掘削装置及びドリルビットユニット
【課題】機構がシンプルで安価であり、更に軽量でありながら安定した掘削性能を発揮する、新規且つ有用な掘削装置と、これに用いるドリルビットユニットを提供する。
【解決手段】遊星歯車機構を用いて、モータの回転方向に対して逆転するドリルビットを積層した。モータの回転に伴って、ドリルビットに発生する、動摩擦に起因する回転反力を相殺することで、掘削装置の土台となるやぐらが回転することを防ぎ、安定性を向上することができる。
【解決手段】遊星歯車機構を用いて、モータの回転方向に対して逆転するドリルビットを積層した。モータの回転に伴って、ドリルビットに発生する、動摩擦に起因する回転反力を相殺することで、掘削装置の土台となるやぐらが回転することを防ぎ、安定性を向上することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、掘削装置及びこれに用いるドリルビットユニットに適用して好適な技術に関する。
より詳細には、小型でありながら安定した掘削性能を発揮する、掘削装置及びドリルビットユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
地質調査は、建築物を建立したり、未開の地を調査する等の目的で実施される、重要な調査である。その方法は、所定の掘削機械を用いて地面を掘り進め、地質を調べる。地質調査の手法には、標準貫入試験（ＪＩＳ Ａ １２１９）やスウェーデン式サウンディング試験（ＪＩＳ Ａ １２２１）が周知である。
なお、本発明に関係すると思われる先行技術文献を非特許文献１に示す。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】水野昇幸，吉田和哉：月・惑星掘削探査ロボットのプロトタイプ開発，計測自動制御学会東北支部，第199回研究集会，資料番号199-3，(2001)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
標準貫入試験は、地盤の工学的性質（Ｎ値）を直接的に得られるため、広く実施されているが、その反面、調査費用が数十万円と高額であることが欠点である。更に、軟弱地盤では採取したデータの誤差が大きくなってしまい、調査に適さない、という欠点もある。こういった見地から、安価でありながら容易に地質調査を実施できる手法或は装置の登場が望まれている。
【０００５】
ところで、地質調査のニーズは地球上に限られない。将来、人類が宇宙に進出するためには、先ずその場所の調査が必須であり、その調査には地質調査も当然含まれる。地球から最も近い天体は月であり、月の地質調査についても研究が進んでいる。非特許文献１は、この月の地質調査に用いられる掘削機械の技術内容を開示している。
【０００６】
周知のように月には大気がない。故に、月は地球と違って、宇宙空間から飛来する微粒子や隕石等の落下物が大気と摩擦して燃え尽きる、という現象が生じない。このため、月面はレゴリスと呼ばれる、宇宙から飛来する微粒子等に起因する砂で覆われていることが知られている。このような月面で地質調査を行う、ということは、地球で言えば砂漠のような軟弱地盤で地質調査を行う、という行為に近いことが想像できる。
更に、月面調査を行うに当たっては、先ずは無人調査を実施することとなるが、宇宙船等を打ち上げるためのロケットは極めて高額である。特に、打ち上げる物体の重さは、ロケットの推進能力を大きく左右する。従って、ロケットに乗せて月面に降ろす調査機械は、できる限り軽量であることが求められる。
【０００７】
通常、掘削機械にはモータで駆動するドリルが設けられ、ドリルが地面を掘り進める。掘削機械が軽量であると、掘削機械が安定しないので、ドリルが地面を掘れずに、掘削機械自体がドリルを中心に回ってしまう、という事故を生じる虞がある。
非特許文献１は、このような事故の発生を防ぐため、モータに加わる回転反力を相殺する、三つのドリルビットを備えたドリルビットユニットが開示されている。しかし、三つのドリルビットを備える、という設計は、ドリルビットユニット自体が大型になってしまい、軽量化が難しい。更に、三つのドリルビットを備える、ということは、それだけ部品点数が多いので、装置のコストが上昇する。
【０００８】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、機構がシンプルで安価であり、更に軽量でありながら安定した掘削性能を発揮する、新規且つ有用な掘削装置と、これに用いるドリルビットユニット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】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の掘削装置は、モータと、地面に置かれてモータを上下動させるやぐらと、モータの回転軸を取り囲み、モータに固定される固定管と、回転軸に直結される下部ドリルビットと、下部ドリルビットと逆方向に回転する上部ドリルビットとを有する。
【００１０】
また、上記課題を解決するために、本発明のドリルビットユニットは、モータの回転軸によって直接回転駆動される下部ドリルビットと、回転軸によって直接回転駆動される太陽歯車と、太陽歯車に接触して回転駆動される複数の遊星歯車と、複数の遊星歯車の回転軸を把持する回転軸把持部と、モータの本体と回転軸把持部に固着されて回転軸把持部の回転を阻止する固定管と、遊星歯車に接触して回転駆動される外輪歯車を備える上部ドリルビットとを有する。
【００１１】
遊星歯車機構を用いて、モータの回転方向に対して逆転するドリルビットを積層した。モータの回転に伴って、ドリルビットに発生する、動摩擦に起因する回転反力を相殺することで、掘削装置の土台となるやぐらが回転することを防ぎ、安定性を向上することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、機構がシンプルで安価であり、更に軽量でありながら安定した掘削性能を発揮する、新規且つ有用な掘削装置と、これに用いるドリルビットユニットを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態の例である、掘削装置の全体構成図である。
【図２】モータとドリルビットユニットを拡大した図である。
【図３】ドリルビットユニットの原理を示す概略図である。
【図４】ドリルビットユニットを分解した状態の図である。
【図５】下側ドリルビットの外観図である。
【図６】上側ドリルビットの外観図である。
【図７】ドリルビットユニットの断面図である。
【図８】上側ドリルビットの底面を示す概略図である。
【図９】下側ドリルビット及び上側ドリルビットに加わる力と、下側ドリルビット及び上側ドリルビットの大きさを決定するための概念図である。
【図１０】本発明のもう一つの実施形態の、ドリルビットユニットの外観斜視図及び上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を、図１〜図１０を参照して説明する。
