JP6589374B2

JP6589374B2 - 掘削工具

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Publication number: JP6589374B2
Application number: JP2015107308A
Authority: JP
Inventors: 中村　和由; 和由中村; 裕貴高月
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2014-08-20
Filing date: 2015-05-27
Publication date: 2019-10-16
Anticipated expiration: 2035-05-27
Also published as: WO2016027737A1; JP2016044540A

Description

本発明は、ケーシングパイプの先端側に配置されたリングビットとケーシングパイプ内に挿通されたパイロットビットにより掘削を行う、いわゆる二重管式の掘削工具に関するものである。本願は、２０１４年８月２０日に日本に出願された特願２０１４−１６７６０１号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。

このような二重管式の掘削工具として、特許文献１には、ケーシングパイプの先端部にリングビットが互いの内外周面を対向させて回転自在に挿入されるとともに、ケーシングパイプ内に挿入される伝達部材の先端にはインナービットが取り付けられ、このインナービットによってケーシングパイプに打撃力と推力を、リングビットには加えて回転力を伝達して削孔し、所定の深さまで掘削孔を形成した後はリングビットをケーシングパイプから抜脱して掘削孔に残すようにしたものが提案されている。

また、特許文献２には、軸線回りに回転させられるシャンクデバイスの先端部外周に拡径ビットが取り付けられて、掘削時には拡径ビットが拡径した状態で位置決めされてケーシングパイプの先端に突出することにより所定の内径の掘削孔を形成し、掘削終了後は拡径ビットを縮径させてシャンクデバイスごとケーシングパイプ内を通して回収するようにした、いわゆるアンダーリーミングビットが記載されている。

特許第４８８７８５７号公報特許第４５０１４０７号公報

ところで、近年このような掘削工具による特定の削孔作業において、ケーシングパイプそのものを挿入するのに十分な内径よりも大きな内径の掘削孔を形成する場合が増えている。例えば、鋼管連壁を埋設する場合には鋼管外周部に継ぎ手が設けられたケーシングパイプを掘削孔に挿入することになり、またケーシングパイプを鋼管外径よりも大きな外径のカップリングによって接続する場合には該カップリングが掘削孔に挿入されるため、継ぎ手やカップリングまでの外径を考慮した内径の掘削孔を形成しなければならない。さらに、水井戸等で止水のために鋼管の周囲をセメンティングする場合にも、鋼管外径に対してより大きな内径の掘削孔が必要となる。

このような内径の大きな掘削孔の形成を、特許文献１に記載された二重管式の掘削工具によって行う場合には、リングビットの外径を大きくすることになるが、上述のようにリングビットはその後端部の外周面をケーシングパイプの内周面に対向させて回転自在に挿入されるため、リングビットの内径は変わることがなく、半径方向の寸法が大きくなることになる。そして、このリングビットは、最終的には回収されずに掘削孔に残されてしまうため、施工コストの増大を招く結果となる。また、リングビットへの回転力はケーシングパイプ内を通してリングビットに挿通されたインナービットにより伝達されるため、リングビットの外径が大きくなると十分な回転力を伝達することができず、削孔性能が低下するおそれもある。

一方、特許文献２に記載されたアンダーリーミングビットを用いて内径の大きな掘削孔を形成する場合には、拡径した状態の拡径ビットの軸線からの半径を大きくすることになる。しかしながら、掘削終了後に拡径ビットを縮径させてシャンクデバイスごと回収するためには拡径ビットを大きくするにも限度があり、さらに内径の大きな掘削孔を形成するには負荷が大きくなって、拡径ビットを回転自在に支持する軸に損傷が生じるおそれもある。また、拡径ビットに配設される掘削チップの設置量にも限度があり、掘削孔が大径になるほど、やはり削孔性能が低下することになる。

本発明は、このような背景の下になされたもので、ケーシングパイプの外径に対してより大きな内径の掘削孔を削孔する場合に、削孔性能の低下や損傷の発生、施工コストの増大を防ぐことが可能な掘削工具を提供することを目的としている。

上記課題を解決して、このような目的を達成するために、本発明は、軸線を中心とした円筒状のケーシングパイプと、このケーシングパイプの先端側に同軸に配置される上記ケーシングパイプよりも外径の大きな円環状のリングビットと、上記ケーシングパイプ内を通って上記リングビットの内周部に挿通されるパイロットビットとを備え、上記パイロットビットは上記軸線回りに回転可能とされるとともに、このパイロットビットの先端外周部にはビットヘッドが設けられ、上記ビットヘッドは、上記軸線から偏心した中心線回りに回転自在とされて、上記パイロットビットが掘削時の工具回転方向に回転したときに上記軸線からの半径が拡径して上記パイロットビットに支持され、上記リングビットには、拡径した上記ビットヘッドに対して上記掘削時の工具回転方向に係合させられる被係合部と、拡径した上記ビットヘッドに対して上記軸線方向の先端側に当接可能とされた第１の当接部とが設けられており、上記ケーシングパイプの先端内周部には内径が一段小さくなる小径部が形成されるとともに、上記パイロットビットの後端外周部には上記小径部に上記軸線方向の後端側から当接可能な第２の当接部が形成され、さらに上記ケーシングパイプの先端部には、上記リングビットの上記軸線方向後端側を向く面に当接可能な第３の当接部が設けられていることを特徴とする。

このような掘削工具においては、パイロットビットの先端外周部に設けられたビットヘッドが掘削時に拡径し、この拡径したビットヘッドに対してリングビットに設けられた第１の当接部が軸線方向先端側に当接するので、まずリングビットを先端側に抜け止めすることができる。そして、このリングビットは、その被係合部が拡径したビットヘッドに対して掘削時の工具回転方向にも係合させられるので、パイロットビットからビットヘッドを介してリングビットに回転力を伝達することができる。

