JP2010500927A - 多分割衝撃ドリルビット集成体 - Google Patents

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Abstract

【課題】 ドリルビット集成体のシャンクを捨てる必要なく（滅多に交換、再度の取り付けをする必要なく）、空気圧式衝撃ダウンホールハンマー（down-hole-hammer）のドリルビット集成体のビットヘッドを用意に交換できるようにすることによって、大径の地層穴を掘削するための総コストを削減するための新たな方法及び製品を提供すること、及び掘削力の分離を提供すること、又は、結合したシャンクとビットヘッド部品に捩り力、衝撃力、引き抜き力を加えるかを選択的に適用、回避することによって、特定の力や用途により適した部材の設計方法、及び、ドリルビット集成体を提供すること。
【解決手段】 保持部材によって軸方向にその運動が制限され、凹凸構造によって回転駆動される容易に取り外し可能なビットマットからなるドリルビット集成体。
【選択図】 図２

Description

本発明は、概して言えば、大径空気圧式衝撃ハンマーに係り、特に、ビット（いわゆるドリルの刃部：drill bit）が取り外し可能とされた大型ドリルビット集成体に関する。
［関連出願の相互参照］
本出願は、２００５年６月１０日に出願された米国仮出願第６０／６８９，３７６号の利益を主張する、２００６年６月７日に出願された先行する非仮出願第１１／４２２，６２５号の一部継続出願である。本出願は、参照により、２００６年６月７日に出願された非仮出願第１１／４２２，６２５号と２００５年６月１０日に出願された仮出願第６０／６８９，３７６号とを取り込むものである。
［関連技術の説明］
使用現場における激烈な環境条件のために、どのようなドリルビット集成体のビットヘッドも、一般に、シャンクよりも早く損耗することが知られている。シャンクは未だ作動可能であるのに、丸ごと捨てられてしまうドリルビット集成体もある。これは、ドリルビット集成体のビットヘッドの損耗が余りにも激しいと、ビットヘッドを正常な状態にまで再生することができないという事実による。
ドリルビット集成体のビットヘッドを定期的に取り替えたり、ビットヘッドにおけるビット集成体切削要素の目立て（dressing）を行ったり、あるいは、ドリルビット全体を取り替えたりすれば、ドリルシステムの全体的な生産性は著しく増大するであろうことは、経験的によく知られている。また、ドリルビット集成体全体の保守や交換を行うとすれば、運転全体にかなりの費用がかかることもよく知られている。大型ドリルマシンの損耗したドリルビットヘッドを取り替えたり或いは目立てをするための既存の方法は費用がかかり、人手を要し、作業を成し遂げるに利用される機械によっては、ときとして、危険も伴う。ドリルビットにおける切削要素の目立てには、非常に人手を要し、現場では十分に施工できない場合もあり、さらには、繰り返しとなるが、運転全体の費用が嵩むこととなる。
そのため、ドリルビットを効率的に掘削させつづけるという必要性をバランスすることにあらゆる努力がなされ、同時に、ドリルビットを可能な限り長い間、使用可能状態に保つことによって、運転費用を減少させる試みがなされている。ビットヘッドを取り替えるのは、ドリルビット集成体のドリルビットヘッドを運転の間中できるだけ効率の良い状態に維持するためであり、またドリルビット集成体のビットヘッドの取り替えを簡単かつ最小限の作業時間で可能とすることによって、ドリルビット集成体の運転費用を最小にするためである。
大型ドリルビット集成体は、そのような大型ドリルビット集成体を製造するのに必要な特殊な工作機械や、高価な鍛鋼品が必要となることから、非常に高価であることもよく知られている。もし、地層の掘削のための適当な他の手段が見あたらないならば、これらの問題点及びそのような製品が販売されるべき市場規模が限られていることもあり、これらのとりわけ大型ドリルビット集成体の運転費用は、ときとして、その種のサイズの普通の掘削運転としては受け入れ難い費用条件にまで高騰する。
ドリルビット集成体のビットヘッドを取り替えようと試みた多くの設計例が存在するものの、それらは主として、より小型のドリルビット集成体や、ビット集成体の背後に位置する掘削した穴へ鋼鉄製の筐体を引き入れる必要性について焦点を当てるものである。
Ｒａｙ Ｒ． Ｓａｎｄｅｒｓｏｎによる米国特許第１，９９５，０４３号は、かき回し（churn）掘削又は衝撃掘削に用いられる掘削要素の取り替えについて示している。ビット集成体の前方作動部は、損耗時には取り替え可能とされている。
Ｒｏｂｅｒｔ Ｅ． Ｃｏｎｏｖｅｒによる米国特許第３，１５２，６５４号及び米国特許第３，２６０，３１９号は、固体保持ピン及びロールピンによって位置を保持した取り替え部分を有する衝撃式ドリルビットについて示している。
Ｋｅｎｎｅｔｈ Ｍ． Ｗｈｉｔｅによる米国特許第４，０５１，９１２号は、ネジ切りされかつくさび止めされた取り替え可能な前方作動部分を有するビット集成体について示している。
Ｊｏｈｎ Ｆ． Ｋｉｔａ他による米国特許第４，０８３，４１５号は、ネジ切りされたプラグによって固定された鋼球を用いて固定された取り替え可能な前方作動部分を有するビット集成体について示している。
Ｒｏｂｅｒｔ Ｌｏｖｅｌｌ他による米国特許第４，０８５，８０９号は、ネジ切りされた設計を用いて集成された取り替え可能なビットヘッド及びその部品を有するドリルビット集成体について示している。
Ａｌｌｅｎ Ｅ． Ｂａｒｄｗｅｌｌによる米国特許第４，４６６，４９８号は、ボルト又はネジ切りされた締結具を利用して固定された取り替え可能なビットヘッドを有するドリルビット集成体について示している。
Ｊａｃｋ Ｈ． Ｐａｓｃａｌｅによる米国特許第４，９１９，２２１号は、駆動スプライン螺旋固定手段によって、結合及び保持された取り替え可能なビットヘッドを有するドリルビット集成体について示している。
Ｙｏｓｈｉｍｉ Ｉｓｈｉｄａ他による米国特許第５，１１３，５９４号、及びＴａｋｅｓｈｉ Ｈａｙａｓｈｉ他による米国特許第５，１３９，０９９号は、その内部でビットヘッドが回転可能なように結合されたドリルビット集成体の取り替え可能なビットヘッドを具備するドリルビット集成体について示している。
Ｊａｃｋ Ｈ． Ｐａｓｃａｌｅによる米国特許第６，０２１，８５６号は、環状部分によって位置を保持される取り替え可能なビットヘッドを有するドリルビット集成体について示している。
Ａｄｒｉｓ Ｌ． Ｈｏｌｔｅによる米国特許第５，７８７，９９９号及び米国特許第５，９７５，２２２号は、アンダーリーミング（under reaming）システムにおいて用いられる取り替え可能な出没アームを有するドリルビット集成体について示している。
上記において列挙し、又は知られた先行特許は、いずれも、一組の凸部を有するビットヘッドを回転駆動すること、及び、ビットヘッドの着脱を容易とするためのロールピンで位置を保持された固体保持部材により、ドリルビット集成体内にビットヘッドを保持させることについての考慮を含んでいない。さらに、上記特許のいくつかは、衝撃力エネルギーの伝達のために、強固にドリルビット集成体のビットヘッドをシャンクに結合しようとしているが、これは本来的に保持部材の寿命を制限することが分かっている。さらに、上記特許は、いずれも、掘削力を、各部材をその用途により一層適するようにする、予め設計された力へと分離することについては、言及もしていないし、試みてもいない。
［発明の簡潔な概要］
本発明の主な目的は、ドリルビット集成体のシャンクを捨てる必要なく（滅多に取り替えや目立てをする必要なく）、空気圧式衝撃ダウンホールハンマー（down-hole-hammer）のドリルビット集成体のビットヘッドを容易に取り替え可能とすることによって、大径の地層穴（earth formation holes）を掘削するための全費用を削減するための新たな方法及び製品を提供することにある。
本発明の他の目的は、シャンク内に装着されるビットヘッドのサイズやデザインの変更を効果的に許容することにより、ドリルビット集成体のシャンクの利用度を高め、多数のドリルビット完品からなるコストのかかる在庫を減らすことによって、全体のシステムの維持費用を減らすことにある。
本発明のさらに他の目的は、空気圧式衝撃装置からドリルビット集成体全体をまるごと取り外す必要なく、ドリルビット集成体のビットヘッドの簡単で安全な取り替えを可能とすることにある。なお、高価な補助機器を必要とすることなく、ドリルビット集成体のビットヘッドの取り替えを遂行することが好ましい。
