JP2023138194A

JP2023138194A - ドリルビット

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Publication number: JP2023138194A
Application number: JP2022044760A
Authority: JP
Inventors: 博幸松原; Hiroyuki Matsubara; 正佐野; Tadashi Sano
Original assignee: Matsubara Iron Works Co Ltd
Current assignee: Matsubara Iron Works Co Ltd
Priority date: 2022-03-19
Filing date: 2022-03-19
Publication date: 2023-10-02
Anticipated expiration: 2042-03-19
Also published as: JP7108349B1

Abstract

【課題】掘削効率の向上とドリルビットの長寿命化とを図ること【解決手段】先端側掘削部１２は、外周端部領域１２ａに設けられ、面層１２ｂの面を、外周端部領域の面Ｆ１と直角な垂線Ｐ１に対して、ドリルビット本体１０の回転方向と逆方向に第一の傾斜角度αで傾斜された掘削部材１２で構成されている。円筒側掘削部１３は、上端部領域１３ａに設けられ、面層１３ｂの面を、上端部領域の面と直角な垂線に対して、ドリルビット本体の回転方向と逆方向に第二の傾斜角度βで傾斜された掘削部材１３で構成されている。円筒側掘削部の掘削部材の面層１３ｂが、先端側掘削部の掘削部材の面層１２ｂの近傍に設けられ、円筒側掘削部の掘削部材の面層１３ｂの先端が、ドリルビット本体１０の頭部１０ａの平面視で、先端側掘削部の掘削部材の面層１２ｂの先端よりも、所定の距離だけ外部に突出している。【選択図】図２

Description

本発明は、ドリルビットに関する。

従来より、海底に存在する硬岩、例えば、花崗岩等の掘削を効率よく行うためにドリルビットの切削部材の配置に工夫を凝らした技術が存在する。

米国特許第４０９８３６２号明細書（特許文献１）には、ドリルビットのクラウンに取り付けられた複数の切削要素又はカッターを含む回転式ロックドリルビットが開示されている。この回転式ロックドリルビットでは、各切削要素は、－１０度から－２５度の間のすくい角でビットのクラウンに結合された多結晶ダイヤモンドの薄い平面層を含む。又、他の実施形態では、各切削要素は、ドリルクラウンの一端に取り付けられた細長いピンと、－１０度から－２５度の間のすくい角で配置されるように、ピンの自由端に結合された多結晶ダイヤモンドの薄層とを含む。これにより、カルタゴ大理石やバレ花崗岩等の岩石の掘削に要する特定のエネルギーを最小化することが出来るとしている。

又、特開平１０－６２２８号公報（特許文献２）には、改善された研摩切削素子及びドリルビットが開示されている。このドリルビットの研摩切削素子は、研摩切削層と金属基体とを含み、これらの間の界面に接線チャンファを有し、この接線チャンファの平面が金属基体の円柱部の表面の平面に対して約５度から約８５度の角度を形成している。これにより、研摩切削素子における内部残留応力に起因した破損及びスポーリングに対するダイヤモンド層の感受性を最小にすることが出来るとしている。

又、特表２００１－５１５１６４号公報（特許文献３）には、部分的にダイヤモンド強化したドリルビットが開示されている。このドリルビットでは、ビットボデーと、ビットボデーに取り付けたダイヤモンド強化していないボタンの少なくとも１つの環状列と、ビットボデーにおいて未強化ボタンの半径方向外側に取り付けたダイヤモンド強化ボタンの少なくとも１つの環状列とを含む。未強化ボタンの少なくとも１つの列における未強化ボタンの全摩耗体積は、強化ボタンの最外環状列の全摩耗体積の７５パーセントより大きく、未強化ボタンの列の１つにおける未強化ボタンの数は、強化ボタンの最外環状列における強化ボタンの数に少なくとも等しい。未強化ボタンの少なくともいくつかは、強化ボタンのいずれより大きい摩耗体積を有し、未強化ボタンの半径方向最外の列は、強化ボタンの隣接する列に関して軸方向前方に変位している。これにより、未強化ボタンの再成形が必要になる前に、著しい量の未強化ボタンの摩耗を生じさせることが可能となり、それにより時間及び費用において著しい節約をもたらすとしている。

米国特許第４０９８３６２号明細書特開平１０－６２２８号公報特表２００１－５１５１６４号公報

海底や地中の掘削に用いられるドリルビットの掘削部材は、通常、硬岩でも掘削することが出来るように、例えば、ダイヤモンドの薄い平面層を備えている。この掘削部材の平面層は、ドリルビットの回転により、硬岩からの強い衝撃を受け続けることから、容易に摩耗したり破砕したりする。一方、掘削部材の平面層は、少なくともダイヤモンドを原材料として構成していることから、掘削部材の単価が高く、一回、掘削部材の摩耗や破砕が生じると、全体として高価なドリルビットの買い替えに繋がる。そのため、ドリルビットの長寿命化に課題があった。

ここで、特許文献１に記載の技術では、切削要素の角度により、衝撃に関係する特定のエネルギーの最小化を図ることが出来るものの、各切削要素の連携によるドリルビット全体の掘削効率の向上やドリルビットの長寿命化について記載が無い。

又、特許文献２に記載の技術では、ドリルビットの頭部の側面に半球状の研摩切削素子が設けられているものの、同様に、各研摩切削素子の連携に関する記載が無い。

更に、特許文献３に記載の技術では、未強化ボタンの環状列と強化ボタンの環状列との組み合わせにより、未強化ボタンの再成形が必要になる前に、未強化ボタンの摩耗を促進させるものの、各位置毎のボタンの連携に関する記載が無い。

そこで、本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、各位置における掘削部材の掘削役割を明確化し、掘削負荷を分散させることで、ドリルビット全体の掘削効率の向上とドリルビットの長寿命化とを図ることが可能なドリルビットを提供することを目的とする。

