(57)【要約】【課題】空気緩衝装置において、エアコンプレッサーを装備せずにエアシリンダーに空気を充填できるようにする。【解決手段】ピストン２１とエアシリンダー２２からなる緩衝装置２は、起振装置１に組み込まれ、減速機４と共にドリルヘッドを構成する。ドリルヘッドを上昇させると、エアシリンダー２２がピストン２１に対して上昇し、空気ダンパー室２３に大気がチェッキバルブ２５を通って吸引される。ドリルヘッドを降下させて掘削ビットを掘削面に接触させると、ピストン２１は降下できず、エアシリンダー２２がピストンに対して相対的に下降する。チェッキバルブ２５は、エアシリンダー２２内の空気を大気側に逃がさないので、空気ダンパー室２３の空気は圧縮され、空気ダンパー室２３内の圧力とドリルヘッドの重量が釣り合ったところでドリルヘッドの降下は停止し、適宜のバネ係数を有する緩衝装置が得られる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
起振装置と組み合わせて使用するエアシリンダーとピストンからなる緩衝装置であって、エアシリンダーの上部に設けた吸気口に吸入のみが可能な一方向弁が設けてあり、エアシリンダーとピストンの相対運動により空気がエアシリンダー内に導入されて封入される緩衝装置。
【請求項２】
請求項１において、エアシリンダーの底部に設けた吸気口に吸入のみが可能な一方向弁が設けてあり、かつ、エアシリンダーの中間部に大気に通ずる穴を設けた溝が形成してあり、底部の吸気口から加圧空気を導入することができる緩衝装置。
【請求項３】
請求項１または２において、エアシリンダーの底部に緩衝用の弾性体が設けてある緩衝装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、起振機で発生させた振動を利用する掘削機、若しくは、振動を利用した杭・矢板の打設装置において、起振機の振動が本体に伝達されるのを阻止する空気式緩衝装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
振動と回転を併用した掘削機は、回転する掘削軸に振動を伝達するものであるが、掘削軸を回転駆動する油圧モーター等の原動機や減速機に振動が伝達されるのは故障の原因ともなるので好ましくなく、振動の伝達を阻止する緩衝装置が必要である。緩衝装置としては、単純な構成で良好な緩衝作用が得られるゴムダンパーが多く使用されている。また、特許文献１（特開平８−２３２５７０号公報）にあるように、エアーハンマードリルにおいて、ゴムに替えてエアシリンダーを利用した空気緩衝装置（エアダンパー）がある。
【特許文献１】特開平８−２３２５７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ゴムダンパーは固有振動数を有し、振動数によっては共振が起こって振動を吸収できず、また、回転・振動併用型の掘削機においては、掘削時に掘削ビットの掘削面への押し付け力が大きくなると、固体であるゴムダンパーでは振動を充分に吸収することができず、緩衝作用が不十分となることがあった。
空気緩衝装置（エアダンパー）の場合、空気バネの固有振動数は式（１）で示される。
K=γ・p・A2／v                                          （１）
ここで、K：バネ定数  γ：ポリトロープ指数  p：エアシリンダー内圧
A：ピストン面積  v：シリンダー内容積である。
式（１）によれば、シリンダーを押す力が大きくなってエアシリンダー内容積（v）が小さくなり、シリンダー内圧（p）が高くなるため、バネ定数（K）は大きくなる。従って、緩衝装置が受ける外的条件（外力）により固有振動数を変化させることができるので、振動数を変更して使用する起振装置の緩衝装置として利用可能であり、また、気体を利用した装置であるため、ゴムを利用した緩衝装置に比較して高振動にも対応することが可能である。【０００４】
掘削装置等に組み込まれる起振装置１は、図６に示すように、平行に配置した２個の偏心ウエイト１１、１１を互いに逆方向に回転させ、水平方向の振動を相殺させて上下方向の振動のみを取り出す装置である。起振装置１に組み込まれた従来の緩衝装置２は、偏心ウエイト１１のケース１０の上部に緩衝用のゴム受け板を設けたフレーム２８を設置し、このフレーム２８とスライダー２９の内面との間に緩衝用ゴム２４を設けてあり、起振装置１は、緩衝用ゴム２４を介してスライダー２９に固定されている。