本発明の他の目的は、掘削能力又は効率を減少させることなく、時計回り又は反時計回りの回転掘削方向において、本発明を作動できるようにすることにある。
本発明の他の目的は、掘削力を分離させること、又は、シャンクとビットヘッドとの結合体の各部品に、捩り力が選択的に加わり、又は捩り力が加わらないようにすること、そうすることによって、設計が改善されて、各部材が特定の力や用途により適したようになることにある。
本発明は、ビットに対してシャンクを回転させながら、シャンクとビットとの結合体の各部分に対して、捩り力を選択的に加え又は加えないで、シャンクをドリルビットに結合する方法を提供する。シャンクパッセージ領域を有するシャンクパッセージを有するシャンクが提供される。ビットパッセージ領域を有するビットが提供される。シャンクパッセージ領域やビットパッセージ領域より小さい保持部材領域を有する保持部材が提供される。シャンクは、シャンク側が凹部（又は凸部）で、ビット側が相補的な凸部（又は凹部）となる相補的な凹凸構造を有し、ビットとシャンクとが回転して係合した際、凸部と凹部とが係合する。運転状態においては、シャンクとビットとが係合し、相補的な凹凸構造が係合する。係合している間、シャンクパッセージ領域とビットパッセージ領域とが整合する。保持部材は、シャンクとビットの整合領域へと挿入される。係合している間中、シャンクはビットに対して回転する。シャンクとビットが回転している間は、凹凸構造が、加えられるすべての捩り力を吸収し、保持部材には何らの捩り力も加えられない。
本発明は、また、加えられる掘削力をドリルビット集成体の個々の部品に分離するドリルビット集成体を作り出すために、ドリルビットとシャンクとを結合させる方法を提供する。シャンク引き抜き荷重アタッチメント部材、シャンクねじり荷重部材、及びシャンク衝撃力部材とを有するシャンクが提供される。シャンク引き抜き荷重部材アタッチメント部材、シャンクねじり荷重部材、及びシャンク衝撃力部材は、すべて互いに独立な部材であり、シャンクの一部である。ビット引き抜き荷重アタッチメント部材、ビットねじり荷重アタッチメント部材、及びビット衝撃力部材とを有するビットが提供される。ビット引き抜き荷重アタッチメント部材、ビットねじり荷重部材、及びビット衝撃部材は互いに独立な部材であり、ビットの一部である。シャンクはビットと係合される。シャンクはビットと係合するので、シャンク引き抜き荷重アタッチメント部材はビット引き抜き荷重アタッチメント部材と係合し、従って、ビット集成体が引き抜かれるとき、引き抜き力は引き抜き荷重アタッチメント部材にかかり、ねじり荷重部材や衝撃力部材にはかからない。シャンクはビットと係合するので、シャンクねじり荷重部材とビットねじり荷重部材とは係合し、従って、ビット集成体が回転するとき、回転力はねじり荷重部材にかかり、引き抜き荷重アタッチメント部材や衝撃力部材にはかからない。シャンクはビットと係合するので、シャンク衝撃力部材はビット衝撃力部材と係合し、従って、ビット集成体が衝撃を受けるとき、衝撃力は衝撃力部材にかかり、引き抜き荷重アタッチメント部材やねじり力部材にはかからない。
本発明は、また、ドリルビット集成体を提供する。ドリルビット集成体は、シャンクのスカート部分にシャンクパッセージを有するシャンクを有する。スカート部分は開口部を有する。シャンクパッセージは、シャンクパッセージ領域を有する。シャンクパッセージはシャンクスカート部分の外表面から始まり、シャンクスカート部分の開口部における、シャンクスカート部分の内表面において終わる。ドリルビット集成体は、センタスタッド（center stud）を有するビットを有している。センタスタッドはある領域を有しているので、シャンクとビットとが組み付けられたとき、シャンクのスカート部分に適合することができる。センタスタッドは、ビットパッセージ領域を有するビットパッセージを有している。シャンクとビットとが組み付けられたとき、ビットパッセージとシャンクパッセージとは整合される。シャンクパッセージ領域及びビットパッセージ領域よりも小さい保持部材領域を有する保持部材がある。シャンクとビットとが組み付けられたとき、保持部材はシャンクパッセージへと挿入され、ビットパッセージまで及ぶ。保持部材は取り外し可能なので、保持部材が取り外された場合には、ビットとシャンクは分離可能である。シャンクは、凸部又は凹部を底部に設けることができる。ビットは、凹部又は凸部を底部に設けることができる。
ビットパッセージはシャンクパッセージ領域よりも大きくてもよい。その逆もまた用いることができ、つまり、ビットパッセージ領域はシャンクパッセージ領域よりも小さくてもよい。
凸部は、衝撃方向に対して垂直となる凸部表面を有してもよい。凹部は衝撃方向に対して垂直な凹部表面を有してもよい。凸部表面は凹部表面とは接触しない。
凹部は、損耗パッドを有してもよい。
凸部は、損耗パッドを有してもよい。
ドリルビット集成体は、シャンク衝撃力表面及びビット衝撃力表面を有してもよい。シャンク衝撃力表面はビット衝撃力表面と接触する。
センタスタッドは損耗バンドを有してもよい。開口部は損耗バンドを有してもよい。
保持部材は中空、円柱状、内部のネジ切り、長方形、又は、これらの構成のいずれの組み合わせであってもよい。保持部材は可撓性であってもよい。保持部材は衝撃エネルギー遮断器を支持するための溝を含んでいてもよい。
［字句の説明］
「ドリルビット」：
ａ．様々な方法を介して衝撃伝達装置に係合され、それにより、衝撃伝達装置によって回転され、かつ衝撃伝達装置に関してその軸方向の移動範囲（travel）が制限されるように保持される、取り替え可能な衝撃受容（receiving）アタッチメント。このドリルビットは、破砕、切断、掘削のために、エネルギーを衝撃伝達装置から岩層へと移送するために用いられる。
ｂ．衝撃エネルギー又は打撃エネルギーを、掘削したい地層へと移送するために用いられる衝撃受容機構装置。
「ドリルビット集成体」：
組み付けられると、岩層を掘削する衝撃伝達装置と連結して用いられる、同様な取り替え可能な衝撃受容（receiving）アタッチメントとなる複数の構成要素。この該集成体は、通常、装置係合部分と岩層係合部分（作業部分）とに分離される。従って、これらの部分のそれぞれを、独自のインターバルで、取り替えることができる。
「シャンク」：
ａ．衝撃発生装置に対して係合するか、又は衝撃発生装置に対する連結部品となる、ドリルビット又はドリルビット集成体の一部。
ｂ．ドリルビット又はドリルビット集成体の装置衝撃受容（receiving）部分。
「ビットヘッド」：
掘削のための岩層と係合するビット又はビット集成体の衝撃エネルギー伝達部分。ビットヘッドは多くの形状及び構造に設計できる。それはより固く、より耐摩耗性を有する物質からなる岩層の切削要素又は破砕要素を通常含んでいる。
「シャンクとドリルビットとを結合すること」：
ドリルビットのシャンク部分とドリルビットの作業部分とを別々の物体に分離するためには、それらの個片を結合又はつなぎ合わせる（co-join）ための方法を開発しなければならない。結合するとは、この事例では、機械的な部品によって、制限された相対的に独立した移動距離（travel）を確保した上で、両者を一体化又は連結することを意味している。
「シャンクとビットの結合体の各部に、捩り力が選択的に加わり、又は捩り力が加わらないように、すること」：
機械的な設計を通して、衝撃発生装置と連通したドリルビット集成体の運転中に発生する力を分離させることができる。そのような力の一つは、地層の掘削を援助する運転中に回転することが必要となるビット集成体装置の性質による捩り又は回転力である。
「パッセージ」：
何かが通過（pass）するであろう通過路（path）、溝（channel）、溝（groove）、穴（hole）、細長い穴（slot）又は管（duct）。本設計におけるそのようなパッセージの一つは、保持部材をガイドするために用いられる開口部（opening）に代表される。
「パッセージ領域」：
シャンク部分及びビットヘッド部分の両方におけるパッセージの断面領域及び断面形状。それは、穴の直径や、溝（channel）又は溝（groove）の幅であってもよい。
「保持部材」：
ビットとシャンクとを結合する構成要素。ドリルビット集成体のシャンク部分に関して、一体に連結されたビットヘッドの軸方向移動距離を制限するビットヘッドパッセージ内、及びシャンクパッセージ内に含まれる構成要素。それは円形の断面領域を有してもよい。それは線状接触表面のみを提供する円形断面領域とは逆に、平面状接触表面を提供する長方形断面領域を有していてもよい。
