JP5768963B2

JP5768963B2 - 掘削装置

Info

Publication number: JP5768963B2
Application number: JP2011071051A
Authority: JP
Inventors: 洋平川村; 和利村上; 宮地　利幸; 利幸宮地
Original assignee: Univance Corp; University of Tsukuba NUC
Current assignee: Univance Corp; University of Tsukuba NUC
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2011-03-28
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2031-03-28
Also published as: JP2012202193A

Description

本発明は掘削装置に関し、特に、低トルクで掘削できると共にドリルビットの交換作業性を向上できる掘削装置に関するものである。

従来より、学術的な目的や資源探査等産業関連の目的で地質調査が行われている。地質調査では、掘削装置により地面を掘り進めて地下構造（地質）を調べることが行われる。掘削装置は、通常、切刃の回転力により地面を掘り進むので、切刃の動摩擦に起因する回転反力が発生する。掘削性能を安定に発揮させるには、その回転反力に抗して掘削装置を大地に対して固定する必要がある。そのため、掘削装置の重量を大きくしたり大地に強固に固設したりする必要があった。

本発明者らは、この掘削装置に関する有用な技術を開発した（特許文献１）。特許文献１には、回転軸により一方向に回転される下部ドリルビットと、回転軸の回転を反転させる反転機構と、その反転機構が内蔵され下部ドリルビットと逆方向に回転される上部ドリルビットとを備える掘削装置が開示されている。この掘削装置では、下部ドリルビットの掘進により下部ドリルビットに動摩擦が生じ、それに起因して生じる回転反力が上部ドリルビットで相殺される。これにより下部ドリルビット及び上部ドリルビットの回転反力を抑制できる。その結果、掘削装置の質量を大きくする必要がなくなり、大地との固定も簡素化できる。

特開２０１０−２１６１３０号公報

しかしながら、特許文献１に開示される技術では、反転機構が上部ドリルビットに内蔵されているので、上部ドリルビットの大きさ（ドリル径）は反転機構の大きさ（直径）に制約を受けていた。ドリルビットが地面を掘削するときの掘削抵抗は、ドリルビットの掘削面の投影断面積に依存し、ドリルビットの投影断面積が大きくなるにつれ掘削抵抗が増加する。掘削抵抗が増加すれば、ドリルビットを回転駆動するためのトルクが増加する。トルクが増加すると、ドリルビットを回転駆動する駆動装置（モータ等）が大型化すると共に、駆動装置によって消費されるエネルギー量が増加する。

また、掘削により磨耗したドリルビットは新しいものに交換する必要があるが、反転機構が上部ドリルビットに内蔵されているので、ドリルビットの交換作業が煩雑であった。

本発明は、上述した問題を解決するためになされたものであり、低トルクで掘削できると共にドリルビットの交換作業性を向上できる掘削装置を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段および発明の効果

この目的を達成するために請求項１記載の掘削装置によれば、入力軸は、少なくとも一部が筒体に内設され回転駆動される。その入力軸に第１出力軸の一端が連結され、第１出力軸の他端が筒体の軸方向先方に延設される。第１出力軸の他端に第１ドリルビットが取着されているので、入力軸の回転に伴い第１ドリルビットが回転する。

一方、反転歯車装置の入力要素に入力軸から回転が入力され、入力要素と逆方向の回転が、反転歯車装置の出力要素により第２出力軸に出力される。第２出力軸は、第１出力軸に沿って同心状に配設され一端が筒体の軸方向先方に延設される。その第２出力軸の一端に第２ドリルビットが取着される。第２ドリルビットは反転歯車装置により第１ドリルビットと逆方向に回転する。掘進による動摩擦に起因して第１ドリルビット及び第２ドリルビットに回転反力が生じるが、この回転反力は第１ドリルビット及び第２ドリルビットにより相殺され抑制される。

また、反転歯車装置は筒体に内設されているので、第１ドリルビット及び第２ドリルビットは、反転歯車装置の大きさに制約を受けることなく、大きさや形状等を設定できる。これにより、第１ドリルビット及び第２ドリルビットの掘削面の投影断面積を小さくすることができる。その結果、掘削抵抗を減少させることができ、第１ドリルビット及び第２ドリルビットを回転駆動するためのトルクを小さくできる。これにより、低トルクで掘削可能にできる効果がある。

また、反転歯車装置は筒体に内設されており、第１ドリルビット及び第２ドリルビットは、筒体の軸方向先方に延設された第１出力軸および第２出力軸に取着されている。そのため、掘削により磨耗した第１ドリルビット及び第２ドリルビットは、反転歯車装置と無関係に新しいものと交換できる。これにより、第１ドリルビット及び第２ドリルビットの交換作業性を向上できる効果がある。
第２ドリルビットのドリル径の最大径は、第１ドリルビットのドリル径の最大径より大きく設定されている。これにより掘削装置を軸方向先方に推進すると、第１ドリルビット及び第２ドリルビットにより掘削対象物が掘削される。
第２出力軸は第１出力軸の外周側に配設されるものであり、軸受により第２出力軸の外周部が筒体に対して回転可能に支持される。軸受は筒体に内設され、軸方向において反転歯車装置と第２ドリルビットとの間に位置される。
ここで、反転歯車装置の歯車間には運動方向に一定のバックラッシュ（隙間）がある。このバックラッシュのために出力要素に一定のガタが生じる。これは、出力要素の回転が出力される第２出力軸の芯ぶれ、即ち第２ドリルビットの芯ぶれの原因となる。これを防止するため、軸方向において反転歯車装置と第２ドリルビットとの間に軸受を位置させる。これにより請求項１又は２の効果に加え、軸受を支点にして出力要素のガタを許容できるので、第２出力軸に現れる芯ぶれを抑制できる効果がある。
軸受は、軸受から出力要素までの軸方向長さを、軸受から第２ドリルビットまでの軸方向長さより大きくする位置に配設されている。軸受から出力要素までの軸方向長さが軸受から第２ドリルビットと第２出力軸との結合位置の軸方向長さより長いので、それら軸方向長さの比率により、出力要素のガタに起因する第２ドリルビットの芯ぶれを小さくできる。これにより、第２ドリルビットの芯ぶれを小さくできる効果がある。