本発明に係るドリルビットは、ドリルビット本体と、複数の掘削部材と、先端側掘削部と、円筒側掘削部と、を備える。ドリルビット本体は、長手方向の回転軸を有し、円筒状である。掘削部材は、前記ドリルビット本体の頭部に設けられ、面層を掘削刃として備える。先端側掘削部は、前記ドリルビット本体の頭部の先端平面のうち、外周端部領域に設けられ、前記面層の面を、前記外周端部領域の面と直角な垂線に対して、前記ドリルビット本体の回転方向と逆方向に、２０度～５０度の範囲内の第一の傾斜角度で傾斜された掘削部材で構成されており、当該掘削部材の側面を覆って固定する。円筒側掘削部は、前記ドリルビット本体の頭部の円筒側面のうち、上端部領域に設けられ、前記面層の面を、前記上端部領域の面と直角な垂線に対して、前記ドリルビット本体の回転方向と逆方向に、６０度～９０度の範囲内の第二の傾斜角度で傾斜された掘削部材で構成されており、当該掘削部材の側面を覆って固定し、当該掘削部材の面層が、前記先端側掘削部の掘削部材の面層の近傍に設けられ、当該掘削部材の面層の先端が、前記ドリルビット本体の頭部の平面視で、前記先端側掘削部の掘削部材の面層の先端よりも、所定の距離だけ外部に突出している。

本発明によれば、各位置における掘削部材の掘削役割を明確化し、掘削負荷を分散させることで、ドリルビット全体の掘削効率の向上とドリルビットの長寿命化とを図ることが可能となる。

本発明の第一の実施形態に係るドリルビットの一例を示す側面視斜視図（図１Ａ）と、平面視斜視図（図１Ｂ）と、である。本発明の第一の実施形態に係るドリルビットの先端側掘削部の掘削部材と円筒側掘削部の掘削部材との位置関係の一例を示す側面図である。本発明の第一の実施形態に係るドリルビットの先端側掘削部の掘削部材と円筒側掘削部の掘削部材との位置関係の一例を示す平面図である。本発明の第一の実施形態に係るドリルビットにおける先端側掘削部の掘削部材の掘削の一例を示す側面図（図４Ａ）と、円筒側掘削部の掘削部材の掘削の一例を示す側面図（図４Ｂ）と、である。本発明の第二の実施形態に係るドリルビット（なで肩型ドリルビット）の一例を示す平面図（図５Ａ）と、断面図（図５Ｂ）と、である。本発明の第二の実施形態に係るドリルビット（いかり肩型ドリルビット）の一例を示す平面図（図６Ａ）と、断面図（図６Ｂ）と、である。実施例１－２、比較例１の一例を示す斜視写真、平面写真、側面写真である。実施例１－２における各回転数毎の力積の評価結果（図８Ａ）と、実施例１－２における各回転数毎のエネルギーの評価結果（図８Ｂ）と、である。実施例２の掘削後の岩石の掘削穴の写真である。実施例２－４の一例を示す斜視写真、平面写真、側面写真である。実施例１－４における各第一の傾斜角度毎の力積の評価結果（図１１Ａ）と、実施例１－４における各第一の傾斜角度毎のエネルギーの評価結果（図１１Ｂ）と、である。実施例５の斜視図（図１２Ａ）と、平面図（図１２Ｂ）と、である。実施例６の斜視図（図１３Ａ）と、平面図（図１３Ｂ）と、である。実施例５－６の試作品の背面視斜視図（図１４Ａ）と、実施例５－６の掘削試験の様子を示す正面図（図１４Ｂ）と、である。実施例５－６における各回転数毎の掘削速度の評価結果である。

以下に、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明し、本発明の理解に供する。尚、以下の実施形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。

＜本発明の第一の実施形態＞
本発明の第一の実施形態に係るドリルビット１は、図１～図３に示すように、ドリルビット本体１０と、複数の掘削部材１１と、を備える。

ドリルビット本体１０は、長手方向の回転軸を有し、円筒状である。掘削部材１１は、ドリルビット本体１０の頭部１０ａに設けられ、面層を掘削刃として備えている。ここで、面層の構成に特に限定は無く、例えば、平面層や曲面層、半円球面層等を挙げることが出来る。

又、複数の掘削部材１１は、先端側掘削部１２と、円筒側掘削部１３とを含む。先端側掘削部１２は、ドリルビット本体１０の頭部１０ａの先端平面のうち、外周端部領域１２ａに設けられ、面層１２ｂの面を、外周端部領域１２ａの面Ｆ１と直角な垂線Ｐ１に対して、ドリルビット本体１０の回転方向と逆方向に、２０度～５０度の範囲内の第一の傾斜角度αで傾斜された掘削部材１２で構成されており、当該掘削部材の側面を覆って固定している。

ここでは、先端側掘削部１２の掘削部材１２の面層１２ｂは平面層として構成している。又、外周端部領域１２ａとは、ドリルビット本体１０の頭部１０ａの先端平面のうち、外周付近の端部領域を意味する。外周端部領域１２ａの面Ｆ１とは、先端側掘削部１２の面層１２ｂの近傍において外周端部領域１２ａ上の所定の位置（点）における接線を構成する接平面を含む。図２では、先端側掘削部１２の面層１２ｂの近傍では、外周端部領域１２ａが平面であるため、その面Ｆ１は、外周端部領域１２ａの平面になるが、例えば、外周端部領域１２ａが曲面である場合は、その面Ｆ１は、先端側掘削部１２の平面層１２ｂの近傍において外周端部領域１２ａ上の所定の位置における接線を構成する接平面になる。又、先端側掘削部１２は、３つの掘削部材１２で構成されている。

更に、円筒側掘削部１３は、ドリルビット本体１０の頭部１０ａの円筒側面のうち、上端部領域１３ａに設けられ、面層１３ｂの面を、上端部領域１３ａの面Ｆ２と直角な垂線Ｐ２に対して、ドリルビット本体１０の回転方向と逆方向に、６０度～９０度の範囲内の第二の傾斜角度βで傾斜された掘削部材１３で構成されている。

