JP2017145644A - 伸縮ユニット及び自動掘削推進装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自動掘削推進機構の掘進途中で掘進方向を可変とする伸縮ユニット及び自動掘削推進装置を提供する。【解決手段】軸方向に貫通する中空部を有し、縮径時に軸方向長が伸長し、拡径時に軸方向長が収縮する伸縮ユニットであって、軸方向両端に設けられ、伸縮動作に伴って軸方向に近接離間する一対の軸方向可動部材と、前記軸方向可動部材の近接離間に連動し、同心円を描くように放射状に移動する複数の径方向可動部材と、前記複数の径方向可動部材を前記一対の軸方向可動部材の軸線に対して半径方向に位置ずれさせる変位機構とを備えるようにした。【選択図】図３

Description

本発明は、伸縮ユニット及び自動掘削推進装置に関し、特に、地盤の掘削途中で掘削方向を可変とする伸縮ユニット及び自動掘削推進装置に関する。

従来、月面や海底等の特殊な環境において無人で地盤を掘削する自動掘削推進装置が開示（特許文献１）されている。当該自動掘削推進装置は、推進機構及び掘削機構の動作を制御する制御装置とで構成される。推進機構は、外径が縮径・拡径する３個以上の伸縮ユニットを軸方向に一列に配置し、伸縮ユニットの縮径・拡径する順番を個別に制御することで、縮径する伸縮ユニットの軸方向長を伸長させるとともに、拡径する伸縮ユニットの軸方向長を収縮させることにより蠕動運動による推進力を得るように構成される。
推進機構は、軸方向に貫通する中空部を有して構成され、当該中空部にケーシングパイプを設けるとともに、ケーシングパイプ内に掘削機構のアースオーガーが収容される。アースオーガーは、地盤を掘削する掘削スクリュと、掘削スクリュにより掘削された土砂を後方に向けて搬送する搬送スクリュとで構成され、掘削スクリュにより掘削した土砂が掘削スクリュから搬送スクリュへ移動，搬送されるように構成される。
しかしながら、上記構成の自動掘削推進装置は、一度掘削を開始すると途中で掘削方向を変えられないという問題がある。このため、例えば、地中における目的位置に対して掘削開始時の掘削方向の設定を誤ると、一から掘削しなおさなければならないという問題があった。

特開２０１１−１６９０５６号公報

本発明は、上記問題を鑑みてなされた発明であり、掘削途中で掘削方向を可変とする伸縮ユニット及び自動掘削推進装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための伸縮ユニットの構成として、軸方向に貫通する中空部を有し、縮径時に軸方向長が伸長し、拡径時に軸方向長が収縮する伸縮ユニットであって、軸方向両端に設けられ、伸縮動作に伴って軸方向に近接離間する一対の軸方向可動部材と、軸方向可動部材の近接離間に連動し、同心円を描くように放射状に移動する複数の径方向可動部材と、複数の径方向可動部材を一対の軸方向可動部材の軸線に対して半径方向に位置ずれさせる変位機構と、を備える構成とした。
本構成によれば、複数の径方向可動部材の位置を軸方向可動部材の軸線に対して半径方向に位置ずれさせることができる。
また、上記課題を解決するための自動掘削推進装置の構成として、請求項１記載の伸縮ユニットを複数有する推進機構と、伸縮ユニットの中空部内に収容され、推進機構と相対回転して地盤を掘削するスクリュを有する掘削機構と、伸縮ユニット及び前記スクリュの動作を制御する制御手段と、を備え、複数の伸縮ユニットの各径方向可動部材と、掘削穴壁面との当接により生じる蠕動運動により推進する構成とした。
本構成によれば、自動掘削推進装置の掘削途中で掘削方向を変えることができる。
また、自動掘削推進装置の他の構成として、制御手段は、各伸縮ユニットを拡径させた状態を維持し、スクリュの軸線に対する複数の径方向可動部材の位置ずれ量が先端から後端に向かって漸次大きくなるように各伸縮ユニットの変位機構を制御し、スクリュの軸線を傾斜させる構成とした。
本構成によれば、正確に掘削方向を変えることができる。

自動掘削推進装置の一実施形態の構成を示す断面図である。 推進機構の外観斜視図である。 伸縮ユニットの外観斜視図及び分解斜視図である。 伸縮ユニットの伸縮を示す図である。 連結部に対する伸縮部の移動を示す図である。 自動掘削推進装置の掘進動作を示す図である。 自動掘削推進装置の掘削方向を変化させるときの動作を示す図である。 傾斜した掘進軸に沿って掘削するときの自動掘削推進装置の掘進動作を示す図である。

