(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス電圧が印加される励磁コイルの中央に超磁歪材を配置し、該超磁歪材の先端に密接して衝撃伝達工具を配置し、超磁歪材の他端に密接して反力受板を設け、さらに、励磁コイルの励磁電流が電圧印加時間の経過と共に増加し所望の最大値に達した後急減して零となるパルス電圧を、繰り返し励磁コイルに印加する電源装置を備えた衝撃装置。
【請求項２】
パルス電圧が印加される励磁コイルの中央に超磁歪材を配置し、該超磁歪材の先端に密接して衝撃伝達工具を配置し、超磁歪材の他端に密接して反力受板を設け、さらに、励磁コイルの励磁電流が電圧印加時間の経過と共に増加し所望の最大値に達してから所定時間最大値を維持した後急減して零となるパルス電圧を、繰り返し励磁コイルに印加する電源装置を備えた衝撃装置。
【請求項３】
パルス電圧が印加される励磁コイルの中央に超磁歪材を配置し、該超磁歪材の先端に密接して衝撃伝達工具を配置し、超磁歪材の他端に密接して反力受板を設け、さらに、励磁コイルの励磁電流が初期値から最大値まで電圧印加時間の経過と共に、経過時間の２乗に比例して又は経過時間の対数関数に近似して増加するパルス電圧を、繰り返し励磁コイルに印加する電源装置を備えた衝撃装置。
【請求項４】
励磁コイルの励磁電流が初期値から最大値まで電圧印加時間の経過と共に、経過時間の２乗に比例して又は経過時間の対数関数に近似して増加するパルス電圧を、繰り返し励磁コイルに印加する電源装置を備えた請求項１又は請求項２記載の衝撃装置。
【請求項５】
励磁コイルに検出コイルを併設し、衝撃伝達工具から超磁歪材に反射波が戻ってきたとき、磁歪現象により発生する電流又は電圧の変化を検出コイルで測定して反射波の波形を検出する検出装置を備えた請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４記載の衝撃装置。
【請求項６】
パルス電圧が印加される励磁コイルの中央に超磁歪材を配置し、該超磁歪材の先端に密接して衝撃伝達工具を配置し、超磁歪材の他端に密接して反力受板を設け、さらに、励磁コイルに検出コイルを併設し、衝撃伝達工具から超磁歪材に反射波が戻ってきたとき、磁歪現象により発生する電流又は電圧の変化を検出コイルで測定して反射波の波形を検出する検出装置を備えた衝撃装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁歪による衝撃作用を利用した衝撃装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、衝撃によりコンクリートや岩石を破砕したり、岩石にさく孔を行うブレーカやさく岩機のような衝撃機械において、チゼルやロッド等の衝撃伝達工具に衝撃を与える衝撃装置は、油圧や空圧により作動するピストンの打撃を利用するものであった。
【０００３】
このような衝撃装置では、ピストンの打撃により、衝撃伝達工具に、衝撃波（応力波即ち弾性歪波）が発生し、この衝撃波が対象物に向かって伝播して対象物を破砕する。このため、打撃の際の打撃音の発生や、ピストンの加速に起因する反動や振動は避けることができなかった。
【０００４】
また、衝撃波を発生させる場合には、例えば電気エネルギーをモータで機械エネルギーに変え、それを油圧ポンプ等でピストンの運動エネルギーに変え、打撃により衝撃伝達工具の歪エネルギーに変えて衝撃波を発生させるという過程を経るので、エネルギー効率が高いとは言えなかった。
【０００５】
さらに、大きな慣性抵抗を持つピストンを高速で往復動させるには、油圧や空圧の加速力は十分でなく、打撃数の増加には限界があるので、容易には出力を増大させることができなかった。
【０００６】
