JP2006247799A - 穴形成装置および穴形成方法 - Google Patents

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剛 木村
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Abstract

【課題】ウォータジェットを用いて比較的深い穴をコンクリート壁に形成することができる穴形成装置および穴形成方法を提供する。
【解決手段】ノズルヘッド２０のノズル軸線５２が形成すべき穴２２の中心軸線２４からずれ、ノズルヘッドのノズル軸線が前記中心軸線に対して所定角度α傾斜するとともに前記中心軸線に交差するように、ノズル保持手段６４によってノズルヘッドを保持する。このようなノズルヘッドの保持状態を保って、ノズルヘッドを前記中心軸線まわりに回転することで、ウォータジェットは、コンクリート壁２８のうち、穴の中心軸線上の部分から穴の周壁部分まで行き届き、ノズルヘッドの前方で、コンクリート壁にノズルヘッドの回転動作領域よりも大きい穴を形成することができる。そしてノズルヘッドを既に形成された穴に挿入させて、中心軸線に沿って直進させることができ、コンクリート壁に深い穴を形成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ウォータジェットなどの流体ジェットを利用して、コンクリートや岩石などの加工対象物に穴を形成する穴形成装置および穴形成方法に関する。
従来から、岩石コンクリート層の穴あけには、削岩機などが用いられている。削岩機では、ノミの刃先の衝撃力で岩石やコンクリートを部分的に破砕しながら、穴あけを行う。しかしながら、機械的な衝撃力で岩石やコンクリートの破砕を繰り返すので、騒音や振動が大きい。コンクリートに穴あけを行う工事は、たとえば都市部などのコンクリート構造物の補修や改造に伴って行われることが多く、周囲の環境条件から制約を受ける。また、鉄筋コンクリートに削岩機などを用いて穴あけする場合は、コンクリート内部の鉄筋を損傷したり、クラックが発生したりする。
岩石やコンクリート等への穴あけ加工に、ウォータジェットを用いる考え方は、非特許文献１などに開示されている。この従来技術の穴あけ加工では、高速の水を加工対象物に噴射することによって、加工対象物を部分的に破砕して穴あけを行う。コンクリート構造物への穴あけでは、削岩機などを用いる従来法に比較して、騒音、振動および粉塵などの発生が少なくなり、環境や人にとって優しい工法であるばかりではなく、鉄筋を傷つけず、残存する加工部にクラックを残さないので、都市部での補修工事には特に適した工法である。
図３７は、従来技術のウォータジェットノズルヘッド１０１（以下、ノズルヘッドと称する）の基本的な構成を示す断面図である。ノズルヘッド１０１は、高圧水供給管１１１と、高圧水供給官１１１の軸線方向一端部に設けられて所定の径の噴出口であるオリフィスが形成されるノズルチップ１０９と、ノズルチップ１０９を高圧水供給官１１１に固定するカバー部材１１０とを有する。
ノズルヘッド１０１には、高圧水供給管１１１の内部空間に高圧水が供給され、その高圧水がノズルチップ１０９のオリフィスを通過することによって、ウォータジェット１１２として噴射される。ウォータジェット１１２の径ｄは、たとえば１ｍｍ以下であり、カバー部材１１０の外径Ｄに比較してかなり小さい。
永井 裕善、池本 善和、辻田 京史、緒方 隆昌、木村 剛、山口 正道、朽木 宏綱、山田 正年、ウォータジェットによるコンクリート建造物のはつりおよび切断技術の開発−鉄筋を傷めないコンクリートはつり法と鉄筋を含めた切断法−、１９９６年４月２０日、川崎重工業株式会社明石技術研究所、［川崎重工技報 １２９号 別刷］
ウォータジェット１１２を利用する従来の穴あけ形成装置は、高圧発生装置からの高圧水を単にノズルヘッドの先端からウォータジェット１１２として噴射するものであるので、浅い穴を形成するときには利用することができるが、たとえば深さ１０００ｍｍ程度の深い穴を形成する場合には利用することができず、このような深い穴を形成する装置の実現が望まれている。
具体的には、従来技術のノズルヘッド１０１では、ノズルチップ１０９の先端と、加工対象物１０８との間の距離であるスタンドオフＳが大きすぎると、加工対象物１０８を粉砕することができず、加工可能な深さに限界がある。したがって加工対象１０８の表面に深い穴をあけようとする場合は、ノズルヘッド１０１を既に形成した穴の中に挿入し、スタンドオフＳを縮める必要がある。
しかしながら、従来技術のノズルヘッド１０１では、全体の外径であるカバー部材１１０の外径Ｄが、ウォータジェット１１２の径ｄに比較してかなり大きい。ウォータジェット１１２による穴あけ加工では、加工対象物１０８にウォータジェット１１２が噴射される部分のみが加工されるので、ノズルヘッド１０１で、噴射方向に深い穴をあけようとしても、カバー部材１１０までを含めてノズルヘッド１０１を挿入し得るような大きさの穴をあけることができない。ノズルヘッド１０１を動かしながら穴あけを行えば、ある程度の深さまではカバー部材１１０の外径Ｄよりも大きな穴をあけることは可能である。しかしながら、あけられた穴にノズルヘッド１０１を挿入して、さらに深い穴をあけようとするときには、ノズルヘッド１０１はあけられた穴の内部空間でしか動かすことができず、穴あけされる穴の大きさはカバー部材１１０の半径分だけ小さくなってしまう。なお、穴あけ加工において、水以外の流体を加工対象物１０８に噴射する場合も同様の問題が生じる。
したがって本発明の目的は、流体ジェットを用いて比較的深い穴を形成することができる穴形成装置および穴形成方法を提供することである。
本発明は、流体ジェットを噴射して加工対象物に穴を形成する穴形成装置において、
噴射口から予め定める噴射軸線に沿って流体ジェットを噴出するノズルヘッドと、
前記噴射口を形成すべき穴の中心軸線から半径方向にずらし、前記噴射口よりも噴射方向下流側で前記噴射軸線が、前記中心軸線に交差するように前記ノズルヘッドを保持するノズル保持手段と、
前記噴射軸線が前記中心軸線に交差する状態を保った状態で、前記ノズルヘッドを前記中心軸線まわりに回転させるノズル回転手段と、
前記ノズルヘッドを前記中心軸線に平行な方向に移動させるノズル移動手段とを備えることを特徴とする穴形成装置である。
また本発明は、流体ジェットを噴射して加工対象物に穴を形成する穴形成装置において、
噴射口から予め定める噴射軸線に沿って流体ジェットを噴出するノズルヘッドと、
形成すべき穴の中心軸線に垂直な平面に対して、前記噴射軸線が傾斜するように前記ノズルヘッドを保持するノズル保持手段と、
前記ノズルヘッドを、前記ノズル保持手段による保持状態を保って、前記中心軸線に垂直な任意の方向に移動させ、前記中心軸線に平行な軸線まわりに角変位させ、前記中心軸線に平行な方向に移動させるノズル移動手段とを備えることを特徴とする穴形成装置である。
また本発明は、前記ノズル移動手段は、ノズルヘッドを前記中心軸線に平行な方向に移動させる移動速度を変更可能であることを特徴とする。
また本発明は、前記ノズルヘッドは、高圧流体を噴射口に導く整流部が形成され、前記整流部は、直線状に形成されて、噴射口に達する高圧流体を整流するに必要な長さに設定されることを特徴とする。
また本発明は、流体ジェットを噴射して加工対象物に穴を形成する穴形成装置において、
複数の噴射口から複数の流体ジェットをそれぞれ噴出するノズルヘッドと、
前記ノズルヘッドを保持するノズル保持手段と、
前記ノズルヘッドを形成すべき穴の中心軸線まわりに回転させるノズル回転手段と、
前記ノズルヘッドを前記中心軸線に平行な方向に移動させるノズル移動手段とを備え、
前記複数の流体ジェットのうちの少なくとも１つを、穴が形成されるべき加工対象物の中心軸線近傍の端面に向けて噴出し、複数の流体ジェットのうちの他の少なくとも１つを加工対象物の穴の周壁部分に向けて噴出し、各流体ジェットの噴射軸線が前記中心軸線に対してそれぞれ傾斜し、前記中心軸線に垂直な方向における各流体ジェットの噴射反力の和が予め定める範囲で均衡するように前記ノズルヘッドが形成されることを特徴とする穴形成装置である。
また本発明は、前記噴射反力の均衡範囲は、
ノズルヘッドの中心軸線方向の先端のたわみが予め定める基準値以下となる力の範囲であることを特徴とする。
また本発明は、前記ノズルヘッドは、前記噴射口に高圧流体を導く流路形成部が形成され、流路形成部は、
供給される高圧流体を各噴射口に分岐する分岐部と、
噴射口毎に設けられ、分岐部に連なり、分岐部から前記中心軸線に対して平行に延び、その長さが噴射口に達する高圧流体を整流するに必要な長さに設定される整流部と、
整流部の先端から高圧流体を噴射口に導き、噴射軸線に沿って延びる傾斜部とを含んで構成されることを特徴とする。
また本発明は、前記分岐部は、前記整流部に対して直交することを特徴とする。
また本発明は、流体ジェットによって加工対象物を粉砕した粉砕片を穴から排出する排出手段をさらに備えることを特徴とする。
また本発明は、前記排出手段は、
ノズルヘッドに連結され、前記中心軸線に沿って延びる支持部と、
支持部に形成されて中心軸線に沿って進むにつれて支持部を中心軸線まわりに螺旋状に延びる搬送部材と、
前記搬送部材を前記中心軸線まわりに回転する搬送部材回転手段とを含むことを特徴とする。
また本発明は、前記排出手段は、粉砕片を排出する排出方向に流体を噴出することを特徴とする。
また本発明は、噴射口から予め定める噴射軸線に沿って流体ジェットを噴出するノズルヘッドを用いて加工対象物に穴を形成する穴形成方法において、
前記ノズルヘッドの噴射口を中心軸線から半径方向にずらし、前記噴射口よりも噴射方向下流側で前記噴射軸線が、形成すべき穴の中心軸線に交差する状態を保った状態で、ノズルヘッドを前記中心軸線まわりに回転させながら、前記中心軸線に平行な方向に移動させることを特徴とする穴形成方法である。
また本発明は、前記噴射口よりも噴射方向上流側で前記噴射軸線が前記中心軸線に交差する状態を保った状態で、噴射される流体ジェットが形成すべき穴の周壁部を周回するように、ノズルヘッドを前記中心軸線に平行な軸線まわりに角変位および前記中心軸線に垂直な任意の方向に移動させることを特徴とする。
また本発明は、複数の噴射口から予め定める噴射軸線に沿って複数の流体ジェットをそれぞれ噴射するノズルヘッドを用いて加工対象物に穴を形成する穴形成方法において、
前記複数の流体ジェットのうちの少なくとも１つを、穴が形成されるべき加工対象物の中心軸線近傍の端面に向けて噴出し、複数の流体ジェットのうちの他の少なくとも１つを加工対象物の周壁部分に向けて噴出し、各流体ジェットの噴射軸線が前記中心軸線に対してそれぞれ傾斜し、前記中心軸線に垂直な方向における各流体ジェットの噴射反力の和が予め定める範囲で均衡するように各流体ジェットを噴射させることを特徴とする穴形成方法である。