図１は、自動掘削推進装置１の一実施形態の構成を示す断面図である。以下、同図を用いて自動掘削推進装置１について説明する。自動掘削推進装置１は、概略、掘削機構２と、推進機構５、制御装置１０とを備える。
掘削機構２は、いわゆるアースオーガーからなり、スクリュ２１と、スクリュ２１を回転駆動させる掘削モータ２２と、ケーシングパイプ５０とを備え、掘削モータ２２の回転駆動により、スクリュ２１を回転させ、地盤の掘削及び掘削した土砂の運搬から排出までを単一の機構で実行する。なお、図１に示すように、以下の説明では、スクリュ２１の回転中心軸（以下、掘削軸という）ｋ０の延長方向を軸方向とし、軸方向矢印で示す方向を先端側、その逆側を後端側とする。また、掘削軸ｋ０の延長方向に対して直交する方向を半径方向とし、半径方向矢印で示す方向を外側、掘削軸ｋ０側を内側とする。

スクリュ２１は、地面を掘削する掘削部２３と、掘削部２３によって掘削された土砂を後方に搬送する搬送部２４とを備える。
掘削部２３は、スクリュ２１の先端側に設けられ、スクリュ軸２５の外周に沿ってスパイラル翼２６が形成される。スパイラル翼２６は、外周縁がスクリュ軸２５の先端側から螺旋を描きながら渦巻き状に縮径する。例えば、スパイラル翼２６は、先端における外周縁の半径をＲ１、先端から１８０度回転した位置における外周縁の半径をＲ２、先端から３６０度回転した位置における外周縁の半径をＲ３、先端から５４０度回転した後端における外周縁の半径をＲ４とした場合に、半径がＲ１＞Ｒ２＞Ｒ３＞Ｒ４の関係となるように、先端から後端に向かって滑らかに縮径（漸減）するテーパー状に形成される。さらに、スパイラル翼２６は、先端側が密、後端側が疎となるように、先端側のピッチに比べて後端側のピッチが広くなるように形成される。

搬送部２４は、掘削部２３と連続して設けられ、スクリュ軸２７の外周に沿って延長するスパイラル翼２８を備える。スクリュ軸２５とスクリュ軸２７とは、図外の結合手段を介して連結される。スパイラル翼２８は、半径が掘削部２３のスパイラル翼２６の後端の半径Ｒ４と同じ寸法で形成される。スクリュ軸２７は、スパイラル翼２８の軸方向長さに比べて長く形成され、後端がスパイラル翼２８の後端から所定長さ突出する。

掘削モータ２２は、スクリュ軸２７の後端側に設けられ、回転軸２２Ａがスクリュ軸２７の後端と図外の連結手段を介して連結され、非回転部が後述のケーシングパイプ５０から延長するモータ支持部材５３により固定支持される。掘削モータ２２は、制御装置１０と接続され、制御装置１０から出力される信号に基づいて回転駆動する。

ケーシングパイプ５０は、円筒体からなり、スクリュ２１の外周を取り囲むように設けられる。ケーシングパイプ５０は、掘削部２３の周囲を囲むスカート部５１と、搬送部２４の周囲を囲む円筒部５２と、掘削モータ２２を支持するモータ支持部材５３とを備える。

スカート部５１は、外周側に円周面の外壁、内周側に円錐状の内壁５４を備える。外壁及び内壁５４は、軸線が同軸となるように形成される。スカート部５１は、軸方向視したときに、掘削部２３の先端側の一部が外周から外側に露出するように外径寸法が設定される。即ち、図１に示すように、スカート部５１の外周５１ａの半径をＲ５とした場合に、半径Ｒ５は、掘削部２３の先端側の半径Ｒ１よりも小径に設定される。また、内壁５４は、掘削部２３のスパイラル翼２６の外周縁との間に僅かなギャップを隔てて対向し、かつ外周縁の輪郭線と平行な円錐状に形成される。
円筒部５２は、スカート部５１の後端から軸線方向に延長する円筒体からなる。円筒部５２は、内周面と搬送部２４のスパイラル翼２８の外周縁との間に僅かなギャップを隔てて対向するように内径が設定される。

