回転機構および掘削機
【課題】駆動系の回転ぶれや振動を低減し、駆動系のコストを低減した上でほぼ多角形状の軌跡をなす機構を実現する。
【解決手段】所定の固定中心線Ｐを中心とした環状の内周部３１１を有する固定の軸受３１、固定中心線に平行な所定の移動中心線Ｇを中心とした内周部３２１および外周部３２２を有して外周部を軸受の内周部に当接係合して軸受に内装した環状軸３２、固定中心線を回転中心として回転可能に設けてあって環状軸の内周部に対して外周部３３１を当接係合した回転軸３３、移動中心線を中心に回動する態様で環状軸に内装してあるとともに回転軸を支持して当該回転軸の外周部と環状軸の内周部との係合を保持する保持部材３７、回転軸を回転駆動する駆動部、および固定中心線を中心とした所望の正多角形状の輪郭内で正多角形状の角数から１減らした数をもって環状軸に設け移動中心線から放射方向に等角度に同じ長さで延在した羽根部材２１を備える。
【解決手段】所定の固定中心線Ｐを中心とした環状の内周部３１１を有する固定の軸受３１、固定中心線に平行な所定の移動中心線Ｇを中心とした内周部３２１および外周部３２２を有して外周部を軸受の内周部に当接係合して軸受に内装した環状軸３２、固定中心線を回転中心として回転可能に設けてあって環状軸の内周部に対して外周部３３１を当接係合した回転軸３３、移動中心線を中心に回動する態様で環状軸に内装してあるとともに回転軸を支持して当該回転軸の外周部と環状軸の内周部との係合を保持する保持部材３７、回転軸を回転駆動する駆動部、および固定中心線を中心とした所望の正多角形状の輪郭内で正多角形状の角数から１減らした数をもって環状軸に設け移動中心線から放射方向に等角度に同じ長さで延在した羽根部材２１を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ほぼ多角形状の軌跡をなす回転機構、および当該回転機構を用いて地盤などを掘削する掘削機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的な掘削機は、回転機構によってカッタヘッドを回転させて当該カッタヘッドで地盤を掘削するものが知られている。このような掘削機は、カッタヘッドが所定の中心を以て回転することから必然的に断面形状が円形になる。しかし、鉄道や道路などのトンネル利用空間は、断面形状がほぼ矩形であることが多く、上記円形の掘削断面内にほぼ矩形の鉄道や道路などの空間を構築する。このため、利用空間以上の掘削を行うことになるので、用地面積が多く必要となることに加えて建設費が嵩むという問題がある。
【０００３】
従来、ルーロー三角形なるルーロー三角形回転体に切削用バイトを設け、当該ルーロー三角形回転体を回転することで、被加工物に正方形状の穴明けを行う正方形穴明け加工装置がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
他に、加工部材をその中心周りに回転自在に加工部材自転支持装置に取り付け、当該加工部材自転支持装置を加工部材公転支持装置に取り付けた掘削機がある。加工部材には、中心と同芯状のほぼ正三角形の各頂点とその内方に掘削刃を設けて掘削作用面が形成してある。加工部材自転支持装置は、加工部材を前記正三角形の一辺の（（１／２）／ｃｏｓ３０°−（１／２））倍の半径で中心が回転するように加工部材公転支持装置に取り付けてある。そして、加工部材を自転させながらその自転方向とは逆の方向に３倍公転させる駆動手段を設けてある（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
また他に、正三角形の各頂点を中心とし、その一辺の長さを半径とする円弧を各対辺の外側に描き、これらの３つの円弧により囲まれたルーロー三角形を外形とするカッタを、矩形状スキンプレートの中心軸の回りに公転させながら自転させて掘削する矩形シールド工法がある。スキンプレートの中心軸に対するカッタの回転軸の偏心距離は、（Ｌ／２）／ｃｏｓ３０°−（Ｌ／２）を満足するように設定してある（Ｌ：ルーロー三角形の頂点間の距離）。また、カッタの公転数は自転数の３倍で、公転方向と自転方向が逆方向である（例えば、特許文献３参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２６７９５０号公報
【特許文献２】特開平１−１５８１９６号公報
【特許文献３】特許第２９２６１２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、ルーロー三角形を利用して略矩形状に掘削を行う場合には、ルーロー三角形をその重心を中心として回転させ、かつルーロー三角形の重心を正方形の中心の周りに公転させる必要がある。
【０００８】
特許文献１の発明は、モータのトルクを伝達する軸と、ルーロー三角形回転体の重心の軸とを自在継手で連結してある。しかし、この構成では駆動伝達系に回転ぶれや振動が生じることになり、さらに大きなトルクが必要となる掘削機では自在継手は高価であり製造コストが嵩む。
【０００９】
特許文献２の発明では、モータからのトルクをクランク軸によって加工部材に伝達して公転装置を構成してある。しかし、クランク軸にせん断力や曲げモーメントが生じて回転ぶれや振動の原因となる。さらに、特許文献２の発明では、正方形の枠を用いることなくルーロー三角形を公転させているが、ルーロー三角形を公転させる半径が正三角形の一辺の（（１／２）／ｃｏｓ３０°−（１／２））倍に設定してある。しかし、この場合では、掘削されるほぼ矩形状の断面の各辺が孔の内側に向けて凹状に形成されることになる。このように掘削された掘削孔は、力学的に強度が低下するため好ましくない。
【００１０】
特許文献３の発明は、矩形状スキンプレートの中心に公転駆動盤を設けてこの公転駆動盤にカッタ回転軸を設けてある。そして、公転駆動盤を回転させるモータと、カッタ回転軸を回転させるモータを設けてある。しかし、カッタ回転軸を回転させるモータは、公転駆動盤に設けてあるため、配線や配管の処理を十分検討して設計する必要がある。さらに、各モータの回転数や回転方向を調整してそれぞれ同期させる必要がある。この結果、設計コストが嵩む。さらに、特許文献３の発明では、カッタ回転軸の中心と公転駆動盤の中心との偏心距離は、（Ｌ／２）／ｃｏｓ３０°−（Ｌ／２）としてある。しかし、この場合では、上述した特許文献２の発明と同様に掘削されるほぼ矩形状の断面の各辺が孔の内側に向けて凹状に形成されることになり好ましくない。
【００１１】
このように、ほぼ矩形状の軌跡をなすためにルーロー三角形の原理を利用した回転機構についての出願はあるものの、いずれも円滑な駆動を実現するものはない。また、大きなトルクが必要である掘削機においては、正方形枠は掘削孔内で大きなスペースを要することから正方形枠のない機構が望まれている。さらに、矩形状の掘削に限らず矩形状を含む多角形状の軌跡をなす回転機構、および当該回転機構を用いた掘削機を実現するものはない。
【００１２】
本発明は、上記実情に鑑みて、正方形枠など枠体を要することなく駆動系の回転ぶれや振動を低減するとともに駆動系のコストを低減した上でほぼ多角形状の軌跡をなす回転機構、および当該回転機構を用いて力学的に強度を有するほぼ多角形状の断面の掘削を実現することができる掘削機を提供することを目的とする。さらに、本発明は、正方形枠を要することなくルーロー三角形の原理を用いて、駆動系の回転ぶれや振動を低減するとともに駆動系のコストを低減し、また力学的に強度を有するほぼ矩形状の断面の掘削を実現することができる掘削機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係る回転機構は、所定の固定中心線を中心とした環状の内周部を有する固定の軸受と、前記固定中心線に平行な所定の移動中心線を中心とした内周部および外周部を有して環状に形成してあってその外周部を前記軸受の内周部に当接係合して前記軸受に内装した環状軸と、前記固定中心線を回転中心として回転可能に設けてあって前記環状軸の内周部に対して自身の外周部を当接係合した回転軸と、前記移動中心線を中心に回動する態様で前記環状軸に内装してあるとともに前記回転軸を支持して当該回転軸の外周部と前記環状軸の内周部との係合を保持しつつ前記軸受の内周部と前記環状軸の外周部との係合を保持する保持部材と、前記回転軸を回転駆動する駆動部と、前記固定中心線を中心とした所望の正多角形状の輪郭内で当該正多角形状の角数から１つ減らした数をもって前記環状軸に設けてあって前記移動中心線から放射方向に延在しつつ等角度に同じ長さで配置した羽根部材とを備えたことを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項２に係る回転機構は、上記請求項１において、前記軸受の内周部の半径を［Ｒ］、前記環状軸の外周部の半径を［Ｒ’］、前記移動中心線からの羽根部材の長さを［Ｌ］として、正ｎ角形状を所望とする場合に、ｎ≧３、Ｒ：Ｒ’＝ｎ：（ｎ−１）、Ｌ≧Ｒ×（ｎ＋１）／ｎと設定したことを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項３に係る掘削機は、請求項１または２に記載の回転機構を用いて、前記軸受を支持するとともに前記駆動部を内部に配置した筒状の胴部と、前記羽根部材にカッタを配設した掘削カッタとを備えたことを特徴とする。
【００１６】
上記の目的を達成するために、本発明の請求項４に係る掘削機は、所定の固定中心線を中心とした環状の内周部を有する固定の軸受と、所定の移動中心線を中心とした内周部および外周部を有して環状に形成してあってその外周部を前記軸受の内周部に当接係合して前記軸受に内装した環状軸と、前記固定中心線を回転中心として回転可能に設けてあって前記環状軸の内周部に対して自身の外周部を当接係合した回転軸と、前記移動中心線上に設けてあって前記回転軸の外周部に対して自身の外周部を当接係合した中心軸と、前記回転軸と同じ外周部を有して当該外周部を前記環状軸の内周部および前記中心軸の外周部に当接係合した複数の従動軸と、前記回転軸を回転駆動する駆動部と、前記環状軸に設けてあって前記移動中心線上に中心を置いたルーロー三角形状の範囲内で少なくとも中心と頂点とを結ぶ延長線に沿って配置した掘削カッタとを備えたことを特徴とする。
【００１７】
本発明の請求項５に係る掘削機は、上記請求項４において、前記回転軸の中心から前記中心軸の中心に至る距離を［ｒ］として前記軸受の内周部の直径を［８ｒ］、前記環状軸の外周部の直径を［６ｒ］、および前記環状軸の内周部の直径を［回転軸の直径＋２ｒ］と設定し、かつ、前記掘削カッタのルーロー三角形の外幅を［ａ］として前記掘削カッタを配置するルーロー三角形状の中心と頂点とを結ぶ延長線を［０．５ａ＋ｒ］と設定したことを特徴とする。
【００１８】
本発明の請求項６に係る掘削機は、上記請求項５において、前記回転軸の中心から前記中心軸の中心に至る距離［ｒ］を、前記掘削カッタにおけるルーロー三角形の外幅［ａ］の６％〜８％として偏心量に設定したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、駆動部の駆動力を回転軸に伝達することによって、回転軸が軸受の固定中心線を中心として回転する。すると、回転軸の外周部に係合する環状軸が移動中心線を中心として回転軸と同方向に回転する。また、移動中心線を中心として回転する環状軸は、その外周部が軸受の内周部に係合しているため、当該軸受の内周部に沿って軸受の固定中心線の周りに回転軸と逆方向に輪転運動（公転）することになる。このため、環状軸に設けた羽根部材は、環状軸の輪転運動に伴ってその先端が移動する。移動する羽根部材の先端は、ほぼ正多角形状の軌跡をなすことができる。そして、羽根部材にカッタを配設した掘削カッタを備えた掘削機とすれば、ほぼ正多角形状の掘削孔を掘削することができる。
【００２０】
また、回転軸が軸受の固定中心線を中心として回転駆動され、かつ、環状軸が回転軸の回転に伴って保持部材に保持された形態で移動中心線を中心として回転する。この結果、回転軸が軸受の固定中心線上でその軸心がずれることなく回転するため、回転ぶれや振動を低減することができる。また、環状軸が回転軸の回転に伴って保持部材に保持された形態で移動中心線を中心として回転するため、回転軸と環状軸との間に従前の自在継手を要することがないので、自在継手に係るコストを低減することが可能になる。
【００２１】
また、回転機構は、軸受の内周部の半径を［Ｒ］、環状軸の外周部の半径を［Ｒ’］、移動中心線からの羽根部材の長さを［Ｌ］として、正ｎ角形状を所望とする場合に、ｎ≧３、Ｒ：Ｒ’＝ｎ：（ｎ−１）、Ｌ≧Ｒ×（ｎ＋１）／ｎと設定してある。この結果、ほぼ正多角形状の軌跡は、各辺が平行もしくは外側に向けて凸状に形成することができる。また、羽根部材の長さを［Ｌ］の値を大きくするにしたがって円形に近い正多角形状の軌跡となる。そして、この軌跡を掘削機で掘削すれば力学的に強度を有する掘削孔を得ることができる。なお、移動中心線、固定中心線、羽根部材の先端が、この順で一直線上に並ぶときには、羽根部材の先端は正多角形状の一辺の中央にあり、かつ、当該辺と上記一直線とは直交する。
【００２２】
本発明に係る掘削機は、回転軸が軸受の固定中心線を中心として回転駆動され、かつ、環状軸が回転軸の回転に伴って回転軸、中心軸および従動軸に支持された形態で移動中心線を中心として回転する。この結果、回転軸が固定中心線上でその軸心がずれることなく回転するため、回転ぶれや振動を低減することができる。また、環状軸が回転軸の回転に伴って回転軸および従動軸に支持された形態で移動中心線を中心として回転する。このため、回転軸と環状軸との間に従前の自在継手を要することがないので、自在継手に係るコストを低減することができ、さらにルーロー三角形およびこれに外接する正方形枠を必要とせずにほぼ矩形断面の掘削孔を掘削することができる。
【００２３】
また、上述した掘削機は、回転軸の中心（固定中心線）から中心軸の中心（移動中心線）に至る距離を［ｒ］として軸受の内周部の直径を［８ｒ］、環状軸の外周部３２２の直径を［６ｒ］、および環状軸の内周部の直径を［回転軸の直径＋２ｒ］と設定し、かつ、掘削カッタにおけるルーロー三角形の外幅（掘削される正方形断面の一辺）を［ａ］として掘削カッタ２を配置するルーロー三角形状の中心（移動中心線）と頂点とを結ぶ延長線長さを［０．５ａ＋ｒ］と設定し、この延長線上に回転軸の中心が位置するときの延長線方向を正方形の一辺の方向と一致させることによって、理想的なほぼ矩形断面の掘削孔を掘削することができる。
【００２４】
また、上述した掘削機は、回転軸の中心（固定中心線）から中心軸の中心（移動中心線）に至る距離［ｒ］を、掘削カッタにおけるルーロー三角形の外幅［ａ］の６％〜８％として偏心量に設定したことによって、掘削された掘削孔は、ほぼ矩形状の断面の各辺が平行もしくは掘削孔の外側に向けて凸状に形成されるため、力学的に強度を有するものとなる。また、偏心量を適宜変更することで、必要に応じたほぼ矩形断面の掘削孔を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
［実施の形態１］
以下に添付図面を参照して、本発明に係る回転機構および掘削機の好適な実施の形態１を詳細に説明する。なお、この実施の形態１によりこの発明が限定されるものではない。
【００２６】
図１は本発明に係る回転機構を用いた掘削機の実施の形態１を示す概略側面図、図２は図１に示す回転機構を軸方向（前方向）から視た概念図、図３は図１に示す回転機構の分解斜視図である。
【００２７】
図１に示すように掘削機は、胴部１と掘削カッタ２とを備えている。胴部１は、掘削カッタ２を支持しつつ掘削カッタ２を駆動するものであって、掘削機の外郭をなし、筒状とした内部に回転機構３を有している。
【００２８】
回転機構３は、軸受３１、環状軸３２、回転軸３３、保持部材３７および駆動部３６を有している。
