JPWO2017146170A1 - 地質サンプル採取方法および採取装置 - Google Patents

Abstract

海底地盤Ａを掘削筒３１で掘ることにより、円形の環状溝５０を形成し、この環状溝５０の径方向内側に円柱形状の地質サンプル予定部５１を形成する。次に、円筒形状の筒本体４１ａとその下端部内周に設けられた突起４１ｂとを有する採取筒４１を、環状溝５０に差し込む。次に、採取筒４１の地盤Ａから突出した部位を介して、採取筒４１を傾かせるようなモーメントを付与する。これにより、突起４１ｂを上記地質サンプル予定部５１に押し当て、この地質サンプル予定部５１を破断して、地質サンプル５５を得る。次に、地質サンプル５５を採取筒４１内に保持したまま、採取筒４１を引き上げる。

Description

本発明は、海底等での資源探査・調査等を目的として硬い地盤から円柱形状の地質サンプルを効率良く採取する方法および装置に関する。

日本近海には、多くの海底資源が存在することが知られているが、広大な海域に分布しているため、未だにその詳細な状況を把握するには至っていない。
このような背景のもと、海洋鉱物資源の詳細な分布や資源量を調査することが求められている。

特許文献１（特開２００５−１５５１０９号公報）に開示された地質サンプル採取装置は、洋上の船からワイヤで吊り下げられ、海底に着座した状態でコアサンプリングを行なう。すなわち、海底を掘削して円柱形状の地質サンプル予定部を形成し、この地質サンプル予定部を上方に引っ張ることによりその根元を破断し、地質サンプル（いわゆるコアサンプル）を海底地盤から分離して取り出す。

特許文献２（特開昭６０−１４１４８４号公報）、特許文献３（特開平５−２９３７８９号公報）、特許文献４（特開２０１０−２７４６６９号公報）に開示されている地質サンプル採取装置は、水中スラスタやクローラ等の移動手段とビデオカメラを備え、母船からの遠隔操作によって目的地まで移動できる。この装置は、数千ｍの海底の探査が可能であり、ロボットハンド等を装備していて、海底の鉱物を採取できる。

特許文献５（特開２０１０−２４２３４４号公報）には、地上において、コアサンプルを採取する装置の詳細な構造が開示されている。この装置は、掘削筒とその内側の採取筒の同軸二重筒構造を有している。掘削筒の先端には掘削ビットが取り付けられており、この掘削筒を回転駆動させながら下方を移動させて地盤を掘削することにより、この地盤に環状溝を形成し、この環状溝の内側に円柱形状の地質サンプル予定部を形成する。

上記採取筒の下端部内周には係止片が設けられている。この係止片は上方に向かうにしたがって内筒の中心軸線に近づくように傾斜しているが、弾性変形可能である。
上記採取筒は回転せずに掘削筒と一緒に下方に移動するようになっている。上記掘削筒による掘削が完了した時、上記地質サンプル予定部が上記採取筒に収容された状態になっている。この後、掘削筒と採取筒が引き上げられる過程で、上記地質サンプル予定部の根元に上記係止片が食い込み、この根元を破断して、地質サンプルを採取筒に収容したまま回収するようになっている。

特許文献６（特開２０１１−１９６１４０号公報）には、地上においてコアサンプルを採取する装置の詳細な構造が開示されている。この装置はクローラを装備しており、目的地まで移動できる。さらにこの装置は、下端に掘削ビットを有する掘削筒と、下端に切断刃を有する採取筒が独立して装備されている。掘削筒により環状溝を形成した後、採取筒を環状溝に差し込み、駆動機構で採取筒を打撃駆動、振動駆動または回転駆動することにより、コアサンプルを採取するようになっている。

特許文献１の地質サンプル採取装置では、海底地盤内の地質サンプル（コアサンプル）を採取できるが、大型かつ大重量であり、母船で目的地の上方まで装置運び目的地へ降ろす必要があるため、多くの地点を効率良く調査することができなかった。

特許文献２〜４の地質サンプル採取装置では、軽量・小型にすることができ、多数の地点で効率良く鉱物を採取できるが、海底上に露出した鉱物しか採取することができなかった。

特許文献５に開示された地上の地質サンプル採取装置では、採取筒の係止片を地質サンプル予定部の根元に係止した状態で採取筒及び掘削筒を引き上げることにより地質サンプル（コアサンプル）を採取できるが、地盤が硬い場合には、地質サンプル予定部の根元を破断できない場合があり、地質サンプルを採取するのが困難になる。

特許文献６では、下端に切断刃を有する採取筒を打撃駆動、振動駆動または回転駆動することにより地質サンプル予定部の根元を破断して地質サンプルを採取するが、切断刃は軸方向に延びているだけであり、地盤が硬い場合には確実にかつ効率良く破断することができない。

特許文献５，６の装置は、硬い地盤でも地質サンプルを採取しようとすると大きな引上げ力を必要とし、大型となってしまう。この大型な装置を海底探査に用いようとすると、特許文献１の方式を採用することになり、多数の地点を効率良く調査することができなくなる。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、地質サンプル採取方法において、
機体と、上記機体に装備された掘削筒および採取筒と、を備え、上記採取筒が、円筒形状の筒本体とその下端部内周に設けられた突起とを有する採取装置を用意する工程と、
地盤を上記掘削筒で掘ることにより、円形の環状溝を形成し、この環状溝の径方向内側に円柱形状の地質サンプル予定部を形成する掘削工程と、
上記採取筒を上記環状溝に差し込んだ状態で、上記採取筒の上記地盤から突出した部位を介して、上記採取筒にモーメントを付与することにより、上記突起を上記地質サンプル予定部に押し当て、上記地質サンプル予定部を破断して地質サンプルを得る破断工程と、
上記地質サンプルを上記採取筒内に保持したまま、上記採取筒を引き上げる回収工程と、
を備えたことを特徴とする。