モータ支持部材５３は、一端側が円筒部５２の後端側に設けられ、図外の固定手段により固定される。モータ支持部材５３の他端側には、掘削モータ２２の非回転部が図外の固定手段により固定される。これにより、掘削機構２は、掘削モータ２２を介してケーシングパイプ５０に固定され、掘削モータ２２の駆動反力がケーシングパイプ５０により支持される。

図２は、推進機構５の外観斜視図、図３は、推進機構５を構成する伸縮ユニット６０の外観斜視図及び分解斜視図である。
図２に示すように、推進機構５は、軸方向に貫通する中空部５ｓを備え、当該中空部５ｓに前述のケーシングパイプ５０が挿通される。推進機構５は、軸方向に沿って配列され、個別にその外径を縮径・拡径可能な複数の伸縮ユニット６０（６０Ａ〜６０Ｃ）を備える。そして、各伸縮ユニット６０Ａ乃至６０Ｃが蠕動運動を模すように伸縮動作することで軸方向に蠕動運動が生じ推進力が発生する。
推進機構５は、例えば、先端側に位置する伸縮ユニット６０がケーシングパイプ５０のスカート部５１の上面に図外の固定手段により固定され、掘削機構２に推進力を付与する（図１参照）。

図３（ａ），（ｂ）に示すように、伸縮ユニット６０は全体形状が環状をなし、縮径時には軸方向長が伸長すると共に、拡径時には軸方向長が収縮する構成を備える。伸縮ユニット６０は、一対の軸方向可動部材６１と、一対の軸方向可動部材６１を連結する複数のリンクユニット５９と、一対の軸方向可動部材６１を互いに近接離間させる軸方向変位機構７５と、複数のリンクユニット５９を一対の軸方向可動部材６１に対して位置ずれさせる径方向変位機構８４とを備える。

一対の軸方向可動部材６１は、全体として平板環状に形成され、それぞれ円形の中空部６１ｓを備え、中空部６１ｓの中心が同軸となるように軸方向両端に設けられる。なお、以下の説明において中空部６１ｓの中心を結ぶ軸線をｋ１（図５等参照）という。中空部６１ｓの内径は、ケーシングパイプ５０の外周を軸方向に沿って摺動可能な寸法に形成される。軸方向可動部材６１の外径は、伸縮ユニット６０を最も伸長させたときの外径と同じ、若しくはそれよりも小さく設定される。また、各軸方向可動部材６１には、軸方向変位機構７５や径方向変位機構８４を取り付けるためのボールナット固定部６１Ａ、モータ収容部６１Ｂ、シャフト支持部６１Ｃ、機構収容部６１Ｄ等を備える。なお、ボールナット固定部６１Ａ、モータ収容部６１Ｂ、シャフト支持部６１Ｃ、機構収容部６１Ｄについては後述する。

リンクユニット５９は、一対の軸方向可動部材６１の間に複数（本実施形態では２つ）設けられる。各リンクユニット５９は、一対のリンクプレート６３と、複数のアーム６６と、複数の径方向可動部材とで構成される複数のリンク機構６２を備える。
リンク機構６２は、リンクプレート６３の対向面６３ａに複数箇所（本実施形態では２箇所）突設された支持部材６４と、各支持部材６４にそれぞれ設けられた２個の軸部６５と、各軸部６５によりそれぞれ一端が回転自在に支持された一対の平行なアーム６６と、各アーム６６の他端を回転自在に支持する４個の軸部６８が設けられた径方向可動部材６７とで構成される四節平行リンク機構からなる。本実施形態では、各リンクユニット５９は、それぞれ２つの径方向可動部材６７を備える。例えば、各リンク機構６２は、各リンクユニット５９を一対の軸方向可動部材６１の間に取り付けた状態において、径方向可動部材６７が同心円を描きつつ同期して軸方向に対して放射状に移動するように構成される。なお、以下の説明において、径方向可動部材６７が放射状に移動する際の中心軸を移動中心軸ｋ２（図４参照）という。

各リンクユニット５９の一対のリンクプレート６３の軸方向外側には、レール８１が設けられる。各レール８１は、軸方向変位機構７５を構成する部材であって、例えば、一方のレール部材８１Ａに対して他方のレール部材８１Ｂが延長方向に沿って相対的に移動可能な所謂スライドレールからなり、移動方向が平行になるように、レール部材８１Ａ，８１Ｂのいずれかがリンクプレート６３に固定される。そして、各リンクユニット５９に設けられたレール８１が互いに平行になるように、レール８１を介して軸方向可動部材６１の対向面６１ａに固着される。これにより、一対の軸方向可動部材６１が連結されるとともに、軸方向可動部材６１と径方向可動部材６７は、リンク機構６２の作用により動作が連動する。
レール８１の作用により、軸方向可動部材６１に対して径方向可動部材６７を移動させたときに、軸方向に挿通されるケーシングパイプ５０が干渉しないように、リンクプレート６３には円弧状の逃げ部６３ｚが形成される。