また、ケーシングパイプの先端内周部には内径が一段小さくなる小径部が形成されるとともに、パイロットビットの後端外周部には上記小径部に軸線方向後端側から当接可能な第２の当接部が形成されており、特許文献１、２に記載された掘削工具と同じようにパイロットビットに与えられる軸線方向先端側への打撃力と推力は、この小径部を介してケーシングパイプに伝達されて掘削孔にケーシングパイプが挿入されてゆく。そして、さらにこのケーシングパイプの先端部には、リングビットの軸線方向後端側を向く面に当接可能な第３の当接部が設けられているので、こうしてケーシングパイプに伝達された打撃力と推力をリングビットにも確実に伝達することができる。

従って、リングビットの外径をケーシングパイプの外径に対してより大きくしても、軸線からの半径が拡径して大きくなったビットヘッドにより十分な回転力をリングビットに伝達することができるとともに、打撃力と推力はケーシングパイプからリングビットに確実に伝達することができて、これらにより削孔性能を確保することが可能となる。

また、こうしてリングビットの被係合部が拡径したビットヘッドに対して掘削時の工具回転方向に係合させられることにより、リングビットの後端部外周面をケーシングパイプの内周面に対向させて回転自在に挿入する必要も無くなるため、例えばリングビットの内径を、上記第３の当接部の外径を超えない範囲で上記小径部の内径以上に大きくすることができる。このため、リングビットの体積を小さくして必要な材料を減らすことができるので、掘削終了後にビットヘッドを掘削時とは反対向きに回転させてリングビットを掘削孔に残す場合にも施工コストが増大するのを抑えることができる。

これに対して、パイロットビットにおいては、拡径した状態のビットヘッドの軸線からの半径を掘削孔の半径ほど大きくしなくても、リングビットによって内径の大きな掘削孔を形成することができ、過大な負荷を作用させることなくビットヘッドの損傷等を防止することができる。また、掘削孔の外周側を掘削する円環状のリングビットにおける掘削チップの設置量は比較的自由に設定することができ、チップ不足による削孔性能の低下も防ぐことが可能となる。

ここで、上記リングビットの内周部に外周側に凹む凹部を形成して、この凹部を上記被係合部とすれば、リングビットの体積を一層削減することができて、さらなる施工コストの抑制を図ることができる。なお、このときには、例えば凹部に隣接するリングビットの先端面を上記第１の当接部として、この第１の当接部にビットヘッドの後端側を向く面を対向するように拡径させるようにしてもよいが、凹部に軸線方向先端側を向く底面を形成してこれを第１の当接部とすることにより、拡径したビットヘッドが削孔中に縮径する方向に万一ずれ動いたとしても、リングビットが脱落してしまうような事態が生じるのを避けることができる。

なお、ケーシングパイプの先端内周部に上述のような小径部を形成するのに、このケーシングパイプの先端部にケーシングトップを取り付けて、このケーシングトップの内径をケーシングパイプの内径より小さくすることにより小径部を形成する場合には、該ケーシングトップの上記ケーシングパイプへの取付部は、上記小径部の上記軸線方向の後端側を向く後端面よりも該軸線方向の後端側に位置しているのが望ましい。取付部が小径部の後端面に対して先端側に位置していると、打撃力がパイロットビットの第２の当接部からケーシングパイプ（ケーシングトップ）の小径部を介してリングビットに伝達される間にケーシングパイプへのケーシングトップの取付部を通過することになり、その衝撃や負荷によって取付部が破損するおそれがあるが、取付部を小径部の後端面よりも軸線方向の後端側に位置させることによって打撃力が取付部を通過するのを避けることができる。

以上説明したように、本発明によれば、ケーシングパイプの外径に対してより大きな内径の掘削孔を形成する場合でも、削孔性能の低下や施工コストの増大、あるいは工具の損傷等を招くことなく、リングビットに十分な回転力と打撃力および推力とを伝達して効率的な削孔を行うことが可能となる。

本発明の一実施形態においてビットヘッドが拡径した状態を示す側断面図である。図１に示す実施形態においてビットヘッドが縮径した状態を軸線方向先端側から見た拡大正面図である（ただし、ケーシングパイプおよびケーシングトップは図示が略されている。）。図１に示す実施形態においてビットヘッドが拡径した状態を軸線方向先端側から見た拡大正面図である（ただし、ケーシングパイプおよびケーシングトップは図示が略されている。）。図１に示す実施形態のリングビットを軸線方向先端側から見た拡大正面図である。図４におけるＺＺ断面図である。図１に示す実施形態の第１の変形例を示す部分側断面図である。図１に示す実施形態の第２の変形例を示す部分側断面図である。

図１ないし図５は、本発明の掘削工具の一実施形態を示すものである。本実施形態において、ケーシングパイプ１は、鋼材等の金属材料により軸線Ｏを中心とする円筒状に形成されるとともに、このケーシングパイプ１の先端部（図１における左側部分）には、同じく鋼材等の金属材料により多段円筒状に形成されたケーシングトップ１Ａが取り付けられている。

ケーシングトップ１Ａは、その内径がケーシングパイプ１の内径よりも一段小さな一定の内径とされるとともに、先端部の外径はケーシングパイプ１と同径とされ、後端部の外径はケーシングパイプ１内に嵌挿可能な大きさとされている。ケーシングトップ１Ａは、この後端部がケーシングパイプ１の先端側から嵌め入れられた上で、先端部の軸線Ｏ方向の後端側（図１において右側）を向く面がケーシングパイプ１の先端面と溶接等によって接合されて取り付けられることにより、ケーシングパイプ１と同軸に一体化されている。

