JP2019126912A - 穿孔装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】穿孔中の回転数低下を抑制できる穿孔ドリルを提供する。【解決手段】被穿孔部材を穿孔するビット2が着脱可能であり、ビット2を回転させるための駆動モータ13を備える穿孔ドリル100であって、駆動モータ13の回転数を測定するセンサ15と、センサ15で測定される測定回転数がビット2の外径に予め対応させた目標回転数を維持するように駆動モータ13をフィードバック制御するフィードバック制御手段19と、を備える。【選択図】図3

Description

本発明は、被穿孔部材を穿孔する穿孔装置に関する。
従来より、コンクリート、タイル等の被穿孔部材を穿孔する穿孔装置が提案されている(特許文献1)。特許文献1に記載の穿孔装置は、冷却液である水を循環して穿孔作業を行う水循環方式を採用したものであり、被穿孔部材を穿孔するためのビットが回転シャフトの先端に取り付けられている。
特開2013−67023号公報
従来の穿孔装置は、穿孔中、被穿孔部材からビットが受ける負荷により、駆動モータの回転数が低下することが多い。この場合、従来の穿孔装置は、駆動モータの回転数の低下に伴って穿孔速度も低下し、穿孔作業が長時間になるという問題がある。
そこで、本発明は、穿孔中の回転数低下を抑制できる穿孔装置を提供することを課題とする。
前記した課題に鑑みて、本発明に係る穿孔装置は、被穿孔部材を穿孔するビットが着脱可能であり、ビットを回転させるための駆動モータを備える穿孔装置であって、駆動モータの回転数を測定する測定手段と、測定手段で測定される測定回転数がビットの外径に予め対応させた目標回転数を維持するように駆動モータをフィードバック制御するフィードバック制御手段と、を備える構成とした。
かかる穿孔装置は、フィードバック制御を行うことで、穿孔中の回転数低下を抑制し、穿孔作業を短時間で行うことができる。
また、本発明に係る穿孔装置は、ビットの第1外径範囲に予め対応させた第1目標回転数、又は、第1外径範囲よりも太い第2外径範囲に予め対応させて第1目標回転数よりも低くした第2目標回転数の何れかを選択させる回転数選択手段、をさらに備え、フィードバック制御手段は、測定回転数が回転数選択手段で選択された目標回転数を維持するように駆動モータをフィードバック制御することが好ましい。
さらに、回転数選択手段は、4.0mm以上10.5mm以下の第1外径範囲に対応させて第1目標回転数が9000回転/分に予め設定され、10.5mmを超えて18mm以下の第2外径範囲に対応させて第2目標回転数が6500回転/分に予め設定されることが好ましい。
かかる穿孔装置は、穿孔中、ビット外径に対応した適切な回転数を維持し、穿孔作業をより短時間で行うことができる。
また、本発明に係る穿孔装置は、フィードバック制御手段が、フィードバック制御として、測定回転数が目標回転数以下となった場合、駆動モータに印加する電流を増加させることが好ましい。
かかる穿孔装置は、駆動モータに印加する電流を増加させることで、穿孔中の回転数低下を抑制し、穿孔作業を短時間で行うことができる。
また、本発明に係る穿孔装置は、ビットで穿孔する被穿孔部材に冷却水を供給すると共に穿孔からの冷却水を排出する水循環方式であることが好ましい。
また、本発明に係る穿孔装置は、被穿孔部材が、コンクリート、タイル、又は、石材であることが好ましい。
かかる穿孔装置は、水循環方式を採用した場合や、被穿孔部材がコンクリート、タイル又は石材の場合でも、穿孔中の回転数低下を抑制し、穿孔作業を短時間で行うことができる。
本発明に係る穿孔装置は、駆動モータをフィードバック制御することで、穿孔中の回転数低下を抑制し、穿孔作業を短時間で行うことができる。
実施形態に係る穿孔システムの全体を模式的に示す側面図である。 (a)は図1の穿孔工具を模式的に示す斜視図であり、(b)は穿孔作業状態を模式的に示す断面図である。 図1の穿孔ドリルの概略構成図である。 (a)及び(b)は、フィードバック制御の具体例を説明する説明図である。 (a)及び(b)は、フィードバック制御の具体例を説明する説明図である。 フィードバック制御の具体例を説明する説明図である。
(実施形態)
以下、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
はじめに、図1を参照して、穿孔ドリル(穿孔装置)100を備える穿孔システムS1の概略を説明する。