「保持部材領域」：
保持部材の断面領域及び断面形状を表したもの。保持部材が円形ならば、保持部材の直径となる。保持部材は長方形のパラメータであってもよい。
「相補的」：
互いに関連するシステム又は適合（matching）する構成要素。それは回転力のような特定の力を伝達する総体システムであってもよい。
「凸部」：
相補的な受容器（receptacle）と係合するために、通常の作動表面を超えて及ぶ凸部（protrusion）、凸部（projection）、又はつまみ（stem）。
「凹部」：
ビット集成体における回転力の伝達を容易にする、凸部（lug）又はつまみ（stem）を受容する凹部（impression）又は凹所（recess）。
「凹凸構造」：
凸部と凹部とが結合したシステム。
「凸部と凹部とが係合される」：
凸部が摺動自在に凹部内へと一致（mate）したとき。凸部のすべての表面は、凹部のすべての表面と接触する必要はない。
「回転係合」：
衝撃発生装置を介して回転力がシャンクにかかったとき、及びビットヘッドと岩層との間の摩擦力によって引き抜き又は回転抵抗がビットヘッドの外側部分へ発生したとき、衝撃方向に対して平行な突部表面は、衝撃方向に対して平行な凹部表面と係合し、そのシステムは回転係合する。
「シャンクのビットとの係合」：
運転のために互いに結合する位置へとシャンクとビットとを移動させること。例は、ビットヘッドのスタッド部をシャンクの空洞部へと摺動させることを含む。
「相補的な凹凸構造の係合」：
運転のために互いに結合する位置へと凸部又は凹部とを移動させること。
「シャンクパッセージ領域とビットパッセージ領域との整合」：
保持部材を、シャンクパッセージ領域を通じてビットパッセージ領域に自由に通過させることができること、又はその逆も同様。この例としては、相補的凸部及び凹部構造が係合するとき、シャンクの穴がビットの穴と一致するので、保持部材は両方の穴を通って挿入され、ビットとシャンクとを結合することができる。
「係合中に保持部材はビットパッセージの内表面に接触しない」：
衝撃発生装置を介して回転力がシャンク部分にかかったとき、及びビットヘッドと岩層との間の摩擦力によって引き抜き抵抗又は回転抵抗がビットヘッドの外側部分へ発生したとき、保持部材は内側表面に接触しない。
「ビットパッセージの内側表面」：
ビットヘッドパッセージの形状の創出を援助する任意の面であって、移動距離が制限されていなければ保持部材が接触することができる面。
「係合中、ビットに対してシャンクを回転させる」：
シャンクを軸周りに動かすこと、及びシャンクはビットに順に結合するので、軸周りにビットを動かすこと。例としては、地層穴における回転引き抜き力、及びビットヘッド面（岩層を係合させるビットヘッドの機構（feature））と岩層との間で発生した引き抜き力によってビットが支配されたとき、シャンク部分は回転し、凸部表面と凹部表面とを接触させる。
「衝撃方向に対して垂直な凸部表面」：
衝撃発生装置におけるビット集成体の衝撃運転中、又は回転運転中の凹部構造と係合しない凸部表面。この例としては、凸部先端の水平表面である。
「衝撃方向に対して垂直な凹部表面」：
衝撃発生装置におけるビット集成体の衝撃運転中、又は、回転運転中のいかなる凸部表面とも係合しない凹部構造表面。この例としては、凹部の底部における水平表面である。
「衝撃方向に対して垂直」：
シャンク部分の中心軸に対して垂直に創造される平面として定義される。例としては、水平面であってもよい。
「損耗パッド」：
その用途に望ましい品質をもつ物質から作られる荷重を負担する取り替え可能な一片（piece）。それは輪（ring）であってもよい。
「シャンク衝撃力表面」：
衝撃方向に対して垂直なビットヘッドと接触するシャンク部分表面。その表面は、運転中において、シャンク部分からビットヘッドへのエネルギー伝達平面である。
「ビット衝撃力表面」：
衝撃方向に対して垂直なシャンク部分と接触するビットヘッド表面。その表面は、運転中において、シャンク部分からビットヘッドへのエネルギー伝達平面である。
「ビットのセンタスタッド」：
シャンクの一部を係合するために用いられるビットヘッドの機構（feature）。
「損耗バンド」：
その用途に望ましい品質をもつ物質から作られる荷重を負担する交換可能な一片（piece）。それは輪（ring）であってもよい。
「シャンク開口部」：
ビットヘッドスタブ（stub）と同様な幾何学的な形状をしたものを結合するためのビットヘッドを受容するシャンク部分における設計機構（feature）。
「衝撃エネルギー遮断器（isolator）」：
一の部材から他の部材への衝撃エネルギー伝達を減少又は除去するもの。
「加えられた掘削力の分離」：
掘削力は、地層穴中におけるビット集成体を回転させるために必要な回転力から構成されるので、ビットは、掘削が必要な岩層の初期部分に対して衝撃エネルギーを切断するか、又は、伝達する。他に必要となる力は衝撃力であり、それはビット集成体が結合される工具によって発生する。衝撃力は岩層を破砕するために必要である。運転に必要な他の力は、引き抜き力である。引き抜き力は、掘削工具及びビット集成体を、地層穴から除去するために必要な軸方向の力である。これらの力を分離し、集成体の特定の構成要素に加えること。これは、特定の構成要素をして、特定の独立した（separated）力に対して正確に設計された通りに作動させることを可能とする。
「シャンク引き抜き荷重アタッチメント部材」：
引き抜き力がかかるビット集成体のシャンク部分の機構。例としては、シャンクパッセージである。
「シャンク捩り荷重部材」：
捩り力又は回転力がかかるビット集成体のシャンク部分の機構。例としては、凹凸構造である。
「シャンク衝撃力部材」：
シャンク部分からビットヘッド部分へと衝撃エネルギーを伝達するために、衝撃力がかかるビット集成体のシャンク部分の機構。例としては、シャンク衝撃力表面である。
「独立部材」：
各部材又は機構は互いに独立なので、特定の力だけが特定の部材にかかる。部材は単一個片（piece）の一部であるが、互いに分離可能である。例えば、シャンクパッセージ、シャンク凸部、シャンク衝撃力部材はすべてシャンクの一部ではあるが、すべて別個の部材である。
「ビット引き抜き荷重アタッチメント部材」：
引き抜き荷重がかかるビット集成体のビットヘッドの機構。例としては、ビットパッセージである。
「ビット捩り荷重部材」：
捩り又は回転力がかかるビット集成体のビットヘッドの機構。例としては、凸部又は凹部である。
「ビット衝撃部材」：
衝撃力がかかるビット集成体のビットヘッドの機構。例としては、ビット衝撃力表面である。
「シャンクスカート部分」：
シャンク部分は、衝撃発生装置と係合するための部分と、組付けのためにビットヘッドスタブを受容する部分とからなる。シャンク部分が衝撃発生装置へと行き過ぎてしまうことを防止するため、シャンクの係合部分の直径より大きな直径が用いられる。直径の違いによって作り出された肩部からシステムと係合する突部又は凹部に向かう部分がスカート部分として定義される。スカート部分はビットヘッドのスタブのための受容開口部を有していてもよい。
「シャンクスカート部分の外側表面」：
シャンク部のシャンクスカート部における軸方向中心線から半径方向の最も外側の表面。
「シャンクスカート部分の内側表面」：
ビットスタブがシャンク部分と係合した領域において、内側表面が存在する。外側のシャンクスカート部分から半径方向内方において最も内側の表面。
［保持部材がシャンクパッセージに挿入され、ビットパッセージまで延びる］：
ビット部分パッセージ及びシャンク部分パッセージと類似しているが、しかし、より小さい幾何学的形状を有する保持部材が、シャンクスカートのシャンク部分に挿入され、ビットパッセージに入るまで延びていてもよい。保持部材は、シャンクパッセージに残存するほどに十分に長く、ビットパッセージ内にまで延びている。
「ビットの受容（receiving）部分」：
ビットの受容部分は、シャンク部分がビットヘッド部分と係合する領域である。それは、凹凸構造が存在する領域である。
「凸部及び凹部は回転力を伝達する」：
凹凸構造が係合し、回転力がドリルビット集成体のシャンク部分にかかるとき、凹凸構造は、シャンク部分とビットヘッド部分との間において、回転力を伝達する。
「保持部材は溝を含む」：
