JP2995118B2 - 部材の位置決め装置およびこの装置を用いた掘削機の掘削方向制御装置 - Google Patents

部材の位置決め装置およびこの装置を用いた掘削機の掘削方向制御装置

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JP2995118B2
JP2995118B2 JP4032591A JP3259192A JP2995118B2 JP 2995118 B2 JP2995118 B2 JP 2995118B2 JP 4032591 A JP4032591 A JP 4032591A JP 3259192 A JP3259192 A JP 3259192A JP 2995118 B2 JP2995118 B2 JP 2995118B2
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    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/04—Directional drilling
    • E21B7/06—Deflecting the direction of boreholes
    • E21B7/062—Deflecting the direction of boreholes the tool shaft rotating inside a non-rotating guide travelling with the shaft

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  • Drilling And Boring (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は操作軸、探針などの部材
の位置決め装置に関し、さらに詳しくは、中空型の調和
変速機を利用して部材の位置決めを行うように構成され
た位置決め装置に関するものである。
【０００２】また、本発明は、石油井掘削機などに代表
される掘削機の掘削方向を制御するための制御装置に関
するものであり、中空型の調和変速機を利用して掘削機
ドリルの回転シャフトをその回転軸線とほぼ直交する方
向に変位させることにより、その先端に支持されている
ドリルビットの掘削方向を制御するように構成された掘
削機の掘削方向制御装置に関するものである。
【０００３】
【従来の技術および解決しようとする課題】近年におい
ては、数値制御による工作機械の進歩、ＩＣ製造技術の
進歩などに伴って、高精度の微細加工が必要とされる加
工工程が多くなってきている。高精度で加工を行うため
には、加工機械あるいはワークの位置を、目標とする位
置に正確に設定する必要がある。
【０００４】一方、石油井掘削機の分野においては、固
い岩盤などを迂回して掘削動作を継続させるために、ド
リルの進行方向を変更する必要がある。また、掘削中に
何らかの原因で掘削方向に狂いが起きた場合において
も、掘削方向を目標とする方向に修正するために、ドリ
ルビットの進行方向を制御する必要がある。
【０００５】本発明の課題は、このような点に鑑みて、
中空型の調和変速機を用いて精度良く部材の位置決めを
行うことの可能な位置決め装置を実現することにある。
【０００６】また、本発明の課題は、石油井掘削機など
に代表される掘削機において、中空型の調和変速機を用
いて、簡単な構成で精度良く掘削方向を制御することの
できる掘削機の掘削方向制御装置を実現することにあ
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段、作用】上記の課題を解決
するために、本発明による部材の位置決め装置は、円筒
部材と、この円筒部材の円形内周面上に回転自在に支持
されていると共に、当該円筒部材に対して偏心した円形
内周面を備えた第１の円環状部材と、この第１の円環状
部材の前記円形内周面上に回転自在に支持されていると
共に、当該円形内周面に対して偏心した円形内周面を備
えた第２の円環状部材と、前記第１および第２の円環状
部材をそれらの部材中心の回りに相対的に回転させる中
