(57)【要約】【課題】  カッタが上面外周の５０％未満とした切刃チップを装着しても、切刃基体が被掘削材と接触することがなく、切刃基体の摩耗に伴うトラブルを防止できる掘削用ビット及びこの掘削用ビットに装着される切刃チップを提供する。【解決手段】  円柱形状あるいは円筒形状をなすビット本体に切刃チップ１０Ａ、１０Ｂが複数装着された掘削用ビットであって、切刃チップ１０Ａ、１０Ｂは、切刃基体１１とカッタ１２とを有し、切刃チップ１０Ａ，１０Ｂの上面外周のうちカッタ１２が占める割合が２０％以上５０％未満とされ、切刃基体１１には切欠部１４が設けられ、ビット本体の先端部には、少なくともカッタ１２をビット本体の外周側に向けた切刃チップ１０Ａとカッタ１２をビット本体の内周側に向けた切刃チップ１０Ｂとが装着され、これらの切刃チップ１０Ａ，１０Ｂの切欠部１４とカッタ１２とが、被掘削材側に向くように配置されていることを特徴する。【選択図】  図２
2006266007.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円柱形状あるいは円筒形状をなすビット本体を有し、該ビット本体の先端部に、円形平板状に形成された切刃チップが前記ビット本体の回転方向に表面を交差させる姿勢で周方向に複数装着され、該切刃チップによって被掘削材を掘削する掘削用ビットであって、
前記切刃チップは、円形平板状をなす超硬合金製の切刃基体と、該切刃基体の上面の外周側一部分に形成された凹部に支持されるダイヤモンド焼結体製のカッタとを有し、前記切刃チップの上面外周のうち前記カッタが占める割合が２０％以上５０％未満とされるとともに、前記切刃基体には、前記切刃基体の外周面の一部が切り欠かれた切欠部が設けられており、
前記ビット本体の先端部には、少なくとも前記カッタを前記ビット本体の外周側に向けた前記切刃チップと前記カッタを前記ビット本体の内周側に向けた前記切刃チップとが装着され、これらの切刃チップの前記切欠部が、前記被掘削材側に向くように配置されていることを特徴する掘削用ビット。
【請求項２】
前記ビット本体の最も内周側に配置された前記切刃チップと、前記ビット本体の最も外周側に配置された前記切刃チップとは、前記カッタの外周端のうち前記ビット本体の後方側に位置する前記外周端が、前記ビット本体の回転軸と直交し、前記切刃チップの中心点を通る面に対して前記ビット本体後方側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の掘削用ビット。
【請求項３】
掘削用ビットの円柱形状あるいは円筒形状をなすビット本体の先端部に装着される切刃チップであって、
円形平板状をなす超硬合金製の切刃基体と、該切刃基体の上面の外周側一部分に形成された凹部に支持されるダイヤモンド焼結体製のカッタとを有し、前記切刃チップの上面外周のうち前記カッタが占める割合が２０％以上５０％未満とされるとともに、前記切刃基体には、前記切刃基体の外周面の一部が切り欠かれた切欠部が設けられていることを特徴とする切刃チップ。
【請求項４】
前記カッタが、助剤として炭酸塩を用いた耐熱型ダイヤモンド焼結体で構成されていることを特徴とする請求項３に記載の切刃チップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、坑井などの掘削に使用される掘削用ビット及びこの掘削用ビットに装着される切刃チップに関する。
【背景技術】
【０００２】
油井その他の坑井などの掘削の際に被掘削材を破壊する掘削工具として、合金鋼で構成され円柱状あるいは円筒状に形成されたビット本体と、ビット本体の先端部に設けられたタングステンカーバイド合金製のマトリックス部とを有し、このマトリックス部に、ダイヤモンド焼結体で構成されたカッタを有する切刃チップが複数ろう付けされたビットが使用される。
上記のビットは、ドリルカラーやドリルパイプ等から構成される鋼管の坑底側に接続され、掘削機械を使用してビットを接続した鋼管全体をビットの回転軸回りに回転させ、かつビットに荷重を加えることによってビットが被掘削材を掘削するものである。
【０００３】
一般に、上記のビットの先端部にろう付けされる切刃チップは、掘削する際の衝撃荷重に対応するために、略円形平板状に形成されており、切刃チップの上面外周がすべてＰＣＤ（多結晶ダイヤモンド）等のダイヤモンド焼結体で構成されているものが広く使用されている。このような切刃チップがろう付けされたビットでは、切刃チップの上面外周のうちの一部のみが掘削に使用され、ダイヤモンド焼結体の未使用部分が存在してしまう。
【０００４】
ダイヤモンド焼結体は、超高圧で焼結することにより製造されるためにコストが非常に高く、ビット製作コスト削減のために未使用部分のダイヤモンド焼結体を再利用することがある。上記のビットでは、一度ろう付けされた切刃チップを取り外し、鋭利なダイヤモンド焼結体が露出するよう回転させ、再度ろう付けして使用しているが、ビットをろう材が溶融する温度まで加熱する必要があり、切刃チップの着脱に多大な時間と労力が必要であった。また、一度使用したビットを再利用するため、ビットが掘削作業時に変形や破損等した場合には、切刃チップを精度良くろう付けできず、再使用できなくなるといった問題があった。
