JP4953790B2 - 回転式振動ドリル用振動装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷重回転型振動装置に関し、特に、回転式振動ドリル又はソニックドリルに使用するために適合した荷重回転型振動装置に関する。

従来の回転式振動ドリルで使用するのに適合した荷重回転型振動装置においては、振動エネルギーは、ハウジング内の制限された軌道に沿って回転するペアーの相反する回転偏心部材によって発生される。偏心部材はハウジング内の筒状の穴によって軌道に閉じこめられる。それぞれの偏心部材はハウジングに接続されており、振動力をハウジングに伝達する。ハウジングは順に振動出力をドリル用ビットに供給する。しかしながら、偏心部材やクランクシャフトが適切に最終調整されていないと、過度な振動力がクランクシャフト内で増幅してしまう可能性がある。こうした過度の振動力は、最終的に回転式振動装置にダメージを与えるかもしれない。
米国特許第５０２７９０８号 米国特許第５４０９０７０号

本発明の目的は、回転式振動装置の制御中に偏心部材とクランクシャフトを非連結状態にする自己補整機構を提供することである。

本発明の１側面によれば、振動装置が提供される。振動装置は、ハウジング、偏心部材、クランクシャフト、第１部材、第２部材及びクランクシャフトを回転するための制御機構とからなる。クランクシャフトは、ハウジング内に回転可能に装着されており、かつ偏心部材に制御可能に接続されている。第１部材は、中空で両端が開口している。第１部材はまた内部空間と外部表面を有する。第１部材は、偏心部材によって収容されている。第２部材は、第１部材の内部空間内に収容されており、第１部材から軸方向に延長している。第２部材は、クランクシャフトに接続されており、第１部材は、第一の軸に沿って第２部材の周りで放射状（radial：軸心方向と垂直の方向）の動きが許容されている。

本発明の他の側面によれば、回転ドライブ装置、ドリルストリング、及び振動装置の装置構成が提供される。振動装置はハウジング、偏心部材、クランクシャフト、第１部材、第２部材及びクランクシャフトを回転するための制御機構とから構成される。クランクシャフトは回転可能にハウジング内に装着されていて、かつ偏心部材に制御可能に接続されている。第１部材は、中空で両端が開口している。特に、この第１部材は、偏心部材に収容されており、かつ、第一開口端と第二開口端を有する中空の細長い部材であり、該第一開口端から該第二開口端まで延びる内部空間と、第１部材を連通する孔であって、該孔の軸が第１部材の長軸に垂直である孔を備えたものである。第１部材はまた内部空間と外部表面を有する。第１部材は、偏心部材によって収容されている。第２部材は、第１部材の内部空間内に収容されている。第２部材は、クランクシャフトに接続されており、第１部材は、第一の軸に沿って第２部材の周りで放射状の動きが許容されている。第１部材と偏心部材の間には液体が潤滑層を形成する。

本発明は、振動装置の偏心部材とクランクシャフトを非連結状態（decoupled：互いに固定されていない状態）にすることを可能にするという効果を奏する。従って、部品の不完全な機械加工、機械の摩耗又はクランクシャフトの過度な動きにも関わらず、振動装置の機能不良の事故や振動装置のダメージを減少させることができる。

まず初めに、図１を参照すると、これは本技術分野では既に知られ、本発明の先の特許、すなわち、米国特許第５，０２７，９０８号及び米国特許第５，４０９，０７０号で開示されているタイプと全体的に類似する回転式振動ドリル１０を示す。これら特許は、参照として引用する。

ドリル１０は振動装置２０、回転駆動装置１２及びドリルストリング１４から構成される。図１において、ドリルストリング１４は、一部が示されている。振動装置２０は、ハウジング２１内にペアの相反する回転方向の偏心部材２２、２４を含む。偏心部材２２は矢印２３によって示される方向に回転し、偏心部材２４は矢印２５によって示される方向に回転する。偏心部材２２、２４は、それらがストロークの頂部と底部で同期するように、それらの回転軸に対して回転するが、それらのストロークの頂部と底部の中間にある場合には、反対側に位置する。その結果、偏心部材２２、２４によってドリル１０に伝達された振動は、垂直方向に加重され、水平方向には減衰したものとなり、垂直方向に正味の振動力が発生する。