【００１５】
図１は、本発明の実施形態の例である、掘削装置の全体構成図である。
掘削装置１０１は、やぐら１０３と、モータ１０４と、モータ１０４を載置する載置台１０５と、モータ１０４によって回転されるドリルビットユニット１０８と、ドリルビットユニット１０８とモータ１０４の間に介在する固定管１０７を備える。
地面１０２の上に組み上げられたやぐら１０３は、モータ１０４を載置する載置台１０５が上下に移動できるためのレール１０６を備えている。
モータ１０４は載置台１０５に組みつけられている。図示しないモータ１０４の駆動軸（図示せず、図２にて後述）は固定管１０７に収納されている。固定管１０７はモータ１０４と共に載置台１０５に組みつけられており、モータ１０４が回転しても回転しない。固定管１０７はモータ１０４の回転駆動力に対しても回転しないことが求められるので、アルミニウム或は鉄等の金属や、アクリル等の合成樹脂等の、硬質の材質で構成される。
【００１６】
なお、これ以降説明する各部の材料は、基本的に硬質の材質が用いられる。ゴムやビニール等の、弾性或は塑性を備える必要はない。その材質は、ある程度の硬ささえ備わっていれば、金属であってもなくても構わない。従って、後述する各部の材料と材質は、それに縛られるものではない。
更に、モータ１０４は電動モータに限られない。例えばエンジン等の、回転駆動力を発生する動力源であればよい。
【００１７】
モータ１０４の駆動軸は、固定管１０７の先に取り付けられているドリルビットユニット１０８を回転駆動する。
モータ１０４がドリルビットユニット１０８を回転駆動させた状態で、載置台１０５が徐々に下がると、地面１０２がドリルビットユニット１０８によって削られ、地面１０２に穴が開く。そして、ドリルビットユニット１０８は載置台１０５の移動と共に地面１０２を掘り進む。
なお、載置台１０５を上下動させる機構については、発明の趣旨から外れるので詳細を省略する。所定の自動駆動機構を設けても、手動であってもよい。
【００１８】
図２は、モータ１０４とドリルビットユニット１０８を拡大した図である。
略円錐形状のドリルビットユニット１０８は、底面に平行な面で分割された二つのドリルビットを備える。一つは、円錐のふもと側に該当する上側ドリルビット２０２である。もう一つは、円錐の頂上側に該当する下側ドリルビット２０３である。
下側ドリルビット２０３は、モータ１０４の駆動軸２０４に直結されている。つまり、モータ１０４の回転駆動力と回転方向がそのまま伝達される。
上側ドリルビット２０２は、その内部に後述する遊星歯車機構を内蔵しており、モータ１０４の回転方向と逆方向に回転駆動される。
このため、図示を省略しているが、下側ドリルビット２０３の表面に設けられている、地面１０２を掘削するための刃の方向と、上側ドリルビット２０２の表面に設けられている、地面１０２を掘削するための刃の方向は、逆である。なお、刃の方向については、図４、図５及び図６で後述する。
【００１９】
図３は、ドリルビットユニット１０８の原理を示す概略図である。なお、概略図である関係上、固定管１０７の表示を省略している。
図３で、駆動軸２０４が矢印Ａ３０１に示すように時計回り逆方向に回転すると、その回転力及び回転方向がそのまま下側ドリルビット２０３に伝達され、下側ドリルビット２０３も矢印Ａ３０２に示すように時計回り逆方向に回転する。
【００２０】
一方、駆動軸２０４には上側ドリルビット２０２に該当する箇所に太陽歯車３０３が固定されている。太陽歯車３０３が矢印Ａ３０１に示すように時計回り逆方向に回転すると、太陽歯車３０３の周りに配置されている遊星歯車３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び３０４ｄが、太陽歯車３０３によって時計回り方向に回転する。ここで、図示を省略しているが、全ての遊星歯車３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び３０４ｄの軸は円盤によって固定されている。更にその円盤は固定管１０７に組みつけられている。このため、遊星歯車３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び３０４ｄは、自転はするけれども公転はしない。したがって、遊星歯車３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び３０４ｄの回転駆動力は、上側ドリルビット２０２の内側に設けられた外輪歯車２０２ａを駆動する。すると、上側ドリルビット２０２は、矢印Ａ３０５に示すように時計回り方向に回転駆動される。
【００２１】
本実施形態の上側ドリルビット２０２に組み込まれている遊星歯車機構は、自動車のギア等で用いられる遊星歯車機構とは異なり、太陽歯車３０３の駆動方向に対して逆の回転方向に外輪歯車２０２ａを回転駆動させるための、回転方向反転機構として用いている。回転方向を逆転させるために、遊星歯車３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び３０４ｄを公転させない部材が必要になる。これが、図示しない円盤と、固定管１０７である。これらの詳細は図７で後述する。
【００２２】
図４は、ドリルビットユニット１０８を分解した状態の図である。
駆動軸２０４は真鍮の棒であり、その先端は下側ドリルビット２０３を固定するためにねじ切りされている。
固定管１０７には遊星歯車３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び３０４ｄの軸を固定するための第一円盤４０２と第二円盤４０３が固定されている。そして、第二円盤４０３には固定管１０７を固定するための固定筒４０４が設けられている。
【００２３】
上側ドリルビット２０２の内側は、第一円盤４０２、第二円盤４０３、そして第一円盤４０２と第二円盤４０３に挟まれる遊星歯車３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び３０４ｄを収納する円筒形状のギア室４０５が設けられている。ギア室４０５の側壁には、外輪歯車２０２ａが形成されている。
上側ドリルビット２０２の底面には、ギア室４０５に第一円盤４０２、第二円盤４０３及び遊星歯車３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び３０４ｄを収納するための蓋４０７が設けられている。蓋４０７の中心には、固定筒４０４が貫通する穴４０７ａが設けられている。この穴４０７ａは、上側ドリルビット２０２の回転を妨げないように、固定筒４０４の直径よりも大きく設けられている。
【００２４】
図５（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、下側ドリルビット２０３の外観図である。