【０００５】
そこで、特許文献２では、円形平板状の切刃チップの上面のうち掘削に使用される部分のみをダイヤモンド焼結体で構成して、その他の部分を切刃チップの下面側と同じ超硬合金製とすることにより、切刃チップを取り外して再使用する必要がなく、しかも、ダイヤモンド焼結体の使用量が少なく製造コストの低い切刃チップを提供している。この切刃チップは、円形平板状をなす超硬合金製の切刃基体と、切刃基体の上面外周側一部分に形成された凹部に支持されるダイヤモンド焼結体からなるＰＣＤカッタを有し、このＰＣＤカッタを被掘削材に接触させて掘削を行うものである。
【０００６】
このような切刃チップが装着されたビットでは、ダイヤモンド焼結体の未使用部分がなくなり、切刃チップを着脱して使用する必要がないので、切刃チップの着脱作業をなくすことができる。また、ダイヤモンド焼結体の使用量が少ないので、この切刃チップの製造コストを低減することができる。
【特許文献１】特開２００１−２８８９７５号公報
【特許文献２】特開２００４−２９１０３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記ビットで被掘削材を掘削する際には、被掘削材の掘り屑と該掘り屑を坑底から地表に排除するための掘削流体とが通過できるよう、円柱状あるいは円筒状のビット本体先端部の直径あるいは外径を越える口径を有する坑井を形成しなければならないが、切刃チップの径が小さいため、切刃チップの回転軌跡を重ね合わせたときに坑井口径の被掘削材あるいはビット本体先端部より幅広の被掘削材が掘削できるよう複数の切刃チップを装着する必要がある。
しかしながら、特許文献２に開示されたビットにおいて、ＰＣＤカッタが切刃チップの上面外周の５０％未満しか配置されていない場合には、ビットの先端部にこの切刃チップを複数並べた際に、切刃基体が被掘削材と接触する部分が形成されてしまう。切刃基体はＰＣＤカッタよりも硬度の低い超硬合金で構成されているので、掘削時に切刃基体が優先的に摩耗してしまい、切刃基体に支持されているＰＣＤカッタの脱落や破損が生じるといった問題があった。
【０００８】
また、切刃基体が摩耗した場合には、被掘削材と切刃チップとの接触面積が増加し、これにより掘削抵抗が増大してしまうので、ビットやドリルパイプ等が破壊されるといった問題があった。一方、掘削抵抗を低く抑えると掘削速度が低下するので、掘削作業に要する時間と労力が増加し、掘削作業コストが大きく増加してしまうといった問題があった。
【０００９】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、ダイヤモンド焼結体製のカッタを切刃チップの上面外周の５０％未満とした円形平板状の切刃チップを装着しても、切刃基体が被掘削材と接触することがなく、切刃基体の摩耗に伴うトラブルを未然に防止できる掘削用ビット及びこの掘削用ビットに装着される切刃チップを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提案している。
請求項１記載の掘削用ビットは、円柱形状あるいは円筒形状をなすビット本体を有し、該ビット本体の先端部に、円形平板状に形成された切刃チップが前記ビット本体の回転方向に表面を交差させる姿勢で周方向に複数装着され、該切刃チップによって被掘削材を掘削する掘削用ビットであって、前記切刃チップは、円形平板状をなす超硬合金製の切刃基体と、該切刃基体の上面の外周側一部分に形成された凹部に支持されるダイヤモンド焼結体製のカッタとを有し、前記切刃チップの上面外周のうち前記カッタが占める割合が２０％以上５０％未満とされるとともに、前記切刃基体には、前記切刃基体の外周面の一部が切り欠かれた切欠部が設けられており、前記ビット本体の先端部には、少なくとも前記カッタを前記ビット本体の外周側に向けた前記切刃チップと前記カッタを前記ビット本体の内周側に向けた前記切刃チップとが装着され、これらの切刃チップの前記切欠部が、前記被掘削材側に向くように配置されていることを特徴する。
【００１１】
上記の構成の掘削用ビットでは、切刃基体の外周面の一部に切欠部が設けられており、この切欠部が被掘削材側に向くように切刃チップが配置されているので、切刃チップの上面外周のうちダイヤモンド焼結体製のカッタが占める割合が５０％未満とされた切刃チップをビット本体の先端部に複数配置した場合でも、超硬合金製の切刃基体と被掘削材との接触が防止される。
【００１２】
請求項２に記載の掘削用ビットは、前記ビット本体の最も内周側に配置された前記切刃チップと、前記ビット本体の最も外周側に配置された前記切刃チップとは、前記カッタの外周端のうち前記ビット本体の後方側に位置する前記外周端が、前記ビット本体の回転軸と直交し、前記切刃チップの中心点を通る面に対して前記ビット本体後方側に配置されていることを特徴とする。
