、１分当たり１５０乃至２０００回転の速度で回転するＦＳＰ（摩擦攪拌処理）工具を使用して行われる方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、
前記摩擦撹拌処理ステップが、１分当たり５０乃至７０００ｍｍの速度で工作物に沿って動かされるＦＳＰ工具を使用して行われる方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、
前記表面を新しくするステップがフライス加工ステップを含んでいる方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法であって、
前記所望の表面位相が少なくとも１つの溝を含んでいる方法。
【請求項８】
ゴルフクラブの性能を改良するための方法であって、
金属の工作物の表面の所定領域を摩擦撹拌処理するステップと、
前記摩擦撹拌処理された所定領域を含む面を有しているゴルフクラブヘッドを製造するステップとを含んでいる方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、
前記金属の工作物が、アルミニウム、チタン、ニッケル、銅、鉄及びこれらの合金からなる群から選択された金属を含んでいる方法。
【請求項１０】
請求項８に記載の方法であって、
前記金属工作物が、ストリップ、プレート及びブロックからなる群から選択された形状を有している方法。
【請求項１１】
請求項８に記載の方法であって、
前記ゴルフクラブヘッドを製造するステップが、鍛造ステップを含んでいる方法。
【請求項１２】
請求項８に記載の方法であって、
前記摩擦撹拌処理ステップが、１分当たり１５０乃至２０００回転の速度で回転するＦＳＰ工具を使用して行われる方法。
【請求項１３】
請求項８に記載の方法であって、
前記摩擦撹拌処理ステップが、１分当たり５０乃至７０００ｍｍの速度で工作物の表面に沿って動かされるＦＳＰ工具を使用して行われる方法。
【請求項１４】
請求項８に記載の方法であって、
所望の表面位相を付与するために、少なくとも前記摩擦撹拌処理を受けた所定領域の面を新しくするステップを更に含んでいる方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法であって、
前記表面を新しくするステップが、前記ゴルフクラブヘッドを製造するステップの前に行われる方法。
【請求項１６】
請求項１４に記載の方法であって、
前記表面を新しくするステップが、前記ゴルフクラブヘッドを製造するステップの後に行われる方法。
【請求項１７】
請求項１４に記載の方法であって、
前記所望の表面位相が少なくとも１つの溝を含んでいる方法。
【請求項１８】
改良された性能を有するゴルフクラブであって、フェースを備えたヘッドを含み、当該フェースが摩擦撹拌処理された金属を含んでいるゴルフクラブ。
【請求項１９】
請求項１８に記載のゴルフクラブであって、
前記摩擦撹拌処理された金属が、アルミニウム、チタン、ニッケル、銅、鉄及びこれらの合金からなる群から選択されたものであるゴルフクラブ。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
本発明は、ゴルフクラブの製造に関し、特に、性能を改良するための金属ゴルフクラブヘッドの表面処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
アイアンのゴルフクラブは、概して、所定の飛距離に対するボールの高さ（すなわちロフト）の増大が最大化される軌道によってゴルフボールを飛ばすように設計されている。この場合には、ボールは、比較的大きな角度で地面にぶつかり、その結果、転がりが少なく、地面にぶつかった地点の近くに止まったままの傾向があり、このため、ゴルファーがボールの最終的な位置のより良好な制御を経験する傾向がある。高品質のゴルフクラブに対しては、適正にスイングされると、ボールは“真っ直ぐに”飛ぶはずであり、すなわち、その軌道は、垂直面内に位置する弧を描くはずである。このことは、水平スピンが最少化されてボールが実質的に“真っ直ぐな”軌道に沿って飛び、左へフックしたり又は右へスライスしないことを必要とする。他方、（垂直方向に）バックスピンをかける能力は、ゴルファーがボールの転がりを最少化するのを可能にし又は高い制御によりボールを後方へ転がすためには望ましい。
【０００３】
