特開 2024-136755 カッターヘッド及び掘削機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024136755

(43)【公開日】2024-10-04

(54)【発明の名称】カッターヘッド及び掘削機

(51)【国際特許分類】

   E21B 10/32 20060101AFI20240927BHJP

【ＦＩ】

E21B10/32

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023047982

(22)【出願日】2023-03-24

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 株式会社エステックＹｏｕｔｕｂｅチャンネル ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｃｈａｎｎｅｌ／ＵＣＧＧＧ５Ｐｅ５８５２５５ｃＰＩｈ１Ｏｏｐｓｗ 令和４年６月２０日 〔刊行物等〕 公開先 ジャパンパイル株式会社広島支店，令和４年１２月１５日 〔刊行物等〕 株式会社エステックホームページ ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｋ－ｅｓｔｅｃｈ．ｃｏ．ｊｐ／ｊａ－ｊｐ／機械紹介／，令和４年１２月１６日 〔刊行物等〕 公開先 オオタニ設計事務所，令和４年１２月２２日

(71)【出願人】

【識別番号】522345087

【氏名又は名称】株式会社エステック

(74)【代理人】

【識別番号】100128277

【弁理士】

【氏名又は名称】專徳院 博

(72)【発明者】

【氏名】鈴江 秀吉

(72)【発明者】

【氏名】鈴江 寿礼

【テーマコード（参考）】

2D129

【Ｆターム（参考）】

2D129BA03

2D129DA21

2D129EB25

2D129GA34

(57)【要約】

【課題】効率的また安定的に掘削可能であり使い勝手のよいカッターヘッド及び掘削機を提供する。
【解決手段】掘削機本体の先端に取付けられ地盤を掘削するカッターヘッド１であって、ケーシング１１に地盤を掘削する複数個の固定ビット２０が取付けられた固定ビット部１０と、ベースフランジ３８に出没可能に収容され、該カッターヘッド１の回転方向に応じて出没する地盤を掘削する拡縮ビット３１を有する拡縮ビット部３０と、掘削機本体と連結する連結部５０と、を有し、前記固定ビット部１０が最先端に、前記固定ビット部１０と前記連結部５０との間に前記拡縮ビット部３０が配されてなる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

掘削機本体の先端に取付けられ地盤を掘削するカッターヘッドであって、
ケーシングに地盤を掘削する複数個の固定ビットが取付けられた固定ビット部と、
ベースフランジに出没可能に収容され、該カッターヘッドの回転方向に応じて出没する地盤を掘削する拡縮ビットを有する拡縮ビット部と、
掘削機本体と連結する連結部と、
を有し、
前記固定ビット部が最先端に、前記固定ビット部と前記連結部との間に前記拡縮ビット部が配されてなることを特徴とするカッターヘッド。

【請求項2】

前記固定ビットは、超硬チップと、前記超硬チップが固定される台座と、前記台座に取付けられ前記ケーシングに挿通、固定される取付ボルトと、を有し、前記ケーシングに対し着脱可能なことを特徴とする請求項１に記載のカッターヘッド。

【請求項3】

前記固定ビットは、超硬チップが台座にろう付けされており、
前記拡縮ビットは、超硬チップがビット本体にろう付けされていることを特徴とする請求項１に記載のカッターヘッド。

【請求項4】

前記拡縮ビットは、複数個の拡縮ビットが前記ベースフランジに放射状に収容されてなり、
各拡縮ビットが前記ベースフランジの外周面から径方向に突出し拡径状態となることを特徴とする請求項１に記載のカッターヘッド。

【請求項5】

先端部にテーパ面を有し、反先端部にねじ部を有し、軸線方向にスライドし前記拡縮ビットを出没させるスライド部材と、
前記スライド部材のねじ部に螺合し前記スライド部材を軸線方向に移動させる、前記連結部と連結するねじ部材と、
を有する拡縮手段を備え、
前記拡縮ビットは、先端部に超硬チップを有し、反先端部にテーパ面を有し、該テーパ面を前記スライド部材のテーパ面と摺動自在に接し、前記拡縮手段を介して拡縮することを特徴とする請求項１に記載のカッターヘッド。

【請求項6】

請求項１から５に記載のいずれか１項に記載のカッターヘッドを備える掘削機。

【請求項7】

連結する前記カッターヘッドを回転させつつ上下動させ地盤を掘削することを特徴とする請求項６に記載の掘削機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、岩盤層など硬い地盤を掘削する掘削機及び該掘削機のカッターヘッドに関する。

【背景技術】

【0002】

岩盤層など硬い地盤を掘削する装置の１つにダウンザホールハンマーがある。代表的なダウンザホールハンマーは、ハンマーピストン及びハンマービットを備え、地上から供給される圧縮空気によりハンマーピストンを進退させ、先端部のハンマービットに打撃力を与える。ハンマービットは、先端部に掘削チップが取付けられ地盤を掘削する。なおハンマービットは、ビット、カッターヘッド、掘削工具とも呼ばれる。

【0003】

ダウンザホールハンマーのハンマービットには、先端面に掘削チップが固定された固定タイプのハンマービットと、掘削機の回転に伴い拡径する拡径ビットを先端面に備えた拡縮タイプのハンマービットがある。拡径ビットは、拡縮ビットとも呼ばれる。

【0004】

拡縮タイプのハンマービットは、代表的には３個の略扇状の拡径ビットが先端面に自転可能に取付けられ、掘削方向に回転すると掘削抵抗により自転して拡径し、互いの側面が当接することで拡径状態が維持される。一方、掘削時とは反対方向に回転すると縮径する（例えば特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１９－１５０２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

従来のハンマービットにおいては、次のような課題がある。従来の固定タイプのハンマービットは、掘削チップが本体に圧着されている。このため掘削チップが摩耗しても掘削チップのみを交換することができずハンマービット全体を交換する必要がある。

【0007】

従来の拡径ビットは、互いの側面が当接することで拡径状態が維持されるが、掘削時の回転力やハンマーの衝撃力が当接する側面に加わるため、長期の使用により当接部が摩耗し、拡径状態の位置決めができなくなり、また縮径できなくなることが指摘されている。また従来の拡径ビットは、拡径位置から数十°程度回転すると縮径状態となる。このため掘削抵抗などにより拡径ビットの回転方向が僅かに変化するだけで拡径状態が維持されなくなるなど拡径状態が不安定になり易い。

【0008】

本発明の目的は、効率的また安定的に掘削可能であり使い勝手のよいカッターヘッド及び掘削機を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明は、掘削機本体の先端に取付けられ地盤を掘削するカッターヘッドであって、ケーシングに地盤を掘削する複数個の固定ビットが取付けられた固定ビット部と、ベースフランジに出没可能に収容され、該カッターヘッドの回転方向に応じて出没する地盤を掘削する拡縮ビットを有する拡縮ビット部と、掘削機本体と連結する連結部と、を有し、前記固定ビット部が最先端に、前記固定ビット部と前記連結部との間に前記拡縮ビット部が配されてなることを特徴とするカッターヘッドである。

【0010】

本発明に係るカッターヘッドにおいて、前記固定ビットは、超硬チップと、前記超硬チップが固定される台座と、前記台座に取付けられ前記ケーシングに挿通、固定される取付ボルトと、を有し、前記ケーシングに対し着脱可能なことを特徴とする。

【0011】

本発明に係るカッターヘッドにおいて、前記固定ビットは、超硬チップが台座にろう付けされており、前記拡縮ビットは、超硬チップがビット本体にろう付けされていることを特徴とする。

【0012】

本発明に係るカッターヘッドにおいて、前記拡縮ビットは、複数個の拡縮ビットが前記ベースフランジに放射状に収容されてなり、各拡縮ビットが前記ベースフランジの外周面から径方向に突出し拡径状態となることを特徴とする。

