【手続補正書】
【提出日】平成15年9月10日(2003.9.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】地盤掘削ビット
【特許請求の範囲】
【請求項１】熱安定型多結晶ダイヤモンド砥粒を配設してなることを特徴とする地盤掘削ビット。
【請求項２】ダイヤモンド粉末を合金に混入して焼き固めた地盤掘削ビットに熱安定型多結晶ダイヤモンド砥粒を配設してなることを特徴とする地盤掘削ビット。
【請求項３】ビットの先端の外周部にテーパー部を形成し、該テーパー部に熱安定型多結晶ダイヤモンド砥粒を配設してなることを特徴とする請求項１又は２記載の地盤掘削ビット。
【請求項４】ビットの先端にフォーム状の気泡を噴射する噴射口が設けられていることを特徴とする請求項１、２又は３記載の地盤掘削ビット。
【請求項５】気泡が噴射口から噴射される際に膨張してフォーム状となるように構成されていることを特徴とする請求項４記載の地盤掘削ビット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転して地盤を掘削するビット（回転刃）に関するものであり、特に、表面にダイヤモンドの砥粒を配設した地盤掘削ビットに改良を加えたものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、回転切削して地盤を穿孔することは掘削と呼ばれており、ボーリングや地盤のサンプリング採取などの際に実施されている。この掘削を行うための工具として地盤掘削ビットが従来より知られている。地盤掘削ビットには、メタルクラウンビットやダイヤモンドビットといったタイプのものが提案されており、さらにダイヤモンドビットはサーフェイスビットと、インプリグネーテッドビット（ここではインプリビットと呼ぶ）とに大別される。以下、メタルクラウンビット、サーフェイスビットおよびインプリビットについて説明する。
【０００３】
メタルクラウンビットは、メタルクラウンのビットフェイス（ビットの先端・刃先）に超硬質なメタルチップを多数植え付けたものである。このビットによる掘削は、地盤組織の切断と言うよりはむしろ組織を破壊して分離させると言った方が近く、低速回転（６０回／分前後）によりトルクを増大させて掘削していく。
【０００４】
メタルクラウンビットを用いる掘削工法の対象地盤は未固結又は半固結（凝結）構造を有する第四紀（洪積世〜沖積世）の地盤、いわゆる土砂・粘土層である。なお、メタルクラウンビットによる掘削は、ビットを回転させて刃（メタルチップ）１個当たりの切り込み量（深さ）を小さくし、その掘削応力（抵抗）を軽減させている点に特徴があり、切削工学ではこのような掘削工法を軽切削法と称している。
【０００５】
しかしながら、メタルクラウンビットは土砂・粘土層の掘削には頻繁に利用されるものの、超硬質地盤や不安定地盤に対してはこれを用いることは難しかった。つまり、メタルクラウンビットにおいては地盤性状による制約が大きいという不具合があった。
【０００６】
サーフェイスビットはビットフェイスに天然ダイヤモンドの砥粒を設置したものである。砥粒は鉱物を破壊あるいは劈開することによって、鋭利な刃先を形成した状態で使用するのが一般的である。このサーフェイスビットによる掘削は、砥粒を掘削物（地盤）に対し強制的に切り込ませ、確実に一定量（一定寸法）を削り取る強制切り込み加工法（研削加工）であることを特徴としており、このような掘削は理論的には最も理想的な工法である。
【０００７】
しかしながら、サーフェイスビットにおいて不安定な地盤を掘削対象とした場合、ビットの回転運動が不規則になり易く、ダイヤモンドの砥粒が衝撃力を受けて破損する危険性がある。
さらに、サーフェイスビットは天然ダイヤモンドを使用するため極めて高価であり、具体的には掘削口径がφ１２０ｍｍ程度のもので１個当たりの製造単価が５０〜８０万円にもなった。このようなコストの問題は経済性が重視される現在では深刻な問題であり、サーフェイスビットの普及を妨げる主要因となっていた。
【０００８】
また、研削加工を行うサーフェイスビットを駆動させる場合、トルクをある程度大きくしなくてはならない。そのため、ビットの駆動源となるエンジンは大型化し、これに伴って掘削設備が複雑化した。さらに、従来のサーフェイスビットによる掘削では比較的安定した地盤しか対象とすることができないので、掘削対象地盤の拡大が求められていた。
【０００９】
インプリビットはダイヤモンド粉末を合金に混入して焼き固めたものである。インプリビットによる掘削の特徴は、所定の圧力をかけて掘削物（地盤）表面より適当量分を除去する加圧切り込み加工法である点である。この掘削工法は単純であり、給圧による鉛直荷重とビットを高速回転させて掘削面を研磨、除去していく。したがって、回転掘削運動を高速にすれば掘削作業を進めることができ、ビットの駆動源は小型・軽量のエンジンでも十分である。