保持部材に半径方向に形成された溝は、衝撃運転中において保持部材へ移送される衝撃力の量を最小限にするのを助けるために用いられるオーリングを保持するために用いられる。
「保持部材は可撓性を有する」：
保持部材は一般に強固なものと考えられるが、しかし、掘削した地層穴からのビット集成体の引き抜きの間、異常な非一様軸荷重を吸収するのを助けるために可撓性のものと考えることもできる。
「ビットに対してシャンクを回転させること」：
凹凸構造の間の公差及び設計クリアランスのため、相対的回転運動がビットヘッドとシャンクとの間で生じる可能性がある。ビットに対してシャンクを回転させようと試みることは、衝撃方向に対して平行な凸部及び凹部表面を係合させるであろう。
「引き抜き力」：
地層掘削穴からビット集成体を取り除くのに必要な軸方向の力。引き抜き力はビットヘッドの外側表面と掘削穴との間で作用（react）する牽引力と合成された垂直力であり得るし、又は、ビットヘッドの外側表面と掘削穴との間で発生した純粋な牽引力たる水平な軸方向の力でもあり得る。
「シャンク引き抜き荷重アタッチメント部材とビット引き抜き荷重部材との係合」：
係合は保持部材を介してなされ、それはビットヘッドをシャンクに対して軸方向に結合する。軸引き抜き力をシャンクに対して及ぼすことによって、保持部材はシャンクと接触する。引き抜き力はその後保持部材を介してビットヘッドへと伝達され、ビットヘッドは掘削穴から引き抜かれる。
「シャンク捩り荷重部材とビット捩り荷重部材の係合」：
掘削運転中、回転力が衝撃発生装置を介してシャンクにかかる。そのような回転力は、捩り荷重部材と考えられる凹凸構造を介して伝達される。シャンク捩り荷重部材の例は凸部であり、ビット捩り荷重部材の例は凹部であろう。
「シャンク衝撃力部材とビット衝撃力部材との係合」：
シャンクからビットへと衝撃エネルギーを伝達するシャンクとビットとの間の接触をなす表面。ビットとシャンクを押しつける（push）ことによって、軸方向運動後に接触する表面は、ビットとシャンクの部材への衝撃を代表する表面である。
「ビット集成体は衝撃を受けている」：
衝撃発生装置が運転されると、それはビット集成体によって捉えられる衝撃を発生する（主に、シャンクが始めに、そして次にエネルギーがビットに対して伝達される）。ハンマーとノミと同様に想像することができる。ノミはハンマーによって衝撃を受けている。
「掘削中」：
ドリルビット集成体が地面下方向に向かって回転し、地面を掘削しているとき。例としては、ビットとシャンクが回転係合しているとき、ビット衝撃力表面はシャンク衝撃力表面と接触している。
［実施形態の詳細］
図１は、流体駆動掘削装置との接続のためのシャンク５、及び保持部材７を用いてシャンク５に関して軸方向の移動範囲が制限されたビット３を有し、凸部６７及び凹部１６を介して回転係合されるドリルビット集成体１を示す。凸部６７及び凹部１６は図１に示されていない。
図２、図３、及び図４は、ドリルビット集成体の一つの実施例を示す。ドリルビット集成体１は、シャンク５の駆動スプライン７１を介して掘削装置を用いて回転され、上部シャンクの肩部６９において掘削装置に保持される。掘削装置を作動させるために用いられる流体は、排出管２５を介してドリルビット集成体１に入り、ビット３内の排出ポート３５を介してドリルビット集成体１を出る。
衝撃エネルギーの衝撃力は掘削装置から伝達され、シャンク衝撃表面２４を介して受容され、シャンク５を介して伝達され、その後、互いに接触するシャンク衝撃力表面４７からビット衝撃力表面１５へと移送される。衝撃力はその後、切削要素７３（図１において示した）を介して、ビット３から掘削のための地層へと移送される。
ビット３は、凸部６７ａ、６７ｂ、６７ｃ及び凹部１６ａ、１６ｂ、１６ｃ（すべての３つの凹部は図１３に示される）からなる相補的構造によって回転駆動される。シャンク５は、凸部６７ａ、６７ｂ、６７ｃが凹部１６ａ、１６ｂ、１６ｃと接触することをもたらしつつ回転し、それはビット３の回転をもたらす。凸部６７ａ、６７ｂ、６７ｃは、すべて、衝撃方向に対して垂直な凸部表面４８を有する。この凸部表面４８は、凹部１６ａ、１６ｂ、１６ｃの衝撃方向に対して垂直な凹部表面４４と、軸方向においては、接触しない。これは、凸部６７ａ、６７ｂ、及び６７ｃと凹部１６ａ、１６ｂ、及び１６ｃとの間に隙間７７を生じさせる。唯一、隙間７７が図４に示されるが、すべての凸部と凹部に隙間が存在することが理解される。隙間７７によって、掘削工程中に衝撃力が加わったとき、凸部６７ａ、６７ｂ、６７ｃから凹部１６ａ、１６ｂ、１６ｃに対して衝撃力は伝達されない。
ビット３は、シャンク５のシャンクスカート部分６のシャンク開口部５７と係合する凹部１６ａ、１６ｂ、１６ｃ及びセンタスタッド４５を有する。ビットパッセージ３９はビット３のセンタスタッド４５内に位置し、掘削した地層穴からドリルビット集成体１の軸方向引き抜きをする間にのみ、保持部材７ａ及び７ｂと係合する。これは、ビットパッセージ３９領域よりも小さい領域を有するシャンクパッセージ１９ａ及び１９ｂを有することによって達成される。保持部材７ａ及び７ｂは、シャンクパッセージ１９ａ及び１９ｂの領域より小さく、ビットパッセージ３９領域より小さい末端（end）の断面領域を有する。
ビット３の凹部１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、シャンク５の凸部６７ａ、６７ｂ、６７ｃと係合する。凹部１６ａ、１６ｂ、１６ｃのすべては、時計回りビット表面４３及び反時計回りビット表面１８を有する。凹部１６ａ、１６ｂ、１６ｃは凸部６７ａ、６７ｂ、６７ｃと係合し、時計回り掘削運転中には、シャンク表面１３は摺動可能な状態で時計回りビット表面４３と接触する。凸部６７ａ、６７ｂ、６７ｃは凹部１６ａ、１６ｂ、１６ｃと係合し、反時計回り掘削運転中には、反時計回りシャンク表面６３は摺動可能な状態で反時計回りビット表面１８と接触する。保持部材７ａ及び７ｂがドリルビット集成体１に差し込まれている間は、シャンク５の凸部６７ａ、６７ｂ、６７ｃは、ビット３の凹部１６ａ、１６ｂ、１６ｃと係合が外れることはなく、これは掘削運転又は引き抜き運転中に、回転力がシャンク５からビット３に伝達されることを可能とする。
保持部材７及びビットパッセージ３９の形状が図４ｂに示されている。ビットパッセージ３９の領域は、楕円形状であり、掘削運転中及び掘削した地層穴からビット３を引き抜く間に、回転力が保持部材を介して伝達されないことを保証する平坦面部分４０を含む。ビットパッセージ３９の形状は、或いは円でもよい。ビットパッセージ３９の形状が円のとき、掘削中に回転力は保持部材７を介して伝達されない。しかし、円形のビットパッセージ３９であれば、公差によって、ドリルビット集成体１が穴から引き抜かれる際に、少量の回転力が保持部材７にかかることもあり得る。
シャンク５は、流体がドリルビット集成体１へと流入することを可能とする排気通路２３を有する排出管２５を有する。シャンク５からの流体は中心穴（bore）５２を抜け出て、センタスタッド中心穴５３を通ってビット３へと入り、ビット３の内部排出ポート５５を通ってビット３のセンタスタッド中心穴５３を抜け出る。
シャンク５は、運転中における掘削装置の回転係合のための駆動スプライン７１を含む。
ドリルビット集成体１の組み付けは、ビット３の平面部分４０付のビットパッセージ３９とシャンク５のシャンクパッセージ１９ａ、１９ｂとを整合させること、及びビット３の凹部１６ａ、１６ｂ、１６ｃとシャンク５の凸部６７ａ、６７ｂ、６７ｃとを整合させることから構成される。整合している間、ビット３のセンタスタッド４５は、ビット３のビット衝撃力表面１５及びシャンク５のシャンク衝撃力表面４７と接触するまで、シャンク５のシャンク開口部５７に向けて軸方向に位置決めされる。
保持部材７ａ及び７ｂの提供された溝２６（図１８、１８ａ）へと、同じ寸法のオーリングの組９ａ及び９ｂを配置することにより、同じ寸法のオーリングの組９ａ及び９ｂが、保持部材７ａ及び７ｂに取り付けられる。保持部材７ａ及び７ｂの溝２６に嵌め込まれた同じ寸法のオーリングの組９ａ及び９ｂは、保持部材７ａ及び７ｂへの衝撃エネルギー伝達量を減少させるために用いられる。衝撃エネルギーは、シャンク５から保持部材７ａ及び７ｂへと伝達される。ビットパッセージ３９は、保持部材７ａ及び７ｂの領域よりも大きい領域を有しており、それ故、掘削中や衝撃エネルギーがシャンク５にかかったときに、保持部材７ａ及び７ｂはビットパッセージ３９と接触しない。保持部材７ａ及び７ｂはビットパッセージ３９と接触しないので、保持部材７ａ及び７ｂからビット３に対して衝撃エネルギーは全く伝達されない。パッセージの構造は逆転することも可能であることに注意されるべきである。ビットパッセージ領域は、シャンクパッセージ領域よりも小さいパッセージ領域を有していてもよいので、保持部材が挿入された際、掘削中や衝撃エネルギーがシャンクにかかったときであっても、保持部材はシャンクパッセージ領域と接触しない。
