JP2697982B2

JP2697982B2 - 掘削機の掘削方向制御装置

Info

Publication number: JP2697982B2
Application number: JP34202191A
Authority: JP
Inventors: 次郎千葉; 敏明三沢; 昭夫池田
Original assignee: Harmonic Drive Systems Inc; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Harmonic Drive Systems Inc; Nippon Steel Corp
Priority date: 1991-11-29
Filing date: 1991-11-29
Publication date: 1998-01-19
Anticipated expiration: 2013-01-19
Also published as: JPH05149079A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】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
関し、中空型の調和歯車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に対して撓ませることに
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。

【０００２】

【従来の技術】石油井掘削機などの掘削機においては、
固い岩盤などを迂回させ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させる掘削方向制御装置が
必要である。また、掘削中に何らかの原因で掘削方向に
狂いが発生し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、このような掘削方向制御装置が必
要である。従来においては、特開昭５７−２１６９５号
公報、同５７−１００２９０号公報、同５８−２１０３
００号公報等に、各種の掘削方向制御機構が提案されて
いる。しかし、これらの機構は、掘削方向を全方位に制
御できない、機構が複雑であるなどの問題点があり、十
分に満足すべきものではない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この点に鑑みて、本件
出願人は先に、特開平４−７６１８３号公報において、
複数の中空型調和歯車変速機と、複数の偏心回転部材と
を組み合わせて、コンパクトな構造でドリルの掘削方向
を全方位に制御可能な掘削方向制御装置を提案してい
る。

【０００４】本発明の課題は、一対の中空型調和歯車変
速機と一対の環状部材の組み合わせを用いて上記の特許
出願の明細書に開示の制御装置と同様な機能を達成する
ことの可能な掘削機の掘削方向制御装置を実現すること
にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明の掘削機の掘削方向制御装置においては、
同軸状態に第１および第２の中空型調和歯車変速機が配
置され、これらによってそれぞれ第１および第２の環状
部材を回転させるように構成されている。また、これら
第１および第２の環状部材は、相対回転可能な状態で、
それらの環状端面が相互に重ね合わされている。たとえ
ば、ボールベアリングを介して相互に重ね合わされてい
る。これらの重ね合わされた端面は、回転軸線に対して
一定の角度だけ傾斜した傾斜面に設定されている。掘削
機ドリルの回転シャフトは、第１および第２の環状部材
の中空部分を貫通した状態に配置される。

【０００６】また、本発明の掘削方向制御装置は、第１
および第２の中空型調和歯車変速機の駆動制御手段を有
し、この駆動制御手段は、第１および第２の環状部材を
所定の角度だけ相対回転させて、回転シャフトをその回
転軸線に対して目標とする角度だけ撓ませ、しかる後
に、第１および第２の環状部材を一体的に所定の角度だ
け回転させて、回転シャフトのたわみ方向を目標とする
方向に設定することにより、掘削機ドリルの掘削方向を
調節できるように、第１および第２の中空型調和歯車変
速機を駆動制御するように構成されている。

【０００７】

【作用】第１および第２の中空型調和歯車変速機により
それぞれ第１および第２の環状部材を所定の角度だけ相
対回転させる。これらの環状部材は傾斜した端面が相互
に重なりあった状態で相対回転する。例えば、掘削機ド
リルの側に位置する第２の環状部材を一定の角度だけ回
転させる。この結果、第２の環状部材に形成されている
中空部分はその中心軸線の方向が回転シャフトの回転軸
線に対して一定の角度だけ傾斜する。この中空部分には
回転シャフトが貫通しているので、その内周面を回転シ
ャフトの外周面に丁度当接するように設定しておけば、
中空部分の傾斜に伴って回転シャフトのこの部分も強制
的に同一方向に撓まされる。しかる後に、第１および第
２の環状部材を一体的に所定の角度だけ回転させる。こ
の結果、一定の角度だけ傾斜した回転シャフトの先端側
は、傾斜した状態で目標とする方位に向けられる。この
ようにして、回転シャフトの先端側の方向、すなわち掘
削機ドリルによる掘削方向が制御される。