軸方向変位機構７５は、主として一方の軸方向可動部材６１に、１つ以上、本実施形態では２つ設けられる。軸方向変位機構７５は、例えば、モータ７６、ボールねじ７７及びボールナット７８で構成される。モータ７６及びボールねじ７７は、軸方向可動部材６１の機構収容部６１Ｄに設けられる。機構収容部６１Ｄは、軸方向可動部材６１に２か所設けられ、それぞれ図外のモータ７６の固定手段及びボールねじ７７を回転自在に支持するボールねじ支持部を備える。

モータ７６は、制御装置１０と電気的に接続され、制御装置１０から出力される信号に基づいて回転が制御される。モータ７６には、例えばＤＣモータが適用される。ボールねじ７７は、一端側がボールねじ支持部により支持され、軸ｋ１に沿って他方の軸方向可動部材６１に向けて延長する。該一端側においてボールねじ７７には、モータ７６の駆動力が、例えばベルトを介して伝達される。なお、ボールねじ７７の駆動は、上記ベルト駆動に限定されず、歯車機構やプーリー機構等により伝達するように構成しても良い。

ボールナット７８は、他方の軸方向可動部材６１に形成されたボールナット固定部６１Ａに固着される。ボールナット固定部６１Ａは、一方の軸方向可動部材６１から延長するボールねじ７７に対向するように、対向面６１ａから一方の軸方向可動部材６１に向けて所定長さ延長する。ボールナット固定部６１Ａは、本実施形態では、一方の軸方向可動部材６１の外周側に２箇所に設けられ、他方の軸方向可動部材６１に向けてそれぞれ所定長さで延長する柱状に形成される。
そして、各ボールナット７８にボールねじ７７を螺入することで軸方向可動部材６１同士の距離、即ち、伸縮ユニット６０の軸方向長さが制御可能となる。

径方向変位機構８４は、主として他方の軸方向可動部材６１に設けられる。径方向変位機構８４は、例えば、ラックギア８５、ラックギア８５に噛み合うギアシャフト８６及びギアシャフト８６を回転させるモータ８７とで構成される。ラックギア８５は、例えば、レール８１の延長方向と平行かつ、ラック歯を他方の軸方向可動部材６１に向けてリンクプレート６３に取り付けられる。ギアシャフト８６は、回転軸がラックギア８５の延長方向と直交するように、他方の軸方向可動部材６１に形成されたシャフト支持部６１Ｃにより回転自在に支持される。ギアシャフト８６は、中央にモータ８７の駆動力が伝達される歯車８６Ａと、両端にラックギア８５と噛み合う歯車８６Ｂ：８６Ｂとを備える。歯車８６Ａと歯車８６Ｂ：８６Ｂは、それぞれ回転の中心軸が同軸上となるように形成される。

モータ８７は、駆動軸がギアシャフト８６の延長方向と直交するように他方の軸方向可動部材６１に形成されたモータ収容部６１Ｂに収容される。モータ８７の駆動軸には、歯車８６Ａと噛み合う歯車が装着される。例えば、モータ８７の駆動軸に装着される歯車８８にはウォームギア、ギアシャフト８６の歯車８６Ａにはウォームホイールを適用する。これにより、ラックギア８５の固着されたリンクプレート６３は、モータ８７の駆動力では移動するが、それ以外の力では移動しないように構成される。モータ８７は、制御装置１０と電気的に接続され、制御装置１０から出力される信号に基づいて回転が制御される。モータ８７には、例えばＤＣモータが適用される。

制御装置１０は、掘削モータ２２の回転を制御するとともに、スクリュ２１の掘削に推進力を付与する推進機構５の複数の伸縮ユニット６０の動作を制御する。例えば、推進機構５により推進力を発生させる場合にはミミズの移動方式と同様な蠕動運動を再現するように、各伸縮ユニット６０の軸方向変位機構７５の動作を個別に制御する。また、掘削機構２の掘削方向を変更する場合には、掘削方向の変更角度に基づいて各伸縮ユニット６０の径方向変位機構８４の動作を個別に制御する。