上記方法によれば、採取筒に付与されるモーメントにより、採取筒の突起を地質サンプルに押し当てるので、地盤が硬い場合でも地質サンプル予定部に亀裂を生じさせることができる。そのため、大きな力を要さずに地質サンプルを効率よく確実に採取することができ、ひいては、機体の小型、軽量化を図ることができる。
なお、上記方法において、採取筒は掘削筒の中に配置されていてもよいし、掘削筒から離れて掘削筒と平行に配置されていてもよい。

好ましくは、上記破断工程において、上記採取筒の筒本体の内周面が、上記地質サンプル予定部の上端部において上記突起と径方向反対側に位置する当接部位に当たり、上記モーメントがこの当接部位を支点として働くことにより、上記突起を上記地質サンプル予定部に押し当てる。
上記方法によれば、地質サンプル予定部に曲げ荷重を付与した状態で突起により地質サンプル予定部を押圧するため、亀裂を生じさせやすくなる。

好ましくは、上記破断工程において、上記突起の上側エッジと下側エッジを上記地質サンプル予定部に当てた状態で、上記モーメントが、上記突起の上側エッジを支点としその下側エッジを作用点して働くことにより、上記突起の下側エッジからの押圧力で上記地質サンプル予定部を破断する。
上記方法によれば、てこの原理により突起の下側エッジに大きな押圧力を付与でき、地質サンプル予定部に亀裂を生じさせやすくなる。

好ましくは、上記採取筒の筒本体には、上記突起より上方の位置において係止片が設けられ、この係止片は上方に進むにしたがって上記筒本体の内周から中心軸線に近づくように傾斜するとともに弾性変形可能であり、
上記回収工程で、上記係止片が上記地質サンプルの周面に食い込んで、上記地質サンプルの上記採取筒からの脱落を防ぐ。
上記方法によれば、係止片により確実に地質サンプルの脱落を防止できる。

好ましくは、上記掘削工程に先立ち、機体を遠隔操作して目的地まで移動させる機体移動工程をさらに備えている。
上記方法によれば、機体が比較的軽量なので、機体を目的地点まで簡単に移動させることができ、硬い地盤を多点にわたり効率良く調査することができる。

本発明の一態様をなす地質サンプル採取装置は、機体と、上記機体に装備された掘削筒と、上記機体に装備され上記掘削筒に対して離間し平行をなす採取筒と、上記掘削筒を回転させる回転駆動機構と、上記掘削筒を上下移動させる第１移動機構と、上記採取筒を上下移動させる第２移動機構と、上記採取筒にモーメントを付与するモーメント付与機構とを備え、
上記掘削筒は、筒本体と、この筒本体の下端に取り付けられた複数の掘削ビットとを備え、
上記採取筒は、筒本体と、この筒本体の下端部内周に設けられた突起とを備え、
上記掘削筒は上記回転駆動機構により回転しながら上記第１移動機構により下方に移動することにより、地盤に円形の環状溝と、この環状溝の径方向内側の円柱形状の地質サンプル予定部を形成し、
上記採取筒は、上記第２移動機構により下方に移動して上記環状溝に差し込まれ、
上記モーメント付与機構は、上記環状溝に差し込まれた上記採取筒の地盤より上方に位置する部位を介して上記採取筒に上記モーメントを付与することにより、上記突起を上記地質サンプル予定部に押し当て、上記地質サンプル予定部を破断して地質サンプルを得ることを特徴とする。

上記構成によれば、採取筒に付与されるモーメントにより、採取筒の突起を地質サンプルの予定部に押し当てるので、地盤が硬い場合でも地質サンプル予定部に亀裂を生じさせることができる。そのため、大きな力を要さずに地質サンプルを効率よく確実に採取することができ、ひいては、機体の小型、軽量化を図ることができ、機体移動手段による移動を容易にすることができる。

好ましくは、さらに、上記機体に設けられた走行部を備え、この走行部により、上記機体を移動させて上記採取筒を上記環状溝に位置決めする。
上記構成によれば、環状溝を掘削した後に、採取筒を環状溝に位置決めすることができる。

好ましくは、上記機体に、水平移動可能に移動台が設けられるとともに、この移動台を駆動する移動台駆動機構が設けられ、
上記移動台に、上記掘削筒および上記採取筒がその軸線を垂直にして上記移動台の移動方向に離間して設けられ、
上記移動台駆動機構は、上記掘削筒により上記環状溝を形成した後で上記移動台を上記掘削筒の軸線と上記採取筒の軸線の離間距離だけ移動させることにより、上記採取筒を上記環状溝に位置決めする。
上記構成によれば、環状溝を掘削した後に、採取筒を容易かつ確実に環状溝に対して位置決めすることができる。

好ましくは、上記採取筒の筒本体は、その外径が上記掘削ビットの外接円の径より小さく、その内径が上記掘削ビットの内接円の径より大きく、
さらに、上記採取筒における上記突起を含む下端部の内接円の径が、上記掘削ビットの内接円の径と等しいか小さい。
上記構成によれば、採取筒を環状溝に差し込んだ状態で、突起と、筒本体の内周面において突起に対向する部位とが、地質サンプル予定部に遊びなく接するため、確実に突起から地質サンプル予定部に力を付与することができる。

本発明の他の態様をなす地質サンプル採取装置は、
機体と、この機体に装備された掘削筒と、この掘削筒内に同軸をなして収容された採取筒と、上記採取筒を回転させずに掘削筒のみを回転させる回転駆動機構と、上記掘削筒および採取筒を一緒に上下移動させる移動機構と、上記採取筒にモーメントを付与するモーメント付与機構とを備え、
上記掘削筒は、筒本体と、この筒本体の下端に取り付けられた複数の掘削ビットとを備え、
上記採取筒は、下端が上記掘削ビットより上に位置する筒本体と、この筒本体の下端部内周に設けられた突起とを備え、
上記掘削筒は上記回転駆動機構により回転しながら上記移動機構により下方に移動することにより、地盤に円形の環状溝と、この環状溝の径方向内側の円柱形状の地質サンプル予定部を形成し、
上記モーメント付与機構は、上記環状溝に差し込まれた上記掘削筒および採取筒の地盤より上方に位置する部位を介して上記採取筒に上記モーメントを付与することにより、上記突起を上記地質サンプル予定部に押し当て、上記地質サンプル予定部を破断して地質サンプルを得ることを特徴とする。