請求項２記載の掘削装置によれば、筒体に駆動装置が内蔵され、その駆動装置により入力軸が回転駆動される。これにより駆動装置を別部材として準備する必要がなく、駆動装置を別部材として現地に搬送する必要もない。また、駆動装置が筒体に内蔵されているので、第１ドリルビット及び第２ドリルビットを回転させつつ筒体を軸方向先方へ移動させることで掘進できる。その結果、請求項１の効果に加え、掘削作業の準備に要する工数や掘削作業に伴う付帯作業を軽減できる効果がある。

請求項３記載の掘削装置によれば、反転歯車装置は、入力要素および出力要素に噛合し自転する遊星歯車と、その遊星歯車の公転を阻止しつつ筒体に対して固定される固定部材とを備えているので、入力要素の回転と逆方向に出力要素を回転させることができる。固定部材は、遊星歯車を支持するだけでなく、入力軸を回転駆動させる反力に抗して駆動装置を固定するものでもあるので、請求項２の効果に加え、部品点数を削減することができ掘削装置を軽量化できる効果がある。

請求項４記載の掘削装置によれば、軸方向先方に位置する第１ドリルビット又は第２ドリルビットは、軸線に平行な面に投影したときの後端部の投影線が、軸線と直交する軸直角方向線に対して、軸線から軸方向先方に向けて傾斜するものであり、軸方向後方に位置する第１ドリルビット又は第２ドリルビットは、軸線に平行な面に投影したときの先端部の投影線が、軸線と直交する軸直角方向線に対して、軸線から軸方向後方に向けて傾斜するものである。軸方向先方および軸方向後方に位置する第１ドリルビット及び第２ドリルビットの間をテーパ状にすることで、第１ドリルビットと第２ドリルビットとの間に掘削対象物が噛み込まれて掘削できなくなることを防止できる。これにより請求項１から３のいずれかの効果に加え、安定して掘削性能を発揮できる効果がある。

請求項５記載の掘削装置によれば、軸方向先方に位置する第１ドリルビット又は第２ドリルビットは、後端部が、軸方向後方に位置する第１ドリルビット又は第２ドリルビットの先端部と、軸直角方向内側において軸方向に所定の隙間をあけて配設されているので、軸直角方向内側における第１ドリルビットと第２ドリルビットとの間隔を大きくできる。これにより、軸直角方向内側における掘削対象物の噛み込みを防止することができ、請求項４の効果に加え、より安定して掘削性能を発揮できる効果がある。

請求項６記載の掘削装置によれば、第１ドリルビット及び第２ドリルビットは、外周に凹設される溝を備え、その溝により排土が行われるものである。軸方向後方に位置する第１ドリルビット又は第２ドリルビットの排土容量は、軸方向先方に位置する第１ドリルビット又は第２ドリルビットの排土容量より大きく設定されるので、詰まりなくスムーズに排土できる。これにより請求項１から５のいずれかの効果に加え、掘削力を向上できる効果がある。

第１実施の形態における掘削装置の断面図である。掘削装置の一部を示した部分片側断面図である。側面視における第１ドリルビット及び第２ドリルビットの模式図である。第２実施の形態における掘削装置の断面図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施の形態における掘削装置１の断面図（軸方向断面図）である。図１に示すように、掘削装置１は、筒体２と、その筒体２に内設される駆動装置３と、その駆動装置３により回転駆動される入力軸４と、その入力軸４に連結される第１出力軸５と、その第１出力軸５に取着される第１ドリルビット６と、第１出力軸５に沿って同心状に配設される第２出力軸７と、第２出力軸７に取着される第２ドリルビット８と、第１出力軸５及び第２出力軸７と連係される反転歯車装置９とを主に備えて構成されている。

筒体２は、駆動装置３、反転歯車装置９等を収容するための部材であり、軸方向先方側（図１下側）が少し縮径されると共に、先端が開口し軸方向後方（図１上側）が有底の円筒状に形成されている。筒体２の軸方向先方に第１ドリルビット６及び第２ドリルビット８が支持されているので、第１ドリルビット６及び第２ドリルビット８の掘進が筒体２によりガイドされ、第１ドリルビット６及び第２ドリルビット８の掘削方向の正確性を向上できる。

駆動装置３は、第１ドリルビット６及び第２ドリルビット８を回転駆動するための装置であり、筒体２の後部側に内蔵されている。本実施の形態では、駆動装置３は電動モータにより構成されており、駆動装置３の後方の筒体２に内蔵される電池Ｂにより駆動可能に構成されている。なお、駆動装置３は、回転駆動力を発生できるものであれば電動モータに限定されるものではなく、他の駆動装置を採用できる。他の駆動装置としてはエンジン等を例示できる。また、筒体２に電池Ｂを内蔵することなく、外部の電源装置から駆動装置３に電力を供給することが可能である。これにより電池Ｂの質量分だけ掘削装置１を軽量化できる。