【００２９】
軸受３１は、胴部１に固定してあり、胴部１の前後方向に沿って配置した所定の固定中心線Ｐを中心として環状の内周部３１１を有している。
【００３０】
環状軸３２は、固定中心線Ｐと平行にして胴部１の前後方向に沿って配置した所定の移動中心線Ｇを中心とした内周部３２１および外周部３２２を有してほぼ円環状に形成してある。この環状軸３２は、軸受３１の環状内に内装してあり、その外周部３２２を軸受３１の内周部３１１に対して当接係合してある。なお、環状軸３２は、内周部３２１および外周部３２２を一体に有した環状体、あるいは内周部３２１を有した管体と外周部３２２を有した管体とを組み合わせた構成とすることができる。
【００３１】
回転軸３３は、軸受３１の固定中心線Ｐを回転中心として回転可能に胴部１に支持してある。この回転軸３３は、環状軸３２の環状内に内装してあり、ほぼ円柱状の外周部３３１を環状軸３２の内周部３２１に対して当接係合してある。
【００３２】
保持部材３７は、環状軸３２の内周とほぼ同じ外周を有して所定厚さの円板状に形成してあり、環状軸３２の内周に摺接して移動中心線Ｇを中心に回動する態様で環状軸に内装してある。また、保持部材３７には、固定中心線Ｐを中心として回転軸３３の外周とほぼ同じ内周を有した挿通孔３７１が偏心して設けてある。この挿通孔３７１には、回転軸３３が回動可能に挿通支持してある。すなわち、保持部材３７は、回転軸３３を回動可能に挿通して回転軸３３の外周部３３１と環状軸３２の内周部３２１との係合を常に保持する。
【００３３】
駆動部３６は、回転軸３３を回転させるものであり、例えばモータなど胴部１に設けた駆動源からなる。なお、駆動部３６は、図には明示しないが駆動源と回転軸３３との間に適宜減速機構を有していてもよい。
【００３４】
なお、軸受３１と環状軸３２との係合、環状軸３２と回転軸３３との係合には、例えば歯車の噛合による係合がある。あるいは、高摩擦材などを介して接触滑りが防止された係合であってもよい。
【００３５】
掘削カッタ２は、胴部１の前側に延出した環状軸３２の前端に設けてある羽根部材２１からなる。羽根部材２１は、固定中心線Ｐを中心とした所望の正多角形状の輪郭内で当該正多角形状の角数から１つ減らした数をもって環状軸３２に設けてあって、移動中心線Ｇから放射方向に延在しつつ等角度に同じ長さで配置してある。例えば、図２に示すように所望の正多角形状が正四角形である場合には、羽根部材は３つであり、固定中心線Ｐを中心とした正四角形の輪郭に先端Ｔを当接するようにして、移動中心線Ｇから放射方向に延在しつつ等角度に同じ長さで配置してある。そして、羽根部材の前面に掘削ビット（図示せず）を設けることによって掘削カッタ２が構成される。また、移動中心線Ｇ、固定中心線Ｐおよび掘削カッタ２の先端Ｔを、この順序で一直線上に並べた場合、掘削カッタ２の先端Ｔは、所望の正多角形状の１辺の中央にあり、この辺と前記一直線は直交する。
【００３６】
ここで、上記軸受３１、環状軸３２、回転軸３３、および掘削カッタ２（羽根部材２１）に係る寸法設定について説明する。図２に示すように軸受３１の内周部３１１の半径を［Ｒ］、環状軸３２の外周部３２２の半径を［Ｒ’］、移動中心線Ｇからの羽根部材２１の長さを［Ｌ］として、正ｎ角形状を所望とする場合に、ｎ≧３、Ｒ：Ｒ’＝ｎ：（ｎ−１）、Ｌ≧Ｒ×（ｎ＋１）／ｎと設定する。固定中心線Ｐから移動中心線Ｇに至る偏心量［ｒ］は、ｒ＝Ｒ−Ｒ’となる。
【００３７】
上記構成の掘削機は、回転機構３において駆動部３６の駆動力を回転軸３３に伝達することによって、回転軸３３が軸受３１の固定中心線Ｐを中心として回転（例えば図２における時計回り方向）する。すると、回転軸３３の外周部３３１に係合する環状軸３２が移動中心線Ｇを中心として回転軸３３と同方向（例えば図２における時計回り方向）に回転する。このとき、保持部材３７は、移動中心線Ｇを中心に回動するとともに、回転軸３３の回動を許容することによって回転軸３３の外周部３３１と環状軸３２の内周部３２１との係合を常に保持する。すなわち、環状軸３２は、回転軸３３の回転に伴って、保持部材３７に保持された形態で移動中心線Ｇを中心として回転する。さらに、移動中心線Ｇを中心として回転する環状軸３２は、その外周部３２２が軸受３１の内周部３１１に係合しているため、当該軸受３１の内周部３１１に沿って軸受３１の固定中心線Ｐの周りに回転軸３３と逆方向（例えば図２における反時計回り方向）に輪転運動（公転）することになる。このため、環状軸３２に設けた掘削カッタ２（羽根部材２１）は、環状軸３２の輪転運動に伴って自転および公転移動する。移動する掘削カッタ２の先端Ｔは、所望の正多角形状（正ｎ角形状）の軌跡をなす。
【００３８】
具体的には、正四角形状（ｎ＝４）について図４〜図８に例示するように、環状軸３２が固定中心線Ｐを中心に１回転公転すると、当該環状軸３２は移動中心線Ｇの周りに１／３自転する。したがって、図４〜図８における掘削カッタ２の先端Ｔ（Ａ，Ｂ，Ｃ）の移動位置で示すように掘削カッタ２も同様に公転および自転し、図８に示すようにほぼ正四角形（正方形）状の軌跡をなす。この結果、ほぼ正四角形の断面の掘削孔Ｈを掘進することが可能になる。この掘削孔Ｈは、一般的な断面円形の掘削孔と比較して、不要な空間を掘削せずに利用空間のみの掘削で得られるため、必要以上の用地面積を要さないことに加えて建設費を低減することが可能になる。
【００３９】
さらに、掘削カッタ２を設けた環状軸３２は、保持部材３７によって保持された形態で公転および自転する構成であるため、従前のようにルーロー三角形の外幅を一辺とする正方形枠にルーロー三角形状の軸を支持して回転させる必要がない。すなわち、正方形枠が必要ない。このため、掘進した掘削孔Ｈの断面形状に対して、掘削機の胴部１の前面視の輪郭を小さく形成することが可能になる。この結果、掘削カッタ２が先行して掘進した掘削孔Ｈに胴部１が通過できるので、掘削断面がほぼ矩形状の掘削孔Ｈの掘進を行う掘削機を得ることが可能になる。この掘削機は、上記のごとく簡素な機構でほぼ矩形状の断面の掘削孔Ｈを掘進するため、故障が起こり難く信頼性が高く、コストが嵩むことがない。
【００４０】
なお、上記構成の掘削機によって掘削した掘削孔Ｈは、ほぼ矩形状の断面の角部が丸みを帯びることになる。丸みを帯びた断面ほぼ矩形状の掘削孔Ｈは、断面矩形状と比較して隅部への応力集中を緩和することができるので掘削に際して適している。
【００４１】
ところで、上記構成の掘削機において、複数の回転機構３を回転軸３３が平行となるように設け、相互の回転機構３の各掘削カッタ２の軌跡が前面視で重複する態様で隣接する相互の掘削カッタ２の位置を回転軸３３の軸方向でずらして配置する。このように構成すれば、ほぼ正四角形状の掘削断面を一連に連続したほぼ長方形状の掘削断面の掘削孔Ｈを得ることが可能になる。また、複数の回転機構３を回転軸３３が平行となるように設け、相互の回転機構３の掘削カッタ２の軌跡が前面視で重複する態様で配置する場合、隣接する各掘削カッタ２を同一面上に配置しつつ、隣接する各回転軸３３を逆方向に回転駆動する。このように構成しても、ほぼ正四角形状の掘削断面を一連に連続したほぼ長方形状の掘削断面の掘削孔Ｈを得ることが可能になる。
【００４２】
すなわち、ほぼ正四角形状の掘削断面である複数の掘削孔Ｈを一連に連続したほぼ長方形状の掘削断面の掘削を行うことが可能になる。また、各掘削カッタ２について相互の前面を同一面上に配置することによって、掘削した先端部を凹凸なく平らに掘進することが可能になる。
【００４３】
以下、上述した回転機構３における固定中心線Ｐから移動中心線Ｇに至る距離である偏心量［ｒ］について説明する。
【００４４】
上述したように、回転軸３３が回転した場合に、回転軸３３の外周部３３１に係合する環状軸３２が公転して、その中心である移動中心線Ｇを所定軌道で移動させる。そして、ほぼ正多角形状断面の掘削孔Ｈを掘削する場合には、掘削カッタ２を含む環状軸３２の中心である移動中心線Ｇに対する回転軸３３の中心（固定中心線Ｐ）の移動軌跡がほぼ円形で、その半径の偏心量ｒ＝Ｒ−Ｒ’は、以下の式から求めることができる。
【００４５】
すなわち、例えば所望の正六角形状（正ｎ角形状）の輪郭をなす掘削カッタ２（羽根部材２１）は、図９に示すように移動中心線Ｇから放射状に（ｎ−１）＝（６−１）＝５本である。そして、各掘削カッタ２（羽根部材２１）の相互の角度を２θとする。このθは、下記数１であらわされる。
【００４６】
【数１】
【００４７】
そして、正ｎ角形状の高さをＤ、掘削カッタ２の長さ（Ｇ〜Ｔ）をＬとすると、３辺がＬ，Ｌ，Ｄの二等辺三角形の余弦定理より、下記数２が得られる。
【００４８】
【数２】
【００４９】
すなわち、正ｎ角形状の高さＤは、下記数３に示すように正ｎ角形状の中心（固定中心線Ｐ）から辺中央までの長さの２倍となる。
【００５０】
【数３】
【００５１】
そして、高さＤの中心（固定中心線Ｐ）が回転中心とすると、移動中心線Ｇとの偏心量ｒ＝Ｒ−Ｒ’は、下記数４および数５で求められる。
【００５２】
【数４】
【００５３】
【数５】
【００５４】
なお、正多角形状の辺が内側に凹まないよう、Ｌをここで求めた値以上とする。また、正ｎ角形状の１辺の長さａは、下記数６で求められる。
【００５５】
【数６】
【００５６】
また、正ｎ角形状の頂点から中心までの長さ（外接円半径）ｂは、下記数７で求められる。
【００５７】
【数７】
【００５８】
このように、固定された軸受３１の内周部３１１の半径Ｒ、この内周部３１１に内接する環状軸３２の外周部３２２の半径Ｒ’から、偏心量ｒ＝Ｒ−Ｒ’を求め、数５〜数７で掘削カッタ２（羽根部材２１）の長さＬ、正ｎ角形状の１辺の長さａ、正ｎ角形状の外接円半径ｂが得られる。逆に、ａ、ｂを設定した場合には、数６または数７から偏心量ｒを求めて、数１からＬを求め、下記数８、数９および数１０からＲ，Ｒ’を求める。
【００５９】
【数８】
【００６０】
【数９】
【００６１】
【数１０】
【００６２】
なお、上述したように軸受３１の内周部３１１の半径Ｒと、環状軸３２の外周部３２２の半径Ｒ’の比率は、Ｒ：Ｒ’＝ｎ：（ｎ−１）とする。そして、固定中心線Ｐを原点として移動中心線Ｇの位置を定める。移動中心線Ｇからは、長さＬの掘削カッタ２（羽根部材２１）が延在する。そして、例えば図２に示す正ｎ角形状の横辺をＸ座標、縦辺をＹ座標とする座標系で、掘削カッタ２の先端Ｔの座標は、固定中心線Ｐ、移動中心線Ｇおよび掘削カッタ２の先端Ｔが直線上に並んだときからの移動中心線Ｇの回転角をφとすると、下記数１１および数１２から固定中心線Ｐを中心としたほぼ正ｎ角形状（図２の場合ほぼ正四角形状）が得られる。
【００６３】
【数１１】
【００６４】
【数１２】
【００６５】
以下、数５を適用した算定例であって、横辺をＸ座標、縦辺をＹ座標とする座標系において回転機構３を回転させたときの正多角形状の軌跡を見る。図１０は正三角形状の軌跡を示す図であり、単位をｍ（メートル）とする。ここでは、Ｒ＝６ｍ，Ｒ’＝４ｍ，Ｌ＝８．４ｍとし、偏心量ｒ＝２ｍとする。これにより、図１０に示す正三角形状断面の掘削孔Ｈが得られる。この結果、例えば上部を車道（２車線）、下部を下水道に利用する複合トンネルとなる。また、上記形状を上下逆向きにすることで、土被りの小さい箇所でも掘削地盤の崩壊を生じ難くできる。
【００６６】
図１１は正四角形状の軌跡を示す図であり、単位をｍ（メートル）とする。ここでは、Ｒ＝４ｍ，Ｒ’＝３ｍ，Ｌ＝８ｍとし、偏心量ｒ＝１ｍとする。これにより、図１１に示す正四角形状断面の掘削孔Ｈが得られる。この結果、例えば道路・鉄道などの有効空間を円形断面よりも小さい外径寸法のトンネルとなる。
【００６７】
図１２は正六角形状の軌跡を示す図であり、単位をｍ（メートル）とする。ここでは、Ｒ＝３ｍ，Ｒ’＝２．５ｍ，Ｌ＝１０ｍとし、偏心量ｒ＝０．５ｍとする。これにより、図１２に示す正六角形状断面の掘削孔Ｈが得られる。この結果、例えば立坑掘削機によって施工した正六角形状の孔を組み合わせてハニカム状の地中壁が得られる。
【００６８】
図１３は正八角形状の軌跡を示す図であり、単位をｍ（メートル）とする。ここでは、Ｒ＝２ｍ，Ｒ’＝１．７５ｍ，Ｌ＝９．５ｍとし、偏心量ｒ＝０．２５ｍとする。これにより、図１３に示す正八角形状断面の掘削孔Ｈが得られる。
【００６９】
なお、上記回転機構３は、移動中心線Ｇ、固定中心線Ｐおよび掘削カッタ２の先端Ｔを、この順序で直線上に並べた態様において、当該直線と直交する方向が所望とする正多角形状の１辺の方向となる。すなわち、所望とする正多角形状の軌跡の配置は、移動中心線Ｇ、固定中心線Ｐおよび掘削カッタ２の先端Ｔの位置設定によって決められる。掘削機の場合、移動中心線Ｇ、固定中心線Ｐおよび掘削カッタ２の先端Ｔの位置に合わせて設置角度を調整すれば、掘削孔Ｈの断面配置を設定できる。
【００７０】
このように、上述した回転機構３は、所定の固定中心線Ｐを中心とした環状の内周部３１１を有する固定の軸受３１と、固定中心線Ｐに平行な所定の移動中心線Ｇを中心とした内周部３２１および外周部３２２を有して環状に形成してあってその外周部３２２を軸受３１の内周部３１１に当接係合して軸受３１に内装した環状軸３２と、固定中心線Ｐを回転中心として回転可能に設けてあって環状軸３２の内周部３２１に対して自身の外周部３３１を当接係合した回転軸３３と、移動中心線Ｇを中心に回動する態様で環状軸３２に内装してあるとともに回転軸３３を支持して当該回転軸３３の外周部３３１と環状軸３２の内周部３２１との係合を保持しつつ軸受３１の内周部３１１と環状軸３２の外周部３２２との係合を保持する保持部材３７と、回転軸３３を回転駆動する駆動部３６と、固定中心線Ｐを中心とした所望の正多角形状の輪郭内で当該正多角形状の角数から１つ減らした数をもって環状軸３２に設けてあって移動中心線Ｇから放射方向に延在しつつ等角度に同じ長さで配置した掘削カッタ２（羽根部材２１）とを備えている。
【００７１】
そして、駆動部３６の駆動力を回転軸３３に伝達することによって、回転軸３３が軸受３１の固定中心線Ｐを中心として回転する。すると、回転軸３３の外周部３３１に係合する環状軸３２が移動中心線Ｇを中心として回転軸３３と同方向に回転する。また、移動中心線Ｇを中心として回転する環状軸３２は、その外周部３２２が軸受３１の内周部３１１に係合しているため、当該軸受３１の内周部３１１に沿って軸受３１の固定中心線Ｐの周りに回転軸３３と逆方向に輪転運動（公転）することになる。このため、環状軸３２に設けた掘削カッタ２（羽根部材２１）は、環状軸３２の輪転運動に伴ってその先端Ｔが移動する。移動する掘削カッタ２の先端Ｔは、所望の正多角形状の軌跡をなし、ほぼ正多角形状断面の掘削孔Ｈが得られる。
【００７２】
すなわち、回転機構３は、回転軸３３が軸受３１の固定中心線Ｐを中心として回転駆動され、かつ、環状軸３２が回転軸３３の回転に伴って保持部材３７に保持された形態で移動中心線Ｇを中心として回転する。この結果、回転軸３３が軸受３１の固定中心線Ｐ上でその軸心がずれることなく回転するため、回転ぶれや振動を低減することが可能になる。また、環状軸３２が回転軸３３の回転に伴って保持部材３７に保持された形態で移動中心線Ｇを中心として回転するため、回転軸３３と環状軸３２との間に従前の自在継手を要することがないので、自在継手に係るコストを低減することが可能になる。
【００７３】
さらに、環状軸３２が保持部材３７に保持された形態で移動中心線Ｇを中心として回転するため、従前の枠体を必要とせずにほぼ正多角形状の軌跡をなすことが可能になる。このため、掘進した掘削孔Ｈの断面形状に対して、掘削機の胴部１の前面視の輪郭を小さく形成することが可能になる。この結果、掘削カッタ２が先行して掘進した掘削孔Ｈに胴部１が通過できるので、ほぼ多角形状断面の掘削孔Ｈの掘進を行う掘削機を得ることが可能になる。
【００７４】