このようにケーシングトップ１Ａが取り付けられることにより、ケーシングパイプ１の先端内周部には、内径が一段小さくなる小径部１Ｂが形成される。なお、この小径部１Ｂの後端面は、内周側に向かうに従い僅かに先端側に向かうように傾斜する軸線Ｏを中心とした凹円錐面状に形成されている。さらに、このケーシングトップ１Ａの先端面は軸線Ｏに垂直な平面とされて、本実施形態における第３の当接部１Ｃとされている。なお、図１において符号１Ｄで示すのはケーシングトップ１Ａのケーシングパイプ１への接合による取付部であり、この取付部１Ｄは本実施形態では小径部１Ｂの後端面よりも軸線Ｏ方向の先端側に位置している。

ケーシングパイプ１内には、その後端側（図１における右側）からパイロットビット２が挿通される。このパイロットビット２は、やはり鋼材等の金属材料により外形が多段の円柱状に形成されており、その後端部は小径のシャンク部２Ａとされていて、このシャンク部２Ａに取り付けられるダウンザホールハンマＨから軸線Ｏ方向先端側に向けた打撃力が伝達される。

また、このダウンザホールハンマＨの後端側には、図示されない掘削ロッドが必要に応じて継ぎ足されて連結されるとともに、最後端の掘削ロッドは掘削装置に取り付けられている。この掘削装置からパイロットビット２には、掘削ロッドおよびダウンザホールハンマＨを介して軸線Ｏ方向先端側に向けた推力と掘削時の工具回転方向Ｔに向けた回転力とが伝達される。なお、ケーシングパイプ１も必要に応じて後端側に継ぎ足されて掘削孔に挿入されてゆく。

シャンク部２Ａよりも先端側において、パイロットビット２の外周には外径が最大となる段部が形成されて、本実施形態の第２の当接部２Ｂとされている。この第２の当接部２Ｂの外径はケーシングパイプ１の内径より僅かに小さく、ケーシングトップ１Ａによる小径部１Ｂの内径よりは大きくされている。さらに、第２の当接部２Ｂの先端面は、内周側に向かうに従い僅かに先端側に向かうように傾斜する凸円錐面状に形成されており、その傾斜角は凹円錐面状をなす小径部１Ｂの後端面の傾斜角と等しくされている。

従って、パイロットビット２は、ケーシングパイプ１の後端側から挿通されて第２の当接部２Ｂが小径部１Ｂに当接したところで、ケーシングパイプ１およびケーシングトップ１Ａと同軸とされて軸線Ｏ方向先端側に一体に前進可能、かつ軸線Ｏ回りにはケーシングパイプ１およびケーシングトップ１Ａに対して相対的に回転可能とされる。また、この第２の当接部２Ｂよりも先端側におけるパイロットビット２の外径は、ケーシングトップ１Ａによる小径部１Ｂの内径よりも僅かに小さな一定の外径とされており、こうして第２の当接部２Ｂが小径部１Ｂに当接した状態で、パイロットビット２の先端部はケーシングトップ１Ａの先端から突出するように形成されている。

このようにケーシングトップ１Ａの先端から突出したパイロットビット２の先端部の外周には、ケーシングトップ１Ａよりも先端側に位置するように収容凹所３が形成されている。この収容凹所３は、ケーシングトップ１Ａよりも先端側に位置して先端側を向く軸線Ｏに垂直な底面３Ａと、この底面３Ａの内周縁から軸線Ｏに平行に先端側に延びてパイロットビット２の先端面に達する壁面３Ｂとを備えて、パイロットビット２の先端部の外周面と先端面とに開口するように形成されている。本実施形態では、同形同大のこのような収容凹所３が周方向に等しい間隔をあけて複数（３つ）形成されている。

この収容凹所３の壁面３Ｂは、パイロットビット２の外周側を向く平面状の第１壁部３ａと、この第１壁部３ａの工具回転方向Ｔとは反対側に位置して工具回転方向Ｔを向く平面状の第２壁部３ｂと、第１壁部３ａの工具回転方向Ｔ側に位置して工具回転方向Ｔとは反対側を向く平面状の第３壁部３ｃとを備えている。第２、第３壁部３ｂ、３ｃは周方向の間隔が外周側に向かうに従い大きくなるように形成されており、このうち第２壁部３ｂは、外周側に向かうに従い工具回転方向Ｔ側に向かうように延びている。

また、第１、第２壁部３ａ、３ｂの境界部と第１、第３壁部３ａ、３ｃの境界部には、軸線Ｏに平行な直線を中心として各壁部３ａ〜３ｃにそれぞれ接する凹円筒面状の第４壁部３ｄと第５壁部３ｅとが形成されている。第１、第２壁部３ａ、３ｂの境界部に形成される第４壁部３ｄがなす凹円筒面の半径は、第１、第３壁部３ａ、３ｃの境界部に形成される第５壁部３ｅがなす凹円筒面の半径よりも大きくされている。

さらに、各収容凹所３の底面３Ａの工具回転方向Ｔ側からは、軸線Ｏに平行に後端側に延び、上記第２の当接部２Ｂを越えてシャンク部２Ａの外周側に達する繰り粉の排出溝２Ｃが形成されている。排出溝２Ｃは、軸線Ｏに垂直な断面において略方形状をなしてパイロットビット２の先端部外周面に開口しており、パイロットビット２の外周側を向く排出溝２Ｃの底面は、第２の当接部２Ｂの後端に達するところで凹曲面状をなして外周側に僅かに切れ上がっているとともに、この底面と収容凹所３の底面３Ａとが交差する部分は、両底面に鈍角に交差する傾斜面２Ｄによって面取りされている。

