JP2004197392A

JP2004197392A - カッタビット装置

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Publication number: JP2004197392A
Application number: JP2002366246A
Authority: JP
Inventors: Masanori Muranishi; 正紀村西; Kazunari Kawai; 一成川合
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2002-12-18
Filing date: 2002-12-18
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2022-12-18
Also published as: JP4063654B2

Abstract

【課題】カムシャフトへの回転モーメントが作用しないカムプロフィルを採用することにより、ビットの突出量を定め易く、しかもビットを所定位置で確実に固定することのできるカッタビット装置を提供する。
【解決手段】先行ビット６を押出す押出し手段が、ビット６の基端面に当接されるカム３１と、このカム３１を回転させるカムシャフト１６とを備えており、カム３１が、所定回転角度毎に前記ビットの押出し量を徐々に増加させる複数段のカム面を備えている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビットを切羽側へ押出し可能に支持してなるカッタビット装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シールド掘進機においては、掘進機本体の前部にカッタヘッドが設けられ、このカッタヘッドが回転されることで切羽が掘削されるようになっている。ここで、カッタヘッドの前部には複数のスポークが放射状に設けられ、各スポークの前面には多数個のビット（カッタビット）が面板に対し前方へ突出するように配されている。
【０００３】
ところで、前記ビットは、その先端部が摩耗して面板からの突出量が減少すると掘進効率が低下することから、このビットをジャッキ装置によって切羽側に押出して再使用することが行われている。また、ビット押出し手段としてのジャッキ装置に代えて、回転駆動源により回転される押出しカムを用いたものも提案されている（特許文献１，２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−３４７８０号公報
【特許文献２】
特開平１１−２２３８２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記各特許文献に記載された押出しカムにおいては、図８に示されているように、そのカムプロフィルが略楕円形状に形成されているために、ビット基端面１０１とカム面１０２ａとの当接部１０３とカムシャフト１０４との間にモーメントアームＭが存在してカムシャフト１０４に回転モーメントが作用することとなり、この回転モーメントによりカム１０２が回転力を受けてビット１０５の突出量が変化してしまうという問題点がある。また、この従来のカムプロフィルでは、カムシャフトが少し回転しただけでビットの突出量が変化してしまうため、その突出量の制御が困難で、かつ所定回転位置でのビットの固定手段も複雑にならざるを得ないという問題点がある。
【０００６】
本発明は、このような問題点を解消するためになされたもので、カムシャフトへの回転モーメントが作用しないカムプロフィルを採用することにより、ビットの突出量を定め易く、しかもビットを所定位置で確実に固定することのできるカッタビット装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
前記目的を達成するために、本発明によるカッタビット装置は、
カッタヘッド内に配されるビット支持部に、押出し手段によってビットを押出し可能に支持してなるカッタビット装置において、