上記構成によれば、上述した一態様をなす地質サンプル採取装置と同等の作用効果が得られる。さらに、環状溝を形成した後に、掘削筒と採取筒を一緒に引き上げるので、採取筒単独での環状溝への位置決め・差し込みが不要となり、より一層効率良く地質サンプルを採取することができる。

好ましくは、上記採取筒の突起が、上記掘削筒の掘削ビットの内接円から径方向内方向に突出している。
上記構成によれば、突起が地質サンプル予定部に遊びなく接するため、確実に突起から地質サンプル予定部に力を付与することができる。

好ましくは、上記モーメント付与機構は、上記機体の傾斜角度を変えることにより上記採取筒に上記モーメントを付与する。
上記構成によれば、機体を傾斜させることにより大きなモーメントを採取筒に付与することができる。

好ましくは、上記突起が上記採取筒の下端部内周において、前後の少なくとも一方に設けられ、
上記モーメント付与機構は、上記機体の前部左右と後部左右に設けられた４つのフリッパを有し、少なくとも前後いずれかに位置する上記フリッパを回動させることにより、上記機体の傾斜角度を変えて、上記採取筒に上記モーメントを付与する。
上記構成によれば、簡単な制御で、機体を傾斜させることができる。

好ましくは、上記突起が上記採取筒の下端部内周において、前後の少なくとも一方に設けられ、
上記モーメント付与機構は上記機体に装備された走行部を有し、この走行部により上記機体を前後いずれかの方向に移動させることにより、上記採取筒に上記モーメントを付与する。
上記構成によれば、機体を前後方向に移動させることにより大きなモーメントを採取筒に付与することができる。

好ましくは、上記突起は、その上下にエッジを有する。
上記構成によれば、突起の上側のエッジが支点となり下側のエッジが作用点となって、てこの原理により大きな押圧力を下側のエッジに付与することができる。

好ましくは、上記採取筒の筒本体には、上記突起より上方の位置において係止片が設けられ、この係止片は上方に進むにしたがって上記筒本体の内周から中心軸線に近づくように傾斜するとともに弾性変形可能である。この構成によれば、採取筒を引き上げる際に採取筒に収容された地質サンプルの脱落を確実に防止することができる。
好ましくは、さらに、上記機体に設けられた水中スラスタを備えている。この構成によれば、水中スラスタにより機体を目的地まで簡単に移動させることができ、多点にわたり効率良く調査することができる。

本発明によれば、硬い地盤の地質サンプルを効率良く採取することができる。

本発明の第１実施形態をなす地質サンプル採取装置の側面図であり、装置を採取場所まで移動した状態を示す。 同装置の要部を一部断面にして示す拡大側面図である。 同装置の掘削筒の下端部をさらに拡大して示す断面図である。 同装置の採取筒の下端部をさらに拡大して示す断面図である。 上記装置の側面図であり、上記掘削筒と採取筒を支持する昇降台を下方に移動させた状態を示す。 上記装置の側面図であり、上記掘削筒により環状溝を形成した直後の状態を示す。 上記装置の側面図であり、上記採取筒を環状溝に差し込んでその底部に突き当てるとともに機体を浮かせた状態を示す。 上記装置で地質サンプルを採取する工程を順を追って説明する概略図であり，上記掘削筒を位置決めする工程を示す。 上記掘削筒により環状溝を形成する工程を示す概略図である。 上記採取筒を位置決めする工程を示す概略図である。 上記採取筒を環状溝に差し込む工程を示す概略図である。 地質サンプル予定部を破断する工程を示す概略図である。 地質サンプルを引き上げる工程を示す概略図である。 図８Ｄ、図８Ｅの工程における、上記採取筒と地質サンプル予定部の関係をより具体的に示す断面図である。 図９の要部を拡大して示す断面図である。 本発明の第２実施形態をなす地質サンプル採取装置を前方から見た図である。 本発明の第３実施形態をなす地質サンプル採取装置の要部を一部断面にして示す側面図であり、環状溝を形成する直前の状態を示す。 上記環状溝を形成した直後の状態を示す図１２Ａ相当図である。 図１２の要部を、拡大するとともに一部断面にして示す側面図である。 図１３の要部を、さらに拡大して示す断面図である。 本発明の第４実施形態をなす地質サンプル採取装置の側面図である。 本発明の第５実施形態をなす地質サンプル採取装置の通常状態を示す概略側面図である。 前傾状態を示す図１６Ａ相当図である。 後傾状態を示す図１６Ａ相当図である。

以下、本発明の第１実施形態をなす地質サンプル採取装置について図１〜図１０を参照しながら説明する。理解を容易にするために、図１において前後方向を明示しておく。図１に示すように、海底地盤の地質サンプル採取装置（以下、装置と言う）は、機体１の前後左右の４か所にプロペラ等からなる水平スラスタ２（水中スラスタ）を有し、左右２カ所に垂直スラスタ３（水中スラスタ）を有しており、その前部にビデオカメラ５を有している。これらスラスタ２，３およびビデオカメラ５は、機体１に設置された送受信器およびケーブル（いずれも図示しない）を介して、海上に浮かぶ母船の遠隔操作装置に接続されている。

母船からの遠隔操作により、スラスタ２，３を駆動することにより、上記装置は深海であっても海中を遊泳して、目的地またはその近傍まで容易に到達することができる。

上記機体１の左右それぞれには、前後一対のクローラ構造のフリッパ１０ａ，１０ｂ（走行部、モーメント付与機構）が装備されている。これらフリッパ１０ａ、１０ｂの各々は、前後一対のホイール１１と、これらホイール１１間に架け渡された無端ベルト１２とを有している。