なお、以下の説明において参照する図面は、実施形態を概略的に示したものであるため、各部材のスケールや間隔、位置関係などが誇張、あるいは、部材の一部の図示が省略されている場合がある。また、以下の説明では、同一の名称および符号については原則として同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略することとする。
[穿孔システム]
図1に示すように、穿孔システムS1は、冷却水を循環して穿孔を行う水循環方式を採用したものであり、穿孔ドリル100と、水受ガイド筒200と、移動ガイドバー300と、冷却水供給回収装置400とを備える。
穿孔ドリル100は、被穿孔部材Wを穿孔する穿孔工具1が着脱可能に構成された電動ドリルである。なお、穿孔ドリル100の詳細は後記する。
水受ガイド筒200は、穿孔ドリル100の回転シャフト101の先端側に設けられ、穿孔作業で排出された冷却水を受けるものである。なお、水受ガイド筒200は、その先端にゴム環を取り付けることで、被穿孔部材Wの壁面Wfに凹凸があっても冷却水が漏れ出さないようにできる。
移動ガイドバー300は、この水受ガイド筒200に沿って平行に配置され、回転シャフト101の移動を案内するものである。また、移動ガイドバー300は、その基端側を穿孔ドリル100の取付部109にボルト等で固定され、その先端側を水受ガイド筒200の係合部201に挿通することで係合させている。従って、移動ガイドバー300は、係合部201から移動ガイドバー300の先端が突出し、係合部201に係合しながら穿孔ドリル100の移動を案内できる。
冷却水供給回収装置400は、回転シャフト101の先端に水受供給部110を介して設けた接続シャフト102から当該接続シャフト102の先端に着脱自在に設置される穿孔工具1に冷却水を供給するものである。冷却水供給回収装置400は、水受ガイド筒200に排出される冷却水と被穿孔部材Wの削粉とが混じったスラッジをタンク430に回収し、スラッジを浄化して再び供給する。
また、水受供給部110は、回転シャフト101の先端側に、水受ガイド筒200の後端側から挿通できる大きさで、当該回転シャフト101が回転自在となるように設けられている。また、水受孔(不図示)は、回転シャフト101の水受供給部110内に位置する部分に形成される。また、回収ホース420は、水受ガイド筒200の先端側に接続されている。
そして、供給ホース410を介して冷却水供給回収装置400から水受供給部110に冷却水が供給されると、回転シャフト101の水受孔の周りに冷却水が充満する。さらに、冷却水は、回転シャフト101の水受孔から接続シャフト102内に設けた流路を介して穿孔工具1の台座5に形成された通水穴6aから供給される。その後、冷却水は、ビット2の穿孔時に使用され、ビット2で穿孔した被穿孔部材Wの削粉と一緒になったもの(スラッジ)が水受ガイド筒200内に送り出される。そして、冷却水供給回収装置400は、ポンプを介して回収ホース420から吸引しているので、水受ガイド筒200内の冷却水及びスラッジが吸引されて回収し、タンク430内のフィルタで冷却水と削粉を分離できるように構成されている。
前記した穿孔システムS1は、以下のようにして穿孔作業を行う。はじめに、穿孔システムS1では、水受ガイド筒200の先端を、被穿孔部材Wの壁面Wfに当接した状態とする。そして、水受ガイド筒200内に他端側から水受供給部110を挿入した状態で、穿孔工具1が壁面Wfに当接するまで、穿孔ドリル100を移動ガイドバー300で案内する。
穿孔システムS1は、冷却水供給回収装置400を作動させ、冷却水を供給ホース410を介して供給すると共に、回収ホース420を介して内部に設けたポンプにより吸引して回収する。そして、穿孔システムS1は、穿孔ドリル100の電源を入れて回転シャフト101を回転させることで、接続シャフト102及び穿孔工具1を回転させて穿孔作業を行う。さらに、図示しない作業者が穿孔ドリル100のハンドル108を一方の手で把持すると共に、水受ガイド筒200を壁面Wf側に押し付けながら穿孔作業を進めるようになる。なお、穿孔システムS1では、冷却水を循環して、ビット2を穿孔ドリル100で回転させるため、作業位置に使用した冷却水がほとんどまき散らかされることなく、穿孔作業を行うことができる。
[穿孔工具]
図2を参照し、穿孔システムS1に着脱可能な穿孔工具1の一例について説明する。
図2に示すように、穿孔工具1は、台座5と、台座5の基端側に設けたシャフト9と、台座5の先端側に設けたビット2とを備えている。そして、ビット2は、先端面から基端面に渡って形成した溝部3と、この溝部3に連続する壁部分に形成したビット切欠部としての切欠部4とを備えている。