また、上記回転機構３は、軸受３１の内周部３１１の半径を［Ｒ］、環状軸３２の外周部３２２の半径を［Ｒ’］、移動中心線Ｇからの羽根部材２１の長さを［Ｌ］として、正ｎ角形状を所望とする場合に、ｎ≧３、Ｒ：Ｒ’＝ｎ：（ｎ−１）、Ｌ≧Ｒ×（ｎ＋１）／ｎと設定してある。この結果、掘削された掘削孔Ｈは、ほぼ正多角形状断面の各辺が平行もしくは掘削孔Ｈの外側に向けて凸状に形成されるため、力学的に強度を有するものとなる。また、必要に応じて、偏心量ｒ＝Ｒ−Ｒ’を小さく調整する、もしくは羽根部材２１の長さＬを長く調整することで、ほぼ多角形状断面の各辺が外側に向けて丸みを帯びた断面形状の掘削孔Ｈを得ることが可能である。
【００７５】
また、回転軸３３が固定中心線Ｐに位置して回転駆動されることから、その前端を掘削カッタ２の前側に延在して別の掘削カッタを装備することが可能である。この結果、ほぼ正多角形状断面の掘削孔Ｈを掘削する前に円形の補助掘削孔を掘削したり、掘削断面の途中までをほぼ正多角形状断面にしてその先を円形状断面とすることができる。また、回転軸３３の前端部に掘削ドリルを設ければ、掘削孔Ｈを掘削する前に削岩が可能になり、掘削の負荷を低減できる。
【００７６】
なお、掘削断面の途中までをほぼ正多角形状断面にしてその先を円形状断面とする場合、例えば、場所打ちコンクリート杭の杭頭のみをほぼ正方形断面にして、残りの下部を円形とする。このようにすることで、図１４に示すように基礎と接合される応力が大きい杭頭だけをほぼ正方形状断面として、Ｘ，Ｙ方向に配筋される基礎梁やマット配筋との干渉を避けつつ、杭頭に大量の主筋を配することが可能になる。また、ほぼ正方形状断面なので外周フープ１００だけでなく、断面中央部にトレミー管１０１のスペースを確保しつつ両端にフック１０２ａを有した中子フープ１０２を追加することで、せん断耐力を容易に増大させて杭頭部でのせん断破壊を防止することができる。従前の円形状断面の杭頭では、拡頭断面でもある程度の耐力増加はできたが、杭頭主筋配筋が円周上に並ぶことから基礎配筋との干渉問題があり、せん断耐力確保のために過大な杭頭断面積となる場合も多く、本実施の形態１ではこれらを根本的に解決する。
【００７７】
また、複数の回転機構３を回転軸３３が平行となるように設け、相互の回転機構３の各掘削カッタ２の軌跡が前面視で重複する態様で隣接する相互の掘削カッタ２の位置を回転軸３３の軸方向でずらして配置する。あるいは、隣接する各掘削カッタ２を同一面上に配置しつつ、隣接する各回転軸３３を逆方向に回転駆動する。このように構成すれば、ほぼ正多角形状の掘削断面を組み合わせて一連に連続した掘削断面の掘削孔Ｈを得ることが可能である。さらに、上記回転機構３と従前の円形掘削の回転機構とを組み合わせれば、多角形状の掘削断面と円形状の掘削断面とを組み合わせて一連に連続した掘削断面の掘削孔Ｈを得ることが可能である。なお、各掘削カッタ２について相互の前面を同一面上に配置すれば、相互の回転機構３の間において掘削した先端部を凹凸なく平らに掘進することが可能になる。
【００７８】
また、回転軸３３が固定中心線Ｐに位置して回転駆動されることから、従前からある掘削機の回転軸の前端部構成を上述した機構に変更することで上記掘削機を容易に得ることが可能である。
【００７９】
ところで、上述した実施の形態１では、回転軸３３の外周部３３１と環状軸３２の内周部３２１との係合を常に保持しつつ、軸受３１の内周部３１１と環状軸３２の外周部３２２との係合を常に保持する保持部材３７として、環状軸３２の内周に摺接して移動中心線Ｇを中心に回動し、回転軸３３を回動可能に挿通支持する構成としてある。これに限らず、例えば図１５に示すように中心軸３４および従動軸３５で構成した保持部材３７であってもよい。中心軸３４は、環状軸３２の移動中心線Ｇ上に設けてあって、環状軸３２の環状内に内装してあり、ほぼ円柱状の外周部３４１を回転軸３３の外周部３３１に対して当接係合してある。従動軸３５は、回転軸３３と同じ直径の外周部３５１を有して回転軸３３と平行に設けてあって、環状軸３２の環状内に内装してあり、ほぼ円柱状の外周部３５１を環状軸３２の内周部３２１および中心軸３４の外周部３４１に当接係合してある。この従動軸３５は、複数（図１５では２つ）設けてあって、回転軸３３を伴って移動中心線Ｇを中心として１２０°間隔で配置してある。すなわち、環状軸３２は、回転軸３３の回転に伴って、回転軸３３、中心軸３４および従動軸３５によって保持された形態で移動中心線Ｇを中心として回転する。また、図には明示しないが、軸受３１の内周部３１１と環状軸３２の外周部３２２との間に保持部材が係合されることによっても、回転軸３３を支持して当該回転軸３３の外周部３３１と環状軸３２の内周部３２１との係合を保持しつつ、軸受３１の内周部３１１と環状軸３２の外周部３２２との係合を保持することになるので、このような形態であってもよい。この場合の保持部材（図示なし）は、軸受３１の内周とほぼ同じ外周を有して所定厚さの円板状に形成してあり、環状軸３２の外周に摺接して固定中心線Ｐを中心に回動する態様で軸受３１に内装してある。そして、この保持部材（図示なし）には、移動中心線Ｇを中心として環状軸３２の外周とほぼ同じ内周を有する貫通孔が偏心して設けられている。もちろん、この図示しない保持部材と図１や図１５に示す保持部材３７とをそれぞれ組み合わせて双方用いてもよい。
【００８０】
なお、上述した実施の形態１では、回転機構３を掘削機に適用した例で説明しているが、上記回転機構３は掘削機に限るものではない。例えばほぼ多角形状の軌跡をなす上記回転機構３の他の用途として、地中連続壁などでの多角形状断面の掘削に用いたり、セメントなどの硬化材を地盤中に注入する地盤改良で地盤を硬化材とともに混練り攪拌するときに用いたり、あるいは工作物の多角形状の切削に用いたり、地盤以外の混練り物製造の攪拌に用いたりするなど、様々な用途が考えられる。すなわち、地盤改良や混練り攪拌に上記回転機構３を用いる場合には、羽根部材２１が攪拌羽根となる。また、切削に上記回転機構３を用いる場合には、羽根部材２１に切削刃を設けて切削カッタとなる。したがって、本発明の実施の形態１での掘削は、攪拌や切削を含む意味で用いている。
【００８１】
［実施の形態２］
以下に添付図面を参照して、本発明に係る掘削機の好適な実施の形態２を詳細に説明する。なお、この実施の形態２によりこの発明が限定されるものではない。
【００８２】
図１６は本発明に係る掘削機の実施の形態２を示す概略側面図、図１７は図１６に示す掘削機を軸方向から視た概念図である。なお、本実施の形態２において、上述した実施の形態１と同等部分には同一の符号を付す。
【００８３】
図１６に示すように掘削機は、胴部１と掘削カッタ２（実施の形態１における羽根部材２１）とを備えている。胴部１は、掘削カッタ２を支持しつつ掘削カッタ２を駆動するものであって、掘削機の外郭をなし、その内部に駆動機構（実施の形態１における回転機構）３を有している。
【００８４】
駆動機構３は、軸受３１、環状軸３２、回転軸３３、中心軸３４、従動軸３５および駆動部３６を有している。
【００８５】
軸受３１は、胴部１に固定してあり、胴部１の前後方向に沿って配置した所定の固定中心線Ｐを中心として環状の内周部３１１を有している。
【００８６】
環状軸３２は、固定中心線Ｐと平行にして胴部１の前後方向に沿って配置した所定の移動中心線Ｇを中心とした内周部３２１および外周部３２２を有してほぼ円環状に形成してある。この環状軸３２は、軸受３１の環状内に内装してあり、その外周部３２２を軸受３１の内周部３１１に対して当接係合してある。なお、環状軸３２は、内周部３２１および外周部３２２を一体に有した環状体、あるいは内周部３２１を有した管体と外周部３２２を有した管体とを組み合わせた構成とすることができる。
【００８７】
回転軸３３は、軸受３１の固定中心線Ｐを回転中心として回転可能に胴部１に支持してある。この回転軸３３は、環状軸３２の環状内に内装してあり、ほぼ円柱状の外周部３３１を環状軸３２の内周部３２１に対して当接係合してある。
【００８８】
中心軸３４は、環状軸３２の移動中心線Ｇ上に設けてある。この中心軸３４は、環状軸３２の環状内に内装してあり、ほぼ円柱状の外周部３４１を回転軸３３の外周部３３１に対して当接係合してある。なお、中心軸３４は、実施の形態１における保持部材３７を構成する。
【００８９】
従動軸３５は、回転軸３３と同じ直径の外周部３５１を有して回転軸３３と平行に設けてある。この従動軸３５は、環状軸３２の環状内に内装してあり、ほぼ円柱状の外周部３５１を環状軸３２の内周部３２１および中心軸３４の外周部３４１に当接係合してある。また、従動軸３５は、複数（本実施の形態２では２つ）設けてあって、回転軸３３とともに移動中心線Ｇを中心として１２０°間隔で配置してある。なお、従動軸３５は、実施の形態１における保持部材３７を構成する。
【００９０】
駆動部３６は、回転軸３３を回転させるものであり、例えばモータなど胴部１に設けた駆動源からなる。なお、駆動部３６は、図には明示しないが駆動源と回転軸３３との間に適宜減速機構を有していてもよい。
【００９１】
なお、軸受３１と環状軸３２との係合、環状軸３２と回転軸３３および従動軸３５との係合、中心軸３４と回転軸３３および従動軸３５との係合には、例えば歯車の噛合による係合がある。あるいは、高摩擦材などを介して接触滑りが防止された係合であってもよい。
【００９２】
掘削カッタ２は、胴部１の前側に延出した環状軸３２の前端に設けてあって、移動中心線Ｇ上に中心（重心）を置いた仮想ルーロー三角形状の範囲内であって、少なくとも中心（移動中心線Ｇ）と頂点（Ｔ）とを結ぶ延長線に沿って配置してある。図には明示しないが掘削カッタ２の前面には、掘削ビットが設けてある。ルーロー三角形は、図１７に一点鎖線で示すように正三角形の各頂点を中心として他の頂点を結ぶ円弧を描いてなる形状をなし、その外幅（差し渡し幅）がいずれも定幅なものである。
【００９３】
ここで、上記軸受３１、環状軸３２、回転軸３３、中心軸３４、および掘削カッタ２の寸法設定について説明する。図１８は図１７に示す掘削機の寸法設定を示す概念図である。図１８に示すように回転軸３３の中心（固定中心線Ｐ）から中心軸３４の中心（移動中心線Ｇ）に至る距離（偏心量）を［ｒ］として、軸受３１の内周部３１１の直径を［８ｒ］、環状軸３２の外周部３２２の直径を［６ｒ］、および環状軸３２の内周部３２１の直径を［ｈ（回転軸の直径）＋２ｒ］と設定する。かつ、掘削カッタ２のルーロー三角形の外幅を［ａ］として、掘削カッタ２を配置するルーロー三角形の中心（移動中心線Ｇ）と頂点Ｔとを結ぶ延長線Ｌを［Ｌ＝０．５ａ＋ｒ］と設定する。
【００９４】
上記構成の掘削機は、駆動機構３において駆動部３６の駆動力を回転軸３３に伝達することによって、回転軸３３が軸受３１の固定中心線Ｐを中心として回転（例えば図１７における時計回り方向）する。すると、回転軸３３の外周部３３１に係合する中心軸３４が移動中心線Ｇを中心として回転軸３３とは逆方向（例えば図１７における反時計回り方向）に回転する。さらに、中心軸３４の外周部３４１に係合する従動軸３５が回転軸３３と同方向（例えば図１７における時計回り方向）に回転する。同時に、回転軸３３が回転することによって、回転軸３３の外周部３３１および従動軸３５の外周部３５１に係合する環状軸３２が移動中心線Ｇを中心として回転軸３３および従動軸３５と同方向（例えば図１７における時計回り方向）に回転する。すなわち、環状軸３２は、回転軸３３の回転に伴って、回転軸３３および従動軸３５に支持された形態で移動中心線Ｇを中心として回転する。また、移動中心線Ｇを中心として回転する環状軸３２は、その外周部３２２が軸受３１の内周部３１１に係合しているため、当該軸受３１の内周部３１１に沿って軸受３１の固定中心線Ｐの周りに回転軸３３と逆方向（例えば図１７における反時計回り方向）に輪転運動（公転）することになる。このため、環状軸３２に設けた掘削カッタ２は、環状軸３２の輪転運動に伴ってその先端であるルーロー三角形の頂点Ｔが移動する。移動する掘削カッタ２の先端（頂点Ｔ）は、ルーロー三角形の外幅を一辺とし軸受３１の固定中心線Ｐを中心とした正方形に近いほぼ矩形状の軌跡をなす。
【００９５】
なお、上記寸法設定によって「環状軸３２の外周部３２２の直径［６ｒ］」：「軸受３１の内周部３１１の直径［８ｒ］」、すなわち３：４に設定してあるため、図１９〜図２３に示すように環状軸３２が移動中心線Ｇを中心に１回転すると、当該環状軸３２は固定中心線Ｐの周りに１／３回転分公転することになる。したがって、図１９〜図２３における掘削カッタ２の先端Ａ，Ｂ，Ｃの移動位置で示すように掘削カッタ２も同様に公転回転する。
【００９６】
この結果、図１７に示すようにほぼ矩形状の断面の掘削孔Ｈを掘進することが可能になる。この掘削孔Ｈは、断面円形の掘削孔と比較して、不要な空間を掘削せずに利用空間のみの掘削で得られるため、必要以上の用地面積を要さないことに加えて建設費を低減することが可能になる。
【００９７】
さらに、掘削カッタ２を設けた環状軸３２は、回転軸３３および従動軸３５に支持された形態で回転する構成であるため、従前のようにルーロー三角形の外幅を一辺とする正方形枠にルーロー三角形状の軸を支持して回転させる必要がない。すなわち、正方形枠が必要ない。このため、掘進した掘削孔Ｈの断面形状に対して、掘削機の胴部１の前面視の輪郭を小さく形成することが可能になる。この結果、掘削カッタ２が先行して掘進した掘削孔Ｈに胴部１が通過できるので、掘削断面がほぼ矩形状の掘削孔Ｈの掘進を行う掘削機を得ることが可能になる。この掘削機は、上記のごとく簡素な機構でほぼ矩形状の断面の掘削孔Ｈを掘進するため、故障が起こり難く信頼性が高く、コストが嵩むことがない。
【００９８】
なお、上記構成の掘削機によって掘削した掘削孔Ｈは、ほぼ矩形状の断面の角部が丸みを帯びることになる。丸みを帯びた断面ほぼ矩形状の掘削孔Ｈは、断面矩形状と比較して隅部への応力集中を緩和することができるので掘削に際して適している。
【００９９】
ところで、上記構成の掘削機において、回転軸３３を複数平行に設けた上記駆動機構３によって掘削カッタ２を複数隣接し、相互の掘削カッタ２の軌跡が前面視で重複する態様で隣接する相互の掘削カッタ２の位置を回転軸３３の軸方向でずらして配置する。このように構成すれば、ほぼ正方形（ほぼ矩形状）の掘削断面を一連に連続したほぼ長方形（ほぼ矩形状）の掘削断面の掘削孔を得ることが可能になる。
【０１００】
また、回転軸３３を複数平行に設けた上記駆動機構３によって掘削カッタ２を複数隣接し、相互の掘削カッタ２の軌跡が前面視で重複する態様で配置する場合、隣接する各掘削カッタ２を同一面上に配置しつつ、隣接する各回転軸３３を逆方向に回転駆動する。このように構成すれば、ほぼ正方形（ほぼ矩形状）の掘削断面を一連に連続したほぼ長方形（ほぼ矩形状）の掘削断面の掘削孔を得ることが可能になる。
【０１０１】
すなわち、ほぼ正方形（ほぼ矩形状）の掘削断面である複数の掘削孔Ｈを一連に連続したほぼ長方形（ほぼ矩形状）の掘削断面の掘削を行うことが可能になる。また、各掘削カッタ２について相互の前面を同一面上に配置することによって、掘削した先端部を凹凸なく平らに掘進することが可能になる。
【０１０２】
以下、上述した掘削機における回転軸３３の中心（固定中心線Ｐ）から中心軸３４の中心（移動中心線Ｇ）に至る距離［ｒ］について説明する。
【０１０３】
上述したように、回転軸３３が回転した場合に、回転軸３３の外周部３３１に係合する環状軸３２が公転して、その中心である中心軸３４の中心（移動中心線Ｇ）を所定軌道で移動させる。そして、ほぼ正方形状の掘削孔Ｈを掘削する場合には、掘削カッタ２をなす仮想ルーロー三角形上において、当該ルーロー三角形の中心（重心）である中心軸３４の中心（移動中心線Ｇ）に対する回転軸３３の中心（固定中心線Ｐ）の移動軌跡がほぼ円形で、その半径である［ｒ］は、仮想ルーロー三角形の外幅［ａ］の７．７％〜８．２％程度となることが幾何学的に分かっている。
【０１０４】