【０００８】

【実施例】以下に、図面を参照して本発明を石油井掘削
機に適用した例を説明する。

【０００９】図１に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、上記のドリルカラー３に隣接した部分には
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が取付けられている。

【００１０】図２に示すように、この掘削方向制御装置
５は、回転シャフト２の外側に同軸状態に配置した円筒
形ハウジング６と、この内側に同軸状態に組み込まれた
第１および第２の中空型調和歯車減速機７、８および第
１および第２の環状部材１１、１２から基本的に構成さ
れている。円筒形ハウジング６は、その外周面に回転防
止用突起（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により、
回転しないようになっている。

【００１１】第１の中空型調和歯車減速機７は、他方の
減速機８に対して上側に配置されている。この中空型調
和歯車減速機７は、第１および第２の剛性環状内歯歯車
部材７１、７２と、これらの内側に配置された可とう性
の環状弾性外歯歯車部材７３と、その内側に配置された
楕円形状の波動発生器７４から構成されている。この波
動発生器７４は、楕円形状をした剛性板７４１と、その
外周と上記の外歯歯車部材７３の間に挿入されたボール
ベアリング７４２から構成され、楕円形状をした剛性板
７４１の中心には、中空部７４１ａが形成されており、
ここに回転シャフト２が回転自在な状態で貫通してい
る。この構成の第１の中空型調和歯車減速機７の第１の
剛性環状内歯歯車部材７１は、円筒形ハウジング６の内
周に形成したフランジ６１に固定されている。これに対
して、第２の剛性環状内歯歯車部材７２は第１の連結部
材１３を介して上記の第１の環状部材１１に連結され、
これらの三部材は一体回転するようになっている。な
お、連結部材１３は回転に伴う心振れが発生しないよう
にベアリング機構１４を介して回転自在の状態で円筒形
ハウジング６の内周面によって支持されている。ここ
に、本例においては、波動発生器７４は、電磁クラッチ
機構１５を介して、回転シャフト２の側に連結されてい
る。

【００１２】次に、下側に配置された第２の中空型調和
歯車減速機８も上記の第１の減速機７の側と同一構成で
ある。すなわち、第１および第２の剛性環状内歯歯車部
材８１、８２と、可とう性の環状弾性外歯歯車部材８３
と、楕円形状の波動発生器８４から構成されている。そ
して、第２の剛性環状内歯歯車部材８２が第２の連結部
材１６を介して第２の環状部材１２の側に連結され、こ
れら三部材が一体回転するようになっている。また、波
動発生器８４は、電磁クラッチ１７を介して回転シャフ
ト２の側に連結されている。ここに、第１の剛性環状内
歯歯車部材８１は、上記の第１の連結部材１３の内側に
固定支持されている。また、第２の連結部材１６は、回
転に伴う心振れを防止するために、ベアリング機構１８
を介して第１の連結部材１３の内側に対して回転自在に
支持されている。

【００１３】次に、上記の第１および第２の環状部材１
１、１２の構造を説明する。これらは、一体物の円筒形
部材をはす状に二つに切断した形状をしている。すなわ
ち、第１の環状部材１１は、その上側端面１１１は中心
軸線１１ａに直交した面であるが、下側端面１１２は中
心軸線１１ａの直交面に対して一定の角度Θだけ傾斜し
た傾斜面とされている。そして、中心を通る中空部分１
１３の内径は回転シャフト２の外径よりも僅かに大きく
設定されており、ここに回転シャフト２が回転自在に貫
通している。