前側のフリッパ１０ａは、機体１の前端部を中心として回動可能であり、後側のフリッパ１０ｂは、機体１の後端部を中心として回動可能である。これらフリッパ１０ａ，１０ｂの回動中心を図１において符号Ｃａ、Ｃｂで示す。

海中遊泳時には、図１に示すように前側のフリッパ１０ａを後側に倒し、後側のフリッパ１０ｂを前側に倒しておく。走行の際には前側のフリッパ１０ａを図１の状態から略１８０°回して前側に倒し、後側のフリッパ１０ｂを図１の状態から略１８０°回して後側に倒すことにより、安定した走行が可能である。
なお、前後左右のフリッパ１０ａ、１０ｂは独立して前進、後退が可能であり、その結果、機体１は前進、後退のみならず、旋回も可能である。

上記機体１の前端には支柱２０が固定されており、この支柱２０には、昇降台２１が上下方向にスライド可能に支持されている。この昇降台２１は、支柱２０に設けられたボールねじ機構等の駆動機構２２により上下移動される。

上記昇降台２１は垂直に細長く形成されており、この昇降台２１には掘削部３０と採取部４０が前後方向に並んで支持されている。
上記掘削部３０は、掘削筒３１と、この掘削筒３１を回転および上下動させるための第１駆動部３２とを有している。
上記採取部４０は、採取筒４１と、この採取筒４１を上下動させるための第２駆動部４２とを有している。

図２に示すように、上記第１駆動部３２は、上下一対のサポート３３ａ，３３ｂと、これらサポート３３ａ，３３ｂに上下端が固定された垂直をなす複数のガイドロッド３４を有している。これらサポート３３ａ，３３ｂは、固定ブロック２５ａ，２５ｂを介して昇降台２１にそれぞれ固定されている。

上記第１駆動部３２はさらに、上記ガイドロッド３４に上下方向にスライド可能に支持されたスライダ３５と、このスライダ３５を上下方向に移動するボールねじ機構３６（第１移動機構）を有している。このボールねじ機構３６は、上側のサポート３３ａに支持されており、垂直に延びるねじロッド３６ａと、このねじロッド３６ａに螺合されたナット（図示しない）と、このナットを回転駆動させる油圧モータ３６ｂとを有している。このねじロッド３６ａの下端が上記スライダ３５に固定されている。油圧モータ３６ｂによりナットを回転させると、ねじロッド３６ａが上下動し、これに伴い上記スライダ３５が上下動するようになっている。

上記第１駆動部３２はさらに、モータ３７（回転駆動機構）を有している。このモータ３７は上記スライダ３５に設置されており、このモータ３７の出力軸３７ａが下方に延びて、上記掘削筒３１の上端に同軸をなして固定されている。

上記掘削筒３１は、上記モータ３７の駆動により回転され、上記ボールねじ機構３６の駆動により上下動されるようになっている。
上記掘削筒３１は、下側のサポート３３ｂに形成されたガイド穴３３ｃに挿通されている。

図２に示すように、上記第２駆動部４２は、上下一対のサポート４３ａ，４３ｂと、これらサポート４３ａ，４３ｂに上下端が固定された垂直をなす複数のガイドロッド４４を有している。これらサポート４３ａ，４３ｂは、ブラケット２６ａ，２６ｂを介して昇降台２１に固定されている。

上記第２駆動部４２はさらに、上記ガイドロッド４４に上下方向にスライド可能に支持されたスライダ４５と、垂直をなす油圧シリンダ４６（第２移動機構）とを備えている。この油圧シリンダ４６は上側のサポート４３ａに設置され、そのロッド４６ａの下端がスライダ４５に連結されている。
上記スライダ４５の下面には、支持ブロック４７が固定されており、この支持ブロック４７には上記採取筒４１の上端部が嵌め込まれて固定されている。

上記油圧シリンダ４６の駆動により、採取筒４１が上下動される。採取筒４１は下側のサポート４３ｂに形成されたガイド穴４３ｃに挿通されている。

図３に概略的に示すように、上記掘削筒３１は、円筒形状の筒本体３１ａと、この筒本体３１ａの下端に固定された複数の掘削ビット３１ｂとを有している。図３では図面を簡略化するために２つの掘削ビット３１ｂを示すが、３つ以上とするのが好ましい。

上記掘削ビット３１ｂの外接円の径Ｄｘは、筒本体３１ａの外径Ｄａより大きく、掘削ビット３１ｂの内接円の径Ｄｙは、筒本体３１ａの内径Ｄｂより小さい。
図２では、上記掘削ビット３１ｂを省略し掘削筒３１を簡略化して示す。その代りに、掘削筒３１の外径及び内径を掘削ビット３１ｂの外接円、内接円とほぼ等しくして実際より厚肉で示す。

図４に示すように、上記採取筒４１は、円筒形状の筒本体４１ａと、この筒本体４１ａの下端部内周に配置された突起４１ｂと、この突起４１ｂの上方に配置された複数（例えば４つ）の係止片４１ｃとを有している。

上記採取筒４１の筒本体４１ａは、上記掘削筒３１の筒本体３１ａと略同程度の内径および外径を有しており、その外径Ｄａ’は上記掘削ビット３１ｂの外接円の径Ｄｘより小さく、その内径Ｄｂ’は上記掘削ビット３１ｂの内接円の径Ｄｙより大きい。

本実施形態では、上記突起４１ｂは上記筒本体４１ａの内周のうち最も前方に位置する１箇所に配置され、筒本体４１ａの周壁にねじ込まれたねじの頭部により構成されている。
上記採取筒４１において、上記突起４１ｂを含む下端部の内接円の径Ｄｃは、上記掘削ビット３１ｂの内接円の径Ｄｙと等しいか若干小さい。本実施形態では、１〜２ｍｍ程小さい。