すなわち、図２４に示すようにルーロー三角形の外幅［ａ］を一辺とした正方形の横辺をＸ座標、縦辺をＹ座標とする座標系で、当該正方形に内接する形態でルーロー三角形を回転させたときのルーロー三角形上での正方形の中心位置（回転軸３３の中心（固定中心線Ｐ））の軌跡を見る。図２４において破線で示す軌跡は、回転軸３３の中心（固定中心線Ｐ）と中心軸３４の中心（移動中心線Ｇ）との距離［ｒ］（偏心量）を下記数１３で示す０．０７７４ａで一定としたものである。
【０１０５】
【数１３】
【０１０６】
しかし、上記破線で示す軌跡は、実際のルーロー三角形上での正方形の中心位置（回転軸３３の中心（固定中心線Ｐ））の軌跡（図２４に実線で示す）に対して一致するのは３箇所のみである。そして、破線で示す軌跡の場合は、掘削されたほぼ矩形状の掘削孔Ｈの断面の各辺が孔の内側に向けてやや凹状に形成されることになる。このように掘削された掘削孔は、力学的に強度が低下するため好ましくない。
【０１０７】
上記実線で示す軌跡は、下記数１４で示す０．０８１６ａを含んで、回転軸３３の中心（固定中心線Ｐ）と中心軸３４の中心（移動中心線Ｇ）との距離［ｒ］（偏心量）が０．０７７４ａ〜０．０８１６ａとなる。
【０１０８】
【数１４】
【０１０９】
また、回転軸３３の中心（固定中心線Ｐ）と中心軸３４の中心（移動中心線Ｇ）との距離［ｒ］（偏心量）が大きくなるほど掘削されたほぼ矩形状の掘削孔Ｈの断面の各辺が孔の内側に向けて凹状に形成されることになる。したがって、距離［ｒ］が、仮想ルーロー三角形の外幅［ａ］の６％〜８％であれば掘削される掘削孔Ｈの断面形状は理想的なほぼ矩形状となる。
【０１１０】
これを具体的に示すと、図１７に示す状態からルーロー三角形（掘削カッタ２）が１２０°時計回りに回転すると、掘削カッタ２の中心であってルーロー三角形の重心である移動中心線Ｇは、回転軸３３の中心である固定中心線Ｐの周りに３６０°反時計回りに回転する。したがって、環状軸３２の中心（移動中心線Ｇ）が中心（固定中心線Ｐ）に対してφ回転したとき、掘削カッタ２は中心（移動中心線Ｇ）に対して−φ／３回転する。すなわち、上記正方形のＸ，Ｙ座標において、掘削カッタ２の先端（ルーロー三角形の頂点）の軌跡は、下記数１５および数１６によって求められる。
【０１１１】
【数１５】
【０１１２】
【数１６】
【０１１３】
そして、上記数１５および数１６で求めた掘削カッタ２の先端の軌跡を図２５〜図３３に示す。図２５は回転軸３３の中心（固定中心線Ｐ）と中心軸３４の中心（移動中心線Ｇ）との距離［ｒ］（偏心量）が０．１ａ（１０％）の場合の掘削カッタ２の先端の軌跡であり、掘削されたほぼ矩形状の掘削孔Ｈの断面の各辺が孔の内側に向けて凹状に形成されることが分かる。
【０１１４】
図２６は距離［ｒ］（偏心量）が０．０９ａ（０．９％）の場合の掘削カッタ２の先端の軌跡であり、これも掘削されたほぼ矩形状の掘削孔Ｈの断面の各辺が孔の内側に向けて凹状に形成されることが分かる。
【０１１５】
図２７は距離［ｒ］（偏心量）が０．０８５ａ（０．８５％）の場合の掘削カッタ２の先端の軌跡であり、これも掘削されたほぼ矩形状の掘削孔Ｈの断面の各辺が孔の内側に向けて凹状に形成されることが分かる。
【０１１６】
図２８は距離［ｒ］（偏心量）が０．０８ａ（０．８％）の場合の掘削カッタ２の先端の軌跡であり、これも掘削されたほぼ矩形状の掘削孔Ｈの断面の各辺が孔の内側に向けて凹状に形成されることが分かる。
【０１１７】
図２９は距離［ｒ］（偏心量）が０．０７５ａ（０．７５％）の場合の掘削カッタ２の先端の軌跡であり、掘削されたほぼ矩形状の掘削孔Ｈの断面の各辺が略平行に形成されることが分かる。
【０１１８】
図３０は距離［ｒ］（偏心量）が０．０７ａ（０．７％）の場合の掘削カッタ２の先端の軌跡であり、掘削されたほぼ矩形状の掘削孔Ｈの断面の各辺が孔の外側に向けて凸状に形成されることが分かる。
【０１１９】
図３１は距離［ｒ］（偏心量）が０．０６５ａ（０．６５％）の場合の掘削カッタ２の先端の軌跡であり、これも掘削されたほぼ矩形状の掘削孔Ｈの断面の各辺が孔の外側に向けて凸状に形成されることが分かる。
【０１２０】
図３２は距離［ｒ］（偏心量）が０．０６ａ（０．６％）の場合の掘削カッタ２の先端の軌跡であり、これも掘削されたほぼ矩形状の掘削孔Ｈの断面の各辺が孔の外側に向けて凸状に形成されることが分かる。
【０１２１】
図３３は距離［ｒ］（偏心量）が０．０５５ａ（０．５５％）の場合の掘削カッタ２の先端の軌跡であり、掘削されたほぼ矩形状の掘削孔Ｈの断面の各辺が孔の外側に向けて凸状に形成され、掘削孔Ｈ全体がやや丸みを帯びていることが分かる。
【０１２２】
したがって、図２５〜図３３に示すように理想的な断面形状の掘削孔Ｈを得るためには、回転軸３３の中心（固定中心線Ｐ）と中心軸３４の中心（移動中心線Ｇ）との距離［ｒ］を、仮想ルーロー三角形の外幅［ａ］の６％〜８％として偏心量とすることが好ましいことが分かる。
【０１２３】
このように、上述した掘削機は、所定の固定中心線Ｐを中心とした環状の内周部３１１を有する固定の軸受３１と、所定の移動中心線Ｇを中心とした内周部３２１および外周部３２２を有して環状に形成してあってその外周部３２２を軸受３１の内周部３１１に当接係合して軸受３１に内装した環状軸３２と、軸受３１の固定中心線Ｐを回転中心として回転可能に設けてあって環状軸３２の内周部３２１に対して自身の外周部３３１を当接係合した回転軸３３と、環状軸３２の移動中心線Ｇ上に設けてあって回転軸３３の外周部３３１に対して自身の外周部３４１を当接係合した中心軸３４と、回転軸３３と同じ外周部３５１を有して当該外周部３５１を環状軸３２の内周部３２１および中心軸３４の外周部３４１に当接係合した複数の従動軸３５と、回転軸３３を回転駆動する駆動部３６と、環状軸３２に設けてあって当該環状軸３２の移動中心線Ｇ上に中心を置いたルーロー三角形状の範囲内で少なくとも中心（移動中心線Ｇ）と頂点Ｔとを結ぶ延長線に沿って配置した掘削カッタ２とを備えている。
【０１２４】
そして、駆動部３６の駆動力を回転軸３３に伝達することによって、回転軸３３が軸受３１の固定中心線Ｐを中心として回転する。すると、回転軸３３の外周部３３１に係合する中心軸３４が移動中心線Ｇを中心として回転軸３３とは逆方向に回転する。さらに、中心軸３４の外周部３４１に係合する従動軸３５が回転軸３３と同方向に回転する。同時に、回転軸３３が回転することによって、回転軸３３の外周部３３１および従動軸３５の外周部３５１に係合する環状軸３２が移動中心線Ｇを中心として回転軸３３および従動軸３５と同方向に回転する。また、移動中心線Ｇを中心として回転する環状軸３２は、その外周部３２２が軸受３１の内周部３１１に係合しているため、当該軸受３１の内周部３１１に沿って軸受３１の固定中心線Ｐの周りに回転軸３３と逆方向に輪転運動（公転）することになる。このため、環状軸３２に設けた掘削カッタ２は、環状軸３２の輪転運動に伴ってその先端であるルーロー三角形の頂点Ｔが移動する。移動する掘削カッタ２の先端（頂点Ｔ）は、ルーロー三角形の外幅を一辺とし軸受３１の固定中心線Ｐを中心とした正方形に近いほぼ矩形状の軌跡をなす。この結果、ほぼ矩形状の断面の掘削孔Ｈを掘進することができる。
【０１２５】
すなわち、回転軸３３が軸受３１の固定中心線Ｐを中心として回転駆動され、かつ、環状軸３２が回転軸３３の回転に伴って回転軸３３および従動軸３５に支持された形態で移動中心線Ｇを中心として回転するという回転機構のみによって成り立っている。この結果、回転軸３３が軸受３１の固定中心線Ｐ上でその軸心がずれることなく回転するため、回転ぶれや振動を低減することが可能になる。また、環状軸３２が回転軸３３の回転に伴って回転軸３３、中心軸３４および従動軸３５に支持された形態で移動中心線Ｇを中心として回転するため、回転軸３３と環状軸３２との間に従前の自在継手を要することがないので、自在継手に係るコストを低減することが可能になる。
【０１２６】
さらに、環状軸３２が回転軸３３の回転に伴って回転軸３３、中心軸３４および従動軸３５に支持された形態で移動中心線Ｇを中心として回転するため、正方形枠を必要とせずにほぼ矩形断面の掘削孔Ｈを掘削することが可能になる。
【０１２７】
また、回転軸３３が固定中心線Ｐに位置して回転駆動されることから、前端を掘削カッタ２の前側に延在すれば、その前端に別の掘削カッタを装備することが可能である。例えば、回転軸３３の前端部に設けた掘削カッタによって、ほぼ矩形断面の掘削孔Ｈを掘削する前に円形の補助掘削孔を掘削することが可能になる。
【０１２８】
また、回転軸３３が固定中心線Ｐに位置して回転駆動されることから、従前からある掘削機の回転軸の前端部構成を上述した機構に変更することで上記掘削機を容易に得ることが可能である。
【０１２９】
また、上述した掘削機は、回転軸３３の中心（固定中心線Ｐ）から中心軸の中心（移動中心線Ｇ）に至る距離を［ｒ］として軸受３１の内周部３１１の直径を［８ｒ］、環状軸３２の外周部３２２の直径を［６ｒ］、および環状軸３２の内周部３２１の直径を［回転軸の直径＋２ｒ］と設定し、かつ、掘削カッタ２のルーロー三角形の外幅を［ａ］として掘削カッタ２を配置するルーロー三角形状の中心（移動中心線Ｇ）と頂点Ｔとを結ぶ延長線を［０．５ａ＋ｒ］と設定した。この結果、理想的なほぼ矩形断面の掘削孔Ｈを掘削することが可能になる。
【０１３０】
また、上述した掘削機は、回転軸３３の中心（固定中心線Ｐ）から中心軸の中心（移動中心線Ｇ）に至る距離［ｒ］を、掘削カッタ２におけるルーロー三角形の外幅［ａ］の６％〜８％として偏心量に設定した。この結果、掘削された掘削孔Ｈは、ほぼ矩形状の断面の各辺が平行もしくは掘削孔Ｈの外側に向けて凸状に形成されるため、力学的に強度を有するものとなる。また、偏心量を適宜変更することで、必要に応じたほぼ矩形断面の掘削孔Ｈを得ることが可能である。
【０１３１】
なお、上述した実施の形態２では、主に地盤などを掘削する掘削機に関して説明しているが、上記構成は掘削機に限るものではない。例えばほぼ矩形状の軌跡をなす上記回転機構における他の用途として、地中連続壁などでの矩形掘削に用いたり、セメントなどの硬化材を地盤中に注入する地盤改良で地盤を硬化材とともに混練り攪拌するときに用いたり、あるいは工作物の矩形切削に用いたり、地盤以外の混練り物製造の攪拌に用いたりするなど、様々な用途が考えられる。すなわち、地盤改良や混練り攪拌に上記回転機構を用いる場合には、上記掘削機，掘削カッタ２が、攪拌機，攪拌羽根となる。また、切削に上記回転機構を用いる場合には、上記掘削機，掘削カッタ２が、切削機，切削カッタとなる。したがって、本発明の実施の形態２でも、掘削は攪拌や切削を含む意味で用いている。
【図面の簡単な説明】
【０１３２】
【図１】本発明に係る回転機構を用いた掘削機の実施の形態１を示す概略側面図である。
【図２】図１に示す回転機構を軸方向（前方向）から視た概念図である。
【図３】図１に示す回転機構の分解斜視図である。
【図４】図２に示す回転機構の動作を示す概念図である。
【図５】図２に示す回転機構の動作を示す概念図である。
【図６】図２に示す回転機構の動作を示す概念図である。
【図７】図２に示す回転機構の動作を示す概念図である。
【図８】図２に示す回転機構の動作を示す概念図である。
【図９】偏心量を算出するための概念図である。
【図１０】正三角形状の軌跡を示す図である。
【図１１】正四角形状の軌跡を示す図である。
【図１２】正六角形状の軌跡を示す図である。
【図１３】正八角形状の軌跡を示す図である。
【図１４】ほぼ正方形状断面とした杭頭を例示する概念図である。
【図１５】他の保持部材を示す概念図である。
【図１６】本発明に係る掘削機の実施の形態を示す概略側面図である。
【図１７】図１６に示す掘削機を軸方向から視た概念図である。
【図１８】図１７に示す掘削機の寸法設定を示す概念図である。
【図１９】図１７に示す掘削機の動作を示す概念図である。
【図２０】図１７に示す掘削機の動作を示す概念図である。
【図２１】図１７に示す掘削機の動作を示す概念図である。
【図２２】図１７に示す掘削機の動作を示す概念図である。
【図２３】図１７に示す掘削機の動作を示す概念図である。
【図２４】仮想ルーロー三角形上での正方形の中心位置の軌跡を示す図である。
【図２５】掘削カッタの先端の軌跡を示す図である。
【図２６】掘削カッタの先端の軌跡を示す図である。
【図２７】掘削カッタの先端の軌跡を示す図である。
【図２８】掘削カッタの先端の軌跡を示す図である。
【図２９】掘削カッタの先端の軌跡を示す図である。
【図３０】掘削カッタの先端の軌跡を示す図である。
【図３１】掘削カッタの先端の軌跡を示す図である。
【図３２】掘削カッタの先端の軌跡を示す図である。
【図３３】掘削カッタの先端の軌跡を示す図である。
【符号の説明】
【０１３３】
１ 胴部
２ 掘削カッタ
２１ 羽根部材
３ 回転機構（駆動機構）
３１ 軸受
３１１ 内周部
３２ 環状軸
３２１ 内周部
３２２ 外周部
３３ 回転軸
３３１ 外周部
３４ 中心軸
３４１ 外周部
３５ 従動軸
３５１ 外周部
３６ 駆動部
３７ 保持部材
３７１ 挿通孔
１００ 外周フープ
１０１ トレミー管
１０２ 中子フープ
１０２ａ フック
ａ 外幅
ｂ 外接円半径
ｒ 偏心量
Ｇ 移動中心線
Ｈ 掘削孔
Ｌ 移動中心線からの羽根部材の長さ
Ｐ 固定中心線
Ｒ 軸受の内周部の半径
Ｒ’ 環状軸の外周部の半径
Ｔ 羽根部材の先端（頂点）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ほぼ多角形状の軌跡をなす回転機構、および当該回転機構を用いて地盤などを掘削する掘削機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的な掘削機は、回転機構によってカッタヘッドを回転させて当該カッタヘッドで地盤を掘削するものが知られている。このような掘削機は、カッタヘッドが所定の中心を以て回転することから必然的に断面形状が円形になる。しかし、鉄道や道路などのトンネル利用空間は、断面形状がほぼ矩形であることが多く、上記円形の掘削断面内にほぼ矩形の鉄道や道路などの空間を構築する。このため、利用空間以上の掘削を行うことになるので、用地面積が多く必要となることに加えて建設費が嵩むという問題がある。
【０００３】
従来、ルーロー三角形なるルーロー三角形回転体に切削用バイトを設け、当該ルーロー三角形回転体を回転することで、被加工物に正方形状の穴明けを行う正方形穴明け加工装置がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
他に、加工部材をその中心周りに回転自在に加工部材自転支持装置に取り付け、当該加工部材自転支持装置を加工部材公転支持装置に取り付けた掘削機がある。加工部材には、中心と同芯状のほぼ正三角形の各頂点とその内方に掘削刃を設けて掘削作用面が形成してある。加工部材自転支持装置は、加工部材を前記正三角形の一辺の（（１／２）／ｃｏｓ３０°−（１／２））倍の半径で中心が回転するように加工部材公転支持装置に取り付けてある。そして、加工部材を自転させながらその自転方向とは逆の方向に３倍公転させる駆動手段を設けてある（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
また他に、正三角形の各頂点を中心とし、その一辺の長さを半径とする円弧を各対辺の外側に描き、これらの３つの円弧により囲まれたルーロー三角形を外形とするカッタを、矩形状スキンプレートの中心軸の回りに公転させながら自転させて掘削する矩形シールド工法がある。スキンプレートの中心軸に対するカッタの回転軸の偏心距離は、（Ｌ／２）／ｃｏｓ３０°−（Ｌ／２）を満足するように設定してある（Ｌ：ルーロー三角形の頂点間の距離）。また、カッタの公転数は自転数の３倍で、公転方向と自転方向が逆方向である（例えば、特許文献３参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２６７９５０号公報
【特許文献２】特開平１−１５８１９６号公報