空型の調和歯車減速機と、この調和歯車減速機と同軸状
態に配列され、当該調和歯車減速機を駆動するための中
空型のモータとを有した構成を採用している。さらに、
円筒部材に対する第１の円環状部材の円形内周面の偏心
量を、この第１の円環状部材に対する第２の円環状部材
の円形内周面の偏心量と等しくなるように設定してあ
る。
【０００８】位置決め対象の部材を、上記の第２の円環
状部材の円形内周面の中心と一体的に移動するように、
この第２の円環状部材に連結する。この状態で、これら
の第１および第２の円環状部材を相対回転させると、第
２の円環状部材の円形内周面の中心位置は、双方の円環
状部材の円形内周面の中心の移動を示すベクトルの和と
して規定される。よって、第１および第２の円環状部材
の回転位置、相対回転量を制御することにより、双方の
円形内周面の偏心距離を合わせた長さの半径を有する円
の範囲内の任意の位置に、位置制御対象の部材の中心を
位置決めすることができる。
【０００９】次に、本発明の掘削機の掘削方向制御装置
は、円筒部材と、この円筒部材の円形内周面上に回転自
在に支持されていると共に、当該円筒部材に対して偏心
した円形内周面を備えた第１の円環状部材と、この第１
の円環状部材の前記円形内周面上に回転自在に支持され
ていると共に、当該円形内周面に対して偏心した円形内
周面を備えた第２の円環状部材と、前記第１および第２
の円環状部材をそれらの部材中心の回りに相対的に回転
させる中空型の調和歯車減速機とを有し、前記円筒部材
に対する前記第１の円環状部材の円形内周面の偏心量
と、この第１の円環状部材に対する前記第２の円環状部
材の円形内周面の偏心量とが等しくなるように設定され
ており、前記第２の円環状部材の円形内周面の中心と一
体的に移動するように位置決め対象の部材を当該第２の
円環状部材に連結して、前記第１および第２の円環状部
材を相対回転させることによって、前記部材の位置決め
を行うようになっており、前記位置決め対象の部材は掘
削機ドリルの回転シャフトであり、当該回転シャフトの
回転力により前記調和歯車減速機が駆動されることを特
徴としている。
【００１０】第２の円環状部材の円形内周面を、掘削機
ドリルの回転シャフトが丁度嵌まる寸法に設定してお
き、回転シャフトを、この中および、上記の第１および
第２の調和減速機の中空部を貫通した状態に配置する。
この状態で第１および第２の円環状部材を相対回転させ
ることにより、上述したように、第２の円環状部材の内
周面の中心を所定の半径の円内の任意の位置に移動させ
ることができる。すなわち、この第２の円環状部材の円
形内周面によって外周部分が支持されている回転シャフ
トの部分が、その回転軸線に直交する全ての方向に向け
て所定の量だけ撓まされる。この結果、回転シャフトの
進行方向が変更される。
【００１１】
【実施例】以下に図面を参照して本発明の実施例を説明
する。
【００１２】第１の実施例
【００１３】図１乃至図５には、本発明を石油井掘削機
の掘削方向制御装置に適用した例を示してある。
【００１４】図１には本例の石油井掘削機の全体構成を
示してある。この図において、１は石油井掘削機であ
り、２はその回転シャフトである。この回転シャフト２
の先端部分にはドリルカラー３が同軸状態に連結されて
おり、このドリルカラー３の先端にドリルビット４が支
持されている。回転シャフト２の上端側は、これを回転
駆動させるための駆動機構（図示せず）に連結されてい
る。さらに、ドリルカラー３の上方側の隣接位置には回
転シャフト２の外周を囲む状態に、掘削方向制御装置５
が配置されている。また、この掘削方向制御装置５の上
方には、その位置における回転シャフト２の進行方向を
一定の方向、通常は垂直方向に保持するためのシャフト
保持機構６が配置されている。
【００１５】図２には本例の掘削方向制御装置５の概略
断面構成を示してある。この掘削方向制御装置５は、回
転シャフトの外周を囲む状態に配置した円筒形ハウジン
グ７と、この内側に上下に所定の間隔を置いて組み込ま
れた中空型の第１および第２の調和歯車減速機８、９
と、同じくハウジング７の内側においてこれらの調和歯
