JP2019126912A

JP2019126912A - 穿孔装置

Info

Publication number: JP2019126912A
Application number: JP2018007856A
Authority: JP
Inventors: 朋己中籔; Tomoki Nakayabu
Original assignee: Goei Seisakusyo Co Ltd
Current assignee: Goei Seisakusyo Co Ltd
Priority date: 2018-01-22
Filing date: 2018-01-22
Publication date: 2019-08-01

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_１）、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_１＜時刻＜ｔ_２）、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_３）、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_３＜時刻＜ｔ_４）。このため、ｔ_１＜時刻＜ｔ_３の電流増加率よりもｔ_３＜時刻＜ｔ_４の電流増加率が大きくなる。つまり、図５（ｂ）では、ｔ_１＜時刻＜ｔ_３の間よりもｔ_３＜時刻＜ｔ_４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_５）、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_３＜時刻＜ｔ_４の電流増加率とｔ_４＜時刻＜ｔ_５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。

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

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。
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。
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。
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。
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。
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。