【0013】

本発明に係るカッターヘッドは、先端部にテーパ面を有し、反先端部にねじ部を有し、軸線方向にスライドし前記拡縮ビットを出没させるスライド部材と、前記スライド部材のねじ部に螺合し前記スライド部材を軸線方向に移動させる、前記連結部と連結するねじ部材と、を有する拡縮手段を備え、前記拡縮ビットは、先端部に超硬チップを有し、反先端部にテーパ面を有し、該テーパ面を前記スライド部材のテーパ面と摺動自在に接し、前記拡縮手段を介して拡縮することを特徴とする。

【0014】

本発明は、前記カッターヘッドを備える掘削機である。

【0015】

本発明に係る掘削機は、連結する前記カッターヘッドを回転させつつ上下動させ地盤を掘削することを特徴とする。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、効率的また安定的に掘削可能であり使い勝手のよいカッターヘッド及び掘削機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の第１実施形態のカッターヘッド１の斜視図である。

【図2】本発明の第１実施形態のカッターヘッド１の固定ビット部１０の分解構成図である。

【図3】本発明の第１実施形態のカッターヘッド１の固定ビット２０の変形例である。

【図4】本発明の第１実施形態のカッターヘッド１の拡径状態を示す図である。

【図5】本発明の第１実施形態のカッターヘッド１の拡径状態の断面図である。

【図6】本発明の第１実施形態のカッターヘッド１の縮径状態を示す図である。

【図7】本発明の第１実施形態のカッターヘッド１の縮径状態の断面図である。

【図8】本発明の第２実施形態の掘削機１０１の縦断面図及びカッターヘッド１の拡径状態の正面図である。

【図9】図８において切断線Ａ－Ａで切断した掘削機１０１の断面図及び切断線Ｂ－Ｂで切断した掘削機１０１の断面図である。

【図10】本発明の第２実施形態の掘削機１０１の縦断面図である。

【図11】本発明の第２実施形態の掘削機１０１の回転振り子１３０の動きを説明するための図である。

【図12】本発明の第２実施形態の掘削機１０１の緩衝手段１４０の構成を説明するための図である。

【図13】本発明の第２実施形態の掘削機１０１の減速機１７０の構造図である。

【図14】本発明の第２実施形態の掘削機１０１の減速機１７０の断面図である。

【図15】本発明の第２実施形態の掘削機１０１の使用例を示す図である。

【図16】本発明の第２実施形態の掘削機１０１の使用例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

図１は、本発明の第１実施形態のカッターヘッド１の斜視図、図２は、本発明の第１実施形態のカッターヘッド１の固定ビット部１０の分解構成図である。図３は、本発明の第１実施形態のカッターヘッド１の固定ビット２０の変形例である。図４（Ａ）は、本発明の第１実施形態のカッターヘッド１の拡径状態を示す正面図、図４（Ｂ）は、拡径状態における拡縮ビット部３０の横断面図である。図５（Ａ）は、本発明の第１実施形態のカッターヘッド１の拡径状態における縦断面図、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）とは異なる位置の縦断面図である。図６（Ａ）は、本発明の第１実施形態のカッターヘッド１の縮径状態を示す正面図、図６（Ｂ）は、縮径状態における拡縮ビット部３０の横断面図である。図７（Ａ）は、本発明の第１実施形態のカッターヘッド１の縮径状態における縦断面図、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）とは異なる位置の縦断面図である。

【0019】

以下の説明においてカッターヘッド１の下方は、固定ビット部１０側であり、図１では左側である。またカッターヘッド１の下方は、カッターヘッド１の前側、先端側でもある。カッターヘッド１の軸方向、軸線方向は、中心軸線Ｍに平行な方向であり上下方向である。径方向は中心軸線Ｍに直交する方向、周方向は中心軸線Ｍを中心に円弧に沿う方向、内側は中心軸線側をいう。

【0020】

本発明の第１実施形態のカッターヘッド１は、掘削機本体の先端に取付けられ掘削するカッターヘッドであり、固定ビット部１０と、拡縮ビット部３０と、掘削機本体と連結する連結部５０とを備え、下から上に向かって固定ビット部１０、拡縮ビット部３０、連結部５０の順に配され、これらが連結されてなる。

【0021】

固定ビット部１０は、肉厚の有底円筒状のケーシング１１を有し、ここに地盤を掘削する固定ビット２０が固定されてなる。ケーシング１１は、有底円筒状の底に該当する部分が前面１２となるように配される。

【0022】

ケーシング１１は、前面１２が平面であり、前面１２と側面１３との境界は傾斜面１４となっている。前面１２、側面１３及び傾斜面１４にはそれぞれ固定ビット２０を取付けるため取付座１５が設けられている。

【0023】

取付座１５は、固定ビット２０の台座２２が嵌り込む凹部１６と、固定ビット２０の取付ボルト２５が挿通する挿通孔１７とを備える。凹部１６は、台座２２の下部がほぼ隙間なく嵌り込む大きさを有する。挿通孔１７は、凹部１６に連通し、ケーシンング１１に直交するように穿設されている。これにより固定ビット２０をケーシング１１にしっかりと固定することができる。

【0024】

固定ビット２０は、超硬チップ２１と、超硬チップ２１が固定される台座２２と、台座２２に直交するように台座２２の底面に取付けられた取付ボルト２５とで構成される。固定ビット２０は、ケーシング１１に設けられた挿通孔１７に取付ボルト２５が挿通され、凹部１６に台座２２が嵌り込み、振動等で緩まないようにケーシンング１１に堅固にボルト止めされる。

【0025】

台座２２は、細長い略長方体形状を有し、上面２３に長手方向に平行な凹溝２４が設けられている。超硬チップ２１は、凹溝２４と略同一の大きさを有する基部の上に先端が細い山型部が配された形状を有し、山型部が台座２２の上面２３から突出するように凹溝２４にろう付けし固定されている。本実施形態では、台座２２が細長い略長方体形状を有し、超硬チップ２１が上部に山型部を有するが、台座２２及び超硬チップ２１の形状は特に限定されるものではない。

【0026】

図３に固定ビット２０の変形例を示す。図３（Ａ）の固定ビット２０ａは、球形の超硬チップ２１ａが台座２２の凹溝２４に４個ジグザグに取付けられている。図３（Ｂ）の固定ビット２０ｂは、球形の超硬チップ２１ａが台座２２の凹溝２４に３個間隔を開けて一直線上に取付けられている。

【0027】

図３（Ｃ）の固定ビット２０ｃは、台座２２に長手方向に交差するように３個の凹溝２４ｃが設けられ、それぞれ凹溝２４ｃに上部が山型の超硬チップ２１が取付けられている。図３（Ｄ）の固定ビット２０ｄは、台座２２に長手方向に直交するように３個の凹溝２４ｄが設けられ、それぞれ凹溝２４ｄに上部が山型の超硬チップ２１が取付けられている。

【0028】

本実施形態の固定ビット部１０は、前面１２に１０個、側面１３及び傾斜面１４にそれぞれ６個の固定ビット２０が放射状に取付けられている。固定ビット部１０における固定ビット２０の個数、配置は特に限定されるものではないが、本実施形態のように多数の固定ビット２０をケーシング１１全体に配置するのがよい。本実施形態のように多数の固定ビット２０をケーシング１１全体に配置すれば各固定ビット２０にかかる負荷が低減される。

【0029】

従来のダウンザホールハンマーのハンマービットが、ハンマー本体の前面にのみ掘削ビットを配置しているのに対して、本実施形態の固定ビット部１０は、ケーシング１１の前面１２のみならず側面１３及び傾斜面１４にも固定ビット２０を配置しているので、拡縮ビット部３０の負担が軽減される。