図４は、軸方向変位機構７５を動作させたときの伸縮ユニット６０の状態を示す図である。以下、伸縮ユニット６０の動作について説明する。なお、同図に示すｋ１は、一対の軸方向可動部材６１の軸線、ｋ２は、複数の径方向可動部材６７の移動中心の軸線を示す。伸縮ユニット６０は、軸方向変位機構７５のモータ７６を左又は右に回転させて、ボールねじ７７をボールナット７８に対して進退させることにより、一対の軸方向可動部材６１：６１が近接離間する。

具体的には、図４（ａ）に示すように、伸縮ユニット６０の軸方向長さを最も縮短させる場合には、ボールねじ７７がボールナット７８に対して所定長さ進入するようにモータ７６を回転させる。これにより、一対の軸方向可動部材６１：６１が近接し、レール８１を介して軸方向可動部材６１に固定される各リンクユニット５９のリンクプレート６３が従属的に近接することで、伸縮ユニット６０の軸方向長さが最短長さＬ１となる。また、図４（ｃ）に示すように、この縮短動作に伴ない、アーム６６：６６を介して軸方向可動部材６１：６１と連結された径方向可動部材６７：６７が、半径方向外側に移動して最大径Ｗ１となる。

また、図４（ｂ）に示すように、伸縮ユニット６０の軸方向長さを最も伸長させる場合には、ボールねじ７７がボールナット７８に対して所定長さ退出するようにモータ７６を回転させる。
これにより、一対の軸方向可動部材６１：６１が離間し、レール８１を介して軸方向可動部材６１に固定される各リンクユニット５９のリンクプレート６３が従属的に離間することで、伸縮ユニット６０の軸方向長さが最長長さＬ２となる。また、図４（ｃ）に示すように、この伸長動作に伴ない、アーム６６：６６を介して軸方向可動部材６１：６１と連結された径方向可動部材６７：６７が半径方向内側に移動して最小径Ｗ２となる。
そして、伸縮ユニット６０を最短長さＬ１から最長長さＬ２に伸長させたときの、軸方向長さの差Ｘが掘削機構２による掘削の推進力となる。

図５は、径方向変位機構８４を動作させたときの伸縮ユニット６０の状態を示す図である。
伸縮ユニット６０は、径方向変位機構８４を構成するモータ８７を左又は右に回転させることにより、ギアシャフト８６を回転させてがラックギア８５を径方向に内外に移動させることにより、一対の軸方向可動部材６１：６１の軸線ｋ１に対して複数の径方向可動部材６７の移動中心軸ｋ２に対し、図中矢印Ｊに示すように位置ずれする。つまり、一対の軸方向可動部材６１に対する複数の径方向可動部材６７の位置をラックギア８５の長さの範囲で半径方向に位置ずれさせることができる。

上記構成の伸縮ユニット６０を連結する場合には、例えば、一方の伸縮ユニット６０の軸方向可動部材６１と他方の推進ユニットの軸方向可動部材６１との対向面に、互いに嵌り合う凸部、凹部等の嵌合部を形成しておき、嵌合部同士を嵌め合わせた上で、図外のボルト等の固定手段により着脱可能に固定することにより伸縮ユニット６０：６０同士が連結される。

推進機構５は、各伸縮ユニット６０に跨って外面が円筒状の防塵シート６により被われ、両端の開口が先頭側の伸縮ユニット６０の連結部材８３，後端側の伸縮ユニット６０の連結部材８３において閉止される。防塵シート６には、例えば可撓性を有し、伸縮性のないビニルシートを基材とするシートの表面にアルミ蒸着を施されたものが適用される。これにより、外部からの推進機構５内への土砂やほこりの進入が防止される。
また、推進機構５の先端側に位置する伸縮ユニット６０の先端側の軸方向可動部材６１と、後端側に位置する伸縮ユニット６０の後端側の軸方向可動部材６１の内周には、ケーシングパイプ５０の外周との隙間を封止する図示しないＯリング等のパッキンが設けられる。さらに、隣接する伸縮ユニット６０同士を連結する軸方向可動部材６１：６１の間にも、図示しないＯリング等のパッキングが設けられる。このように、推進機構５を構成する各部にパッキンを設けることで、内周側への土砂の進入が防止される。