請求項１記載の本発明によれば、噴射口が形成すべき穴の中心軸線からずれ、噴射軸線が前記中心軸線に対して所定角度傾斜するとともに前記中心軸線に交差するようにノズルヘッドがノズル保持手段に保持される。このような保持状態で、ノズル回転手段によってノズルヘッドを前記中心軸線まわりに回転することで、流体ジェットが、前記中心軸線を中心とする円錐周面に沿って周回移動するように噴射される。前記円錐周面の頂点は、噴射口よりも前方に位置するので、流体ジェットは、加工対象物の前記中心軸線上の部分から穴が形成されるべき周壁部分まで行き届き、ノズルヘッドの前方で形成すべき穴の全域を破砕することができ、流体ジェットの径に比べて大きい穴を形成することができる。またノズルヘッドの前方で、加工対象物にノズルヘッドの回転動作領域よりも大きい穴を形成することで、ノズルヘッドを既に形成された穴に挿入させて、ノズル移動手段によって中心軸線方向に直進させることができ、加工対象物に深い穴を形成することができる。
また請求項２記載の本発明によれば、ノズル移動手段によってノズルヘッドを変位させることで、噴射口が形成すべき穴の中心軸線からずれ、噴射軸線を前記中心軸線に対して所定角度傾斜させることができる。このような状態で、ノズルヘッドを前記中心軸線まわりに回転することで、流体ジェットが、前記中心軸線を中心とする円錐周面に沿って周回移動するように噴射される。前記円錐周面の頂点は、噴射口よりも前方に位置することで、流体ジェットは、加工対象物の前記中心軸線上の部分から穴が形成されるべき周壁部まで行き届き、形成すべき穴の全域を破砕することができる。またノズルヘッドの前方で、加工対象物にノズルヘッドの回転動作領域よりも大きい穴を形成することで、ノズルヘッドを既に形成された穴に挿入させて、中心軸線方向に直進させることができ、加工対象物に深い穴を形成することができる。
さらに既に形成された穴にノズルヘッドを挿入させた状態で、加工対象物の周壁部分に流体ジェットが噴射されるように、ノズル移動手段とノズル角変位手段とを移動させることによって、断面形状が任意の形状および大きさの深い穴を形成することができる。たとえばノズル移動手段は、ロボットアームによって実現することができる。
また請求項３記載の本発明によれば、ノズルヘッドを中心軸線方向に移動させる速度を変化させることで、所定の大きさの穴を効率よく形成することができる。たとえば移動速度を速くすることで、半径の小さな穴を形成することができ、移動速度を遅くすることで半径の大きな穴を形成することができる。なお、本発明ではノズルヘッドを間欠的に移動する場合も、移動速度を変化させることに含められる。
また請求項４記載の本発明によれば、高圧流体が整流部を流れて噴射口に導かれることによって、整流部で高圧流体の流れが整えられ、乱れが少ない状態で噴射口から流体ジェットを噴射することができる。これによって流体ジェットの破砕能力を向上することができ、広い範囲で加工対象物の穴あけを行って噴出口の外径よりも大きな穴を容易に形成することができ、ノズルヘッドが挿入可能な径の穴を加工対象物に形成することができる。
また請求項５記載の本発明によれば、中心軸線に対して傾斜した各噴射軸線に沿って、流体ジェットをそれぞれ噴出する。ノズル回転手段によってノズルヘッドが形成すべき穴の中心軸線まわりに回転することによって、流体ジェットが、前記中心軸線を中心とする円錐周面に沿って周回移動するように噴射される。複数の流体ジェットが、加工対象物の中心軸線付近の部分と、加工対象物の周壁部分とに衝突することによって、形成すべき穴の全域を破砕することができる。またノズルヘッドの前方で、加工対象物にノズルヘッドの回転動作領域よりも大きい穴を形成することで、ノズルヘッドを既に形成された穴に挿入させて、ノズル移動手段によって中心軸線方向に直進させることができ、加工対象物に深い穴を形成することができる。さらに、穴の中心軸線に対して垂直な方向の噴射反力の和が小さくなるように、複数の流体ジェットの噴射方向および噴射流量を設定することで、噴射反力の偏りに起因するノズルヘッドのぶれを防ぐことができ、形成される穴の精度を向上させることができ、穴が深くなったとしても所定の内径に形成することができる。
また請求項６記載の本発明によれば、噴射反力の均衡範囲を、中心軸線方向の先端のたわみが予め定める基準値以下とすることによって、ノズルヘッドが加工対象物に深く挿入された状態であっても、噴射反力の偏りに起因するノズルヘッドのブレをより確実に防ぐことができ、精度よく穴あけを行うことができる。
また請求項７記載の本発明によれば、噴射口に導かれる途中で、高圧流体は、分岐部から整流部を通過する。整流部を通過することによって、分岐部において流体の流れに乱れが発生していても、整流部を流れる間に乱れを解消させることができる。これによって噴射口から噴射する流体ジェットの流れの乱れを少なくすることができ、破砕能力を向上することができる。また分岐部から直接傾斜部に高圧流体を導くと、流体の乱れを解消するためには傾斜部の長さを長くしなければならない。傾斜部の長さが長くなると、ノズルヘッドの外径が大きくなってしまう。このような問題を解消するために本発明では、中心軸線に平行に延びる整流部で整流するので、ノズルヘッドの外径が大きくなることを防いだうえで、強力な流体ジェットを発生させることができる。
また請求項８記載の本発明によれば、分岐部が整流部に対して直交することで、噴射口毎に設けられる各整流部を前記中心軸線に近接した位置に配置することができる。これによって複数の噴出口を中心軸線に近い位置に配置して、ノズルヘッドを小さくすることができ、径が小さい穴を加工対象物に形成することができる。
また請求項９記載の本発明によれば、ノズルヘッドが加工対象物の深い位置に挿入された場合であっても、排出手段によって粉砕片を排出することによって、粉砕片がノズルヘッドの周囲に堆積することを防ぐことができ、穴あけ加工に支障が生じることを防ぐことができる。
また請求項１０記載の本発明によれば、搬送部材回転手段によって、搬送部材が中心軸線まわりに回転することによって、あたかもスクリューコンベアのように、粉砕片を機械的に穴の開口に向けて排出することができ、粉砕片が穴の中で詰まることを良好に防ぐことができる。
また請求項１１記載の本発明によれば、流体によって粉砕片を穴の開口に向けて排出することで、流体と一緒に粉砕片を排出し、粉砕片が穴の中で詰まることを良好に防ぐことができる。流体は、高圧である必要はないけども多流量であることが好ましく、また複数の箇所から流体を噴出させて、粉砕片を穴の開口に向けて押し出してもよい。
また請求項１２記載の本発明によれば、ノズルヘッドを形成されるべき穴の中心軸線まわりに回転させて、流体ジェットが、前記中心軸線を中心とする円錐周面に沿って周回移動するようにする。流体ジェットは、加工対象物の前記中心軸線上の部分から穴が形成されるべき周壁部分まで行き届き、形成すべき穴の全域を破砕することができる。またノズルヘッドよりも噴射方向下流側の加工対象物の部分にノズルヘッドの回転動作領域よりも大きい穴を形成することで、ノズルヘッドを既に形成された穴に挿入させて、中心軸線方向に直進させることができ、加工対象物に深い穴を形成することができる。
また請求項１３記載の本発明によれば、流体ジェットが穴の内周面を周回するように、ノズルヘッドを移動させることによって、穴の内径を大きくすることができる。またノズルヘッドの動きを変化させることによって、断面が円形以外の穴、たとえば略四角形の穴を形成することができる。
また請求項１４記載の本発明によれば、複数の流体ジェットを、加工対象物の中心軸線付近の部分と、加工対象物の内周面近傍に衝突させて、ノズルヘッドを回転させることによって、形成すべき穴の全域を破砕することができる。またノズルヘッドよりも前方の加工対象物にノズルヘッドの回転動作領域よりも大きい穴を形成することで、ノズルヘッドを既に形成された穴に挿入させて、中心軸線方向に直進させることができ、加工対象物に深い穴を形成することができる。さらに、流体ジェットの噴射反力を小さくすることで、噴射反力の偏りに起因するノズルヘッドのぶれを防ぐことができ、形成される穴の精度を向上させることができ、たとえば穴を所定の内径に形成することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明に従う穴形成装置および穴形成方法について説明する。穴形成装置は、高圧流体をノズルヘッドから加工対象物に噴出することによって、加工対象物を部分的に粉砕して加工対象物に穴を形成する装置である。本実施の形態では、高圧流体は高圧に圧縮されたウォータジェットであって、加工対象物はコンクリート壁である。本発明の穴形成装置および穴形成方法に従えば、コンクリート壁に比較的深い穴、たとえば貫通孔を形成することができる。コンクリート壁に形成された貫通孔は、コンクリート壁を貫通して管部材、たとえば冷暖房用の管部材、給排水用の管部材、電気コード用の保護管部材などを取付けるときに用いられ、建築物を建造した後で必要な際に施工される。
図１は本発明の第１の実施形態である穴形成装置１を示す斜視図であり、図２はノズルヘッド２０付近を拡大して示す断面図である。穴形成装置１は、装置本体２を具備し、コンクリート壁２８の穴を形成すべき位置に、装置本体２が配置された状態で穴加工が施工される。
装置本体２は、略矩形状のベース部材４と、このベース部材４の両端部に設けられる２つの端壁６，８とを有し、その第１端壁６と第２端壁８との間に軸受１０，１２を介して回転軸１４が回転自在に支持される。回転軸１４には、回転軸１４の軸線方向に移動可能に移動ブロック１６が連結される。前記回転軸１４の中間部には雄ねじが形成され、この雄ねじ形成部分には、移動ブロック１６の雌ねじ形成部分が螺合される。また、回転軸１４には、駆動手段を構成する第１電動モータ１８が駆動連結される。
第１電動モータ１８、回転軸１４および移動ブロック１６は、形成すべき穴２２の中心軸線に沿う方向にノズルヘッド２０を移動させるためのノズル移動手段２３を構成する。第１電動モータ１８が回転軸１４をその軸線１４まわりに回転させたときに、移動ブロック１６を回転軸１４とともに回転させないようにすることで、移動ブロック１６が回転軸１４の軸線方向に移動する。回転軸１４を回転方向一方に回転させると、移動ブロック１６は穴を形成すべき壁２８に近接する近接方向２５に移動し、回転軸１４を回転方向他方に回転させると、移動ブロック１６は、穴を形成すべき壁２８から離反する離反方向２６に移動する。これによって移動ブロック１６に連結されるノズルヘッド２０を直進移動させることができる。なお、移動ブロック１６による穴の軸線方向の移動を確実にするために、移動ブロック１６を案内する案内部材を装置本体２に設けるようにしてもよい。