なお、衝撃波の波形は対象物の破砕特性（貫入抵抗）に応じて最良の形状があることが知られており、この衝撃波の波形が適切でないと、衝撃伝達工具の対象物への貫入が十分に行われず、破砕効率が低くなり、対象物からの衝撃波の反射が大きくなって衝撃装置への反動の増加や衝撃機械の耐久性の低下の一因となる。そこで、衝撃波の波形を制御するため、対象物に応じてピストンの形状を変えるなどの対策が講じられることもあったが、対象物に応じてピストンの形状を変えるのは面倒である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、衝撃装置におけるかかる問題を解決するものであって、低騒音、低振動で破砕やさく孔作業を行うことができ、破砕効率、エネルギー効率が高く、高出力で耐久性の大きい衝撃装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の衝撃装置は、パルス電圧が印加される励磁コイルの中央に超磁歪材を配置し、この超磁歪材の先端に密接して衝撃伝達工具を配置し、超磁歪材の他端に密接して反力受板を設けることにより上記課題を解決している。
【０００９】
磁歪とは、鉄のような強磁性体を磁化した際に磁性体の外径寸法が変化する現象である。しかし、このような磁性金属の歪みは高々１０-5乃至１０-6であるのに対し、超磁歪材は磁歪により１０-3オーダーの歪みを発生する。
【００１０】
この衝撃装置では、励磁コイルにパルス電圧を印加し励磁コイルに流れる励磁電流によって超磁歪材に磁場の変化を与えて所望の衝撃波形を生ずる磁歪を発生させ、先端に密接した衝撃伝達工具を通じて破砕の対象物に衝撃波を伝達し対象物を破砕する。
【００１１】
岩石等破砕の対象物に衝撃波のエネルギーで衝撃伝達工具を貫入させるには、一定以上の変位速度が一定時間以上継続する必要がある。岩石等の破砕の対象物の物性は千差万別であり、従って、貫入抵抗も様々であるが、一定量以上の貫入量を確保し、所要動力を一定値以下におさめるためには、磁歪による歪みが磁界の強さ、即ち励磁電流の大きさに比例し、歪みの時間的変化率は変位速度に等しいことから、励磁コイルの励磁電流が電圧印加時間の経過と共に増加し所望の最大値に達した後急減して零となるパルス電圧を、繰り返し励磁コイルに印加する。その結果、超磁歪材が磁歪による変形において所望の変位、変位速度に達する。このときのパスル幅は、数十μｓ乃至数百μｓ、パルス間隔は数ｍｓ乃至数百ｍｓの範囲で適宜選択される。
【００１２】
衝撃伝達工具の貫入に際しては、衝撃伝達工具の先端は対象物に接触していることが望ましい。衝撃伝達工具の先端が対象物に接触していないと、衝撃波は引張波となって衝撃伝達工具中を戻って行きエネルギーを有効に対象物に伝達することができない。このため、衝撃伝達工具全体を静的に対象物に押しつけておく必要がある。
【００１３】
励磁コイルの励磁電流が電圧印加時間の経過と共に増加し所望の最大値に達してから所定時間最大値を維持するパルス電圧を励磁コイルに印加すると、励磁電流が一定値を維持している間は、超磁歪材が伸びており、衝撃伝達工具を対象物に押しつけることができる。一定値を維持する時間は、数十ｍｓ内の範囲で適宜選択される。
【００１４】
衝撃波を衝撃伝達工具の対象物への貫入仕事に有効に使うためには、反射波の発生をなるべく小さく抑えることが重要である。
励磁コイルの励磁電流が、初期値から最大値まで電圧印加時間の経過と共に、経過時間の２乗に比例して又は経過時間の対数関数に近似して増加するパルス電圧を励磁コイルに印加すると、反射波の発生を小さく抑えることができる。
【００１５】
励磁コイルに検出コイルを併設し、衝撃伝達工具から超磁歪材に反射波が戻ってきたとき、磁歪現象により発生する電流又は電圧の変化を検出コイルで測定して反射波の波形を検出装置で検出し、衝撃伝達工具の対象物への貫入過程における入射波の大きさを反射波に応じて加減すると、反射波が低減でき、貫入効率の向上、振動、反動の低減が可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の一形態である衝撃装置を用いたブレーカの構成図、図２は本発明の他の実施の形態である反射波の検出装置を備えたブレーカの構成図、図３は本発明のさらに他の実施の形態である衝撃装置を用いたさく岩機の構成図である。