同じ寸法のオーリングの組９ａ及び９ｂはまた、シャンクパッセージ１９ａ及び１９ｂと保持部材７ａ及び７ｂの保持部材領域５１（図１８）とによって創られる環状空間（annulus）を介した気流を制限するシールを提供する。保持部材７ａ及び７ｂは共に保持部材溝１７を有する。溝２６に挿入された同じ寸法のオーリングの組を有する保持部材７ａ及び７ｂは、保持部材７ａ及び７ｂの保持部材溝１７がロールピン挿入穴３７と一列に並ぶまで、シャンク５のシャンクパッセージ１９ａ及び１９ｂに位置決めされる。保持部材７ａ及び７ｂはビット３のビットパッセージ３９へと突き出ているべきである。ロールピン１１ａ及び１１ｂは、ロールピン１１ａ及び１１ｂが、ロールピン挿入穴３７とシャンク５のロールピン引抜き穴２１との間に創られたロールピン穴の肩部３６で止まるまで、シャンク５のロールピン挿入穴３７に挿入される。保持部材溝１７を係合することによって保持部材７ａ及び７ｂを保持する、挿入されたロールピン１１ａ及び１１ｂを、図４のＡ−Ａ線に沿って視た様子である図４ａを参照されたい。通常の掘削工程中、保持部材７ａ及び７ｂとビットパッセージ３９との間に接触はない。ひとたび、シャンク５に保持部材７ａ及び７ｂが挿入されると、ドリルビット集成体１は持ち上がり、掘削のために位置決めされる。ドリルビット集成体１が持ち上がっている間、ビットパッセージ３９に挿入された保持部材７ａ及び７ｂはビット３の重量を担う。
ドリルビットアセンブリ１は、シャンク５のシャンク肩部６９によって掘削装置に軸方向に保持され、シャンク５の駆動スプライン７１に回転係合される。掘削装置からの軸方向の力は、ドリルビット集成体１を地層に対して下方向に押し込み、シャンク５のシャンク衝撃力表面４７は、ビット３のビット衝撃力表面１５に接触する。接触は、その他のどの場所であっても、軸方向にシャンク５とビット３との間で生じない。センタスタッドの隙間７９が、シャンク５のシャンク開口表面４９とビット３のセンタスタッド表面４１との間に存在する。シャンク５の衝撃方向に垂直な凸表面４８はビット３の衝撃方向に垂直な凹表面４４と接触しない。隙間７７は、通常の掘削運転中、シャンク５の衝撃方向に対して垂直な凸表面４８とビット３の衝撃方向に対して垂直な凹表面４４との間に設けられる。通常の掘削運転中の衝撃エネルギー伝達のためのシャンク５とビット３との間の接触は、シャンク５のシャンク衝撃力表面４７とビット３のビット衝撃力表面１５との間で生じる。
それら２つの部分の間に一様な外側表面を創るために、シャンク５のシャンク外側表面５９は、ビット３のビット外側表面６１と同じ大きさである。
掘削した地層穴からのドリルビット集成体１の引き抜きは、地層穴からドリルビット集成体１を引き抜くのに必要な軸方向の力で構成される。ドリルビット集成体１のビット３の重量及び地層穴内のビット３の牽引力は、ビット３のビットパッセージ表面５４の保持部材７ａ及び７ｂを係合するのを助ける。掘削した地層穴からのドリルビット集成体１の引き抜きの間の回転トルクは、未だ、凸部６７ａ、６７ｂ及び６７ｃと凹部１６ａ、１６ｂ及び１６ｃとを介して伝達される。それらの突部と凹部は、時計回り回転の場合には、凸部６７ａ、６７ｂ及び６７ｃの時計回りシャンク表面１３と凹部１６ａ、１６ｂ及び１６ｃのビット時計回り表面４３とを介して係合し、反時計回り回転の場合には、凸部６７ａ、６７ｂ及び６７ｃの反時計回りシャンク表面６３と凹部１６ａ、１６ｂ及び１６ｃの反時計回りビット表面１８とを介して係合する。回転トルクのどの部分も保持部材７ａ及び７ｂを介して伝達されない。
ドリルビット集成体１の分解は、ロールピン挿入穴３７の直径よりも幾分小さいロールピン引抜き穴２１の大きさにおよそ等しい鍛練された鋼製パンチを利用することによって、ロールピン挿入穴３７からロールピン１１ａ及び１１ｂを押し出す（drive）ことに始まる。ドリル加工及びネジ切り加工されたネジ穴３１が、シャンクパッセージ１９ａ及び１９ｂから、保持部材７ａ及び７ｂの引抜きを助けるために、保持部材７ａ及び７ｂに存在する。ひとたび、ロールピン１１ａ及び１１ｂがロールピン挿入穴３７から除去されると、ネジ切りされたロッド（rod）、又は、予め作成されたスライドハンマーの一部が、ネジ切りされたネジ穴３１へとねじ入れられることにより、保持部材７ａ及び７ｂに装着される。ネジ切りされたロッド（rod）を装着することや、スライドハンマーを作動させることにより、シャンクパッセージ１９ａ及び１９ｂから、保持部材７ａ及び７ｂを引き抜くことができる。シャンク５のシャンクパッセージ１９ａ及び１９ｂから保持部材７ａ及び７ｂの両方が除去された後、ビット３のセンタスタッド４５とシャンク５のシャンク開口５７との係合を外すことで、シャンク５はビット３から持ち上げることが可能となる。
図５は、他の実施例について示す。ドリルビット集成体１０１は、第１の実施例で示した１個のビット３とは異なり、３個のビット１０３ａ、１０３ｂ及び１０３ｃを利用する。駆動凸部１６７ａ、１６７ｂ、１６７ｃ、保持部材１０７ａ、１０７ｂ及び１０７ｃの構成はすでに述べたシステムと同様である。
図５ａは、保持部材１０７ａが付された個片としてのビット１０３ａを有する部分におけるドリルビット集成体１０１について示す。
図６は、他の実施例について示す。ビット２０３を備えたドリルビット集成体２０１は、シャンク２０５からビット２０３への回転力を伝達するセンタスタッド２４１ａ、２４１ｂ及び２４１ｃと駆動凸部２６７ａ、２６７ｂ及び２６７ｃとを利用する。
図７は、他の実施例について示す。ドリルビット集成体３０１は、ビット３０３ａのセンタスタッド３４５とビット３０３ｂの外側輪３８１との間で、テーパ固定システムを利用して組み付けられた２つの個片としてのビット３０３ａ及び３０３ｂを有する。保持部材３０７と駆動凸部３６７ａ、３６７ｂ、３６７ｃ及び３６７ｄは、第１の実施例で示したものと実質的に同じように作用する。
図７ａは、２つの個片としてのビット３０３ａ、３０３ｂ、及び、保持部材３０７を有するドリルビット集成体３０１の断面図について示す。
図８は、他の実施例について示す。ドリルビット集成体４０１は、３つの個片としてのビット４０３ａ、４０３ｂ、及び４０３ｃを利用した、図７及び図７ａにおいて示したテーパ固定システムの組み合わせを有する。
図９は、他の実施例について示す。ドリルビット集成体５０１は、円柱状の駆動凸部５６７ａ、５６７ｂ、及び５６７ｃに押しあてられるという利用を除いては、第１の実施例に示したものと同様の概念を有する。
図１０は、他の実施例について示す。ドリルビット集成体６０１は、保持部材６０７ａ及び６０７ｂを除いては、第１の実施例で述べたものと同様の駆動凸部システムを有する。第１の実施例の保持部材７ａ及び７ｂがセンタスタッド６４５を介して係合させるのに対して、保持部材６０７ａ及び６０７ｂは、センタスタッド６４５の外側直径上でビット６０３を係合させる。当該設計は、地層穴からのドリルビット集成体６０１の引き抜きの間、引き抜きの力を負担させる領域をより多く発生させる。
図１０ａは、保持部材６０７ａ及び６０７ｂを有するドリルビット集成体６０１の断面図について示す。
図１１は、他の実施例について示す。ドリルビット集成体７０１は、図２乃至図４の第１の実施例で示した保持部材７ａ及び７ｂのバリエーションを有する。図１１は、両側から挿入でき、両側から引き抜くことができる１つのみの保持部材７０７について示す。当該保持部材７０７は、ビット７０３を介した気流の制限を最小限とすることを補助するために、中間部分７８３における直径が狭められている。
図１２は、第１の実施例のドリルビット集成体１について示す。シャンク５の駆動凸部６７ａ、６７ｂ、及び６７ｃは、凸部損耗バンド６８ａ及び６８ａ’を有する。損耗バンド６８ａは、時計回りシャンク表面１３上に位置している。損耗バンド６８ａは、反時計回りシャンク表面６３上に位置している。
ビット３のセンタスタッド４５は、センタスタッド損耗バンド４６ａ及び４６ｂを有する。
凸部損耗バンド６８ａ及び６８ａ’、並びに、センタスタッド損耗バンド４６ａ及び４６ｂは、無益な金属間接触を減少させることを助けることによって、製品寿命を改善する。