【0030】

固定ビット部１０で使用する固定ビット２０の形態は、全て同じでなくてもよい。例えば前面１２に配置する固定ビット２０と、側面１３又は傾斜面１４に配置する固定ビット２０とが異なっていてもよい。一方、固定ビット部１０で使用する固定ビット２０の形態を統一すれば、作製が容易で低コストで作製できる利点がある。

【0031】

拡縮ビット部３０は、地盤を掘削する拡縮ビット３１と、拡縮ビット３１を出没可能に収容するベースフランジ３８と、ベースフランジ３８に連結する固定側フランジ４５とを主に構成される。

【0032】

拡縮ビット３１は、細長い略長方体形状の本体３２を有し、本体３２の先端面３３に超硬チップ３６が取付けられている。本体３２の反先端部は、上下方向に傾斜した傾斜面３５となっている。本実施形態においては、拡縮ビット部３０に同一形状・構造の拡縮ビット３１が６個配置されている。

【0033】

本体３２の先端面３３には、軸線方向に平行な３つの凹溝３４が設けられている。超硬チップ３６は、凹溝３４と略同一の大きさを有する基部の上に先端が細い山型部が設けられた形状を有し、山型部が先端面３３から突出するように各凹溝３４にろう付けし固定されている。本体３２の先端面３３及び凹溝３４、さらには超硬チップ３６の形状は特に限定されるものではない。

【0034】

ベースフランジ３８は、肉厚の円筒部３９と円筒部３９につながるフランジ部４３を有する。円筒部３９の外径は、ケーシング１１の外径と略同一である。円筒部３９の内径は、外径と内径との差の半分の長さが拡縮ビット３１の本体３２の長さよりも大きく設定されている。円筒部３９には拡縮ビット３２を収容する６個の凹部４１が６０°ピッチで放射状に設けられている。円筒部３９の上面４０は、固定側フランジ４５と連結する面となっている。

【0035】

凹部４１は、円筒部３９の外周面４２、内周面及び上面４０につながるように形成されている。凹部４１の形状及び大きさは、拡縮ビット３１の本体３２の形状及び大きさと略同一であり、拡縮ビット３１は、凹部４１にほぼ隙間なく摺動自在に嵌り込むことができる。

【0036】

フランジ部４３は、円筒部３９の下方に設けられている。フランジ部４３の外径は、円筒部３９の内径よりも大きく、またフランジ部４３の内径は円筒部３９の内径よりも小さく設定されている。

【0037】

固定側フランジ４５は、肉厚のフランジ部４６とフランジ部４６につながる円筒部４８を有する。フランジ部４６の外径は、ベースフランジ３８の円筒部３９の外径よりも僅かに大きく設定されている。フランジ部４６の内径は、ベースフランジ３８の円筒部３９の外径と内径との略中間の大きさである。フランジ部４６の下面４７は、ベースフランジ３８と連結するフランジ面となっている。

【0038】

円筒部４８は、フランジ部４６の上方に軸線が中心軸線Ｍと平行になるように設けられている。円筒部４８の外径及び内径は、フランジ部４６の外径と内径との中間の大きさであり、円筒部４８は、フランジ部４６の上面から上方に突出している。

【0039】

以上からなる拡縮ビット部３０は、ベースフランジ３８の凹部４１に拡縮ビット３１が嵌め込まれ、ベースフランジ３８の上面４０に固定側フランジ４５のフランジ部４６の下面４７が接するように配され、これらが締結ボルト６２を介してケーシング１１の上端に連結される。固定ビット部１０と縮径ビット部３０とは、連結された状態で互いの軸線は一致する。

【0040】

連結部５０は、掘削機本体に連結する回転側フランジ５１と、固定側フランジ４５を回転自在に支持する軸受フランジ５６とを有する。

【0041】

回転側フランジ５１は、肉厚のリング形状を有し、外径はケーシング１１の外径と略同一である。回転側フランジ５１の内径は、ベースフランジ３８のフランジ部４３の内径と略同一である。回転側フランジ５１の上面５２には、掘削機本体を連結するためのねじ孔５３が設けられ、下面側には固定側フランジ４５の円筒部４８が嵌り込む凹部５５が設けられている。

【0042】

軸受フランジ５６は、肉厚のリング形状を有し、外径は固定側フランジ４５のフランジ部４６の内径と略同一である。軸受フランジ５６の内径は、ベースフランジ３８のフランジ部４３の外径と内径との中間の大きさである。軸受フランジ５６は、軸受６０が嵌まり込む凹部５７を有し、回転側フランジ５１と締結ボルト５９を介して連結される。

【0043】

以上からなる連結部５０は、回転側フランジ５１の凹部５５に固定側フランジ４５の円筒部４８が嵌り込むように、さらに軸受フランジ５６の凹部５７と固体側フランジ４５の円筒部４８の内周面４９とが対向するように配置され、軸受フランジ５６の凹部５７と固定側フランジ４５の円筒部４８との間に軸受６０が装着され、軸受６０を介して拡縮ビット部３０と連結部５０とが互いに回転自在に連結される。

【0044】

さらにカッターヘッド１は、縮径ビット３１をベースフランジ３８の外周面４２から径方向に突出させ、又は突出した縮径ビット３１を引っ込め元の位置に戻す拡縮手段７０を有する。

【0045】

拡縮手段７０は、軸方向にスライドし、係合する縮径ビット３１を出没させるスライド部材７１と、スライド部材７１を軸方向にスライドさせるねじ部材８０とを備える。

【0046】

スライド部材７１は、肉厚のリング部７２の外周面に６０°ピッチで径方向に放射状に突出した突出部７３が一体的に設けられている。リング部７２の内径は、ベースフランジ３８のフランジ部４３の内径よりも大きく設定され、リング部７２の外径は、ベースフランジ３８の円筒部３９の内径よりも小さく、突出部７３は、中央から先端部がベースフランジ３８の円筒部３９の凹部４１に嵌り込む大きさを有する。リング部７２の内周面には、ねじ部材８０のねじ部８２に螺合するねじ部７６が設けられている。

【0047】

突出部７３の個数及びピッチは、ベースフランジ３８の円筒部３９の凹部４１の個数及びピッチに対応するように設けられている。突出部７３の先端面は、上下方向に傾斜する傾斜面７４となっており、この傾斜面７４は、拡縮ビット３１の傾斜面３５と平行である。

【0048】

ねじ部材８０は、円筒部８１と円筒部８１の上端に設けられたフランジ部８５とを有し、上下方向の長さは、拡縮ビット部３０の長さと略同一である。円筒部８１の外径は、スライド部材７１のリング部７２の内径と略同一であり、円筒部８１の外周面にはスライド部材７１のねじ部７６に螺合するねじ部８２が設けられている。ねじ部８２の長さは、拡縮ビット３１を拡径位置及び縮径位置にすべく設定されている。円筒部８１の先端には、ベースフランジ３８のフランジ部４３の内周面４４が摺動自在に嵌り込む切欠き部８３が設けられている。

【0049】

フランジ部８５の外径は、円筒部８１の外径よりも大きく設定されており、フランジ部８５には、ねじ部材８０を連結部５０に連結するためのボルト挿通孔が穿設されている。

【0050】

拡縮手段７０は、以下の要領でカッターヘッド１に組み込まれる。ねじ部材８０のねじ部８２とリング部材７１のねじ部７６とを螺合させ、ねじ部材８０の切欠き部８３にベースフランジ３８のフランジ部４３の内周面４４が接した状態で、フランジ部８５が、連結部５０の軸受フランジ５６と回転側フランジ５１とに挟み込まれ、これらが締結ボルト５９で連結される。この状態で拡縮ビット３１の傾斜面３５とスライド部材７１の傾斜面７４とが摺動自在に接する。