【００１７】
図１のブレーカＢは、ケーシング５内に設けた励磁コイル４の中央に超磁歪材１が配置され、この超磁歪材１の先端に密接して衝撃伝達工具であるチゼル２が配置され、超磁歪材１の他端に密接して反力受板３が設けられている。
【００１８】
破砕作業時には、ブレーカＢは、推力装置（図示略）によって推力Ｔが与えられてチゼル２の先端が破砕の対象物７に押しつけられ、超磁歪材１には電源装置６からパルス電圧が印加される。
【００１９】
励磁コイル４にパルス電圧が印加されると、励磁コイル４に流れる励磁電流によって超磁歪材１に磁場の変化が与えられ、所望の衝撃波形を生ずる磁歪が発生する。超磁歪材１の先端に密接したチゼル２を通じて破砕の対象物７に衝撃波が伝達されて対象物７を破砕する。
【００２０】
推力装置としては、重力、油圧、空圧、機械式、人力等、従来の衝撃機械に用いられるのと同様のものを適宜利用することができる。超磁歪材１の保護のためには、推力装置の推力を検出して、電源装置６の出力を開閉する空打防止手段を設けることが望ましい。
【００２１】
図２のブレーカＢは、超磁歪材１と励磁コイル４との間に検出コイル８が設けられており、チゼル２から超磁歪材１に反射波が戻ってきたとき、磁歪現象により発生する電流又は電圧の変化を検出コイル８で測定して反射波の波形を検出する検出装置９を備えている。その他の構成は図１のブレーカと同様である。
【００２２】
図３のさく岩機Ｄは、ケーシング５内に設けた励磁コイル４の中央に超磁歪材１が配置され、この超磁歪材１の先端に密接して衝撃伝達工具としてロッド１２が配置されている。ロッド１２の先端には、ビット１３が取付けられている。さく岩機Ｄは、回転装置１１とフラッシング装置１５とを備えており、ロッド１２には、回転装置１１で回転が与えられ、フラッシング装置１５からは繰粉排出用の流体が供給されるようになっている。
【００２３】
以下、衝撃装置の作用を図３のさく岩機Ｄによって説明する。
磁歪とは、鉄のような強磁性体を磁化した際に磁性体の外径寸法が変化する現象である。このような磁性金属の歪みは高々１０-5乃至１０-6であるのに対し、超磁歪材１は磁歪により１０-3オーダーの歪みを発生する。
【００２４】
超磁歪材１は、磁歪によりピストンとしてロッド１２に衝撃波を発生させる。ロッド１２がピストンに比して十分に長ければ、ピストンの全運動エネルギーがロッド１２に衝撃波として伝達される。この時発生する衝撃波の大きさσ（応力）は、ロッド１２の材質のヤング率をＥ、ロッド１２中を伝播する衝撃波の速度、即ち音速をＣ、ロッド端面が打撃により変位する速度をｖとすれば、σ＝（Ｅ／Ｃ）ｖで与えられる。
【００２５】
通常のさく岩機では、このσの大きさはロッドの耐久性から２００ＭＰａ程度で歪みとしては１０-3程度の大きさである。
ロッド１２の断面積をＡとすれば、この衝撃応力σによるロッド１２の荷重ｆは、ｆ＝σＡ＝（ＡＥ／Ｃ）ｖと表される。（ＡＥ／Ｃ）をロッドの比インピーダンスと言い、これをＺとすれば、ｆ＝Ｚｖと表される。即ち、ロッド１２の荷重ｆは、ロッド固有の比インピーダンスＺとロッドの変位速度ｖの積である。ロッド１２に伝達された衝撃エネルギーは比インピーダンスＺの変化するところでは必ず反射が起こり、エネルギーの一部は伝達されなくなる。
【００２６】
この反射の反射率Ｒは、反射面前後の比インピーダンスＺの差ΔＺと和ΣＺを用いてＲ＝ΔＺ／ΣＺで示される。ロッド１２の先端に到着した衝撃波の挙動は、ビット１３が何物にも接触せず自由端となっているときには、対象物の比インピーダンスが０であるから、先端での負荷は０で、Ｒ＝（０−Ｚ）／（０＋Ｚ）＝−１となり、対象物にはエネルギーは全く伝達されず、衝撃波が圧縮波であればＲ＝−１であるから、符号を変え、１００％引張波として反射される。
【００２７】