【００１３】
上記の構成の掘削用ビットは、切刃チップの上面外周に配置されたカッタの外周端がビット本体の回転軸と直交し、切刃チップの中心点を通る面に対してビット本体の後方側に配置されているので、被掘削材の表面にはダイヤモンド焼結体製のカッタが確実に接触し、切刃基体がカッタを支持する支持面と被掘削材の表面との接触が防止される。
【００１４】
請求項３に記載の切刃チップは、掘削用ビットの円柱形状あるいは円筒形状をなすビット本体の先端部に装着される切刃チップであって、円形平板状をなす超硬合金製の切刃基体と、該切刃基体の上面の外周側一部分に形成された凹部に支持されるダイヤモンド焼結体製のカッタとを有し、前記切刃チップの上面外周のうち前記カッタが占める割合が２０％以上５０％未満とされるとともに、前記切刃基体には、前記切刃基体の外周面の一部が切り欠かれた切欠部が設けられていることを特徴とする。
【００１５】
上記の構成の切刃チップは、カッタが切刃チップ上面外周の一部に設けられており、その他の部分が超硬合金製の切刃基体で構成されているので、高価なダイヤモンド焼結体で構成されるカッタの占める割合が小さい。また、切刃基体の外周面の一部に切欠部が設けられているので、切刃基体と被掘削材との接触が防止される。
【００１６】
請求項４に記載の切刃チップは、前記カッタが、助剤として炭酸塩を用いた耐熱型ダイヤモンド焼結体で構成されていることを特徴とする。
上記の構成の切刃チップは、カッタが耐熱型ダイヤモンド焼結体で構成されているので、通常のダイヤモンド焼結体が劣化する８００℃以上の高温でも劣化せず、硬度が著しく低下することが防止される。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に記載の発明によれば、超硬合金製の切刃基体と被掘削材との接触が防止されるので、切刃基体が優先摩耗されず、この切刃基体に支持されるカッタの脱落や破損を防止できる。また、切刃基体の摩耗による掘削抵抗の増加が防止されるので、掘削速度を過度に低下する必要がなく、掘削作業に要する労力と時間を削減することができる。
【００１８】
請求項２に記載の発明によれば、切刃基体がカッタを支持する支持面と被掘削材の表面との接触が防止されるので、掘削作業時に切刃基体の摩耗が生じず、カッタの切刃基体からの脱落や破損といったトラブルを防止できる。
【００１９】
請求項３に記載の発明によれば、切刃チップにおけるカッタの占める割合が小さいので、切刃チップの製造コストを低減できる。また、切刃基体の外周面に切欠部が設けられた切刃チップを掘削用ビットの先端部に装着することにより、切刃基体と被掘削材との接触が防止され、切刃基体の摩耗に起因するトラブルを防止できる。
【００２０】
請求項４に記載の発明によれば、８００℃以上の高温となっても、カッタの硬度が著しく低下せず高硬度に保持されるので、この掘削用ビットの回転を高速化して摩擦熱が増加する場合でも問題なく掘削作業ができ、掘削作業に要する労力と時間を一層削減することができる。また、８００℃以上の高温で切刃チップをマトリックス部にろう付け可能なため、大きな接合強度が得られる高融点の銀ろう材等を使用できるので、被掘削材の掘削に伴う大きな衝撃力が切刃チップに作用しても切刃チップの脱落を防止できる。
【００２１】
したがって、本発明によれば、ダイヤモンド焼結体製のカッタが切刃チップの上面外周の５０％未満とされた円形平板状の切刃チップを装着しても、切刃基体が被掘削材と接触することがなく、切刃基体の摩耗に伴うトラブルを未然に防止できる掘削用ビット及びこの掘削用ビットに装着される切刃チップを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
図１、図２に本発明の第１の実施形態であるコアビット（掘削用ビット）の先端部に装着される切刃チップの配置を、図３、図４に本発明の第１の実施形態であるコアビット(掘削用ビット)を示す。
コアビット１は、外形が円筒状に形成されたビット本体２を有し、ビット本体２の先端部（図４において上側）にはマトリックス部３が備えられている。
【００２３】
ビット本体２は、例えばＪＩＳ・ＳＣＨ４１５に規定される合金鋼等で構成され、ビット本体２の後端側（図４において下側）には、切刃チップ１０で掘削されないで残った被掘削材の円柱状コアを収納するためのコアバーベル（図示していない）に接続するためのネジ部４が設けられている。
そして、ビット本体２の先端部には、タングステンカーバイドを主体とする合金製のマトリックス部３が備えられている。
【００２４】
図３に示すように、ビット本体２の回転軸Ｌに直交する断面において、マトリックス部３は、ビット本体２において最大厚さとなる肉厚部３Ａと、掘削流体や掘り屑が容易に通過できるように設けた、肉厚部３Ａより肉薄とされた肉薄部３Ｂとを有し、肉厚部３Ａと肉薄部３Ｂとが円周方向で交互に複数配置されるとともに、肉厚部３Ａの肉厚中心を通る中心線と、肉薄部３Ｂの肉厚中心を通る中心線とが一致するように配置されている。