【００１０】
また、インプリビットはダイヤモンド粉末を使用するので、天然ダイヤモンドの砥粒を使用するサーフェイスビットに比べて非常に安価であり、しかも長寿命といった長所がある。このような長所を有するインプリビットは、今日では広く普及しており、超硬質地盤や不安定な地盤を含めて地盤全般を掘削対象とするに至っている。
【００１１】
しかしながら、インプリビットでは、加圧切り込み加工法を採用しているため、地盤に適したものを選定しないと、掘削効率が極端に悪くなる。掘削対象地盤に適合したビットを得るためには、ダイヤモンドの粉末粒径の選定、結合剤である合金とダイヤモンド粉末との混合比率、さらには焼き固め具合など複数の要素を高い精度で決める必要がある。しかし現時点では、理論的に適合ビットを得るまでには至っておらず、オペレータや製作者の実績や経験によって試作品を作り、これを使って室内で切削実験を繰り返し、その結果に基づいて適合ビットを決定していた。このような選定作業を経て適合ビットを製造しなくてはならず、これにより掘削期間の長期化を招いていた。
【００１２】
また、前記のいずれのビットを用いるにせよ、地盤掘削ビットに対する共通の技術的な課題として、ビットの堅牢性や施工性を向上させるといった要請が従来より存在した。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような事情を鑑みて提案されたものであり、その目的は、岩盤性状に左右されることがなく高い掘削効率を発揮でき、低価格で、堅牢性および施工性に優れた地盤掘削ビットを提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、地盤掘削ビットの材質について鋭意研究を重ねた結果、驚くべきことに、特定の人工ダイヤモンドを用いることにより、従来の解決課題を一挙に解決することができることを見出し、本発明を完成するに到ったものである。
【００１５】
請求項１の発明は、熱安定型多結晶ダイヤモンド砥粒を配設してなることを特徴とする地盤掘削ビットである。
【００１６】
請求項１の発明においては、熱安定型多結晶ダイヤモンドの砥粒を用いたサーフェイスビットを得ることができる。そのため、適合ビットの選定といった面倒な作業を行うことなく、優れた掘進率を発揮することができる。また、熱安定型多結晶ダイヤモンドは多結晶構造であり、高い耐磨耗性を有する。したがって、天然ダイヤモンドのような正八面体結晶構造に比べて、衝撃による破損の心配は少なく、ビットの堅牢性を高めることができる。ビットの堅牢性が高ければ少々乱暴に取り扱っても破損の危険性が低く、慎重で難しい作業が要求されないため優れた施工性を確保することができる。さらに、多結晶ダイヤモンドは人工ダイヤモンドであるため、天然ダイヤモンドに比べて格段に低価格であり、経済性に優れている。
【００１７】
請求項２の発明は、ダイヤモンド粉末を合金に混入して焼き固めた地盤掘削ビットに熱安定型多結晶ダイヤモンド砥粒を配設してなることを特徴とする地盤掘削ビットである。
【００１８】
熱安定型である多結晶ダイヤモンドは優れた耐熱性を有している。そのため、ダイヤモンド粉末を用いたインプリビットに対しダイヤモンドの砥粒を直接植え込んで、高温で焼き固めることが可能である。したがって、請求項２の発明では、インプリビットとサーフェイスビットとの長所を合せ持つハイブリットなビットを獲得することができる。
【００１９】
請求項３の発明は、請求項１または２記載の地盤掘削ビットにおいて、ビットの先端の外周部にテーパー部が形成され、このテーパー部に前記熱安定型多結晶ダイヤモンドの砥粒が配設されたことを特徴とする。
【００２０】
請求項３の発明においては、消耗の激しいテーパー部に耐磨耗性の高い熱安定型多結晶ダイヤモンドの砥粒を配設したので、ビットの耐久性が向上し、ビットの寿命（ビットライフ）を大幅に延長することができる。
【００２１】
請求項４の発明は、請求項１、２または３記載の地盤掘削ビットにおいて、フォーム状の気泡を噴射する噴射口が設けられたことを特徴とする。
【００２２】
請求項４の発明では、フォーム状の気泡によりスライムや地層水を内部に閉じこめたり付着させたりしてこれらを排出する工法において、請求項１、２または３記載の地盤掘削ビットを使用することができる。そのため、極めて効率の良い掘削作業を行うことができる。
【００２３】
請求項５の発明は、請求項４記載の地盤掘削ビットにおいて、前記気泡は前記噴射口から発射される際に膨脹してフォーム状となるように構成されたことを特徴とする。
【００２４】