図６（ａ）乃至（ｄ）は、自動掘削推進装置１の掘進動作を示す図である。同図に示すように、掘削モータ２２を駆動してスクリュ２１を掘進方向に回転させることにより、先端部の掘削部２３によって地盤を掘削する。この際、制御装置１０は、スクリュ２１の回転による掘削過程において、推進機構５を構成する３つの伸縮ユニット６０を所定の順序で縮径又は拡径させる。なお、以下の説明では、先端側の伸縮ユニットを６０Ａ、中間に位置する伸縮ユニットを６０Ｂ、後端側の伸縮ユニットを６０Ｃとして説明する。
また、各伸縮ユニット６０Ａ乃至６０Ｃにおいて、径方向可動部材６７の移動中心軸ｋ２は、軸方向可動部材６１の軸線ｋ１上、即ち、掘削軸ｋ０上にあるものとする。

図６（ａ）に示すように、最初に全ての伸縮ユニット６０Ａ乃至６０Ｃを拡径させることにより、推進機構５が掘削穴の内壁１２に固定される。これにより、推進機構５がスクリュ２１と共回りすることを阻止し、スクリュ２１を安定して効率良く回転させることができる。
次に、図６（ｂ）に示すように、中間の伸縮ユニット６０Ｂ及び後端側の伸縮ユニット６０Ｃを拡径させたまま、先端側の伸縮ユニット６０Ａを縮径させて、伸縮ユニット６０Ａを軸方向に伸長させることにより、掘削機構２を推進させる。これにより、スクリュ２１とスカート部５１とが伸縮ユニット６０Ａの軸方向伸長分Ｘだけ前進する。
次に、図６（ｃ）に示すように、後端側の伸縮ユニット６０Ｃの拡径を維持したまま、中間の伸縮ユニット６０Ｂの縮径と、先端側の伸縮ユニット６０Ａの拡径とを同時に実施する。
次に、図６（ｄ）に示すように、先端側の伸縮ユニット６０Ａの拡径を維持したまま、中間の伸縮ユニット６０Ｂの拡径と、後端側の伸縮ユニット６０Ｃの縮径を同時に実施する。
そして、推進機構５に、図６（ａ）乃至（ｄ）に示した推進動作を順次繰り返させることで、掘削機構２の掘削に推進力を付与することができる。また、図６（ａ）乃至（ｄ）に示したように、推進機構５による推進動作において、常に２個の伸縮ユニット６０を拡径して掘削穴の内壁１２に圧接させることにより、アンカー効果が得られ、推進機構５がスクリュ２１と共まわりすることを阻止するとともに、掘削機構２におけるスクリュ２１の姿勢を適切に維持できる。

図７（ａ）乃至（ｄ）は、自動掘削推進装置１の掘削方向を変化させるときの動作を示す図である。この際、制御装置１０は、推進機構５を構成する３つの伸縮ユニット６０の各軸方向変位機構を駆動して、３つの伸縮ユニット６０を所定の順序で縮径又は拡径させるとともに、各径方向変位機構を駆動して、軸方向可動部材６１に対する径方向可動部材６７の位置を位置ずれさせる。

図７（ａ）に示すように、まず、全ての伸縮ユニット６０Ａ乃至６０Ｃを拡径させることにより、推進機構５を掘削穴の内壁１２に固定する。このとき、各伸縮ユニット６０Ａ乃至６０Ｃは、径方向可動部材６７の移動中心軸ｋ２が、掘削軸ｋ０上にあるものとする。
次に、図７（ｂ）に示すように、先端側の伸縮ユニット６０Ａを拡径させたまま、中間の伸縮ユニット６０Ｂ及び後端側の伸縮ユニット６０Ｃを縮径させる。
次に、図７（ｃ）に示すように、先端側の伸縮ユニット６０Ａの拡径と、中間の伸縮ユニット６０Ｂ及び後端側の伸縮ユニット６０Ｃの縮径とを維持したまま、各伸縮ユニット６０Ｂ：５５Ｃの径方向変位機構８４を動作させる。
例えば、掘削方向を最大角度で変化させる場合には、後端側の伸縮ユニット６０Ｃの軸方向可動部材６１に対して径方向可動部材６７を掘削穴の内壁１２に接するように移動させる。また、中間の伸縮ユニット６０Ｂの径方向可動部材６７の移動中心軸ｋ２が、後端側の伸縮ユニット６０Ｃの径方向可動部材６７の移動中心軸ｋ２と、先端側の伸縮ユニット６０Ａの径方向可動部材６７の移動中心軸ｋ２との軸中間に、中間の伸縮ユニット６０Ｂの径方向可動部材６７の移動中心軸ｋ２が位置するように、伸縮ユニット６０Ｂの径方向可動部材６７を移動させる。
次に、図７（ｄ）に示すように、先端側の伸縮ユニット６０Ａを拡径させたまま、中間の伸縮ユニット６０Ｂ及び後端側の伸縮ユニット６０Ｃを拡径させる。これにより、推進機構５は、先端側の伸縮ユニット６０Ａを支点として掘削機構２の掘削軸ｋ０が角度θ傾斜し、掘削方向が変更される。即ち、各伸縮ユニットを拡径させた状態を維持しつつ、各伸縮ユニット６０Ａ乃至６０Ｃにおける一対の軸方向可動部材６１の軸線ｋ１に対する複数の径方向可動部材６７の移動中心軸ｋ２の位置ずれ量が、先端から後端に向かって漸次大きくなるように各伸縮ユニット６０Ａ乃至６０Ｃの径方向変位機構８４を制御することで、掘削軸ｋ０を角度θ傾けることができる。