図１０に示すように、上記突起４１ｂは、その平坦な頂面を囲む環状のエッジを有している。以下の説明では、このエッジの上側部分を上側エッジ４１ｘと称し、下側部分を下側エッジ４１ｙと称す。

上記係止片４１ｃは周方向に等間隔に配置されており、各係止片４１ｃは、採取筒４１の筒本体４１ａの周壁に逆Ｕ字形の切り込みを形成し、この切り込みで囲われた部分を径方向内側に折り曲げることにより構成されている。そのため、係止片４１ｃは、上方に進むにしたがって中心軸線に近づくように傾斜している。係止片４１ｃは径方向外方向に弾性変形可能である。

上記装置は深海の海底地盤Ａの地質サンプルを採取するために用いられる。装置は母船からの遠隔操作でスラスタ２，３を制御することにより、海底の目的地に着地することができる。なお、本実施形態では走行可能なクローラ構造のフリッパ１０ａ，１０ｂを装備しているので、着地後に簡単に装置の位置を調整することができる。
装置はさらに遠隔操作により次の採取工程を実行する。採取工程前には、フリッパ１０ａ，１０ｂは、図１に示す格納位置にしておく。
図５〜図９を参照しながら採取工程を順を追って説明する。なお、図８は理解を容易にするために誇張して示している。
第１工程（機体移動工程）
図１に示すように、前後左右のフリッパ１０ａ，１０ｂを駆動して機体１を移動させ、上記掘削筒３１を、地質サンプルを採取する場所の真上に位置決めする。

第２工程
図５、図８Ａに示すように、駆動機構２２を駆動して昇降台２１を下降させ、掘削筒３１、採取筒４１を地盤Ａに近づける。

第３工程（掘削工程）
図６、図８Ｂに示すように、第１駆動部３２のモータ３７を駆動して掘削筒３１を回転させながら、ボールねじ機構３６のモータ３６ｂを駆動して掘削筒３１を下降させる。これにより、掘削筒３１の掘削ビット３１ｂが地盤Ａを掘削し、円形の環状溝５０を形成するとともに、この環状溝５０の内側に円柱形状の地質サンプル予定部５１を形成する。この地質サンプル予定部５１はその根元で地盤Ａに連なっている。

第４工程
上記掘削筒３１の回転を停止し、ボールねじ機構３６により掘削筒３１を上昇させ、図８Ａと同じ高さに戻す。

第５工程
上記フリッパ１０ａ，１０ｂを駆動させて機体１を移動させ、図８Ｃに示すように、採取筒４１を上記環状溝５０の真上に位置させる。この移動は、機体１に設けたビデオカメラ５の映像に基づき、遠隔操作により行う。

第６工程
上記第２駆動部４２の油圧シリンダ４６を駆動して、図８Ｄに示すように採取筒４１を上記環状溝５０に差し込み、下端を環状溝５０の底に突き当てる。
図８Ｄでは採取筒４１が環状溝５０に遊びを有して差し込まれているように示されているが、実際には図９に示すように、採取筒４１の筒本体４１ａの内周面において、突起４１ｂと径方向反対側の部位は、地質サンプル予定部５１の外周に接している。突起４１ｂは地質サンプル予定部５１の外周を若干量削りながら下降し、地質サンプル予定部５１の外周に若干量食い込む。上記採取筒４１において上記突起４１ｃを含む部位の内接円の径Ｄｃが、上記掘削ビット３１ｂの内接円の径Ｄｙより若干小さいからである。

図示しないが、本実施形態では、採取筒４１が環状溝５０の底に突き当たった後、さらに採取筒４１を機体１に対して下降させることにより、機体１が若干後側に傾斜し、前側のフリッパ１０ａが地盤Ａから浮き、後側のフリッパ１０ｂだけが地盤Ａに接地した状態になる。

第７工程（破断工程）
図７に示すように、上記後側のフリッパ１０ｂを１８０°以上回動させて機体１の後端部を持ち上げる。これにより、機体１は浮いた状態で水平になり、さらに前側に傾こうとする。これにより、採取筒４１には、採取筒４１を前側に傾かせようとするモーメントが付与される。
なお、図８Ｅでは採取筒４１を前側に大きく傾いた状態で示すが、実際には図７、図９に示すように採取筒４１は地質サンプル予定部５１の抵抗を受けて殆ど傾かない。

上記採取筒４１に付与されるモーメントにより、採取筒４１は地質サンプル予定部５１の上端部において突起４１ｂと径方向反対側の部位（当接部位）を押すため、地質サンプル予定部５１の根元には曲げ応力が生じる。
また、図９に示すように、上記当接部位が支点Ｐとなり、上記モーメントにより、採取筒４１の突起４１ｂ全体を地質サンプル予定部５１の根元に向かって押す力Ｆ１が生じる。これにより、突起４１ｂの上側エッジ４１ｘ、下側エッジ４１ｙが確実に地質サンプル予定部５１の外周に押し当たった状態が得られる。

上記採取筒４１に付与されるモーメントは、図１０のように突起４１ｂの上側エッジ４１ｘを支点とし、下側エッジ４１ｙを作用点としても働く。この支点と作用点の距離は短いので、下側エッジ４１ｙには非常に大きな力Ｆ２が付与される。その結果、図８Ｅに示すように、地質サンプル予定部５１の根元に亀裂５２が生じて破断し、地盤Ａから独立した地質サンプル５５が得られる。上述したように地質サンプル予定部５１の根元に曲げ荷重が作用していることによっても、亀裂の発生を助ける。