起振装置１の下端には回転自在に取り付けられたスピンドル３が連結してあり、このスピンドル３の下方は上下動可能に減速機４に接続されており、この減速機４に設けてある原動機（油圧モーター）５からギアを介して回転力を与えられる構造となっている。【０００５】
起振装置１で発生した振動は、起振装置１からスピンドル３、ボーリングロッド（図示しない）の先端の掘削ビット(図示しない)に伝わる。減速機４内では、スピンドル３は上下方向に可動であり、振動は緩衝されて減速機４には伝達されない。
起振装置１のケース１０の上部は、緩衝用ゴム２４を介してスライダー２９に固定されており、発生した振動は、この緩衝用ゴム２４によって減衰される。
緩衝装置であるゴムのせん断応力（τ）は、
τ＝G・δ／Lであることから、このバネ定数（ｋ）は、ｋ＝A・G／Lとなる。
ここで、τ：せん断応力  G：せん断弾性係数  L：ゴムの厚み  δ：たわみ量  Ａ：ゴムのせん断面積である。【０００６】
以上のように、ゴムを使用した緩衝装置は固有振動数を有しているので、共振を発生させず、振動を本体に伝達しないように緩衝するためには、装置の固有振動数の整数倍の振動数で加振することがないように緩衝装置を適切に設計する必要がある。しかし、起振装置の振動数を状況に応じて変化させて使用する場合があるので、固有振動数が必然的に生ずるゴムを使用した緩衝装置は好ましくない。また、ゴムは、高い振動数の振動を吸収できない欠点があった。
空気を緩衝装置に利用したエアダンパーとしては、特許文献１（特開平８−２３２５７０）に示されるように、エアシリンダーからなる空気バネを用いるものであり、エアシリンダーに圧力空気を供給し、前記の式（１）に基づいてバネ係数を調整して固有振動数を変更することが提案されている。
この方式は、大掛かりな装置においては特に問題とならないが、小型の装置ではエアコンプレッサーを装備することがコスト面、小型化の面で障害となっており、エアコンプレッサーを必要としなくてもバネ係数を変更できる空気緩衝装置が要望されている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
起振装置と組み合わせて使用するエアシリンダーとピストンからなる緩衝装置であって、エアシリンダーに設けた吸排気口に一方向弁が設けてあり、エアシリンダーとピストンの相対運動により大気をエアシリンダー内に導入すると共に自動的にエアシリンダー内に封入することによって緩衝作用を発揮するものである。
一般に、空気を利用した緩衝装置にはコンプレッサー等でエアを供給しなければパッキング部分等から漏れていく空気を補充できないが、緩衝装置を搭載する起振装置を含むドリルヘッドがマストに沿って上下動できること、更に、ピストンに繋がった起振装置の重量が大きいので、ドリルヘッドを上昇させることにより、緩衝装置のピストンが下がり、エアシリンダー内に大気が吸引され、その吸入口にチェッキバルブ等の一方向弁を配置することにより、空気ダンパー室内の空気が圧縮されるときのエアの流出を防止している。
また、エアシリンダーの底部にゴム、スプリング等の弾性体を配設することによってピストンがエアシリンダー底部に衝突するときの衝撃を緩衝し、振動の発生や騒音を抑制している。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】緩衝装置を起振装置を有する掘削機に組み込んだ状態の断面図。
【図２】本発明の緩衝装置の拡大断面図。
【図３】緩衝装置を起振装置を有する掘削機に組み込んだ動作説明図。
【図４】二つのエアシリンダーからなる緩衝装置を掘削機に組み込んだ状態の断面図。
【図５】二つのエアシリンダーからなる緩衝装置の詳細断面図。
【図６】従来の緩衝装置の断面図。
【符号の説明】
【０００９】
１    起振装置
１０  ケース
１１  偏心ウエイト
１３  回り止め
２    緩衝装置
２１  ピストン
２２  エアシリンダー
２３  空気ダンパー室
２４  ゴム（弾性体）
２５  チェッキバルブ
２６  ピストンロッド
２７１穴