図５（ａ）は、下側ドリルビット２０３の外観斜視図である。先端から見ると、時計回り方向に刃２０３ａが設けられている。
図５（ｂ）は、下側ドリルビット２０３を真横から見た図である。
図５（ｃ）は、下側ドリルビット２０３の底面図である。下側ドリルビット２０３には四つの刃２０３ａが設けられている。中心には駆動軸２０４を固定する穴２０３ｂが設けられている。
【００２５】
図６（ａ）及び（ｂ）は、上側ドリルビット２０２の外観図である。
図６（ａ）は、上側ドリルビット２０２の外観斜視図である。図５（ａ）に示した下側ドリルビット２０３と比較すると判るように、下側ドリルビット２０３とは逆方向の刃２０２ａが四つ設けられている。つまり、下側ドリルビット２０３の先端側から見ると、時計回り逆方向に刃２０２ａが設けられている。
図６（ｂ）は、上側ドリルビット２０２を真上から見た図である。中心には、駆動軸２０４とは逆方向に回転するため、駆動軸２０４の回転を妨げないように、駆動軸２０４より大きい穴２０２ｂが設けられている。
【００２６】
図７は、ドリルビットユニット１０８の断面図である。
前述の通り、固定管１０７には遊星歯車３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び３０４ｄの軸を固定するための第一円盤４０２と第二円盤４０３が固定されている。そして、第二円盤４０３には固定管１０７を固定するための固定筒４０４が設けられている。したがって、固定管１０７、固定筒４０４、第一円盤４０２及び第二円盤４０３はモータ１０４が回転しても回転しない。
また、前述の通り、上側ドリルビット２０２の内側に設けられている円筒形状のギア室４０５には、第一円盤４０２、第二円盤４０３、そして第一円盤４０２と第二円盤４０３に挟まれる遊星歯車３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び３０４ｄが収納されている。この遊星歯車３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び３０４ｄの軸は第一円盤４０２と第二円盤４０３によって固定されているので、モータ１０４が回転しても公転せず、自転のみする。
【００２７】
図８は、上側ドリルビット２０２の底面を示す概略図である。なお、第二円盤４０３は点線で示している。
モータ１０４が回転しても、固定管１０７及び固定筒４０４に固定されている第二円盤４０３は回らない。そして、遊星歯車３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び３０４ｄの軸は、第二円盤４０３によって固定されている。もし、第二円盤４０３が存在しないと、遊星歯車３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び３０４ｄは太陽歯車３０３と外輪歯車２０２ａとの間の空間を自由に公転する。しかし、第二円盤４０３によって公転が妨げられるため、太陽歯車３０３の回転力は直接遊星歯車３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び３０４ｄが自転する力となって、回転方向が反転されて外輪歯車２０２ａに伝達する。
【００２８】
図９は、下側ドリルビット２０３及び上側ドリルビット２０２に加わる力と、下側ドリルビット２０３及び上側ドリルビット２０２の大きさを決定するための概念図である。
本実施形態のドリルビットユニット１０８は、地面１０２と下側ドリルビット２０３及び上側ドリルビット２０２との間に発生する、動摩擦の影響を受ける。従来技術では、単一のドリルビットだけで構成されていたが、モータ１０４が回転し、ドリルビットが地面１０２と接触する際に発生する回転反力が、掘削動作を阻害していた。この回転反力は、ドリルビットと地面１０２との間の動摩擦に起因する。この動摩擦力を基に、下側ドリルビット２０３及び上側ドリルビット２０２に加わるモーメントを相殺する、最適な大きさの比を考える。
【００２９】
一般に、ドリルビットの表面にかかる土圧の計算方法は数種類存在するが、ここではランキン土圧を用いることにする。ランキン土圧では垂直方向、水平方向の土圧σｖ、σｈをそれぞれ深さｚ、砂の密度γ、静止土圧係数Ｋ０を用いて表すことができる。式（１）に土圧の垂直方向成分σｖ、式（２）に土圧の水平方向成分σｈを示す。
【００３０】
【数１】
【００３１】
この二つの力の合成力のドリル表面に対する垂直成分をドリルに加わる土圧Ｆとする。表面動摩擦係数をμ’とすると、ドリルが回転した際に表面から接線方向に加わる摩擦力はμ’Ｆとなる。摩擦力μ’Ｆにドリルビットの半径ｒをかけたものがドリルの軸周りのモーメントとなる。半径ｒはｒ＝ｘｔａｎθと表すことができる。半径ｒの点における動摩擦力を積分することにより、ドリルの表面全体が受ける動摩擦力を求めることが出来る。
【００３２】
下側ドリルビット２０３の表面全体が砂との摩擦によって受ける力をＴｐ、上側ドリルビット２０２の表面全体が砂との摩擦によって受ける力をＴｒとすると、それぞれを式（３）、式（４）のように表すことができる。
【００３３】
【数２】
【００３４】
摩擦力による回転反力が互いに打ち消されるためには、Ｔｐ＝Ｔｒとなればよい。このとき、Ｈとｈの関係はＨ＝（√２）＊ｈとなる。これより、上側ドリルビット２０２と下側ドリルビット２０３との高さの比は、以下のようになる。
【００３５】
【数３】
【００３６】
つまり、上側ドリルビット２０２と下側ドリルビット２０３との高さの比（（Ｈ−ｈ）：ｈ）は、ドリルビットを構成する円錐の高さや傘の角度には依存せず、一定の高さの割合で分割することができる。更に、周知のように動摩擦力は速度に依存しないので、摩擦力のみを考えた場合、遊星歯車機構によって生じる上側ドリルビット２０２と下側ドリルビット２０３の回転速度の違いは、回転反力に影響しない。したがって、遊星歯車機構を用いることにより上側ドリルビット２０２の回転速度が遅くなっても、上側ドリルビット２０２が動摩擦状態を維持している限り、動摩擦力を相殺する性能、転じてドリルビットユニット１０８の掘削性能には殆ど影響しない。
【００３７】
実際には、実験をしてみると回転反力を完全には打ち消すには至っていない。この回転反力は、遊星歯車機構の遊星歯車３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び３０４ｄの、公転しようとする力が回転反力となって固定管１０７に加わることに起因する。そこで、上側ドリルビット２０２と下側ドリルビット２０３との大きさの比（（Ｈ−ｈ）：ｈ）は、（√２）−１：１よりも上側ドリルビット２０２の高さを高く設計すると、良好な回転反力相殺効果を得られるものと期待できる。
【００３８】