ここで、円筒側掘削部１３の掘削部材１３の面層１３ｂは平面層として構成している。又、上端部領域１３ａとは、ドリルビット本体１０の頭部１０ａの円筒側面のうち、上方で、外周付近の端部領域を意味する。上端部領域１３ａの面Ｆ２とは、上述と同様に、円筒側掘削部１３の面層１３ｂの近傍において上端部領域１３ａ上の所定の位置（点）における接線を構成する接平面を含む。図３では、上端部領域１３ａが平面であるため、その面Ｆ２は、上端部領域１３ａの平面になるが、例えば、上端部領域１３ａが曲面である場合は、その面Ｆ２は、円筒側掘削部１３の平面層１３ｂの近傍において上端部領域１３ａ上の所定の位置における接線を構成する接平面になる。又、円筒側掘削部１３は、先端側掘削部１２の３つの掘削部材１２に対応して、３つの掘削部材１３で構成されており、当該掘削部材の側面を覆って固定している。

又、円筒側掘削部１３の掘削部材１３の平面層１３ｂが、先端側掘削部１２の掘削部材１２の平面層１２ｂの近傍に設けられ、円筒側掘削部１３の掘削部材１３の平面層１３ｂの先端１３ｂ１（刃先）が、ドリルビット本体１０の頭部１０ａの平面視で、先端側掘削部１２の掘削部材１２の平面層１２ｂの先端１２ｂ１（刃先）よりも、所定の距離ｄだけ外部に突出している。ここでは、平面視とは、ドリルビット本体１０の頭部１０ａが進行する方向と逆方向から見た面を意味する。

又、円筒側掘削部１３の掘削部材１３の平面層１３ｂが、先端側掘削部１２の掘削部材１２の平面層１２ｂの近傍に設けられるとは、円筒側掘削部１３の掘削部材１３の平面層１３ｂが、先端側掘削部１２の掘削部材１２の平面層１２ｂを中心として所定の距離の範囲内に存在することを意味し、例えば、図２では、円筒側掘削部１３の掘削部材１３の平面層１３ｂは、先端側掘削部１２の掘削部材１２の平面層１２ｂに対して、ドリルビット本体１０の回転方向と逆方向の位置で、且つ、ドリルビット本体１０の頭部１０ａの平面から側面に向かって斜めの位置に設けられている。これにより、各位置における掘削部材１１の掘削役割を明確化し、掘削負荷を分散させることで、ドリルビット１全体の掘削効率の向上とドリルビット１の長寿命化とを図ることが可能となる。

即ち、ドリルビット１０の頭部１０ａを回転させながら、岩石Ｒ（硬岩）に衝突させると、図４Ａに示すように、先ず、先端側掘削部１２の掘削部材１２の平面層１２ｂが岩石Ｒに衝突し、岩石Ｒを破壊して、掘削を開始する。つまり、先端側掘削部１２の掘削部材１２の平面層１２ｂの先端１２ｂ１が岩石Ｒに衝突し、この先端側掘削部１２の掘削部材１２の平面層１２ｂの先端１２ｂ１の軌跡まで掘削が行われる。この先端側掘削部１２の掘削部材１２の掘削は、破砕掘削に対応する。

ここで、先端側掘削部１２の掘削部材１２の平面層１２ｂでは、第一の傾斜角度αが、２０度～５０度の範囲内であることで、効率的に岩石Ｒを掘削して、掘削部材１２の平面層１２ｂへの掘削負担を軽減することが可能である。尚、第一の傾斜角度αは、２０度～４５度の範囲内であると更に好ましい。

さて、先端側掘削部１２の掘削部材１２の平面層１２ｂの掘削が進行すると、先端側掘削部１２の掘削部材１２の平面層１２ｂの下方近傍（図４Ａでは、上方近傍）に円筒側掘削部１３の掘削部材１３の平面層１３ｂが設けられており、且つ、円筒側掘削部１３の掘削部材１３の平面層１３ｂの先端１３ｂ１は、先端側掘削部１２の掘削部材１２の平面層１２ｂの先端１２ｂ１よりも外部に突出していることから、次に、図４Ｂに示すように、円筒側掘削部１３の掘削部材１３の平面層１３ｂが、岩石Ｒの掘削部分の側面に対して掘削を開始する。

つまり、先端側掘削部１２の掘削部材１２がある程度掘削すると、円筒側掘削部１３の掘削部材１３が、先端側掘削部１２の掘削部材１２が掘削した掘削部分Ｒ１の側面Ｒ２に対して掘削することになる。ここで、円筒側掘削部１３の掘削部材１３の平面層１３ｂの先端１３ｂ１が、掘削部分Ｒ１の側面Ｒ２に衝突を開始するため、円筒側掘削部１３の掘削部材１３の平面層１３ｂの先端１３ｂ１の軌跡まで更に掘削が行われる。

ここで、円筒側掘削部１３の掘削部材１３の平面層１３ｂでは、第二の傾斜角度βが、６０度～９０度の範囲内であることで、効率的に岩石Ｒを掘削して、掘削部材１３の平面層１３ｂへの掘削負担を軽減することが可能である。尚、第二の傾斜角度βが９０度の場合は、例えば、円筒側掘削部１３の掘削部材１３が、ドーム状のボタンビット（ボタンチップビット）に該当する場合である。この場合は、図３に示すように、ボタンビットの曲面層１３ｂの面のうち、最上面が、円筒側掘削部１３の曲面層１３ｂの近傍において上端部領域１３ａの上の所定の位置（ここでは、直下）における接線を構成する接平面Ｆ２となり、接平面Ｆ２と直角な垂線Ｐ２に対して、ドリルビット本体１０の回転方向と逆方向に、９０度に傾斜することになる。

さて、従来、通常のドリルビットでは、例えば、先端側掘削部１２の掘削部材１２が、岩石Ｒの掘削部分Ｒ１及びその側面Ｒ２までも掘削するように構成されているが、その場合、先端側掘削部１２の掘削部材１２への掘削負担が増加し、掘削部材１２の平面層１２ｂの摩耗や破砕を引き起こしていた。

