JP5871241B2 - 切削装置、試料採取システム、試料採取方法 - Google Patents
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Description
このような試料の採取は、円筒状の切削ビットを切削装置の先端に装着し、切削ビットをその中心軸周りに回転させながら岩盤や岩塊から採取した試料コアに押し付け、この試料コアを切削していくことによって行われる。
また、コンクリートなどの人工物でも、たとえばアルカリ度などの組成分布を測定するために同様の処理が行われることがある。
また、水や油を切削対象中に浸透すると、サンプルによっては水や油によって試料に含まれる成分が溶解し、内部組成が変わってしまうという問題もある。例えばコンクリートの組成分布を調査する場合、水によるアルカリ分の溶解により特に表面や切削部の組成が変化してしまう恐れがある。
しかし、液化ガス、液体窒素、ドライアイス等の極低温の媒体をドリルビットや工具、回転軸に通すと、ドリルビットや回転軸を回転自在に支持する軸受等が凍結してしまい、損傷してしまうことも考えられる。そこで、これらの部品を、極低温に耐えうるものとしなければならず、その結果、装置コストの上昇を招く。
そこでなされた本発明の目的は、切削対象物から試料を確実に採取するとともに、切削装置の高コスト化を抑えることのできる切削装置、試料採取システム、試料採取方法を提供することである。
すなわち、本発明は、切削対象物から円柱状の試料を採取するための切削装置であって、ハウジングと、前記ハウジングに回転自在に支持された回転軸と、基部が前記回転軸に装着され、前記基部から筒状に延びる筒状ビット部を有する切削ビットと、前記回転軸を回転駆動させる駆動源と、前記回転軸および前記切削ビットの前記基部を貫通して、前記切削装置の上部から前記筒状ビット部内まで連通した貫通部と、を備え、前記貫通部に中空の管体が挿通可能とされ、前記貫通部の内周面に、前記回転軸よりも熱伝導率の低い材料から形成されたリング状の管体支持部材が設けられていることを特徴とする。
この切削装置によれば、駆動源により回転軸を回転駆動させることによって切削ビットを回転させながら、切削対象物を切削することで、切削対象物に円筒状の切り込みを形成することができる。貫通部には、中空の管体を挿通させることができる。この中空の管体に、液化窒素、液化アルゴン等の液化冷媒の供給源を接続し、この供給源から液化冷媒を供給すると、切削ビット内に液化冷媒を送り込むことができる。この液化冷媒により、切削ビット内で切削対象物が冷却され、冷凍固化する。また、液化冷媒により、切削ビットと切削対象物との間の潤滑、切削対象物の切削によって生じる切り粉の排出、切削ビットの冷却が行われる。
また、液化冷媒が通る中空の管体が貫通部に挿通されることで、回転軸が液化冷媒に直接接触して冷却されることがなく、回転軸の周囲の軸受等の部品の温度低下を抑えることができる。これにより、軸受等に極低温に対応可能な高価な部品を用いることなく、装置コスト上昇を抑えることができる。
さらに、貫通部の内周面に、回転軸よりも熱伝導率の低い材料から形成されたリング状の管体支持部材が設けられているので、管体を貫通部内で支持しつつ、管体を通る液化冷媒から回転軸への伝熱をさらに抑えることができる。
これにより、液化冷媒の供給源に接続される管体は固定状態のまま、ハウジング、回転軸、および切削ビットを切削対象物に接近させて切削を行うことができる。
これにより、切削ビットの基部を介して回転軸側が液化冷媒によって冷却されるのを抑えることができる。
この試料採取システムによれば、駆動源により回転軸を回転駆動させることによって切削ビットを回転させながら、切削対象物を切削することで、切削対象物に円筒状の切り込みを形成することができる。冷媒供給管に、液化冷媒供給源から切削ビットの筒状ビット部内に液化冷媒を供給することによって、切削ビット内で切削対象物が冷却され、冷凍固化する。また、液化冷媒により、切削ビットと切削対象物との間の潤滑、切削対象物の切削によって生じる切り粉の排出、切削ビットの冷却が行われる。