【0051】

上記構成からなるカッターヘッド１は、外観が略円柱形状を有し、ケーシング１１の前面１２が先端面を形成し、ケーシング１１、ベースフランジ３８、固定側フランジ４５及び回転側フランジ５１の外周面がカッターヘッド１の側面を形成する。またカッターヘッド１は、固定ビット部１０と拡縮ビット部３０が一体的に連結され、これらが連結部５０に対して自転可能に連結される。カッターヘッド１の内部の一部、特に中心軸線Ｍ廻りは、空洞となっている。

【0052】

カッターヘッド１の拡縮ビット３１の拡径、縮径要領は以下のとおりである。固定ビット部１０及び拡縮ビット部３０は、連結部５０に対して自転可能に連結されているため、固定ビット部１０及び拡縮ビット部３０に掘削抵抗が加わると、固定ビット部１０及び拡縮ビット部３０が連結部５０に対して相対的に回転する。これにより連結部５０に連結するねじ部材８０も固定ビット部１０及び拡縮ビット部３０に対して相対的に回転する。

【0053】

カッターヘッド１が掘削方向に回転するとスライド部材７１がねじ部材８０に沿って上方に移動する。これに伴い拡縮ビット３１は、摺動自在に接するスライド部材７１の突出部７３により径方向外側に押し出され漸次拡径する。拡縮ビット３１の拡径は、スライド部材７１がねじ部材８０のねじ部８２の上端まで移動した時点で終了する。拡縮ビット３１の拡径が終了しても、カッターヘッド１の回転に起因しスライド部材７１には上方へ移動する力が作用するので拡縮ビット３１の拡径状態は維持される。

【0054】

拡縮ビット３１が拡径した状態でカッターヘッド１に対して逆方向の回転を加えると、スライド部材７１は、ねじ部材８０に沿って下方に移動する。スライド部材７１の下方への移動に伴い拡縮ビット３１は、摺動自在に接するスライド部材７１の突出部７３の傾斜面７４の位置との関係で漸次縮径する。スライド部材７１の縮径は、スライド部材７１がねじ部材８０のねじ部８２の下端まで移動した時点で終了する。

【0055】

拡縮ビット３１の拡径時におけるベースフランジ３８の外周面４２からの突出量、拡縮ビット３１の縮径時におけるベースフランジ３８の外周面４２からの突出量は、特に限定されるものではなく適宜設定すればよい。縮径時において、拡縮ビット３１の超硬チップ３８の最先端の位置がベースフランジ３８の外周面４２と同一であってもよく、拡縮ビット３１の超硬チップ３８の最先端がベースフランジ３８の外周面４２よりも内側（中心軸線側）に入り込んでいてもよい。

【0056】

カッターヘッド１の動き及び作用効果を説明する。ここではカッターヘッド１が連結部５０を介して掘削機本体に連結され、カッターヘッド１が回転しつつ上下動するものとする。ここでカッターヘッド１の正回転方向は、拡縮ビット３１が拡径する方向であり、この方向を掘削方向とする。

【0057】

カッターヘッド１が掘削方向に回転しつつ上下動すると、固定ビット部１０に設けられた固定ビット２０が地盤を掘削する。このときカッターヘッド１が上下動することで地盤に対し打撃力を与え、岩盤など硬い地盤も掘削することができる。固定ビット部１０には、先端面１２のみならず側面１３及び傾斜面１４にも固定ビット２０が取付けられているため掘削能力に優れる。

【0058】

カッターヘッド１が掘削方向に回転することで、固定ビット部１０に掘削抵抗が加わる。これにより拡縮ビット３１がスライド部材７１により径方向外側に押し出され拡径し、拡縮ビット３１も地盤を掘削する。本実施形態のカッターヘッド１は、前面に固定ビット２０が配され、その後方に拡縮ビット３１が配されている。このため拡縮ビット３１が掘削する前に、既に固定ビット部１０の横断面積と同じ大きさの地盤は既に掘削されているため拡縮ビット３１が掘削する地盤は僅かである。このため拡縮ビット３１の負担は少ないと言える。所定の掘削が完了すればカッターヘッド１を逆回転させることで、拡縮ビット３１を縮径させることができる。

【0059】

以上のように第１実施形態のカッターヘッド１は、複数の固定ビット２０と縮径ビット３１とを有し、これらが協働して地盤を掘削するので迅速に地盤を掘削することができる。また第１実施形態のカッターヘッド１は、縮径ビット３１が固定ビット２０の後方に配置されているので縮径ビット３１の負担が軽減され、地盤を効率的に掘削することができる。

【0060】

また第１実施形態のカッターヘッド１は、固定ビット２０がケーシング１１に着脱可能に取付けられているので、固定ビット２０の交換が容易であり固定ビット２０の配置の自由度も高い。拡縮ビット３１の交換も可能である。また固定ビット２０は超硬チップ２１が台座２２に、拡縮ビット３１は超硬チップ３６が本体３２にろう付けされているので、超硬チップ２１、３６が摩耗しても超硬チップ２１、３６を交換可能であり経済的である。また超硬チップ２１、３６がろう付けされているので超硬チップ２１、３６の配列の自由度も高い。

【0061】

また第１実施形態のカッターヘッド１は、所定の長さを有するねじ機構を用いた拡縮手段７０を用いて拡縮ビット３１を出没させるので、拡縮ビット３１はカッターヘッド１が正回転方向に大きく回転しなければ拡径状態とならず、同様に拡縮ビット３１はカッターヘッド１が逆方向に大きく回転しなければ縮径状態とはならない。

【0062】

拡縮手段７０を構成するねじ機構の所定の長さは、連結部５０に対し拡縮ビット部３０が３００°程度回転したときに相当する。このためカッターヘッド１が地盤に引っ掛かり回転方向が僅かに変化しても、拡径状態から縮径状態、縮径状態から拡径状態にならないため安定した掘削を行うことができる。

【0063】

以上、第１実施形態のカッターヘッド１を用いて説明のとおり、本発明に係るカッターヘッドを使用することで効率的にまた安定的に地盤を掘削可能である。また本発明に係るカッターヘッドは、固定ビット、拡縮ビットさらには超硬チップの交換も可能であるなど使い勝手がよい。

【0064】

本発明に係るカッターヘッドは、上記実施形態に限定されるものではなく、要旨を変更しない範囲で変更して使用することができる。たとえば拡縮ビット３１の拡径を、スライド部材７１の上面７７が軸受フランジ５６の下面５８に接するまでとしてもよい。同様に拡縮ビット３１の縮径を、スライド部材７１の下面７８がベースフランジ３８の第２円筒部４３の上面に接するまでとしてもよい。

【0065】

図８（Ａ）は、本発明の第２実施形態の掘削機１０１の縦断面図、図８（Ｂ）は、カッターヘッド１の正面図である。図９は、図８において切断線Ａ－Ａで切断した掘削機１０１の断面図及び切断線Ｂ－Ｂで切断した掘削機１０１の断面図である。図１０は、本発明の第２実施形態の掘削機１０１の縦断面図であり、図８の縦断面図と直交する方向の縦断面図である。図１１及び図１２は、本発明の第２実施形態の掘削機１０１の回転振り子１３０の動き及び緩衝手段１４０の構成を説明するための図である。図１３及び図１４は、本発明の第２実施形態の掘削機１０１の減速機１７０の構造図及び断面図である。

【0066】

以下の説明において掘削機１０１の下方は、カッターヘッド１側であり、図８では左側である。また掘削機１０１の下方は、掘削機１０１の前側、先端側でもある。掘削機１０１の軸方向、軸線方向は、中心軸線Ｍに平行な方向であり上下方向である。径方向は、中心軸線Ｍに直交する方向、周方向は、中心軸線Ｍを中心に円弧に沿う方向、内側は中心軸線側をいう。