一方、各収容凹所３の底面３Ａの工具回転方向Ｔとは反対側には、軸線Ｏに平行な中心線Ｃを有する断面円形の取付孔３Ｃがそれぞれ形成されている。この取付孔３Ｃの中心線Ｃは、第１、第２壁部３ａ、３ｂの境界部に形成される上記第４壁部３ｄがなす凹円筒面の中心線と一致させられていて、軸線Ｏから外周側に偏心している。また、取付孔３Ｃの内径（半径）は、第４壁部３ｄがなす凹円筒面の半径よりも僅かに小さい程度とされている。

このようなパイロットビット２の収容凹所３には、それぞれビットヘッド４が取り付けられる。ビットヘッド４は、上記取付孔３Ｃに摺動可能に嵌め入れられる円柱状の軸部４Ａと、この軸部４Ａの先端側のヘッド本体４Ｂとが鋼材等の金属材料によって一体に形成されていて、上記中心線Ｃ回りに回転自在に取り付けられ、図２に示すようにヘッド本体４Ｂが第１壁部３ａに当接したところで収容凹所３内に収容されて軸線Ｏからの半径が縮径した状態で位置決めされ、図３に示すようにヘッド本体４Ｂが第２壁部３ｂに当接したところで軸線Ｏからの半径が拡径した状態で位置決めされる。ヘッド本体４Ｂの後端面は中心線Ｃに垂直な平面状とされ、この拡径したヘッド本体４Ｂの外周部が後述するリングビットの被係合部に係合する係合部とされる。

軸部４Ａの外周には、中心線Ｃに沿った断面においては図１に示すように半長円状をなし、また中心線Ｃに垂直な断面においては図２および図３に示すように略Ｌ字状をなして延びる切欠４Ｃが形成されている。これに対して、パイロットビット２の先端部には、軸部４Ａを取付孔３Ｃに挿入して該軸部４Ａの後端面を取付孔３Ｃの底面に当接させるとともにヘッド本体４Ｂの後端面を収容凹所３の底面３Ａに当接させた状態で軸線Ｏ方向に上記切欠４Ｃと相対する位置に、軸線Ｏに直交する断面において取付孔３Ｃの接線方向にピン５が打ち込まれており、このピン５の周面が取付孔３Ｃ内に露出して切欠４Ｃと係合することにより、ビットヘッド４は中心線Ｃ回りに回転自在とされつつ先端側に抜け止めされる。

また、ヘッド本体４Ｂの側面のうち上記軸部４Ａの外周面の延長上に位置する第１側面４ａは、この外周面と面一あるいは僅かに大きな外径の中心線Ｃを中心とした凸円筒面状に形成され、収容凹所３の壁面３Ｂの第４壁部３ｄに摺接可能とされている。さらに、この第１側面４ａを間にする第２、第３側面４ｂ、４ｃは平面状に形成されており、このうち第２側面４ｂは図２に示すようにビットヘッド４が縮径した状態で収容凹所３の壁面３Ｂの第１壁部３ａに当接させられて、このとき第３側面４ｃはパイロットビット２の外周側を向き、またこの第３側面４ｃはビットヘッド４が拡径した状態で第２壁部３ｂに当接させられて、このとき第２側面４ｂは工具回転方向Ｔに向けられる。

さらに、第１側面４ａとは反対側でこれら第２、第３側面４ｂ、４ｃの間に位置する第４側面４ｄは、ビットヘッド４が拡径した状態で図１および図３に示すようにパイロットビット２の第２の当接部２Ｂよりも外周に突出して軸線Ｏを中心とした円筒面上に位置するように形成されている。また、こうしてビットヘッド４が拡径した状態で工具回転方向Ｔに向けられる第２側面４ｂは、本実施形態では外周側に向かうに従い僅かに工具回転方向Ｔとは反対側に向かうように傾斜している。

なお、上記第４側面４ｄと第３側面４ｃとの交差稜線部は、図２に示すようにビットヘッド４が縮径した状態でパイロットビット２の先端部の外径よりも僅かに小さな径の軸線Ｏを中心とした円筒面によって面取りされるように形成されており、これにより縮径して収容凹所３に収容されたヘッド本体４Ｂはパイロットビット２の先端部の外周面がなす円筒面の内側に位置する。また、第４側面４ｄと第２側面４ｂとの交差稜線部は平面状に面取りされていて、同じく図２に示すようにビットヘッド４が縮径した状態で収容凹所３の第５壁部３ｅの内側に位置する。

さらにまた、この第４側面４ｄとヘッド本体４Ｂの先端面との交差稜線部は、ビットヘッド４が拡径した状態で軸線Ｏを中心とした円錐台面状をなすようにして中心線Ｃ側に向かうに従い先端側に向かう多段（本実施形態では２段）の傾斜面とされている。また、パイロットビット２の先端面と外周面との交差稜線部も、収容凹所３によって切り欠かれた部分を除いて、同様に軸線Ｏを中心とした円錐台面状をなして内周側に向かうに従い先端側に向けて傾斜する本実施形態では１段の傾斜面とされている。なお、ヘッド本体４Ｂの最先端の傾斜面と先端面との交差稜線がなすことになる軸線Ｏを中心とした円弧は、図３に示すようにビットヘッド４が拡径した状態でパイロットビット２の先端部の外径より僅かに大きく、第２の当接部２Ｂの外径よりは小さな径とされている。