ボールを打つクラブヘッド上の平らな面であるゴルフクラブの“フェース”は、飛距離対ロフトの種々の比率を提供するために種々の角度が付けられている。（ボールのインパクトの際の）垂直に対するクラブフェース角度は、アイアンのための大きな範囲をカバーし且つより短い飛距離に対してより大きくなる傾向がある。アイアンのフェースは、典型的には、水平溝を有し、この水平溝の外側端縁はインパクトの際にボールを“掴む”傾向があり、その結果、より大きなバックスピンがボールに対して付与され得る。これらの溝はまた、水分の排除を容易にし、これは、クラブフェースの摩擦特性を変化させる。
【０００４】
他の要素が一定である場合には、距離に対するロフトの比較は、主としてクラブフェース角度及びボールがゴルフクラブのフェースを離れる“飛び出し速度”によって決定される。より速い飛び出し速度は、より大きなフェース角度を有するクラブを使用して所定の距離が確保されるのを可能にする。逆に、同じ飛び出し角度に対しては、速い飛び出し速度によってより長い飛距離を達成することができる。飛び出し速度を増大させる一つの方法は、非弾性によって失われる運動エネルギが最少化されるようにクラブフェースを含む材料の硬度を高くする方法である。しかしながら、不規則な形状が含まれていることにより、ゴルフクラブヘッドは、典型的には、比較的大きな粒子構造及び低い硬度を有する材料をもたらす焼流し精密鋳造によって製造される。
【０００５】
より硬い材料からなるインサートをゴルフクラブのフェースに固着しても良いが、これは理想的な結果をもたらさない。特に、より硬い材料によってもたらされる利益の多くは、インサートとクラブヘッドとの間の境界部を横切るエネルギ伝達に伴う損失によって相殺されるかも知れない。このような損失を最少化するのに必要とされる正確な加工及び確実な取り付けは製造コストを著しく増大させる。インサートはまた、変形することなくボールの衝撃に耐えるためには比較的厚くなければならない。厚みが厚くなると、クラブの重量分布のバランスを採るための自由度が減じられる。外周（クラブフェースの周囲）の重量は、インパクトの際にクラブを捻れさせる傾向を最少化し且つボールに水平スピンを付与するために使用されることが多いので、このような自由度の損失は重大である。適正な重量とされたクラブは、ボールを真っ直ぐな軌道で打つためにフェース上に大きな“スイートスポット”を有している。
【０００６】
高い面硬度を備えたゴルフクラブを製造するための一つの可能な方法は、ゴルフクラブのきめを細かくした工作物からゴルフクラブのヘッドを鍛造することである。きめの細かさは、広範囲の変形を導入することによって金属において達成することができる。圧延、鍛造、スエージング及び押し出しのような多くの一般的な金属加工作業が、この目的のために使用可能である。しかしながら、このような金属加工作業は、材料全体の粒度を変化させ、その結果、強度、延性及び耐衝撃性のような重要なバルク特性もまた変化せしめられる。きめの細かい金属塊から鍛造したゴルフクラブのための低い耐衝撃性は、クラブの耐久性及び有効寿命を著しく制限する。更に、これらの金属加工作業によって著しい粒度の低減を達成することは、実用的ではなく又は経済的ではない。幾つかの結晶微細化は、鍛造中に工作物の表面領域において起こり、この場合の結晶微細化の度合いは小さいことに注目すべきである。更に、ゴルフクラブ用の鉄の鍛造中における変形した金属の位置は、大部分は中空裏面であり、クラブフェース内ではない。従って、クラブの製造中に鍛造によって達成されるあらゆる分子構造の精密化がクラブフェース上の粒度に実質的に影響を及ぼさず、その結果、硬度及びゴルフクラブの性能は大きく改良される。
【０００７】
摩擦攪拌処理（ＦＳＰ）は、回転ＦＳＰ工具を金属材料内に通過させて改良された機械的特性を提供する細粒微細構造を局部的に形成することを含む［F．D．Nicholas，  Advanced  Materials  Processes  ６／９９，  ６９（１９９９）］。ＦＳＰ作業は、典型的には、室温で行われるが、含まれる摩擦及び金属の変形は、局部的な温度を固相温度のすぐ下まで上昇させ、その結果、摩擦攪拌処理された材料は、十分に再結晶化されるが、溶融はされない。摩擦攪拌処理は、従来の金属加工によって達成することができるレベルよりも著しく大きな変形程度を導入し、これは、例外的に微粒構造及び大きく高められた強度を提供する。更に、薄い表面層は、摩擦攪拌処理されて、塊状金属の機械的特性に著しい影響を及ぼすことなく硬度を改良することができる。摩擦攪拌処理は、アルミニウム、チタン、銅及び鋼を含む種々の金属及びそれらの合金に対して実証されて来た。ＦＳＰ法は、鋳造金属部品の高応力領域の機械的特性を局部的に改良するために使用されて来たが、ゴルフクラブの表面強度を増大させるためには適用されたことがない。