請求項５の発明においては、気泡が噴射口から発射される際に体積膨脹が起きるため、断熱変化が生じ、噴射口周囲の温度を下げることができる。したがって、掘削作業により高温となったビットを十分に冷却することができる。これにより、作業効率をいっそう高めることが可能である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の一例について、図面を参照して具体的に説明する。
【００２６】
（１）第１の実施形態
まず、第１の実施形態について図１〜図５に基づいて説明する。第１の実施形態は請求項３および５に対応する。図１〜図４は第１の実施形態である地盤掘削ビットを示すもので、図１は一部断面を示す斜視図、図２は正面図、図３は側面図、図４は拡大断面図である。また、図５は第１の実施形態を含む掘削設備全体の構成図である。
【００２７】
［地盤掘削ビットの構成］
第１の実施形態である地盤掘削ビット１１は、ダイヤモンドの粉末１３を合金に混入して焼き固めたインプリビットであると同時に、熱安定型多結晶ダイヤモンドからなる直方体状の砥粒１２が設置されたサーフェイスビットである。すなわち地盤掘削ビット１１は、インプリビットとサーフェイスビットとの構成を合せ持つハイブリットなビットである。砥粒１２は熱安定型多結晶ダイヤモンドを平均粒径２μで３点接触させ、バインダ（結合剤）としてＳｉＣ（炭化ケイ素）を使用し、１２００度で焼き固めて作られる。このようにして作られた砥粒１２は、インプリビットに対し直接植え込んた状態で、焼き固められて配設される。
【００２８】
また、地盤掘削ビット１１先端の外周部にはテーパー部１４が形成されており、このテーパー部１４に沿って砥粒１２が配設されている。さらに、地盤掘削ビット１１の先端には噴射口１５が設けられており、ここから膨脹してフォーム状となる硬膜泡（後述）を噴射するようになっている。
【００２９】
［掘削設備全体の構成］
続いて、第１の実施形態を含む掘削設備について説明する（図５参照）。この掘削設備には２台のコンプレッサ１，１が設けられている。これらコンプレッサ１，１の能力は、２台で毎分１．２ｍ３の空気を送り出すように設定されている。
【００３０】
コンプレッサ１，１にはエアチャンバータンク２を介して足場３上に設置された微粒気泡発生装置４が接続されている。微粒気泡発生装置４には起泡剤溶液Ｂが溜められている。起泡剤溶液Ｂは分子量の少ない植物性油脂を主原料とした界面活性剤をミセル生成して使用しており、通常（一般的に）その濃度は１０％前後としている。
【００３１】
また、微粒気泡発生装置４の上部にはラバル管５が設けられている。ラバル管５にはデリバリーホース６が連結されており、デリバリーホース６にはボーリングマシン９に支持されたロッド７が接続されている。なお、ボーリングマシン９は前記足場３上に設置されている。ロッド７の先端部には内管１０を有するサンプラー８が設けられている。掘削孔径は１２０ｍｍ、サンプル径は９２ｍｍである。さらにサンプラー８の先端部に、第１の実施形態である地盤掘削ビット１１が回転自在に設けられている。
【００３２】
［硬膜泡を作るまでの手順］
以上のような構成を持つ掘削設備では、次のようにして工程を経て、フォーム状の気泡である硬膜泡（気泡膜が硬い固体状の気泡）を作っている。
【００３３】
（第１工程）微粒気泡形成工程
まず、微粒気泡発生装置４がミセル生成された起泡剤溶液Ｂを流速５００ｋｍ／ｈで均一に発泡させ、界面活性ミセルにて覆われた微粒気泡Ｃを形成する。
【００３４】
（第２工程）送流工程
続いて微粒気泡発生装置４はラバル管５を介して微粒気泡Ｃをデリバリーホース６内の空気Ａ中に均等に分散させてエアロゾル状とし、これに所定の圧力をかけて流速２００ｋｍ／ｈといった高速で、ラバル管５より地盤掘削ビット１１に至るまでの急激な断面形状の変化に充分対応しつつ、ビット１１まで送り込む。このとき、微粒気泡Ｃの送流量は通常毎分１．２ｍ３の空気Ａに対し毎時１０リットル前後とする。
【００３５】
（第３工程）硬膜泡形成工程
地盤掘削ビット１１は噴射口１５から微粒気泡Ｃを掘削面に噴射する。噴射された微粒気泡Ｃは界面活性ミセルにて覆われた状態のまま破裂することなく、粒径が１００〜１０００倍にまで膨脹し、固体泡であるフォーム状の硬膜泡Ｄを形成する。なお、微粒気泡Ｃが体積膨脹するとき断熱変化が生じるので、硬膜泡Ｄは低温であり、ビット１１を冷却することができる。
【００３６】
［作用効果］
以上のような第１の実施形態の地盤掘削ビット１１は、熱安定型多結晶ダイヤモンドの砥粒１２を用いたサーフェイスビットである。そのため、強制切り込み加工法（研削加工）を行うことができ、地盤に適合するビットの選定といった面倒な作業を行うことなく、優れた掘進率を得ることができる。特に、地盤掘削ビット１では超硬質の亀裂性地盤や破砕性の性状を有する地盤のサンプリングにおいて相当の効力を発揮することができる。
【００３７】