入力軸４は、駆動装置３により回転駆動される軸部材であり、筒体２に内設され、駆動装置３から軸方向先方に向けて延設されている。第１出力軸５は、入力軸４から動力が伝達される軸部材であり、一端（後端）がスプライン結合により入力軸４に連結（直結）されている。第１出力軸５は入力軸４と同心状に配設され、他端（先端）が筒体２の軸方向先方に延設されている。

第１ドリルビット６は、大地を掘削するための部材であり、略軸状体に形成され第１出力軸５の先端に固定されている。本実施の形態では、第１ドリルビット６は外形が側面視において略円錐状に形成されている。第１ドリルビット６を第１出力軸５に取着するには、第１出力軸５を第１ドリルビット６の中心に嵌挿した後、締結部材１０を外周から螺入し第１出力軸５の外周に形成された孔部５ａに係合させる。この締結部材１０により第１ドリルビット６は第１出力軸５に着脱可能に固定される。

第２出力軸７は、反転歯車装置９から動力が伝達される軸部材であり、第１出力軸５に沿って同心状に配設され、一端（先端）が筒体２の軸方向先方に延設されている。本実施の形態では、第２出力軸７は他端（後端）がフランジ状に外周側に張り出して形成されており、第２出力軸７の中心に第１出力軸５が貫設されている。第１出力軸５の先端に第１ドリルビット６が取着されるので、第２出力軸７が筒体２から軸方向先方に突出する軸方向長さは、第１出力軸５が筒体２から軸方向先方に突出する軸方向長さより短く設定されている。

第２ドリルビット８は、第１ドリルビット６と共に大地を掘削するための部材であり、略軸状体に形成され第２出力軸７の先端に固定されている。本実施の形態では、第２ドリルビット８は外形が側面視において略円錐台状に形成されている。第２ドリルビット８は、第１ドリルビット６の軸方向後方に位置しているので、第２ドリルビット８の着脱は、第１ドリルビット６を第１出力軸５から取り外した状態で行われる。第２ドリルビット８を第２出力軸７に取着するには、第２出力軸７を第２ドリルビット８の中心に嵌挿した後、締結部材１１を外周から螺入し第２出力軸７の外周に形成された孔部７ａに係合させる。この締結部材１１により第２ドリルビット８は第２出力軸７に着脱可能に固定される。

第１ドリルビット６及び第２ドリルビット８は、側面視において全体として略円錐状に形成されている。そのため第２ドリルビット８のドリル径の最大径（軸方向後方）は第１ドリルビット６のドリル径の最大径（軸方向後方）より大きく設定されている。また、第２ドリルビット８のドリル径の最大径は、内筒２の外径より大きく設定されている。これにより掘削装置１を軸方向先方（図１下側）に推進すると、第１ドリルビット６及び第２ドリルビット８により掘削される掘削対象物は筒部２の外周側に排出され、掘削装置１は掘進する。

軸受１２は、筒体２に対して第２出力軸７を回転可能に支持する部材であり、筒体２と第２出力軸７の外周部との間に介設されている。また、軸受１２は筒体２に内設されると共に、軸方向において第２ドリルビット８と反転歯車装置９との間に位置している。

反転歯車装置９は、複数の歯車を噛み合わせることで入力軸４から入力された回転を反転して出力するための装置であり、太陽歯車９１、遊星歯車９２、外輪歯車９７及び固定部材９４を主に備えて構成されている。太陽歯車９１は、入力軸４の回転が入力される部材（入力要素）であり、第１出力軸５の一端（後端）と一体に形成される一方、太陽歯車９１の周囲に少なくとも１つ以上配置された遊星歯車９２と噛み合う。遊星歯車９２は、太陽歯車９１の回転方向を反転させるための部材であり、遊星歯車９２を軸支する回転軸９３は、筒体２に固定された固定部材９４及びフランジ９５に支持されている。

固定部材９４及びフランジ９５は、遊星歯車９２の回転軸９３を支持する部材である。固定部材９４及びフランジ９５はそれぞれ入力軸４、第１出力軸５が貫設されるため、いずれも環状に形成されている。固定部材９４は駆動装置３の軸方向先方に配置され、固定ピン９６により筒体２に回転不能に固定されている。フランジ９５も同様に固定手段（図示せず）により筒体２に回転不能に固定されている。これにより、遊星歯車９２は軸心回りの移動が規制され、自転は許容される一方、公転は阻止される。

なお、駆動装置３は、固定部材９４の軸方向に貫設される固定ピン１３により、固定部材９４に回転不能に固定されている。これにより、固定部材９４は遊星歯車９２を支持するだけでなく、入力軸４を回転駆動させる反力に抗して駆動装置３を固定する。その結果、遊星歯車９２及び駆動装置３の移動の規制をそれぞれ別部材により行う場合と比較して、部品点数を削減することができ掘削装置１を軽量化できる。また、部品点数を削減することで、部品を配置する筒体２内のスペースを削減できるので、筒体２を小型化することも可能である。

外輪歯車９７は、遊星歯車９２の外側に配置され内周面に形成される歯車と遊星歯車９２とが噛み合う部材（出力要素）であり、遊星歯車９２の外側に回転可能に配設されている。外輪歯車９７は、筒部２の内側で軸方向先方に延設され第２出力軸７の他端（後端）に連結されている。これにより、遊星歯車９２が回転することにより、外輪歯車９７及び第２出力軸７は太陽歯車９１と逆方向に回転する。

次に、以上のように構成される掘削装置１を用いた大地の掘削方法について説明する。掘削装置１の駆動装置３を駆動すると入力軸４が回転駆動される。その入力軸４に第１出力軸５の一端（後端）が直結されると共に第１出力軸５の他端（先端）が筒体２の軸方向先方に延設され、さらに第１出力軸５の他端（先端）に第１ドリルビット６が取着されているので、入力軸４の回転に伴い第１ドリルビット６が所定の方向に回転する。