前述の、上側ドリルビット２０２と下側ドリルビット２０３との高さの比の式は、動摩擦力に起因する回転反力を相殺するための式である。この式に基づいてドリルビットユニット１０８を設計すると、計算上、残る回転反力は遊星歯車機構そのものを駆動する力に起因する。以上のことを考慮すると、やぐら１０３が回転反力に耐えられずに回ってしまう事故を防ぐために、やぐら１０３は、この回転反力に耐え得るに必要な剛性を備えていればよいことが判る。つまり、本実施形態のドリルビットユニット１０８を採用すれば、やぐら１０３が地面１０２に固定されるために必要な重量を軽くでき、剛性も小さく済み、また地面１０２を把持する仕組み等も簡略化できる。
勿論、遊星歯車機構自体に起因する回転反力も相殺する設計にすれば、やぐら１０３の、地面１０２との固定を維持する仕組みも極限まで簡素化できるだろう。
【００３９】
本実施形態には、以下のような応用例が考えられる。
（１）本実施形態のドリルビットユニット１０８は、円錐形に限られない。一例を図１０に示す。
図１０（ａ）及び（ｂ）は、本発明のもう一つの実施形態の、ドリルビットユニットの外観斜視図及び上面図である。図１０に示すように、平坦な円盤状に形成することもできる。
【００４０】
（２）本実施形態では、上側ドリルビット２０２にモータ１０４の回転方向と反対方向の回転力を与えるために、遊星歯車機構を採用した。回転力を反転させる機構としては、この他に周知の差動歯車機構等も利用可能である。
【００４１】
（３）本実施形態のドリルビットユニット１０８が正常に稼動するためには、動摩擦が上側ドリルビット２０２と下側ドリルビット２０３とでバランスしていることが前提条件である。つまり、掘削作業の際、掘削している地面１０２の中に極めて硬い層に接触した等の、何らかの原因で一旦ドリルビットユニット１０８の回転が止まってしまうと、再度ドリルビットユニット１０８の回転駆動を再開する際、動摩擦のバランスが崩れてしまう。つまり、静止摩擦の状態から回転駆動を開始するので、回転反力の相殺がうまく行われない虞がある。
このような事故を防ぐ工夫として、ドリルビットユニット１０８の回転が止まってしまった場合には、一旦ドリルビットユニット１０８を引き上げて、空転状態で回転駆動を再開してから、再度掘削を進めるとよい。
以上より、載置台１０５を上下動させる機構に、モータ１０４の回転速度を監視し、回転が止まったら載置台１０５を引き上げ、再度下げる、という制御動作を与えると、より安定した掘削性能が期待できる。
【００４２】
（４）固定管１０７は、必ずしも硬質の金属管でなければならない訳ではない。固定管１０７の役割は、駆動軸２０４の回転に対し、第一円盤４０２及び第二円盤４０３を固定し、遊星歯車３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び３０４ｄを公転させないための、ストッパである。つまり、固定管１０７は、駆動軸２０４に起因する捩れ力に抗することができればよい。つまり、捩れなければ、固定管１０７は曲がってもよい。勿論、固定管１０７が自由に屈曲する構成を採る場合は、駆動軸２０４も同様に屈曲できる必要がある。
固定管１０７と駆動軸２０４が協調して屈曲可能になれば、地面を掘削する際に硬い箇所を回避して掘り進めることが可能になる。
【００４３】
（５）モータ１０４を、ドリルビットユニット１０８が形成する穴に収まる位に小型にすると、モータ１０４とドリルビットユニット１０８を、掘り進める穴に納めることができる。この場合、載置台１０５を設けない代わりに、穴に入るモータ１０４に加わる回転反力を抑止する機構を、やぐら１０３に設けることが考えられる。
【００４４】
本実施形態においては、掘削装置１０１とこれに用いるドリルビットユニット１０８を開示した。
モータ１０４の回転に伴い、地面１０２とドリルビットとの間で生じる、動摩擦力に起因する回転反力を、モータ１０４と逆方向に回転する上側ドリルビット２０２を併せることで、回転反力を相殺した。回転反力が相殺されることで、モータ１０４に加わる回転反力は極小になり、やぐら１０３の安定性が向上する。すなわち、安定した掘削能力を発揮できる。
【００４５】
この安定した掘削能力は、地面１０２が柔らかく不安定である場合に極めて有効である。特に、月面ではレゴリスと呼ばれる、宇宙から飛来する微粒子等に起因する砂で覆われているので、掘削装置１０１を安定させるためにも、回転反力はできるだけ少ない方が好ましい。更に、月面探査は大掛かりで重い機材を搬出させることが極めて困難である。このため、掘削装置１０１はできるだけ軽量且つ小型であること、更にモータ１０４はトルクが稼げないので、低トルク且つ高速回転で掘削することが望まれる。
本実施形態のドリルビットユニット１０８は、回転反力を相殺する機構がドリルビット内部で完結するので、機構部分を極めて小型に形成することが容易に実現できる。また、小型且つ軽量であるが故に、高速回転に適している。
【００４６】
以上、本発明の実施形態例について説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。
【符号の説明】
【００４７】
１０１…掘削装置、１０３…やぐら、１０４…モータ、１０５…載置台、１０８…ドリルビットユニット、１０７…固定管、１０２…地面、１０６…レール、２０２…上側ドリルビット、２０２ａ…外輪歯車、２０３…下側ドリルビット、２０４…駆動軸、３０３…太陽歯車、３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ、３０４ｄ…遊星歯車、４０２…第一円盤、４０３…第二円盤、４０４…固定筒、４０５…ギア室、４０７…蓋
【技術分野】
【０００１】
本発明は、掘削装置及びこれに用いるドリルビットユニットに適用して好適な技術に関する。
より詳細には、小型でありながら安定した掘削性能を発揮する、掘削装置及びドリルビットユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
地質調査は、建築物を建立したり、未開の地を調査する等の目的で実施される、重要な調査である。その方法は、所定の掘削機械を用いて地面を掘り進め、地質を調べる。地質調査の手法には、標準貫入試験（ＪＩＳ Ａ １２１９）やスウェーデン式サウンディング試験（ＪＩＳ Ａ １２２１）が周知である。
なお、本発明に関係すると思われる先行技術文献を非特許文献１に示す。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】水野昇幸，吉田和哉：月・惑星掘削探査ロボットのプロトタイプ開発，計測自動制御学会東北支部，第199回研究集会，資料番号199-3，(2001)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
標準貫入試験は、地盤の工学的性質（Ｎ値）を直接的に得られるため、広く実施されているが、その反面、調査費用が数十万円と高額であることが欠点である。更に、軟弱地盤では採取したデータの誤差が大きくなってしまい、調査に適さない、という欠点もある。こういった見地から、安価でありながら容易に地質調査を実施できる手法或は装置の登場が望まれている。