また、冷媒供給管を通して液化冷媒を送り込むことによって、回転軸が液化冷媒に直接接触して冷却されることがなく、回転軸の周囲の軸受等の部品の温度低下を抑えることができる。
これにより、筒状ビット部の内周面に沿って液化冷媒を流すことができる。
これにより、筒状ビット部の内周面に沿って液化冷媒を流すことができる。
これによっても、ビット部の内周面に沿って液化冷媒を流すことができる。
この試料採取方法によれば、切削ビット内で切削対象物が冷却され、冷凍固化するので、切削対象が崩れるのを防いで試料を確実に採取できる。
図1は、本実施形態にかかる試料採取システムの構成を示す立断面図である。図2は、図1に示した試料採取システムで切削対象物を切削している状態を示す立断面図である。図3は、図1に示した試料採取システムで切削対象物の切削が完了した状態を示す立断面図である。
図1に示すように、試料採取システム10は、切削装置20と、切削装置20に液体窒素等の液化冷媒を供給する液化冷媒供給装置60と、を備えている。
基台21は、その上面に切削対象物100を載置できるようになっている。基台21の上方には、プレート状のステージ23が基台21の上面21aと平行に配置されている。このステージ23は、基台21から直交して上方に延びるガイド支柱24に沿って移動自在に設けられている。ステージ23は、不図示のステージ駆動機構によってガイド支柱24に沿って移動し、これによって、基台21に対して接近・離間する方向に昇降可能とされている。
さらに、ハウジング31の上部開口31a、下部開口31bには、中央部に貫通孔35h,36hが形成された上部キャップ35,下部キャップ36が取り付けられている。上部キャップ35,下部キャップ36が上下の軸受37,37に突き当たることで、軸受37,37の上下方向における位置が固定されている。
また、上部キャップ35と、回転軸32には、その中央に上下方向に連続するチューブ挿通孔38A,38Bが貫通形成されている。チューブ挿通孔38A,38Bには、後述する冷媒供給チューブ61が挿通される。チューブ挿通孔38A,38Bには、ナイロン樹脂等、回転軸32よりも摩擦係数および熱伝達率の低い材料からなる円筒状のパイプガイド(管体支持部材)39が必要に応じて設けられている。
たとえば回転軸32において、ハウジング31よりも下方に突出した部分には、従動プーリ40が設けられている。
回転軸32を回転駆動させるモータ33は、ステージ23上において、回転軸32の中心軸Cに直交する方向にオフセットして、ハウジング31に隣接した位置に固定されている。モータ33の駆動軸33sは、ステージ23に形成された貫通孔23iを通してステージ23の下方に突出している。駆動軸33sには、円板状の駆動プーリ41が設けられている。
そして、回転軸32の従動プーリ40と、モータ33の駆動プーリ41との間には、駆動ベルト42が架け渡されている。このようなモータ33、駆動プーリ41、従動プーリ40、駆動ベルト42からなる駆動機構において、モータ33を作動させると、モータ33の駆動軸33sの回転が駆動プーリ41、駆動ベルト42、従動プーリ40を介して回転軸32に伝達され、回転軸32が中心軸C周りに回転駆動される。
このように、回転軸32の中心軸から側方にオフセット配置し、回転軸32を駆動させる動力源を設けることで、回転軸32内にチューブを挿通する構造を容易に実現できる。
ここで、頭部51は、その外形形状が、チャックやネジ部を有した装着凹部45aに嵌まり込むよう形成されている。筒状ビット部52は、頭部51の下端部に一体に形成された円板状のプレート部52aと、プレート部52aの外周部から、頭部51とは反対側に延びる円筒状の周壁部52bと、周壁部52bの先端部に周方向に連続して形成された切削刃部52cと、を有している。プレート部52aおよび周壁部52bは、その外径が、頭部51および回転軸32よりも大きくなるよう形成されている。