一方、反転歯車装置９の太陽歯車９１に入力軸４から回転が入力されると、遊星歯車９２により反転され、太陽歯車９１と逆方向の回転が外輪歯車９７により第２出力軸７の他端（後端）に出力される。第２出力軸７は第１出力軸５に沿って同心状に配設され一端（先端）が筒体２の軸方向先方に延設されており、第２出力軸７の一端に第２ドリルビット８が取着されているので、第２ドリルビット８は第１ドリルビット６と逆方向に回転する。

駆動装置３を駆動させると、軸方向先方に位置する第１ドリルビット６の掘進による動摩擦に起因して回転反力が生じるが、この回転反力は軸方向後方に位置する第２ドリルビット８が逆回転することにより相殺される。これにより第１ドリルビット６の回転反力を抑制できるので、大地との固定を不要または簡素化できると共に掘削装置１を軽量化できる。なお、駆動装置３を駆動させる際、推進装置（図示せず）により筒体２を軸方向先方に推進させても良い。

また、反転歯車装置９は筒体２に内設されているので、第１ドリルビット６及び第２ドリルビット８は、反転歯車装置９の大きさに制約を受けることなく、大きさや形状等を設定できる。これにより、第１ドリルビット６及び第２ドリルビット８の掘削面の投影断面積（軸直角方向における）を小さくすることができる。その結果、掘削抵抗を減少させることができ、第１ドリルビット６及び第２ドリルビット８を回転駆動するための駆動装置３のトルクを小さくできる。これにより低トルクで掘削可能にできると共に、駆動装置３も小型・軽量化できる。

その結果、掘削装置１を小型・軽量化できるため、直径３ｃｍ程度の小型の掘削装置１を製造することも可能となる。さらに１ｋｇに満たない（但し電池Ｂの質量は除く）掘削装置１を製造することも可能となる。小型・軽量化が可能な掘削装置１は、重力が小さく地盤が軟弱な月面探査等において威力を発揮することが期待される。

また、反転歯車装置９は筒体２に内設されており、第１ドリルビット６及び第２ドリルビット８は、筒体２の軸方向先方に延設された第１出力軸５及び第２出力軸７に取着されている。そのため、掘削により磨耗した第１ドリルビット６及び第２ドリルビット８は、反転歯車装置９と無関係に、締結部材１０，１１を取り外すことによって新しいものと交換できる。これにより、第１ドリルビット６及び第２ドリルビット８の交換作業性を向上できる。

また、筒体２に駆動装置３が内蔵され、その駆動装置３により入力軸４が回転駆動されるので、駆動装置３を別部材として準備する必要がなく、駆動装置３を別部材として現地に搬送する必要もない。また、駆動装置３が筒体２に内蔵されているので、第１ドリルビット６及び第２ドリルビット８を回転させつつ、推進装置（図示せず）により筒体２を軸方向先方へ移動させることで掘進できる。その結果、掘削作業の準備に要する工数や掘削作業に伴う付帯作業を軽減できる。

ここで、地質調査においては、掘削装置１の駆動装置３の回転数や掘削速度のデータを採取し、そのデータから、ドリルに加わる土圧や地盤強度（Ｎ値）を算出する方法がある。この場合にドリル（第２ドリルビット８）の芯ぶれが起こると、データにばらつきが生じるため、地盤強度（Ｎ値）等を正確に算出できないという問題がある。また、ドリル（第２ドリルビット８）の芯ぶれが起こると、掘削力の低下や掘削装置１の故障等の原因となる。

ところで、掘削装置１が備える反転歯車装置９の歯車間には運動方向に一定のバックラッシュ（隙間）があるので、このバックラッシュのために外輪歯車９７に一定のガタが生じる。これは、外輪歯車９７の回転が出力される第２出力軸７の芯ぶれ、即ち第２ドリルビット８の芯ぶれの原因となる。

この反転歯車装置９のバックラッシュに起因する第２出力軸７の芯ぶれを防止するため、掘削装置１は、軸方向において反転歯車装置９と第２ドリルビット８との間に軸受１２を位置させ、その軸受１２で筒体２に対して第２出力軸７を回転可能に支持する。その結果、軸受１２を支点として外輪歯車９７のガタを許容することで、第２出力軸７に現れる芯ぶれを抑制できる。これにより、第２ドリルビット８の芯ぶれを抑制できる。その結果、掘削装置１を用いた地盤強度の算出精度を向上できると共に、安定に掘削性能を発揮させることができる。さらに芯ぶれを少なくすることで、掘削装置１に故障を生じ難くすることができ信頼性を向上できる。

この点について、図２を参照してさらに説明する。図２は掘削装置１の一部を示した部分片側断面図である。なお、図２では掘削装置１の軸方向後方の図示を省略している。軸受１２は、軸受１２（軸受１２の中心）から外輪歯車９７（外輪歯車９７の軸方向の中心）までの軸方向長さＬ１を、軸受１２（軸受１２の中心）から第２ドリルビット８（第２ドリルビット８が第２出力軸７に取着される締結部材１１）までの軸方向長さＬ２より長くする位置に配設されている（Ｌ１＞Ｌ２）。ここで、外輪歯車９７のガタの軸直角方向（図２左右方向）の大きさをＧとすれば、それら軸方向長さの比率（Ｌ２／Ｌ１）により、外輪歯車９７のガタによる第２ドリルビット８の芯ぶれはＧ×Ｌ２／Ｌ１と表すことができる。上述のとおりＬ１＞Ｌ２なので、Ｌ２／Ｌ１＜１である。軸受１２を支点にすることで、芯ぶれをガタの大きさＧよりも小さくすることができ、外輪歯車９７のガタが第２ドリルビット８の芯ぶれに与える影響を小さくできる。