後側のフリッパ１０ｂを立てただけでは地質サンプル予定部５１の根元に亀裂５２が生じない場合には、図７、図８Ｅ、図９の状態で後側のフリッパ１０ｂを駆動して、機体１を前進させることにより、より大きなモーメントを採取筒４１に付与して亀裂５２を生じさせる。
それでも亀裂５２が生じない場合には、後側のフリッパ１０ｂの駆動により機体１を後退させてから再び前進させることにより、その衝撃を利用して一層大きなモーメントを採取筒４１に付与し、亀裂５２を生じさせる。
上記機体１の前進後退を繰り返してもよい。

第８工程（回収工程）
後側のフリッパ１０ｂを回動させて元の位置に戻し、上記第２駆動部４２の油圧シリンダ４６を駆動することにより、図８Ｆに示すように採取筒４１を上昇させる。この際、突起４１ｂが地質サンプル５５に食い込んでいること、および係止片４１ｃが地質サンプル５５に食い込んでいることにより、地質サンプル５５は採取筒４１に収容されたまま脱落せずに環状溝５０から引き上げることができる。
第９工程
最後に、昇降台２１を上昇させる。

上記実施形態において、フリッパ１０ａ，１０ｂの駆動により機体１を前進または後退させたり、前進・後退を繰り返すだけで、地質サンプル予定部５１にモーメントを付与してもよい。
さらに、機体を水中で移動させるためのスラスタ２，３をモーメント付与機構として用いてもよい。すなわち、これらスラスタ２，３を駆動することにより、地質サンプル予定部５１にモーメントを付与してもよい。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。これら実施形態において先行する実施形態に対応する構成部には同番号を付してその詳細な説明を省略する。
図１１に示す第２実施形態では、機体１の昇降台２２（図１参照）またはこの昇降台２２に固定された支持台６０の前面に左右に水平に延びる複数のガイドレール６１が上下に離間して固定されている。このガイドレール６１には、移動台６２が左右方向にスライド可能に支持されている。この移動台６２は、油圧シリンダ等の移動台駆動機構６３により、図示の第１位置から、それより右側に所定距離離れた第２位置までの間で移動されるようになっている。

上記移動台６２には、掘削部３０と採取部４０が左右に離れて設けられている。掘削部３０の掘削筒３１の中心軸線と採取部４０の採取筒４１の中心軸線との間の距離Ｄは、上記移動台６２の第１位置と第２位置との間の移動ストロークと等しい。

上記第２実施形態では、上記移動台６２が上記第１位置にある時に、掘削筒３１で掘削を行うことにより環状溝５０を形成し、掘削終了後に移動台６２を第２位置まで移動させて採取筒４１を環状溝５０に対して位置決めする。これにより、機体１を移動させずに採取筒４１の位置決めを行うことができる。

図１２〜図１４に本発明の第３実施形態を示す。この実施形態において、上記掘削筒３１が、上記モータ３７の駆動により回転され、上記ボールねじ機構３６（移動機構）の駆動により上下動される点は、第１実施形態と同様である。

図１３に示すように、採取筒４１が掘削筒３１に同軸をなして収容されている点が、第１実施形態と大きく異なる。この採取筒４１の上端には軸部４１ｄが形成され、この軸部４１ｄが、軸受４９を介してコネクタ３９に回転可能に支持されている。このコネクタ３９は、モータ３７の出力軸３７ａを掘削筒３１の上端に固定するものである。これにより、モータ３７の回転は、掘削筒３１にのみ伝達され採取筒４１には伝達されない。

図１４に示すように、採取筒４１の下端は掘削筒３１の下端に取り付けられた掘削ビット３１ｂより上に位置している。採取筒４１の内径は複数の掘削ビット３１ｂの内接円の径より大きい。採取筒４１の下端部内周に設けられた突起４１ｂは、第１実施形態と同様に上記筒本体４１ａの内周のうち最も前方に位置する１箇所に配置され、掘削ビット３１ｂの内接円から図中符号Ｔで示す量だけ径方向内側に突出している。

上記第３実施形態では、第１実施形態の第１工程〜第３工程と同様にして、掘削筒３１の掘削ビット３１ｂが地盤を掘削し、円形の環状溝を形成するとともに、この環状溝の内側に円柱形状の地質サンプル予定部５１を形成する。第１実施形態と異なるのは、環状溝の形成過程で、採取筒４１も掘削筒３１と一緒に下降する点である。ただし、採取筒４１は地質サンプル予定部５１の外周に接しており回転しない。

環状溝を形成した後、掘削筒３１を引き上げずに、掘削筒３１と採取筒４１の２重管に第１実施形態と同様にモーメントを付与する。これにより、地質サンプル予定部５１の根元を破断して地質サンプルを得る。
その後で、ボールねじ機構３６（移動機構）を駆動して、掘削筒３１と採取筒４１の２重管を引き上げ、地質サンプルを回収する。

上記第３実施形態では、第１実施形態における、環状溝を形成した後の掘削筒３１の引き上げ、採取筒４１の位置決めおよび下降工程が不要となり、作業効率をさらに向上させることができる。

図１５に示す第４実施形態は、第１実施形態のクローラ構造のフリッパ１０ａ．１０ｂの代わりに、所定厚さのボードからなるフリッパ１０ａ’，１０ｂ’（モーメント付与機構）を用いる。このフリッパ１０ａ’，１０ｂ’は、第１実施形態と同様に回転中心Ｃａ，Ｃｂを中心に回動可能であり、クローラ構造のフリッパと同様の機体傾斜機能を果たすことができる。
なお、このフリッパ１０ａ’，１０ｂ’を第３実施形態で用いてもよい。

図１６Ａ〜１６Ｃに示す第５実施形態では、機体１の左右にクローラ７０（走行部）が装備されている。さらに機体１の前面には、第１実施形態と同様に掘削部と採取部（図示しない）が設けられている。

さらに機体１には、各クローラ７０の前方お呼び後方に油圧シリンダ７１，７２（モーメント付与機構）が装備されている。図１６Ａに示すように、これら油圧シリンダ７１，７２は垂直に配置され、そのロッド７１ａ、７２ａはクローラ７０による走行状態では後退位置にあり、クローラ７０の接地面より高く、走行の支障とはならない。