前記押出し手段が、前記ビットの基端面に当接されるカムと、このカムを回転させるカム回転手段とを備え、前記カムは、所定の回転角度で所定のビット押出し量を有する複数段のカム面を有し、前記複数段のカム面は、前記所定の回転角度近傍の一定の角度範囲においてビット押出し量が一定となるような形状であることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明においては、ビット先端の摩耗時に、カム回転手段によりカムを所定回転角だけ回転させることで、このカムのカム面に当接されるビット基端部が押圧されてビットが切羽側へ押出される。したがって、ビットを交換するための中間立坑や切羽安定のための補助工法が不要で、極めて容易にビットを新品のものと交換したのと同様の効果を得ることができる。本発明によれば、ビットの押出し手段を構成するカムが、所定の回転角度で所定のビット押出し量を有する複数段のカム面を有しており、しかもその複数段のカム面が、前記所定の回転角度近傍の一定の角度範囲においてビット押出し量が一定となるような形状とされているので、カムの回転角度がある程度ラフであっても所定の突出量を得ることができる。また、ビットを突出させる際のカムの回転角度が一定であるので、この回転後における位置固定が例えばピン等を用いて容易に行うことができる。さらに、ビット基端面とカム面との当接部とカムシャフトとの間のモーメントアームを無くすことができるので、カムシャフトに回転モーメントが作用することがなく、回転モーメントによりビットの突出量が変化するといった不具合が発生することがない。
【０００９】
本発明において、前記カムは、少なくとも３段以上のビット押出し量のカム面を有し、所定回転角度毎に前記ビット押出し量を徐々に増加させるものであるのが好ましい。このようにすれば、ビット先端が摩耗した際に、カムを一定角度だけ回転させれば一定の突出量だけビットが突出されることになり、その突出量が定め易いという利点がある。
【００１０】
本発明において、前記ビットは、前記カッタヘッドの前面に放射状に設けられるスポークの長手方向に沿って位相をずらして配され、１本のカムシャフトに装着されるカムによって前記位相をずらして配された複数のビットが同時に押出される構成を採用するのが好ましい。このようにすれば、１本のカムシャフトの回転操作によりスポークの左右両側のビットを同時に突出させることができ、装置構成を簡易化して、省スペース化を図ることができる。
【００１１】
また、前記カッタヘッドの内周側に対して外周側のビットの押出し量が大きくなるように前記カムの形状が設定されるのが好ましい。このようにすることで、内周側に比べて摩耗量の大きい外周側のビットにおいても、内周側のビットと同様、常に適正な初期突出量を維持することができる。
【００１２】
さらに、前記ビットが前記ビット支持部に対してその軸心周りに回動するのを防止する回り止め手段が設けられるのが好ましい。こうすることで、ビットを回動させることなく、摺動させて突出させることができる。
【００１３】
また、前記ビットとビット支持部との摺動部に粘性流体または流体が封入され、この粘性流体または流体の流出回路中にリリーフ弁が介挿されて、このリリーフ弁の設定圧によって前記ビットが反切羽側へ向けて押圧力を付与される構成とするのが好ましい。このようにすることで、リリーフ弁のみで、ビットの切羽側への抜け止めを防止することができ、簡易な構成で組立も容易に行えるという効果がある。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明によるカッタビット装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００１５】
図１には、本発明の一実施形態に係るシールド掘進機の要部縦断面図が示され、図２（ａ）（ｂ）には、図１のＡ矢視図およびＢ矢視図がそれぞれ示されている。
【００１６】
本実施形態のシールド掘進機においては、掘進機本体１の前部に、中心部が中空とされたセンタシャフト２にて支持されるカッタヘッド３が設けられ、このカッタヘッド３が、カッタヘッド駆動用モータ４の駆動によりピニオンおよびリングギヤを介して回転されるように構成されている。
【００１７】