偏心部材はクランクシャフトで回転される。そのようなクランクシャフト３０．１は偏心加重２２．１とともに図２に示されている。図２の部品は、図１におけるそれと類似のものに対し「．１」を付加した数字によって示されている。クランクシャフト３０．１は振動装置２０．１のハウジング２１．１内で、両端が装着されている。クランクシャフト３０．１の一端にはスプラインソケット３６がある。偏心部材２２．１は、クランクピン３１．１に装着されている。クランクシャフト３０．１は、ギア１２２・１２４によって、第一のシャフト１２６と連結されている水圧モーター１２０によって回転される。第二のシャフト４０は、クランクシャフト３０．１から第一のシャフト１２６を制御するように接続されている。第一のシャフト１２６は、スプラインソケット１２８を有する。第二のシャフト４０は、第一のシャフト１２６内のスプラインソケット１２８に収容されている第一のスプラインボール４２を有している。第二のシャフト４０は、ボール４２と類似し、クランクシャフト３０．１のスプラインソケット３６に収容される第二のスプラインボール（図示せず）を有している。スプラインボール及びソケットは振動装置が振動するように、第二のシャフト４０の垂直方向の動きを許容している。

本発明の好適な実施例では、それぞれの偏心部材は、それら自身の偏心システムの一部でもある。それらの偏心システムは偏心部材の回転する方向にかかわらず、全体的に等しい。それゆえ、以下の開示は本発明の好適な実施例における単一偏心システムに限定されているけれども、補完的な相反する回転偏心システムもまた適用することができる。

本発明の好適な例として偏心システム１１が図３に示される。偏心部材２２．２は、長手方向に延長して貫通する孔を有するローラーである。第１部材５０は、偏心部材２２．２の孔の中に収納されている。第１部材５０は、両末端に開口を有する中空の細長い部材である。本実施例では、第１部材５０は、ブッシングである。第２部材７０は、図３及び図６に示すように、第１部材５０の内部空間５４内に収容されている。本実施例では、第２部材７０は、第一末端７１と第２末端７２を有するシャフトである。第２部材７０の第一末端７１と第二末端７２は、第１部材５０と偏心部材２２．２から軸方向、外側に向かって延長している。図３に見られるように、第２部材７０は、ボルト６４、６６によって、ブラケット６１、６２およびクランクシャフト３０．２に固定されている。追加のボルトもまた一般的に使用されるが、図示してはいない。

クランクシャフト３０．２の回転は、偏心部材２２．２を軌道に沿って回転させる。それによって、ハウジング２１．１に振動力を伝え、図２に示されるように、次々にドリル用ビットに振動出力を供給する。

本発明の好適な実施例による第１部材５０が、図４Ａ及び図４Ｂにより詳細に示されている。第１部材５０は、第一開口端５１と第二開口端５２を有する中空の細長い部材である。この例では、内部空間５４は第１部材の全長に延長してあり、断面は長方形である。第１部材５０の外部表面５６は、全体的に円形で滑らかである。第１部材５０の外部表面５６の第一開口端５１と第二開口端５２の間のほぼ中央に環状の凹部５８がある。凹部５８は、外部表面５６の周囲に延長されている。凹部５８内には孔５９が設けられている。孔５９は、第１部材の長軸５５に対して垂直な方向であって、第１部材５０を通して外部表面５６から内部空間５４に向かって延長している。

本発明の好適な実施例による、第２部材７０が図５Ａ及び図５Ｂにより詳細に示されている。第２部材７０は、第一末端７１の第一円筒部分８０及び第二末端７２の第二円筒部分８２および、それらに挟まれた四角柱部分８４で構成される細長い部材である。第２部材７０内には、延在する内部導管７７を有する。内部導管７７は、図３及び図５Ｂに好適に示されているように、第２部材７０の長軸８９と略平行である。

図５Ｂを特に参照すると、そこには入力導管７３が示されている。入力導管７３は第２部材７０の内部に延び、内部導管７７と連通している。従って、内部導管へ液体を流すことができる。この例では、入力導管７３は、第２部材７０の長軸８９に対して略垂直で、第２部材の第一円筒部分８０で内部に延びている。

第２部材７０の四角柱部分８４の第一の側面８５には、環状のくぼみ８６が存在する。第一の環状のくぼみ８６は、第２部材７０の第一末端７１と第二末端７２のほぼ中間にある。環状のくぼみ８６を取り巻くように、同心状にリング型のくぼみ８８がある。出力導管７９は内部導管７７と連結されていて、内部導管から環状のくぼみ８６まで延長している。それによって、液体を内部導管７７から外部環境に放出することができる。出力導管７９は、第一の環状のくぼみ８６と同心であり、第２部材７０の長軸８９に対して略垂直である。

本発明の好適な実施例において、偏心システム１１は振動出力を回転式振動ドリル又はソニックドリルのドリル用ビットに伝達するために使用される。偏心システム１１は以下のように作用する。