【０００５】
ところで、地質調査のニーズは地球上に限られない。将来、人類が宇宙に進出するためには、先ずその場所の調査が必須であり、その調査には地質調査も当然含まれる。地球から最も近い天体は月であり、月の地質調査についても研究が進んでいる。非特許文献１は、この月の地質調査に用いられる掘削機械の技術内容を開示している。
【０００６】
周知のように月には大気がない。故に、月は地球と違って、宇宙空間から飛来する微粒子や隕石等の落下物が大気と摩擦して燃え尽きる、という現象が生じない。このため、月面はレゴリスと呼ばれる、宇宙から飛来する微粒子等に起因する砂で覆われていることが知られている。このような月面で地質調査を行う、ということは、地球で言えば砂漠のような軟弱地盤で地質調査を行う、という行為に近いことが想像できる。
更に、月面調査を行うに当たっては、先ずは無人調査を実施することとなるが、宇宙船等を打ち上げるためのロケットは極めて高額である。特に、打ち上げる物体の重さは、ロケットの推進能力を大きく左右する。従って、ロケットに乗せて月面に降ろす調査機械は、できる限り軽量であることが求められる。
【０００７】
通常、掘削機械にはモータで駆動するドリルが設けられ、ドリルが地面を掘り進める。掘削機械が軽量であると、掘削機械が安定しないので、ドリルが地面を掘れずに、掘削機械自体がドリルを中心に回ってしまう、という事故を生じる虞がある。
非特許文献１は、このような事故の発生を防ぐため、モータに加わる回転反力を相殺する、三つのドリルビットを備えたドリルビットユニットが開示されている。しかし、三つのドリルビットを備える、という設計は、ドリルビットユニット自体が大型になってしまい、軽量化が難しい。更に、三つのドリルビットを備える、ということは、それだけ部品点数が多いので、装置のコストが上昇する。
【０００８】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、機構がシンプルで安価であり、更に軽量でありながら安定した掘削性能を発揮する、新規且つ有用な掘削装置と、これに用いるドリルビットユニット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】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の掘削装置は、モータと、地面に置かれてモータを上下動させるやぐらと、モータの回転軸を取り囲み、モータに固定される固定管と、回転軸に直結される下部ドリルビットと、下部ドリルビットと逆方向に回転する上部ドリルビットとを有する。
【００１０】
また、上記課題を解決するために、本発明のドリルビットユニットは、モータの回転軸によって直接回転駆動される下部ドリルビットと、回転軸によって直接回転駆動される太陽歯車と、太陽歯車に接触して回転駆動される複数の遊星歯車と、複数の遊星歯車の回転軸を把持する回転軸把持部と、モータの本体と回転軸把持部に固着されて回転軸把持部の回転を阻止する固定管と、遊星歯車に接触して回転駆動される外輪歯車を備える上部ドリルビットとを有する。
【００１１】
遊星歯車機構を用いて、モータの回転方向に対して逆転するドリルビットを積層した。モータの回転に伴って、ドリルビットに発生する、動摩擦に起因する回転反力を相殺することで、掘削装置の土台となるやぐらが回転することを防ぎ、安定性を向上することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、機構がシンプルで安価であり、更に軽量でありながら安定した掘削性能を発揮する、新規且つ有用な掘削装置と、これに用いるドリルビットユニットを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態の例である、掘削装置の全体構成図である。
【図２】モータとドリルビットユニットを拡大した図である。
【図３】ドリルビットユニットの原理を示す概略図である。
【図４】ドリルビットユニットを分解した状態の図である。
【図５】下側ドリルビットの外観図である。
【図６】上側ドリルビットの外観図である。
【図７】ドリルビットユニットの断面図である。
【図８】上側ドリルビットの底面を示す概略図である。
【図９】下側ドリルビット及び上側ドリルビットに加わる力と、下側ドリルビット及び上側ドリルビットの大きさを決定するための概念図である。
【図１０】本発明のもう一つの実施形態の、ドリルビットユニットの外観斜視図及び上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を、図１〜図１０を参照して説明する。
【００１５】
図１は、本発明の実施形態の例である、掘削装置の全体構成図である。
掘削装置１０１は、やぐら１０３と、モータ１０４と、モータ１０４を載置する載置台１０５と、モータ１０４によって回転されるドリルビットユニット１０８と、ドリルビットユニット１０８とモータ１０４の間に介在する固定管１０７を備える。
地面１０２の上に組み上げられたやぐら１０３は、モータ１０４を載置する載置台１０５が上下に移動できるためのレール１０６を備えている。
モータ１０４は載置台１０５に組みつけられている。図示しないモータ１０４の駆動軸（図示せず、図２にて後述）は固定管１０７に収納されている。固定管１０７はモータ１０４と共に載置台１０５に組みつけられており、モータ１０４が回転しても回転しない。固定管１０７はモータ１０４の回転駆動力に対しても回転しないことが求められるので、アルミニウム或は鉄等の金属や、アクリル等の合成樹脂等の、硬質の材質で構成される。
【００１６】
なお、これ以降説明する各部の材料は、基本的に硬質の材質が用いられる。ゴムやビニール等の、弾性或は塑性を備える必要はない。その材質は、ある程度の硬ささえ備わっていれば、金属であってもなくても構わない。従って、後述する各部の材料と材質は、それに縛られるものではない。
更に、モータ１０４は電動モータに限られない。例えばエンジン等の、回転駆動力を発生する動力源であればよい。
【００１７】
モータ１０４の駆動軸は、固定管１０７の先に取り付けられているドリルビットユニット１０８を回転駆動する。
モータ１０４がドリルビットユニット１０８を回転駆動させた状態で、載置台１０５が徐々に下がると、地面１０２がドリルビットユニット１０８によって削られ、地面１０２に穴が開く。そして、ドリルビットユニット１０８は載置台１０５の移動と共に地面１０２を掘り進む。
なお、載置台１０５を上下動させる機構については、発明の趣旨から外れるので詳細を省略する。所定の自動駆動機構を設けても、手動であってもよい。
【００１８】
図２は、モータ１０４とドリルビットユニット１０８を拡大した図である。
略円錐形状のドリルビットユニット１０８は、底面に平行な面で分割された二つのドリルビットを備える。一つは、円錐のふもと側に該当する上側ドリルビット２０２である。もう一つは、円錐の頂上側に該当する下側ドリルビット２０３である。