そして、この肉厚部３Ａには切刃チップ１０の取付座５が設けられており、本実施形態においては、肉厚部３Ａ（取付座５）が円周方向に１０個備えられている。また、この肉厚部３Ａ（取付座５）の外周面には、ダイヤモンドの砥粒が複数埋め込まれたスタビライザー６が具備されている。
【００２５】
上記のビット本体２先端部のマトリックス部３に装着される切刃チップ１０を図５から図８に示す。
切刃チップ１０は、超硬合金からなる切刃基体１１と、この切刃基体１１に支持されるダイヤモンド焼結体からなるＰＣＤカッタ１２とを具備しており、切刃チップ１０全体として略一定厚みの円形平板状をなしている。
【００２６】
そして、切刃基体１１とＰＣＤカッタ１２との間には接合層が形成されており、この接合層は、Ｎｉ金属が切刃基体１１及びＰＣＤカッタ１２の両方へ拡散して形成された拡散層から成っている。そして、この接合層によって、切刃基体１１とＰＣＤカッタ１２とが強固に接合されている。
【００２７】
ＰＣＤカッタ１２は、切刃チップ１０において掘削作業時に被掘削材と接触する部分に設けられており、本実施形態においては、切刃チップ１０の上面外周のうちの２５％を占めるように配置されている。すなわち、ＰＣＤカッタ１２は、図５及び図７に示すように上面視して略扇形に形成され、この扇形の２つの直線がなす角度を９０°としている。
また、本実施形態においては、ＰＣＤカッタ１２は、結合材として炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ３）などの炭酸塩を使用した耐熱型ダイヤモンド焼結体で構成されている。
【００２８】
上記のＰＣＤカッタ１２は、次のように製造される。原料粉末として、平均粒径１０μｍ、純度９９．９％以上のダイヤモンド粉末と、平均粒径１０μｍ、純度９５％以上のＭｇＣＯ３粉末を用いた場合、ＭｇＣＯ３粉末を１００ＭＰａの圧力でプレス成形して所望の形状の圧粉体とし、この圧粉体をタンタル（Ｔａ）製のカプセル内に装入し、カプセル内の圧粉体上に上記ダイヤモンド粉末を充填する。
【００２９】
この状態で、カプセルをベルト型超高圧焼結装置（通常の焼結ダイヤモンド製造に使用される超高圧焼結装置）の圧力空間に装填して超高圧焼結を行い、３．０質量％のＭｇＣＯ３を含有するダイヤモンド焼結体のブロック材を得る。ここで、上記の超高圧焼結は、例えば７．７ＧＰａの圧力を加えた状態で２３００℃程度まで加熱して約３０分間保持することで行うことができる。ただし、この条件に限定されることはない。その後、このダイヤモンド焼結体のブロック材に、ダイヤモンド砥石による研磨を施して粗加工してから、さらにレーザー加工によって所望の形状のダイヤモンド片を切り出すことにより、扇形のＰＣＤカッタ１２を得る。
【００３０】
切刃基体１１は、略円形平板状に形成されており、その下面１１Ｂは円形を呈しており、この下面１１Ｂに対向する上面１１Ａが掘削方向を向く面であり、この上面１１Ａの外周一部分には、ＰＣＤカッタ１２を支持するための凹部１３が形成され、この凹部１３は、ＰＣＤカッタ１２の外形と同形状で、切刃チップ１０において掘削作業時に被掘削材と接触する部分に設けられており、本実施形態では、平面視において切刃基体１１の中心を同じく中心とする略扇形としており、凹部１３の底面は、切刃基体１１の下面１１Ｂ及び上面１１Ａと平行となるように設けられている。
【００３１】
そして、この凹部１３は、外周側に向けて漸次間隔が広がるＶ字状をなす一対の支持面１３Ａ、１３Ｂを有しており、これら支持面１３Ａ、１３ＢがＰＣＤカッタ１２に加わる掘削時の衝撃力を受けることになる。凹部１３がこのようなクサビ形状の支持面１３Ａ、１３Ｂを有していることにより、ＰＣＤカッタ１２に加わる衝撃力が切刃基体１１において広く分散され、切刃チップ１０の衝撃力に対する強度が増すことになる。
【００３２】
また、切刃基体１１は、一般的な超硬合金、例えば結合材としてＣｏを用いたタングステンカーバイド基超硬合金によって一体に形成されている。本実施形態においては、切刃基体１１は、結合材であるＣｏを９．５質量％含有し、残りがタングステンカーバイドと不可避不純物からなる超硬合金によって一体に形成されている。上記の超硬合金は、次のように製造される。原料粉末として、９．５質量％のＣｏ粉末と、０．５質量％のＴｉＣと、平均粒径３μｍのＷＣ粉末とを用いる。これらの原料粉末をボールミルで８４時間湿式混合し、乾燥後、１００ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を６Ｐａの真空中で１４００℃で１時間の焼結を行うことで上記の超硬合金が得られる。
上記の超硬合金は高い強度と高い靱性を有しており、この切刃基体１１は、掘削作業時に切刃チップ１０に加わる熱的衝撃及び機械的衝撃を吸収する衝撃吸収体となる。