図３及び図６に示されているように、第２部材７０は、第１部材５０の内部空間５４内に収容されている。第２部材７０の四角柱部分８４は、第１部材５０によって取り囲まれている。第２部材７０の円筒部分８０、８２は、第１部材５０から長軸方向に外方へ向かって延びている。図６に示されているように、第２部材７０の四角柱部分８４の第一の辺又は側面１５０は、第１部材５０の内部空間５４の第一の辺又は側面１５２に略等しい。第２部材７０の四角柱部分の第二の辺又は側面１５４は、第１部材５０の内部空間５４の第二の辺又は側面１５６よりも相対的に短い。第二の辺１５４、１５６は、第一の辺１５０、１５２に対して略垂直である。この配置により、矢印１１５の方向における、第２部材７０に対する第１部材５０の放射状の動きを許容する。その他の方向における第２部材との相対的な第１部材の動きは、限定される。偏心システムが実行されるとき、第１部材５０と第２部材７０の組み合わせは、矢印１１７によって示されているおおよその方向に、クランクシャフトによって回転される。

再び図３を参照すると、ボルト６４及び６６によって定位置に保持されたブラケット６１、６２は、第２部材７０の第一及び第二円筒部分８０、８２をクランクシャフト３０．２に固定する。従って、第２部材７０はクランクシャフト３０．２に接続されている。第１部材５０は、第２部材７０に対して、放射状の動きが許容され、クランクシャフト３０．２から同様に解放される。偏心部材２２．２もまた、第２部材７０と比較して、放射状の動きが許容され、同様にクランクシャフト３０．２から解放される。第１部材５０と偏心部材２２．２は、概略矢印１３０によって示された方向の第一の軸１１０に沿って動きが許容される。第一の軸１１０は、第２部材７０の長軸８９に対して略垂直である。

クランクシャフト３０．２の回転により、偏心部材２２．２を軌道に沿って回転させることになる。回転する偏心部材２２．２は、図２に示す２１．１のようなハウジングに振動力を伝達する。ハウジングは、順次振動出力をドリル用ビット（図示しない）に供給する。回転式振動ドリルやソニックドリルで知られているものでは、クランクシャフトが偏心部材を回転するときに、近接する部品間での公差が不完全であると、クランクシャフトにストレスを引き起こす。しかしながら、偏心システム１１では、偏心部材２２．２及びクランクシャフト３０．２が解放されている。偏心部材２２．２及びクランクシャフト３０．２は、自己補整機構を有し、公差のいかなる誤差も補償することができる。それゆえ、偏心部材２２．２は、図２に示すようなハウジング２１．１内で、クランクシャフト３０．２にストレスを与えることなく、回転されうる。こうして、偏心部材２２．２のみが放射状の力をハウジングに伝達する。

本発明の好適な実施例として付加的特徴は、液体が偏心システム１１に導入されることである。図３に示される好適例のように、液体は、液体貯蔵部１４５からポンプ１４３によって、供給導管１４０に沿ってクランクシャフト３０．２へ供給される。供給導管１４０は、クランクシャフト導管１４７の第１末端と連結されている。クランクシャフト導管１４７は、クランクシャフト３０．２を貫通して延長されている。クランクシャフト導管１４７の第二末端は、第２部材７０の入力導管７３と連結されている。液体は、クランクシャフト導管１４７に沿ってクランクシャフト３０．２を通って流れ、第２部材７０内へと入る。次いで、第２部材７０内を流れた液体は、第２部材の出力導管７９及び第１部材５０の延長孔５９を通じて放出される。液体は、図４Ａ内の矢印１６１及び１６３に概略示されるように、第１部材５０の外表面５６を覆うように流れ、第１部材５０及び偏心部材２２．２の間において潤滑剤として作用する。本発明のこの実施例では、液体はオイルである。

ここに示された詳細な記述は、実施例の説明の為に用いられ、請求項に係る発明から逸脱しない範囲で改良・改善が可能であることは、当業者によって理解されるべきである。

本発明の実施例に係る振動装置を有する回転式振動ドリルの一部を分解した斜視図である。 本発明の実施例に係る振動装置を有する他の回転式振動ドリルの一部を分解した正面図である。 本発明の実施例に係る振動装置の偏心システムの正面断面図である。 図４Ａは、図３に図示された偏心システムの第１部材の正面図である。図４Ｂは、第１部材の断面図である。 図５Ａは、図３に図示された偏心システムの第２部材の側面図である。図５Ｂは、第２部材の正面図である。 第２部材によって収容された第１部材を図示した側面図である。

１０、１０.１ 回転式振動ドリル
２１、２１.１ ハウジング
２２、２２.１、２２.２、２４ 偏心部材
４０ 第二のシャフト
５０ 第１部材
６１、６２ ブラケット
６４、６６ ボルト
７０ 第２部材
７３ 入力導管
７７ 内部導管
７９ 出力導管