車減速機の間に組み込まれた二重偏心機構部１０から基
本的に構成されている。二重偏心機構部１０は、ハウジ
ング７の内周面に固定支持された円筒部材１１と、この
の内側に回転自在に装着された第１の環状部材１２と、
この環状部材１２の内側に回転自在に装着された第２の
環状部材１３から構成されている。なお、円筒形ハウジ
ング７はその外周面に回転防止用の突起（図示せず）が
形成されており、掘削時にはこれらの突起が掘削穴の内
周壁に突き刺さることで回転しないようになっている。
【００１６】上記の第１の調和歯車減速機８は、環状の
第１および第２の剛性内歯車８１、８２と、これらの内
側に配置された環状の可撓性外歯車８３と、その内側に
配置された楕円形状の波動発生器８４から構成されてい
る。波動発生器８４は、楕円形状をした剛性カム板８４
１と、その外周と外歯車８３の間に挿入されたボールベ
アリング８４２から構成され、楕円形の剛性カム板８４
１の中心には中空部８４１ａが形成されている。この中
空部８４１ａ内を回転シャフト２が遊びの有る状態で貫
通している。上記の第１の剛性内歯車８１は、円筒形ハ
ウジング７の内周面に形成したフランジ７１に支持固定
されている。第２の剛性内歯車８２にはオルダム型調心
機構１５を介して二重偏心機構部１０の最も内側の第２
の環状部材１３が連結されており、これらが一体回転す
るようになっている。また、本例では、波動発生器８４
は、電磁クラッチ機構１６を介して回転シャフト２の側
に連結されており、回転シャフトの回転力を、ここに伝
達可能となっている。
【００１７】下側に配置されている第２の調和歯車減速
機９も第１の調和歯車減速機８と同一構成である。すな
わち、環状の第１および第２の剛性内歯車９１、９２
と、環状の可撓性外歯車９３と、楕円形の波動発生器９
４から構成されている。波動発生器９４の剛性カム板に
は中空部９４１ａが形成されており、ここに回転シャフ
ト２が遊びのある状態で貫通している。第１の剛性内歯
車９１は円筒形ハウジング７の内周面に支持固定されて
いる。第２の剛性内歯車９２には二重偏心機構部１０の
中間に位置する第１の環状部材１２が連結されており、
これらが一体回転するようになっている。さらに、波動
発生器９４は、電磁クラッチ機構２６を介して回転シャ
フト２の側に連結されており、回転シャフトの回転力
を、ここに伝達可能となっている。
【００１８】次に、図３も参照して二重偏心機構部１０
の構造を説明する。この二重偏心機構部１０の最も外側
の円筒部材１１は、前述したシャフト保持機構部６によ
って規定されるシャフト中心、すなわちシャフト回転軸
Ａ上に中心のある円形内周面１１ａが形成されている。
この円形内周面１１ａによって、ローラベアリング１７
を介して、第１の環状部材１２の円形外周面１２ａが回
転自在に支持されている。この第２の環状部材１２に
は、シャフト回転軸Ａに対して距離ｅだけ偏心した位置
Ｂを中心とする円形内周面１２ｂが形成されている。こ
の円形内周面１２ｂによって、ローラベアリング１８を
介して、第２の環状部材１３の円形外周面１３ａが回転
自在に支持されている。この第３の環状部材１３には、
円形内周面１２ｂの中心Ｂに対して同一距離ｅだけ偏心
した位置Ｃを中心とする円形内周面１３ｂが形成されて
いる。この円形内周面１３ｂによって、回転シャフト２
の外周面がローラベアリング１９を介して回転自在の状
態で支持されている。
【００１９】このように構成した二重偏心機構部１０に
おいては、第１および第２の環状部材１２、１３の回転
角度位置および相対回転量を制御することにより、回転
シャフィト２を支持している最も内側の円形内周面１３
ｂの中心Ｃを任意の方向に所定の距離だけ移動させるこ
とができる。
【００２０】図４を参照して説明すると、第１の環状部
材１２の円形内周面１２ｂの中心Ｂは、シャフト回転中
心Ａに対して距離ｅだけ偏心しているので、この中心Ａ
を中心とする半径ｅの円が移動軌跡である。第２の環状
部材１３の円形内周面１３ｂの中心Ｃは、この移動軌跡
を描く中心Ｂに対して距離ｅだけ偏心しているので、こ
の中心Ｂを中心とする半径ｅの円が移動軌跡である。し
たがって、中心Ｃは、第１および第２の環状部材１２、