本発明では、先端側掘削部１２の掘削部材１２に、岩石Ｒの最初の掘削部分Ｒ１の掘削を担当させ、続いて、円筒側掘削部１３の掘削部材１３に、岩石Ｒの掘削部分Ｒ１の側面Ｒ２の掘削を担当させている。これにより、ドリルビット本体１０の頭部１０ａの先端平面における外周端部領域１２ａの掘削部材１２と、頭部１０ａの円筒側面における上端部領域１３ａの掘削部材１３の各位置における掘削部材の掘削役割を明確にして、掘削負荷を分散させることが可能となる。その結果、特定の位置の掘削部材に掘削負荷が集中することを回避して、ドリルビット１全体の掘削効率の向上とドリルビット１の長寿命化とを図ることが可能となる。このような構成では、一定のスラスト（Ｎ）（ｋｇｆ）に対してドリルビット１全体の掘削速度を向上させるため、現場での掘削時間短縮にも寄与する。

又、円筒側掘削部１３の掘削部材１３により、岩石Ｒの掘削部分Ｒ１の側面Ｒ２が集中的に掘削されることで、ドリルビット本体１０の頭部１０ａの側面に対する掘削部分Ｒ１の側面Ｒ２からの衝突を軽減することが出来るため、掘削時にドリルビット１の頭部１０を回転し続けても、頭部１０の外周側面の軸ブレが生じない。これにより、岩石Ｒの掘削部分Ｒ１を綺麗に形成することが可能となる。

又、先端側掘削部１２と円筒側掘削部１３の掘削部材１２、１３は、側面を覆って固定されている。これは、例えば、先端側掘削部１２と円筒側掘削部１３の掘削部材１２、１３が嵌る凹状の台座（溝部）（窪み）が設けられていることに相当する。これにより、ドリルビット本体１０の頭部１０ａが回転して、掘削部材１２、１３の平面層１２ｂ、１３ｂが岩石Ｒに強固に衝突したとしても、掘削部材１２、１３の側面を覆って固定することで、岩石Ｒに対する掘削部材１２、１３の固定強度を維持し、掘削部材１２、１３の脱落を確実に防止することが出来る。

ここで、ドリルビット本体１０の構成に特に限定は無いが、例えば、図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ、図３Ｂに示すように、破砕した岩石Ｒを排出するための排出孔１０ｂや排出溝１０ｃを適宜設けても構わない。

又、掘削部材１１、１２、１３の構成に特に限定は無いが、例えば、平面層を有する円筒状の構成を挙げることが出来るが、その他に、球形状、半球形状、弾道形状、ドーム形状等を挙げることが出来る。又、平面層の構成は、例えば、多結晶ダイヤモンドの他に、超硬合金や耐摩耗性材料で構成される。

又、掘削部材１１、１２、１３の数に特に限定は無く、ドリルビット本体１０のサイズや掘削対象に応じて適宜変更することが出来る。もちろん、先端側掘削部１２と円筒側掘削部１３の掘削部材１２、１３に加えて、他の掘削部材１１を適宜配置しても構わない。

又、掘削部材１１、１２、１３の固定に特に限定は無いが、例えば、掘削部材１１、１２、１３が円筒状に構成されている場合は、円筒が装着可能な円筒状の台座をドリルビット本体１０の頭部１０ａに設けることで、掘削部材１１、１２、１３の側面を覆って固定することが可能である。

ところで、掘削部材１１、１２、１３の固定方法について、図２に示すように、先端側掘削部１２と円筒側掘削部１３を含む掘削部材１１、１２、１３とのそれぞれは、予め設けられた凹状の台座１０ｄに掘削部材１１、１２、１３の側面から底面までを、ろう付けされることで、当該掘削部材１１、１２、１３の側面を覆って固定されると好ましい。これにより、掘削部材１１、１２、１３を強固にドリルビット本体１０に固定させることが出来る。

ここで、台座１０ｄの凹部の寸法ｒ１に特に限定は無いが、例えば、掘削部材１１、１２、１３の直径寸法ｒ２に対して所定の長さ（例えば、０．１ｍｍ～０．５ｍｍ）だけ長く構成し、台座１０ｄの凹部にろうを入れた後に、掘削部材１１、１２、１３の底面を押し込むことで、掘削部材１１、１２、１３の側面から底面までをろうで満たして、掘削部材１１、１２、１３を強固に固定させることが出来る。ろうの種類に特に限定は無いが、例えば、ニッケルろう、チタンろう、コバルトろう、銅ろう、錫ろう、銀ろう、又はこれらの組み合わせを挙げることが出来る。尚、掘削部材１１、１２、１３を更に強固に固定させるために、例えば、台座１０ｄの凹部の底面に、ろうが溜まる溝部１０ｅを更に設けると好ましい。ここで、溝部１０ｅの形状に特に限定は無いが、例えば、円柱状や円錐状、半球状等を挙げることが出来る。

又、先端側掘削部１２と円筒側掘削部１３の掘削部材１２、１３の配置に特に限定は無いが、例えば、先端側掘削部１２の掘削部材１２は、ドリルビット本体１０の頭部１０ａの先端平面の中心から放射状に均等に配置され、円筒側掘削部１３の掘削部材１３は、ドリルビット本体１０の頭部１０ａの円筒側面の外周面に周方向に均等に配置されているが、これに限定されない。

又、円筒側掘削部１３の掘削部材１３の平面層１３ｂの先端１３ｂ１が、先端側掘削部１２の掘削部材１２の平面層１２ｂの先端１２ｂ１に対して外部に突出している所定の距離ｄに特に限定は無いが、例えば、０．５ｍｍ～３．０ｍｍの範囲内であると好ましい。これにより、先端側掘削部１２の掘削部材１２が掘削した掘削部分Ｒ１の側面Ｒ２が、直ぐに円筒側掘削部１３の掘削部材１３に衝突するため、先端側掘削部１２の掘削から円筒側掘削部１３の掘削に効率よく切り替えることが可能となり、ドリルビット１全体の掘削効率を更に向上させることが可能となる。