Claims (11)

1. 振動装置であって、該装置は、
   ハウジングと、
   偏心部材と、
   ハウジング内に回転可能に装着され、前記偏心部材に制御可能に連結されているクランクシャフトと、
   内部空間と外部表面を有し、前記偏心部材に収容されており、かつ、第一開口端と第二開口端を有する中空の細長い部材であり、該第一開口端から該第二開口端まで延びる内部空間と、第１部材を連通する孔であって、該孔の軸が第１部材の長軸に垂直である孔を備えている第１部材と、
   第１部材の内部空間内に収容され、第１部材から軸方向に延在している第２部材であって、該第２部材の長軸に対して垂直な第一の軸に沿って、前記第１部材が第２部材の周囲に放射状の動きを許容するように、クランクシャフトに連結されている第２部材と、
   前記クランクシャフトを回転させるために、ギアによってクランクシャフトと連結されたモーターであり、該制御機構は音波振動力を発生させるためにクランクシャフトを回転させることが可能である制御機構と、
   からなることを特徴とする振動装置。
2. 前記第２部材は、第一末端と第二末端を有する細長い部材であり、第２部材内に長軸方向に延在する内部導管と、第２部材を連通して内部導管と連結されている入力導管と、第２部材を連通して内部導管と連結されている出力導管とを備えていることを特徴とする請求項１記載の振動装置。
3. 前記第２部材の入力導管と動作可能に連結している液体貯蔵部および供給導管をさらに含み、液体貯蔵部から供給導管に沿って流れる液体が、第２部材の入力導管を通って第２部材の内部導管へ、該内部導管から第２部材の出力導管を通って放出され、該液体が第１部材の外部表面の周りへ流れるように該第１部材の前記孔を通じて放出されることを特徴とする請求項２記載の振動装置。
4. 前記液体が、第１部材の外部表面と偏心部材の間で潤滑層を形成することを特徴とする請求項３記載の振動装置。
5. 前記液体はオイルであることを特徴とする請求項４記載の振動装置。
6. 第１部材の内部空間は断面が長方形であり、第２部材は四角柱部分を有し、
   前記第１部材の内部空間内に収容された第２部材の四角柱部分の断面が、前記第１部材の内部空間断面の第一の辺に略等しい、第一の辺と、前記第１部材の内部空間断面の第二の辺より比較的短い、第二の辺とを備えたことを特徴とする請求項１記載の振動装置。
7. 回転式駆動装置と、ドリルストリングおよび振動装置を含む装置構成であり、
   該振動装置が、ハウジングと、偏心部材と、ハウジング内に回転可能に装着され、偏心部材に動作可能に接続されたクランクシャフトとで構成され、
   偏心部材に収容され、両端が開口された内部空間と外部表面を有する中空の第１部材と、
   第１部材の内部空間内に収容され、第１部材から軸方向に延在している第２部材であって、該第２部材の長軸に対して垂直な第一の軸に沿って、前記第１部材が第２部材の周囲に放射状の動きを許容するように、クランクシャフトに連結されている第２部材と、
   クランクシャフトを回転するために制御機構とを有するとともに、
   前記第１部材の内部空間は断面が長方形であり、前記第２部材は四角柱部分を有し、
   前記第１部材の内部空間内に収容された第２部材の四角柱部分の断面が、前記第１部材の内部空間の第一の辺に略等しい、第一の辺と、前記第１部材の内部空間の第二の辺より比較的短い、第二の辺とを備えたことを特徴とする装置構成。
8. 前記第１部材と偏心部材の間に潤滑層を形成する液体をさらに含むことを特徴とする請求項７記載の装置構成。
9. 両端が開口し、内部空間と外部表面を有する中空の第１部材と、
   前記第１部材の内部空間は断面が長方形の細長い空間であり、該内部空間内に収容された第２部材は四角柱部分を有し、
   前記第１部材の内部空間内に収容された第２部材の四角柱部分の断面が、前記第１部材の内部空間の第一の辺に略等しい、第一の辺と、前記第１部材の内部空間の第二の辺より比較的短い、第二の辺とを備え、
   前記第２部材の長軸に対して垂直な第一の軸に沿って、第１部材が放射状に動きを許容することができる第２部材と、を備えたことを特徴とするシャフトとブッシングのアッセンブリ。
10. 前記第１部材はブッシングであることを特徴とする請求項９記載のアッセンブリ。
11. 前記第２部材はシャフトであることを特徴とする請求項９記載のアッセンブリ。

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