【0067】

本発明の第２実施形態の掘削機１０１は、岩盤層など硬い地盤の掘削に好適な掘削機であって、本発明の第１実施形態のカッターヘッド１と、カッターヘッド１に打撃力を付与する起振機構１２０と、カッターヘッド１を回転させる回転機構１５５と、起振機構１２０及び回転機構１５５を駆動する、モーター１６７及び減速機１７０を備える駆動装置１６５と、それらが搭載されるパイプ状のケーシング２００と、を主に構成される。

【0068】

起振機構１２０は、カッターヘッド１に付与する打撃力を発生させる起振手段１２１と、起振手段１２１に連結し衝撃を吸収する緩衝手段１４０と、回転機構１５５に係合する係合手段１５０とを備える。

【0069】

起振手段１２１は、打撃力の源泉となる遠心力を発生させる回転振り子１３０（１３０ａ、１３０ｂ）と、回転振り子１３０を支持する支持台であるホイールケース１２２と、回転振り子１３０を回転させる駆動軸１３５とを含み、カッターヘッド１に地盤を掘削するための打撃力を付与する。

【0070】

ホイールケース１２２は、前部にカッターヘッド取付部１２４、中央から後部に回転振り子取付部１２５を有する本体１２３と、回転振り子取付部１２５を覆うように本体１２３に取付けられた円筒状のケース１２９とを備える。カッターヘッド取付部１２４は、前部がケーシング２００の先端部２０１から突出するように設けられている。本実施形態ではケース１２９が本体１２３にボルト止めされているが、ケース１２９を本体１２３と一体的に設けてもよい。

【0071】

回転振り子取付部１２５には、中心軸線Ｍに直交する支軸１２７が取付けられ、支軸１２７に回転振り子１３０が回転自在に取付けられている。また回転振り子取付部１２５には、駆動軸１３５が挿通する挿通孔１２６が上下方向に設けられている。挿通孔１２６の上端には駆動軸１３５を回転自在に支持する軸受１２８が取り付けられている。

【0072】

ホイールケース１２２は、ケーシング２００内に配置され、連結するカッターヘッド１及び支持する回転振り子１３０と一体的に回転しつつ上下動する。これについての詳細は後述する。

【0073】

回転振り子１３０は、一対の回転振り子１３０ａ、１３０ｂからなる。回転振り子１３０ａと回転振り子１３０ｂとは同一形状、同一構造からなる。以下、回転振り子１３０ａを用いて形状、構造を説明する。

【0074】

回転振り子１３０ａは、肉厚板状の部材であり扇形状を有する（図１１参照）。回転振り子１３０ａは、扇の中心点から離れるに従って体積が大きくなり、中心点から離れた扇部分がウエイトとして機能し、回転することで大きな遠心力を生み出す。このような回転振り子１３０は、偏心ロータ、偏心重錘、フライホイールと言い換えることができる。

【0075】

回転振り子１３０ａは、扇の中心点近傍に支軸１２７に挿通する挿通孔を備え、挿通孔にボールベアリング１３３ａが装着され、回転振り子１３０ａは、ボールベアリング１３３ａを介し支軸１２７に回転自在に取り付けられている。また回転振り子１３０ａには、支軸１２７に挿通可能な傘歯車１３２ａが取り付けられている。この傘歯車１３２ａは、駆動軸１３５の先端に取り付けられた傘歯車１３６と噛み合う。

【0076】

一対の回転振り子１３０ａ、１３０ｂの回転方向、位相は以下のとおりである。一対の回転振り子１３０ａ、１３０ｂは、中心軸線Ｍを挟み相反する位置に配置され、駆動軸１３５の回転に伴い支軸１２７を中心に中心軸線Ｍに平行に回転する。一対の回転振り子１３０ａ、１３０ｂは、１つの傘歯車１３６と噛み合うため回転方向は逆向きとなる。また一対の回転振り子１３０ａ、１３０ｂは、同位相で回転するように支軸１２７に取り付けられている。このため一対の回転振り子１３０ａ、１３０ｂは、下死点及び上死点が一致する（図１１（Ａ），（Ｃ）参照）。

【0077】

このように構成される一対の回転振り子１３０ａ、１３０ｂが回転することで上下方向に大きな遠心力が発生し、これがカッターヘッド１の打撃力の源泉となる。回転振り子１３０ａ、１３０ｂの回転により生じる水平方向の荷重は、回転振り子１３０ａ、１３０ｂの回転が逆向きゆえ相殺される。

【0078】

回転振り子１３０は、カッターヘッド１に付与する打撃力の源泉となる遠心力を生み出すことができればよく、形態は本実施形態に限定されるものではない。例えばアームの先端に重りを取り付けた回転振り子、円板の周縁部近傍に重りを取り付け、支軸１２７への挿通孔１３１を中心点から偏心させた偏心ロータなどであってもよい。

【0079】

駆動軸１３５は、減速機１７０の第１出力軸１７１の回転を回転振り子１３０に伝達する部材であり、前端に傘歯車１３６を備え、後端に軸継手１３７が設けられ、第１出力軸１７１と連結する。駆動軸１３５は、中間部が軸受１２８で回転自在に支持され、傘歯車１３６が回転振り子１３０の傘歯車１３２（１３２ａ、１３２ｂ）と噛み合う。

【0080】

軸継手１３７は、第１出力軸１７１に対して駆動軸１３５を軸方向に移動自在に接続する継手であり、本実施形態ではボールスプライン継手である。軸継手１３７は、第１出力軸１７１の回転を確実に駆動軸１３５に伝達可能で、かつ第１出力軸１７１に対して駆動軸１３５を軸方向に移動自在に接続できれば他の形態、構造であってもよい。

【0081】

緩衝手段１４０は、起振手段１２１及び回転機構１５５に連結するスプリングホルダー１４１と、スプリングホルダー１４１に装着される圧縮ばね１４７とを含み、起振手段１２１が移動規制手段に衝突する際の衝撃を吸収する。緩衝手段１４０は、回転機構１５５に対し、係合手段１５０を介して連結する。

【0082】

スプリングホルダー１４１は、円筒状の本体の前部にフランジ部１４２、中央から後部にかけて圧縮ばね１４７を収容するばね収容部１４３を有する。スプリングホルダー１４１は、フランジ部１４２がホイールケース１２２の後端にボルト止めされ、ホイールケース１２２と連結する。駆動軸１３５は、スプリングホルダー１４１の本体内に位置する。

【0083】

ばね収容部１４３は、本体の外側に位置し、ここに圧縮ばね１４７を収容する収容孔１４４が設けられている。収容孔１４４は、ばね収容部１４３を軸方向に貫通する孔であり、下端に内側に突出する段部を備える。収容孔１４４は、ばね収容部１４３の周方向に等間隔で複数個設けられている。本実施形態において、収容孔１４４の数は８であるが、個数はこれに限定されるものではない。

【0084】

圧縮ばね１４７は、両端に段部を有する円柱状のガイドシャフト１４８に挿通された状態で収容孔１４４に装着されている。ガイドシャフト１４８に挿通された圧縮ばね１４７は、ガイドシャフト１４８の両端の段部の間に位置する。圧縮ばね１４７の外径は、ガイドシャフト１４８の段部の外径よりも大きく、収容孔１４４の内径よりも小さく設定されている。

【0085】

ガイドシャフト１４８の長さは、収容孔１４４よりも長く、収容孔１４４に装着されたガイドシャフト１４８の両端部は、収容孔１４４から突出している。一方、圧縮ばね１４７の長さは、収容孔１４４の長さよりも短く、収容孔１４４に装着された圧縮ばね１４７は、収容孔１４４内に位置する。

【0086】

ガイドシャフト１４８に挿通された圧縮ばね１４７が装着された各収容孔１４４の上端には、ストッパーフランジ１４９が取付けられる。ストッパーフランジ１４９の外径は、収容孔１４４の内径よりも大きく、ストッパーフランジ１４９の内径は、ガイドシャフト１４８の段部の外径よりも僅かに大きい。このためガイドシャフト１４８は、ストッパーフランジ１４９を挿通可能である。