【００１４】これに対して、第２の環状部材１２は、そ
の上側端面１２１の側が、中心軸線１２ａの直交面に対
して一定の角度Θだけ傾斜した傾斜面とされ、下側端面
１２２が中心軸線１２ａに直交する面となっている。ま
た、中心を通る中空部分１２３の内径は回転シャフト２
の外径よりも僅かに大きくなるように設定され、ここに
回転シャフト２が回転自在に貫通している。また、下側
端面１２２にはドリルカラー３が連結されている。この
第２の環状部材１２は、その外周面がベアリング機構１
２４を介して回転自在に円筒形ハウジング６の内周面に
より支持されている。

【００１５】ここで、これらの第１および第２の環状部
材１１、１２の傾斜面１１２、１２１の間にはベアリン
グ１９が配置されて、これらの環状部材は相対回転が可
能になっている。また、本例においては、第１の環状部
材１１には、第２の連結部材１６を通過させると共にそ
れが所定の角度範囲にわたって回転可能な切り欠き部分
（図示せず）が形成されている。さらには、第１の連結
部材１３と第１の環状部材１１の連結部分、および第２
の連結部材１６と第２の環状部材１２の連結部分は、そ
れぞれ、軸線方向に向けて僅かに相対移動可能な連結構
造とされている。さらにまた、第１および第２の環状部
材１１、１２は、常に、相互に重なり合った状態に保持
されるように、不図示の機構により相互に押しつけられ
た状態とされている。

【００１６】図３には、本例の掘削方向制御装置５にお
ける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の全体を駆動制御す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２００Ｓに基づき、第１および第２の環
状部材１１、１２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１１、
１２に取り付けた検出器２１、２２の検出信号２１Ｓ、
２２Ｓに基づき、各環状部材１１、１２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１１、１２の実際の回転位置が目標と
する回転位置となるように各減速機７、８を駆動制御す
るための駆動制御信号２０４Ｓ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２３、２４に送られる。この駆動信
号２０４Ｓを受け取ると、各駆動制御ユニット２３、２
４は、電磁クラッチ１５、１７を制御することにより各
減速機７、８を駆動して、その減速回転出力要素である
剛性内歯歯車部材７２、８２を目標とする回転位置まで
回転して、そこに固定する。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
実行するこにより達成される。

【００１７】このように構成した本例の掘削方向制御装
置５による掘削方向制御動作を説明する。図２に示すよ
うに第１および第２の環状部材１１、１２の中心軸線１
１ａ、１２ａが回転シャフト２の回転軸線２ａに一致し
ている状態を初期状態とする。この状態においては、各
環状部材の中空部分１１３、１２３は回転軸線２ａに整
列しており、従って、これらを貫通している回転シャフ
ト２は真っ直ぐな状態にある。この状態から、第１およ
び第２の環状部材１１、１２を１８０度だけ相対回転さ
せるものとする。例えば、上側の環状部材１１を固定し
て、下側の第２の環状部材１のみを１８０度回転させ
る。

【００１８】図４には１８０度回転させた後の状態を誇
張して示してある。この図に示すように、第２の環状部
材１２における肉厚の薄い側が第１の環状部材１１の同
じく肉厚の薄い側に面して、第２の環状部材１２におけ
る中空部分１２３の中心軸線１２ａは、回転シャフトの
回転中心線２ａに対して２Θだけ傾斜した状態に設定さ
れる。このため、このように傾斜した中空部分１２３内
を貫通している回転シャフト２は、この中空部分１２３
の内周面によって強制的に撓まされて、これよりも下側
の部分が、上側の部分に対して２Θだけ傾斜する。この
ようにして、掘削方向の角度が設定される。すなわち、
初期の回転軸線２ａ（例えば垂直方向）に対する掘削角
度が設定される。

【００１９】次に、第１および第２の減速機７、８を一
体的に回転させることにより、第１および第２の環状部
材１１、１２を、図４に示す状態を保持したまま一体的
に所定の角度だけ回転させる。この結果、傾斜した先端
側の回転シャフトの部分が設定された傾斜角度を保持し
たまま回転して、目標とする方位に設定される。このよ
うにして掘削方向が設定された後は、回転シャフト２を
回転させて、その先端に支持してあるドリルビットによ
る掘削動作を開始する。

