JP4319400B2 - 超音波コアビット - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、鉱物等、例えば岩やコンクリート等からなる地盤の材料をを研削的に除去するための切削チップ又は研磨チップを具え、対称軸の周りを回転駆動されるコアビットに関し、特に軸方向超音波励振器を具えるコアビットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、有底円筒状に形成されたコアビットは、一方の端部に研磨チップを配設した円筒胴部と、この他方の端部に結合された蓋部とを具え、この蓋部が軸心部に少なくとも回転する工具装置により把持されるシャンクを有する。一般に、コアビットの固有振動数は、２０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの領域の超音波と重なるので、軸心部にあるシャンク内のアクチュエーターから、この振動数の超音波を励振する。このようなコアビットにより、直径が約１００ｍｍと小径の円筒胴部が実現されるだけでなく、地盤へ侵入する場合に、コアビットはアクチュエーターの励振直径よりも大きな大径であるので、振動が激しくならない、すなわち円筒胴部に作用する研削掘削に必要な軸力の減衰が大きい場合にも、この十分に安定な軸線長手方向振動を励振することが可能となる。
【０００３】
ドイツ国特許第３８１２９１７号（特許文献１）には、詳細は不明な固有振動数で作動するスロットドリルに沿ってドリルクラウン内で延在する開口が記載されている。ドイツ国特許第３６３５８０６号（特許文献２）には、円筒形状の本体部に等間隔に配置した複数の縦溝を具える、振動方向を制御可能な超音波振動器が記載されている。
【０００４】
ドイツ国特許第４４４４８５３号（特許文献３）には、円筒胴部と、一方の端部に結合された蓋部とを具えるコアビットが記載されている。このコアビットは、固有振動数を有する軸心部内で軸線方向に曲げ振動を励振する。さらに、研磨チップの半径方向の厚さが変動する、曲げ振動を励振するための研磨ディスクが、幾何学的に定義されていない位置に同心状の断面段差を具える。
【０００５】
ドイツ国特許第１９７５８２４３号（特許文献４）には、面状に放射された音場の指向性を向上させるために、曲げ振動板を有する超音波変換器が記載されている。この曲げ振動板は、振幅振動節領域に配置された同心状の断面段差を具える。
【０００６】
【特許文献１】
ドイツ国特許第３８１２９１７号
【特許文献２】
ドイツ国特許第３６３５８０６号
【特許文献３】
ドイツ国特許第４４４４８５３号
【特許文献４】
ドイツ国特許第１９７５８２４３号
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、この発明の目的は、円筒胴部に軸方向の縦振動を発生するために、中心軸方向超音波励振器により強い振動の励振作用を生じる、大径のコアビットを実現することにある。また、この発明の他の目的は、円筒胴部の軸方向端部における軸方向振動の振幅を増大させることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は、独立請求項の特徴により基本的に解決される。有利な実施態様は従属請求項に述べる通りである。
【０００９】
実質的に、鉱物等からなる地盤の材料を研削的に除去するためのコアビットは、一方の端部に切削チップ又は研磨チップを配設した円筒胴部と、円筒胴部の他方の端部に結合された蓋部とを具え、この蓋部が、軸心部に少なくとも回転する工具装置により把持されるシャンクを有し、同心曲げ振動の目標励振振動数に関して、整数個の振幅振動腹を形成するように寸法を定められている。これにより、円筒胴部が、軸方向縦振動の目標励振振動数に関して、整数個の振幅振動腹を形成するように寸法が定められている。
【００１０】
蓋部及び円筒胴部の形態の個々の部品が共鳴するよう組み合わせるので、コアビットに、軸線方向の超音波励振器による強い振動の励振作用を生じることが可能となる。
【００１１】
蓋部が、曲げ固有振動の振幅振動節領域に近い位置に、同心状の断面段差を具えることが好ましい。
【００１２】
蓋部の振幅振動節領域の位置にある断面段差は、円筒胴部の連結端に現れる振動腹の振幅を顕著に増加させる、曲げ振動の振幅変換器の役目を果たす。これにより、円筒胴部に非常に振幅の大きい軸方向縦振動、したがって十分に強い振動が励振される。この振幅振動節領域の幾何学的位置は、同心的に存在する半径方向波の振幅振動節の位置付近にあり、これにより半径方向の段面段差付近で、振幅振動節の位置を僅かにずらすことができる。
【００１３】
実質的に関連するコアビットについては、例えば２０ｋＨｚの目標励振周波数に対して、全部で２個又は３個の振幅振動節となるように寸法が定められたものであることが好ましい。断面段差の位置が、以下の表に示す相対半径範囲の内部に組み込まれた節にある場合には、断面段差の半径方向内側に対する半径方向外側の厚さ比が、０．２〜０．４であることがさらに好ましい。表中、最適値を括弧書きで示す。
【００１４】
【表１】
Figure 0004319400
【００１５】
他の実施態様において、コアビットは、一方の端部に研磨チップを配設した円筒胴部と、円筒胴部の他方の端部に結合された蓋部とを具え、この蓋部が、軸心部に少なくとも回転する工具装置により把持されるシャンクを具えており、円筒胴部内に、軸方向縦固有振幅振動節の軸線領域にのみ配置され、対称軸に沿って配向された、伸張形状の材料凹部を具える。