【0087】

ばね収容部１４３には、係合手段１５０を構成する伝達シャフト１５１を取付けるための取付座１４６が設けられている。取付座１４６は、ばね収容部１４３の半径方向に設けられた凹溝であり、ばね収容部１４３の周方向に等間隔で複数個、ばね収容部１４３の横断面において隣り合う収容孔１４４の間に設けられている。

【0088】

係合手段１５０は、回転機構１５５と起振機構１２０とに係合し、回転機構１５５の回転を起振機構１２０に伝達する。また係合手段１５０は、起振機構１２０の軸方向の移動をサポートする手段としても機能する。係合手段１５０は、円柱状の伝達シャフト１５１と、伝達シャフト１５１の上部に取り付けられる軸受１５２と、カラー１５３とを備える。

【0089】

伝達シャフト１５１は、ばね収容部１４３の取付座１４６に下半分が嵌め込まれ、上半分はばね収容部１４３から突出するように取り付けられている。ばね収容部１４３から突出する伝達シャフト１５１には、軸受１５２を介してカラー１５３が回転自在に取付けられている。伝達シャフト１５１を含む軸受１５２及びカラー１５３は、ローラーガイド１５６のガイド溝１６０に嵌り込む。

【0090】

回転機構１５５は、駆動装置１６５を構成する減速機１７０の第２出力軸１７２に固定されたローラーガイド１５６を備え、ローラーガイド１５６と係合手段１５０とを係合させ、起振機構１２０及びカッターヘッド１を回転させる。また回転機構１５５は、ローラーガイド１５６の下端に取付けられたばね受けフランジ１６２を備える。ばね受けフランジ１６２は、ローラーガイド１５６のフランジ部１５８とで起振機構１２０の軸方向の移動距離を規制する移動規制手段を構成する。

【0091】

ローラーガイド１５６は、円筒状の本体１５７の後端にフランジ部１５８を有し、本体１５７の中央から前端にかけて本体１５７の外側に設けられたガイド部１５９を有する。ローラーガイド１５６は、フランジ部１５８が減速機１７０の第２出力軸１７２にボルト止めされ、本体１５７がスプリングホルダー１４１のばね収容部１４３を覆うように配置されている。

【0092】

ガイド部１５９は、本体１５７の外側に位置し、ここにカラー１５３が取付けられた伝達シャフト１５１が摺動自在に嵌り込むガイド溝１６０が設けられている。ガイド溝１６０は、ガイド部１５９の内周面に臨む軸方向（上下方向）に伸びる凹溝である。ガイド溝1６０は、ガイド部1５９の周方向に各伝達シャフト１５１がそれぞれ嵌り込むように複数個、本実施形態では８個設けられている。

【0093】

駆動装置１６５は、起振機構１２０及び回転機構１５５を駆動する装置であり、モーター１６７及び減速機１７０を主に構成され、ケーシング２００内に固定されている。本実施形態の掘削機１０１では、運搬する際の大きさ（寸法）を考慮し、起振機構１２０及び回転機構１５５を格納するケーシング２００ａと、駆動装置１６５を格納するケーシング２００ｂとが分割可能に構成されている。これにより大型の掘削機１０１であっても運搬が容易となる。但し、起振機構１２０及び回転機構１５５と駆動装置１６５とが１つのケーシング２００に格納されていてもよい。

【0094】

モーター１６７は、特に限定されるものではなく、公知のモーターを使用することができる。モーター１６７及び減速機１７０は、ケーシング２００の内側に設けられた冷却装置（図示省略）で冷却される。冷却装置には、モーター１６７及び減速機１７０の外周面を覆うように配置されたコイル状の冷却管、又はジャケットに冷却水を流通させ冷却する間接式の冷却装置を使用することができる。

【0095】

減速機1７０は、モーター１６７の出力軸に直結しモーター１６７の出力軸1６８と同じ回転数で回転する第１出力軸１７１と、第１出力軸１７１に比較して低速で回転する第２出力軸１７２とを備える。第１出力軸１７１の回転数をＮ_１、第２出力軸１７２の回転数をＮ_２とすると、Ｎ_１＞Ｎ_２である。第１出力軸１７１は、モーター１６７の出力軸と直結するため高速で回転する。第１出力軸１７１の先端部には駆動軸１３５の軸継手１３７に係合する軸継手１７３を備える。

【0096】

減速機１７０は、第１出力軸１７１と、第１出力軸１７１と比較して減速された第２出力軸１７２とを備えれば特に限定されるものではないが、減速機１７０は、ケーシング２００内に固定し使用されるためコンパクトであり、さらにカッターヘッド１を回転駆動するものであるから高トルクのものが好ましい。好適な減速機１７０を図１３及び図１４に示す。図１４は、図１３のＡ－Ａ断面図である。

【0097】

図１３に示す減速機１７０は、偏心揺動型の減速機であり、入力回転体１７５と、入力回転体１７５の外周面に固定された偏心カム１７６と、複数の外歯歯車１７７と、複数の伝達棒１７８と、複数の出力フランジ１７９と、複数のキャリアピン１８０と、内歯歯車１８１と、出力回転体１７２と、ケーシング１８２とを主に構成される。

【0098】

入力回転体１７５は、軸受を介してケーシング１８２の中心に回転自在に取り付けられている。入力回転体１７５は、モーター１６７の出力軸１６８と連結し、入力回転数Ｎ_１で回転する。本実施形態では、入力回転体１７５の一部をケーシング１８２から突出させ、これを第１出力軸１７１としている。第１出力軸１７１は、入力回転体１７５と別体であってもよく、軸部材を入力回転体１７５と連結させこれを第１出力軸１７１としてもよい。

【0099】

偏心カム１７６は、入力回転体１７５の回転軸から偏心した回転軸を有し、入力回転体１７５と一体的に回転し、伝達棒１７８を介して外歯歯車１７７を揺動回転させる。外歯歯車１７７は、円環状の部材であり、軸受及び伝達棒１７８を介して偏心カム１７６と回転自在に連結する。外歯歯車１７７は、内周面が円形であり、外周面に外歯が設けられている。外歯歯車１７７の歯数は、Ｍ_Ｏである。

【0100】

伝達棒１７８は、偏心カム１７６の動きを外歯歯車１７７に伝達するための部材であり、一端が偏心カム１７６に取付けられた軸受の外周面に、他端が外歯歯車１７７の内周面に接するように、放射状に配置される。出力フランジ１７９は、隣り合う外歯歯車１７７の間に配置され、キャリアピン１８０と連結する。出力フランジ１７９は、円環状の部材であり、スプライン継手を介して出力回転体１７２に連結し、キャリアピン１８０を介して伝達される動力を出力回転体１７２に伝達する。

【0101】

内歯歯車１８１は、円筒状のケーシング本体１８２の内周面に設けられている。内歯歯車１８１の歯数は、Ｍ_Ｉである。

【0102】

出力回転体１７２は、円筒状の本体を有し、入力回転体１７５を覆うように配置され、軸受を介してケーシング１８２に回転自在に取り付けられている。出力回転体１７２には、伝達棒１７８を挿通する挿通孔が設けられ、外周面には、スプライン継手のキーが設けられている。本実施形態では、出力回転体１７２が第２出力軸１７２であり、第２出力軸１７２と第１出力軸１７１の回転軸は一致する。

【0103】

入力回転体１７５が回転すると、外歯歯車１７７は、内歯歯車１８１に噛み合いながら揺動回転する。内歯歯車１８１の歯数Ｍ_Ｉが外歯歯車１７７の歯数Ｍ_Ｏよりも多いため、外歯歯車１７７は、入力回転体１７５の回転数Ｎ_１に対して入力回転体１７５の回転方向とは逆方向に（Ｍ_Ｉ－Ｍ_Ｏ）／Ｍ_Ｏの割合で回転する。つまり減速機１７０の減速比はＭ_Ｏ／（Ｍ_Ｉ－Ｍ_Ｏ）となる。