【発明の開示】
【０００８】
本発明は、ゴルフクラブのフェースの少なくとも一部分の硬度を高くするために、摩擦攪拌処理（ＦＳＰ）によって改良されたゴルフクラブ及び摩擦攪拌処理（ＦＳＰ）によってゴルフクラブの性能を改良する方法を提供する。高い面硬度は、クラブとボールとの間のモーメント伝達効率を増大させて、大きなロフト、長い飛距離及びボールの最終位置のより良好な制御を提供する傾向がある。摩擦攪拌処理はまた、取り除かなければモーメント伝達効率を低下させる金属内のボイド及び欠陥を取り除く傾向がある。摩擦攪拌処理された面はまた摩耗に対する耐性が大きく、これは、ゴルフの一貫性を改良し且つクラブの寿命を延ばす傾向がある。本発明のもう一つ別の実施形態は、ボールが摩擦攪拌処理されたスイートスポット内で打たれたときに感じられるより堅牢な感覚によってゴルファーに技能のフィードバックを付与する実用的なクラブである。
【０００９】
本発明による摩擦攪拌処理は、ゴルフクラブヘッドが、例えば鋳造若しくは鍛造によって形成された後に行っても良いし、又は、例えば鍛造によってクラブヘッド内に形成された工作物に対して引き続いて行っても良い。ＦＳＰ処理の深さは、典型的には、鍛造機能、機械的特性及び下地の塊状金属の衝撃抵抗が実質的に影響を受けないように十分小さい。このことは、特に鍛造クラブに対するゴルフクラブの製造及び周囲重量に関する高い自由度を提供する。好ましくはフライス加工によって摩擦攪拌処理された領域を新しい表面とすることが一般的に必要である。面を新しくする作業の一部分として、所望の形体（例えば溝）をクラブフェースに加工しても良い。ＦＳＰ処理は、適用に費用がかからずに高品質のゴルフクラブを低コストで製造することを可能にする。
【００１０】
本発明の更に別の特徴及び利点は、添付図面と共になされた以下の詳細なら説明によって当業者に明らかとなるであろう。
【発明の詳細な説明】
【００１１】
本明細書において使用されている技術用語は、当業者に一般的に良く知られているものである。形成は、力又は圧力をかけて工作物を鋳型（パンチ、ダイ又は打ち出し機）に実質的に合致させることによって、金属工作物を所望の形状に変形させることを含む。“形成”という用語は、部分集合としての“鍛造”を含んでいる。鍛造は、力又は圧力及び通常は熱をかけて比較的厚みのある金属工作物を所望の形状に変形させることを含む。本明細書において使用されている“表面”という用語は、材料の表面領域を示している。従って、表面の摩擦攪拌処理は、材料を実際の表面の下方所定距離まで材料を処理することを含んでいる。ＦＳＰ工具は、摩擦攪拌処理中に工作物材料内を移動する回転ビットである。
【００１２】
本発明は、改良されたゴルフクラブと、ゴルフクラブのクラブフェース表面の少なくとも一部分の硬度を高めるために摩擦攪拌処理によってゴルフクラブの性能を改良する方法とを提供する。クラブフェースは、クラブの動作においてゴルフボールに接触するクラブの部分である。高い面硬度は、クラブとボールとの間のモーメント伝達効率を高めて、高いロフト、長い飛距離及びボールの最終位置のより良好な制御を提供する。摩擦攪拌処理はまた、取り除かれない場合にはモーメント伝達効率を低下させるかも知れない金属内のボイド及び欠陥を取り除く傾向がある。摩擦攪拌処理された表面層はゴルフクラブ面の一体部品であるので、インサートとクラブヘッドとの間の境界部に生じるエネルギの損失が排除される。
【００１３】
摩擦攪拌処理された面はまた耐摩耗性もより高く、このことは、ゴルフの一貫性を改良し及びクラブの寿命を延ばす傾向がある。高い耐摩耗性は、ボールのバックスピンを高めるように設計されたクラブフェース内の溝の外側端縁に対して特に有利であるはずである。このような端縁の摩耗は、特に迅速であり且つ性能に対して実質的な作用を有する。ＦＳＰ処理は、適用が低廉であり、これは高品質のゴルフクラブが低コストで製造されるのを可能にする。
【００１４】
本発明による摩擦攪拌処理は、下地の塊状金属の特性が実質的に影響を受けないように、金属の薄い（１乃至３mmの厚みの）表面領域に限定されるのが好ましい。この場合には、支持材料の鍛造機能、機械的特性又は耐衝撃性に実質的に影響を及ぼすことなくクラブフェース面領域に硬度が付与される。このことは、ゴルフクラブの製造及び外周重量に関して高い自由度を提供する。例えば、クラブヘッドを鍛造するために使用される金属工作物のバルク特性は、高い性能に必要とされる面の硬度を依然として維持しながら、鍛造動作及び良好な耐衝撃性のような性能特性に対して最適化できる。本発明の範囲内でより厚い又はより薄い摩擦攪拌処理された領域もまた使用しても良い。