移動ブロック１６には、支持ブラケット３０を介して第２電動モータ３２が取付けられる。具体的には、第２電動モータ３２は円筒状のモータハウジング３４を有し、このモータハウジング３４が支持ブラケット３０に装着される。第２電動モータ３２は、ノズルヘッド２０を回転軸線２４まわりに回転させるためのノズル回転手段３６を構成する。ノズルヘッド２０は、第２電動モータ３２の出力軸３８に連結され、出力軸３８が回転駆動されることによって、回転軸線２４まわりに回転する。
第２電動モータ３２は、軸線方向に貫通する貫通孔４０が形成される中空モータであって、貫通孔４０は、第２電動モータ３２の出力軸３８を貫通する。第２電動モータ３２の出力軸３８は、第２電動モータ３２の一端部から他端部まで延びる。そして、出力軸３８の両端部に配管４２，４６がそれぞれ接続され、第２電動モータ３２内を高圧水が通過可能に形成される。
出力軸３８の両端部に形成される２つの開口形成部３８ａ，３８ｂのうち、形成すべき穴から遠ざかる方向の開口形成部３８ａには、スイベル継手などの継手を介して、金属製の第１配管４２の一端部４２ａが接続される。この第１配管４２の他端部４２ｂは、高圧発生装置４４に接続され、高圧発生装置４４は、たとえば１０００〜４０００ｋｇｆ／ｃｍ２ 程度に圧縮した高圧水を第１配管４２に送給する。
図２に示すように、出力軸３８の両端部に形成される２つの開口形成部３８ａ，３８ｂのうち、形成すべき穴に近接する方向の開口形成部３８ｂには、第２配管となる支持アーム４６が接続される。支持アーム４６は中空のパイプ状部材から構成される。その基端部は内径が幾分大きくなっており、この基端部が上記出力軸３８の近方側開口形成部３８ｂに嵌合する。支持アーム４６の先端部には、チューブ部材４８の基端部４８ａが接続されており、このチューブ部材４８の先端部４８ｂに、ノズルヘッド２０が接続される。
チューブ部材４８は、筒状に形成され、高圧水をノズルヘッド２０に供給可能に形成される。チューブ部材４８は、金属製であることが好ましい。また、ウォータジェットの噴射方向を変更可能とするために、チューブ部材４８は、変形自在に形成されてもよい。
高圧発生装置４４から供給される高圧水は、第１配管４２を通して第２電動モータ３２の回転軸３８に送給され、回転軸３８から支持アーム４６、支持アーム４６からチューブ部材４８、チューブ部材４８からノズルヘッド２０に供給され、そしてノズルヘッド２０の噴射口から絞られてウォータジェットとして穴をあける壁２８に向けて噴射する。
ノズルヘッド２０は、ノズル保持手段６４に保持され、ノズル保持手段６４は、支持アーム４６とノズルヘッド２０とを連結する。ノズル保持手段６４に保持されるノズルヘッド２０は、その軸線であるノズル軸線５２が第２電動モータ３２の回転軸線２４から傾斜する。ノズルヘッド２０は、第１電動モータ１８によって回転軸線２４に沿う方向に移動可能であるとともに、第２電動モータ３２によって回転軸線２４まわりに回転可能である。
ノズル保持手段６４は、第１部材６６と第２部材６８とを含んで構成される。第１部材６６の一端部は支持アーム４６に固定され、第２部材６８の一端部はノズルヘッド２０に固定され、第１および第２部材６６，６８の他端部が、ボルトおよびナットの組合せによって連結される。したがって、ナットを緩めることによって、第１部材６６に対する第２部材６８の角度、換言すると回転軸線２４に対するノズルヘッド２０のノズル軸線５２の傾斜角度αを調整することができる。
ノズル保持手段６４によって、ノズルヘッド２０は、先端部が回転軸線２４から半径方向にずれ、先端部よりも噴射方向下流側でノズル軸線５２が前記回転軸線２４に前記傾斜角度αで交差するように配置される。ノズル保持手段６４は、支持アーム４６とともに前記回転軸線２４まわりに回転することによって、ノズル軸線５２が前記回転軸線２４と交差した状態で、その交差点を頂点とし前記回転軸線２４を中心として噴射方向後方に拡がる仮想円錐周面に沿って周回移動するようにノズルヘッド２０を保持する。
また、一対の端壁６，８のうち、穴あけ時にコンクリート壁側となる第１端壁６には、貫通孔６９が形成される。この貫通孔６９は、回転軸線２４と同軸に形成される。また貫通孔６９は、ノズルヘッド２０およびノズル保持手段６４が、回転軸線２４まわりに回転する回転領域よりも大きく形成され、ノズルヘッド２０およびノズル保持手段６４が回転した状態で、通過可能な大きさに形成される。
図３は、ノズルヘッド２０の内部構造を拡大して示す断面図である。ノズルヘッド２０は中空筒状部材から構成されるノズルヘッド本体５１を有し、ノズルヘッド本体５１の内部空間には送給流路５０が形成される。この送給流路５０は、ノズルヘッド本体５１の基端部から先端部まで直線状に延びる。上述したようにノズル保持手段６４によって、ノズル軸線５２は、第２電動モータ３２の回転軸線２４から傾斜するので、ノズル軸線５２に沿って延びる送給流路５０もまた前記回転軸線２４から傾斜し、ウォータジェットもノズル軸線５２に沿って噴出する。すなわち第１の実施形態では、ノズル軸線５２は、ウォータジェットが噴射する方向に延びる噴射軸線となる。
ノズルヘッド本体５１の先端部には、噴射口形成部材５６が設けられる。噴射口形成部材５６は、筒部５６ａとこの筒部５６ａの一端に設けられた端壁部５６ｂを有している。筒部５６ａの内周面には雌ねじ部が設けられており、この雌ねじ部がノズルヘッド本体５１の先端部の外周面に設けられた雄ねじ部に螺着される。噴射口形成部材５６の端壁部５６ｂの中央部には、円形状の噴射口５８が形成される。
また、ノズルヘッド本体５１と噴射口形成部５６との間には、ノズルチップ１５が挟み込まれる。ノズルチップ１５は、ノズルヘッド本体５１と、噴射口形成部材５６とによって協働して挟持され、挿通孔であるオリフィス１７が形成される。このオリフィス１７の直径は、噴射口形成部５６に形成される噴射口の直径よりも小さく形成される。ノズルヘッド本体５１の内部空間と、噴射口形成部材５６の噴射口５８と、ノズルチップ１５のオリフィス１７とは、同軸となるように配置され、ノズルヘッド本体５１の内部空間は、オリフィス１７および噴射口５８を介して外部空間と連通する。オリフィス１７および噴射口５８の軸線方向長さは、ノズルヘッド本体５１の軸線方向の長さに比べて、十分短く形成される。また、ノズルヘッド本体５１の軸線方向の長さは、たとえば１００〜２００ｍｍ程度に設定するのが望ましく、かく設定することによって、ノズルヘッド２０から噴射されるウォータジェットの拡散を防止することができ、破砕能力の低下を防止することができる。
また、ノズルヘッド本体５１の基端部には半径方向外方に突出する外フランジ部６０が設けられ、チューブ部材４８の先端部４８ｂの外周面には雄ねじ部が設けられる。ノズルヘッド本体５１とチューブ部材４８とは、取付部材６２によって連結される。取付部材６２は、中空筒部６２ａを有し、この中空筒部６２ａの一端に半径方向内方に突出する内フランジ６２ｂが設けられ、また中空筒部６２ａの内周面には雌ねじ部が設けられる。
取付部材６２の内フランジ６２ｂをノズルヘッド本体５１の外フランジ６０に係合させた状態で、取付部材６２の雌ねじ部をチューブ部材４８の雄ねじ部に螺着することによって、ノズルヘッド２０は、チューブ部材４８の先端部４８ｂに着脱自在に装着される。同様にノズルチップは、ノズルヘッド２０から着脱自在に装着される。
図２に示すように、上記ノズルヘッド２０およびこれに関連する構成要素は、建造物のコンクリート壁２８に形成される穴２２に対して予め定める位置関係に保持することが重要である。すなわち、出力軸３８の回転軸線２４と形成すべき穴２２の中心軸線とを実質上一致させるとともに、ノズル軸線５２を前記回転軸線２４に交差させ、さらにノズル軸線５２を回転軸線２４に対して所定の傾斜角度α傾斜させるようにすることが重要である。以下、回転軸線と穴の中心軸線とが一致するので、それらを同一の参照符号２４で表わす。
このように構成することによって、ノズルヘッド２０は、上記回転軸線２４を中心として所定方向に回転可能となる。また、ウォータジェットは、回転軸線２４に沿う方向に進むにつれて、ノズルヘッド２０から半径方向に穴２２の中心軸線に向かい、そして穴２２の中心軸線を通過すると、穴２２の中心軸線から半径方向に遠ざかって進む。ウォータジェットを噴出させた状態で、ノズルヘッド２０を回転軸線２４まわりに回転すると、ウォータジェットが、穴２２の中心軸線を中心とする円錐周面に沿って周回移動するように噴射する。
前記円錐周面の頂点は、噴射口５８よりも前方に位置するので、ウォータジェットは、コンクリート壁２８のうち、形成すべき穴の中心軸線上の部分から穴２２が形成されるべき周壁部分まで行き届き、ノズルヘッド２０の前方で形成すべき穴２２の全域を破砕して、コンクリート壁２８に回転軸線２４を中心とする円形断面の穴２２を形成することができる。
またノズルヘッド２０の前方で、コンクリート壁２８にノズルヘッド２０の回転動作領域よりも大きい穴を形成することで、ノズルヘッド２０を既に形成された穴に挿入させて、ノズル移動手段２３によって中心軸線方向に直進させることで、コンクリート壁２８に深い穴を形成することができる。ノズル軸線５２と前記回転軸線２４との傾斜角度αは、たとえば１００〜３００ｍｍの直径の穴を形成する場合には１０〜２０度程度であるのが望ましい。
次に、上述した穴形成装置の作用について説明する。建造物のコンクリート壁２８に貫通孔などの穴２２を形成する場合には、装置本体２の片方の端壁６に形成された貫通孔６９とコンクリート壁２８に形成すべき穴２２と同軸となるように位置合わせし、かかる状態で、片方の端壁６をコンクリート壁２８の表面に接触させる。このような位置合わせした状態での装置本体２の保持は、たとえば、移動自在なアームに設けられた基台に装置本体２を取付け、上記アームを所要のとおりに移動させることによって達成することができる。
そして、このように位置合わせした状態で、高圧発生装置４４によって高圧水を供給するとともに、第２電動モータ３２によって出力軸３８を所定方向に回転駆動する。高圧発生装置４４は、高圧水を、第１配管４２、出力軸３８の貫通孔４０、支持アーム４６の内部空間およびチューブ部材４８を介してノズルヘッド２０に送給し、かく送給された高圧水は、ノズルヘッド２０の噴射口５８からウォータジェットとしてコンクリート壁２８の表面に向けて噴射される。
また、第２電動モータ３２によって、その出力軸３８が回転駆動されると、これと一体的に支持アーム４６、チューブ部材４８、ノズル保持手段６４およびノズルヘッド２０も回転軸線２４を中心として回転駆動される。これによってコンクリート壁２８に断面形状が円形の穴２２を形成することができる。さらにこの状態で、第１電動モータ１８によって、予め定める速度で移動ブロック１８を回転軸線２４に沿う方向に移動させることで、コンクリート壁２８に形成した穴２２にノズルヘッド２０を進入させることができ、深い穴をあけることができる。