図１３は、ビット３の第１の実施例について示す。凹部１６ａ、１６ｂ、及び１６ｃは、凹部損耗バンド２０ａ、２０ａ’、２０ｃ、及び２０ｃ’を有する。凹部損耗バンド２０ａ、２０ｂ、及び２０ｃは時計回りビット表面４３上に位置している。凹部損耗バンド２０ａ’、２０ｂ’、及び２０ｃ’は反時計回りビット表面１８上に位置している。
図１４は、その他の実施例の断面図について示す。ドリルビット集成体８０１は、保持部材８０７ａ及び８０７ｂを受容するビットパッセージ８３９ａ及び８３９ｂを有するビット８０３を有する。シャンク８０５は、保持部材８０７ａ及び８０７ｂを受容するシャンクパッセージ８１９ａ及び８１９ｂを有する。ビットパッセージ８３９ａ及び８３９ｂの円周領域は、シャンクパッセージ８１９ａ及び８１９ｂの円周領域より小さい。掘削中にシャンク８０５及びビット８０３が係合及び回転するとき、保持部材８０７ａ及び８０７ｂはビットパッセージ表面８５４と接触しない。また、図示しないが、保持部材８０７ａ及び８０７ｂは変更可能なので、掘削中にシャンクとビット８０３とが係合及び回転するとき、保持部材８０７ａ及び８０７ｂはシャンクパッセージ表面８５５とは接触しない。
図１５は、損耗バンド４を有するシャンク５について示す。図１５ａは、損耗バンド４を有するシャンク５の分解組立図である。
図１６は、保持部材７について示す。保持部材７は円柱で中空である。保持部材７は内側ネジ部８５を有する。
図１７は、他の実施例について示す。ドリルビット集成体９０１は、ビット９０３及びシャンク９０５を有する。本実施例は、駆動凸部９６７ａ、９６７ｂ（図示せず）、及び９６７ｃがビット９０３上に位置し、凹部９１６ａ、９１６ｂ、及び９１６ｃがシャンク９０５上に位置することを除いては、第１の実施例と同様である。
図１９乃至２３は、ビット集成体の第１の実施例の他の実施例について示す。このビット集成体９８０の実施例は、ビット集成体の第１の実施例のバリエーションについて示す。
ビット集成体９８０は、ビット９８３のスタッド９８２の先端に挿入されるシャンク９８１について示す。シャンク９８１はシャンクパッセージ９８４を有する。スタッド９８２は溝又はチャネル（channel）９８５を有している。シャンク９８１がビット９８３のスタッド９８２に被さって挿入されるとき、シャンク９８１はビット凹部９８７を係合させる凸部９８６を有する。シャンク９８１がビット９８３と係合されるとき、保持部材９８８はビット９８３のスタッド９８２の溝９８５へと挿入される。溝９８５は、保持部材９８８の厚さよりも大きい垂直幅を有する。
保持部材９８８がシャンクパッセージ９８４内へと挿入され、シャンク９８１がビット９８３上に静止（rest）しているとき、溝９８５の上部９８９は全く接触していない。これは、（ｉ）溝９８５の垂直幅が保持部材９８８の厚さより大きいこと、及び（ii）シャンクパッセージ９８４と溝９８５の垂直配置が、保持部材９８８の上表面との間に隙間ができるよう設計されているためである。
この結果は、シャンクに対して下向きの衝撃軸方向力が存在するとき、その力はビットに伝達され、保持部材には何らの力もかからないということである。それは、掘削中に、下向きの衝撃の軸方向力を有する保持部材に対して、何らのせん断力がかからないということを意味する。
回転し、それによってシャンク９８１からビット９８３に対して回転力を伝達するとき、凹部９８７及び凸部９８６はシャンク９８１から伝達される回転力を担う。保持部材９８８が挿入される溝９８５は、ビット９８３に対するシャンク９８１の回転運動の間、保持部材にかかるどのようなせん断力も回避する。
シャンク９８１が、下方の穴からビットアセンブリ９８０を引き抜くために、垂直又は上方に持ち上げられるとき、頂部表面９９０は溝９８５の上部の表面９８９を係合させるであろう。このことは、下方の穴からシャンクが持ち上げられる際、ビット９８３がシャンク９８１と共に除去されることを可能とする。この点で、保持部材９８８の頂部表面９９０に対してせん断力が存在する。
ビット集成体９８０が下方の穴から持ち上げられるとき、保持部材９８８の頂部表面９９０に対してかかるせん断力を拡散させるために、保持部材９８８の頂部表面９９０は、弓形表面や円形表面というよりも平坦表面である。この平坦表面は頂部表面９９０とチャネル９８５の上部表面９８９との間の平面接触を可能とする。保持部材と接触する円形表面や弓形表面は保持部材に対するせん断力の適用点における線接触を提供し、保持部材の破損といった結果となることに影響するであろう。保持部材は破損するであろう。
バンド９９１は、保持部材９８８をパッセージ中に保持するために、シャンクパッセージ９８４に挿入される保持部材９８８を包囲する。
［他の実施例］
ドリルビット集成体の他の実施例が図２４乃至２６に示される。図２４乃至２６に示されるようにドリルビット集成体１００２は、シャンク１００４とビット１００６とを有する。ビット１００６はビットパッセージ１００８を有する。ビット１００６はビット開口部１０１０を有する。ビットパッセージ１００８は、外側表面１０１２に始まり開口部１０１０のビット１００６の内側表面１０１４に終わる。
シャンク１０１４はセンタスタッド１０１６を有する。このセンタスタッドはある面積を有しているので、ビット１００６とシャンク１００４とが組み付けられるとき、センタスタッドはビット１００６のビット開口部１０１０に適合することができる。センタスタッド１０１６は溝（channel）の形状をしたシャンクパッセージ１０１８を有する。シャンク１００４とビット１００６とが組み付けられるとき、ビットパッセージ１００８とシャンクパッセージ１０１８とは整合する。
保持部材１０２０がビットパッセージ１００８の内部に配置され、溝（channel）の形状をしたシャンクパッセージ１０１８に向かって延びる。保持部材は着脱可能なので、保持部材１０２０が取り外されたとき、ビット１００６とシャンク１００４とは分離することが可能である。シャンク１００４の相補的凸部１０２２は、ビット１００６の相補的凹部１０２４と係合する。相補的凸部１０２２と相補的凹部１０２４との係合は、シャンク１００４とビット１００６とが共に回転することを許容し、それによって、相補的凸部１０２２と相補的凹部１０２４は、ビット集成体１００２が回転している間はいつでも回転力を伝達する。
ビットパッセージ１００８、溝（channel）の形状をしたシャンクパッセージ１０１８、保持部材１０２０、シャンク１００４、及びビット１００６は、掘削運転中に、下方への衝撃軸方向力がシャンク１００４に加えられ、ビット１００６に伝達されるときに、保持部材１０２０にせん断力が加わらないように、配置並びに結合される。ビット１００６に対してシャンク１００４を回転させるとき、保持部材１０２０に対してせん断力は適用されない。ビットに結合したシャンク１００４を持ちあげるとき、保持部材１０２０にせん断力がかかる。これは、シャンク１００４と共にビット１００６を持ちあげるということは、シャンク１００４が上方に持ち上げられとき、保持部材１０２０がビット１００６を持ち上げるということだからである。
保持部材１０２０は断面長方形状の領域を有し、シャンクパッセージ１００８は断面長方形状の領域を有する。保持部材１０２０は底部平坦表面１０２６を有する。この底部平坦表面１０２６は、引き抜き中の接触角度によって発生する半径方向の力を取り除くために設計された。バンド１０２８は、保持部材１０２０をビットパッセージ１００８内に保持するために、外側表面１０１２において、ビット１００６を包囲する。
ビット衝撃力表面１０３０が、シャンク１００４からの軸方向衝撃エネルギーを受けるために、ビット１００６上に形成される。ドリルビット１００６は、ビット１００６の相補的凹部１０２４上に図示しない損耗パッドを有していてもよい。シャンク１００４は、衝撃力がビット衝撃力表面１０３０でビット１００６へ加わるように、シャンク１００４上に形成される、シャンク衝撃力表面１０３２を有する。
ドリルビット１００６は、シャンク１００４からの衝撃方向に対して垂直な表面１０３４を有する相補的凹部１０２４を有する。
シャンク１００４は、シャンク１００４とビット１００６との間の衝撃方向に対して垂直な表面１０３６を有する、凸部１０２２を有する。垂直表面１０３６は、ドリルビット集成体１００２の運転のいかなる段階においても、ドリルビット１００６の表面１０３４と接触しない。
［他の実施例］