一方、ビット１３が全く変形しない対象物に当接し固定端となっていれば、反射率Ｒ＝（∞−Ｚ）／（∞＋Ｚ）＝＋１となり、ビット１３先端の変位は０であるから対象物にはエネルギーは全く伝達されず、先端の負荷は入射波と反射波の重畳により２倍即ち２ｆとなる。このときＲ＝＋１であるから、圧縮波が１００％圧縮波として反射される。
【００２８】
ビット１３全体を静的な推力で岩石等の破砕対象物に押し込んでいくと、その貫入量ｕと貫入力Ｆとの間には、図４に示すような一定の関係Ｆ＝Φ（ｕ）が保たれ、動的な場合にもほぼこの関係は崩れないことが知られている。この関係において単位貫入量当たりの貫入力、即ちｄＦ／ｄｕを貫入抵抗という。
【００２９】
対象物７へのビット１３の貫入抵抗がロッド１２の比インピーダンスＺと同じ大きさであれば、Ｒ＝（Ｚ−Ｚ）／（Ｚ＋Ｚ）＝０で反射は０、即ち全てのエネルギーが対象物７へ伝達され、その時のビット１３の先端の負荷はｆに等しい。即ち、ビット１３の先端では、貫入抵抗がロッド１２中を衝撃波が伝達されるときの抵抗と等しいときだけ１００％のエネルギーが対象物７に伝達され、それ以外では１００％とならない。貫入抵抗が上記の無反射インピーダンスよりも小さいときは、残余のエネルギーは引張波となって反射し、大きいときは圧縮波となって反射される。
【００３０】
衝撃波が貫入抵抗を有する対象物７に接するビット１３の先端に到着すると、ビット１３の貫入と衝撃波の反射波の発生が起こる。図５に示すように、任意の波形の衝撃波Ｓは、極く微小な時間Δｔ（例えば数μｓ）では、荷重ｆが一定と見なせる。ビット１３の貫入状態が図４に示すビット貫入量ｕと貫入力Ｆとの関係でａの位置にあるとし、その時の貫入力をＦ0 ＝Φ（ｕ0 ）とする。時間Δｔが小さければ、ビット１３で生ずる反射波の大きさｒは、近似的にｒ＝Ｆ0 −ｆと見なせる。ビット１３の先端は入射波と反射波の重畳により前進する。この時間Δｔでのビット１３の前進速度ｖはｒ−ｆ＝Ｚｖから、ｖ＝（ｒ−ｆ）／Ｚであり、従って、ビット１３の前進量即ち貫入量の増分Δｕは、Δｕ＝（ｒ−ｆ）Δｔ／Ｚである。この貫入が完了した時、貫入力の大きさはＦ0 ＝Φ（ｕ0 ）からＦ1 ＝Φ（ｕ0 ＋Δｕ）になっている。
【００３１】
上記手順を繰り返して行けば、任意の入射波形に対し、貫入抵抗を有する破砕の対象物７への貫入量、貫入エネルギーの時間経過の様子が分かる。
以上の考察から岩石の様な対象物７に衝撃波のエネルギーでビット１３を貫入させるには、ｆ＝Ｚｖ、Δｕ＝ｖΔｔ等の上述の関係により一定以上の変位速度ｖが一定時間継続する必要のあることが分かる。
【００３２】
岩石等の破砕の対象物７の物性は千差万別であり、従って、貫入抵抗も様々である。一定量以上の貫入量を確保し、所要動力を一定値以下におさめるためには、磁歪による歪みが磁界の強さ、即ち励磁電流の大きさに比例し、歪みの時間的変化率は変位速度ｖに等しいことから、図６に示す様な励磁コイルの励磁電流が電圧印加時間の経過と共に増加し所望の最大値に達した後急減して零となるパルス電圧を、電源装置６から繰り返し励磁コイル４に印加する。これにより、超磁歪材１が磁歪による変形において所望の変位、変位速度に達する。このときのパルス幅は、数十μｓ乃至数百μｓ、パルス間隔は数ｍｓ乃至数百ｍｓの範囲で適宜選択される。
【００３３】
ビット１３の貫入に際しては、ビット１３の先端は対象物７に接触していることが望ましい。ビット１３の先端が対象物７に接触していないと、ビット１３の先端に入射した衝撃波は引張波となってロッド１２中を戻って行きエネルギーを有効に対象物７に伝達することができない。このため、ロッド１２全体を静的に対象物７に押しつけておく必要がある。
【００３４】
図７に示す様に、励磁コイル４の励磁電流が、パルス波形の立上り時に電圧印加時間の経過と共に増加し、所望の最大値に達してから所定時間最大値を維持するパルス電圧を励磁コイル４に印加すると、励磁電流が一定値を維持している間は、超磁歪材１が伸びており、ロッド１２を対象物７に押しつけることができるので、推力装置では間に合わない瞬間的な推力不足を補うとができる。一定値を維持する時間は、数十ｍｓ内の範囲で適宜選択される。
【００３５】