図４は、図２のＡ−Ａ矢視図であり、図５は、穴形成時における壁２８の断面図である。ノズルヘッド２０から噴射されるウォータジェットは、上述したように、ノズルヘッド２０から回転軸線２４を通過してその後、壁２８の周壁部分に向けて噴射される。ノズルヘッド２０の先端が前記回転軸線２４まわりを一周する内周部軌跡５３ｂに沿って回転すると、上述したウォータジェットの噴射状態が、上記回転軸線２４を中心として３６０度の全周にわたって行われる。したがって、ノズルヘッド２０から噴射されるウォータジェットはコンクリート壁２８の中心部を残すことなく粉砕除去し、円形状の穴２２を形成する。このようにウォータジェットによって穴２２を形成することによって、鉄筋を含むコンクリート壁２８であっても、形成される穴２２の周囲の鉄筋を損傷することなく、コンクリート壁２８に貫通孔を形成することができる。
比較例として、ウォータジェットを単に形成すべき穴の深さ方向に噴射する場合には、コンクリート壁２８に形成される穴２２はウォータジェットの噴射断面形状に対応した小さい穴となってしまう。これに対して、本発明の実施形態のようにノズルヘッド２０を回転軸線２４から半径方向にずらすとともに、ノズル軸線５２を上記回転軸線２４に対して傾斜させることによって、形成される穴２２は、ウォータジェットの噴射断面形状に実質上影響を受けない比較的大きな円形状となり、１００〜３００ｍｍ程度の穴２２を容易に形成することができる。これによってノズルヘッド２０を既に形成された穴２２に没入させて深い穴を形成することができる。
穴形成開始時は、容易に理解されるように、ノズルヘッド２０からのウォータジェットは、片方の端壁６の貫通孔６９を通してコンクリート壁２８に噴射され、その後、ノズルヘッド２０、ノズル保持手段６４および支持アーム４６はこの貫通孔６９を通してコンクリート壁２８に没入させる。
このように高圧発生装置４４および第２電動モータ３２を動作させながら第１電動モータ１８を間欠的に動作すると、回転軸１４が所定方向に回転され、これによって移動ブロック１６および支持ブラケット３０を介して第２電動モータ３２およびこれに装着された部材（支持アーム４６、チューブ４８、ノズル保持手段６４およびノズルヘッド２０）が矢印２５で示す方向、すなわち穴２２を深く形成する方向に移動され、ノズルヘッド２０から噴射されるウォータジェットの噴射領域がコンクリート壁２８の表面側から奥側に移動する。そして、このように第１電動モータ１８を間欠的に回転することによって、コンクリート壁２８に形成される穴２２の深さが深くなり、最終的にコンクリート壁２８を貫通する貫通孔が形成される。
なお、容易に理解されるように、第１電動モータ１８によるノズルヘッド２０の送り速度（間欠送りの場合には、間欠送りをする時間間隔）、ノズルヘッド２０から噴射されるウォータジェットの圧力、第２電動モータ３２によるノズルヘッド２０の回転速度およびノズル軸線５２と前記回転軸線２４との傾斜角度αの少なくともいずれかを調整することによって、形成される穴２２の大きさ（内径）を調整することができる。したがって装置本体２は、上述した送り速度、圧力、回転速度、傾斜角度の少なくともいずれかが調整可能であることが好ましい。
コンクリートをはつる粉砕能力は、ウォータジェットが噴射口からコンクリートに達するまでの距離であるスタンドオフ距離Ｓと、オリフィス１７の内径であるオリフィス径φｄと、水圧とによって決定される。有効な粉砕能力となるスタンドオフ距離Ｓは、実験または予め定められる実験式によって求めることができる。
たとえば噴射水圧が２５０ＭＰａである場合、有効な粉砕能力となるのは、スタンドオフ距離Ｓが、オリフィス径φｄの５００倍以下であり、さらに効果的な粉砕能力となるのは、オリフィス径φｄの３００倍以下である。この場合で、オリフィス径φｄが１ｍｍである場合には、有効なスタンドオフ距離Ｓは、５００ｍｍ以下でありさらに好ましくは、３００ｍｍ以下となる。
前記傾斜角度をαとし、前記スタンドオフ距離をＳとすると、形成される穴２２の内径φＤは、２・Ｓ・Ｓｉｎαで表わされる。高い粉砕能力で破砕するためにスタンドオフ距離Ｓが３００ｍｍであり、傾斜角度αが１５度に設定されていると、形成される穴の穴径φＤは、厳密には１５５ｍｍとなるが、回転時にノズルヘッドが若干揺れ動くので、実際には約２００ｍｍの穴径の穴を形成することができる。
またノズルヘッド２０に送給される水の圧力が決定される場合において、有効または効果的な粉砕能力を得ることができるスタンドオフ距離が、ｙ・φｄで表わされる場合、形成される穴２２の内径φＤは、２・ｙ・φｄ・Ｓｉｎαで表わされる。上式においてφｄはオリフィス径とし、ｙは水圧とスタンドオフ距離とによって決定される定数とする。
したがってオリフィス径φｄおよび傾斜角度αのいずれか一方を大きくすることによって、穴径の大きい穴２２を形成することができる。ただし、傾斜角度αが３０度を超えて大きくなると、ウォータジェットの噴流回転半径が大きくなり、回転軸線２４付近でのはつり効果が低下して、回転軸線２４付近にはつり残しが生じてしまう。また傾斜角度αが１０度未満となると、穴２２の周壁部分を半径方向に十分にはつることができない。したがって傾斜角度αが１０度以上３０度以下であることによって、はつり効果を低下させることなく穴を効率よく形成することができる。
図６は、直径の大きい穴２２ｂを形成する場合を説明するための図である。直径の大きい穴２２ｂを形成する場合には、上述したようにしてコンクリート壁２８に穴２２ａを形成した後、ノズル保持手段６４によるノズルヘッド２０の保持位置を調整して、ノズルヘッド２０を回転軸線２４から半径方向に遠ざけ、ウォータジェットが回転軸線２４を通過せずに、壁２８の周壁部分に直接噴射するようにする。ノズルヘッド２０から噴射されるウォータジェットは、ノズルヘッド２０から回転軸線２４を通過せずに壁２８の周壁部分に向けて噴射される。ノズルチップ５６が前記回転軸線２４まわりを一周する外周部軌跡５３ａに沿って回転すると、上述したウォータジェットの噴射状態が、上記回転軸線２４を中心として３６０度の全周にわたって行われる。既に図４に示すように、コンクリート壁２８に穴２２が形成されているので、ノズルヘッド２０は、その回転が疎外されることなく、外周部軌跡５３ａにそって回転することができる。これによって図４に示す壁の穴よりも大きな穴を形成することができる。なお、外周部軌跡５３ａは、前記内周部軌跡５３ｂよりも回転軸線２４からの半径が大きいほうが好ましい。
以上のように第１の実施の形態では、ノズルヘッド２０の先端部を穴の中心軸線２４からずらし、穴中心近傍でノズル軸線５２が中心軸線２４から所定の傾斜角度α傾斜させるとともに、ノズル軸線５２が中心軸線２４に交差するように、ノズルヘッド２０を保持する。この状態でノズルヘッド２０を中心軸線２４まわりに回動させながら、中心軸線２４に沿う方向に移動させる。
これによって、ウォータジェットおよびオリフィス径にかかわらずに、大きい穴を形成することができる。また、ノズルヘッド２０の回転動作領域よりも大きい穴を形成することで、形成した穴にノズルヘッド２０を進入させて中心軸線方向に移動させることによって、深い穴、たとえば貫通孔をコンクリート壁２８に形成することができる。
また、ノズル保持手段６４によって、傾斜角度αを変更することによって形成される穴の大きさを変更することができる。またノズルヘッド２０を穴の中心軸線に沿う方向に直進させる直進速度を変更することによって、穴の大きさを変更することができる。これによって容易に形成すべき穴の大きさを変更することができ、所定の大きさの穴を効率よく形成することができる。またノズルチップ１５が着脱可能に設けられるので、ノズルチップ１５を交換することで、消耗したチップの交換やオリフィス径の変更を容易に行うことができる。
また、上述したようにノズルヘッド本体５１の軸線方向の長さが、その内部を流れる高圧水を整流可能な長さに設定されることによって、ノズルヘッド２０に供給された高圧水が乱れていたとしても、直線区間内で整流され、乱れが少ない状態で噴射ノズルから流体ジェットとして噴射される。これによってノズルヘッド２０を傾斜させたとても、粉砕能力の低下を防ぐことができ、ウォータジェットの外径よりも大きな穴を容易に形成することができる。さらに傾斜角度αが３０度以下にすることによって、大きな穴を効率よく形成することができる。
さらに図４に示すように、比較的小さい穴２２ａを形成したあとで、ノズルヘッド２０の回転軌跡５３ａを変更したり、傾斜角度αを変えたりして、再度ウォータジェットによる穴あけ加工を行うことによって内径が大きい穴２２ｂを形成することができる。
図７は、本発明の第２の実施形態である穴形成装置に用いられるノズルヘッド７０の概略的な構成を示す断面図であり、図８は円形断面の穴２２ａを形成するときのノズルヘッド７０の移動軌跡８４ａの一例を示す図である。第２の実施形態の穴形成装置は、第１の実施形態の穴形成装置に比べてノズルヘッド７０とその動きが異なる。
ノズルヘッド７０は、ノズルヘッド７０の軸線に沿って延びるノズル軸線７２が設定される。ノズル軸線７２は、コンクリート壁２８にあけられる穴２２の深さ方向に延びるように、６軸多関節ロボット１０２（図１３参照）などによって支持される。ノズルヘッド７０は、その軸線方向に高圧水を導く直線部７８と、直線部７８に連なり前記ノズル軸線７２に傾斜する傾斜部８０とを有する。直線部７８は、穴２２の中心軸線２４と平行に延びる。傾斜部８０は、穴２２の中心軸線２４に沿って延びる平面に対して傾斜し、直線部７８の先端部７８ａに連結される。
傾斜部８０の先端部には噴射口が形成され、直線部７８に対して傾斜した噴射軸線８４に沿ってウォータジェットを噴射する。噴射軸線８４とノズル軸線７２とは、所定の角度である噴射角度θを成す。
穴２２を形成するにあたって、図７の実線で示すノズルヘッド７０の状態、仮想線で示すノズルヘッド７０の状態のように、ノズル軸線７２を、穴２２の中心軸線２４に平行に保って移動させかつ穴の中心軸線２４まわりに公転するようにし、さらに噴射軸線８４がノズル軸線７２から穴２２の周壁部に向かって延びるようにノズルヘッド７０を回転させる。またノズルヘッド７０が穴２２の中心軸線２４をまわるとともに、直線部７８の軸線７２と穴の中心軸線２４との間の半径方向の距離を大きくさせることによって、ノズルヘッド７０の外径よりも大きく、ノズルヘッド７０が挿入可能な穴２２を、コンクリート壁２８に形成することができる。