【００１５】
本発明による摩擦攪拌処理は、ゴルフクラブのヘッドが形成される前か又は後に行っても良い。好ましい実施形態においては、金属製のゴルフクラブヘッドは、最初に、例えば鋳造又は鍛造によって形成され、次いで、クラブフェースの表面の少なくとも一部分に摩擦攪拌処理が施される。摩擦攪拌処理された面は、典型的には不均一であり且つある程度粗いので、好ましくはフライス加工によって摩擦攪拌処理された領域を新しい表面にすることが一般的に必要である。新しい表面とするプロセスの一部分として、所望の構造（例えば溝）をクラブフェース内に作っても（又は再生しても）良い。別の実施形態においては、摩擦攪拌処理が最初に金属工作物（例えば、ストリップ、プレート又はブロック）の表面の少なくとも一部分に施され、次いで、好ましくは鍛造によって、クラブフェース内の摩擦攪拌処理された領域の少なくとも一部分を有するゴルフヘッドに形成される。この場合には、摩擦攪拌処理された領域は、成形作業の前に新しい表面とされるのが好ましいが、新しい表面の形成は、クラブヘッドの形成後に行うこともできる。本発明は更に、ゴルファーの技能に関するフィードバックを提供するゴルフクラブ及び製造方法を提供する。この実施形態に対しては、ボールが理想的な軌道内を飛ぶ実際のクラブフェース上の“スイートスポット”が摩擦攪拌処理され、一方、クラブフェースの残りの部分は摩擦攪拌処理を受けない。熟達したゴルファーは、周囲のより軟らかい材料と比較して、ＦＳＰ硬化されたスイートスポットによってよりしっかりとボールが打たれたことを感じるであろう。ＦＳＰ処理されたスイートスポット内でボールを打ったときの感覚の違いは、ゴルファーのスイングを改良するため迅速なフィードバックを提供する。実際のクラブのためのＦＳＰ処理されたスイートスポットの大きさは、ゴルファー熟達度に適合させることができ、熟達度の高いゴルファーの場合にはより小さい。更に、ＦＳＰ硬化されたスイートスポットの摩耗は実質的に減じられるので、周囲のより軟らかい材料に対して観察される摩耗程度は、ゴルファーの技能の長期間に亘る指示手段として使用することができる。この実施形態においては、ＦＳＰ表面処理によって形成されたスイートスポットの外側の著しい摩耗は、材料がより軟らかいスイートスポットの外側でボールがしばしば打たれたことを示す。ＦＳＰ処理を受けていないベース材料の柔らかさは、ゴルファーにより早い又はより遅い技能のフィードバックを提供するために変更されても良い。
【００１６】
受け入れ可能な細粒微細構造を提供する如何なる摩擦攪拌処理装置及び条件も、本発明を実施するために使用することができる。種々の形状及び大きさのＦＳＰ工具が市販によって入手可能である。典型的なＦＳＰ工具は、らせん形状のピン及び円筒形の肩部を有する。ピン上の構造は、摩擦攪拌処理中に工作物材料を表面に向かって流れさせ且つ２ｍｍ乃至１５ｍｍの範囲の直径を備えさせる傾向がある。ＦＳＰ工具上のピン構造は、必要ではないが作動の容易さのために付加しても良い。肩部は、処理された材料を含み且つ再鍛造し且つ６ｍｍ乃至５０ｍｍの範囲の直径を有するように設計されている。典型的なＦＳＰ工具材料は、工具鋼、多結晶立方晶窒化硼素、ニッケルベースの超合金、タングステンカーバイド及びその他のタングステンベース合金である。ＦＳＰ工具は、典型的には、１５０乃至２０００ｒｐｍで回転し且つ５０乃至７０００ｍｍ／分で工作物の表面に沿って動く。摩擦攪拌処理装置は、ＭＴＳ  General  Tool及びESABから市販によって入手可能である。当業者が理解できると考えられるように、種々の工具の設計を同じ高い硬度結果を達成するために使用することができる。
【００１７】
比較的大きな領域は、典型的には、工作物の表面に沿ったＦＳＰ工具の多数平行パスを含むラスティングによって摩擦攪拌処理される。ラスター装置のパスは典型的には重ねて行われるが、このことは必要ではないかも知れない。当業者が理解できるであろうと考えられるように、工具は、例えば、円、螺旋のような種々の他のパターンで動かすことができる。
【好ましい実施形態の説明】
【００１８】
４３１ステンレス鋼製のヘッドを備えた２つの６番アイアンのクラブフェースに、１２．５ｍｍの端面直径を有する多結晶質立方晶窒化硼素工具を使用して１．６mmの深さまで摩擦撹拌処理した。工具は、９００ｒｐｍで回転させ且つ５０mm／分のスピードでクラブフェースの中心線に沿って３度の傾斜角度で通過させた。表面温度は１１００℃に近づいたと判断される。工作物は、ＦＳＰ作業中に水冷によって積極的に冷却して凝固させ、硬化微細構造とした。５０％の重なりを有する２つのパスを各フェースに対して行い、ボールを打つための最も大きなスイートスポットを付与した。このようなラスタリング処理は、フライス加工によって加工して、表面粗さ及び凹凸を除去し、ボールスピンの制御及び水の排除に必要とされる溝を形成した。