下側ドリルビット２０３は、モータ１０４の駆動軸２０４に直結されている。つまり、モータ１０４の回転駆動力と回転方向がそのまま伝達される。
上側ドリルビット２０２は、その内部に後述する遊星歯車機構を内蔵しており、モータ１０４の回転方向と逆方向に回転駆動される。
このため、図示を省略しているが、下側ドリルビット２０３の表面に設けられている、地面１０２を掘削するための刃の方向と、上側ドリルビット２０２の表面に設けられている、地面１０２を掘削するための刃の方向は、逆である。なお、刃の方向については、図４、図５及び図６で後述する。
【００１９】
図３は、ドリルビットユニット１０８の原理を示す概略図である。なお、概略図である関係上、固定管１０７の表示を省略している。
図３で、駆動軸２０４が矢印Ａ３０１に示すように時計回り逆方向に回転すると、その回転力及び回転方向がそのまま下側ドリルビット２０３に伝達され、下側ドリルビット２０３も矢印Ａ３０２に示すように時計回り逆方向に回転する。
【００２０】
一方、駆動軸２０４には上側ドリルビット２０２に該当する箇所に太陽歯車３０３が固定されている。太陽歯車３０３が矢印Ａ３０１に示すように時計回り逆方向に回転すると、太陽歯車３０３の周りに配置されている遊星歯車３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び３０４ｄが、太陽歯車３０３によって時計回り方向に回転する。ここで、図示を省略しているが、全ての遊星歯車３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び３０４ｄの軸は円盤によって固定されている。更にその円盤は固定管１０７に組みつけられている。このため、遊星歯車３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び３０４ｄは、自転はするけれども公転はしない。したがって、遊星歯車３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び３０４ｄの回転駆動力は、上側ドリルビット２０２の内側に設けられた外輪歯車２０２ａを駆動する。すると、上側ドリルビット２０２は、矢印Ａ３０５に示すように時計回り方向に回転駆動される。
【００２１】
本実施形態の上側ドリルビット２０２に組み込まれている遊星歯車機構は、自動車のギア等で用いられる遊星歯車機構とは異なり、太陽歯車３０３の駆動方向に対して逆の回転方向に外輪歯車２０２ａを回転駆動させるための、回転方向反転機構として用いている。回転方向を逆転させるために、遊星歯車３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び３０４ｄを公転させない部材が必要になる。これが、図示しない円盤と、固定管１０７である。これらの詳細は図７で後述する。
【００２２】
図４は、ドリルビットユニット１０８を分解した状態の図である。
駆動軸２０４は真鍮の棒であり、その先端は下側ドリルビット２０３を固定するためにねじ切りされている。
固定管１０７には遊星歯車３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び３０４ｄの軸を固定するための第一円盤４０２と第二円盤４０３が固定されている。そして、第二円盤４０３には固定管１０７を固定するための固定筒４０４が設けられている。
【００２３】
上側ドリルビット２０２の内側は、第一円盤４０２、第二円盤４０３、そして第一円盤４０２と第二円盤４０３に挟まれる遊星歯車３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び３０４ｄを収納する円筒形状のギア室４０５が設けられている。ギア室４０５の側壁には、外輪歯車２０２ａが形成されている。
上側ドリルビット２０２の底面には、ギア室４０５に第一円盤４０２、第二円盤４０３及び遊星歯車３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び３０４ｄを収納するための蓋４０７が設けられている。蓋４０７の中心には、固定筒４０４が貫通する穴４０７ａが設けられている。この穴４０７ａは、上側ドリルビット２０２の回転を妨げないように、固定筒４０４の直径よりも大きく設けられている。
【００２４】
図５（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、下側ドリルビット２０３の外観図である。
図５（ａ）は、下側ドリルビット２０３の外観斜視図である。先端から見ると、時計回り方向に刃２０３ａが設けられている。
図５（ｂ）は、下側ドリルビット２０３を真横から見た図である。
図５（ｃ）は、下側ドリルビット２０３の底面図である。下側ドリルビット２０３には四つの刃２０３ａが設けられている。中心には駆動軸２０４を固定する穴２０３ｂが設けられている。
【００２５】
図６（ａ）及び（ｂ）は、上側ドリルビット２０２の外観図である。
図６（ａ）は、上側ドリルビット２０２の外観斜視図である。図５（ａ）に示した下側ドリルビット２０３と比較すると判るように、下側ドリルビット２０３とは逆方向の刃２０２ａが四つ設けられている。つまり、下側ドリルビット２０３の先端側から見ると、時計回り逆方向に刃２０２ａが設けられている。
図６（ｂ）は、上側ドリルビット２０２を真上から見た図である。中心には、駆動軸２０４とは逆方向に回転するため、駆動軸２０４の回転を妨げないように、駆動軸２０４より大きい穴２０２ｂが設けられている。
【００２６】
図７は、ドリルビットユニット１０８の断面図である。
前述の通り、固定管１０７には遊星歯車３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び３０４ｄの軸を固定するための第一円盤４０２と第二円盤４０３が固定されている。そして、第二円盤４０３には固定管１０７を固定するための固定筒４０４が設けられている。したがって、固定管１０７、固定筒４０４、第一円盤４０２及び第二円盤４０３はモータ１０４が回転しても回転しない。
また、前述の通り、上側ドリルビット２０２の内側に設けられている円筒形状のギア室４０５には、第一円盤４０２、第二円盤４０３、そして第一円盤４０２と第二円盤４０３に挟まれる遊星歯車３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び３０４ｄが収納されている。この遊星歯車３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び３０４ｄの軸は第一円盤４０２と第二円盤４０３によって固定されているので、モータ１０４が回転しても公転せず、自転のみする。
【００２７】
図８は、上側ドリルビット２０２の底面を示す概略図である。なお、第二円盤４０３は点線で示している。