掘削軸ｋ０の傾斜について詳説すると、後端側の伸縮ユニット６０Ｃの径方向可動部材６７が掘削穴の内壁１２に接する状態から、伸縮ユニット６０Ｃを縮短させることにより、内壁１２に接する径方向可動部材６７が内壁１２を押圧する。この押圧力は、内壁１２からの反力となって伸縮ユニット６０Ｃを逆向きに移動させる力として作用する。
このとき、先端側の伸縮ユニット６０Ａが拡径状態を維持したままであるため、掘削機構２は、後端側の伸縮ユニット６０Ｃに作用する内壁１２からの反力によって、掘削機構２が伸縮ユニット６０Ａを中心として回転する。詳細には、先端側の伸縮ユニット６０Ａは、軸方向可動部材６１の軸線ｋ１と径方向可動部材６７の移動中心軸ｋ２とが同軸であり、各軸線ｋ１，移動中心軸ｋ２は、掘削軸ｋ０に一致した状態にあるため、縮短状態にある伸縮ユニット６０Ａにおける軸方向の中心を、回転中心として掘削軸ｋ０が傾斜する。中間の伸縮ユニット６０Ｂは、伸縮ユニット６０Ａの動作を基準として従属するように制御される。
なお、図７（ａ）乃至（ｄ）に示すように、掘削方向の変更過程において、常に２個の伸縮ユニット６０が拡径して掘削穴の内壁１２に圧接されているため、スクリュ２１の回転を継続させたまま、掘削方向を変化させても良い。

図８（ａ）乃至（ｄ）は、傾斜した掘削軸ｋ０に沿って掘削するときの自動掘削推進装置１の掘進動作を示す図である。
次に、図８（ａ）に示すように、中間の伸縮ユニット６０Ｂ及び後端側の伸縮ユニット６０Ｃを拡径させたまま、先端側の伸縮ユニット６０Ａを縮径させて、伸縮ユニット６０Ａを軸方向に伸長させることにより、掘削機構２を推進させる。すなわち、スクリュ２１とスカート部５１とが角度θ傾斜回転した方向に、伸縮ユニット６０Ａの軸方向伸長分Ｘだけ前進する。
次に、図８（ｂ）に示すように、後端側の伸縮ユニット６０Ｃの拡径を維持したまま、中間の伸縮ユニット６０Ｂの縮径と先端側の伸縮ユニット６０Ａの拡径とを同時に実施する。このとき、先端側の伸縮ユニット６０Ａの拡径によって傾斜後の掘削軸ｋ０の傾斜角θが変化しないように、伸縮ユニット６０Ａの径方向変位機構８４を動作させて、径方向可動部材６７の位置を制御する。
次に、図８（ｃ）に示すように、先端側の伸縮ユニット６０Ａの拡径を維持したまま、中間の伸縮ユニット６０Ｂの拡径と後端側の伸縮ユニット６０Ｃの縮径とを同時に実施する。このとき、中間の伸縮ユニット６０Ｂの拡径によって掘削軸ｋ０の傾斜角θが変化しないように、伸縮ユニット６０Ｂの径方向変位機構８４を動作させて、径方向可動部材６７の位置を制御する。
次に、図８（ｄ）に示すように、先端側の伸縮ユニット６０Ａ及び中間の伸縮ユニット６０Ｂの拡径を維持したまま、後端側の伸縮ユニット６０Ｃを拡径する。このとき、後端側の伸縮ユニット６０Ｃの拡径によって掘削軸ｋ０の傾斜角θが変化しないように、伸縮ユニット６０Ｃの径方向変位機構８４を動作させて、径方向可動部材６７の位置を制御する。
そして、推進機構５に、図８（ａ）乃至（ｄ）に示した推進動作を順次繰り返させることで、掘削軸ｋ０を傾斜させたまま掘削機構２の掘削に推進力を付与することができる。