【００２０】なお、本例においては、一対の減速機７、
８の回転力を回転シャフト２の側から得るようにしてい
る。この代わりに、円筒形ハウジング６の内側に１個あ
るいは複数個の中空サーボモータを組み込み、これらに
よって減速機を駆動するようにしてもよい。

【００２１】また、本例は石油井掘削機に本発明を適用
したものであるが、本発明は、水、温泉、天然ガス、地
熱井等を掘削する所謂井戸掘機、さらには推進工法にお
けるトンネル掘削機等の他の掘削機の掘削方向制御装置
として同様に適用できることは勿論である。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の掘削機の
掘削方向制御装置は、一対の中空型調和歯車変速機と、
これらのそれぞれによって相対回転させられる一対の環
状部材を有し、これらの環状部材における相互の対峙面
を回転軸線に対して一定の角度だけ傾斜させた傾斜面と
した構成を採用しており、一対の環状部材を相対回転さ
せることにより、これらの中空部分を貫通した状態に配
置した回転シャフトを任意の角度に撓ませることがで
き、また、一対の環状部材を一体的に回転させることに
より、一定の角度に撓まされた回転シャフトを任意の方
位に設定することができるようになっている。したがっ
て、本発明によれば、掘削方向を任意の角度で任意の方
位に制御することができる。また、精度および応答性の
高い調和歯車変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、
調和歯車変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
トに構成でき、設置スペースが少なくて済むという利点
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の掘削機に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の制御系を示す概略ブ
ロック図である。

【図４】図２の掘削方向制御装置の掘削方向制御動作を
示すための説明図である。

【符号の説明】

１・・・掘削機２・・・回転シャフト２ａ・・・回転軸線（垂直線）３・・・ドリルカラー４・・・ドリルビット５・・・掘削方向制御装置６・・・円筒形ハウジング７・・・第１の中空型調和歯車減速機８・・・第２の中空型調和歯車減速機１１・・・第１の環状部材１１ａ・・・中心軸線１１２・・・下側傾斜端面１１３・・・中空部分１２・・・第２の環状部材１２ａ・・・中心軸線１２１・・・上側傾斜端面１２３・・・中空部分１３・・・第１の連結部材１５・・・電磁クラッチ１６・・・第２の連結部材１７・・・電磁クラッチ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】同軸状態に配置した第１および第２の中
空型調和歯車変速機と、前記第１の中空型調和歯車変速
機と同軸状態に配列され、この変速機により回転させら
れる第１の環状部材と、前記第２の中空型調和歯車変速
機と同軸状態に配列され、この変速機により回転させら
れる第２の環状部材とを有し、前記第１および第２の環
状部材は相対回転可能な状態にそれらの環状端面が相互
に重ね合わされており、これらの重ね合わされた端面
は、中心軸線方向に対して一定の角度だけ傾斜した傾斜
面に設定されており、前記第１および第２の環状部材の
中空部分を貫通した状態に掘削機ドリルの回転シャフト
を配置し、これら第１および第２の環状部材を相対回転
させて、この回転シャフト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。
【請求項２】請求項１において、前記第１および第２
の中空型調和歯車変速機の駆動制御手段を有し、この駆
動制御手段は、前記第１および第２の環状部材を所定の
角度だけ相対回転させて、前記回転シャフトをその回転
軸線に対して目標とする角度だけ撓ませ、しかる後に、
前記第１および第２の環状部材を一体的に所定の角度だ
け回転させて、前記回転シャフトの撓み方向を目標とす
る方向に設定することにより、掘削機ドリルの掘削方向
を調節できるように、前記第１および第２の中空型調和
歯車変速機を駆動制御することを特徴とする掘削機の掘
削方向制御装置。