また、これら傾斜面とされた部分を除いたパイロットビット２とビットヘッド４のヘッド本体４Ｂの先端面は、それぞれ軸線Ｏと中心線Ｃに垂直な平坦面とされている。さらにまた、ヘッド本体４Ｂの中心線Ｃ方向の長さは、収容凹所３の底面３Ａからパイロットビット２の先端面までの深さと等しくされており、従ってビットヘッド４が収容凹所３に収容された状態でこれらパイロットビット２とヘッド本体４Ｂの先端面は面一となる。

そして、これらパイロットビット２とビットヘッド４のヘッド本体４Ｂの先端面と各傾斜面には、パイロットビット２やビットヘッド４を形成する鋼材等よりも硬質の超硬合金等からなる複数（多数）の掘削チップ６が設けられている。これらの掘削チップ６は、上記先端面および傾斜面から突出する例えば半球状の頭部と円柱状の胴部とが一体形成されたものであって、先端面および傾斜面にそれぞれ垂直に形成された円形孔に上記胴部が圧入、焼き嵌めや冷やし嵌め、あるいはロウ付けされることにより固定される。

さらに、ケーシングパイプ１の先端側には、その軸線Ｏと同軸に円環状のリングビット７が配設される。このリングビット７は、やはり鋼材等の金属材料により円環板状に形成されて、その軸線Ｏ方向を向く先後端面は軸線Ｏに垂直とされ、ただし先端面と外周面との交差稜線部は軸線Ｏを中心とした円錐台状の傾斜面とされている。この傾斜面と先端面の外周部にも、パイロットビット２およびビットヘッド４と同様に、超硬合金等の硬質材料により形成された掘削チップ６が垂直に突出するように設けられている。

また、リングビット７の外径は、ケーシングパイプ１およびケーシングトップ１Ａの外径よりも大きく、さらに拡径したビットヘッド４の外径よりも大きくされている。一方、リングビット７の内径は、パイロットビット２の第２の当接部２Ｂの外径よりも小さく、本実施形態ではケーシングトップ１Ａによりケーシングパイプ１内に形成される小径部１Ｂの内径と等しくされていて、第２の当接部２Ｂよりも先端側のパイロットビット２の先端部が挿通可能な大きさとされている。さらにまた、図１に示すようにリングビット７の軸線Ｏ方向の厚さは、これら内外径の間の幅よりも小さくされるとともに、小径部１Ｂに第２の当接部２Ｂを当接させてビットヘッド４が拡径した状態でのケーシングトップ１Ａの先端面とヘッド本体４Ｂの後端面との間の間隔よりは大きくされている。

さらに、このリングビット７の内周部には、外周側に凹む凹部が周方向に等間隔にビットヘッド４と同数の３つ形成されていて、この凹部が図３に示すように拡径したビットヘッド４に対して掘削時の工具回転方向Ｔに係合させられる被係合部７Ａとされている。この被係合部７Ａは、本実施形態ではリングビット７の先端面から後端側に凹む有底の凹部として形成されていて、すなわちリングビット７の内周部から一段外周側に後退して内周側を向く第１壁面７ａと、この第１壁面７ａから内周部に延びる工具回転方向Ｔの反対側を向く第２壁面７ｂおよび工具回転方向Ｔを向く第３壁面７ｃと、これら第１〜第３の壁面７ａ〜７ｃの間に延びてリングビット７の内周部と等しい内径を有する先端側を向く底面７ｄとを備えている。

このうち第１壁面７ａは軸線Ｏを中心とした円筒面上に位置しており、その軸線Ｏからの半径は、拡径したビットヘッド４のヘッド本体４Ｂの外周側を向く上記第４側面４ｄの軸線Ｏからの半径よりも僅かに大きくされるとともに、第１壁面７ａの周方向の長さは、第４側面４ｄの周方向の長さよりも僅かに長くされている。また、第２、第３壁面７ｂ、７ｃは、外周側に向かうに従い工具回転方向Ｔに向かうように延びており、このうち第２壁面７ｂが軸線Ｏに対する半径方向に対してなす角度は、拡径したビットヘッド４の第２側面４ｂが軸線Ｏに対する半径方向に対してなす角度と等しくされている。

さらに、第３壁面７ｃは、図３に示したように被係合部７Ａが拡径したビットヘッド４に係合させられた状態で、パイロットビット２の収容凹所３における取付孔３Ｃの中心線Ｃを中心とした凹円筒面状をなすように形成されている。また、被係合部７Ａの底面７ｄは、図１に示すようにリングビット７の後端面がケーシングトップ１Ａの先端面に当接した状態で、拡径したビットヘッド４のヘッド本体４Ｂの後端面と僅かな間隔を開けて対向するように配設されて、拡径したビットヘッド４に対して軸線Ｏ方向の先端側に当接可能とされた第１の当接部とされている。

なお、パイロットビット２には、シャンク部２Ａの後端から軸線Ｏに沿って有底の供給孔８が該軸線Ｏ方向において収容凹所３の中央部辺りまで穿設されており、ダウンザホールハンマＨ側から圧縮空気が供給可能とされている。この供給孔８からは、該供給孔８より小径の３つずつの第１〜第３ブロー孔８Ａ〜８Ｃが外周側に向かうに従い先端側に向かうように斜めに分岐している。