前記カッタヘッド３は、その中心から半径方向に向けて放射状に延びる多数本のスポーク５を有し、各スポーク５には、中央部に先行ビット（第１先行ビット６および第２先行ビット７）が、この先行ビット６，７を挟む両側方にツールビット８，８および外周用メインビット９等がそれぞれ装着されている。また、カッタヘッド３の中心部にはアローヘッド１０が装着され、このアローヘッド１０の長手方向に沿うスポーク５の外周端にはコピーカッタ１１，１１が装着されている。本実施形態においては、前記第１先行ビット（以下、単に「先行ビット」という。）６が、その先端部の刃先の摩耗時に押出し機構（押出し手段）１２によって切羽側へ向けて押出されるように構成されている。以下、この押出し機構１２の詳細構造について説明する。
【００１８】
前記押出し機構１２は、前記センタシャフト２内を貫通するように配されるとともに、このセンタシャフト２に対して支持ブラケット１３，１４を介してその軸心周りに回転可能に支持されるカムシャフト回転軸１５と、前記スポーク５内に半径方向に向けて配されるカムシャフト１６とを備え、前記カムシャフト回転軸１５の先端部に取り付けられる主傘歯車１７と、各カムシャフト１６，１６の基端部に取り付けられる従傘歯車１８，１８とが噛合することにより、カムシャフト回転軸１５の回転が各カムシャフト１６，１６に伝達されるように構成されている。なお、前記主傘歯車１７および従傘歯車１８は、アローヘッド１０の取付け用ボルトを外して、カッタヘッド３の中央部の孔からカムシャフト回転軸１５およびカムシャフト１６にそれぞれ取り付けられる。
【００１９】
前記カムシャフト回転軸１５はそのカムシャフト回転軸１５の基端側に配される押出し用ジャッキ１９により回転される。この押出し用ジャッキ１９は、基端部がスキンプレート２０の内周面に枢着されるとともに、その先端部にレバー２１が枢支されている。一方、カムシャフト回転軸１５の基端部にはフランジ部１５ａが設けられるとともに、このカムシャフト回転軸１５の基端面には端面板１５ｂが取り付けられ、これらフランジ部１５ａと端面板１５ｂとの間に形成される空間に前記レバー２１が挿入されて固定されるようになっている。
【００２０】
こうして、後述する先行ビット６の押出し時には、連結ピンを端面板１５ｂの端面側からレバー２１を貫通するように挿通してフランジ部１５ａに取り付けるとともに、フランジ部１５ａを支持ブラケット１４に固定しているボルトを取り外してカムシャフト回転軸１５を回転可能な状態にする。この状態で、押出し用ジャッキ１９を伸長させると、図２（ｂ）で二点鎖線にて示されるようにレバー２１が回動操作されてカムシャフト回転軸１５が回転される。一方、シールド掘進機の掘進中には、前記連結ピンを取り外すとともに、カムシャフト回転軸１５のフランジ部１５ａを支持ブラケット１４にボルト締結して、カムシャフト回転軸１５をセンターシャフト２に固定する。これにより、掘進中においてカムシャフト回転軸１５はカッタヘッド３と一体回転し、このカッタヘッド３に対して押出し用ジャッキ１９はフリー状態となる。
【００２１】
次に、先行ビット６を支持するビット支持部の構造について説明する。図３、図４に示されているように、前記スポーク５の前面板５ａには、内周面に段部２２ａを有する略円筒状の支持座２２が固着され、この支持座２２の内周側にホルダ２３が装着され、このホルダ２３に前記先行ビット６が支持されている。前記ホルダ２３は、切羽側にフランジ部２３ａを有する略円筒状のホルダ本体２３Ａと、このホルダ本体２３Ａの切羽側を覆うようにそのホルダ本体２３Ａに嵌合され、外周部にフランジ部２３ｂを有する略円板状のカバー２３Ｂとにより構成され、これらホルダ本体２３Ａおよびカバー２３Ｂの各フランジ部２３ａ，２３ｂが前記支持座２２の段部２２ａにボルトにて共締めされることで、これらホルダ本体２３Ａおよびカバー２３Ｂよりなるホルダ２３が支持座２２に固定される。また、前記ホルダ本体２３Ａの機内側端部の内周面は段部２３ｃを介して厚肉に形成され、この厚肉部の内周面に後述する先行ビット６のスプライン歯６ｂに嵌合する溝部が形成されている。
【００２２】