ここで、円筒側掘削部１３の掘削部材１３の平面層１３ｂの位置は、先端側掘削部１２の掘削部材１２の平面層１２ｂの位置に近接すればするほど、掘削負荷の分散に寄与するため好ましい。

＜本発明の第二の実施形態＞
さて、本発明の第一の実施形態では、先端側掘削部１２の掘削部材１２が３つ、円筒側掘削部１３の掘削部材１３が３つの必要最小限で構成したが、これに限らず、他の構成であっても構わない。

例えば、本発明の第二の実施形態に係るドリルビット（なで肩型ドリルビットと称する）では、図５に示すように、先端側掘削部１２の掘削部材１２は、ドリルビット本体１０の頭部１０ａの先端平面の中心から放射状に均等に４つ配置されている。ここで、ドリルビット本体１０の頭部１０ａの外周端領域１２ａの角部はＲ形状に構成され、先端側掘削部１２の掘削部材１２は、外周端領域１２ａのＲ形状の部分（ショルダー部分）（角部分）に配置されている。又、円筒側掘削部１３の掘削部材１３は、ドリルビット本体１０の頭部１０ａの円筒側面の外周面に周方向に均等に４つ配置されている。図５では、先端側掘削部１２の掘削部材１２と円筒側掘削部１３の掘削部材１３とは、それぞれ４つずつ配置しているが、ドリルビットの構成に応じて、４つ以上配置しても良い。

ここで、円筒側掘削部１３の掘削部材１３の平面層１３ｂが、先端側掘削部１２の掘削部材１２の平面層１２ｂの直下の近傍に設けられ、円筒側掘削部１３の掘削部材１３の平面層１３ｂの先端１３ｂ１が、ドリルビット本体１０の頭部１０ａの平面視で、先端側掘削部１２の掘削部材１２の平面層１２ｂの先端１２ｂ１よりも、所定の距離ｄだけ外部に突出している。

ここで、本発明の第二の実施形態では、更に複数の掘削部材１１をドリルビット本体１０の頭部１０ａの先端平面や円筒側面に配置しているが、各位置における掘削部材１１の掘削役割を明確化し、掘削負荷を分散させるために、下記のような構成を採用している。

例えば、複数の掘削部材１１、１２が、ドリルビット本体１０の頭部１０ａの先端平面に設けられる場合、ドリルビット本体１０の頭部１０ａが回転すると、複数の掘削部材１１、１２の平面層のそれぞれが、ドリルビット本体１０の頭部１０ａの半径方向に部分的に重なって、複数の掘削部材１１、１２の平面層がドリルビット本体１０の頭部１０ａの先端平面の全体を覆うように構成されている。これにより、ドリルビット本体１０の頭部１０ａの回転により、複数の掘削部材１１、１２の平面層が岩石に満遍なく衝突させることが可能となり、特定の位置の掘削部材１１、１２に掘削負荷が集中することを回避することが可能となる。

又、複数の掘削部材１１、１２、１３の数は、ドリルビット本体１０の頭部１０ａの半径方向に行くに従い、増加するように構成されている。これにより、ドリルビット本体１０の頭部１０ａの半径方向に行く程、ドリルビット本体１０の頭部１０ａの回転速度（周速）は速くなるものの、ドリルビット本体１０の頭部１０ａの半径方向に行くに従い、複数の掘削部材１１、１２、１３の数が増加するため、ドリルビット本体１０の頭部１０ａの半径方向の特定の位置における複数の掘削部材１１、１２、１３の掘削負荷を分散させることが可能となる。これにより、特定の位置における複数の掘削部材１１、１２、１３の平面層が岩石に満遍なく衝突させることが可能となり、特定の位置の掘削部材１１、１２、１３に掘削負荷が集中することを回避することが可能となる。

又、掘削部材１１、１２、１３の平面層の先端の高さは、ドリルビット本体１０の頭部１０ａの中心に行くに従い、低くなるように構成されている。例えば、ドリルビット本体１０の頭部１０ａの平面の中央領域に設けられる第一の掘削部材１１ａの平面層１１ａ１の先端１１ａ２は、ドリルビット本体１０の頭部１０ａの中心に近い第二の掘削部材１１ｂの平面層１１ｂ１の先端１１ｂ２よりも、所定の高さｈだけ高く構成されている。つまり、中心側の第二の掘削部材１１ｂの平面層１１ｂ１の先端１１ｂ２は、外周端部側の第一の掘削部材１１ａの平面層１１ａ１の先端１１ａ２よりも低く構成されている。これにより、ドリルビット１０の頭部１０ａを回転させながら、岩石Ｒに衝突させると、第一の掘削部材１１ａの平面層１１ａ１が、先ず、岩石Ｒを破壊し、次に、第二の掘削部材１１ｂの平面層１１ｂ１が、第一の掘削部材１１ａが掘削した掘削部分の次の部分（ドリルビット１０の頭部１０ａの中央領域に近い部分）を順次掘削する。このように、ドリルビット本体１０の頭部１０ａの平面に配置される複数の掘削部材１１の平面層の先端を、ドリルビット本体１０の頭部１０ａの中心に行くに従い、段階的に低くすることで（ドリルビット本体１０の頭部１０ａの外周に近づくに従って、段階的に高くすることで）、位置における掘削部材１１の掘削役割を明確化し、掘削負荷を分散させることが出来るのである。

ここで、第一の掘削部材１１ａと第二の掘削部材１１ｂの配置に特に限定は無いが、例えば、図５に示すように、平面視において、先端側掘削部１２の掘削部材１２と、円筒側掘削部１３の掘削部材１３との配置で構成される延長線上に沿って設けられている。又、円筒側掘削部１３の掘削部材１３の下方の延長線上には、平面層の先端が、当該掘削部材１３の平面層１３ｂの先端１３ｂ１よりも所定の距離だけ外部に突出する他の掘削部材が設けられている。