【００３３】
そして、この切刃基体１１の外周面の一部には、切刃基体１１の下面１１Ｂ及び上面１１Ａに垂直に切り欠かれた切欠部１４が形成されており、本実施形態においては、凹部１３の支持面１３Ａ、１３Ｂと切刃基体１１の外周部との交差部から、この交差部における円周の接線方向に対して３５°傾いた方向に延びるように形成されている。つまり、切刃チップ１０を上面視した場合において、図５及び図７に示すように、円周の一部に直線部が形成された円形状とされており、この直線部の一端とＰＣＤカッタ１２がなす扇形の外周端とが一致しているのである。なお、本実施形態では、切刃チップ１０の切欠部１４がＰＣＤカッタ１２の片側のみに設けてあるが、両側に設けることも可能である。
【００３４】
そして、本実施形態においては、図５及び図６に示すようにＰＣＤカッタ１２の右側に隣接する切欠部１４が設けられた切刃チップ１０Ａと、図７及び図８に示すようにＰＣＤカッタ１２の左側に隣接する切欠部１４が設けられた切刃チップ１０Ｂとの２種類の切刃チップ１０Ａ、１０Ｂが使用される。
【００３５】
上記の切刃チップ１０が、ビット本体２の先端部に設けられたマトリックス部３に複数装着される。ここで、切刃チップ１０は、ＰＣＤカッタ１２が最も外周側に向けられる外周刃２１と、ＰＣＤカッタ１２が最も内周側に向けられる内周刃２４と、これら外周刃２１と内周刃２４との間に配置され、ＰＣＤカッタ１２が先端側に向けられて外周側に配置された第１先端刃２２と、ＰＣＤカッタ１２が先端側に向けられて内周側に配置された第２先端刃２３として使用される。
【００３６】
図２に示すように、外周刃２１となる切刃チップ１０と第２先端刃２３となる切刃チップ１０として、図５及び図６に示すＰＣＤカッタ１２の右側に隣接する切欠部１４が設けられた切刃チップ１０Ａが使用され、内周刃２４となる切刃チップ１０と第１先端刃２２となる切刃チップ１０として、図７及び図８に示すＰＣＤカッタ１２の左側に隣接する切欠部１４が設けられた切刃チップ１０Ｂが使用される。
【００３７】
切刃チップ１０は、図３に示すように、各取付座５にひとつの切刃チップ１０が配置され、外周刃２１として４つ、内周刃２４として２つ、第１先端刃２２として２つ、第２先端刃２３として２つ、それぞれ装着されている。また、取付座５の切刃チップ１０の切欠部１４と連なる部分は、切欠部１４と同一平面状になるように面取りされている。
ここで、図３に示すように、ビット本体２の最も外周側と最も内周側の切刃チップ２０は、回転方向Ｔに対して傾斜角ｓを有するように配置されている。また、図９に示すように、すべての切刃チップ１０は、掘削方向Ｄに対して傾斜角ｂを有するように配置されている。傾斜角ｓと傾斜角ｂは、それぞれサイドレーキ角とバックレーキ角である。
【００３８】
そして、図２に示すように、それぞれの切刃チップ１０の回転軌跡を重ね合わせた場合において、第１先端刃２２となる切刃チップ１０Ｂと外周刃２１となる切刃チップ１０Ａとの中心位置が取付座５の肉厚方向（径方向）で一致するように配置され、第２先端刃２３となる切刃チップ１０Ａと内周刃２４となる切刃チップ１０Ｂとの中心位置が取付座５の肉厚方向（径方向）で一致するように配置されている。
【００３９】
ここで、外周刃２１となる切刃チップ１０Ａは、切刃基体１１の凹部１３の支持面１３Ａ、１３Ｂのうちビット本体２の後方側に位置する支持面１３Ａが、ビット本体２の回転軸Ｌに直交し、切刃チップ１０Ａの中心点Ｏを通る面に対してビット本体２後方側に角度α（本実施形態においては２０°）傾いて配置されている。つまり、ＰＣＤカッタ１２の外周端のうちビット本体２の後方側に位置する外周端Ｅがビット本体２後方側に配置されているのである。
そして、外周刃２１となる切刃チップ１０Ａの最も外周側に位置するＰＣＤカッタ１２部分が、マトリックス部３の肉厚部３Ａ（取付座５）の外周面に具備されたスタビライザー６の外周面と一致するように配置されている。
【００４０】
一方、内周刃２４となる切刃チップ１０Ｂは、切刃基体１１の凹部１３の支持面１３Ａ、１３Ｂのうちビット本体２の後方側に位置する支持面１３Ｂが、ビット本体２の回転軸Ｌに直交し、切刃チップ１０Ｂの中心点Ｏを通る面に対してビット本体２後方側に角度β（本実施形態においては１０°）傾いて配置されている。つまり、ＰＣＤカッタ１２の外周端のうちビット本体２の後方側に位置する外周端Ｅがビット本体２後方側に配置されているのである。
【００４１】
このように配置された外周刃２１となる切刃チップ１０Ａと、第１先端刃２２となる切刃チップ１０Ｂと、第２先端刃２３となる切刃チップ１０Ａと、内周刃２４となる切刃チップ１０Ｂの回転軌跡は、図１に示すように重なり合い、ＰＣＤカッタ１２がコアビット１先端の内周面から外周面にかけて連続するように配置されることになる。したがって、これらのＰＣＤカッタ１２が被掘削材に接触して掘削することにより、円筒状のビット本体２の肉厚より幅広の溝を形成することができる。