断面が円形の穴２２をあけるときには、図８に示すように穴の中心軸線２４まわりに、ノズルヘッド７０の中心軸線７２を回転させながら、穴の軸線２４の半径方向外方に移動するように大略的に螺旋状に移動させ、またノズル軸線７２が穴の中心軸線２４まわりに回転するように、ノズル軸線７２まわりにノズルヘッド２０を角変位させることによって、壁２８を一周する周壁部にまんべんなくウォータジェットを噴射することができる。このように、ノズルヘッド７０を移動させることで、スタンドオフ距離を一定に保った状態で壁２８を部分的に粉砕することができ、ウォータジェットの粉砕能力を維持してノズルヘッド７０よりも大きい円形の穴を好適に形成することができる。たとえば、上述した第１形態のノズルヘッド７０と同様の噴射条件の場合、具体的には、オリフィス径φｄが１．０ｍｍ、噴射角度θが１５度、噴射水圧力が２５０ＭＰａである場合、ノズルヘッド７０を螺旋状に動かし、噴射口をノズルヘッド７０の軸線７２に対して角変位させることによって、直径が３００ｍｍ〜１ｍの穴２２をコンクリート壁２８に形成することができる。なお、ノズルヘッド７０に高圧を供給する高圧発生装置４４、高圧発生装置４４からノズルヘッド７０まで高圧水を導く配管９０は、上述した第１の実施形態と同様の構成によって実現することができる。上記配管９０は、ノズル軸線７２と同軸に延びることが好ましい。また、ノズルヘッド７０を穴の中心軸線２４まわりに回転する回転手段および、ノズルヘッド７０をノズル軸線７２まわりに角変位する角変位手段、ノズルヘッド７０を穴の中心軸線２４に沿う方向に直進させるノズル移動手段２３は、ノズルヘッド７０を支持し、ノズルヘッドを任意の方向に移動および回転可能な任意方向移動手段、たとえば多関節ロボットによって実現したが、他の駆動手段を用いて実現してもよい。
図９は、穴形成開始時の状態を説明するための断面図である。穴形成開始時には、上述した第１の穴形成装置と同様な動作を行う。具体的には、噴射軸線８４を穴の中心軸線２４に交差させ、さらに噴射軸線８４を穴の中心軸線２４に対して所定の傾斜角度α傾斜させるようにする。そしてノズル軸線７２が穴の中心軸線２４から半径方向に離反するように配置し、ノズル軸線７２を穴の中心軸線２４まわりに回転させる。言い換えると、ノズルヘッド７０を穴の中心軸線２４まわりに公転させるとともに、噴射軸線８４が穴の中心軸線２４に交差するようにノズルヘッド７０をノズル軸線７２まわりに角変位（自転）させる。このようにすることによって、第１の実施の形態の穴形成装置と同様の穴を形成することができ、その穴の径がノズルヘッド７０の回転動作領域よりも大きくすることによって、ノズルヘッド７０をコンクリート壁２８に没入させることができ、コンクリート壁２８に深い穴２２を形成することができる。この状態で、さらに図７に示すように、ノズルヘッド７０を動作させることによって、深くさらに内径の大きい穴を形成することができる。すなわち、図９に示すノズルヘッド７０の動作は、第１の実施形態における図４に対応し、図７に示すノズルヘッド７０の動作は、第１の実施形態における図６に対応する。
図１０は、矩形断面の穴２２ｂを形成するときのノズルヘッド７０の移動軌跡８４ｂの一例を示す図である。断面形状が矩形であっても、基本的には一様な密度となるようにウォータジェットで噴射する。この際に、ノズル軸線７２まわりに噴射口も角変位させ、噴射軸線８４の方向を変えながら、形成すべき穴の形状に合わせた穴あけを行うことで、一様なウォータジェットの噴射を行って、任意の断面形状の穴を形成することができる。
図１１は、図７に示すノズルヘッド７０の内部構造を拡大して示す断面図である。傾斜部８０の先端部には、ノズルチップ９０が設けられる。ノズルチップ９０は硬質の材料から成り、貫通孔であるオリフィス８２が形成される。ノズルチップ９０の周囲は、カバー部材９２によって補強される。カバー部材９２には、ノズルチップ９０から噴射されるウォータジェットの径よりも充分に大きな噴射口９４が形成される。ノズルヘッド７０には、軸線方向一端部から他端部に高圧水を送給する流路が内部に形成される。この流路は、直線部７８ではノズル軸線７２に平行に延び、傾斜部８０ではノズル軸線７２に対して傾斜して、噴射軸線８４に沿って直線状に延びる。傾斜部８０内の流路を平行流路９６と称すると、平行流路９６の長さＬ１は、その内径ｄ１に比較して充分に大きく形成される。これによって、直線部７８から傾斜部８０の平行流路９６に高圧水が導かれる際の方向変化によって、高圧水の流れに乱れが生じても、平行流路９６で整流され、ノズルチップ９０からウォータジェットを乱れなく噴出させることができ、ノズルチップ９０から噴射するウォータジェットの広がりを抑えることができる。
図１２は、図１１に示す平行流路９６の長さＬ１と、噴射口９４から噴射されるウォータジェットによる単位時間当たりのコンクリート粉砕量を示す能力比との関係を示すグラフである。本実施の形態では、上述したように噴射水圧が２５０ＭＰａ、オリフィス８２の直径であるオリフィス径φｄが１．０ｍｍであり、平行流路９６の内径が１０ｍｍである。能力比は、平行流路９６の長さＬ１が２００ｍｍのときを１．０とし、相対的な値で示す。
図１２を参照すると、Ｌ１≧２０・ｄ１で能力比が１であり、Ｌ１＝１０・ｄ１で能力比が０．７であり、Ｌ１＜５・ｄ１で能力比が０．１以下となるので、Ｌ１＜５・ｄ１、すなわち平行流路９６の長さＬ１が５０ｍｍ未満となると、能力比が著しく低下すると推定され、平行流路９６での整流作用が不充分であることが分かる。このとき、平行流路９６の長さＬ１は平行流路９６の内径ｄ１の５倍である。すなわちＬ１≧５・ｄ１で穴あけを有効に行うことができると考えられる。またさらに効率的に穴あけを行うためには、能力比が０．７以上となるＬ１≧１０・ｄ１、すなわちＬ１≧１００ｍｍのときであると判定される。
噴射軸線８４の噴射角度θは、１０度以上１５度以下が好ましい。噴射角度θが３０度を超えて大きくなると、図８、図１０に示すような軌跡８４ａ，８４ｂを描くようにノズルヘッド７０の穴の中心軸線２４に対する回転と、ノズル軸線７２に対する角変位と、ノズルヘッド７０の穴の軸線２４に平行な方向の移動とを行うことが困難になる。また噴射されるウォータジェットの反力の軸線７２に垂直な成分も大きくなり、反力によってノズルヘッド７０の位置が変化し、穴をあける穴の精度が低下してしまう。また噴射角度θが１０度未満となると、穴２２の周壁部を半径方向に十分にはつることができない。したがって噴射角度θが１０度以上１５度以下であることによって、はつり効果を低下させることなく穴を効率よく形成することができる。
図１３は、図７に示すノズルヘッド７０を備えたウォータジェットシステムを示すブロック図である。ノズルヘッド７０は、多関節ロボット１０２のエンドエフェクタとして、アームの先端に装着される。ノズルヘッド７０には、高圧水ホース１０３を介して高圧発生装置４４から高圧、たとえば約２５０ＭＰａの高圧水が供給される。ノズルヘッド７０の噴射口付近は、飛散防止カバー体１０５で覆い、加工物の破片の飛散を防止し、加工時の防音の役割も果す。また飛散防止カバー体１０５内では、噴射された高圧水が排水として集められ、排水ホース１０６を介して排水処理装置１０７に導かれる。加工対象がコンクリート１０８であるときには、はつり後の廃液にはアルカリ性のコンクリートが含まれるので、中和などの処理を行って水を浄化する。なお、多関節ロボット１０２に代えて専用装置によってノズルヘッド７０を移動させてもよい。また図１に示すノズルヘッド２０についても、ロボット１０２によって移動させてもよい。また図１に示すノズルヘッド２０を用いたウォータジェットシステムについても、飛散防止カバー体１０５、高圧水ホース１０３、高圧発生装置４４、排水ホース１０６および排水処理装置１０７を用いることができる。
図１４は、図１３の高圧発生装置４４の概略的な内部構成を示す回路図である。高圧水の発生は、増圧器２３０によって行われる。この増圧器２３０は複動式であり、シリンダ内でプランジャが往復移動し、プランジャの両端側で水を加圧して高圧水を発生する。増圧器２３０のシリンダの両側から交互に高圧水を取出し、その一方で水の供給を行うため、チェック弁２３１，２３２，２３３，２３４が設けられる。増圧器２３０内のプランジャの移動方向は、方向制御弁２３５によって、たとえば数秒ごとに切換えられる。このような方向制御弁２３５によって油圧発生部２３６から発生される圧油が、増圧器２３０の中央付近のプランジャの径が大きいシリンダ内に導入され、プランジャの径が小さくなる両端側に高圧を発生させる。
増圧器２３０によって発生し、チェック弁２３１〜２３４から取出される高圧水は、アキュムレータ２３７で一旦貯留され、オンオフバルブ２３８を介してノズルヘッド２０，７０に供給される。オンオフバルブ２３８を制御することによって、ノズルヘッド２０，７０から噴射するウォータジェットの噴射と、噴射停止とを切換えることができる。
以上のように第２の実施の形態では、ノズルヘッド７０の噴射軸線８４を穴の中心軸線２４に対して傾斜させた状態で、ノズルヘッド７０を穴の中心軸線２４に垂直な方向および中心軸線２４に沿う方向に移動させて物体に穴を形成する。このようにしても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができ、深い穴を形成することができる。ノズルヘッド７０をロボットなどの任意の移動が可能な移動手段にノズルヘッド７０を保持させることによって、ノズルヘッド７０の移動軌跡を変更することで、断面形状の異なる穴を容易に形成することができる。また本実施の形態では、ノズルヘッド７０を屈曲させて、噴射軸線８４をノズル軸線７２に対して傾斜させたが、直線状のノズルヘッドであっても、ロボットアームによって穴の中心軸線２４に対して噴射軸線８４が傾斜するように保持させることによって、同様の効果を得ることができる。
図１５は、本発明の第３の実施形態である穴形成装置に用いられるノズルヘッド３０１を示す側面断面図であり、図１６は、ノズルヘッド３０１を示す正面図である。ノズルヘッド３０１の先端部には、複数のノズル部材３０２，３０３が装着され、それぞれのノズル部材３０２，３０３からウォータジェットの噴射を行う。ノズルヘッド３０１は、高圧の水を分岐させて各ノズル部材３０２，３０３に導く高圧水分岐部６と、高圧水供給管であるランス３１２に接続するためのランス接続部３０７とが形成される。このようにノズルヘッド３０１は、ランス接続部３０７に供給される高圧の水を高圧水分岐部６によって２またに分岐して各ノズル部材３０２に導く送給流路が形成される。
ノズルヘッド３０１は、大略的に筒状に形成され、その軸線である回転軸線３０１ａまわりに回転可能である。各ノズル部材３０２，３０３から噴射されるウォータジェットの噴射方向に沿って延びる噴射軸線３０４ａ，３０５ａは、回転軸線３０１ａに対して異なる角度θ３０４，θ３０５で傾斜する。また図１６に示すように正面から見た場合に、回転軸線３０１ａを通過する一直線上に各ノズル部材３０２，３０３のオリフィス３０４，３０５がそれぞれ並び、一方のオリフィス３０４と回転軸線３０１ａまでの直線距離Ｄ４に比べて、他方のオリフィス３０５と回転軸線３０１ｂまでの直線距離Ｄ５が長く形成される。