又、他の構成として、本発明の第二の実施形態に係るドリルビット（いかり肩型ドリルビットと称する）では、図６に示すように、第一の掘削部材１１ａの平面層１１ａ１の先端１１ａ２は、第二の掘削部材１１ｂの平面層１１ｂ１の先端１１ｂ２よりも所定の高さｈだけ高く構成され、更に、先端側掘削部１２の掘削部材１２の平面層１２ｂの先端１２ｂ１が、第一の掘削部材１１ａの平面層１１ａ１の先端１１ａ２よりも所定の高さｉだけ高く構成されている。このように、ドリルビット本体１０の頭部１０ａの半径方向に沿って配置された掘削部材の平面層の先端を、ドリルビット本体１０の頭部１０ａの中心に行くに従い、段階的に低くすることで（ドリルビット本体１０の頭部１０ａの外周に近づくに従って、段階的に高くすることで）、更に、掘削負荷を分散させることが出来る。

ここで、先端側掘削部の掘削部材１２の平面層１２ｂは、円筒側掘削部の掘削部材１３の平面層１３ｂの直上の近傍に設けられているが、ここでも、ドリルビット本体１０の頭部１０ａの外周端部１２ａはＲ形状に構成され、先端側掘削部の掘削部材１２以外の第三の掘削部材１１ｃは、先端側掘削部の掘削部材１２が設けられる位置以外で、外周端部１２ａのＲ形状の部分に配置されている。このように、外周端部１２ａのＲ形状の部分に設けられる掘削部材は、先端側掘削部の掘削部材１２以外に設けても構わない。

尚、図５、図６に示す本発明の第二の実施形態には、適宜、排出孔や排出溝が設けられる。排出孔や排出溝は、岩石の破砕後の砂利や石を外部に排出させるために設けられるものであり、排出孔の数や孔径、排出溝の数や幅、深さは、例えば、砂利や石が排出される流量や方向を加味して、ドリルビット本体１０の頭部１０ａに適宜設けられる。

又、ドリルビット本体１０の頭部１０ａの形状について、本発明の第一の実施形態では、円筒状であったが、本発明の第二の実施形態のなで肩型ドリルビットのように、外周端部領域１２ａのショルダー部分を丸くした半球状に構成しても良いし、本発明の第二の実施形態のいかり肩型ドリルビットのように、外周端部領域１２ａのショルダー部分を丸くするとともに、ドリルビット本体１０の頭部１０ａの中心を低くして窪ませた形状に構成しても構わない。

ここで、本発明の第二の実施形態について、更に、他の構成に変更しても良い。例えば、円筒側掘削部の掘削部材１３をボタンビット（超硬合金ボタン）に構成して、超硬合金ボタンが、ドリルビット本体１０の回転と同時に岩石Ｒに打撃を与えることで、軸ブレを防止しても良い。又、円筒側掘削部の掘削部材１３とは別に、頭部１０ａの円筒側面に超硬合金ボタンを設けて、軸ブレを防止しても良い。超硬合金ボタンの数に特に限定は無く、適宜設計される。又、超硬合金ボタンの設置位置に特に限定は無く、例えば、円筒側掘削部の掘削部材１３の位置と同様の位置や頭部１０ａの回転軸に沿った位置を挙げることが出来る。

又、例えば、頭部１０ａの円筒側面に、頭部１０ａの回転軸に沿った長尺状の超硬合金ガイドパッドを設けて、軸ブレを防止しても良い。超硬合金ガイドパッドの数に特に限定は無く、適宜設計される。又、超硬合金ガイドパッドの設置位置に特に限定は無く、例えば、頭部１０ａの円筒側面の下方位置を挙げることが出来る。

又、複数の掘削部材１１、１２、１３について、平面層の角部を丸くして、エッジ部にＲ面を形成することで、掘削時の割れを防止しても良い。

又、頭部１０ａの先端平面の外周端部領域１２ａのショルダー部分の回転速度は極めて速いため、回転速度の増加に伴って、掘削部材１１、１２が必要となる。そのため、外周端部領域１２ａのショルダー部分に設けられる掘削部材１１、１２は、他の部分と比較して数を増加するように構成しても良い。

又、頭部１０ａの先端平面の中心付近の回転速度はほぼ０になることから、中心付近に設けられた掘削部材１１の掘削は、非常に不利に働く。そこで、中心付近の掘削部材１１について、平面層の角部を丸くしたり、中心付近に補助的に超硬合金ボタンを設けたりすることで、掘削時の割れを防止しても良い。

又、掘削時の頭部１０ａの高温加熱に対応するために、頭部１０ａに清水を補給するように構成しても良い。又、頭部１０ａの回転の際に、頭部１０ａの動バランスを調整するために、頭部１０ａの円筒側面に重りを適宜設けたり穴を適宜設けたりして、軸ブレを防止するように構成しても良い。

以下、実施例、比較例によって本発明を具体的に説明するが、本発明はこれにより限定されるものではない。

＜ドリルビットの評価方法、評価結果＞
図１～図３に示すドリルビット１を試作品として作成した。ここで、図７に示すように、先端側掘削部１２における掘削部材１２の平面層１２ｂの第一の傾斜角度αを０度としたドリルビットを比較例１とし、第一の傾斜角度αを２０度としたドリルビットを実施例１とし、第一の傾斜角度αを４０度にしたドリルビットを実施例２とした。ここで、ドリルビット本体１０の円筒の直径を６１．００ｍｍとし、先端側掘削部１２の掘削部材１２の平面層１２ｂと円筒側掘削部１３における掘削部材１３の平面層１３ｂの直径を、それぞれ１３．４４ｍｍとし、第二の傾斜角度βを７０度にした。又、所定の距離ｄは、１．４１ｍｍに設定した。