【特許文献３】特許第２９２６１２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、ルーロー三角形を利用して略矩形状に掘削を行う場合には、ルーロー三角形をその重心を中心として回転させ、かつルーロー三角形の重心を正方形の中心の周りに公転させる必要がある。
【０００８】
特許文献１の発明は、モータのトルクを伝達する軸と、ルーロー三角形回転体の重心の軸とを自在継手で連結してある。しかし、この構成では駆動伝達系に回転ぶれや振動が生じることになり、さらに大きなトルクが必要となる掘削機では自在継手は高価であり製造コストが嵩む。
【０００９】
特許文献２の発明では、モータからのトルクをクランク軸によって加工部材に伝達して公転装置を構成してある。しかし、クランク軸にせん断力や曲げモーメントが生じて回転ぶれや振動の原因となる。さらに、特許文献２の発明では、正方形の枠を用いることなくルーロー三角形を公転させているが、ルーロー三角形を公転させる半径が正三角形の一辺の（（１／２）／ｃｏｓ３０°−（１／２））倍に設定してある。しかし、この場合では、掘削されるほぼ矩形状の断面の各辺が孔の内側に向けて凹状に形成されることになる。このように掘削された掘削孔は、力学的に強度が低下するため好ましくない。
【００１０】
特許文献３の発明は、矩形状スキンプレートの中心に公転駆動盤を設けてこの公転駆動盤にカッタ回転軸を設けてある。そして、公転駆動盤を回転させるモータと、カッタ回転軸を回転させるモータを設けてある。しかし、カッタ回転軸を回転させるモータは、公転駆動盤に設けてあるため、配線や配管の処理を十分検討して設計する必要がある。さらに、各モータの回転数や回転方向を調整してそれぞれ同期させる必要がある。この結果、設計コストが嵩む。さらに、特許文献３の発明では、カッタ回転軸の中心と公転駆動盤の中心との偏心距離は、（Ｌ／２）／ｃｏｓ３０°−（Ｌ／２）としてある。しかし、この場合では、上述した特許文献２の発明と同様に掘削されるほぼ矩形状の断面の各辺が孔の内側に向けて凹状に形成されることになり好ましくない。
【００１１】
このように、ほぼ矩形状の軌跡をなすためにルーロー三角形の原理を利用した回転機構についての出願はあるものの、いずれも円滑な駆動を実現するものはない。また、大きなトルクが必要である掘削機においては、正方形枠は掘削孔内で大きなスペースを要することから正方形枠のない機構が望まれている。さらに、矩形状の掘削に限らず矩形状を含む多角形状の軌跡をなす回転機構、および当該回転機構を用いた掘削機を実現するものはない。
【００１２】
本発明は、上記実情に鑑みて、正方形枠など枠体を要することなく駆動系の回転ぶれや振動を低減するとともに駆動系のコストを低減した上でほぼ多角形状の軌跡をなす回転機構、および当該回転機構を用いて力学的に強度を有するほぼ多角形状の断面の掘削を実現することができる掘削機を提供することを目的とする。さらに、本発明は、正方形枠を要することなくルーロー三角形の原理を用いて、駆動系の回転ぶれや振動を低減するとともに駆動系のコストを低減し、また力学的に強度を有するほぼ矩形状の断面の掘削を実現することができる掘削機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係る回転機構は、所定の固定中心線を中心とした環状の内周部を有する固定の軸受と、前記固定中心線に平行な所定の移動中心線を中心とした内周部および外周部を有して環状に形成してあってその外周部を前記軸受の内周部に当接係合して前記軸受に内装した環状軸と、前記固定中心線を回転中心として回転可能に設けてあって前記環状軸の内周部に対して自身の外周部を当接係合した回転軸と、前記移動中心線を中心に回動する態様で前記環状軸に内装してあるとともに前記回転軸を支持して当該回転軸の外周部と前記環状軸の内周部との係合を保持しつつ前記軸受の内周部と前記環状軸の外周部との係合を保持する保持部材と、前記回転軸を回転駆動する駆動部と、前記固定中心線を中心とした所望の正多角形状の輪郭内で当該正多角形状の角数から１つ減らした数をもって前記環状軸に設けてあって前記移動中心線から放射方向に延在しつつ等角度に同じ長さで配置した羽根部材とを備えたことを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項２に係る回転機構は、上記請求項１において、前記軸受の内周部の半径を［Ｒ］、前記環状軸の外周部の半径を［Ｒ’］、前記移動中心線からの羽根部材の長さを［Ｌ］として、正ｎ角形状を所望とする場合に、ｎ≧３、Ｒ：Ｒ’＝ｎ：（ｎ−１）、Ｌ≧Ｒ×（ｎ＋１）／ｎと設定したことを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項３に係る掘削機は、請求項１または２に記載の回転機構を用いて、前記軸受を支持するとともに前記駆動部を内部に配置した筒状の胴部と、前記羽根部材にカッタを配設した掘削カッタとを備えたことを特徴とする。
【００１６】
上記の目的を達成するために、本発明の請求項４に係る掘削機は、所定の固定中心線を中心とした環状の内周部を有する固定の軸受と、所定の移動中心線を中心とした内周部および外周部を有して環状に形成してあってその外周部を前記軸受の内周部に当接係合して前記軸受に内装した環状軸と、前記固定中心線を回転中心として回転可能に設けてあって前記環状軸の内周部に対して自身の外周部を当接係合した回転軸と、前記移動中心線上に設けてあって前記回転軸の外周部に対して自身の外周部を当接係合した中心軸と、前記回転軸と同じ外周部を有して当該外周部を前記環状軸の内周部および前記中心軸の外周部に当接係合した複数の従動軸と、前記回転軸を回転駆動する駆動部と、前記環状軸に設けてあって前記移動中心線上に中心を置いたルーロー三角形状の範囲内で少なくとも中心と頂点とを結ぶ延長線に沿って配置した掘削カッタとを備えたことを特徴とする。
【００１７】
本発明の請求項５に係る掘削機は、上記請求項４において、前記回転軸の中心から前記中心軸の中心に至る距離を［ｒ］として前記軸受の内周部の直径を［８ｒ］、前記環状軸の外周部の直径を［６ｒ］、および前記環状軸の内周部の直径を［回転軸の直径＋２ｒ］と設定し、かつ、前記掘削カッタのルーロー三角形の外幅を［ａ］として前記掘削カッタを配置するルーロー三角形状の中心と頂点とを結ぶ延長線を［０．５ａ＋ｒ］と設定したことを特徴とする。
【００１８】
本発明の請求項６に係る掘削機は、上記請求項５において、前記回転軸の中心から前記中心軸の中心に至る距離［ｒ］を、前記掘削カッタにおけるルーロー三角形の外幅［ａ］の６％〜８％として偏心量に設定したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、駆動部の駆動力を回転軸に伝達することによって、回転軸が軸受の固定中心線を中心として回転する。すると、回転軸の外周部に係合する環状軸が移動中心線を中心として回転軸と同方向に回転する。また、移動中心線を中心として回転する環状軸は、その外周部が軸受の内周部に係合しているため、当該軸受の内周部に沿って軸受の固定中心線の周りに回転軸と逆方向に輪転運動（公転）することになる。このため、環状軸に設けた羽根部材は、環状軸の輪転運動に伴ってその先端が移動する。移動する羽根部材の先端は、ほぼ正多角形状の軌跡をなすことができる。そして、羽根部材にカッタを配設した掘削カッタを備えた掘削機とすれば、ほぼ正多角形状の掘削孔を掘削することができる。
【００２０】
また、回転軸が軸受の固定中心線を中心として回転駆動され、かつ、環状軸が回転軸の回転に伴って保持部材に保持された形態で移動中心線を中心として回転する。この結果、回転軸が軸受の固定中心線上でその軸心がずれることなく回転するため、回転ぶれや振動を低減することができる。また、環状軸が回転軸の回転に伴って保持部材に保持された形態で移動中心線を中心として回転するため、回転軸と環状軸との間に従前の自在継手を要することがないので、自在継手に係るコストを低減することが可能になる。
【００２１】
また、回転機構は、軸受の内周部の半径を［Ｒ］、環状軸の外周部の半径を［Ｒ’］、移動中心線からの羽根部材の長さを［Ｌ］として、正ｎ角形状を所望とする場合に、ｎ≧３、Ｒ：Ｒ’＝ｎ：（ｎ−１）、Ｌ≧Ｒ×（ｎ＋１）／ｎと設定してある。この結果、ほぼ正多角形状の軌跡は、各辺が平行もしくは外側に向けて凸状に形成することができる。また、羽根部材の長さを［Ｌ］の値を大きくするにしたがって円形に近い正多角形状の軌跡となる。そして、この軌跡を掘削機で掘削すれば力学的に強度を有する掘削孔を得ることができる。なお、移動中心線、固定中心線、羽根部材の先端が、この順で一直線上に並ぶときには、羽根部材の先端は正多角形状の一辺の中央にあり、かつ、当該辺と上記一直線とは直交する。
【００２２】
本発明に係る掘削機は、回転軸が軸受の固定中心線を中心として回転駆動され、かつ、環状軸が回転軸の回転に伴って回転軸、中心軸および従動軸に支持された形態で移動中心線を中心として回転する。この結果、回転軸が固定中心線上でその軸心がずれることなく回転するため、回転ぶれや振動を低減することができる。また、環状軸が回転軸の回転に伴って回転軸および従動軸に支持された形態で移動中心線を中心として回転する。このため、回転軸と環状軸との間に従前の自在継手を要することがないので、自在継手に係るコストを低減することができ、さらにルーロー三角形およびこれに外接する正方形枠を必要とせずにほぼ矩形断面の掘削孔を掘削することができる。
【００２３】
また、上述した掘削機は、回転軸の中心（固定中心線）から中心軸の中心（移動中心線）に至る距離を［ｒ］として軸受の内周部の直径を［８ｒ］、環状軸の外周部３２２の直径を［６ｒ］、および環状軸の内周部の直径を［回転軸の直径＋２ｒ］と設定し、かつ、掘削カッタにおけるルーロー三角形の外幅（掘削される正方形断面の一辺）を［ａ］として掘削カッタ２を配置するルーロー三角形状の中心（移動中心線）と頂点とを結ぶ延長線長さを［０．５ａ＋ｒ］と設定し、この延長線上に回転軸の中心が位置するときの延長線方向を正方形の一辺の方向と一致させることによって、理想的なほぼ矩形断面の掘削孔を掘削することができる。
【００２４】
また、上述した掘削機は、回転軸の中心（固定中心線）から中心軸の中心（移動中心線）に至る距離［ｒ］を、掘削カッタにおけるルーロー三角形の外幅［ａ］の６％〜８％として偏心量に設定したことによって、掘削された掘削孔は、ほぼ矩形状の断面の各辺が平行もしくは掘削孔の外側に向けて凸状に形成されるため、力学的に強度を有するものとなる。また、偏心量を適宜変更することで、必要に応じたほぼ矩形断面の掘削孔を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
［実施の形態１］
以下に添付図面を参照して、本発明に係る回転機構および掘削機の好適な実施の形態１を詳細に説明する。なお、この実施の形態１によりこの発明が限定されるものではない。
【００２６】
図１は本発明に係る回転機構を用いた掘削機の実施の形態１を示す概略側面図、図２は図１に示す回転機構を軸方向（前方向）から視た概念図、図３は図１に示す回転機構の分解斜視図である。
【００２７】
図１に示すように掘削機は、胴部１と掘削カッタ２とを備えている。胴部１は、掘削カッタ２を支持しつつ掘削カッタ２を駆動するものであって、掘削機の外郭をなし、筒状とした内部に回転機構３を有している。
【００２８】
回転機構３は、軸受３１、環状軸３２、回転軸３３、保持部材３７および駆動部３６を有している。
【００２９】
軸受３１は、胴部１に固定してあり、胴部１の前後方向に沿って配置した所定の固定中心線Ｐを中心として環状の内周部３１１を有している。
【００３０】
環状軸３２は、固定中心線Ｐと平行にして胴部１の前後方向に沿って配置した所定の移動中心線Ｇを中心とした内周部３２１および外周部３２２を有してほぼ円環状に形成してある。この環状軸３２は、軸受３１の環状内に内装してあり、その外周部３２２を軸受３１の内周部３１１に対して当接係合してある。なお、環状軸３２は、内周部３２１および外周部３２２を一体に有した環状体、あるいは内周部３２１を有した管体と外周部３２２を有した管体とを組み合わせた構成とすることができる。
【００３１】
回転軸３３は、軸受３１の固定中心線Ｐを回転中心として回転可能に胴部１に支持してある。この回転軸３３は、環状軸３２の環状内に内装してあり、ほぼ円柱状の外周部３３１を環状軸３２の内周部３２１に対して当接係合してある。
【００３２】
保持部材３７は、環状軸３２の内周とほぼ同じ外周を有して所定厚さの円板状に形成してあり、環状軸３２の内周に摺接して移動中心線Ｇを中心に回動する態様で環状軸に内装してある。また、保持部材３７には、固定中心線Ｐを中心として回転軸３３の外周とほぼ同じ内周を有した挿通孔３７１が偏心して設けてある。この挿通孔３７１には、回転軸３３が回動可能に挿通支持してある。すなわち、保持部材３７は、回転軸３３を回動可能に挿通して回転軸３３の外周部３３１と環状軸３２の内周部３２１との係合を常に保持する。
【００３３】
駆動部３６は、回転軸３３を回転させるものであり、例えばモータなど胴部１に設けた駆動源からなる。なお、駆動部３６は、図には明示しないが駆動源と回転軸３３との間に適宜減速機構を有していてもよい。
【００３４】
なお、軸受３１と環状軸３２との係合、環状軸３２と回転軸３３との係合には、例えば歯車の噛合による係合がある。あるいは、高摩擦材などを介して接触滑りが防止された係合であってもよい。
【００３５】
掘削カッタ２は、胴部１の前側に延出した環状軸３２の前端に設けてある羽根部材２１からなる。羽根部材２１は、固定中心線Ｐを中心とした所望の正多角形状の輪郭内で当該正多角形状の角数から１つ減らした数をもって環状軸３２に設けてあって、移動中心線Ｇから放射方向に延在しつつ等角度に同じ長さで配置してある。例えば、図２に示すように所望の正多角形状が正四角形である場合には、羽根部材は３つであり、固定中心線Ｐを中心とした正四角形の輪郭に先端Ｔを当接するようにして、移動中心線Ｇから放射方向に延在しつつ等角度に同じ長さで配置してある。そして、羽根部材の前面に掘削ビット（図示せず）を設けることによって掘削カッタ２が構成される。また、移動中心線Ｇ、固定中心線Ｐおよび掘削カッタ２の先端Ｔを、この順序で一直線上に並べた場合、掘削カッタ２の先端Ｔは、所望の正多角形状の１辺の中央にあり、この辺と前記一直線は直交する。
【００３６】
ここで、上記軸受３１、環状軸３２、回転軸３３、および掘削カッタ２（羽根部材２１）に係る寸法設定について説明する。図２に示すように軸受３１の内周部３１１の半径を［Ｒ］、環状軸３２の外周部３２２の半径を［Ｒ’］、移動中心線Ｇからの羽根部材２１の長さを［Ｌ］として、正ｎ角形状を所望とする場合に、ｎ≧３、Ｒ：Ｒ’＝ｎ：（ｎ−１）、Ｌ≧Ｒ×（ｎ＋１）／ｎと設定する。固定中心線Ｐから移動中心線Ｇに至る偏心量［ｒ］は、ｒ＝Ｒ−Ｒ’となる。
【００３７】
上記構成の掘削機は、回転機構３において駆動部３６の駆動力を回転軸３３に伝達することによって、回転軸３３が軸受３１の固定中心線Ｐを中心として回転（例えば図２における時計回り方向）する。すると、回転軸３３の外周部３３１に係合する環状軸３２が移動中心線Ｇを中心として回転軸３３と同方向（例えば図２における時計回り方向）に回転する。このとき、保持部材３７は、移動中心線Ｇを中心に回動するとともに、回転軸３３の回動を許容することによって回転軸３３の外周部３３１と環状軸３２の内周部３２１との係合を常に保持する。すなわち、環状軸３２は、回転軸３３の回転に伴って、保持部材３７に保持された形態で移動中心線Ｇを中心として回転する。さらに、移動中心線Ｇを中心として回転する環状軸３２は、その外周部３２２が軸受３１の内周部３１１に係合しているため、当該軸受３１の内周部３１１に沿って軸受３１の固定中心線Ｐの周りに回転軸３３と逆方向（例えば図２における反時計回り方向）に輪転運動（公転）することになる。このため、環状軸３２に設けた掘削カッタ２（羽根部材２１）は、環状軸３２の輪転運動に伴って自転および公転移動する。移動する掘削カッタ２の先端Ｔは、所望の正多角形状（正ｎ角形状）の軌跡をなす。