【００１６】
縦固有振幅振動節に位置する対称軸に沿った伸張形状の材料凹部により、それらの間に配置された円筒シェルは、実質的にもはや互いに振動結合することがない。これにより、寄生的にエネルギーを消費するラジアルモードの励振が抑制される。縦固有振動腹の領域内で十分に互いに振動結合した円筒シェルにより、コアビットの固有振動数は、細い縦振動子に対応したものとなり、円筒胴部の固有振動数とは異なる。さらにエネルギーを加えると、振幅が顕著に大きな軸線方向縦振動を招き、したがって、十分に強い振動を励振する。材料凹部の軸線領域を決めるために必要な、振動するｆにおける縦固有振動数の波長λは、縦位相速度をｃとして、λ＝ｃ／ｆで求められる。ここで、ｃは、弾性係数をＥ、密度をρとして、（Ｅ／ρ）の平方根として求められる。λ振動子として作られた円筒胴部に対しては、材料凹部の軸線方向中心が、円筒胴部の軸線方向長さに対して１／４及び３／４の少なくとも一方の位置にあることが好ましい。
【００１７】
伸張形状の材料凹部は、軸に平行に配向されることが好ましい。これにより、寄生的なシヤーモードが励振されない。
【００１８】
伸張形状の材料凹部が、縦溝として形成されていることが好ましい。これにより、ラジアルモードが完全に抑制される。
【００１９】
コアビットが、断面段差及び伸張形状の材料凹部を具えることが好ましい。これにより、それぞれの効果が重畳して、振幅がさらに大きくなる。
【００２０】
円筒胴部の端部に通常直接配設される蓋部の側方に、蓋フランジが円筒胴部の半径方向に突出することが好ましく、その突出量が曲げ固有振動の波長の１／４程度であることがさらに好ましい。これにより、円筒胴部に励振されるラジアルモードの一部をさらに抑制することが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明の好適な実施態様をより詳細に説明する。
【００２２】
図１は、この発明に従うコアビット１の一部断面側面図である。コアビット１は大径であり、薄厚の円筒胴部３の一方の端部に配設した研磨チップ２と、他方の端部に結合された薄厚の蓋部４とを具える。蓋部４は、対称軸及び回転軸Ａに、図示しない回転工具装置に形状結合的に収容されるシャンク５を具える。シャンク５には、軸線方向超音波を励振する、一部を概略的に図示した電気音響アクチュエーター６が、可変変圧器により誘導的に圧力を供給する圧電変換器の形態で配置されている。蓋部４は、半径方向位置に、対称軸Ａの位置で振幅が最大となる、曲げ固有振動８の振幅振動節領域７と、円筒胴部３の端部に同心状の断面段差９を具える。これにより、端部で振幅が増大される。円筒胴部３には、両方の正面に十分に等間隔で配置され、対称軸Ａに軸平行に配向された、縦溝の形態の伸張形状の材料凹部１１の位置に、軸線領域ｘ内にのみ、延びが最大となる、軸線方向の縦固有振幅振動節１０が存在する。この材料凹部１１は、円筒胴部の軸線方向長さに対して１／４及び３／４の少なくとも一方に位置する。蓋部４には、蓋フランジ１２が、曲げ固有振動８の波長の１／４程度の長さで、円筒胴部３から突出している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に従うコアビットの一部断面側面図である。
【符号の説明】
１ コアビット
２ 研磨チップ
３ 円筒胴部
４ 蓋部
５ シャンク
６ アクチュエーター
７ 振幅振動節領域
８ 曲げ固有振動
９ 断面段差
１０ 縦固有振動振幅節
１１ 材料凹部
１２ 蓋フランジ

Claims (6)

  1. 鉱物等からなる地盤の材料を研削的に除去するためのコアビットであって、一方の端部に切削チップ又は研磨チップ（２）を配設した円筒胴部（３）と、この他方の端部に結合された蓋部（４）とを具え、該蓋部（４）が、軸心部に少なくとも回転する工具装置により把持されるシャンク（５）を有し、かつ同心曲げ振動の目標励振振動数に関して、整数個の振幅振動腹を形成するように寸法を定められたコアビットにおいて、円筒胴部（３）が、軸方向縦振動の目標励振振動数に関して、整数個の振幅振動腹を形成するように寸法を定めたものであり、該円筒胴部（３）内に、軸方向縦固有振幅振動節（１０）の軸線領域（ｘ）にのみ配置され、対称軸（Ａ）に沿って配向された、伸張形状の材料凹部（１１）を具えることを特徴とするコアビット。
  2. 蓋部（４）の曲げ固有振動（８）の振幅振動節領域（７）に近い位置に同心状の断面段差（９）を具える、請求項１記載のコアビット。
  3. 伸張形状の材料凹部（１１）が軸に平行に配向される、請求項１記載のコアビット。
  4. 伸張形状の材料凹部（１１）が縦溝として形成されている、請求項1又は３記載のコアビット。
  5. 断面段差（９）と伸張形状の材料凹部（１１）の双方を具え、材料凹部（１１）が円筒胴部の軸線方向長さに対して１／４及び３／４の少なくとも一方の位置にある、請求項１〜４のいずれか一項記載のコアビット。
  6. 蓋部（４）が円筒胴部（３）の半径方向に突出した蓋フランジ（１２）を有し、その突出量が曲げ固有振動（８）の波長の１／４である、請求項１〜５のいずれか一項記載のコアビット。
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