ビット2は、例えば、メタルボンドと呼ばれる焼結金属の中にダイヤモンド粒が埋め込まれた素材を焼結して台座5に一体に形成されている。このビット2の素材は、穿孔作業で使用されるものであれば特に限定されることはない。
図2(a)、(b)に示すように、溝部3は、被穿孔部材WにコアWcを形成して穿孔作業を促進すると共に、冷却水を穿孔箇所に供給するものである。溝部3は、切欠部4を除く部分において、通水穴6aを越える位置に設けた中央溝壁面3a及びその中央溝壁面3aの両端から外周面まで形成される溝側壁面3bにより外周面に扇形状に拡がったV字形状に形成されている。溝部3は、ここでは、中心側から外周面に向かって溝開口が拡がるように溝側壁面3bが形成されているので、コア片cfが発生するとそのコア片cfをビット2の外周面側に送り出しやすい構成になっている。
切欠部4は、削粉が混じったスラッジを溝部3から排出するものである。また、切欠部4は、一方の溝側壁面3bの基端側に、その溝側壁面3bの一部を切り欠くように形成されている。
これにより、穿孔工具1では、コア片cfが遠心力で穴壁面Hfに移動してその状態でビット2が回転するので、溝部3の回転後部側となる壁部分にコア片cfが誘導され、ビット2の穿孔方向に前進することにより溝部3内の先端側から基端側に送られることなる。
台座5は、ここでは、円筒形状に形成され、その中央に冷却水の流路6が形成されている。そして、台座5は、先端面に流路6の通水穴6aを形成し、通水穴6aが露出するようにビット2を設置すると共に、基端面にシャフト9が突出するように設けられている。さらに、台座5は、ここでは、シャフト9と一体に金属材料で形成されている。
シャフト9は、穿孔工具1を接続シャフト102に接続させるためのものである。このシャフト9は、外周面にネジが形成され、また、軸内部には、冷却水の流路が台座5に連続するように形成されている。従って、穿孔工具1は、接続シャフト102に着脱可能となっている。
[穿孔ドリル]
図3を参照し、穿孔ドリル100の構成について説明する。
図3に示すように、穿孔ドリル100は、動力伝達機構11と、駆動モータ13と、センサ(測定手段)15と、スイッチ(回転数選択手段)17と、フィードバック制御手段19とを、破線で図示した穿孔ドリル100のケース内部に備える。
動力伝達機構11は、駆動モータ13の回転を回転シャフト101に伝達する機構であり、例えば、かみ合うように配置された歯車11a,11bを備える。歯車11aは、駆動モータ13の出力軸13aの先端に取り付けられている。歯車11bは、出力軸13aに平行な回転シャフト101の他端(図1の水受供給部110の反対側)に取り付けられている。
なお、動力伝達機構11は、駆動モータ13の回転を回転シャフト101に伝達可能な機構(例えば、ベルト駆動)であれば、特に限定されない。
駆動モータ13は、後記するフィードバック制御手段19からの指令に従って出力軸13aを回転させるものであり、例えば、直巻整流子モータである。ここで、駆動モータ13は、動力伝達機構11を介して、ビット2を回転させる。本実施形態では、駆動モータ13は、出力軸13aと、軸受13bと、回転子13cと、整流子13dとを備える。出力軸13aは、駆動モータ13の回転を出力するシャフトである。軸受13bは、出力軸13aを支持するベアリングである。回転子13cは、駆動モータ13のロータであり、後記する目標回転数を維持可能な巻き数を有する。また、回転子13cは、その中心軸に出力軸13aが固定されている。整流子13dは、回転子13cの電流方向を反転させるものであり、回転子13cに接続されている。
なお、駆動モータ13は、直巻整流子モータに限定されず、一般的なものであればよい。また、駆動モータ13の固定子などの部材は省略した。
センサ15は、駆動モータ13の回転数を測定し、測定回転数を表すフィードバック信号をフィードバック制御手段19に出力するものである。本実施形態では、センサ15は、歯車11aの外周部付近に設置されており、歯車11aの回転数を駆動モータ13の回転数として測定する。例えば、センサ15としては、光学センサ、レーザセンサ、磁気センサ等の一般的な回転数測定用センサをあげることができる。
スイッチ17は、穿孔システムS1の作業者に目標回転数を選択させ、選択された目標回転数を表す回転数選択信号をフィードバック制御手段19に出力するものである。例えば、スイッチ17は、ハンドル108の上部に取り付けられ、目標回転数を2段階で切り替え可能なロッカースイッチである。