【００３８】
具体的には、正四角形状（ｎ＝４）について図４〜図８に例示するように、環状軸３２が固定中心線Ｐを中心に１回転公転すると、当該環状軸３２は移動中心線Ｇの周りに１／３自転する。したがって、図４〜図８における掘削カッタ２の先端Ｔ（Ａ，Ｂ，Ｃ）の移動位置で示すように掘削カッタ２も同様に公転および自転し、図８に示すようにほぼ正四角形（正方形）状の軌跡をなす。この結果、ほぼ正四角形の断面の掘削孔Ｈを掘進することが可能になる。この掘削孔Ｈは、一般的な断面円形の掘削孔と比較して、不要な空間を掘削せずに利用空間のみの掘削で得られるため、必要以上の用地面積を要さないことに加えて建設費を低減することが可能になる。
【００３９】
さらに、掘削カッタ２を設けた環状軸３２は、保持部材３７によって保持された形態で公転および自転する構成であるため、従前のようにルーロー三角形の外幅を一辺とする正方形枠にルーロー三角形状の軸を支持して回転させる必要がない。すなわち、正方形枠が必要ない。このため、掘進した掘削孔Ｈの断面形状に対して、掘削機の胴部１の前面視の輪郭を小さく形成することが可能になる。この結果、掘削カッタ２が先行して掘進した掘削孔Ｈに胴部１が通過できるので、掘削断面がほぼ矩形状の掘削孔Ｈの掘進を行う掘削機を得ることが可能になる。この掘削機は、上記のごとく簡素な機構でほぼ矩形状の断面の掘削孔Ｈを掘進するため、故障が起こり難く信頼性が高く、コストが嵩むことがない。
【００４０】
なお、上記構成の掘削機によって掘削した掘削孔Ｈは、ほぼ矩形状の断面の角部が丸みを帯びることになる。丸みを帯びた断面ほぼ矩形状の掘削孔Ｈは、断面矩形状と比較して隅部への応力集中を緩和することができるので掘削に際して適している。
【００４１】
ところで、上記構成の掘削機において、複数の回転機構３を回転軸３３が平行となるように設け、相互の回転機構３の各掘削カッタ２の軌跡が前面視で重複する態様で隣接する相互の掘削カッタ２の位置を回転軸３３の軸方向でずらして配置する。このように構成すれば、ほぼ正四角形状の掘削断面を一連に連続したほぼ長方形状の掘削断面の掘削孔Ｈを得ることが可能になる。また、複数の回転機構３を回転軸３３が平行となるように設け、相互の回転機構３の掘削カッタ２の軌跡が前面視で重複する態様で配置する場合、隣接する各掘削カッタ２を同一面上に配置しつつ、隣接する各回転軸３３を逆方向に回転駆動する。このように構成しても、ほぼ正四角形状の掘削断面を一連に連続したほぼ長方形状の掘削断面の掘削孔Ｈを得ることが可能になる。
【００４２】
すなわち、ほぼ正四角形状の掘削断面である複数の掘削孔Ｈを一連に連続したほぼ長方形状の掘削断面の掘削を行うことが可能になる。また、各掘削カッタ２について相互の前面を同一面上に配置することによって、掘削した先端部を凹凸なく平らに掘進することが可能になる。
【００４３】
以下、上述した回転機構３における固定中心線Ｐから移動中心線Ｇに至る距離である偏心量［ｒ］について説明する。
【００４４】
上述したように、回転軸３３が回転した場合に、回転軸３３の外周部３３１に係合する環状軸３２が公転して、その中心である移動中心線Ｇを所定軌道で移動させる。そして、ほぼ正多角形状断面の掘削孔Ｈを掘削する場合には、掘削カッタ２を含む環状軸３２の中心である移動中心線Ｇに対する回転軸３３の中心（固定中心線Ｐ）の移動軌跡がほぼ円形で、その半径の偏心量ｒ＝Ｒ−Ｒ’は、以下の式から求めることができる。
【００４５】
すなわち、例えば所望の正六角形状（正ｎ角形状）の輪郭をなす掘削カッタ２（羽根部材２１）は、図９に示すように移動中心線Ｇから放射状に（ｎ−１）＝（６−１）＝５本である。そして、各掘削カッタ２（羽根部材２１）の相互の角度を２θとする。このθは、下記数１であらわされる。
【００４６】
【数１】
【００４７】
そして、正ｎ角形状の高さをＤ、掘削カッタ２の長さ（Ｇ〜Ｔ）をＬとすると、３辺がＬ，Ｌ，Ｄの二等辺三角形の余弦定理より、下記数２が得られる。
【００４８】
【数２】
【００４９】
すなわち、正ｎ角形状の高さＤは、下記数３に示すように正ｎ角形状の中心（固定中心線Ｐ）から辺中央までの長さの２倍となる。
【００５０】
【数３】
【００５１】
そして、高さＤの中心（固定中心線Ｐ）が回転中心とすると、移動中心線Ｇとの偏心量ｒ＝Ｒ−Ｒ’は、下記数４および数５で求められる。
【００５２】
【数４】
【００５３】
【数５】
【００５４】
なお、正多角形状の辺が内側に凹まないよう、Ｌをここで求めた値以上とする。また、正ｎ角形状の１辺の長さａは、下記数６で求められる。
【００５５】
【数６】
【００５６】
また、正ｎ角形状の頂点から中心までの長さ（外接円半径）ｂは、下記数７で求められる。
【００５７】
【数７】
【００５８】
このように、固定された軸受３１の内周部３１１の半径Ｒ、この内周部３１１に内接する環状軸３２の外周部３２２の半径Ｒ’から、偏心量ｒ＝Ｒ−Ｒ’を求め、数５〜数７で掘削カッタ２（羽根部材２１）の長さＬ、正ｎ角形状の１辺の長さａ、正ｎ角形状の外接円半径ｂが得られる。逆に、ａ、ｂを設定した場合には、数６または数７から偏心量ｒを求めて、数１からＬを求め、下記数８、数９および数１０からＲ，Ｒ’を求める。
【００５９】
【数８】
【００６０】
【数９】
【００６１】
【数１０】
【００６２】
なお、上述したように軸受３１の内周部３１１の半径Ｒと、環状軸３２の外周部３２２の半径Ｒ’の比率は、Ｒ：Ｒ’＝ｎ：（ｎ−１）とする。そして、固定中心線Ｐを原点として移動中心線Ｇの位置を定める。移動中心線Ｇからは、長さＬの掘削カッタ２（羽根部材２１）が延在する。そして、例えば図２に示す正ｎ角形状の横辺をＸ座標、縦辺をＹ座標とする座標系で、掘削カッタ２の先端Ｔの座標は、固定中心線Ｐ、移動中心線Ｇおよび掘削カッタ２の先端Ｔが直線上に並んだときからの移動中心線Ｇの回転角をφとすると、下記数１１および数１２から固定中心線Ｐを中心としたほぼ正ｎ角形状（図２の場合ほぼ正四角形状）が得られる。
【００６３】
【数１１】
【００６４】
【数１２】
【００６５】
以下、数５を適用した算定例であって、横辺をＸ座標、縦辺をＹ座標とする座標系において回転機構３を回転させたときの正多角形状の軌跡を見る。図１０は正三角形状の軌跡を示す図であり、単位をｍ（メートル）とする。ここでは、Ｒ＝６ｍ，Ｒ’＝４ｍ，Ｌ＝８．４ｍとし、偏心量ｒ＝２ｍとする。これにより、図１０に示す正三角形状断面の掘削孔Ｈが得られる。この結果、例えば上部を車道（２車線）、下部を下水道に利用する複合トンネルとなる。また、上記形状を上下逆向きにすることで、土被りの小さい箇所でも掘削地盤の崩壊を生じ難くできる。
【００６６】
図１１は正四角形状の軌跡を示す図であり、単位をｍ（メートル）とする。ここでは、Ｒ＝４ｍ，Ｒ’＝３ｍ，Ｌ＝８ｍとし、偏心量ｒ＝１ｍとする。これにより、図１１に示す正四角形状断面の掘削孔Ｈが得られる。この結果、例えば道路・鉄道などの有効空間を円形断面よりも小さい外径寸法のトンネルとなる。
【００６７】
図１２は正六角形状の軌跡を示す図であり、単位をｍ（メートル）とする。ここでは、Ｒ＝３ｍ，Ｒ’＝２．５ｍ，Ｌ＝１０ｍとし、偏心量ｒ＝０．５ｍとする。これにより、図１２に示す正六角形状断面の掘削孔Ｈが得られる。この結果、例えば立坑掘削機によって施工した正六角形状の孔を組み合わせてハニカム状の地中壁が得られる。
【００６８】
図１３は正八角形状の軌跡を示す図であり、単位をｍ（メートル）とする。ここでは、Ｒ＝２ｍ，Ｒ’＝１．７５ｍ，Ｌ＝９．５ｍとし、偏心量ｒ＝０．２５ｍとする。これにより、図１３に示す正八角形状断面の掘削孔Ｈが得られる。
【００６９】
なお、上記回転機構３は、移動中心線Ｇ、固定中心線Ｐおよび掘削カッタ２の先端Ｔを、この順序で直線上に並べた態様において、当該直線と直交する方向が所望とする正多角形状の１辺の方向となる。すなわち、所望とする正多角形状の軌跡の配置は、移動中心線Ｇ、固定中心線Ｐおよび掘削カッタ２の先端Ｔの位置設定によって決められる。掘削機の場合、移動中心線Ｇ、固定中心線Ｐおよび掘削カッタ２の先端Ｔの位置に合わせて設置角度を調整すれば、掘削孔Ｈの断面配置を設定できる。
【００７０】
このように、上述した回転機構３は、所定の固定中心線Ｐを中心とした環状の内周部３１１を有する固定の軸受３１と、固定中心線Ｐに平行な所定の移動中心線Ｇを中心とした内周部３２１および外周部３２２を有して環状に形成してあってその外周部３２２を軸受３１の内周部３１１に当接係合して軸受３１に内装した環状軸３２と、固定中心線Ｐを回転中心として回転可能に設けてあって環状軸３２の内周部３２１に対して自身の外周部３３１を当接係合した回転軸３３と、移動中心線Ｇを中心に回動する態様で環状軸３２に内装してあるとともに回転軸３３を支持して当該回転軸３３の外周部３３１と環状軸３２の内周部３２１との係合を保持しつつ軸受３１の内周部３１１と環状軸３２の外周部３２２との係合を保持する保持部材３７と、回転軸３３を回転駆動する駆動部３６と、固定中心線Ｐを中心とした所望の正多角形状の輪郭内で当該正多角形状の角数から１つ減らした数をもって環状軸３２に設けてあって移動中心線Ｇから放射方向に延在しつつ等角度に同じ長さで配置した掘削カッタ２（羽根部材２１）とを備えている。
【００７１】
そして、駆動部３６の駆動力を回転軸３３に伝達することによって、回転軸３３が軸受３１の固定中心線Ｐを中心として回転する。すると、回転軸３３の外周部３３１に係合する環状軸３２が移動中心線Ｇを中心として回転軸３３と同方向に回転する。また、移動中心線Ｇを中心として回転する環状軸３２は、その外周部３２２が軸受３１の内周部３１１に係合しているため、当該軸受３１の内周部３１１に沿って軸受３１の固定中心線Ｐの周りに回転軸３３と逆方向に輪転運動（公転）することになる。このため、環状軸３２に設けた掘削カッタ２（羽根部材２１）は、環状軸３２の輪転運動に伴ってその先端Ｔが移動する。移動する掘削カッタ２の先端Ｔは、所望の正多角形状の軌跡をなし、ほぼ正多角形状断面の掘削孔Ｈが得られる。
【００７２】
すなわち、回転機構３は、回転軸３３が軸受３１の固定中心線Ｐを中心として回転駆動され、かつ、環状軸３２が回転軸３３の回転に伴って保持部材３７に保持された形態で移動中心線Ｇを中心として回転する。この結果、回転軸３３が軸受３１の固定中心線Ｐ上でその軸心がずれることなく回転するため、回転ぶれや振動を低減することが可能になる。また、環状軸３２が回転軸３３の回転に伴って保持部材３７に保持された形態で移動中心線Ｇを中心として回転するため、回転軸３３と環状軸３２との間に従前の自在継手を要することがないので、自在継手に係るコストを低減することが可能になる。
【００７３】
さらに、環状軸３２が保持部材３７に保持された形態で移動中心線Ｇを中心として回転するため、従前の枠体を必要とせずにほぼ正多角形状の軌跡をなすことが可能になる。このため、掘進した掘削孔Ｈの断面形状に対して、掘削機の胴部１の前面視の輪郭を小さく形成することが可能になる。この結果、掘削カッタ２が先行して掘進した掘削孔Ｈに胴部１が通過できるので、ほぼ多角形状断面の掘削孔Ｈの掘進を行う掘削機を得ることが可能になる。
【００７４】
また、上記回転機構３は、軸受３１の内周部３１１の半径を［Ｒ］、環状軸３２の外周部３２２の半径を［Ｒ’］、移動中心線Ｇからの羽根部材２１の長さを［Ｌ］として、正ｎ角形状を所望とする場合に、ｎ≧３、Ｒ：Ｒ’＝ｎ：（ｎ−１）、Ｌ≧Ｒ×（ｎ＋１）／ｎと設定してある。この結果、掘削された掘削孔Ｈは、ほぼ正多角形状断面の各辺が平行もしくは掘削孔Ｈの外側に向けて凸状に形成されるため、力学的に強度を有するものとなる。また、必要に応じて、偏心量ｒ＝Ｒ−Ｒ’を小さく調整する、もしくは羽根部材２１の長さＬを長く調整することで、ほぼ多角形状断面の各辺が外側に向けて丸みを帯びた断面形状の掘削孔Ｈを得ることが可能である。
【００７５】
また、回転軸３３が固定中心線Ｐに位置して回転駆動されることから、その前端を掘削カッタ２の前側に延在して別の掘削カッタを装備することが可能である。この結果、ほぼ正多角形状断面の掘削孔Ｈを掘削する前に円形の補助掘削孔を掘削したり、掘削断面の途中までをほぼ正多角形状断面にしてその先を円形状断面とすることができる。また、回転軸３３の前端部に掘削ドリルを設ければ、掘削孔Ｈを掘削する前に削岩が可能になり、掘削の負荷を低減できる。
【００７６】
なお、掘削断面の途中までをほぼ正多角形状断面にしてその先を円形状断面とする場合、例えば、場所打ちコンクリート杭の杭頭のみをほぼ正方形断面にして、残りの下部を円形とする。このようにすることで、図１４に示すように基礎と接合される応力が大きい杭頭だけをほぼ正方形状断面として、Ｘ，Ｙ方向に配筋される基礎梁やマット配筋との干渉を避けつつ、杭頭に大量の主筋を配することが可能になる。また、ほぼ正方形状断面なので外周フープ１００だけでなく、断面中央部にトレミー管１０１のスペースを確保しつつ両端にフック１０２ａを有した中子フープ１０２を追加することで、せん断耐力を容易に増大させて杭頭部でのせん断破壊を防止することができる。従前の円形状断面の杭頭では、拡頭断面でもある程度の耐力増加はできたが、杭頭主筋配筋が円周上に並ぶことから基礎配筋との干渉問題があり、せん断耐力確保のために過大な杭頭断面積となる場合も多く、本実施の形態１ではこれらを根本的に解決する。
【００７７】
また、複数の回転機構３を回転軸３３が平行となるように設け、相互の回転機構３の各掘削カッタ２の軌跡が前面視で重複する態様で隣接する相互の掘削カッタ２の位置を回転軸３３の軸方向でずらして配置する。あるいは、隣接する各掘削カッタ２を同一面上に配置しつつ、隣接する各回転軸３３を逆方向に回転駆動する。このように構成すれば、ほぼ正多角形状の掘削断面を組み合わせて一連に連続した掘削断面の掘削孔Ｈを得ることが可能である。さらに、上記回転機構３と従前の円形掘削の回転機構とを組み合わせれば、多角形状の掘削断面と円形状の掘削断面とを組み合わせて一連に連続した掘削断面の掘削孔Ｈを得ることが可能である。なお、各掘削カッタ２について相互の前面を同一面上に配置すれば、相互の回転機構３の間において掘削した先端部を凹凸なく平らに掘進することが可能になる。
【００７８】
また、回転軸３３が固定中心線Ｐに位置して回転駆動されることから、従前からある掘削機の回転軸の前端部構成を上述した機構に変更することで上記掘削機を容易に得ることが可能である。
【００７９】
ところで、上述した実施の形態１では、回転軸３３の外周部３３１と環状軸３２の内周部３２１との係合を常に保持しつつ、軸受３１の内周部３１１と環状軸３２の外周部３２２との係合を常に保持する保持部材３７として、環状軸３２の内周に摺接して移動中心線Ｇを中心に回動し、回転軸３３を回動可能に挿通支持する構成としてある。これに限らず、例えば図１５に示すように中心軸３４および従動軸３５で構成した保持部材３７であってもよい。中心軸３４は、環状軸３２の移動中心線Ｇ上に設けてあって、環状軸３２の環状内に内装してあり、ほぼ円柱状の外周部３４１を回転軸３３の外周部３３１に対して当接係合してある。従動軸３５は、回転軸３３と同じ直径の外周部３５１を有して回転軸３３と平行に設けてあって、環状軸３２の環状内に内装してあり、ほぼ円柱状の外周部３５１を環状軸３２の内周部３２１および中心軸３４の外周部３４１に当接係合してある。この従動軸３５は、複数（図１５では２つ）設けてあって、回転軸３３を伴って移動中心線Ｇを中心として１２０°間隔で配置してある。すなわち、環状軸３２は、回転軸３３の回転に伴って、回転軸３３、中心軸３４および従動軸３５によって保持された形態で移動中心線Ｇを中心として回転する。また、図には明示しないが、軸受３１の内周部３１１と環状軸３２の外周部３２２との間に保持部材が係合されることによっても、回転軸３３を支持して当該回転軸３３の外周部３３１と環状軸３２の内周部３２１との係合を保持しつつ、軸受３１の内周部３１１と環状軸３２の外周部３２２との係合を保持することになるので、このような形態であってもよい。この場合の保持部材（図示なし）は、軸受３１の内周とほぼ同じ外周を有して所定厚さの円板状に形成してあり、環状軸３２の外周に摺接して固定中心線Ｐを中心に回動する態様で軸受３１に内装してある。そして、この保持部材（図示なし）には、移動中心線Ｇを中心として環状軸３２の外周とほぼ同じ内周を有する貫通孔が偏心して設けられている。もちろん、この図示しない保持部材と図１や図１５に示す保持部材３７とをそれぞれ組み合わせて双方用いてもよい。