第１ブロー孔８Ａはパイロットビット２の収容凹所３における取付孔３Ｃにおいてビットヘッド４の軸部４Ａにおける切欠４Ｃに対向するように開口している。なお、この第１ブロー孔８Ａは、軸線Ｏに垂直に延びてパイロットビット２の外周面に開口するとともに、途中で中心線Ｃに沿うように先端側に分岐して取付孔３Ｃの中央に開口していてもよい。また、第２ブロー孔８Ｂは第１ブロー孔８Ａよりも先端側で分岐して、繰り粉の排出溝２Ｃの底面と収容凹所３の底面３Ａとの間の傾斜面２Ｄに略垂直に開口している。さらに、第３ブロー孔８Ｃは第１、第２ブロー孔８Ａ、８Ｂよりも大径とされ、供給孔８の先端で分岐して収容凹所３の第１壁部３ａの第５壁部３ｅ側に開口している。

このような掘削工具においては、ビットヘッド４を縮径してヘッド本体４Ｂを収容凹所３に収容した状態でパイロットビット２がケーシングパイプ１の後端側から挿入され、第２の当接部２Ｂがケーシングトップ１Ａの後端面に当接したところで軸線Ｏ方向に位置決めされる。次いで、ヘッド本体４Ｂを収容したまま、図２に示すように被係合部７Ａの周方向の位置を収容凹所３に合わせて先端側からリングビット７をパイロットビット２の先端部に挿入し、図１に示すようにその後端面を第３の当接部１Ｃであるケーシングトップ１Ａの先端面に当接させる。

そして、この状態からビットヘッド４を拡径しつつリングビット７を掘削時の工具回転方向Ｔとは反対側に相対的に回転させると、図３に示すように拡径したビットヘッド４の係合部であるヘッド本体４Ｂにおける第２側面４ｂが、リングビット７の被係合部７Ａにおける第２壁面７ｂに密着して当接することにより係合するとともに、ヘッド本体４Ｂにおける第３側面４ｃが収容凹所３の第２壁部３ｂに当接させられて支持され、パイロットビット２およびビットヘッド４に対してリングビット７が工具回転方向Ｔに一体に回転可能となる。

また、軸線Ｏ方向においては、図１に示すようにリングビット７の被係合部７Ａにおける第１の当接部としての底面７ｄが、拡径したビットヘッド４のヘッド本体４Ｂの後端面に僅かな間隔を開けて対向して当接可能となることにより、リングビット７が先端側に抜け止めされる。さらに、第３の当接部１Ｃであるケーシングトップ１Ａの先端面はリングビット７の後端面に当接して先端側に支持し、これによりケーシングパイプ１およびリングビット７は、パイロットビット２およびビットヘッド４と一体に軸線Ｏ方向先端側に前進可能となる。

従って、この状態からダウンザホールハンマＨによってパイロットビット２およびビットヘッド４と、第２、第３の当接部２Ｂ、１Ｃを介してリングビット７とに軸線Ｏ方向先端側に向けての打撃力を伝達するとともに、上記掘削装置からは推力と工具回転方向Ｔに向けた回転力を伝達することにより、これらパイロットビット２、ビットヘッド４、およびリングビット７の先端面に設けられた掘削チップ６によって削孔作業が行われ、また形成された掘削孔にケーシングパイプ１が挿入されてゆく。なお、削孔中は供給孔８から第１〜第３のブロー孔８Ａ〜８Ｃを介して圧縮空気が噴出させられ、掘削チップ６によって生成された繰り粉を排出溝２Ｃからケーシングパイプ１内を通して排出するとともに、収容凹所３や取付孔３Ｃへの繰り粉の噛み込みを防止する。

こうして所定の深さまで掘削孔が形成された後は、上記構成の掘削工具では掘削装置によってパイロットビット２を掘削時の工具回転方向Ｔとは反対側に回転させる。すると、ビットヘッド４はそのヘッド本体４Ｂが掘削孔との摩擦と被係合部７Ａの第３壁面７ｃに案内されることによって図２に示したように縮径するので、そのままパイロットビット２およびダウンザホールハンマＨごとケーシングパイプ１から引き抜くことにより、リングビット７を掘削孔に残してパイロットビット２およびビットヘッド４を回収することができる。

このように、上記構成の掘削工具によれば、拡径した上記ビットヘッド４のヘッド本体４Ｂからリングビット７の被係合部７Ａに工具回転方向Ｔへの回転力が伝達されるので、パイロットビット２およびビットヘッド４の回転中心となる軸線Ｏからより離れた位置で効率的に回転力を伝達することができる。このため、ケーシングパイプ１の外径に対してより大きな内径の掘削孔を形成する場合でも、リングビット７に十分な回転力を伝達して削孔性能を確保することができる。

しかも、本実施形態では、図１に示したようにパイロットビット２およびビットヘッド４はリングビット７の先端側に一段突出しているため、これらパイロットビット２およびビットヘッド４の掘削チップ６により内周部が削孔されて破砕され易くなった掘削孔の外周部をリングビット７の掘削チップ６が削孔することになる。このため、リングビット７への負荷を抑えてより効率的な削孔を行うこともできる。ただし、パイロットビット２およびビットヘッド４の先端面とリングビット７の先端面とは面一とされていてもよく、またリングビット７の先端面がパイロットビット２およびビットヘッド４の先端面より突出していてもよい。

また、掘削孔の外周側はリングビット７によって削孔されるので、パイロットビット２およびビットヘッド４においては、拡径したヘッド本体４Ｂの軸線Ｏからの半径を掘削孔の内径ほどは大きくする必要がなく、このためビットヘッド４の軸部４Ａ等への負担を軽減することができて損傷を防止することができる。さらに、リングビット７は円環状をなしているので、例えば図３に示したように周方向において拡径したビットヘッド４が位置する範囲以外にも掘削チップ６を配設するなど、比較的自由に掘削チップ６の設置量や位置を設定することができ、掘削チップ６が部分的に不足することによる削孔性能の低下も防止することができる。