次に図２を参照して、第１ドリルビット６及び第２ドリルビット８について説明する。軸方向先方（図２下側）に位置する第１ドリルビット６は、軸線ａに平行な面（図２紙面）に投影したときの先端部６１の投影線が軸線ａに対して軸方向後方に向けて傾斜する。さらに、軸線ａに平行な面に投影したときの後端部６２の投影線が、軸線ａと直交する軸直角方向線に対して、軸線ａから軸方向先方（図２下側）に向けて傾斜する（θ１）。一方、軸方向後方に位置する第２ドリルビット８は、軸線ａに平行な面に投影したときの先端部８１の投影線が、軸線ａと直交する軸直角方向線に対して、軸線ａから軸方向後方（図２上側）に向けて傾斜する（θ２）。このように第１ドリルビット６の後端部６２及び第２ドリルビット８の先端部８１の間をテーパ状にすることで、第１ドリルビット６と第２ドリルビット８との隙間を確保し、第１ドリルビット６と第２ドリルビット８との間に掘削対象物が噛み込まれて掘削できなくなることを防止できる。これにより掘削装置１は、安定して掘削性能を発揮できる。

また、第１ドリルビット６及び第２ドリルビット８は、軸直角方向内側（図２軸線ａ寄り）において、第１ドリルビット６の後端部６２と第２ドリルビット８の先端部８１とが軸方向に所定の隙間Ｌ３をあけて配設されている。その結果、軸直角方向内側における第１ドリルビット６と第２ドリルビット８との間隔を大きくできる。軸直角方向内側における間隔Ｌ３は、第１ドリルビット６の後端部６２及び第２ドリルビット８の先端部８１の間をテーパ状にするだけでは確保できないものである。これにより、第１ドリルビット６と第２ドリルビット８との間の軸直角方向内側における掘削対象物の噛み込みを防止することができ、掘削性能がより安定して発揮される。

次に図３を参照して、さらに第１ドリルビット６及び第２ドリルビット８について説明する。図３は、側面視における第１ドリルビット６及び第２ドリルビット８の模式図である。図３に示すように、第１ドリルビット６及び第２ドリルビット８は略軸状体に構成され、第１ドリルビット６の先端部６１は軸の先端が突起し鋭角状に形成されている。これにより、掘削を開始するときの掘削面の中心を正確に決めることができる。

第１ドリルビット６は、掘削時に排土を行うための溝６３が、ボデーの外周面に先端部６１から後端部６２に亘って螺旋状に形成されている。また、第２ドリルビット８においても、ボデーの外周面に先端部８１から後端部８２に亘って溝８３が螺旋状に形成されている。なお、第１ドリルビット６と第２ドリルビット８とは逆方向に回転するため、溝６３，８３のねじれの向きは逆方向である。

これにより、溝６３，８３により形成されるリーディングエッジで第１ドリルビット６及び第２ドリルビット８の外周面に切刃の機能が付与されるので、掘削装置１の掘削力を向上できる。さらに動摩擦が増加することで、掘削装置１を軸方向に推進させる機能を付与することができる。その結果、硬い地盤や軟弱な地盤に対しても掘削装置１の掘削性能を安定にできる。

第１ドリルビット６及び第２ドリルビット８の溝６３，８３は、ドリル径に対して溝底６４，８４が深く形成されている。これにより溝６３，８３による排土性能を確保でき、その結果、掘削装置１の推進力を確保できる。なお、軸方向の任意の位置におけるドリル径に対する溝底６４，８４の径（軸方向から見た溝底６３，８３の内接円の直径）の比率は、０．１５〜０．７５が好適とされる。この比率が０．１５より小さくなるにつれボデーの機械的強度が低下する傾向がみられ、０．７５より大きくなるにつれ排土性能が低下する傾向がみられる。

第１ドリルビット６及び第２ドリルビット８は、リード（溝６３，８３によって形成されるリーディングエッジに沿って軸の回りを１周するとき軸方向に進む距離）を可能な限り小さくすることが望ましい。掘削時の軸方向力を大きくするためである。なお、第２ドリルビット８のドリル径（最大径）に対するリードの比率は、０．５以下が好適とされる。これにより、駆動装置３の限られたトルクで掘削装置１の掘削力と推進力とを両立させることができる。

第１ドリルビット６及び第２ドリルビット８に形成された溝６３，８３からの排土容量は、第１ドリルビット６及び第２ドリルビット８のリード、ドリル径、第１ドリルビット６及び第２ドリルビット８の回転数等により決定される。第１ドリルビット６及び第２ドリルビット８の回転数は、反転歯車装置９の歯数比により主に決定される。これらを設定することで、第２ドリルビット８の排土容量が第１ドリルビット６の排土容量より大きくなるようにする。その結果、第１ドリルビット６及び第２ドリルビット８が掘削した掘削対象物を詰まりなくスムーズに排土でき、掘削力を向上できる。

次に図４を参照して、第２実施の形態について説明する。第１実施の形態では、入力軸４を回転駆動する駆動装置３が筒体２に内蔵される場合について説明した。これに対し第２実施の形態では、筒体１０２に駆動装置は内蔵されておらず、掘削装置１０１の外部に別部材として設けた駆動装置Ｆにより入力軸１０４が回転駆動される場合について説明する。なお、第１実施の形態と同一の部分は、同一の符号を付して以下の説明を省略する。図４は第２実施の形態における掘削装置１０１の断面図（軸方向断面図）である。