【００８０】
なお、上述した実施の形態１では、回転機構３を掘削機に適用した例で説明しているが、上記回転機構３は掘削機に限るものではない。例えばほぼ多角形状の軌跡をなす上記回転機構３の他の用途として、地中連続壁などでの多角形状断面の掘削に用いたり、セメントなどの硬化材を地盤中に注入する地盤改良で地盤を硬化材とともに混練り攪拌するときに用いたり、あるいは工作物の多角形状の切削に用いたり、地盤以外の混練り物製造の攪拌に用いたりするなど、様々な用途が考えられる。すなわち、地盤改良や混練り攪拌に上記回転機構３を用いる場合には、羽根部材２１が攪拌羽根となる。また、切削に上記回転機構３を用いる場合には、羽根部材２１に切削刃を設けて切削カッタとなる。したがって、本発明の実施の形態１での掘削は、攪拌や切削を含む意味で用いている。
【００８１】
［実施の形態２］
以下に添付図面を参照して、本発明に係る掘削機の好適な実施の形態２を詳細に説明する。なお、この実施の形態２によりこの発明が限定されるものではない。
【００８２】
図１６は本発明に係る掘削機の実施の形態２を示す概略側面図、図１７は図１６に示す掘削機を軸方向から視た概念図である。なお、本実施の形態２において、上述した実施の形態１と同等部分には同一の符号を付す。
【００８３】
図１６に示すように掘削機は、胴部１と掘削カッタ２（実施の形態１における羽根部材２１）とを備えている。胴部１は、掘削カッタ２を支持しつつ掘削カッタ２を駆動するものであって、掘削機の外郭をなし、その内部に駆動機構（実施の形態１における回転機構）３を有している。
【００８４】
駆動機構３は、軸受３１、環状軸３２、回転軸３３、中心軸３４、従動軸３５および駆動部３６を有している。
【００８５】
軸受３１は、胴部１に固定してあり、胴部１の前後方向に沿って配置した所定の固定中心線Ｐを中心として環状の内周部３１１を有している。
【００８６】
環状軸３２は、固定中心線Ｐと平行にして胴部１の前後方向に沿って配置した所定の移動中心線Ｇを中心とした内周部３２１および外周部３２２を有してほぼ円環状に形成してある。この環状軸３２は、軸受３１の環状内に内装してあり、その外周部３２２を軸受３１の内周部３１１に対して当接係合してある。なお、環状軸３２は、内周部３２１および外周部３２２を一体に有した環状体、あるいは内周部３２１を有した管体と外周部３２２を有した管体とを組み合わせた構成とすることができる。
【００８７】
回転軸３３は、軸受３１の固定中心線Ｐを回転中心として回転可能に胴部１に支持してある。この回転軸３３は、環状軸３２の環状内に内装してあり、ほぼ円柱状の外周部３３１を環状軸３２の内周部３２１に対して当接係合してある。
【００８８】
中心軸３４は、環状軸３２の移動中心線Ｇ上に設けてある。この中心軸３４は、環状軸３２の環状内に内装してあり、ほぼ円柱状の外周部３４１を回転軸３３の外周部３３１に対して当接係合してある。なお、中心軸３４は、実施の形態１における保持部材３７を構成する。
【００８９】
従動軸３５は、回転軸３３と同じ直径の外周部３５１を有して回転軸３３と平行に設けてある。この従動軸３５は、環状軸３２の環状内に内装してあり、ほぼ円柱状の外周部３５１を環状軸３２の内周部３２１および中心軸３４の外周部３４１に当接係合してある。また、従動軸３５は、複数（本実施の形態２では２つ）設けてあって、回転軸３３とともに移動中心線Ｇを中心として１２０°間隔で配置してある。なお、従動軸３５は、実施の形態１における保持部材３７を構成する。
【００９０】
駆動部３６は、回転軸３３を回転させるものであり、例えばモータなど胴部１に設けた駆動源からなる。なお、駆動部３６は、図には明示しないが駆動源と回転軸３３との間に適宜減速機構を有していてもよい。
【００９１】
なお、軸受３１と環状軸３２との係合、環状軸３２と回転軸３３および従動軸３５との係合、中心軸３４と回転軸３３および従動軸３５との係合には、例えば歯車の噛合による係合がある。あるいは、高摩擦材などを介して接触滑りが防止された係合であってもよい。
【００９２】
掘削カッタ２は、胴部１の前側に延出した環状軸３２の前端に設けてあって、移動中心線Ｇ上に中心（重心）を置いた仮想ルーロー三角形状の範囲内であって、少なくとも中心（移動中心線Ｇ）と頂点（Ｔ）とを結ぶ延長線に沿って配置してある。図には明示しないが掘削カッタ２の前面には、掘削ビットが設けてある。ルーロー三角形は、図１７に一点鎖線で示すように正三角形の各頂点を中心として他の頂点を結ぶ円弧を描いてなる形状をなし、その外幅（差し渡し幅）がいずれも定幅なものである。
【００９３】
ここで、上記軸受３１、環状軸３２、回転軸３３、中心軸３４、および掘削カッタ２の寸法設定について説明する。図１８は図１７に示す掘削機の寸法設定を示す概念図である。図１８に示すように回転軸３３の中心（固定中心線Ｐ）から中心軸３４の中心（移動中心線Ｇ）に至る距離（偏心量）を［ｒ］として、軸受３１の内周部３１１の直径を［８ｒ］、環状軸３２の外周部３２２の直径を［６ｒ］、および環状軸３２の内周部３２１の直径を［ｈ（回転軸の直径）＋２ｒ］と設定する。かつ、掘削カッタ２のルーロー三角形の外幅を［ａ］として、掘削カッタ２を配置するルーロー三角形の中心（移動中心線Ｇ）と頂点Ｔとを結ぶ延長線Ｌを［Ｌ＝０．５ａ＋ｒ］と設定する。
【００９４】
上記構成の掘削機は、駆動機構３において駆動部３６の駆動力を回転軸３３に伝達することによって、回転軸３３が軸受３１の固定中心線Ｐを中心として回転（例えば図１７における時計回り方向）する。すると、回転軸３３の外周部３３１に係合する中心軸３４が移動中心線Ｇを中心として回転軸３３とは逆方向（例えば図１７における反時計回り方向）に回転する。さらに、中心軸３４の外周部３４１に係合する従動軸３５が回転軸３３と同方向（例えば図１７における時計回り方向）に回転する。同時に、回転軸３３が回転することによって、回転軸３３の外周部３３１および従動軸３５の外周部３５１に係合する環状軸３２が移動中心線Ｇを中心として回転軸３３および従動軸３５と同方向（例えば図１７における時計回り方向）に回転する。すなわち、環状軸３２は、回転軸３３の回転に伴って、回転軸３３および従動軸３５に支持された形態で移動中心線Ｇを中心として回転する。また、移動中心線Ｇを中心として回転する環状軸３２は、その外周部３２２が軸受３１の内周部３１１に係合しているため、当該軸受３１の内周部３１１に沿って軸受３１の固定中心線Ｐの周りに回転軸３３と逆方向（例えば図１７における反時計回り方向）に輪転運動（公転）することになる。このため、環状軸３２に設けた掘削カッタ２は、環状軸３２の輪転運動に伴ってその先端であるルーロー三角形の頂点Ｔが移動する。移動する掘削カッタ２の先端（頂点Ｔ）は、ルーロー三角形の外幅を一辺とし軸受３１の固定中心線Ｐを中心とした正方形に近いほぼ矩形状の軌跡をなす。
【００９５】
なお、上記寸法設定によって「環状軸３２の外周部３２２の直径［６ｒ］」：「軸受３１の内周部３１１の直径［８ｒ］」、すなわち３：４に設定してあるため、図１９〜図２３に示すように環状軸３２が移動中心線Ｇを中心に１回転すると、当該環状軸３２は固定中心線Ｐの周りに１／３回転分公転することになる。したがって、図１９〜図２３における掘削カッタ２の先端Ａ，Ｂ，Ｃの移動位置で示すように掘削カッタ２も同様に公転回転する。
【００９６】
この結果、図１７に示すようにほぼ矩形状の断面の掘削孔Ｈを掘進することが可能になる。この掘削孔Ｈは、断面円形の掘削孔と比較して、不要な空間を掘削せずに利用空間のみの掘削で得られるため、必要以上の用地面積を要さないことに加えて建設費を低減することが可能になる。
【００９７】
さらに、掘削カッタ２を設けた環状軸３２は、回転軸３３および従動軸３５に支持された形態で回転する構成であるため、従前のようにルーロー三角形の外幅を一辺とする正方形枠にルーロー三角形状の軸を支持して回転させる必要がない。すなわち、正方形枠が必要ない。このため、掘進した掘削孔Ｈの断面形状に対して、掘削機の胴部１の前面視の輪郭を小さく形成することが可能になる。この結果、掘削カッタ２が先行して掘進した掘削孔Ｈに胴部１が通過できるので、掘削断面がほぼ矩形状の掘削孔Ｈの掘進を行う掘削機を得ることが可能になる。この掘削機は、上記のごとく簡素な機構でほぼ矩形状の断面の掘削孔Ｈを掘進するため、故障が起こり難く信頼性が高く、コストが嵩むことがない。
【００９８】
なお、上記構成の掘削機によって掘削した掘削孔Ｈは、ほぼ矩形状の断面の角部が丸みを帯びることになる。丸みを帯びた断面ほぼ矩形状の掘削孔Ｈは、断面矩形状と比較して隅部への応力集中を緩和することができるので掘削に際して適している。
【００９９】
ところで、上記構成の掘削機において、回転軸３３を複数平行に設けた上記駆動機構３によって掘削カッタ２を複数隣接し、相互の掘削カッタ２の軌跡が前面視で重複する態様で隣接する相互の掘削カッタ２の位置を回転軸３３の軸方向でずらして配置する。このように構成すれば、ほぼ正方形（ほぼ矩形状）の掘削断面を一連に連続したほぼ長方形（ほぼ矩形状）の掘削断面の掘削孔を得ることが可能になる。
【０１００】
また、回転軸３３を複数平行に設けた上記駆動機構３によって掘削カッタ２を複数隣接し、相互の掘削カッタ２の軌跡が前面視で重複する態様で配置する場合、隣接する各掘削カッタ２を同一面上に配置しつつ、隣接する各回転軸３３を逆方向に回転駆動する。このように構成すれば、ほぼ正方形（ほぼ矩形状）の掘削断面を一連に連続したほぼ長方形（ほぼ矩形状）の掘削断面の掘削孔を得ることが可能になる。
【０１０１】
すなわち、ほぼ正方形（ほぼ矩形状）の掘削断面である複数の掘削孔Ｈを一連に連続したほぼ長方形（ほぼ矩形状）の掘削断面の掘削を行うことが可能になる。また、各掘削カッタ２について相互の前面を同一面上に配置することによって、掘削した先端部を凹凸なく平らに掘進することが可能になる。
【０１０２】
以下、上述した掘削機における回転軸３３の中心（固定中心線Ｐ）から中心軸３４の中心（移動中心線Ｇ）に至る距離［ｒ］について説明する。
【０１０３】
上述したように、回転軸３３が回転した場合に、回転軸３３の外周部３３１に係合する環状軸３２が公転して、その中心である中心軸３４の中心（移動中心線Ｇ）を所定軌道で移動させる。そして、ほぼ正方形状の掘削孔Ｈを掘削する場合には、掘削カッタ２をなす仮想ルーロー三角形上において、当該ルーロー三角形の中心（重心）である中心軸３４の中心（移動中心線Ｇ）に対する回転軸３３の中心（固定中心線Ｐ）の移動軌跡がほぼ円形で、その半径である［ｒ］は、仮想ルーロー三角形の外幅［ａ］の７．７％〜８．２％程度となることが幾何学的に分かっている。
【０１０４】
すなわち、図２４に示すようにルーロー三角形の外幅［ａ］を一辺とした正方形の横辺をＸ座標、縦辺をＹ座標とする座標系で、当該正方形に内接する形態でルーロー三角形を回転させたときのルーロー三角形上での正方形の中心位置（回転軸３３の中心（固定中心線Ｐ））の軌跡を見る。図２４において破線で示す軌跡は、回転軸３３の中心（固定中心線Ｐ）と中心軸３４の中心（移動中心線Ｇ）との距離［ｒ］（偏心量）を下記数１３で示す０．０７７４ａで一定としたものである。
【０１０５】
【数１３】
【０１０６】
しかし、上記破線で示す軌跡は、実際のルーロー三角形上での正方形の中心位置（回転軸３３の中心（固定中心線Ｐ））の軌跡（図２４に実線で示す）に対して一致するのは３箇所のみである。そして、破線で示す軌跡の場合は、掘削されたほぼ矩形状の掘削孔Ｈの断面の各辺が孔の内側に向けてやや凹状に形成されることになる。このように掘削された掘削孔は、力学的に強度が低下するため好ましくない。
【０１０７】
上記実線で示す軌跡は、下記数１４で示す０．０８１６ａを含んで、回転軸３３の中心（固定中心線Ｐ）と中心軸３４の中心（移動中心線Ｇ）との距離［ｒ］（偏心量）が０．０７７４ａ〜０．０８１６ａとなる。
【０１０８】
【数１４】
【０１０９】
また、回転軸３３の中心（固定中心線Ｐ）と中心軸３４の中心（移動中心線Ｇ）との距離［ｒ］（偏心量）が大きくなるほど掘削されたほぼ矩形状の掘削孔Ｈの断面の各辺が孔の内側に向けて凹状に形成されることになる。したがって、距離［ｒ］が、仮想ルーロー三角形の外幅［ａ］の６％〜８％であれば掘削される掘削孔Ｈの断面形状は理想的なほぼ矩形状となる。
【０１１０】
これを具体的に示すと、図１７に示す状態からルーロー三角形（掘削カッタ２）が１２０°時計回りに回転すると、掘削カッタ２の中心であってルーロー三角形の重心である移動中心線Ｇは、回転軸３３の中心である固定中心線Ｐの周りに３６０°反時計回りに回転する。したがって、環状軸３２の中心（移動中心線Ｇ）が中心（固定中心線Ｐ）に対してφ回転したとき、掘削カッタ２は中心（移動中心線Ｇ）に対して−φ／３回転する。すなわち、上記正方形のＸ，Ｙ座標において、掘削カッタ２の先端（ルーロー三角形の頂点）の軌跡は、下記数１５および数１６によって求められる。
【０１１１】
【数１５】
【０１１２】
【数１６】
【０１１３】
そして、上記数１５および数１６で求めた掘削カッタ２の先端の軌跡を図２５〜図３３に示す。図２５は回転軸３３の中心（固定中心線Ｐ）と中心軸３４の中心（移動中心線Ｇ）との距離［ｒ］（偏心量）が０．１ａ（１０％）の場合の掘削カッタ２の先端の軌跡であり、掘削されたほぼ矩形状の掘削孔Ｈの断面の各辺が孔の内側に向けて凹状に形成されることが分かる。
【０１１４】
図２６は距離［ｒ］（偏心量）が０．０９ａ（０．９％）の場合の掘削カッタ２の先端の軌跡であり、これも掘削されたほぼ矩形状の掘削孔Ｈの断面の各辺が孔の内側に向けて凹状に形成されることが分かる。
【０１１５】
図２７は距離［ｒ］（偏心量）が０．０８５ａ（０．８５％）の場合の掘削カッタ２の先端の軌跡であり、これも掘削されたほぼ矩形状の掘削孔Ｈの断面の各辺が孔の内側に向けて凹状に形成されることが分かる。
【０１１６】
図２８は距離［ｒ］（偏心量）が０．０８ａ（０．８％）の場合の掘削カッタ２の先端の軌跡であり、これも掘削されたほぼ矩形状の掘削孔Ｈの断面の各辺が孔の内側に向けて凹状に形成されることが分かる。
【０１１７】
図２９は距離［ｒ］（偏心量）が０．０７５ａ（０．７５％）の場合の掘削カッタ２の先端の軌跡であり、掘削されたほぼ矩形状の掘削孔Ｈの断面の各辺が略平行に形成されることが分かる。
【０１１８】
図３０は距離［ｒ］（偏心量）が０．０７ａ（０．７％）の場合の掘削カッタ２の先端の軌跡であり、掘削されたほぼ矩形状の掘削孔Ｈの断面の各辺が孔の外側に向けて凸状に形成されることが分かる。
【０１１９】
図３１は距離［ｒ］（偏心量）が０．０６５ａ（０．６５％）の場合の掘削カッタ２の先端の軌跡であり、これも掘削されたほぼ矩形状の掘削孔Ｈの断面の各辺が孔の外側に向けて凸状に形成されることが分かる。
【０１２０】
図３２は距離［ｒ］（偏心量）が０．０６ａ（０．６％）の場合の掘削カッタ２の先端の軌跡であり、これも掘削されたほぼ矩形状の掘削孔Ｈの断面の各辺が孔の外側に向けて凸状に形成されることが分かる。
【０１２１】
図３３は距離［ｒ］（偏心量）が０．０５５ａ（０．５５％）の場合の掘削カッタ２の先端の軌跡であり、掘削されたほぼ矩形状の掘削孔Ｈの断面の各辺が孔の外側に向けて凸状に形成され、掘削孔Ｈ全体がやや丸みを帯びていることが分かる。