１３の回転角度、相対回転量を制御することによって、
中心Ａを中心とした半径２ｅの円内の任意の位置に移動
させることができる。よって、この二重偏心機構部１０
内に支持されている回転シャフト２の部分を、回転軸に
直交する平面上における任意の方向に最大２ｅの距離だ
け撓めることができる。
【００２１】ここに、本例では、回転シャフト２の上方
側の位置は、シャフト保持機構部６によってその中心が
回転中心Ａに保持されている。したがって、シャフト２
の先端側は、図２に示すように、シャフト保持機構部６
の中心Ａと、二重偏心機構部１０における中心Ｃとを結
ぶ線分Ｌに沿った方向に進行方向（掘削方向）が変更さ
れることになる。
【００２２】なお、本例においては、第１および第２の
環状部材１２、１３に形成されている円形内周面の中心
Ｂ、Ｃの偏心量が共にｅであるので、掘削方向を制御す
る必要の無い場合には、掘削方向制御装置５を貫通して
いる回転シャフトの部分の中心Ｃが、このシャフトの回
転軸線Ａ上に位置決めされる。
【００２３】図５には、上記のようにして掘削方向を変
更する掘削方向制御装置５の制御系の概要を示してあ
る。図において、２００は石油井掘削機１の全体の駆動
制御を司るホストコンピュータであり、２０１は掘削方
向制御装置のコントローラである。ホストコンピュータ
２００からは、掘削方向を規定する方位および角度を表
す指令信号２００Ｓがコントローラ２０１に供給され
る。コントローラ２０１は、受け取った指令信号２００
Ｓに基づき、第１および第２の環状部材１２、１３の目
標回転位置を演算する目標回転位置演算部２０２を有し
ている。また、各環状部材１２、１３に取付けた検出器
２１１、２１２の検出信号２１１Ｓ、２１２Ｓに基づ
き、各環状部材１２、１３の実際の回転位置を演算する
実回転位置演算部２０３を有している。さらに、各環状
部材１２、１３の実際の回転位置が目標回転位置となる
ように各調和歯車減速機８、９を駆動制御するための駆
動制御信号２０４を発生する駆動信号発生部２０４を有
している。この駆動信号発生部２０４から発生される駆
動信号２０４Ｓはそれぞれ調和歯車減速機の駆動制御ユ
ニット２１３、２１４に送られる。この駆動信号２０４
Ｓを受け取ると、各駆動制御ユニット２１３、２１４
は、電磁クラッチ１６、２６を制御することにより、各
減速機８、９を駆動して、その減速回転出力要素である
剛性内歯車８２、９２を目標とする回転位置まで回転し
て、そこに保持する。このような駆動制御は、予めホス
トコンピュータ内に格納された制御プログラムを実行す
ることにより達成される。
【００２４】以上説明したように、本例の掘削方向制御
装置においては、一対の中空型の調和歯車減速機を用い
て第１および第２の環状部材１２、１３の回転角度位置
および相対回転量を変更することによって、第２の環状
部材の円形内周面内を貫通している回転シャフトの部分
を、回転軸に直交する平面上における任意の方向に所定
の量だけ撓ませることができる。したがって、掘削方向
を任意の方向に変更することができる。また、精度およ
び応答性の高い調和歯車減速機を利用しているので、制
御性に優れた掘削方向の制御を実現することができる。
さらには、調和歯車減速機として中空型のものを利用し
ているので、回転シャフトの外周に掘削方向制御装置を
コンパクトに組み付けることができ、設置スペースが少
なくて済むという利点もある。
【００２５】第２の実施例
【００２６】図６、図７には、本発明を適用した円柱軸
の位置決め装置を示してある。本例の位置決め装置３０
は、中空型のアクチュエータ３１を有しており、このア
クチュエータ３１の出力側に、第１の実施例における場
合と同様な構造の二重偏心機構部３２が連結されてい
る。位置決め対象の円柱軸３３は、アクチュエータ３１
および二重偏心機構部３２を貫通して延びている。アク
チュエータ３１は、中空型のコップ状調和歯車減速機３
４と、これと同軸状態に配列された中空型のＡＣサーボ
モータ３５から構成されている。このＡＣサーボモータ
３５の中空出力軸３５ａが調和歯車減速機３４の波動発
生器３４ａに連結されており、調和歯車減速機３４の減
速回転出力要素であるコップ状の可撓性外歯車３４ｂの