【００４２】
上記の構成のコアビット１は、ビット本体２の後端部に設けられたネジ部４が図示しないコアバーレルやドリルパイプ等から構成されるドリルストリングに接続され、掘削機械に装備されたドローワークスなどを使用してコアビット１を含むドリルストリングをビット本体２の回転軸Ｌ回りに回転方向Ｔ側に向けて高速回転させるとともに、コアビット１に荷重を加えることにより、被掘削材に、コアビット１の先端部と略同形状となるリング状の溝を形成し、この溝の内側のコアを取り出すものである。
【００４３】
また、上記のコアビット１では、被掘削材の掘削が進むと、外周刃２１となる切刃チップ１０Ａの最も外周側に位置するＰＣＤカッタ１２部分が、マトリックス部３の肉厚部３Ａ（取付座５）の外周面に具備されたスタビライザー６の外周面と一致するように配置されているので、被掘削材に形成された溝の壁面とスタビライザー６に埋め込まれたダイヤモンド砥粒とが接触し、コアビット１の回転軸Ｌ回りの回転をスムーズに行うことができる。本実施形態では、マトリックス部３にスタビライザー６を設けてあるが、コアビット１の近傍に別ツールとしてスタビライザーを装着することも可能で、また、スタビライザーをリーマーに置き換えることも可能である。
【００４４】
ここで、外周刃２１となる切刃チップ１０Ａは、ＰＣＤカッタ１２がビット本体２の外周面側に向けられることにより、ＰＣＤカッタ１２の右側に隣接するように設けられた切欠部１４がコアビット１の先端側に位置することになり、切刃基体１１が被掘削材と接触することが防止される。
【００４５】
また、第１先端刃２２となる切刃チップ１０Ｂは、ＰＣＤカッタ１２が先端側に向けられることにより、ＰＣＤカッタ１２の左側に隣接するように設けられた切欠部１４がコアビット１の外周側に位置することになり、切刃基体１１が被掘削材と接触することが防止される。
【００４６】
また、第２先端刃２３となる切刃チップ１０Ａは、ＰＣＤカッタ１２が先端側に向けられることにより、ＰＣＤカッタ１２の右側に隣接するように設けられた切欠部１４がコアビット１の内周側に位置することになり、切刃基体１１が被掘削材と接触することが防止される。
【００４７】
また、内周刃２４となる切刃チップ１０Ｂは、ＰＣＤカッタ１２が内周面側に向けられることにより、ＰＣＤカッタ１２の左側に隣接するように設けられた切欠部１４がコアビット１の先端側に位置することになり、切刃基体１１が被掘削材と接触することが防止される。
【００４８】
したがって、上記の構成のコアビット１では、超硬合金で構成された切刃基体１１が被掘削材と接触することが確実に防止されるので、切刃基体１１が摩耗せず、切刃基体１１に支持されたＰＣＤカッタ１２の脱落や破損を防止でき、また切刃基体１１の摩耗に伴う掘削抵抗の増加を防止でき、さらにＰＣＤカッタ１２が小さな掘削抵抗で被掘削材を掘削できるので、適正な掘削速度を維持することが容易となり、掘削作業に要する時間と労力を削減することが可能となる。
【００４９】
また、内周刃２４となる切刃チップ１０Ｂが、切刃基体１１の凹部１３の支持面１３Ａ、１３Ｂのうちビット本体２の後方側に位置する支持面１３Ｂが、ビット本体２の回転軸Ｌに直交し、切刃チップ１０Ｂの中心点Ｏを通る面に対してビット本体２後方側に１０°傾くように配置され、ＰＣＤカッタ１２の外周端のうちビット本体２の後方側に位置する外周端Ｅがビット本体２後方側に配置されているので、内周刃２４となる切刃チップ１０Ｂの切刃基体１１が被掘削材と接触することが確実に防止されるとともに、支持面１３Ｂが被掘削材の表面に沿って接触することが防止され、ＰＣＤカッタ１２の脱落や破損をより確実に防止できる。
【００５０】
同様に、外周刃２１となる切刃チップ１０Ａが、切刃基体１１の凹部１３の支持面１３Ａ、１３Ｂのうちビット本体２の後方側に位置する支持面１３Ａが、ビット本体２の回転軸Ｌに直交し、切刃チップ１０Ａの中心点Ｏを通る面にする面に対してビット本体２後方側に２０°傾くように配置され、ＰＣＤカッタ１２の外周端のうちビット本体２の後方側に位置する外周端Ｅがビット本体２後方側に配置されているので、外周刃２１となる切刃チップ１０Ａの切刃基体１１が被掘削材と接触することが確実に防止されるとともに、支持面１３Ａが被掘削材の表面に沿って接触することが防止され、ＰＣＤカッタ１２の脱落や破損をより確実に防止できる。
【００５１】
また、ＰＣＤカッタ１２が、結合材としてＭｇＣＯ３を３．０質量％含有する耐熱型ダイヤモンド焼結体によって構成されているので、摩擦熱により８００℃以上の高温となってもＰＣＤカッタ１２の硬度が著しく低下することがなく、コアビット１に加える荷重やコアビット１の回転数を増加させて掘削速度を上げることができる。また、切刃チップ１０をコアビット１のマトリックス部３にろう付けする際に、８００℃以上の高温、例えば融点が９５０℃の銀ろう材にてろう付けできるので、その接合強度を高くでき、掘削抵抗によって切刃チップ１０が脱落したり破損したりすることを防止できる。