また、地盤掘削ビット１１はサーフェイスビットであると同時に、ダイヤモンドの粉末１３を焼き固めたインプリビットでもあるため、インプリビットとしての長所も兼ね備えている。すなわち、広く普及したインプリビットと同様に扱うことができ、現場のオペレータも十分に経験を積んでおり、不慣れによる施工性の劣化が起こる心配がない。
【００３８】
以上のように地盤掘削ビット１１は優れた掘進率、長寿命性、使い勝手の良さといった利点を持つことができる。特に、長寿命性に関しては、第１の実施形態では消耗の激しいテーパー部１４に砥粒１２を設置したので、ビット１１の耐久性を向上させることができ、ビットの寿命（ビットライフ）を大幅に延長することが可能である。
【００３９】
また、多結晶のダイヤモンドである砥粒１２は高い耐磨耗性を有するため、正八面体結晶構造である天然ダイヤモンドの砥粒に比べて、衝撃に強く、ビット１１の堅牢性を高めることができる。したがって取扱いが多少ラフでも破損のおそれが低く、慎重で難しい作業を必要としないので、優れた施工性を発揮できる。
【００４０】
さらに、砥粒１２は人工ダイヤモンドなので、天然ダイヤモンドを使用したサーフェイスビットに比べて格段に安くビット１１を製造することができる。そのため、製造個数を容易に増やすことができ、現場において掘削量が大幅に増加した場合でも即座にこれに対応することができる。このような経済性に優れたビット１は現場での使用感が良好であり、普及を進めることができる。
【００４１】
また、第１の実施形態においては、噴射口１５から硬膜泡Ｄを噴射し、この硬膜泡Ｄにてスライムや地層水を内部に閉じこめたり付着させて、これらを排出することができる。これにより、極めて効率の良い掘削作業を行うことができる。しかも、硬膜泡Ｄは噴射口１５から発射される生じる断熱変化によって噴射口１５周囲の温度を下げることができる。このような冷却作用により、掘削作業により高温となったビット１１を冷やすことができ、作業効率はいっそう高くなる。
【００４２】
（２）他の実施の形態
なお、本発明は、以上のような実施の形態に限定されるものではなく、砥粒の配置や設置数、さらには砥粒やビットの形状などについては適宜変更可能である。
【００４３】
具体的な他の実施形態としては、例えば図６〜図９に示すような円筒形の地盤掘削ビット１６がある。図６は地盤掘削ビット６の一部断面を示す斜視図、図７は正面図、図８は側面図、図９は拡大断面図である。
【００４４】
地盤掘削ビット１６は、基本的な構成は上記第１の実施形態と同様であるが、先端部にテーパー部４を形成しない円筒形であり、先端面部分にのみ砥粒１２を配置した点に特徴がある。そのため、地盤掘削ビット１６は構成が単純であり、簡単に製造することができるため、製造コストを抑えることができる。このようなタイプのビット１６は、ほとんどの地盤のサンプリングに使用することができる。特に、砂礫地盤および極風化している真砂土層などのサンプリングにおいて大きな効力を発揮でき、高品質のサンプルを採取することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、熱安定型多結晶ダイヤモンドの砥粒を設置するといった極めて簡単な構成により、岩盤性状に左右されることがなく高い掘削効率を発揮でき、低価格で、堅牢性および施工性に優れた地盤掘削ビットを提供することができる。また、フォーム状の気泡を噴射する工法において、このような地盤掘削ビットを使用することによって、極めて効率の良い掘削作業を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における一部断面を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の正面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の側面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の拡大断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態を含む掘削設備全体の構成図である。
【図６】本発明の他の実施形態における一部断面を示す斜視図である。
【図７】本発明の他の実施形態の正面図である。
【図８】本発明の他の実施形態の側面図である。
【図９】本発明の他の実施形態の拡大断面図である。
【符号の説明】
１  コンプレッサ
２  エアチャンバータンク
３  足場
４  微粒気泡発生装置
５  ラバル管
６  デリバリーホース
７  ロッド
８  サンプラー
９  ボーリングマシン
１０  内管
１１，１６  地盤掘削ビット
１２  砥粒（熱安定型多結晶ダイヤモンド）
１３  ダイヤモンドの粉末３
１４  テーパー部
１５  噴射口
Ａ  空気
Ｂ  起泡剤溶液
Ｃ  微粒気泡
Ｄ  硬膜泡