２８  パッキング
３    スピンドル
４    減速機
５    原動機（油圧モーター）
６    吸気口
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施例１
土壌汚染調査機においては、採取試料が水で乱されることは好ましくないので、通常掘削とは異なり無水で掘削がおこなわれる。無水掘削の場合、掘削土砂を水を使用して地上へ排出することができないので、掘削土砂の排除が不十分となるので、掘削土砂を掘削穴周辺の地層に圧密して押し込む必要があり、掘削ビットは、常時掘削面に押し付けた状態での掘削となる。このため、緩衝する振動の方向は一方向のみとなり、掘削方向についてのみ緩衝作用を有効とすればよい
図１に示すように、起振装置１は、ケース１０内に収納された２個の偏心ウエイト１１を互いに逆方向に回転させ、水平方向の振動を相殺させて上下方向の振動のみを取り出している。【００１１】
起振装置１の下部には、スラストベアリング３１とジャーナル軸受３２を介してスピンドル３が回転可能に取り付けられており、起振装置１で発生させた振動は、スピンドル３に伝達される。このスピンドル３は、上下動可能に減速機４に装着されており、この減速機４に設けてある油圧モーター等の原動機５の回転がギア４１を介してスピンドル３に伝達され、スピンドル３は振動すると共に回転する。【００１２】
図２に詳細を示すピストン２１とエアシリンダー２２からなる緩衝装置２は、起振装置１の下側に固定してあり、ピストン２１とエアシリンダー２２には気密を保つためにパッキング２８が設けてある。エアシリンダー２２の上部には吸気口６が設けてあり、この吸気口６には吸気のみを許すチェッキ弁２５が設けてあり、ピストン２１を下降すると空気がエアシリンダー２２の内部に吸引され空気ダンパー室２３に空気が充填されるが、シリンダー２１が上昇しても空気ダンパー室２３内部の空気は排出されない。【００１３】
図１に示すように、ケース１０とエアシリンダー２２は、回り止め１３で連結されており、スピンドル３の回転によって起振装置１が回転するのを抑止している。回り止め１３は、その一方の端部がケース１０にボルトで固定され、抜け止め用の膨大部が設けてある他端部がエアシリンダー２２に設けた張り出しに設けた穴に挿入してあり、エアシリンダー２２は起振装置１に対して上下動が可能である。
図２に示すように、エアシリンダー２２の底部には緩衝用のゴム２４が設けてあり、その表面はバネ定数を調節するため凸凹にしてある。ピストン２１がエアシリンダー２２底面に衝突したときの衝撃をこのゴム２４がある程度緩和することができ、防振効果が得られる。【００１４】
起振装置１、緩衝装置２、及び減速機４からなるドリルヘッドＤは、図３に示すように移動機に装備されたマストＭに上下動可能に取り付けて掘削装置として使用される。
スピンドル３の下端には下部ネジでボーリングロッドが接続され、起振装置１で発生した振動は、スピンドル３を介してボーリングロッド、更に、掘削ビットに伝えられ掘削が進行する。掘削に必要な掘削ビットの地盤への押し付け力は、ドリルヘッドＤをマストＭに沿って降下させる際の力によって得られる。【００１５】
以下、本発明の緩衝装置の動作について説明する。
掘削開始時にドリルヘッドＤをマストＭに沿って上昇させると、エアシリンダー２２が上昇し、ピストン２１が相対的に下がり空気ダンパー室２３が形成され、周囲の大気がチェッキバルブ２５を通って吸入され、空気ダンパー室２３に空気が充填される。
次に、ドリルヘッドＤを降下させると、掘削ビットは掘削面に接触しているのでピストン２１は降下できず、エアシリンダー２２がピストンに２１に対して相対的に下降するので、空気ダンパー室２３の容積は縮小されるが、チェッキバルブ２５が空気を大気側に放出させないので、空気ダンパー室２３の空気は圧縮される。ドリルヘッドＤを降下させる力と空気ダンパー室２３の圧力によって得られる力（断面積×空気圧）が釣り合ったところでドリルヘッドＤの降下は停止する。【００１６】
このときの状態によって式（１）に基づいて空気ダンパーの固有振動数が決まる。
起振装置１を作動させ、掘削面への掘削ビットの押し付け力を調整することにより振動は緩衝され、適切な防振効果を得て掘削することができる。