一方、前記ホルダ２３に支持される先行ビット６は、その軸部が略円柱状に形成されてその基端部寄りの位置に大径部６ａを有し、この大径部６ａの基端側の外周面にスプライン歯６ｂを有する形状とされている。こうして、このスプライン歯６ｂが前記ホルダ本体２３Ａ内周面の溝部に嵌合することで、小さな面圧でホルダ２３に対する先行ビット６の回り止めができる構造とされている。また、前記大径部６ａの切羽側であって、先行ビット６外周面とホルダ本体２３Ａ内周面との間にはチャンバ（グリース溜り室）２４が形成されている。このチャンバ２４にはグリース流路２５が接続され、このグリース流路２５から分岐するグリース供給路２６側にはチェック弁２７が、またグリース排出路２８側にはリリーフ弁２９がそれぞれ介挿されている。前記チャンバー２４内には、掘進前に図示されない給脂ポンプによりグリース供給路２６およびグリース流路２５を介してグリースが充填される。このとき、先行ビット６はリリーフ弁２９のセット圧（リリーフ圧）によってその大径部６ａの機内側端面がホルダ本体２３Ａの段部２３ｃに押し付けられた状態となる。なお、前記先行ビット６の大径部６ａとホルダ本体２３Ａとの摺接面および先行ビット６の軸部とカバー２３Ｂとの摺接面にはそれぞれシール部材３０が介挿されている。
【００２３】
前記先行ビット６の基端面には、前記カムシャフト１６の外周面に配されるカム３１が当接される。本実施形態において、前記カム３１のカムプロフィルは、カムシャフト１６の回転中心Ｏに対して半径Ｒ_１の円弧面（第１段カム面）Ａ_０〜Ｂ_０と、半径Ｒ_２（Ｒ_２＞Ｒ_１）の円弧面（第２段カム面）Ａ〜Ｂと、半径Ｒ_３（Ｒ_３＞Ｒ_２）の円弧面（第３段カム面）Ｃ〜Ｄと、半径Ｒ_４（Ｒ_４＞Ｒ_３）の円弧面（第４段カム面）Ｅ〜Ｆとよりなる４段のカム面を備え、隣接するカム面もしくはカムシャフト面間、言い換えれば点Ｂ_０〜点Ａ間、点Ｂ〜点Ｃ間、点Ｄ〜点Ｅ間および点Ｆ〜点Ｇ間が直線にて連結された形状とされている。ここで、互いに隣接する各円弧面Ａ_０〜Ｂ_０、Ａ〜Ｂ、Ｃ〜Ｄ、Ｅ〜Ｆの中心位置と回転中心Ｏとを結ぶ線分同士のなす角度θはそれぞれ等しい角度になっている。
【００２４】
次に、図５を参照しつつ、先行ビット６が第２段カム面Ａ〜Ｂから第３段カム面Ｃ〜Ｄへリフト動作を行う場合についての先行ビット６の動作について説明する。
【００２５】
いま、カム３１が第２段カム面Ａ〜Ｂの中心位置Ｑにおいて先行ビット６の基端面と接触（線接触）している状態から、カム３１が矢印Ｐ方向に回転されると、この接触位置がＱからＢに移動する間は、カム面Ａ〜Ｂが回転中心Ｏを中心とする円弧面であることから先行ビット６はリフト動作を行わない。この後、カム３１が位置ＢからＢ'（先行ビット６の最大幅部がＣに当接したときの先行ビット６の中心位置）の間を移動する際には、先行ビット６は高さＨ−Ｒ_２（ただし、Ｈは位置Ｂ'でのリフト高さ）分だけ徐々にリフト動作を行っていき、さらに位置Ｂ'からＣの間を移動する際には、先行ビット６は高さＨ'−Ｈ（ただし、Ｈ'は位置Ｃでのリフト高さ）分だけ徐々にリフト動作を行っていく。そして、カム３１が位置Ｃに至ると、高さＲ_３−Ｒ_２だけリフトしたことになり、この後カム３１がＣからＤに移動する間は、先行ビット６は一定位置（Ｒ_３−Ｒ_２）を保持する。
【００２６】
以上のように構成されているので、先行ビット６の先端が摩耗した際には、連結ピンによってレバー２１をカムシャフト回転軸１５に取り付けるとともに、フランジ部１５ａを支持ブラケット１４に固定しているボルトを取り外してカムシャフト回転軸１５を回転可能な状態にし、この状態で、押出し用ジャッキ１９を所定ストローク伸長させてカムシャフト回転軸１５を所定角度回転させる。そうすると、傘歯車１７，１８の噛合によってカムシャフト１６が所定角度（θ）だけ回転され、カム３１の回転によって、このカム３１と先行ビット６の基端面との当接位置が、第１段カム面Ａ_０〜Ｂ_０の中心位置Ｑ_０（図４参照）から第２段カム面Ａ〜Ｂの中心位置Ｑ_１に移動し、これによって先行ビット６が切羽側へ所定量（Ｒ_２−Ｒ_１）だけ押出される。このとき、先行ビット６の基端面が第２段カム面Ｑ_１に当接する範囲（円弧Ａ〜Ｂの範囲）にあれば先行ビット６の押出し量は一定であるため、カムシャフト１６の回転角度を厳密にθに一致させる必要はない。
【００２７】