この試作品を市販の大型穴明機の回転接続部に接続し、回転数を１００ｒｐｍ、２６０ｒｐｍ、３６０ｒｐｍのそれぞれに設定した。又、掘削対象岩石は、花崗岩を含む硬岩を対象とした。岩石に市販の小型圧縮型ロードセルを設置して、ドリルビットが岩石に衝突して掘削した際に、このロードセルからスラスト（最大押付力）（Ｎ）を測定した。又、掘削開始から掘削完了までの掘削時間を測定し、スラスト（Ｎ）と掘削時間（ｓｅｃ）とを乗算した力積（Ｎ・ｓｅｃ＝１／１０００ＫＮ・ｓｅｃ）を算出し、掘削負担を確認した。又、掘削距離（ｍ）を掘削時間（ｓｅｃ）で除算した掘削速度（ｍ／ｓｅｃ）を算出し、力積（Ｎ・ｓ）と掘削速度（ｍ／ｓｅｃ）とを乗算した掘削時のエネルギー（Ｊ）を算出し、更に、掘削エネルギー負担を確認した。

図８Ａには、実施例１－２における各回転数毎の力積の評価結果を示す。ここで、比較例１では、第一の傾斜角度αが０であるため、そもそも先端側掘削部１２の掘削部材１２としての掘削能力が無く、岩石の掘削が上手く行かず、掘削を断念した。一方、図８Ａに示すように、実施例１－２では、回転数が１００ｒｐｍから３６０ｒｐｍまで高くなる程、力積が低くなり、掘削負担が軽減されていることが理解される。更に、実施例２では、いずれの回転数であっても、著しく力積が低くなり、更に、掘削負担が低減されたことが分かった。

図８Ｂには、実施例１－２における各回転数毎のエネルギーの評価結果を示す。図８Ｂに示すように、実施例１－２では、回転数が１００ｒｐｍから３６０ｒｐｍまで高くなる程、エネルギーが低くなり、掘削負担が軽減されていることが理解される。更に、実施例２では、実施例１と比較して、いずれの回転数であっても、低いエネルギーを示しており、掘削負荷の分散が上手く行ったことが分かった。

図９には、実施例２の掘削後の岩石の掘削穴の写真を示す。図９に示すように、掘削穴の底面には、約０．５ｍｍの段差が出来ている。これは、正に、円筒側掘削部１３における掘削部材１３の平面層１３ｂの先端１３ｂ１が、先端側掘削部１２における掘削部材１２の平面層１２ｂの先端１２ｂ１よりも所定の距離ｄだけ突出して出っ張っていたからである。尚、実施例１－２では、掘削時にドリルビットの頭部を回転し続けても、頭部の外周側面の軸ブレが生じなかった。これも、円筒側掘削部１３における掘削部材１３の平面層１３ｂの掘削が、ドリルビット全体の掘削の安定に寄与していると考えられる。

次に、上述した試作品について、第一の傾斜角度αを変更したドリルビット１を作成した。図１０に示すように、第一の傾斜角度αを４０度にしたドリルビットの実施例２に対して、第一の傾斜角度αを５０度としたドリルビットを実施例３とし、第一の傾斜角度αを３０度にしたドリルビットを実施例４とした。ここで、ドリルビット本体１０の円筒の直径と、先端側掘削部１２の掘削部材１２の平面層１２ｂと円筒側掘削部１３における掘削部材１３の平面層１３ｂの直径と、第二の傾斜角度βと、所定の距離ｄとは、上述と同様である。

実施例２－４の試作品を大型穴明機の回転接続部に接続し、回転数を１００ｒｐｍ、２６０ｒｐｍ、３６０ｒｐｍのそれぞれに設定し、掘削対象岩石を、花崗岩を含む岩石に設定し、上述と同様に、スラスト（最大押付力）（Ｎ）と、掘削時間（ｓｅｃ）と、掘削速度（ｍ／ｓｅｃ）とを測定し、これらの測定値から、力積（Ｎ・ｓｅｃ＝１／１０００ＫＮ・ｓｅｃ））と、掘削時のエネルギー（Ｊ）とを算出した。

図１１Ａには、実施例１－４における各第一の傾斜角度α毎の力積の評価結果を示す。図１１Ａに示すように、第一の傾斜角度αが、２０度～４５度の範囲内である場合、回転数が１００ｒｐｍから２６０ｒｐｍ、３６０ｒｐｍと増加する程、力積が低下し、掘削負担が軽減されていることが理解される。

図１１Ｂには、実施例１－４における各第一の傾斜角度α毎のエネルギーの評価結果を示す。図１１Ｂに示すように、第一の傾斜角度αが、２０度～４５度の範囲内である場合、回転数が１００ｒｐｍから２６０ｒｐｍ、３６０ｒｐｍと増加する程、エネルギーが低下し、掘削負荷の分散が進んでいることが理解される。

次に、図５、図６に示すドリルビット１を、スケールアップした試作品として作成した。ここで、図１２Ａ、図１２Ｂには、図５で示すなで肩型ドリルビットを３Ｄ－ＣＡＤで構成し、実施例５とした。なで肩型ドリルビット１では、上述のように、先端側掘削部の掘削部材１２が、頭部１０ａの先端平面の中心から放射状に均等に４つ配置され、円筒側掘削部の掘削部材１３が、頭部１０ａの円筒側面の外周面に周方向に均等に４つ配置され、先端側掘削部の掘削部材１２の直下に設けられている。先端側掘削部の掘削部材１２から、頭部１０ａの先端平面の中心に向かって、第一の掘削部材１１ａと第二の掘削部材１１ｂとが設けられる。頭部１０ａの直径は、１５０ｍｍであり、頭部１０ａの長さは、約２７０ｍｍであり、掘削部材の数は２９個である。

その他の掘削部材１１は、頭部１０ａが回転すると、複数の掘削部材１１、１２、１３の平面層のそれぞれが、頭部１０ａの半径方向に部分的に重なって、複数の掘削部材１１、１２、１３の平面層が頭部１０ａの先端平面の全体を覆うように構成されている。又、複数の掘削部材１１、１２が、頭部１０ａの先端平面に設けられる場合、複数の掘削部材１１、１２の数は、頭部１０ａの半径方向に行くに従い、増加するように構成されている。又、円筒側掘削部の掘削部材１３の直下にも、掘削部材１１が設けられている。