また、切削ビット50の頭部51には、切削ビット50を装着凹部45aに装着した状態で一端がチューブ挿通孔38Bに連続し、他端が筒状ビット部52内に臨むよう、ビット側チューブ挿通孔44が形成されている。
ここで、冷媒供給チューブ61は、チューブ挿通孔38A,38B内において上下に設けられたパイプガイド39,39により、上下方向に相対移動可能であるとともに、中心軸C周りに相対回動自在な状態で支持されている。この冷媒供給チューブ61は、不図示のステー等を介して、基台21に固定的に設けられている。つまりステージ23とともに、切削装置本体30のハウジング31、回転軸32、モータ33が昇降・回転しても、冷媒供給チューブ61はこれらと一体には昇降・回転せず、固定されている。このため、冷媒供給チューブ61は、前記のパイプガイド39により、回転軸32の昇降による上下方向への相対移動と、回転軸32の相対回転とを許容できる構成となっている。
連結配管63には、開閉バルブ64が備えられており、液化冷媒供給源62からの液化冷媒の供給を断続できるようになっている。
試料採取システム10において、切削対象物100から試料を切り出すには、まず、基台21上に切削対象物100とベース板110を固定保持手段(図示せず)でセットする。このとき、ステージ23は上昇させておき、切削ビット50を切削対象物100の切削位置の上方に退避させておく。冷媒供給チューブ61は、例えば先端部61bを切削対象物100に近付けた状態で固定しておく。
また、開閉バルブ64を開き、液化冷媒供給源62から連結配管63を介し、冷媒供給チューブ61の先端部61bから、液化冷媒を切削ビット50の筒状ビット部52の内方に噴出させる。液化冷媒の噴出は、切削刃部52cを切削対象物100に近付けてから行うとよい。
そして、ステージ23を下降させていき、切削ビット50の切削刃部52cで切削対象物100を切削する。このとき、切削装置本体30およびモータ33がステージ23とともに下降するのに対し、冷媒供給チューブ61は下降しない。
このとき、切削ビット50内に噴出される液化冷媒により、切削ビット50の内方の切削対象物100が冷却される。液化冷媒に、極低温の液化窒素を用いることによって、切削中に、切削対象物100が冷凍されて固化する。溢れ出た液化冷媒と切りくずはオイルパン様のガイド手段111で周囲への散乱を防止し、排出口112よりバキュームで吸い取る。
なお、液化冷媒はコストおよび温度から、通常液体窒素を用いるが、用途によっては液体アルゴンやヘリウムを用いることを妨げるものではない。
そして、モータ33の作動を停止し、回転軸32および切削ビット50の回転を停止させる。これとともに、開閉バルブ64を閉じ、液化冷媒の切削ビット50内への噴出を停止させる。
加えて、冷媒供給チューブ61は、回転軸32よりも熱伝達率の低い材料からなるパイプガイド39を介してハウジング31に支持されている。このため、冷媒供給チューブ61内の液化冷媒の熱がハウジング31側に伝わりにくく、この点においても、回転軸32や軸受37の凍結を確実に防ぐことができる。
なお、本発明の切削装置、試料採取システム、試料採取方法は、図面を参照して説明した上述の各実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
例えば、冷媒供給チューブ61の先端部61bから、液化冷媒を切削ビット50内に噴出するようにしたが、図4に示すように、液化冷媒案内部80として、先端部61bを切削ビット50の周壁部52bの内周面に向けて湾曲または折曲させて設けてもよい。これにより、冷媒供給チューブ61の先端部61bから、液化冷媒がビット50の周壁部52bに向けて噴出される。
すると、液化冷媒は、回転する切削ビット50の周壁部52bの全周に掛けられつつ周壁部52bに沿って下方に流れ、切削ビット50がより効率良く冷却されるとともに、液化冷媒により切削対象物100の切れ目101の外周側から冷凍固化させることができる。したがって、切削対象物100から採取される試料102の外周部を確実かつ効率良く冷却することができる。