第１実施形態と同様にして環状溝に採取筒を差し込んだ後、図１６Ｂに示すように後側の油圧シリンダ７２を駆動して機体１を前に傾けることにより、採取筒にモーメントを付与し、地質サンプル予定部の根元を破断する。破断しない場合には図１６Ｃに示すように前側の油圧シリンダ７１を駆動させて機体１を後に一旦傾けた後で、再び図１６Ｂに示すように前側に傾ける。これを繰り返すことにより、地質サンプル予定部の根元を破断する。

本発明は上記実施形態に制約されず、種々採用可能である。
上記実施形態では突起は採取筒の下端部内周において最も前方の１か所に配置したが、この最前方位置及び／又はこの最前方位置から所定角度（９０°未満）離れた複数箇所に配置してもよい。

突起を採取筒の下端部内周において、最後方位置及び／又はこの最後方位置から所定角度（９０°未満）離れた複数箇所に向けてもよい。この場合には、採取筒に付与するモーメントの方向は第１実施形態とは逆になる。
また、突起は採取筒の左右いずれかに配置してもよい。この場合には機体を左右に傾けることにより採取筒にモーメントを付与する。

上記突起は種々の形状を採用可能である。例えば、１か所だけにエッジまたは尖点部を有していてもよい。この場合には、採取筒に付与されるモーメントにより、地質サンプル予定部の上端部を支点として突起に押圧力を付与する。採取筒は遊びをもって環状溝に差し込んでもよい。突起は全周にわたって複数箇所、あるいは採取筒内周に環状に形成してもよい。
モーメントが大きい場合には、突起はエッジや尖点部を有さなくてもよい。

採取筒へのモーメントの付与は、走行部による前進または後退だけで行ってもよい。また、機体に設けた揺動機構で採取筒を揺動させることにより、モーメントを付与してもよい。
第１、第２実施形態では、地質サンプル予定部の根元より浅い位置で地質サンプル予定部を破断してもよい。
採取筒の係止片は筒本体と別体であってもよい。
また、係止片を省いてもよい。この場合、突起のみで地質サンプルを保持する。
本発明は、陸上の地質サンプルを採取する場合にも用いることができる。また、地盤は廃棄部の堆積により構成された山であってもよい。

本発明は、地質サンプルを採取するために用いることができる。

Claims (17)