モータ１０４が回転しても、固定管１０７及び固定筒４０４に固定されている第二円盤４０３は回らない。そして、遊星歯車３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び３０４ｄの軸は、第二円盤４０３によって固定されている。もし、第二円盤４０３が存在しないと、遊星歯車３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び３０４ｄは太陽歯車３０３と外輪歯車２０２ａとの間の空間を自由に公転する。しかし、第二円盤４０３によって公転が妨げられるため、太陽歯車３０３の回転力は直接遊星歯車３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び３０４ｄが自転する力となって、回転方向が反転されて外輪歯車２０２ａに伝達する。
【００２８】
図９は、下側ドリルビット２０３及び上側ドリルビット２０２に加わる力と、下側ドリルビット２０３及び上側ドリルビット２０２の大きさを決定するための概念図である。
本実施形態のドリルビットユニット１０８は、地面１０２と下側ドリルビット２０３及び上側ドリルビット２０２との間に発生する、動摩擦の影響を受ける。従来技術では、単一のドリルビットだけで構成されていたが、モータ１０４が回転し、ドリルビットが地面１０２と接触する際に発生する回転反力が、掘削動作を阻害していた。この回転反力は、ドリルビットと地面１０２との間の動摩擦に起因する。この動摩擦力を基に、下側ドリルビット２０３及び上側ドリルビット２０２に加わるモーメントを相殺する、最適な大きさの比を考える。
【００２９】
一般に、ドリルビットの表面にかかる土圧の計算方法は数種類存在するが、ここではランキン土圧を用いることにする。ランキン土圧では垂直方向、水平方向の土圧σｖ、σｈをそれぞれ深さｚ、砂の密度γ、静止土圧係数Ｋ０を用いて表すことができる。式（１）に土圧の垂直方向成分σｖ、式（２）に土圧の水平方向成分σｈを示す。
【００３０】
【数１】
【００３１】
この二つの力の合成力のドリル表面に対する垂直成分をドリルに加わる土圧Ｆとする。表面動摩擦係数をμ’とすると、ドリルが回転した際に表面から接線方向に加わる摩擦力はμ’Ｆとなる。摩擦力μ’Ｆにドリルビットの半径ｒをかけたものがドリルの軸周りのモーメントとなる。半径ｒはｒ＝ｘｔａｎθと表すことができる。半径ｒの点における動摩擦力を積分することにより、ドリルの表面全体が受ける動摩擦力を求めることが出来る。
【００３２】
下側ドリルビット２０３の表面全体が砂との摩擦によって受ける力をＴｐ、上側ドリルビット２０２の表面全体が砂との摩擦によって受ける力をＴｒとすると、それぞれを式（３）、式（４）のように表すことができる。
【００３３】
【数２】
【００３４】
摩擦力による回転反力が互いに打ち消されるためには、Ｔｐ＝Ｔｒとなればよい。このとき、Ｈとｈの関係はＨ＝（√２）＊ｈとなる。これより、上側ドリルビット２０２と下側ドリルビット２０３との高さの比は、以下のようになる。
【００３５】
【数３】
【００３６】
つまり、上側ドリルビット２０２と下側ドリルビット２０３との高さの比（（Ｈ−ｈ）：ｈ）は、ドリルビットを構成する円錐の高さや傘の角度には依存せず、一定の高さの割合で分割することができる。更に、周知のように動摩擦力は速度に依存しないので、摩擦力のみを考えた場合、遊星歯車機構によって生じる上側ドリルビット２０２と下側ドリルビット２０３の回転速度の違いは、回転反力に影響しない。したがって、遊星歯車機構を用いることにより上側ドリルビット２０２の回転速度が遅くなっても、上側ドリルビット２０２が動摩擦状態を維持している限り、動摩擦力を相殺する性能、転じてドリルビットユニット１０８の掘削性能には殆ど影響しない。
【００３７】
実際には、実験をしてみると回転反力を完全には打ち消すには至っていない。この回転反力は、遊星歯車機構の遊星歯車３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び３０４ｄの、公転しようとする力が回転反力となって固定管１０７に加わることに起因する。そこで、上側ドリルビット２０２と下側ドリルビット２０３との大きさの比（（Ｈ−ｈ）：ｈ）は、（√２）−１：１よりも上側ドリルビット２０２の高さを高く設計すると、良好な回転反力相殺効果を得られるものと期待できる。
【００３８】
前述の、上側ドリルビット２０２と下側ドリルビット２０３との高さの比の式は、動摩擦力に起因する回転反力を相殺するための式である。この式に基づいてドリルビットユニット１０８を設計すると、計算上、残る回転反力は遊星歯車機構そのものを駆動する力に起因する。以上のことを考慮すると、やぐら１０３が回転反力に耐えられずに回ってしまう事故を防ぐために、やぐら１０３は、この回転反力に耐え得るに必要な剛性を備えていればよいことが判る。つまり、本実施形態のドリルビットユニット１０８を採用すれば、やぐら１０３が地面１０２に固定されるために必要な重量を軽くでき、剛性も小さく済み、また地面１０２を把持する仕組み等も簡略化できる。
勿論、遊星歯車機構自体に起因する回転反力も相殺する設計にすれば、やぐら１０３の、地面１０２との固定を維持する仕組みも極限まで簡素化できるだろう。
【００３９】
本実施形態には、以下のような応用例が考えられる。
（１）本実施形態のドリルビットユニット１０８は、円錐形に限られない。一例を図１０に示す。
図１０（ａ）及び（ｂ）は、本発明のもう一つの実施形態の、ドリルビットユニットの外観斜視図及び上面図である。図１０に示すように、平坦な円盤状に形成することもできる。
【００４０】
（２）本実施形態では、上側ドリルビット２０２にモータ１０４の回転方向と反対方向の回転力を与えるために、遊星歯車機構を採用した。回転力を反転させる機構としては、この他に周知の差動歯車機構等も利用可能である。
【００４１】
（３）本実施形態のドリルビットユニット１０８が正常に稼動するためには、動摩擦が上側ドリルビット２０２と下側ドリルビット２０３とでバランスしていることが前提条件である。つまり、掘削作業の際、掘削している地面１０２の中に極めて硬い層に接触した等の、何らかの原因で一旦ドリルビットユニット１０８の回転が止まってしまうと、再度ドリルビットユニット１０８の回転駆動を再開する際、動摩擦のバランスが崩れてしまう。つまり、静止摩擦の状態から回転駆動を開始するので、回転反力の相殺がうまく行われない虞がある。
このような事故を防ぐ工夫として、ドリルビットユニット１０８の回転が止まってしまった場合には、一旦ドリルビットユニット１０８を引き上げて、空転状態で回転駆動を再開してから、再度掘削を進めるとよい。
以上より、載置台１０５を上下動させる機構に、モータ１０４の回転速度を監視し、回転が止まったら載置台１０５を引き上げ、再度下げる、という制御動作を与えると、より安定した掘削性能が期待できる。
【００４２】