また、モータ33の回転を、従動プーリ40、駆動プーリ41、駆動ベルト42を介して回転軸32に伝達するようにしたが、これに限らず、ギヤ(歯車)等を介して伝達するようにしてもよい。
冷媒供給チューブ61を液化冷媒供給装置60から分離して切削装置20に含めた構成としてもよい。
加えて、上記実施形態では、試料採取システム10において、基台21上にセットした岩塊を切削対象物100として、円柱状の試料102を採取するようにしたが、地盤を形成する岩盤を切削対象物100として、上記切削装置20により円柱状の試料102を採取するようにしてもよい。
また、切削対象物100の種類については、何ら限定するものではない。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
20 切削装置
31 ハウジング
32 回転軸
33 モータ(駆動源)
39 パイプガイド(管体支持部材)
46 チューブ挿通部(貫通部)
50 切削ビット
51 頭部(基部)
52 筒状ビット部
61 冷媒供給チューブ(中空の管体、冷媒供給管)
70 ガイド部材
80 液化冷媒案内部
100 切削対象物
Claims (8)
- 切削対象物から円柱状の試料を採取するための切削装置であって、
ハウジングと、
前記ハウジングに回転自在に支持された回転軸と、
基部が前記回転軸に装着され、前記基部から筒状に延びる筒状ビット部を有する切削ビットと、
前記回転軸を回転駆動させる駆動源と、
前記回転軸および前記切削ビットの前記基部を貫通して、前記切削装置の上部から前記筒状ビット部内まで連通した貫通部と、
を備え、
前記貫通部に中空の管体が挿通可能とされ、
前記貫通部の内周面に、前記回転軸よりも熱伝導率の低い材料から形成されたリング状の管体支持部材が設けられていることを特徴とする切削装置。 - 前記管体支持部材により、前記管体が前記回転軸に対し、前記回転軸の中心軸方向に相対移動可能に支持されていることを特徴とする請求項1に記載の切削装置。
- 前記管体は、先端部が前記基部から前記筒状ビット部内に突出するよう配置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の切削装置。
- 切削対象物から円柱状の試料を採取する試料採取システムであって、
前記切削対象物に対して接近・離間する方向に相対移動可能に設けられたハウジングと、
前記ハウジングに回転自在に支持された回転軸と、
基部が前記回転軸の先端部に装着され、前記基部から筒状に延びる筒状ビット部を有する切削ビットと、
前記回転軸を回転駆動させる駆動源と、
前記切削ビットの前記筒状ビット部内に、外部の液化冷媒供給源から供給される液化冷媒を送り込む冷媒供給管と、
を備えていることを特徴とする試料採取システム。 - 前記冷媒供給管の先端部に、前記液化冷媒を前記筒状ビット部の内周壁面に掛ける液化冷媒案内部が形成されていることを特徴とする請求項4に記載の試料採取システム。
- 前記液化冷媒案内部として、前記冷媒供給管の前記先端部が、前記筒状ビット部の内周壁に向けて湾曲または折曲して設けられていることを特徴とする請求項5に記載の試料採取システム。
- 前記液化冷媒案内部として、前記冷媒供給管の前記先端部に対向して、前記筒状ビット部の中心軸に直交するプレート状のガイド部材が設けられていることを特徴とする請求項5に記載の試料採取システム。
- 請求項4に記載の試料採取システムを用いた試料採取方法であって、
前記駆動源により前記回転軸とともに前記切削ビットを回転させつつ、前記ハウジングを前記切削対象物に接近させる工程と、
前記冷媒供給管から前記筒状ビット部内に前記液化冷媒を送り込み、前記切削対象物の少なくとも一部を冷凍固化させながら、前記切削ビットにより前記切削対象物を切削する工程と、
を備えることを特徴とする試料採取方法。
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