コップ底面側のフランジ３４ｃには、第１および第２の
電磁クラッチ３６、３７を介して、二重偏心機構部３２
の第１の環状部材３２２、第２の環状部材３２３がそれ
ぞれ接続されている。
【００２７】本例においては、二重偏心機構部３２にお
ける最も外側の円筒部材が装置ハウジング３８に一体形
成されており、その円形内周面３２１ａには、ローラベ
アリング３２４を介して第１の環状部材３２２が回転自
在に支持されている。この第１の環状部材３２２の円形
内周面３２２ｂの中心Ｂは、上記の円形内周面３２１ａ
の中心Ａに対して距離ｅだけ偏心した位置にある。この
第１の円形内周面３２２ｂには、ローラベアリング３２
５を介して第２の環状部材３２３が回転自在に支持され
ている。この第２の環状部材の円形内周面３２３ｂの中
心Ｃは、上記の円形内周面３２２ｂの中心Ｂに対して同
じく距離ｅだけ偏心している。
【００２８】本例においても、第１および第２の電磁ク
ラッチ３６、３７の接続、切り離しを制御して、第１お
よび第２の環状部材３２２、３２３の回転角度位置およ
び相対回転量を調整することによって、第２の環状部材
の円形内周面３２３ｂによって支持されている円柱軸３
３、すなわちその中心３３ａを、中心Ａを中心とする半
径２ｅの範囲内の任意の方向に位置決めすることができ
る。
【００２９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の位置決め
装置は、円筒部材の円形内周面によって第１の環状部材
を回転自在に支持し、この第１の環状部材の円形内周面
によって第２の環状部材を回転自在に支持すると共に、
第１の環状部材の円形内周面を円筒部材の中心に対して
偏心した位置に形成し、第２の環状部材の円形内周面も
第１の環状部材の円形内周面の中心に対して偏心した位
置に形成し、これら第１および第２の環状部材を中空型
の調和歯車減速機および中空型のモータを用いて相対的
に回転させる構成を採用している。したがって、第２の
環状部材の円形内周面によって位置決め対象の部材を支
持し、第１および第２の環状部材を相対的に回転するこ
とにより、この部材を所定の半径の範囲内で任意の方向
に位置決めできる。また、精度および応答性の高い調和
歯車減速機を利用しているので、位置決めを制御性よく
高分解能で行うことができる。さらには、中空型の調和
歯車減速機および中空型のモータからなる中空型のアク
チュエータを採用して、中空部分に位置決め対象の部材
を配置できるようにしてあるので、設置スペースが少な
くて済み、コンパクトに構成できるという利点もある。
【００３０】また、本発明の掘削方向制御装置は、この
構成の位置決め装置と同様な構成を採用すると共に、中
空型のモータの代わりに、動力源として、位置決め対象
部材である掘削機の回転シャフトの回転力を利用して、
掘削機の回転シャフトをその回転軸に直交する方向に撓
めるようにしている。したがって、回転シャフトを回転
軸に直交する任意の方向に正確に撓めることができる。
また、掘削機の回転シャフトの回転力を駆動源として利
用しているのでコンパクトに構成できるという利点もあ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した石油井掘削機の全体構成を示
す概略構成図である。
【図２】図１の組み込まれた掘削方向制御装置の構成を
示す模式図である。
【図３】図２の掘削方向制御装置における二重偏心機構
部の構成図である。
【図４】図２の掘削方向制御装置の動作を示す説明図で
ある。
【図５】図２の掘削方向制御装置の制御系を示す概略ブ
ロック図である。
【図６】本発明を適用した部材の位置決め装置の概略構
成図である。
【図７】図６の位置決め装置の二重偏心機構部の構成図
である。
【符号の説明】
１・・・石油井掘削機 ２・・・回転シャフト ５・・・掘削方向制御装置 ８・・・第１の調和歯車減速機 ９・・・第２の調和歯車減速機 １０・・・二重偏心機構部 １１・・・円筒部材 １２・・・第１の環状部材 １２ｂ・・・円形内周面 １３・・・第２の環状部材 １３ｂ・・・円形内周面 ３０・・・位置決め装置 ３１・・・中空アクチュエータ ３２・・・二重偏心機構部 ３３・・・円柱軸 ３４・・・調和歯車減速機 ３６、３７・・・電磁クラッチ ３２２・・・第１の環状部材 ３２２ａ・・・円形内周面 ３２３・・・第２の環状部材 ３２３ｂ・・・円形内周面 Ａ・・・円筒部材の中心 Ｂ・・・第１の環状部材の円形内周面の中心 Ｃ・・・第２の環状部材の円形内周面の中心 ｅ・・・偏心距離