この先行ビット６の押出し時に、チャンバ２４内に封入されているグリースはリリーフ弁２９から徐々にタンク側に漏出され、この所定量の押出し後において、先行ビット６はその押出し位置に固定される。なお、この押出し時には先行ビット６のスプライン歯６ｂがホルダ本体２３Ａ内周面の溝部に嵌合することで、先行ビット６は回転することなく摺動される。また、先行ビット６が所定量だけ押出された後は、切羽側からチャンバ２４内のグリースをリリーフさせるだけの力（引っ張り力）が作用しない限りは、それ以上切羽側に突出することはない。勿論、先行ビット６は機内側に対してもカム３１およびカムシャフト１６によって移動することはない。
【００２８】
なお、先行ビット６を所定量だけ押出した後は、カムシャフト回転軸１５のフランジ部１５ａを支持ブラケット１４にボルト（もしくは連結ピンにて）締結して、カムシャフト回転軸１５をセンターシャフト２に固定するとともに、レバー２１をカムシャフト回転軸１５に取り付けている連結ピンを取り外して、カッタヘッド３に対して押出し用ジャッキ１９をフリー状態にする。
【００２９】
以上のように、本実施形態の押出し機構によれば、極めて簡単な構造によって先行ビットの押出しおよび固定を確実に行うことができる。また、従来構造のようにスプリング等を用いることがないので、破損等が発生することはなく、耐久性の面でも優れている。
【００３０】
また、本実施形態においては、カム３１の先行ビット６との当接面が常に円弧面になるようにそのカムプロフィルが設定されているので、掘進中における先行ビット６の使用時に、カムシャフト１６に回転モーメントが作用することがない。したがって、回転モーメントにより先行ビット６の突出量が変化することがなく、この先行ビット６を確実に固定することができるという利点がある。また、カムシャフト１６の回転角度を厳密にθに一致させなくても所定のビット押出し量を得ることができるため、押出し機構１２の回転・固定が非常に簡便となる。さらに、前記カム３１は、所定回転角度（θ）毎に先行ビット６の押出し量を徐々に増加させる複数段（本実施形態では４段）のカム面を備えているので、このカム３１を一定角度だけ回転させれば一定の突出量だけビット先端を突出させることができ、その突出量が定め易いだけでなく、回転後における位置固定が例えばピン等を用いて容易に行うことができるという利点もある。
【００３１】
さらに、本実施形態の押出し機構によれば、スポーク５内に配されたカムシャフト１６を回転させるのに、このスポーク５内に収納された油圧モータ等を用いずに、掘進機本体１内に配される押出し用ジャッキ１９を用いているので、従来とほぼ同じ大きさのスポークを用いることが可能である。また、スポーク５上に配置された複数個のビットを１本のカムシャフト１６の回転により同時に突出させることができるので、突出量の制御を極めて容易に行うことができるという利点がある。
【００３２】
本実施形態においては、カッタヘッド３の内周側および外周側にかかわらず、先行ビット６の押出し量を均一に設定するものについて説明したが、一般的に、内周側に比べて外周側のビットにおいてはその摩耗量が大きいことから、内周側に対して外周側のビットの押出し量が大きくなるように前記カムの形状を設定することができる。また、内周側と外周側とでカムの高さそのものを変えるようにするほか、外周側のカムが第２段のカム面のときに内周側のカムが第１段のカム面となるような形状としても良い。このような構成によれば、外周側のビットにおいても、常に、内周側のビットと同様の適正な初期突出量を維持することができる。
【００３３】
本実施形態においては、先行ビット６の回り止め手段として、スプライン係合を用いたものを説明したが、この回り止め手段としては、ビットの基端部を四角形もしくは六角形等の多角形形状にしても良いし、あるいは円筒形状のビットにキリ穴をあけ、このキリ穴に回り止めのピンを挿通するようにしても良い。
【００３４】
本実施形態においては、先行ビット６の押出し時に、チャンバ２４内のグリースを漏出させるものとしたが、カム形状によって先行ビット６が一旦機内側に押し戻されることがある場合には、図示されない給脂ポンプによりグリース供給路２６を介してチャンバ２４内にグリースを補給するようにすることができる。
【００３５】
また、漏れが生じにくい点からグリースを用いるのが最も適切であるが、潤滑油を用いても同様の構造とすることも可能である。他の流体（水など）を用いることも可能であるが、グリース・潤滑油などの潤滑性のある粘性流体／流体を用いる方が望ましい。