【００５２】
また、少なくともビット本体２の最も外周側と最も内周側に配置された切刃チップ１０は、コアビット１の回転方向Ｔと掘削方向Ｄに対してそれぞれ傾斜角ｓと傾斜角ｂを有し、少なくとも他の切刃チップ１０は傾斜角ｂを有する、すなわち切刃チップ１０にはサイドレーキ角ｓやバックレーキ角ｂを設けてあるため、被掘削材表面と切刃チップ１０との間にサイドレーキ角ｓやバックレーキ角ｂに等しいクリアランス角（逃げ角）が生じるので、掘削作業時に切刃チップ１０に作用する掘削抵抗を著しく低減させ、切刃チップ１０の破損や脱落を防止するのみならず、高い掘削速度を容易に達成できる。
【００５３】
次に、本発明の第２の実施形態について添付した図面を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同一の部分には同じ符号を付して説明を省略する。
図１０、図１１に第２の実施形態である掘削用ビットとして全断面ビットを示す。この全断面ビット３１は円柱状をなすビット本体３２を有し、ビット本体３２の回転軸Ｌに沿うように貫通孔３７が形成されている。
【００５４】
このビット本体３２の先端側（図１１において上側）には、ビット本体３２の先端面をすべて覆うようにマトリックス部３３が形成されており、このマトリックス部３３が取付座５を構成している。マトリックス部３３の先端面は、ビット本体３２外周側に向かうに従いビット本体３２先端側（図１１において上側）に突出する傾斜面状に形成されており、この先端面に開口するようにノズル孔３８が複数（本実施形態では２つ）形成されている。また、マトリックス部３３の外周面には、ダイヤモンドの砥粒が複数埋め込まれたスタビライザー６が具備されている。
【００５５】
そして、このマトリックス部３３には、上述した切刃チップ１０が複数（本実施形態では図１０に示すように１８個）装着されており、切刃チップ１０は、ＰＣＤカッタ１２が最も内周側に向けられる内周刃２４と、この内周刃２４と回転軌跡が隣接してＰＣＤカッタ１２が先端側に向けられた第２先端刃２３と、ＰＣＤカッタ１２が最も外周側に向けられる外周刃２１と、外周刃２１と第２先端刃２３との間に配置され、ＰＣＤカッタ１２が先端側に向けられて配置された第１先端刃２２として使用される。図１０に示すように、外周刃２１として６つ、内周刃２４として１つ、第１先端刃２２として１０つ、第２先端刃２３として１つ、それぞれ装着されている。
【００５６】
外周刃２１となる切刃チップ１０と第２先端刃２３となる切刃チップ１０として、図５及び図６に示すＰＣＤカッタ１２の右側に隣接する切欠部１４が設けられた切刃チップ１０Ａが使用され、内周刃２４となる切刃チップ１０と第１先端刃２２となる切刃チップ１０として、図７及び図８に示すＰＣＤカッタ１２の左側に隣接する切欠部１４が設けられた切刃チップ１０Ｂが使用される。
そして、少なくともビット本体３２の最も外周側と最も内周側に配置された切刃チップ１０は、全断面ビット３１の回転方向Ｔと掘削方向Ｄに対してそれぞれ傾斜角ｓと傾斜角ｂを有し、少なくとも他の切刃チップ１０は傾斜角ｂを有する、すなわち切刃チップ１０がサイドレーキ角ｓやバックレーキ角ｂを有するように装着されている。
【００５７】
また、外周刃２１となる切刃チップ１０Ａは、切刃基体１１の凹部１３の支持面１３Ａ、１３Ｂのうちビット本体３２の後方側に位置する支持面１３Ａが、ビット本体３２の回転軸Ｌに直交し、切刃チップ１０Ａの中心点Ｏを通る面に対してビット本体３２後方側に角度α傾いて配置されている。つまり、ＰＣＤカッタ１２の外周端のうちビット本体３２の後方側に位置する外周端Ｅがビット本体３２後方側に配置されているのである。
【００５８】
一方、内周刃２４となる切刃チップ１０Ｂは、切刃基体１１の凹部１３の支持面１３Ａ、１３Ｂのうちビット本体３２の後方側に位置する支持面１３Ｂが、ビット本体３２の回転軸Ｌに直交し、切刃チップ１０Ｂの中心点Ｏを通る面に対してビット本体３２後方側に角度β傾いて配置されている。つまり、ＰＣＤカッタ１２の外周端のうちビット本体３２の後方側に位置する外周端Ｅがビット本体３２後方側に配置されているのである。
【００５９】
このように配置された外周刃２１となる切刃チップ１０Ａと、第１先端刃２２となる切刃チップ１０Ｂと、第２先端刃２３となる切刃チップ１０Ａと、内周刃２４となる切刃チップ１０Ｂの回転軌跡は、図１１に示すように重なり合い、全断面ビット１１先端面全体に亘って配置されることになる。したがって、これらの切刃チップ１０Ａ、１０Ｂによって被掘削材を掘削することにより、全断面ビット３１の先端面と同等の孔を形成することができる。
【００６０】
この全断面ビット３１は、ビット本体３２のネジ部４を利用してドリルカラーやドリルパイプ等で構成されるドリルストリングスに接続され、掘削機械に装備されたドローワークスなどを使用して全断面ビット３１を含むドリルストリングをビット本体３２の回転軸Ｌ回りに回転方向Ｔ側に向けて高速回転するとともに、全断面ビット３１に荷重を加えることにより、被掘削材に、全断面ビット３１の先端部と略同形状となる断面円形の孔を形成するものである。