一方、リングビット７においては、上述のようにその被係合部７Ａが拡径したビットヘッド４に係合させられて工具回転方向Ｔに一体に回転可能に支持されるとともに回転力が伝達されるので、ケーシングパイプ１によって回転可能に支持する必要がなくなって、その内径を、ケーシングパイプ１先端部の第３の当接部１Ｃの外径（本実施形態ではケーシングトップ１Ａの先端面）よりは小さい範囲でありながら、大きくすることができる。このため、リングビット７の体積を小さくして必要な鋼材等の材料を削減することができ、掘削終了後にリングビット７を掘削孔に残す場合でも施工コストの増大を抑えることができる。

また、上述のように掘削孔の内周部はパイロットビット２およびビットヘッド４の掘削チップ６により内周部が削孔されるので、本実施形態では軸線Ｏからの径方向において、拡径したビットヘッド４のヘッド本体４Ｂ先端面に掘削チップが設けられた範囲には、図１および図３に示したようにリングビット７に掘削チップ６を設ける必要はない。このため、やはり掘削孔に残されるリングビット７に高価な超硬合金よりなる掘削チップ６が必要以上に多く設けられるのを避けることができて、コスト削減を図ることができる。

さらに、本実施形態では、リングビット７の内周部に外周側に向けて凹む凹部が形成されて被係合部７Ａとされている。この点、例えばリングビット７の先端面に凸部を被係合部として形成して、この凸部に拡径したビットヘッド４のヘッド本体４Ｂを工具回転方向Ｔに係合させることも可能であるが、その場合には凸部に回転力による負荷が集中して損傷を生じるおそれがあるとともに、リングビット７の体積も凸部分だけ大きくなって材料コストが増えることになる。これに対して、本実施形態では、円環状のリングビット７の本体そのもので回転力を受け止めることができるとともに、リングビット７の体積およびコストの一層の削減を図ることができる。

なお、本実施形態では、リングビット７の内周部から外周側に向けて凹む有底の凹部として形成された被係合部７Ａの底面７ｄが第１の当接部とされており、削孔時にビットヘッド４が縮径する方向に万一僅かにずれ動いても、ヘッド本体４Ｂに底面７ｄが対向していればリングビット７が先端側に脱落してしまうような自体を防止することができる。ただし、例えば拡径した状態のビットヘッド４のヘッド本体４Ｂにおける第２側面４ｂを被係合部７Ａよりも工具回転方向Ｔ側のリングビット７の先端面に延出させるようにして、この延出した部分に対向するリングビット７の先端面部分を第１の当接部としてもよく、この場合には被係合部７Ａに底面７ｄを形成せずに軸線Ｏ方向に貫通する凹部を被係合部としてもよい。

ところで、本実施形態においては上述のように、ケーシングトップ１Ａ先端部の後端側を向く面がケーシングパイプ１の先端面と溶接等により接合されて取り付けられていて、この接合による取付部１Ｄがケーシングトップ１Ａによるケーシングパイプ１の小径部１Ｂの後端面よりも軸線Ｏ方向先端側に位置しているが、そのような場合にダウンザホールハンマＨから過大な打撃力がパイロットビット２に与えられると、この打撃力がパイロットビット２の第２の当接部２Ｂから小径部１Ｂを介してリングビット７に伝達される間に取付部１Ｄを通過することになるため、その衝撃によって取付部１Ｄが破損して、場合によってはケーシングパイプ１を掘削孔に挿入することができなくなるおそれがある。

そこで、このような取付部１Ｄの破損を防ぐには、図６、図７に示す上記実施形態の第１、第２の変形例のように、ケーシングトップ１Ａのケーシングパイプ１への取付部１Ｄを、このケーシングトップ１Ａによるケーシングパイプ１の小径部１Ｂの軸線方向Ｏの後端側（図６、図７において右側）を向く後端面よりもさらに軸線Ｏ方向の後端側に位置させればよい。なお、これら図６、図７に示す変形例において、図１ないし図５に示した実施形態と共通する要素には同一の符号を配して説明を省略し、またビットヘッド４は図示も省略する。

このうち、図６に示す第１の変形例では、多段円筒状のケーシングトップ１Ａの外径がケーシングパイプ１の外径よりも大きくされていて、その先端内周部に上記小径部１Ｂが形成されるとともに、後端部の内径はケーシングパイプ１の先端部が嵌め入れ可能な大きさとされ、この後端部には小径部１Ｂの後端面よりも軸線Ｏ方向の後端側に複数の貫通孔１Ｅが周方向に間隔をあけて形成されている。また、小径部１Ｂの後端面から外周側（図６において下側）の後端部内周に至る部分とケーシングパイプ１の先端面は軸線Ｏに垂直な平面状に形成されている。

このような第１の変形例のケーシングトップ１Ａは、その後端部の内周にケーシングパイプ１の先端部が嵌め入れられて、小径部１Ｂの後端面から後端部内周に至る部分がケーシングパイプ１の先端面に当接させられた上で、この後端部の後端面とケーシングパイプ１の外周面との間が全周溶接されるとともに、上記貫通孔１Ｅ部分がケーシングパイプ１の外周面にプラグ溶接されて、ケーシングパイプ１に取り付けられる。従って、図６に符号１Ｄで示す全周溶接部分とプラグ溶接部分が第１の変形例における取付部となり、これらの取付部１Ｄは小径部１Ｂの後端面よりも軸線Ｏ方向の後端側に位置することになる。