本実施形態では、スイッチ17は、ビット2の第1外径範囲に対応させた第1目標回転数、又は、第1外径範囲よりも太い第2外径範囲に対応させて第1目標回転数よりも低くした第2目標回転数の何れかを選択させる。具体的には、ビット2の外径が第1外径範囲(4.0mm以上10.5mm以下)の場合、第1目標回転数が9000回転/分である。また、ビット2の外径が第2外径範囲(10.5mmを超えて18mm以下)の場合、第2目標回転数が6500回転/分である。
フィードバック制御手段19は、センサ15で測定される測定回転数がビット2の外径に対応する目標回転数を維持するように駆動モータ13をフィードバック制御するものである。本実施形態では、フィードバック制御手段19は、センサ15からフィードバック信号が入力され、スイッチ17から回転数選択信号が入力される。そして、フィードバック制御手段19は、フィードバック制御として、フィードバック信号が示す測定回転数が、回転数選択信号の目標回転数以下となった場合、駆動モータ13に印加する電流を増加させる。
<フィードバック制御の具体例>
図4〜図6を参照し、フィードバック制御手段19によるフィードバック制御の具体例を説明する。図4〜図6では、穿孔ドリル100による穿孔作業を上段に図示し、穿孔ドリル100の測定回転数NとトルクTと電流Iとの経時変化を下段に図示した。測定回転数Nは、センサ15が測定する回転数を表す。また、電流Iは、フィードバック制御手段19が駆動モータ13に印加する電流値を表す。また、スイッチ17で選択された目標回転数を破線で図示した。この具体例では、目標回転数が9000回転/分に設定されていることとするが、目標回転数が6500回転/分であってもフィードバック制御は同一である。
図4(a)に示すように、穿孔作業の開始前(時刻<t)、穿孔ドリル100のビット2が被穿孔部材Wの壁面Wfに接していない。このとき、穿孔ドリル100が被穿孔部材Wから負荷を受けないので、測定回転数Nが目標回転数より高く、トルクT及び電流Iが低い状態で一定となる。
図4(b)に示すように、穿孔作業の開始後(t<時刻<t)、穿孔ドリル100のビット2が被穿孔部材Wに押し込まれる。すると、穿孔ドリル100が被穿孔部材Wから負荷を受けるので、測定回転数Nが低下する一方、トルクT及び電流Iが増加する。
図5(a)に示すように、穿孔ドリル100のビット2が被穿孔部材Wに深く押し込まれ(時刻=t)、測定回転数Nが目標回転数まで低下したこととする。
すると、図5(b)に示すように、フィードバック制御手段19は、測定回転数Nが目標回転数を維持するように駆動モータ13に印加する電流Iをさらに増加させる(t<時刻<t)。このため、t<時刻<tの電流増加率よりもt<時刻<tの電流増加率が大きくなる。つまり、図5(b)では、t<時刻<tの間よりもt<時刻<tの間で、電流Iの直線の傾きが大きくなる。
その後、図6に示すように、フィードバック制御手段19は、穿孔作業が終了するまで(時刻=t)、測定回転数Nが目標回転数を維持するように駆動モータ13に印加する電流Iをさらに増加させ続ける。図6では、t<時刻<tの電流増加率とt<時刻<tの電流増加率が等しくなっている。
なお、フィードバック制御手段19は、予め設定された電流上限値(例えば、12A)を電流Iが超えないように制御してもよい。
[作用・効果]
以上のように、本発明の実施形態に係る穿孔ドリル100は、フィードバック制御を行うことで、穿孔中の回転数低下を抑制し、穿孔作業を短時間で行うことができる。
さらに、穿孔ドリル100は、ビット2の外径に応じた適切な目標回転速度を2段階で選択できるので、穿孔の大きさに応じて穿孔作業をより短縮可能であり、水循環方式でコンクリート、タイル又は石材の穿孔作業に最適である。
以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、本発明は前記した実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
前記した実施形態では、被穿孔部材がコンクリートやタイルであることとして説明したが、被穿孔部材がこれらに限定されないことは言うまでもない。
また、前記した実施形態では、ビットの外径及び目標回転数の一例を説明したが、ビットの外径及び目標回転数がこれらに限定されないことは言うまでもない。
また、前記した実施形態では、駆動モータ及びセンサが別々の構成であることとして説明したが、駆動モータ及びセンサが一体化したサーボモータを利用してもよい。
(実施例)
以下、本発明の実施例として、前記した穿孔ドリルの性能評価実験の結果について説明する。