【0104】

外歯歯車１７７の回転は、当該動力がキャリアピン１８０に伝達され、出力フランジ１７９を介して出力回転体１７２に伝達される。この結果、第２出力軸１７２の回転数Ｎ_２は、第１出力軸１７１の回転数Ｎ_１に（Ｍ_Ｉ－Ｍ_Ｏ）／Ｍ_Ｏを乗じた値となる。図１３に示す減速機１７０の詳細構造は、特許第７１９１３５３号公報参照のこと。

【0105】

以上からなる駆動装置１６５は、第１出力軸１７１が軸継手１７３を介して駆動軸１３５と連結し、駆動軸１３５を回転数Ｎ_１で回転させる。また駆動装置１６５は、減速機１７０の第２出力軸１７２がローラーガイド１５６と連結し、回転機構１５５さらには起振機構１２０及びカッターヘッド１を回転数Ｎ_２で回転させる。

【0106】

掘削機１０１は、さらにカッターヘッド１が掘削した掘削土を搬送するスクリューケーシング１８６を備える。スクリューケーシング１８６は、掘削土の搬送手段であり、掘削土をスクリューケーシング１８６の上部まで持ち上げる。スクリューケーシング１８６は、円筒状の本体１８７を備え、本体１８７の下端部には内側に突出するフランジ部１８８を有する。また本体１８７の外壁面には、掘削土を搬送するスクリュー１８９が設けられている。

【0107】

スクリューケーシング１８６は、本体１８７の上端部がリングキー１９０を介してローラーガイド１５６と連結する。これによりスクリューケーシング１８６は、ローラーガイド１５６と一体的に回転数Ｎ_２で回転する。

【0108】

本体１８７の内径は、ホイールケース１２２のケース１２９の外径よりも僅かに大きく、ホイールケース１２２は、本体１８７の内側に位置する。また本体１８７の内径は、ローラーガイド１５６のガイド部１５９の外径よりも大きく、ローラーガイド１５６は、本体１８７の内側に位置する。

【0109】

スクリュー１８９の外径は、ケーシング２００ａの内径と略同一であり、スクリュー１８９の外周面がケーシング２００の内面に摺動自在に接する。スクリュー１８９の外径をケーシング２００ａの内径よりも僅かに小さく設定し、スクリュー１８９の外周面をケーシング２００の内面に接触させることなく近接した状態としてもよい。これらによりケーシング２００の内周面と本体１８７の外周面との間に掘削土の搬送路が形成され、スクリューケーシング１８６を回転させることで掘削土を減速機１７０側に搬送することができる。

【0110】

スクリューケーシング１８６は、ローラーガイド１５６に連結した状態でフランジ部１８８の先端面がケーシング２００ａの先端部２０１と同じ高さにある。フランジ部１８８は、中央部にホイールケース１２２のカッターヘッド取付部１２４が挿通する円孔が設けられ、円孔の内周面にはブッシュ１９１が嵌め込まれている。ブッシュ１９１は、カッターヘッド取付部１２４の外周面に摺動自在に接し、ホイールケース１２２の回転及び上下動をガイドする。

【0111】

スクリューケーシング１８６が搬送する掘削土は、真空排土装置２５０により吸引される。これについては後述する。

【0112】

本実施形態の掘削機１０１は、掘削深度に応じて継ぎ足し使用する延長用のケーシング２１０及び各種配管を集合させたジョイント管２１５を接続可能に構成されている。掘削機１０１は、掘削機１０１に配置された送気管などの各種配管と新たに接続されるジョイント管２１５とを接続するための配管室２０５を備える。配管室２０５は、モーター１６７及び減速機１７０が収納されたケーシング２００ｂの上端に設けられている。

【0113】

配管室２０５は、ケーシング２００と同じ外径のパイプ状のケーシングを有する。配管室２０５のケーシングの上端には、延長用のケーシング２１０を連結するための連結部２１２、ジョイント管２１５を連結するための連結部２１７が設けられ、この連結部２１２、２１７により延長用のケーシング２１０及びジョイント管２１５を容易に連結し、また取外すことができる。

【0114】

延長用のケーシング２１０は、ケーシング２００と同じ外径を有する所定の長さを有する円筒状の部材であり、順次延長用のケーシング２１０を継ぎ足し可能に構成されている。ジョイント管２１５は、吸引パイプ、送泥管、送気管、電線などをコンパクトにまとめた延長管であり、順次ジョイント管２１５を継ぎ足し可能に構成されている。ジョイント管２１５の外径は、延長用のケーシング２１０の内径よりも小さくケーシング２１０内に配置される。

【0115】

掘削機１０１の使用方法を説明する。図１５は、掘削機１０１を用いた乾式真空工法である。乾式真空工法は、カッターヘッド１に泥水を供給することなく掘削する工法であり、地盤が盛土など比較的柔らかい土壌の掘削に適している。

【0116】

掘削機１０１は、ケーシング２００又は延長用のケーシング２１０が地上３００に設置された反力装置２３０に把持される。反力装置２３０は、操作盤２３２及び油圧ユニット２３４と接続し、ケーシング２００又は延長用のケーシング２１０を回転不能にかつ上下方向に移動可能に支持する。

【0117】

掘削機１０１には連結されたジョイント管２１５に送気管２４２が接続され、地上に設置されたコンプレッサ２４０からシール用の空気が供給される。このシール用空気は、ケーシングパイプ２００ａ内に供給され、起振機構１２０及び回転機構１５５に掘削土が入り込まないようにケーシング２００ａ内をシールし、カッターヘッド取付部１２４の先端に取付けられた逆止弁１１４からカッターヘッド１側に出る。

【0118】

また掘削機１０１には連結されたジョイント管２１５に吸引パイプ２５４が接続される。吸引パイプ２５４は、地上３００に設置された真空タンク２５２及び真空排土装置２５０と接続し、スクリューケーシング１８６が搬送する掘削土を吸引する。

【0119】

掘削機１０１は、適宜延長用のケーシング２１０及びジョイント管２１５が接続され、掘削機１０１を先導体とし、先端に位置するカッターヘッド１が低速（回転数Ｎ_２）で回転しつつ上下動し地盤を掘削する。具体的な動作は次のとおりである。

【0120】

モーター１６７を稼動させると、第１出力軸１７１に連結する駆動軸１３５が高速（回転数Ｎ_１）で回転し、一対の回転振り子１３０ａ、１３０ｂを回転させる。回転振り子１３０ａ、１３０ｂの回転に伴い、回転振り子１３０ａ、１３０ｂを支持するホイールケース１２２が上下動する。このときホイールケース１２２と連結するスプリングホルダー１４１に装着された伝達シャフト１５１が、ローラーガイド１５６のガイド溝１６０に嵌り込み、起振機構１２０は、ガイド溝１６０に案内され上下動する。

【0121】

ホイールケース１２２が上下動すると、ホイールケース１２２と連結するスプリングホルダー１４１に装着されたガイドシャフト１４８の下端がばね受けフランジ１６２に衝突し、またガイドシャフト１４８の上端がローラーガイド１５６のフランジ部１５８に衝突し、装着された圧縮ばね１４７が衝撃を吸収する。圧縮ばね１４７は、圧縮状態から伸長することで起振機構１２０の上下動を付勢する。

【0122】

上記の動作により起振機構１２０は、連結されたカッターヘッド１と一体的に上下動しカッターヘッド１に打撃力を付与する。

【0123】

またモーター１６７を稼動させると、第１出力軸１７１と一緒に第２出力軸１７２も回転数Ｎ_２で回転する。第２出力軸１７２が回転することで第２出力軸１７２に連結されたローラーガイド１５６も一体的に回転数Ｎ_２で回転する。ローラーガイド１５６と起振機構１２０とは直接的には連結されていないが、スプリングホルダー１４１に取付けられた伝達シャフト１５１がローラーガイド１５６のガイド溝１６０に嵌り込んでいるため、ローラーガイド１５６の回転が伝達シャフト１５１を介して起振機構１２０に伝達される。