（４）固定管１０７は、必ずしも硬質の金属管でなければならない訳ではない。固定管１０７の役割は、駆動軸２０４の回転に対し、第一円盤４０２及び第二円盤４０３を固定し、遊星歯車３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び３０４ｄを公転させないための、ストッパである。つまり、固定管１０７は、駆動軸２０４に起因する捩れ力に抗することができればよい。つまり、捩れなければ、固定管１０７は曲がってもよい。勿論、固定管１０７が自由に屈曲する構成を採る場合は、駆動軸２０４も同様に屈曲できる必要がある。
固定管１０７と駆動軸２０４が協調して屈曲可能になれば、地面を掘削する際に硬い箇所を回避して掘り進めることが可能になる。
【００４３】
（５）モータ１０４を、ドリルビットユニット１０８が形成する穴に収まる位に小型にすると、モータ１０４とドリルビットユニット１０８を、掘り進める穴に納めることができる。この場合、載置台１０５を設けない代わりに、穴に入るモータ１０４に加わる回転反力を抑止する機構を、やぐら１０３に設けることが考えられる。
【００４４】
本実施形態においては、掘削装置１０１とこれに用いるドリルビットユニット１０８を開示した。
モータ１０４の回転に伴い、地面１０２とドリルビットとの間で生じる、動摩擦力に起因する回転反力を、モータ１０４と逆方向に回転する上側ドリルビット２０２を併せることで、回転反力を相殺した。回転反力が相殺されることで、モータ１０４に加わる回転反力は極小になり、やぐら１０３の安定性が向上する。すなわち、安定した掘削能力を発揮できる。
【００４５】
この安定した掘削能力は、地面１０２が柔らかく不安定である場合に極めて有効である。特に、月面ではレゴリスと呼ばれる、宇宙から飛来する微粒子等に起因する砂で覆われているので、掘削装置１０１を安定させるためにも、回転反力はできるだけ少ない方が好ましい。更に、月面探査は大掛かりで重い機材を搬出させることが極めて困難である。このため、掘削装置１０１はできるだけ軽量且つ小型であること、更にモータ１０４はトルクが稼げないので、低トルク且つ高速回転で掘削することが望まれる。
本実施形態のドリルビットユニット１０８は、回転反力を相殺する機構がドリルビット内部で完結するので、機構部分を極めて小型に形成することが容易に実現できる。また、小型且つ軽量であるが故に、高速回転に適している。
【００４６】
以上、本発明の実施形態例について説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。
【符号の説明】
【００４７】
１０１…掘削装置、１０３…やぐら、１０４…モータ、１０５…載置台、１０８…ドリルビットユニット、１０７…固定管、１０２…地面、１０６…レール、２０２…上側ドリルビット、２０２ａ…外輪歯車、２０３…下側ドリルビット、２０４…駆動軸、３０３…太陽歯車、３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ、３０４ｄ…遊星歯車、４０２…第一円盤、４０３…第二円盤、４０４…固定筒、４０５…ギア室、４０７…蓋
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータと、
地面に置かれて前記モータを上下動させるやぐらと、
前記モータの回転軸を取り囲み、前記モータに固定される固定管と、
前記回転軸に直結される下部ドリルビットと、
前記下部ドリルビットと逆方向に回転する上部ドリルビットと
を有する、掘削装置。
【請求項２】
前記上部ドリルビットには、前記回転軸の回転方向を反転させる機構が内蔵されている、
請求項１記載の掘削装置。
【請求項３】
前記回転方向を反転させる機構は遊星歯車機構であり、
前記遊星歯車機構を構成する遊星歯車の自転軸は、前記固定管から延在する部材によって公転が防げられている、請求項２記載の掘削装置。
【請求項４】
前記下部ドリルビット及び前記上部ドリルビットは、併せて円錐を構成する、請求項１記載の掘削装置。
【請求項５】
前記下部ドリルビットに対する前記上部ドリルビットの高さの比は（√２）−１：１以下である、請求項４記載の掘削装置。
【請求項６】
モータの回転軸によって直接回転駆動される下部ドリルビットと、
前記回転軸によって直接回転駆動される太陽歯車と、
前記太陽歯車に接触して回転駆動される複数の遊星歯車と、
前記複数の遊星歯車の回転軸を把持する回転軸把持部と、
前記モータの本体と前記回転軸把持部に固着されて前記回転軸把持部の回転を阻止する固定管と、
前記遊星歯車に接触して回転駆動される外輪歯車を備える上部ドリルビットと
を有するドリルビットユニット。
【請求項１】
モータと、
地面に置かれて前記モータを上下動させるやぐらと、
前記モータの回転軸を取り囲み、前記モータに固定される固定管と、
前記回転軸に直結される下部ドリルビットと、
前記下部ドリルビットと逆方向に回転する上部ドリルビットと
を有する、掘削装置。
【請求項２】
前記上部ドリルビットには、前記回転軸の回転方向を反転させる機構が内蔵されている、
請求項１記載の掘削装置。
【請求項３】
前記回転方向を反転させる機構は遊星歯車機構であり、
前記遊星歯車機構を構成する遊星歯車の自転軸は、前記固定管から延在する部材によって公転が防げられている、請求項２記載の掘削装置。
【請求項４】
前記下部ドリルビット及び前記上部ドリルビットは、併せて円錐を構成する、請求項１記載の掘削装置。
【請求項５】
前記下部ドリルビットに対する前記上部ドリルビットの高さの比は（√２）−１：１以下である、請求項４記載の掘削装置。
【請求項６】
モータの回転軸によって直接回転駆動される下部ドリルビットと、
前記回転軸によって直接回転駆動される太陽歯車と、
前記太陽歯車に接触して回転駆動される複数の遊星歯車と、
前記複数の遊星歯車の回転軸を把持する回転軸把持部と、
前記モータの本体と前記回転軸把持部に固着されて前記回転軸把持部の回転を阻止する固定管と、
前記遊星歯車に接触して回転駆動される外輪歯車を備える上部ドリルビットと
を有するドリルビットユニット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−２１６１３０（Ｐ２０１０−２１６１３０Ａ）
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−６３３２６（Ｐ２００９−６３３２６）
【出願日】平成２１年３月１６日（２００９．３．１６）
【出願人】（５０４１７１１３４）国立大学法人 筑波大学 (510)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１６日（２００９．３．１６）
【出願人】（５０４１７１１３４）国立大学法人 筑波大学 (510)
【Ｆターム（参考）】
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