又、図１３Ａ、図１３Ｂには、図６に示すいかり肩型ドリルビットを３Ｄ－ＣＡＤで構成し、実施例６とした。いかり肩型ドリルビット１では、上述のなで肩型ドリルビット１と同様に、先端側掘削部の掘削部材１２と、円筒側掘削部の掘削部材１３とが設けられる。その他に、複数の掘削部材１１も設けられ、頭部１０ａの先端平面に設けられる複数の掘削部材１１、１２では、掘削部材１１、１２の平面層の先端の高さは、頭部１０ａの中心に行くに従い、低くなるように構成されている。又、円筒側掘削部の掘削部材１３の直下にも、掘削部材１１が設けられている。

図１４Ａに示すように、この試作品を陸上掘削試験場へ搬送し、図１４Ｂに示すように、この試験品を市販の大型穴明機の回転接続部に接続し、回転数を６０ｒｐｍ、１２０ｒｐｍ、１８０ｒｐｍのそれぞれに設定した。又、掘削対象岩石は、６００ｍｍ×６００ｍｍ×６００ｍｍの花崗岩（御影石）の岩石を対象とした。掘削条件は、回転数６０ｒｐｍで下穴を１００ｍｍ～１５０ｍｍの深さまで掘削した後に、約５００ｍｍの深さまで本掘削を連続して行った。掘削深さが進行すると、回転数を増加させるとともに、スラスト（ｋｇｆ）を増加させた上で、各回転数毎に掘削時間（ｍｉｎ）を測定し、掘削速度（ｃｍ／ｍｉｎ）を測定した。回転数が６０ｒｐｍの時は、スラストは１，８００ｋｇｆ～１，９００ｋｇｆとし、回転数が１２０ｒｐｍの時は、スラストは２，７００ｋｇｆ～３，０００ｋｇｆとし、回転数が１８０ｒｐｍの時は、スラストは３，５００ｋｇｆ～３，６００ｋｇｆとした。

図１５には、実施例５－６における各回転数毎の掘削速度の評価結果を示す。図１５に示すように、実施例５－６では、回転数が増加する程、掘削速度が増加し、掘削負荷が軽減された結果、掘削効率が向上していることが理解される。ここで、実施例５－６では、回転数が１２０ｐｍになると、掘削速度が４ｃｍ／ｍｉｎを超えている。一方、ドリルビットの硬岩用の要求特性として、回転数が６０ｒｐｍ～１２０ｒｐｍで掘削速度が約４ｃｍ／ｍｉｎと考えられている。従って、実施例５－６の掘削速度は、驚くべきことに、回転数が１２０ｐｍになると、硬岩用の要求特性の掘削速度よりも著しく向上しており、実施例５－６の掘削効率は、硬岩用の要求特性を十分満たしていることが分かった。

このように、各位置における掘削部材１１の掘削役割を明確化し、掘削負荷を分散させることで、ドリルビット１全体の掘削効率が向上したことが分かった。又、力積やエネルギーの低下具合から、ドリルビット１の長寿命化にもつながると確信している。

以上のように、本発明に係るドリルビットは、海底探索はもちろん、鉱業、石油、ガス、建設、温泉掘削等のドリルビットに有用であり、各位置における掘削部材の掘削役割を明確化し、掘削負荷を分散させることで、ドリルビット全体の掘削効率の向上とドリルビットの長寿命化とを図ることが可能なドリルビットとして有効である。

１ドリルビット
１０ドリルビット本体
１１掘削部材
１２先端側掘削部
１３円筒側掘削部

Claims

長手方向の回転軸を有し、円筒状のドリルビット本体と、
前記ドリルビット本体の頭部に設けられ、面層を掘削刃として備える複数の掘削部材と、
前記ドリルビット本体の頭部の先端平面のうち、外周端部領域に設けられ、前記面層の面を、前記外周端部領域の面と直角な垂線に対して、前記ドリルビット本体の回転方向と逆方向に、２０度～５０度の範囲内の第一の傾斜角度で傾斜された掘削部材で構成されており、当該掘削部材の側面を覆って固定する先端側掘削部と、
前記ドリルビット本体の頭部の円筒側面のうち、上端部領域に設けられ、前記面層の面を、前記上端部領域の面と直角な垂線に対して、前記ドリルビット本体の回転方向と逆方向に、６０度～９０度の範囲内の第二の傾斜角度で傾斜された掘削部材で構成されており、当該掘削部材の側面を覆って固定し、当該掘削部材の面層が、前記先端側掘削部の掘削部材の面層の近傍に設けられ、当該掘削部材の面層の先端が、前記ドリルビット本体の頭部の平面視で、前記先端側掘削部の掘削部材の面層の先端よりも、所定の距離だけ外部に突出している円筒側掘削部と、
を備えるドリルビット。
前記複数の掘削部材が、前記ドリルビット本体の頭部の先端平面に設けられる場合、前記ドリルビット本体の頭部が回転すると、前記複数の掘削部材の面層のそれぞれが、前記ドリルビット本体の頭部の半径方向に部分的に重なって、前記複数の掘削部材の面層が前記ドリルビット本体の頭部の先端平面の全体を覆うように構成されている、
請求項１に記載のドリルビット。
前記複数の掘削部材が、前記ドリルビット本体の頭部の先端平面に設けられる場合、前記複数の掘削部材の数は、前記ドリルビット本体の頭部の半径方向に行くに従い、増加するように構成されている、
請求項１又は２に記載のドリルビット。
前記先端側掘削部と前記円筒側掘削部とのそれぞれは、予め設けられた凹状の台座に前記掘削部材の側面から底面までを、ろう付けされることで、当該掘削部材の側面を覆って固定される、
請求項１～３のいずれか一項に記載のドリルビット。
前記複数の掘削部材が、前記ドリルビット本体の頭部の先端平面に設けられる場合、前記掘削部材の面層の先端の高さは、前記ドリルビット本体の頭部の中心に行くに従い、低くなるように構成されている、
請求項１～４のいずれか一項に記載のドリルビット。