図４に示すように、掘削装置１０１は、筒体１０２と、駆動装置Ｆにより回転駆動される入力軸１０４と、その入力軸１０４に直結される第１出力軸５と、その第１出力軸５に取着される第１ドリルビット６と、第１出力軸５に沿って同心状に配設される第２出力軸７と、第２出力軸７に取着される第２ドリルビット８と、第１出力軸５及び第２出力軸７と連係される反転歯車装置９とを主に備えて構成されている。

筒体１０２は、反転歯車装置９等を収容するための部材であり、第１出力軸５にスプライン結合された入力軸１０４が軸方向後方に延設されている。入力軸１０４は軸方向後方が把持され、それに連結する外部の駆動装置Ｆにより回転駆動される軸部材である。入力軸１０４が回転駆動されることにより、第１実施の形態と同様に、第１ドリルビット６及び第２ドリルビット８が回転される。筒体１０２は軸方向後方の縮径部１０２ａに推進装置Ｐが押し付けられ、推進装置Ｐ及び駆動装置Ｆが軸方向先方に推進することにより、掘削装置１０１は地面を掘り進む。掘削装置１０１は筒体１０２に駆動装置Ｆが内蔵されていないので、さらに小型・軽量化を図ることが可能となる。

なお、筒体１０２は、後端部（駆動装置Ｆと推進装置Ｐとの間）に配管（図示せず）が連通されており、この配管から空気、窒素等の気体が筒体１０２の内部に供給される。筒体１０２の内部に供給された気体は筒体１０２内を正圧に保ち、一部は排気口（図示せず）や部材と部材との隙間から排気される。これにより隙間から異物が筒体１０２内に侵入することが防止されると共に、排気によって筒体１０２、第１ドリルビット６及び第２ドリルビット８等を冷却することができ、掘削装置１０１の耐久性を高めることができる。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。例えば、上記実施の形態で挙げた数値（例えば、各構成の数量や寸法等）は一例であり、他の数値を採用することは当然可能である。

上記各実施の形態では、反転歯車装置９の遊星歯車９２の公転運動を伝達する遊星キャリヤ（固定部材９４及びフランジ９５が該当する）を筒体２に固定し、太陽歯車９１を入力要素、外輪歯車９７を出力要素とする場合について説明した。しかし、これに限られるものではなく、遊星歯車９２の公転運動を伝達する遊星キャリヤ、太陽歯車９１、外輪歯車９７の３要素の内、いずれかを筒体２に固定し、残りの一方を入力要素、他方を出力要素とすることで、入力要素と逆方向の回転を出力要素から出力できれば、他の形態とすることは当然可能である。他の形態としては、例えば本実施の形態と同様に遊星キャリヤ（固定部材９４及びフランジ９５）を筒体２に固定し、入力軸４，１０４を外輪歯車９７に連結して入力要素とし、太陽歯車９１を出力要素とすることが挙げられる。

また、上記各実施の形態では、反転歯車装置９が遊星歯車装置により構成される場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、他の反転機構を採用することは当然可能である。他の反転機構としては、例えばベベル等の差動歯車機構等が挙げられる。

上記各実施の形態では、第１ドリルビット６及び第２ドリルビット８が全体として略円錐状に形成される場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、掘削装置１，１０１に適用可能な他のドリルビットを採用することは当然可能である。他のドリルビットとしては、例えば円盤状、椀状等に形成されたドリルビットが挙げられる。