図２７は、相補的凹部及び凸部が先の図面に示したものまったく逆になっていることを除いては、図２５乃至図２６に示した実施例と非常に類似している。図２７の実施例におけるシャンク１０３８は、相補的凹部１０４０を示す。ビット１０４２は相補的凸部１０４４を有する。シャンク１０３８とビット１０４２とが組み付けられ、シャンク１０３８のスタッド１０４６がビット１０４２の開口部１０４８へと挿入されたとき、相補的凸部１０４４と相補的凹部１０４０は互いに係合する。シャンク１０３８の相補的凹部１０４０は、図示しない損耗パッド有していてもよい。シャンク１０３８は、センタスタッド１０４６に、図示しない、損耗パッドを有していてもよい。
シャンク１００４をドリルビット１００６と係合させる方法は、ビット１００６に対してシャンク１００４を回転させる際に、保持部材１０２０に力を発生させ、又は、発生させる（produce）回転ねじれ、又は、運動である回転せん断力が加わらないように設計される。シャンク１００４を下方向の穴から引き上げ、シャンク１００４と共にビット１００６を引き上げるために、引き抜き力をシャンク１００４に対して加えるとき、軸方向のせん断力が保持部材１０２０に対して加わる。掘削運転や下方の穴からのドリルの引き抜き運転のいかなる場合においても、回転力は保持部材１０２０を介して伝達されない。すべての回転力は凸部１０２２と相補的凹部１０２４とを介して負担される。ドリルビット１００６の開口部１０１０は、図示しない損耗パッドを有していてもよい。
広い意味では、この技術は、主として空気圧式衝撃装置と共に使用される、地層穴掘削用の多分割衝撃ドリルビット集成体を含むものである。このドリルビット集成体は、簡単に取り外し可能であって、凹凸構造により回転駆動され、かつ保持部材により軸方向への移動が制限された、ビットを有している。
本出願により、以下の技術的概念が支持されている。
［技術的概念１］
ビットに対してシャンクを回転させる間、掘削中に前記シャンクに対して下方への軸方向衝撃力を加える間、及び前記ビットに結合された前記シャンクを上方へと持ち上げるために、前記シャンクに対して引き抜き力を加える間に、前記シャンクと前記ビットとの結合体の保持部材に、せん断力が選択的に加わり、又はせん断力が加わらないように、前記シャンクを前記ドリルビットに結合する方法であって、
ａ．シャンクパッセージを有するシャンクを提供し、
ｂ．ビットパッセージを有するビットを提供し、
ｃ．保持部材を提供し、
ｄ．前記シャンクが凹部又は凸部を有し、前記ビットが相補的凸部又は凹部を有し、前記ビットと前記シャンクとが係合した際に、前記凸部と前記凹部とが係合するようにした相補的凹凸構造を提供し、
ｅ．前記シャンクを前記ビットと係合させ、前記相補的凹凸構造を係合させ、及び
ｆ．前記シャンクと前記ビットの互いに整合されたパッセージ内へと前記保持部材を挿入し、そうすることで、前記ビットパッセージ、前記シャンクパッセージ、前記保持部材、前記シャンク、及びビットは、
掘削中に、下方への軸方向の衝撃力が前記シャンクへと加えられて、前記ビットへと伝達されるときには、前記保持部材に対してはせん断力が加わらないように、
前記シャンクを前記ビットに対して回転させるときには、前記保持部材に対してはせん断力が加わらないように、及び
前記シャンクと結合された前記ビットを上方に持ち上げるときには、前記保持部材に対してせん断力が加わるように、配置並びに結合される、ことを特徴とする方法。
［技術的概念２］
前記保持部材が断面長方形の領域を有しており、前記シャンクパッセージが断面長方形の領域を有している、ことを特徴とする技術的概念１に記載の方法。
［技術的概念３］
前記保持部材が底部平坦表面を有する、ことを特徴とする技術的概念１に記載の方法。
［技術的概念４］
前記保持部材を前記シャンクパッセージ内に保持するために前記ビットを包囲するバンドを提供することを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
［技術的概念５］
前記シャンクパッセージが溝形状をなす、ことを特徴とする技術的概念１に記載の方法。
［技術的概念６］
下記の要素ａ．〜ｅ．を包含するドリルビット集成体。
ａ．ビットパッセージを有するビットであって、前記ビットは開口部を有し、前記ビットパッセージは、前記ビットの外側表面に始まり、かつ前記ビットの開口部内の内側表面に終わり；
ｂ．センタスタッドを有するシャンクであって、前記センタスタッドは、前記ビットと前記シャンクとが組み付けられたとき、前記センタスタッドが前記ビットの開口部内へと適合することができるように、ある領域を有し、前記センタスタッドは溝形状を有するシャンクパッセージを有し、前記シャンクと前記ビットとが組み付けられたとき、前記ビットパッセージと前記シャンクパッセージとが整合する；
ｃ．前記ビットパッセージ内の保持部材であって、前記シャンクと前記ビットとが組み付けられるとき、シャンクパッセージ内へと延出し、前記保持部材は、前記保持部材が取り除かれたとき、前記ビットと前記シャンクとが分離できるように、取り外し可能とされている；
ｄ．前記シャンクの相補的な凸部又は凹部；及び
ｅ．前記シャンクの相補的な凸部又は凹部と係合する、前記ビットの相補的な凸部又は凹部であって、前記凸部と凹部との係合は、前記シャンクと前記ビットとが一緒に回転することを許容し、それにより、前記凸部と前記凹部とが回転力を伝える；
［技術的概念７］
前記保持部材を前記ビットパッセージ内に保持するために、前記ビットパッセージ内の保持部材を包囲するビットのバンドを含む、ことを特徴とする技術的概念６に記載のドリルビット集成体。
［技術的概念８］
ドリルビット集成体を形成するために、シャンクとドリルビットを結合させることに用いられ、下記の要素ａ．〜ｃ．を包含するドリルビット。
ａ．前記シャンクのスタッドを受け入れる開口部を有するビットであって、前記ビットは保持部材を受け入れるビットパッセージを有する；
ｂ．前記シャンクからの衝撃エネルギーを受容するために、前記ビットに形成されたビット衝撃力表面；及び
ｃ．前記シャンクの相補的凸部又は凹部を受け入れる、前記ビットの相補的凹部又は凸部；
［技術的概念９］
前記ビットの相補的凹部又凸部が、衝撃方向に対して垂直な表面を有する、ことを特徴とする技術的概念８に記載のドリルビット。
［技術的概念１０］
前記ビットの前記凹部が損耗パッドを有する、ことを特徴とする技術的概念８に記載のドリルビット。
［技術的概念１１］
前記ビットの前記開口部が損耗バンドを有する、ことを特徴とする技術的概念８に記載のドリルビット。
［技術的概念１２］
ドリルビット集成体を形成するために、シャンクとドリルビットを結合させることに用いられ、下記の要素ａ．〜ｄ．を包含するシャンク。
ａ．シャンク；
ｂ．前記シャンクに形成され、衝撃エネルギーを前記ビットに加える、シャンク衝撃力表面；
ｃ．前記ドリルビットの開口部内へと挿入するために、シャンクから延出するセンタスタッドであって、前記センタスタッドは保持部材を受け入れるパッセージを有する；及び
ｄ．前記シャンクにあって、前記ドリルビットの相補的凹部又は凸部を受け入れる、相補的凸部又は凹部；
［技術的概念１３］
前記シャンクの相補的凹部又は凸部が、衝撃方向に対して垂直な表面を有する、ことを特徴とする技術的概念１２に記載のシャンク。
［技術的概念１４］
前記シャンクの相補的凹部又は凸部が、損耗パッドを有する、ことを特徴とする技術的概念１２に記載のシャンク。
［技術的概念１５］
前記センタスタッドが、損耗バンドを有する、ことを特徴とする技術的概念１２に記載のシャンク。
請求の範囲において定義される発明の範囲から逸脱することなく、上記の構造及び方法に関して様々な変更が可能であろう。添付した図面において示されるような上記の説明に含まれるすべての事項は、例示として解釈されるべきであり、限定として解釈されてはならない。