【０１２２】
したがって、図２５〜図３３に示すように理想的な断面形状の掘削孔Ｈを得るためには、回転軸３３の中心（固定中心線Ｐ）と中心軸３４の中心（移動中心線Ｇ）との距離［ｒ］を、仮想ルーロー三角形の外幅［ａ］の６％〜８％として偏心量とすることが好ましいことが分かる。
【０１２３】
このように、上述した掘削機は、所定の固定中心線Ｐを中心とした環状の内周部３１１を有する固定の軸受３１と、所定の移動中心線Ｇを中心とした内周部３２１および外周部３２２を有して環状に形成してあってその外周部３２２を軸受３１の内周部３１１に当接係合して軸受３１に内装した環状軸３２と、軸受３１の固定中心線Ｐを回転中心として回転可能に設けてあって環状軸３２の内周部３２１に対して自身の外周部３３１を当接係合した回転軸３３と、環状軸３２の移動中心線Ｇ上に設けてあって回転軸３３の外周部３３１に対して自身の外周部３４１を当接係合した中心軸３４と、回転軸３３と同じ外周部３５１を有して当該外周部３５１を環状軸３２の内周部３２１および中心軸３４の外周部３４１に当接係合した複数の従動軸３５と、回転軸３３を回転駆動する駆動部３６と、環状軸３２に設けてあって当該環状軸３２の移動中心線Ｇ上に中心を置いたルーロー三角形状の範囲内で少なくとも中心（移動中心線Ｇ）と頂点Ｔとを結ぶ延長線に沿って配置した掘削カッタ２とを備えている。
【０１２４】
そして、駆動部３６の駆動力を回転軸３３に伝達することによって、回転軸３３が軸受３１の固定中心線Ｐを中心として回転する。すると、回転軸３３の外周部３３１に係合する中心軸３４が移動中心線Ｇを中心として回転軸３３とは逆方向に回転する。さらに、中心軸３４の外周部３４１に係合する従動軸３５が回転軸３３と同方向に回転する。同時に、回転軸３３が回転することによって、回転軸３３の外周部３３１および従動軸３５の外周部３５１に係合する環状軸３２が移動中心線Ｇを中心として回転軸３３および従動軸３５と同方向に回転する。また、移動中心線Ｇを中心として回転する環状軸３２は、その外周部３２２が軸受３１の内周部３１１に係合しているため、当該軸受３１の内周部３１１に沿って軸受３１の固定中心線Ｐの周りに回転軸３３と逆方向に輪転運動（公転）することになる。このため、環状軸３２に設けた掘削カッタ２は、環状軸３２の輪転運動に伴ってその先端であるルーロー三角形の頂点Ｔが移動する。移動する掘削カッタ２の先端（頂点Ｔ）は、ルーロー三角形の外幅を一辺とし軸受３１の固定中心線Ｐを中心とした正方形に近いほぼ矩形状の軌跡をなす。この結果、ほぼ矩形状の断面の掘削孔Ｈを掘進することができる。
【０１２５】
すなわち、回転軸３３が軸受３１の固定中心線Ｐを中心として回転駆動され、かつ、環状軸３２が回転軸３３の回転に伴って回転軸３３および従動軸３５に支持された形態で移動中心線Ｇを中心として回転するという回転機構のみによって成り立っている。この結果、回転軸３３が軸受３１の固定中心線Ｐ上でその軸心がずれることなく回転するため、回転ぶれや振動を低減することが可能になる。また、環状軸３２が回転軸３３の回転に伴って回転軸３３、中心軸３４および従動軸３５に支持された形態で移動中心線Ｇを中心として回転するため、回転軸３３と環状軸３２との間に従前の自在継手を要することがないので、自在継手に係るコストを低減することが可能になる。
【０１２６】
さらに、環状軸３２が回転軸３３の回転に伴って回転軸３３、中心軸３４および従動軸３５に支持された形態で移動中心線Ｇを中心として回転するため、正方形枠を必要とせずにほぼ矩形断面の掘削孔Ｈを掘削することが可能になる。
【０１２７】
また、回転軸３３が固定中心線Ｐに位置して回転駆動されることから、前端を掘削カッタ２の前側に延在すれば、その前端に別の掘削カッタを装備することが可能である。例えば、回転軸３３の前端部に設けた掘削カッタによって、ほぼ矩形断面の掘削孔Ｈを掘削する前に円形の補助掘削孔を掘削することが可能になる。
【０１２８】
また、回転軸３３が固定中心線Ｐに位置して回転駆動されることから、従前からある掘削機の回転軸の前端部構成を上述した機構に変更することで上記掘削機を容易に得ることが可能である。
【０１２９】
また、上述した掘削機は、回転軸３３の中心（固定中心線Ｐ）から中心軸の中心（移動中心線Ｇ）に至る距離を［ｒ］として軸受３１の内周部３１１の直径を［８ｒ］、環状軸３２の外周部３２２の直径を［６ｒ］、および環状軸３２の内周部３２１の直径を［回転軸の直径＋２ｒ］と設定し、かつ、掘削カッタ２のルーロー三角形の外幅を［ａ］として掘削カッタ２を配置するルーロー三角形状の中心（移動中心線Ｇ）と頂点Ｔとを結ぶ延長線を［０．５ａ＋ｒ］と設定した。この結果、理想的なほぼ矩形断面の掘削孔Ｈを掘削することが可能になる。
【０１３０】
また、上述した掘削機は、回転軸３３の中心（固定中心線Ｐ）から中心軸の中心（移動中心線Ｇ）に至る距離［ｒ］を、掘削カッタ２におけるルーロー三角形の外幅［ａ］の６％〜８％として偏心量に設定した。この結果、掘削された掘削孔Ｈは、ほぼ矩形状の断面の各辺が平行もしくは掘削孔Ｈの外側に向けて凸状に形成されるため、力学的に強度を有するものとなる。また、偏心量を適宜変更することで、必要に応じたほぼ矩形断面の掘削孔Ｈを得ることが可能である。
【０１３１】
なお、上述した実施の形態２では、主に地盤などを掘削する掘削機に関して説明しているが、上記構成は掘削機に限るものではない。例えばほぼ矩形状の軌跡をなす上記回転機構における他の用途として、地中連続壁などでの矩形掘削に用いたり、セメントなどの硬化材を地盤中に注入する地盤改良で地盤を硬化材とともに混練り攪拌するときに用いたり、あるいは工作物の矩形切削に用いたり、地盤以外の混練り物製造の攪拌に用いたりするなど、様々な用途が考えられる。すなわち、地盤改良や混練り攪拌に上記回転機構を用いる場合には、上記掘削機，掘削カッタ２が、攪拌機，攪拌羽根となる。また、切削に上記回転機構を用いる場合には、上記掘削機，掘削カッタ２が、切削機，切削カッタとなる。したがって、本発明の実施の形態２でも、掘削は攪拌や切削を含む意味で用いている。
【図面の簡単な説明】
【０１３２】
【図１】本発明に係る回転機構を用いた掘削機の実施の形態１を示す概略側面図である。
【図２】図１に示す回転機構を軸方向（前方向）から視た概念図である。
【図３】図１に示す回転機構の分解斜視図である。
【図４】図２に示す回転機構の動作を示す概念図である。
【図５】図２に示す回転機構の動作を示す概念図である。
【図６】図２に示す回転機構の動作を示す概念図である。
【図７】図２に示す回転機構の動作を示す概念図である。
【図８】図２に示す回転機構の動作を示す概念図である。
【図９】偏心量を算出するための概念図である。
【図１０】正三角形状の軌跡を示す図である。
【図１１】正四角形状の軌跡を示す図である。
【図１２】正六角形状の軌跡を示す図である。
【図１３】正八角形状の軌跡を示す図である。
【図１４】ほぼ正方形状断面とした杭頭を例示する概念図である。
【図１５】他の保持部材を示す概念図である。
【図１６】本発明に係る掘削機の実施の形態を示す概略側面図である。
【図１７】図１６に示す掘削機を軸方向から視た概念図である。
【図１８】図１７に示す掘削機の寸法設定を示す概念図である。
【図１９】図１７に示す掘削機の動作を示す概念図である。
【図２０】図１７に示す掘削機の動作を示す概念図である。
【図２１】図１７に示す掘削機の動作を示す概念図である。
【図２２】図１７に示す掘削機の動作を示す概念図である。
【図２３】図１７に示す掘削機の動作を示す概念図である。
【図２４】仮想ルーロー三角形上での正方形の中心位置の軌跡を示す図である。
【図２５】掘削カッタの先端の軌跡を示す図である。
【図２６】掘削カッタの先端の軌跡を示す図である。
【図２７】掘削カッタの先端の軌跡を示す図である。
【図２８】掘削カッタの先端の軌跡を示す図である。
【図２９】掘削カッタの先端の軌跡を示す図である。
【図３０】掘削カッタの先端の軌跡を示す図である。
【図３１】掘削カッタの先端の軌跡を示す図である。
【図３２】掘削カッタの先端の軌跡を示す図である。
【図３３】掘削カッタの先端の軌跡を示す図である。
【符号の説明】
【０１３３】
１ 胴部
２ 掘削カッタ
２１ 羽根部材
３ 回転機構（駆動機構）
３１ 軸受
３１１ 内周部
３２ 環状軸
３２１ 内周部
３２２ 外周部
３３ 回転軸
３３１ 外周部
３４ 中心軸
３４１ 外周部
３５ 従動軸
３５１ 外周部
３６ 駆動部
３７ 保持部材
３７１ 挿通孔
１００ 外周フープ
１０１ トレミー管
１０２ 中子フープ
１０２ａ フック
ａ 外幅
ｂ 外接円半径
ｒ 偏心量
Ｇ 移動中心線
Ｈ 掘削孔
Ｌ 移動中心線からの羽根部材の長さ
Ｐ 固定中心線
Ｒ 軸受の内周部の半径
Ｒ’ 環状軸の外周部の半径
Ｔ 羽根部材の先端（頂点）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の固定中心線を中心とした環状の内周部を有する固定の軸受と、
前記固定中心線に平行な所定の移動中心線を中心とした内周部および外周部を有して環状に形成してあってその外周部を前記軸受の内周部に当接係合して前記軸受に内装した環状軸と、
前記固定中心線を回転中心として回転可能に設けてあって前記環状軸の内周部に対して自身の外周部を当接係合した回転軸と、
前記移動中心線を中心に回動する態様で前記環状軸に内装してあるとともに前記回転軸を支持して当該回転軸の外周部と前記環状軸の内周部との係合を保持しつつ前記軸受の内周部と前記環状軸の外周部との係合を保持する保持部材と、
前記回転軸を回転駆動する駆動部と、
前記固定中心線を中心とした所望の正多角形状の輪郭内で当該正多角形状の角数から１つ減らした数をもって前記環状軸に設けてあって前記移動中心線から放射方向に延在しつつ等角度に同じ長さで配置した羽根部材と
を備えたことを特徴とする回転機構。
【請求項２】
前記軸受の内周部の半径を［Ｒ］、前記環状軸の外周部の半径を［Ｒ’］、前記移動中心線からの羽根部材の長さを［Ｌ］として、正ｎ角形状を所望とする場合に、ｎ≧３、Ｒ：Ｒ’＝ｎ：（ｎ−１）、Ｌ≧Ｒ×（ｎ＋１）／ｎと設定したことを特徴とする請求項１に記載の回転機構。
【請求項３】
請求項１または２に記載の回転機構を用いて、
前記軸受を支持するとともに前記駆動部を内部に配置した筒状の胴部と、
前記羽根部材にカッタを配設した掘削カッタと
を備えたことを特徴とする掘削機。
【請求項４】
所定の固定中心線を中心とした環状の内周部を有する固定の軸受と、
所定の移動中心線を中心とした内周部および外周部を有して環状に形成してあってその外周部を前記軸受の内周部に当接係合して前記軸受に内装した環状軸と、
前記固定中心線を回転中心として回転可能に設けてあって前記環状軸の内周部に対して自身の外周部を当接係合した回転軸と、
前記移動中心線上に設けてあって前記回転軸の外周部に対して自身の外周部を当接係合した中心軸と、
前記回転軸と同じ外周部を有して当該外周部を前記環状軸の内周部および前記中心軸の外周部に当接係合した複数の従動軸と、
前記回転軸を回転駆動する駆動部と、
前記環状軸に設けてあって前記移動中心線上に中心を置いたルーロー三角形状の範囲内で少なくとも中心と頂点とを結ぶ延長線に沿って配置した掘削カッタと
を備えたことを特徴とする掘削機。
【請求項５】
前記回転軸の中心から前記中心軸の中心に至る距離を［ｒ］として前記軸受の内周部の直径を［８ｒ］、前記環状軸の外周部の直径を［６ｒ］、および前記環状軸の内周部の直径を［回転軸の直径＋２ｒ］と設定し、かつ、前記掘削カッタのルーロー三角形の外幅を［ａ］として前記掘削カッタを配置するルーロー三角形状の中心と頂点とを結ぶ延長線を［０．５ａ＋ｒ］と設定したことを特徴とする請求項４に記載の掘削機。
【請求項６】
前記回転軸の中心から前記中心軸の中心に至る距離［ｒ］を、前記掘削カッタにおけるルーロー三角形の外幅［ａ］の６％〜８％として偏心量に設定したことを特徴とする請求項５に記載の掘削機。
【請求項１】
所定の固定中心線を中心とした環状の内周部を有する固定の軸受と、
前記固定中心線に平行な所定の移動中心線を中心とした内周部および外周部を有して環状に形成してあってその外周部を前記軸受の内周部に当接係合して前記軸受に内装した環状軸と、
前記固定中心線を回転中心として回転可能に設けてあって前記環状軸の内周部に対して自身の外周部を当接係合した回転軸と、
前記移動中心線を中心に回動する態様で前記環状軸に内装してあるとともに前記回転軸を支持して当該回転軸の外周部と前記環状軸の内周部との係合を保持しつつ前記軸受の内周部と前記環状軸の外周部との係合を保持する保持部材と、
前記回転軸を回転駆動する駆動部と、
前記固定中心線を中心とした所望の正多角形状の輪郭内で当該正多角形状の角数から１つ減らした数をもって前記環状軸に設けてあって前記移動中心線から放射方向に延在しつつ等角度に同じ長さで配置した羽根部材と
を備えたことを特徴とする回転機構。
【請求項２】
前記軸受の内周部の半径を［Ｒ］、前記環状軸の外周部の半径を［Ｒ’］、前記移動中心線からの羽根部材の長さを［Ｌ］として、正ｎ角形状を所望とする場合に、ｎ≧３、Ｒ：Ｒ’＝ｎ：（ｎ−１）、Ｌ≧Ｒ×（ｎ＋１）／ｎと設定したことを特徴とする請求項１に記載の回転機構。
【請求項３】
請求項１または２に記載の回転機構を用いて、
前記軸受を支持するとともに前記駆動部を内部に配置した筒状の胴部と、
前記羽根部材にカッタを配設した掘削カッタと
を備えたことを特徴とする掘削機。
【請求項４】
所定の固定中心線を中心とした環状の内周部を有する固定の軸受と、
所定の移動中心線を中心とした内周部および外周部を有して環状に形成してあってその外周部を前記軸受の内周部に当接係合して前記軸受に内装した環状軸と、
前記固定中心線を回転中心として回転可能に設けてあって前記環状軸の内周部に対して自身の外周部を当接係合した回転軸と、
前記移動中心線上に設けてあって前記回転軸の外周部に対して自身の外周部を当接係合した中心軸と、
前記回転軸と同じ外周部を有して当該外周部を前記環状軸の内周部および前記中心軸の外周部に当接係合した複数の従動軸と、
前記回転軸を回転駆動する駆動部と、
前記環状軸に設けてあって前記移動中心線上に中心を置いたルーロー三角形状の範囲内で少なくとも中心と頂点とを結ぶ延長線に沿って配置した掘削カッタと
を備えたことを特徴とする掘削機。
【請求項５】
前記回転軸の中心から前記中心軸の中心に至る距離を［ｒ］として前記軸受の内周部の直径を［８ｒ］、前記環状軸の外周部の直径を［６ｒ］、および前記環状軸の内周部の直径を［回転軸の直径＋２ｒ］と設定し、かつ、前記掘削カッタのルーロー三角形の外幅を［ａ］として前記掘削カッタを配置するルーロー三角形状の中心と頂点とを結ぶ延長線を［０．５ａ＋ｒ］と設定したことを特徴とする請求項４に記載の掘削機。
【請求項６】
前記回転軸の中心から前記中心軸の中心に至る距離［ｒ］を、前記掘削カッタにおけるルーロー三角形の外幅［ａ］の６％〜８％として偏心量に設定したことを特徴とする請求項５に記載の掘削機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【公開番号】特開２００７−４６４３９（Ｐ２００７−４６４３９Ａ）
【公開日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２５９９２４（Ｐ２００５−２５９９２４）
【出願日】平成１７年９月７日（２００５．９．７）
【出願人】（０００００２２９９）清水建設株式会社 (2,433)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月７日（２００５．９．７）
【出願人】（０００００２２９９）清水建設株式会社 (2,433)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]