【0124】

これにより回転機構１５５が回転数Ｎ_２で回転すると、起振機構１２０及びそれに連結されたカッターヘッド１も一体的に回転数Ｎ_２で回転する。回転機構１５５は、ローラーガイド１５６が減速機１７０の第２出力軸１７２に連結され、伝達シャフト１５１がガイド溝１６０に上下動可能に係合するため起振機構１２０が上下動しても上下動しない。

【0125】

以上により起振機構１２０及びカッターヘッド１が一体的に回転数Ｎ_２で回転しつつ上下動する。これにより固定ビット２０が地盤を掘削する。さらに固定ビット部１０が回転しつつ地盤を掘削することで固定ビット部１０に掘削抵抗が加わる。これにより固定ビット部１０及び拡縮ビット部３０が連結部５０に対して相対的に回転し、スライド部材７１がねじ部材８０に沿って上方に移動する。これに伴い拡縮ビット３１は、スライド部材７１の突出部７３により径方向外側に押し出され拡径し、地盤を掘削する。

【0126】

カッターヘッド１が掘削する掘削土は、以下の要領で地上に排出される。スクリューケーシング１８６は、リングキー１９０を介してローラーガイト１５６と連結する。このためモーター１６７を稼動させると、スクリューケーシング１８６は回転数Ｎ_２で回転し、掘削土を減速機１７０側に搬送する。この掘削土は、さらに吸引パイプ２５４に吸引され地上３００に運ばれる。

【0127】

掘削深度に応じて延長用のケーシング２１０及びジョイント管２１５を順次継ぎ足し、掘削する。掘削が完了するとカッターヘッド１を逆転させ、拡縮ビット３１を縮径させた後、反力装置２３０を介して延長用のケーシング２１０、ジョイント管２１５及び掘削機１０１を地上に引き上げ回収する。

【0128】

掘削機１０１の他の使用方法を説明する。図１６は、掘削機１０１を用いた泥水還流工法である。泥水還流工法は、カッターヘッド１に泥水を供給しつつ、泥水を掘削土と共に回収し、掘削土と分離した泥水を循環使用し掘削する工法であり、岩盤など硬質の地盤の掘削に適している。図１５の掘削機１０１を用いた乾式真空工法と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

【0129】

泥水還流工法では、地上３００に泥水循環装置２６０が設置される。泥水循環装置２６０は、泥水送水ポンプ２６２を備え、送泥管２６４がジョイント管２１５に接続され、カッターヘッド１に泥水が送られる。カッターヘッド１には先端面に泥水を送るノズル１８が設けられ、ここから泥水が排出する。また泥水循環装置２６０は、サンドポンプ２７０から送られる掘削土を含む泥水から掘削土を分離する分離機２６６を備え、ここで掘削土が分離され、泥水は循環使用される。

【0130】

泥水還流工法では、地上３００に設置したサンドポンプ２７０を介して掘削土を含む泥水を回収する。

【0131】

泥水還流工法における掘削機１０１の起振機構１２０、カッターヘッド１などの動きは、図１５に示す乾式真空工法と基本同じであるが、泥水を供給しつつ掘削し、掘削した掘削土及び泥水をケーシング２００、延長用のケーシング２１０の外側から回収する点で乾式真空工法と異なる。泥水還流工法で使用する掘削機１０１の場合には、スクリューケーシング１８６、又はスクリュー１８９を省略してもよい。

【0132】

以上からなる第２実施形態の掘削機１０１の特徴をダウンザホールハンマーと比較しつつ説明する。第２実施形態の掘削機１０１は、先端部のカッターヘッド１を回転させつつ上下動させることができるため岩盤層などの硬い地盤も掘削できる点でダウンザホールハンマーと共通する。一方、以下に説明のとおり、装置構造の違いに起因しダウンザホールハンマーとは作用効果が異なる。

【0133】

ダウンザホールハンマーは、打撃のための駆動源（コンプレッサ）が地上にあり、動作媒体である圧縮空気は、パイプを介してハンマーピストンに供給される。このため掘削深度が深くなると圧縮空気を供給するための圧力損失も大きくなり、エネルギーロスが増大しエネルギー効率が悪くなる。また圧縮空気を供給するパイプの取り回しも容易ではない。

【0134】

これに対して掘削機１０１は、同じケーシング２００にカッターヘッド１と、カッターヘッド１の駆動装置１６５が組み込まれているので、カッターヘッド１と駆動装置１６５とが常に一体となって移動する。このため駆動装置１６５の駆動力がカッターヘッド１に効率的に伝達され、掘削深度が深くなってもエネルギーの伝達効率が低下しない。このため掘削機１０１は、エネルギー効率に優れ、省エネルギーである。

【0135】

また掘削機１０１は、１つのモーター１６７でカッターヘッド１の回転と打撃を実現させるので装置をコンパクト化することができる。また掘削機１０１は、ダウンザホールハンマーとは異なり、ケーシング（掘削パイプに相当）が回転しないため装置本体を回転させるための回転装置を地上に設置する必要がなく省スペース化を実現できる。また掘削機１は、ケーシングが回転しないため安全である。

【0136】

ダウンザホールハンマーは、通常、ハンマーピストンを駆動させた後の圧縮空気を利用して掘削土等を地上に噴出させるため周辺環境が悪化する。これに対して掘削機１０１は、吸引パイプ又は排泥管を通じて掘削土等を地上に排出するので周辺環境に悪影響を与えない。また掘削機１０１は、図１５及び図１６に示すように施工場所・土質によって掘削方法を選択することができるので使い勝手がよい。

【0137】

ダウンザホールハンマーは、通常、ハンマーの打撃に圧縮空気を使用するため振動、騒音が発生するなど周辺環境に悪影響を及ぼす。これに対して掘削機１０１は、回転振り子１３０を用い機械的に上下動を発生させる起振機構１２０がケーシング２００に組み込まれ、これがカッターヘッド１を上下動させるため地上での振動、騒音は非常に小さい。

【0138】

また掘削機１０１は、回転振り子１３０を用い機械的に上下動を発生させるので、ピストンに比較して大きな打撃力が得られる。

【0139】

以上、第２実施形態の掘削機１０１を用いて説明のとおり、本発明に係る掘削機は効率的また安定的に掘削可能であり使い勝手がよい。また本発明に係る掘削機は、従来の掘削機とは異なる新規な構造を有しエネルギー効率に優れる。本発明に係る掘削機は、上記実施形態に限定されるものではなく、要旨を変更しない範囲で変更して使用することができる。

【0140】

図面を参照しながら好適なカッターヘッド及び掘削機について説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。従って、そのような変更及び修正は、請求の範囲から定まる発明の範囲内のものと解釈される。

【符号の説明】

【0141】

１ カッターヘッド
１０ 固定ビット部
１１ ケーシング
２０，２０ａ、２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ 固定ビット
２１，２１ａ 超硬チップ
２２ 台座
２５ 取付ボルト
３０ 拡縮ビット部
３１ 拡縮ビット
３２ 本体
３５ 傾斜面
３６ 超硬チップ
３８ ベースフランジ
４２ 外周面
５０ 連結部
７０ 拡縮手段
７１ スライド部材
７４ 傾斜面
７６ ねじ部
８０ ねじ部材
８２ ねじ部
１０１ 掘削機
１２０ 起振機構
１５５ 回転機構
１６５ 駆動装置
１６７ モーター
１７０ 減速機
２００、２００ａ、２００ｂ ケーシング
Ｍ 中心軸線

【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】