また、上記各実施の形態では、第１ドリルビット６が第２ドリルビット８に対して軸方向先方に位置する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。反転歯車装置９における入力要素および出力要素の位置関係、第１出力軸５及び第２出力軸７の長さ、第１ドリルビット６及び第２ドリルビット８の形状等によって、第１ドリルビット６を第２ドリルビット８に対して軸方向後方に位置させることは当然可能である。また、ドリルビット６及び第２ドリルビット８を軸方向の先方または後方に位置させるのではなく、第１ドリルビット６及び第２ドリルビット８の掘削面を、軸直角方向における同一面上に位置させるようにすることは当然可能である。いずれの場合も、掘削時の第１ドリルビット６及び第２ドリルビット８の回転反力を相殺できるからである。
＜その他＞
＜手段＞
技術的思想１の掘削装置は、筒状に形成される筒体と、その筒体に少なくとも一部が内設されると共に回転駆動される入力軸と、その入力軸に一端が連結され他端が前記筒体の軸方向先方に延設される第１出力軸と、その第１出力軸に沿って同心状に配設され一端が前記筒体の軸方向先方に延設される第２出力軸と、前記入力軸から回転が入力される入力要素と、その入力要素と逆方向の回転を前記第２出力軸に出力する出力要素とを備え、前記筒体に内設される反転歯車装置と、前記第１出力軸の他端に取着される第１ドリルビットと、前記第２出力軸の一端に取着されると共に前記第１ドリルビットと逆方向に回転する第２ドリルビットとを備えている。
技術的思想２の掘削装置は、請求項１記載の掘削装置において、前記入力軸を回転駆動させる駆動装置を備え、その駆動装置は、前記筒体に内蔵されている。
技術的思想３の掘削装置は、請求項１又は２の掘削装置において、前記第２出力軸は、前記第１出力軸の外周側に配設されるものであり、前記筒体に内設され、軸方向において前記反転歯車装置と前記第２ドリルビットとの間に位置すると共に、前記第２出力軸の外周部を前記筒体に対して回転可能に支持する軸受を備えている。
技術的思想４の掘削装置は、請求項３の掘削装置において、前記軸受は、前記軸受から前記出力要素までの軸方向長さを、前記軸受から前記第２ドリルビットまでの軸方向長さより長くする位置に配設されている。
技術的思想５の掘削装置は、請求項２から４のいずれかの掘削装置において、前記反転歯車装置は、前記入力要素および前記出力要素に噛合し自転する遊星歯車と、その遊星歯車の公転を阻止しつつ前記筒体に対して固定される固定部材とを備え、その固定部材は、前記入力軸を回転駆動させる反力に抗して前記駆動装置を固定するものである。
技術的思想６の掘削装置は、請求項１から５のいずれかの掘削装置において、軸方向先方に位置する前記第１ドリルビット又は前記第２ドリルビットは、軸線に平行な面に投影したときの後端部の投影線が、軸線と直交する軸直角方向線に対して、軸線から軸方向先方に向けて傾斜するものであり、軸方向後方に位置する前記第１ドリルビット又は前記第２ドリルビットは、軸線に平行な面に投影したときの先端部の投影線が、軸線と直交する軸直角方向線に対して、軸線から軸方向後方に向けて傾斜するものである。
技術的思想７の掘削装置は、請求項６の掘削装置において、軸方向先方に位置する前記第１ドリルビット又は前記第２ドリルビットは、後端部が、軸方向後方に位置する前記第１ドリルビット又は前記第２ドリルビットの先端部と、軸直角方向内側において軸方向に所定の隙間をあけて配設されている。
技術的思想８の掘削装置は、請求項１から７のいずれかの掘削装置において、前記第１ドリルビット及び前記第２ドリルビットは、外周に凹設される溝を備え、その溝により排土が行われるものであり、軸方向後方に位置する前記第１ドリルビット又は前記第２ドリルビットの排土容量は、軸方向先方に位置する前記第１ドリルビット又は前記第２ドリルビットの排土容量より大きく設定される。
＜効果＞
技術的思想１の掘削装置によれば、入力軸は、少なくとも一部が筒体に内設され回転駆動される。その入力軸に第１出力軸の一端が連結され、第１出力軸の他端が筒体の軸方向先方に延設される。第１出力軸の他端に第１ドリルビットが取着されているので、入力軸の回転に伴い第１ドリルビットが回転する。
一方、反転歯車装置の入力要素に入力軸から回転が入力され、入力要素と逆方向の回転が、反転歯車装置の出力要素により第２出力軸に出力される。第２出力軸は、第１出力軸に沿って同心状に配設され一端が筒体の軸方向先方に延設される。その第２出力軸の一端に第２ドリルビットが取着される。第２ドリルビットは反転歯車装置により第１ドリルビットと逆方向に回転する。掘進による動摩擦に起因して第１ドリルビット及び第２ドリルビットに回転反力が生じるが、この回転反力は第１ドリルビット及び第２ドリルビットにより相殺され抑制される。
また、反転歯車装置は筒体に内設されているので、第１ドリルビット及び第２ドリルビットは、反転歯車装置の大きさに制約を受けることなく、大きさや形状等を設定できる。これにより、第１ドリルビット及び第２ドリルビットの掘削面の投影断面積を小さくすることができる。その結果、掘削抵抗を減少させることができ、第１ドリルビット及び第２ドリルビットを回転駆動するためのトルクを小さくできる。これにより、低トルクで掘削可能にできる効果がある。
また、反転歯車装置は筒体に内設されており、第１ドリルビット及び第２ドリルビットは、筒体の軸方向先方に延設された第１出力軸および第２出力軸に取着されている。そのため、掘削により磨耗した第１ドリルビット及び第２ドリルビットは、反転歯車装置と無関係に新しいものと交換できる。これにより、第１ドリルビット及び第２ドリルビットの交換作業性を向上できる効果がある。
技術的思想２の掘削装置によれば、筒体に駆動装置が内蔵され、その駆動装置により入力軸が回転駆動される。これにより駆動装置を別部材として準備する必要がなく、駆動装置を別部材として現地に搬送する必要もない。また、駆動装置が筒体に内蔵されているので、第１ドリルビット及び第２ドリルビットを回転させつつ筒体を軸方向先方へ移動させることで掘進できる。その結果、技術的思想１の効果に加え、掘削作業の準備に要する工数や掘削作業に伴う付帯作業を軽減できる効果がある。
技術的思想３の掘削装置によれば、第２出力軸は第１出力軸の外周側に配設されるものであり、軸受により第２出力軸の外周部が筒体に対して回転可能に支持される。軸受は筒体に内設され、軸方向において反転歯車装置と第２ドリルビットとの間に位置される。
ここで、反転歯車装置の歯車間には運動方向に一定のバックラッシュ（隙間）がある。このバックラッシュのために出力要素に一定のガタが生じる。これは、出力要素の回転が出力される第２出力軸の芯ぶれ、即ち第２ドリルビットの芯ぶれの原因となる。これを防止するため、軸方向において反転歯車装置と第２ドリルビットとの間に軸受を位置させる。これにより技術的思想１又は２の効果に加え、軸受を支点にして出力要素のガタを許容できるので、第２出力軸に現れる芯ぶれを抑制できる効果がある。
技術的思想４の掘削装置によれば、軸受は、軸受から出力要素までの軸方向長さを、軸受から第２ドリルビットまでの軸方向長さより大きくする位置に配設されている。軸受から出力要素までの軸方向長さが軸受から第２ドリルビットの軸方向長さより長いので、それら軸方向長さの比率により、出力要素のガタに起因する第２ドリルビットの芯ぶれを小さくできる。これにより技術的思想３の効果に加え、第２ドリルビットの芯ぶれを小さくできる効果がある。
技術的思想５の掘削装置によれば、反転歯車装置は、入力要素および出力要素に噛合し自転する遊星歯車と、その遊星歯車の公転を阻止しつつ筒体に対して固定される固定部材とを備えているので、入力要素の回転と逆方向に出力要素を回転させることができる。固定部材は、遊星歯車を支持するだけでなく、入力軸を回転駆動させる反力に抗して駆動装置を固定するものでもあるので、技術的思想２から４のいずれかの効果に加え、部品点数を削減することができ掘削装置を軽量化できる効果がある。
技術的思想６の掘削装置によれば、軸方向先方に位置する第１ドリルビット又は第２ドリルビットは、軸線に平行な面に投影したときの後端部の投影線が、軸線と直交する軸直角方向線に対して、軸線から軸方向先方に向けて傾斜するものであり、軸方向後方に位置する第１ドリルビット又は第２ドリルビットは、軸線に平行な面に投影したときの先端部の投影線が、軸線と直交する軸直角方向線に対して、軸線から軸方向後方に向けて傾斜するものである。軸方向先方および軸方向後方に位置する第１ドリルビット及び第２ドリルビットの間をテーパ状にすることで、第１ドリルビットと第２ドリルビットとの間に掘削対象物が噛み込まれて掘削できなくなることを防止できる。これにより技術的思想１から５のいずれかの効果に加え、安定して掘削性能を発揮できる効果がある。
技術的思想７の掘削装置によれば、軸方向先方に位置する第１ドリルビット又は第２ドリルビットは、後端部が、軸方向後方に位置する第１ドリルビット又は第２ドリルビットの先端部と、軸直角方向内側において軸方向に所定の隙間をあけて配設されているので、軸直角方向内側における第１ドリルビットと第２ドリルビットとの間隔を大きくできる。これにより、軸直角方向内側における掘削対象物の噛み込みを防止することができ、技術的思想６の効果に加え、より安定して掘削性能を発揮できる効果がある。
技術的思想８の掘削装置によれば、第１ドリルビット及び第２ドリルビットは、外周に凹設される溝を備え、その溝により排土が行われるものである。軸方向後方に位置する第１ドリルビット又は第２ドリルビットの排土容量は、軸方向先方に位置する第１ドリルビット又は第２ドリルビットの排土容量より大きく設定されるので、詰まりなくスムーズに排土できる。これにより技術的思想１から７のいずれかの効果に加え、掘削力を向上できる効果がある。