1. 機体（１）と、上記機体に装備された掘削筒（３１）および採取筒（４１）と、を備え、上記採取筒が、円筒形状の筒本体（４１ａ）とその下端部内周に設けられた突起（４１ｂ）とを有する採取装置を用意する工程と、
   地盤を上記掘削筒（３１）で掘ることにより、円形の環状溝（５０）を形成し、この環状溝の径方向内側に円柱形状の地質サンプル予定部（５１）を形成する掘削工程と、
   上記採取筒（４１）を上記環状溝（５０）に差し込んだ状態で、上記採取筒の上記地盤から突出した部位を介して、上記採取筒にモーメントを付与することにより、上記突起（４１ｂ）を上記地質サンプル予定部（５１）に押し当て、上記地質サンプル予定部を破断して地質サンプル（５５）を得る破断工程と、
   上記地質サンプル（５５）を上記採取筒（４１）内に保持したまま、上記採取筒を引き上げる回収工程と、
   を備えたことを特徴とする地質サンプル採取方法。
2. 上記破断工程において、上記採取筒（４１）の筒本体（４１ａ）の内周面が、上記地質サンプル予定部（５１）の上端部において上記突起（４１ｂ）と径方向反対側に位置する当接部位に当たり、上記モーメントがこの当接部位を支点として働くことにより、上記突起を上記地質サンプル予定部に押し当てることを特徴とする請求項１に記載の地質サンプル採取方法。
3. 上記破断工程において、上記突起（４１ｂ）の上側エッジ（４１ｘ）と下側エッジ（４１ｙ）を上記地質サンプル予定部（５１）に当てた状態で、上記モーメントが、上記突起の上側エッジを支点としその下側エッジを作用点して働くことにより、上記突起の下側エッジからの押圧力で上記地質サンプル予定部を破断することを特徴とする請求項２に記載の地質サンプル採取方法。
4. 上記採取筒（４１）の筒本体（４１ａ）には、上記突起（４１ｂ）より上方の位置において係止片（４１ｃ）が設けられ、この係止片は上方に進むにしたがって上記筒本体の内周から中心軸線に近づくように傾斜するとともに弾性変形可能であり、
   上記回収工程で、上記係止片（４１ｃ）が上記地質サンプル（５５）の周面に食い込んで、上記地質サンプルの上記採取筒（４１）からの脱落を防ぐことを特徴とする請求項１に記載の地質サンプル採取方法。
5. 上記掘削工程に先立ち、機体（１）を遠隔操作して目的地まで移動させる機体移動工程をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の地質サンプル採取方法。
6. 機体（１）と、この機体に装備された掘削筒（３１）と、上記機体に装備され上記掘削筒に対して離間し平行をなす採取筒（４１）と、上記掘削筒を回転させる回転駆動機構（３７）と、上記掘削筒を上下移動させる第１移動機構（３６）と、上記採取筒を上下移動させる第２移動機構（４６）と、上記採取筒にモーメントを付与するモーメント付与機構（１０ａ，１０ｂ；１０ａ’，１０ｂ’；７１，７２）とを備え、
   上記掘削筒（３１）は、筒本体（３１ａ）と、この筒本体の下端に取り付けられた複数の掘削ビット（３１ｂ）とを備え、
   上記採取筒（４１）は、筒本体（４１ａ）と、この筒本体の下端部内周に設けられた突起（４１ｂ）とを備え、
   上記掘削筒（３１）は上記回転駆動機構（３７）により回転しながら上記第１移動機構（３６）により下方に移動することにより、地盤に円形の環状溝（５０）と、この環状溝の径方向内側の円柱形状の地質サンプル予定部（５１）を形成し、
   上記採取筒（４１）は、上記第２移動機構（４６）により下方に移動して上記環状溝（５０）に差し込まれ、
   上記モーメント付与機構（１０ａ，１０ｂ；１０ａ’，１０ｂ’；７１，７２）は、上記環状溝（５０）に差し込まれた上記採取筒（４１）の地盤より上方に位置する部位を介して上記採取筒に上記モーメントを付与することにより、上記突起（４１ｂ）を上記地質サンプル予定部（５１）に押し当て、上記地質サンプル予定部を破断して地質サンプル（５５）を得ることを特徴とする地質サンプル採取装置。
7. さらに、上記機体（１）に設けられた走行部（１０ａ，１０ｂ）を備え、この走行部により、上記機体を移動させて上記採取筒（４１）を上記環状溝（５０）に位置決めすることを特徴とする請求項６に記載の地質サンプル採取装置。
8. 上記機体（１）に、水平移動可能に移動台（６２）が設けられるとともに、この移動台を駆動する移動台駆動機構（６３）が設けられ、
   上記移動台（６２）に、上記掘削筒（３１）および上記採取筒（４１）がその軸線を垂直にして上記移動台の移動方向に離間して設けられ、
   上記移動台駆動機構（６３）は、上記掘削筒（３１）により上記環状溝（５０）を形成した後で上記移動台（６２）を上記掘削筒の軸線と上記採取筒（４１）の軸線の離間距離だけ移動させることにより、上記採取筒を上記環状溝に位置決めすることを特徴とする請求項６に記載の地質サンプル採取装置。
9. 上記採取筒（４１）の筒本体（４１ａ）は、その外径が上記掘削ビット（３１ｂ）の外接円の径より小さく、その内径が上記掘削ビットの内接円の径より大きく、
   さらに、上記採取筒（４１）における上記突起（４１ｂ）を含む下端部の内接円の径が、上記掘削ビットの内接円の径と等しいか小さいことを特徴とする請求項６に記載の地質サンプル採取装置。
10. 機体（１）と、この機体に装備された掘削筒（３１）と、この掘削筒内に同軸をなして収容された採取筒（４１）と、上記採取筒を回転させずに掘削筒のみを回転させる回転駆動機構（３７）と、上記掘削筒および採取筒を一緒に上下移動させる移動機構（３６）と、上記採取筒にモーメントを付与するモーメント付与機構（１０ａ，１０ｂ；１０ａ’，１０ｂ’；７１，７２）とを備え、
    上記掘削筒（３１）は、筒本体（３１ａ）と、この筒本体の下端に取り付けられた複数の掘削ビット（３１ｂ）とを備え、
    上記採取筒（４１）は、下端が上記掘削ビットより上に位置する筒本体（４１ａ）と、この筒本体の下端部内周に設けられた突起（４１ｂ）とを備え、
    上記掘削筒（３１）は上記回転駆動機構（３７）により回転しながら上記移動機構（３６）により下方に移動することにより、地盤に円形の環状溝（５０）と、この環状溝の径方向内側の円柱形状の地質サンプル予定部（５１）を形成し、
    上記モーメント付与機構（１０ａ，１０ｂ；１０ａ’，１０ｂ’；７１，７２）は、上記環状溝（５０）に差し込まれた上記掘削筒（３１）および採取筒（４１）の地盤より上方に位置する部位を介して上記採取筒に上記モーメントを付与することにより、上記突起（４１ｂ）を上記地質サンプル予定部（５１）に押し当て、上記地質サンプル予定部を破断して地質サンプル（５５）を得ることを特徴とする地質サンプル採取装置。
11. 上記採取筒（４１）の突起（４１ｂ）が、上記掘削筒（３１）の掘削ビット（３１ｂ）の内接円から径方向内方向に突出していることを特徴とする請求項１０に記載の地質サンプル採取装置。
12. 上記モーメント付与機構（１０ａ，１０ｂ；１０ａ’，１０ｂ’；７１，７２）は、上記機体（１）の傾斜角度を変えることにより上記採取筒（４１）に上記モーメントを付与することを特徴とする請求項６または１０に記載の地質サンプル採取装置。
13. 上記突起（４１ｂ）が上記採取筒（４１）の下端部内周において、前後の少なくとも一方に設けられ、
    上記モーメント付与機構は、上記機体（１）の前部左右と後部左右に設けられた４つのフリッパ（１０ａ，１０ｂ；１０ａ’，１０ｂ’）を有し、少なくとも前後いずれかに位置する上記フリッパを回動させることにより、上記機体の傾斜角度を変えて、上記採取筒（４１）に上記モーメントを付与することを特徴とする請求項１２に記載の地質サンプル採取装置。
14. 上記突起（４１ｂ）が上記採取筒（４１）の下端部内周において、前後の少なくとも一方に設けられ、
    上記モーメント付与機構は上記機体（１）に装備された走行部（１０ａ，１０ｂ）を有し、この走行部により上記機体を前後いずれかの方向に移動させることにより、上記採取筒（４１）に上記モーメントを付与することを特徴とする請求項６または１０に記載の地質サンプル採取装置。
15. 上記突起（４１ｂ）は、その上下にエッジ（４１ｘ、４１ｙ）を有することを特徴とする請求項６または１０に記載の地質サンプル採取装置。
16. 上記採取筒（４１）の筒本体（４１ａ）には、上記突起（４１ｂ）より上方の位置において係止片（４１ｃ）が設けられ、この係止片は上方に進むにしたがって上記筒本体の内周から中心軸線に近づくように傾斜するとともに弾性変形可能であることを特徴とする請求項６または１０に記載の地質サンプル採取装置。
17. さらに、上記機体（１）に設けられた水中スラスタ（２，３）を備えたことを特徴とする請求項６または１０に記載の地質サンプル採取装置。

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