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−43694（ＪＰ，Ａ) 特許2697982（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) E21B 1/10 - 49/10

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 円筒部材と、 この円筒部材の円形内周面上に回転自在に支持されてい
    ると共に、当該円筒部材に対して偏心した円形内周面を
    備えた第１の円環状部材と、 この第１の円環状部材の前記円形内周面上に回転自在に
    支持されていると共に、当該円形内周面に対して偏心し
    た円形内周面を備えた第２の円環状部材と、 前記第１および第２の円環状部材をそれらの部材中心の
    回りに相対的に回転させる中空型の調和歯車減速機と、 この調和歯車減速機と同軸状態に配列され、当該調和歯
    車減速機を駆動するための中空型のモータとを有してお
    り、 前記円筒部材に対する前記第１の円環状部材の円形内周
    面の偏心量と、この第１の円環状部材に対する前記第２
    の円環状部材の円形内周面の偏心量とが等しくなるよう
    に設定されており、 前記第２の円環状部材の円形内周面の中心と一体的に移
    動するように位置決め対象の部材を当該第２の円環状部
    材に連結して、前記第１および第２の円環状部材を相対
    回転させることによって、前記部材の位置決めを行うこ
    とを特徴とする部材の位置決め装置。
  2. 【請求項２】 円筒部材と、 この円筒部材の円形内周面上に回転自在に支持されてい
    ると共に、当該円筒部材に対して偏心した円形内周面を
    備えた第１の円環状部材と、 この第１の円環状部材の前記円形内周面上に回転自在に
    支持されていると共に、当該円形内周面に対して偏心し
    た円形内周面を備えた第２の円環状部材と、 前記第１および第２の円環状部材をそれらの部材中心の
    回りに相対的に回転させる中空型の調和歯車減速機とを
    有し、 前記円筒部材に対する前記第１の円環状部材の円形内周
    面の偏心量と、この第１の円環状部材に対する前記第２
    の円環状部材の円形内周面の偏心量とが等しくなるよう
    に設定されており、 前記第２の円環状部材の円形内周面の中心と一体的に移
    動するように位置決め対象の部材を当該第２の円環状部
    材に連結して、前記第１および第２の円環状部 材を相対
    回転させることによって、前記部材の位置決めを行うよ
    うになっており、 前記位置決め対象の部材は掘削機ドリルの回転シャフト
    であり、当該回転シャフトの回転力により前記調和歯車
    減速機が駆動されることを特徴とする掘削機の掘削方向
    制御装置。
  3. 【請求項３】 請求項２において、前記調和減速機は、
    同軸状態に配列された中空型の第１および第２の調和減
    速機であり、前記第１の調和減速機には前記第１の円環
    状部材が連結され、前記第２の調和減速機には前記第２
    の円環状部材が連結されており、この第２の円環状部材
    の前記円形内周面によって、前記掘削機ドリルの回転シ
    ャフトの外周面を支持して、前記第１および第２の円環
    状部材を相対回転させることによって当該第２の円環状
    部材の円形内周面を偏心運動させ、ここに支持されてい
    る前記回転シャフトの部分を所定の方向に撓めることを
    特徴とする掘削機の掘削方向制御装置。
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