【００３６】
本実施形態においては、先行ビット６の押出し機構について説明したが、本発明の考え方は、ツールビットの押出し機構に対しても適用することができる。図６（ａ）（ｂ）には、ツールビットに適用した本発明の他の実施形態に係るカッタビット装置の正面図およびそのＤ−Ｄ断面図がそれぞれ示されている。
【００３７】
本実施形態において、ツールビット８の基端面がカムシャフト１６の外周面に配されるカム３１によって押出される点およびそのカム３１のカムプロフィルが押出し量を徐々に増加させるカム面に形成されている点等については、先の実施形態と同様であるので、その詳細な説明を省略することとする。
【００３８】
本実施形態では、スポーク５の左右の各ツールビット８がスポーク５の長手方向に沿って位相をずらせて千鳥状に配置され、それら各ツールビット８に対してカム３１が独立に設けられている。このような構成にすることにより、カムシャフト１６を所定角度だけ回転させることで、各ツールビット８を一斉に押出し操作することができる。勿論、これらツールビットと同時に先行ビットも同時に押出せるような構造を採用することもできる。
【００３９】
前記各実施形態においては、ビット先端が摩耗したときに、ビットを押出し操作するものとしたが、この摩耗を検知する手段として、図７に示されているように、ビット３２内に超音波センサ３３を内蔵しておき、この超音波センサ３３からビット先端に向けて発する超音波に基づきそのビット先端までの距離を検知してその摩耗量を検知する検知手段を用いるのが好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るシールド掘進機の要部縦断面図である。
【図２】図２は、図１のＡ矢視図（ａ）およびＢ矢視図（ｂ）である。
【図３】図３は、図２（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。
【図４】図４は、図３の要部拡大図である。
【図５】図５は、先行ビットのリフト動作説明図である。
【図６】図６は、他の実施形態に係るカッタビット装置を示す正面図（ａ）およびそのＤ−Ｄ断面図（ｂ）である。
【図７】図７は、ビット摩耗検知手段を示す図である。
【図８】図８は、従来のカッタビット装置の説明図である。
【符号の説明】
１掘進機本体
３カッタヘッド
５スポーク
６，７先行ビット
６ｂスプライン歯
８ツールビット
１２押出し機構
１５カムシャフト回転軸
１６カムシャフト
１９押出し用ジャッキ
２３ホルダ
２４チャンバ
２５グリース流路
２９リリーフ弁
３１カム

Claims

カッタヘッド内に配されるビット支持部に、押出し手段によってビットを押出し可能に支持してなるカッタビット装置において、
前記押出し手段が、前記ビットの基端面に当接されるカムと、このカムを回転させるカム回転手段とを備え、前記カムは、所定の回転角度で所定のビット押出し量を有する複数段のカム面を有し、前記複数段のカム面は、前記所定の回転角度近傍の一定の角度範囲においてビット押出し量が一定となるような形状であることを特徴とするカッタビット装置。
前記カムは、少なくとも３段以上のビット押出し量のカム面を有し、所定回転角度毎に前記ビット押出し量を徐々に増加させるものである請求項１に記載のカッタビット装置。
前記ビットは、前記カッタヘッドの前面に放射状に設けられるスポークの長手方向に沿って位相をずらして配され、１本のカムシャフトに装着されるカムによって前記位相をずらして配された複数のビットが同時に押出される請求項１または２に記載のカッタビット装置。
前記カッタヘッドの内周側に対して外周側のビットの押出し量が大きくなるように前記カムの形状が設定される請求項１〜３のいずれかに記載のカッタビット装置。
前記ビットが前記ビット支持部に対してその軸心周りに回動するのを防止する回り止め手段が設けられる請求項１〜４のいずれかに記載のカッタビット装置。
前記ビットとビット支持部との摺動部に粘性流体または流体が封入され、この粘性流体または流体の流出回路中にリリーフ弁が介挿されて、このリリーフ弁の設定圧によって前記ビットが反切羽側へ向けて押圧力を付与される請求項１〜５のいずれかに記載のカッタビット装置。