１，１０１掘削装置
２，１０２筒体
３駆動装置
４，１０４入力軸
５第１出力軸
６第１ドリルビット
６１先端部
６２後端部
６３溝
７第２出力軸
８第２ドリルビット
８１先端部
８２後端部
８３溝
９反転歯車機構
９１入力要素（太陽歯車）
９２遊星歯車
９４固定部材
９７出力要素（外輪歯車）
１２軸受

Claims

筒状に形成される筒体と、
その筒体に少なくとも一部が内設されると共に回転駆動される入力軸と、
その入力軸に一端が連結され他端が前記筒体の軸方向先方に延設される第１出力軸と、
その第１出力軸に沿って前記第１出力軸の外周側に同心状に配設され一端が前記筒体の軸方向先方に延設される第２出力軸と、
前記入力軸から回転が入力される入力要素と、その入力要素と逆方向の回転を前記第２出力軸に出力する出力要素とを備え、前記筒体に内設される反転歯車装置と、
前記第１出力軸の他端に取着される第１ドリルビットと、
前記第２出力軸の一端に取着されると共に前記第１ドリルビットと逆方向に回転する第２ドリルビットと、
前記筒体に内設され、軸方向において前記反転歯車装置と前記第２ドリルビットとの間に位置すると共に、前記第２出力軸の外周部を前記筒体に対して回転可能に支持する軸受とを備え、
前記軸受は、前記軸受から前記出力要素までの軸方向長さを、前記軸受から前記第２ドリルビットと前記第２出力軸との結合位置までの軸方向長さより長くする位置に配設され、
前記第２ドリルビットのドリル径の最大径は、前記第１ドリルビットのドリル径の最大径より大きく設定されていることを特徴とする掘削装置。
前記入力軸を回転駆動させる駆動装置を備え、
その駆動装置は、前記筒体に内蔵されていることを特徴とする請求項１記載の掘削装置。
前記反転歯車装置は、
前記入力要素および前記出力要素に噛合し自転する遊星歯車と、
その遊星歯車の公転を阻止しつつ前記筒体に対して固定される固定部材とを備え、
その固定部材は、前記入力軸を回転駆動させる反力に抗して前記駆動装置を固定するものであることを特徴とする請求項２記載の掘削装置。
軸方向先方に位置する前記第１ドリルビット又は前記第２ドリルビットは、軸線に平行な面に投影したときの後端部の投影線が、軸線と直交する軸直角方向線に対して、軸線から軸方向先方に向けて傾斜するものであり、
軸方向後方に位置する前記第１ドリルビット又は前記第２ドリルビットは、軸線に平行な面に投影したときの先端部の投影線が、軸線と直交する軸直角方向線に対して、軸線から軸方向後方に向けて傾斜するものであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の掘削装置。
軸方向先方に位置する前記第１ドリルビット又は前記第２ドリルビットは、後端部が、軸方向後方に位置する前記第１ドリルビット又は前記第２ドリルビットの先端部と、軸直角方向内側において軸方向に所定の隙間をあけて配設されていることを特徴とする請求項４記載の掘削装置。
前記第１ドリルビット及び前記第２ドリルビットは、外周に凹設される溝を備え、その溝により排土が行われるものであり、
軸方向後方に位置する前記第１ドリルビット又は前記第２ドリルビットの排土容量は、軸方向先方に位置する前記第１ドリルビット又は前記第２ドリルビットの排土容量より大きく設定されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の掘削装置。