一方のオリフィス３０４から噴射して壁２８に到達したウォータジェットと回転軸線３０１ａとの半径方向距離Ｄ１４は、他方のオリフィス３０４から噴射して壁２８に到達したウォータジェットと回転軸線３０１ａとの半径方向距離Ｄ１５よりも短い。このような状態でノズルヘッド３０１が回転軸線３０１ａまわりに回転することによって、各ウォータジェットは、回転軸線３０１ａを中心とする同心円状の軌跡を描く。この場合、一方のオリフィス３０４から噴射されたウォータジェットの軌跡３０４ｂのほうが、他方のオリフィス３０５から噴射されたウォータジェットの軌跡３０５ｂよりも小さい円軌跡を描く。各噴射軸線３０４ａ，３０５ａと回転軸線３０１ａとのなす角度θ３０４，θ３０５は、次の第１式のような関係がある。
０ ＜ θ３０４ ＜ θ３０５ ≦ ３０° …（１）
本実施の形態では、一方のオリフィス３０４から噴出するウォータジェットの噴射軸線３０４ａの回転軸線３０１ａに対する噴射角度θ３０４は７度であり、他方のオリフィス３０５から噴出するウォータジェットの噴射軸線３０５ａの回転軸線３０１ａに対する噴射角度θ３０５は１５度である。各噴射角度θ３０４，θ３０５が３０°よりも大きくなると、ウォータジェットの噴射方向が穴の軸線方向からずれ、効率が低下する。また、オリフィス３０４，３０５の個数は、４個を超えると、ノズルヘッド３０１の外径が大きくなってしまうとともに、ノズル１個あたりの水量が減少し、はつり効率が下がってしまう。したがってオリフィス３０４，３０５の個数は、４個以下であることが好ましい。
ノズルヘッド３０１の軸線方向寸法である全長Ｌ２は、たとえば９０ｍｍ程度である。ノズルヘッド３０１は、ステンレス鋼材のブロックなどを、旋盤やマシニングセンタ等で加工して製造する。ノズルヘッド３０１の回転軸線３０１ａ方向後端部となるランス接続部７の外径Ｄ１２は、たとえば２８ｍｍである。ノズルヘッド３０１の回転軸線３０１ａ方向先端側の最大径Ｄ２２は、たとえば３２ｍｍである。
図１７は、ノズルヘッド３０１の先端部を拡大して示す断面図である。ノズルヘッド３０１を長いランス３１２の先端に装着したときに、ノズルヘッド先端部のたわみが±１０ｍｍ以下となることが、加工精度を確保する面で好ましい。このため、各オリフィス３０４，３０５から各ウォータジェットを噴射したときに、ノズルヘッド３０１に生じる噴射反力Ｒ１，Ｒ２のうち、回転軸線３０１ａに垂直な方向の成分Ｒ３，Ｒ４をできるだけ均衡させることが望ましい。
各オリフィス３０４，３０５から噴射されるウォータジェットの噴射反力Ｒ１，Ｒ２は、ウォータジェットの噴射水量Ｑ４，Ｑ５と噴射速度Ｖ４，Ｖ５との積で表される。水量Ｑ４，Ｑ５は、各オリフィス３０４，３０５のオリフィス径φｄ４，φｄ５に依存するので、噴射角度θ３０４，θ３０５の正弦値が大きくなるとオリフィス径φｄを狭め、噴射反力の回転軸線３０１ａに垂直な方向の成分の均衡を図る必要がある。
一方のオリフィス３０４のノズル径をφｄ４、その噴射角度をθ３０４、その垂直成分反力をＲ４とし、他方のオリフィス３０５のノズル径をφｄ５、その噴射角度をθ３０５、その垂直成分反力をＲ５とすると、次の第２式のような関係にすることによって、２つのウォータジェットの垂直噴射反力Ｒ４，Ｒ５の和をゼロまたはほぼゼロにすることができる。
Ｒ４≒Ｒ５
Ｑ４・Ｖ４・Ｓｉｎ（θ３０４）≒Ｑ２・Ｖ５・Ｓｉｎ（θ３０５）
（φｄ４・Ｖ４）２・Ｓｉｎ（θ３０４）
≒（φｄ５・Ｖ５）２・Ｓｉｎ（θ３０５） …（２）
ここで、Ｖ４＝Ｖ５と仮定すると、
（φｄ４）２・Ｓｉｎ（θ３０４）≒（φｄ５）２・Ｓｉｎ（θ３０５）
…（３）
たとえばＲ４／Ｒ５は、１に近づくことが好ましく、本実施の形態では、０．９８８に選択される。
（３）式では、噴射速度Ｖ４，Ｖ５をオリフィス径の関数として仮定したが、他の近次式または実験などによって、（２）式を満たすように、噴射角度θ３０４，θ３０５およびオリフィス径φｄ４，φｄ５を設定してもよい。
本実施の形態では、一方のオリフィス３０４のオリフィス径φｄ４が０．７ｍｍであり、他方のオリフィス３０５のオリフィス径φｄが０．５ｍｍである。上述したように一方のオリフィス３０４に対応する噴射角度は７．５度であり、他方のオリフィス３０５に対応する噴射角度は１５度である。この場合、（３）式によって求められるＲ４／Ｒ５は、０．９８８となり、２つのウォータジェットによる垂直方向の噴射反力の和がほとんどなく、ノズルヘッド３０１をぶれなく回転させることができる。
また第１の実施の形態と同様に、噴射水圧力が２５０ＭＰａの場合、有効な粉砕能力となるのは、スタンドオフ距離Ｓが、オリフィス径φｄの５００倍以下であり、さらに効果的な粉砕能力となるのは、オリフィス径φｄの３００倍以下である。スタンドオフ距離Ｓをオリフィス径φｄの３００倍とした場合には、形成される穴の穴径φＤは、２・３００・φｄ・Ｓｉｎθであるから、厳密には７７ｍｍであり、回転時にノズルヘッドが若干揺れ動くので、約１００ｍｍの穴あけが可能となる。
さらに、上記条件に加えて、発明者らの実験によって、高い粉砕能力が得られるウォータジェットの周速度Ｖｒが明らかである場合、その周速度Ｖｒと、穴の内径φＤとに基づいて、ノズルヘッドの回転数を求めることができる。具体的には、ノズルヘッドの回転数ｎは、Ｖｒ／（π・φＤ）で表わされる。
たとえば、上記条件において高い粉砕能力が得られるウォータジェットの周速度Ｖｒが１５ｍ／ｍｉｎである場合、ノズルヘッドの回転数ｎは、１５×１０３／（π・７７）で求まり、一分あたりに約６２回、すなわち６２ｒｐｍ（１．０３ｒｐｓ）で回転することで効率的に穴あけを行うことができる。
図１８は、ノズルヘッド３０１が用いられる穴形成装置３５０を示すブロック図である。穴形成装置３５０は、ノズルヘッド３０１と、ランス３１２と、ノズル移動手段３５２と、ノズル回転手段３５３と、高圧発生装置３１０とを有する。
上述したようにノズルヘッド３０１は、ランス３１２に接続される。ランス３１２は、回転軸線３０１ａと同軸に延びる。ランス３１２は、ノズルヘッド３０１とともに回転軸線３０１ａまわりに回転可能に設けられ、高圧発生装置３１０から送給される高圧水をノズルヘッド３０１に送給する。高圧発生装置３１０の詳細については、上述する高圧発生装置４４と同様の構成を有する。ノズル回転手段３５３は、ランス３１２およびノズルヘッド３０１を回転軸線３０１ａまわりに回転駆動し、たとえば中空モータによって実現される。またノズル移動手段３５２は、ノズル回転手段３５３を支持し、ノズル回転手段３５３とともに、ノズルヘッド３０１およびランス３１２を回転軸線３０１ａに沿う方向に直進駆動する。ノズル移動手段３５２は、ラックアンドピニオン機構を有する直動式モータによって実現される。また穴形成装置３５０は、その他に高圧発生装置１０に水を供給する給水装置３１１とを有する。ノズル移動手段３５２を支持する取付装置３５１と、破砕片が穴から飛散することを防ぐカバー体３５５とを含む。
高圧発生装置３１０から、たとえば２５０ＭＰａ程度の高圧水がランス接続部７を介してノズルヘッド３０１に供給される。高圧発生装置３１０には、給水装置３１１から水を供給し、高圧発生装置３１０内でノズルヘッド３０１に供給される高水圧を発生する。ノズルヘッド３０１は、ランス３１２に機械的に保持されるとともにランス３１２から高圧発生装置３１０で発生された高圧水を取得する。ノズル回転手段３５３によってランス１２を回転しながら、ノズルヘッド３０１の先端の複数のオリフィス３０４，３０５からウォータジェット３０４ｃ，３０５ｃを噴射すると、コンクリートの表面からノズルヘッド３０１が挿入可能な穴２２を、容易に穴をあけることができる。
図１９は、ノズル部材３０２，３０３を拡大して示す断面図である。本実施の形態のノズル部材３０２，３０３は、オリフィス３０４，３０５が形成されるノズルチップ３２０が着脱可能に形成される。ノズルチップ３２０は、硬質の材料で強固に形成され、外周にフランジ部３２１を有し、内部にテーパ部３２２を有する。ノズルチップ３２０をノズルヘッド３０１の先端に設けられるノズルチップ収納用の穴に挿入すると、フランジ部３２１の外周が、収納用の穴の内周部で、径が小さくなる部分に当接し、保持される。ノズル部材３２０のフランジ部３２１よりも噴射方向の前方側には、押えねじ３２３を挿入する。押えねじ３２３の外周側と、ノズルヘッド３０１のノズルチップ３２０の挿入部の内周側とには、螺合するねじが形成されており、押えねじ３２３をノズル部材３２０の噴射方向前方から挿入し、フランジ部３２１を押えねじ３２３で押えて固定することができる。ノズルチップ３２０の外周側で、フランジ部３２１よりも噴射方向の後方側には、Ｏリング３２４を装着して、高圧水の漏れを防ぐためのシールが行われる。
図２０は、穴あけの対象となる壁式橋脚３４０を正面側から見た図であり、図２１は、壁式橋脚３４０を側面側から見た図である。壁式橋脚３４０を補強するために、鋼板併用鉄筋コンクリート巻き立て工法を行うと、鉄筋コンクリート巻き立て３４１によって橋脚全体としての補強を行う。基部には、コンクリートを拘束し、靭性を高めるため、両サイドの壁面を、鋼板３４２によって挟んで巻き立て、橋脚内を貫通させた鋼棒３４３によって結合させる必要がある。この鋼棒３４３を通すために、鉄筋コンクリート巻き立て３４１および橋脚に穴あけを行わなければならない。この穴あけにおいては、壁式橋脚３４０および鉄筋コンクリート巻き立て３４１内の鉄筋に傷をつけないこと、およびコンクリートにクラックなどの損傷を与えないことが条件となる。
穴あけ装置３５０は、壁式橋脚３４０の表面に取付装置３５１を装着し、ノズル移動手段３３５２およびノズル回転手段３５３を支持する。ノズル回転手段３５３は、ランス３１２の基部を保持し、回転軸線３０１ａまわりに回転させる。ノズル回転手段３５３には、高圧ホース３５４が接続され、高圧発生装置３１０から高圧水が供給される。供給された高圧水は、ランス３１２中をノズルヘッド３０１まで導かれ、ノズルヘッド３０１に設けられる複数のオリフィス３０４，３０５からウォータジェット３０４ｃ，３０５ｃが吐出される。複数の噴射方向にウォータジェットを噴射させながら回転手段３５３によってノズルヘッド３０１を回転軸線３０１ａまわりに回転させ、かつノズル移動手段３５２によってノズルヘッド３０１を軸線３０１ａ方向に前進させれば、コンクリート壁２８に深い穴２２をあけることができる。