以上説明したように、本実施形態に係る自動掘削推進装置１では、推進機構５を構成する各伸縮ユニット６０が、軸方向可動部材６１の軸線ｋ１に対して径方向可動部材６７の移動中心軸ｋ２を位置ずれさせる径方向変位機構８４を備えることにより、掘削機構２の掘削軸ｋ０の向きを変化させ、掘削方向を可変とすることができる。

また、スクリュ２１は、先端に位置する掘削部２３の外周がスカート部５１の外周５１ａから半径方向に露出して、掘削部２３により掘削される掘削穴の穴径をスカート部５１の外径よりも大きくしているため、上述のように掘削機構２の掘削方向を変更する場合に、スカート部５１が掘削穴の内壁１２に干渉することなく掘削機構２の掘削軸ｋ０を傾斜させることができる。さらに、既に掘削した掘削穴の内壁から崩れた土砂がスカート部５１の外周５１ａと掘削穴の内壁との間から掘削穴の先端側に落下し、再び掘削部２３で回収することができるため、掘削効率を向上させることができる。

なお、上記実施形態では、推進機構５を３つの伸縮ユニット６０で構成するとして説明したが、推進機構５を構成する伸縮ユニット６０の数量はこれに限定されず、３つ以上であればいくつでも良い。好ましくは、上述したように推進機構５により推進力を得るための蠕動運動において、少なくとも２つが常時拡径した状態を維持し、伸縮ユニット６０を掘削穴の内壁１２に圧接させることにより、掘削機構２を支持させれば良い。これにより、掘削軸ｋ０を傾斜させたときの傾斜角θに沿って掘削機構２に推進力を付与することができる。

また、上記実施形態では、説明の便宜上、１つ径方向変位機構８４により掘削軸ｋ０を一方向に傾斜させて、掘削方向を変化させるものとして説明したが、上記径方向変位機構８４により径方向可動部材６７の移動方向と直交する方向に径方向変位機構をさらに設けることで、径方向可動部材６７を２方向に移動可能にできる。即ち、上記実施形態の説明では、２次元的な掘削方向の変化を可能とする構成を示したが、上述のように伸縮ユニット６０に、さらに径方向変位機構を追加することにより、３次元的な掘削方向の変化を可能にできる。

１ 自動掘削推進機構、２ 掘削機構、５ 推進機構、５ｓ 中空部、
１０ 制御手段、２１ スクリュ、５０ ケーシングパイプ、５１ スカート部、
６０ 伸縮ユニット、６１ 軸方向可動部材、６７ 径方向可動部材、
７５ 軸方向変位機構、８４ 径方向変位機構。

Claims (3)

1. 軸方向に貫通する中空部を有し、縮径時に軸方向長が伸長し、拡径時に軸方向長が収縮する伸縮ユニットであって、
   軸方向両端に設けられ、伸縮動作に伴って軸方向に近接離間する一対の軸方向可動部材と、
   前記軸方向可動部材の近接離間に連動し、同心円を描くように放射状に移動する複数の径方向可動部材と、
   前記複数の径方向可動部材を前記一対の軸方向可動部材の軸線に対して半径方向に位置ずれさせる変位機構と、
   を備えたことを特徴とする伸縮ユニット。
2. 請求項１記載の伸縮ユニットを複数有する推進機構と、
   前記伸縮ユニットの中空部内に収容され、推進機構と相対回転して地盤を掘削するスクリュを有する掘削機構と、
   前記伸縮ユニット及び前記スクリュの動作を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記複数の伸縮ユニットの各径方向可動部材と、掘削穴壁面との当接により生じる蠕動運動により推進する自動掘削推進装置。
3. 前記制御手段は、各伸縮ユニットを拡径させた状態を維持し、前記スクリュの軸線に対する前記複数の径方向可動部材の位置ずれ量が先端から後端に向かって漸次大きくなるように各伸縮ユニットの変位機構を制御し、前記スクリュの軸線を傾斜させることを特徴とする請求項２に記載の自動掘削推進装置。

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