また、図７に示す第２の変形例では、ケーシングトップ１Ａの外径はケーシングパイプ１の外径と等しくされていて、やはりその先端内周部に上記小径部１Ｂが形成されるとともに、後端部の内径はケーシングパイプ１の内径と等しくされ、この後端部の後端面とケーシングパイプ１の先端面とが全周に亙って突き合わせ溶接されることにより、ケーシングトップ１Ａがケーシングパイプ１の先端部に取り付けられている。従って、図７に符号１Ｄで示す突き合わせ溶接部分が第２の変形例における取付部となり、この取付部１Ｄも小径部１Ｂの後端面より軸線Ｏ方向の後端側に位置することになる。

このような第１、第２の変形例では、ケーシングトップ１Ａのケーシングパイプ１への取付部１Ｄが小径部１Ｂの後端面よりも軸線Ｏ方向の後端側に位置しているので、ダウンザホールハンマＨからパイロットビット２の第２の当接部２Ｂを介して小径部１Ｂに伝達される軸線Ｏ方向の先端側に向けた打撃力が取付部１Ｄを通過するのを避けることができる。従って、この打撃力が取付部１Ｄを通過する際の衝撃や負荷が取付部１Ｄに直接作用することによって溶接部分に破断等が生じるのを防ぐことができ、ケーシングパイプ１を掘削孔に確実に挿入することが可能となる。

なお、上記実施形態および第１、第２の変形例では、ケーシングトップ１Ａが溶接等の接合によってケーシングパイプ１の先端部に取り付けられているが、例えば上記実施形態のようにケーシングトップ１Ａの後端部がケーシングパイプ１の内周に嵌め入れられる場合や、第１の変形例のようにケーシングトップ１Ａの後端部内周にケーシングパイプ１の先端部が嵌め入れられる場合には、対向することになるケーシングトップ１Ａの後端部外周とケーシングパイプの先端部内周、またはケーシングトップ１Ａの後端部内周とケーシングパイプの先端部外周に互いに噛み合う雌雄ネジ部を形成し、これらのネジ部の締結によってケーシングトップ１Ａを取り付けるようにしてもよい。

そして、このような場合でも、取付部１Ｄとなる上記雌雄ネジ部を、図６に示した第１の変形例のように小径部１Ｂの後端面よりも軸線Ｏ方向の後端側に位置させれば、ダウンザホールハンマＨからの打撃力が取付部１Ｄを通過するのを避けることができ、雌雄ネジ部に破損が生じてケーシングパイプ１を掘削孔に挿入することができなくなるのを防ぐことができる。

以上、本発明の実施形態およびその変形例について説明したが、これらの実施形態およびその変形例における各構成およびそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は、実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

以上説明したように、本発明の掘削工具によれば、ケーシングパイプの外径に対してより大きな内径の掘削孔を形成する場合でも、削孔性能の低下や施工コストの増大、あるいは工具の損傷等を招くことなく、リングビットに十分な回転力と打撃力および推力とを伝達して効率的な削孔を行うことが可能となる。従って、産業上の利用が可能である。

１ケーシングパイプ
１Ａケーシングトップ
１Ｂ小径部
１Ｃ第３の当接部
１Ｄ取付部
２パイロットビット
２Ｂ第２の当接部
２Ｃ排出溝
３収容凹所
３Ｃ取付孔
４ビットヘッド
４Ａ軸部
４Ｂヘッド本体
５ピン
６掘削チップ
７リングビット
７Ａ被係合部
７ｄ被係合部７Ａの底面（第１の当接部）
８供給孔
Ｏケーシングパイプ１の軸線
Ｔ掘削時の工具回転方向
Ｃ取付孔３Ｃの中心線
Ｈダウンザホールハンマ

Claims

軸線を中心とした円筒状のケーシングパイプと、このケーシングパイプの先端側に同軸に配置される上記ケーシングパイプよりも外径の大きな円環状のリングビットと、上記ケーシングパイプ内を通って上記リングビットの内周部に挿通されるパイロットビットとを備え、
上記パイロットビットは上記軸線回りに回転可能とされるとともに、このパイロットビットの先端外周部にはビットヘッドが設けられ、
上記ビットヘッドは、上記軸線から偏心した中心線回りに回転自在とされて、上記パイロットビットが掘削時の工具回転方向に回転したときに上記軸線からの半径が拡径して上記パイロットビットに支持され、
上記リングビットには、拡径した上記ビットヘッドに対して上記掘削時の工具回転方向に係合させられる被係合部と、拡径した上記ビットヘッドに対して上記軸線方向の先端側に当接可能とされた第１の当接部とが設けられており、
上記ケーシングパイプの先端内周部には内径が一段小さくなる小径部が形成されるとともに、上記パイロットビットの後端外周部には上記小径部に上記軸線方向の後端側から当接可能な第２の当接部が形成され、
さらに上記ケーシングパイプの先端部には、上記リングビットの上記軸線方向後端側を向く面に当接可能な第３の当接部が設けられていることを特徴とする掘削工具。
上記リングビットの内径が上記小径部の内径以上とされていることを特徴とする請求項１に記載の掘削工具。
上記リングビットの内周部には外周側に凹む凹部が形成されていて、この凹部が上記被係合部とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の掘削工具。
上記凹部には、上記軸線方向先端側を向く底面が形成されていて、この底面が上記第１の当接部とされていることを特徴とする請求項３に記載の掘削工具。
上記ケーシングパイプの先端部にはケーシングトップが取り付けられていて、このケーシングトップに上記小径部が形成されるとともに、該ケーシングトップの上記ケーシングパイプへの取付部が、上記小径部の上記軸線方向の後端側を向く後端面よりも該軸線方向の後端側に位置していることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載の掘削工具。