穴２２の周囲は、カバー体３５５で覆い、穴あけの際の騒音の低減と、破砕された破片の飛散防止を図る。穴２２内で、ノズルヘッド３０１の先端のオリフィス３０４，３０５から噴射されたウォータジェットは、細かな破砕物とともにカバー体３５５に接続される排水ホース３５６に流れるようになる。このような水の噴射による穴あけで穴２２を形成するので、コンクリート３４０中の鉄筋３５７を傷つけることなく、深い穴２２、たとえば３ｍ程度までの穴あけが可能である。
以上のように第３の実施形態では、複数、具体的には２つのウォータジェットをノズルヘッド３０１から噴出し、一方のウォータジェットで穴の中心軸線部分を破砕し、他方のウォータジェットで穴の周壁部分を破砕する。これによって深い穴を形成することができる。さらに、穴の中心軸線に垂直な方向の噴射反力が予め定める範囲で均衡するように、オリフィス径φｄ４，φｄ５および噴射角度θ３０４，θ３０５が設定されることで、深い穴であってもノズルヘッド３０１を支持するランスがぶれることを防ぎ、内径寸法の精度が高い穴２２を形成することができる。なお、本実施の形態では，２つのウォータジェットを用いたが、２つ以上のウォータジェットを用いても同様の効果を得ることができる。ただし、ノズルヘッドに与えられる流量が少ない場合には、噴射口が４個以上となるとはつり効率が下がるとともに、ノズルヘッドの外径が大きくなるってしまうので噴出口は、４個以下が好ましい。
図２２は、本発明の第４の実施形態である穴形成装置に用いられるノズルヘッド４６１を左側面から見て示す断面図である。本実施形態のノズルヘッド４６１も、ステンレス鋼材の機械加工によって製造する。図２３、図２４および図２５は、ノズルヘッド４６１を平面断面視、正面視および背面視してそれぞれ示す。本実施形態のノズルヘッド４６１は、第３実施形態と類似した構成であり、ノズルヘッド４６１の形状が一部異なるほかは同一の構成を有するので、ノズルヘッド４６１以外の構成を省略する。
ノズルヘッド４６１は、ランスから供給される高圧水を噴射口まで導く供給通路が形成され、回転軸線に沿って延びる整流部４６２，４６３と、整流部４６２，４６３に連なる傾斜部４６４，４６５とが設けられる。供給通路は、整流部４６２，４６３を経て傾斜部４６４，４６５まで延びる。高圧水の供給通路は、整流部４６２，４６３を経て流れる。整流部４６２，４６３の長さＬ４１は、図１１の説明と同様に、その径Ｄ１１の５倍〜１０倍程度とする。これによって、高圧水分岐部４６６で高圧水が分岐する際に流れに乱れが生じても、整流部４６２，４６３を通過する際にそれぞれ整流され、乱れを解消させることができる。
傾斜部４６４，４６５からノズルヘッド４０２，４０３に供給する高圧水の流れに乱れが生じると、噴出するウォータジェットが広がり、コンクリート等に対する破砕能力が低下してしまう。本実施形態では、整流部４６２，４６３の長さＬ４１を十分に大きくとっても、ノズルヘッド４６１の外径は大きくならないので、小さな径の穴であっても効率的にあけることができる。各ノズルヘッド４０２，４０３から噴射されるウォータジェットは、高圧水分岐部４６６で先端面の中心線４６１ｂ方向にずれ、さらに傾斜部４６４，４６５で中心線４６１ｂから遠ざかる方向にそれぞれ傾く。
なお、ノズルヘッド４６１では、高圧水の供給通路を、高圧力に耐え、しかも整流部４６２，４６３の下流では流れを乱さないように、内面に凹凸などが生じないように形成する必要がある。このため、高圧水分岐部６６では、加工終了後に、栓４６７を溶接部４６８で溶接して固定する。
図２６は、図２２に示す実施形態のノズルヘッド４６１と図１５に示す実施形態のノズルヘッド３０１とを比較して示す断面図である。ノズルヘッド４６１では、高圧水分岐部４６６で生じる流れの乱れを、整流部４６２，４６３で整流して解消させることができる。また先端側の最大径Ｄ２３についても、大きくする必要がない。これに対してノズルヘッド３０１では、高圧水分岐部３０６から直ちに傾斜部３６４ｂ，３６５ｂに分岐するので、傾斜部３６４ｂ，３６５ｂの長さＬ４２を高圧水が通過する間に流れの乱れを解消させることは困難であり、ノズルヘッド３０１の長さＬ４２を大きくすれば、先端側の最大径Ｄ２２も大きくなってしまう。したがって、あまりノズルヘッド３０１の直径Ｄ２２が大きくならない範囲で使用すると、ウォータジェットの破砕能力が多少低下した状態で使用しなければならない。したがって第４の実施の形態ではノズルヘッド４６１の小径化と粉砕能力の向上化とを実現することができる。
図２７は、ノズルヘッド４６１を加工する途中の状態を示す断面図である。ノズルヘッド４６１は、大略的に３つのブロック４６９ａ，４６９ｂ，４６９ｃにそれぞれ加工を行い、各ブロック４６９ａ，４６９ｂ，４６９ｃを組合わせてノズルヘッド４６１を形成する。先端側のブロック４６９ａには、はじめに整流部４６２，４６３を形成しておく。中間のブロック４６９ｂには、高圧水分岐部４６６を形成する。基端側のブロック４６９ｃには、ランス接続部４０７からの通路を形成しておく。３つのブロック４６９ａ，４６９ｂ，４６９ｃについての加工を終了した後、溶接によって相互に組合わせる。組合わせる溶接が終了した後、傾斜部４６４，４６５、栓４６７の部分、およびランス接続部４０７の近傍を外部からそれぞれ加工して、ノズルヘッド４６１を製造する。
図２８、図２９、図３０、図３１は、本発明の第５の実施形態である穴形成装置に用いられるノズルヘッド４７１を示す図である。図２８は左側面側からの断面視、図２９は平面側からの断面視、図３０は正面側からの構成、図３１は背面側からの構成を示す図である。本実施形態のノズルヘッド４７１は、基本的に図２２のノズルヘッド４６１と同等であり、対応する部分には同一の参照符を付して説明を省略する。本実施形態では、ノズルヘッド４７１の先端で、ノズル部分４０２，４０３が中心軸線４７１ｂ上に位置するように、整流部４６２，４６３から高圧水が供給される傾斜部４６４，４６５の向きが、内向きにされる。これによって、ノズルヘッド４７１の先端から噴射されるウォータジェット間の広がりを狭くして、破砕を集中的に行うことができる。
第４および第５の実施形態では、第３の実施形態と同様に、ウォータジェットの噴射角度θ、オフィリス径φｄなどを決定することによって、深い穴を形成することができるとともに、精度の高い穴を形成することができる。さらに整流部４６２，４６３によって、高圧水を噴出前に整流することによって噴射能力の低下を防いで、効率よく穴を形成することができる。さらに整流部４６２，４６３を穴の中心軸線と平行に延びるようにすることによって、ノズルヘッド４６１，４７１の外径が大きくなることを防ぐとともに、粉砕能力を向上することができる。これによって小さく深い穴を効率よく形成することができる。
図３２は、本発明の第６の実施形態である穴形成装置の概略的な構成を示す断面図である。本実施形態では、上述した第２実施形態以外のノズルヘッド２０，３０１，４０１，４７１のいずれかであるノズルヘッド４８１を支持するランス４１２の構成に特徴がある。具体的には、ウォータジェットによってコンクリート壁を粉砕した粉砕片を穴から排出する排出手段が設けられる。
ランス４１２は、ノズルヘッドに連結されて前記中心軸線に沿って延びる支持部となり、ランス４１２には、搬送部材４８２と、ランス４１２を中心軸線まわりに回転する搬送部材回転手段が設けられる。搬送部材４８２は、ランス４１２の周囲に、スクリュー状、言い換えると螺旋状に延びて形成される。搬送部材４８２は、ノズル軸線４８１ａに向かって進むにつれて、ノズル軸線４８１ａを複数回旋回して進み、ランス４１２から半径方向外方に突出する突起である。搬送部材４８２は、搬送部材回転手段によってランス４１２とともに中心軸線まわりに回転される。
搬送部材４８２は、たとえば可撓性のあるゴム材料の帯体を巻付けたり、ブラシ状に形成したりすることができる。搬送部材４８２は、ノズルヘッド４８１およびランス４１２が穴２２に進入した状態で、穴の周壁部に接触する。搬送部材４８２は、可撓性を有し、穴２２の内表面に適合して変形し、穴あけに伴って発生するガラ４８３を機械的に排出することができる。これによって、ノズルヘッド４８１の周囲にガラ４８３が堆積し、水がたまってしまうという不具合を解消することができ、ウォータジェットの破砕力を維持することができる。
また、ガラ４８３の抵抗で、ノズルヘッド４８１を回転軸線４８１ａまわりに回転させることが困難となる不具合を解消することができ、ノズルヘッド４８１を穴２２内に深く挿入させることが可能となる。また、この本実施の形態では、ランス４１２を回転軸線４１８ａまわりに回転させる構成としたが、ランス４１２を回転させないような構成では、搬送部材８２をランス１２に固定しないで、搬送部材８２のみランス１２のまわりで回転させることによって、ガラ４８３の排出機構を実現してもよい。この場合、搬送部材８２を回転させる搬送部材回転手段が穴形成装置に設けられる。これによって、上述した各実施形態の効果に加えて、破砕力の維持と深い穴の形成とを実現することができる。
図３３は、螺旋状の搬送部材４８２をランス４１２とは独立に回転駆動する構成の本発明の穴形成装置であって、側面から断面視した構成を示す断面図である。図３４は図３３の切断面線Ｂ−Ｂから断面視した構成を示す断面図である。この場合、ランス４１２とは別体の回転管４８４が設けられる。回転管４８４は、ランス４１２を外囲する。ランス４１２内には、高圧チューブ４８５が収納され、ノズルヘッド４８１に高圧水を供給する。そしてランスとは別に、回転管４８４を回転軸線まわりに回転させれば、螺旋状の搬送部材４８２は、ガラ４８３を機械的に搬送することができる。
図３５は、本発明の第７の実施形態である穴形成装置の概略的な構成を示す断面図である。本実施形態では、上述した第１〜第５実施形態に示すノズルヘッド２０，７０，３０１，４０１，４７１のいずれかであるノズルヘッド４９１を用いる。ノズルヘッド４９１は、基端側にガラ出しノズル４９２が設けられ、ガラ４８３を水流４９３ではじき飛ばして排出させる。水流４９３は、噴射口４０４，４０５からウォータジェットとして噴射させる穴あけ用の高圧水よりも低圧でよいので、高圧チューブ４８５とは別の低圧ホース４９４で供給する。低圧ホース４９４にガラ出し用の水を供給する低圧ポンプ４９５は、高圧発生装置４１０よりも安価に構成することができる。ただし、ガラ出しには、それほど水圧を必要としないけれども、破砕に用いるウォータジェットの流量よりも多量の水量を用いることによって、より確実にガラ４８３を排出することができる。また、本実施の形態では、穴あけ用の高圧発生装置４１０とは別の低圧ポンプ４９５を使用するので、破砕後の排水は簡単なフィルタを通すだけで再使用することもできる。
図３６は、図３５のガラ出しノズル４９２に関する構成の例を示す図である。図３６（ａ）に示すように、ガラ出しノズル４９２は、ノズルヘッド４９１の基端側に一体構造として設けるばかりではなく、図３６（ｂ）に示すように、ランス４１２側に取付けたり、一体構造化にしたりすることもできる。また、ランス４１２が長く、深い穴をあける場合は、図３６（ｃ）に示すように、ランス４１２に沿って、複数個のガラ出しノズル９２を設けることもできる。