衝撃波をビット１３の対象物７への貫入仕事に有効に使うためには、反射波の発生をなるべく小さく抑えることが重要である。即ち、反射波の大きさｒを０にするにはｒ＝−Ｆ−ｆ＝０からｆ＝−Ｆ（−は圧縮波）を保てればよい。
【００３６】
Ｆ＝Φ（ｕ）＝ｋｕが成り立つと仮定できる対象物７ならｖ＝ｄｕ／ｄｔ＝−ｆ／ＺからｄＦ＝−ｄｆ＝ｋｄｕ＝（ｋ／Ｚ）ｆｄｔとなり、ｆ＝ｆ0 ｅ(k/z)tなら反射波は発生しない。初期の貫入に必要なｆの初期値ｆ0 、破砕の対象物７の貫入抵抗が必ずしも正確にＦ＝ｋｕとは表せないことを勘案しても、図８、図９に示すように励磁コイル４の励磁電流がパルス波形の立上り時に初期値から最大値まで電圧印加時間の経過と共に、経過時間の２乗に比例して（ｉ＝αｔ2 ）、又は経過時間の対数関数に近似して（ｉ≒αｅkt）増加するパルス電圧を励磁コイルに印加すると、反射波の発生を小さく抑えることができる。
励磁コイル４に検出コイル８を併設し、ロッド１２から超磁歪材１に反射波が戻ってきたとき、磁歪現象により発生する電流又は電圧の変化を検出コイル８で測定して反射波の波形を検出装置９で検出し、ビット１３の対象物７への貫入過程における入射波の大きさを反射波に応じて加減すると、反射波が低減でき、貫入効率の向上、振動、反動の低減が可能となる。
【００３７】
上記のごときパルス電圧を励磁コイル４に供給するためには、電源装置６として、図１０に示すような変圧器３２、ダイオード整流器３３、高周波インバータ３４、フィルタ３５を備え交流入力３１を特殊波形パルスとして出力可能な特殊波形出力電源装置３６を用いて、電気回路のインダクタンスや衝撃波の反射波形の検出装置９による検出結果に応じて所望の波形のパルス電流が得られるよう印加電圧を制御すればよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の衝撃装置は、電気エネルギーを直接歪みエネルギーに変えるのでエネルギー効率が高く、油圧機器、油圧配管、油圧打撃機構等の複雑な機械装置が不要で、衝撃機械を簡易化できる。
【００３９】
また、電気パルスによる高速作動が可能となり、機械的なピストン打撃作動に較べて容易に高出力が得られる。所望の衝撃波形を容易に発生できるので、貫入効率が向上し破砕効率が向上する。
【００４０】
さらに、反射波を超磁歪材の変形で測定し、検出結果を出力波形に反映させることで反射波の低減が図れ、貫入効率を向上させ、振動、反動を低減することができる。しかも、打撃騒音の発生がないので、静粛で耐久性の高い衝撃機械を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態である衝撃装置を用いたブレーカの構成図である。
【図２】本発明の他の実施の形態である反射波の検出装置を備えたブレーカの構成図である。
【図３】本発明のさらに他の実施の形態である衝撃装置を用いたさく岩機の構成図である。
【図４】貫入量と貫入力の関係を示すグラフである。
【図５】入射波の波形を示すグラフである。
【図６】励磁電流の波形の一例を示すグラフである。
【図７】励磁電流の波形の一例を示すグラフである。
【図８】励磁電流の波形の一例を示すグラフである。
【図９】励磁電流の波形の一例を示すグラフである。
【図１０】特殊波形出力電源装置の回路ブロック図である。
【符号の説明】
１      超磁歪材
２      チゼル
３      反力受板
４      励磁コイル
５      ケーシング
６      電源装置
７      対象物
８      検出コイル
９      検出装置
１１    回転装置
１２    ロッド
１３    ビット
１５    フラッシング装置
３６    特殊波形出力電源装置
Ｂ      ブレーカ
Ｄ      さく岩機
【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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