性能評価実験では、外径が異なるビットを穿孔ドリルに装着し、所定の穿孔深さまで被穿孔部材を穿孔し、このときの穿孔時間を測定した。なお、穿孔深さとは、被穿孔部材の表面から垂直方向に穿孔してビットの先端が到達した深さである。また、穿孔時間とは、ビットが被穿孔部材の表面に接してから穿孔深さに達するまでの時間である。
また、性能評価実験では、被穿孔部材の穿孔を繰り返し、ビットのライフ(穿孔可能穴数)を測定した。なお、ライフとは、焼結チップ(金属及びダイヤ)がなくなるまで、被穿孔部材を穿孔できた穴数のことである。
また、性能評価実験では、比較例として、株式会社マキタ製の椎茸栽培用ドリル(モデル:DD2020)を用いた。この椎茸栽培用ドリルの回転数は、無負荷の状態で10000回転/分である。このとき、ビットの外径は、4.0mm、5.0mm、7.0mm、10.5mm、12.7mm、14.5mm、16.5mm及び18.0mmである。
また、比較例の椎茸栽培用ドリルに前記実施形態で説明したセンサ、スイッチ及びフィードバック制御手段を追加し、前記した実施形態に係る穿孔ドリルを用意した。この穿孔ドリルにおいて、ビットの外径が12.7mm、14.5mm、16.5mm及び18.0mmで目標回転数を6500回転/分としたものを実施例1とする。さらに、ビットの外径が4.0mm、5.0mm、7.0mm及び10.5mmで目標回転数を9000回転/分としたものを実施例2とする。
また、性能評価実験では、一般的な穿孔作業を想定し、ビットの外径が7.0mm及び10.5mmの場合、被穿孔部材をコンクリートとし、それ以外の場合、被穿孔部材をタイルとした。
前記した性能評価実験の結果を表1に示す。この表1は、ビットの外径、穿孔深さ、被穿孔部材、比較例及び実施例1,2の測定結果を表す。なお、表1の測定結果は、穿孔時間(秒数)とライフ(穴数)をハイフンで連結したものを表す。例えば、比較例において、ビットの外径が4.0mmの場合、穿孔時間が10秒でライフが18穴である。
Figure 2019126912
この表1から、全てのビットの外径において、実施例1,2が比較例よりも穿孔時間が短いことが分かる。この理由としては、比較例では、被穿孔部材に押し込まれるに伴って回転数が低下する一方、実施例1,2では、回転数の低下を抑制できることが考えられる。特に、実施例1でビットの外径が7.0mmのとき、穿孔速度が格段に向上し、ビットのライフも伸びている。また、実施例1でビットの外径が10.5mmのときや実施例2でビットの外径が16.5mmのときも、穿孔速度が格段に向上している。
2 ビット
11 動力伝達機構
13 駆動モータ
15 センサ(測定手段)
17 スイッチ(回転数選択手段)
19 フィードバック制御手段
100 穿孔ドリル(穿孔装置)

Claims (6)

  1. 被穿孔部材を穿孔するビットが着脱可能であり、前記ビットを回転させるための駆動モータを備える穿孔装置であって、
    前記駆動モータの回転数を測定する測定手段と、
    前記測定手段で測定される測定回転数が前記ビットの外径に予め対応させた目標回転数を維持するように前記駆動モータをフィードバック制御するフィードバック制御手段と、を備えることを特徴とする穿孔装置。
  2. 前記ビットの第1外径範囲に予め対応させた第1目標回転数、又は、前記第1外径範囲よりも太い第2外径範囲に予め対応させて前記第1目標回転数よりも低くした第2目標回転数の何れかを選択させる回転数選択手段、をさらに備え、
    前記フィードバック制御手段は、前記測定回転数が前記回転数選択手段で選択された目標回転数を維持するように前記駆動モータをフィードバック制御することを特徴とする請求項1に記載の穿孔装置。
  3. 前記回転数選択手段は、4.0mm以上10.5mm以下の前記第1外径範囲に対応させて前記第1目標回転数が9000回転/分に予め設定され、10.5mmを超えて18mm以下の前記第2外径範囲に対応させて前記第2目標回転数が6500回転/分に予め設定されたことを特徴とする請求項2に記載の穿孔装置。
  4. 前記フィードバック制御手段は、前記フィードバック制御として、前記測定回転数が前記目標回転数以下となった場合、前記駆動モータに印加する電流を増加させることを特徴とする請求項1から請求項3の何れか一項に記載の穿孔装置。
  5. 前記ビットで穿孔する前記被穿孔部材に冷却水を供給すると共に前記穿孔からの前記冷却水を排出する水循環方式であることを特徴とする請求項1から請求項4の何れか一項に記載の穿孔装置。
  6. 前記被穿孔部材は、コンクリート、タイル、又は、石材であることを特徴とする請求項1から請求項5の何れか一項に記載の穿孔装置。
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