以上、本発明の穴形成方法および装置ならびにウォータジェット噴射ノズルの実施形態を説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形、修正が可能である。
たとえば、各実施形態では、ノズルヘッドからウォータジェットを噴射する構成であるが、穴形成能力を向上させるために、ノズルヘッドに研磨材を送給してノズルヘッドから噴射されるウォータジェットに研磨材を混入させるようにすることもできる。またノズルヘッドから噴出する噴出流体として、水（ウォータ）以外の他の流体を噴出してもよい。
また、図示の実施形態では、穴形成装置を物体としての建造物のコンクリート壁２８の丸穴形成などに適用して説明したが、これに限定されるものではなく、角形の穴や建造物の床面、道路等の表面の種々の形状の穴形成、さらには岩石の穴形成等にも適用することができる。
また各実施形態では、穴形成にあたって穴の軸線方向にノズルヘッド２０を間欠的に移動させるが、ノズルヘッド２０を実質上連続的に移動させるようにすることもできる。なお、この場合には、ノズルヘッド２０は回転しながら回転軸線２４に沿って移動されるので、その移動速度を小さく設定するのが望ましい。また回転軸線２４の方向のノズルヘッド２０の移動は、第１電動モータ１８、ロボットなどに代えて、油圧シリンダ機構のごとき流体圧シリンダ機構を用いることもできる。また、ノズルヘッドの動作およびウォータジェット噴射軸線が上述した本実施形態と同様であれば、内部構造の詳細について変更可能である。
本発明の第１の実施形態である穴形成装置１を示す斜視図である。 ノズルヘッド２０付近を拡大して示す断面図である。 ノズルヘッド２０の内部構造を拡大して示す断面図である。 図２のＡ−Ａ矢視図である。 穴形成時における壁２８の断面図である。 直径の大きい穴２２ｂを形成する場合を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態である穴形成装置に用いられるノズルヘッド７０の概略的な構成を示す断面図である。 円形断面の穴２２ａを形成するときのノズルヘッド７０の移動軌跡８４ａの一例を示す図である。 穴形成開始時の状態を説明するための断面図である。 矩形断面の穴２２ｂを形成するときのノズルヘッド７０の移動軌跡８４ｂの一例を示す図である。 図７に示すノズルヘッド７０の内部構造を拡大して示す断面図である。 図１１に示す平行流路９６の長さＬ１と、噴射口９４から噴射されるウォータジェットによる単位時間当たりのコンクリート粉砕量を示す能力比との関係を示すグラフである。 図７に示すノズルヘッド７０を備えたウォータジェットシステムを示すブロック図である。 図１３の高圧発生装置４４の概略的な内部構成を示す回路図である。 本発明の第３の実施形態である穴形成装置に用いられるノズルヘッド３０１を示す側面断面図である。 ノズルヘッド３０１を示す正面図である。 ノズルヘッド３０１の先端部を拡大して示す断面図である。 ノズルヘッド３０１が用いられる穴形成装置３５０を示すブロック図である。 ノズル部材３０２，３０３を拡大して示す断面図である。 穴あけの対象となる壁式橋脚３４０を正面側から見た図である。
壁式橋脚３４０を側面側から見た図である。 本発明の第４の実施形態である穴形成装置に用いられるノズルヘッド４６１を左側面から見て示す断面図である。 ノズルヘッド４６１の平面断面視図である。 ノズルヘッド４６１の正面視図である。 ノズルヘッド４６１の背面視図である。 図２２に示す実施形態のノズルヘッド４６１と図１５に示す実施形態のノズルヘッド３０１とを比較して示す断面図である。 ノズルヘッド４６１を加工する途中の状態を示す断面図である。 本発明の第５の実施形態である穴形成装置に用いられるノズルヘッド４７１を左側面から見て示す断面図である。 ノズルヘッド４７１を正面側から見て示す断面図である。 ノズルヘッド４７１の正面図である。 ノズルヘッド４７１の背面図である。 本発明の第６の実施形態である穴形成装置の概略的な構成を示す断面図である。 搬送部材４８２をランス４１２とは独立に回転駆動する構成の穴形成装置であって、側面から断面視した構成を示す断面図である。 図３３の切断面線Ｂ−Ｂから断面視した構成を示す断面図である。 本発明の第７の実施形態である穴形成装置の概略的な構成を示す断面図である。 図３５のガラ出しノズル４９２に関する構成の例を示す図である。 従来技術のウォータジェットノズルヘッド１０１の基本的な構成を示す断面図である。
符号の説明
１ 穴形成装置
２０ ノズルヘッド
２２ 穴
２４ 穴の中心軸線
２８ コンクリート壁
２３ ノズル移動手段
３２ ノズル回転手段
４４ 高圧発生装置
６４ ノズル保持手段

Claims (14)

  1. 流体ジェットを噴射して加工対象物に穴を形成する穴形成装置において、
    噴射口から予め定める噴射軸線に沿って流体ジェットを噴出するノズルヘッドと、
    前記噴射口を形成すべき穴の中心軸線から半径方向にずらし、前記噴射口よりも噴射方向下流側で前記噴射軸線が、前記中心軸線に交差するように前記ノズルヘッドを保持するノズル保持手段と、
    前記噴射軸線が前記中心軸線に交差する状態を保った状態で、前記ノズルヘッドを前記中心軸線まわりに回転させるノズル回転手段と、
    前記ノズルヘッドを前記中心軸線に平行な方向に移動させるノズル移動手段とを備えることを特徴とする穴形成装置。
  2. 流体ジェットを噴射して加工対象物に穴を形成する穴形成装置において、
    噴射口から予め定める噴射軸線に沿って流体ジェットを噴出するノズルヘッドと、
    形成すべき穴の中心軸線に垂直な平面に対して、前記噴射軸線が傾斜するように前記ノズルヘッドを保持するノズル保持手段と、
    前記ノズルヘッドを、前記ノズル保持手段による保持状態を保って、前記中心軸線に垂直な任意の方向に移動させ、前記中心軸線に平行な軸線まわりに角変位させ、前記中心軸線に平行な方向に移動させるノズル移動手段とを備えることを特徴とする穴形成装置。
  3. 前記ノズル移動手段は、ノズルヘッドを前記中心軸線に平行な方向に移動させる移動速度を変更可能であることを特徴とする請求項１または２記載の穴形成装置。
  4. 前記ノズルヘッドは、高圧流体を噴射口に導く整流部が形成され、前記整流部は、直線状に形成されて、噴射口に達する高圧流体を整流するに必要な長さに設定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の穴形成装置。
  5. 流体ジェットを噴射して加工対象物に穴を形成する穴形成装置において、
    複数の噴射口から複数の流体ジェットをそれぞれ噴出するノズルヘッドと、
    前記ノズルヘッドを保持するノズル保持手段と、
    前記ノズルヘッドを形成すべき穴の中心軸線まわりに回転させるノズル回転手段と、
    前記ノズルヘッドを前記中心軸線に平行な方向に移動させるノズル移動手段とを備え、
    前記複数の流体ジェットのうちの少なくとも１つを、穴が形成されるべき加工対象物の中心軸線近傍の端面に向けて噴出し、複数の流体ジェットのうちの他の少なくとも１つを加工対象物の穴の周壁部分に向けて噴出し、各流体ジェットの噴射軸線が前記中心軸線に対してそれぞれ傾斜し、前記中心軸線に垂直な方向における各流体ジェットの噴射反力の和が予め定める範囲で均衡するように前記ノズルヘッドが形成されることを特徴とする穴形成装置。
  6. 前記噴射反力の均衡範囲は、
    ノズルヘッドの中心軸線方向の先端のたわみが予め定める基準値以下となる力の範囲であることを特徴とする請求項５記載の穴形成装置。
  7. 前記ノズルヘッドは、前記噴射口に高圧流体を導く流路形成部が形成され、流路形成部は、
    供給される高圧流体を各噴射口に分岐する分岐部と、
    噴射口毎に設けられ、分岐部に連なり、分岐部から前記中心軸線に対して平行に延び、その長さが噴射口に達する高圧流体を整流するに必要な長さに設定される整流部と、
    整流部の先端から高圧流体を噴射口に導き、噴射軸線に沿って延びる傾斜部とを含んで構成されることを特徴とする請求項５または６記載の穴形成装置。
  8. 前記分岐部は、前記整流部に対して直交することを特徴とする請求項７記載の穴形成装置。
  9. 流体ジェットによって加工対象物を粉砕した粉砕片を穴から排出する排出手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の穴形成装置。
  10. 前記排出手段は、
    ノズルヘッドに連結され、前記中心軸線に沿って延びる支持部と、
    支持部に形成されて中心軸線に沿って進むにつれて支持部を中心軸線まわりに螺旋状に延びる搬送部材と、
    前記搬送部材を前記中心軸線まわりに回転する搬送部材回転手段とを含むことを特徴とする請求項９記載の穴形成装置。
  11. 前記排出手段は、粉砕片を排出する排出方向に流体を噴出することを特徴とする請求項９記載の穴形成装置。
  12. 噴射口から予め定める噴射軸線に沿って流体ジェットを噴出するノズルヘッドを用いて加工対象物に穴を形成する穴形成方法において、
    前記ノズルヘッドの噴射口を中心軸線から半径方向にずらし、前記噴射口よりも噴射方向下流側で前記噴射軸線が、形成すべき穴の中心軸線に交差する状態を保った状態で、ノズルヘッドを前記中心軸線まわりに回転させながら、前記中心軸線に平行な方向に移動させることを特徴とする穴形成方法。
  13. 前記噴射口よりも噴射方向上流側で前記噴射軸線が前記中心軸線に交差する状態を保った状態で、噴射される流体ジェットが形成すべき穴の周壁部を周回するように、ノズルヘッドを前記中心軸線に平行な軸線まわりに角変位および前記中心軸線に垂直な任意の方向に移動させることを特徴とする請求項１２記載の穴形成方法。
  14. 複数の噴射口から予め定める噴射軸線に沿って複数の流体ジェットをそれぞれ噴射するノズルヘッドを用いて加工対象物に穴を形成する穴形成方法において、
    前記複数の流体ジェットのうちの少なくとも１つを、穴が形成されるべき加工対象物の中心軸線近傍の端面に向けて噴出し、複数の流体ジェットのうちの他の少なくとも１つを加工対象物の周壁部分に向けて噴出し、各流体ジェットの噴射軸線が前記中心軸線に対してそれぞれ傾斜し、前記中心軸線に垂直な方向における各流体ジェットの噴射反力の和が予め定める範囲で均衡するように各流体ジェットを噴射させることを特徴とする穴形成方法。
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