以上のように、コンプレッサーによって空気ダンパー室に空気を供給する代わりに、ドリルヘッドＤをマストＭに沿って上昇させることによって空気ダンパー室２３にチェッキバルブ２５を通って空気が吸引されて空気が充填され、ドリルヘッドＤを降下させる力を調節することによって緩衝装置の固有振動数を変更することができるので、共振をおこすことなく起振装置の振動数を変更することができる。【００１７】
実施例２
実施例１は、汚染土壌調査等において、高質の土壌サンプルを採取するため、掘削孔からの排土のための送水はおこなわずに掘削サンプリングをおこなうものであり、掘削土を圧密により周囲の地盤に圧し込み地上に排土しないので、掘削ビットを掘削面に押し付けて掘削するものであり、緩衝する振動の方向は一方向のみである。
一方、水井戸の構築や接地工事等の一般ボーリング分野で使用する場合には排土のための送水が可能である。このためボーリングロッド等の重量の一部をドリルヘッドで受け、ボーリングロッドを上側に引っ張りながら掘削することが求められる場合がある。
実施例２は、ボーリングロッド等の重量の一定量をドリルヘッドで上向きに持ち上げた状態でも起振装置１で発生させる振動を空気緩衝装置で緩衝させることができるようにしたものであり、両方向の振動を緩衝するものである。【００１８】
図４及び図５示すように、起振装置１は、実施例１と同様である。起振装置１のケース１０の両側にピストン２１とエアシリンダーからなる緩衝装置２が設けてあり、緩衝装置２のピストンロッド２６がケース１０にピンで連結してある。ピストン２１とエアシリンダー２２と間を気密状態に保つためにパッキング２８が設けてある。
緩衝装置２のエアシリンダー２２の下部には吸気口６０が設けてあり、吸気口６０には、エアシリンダー２２の下部に吸気ができ、排気ができない構造のチェッキバルブ６１が組み込まれ、吸気口６０にはエアーコンプレッサー(図示しない)等で発生させた加圧空気が圧送され、この加圧空気によりピストン２１が上昇し、空気ダンパー室２３’が形成される。【００１９】
エアシリンダー２２の中段には溝が形成されており、この溝には大気に通ずる穴２７１が設けてある。ピストン２１が上昇し、ピストン２１の外周に固定されたパッキング２８が穴２７１を通過すると、空気ダンパー室２３’内部の加圧空気は、ピストン２１のウェアリング２１０の斜め溝２１１を通じて、溝を通り、穴２７１から大気に放出されて空気ダンパー室２３’内の圧力は大気圧まで低下する。従って、上昇していたピストンは圧力が低下するので降下し、大気に開放している溝の面積を絞り、ドリルヘッドＤが上側に持ち上げている重量に応じた空気圧が保持される位置で平衡となって停止する。
この平衡位置において、起振機１で生じた振動は、ケース１０を介して緩衝装置２に伝達され、振動が吸収される。【００２０】
すなわち、エアシリンダー２２でピストン２１を支持する圧力ｂ（ＭＰａ）とすると、ピストン下部面積をＡ（ｃｍ2）とすれば、上向きの力Ｆは、Ｆ＝１００×ｂ×Ａ（Ｎ）であり、この力でドリルヘッドを浮かせた状態として振動を吸収し緩衝機能を発揮することとなる。最大保持力は、支持空気圧がコンプレッサーの最高圧（Ｐ）になる時点であり、必要とする保持力が最高圧（Ｐ）を超えるとピストン２１が降下するが、エアシリンダー２２の下端のチェッキ弁６１が作動して空気ダンパー室２３’内の圧力が上昇し保持力が上昇する。必要保持力がそれ以上の場合は空気圧のみでは保持できず、ピストン２１は下降してエアシリンダー２２の下部に設けたゴムダンパー２４を押圧し、ゴムダンパーの弾性力が不足分を補う。
空気ダンパー室２３’に圧縮空気を充填しない場合は、実施例１と同様に空気ダンパー室２３に大気から空気を導入することによって一方向のみの振動の吸収に使用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明の緩衝装置は、振動を利用する機械の緩衝装置として使用でき、振動・回転併用の掘削装置だけでなく、矢板等の構築用部材を建て込む振動式打設装置の緩衝装置としても適用が可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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