【００１９】
例１−摩擦撹拌処理したクラブヘッドのうちの１つを顕微鏡試験及び硬度試験のために断面した。図１は、ＦＳＰ処理によって表面領域に形成されたきめの細かい微細構造を示す断面の光学顕微鏡写真である。図２は、５００ｇ荷重を有するヌープ（Ｋｎｏｏｐ）硬度計を使用して表面から種々の距離で測定したロックウェル“Ｃ”硬度の値（図１に示された硬度の窪み）を示している。ＦＳＰ処理は、塊状材料に対して、フェース面での硬度を約２６から４０まで増大させた。
【００２０】
例２−対象物評価者によって、非損傷摩擦撹拌処理（ＦＳＰ）された６番アイアンを、同じタイプの在庫の（未処理の）６番アイアンと比較した。この対象物評価者は、プロのゴルフクラブ仕上工及び熟練ゴルファーである。この対象物評価者は、ＦＳＰ処理したアイアンによって打ったボールは、在庫の６番アイアンと比較して、より高いロフト（上げ打ち）及び幾分長い飛距離を得る傾向があったことを報告した。評価者はまた、ＦＳＰ処理された６番アイアンはより一様な感覚でボールにヒットしたことをも報告した。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、ＦＳＰ処理によって表面領域内に形成されたきめの細かい微細構造を示している摩擦撹拌処理されたゴルフクラブのクラブフェースの断面の光学顕微鏡写真である。
【図２】図２は、摩擦撹拌処理された鋼における表面から材料内までの距離の関数としての鋼の硬度を示している。
【図１】
2007507300.tif 000003
【図２】
2007507300.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成18年5月9日(2006.5.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゴルフクラブの性能を改良するための方法であって、
クラブフェースを有するゴルフクラブのヘッドを形成するステップと、
前記ゴルフクラブのクラブフェース面の所定領域に摩擦撹拌処理を施し、それによって、ヘッドの他の部分の機械的特性に著しい影響を及ぼすことなく、前記所定領域に局部的な細微細構造を形成するステップと、
所望の表面位相を提供するために、少なくとも摩擦撹拌処理を施した前記所定領域の表面を新しくするステップとを含む方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記ゴルフクラブのヘッドが、アルミニウム、チタン、ニッケル、銅、鉄及びこれらの合金からなる群から選択された金属を含んでいる方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、
前記ヘッドを製造するステップが鋳造又は鍛造するステップを含んでいる方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、
前記摩擦撹拌処理ステップが、１分当たり１５０乃至２０００回転の速度で回転するＦＳＰ工具を使用して行われる方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、
前記摩擦撹拌処理ステップが、１分当たり５０乃至７０００ｍｍの速度で工作物に沿って動かされるＦＳＰ（摩擦撹拌処理）工具を使用して行われる方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、
前記表面を新しくするステップがフライス加工ステップを含んでいる方法。
【請求項７】
ゴルフボールと接触するための面を有するフェースを含む改良された性能を備えたゴルフクラブであって、
前記フェースの面の摩擦撹拌処理された金属領域が、摩擦撹拌処理によって、ヘッドの他の部分の機械的特性とは別個の機械的特性を有する局部的なきめの細かい微細構造を有することを特徴とするゴルフクラブ。
【請求項８】
請求項７に記載のゴルフクラブであって、
前記摩擦撹拌処理された金属領域が３ｍｍ以下の厚みであるゴルフクラブ。
【請求項９】
請求項７に記載のゴルフクラブであって、
前記摩擦撹拌処理された金属領域が、前記ヘッドのためのスイートスポットに実質的に対応するゴルフクラブ。
【国際調査報告】
2007507300.tif 000005
2007507300.tif 000006