ここで、図１０に示すように、ビット本体３２には掘削流体を坑底に吐出するためのノズル孔３８が設けられており、吐出された掘削流体はドリルストリングスと坑壁との間に形成されたアニュラスと呼ばれる空間を通って被掘削材の掘り屑を地表まで運搬する。
【００６１】
上記の構成の全断面ビット３１においては、第１の実施形態と同様の切刃チップ１０を使用でき、超硬合金製の切刃基体１１と被掘削材との接触を防止できるので、第１の実施形態であるコアビット１と同等の効果を得ることができる。また、全断面ビット３１であるので、被掘削材に断面円形の孔を形成することができる。
【００６２】
なお、本実施形態においては、炭酸塩を結合材として使用した耐熱型ダイヤモンド焼結体で構成されたＰＣＤカッタ１２にて説明したが、このＰＣＤカッタ１２は、Ｃｏを結合材とする一般的なダイヤモンド焼結体、あるいは耐熱型ダイヤモンド焼結体と一般的なダイヤモンド焼結体との複合体で構成されていても良い。ただし、一般的なダイヤモンド焼結体では、８００℃以上になった場合には、ダイヤモンドが劣化してＰＣＤカッタ１２の硬度が著しく低下するので、掘削速度を上げて掘削する場合には耐熱型ダイヤモンド焼結体を使用するのが好ましい。
【００６３】
また、ＰＣＤカッタ１２が切刃チップ１０の上面外周の２５％を占める切刃チップ１０で説明したが、これに限定されることはなく、例えば、上面外周の３３％を占めるものであっても良い。
また、ＰＣＤカッタ１２及び切刃基体１１の凹部１３が、扇形のもので説明したが、切刃チップ１０の上面１１Ａの外周側一部にＰＣＤカッタ１２が配置されていれば良く、切刃基体１１の凹部１３の部分が例えば三日月状に形成されていても良い。
【００６４】
また、第１先端刃２２と第２先端刃２３とを設けたもので説明したが、先端刃がなく  内周刃２４と外周刃２１のみが具備されたものであっても良いし、先端刃がいくつ設けられていても良い。
また、マトリックス部３、３３を取付部５として説明したが、取付部５として超硬合金製のポストをビット本体２、３２の先端面に装着し、この超硬ポストに切刃チップを装着しても良い。
【００６５】
また、外周刃２１となる切刃チップ１０Ａは、切刃基体１１の凹部１３の支持面１３Ａ、１３Ｂのうちビット本体３２の後方側に位置する支持面１３Ａが、ビット本体３２の回転軸Ｌに直交し、切刃チップ１０Ａの中心点Ｏを通る面に対してビット本体３２後方側に角度α傾いて配置され、内周刃２４となる切刃チップ１０Ｂは、切刃基体１１の凹部１３の支持面１３Ａ、１３Ｂのうちビット本体３２の後方側に位置する支持面１３Ｂが、ビット本体３２の回転軸Ｌに直交し、切刃チップ１０Ｂの中心点Ｏを通る面に対してビット本体３２後方側に角度β傾いて配置されたもので説明したが、角度α、角度βは２０°以下とすることが好ましい。
【００６６】
さらに、切刃チップ１０の配置については、実施形態に開示されたものに限定されることはなく、コアビット１や全断面ビット３１の径サイズや切刃チップ１０のサイズ及び被掘削材の材質などを考慮して個数や配置を決定することが好ましい。例えば全断面ビットにおいては、切刃チップを渦巻き状に配置したり、径方向に並列させたりしたものであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】第１の実施形態であるコアビットにおいて、各切刃チップの回転軌跡を重ね合わせてコアビットの回転方向前方側から見た説明図である。
【図２】図１の各切刃チップの回転軌跡を直線状に展開した説明図である。
【図３】第１の実施形態であるコアビットの上面図である。
【図４】図３のコアビットの側面断面図である。
【図５】図３のコアビットの外周刃及び第２先端刃として装着される切刃チップの上面図である。
【図６】図３のコアビットの外周刃及び第２先端刃として装着される切刃チップの側面断面図である。
【図７】図３のコアビットの内周刃及び第１先端刃として装着される切刃チップの上面図である。
【図８】図３のコアビットの内周刃及び第１先端刃として装着される切刃チップの側面断面図である。
【図９】図３のコアビットに装着された切刃チップの側面断面図である。
【図１０】第２の実施形態である全断面ビットの上面図である。
【図１１】図１０の全断面ビットの側面断面図である。
【符号の説明】
【００６８】
１  コアビット（掘削用ビット）
２、３２  ビット本体
３、３３  マトリックス部
５  取付座
１０  切刃チップ
１１  切刃基体
１２  ＰＣＤカッタ（カッタ）
１３  凹部
１４  切欠部
３１  全断面ビット（掘削用ビット）
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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