ビットとシャンクとが係合され、完全に組み付けられたドリルビット集成体の等角投影図である。 ビットをシャンク中に保持する方法、及び運転中においてビットを回転駆動するための相補的凹凸構造を示すための案の垂直・分解組立・等角投影図である。 ビットをシャンク中に保持する方法、及び運転中においてビットを回転駆動するための相補的凹凸構造を示す側面・分解組立・等角投影図である。 保持部材の拡大図と共に示されたドリルビット集成体の断面図である。 シャンクとビットとを通して保持部材の図４のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 シャンクとビットとを通して保持部材の図４のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 シャンクに取り付けられた多片ビットの分解組立・等角投影図である。 シャンクに取り付けられた多片ビットの断面図である。 回転駆動させ、ビットを保持するための３つのスタッドを有する単一のビットの分解組立・等角投影図である。 テーパ固定外側リング案（単一ビット）の分解組立・等角投影図である。 テーパ固定外側リング案（単一ビット）の断面図である。 多分割テーパ固定作動ビットの分解組立・等角投影図である。 シャンクに押し込まれる凸部の分解組立・等角投影図である。 ビットのセンタスタッドの外側表面を係合する２つの保持部材を有するドリルビット集成体の分解組立・等角投影図である。 ビットのセンタスタッドの外側表面に係合する２つの保持部材を有するドリルビット集成体の断面図である。 ドリルビット集成体がビットとシャンクパセージの両方を貫くただ１つの保持部材を採用するドリルビット集成体の断面図である。 シャンクに損耗バンドを設けたドリルビット集成体の分解組立・等角投影図である。 凹部の拡大図を含む、ビットに損耗バンドを設けたドリルビット集成体の等角投影図である。 保持部材の拡大図をともに示される、シャンクパッセージ領域より小さいビットパッセージ領域を有するドリルビット集成体の断面図である。 損耗バンドを有するシャンクの等角投影図である。 損耗バンドを有するシャンクの分解組立・等角投影図である。 ネジ切りされた保持部材の等角投影図である。 シャンクに凹部、ビットに凸部を有するドリルビット集成体の分解組立・等角投影図である。 保持部材の他の案について示したものである。 保持部材の等角投影図である。 ビット集成体の他の実施例の分解組立・等角投影図である。 保持部材の他の実施例の等角投影図である。 図２０において示される保持部材の等角投影図である。 バンドの等角投影図である。 ビット集成体の他の実施例の断面立面図である。 図２２において示されるビット集成体のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 ビット集成体の他の実施例の分解組立等角投影図である。 他の角度からの見方を示す図２４において示される実施例の分解組立等角投影図である。 図２４及び図２５に示される実施例の断面立面図である。 図２６に示される実施例のＡ部拡大部分図である。 ビット集成体の他の実施例の分解組立等角投影図である。

Claims (15)

  1. ビットに対してシャンクを回転させる間、掘削中に前記シャンクに対して下方への軸方向衝撃力を加える間、及び前記ビットに結合された前記シャンクを上方へと持ち上げるために、前記シャンクに対して引き抜き力を加える間に、前記シャンクと前記ビットとの結合体の保持部材に、せん断力が選択的に加わり、又はせん断力が加わらないように、前記シャンクを前記ドリルビットに結合する方法であって、
    ａ．シャンクパッセージを有するシャンクを提供し、
    ｂ．ビットパッセージを有するビットを提供し、
    ｃ．保持部材を提供し、
    ｄ．前記シャンクが凹部又は凸部を有し、前記ビットが相補的凸部又は凹部を有し、前記ビットと前記シャンクとが係合した際に、前記凸部と前記凹部とが係合するようにした相補的凹凸構造を提供し、
    ｅ．前記シャンクを前記ビットと係合させ、前記相補的凹凸構造を係合させ、及び
    ｆ．前記シャンクと前記ビットの互いに整合されたパッセージ内へと前記保持部材を挿入し、そうすることで、前記ビットパッセージ、前記シャンクパッセージ、前記保持部材、前記シャンク、及びビットは、
    掘削中に、下方への軸方向の衝撃力が前記シャンクへと加えられて、前記ビットへと伝達されるときには、前記保持部材に対してはせん断力が加わらないように、
    前記シャンクを前記ビットに対して回転させるときには、前記保持部材に対してはせん断力が加わらないように、及び
    前記シャンクと結合された前記ビットを上方に持ち上げるときには、前記保持部材に対してせん断力が加わるように、配置並びに結合される、ことを特徴とする方法。
  2. 前記保持部材が断面長方形の領域を有しており、前記シャンクパッセージが断面長方形の領域を有している、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記保持部材が底部平坦表面を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  4. 前記保持部材を前記シャンクパッセージ内に保持するために前記ビットを包囲するバンドを提供することを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  5. 前記シャンクパッセージが溝形状をなす、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  6. 下記の要素ａ．〜ｅ．を包含するドリルビット集成体。
    ａ．ビットパッセージを有するビットであって、前記ビットは開口部を有し、前記ビットパッセージは、前記ビットの外側表面に始まり、かつ前記ビットの開口部内の内側表面に終わり；
    ｂ．センタスタッドを有するシャンクであって、前記センタスタッドは、前記ビットと前記シャンクとが組み付けられたとき、前記センタスタッドが前記ビットの開口部内へと適合することができるように、ある領域を有し、前記センタスタッドは溝形状を有するシャンクパッセージを有し、前記シャンクと前記ビットとが組み付けられたとき、前記ビットパッセージと前記シャンクパッセージとが整合する；
    ｃ．前記ビットパッセージ内の保持部材であって、前記シャンクと前記ビットとが組み付けられるとき、シャンクパッセージ内へと延出し、前記保持部材は、前記保持部材が取り除かれたとき、前記ビットと前記シャンクとが分離できるように、取り外し可能とされている；
    ｄ．前記シャンクの相補的な凸部又は凹部；及び
    ｅ．前記シャンクの相補的な凸部又は凹部と係合する、前記ビットの相補的な凸部又は凹部であって、前記凸部と凹部との係合は、前記シャンクと前記ビットとが一緒に回転することを許容し、それにより、前記凸部と前記凹部とが回転力を伝える；
  7. 前記保持部材を前記ビットパッセージ内に保持するために、前記ビットパッセージ内の保持部材を包囲するビットのバンドを含む、ことを特徴とする請求項６に記載のドリルビット集成体。
  8. ドリルビット集成体を形成するために、シャンクとドリルビットを結合させることに用いられ、下記の要素ａ．〜ｃ．を包含するドリルビット。
    ａ．前記シャンクのスタッドを受け入れる開口部を有するビットであって、前記ビットは保持部材を受け入れるビットパッセージを有する；
    ｂ．前記シャンクからの衝撃エネルギーを受容するために、前記ビットに形成されたビット衝撃力表面；及び
    ｃ．前記シャンクの相補的凸部又は凹部を受け入れる、前記ビットの相補的凹部又は凸部；
  9. 前記ビットの相補的凹部又凸部が、衝撃方向に対して垂直な表面を有する、ことを特徴とする請求項８に記載のドリルビット。
  10. 前記ビットの前記凹部が損耗パッドを有する、ことを特徴とする請求項８に記載のドリルビット。
  11. 前記ビットの前記開口部が損耗パッドを有する、ことを特徴とする請求項８に記載のドリルビット。
  12. ドリルビット集成体を形成するために、シャンクとドリルビットを結合させることに用いられ、下記の要素ａ．〜ｄ．を包含するシャンク。
    ａ．シャンク；
    ｂ．前記シャンクに形成され、衝撃エネルギーを前記ビットに加える、シャンク衝撃力表面；
    ｃ．前記ドリルビットの開口部内へと挿入するために、シャンクから延出するセンタスタッドであって、前記センタスタッドは保持部材を受け入れるパッセージを有する；及び
    ｄ．前記シャンクにあって、前記ドリルビットの相補的凹部又は凸部を受け入れる、相補的凸部又は凹部；
  13. 前記シャンクの相補的凹部又は凸部が、衝撃方向に対して垂直な表面を有する、ことを特徴とする請求項１２に記載のシャンク。
  14. 前記シャンクの相補的凹部又は凸部が、損耗パッドを有する、ことを特徴とする請求項１２に記載のシャンク。
  15. 前記センタスタッドが、損耗パッドを有する、ことを特徴とする請求項１２に記載のシャンク。
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