JPH0733754B2 - 液体ジェットを用いたみぞ掘削方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 本発明は、液体ジェットを用いたみぞ掘削方法及び装置
に関するものである。なお、本明細書中において液体ジ
ェットとは、液体中に研磨材を混濁させた、いわゆるア
ブレーシブウォータジェットも含まれるものとする。

（ロ）従来の技術 第10図に従来の液体ジェットを用いたみぞ掘削装置を示
す。液体ジェットノズル（以下、本明細書中において
は、単にノズルと称する）100は、回転するツール102の
先端部に軸心から所定の角度θ傾いて取り付けられてお
り、ツール102を回転させながら液体ジェットを噴出す
ることにより被掘削物104にツール102の直径よりも大き
い直径を有する穴を掘削し、ツール102を掘削面に沿っ
て移動させながらみぞ106を形成させる。こうすること
によって、ツール102がみぞ106の中を移動する際、壁面
に接触して損傷するような不具合を防止している。ツー
ル102を軸方向に移動させる移動量を変えることによ
り、みぞ106の深さを変えることができる。ツール102の
液体ジェットを噴射するための高圧水は、高圧用スイベ
ルジョイントを介して回転するツール102内に導入され
る。

（ハ）発明が解決しようとする課題 しかしながら、上記のような従来の液体ジェットを用い
たみぞ掘削方法及び装置によると、高価な高圧用スイベ
ルジョイントを使用する必要がある。本発明はこのよう
な課題を解決することを目的としている。

（ニ）課題を解決するための手段 本発明は、ノズルを一平面内に揺動させながらこの平面
と直交する方向の運動成分を含む繰り返し運動を行わ
せ、順次掘削面側に前進させることにより上記課題を解
決する。すなわち、本発明による液体ジェットを用いた
みぞ掘削方法は、液体ジェットを噴射するノズルを一平
面内に揺動させながらこの平面と直交する方向の運動成
分を含む繰り返し運動を行わせ、順次掘削面側に前進さ
せることにより掘削部にみぞを形成することを要旨とし
ている。繰り返し運動の折返し点近傍において、繰り返
し運動を減速又は一時停止させるようにしてもよい。

また本発明による液体ジェットを用いたみぞ掘削装置
は、所定位置に移動させて固定することが可能なフレー
ム（２）と、フレーム（２）上を前後進装置（6,7及び
８）によって移動可能な移動台（４）と、移動台（４）
に搭載され先端部のレバー（20）を一平面内で揺動させ
ることが可能な揺動装置（10）と、移動台（４）に搭載
され先端部のヘッド（16）を上記一平面に直交する運動
成分を含む繰り返し運動をさせることが可能な繰り返し
運動装置（12）と、ノズル取り付け部材（16）に取り付
けられ液体ジェットを噴射可能なノズル（18）と、を有
しており、ノズル取り付け部材（16）は、レバー（20）
に繰り返し運動可能に支持されている。なお、かっこ内
の符号は後述の実施例の対応する部材を示す。

（ホ）作用 液体ジェット用のノズルをトンネルなどの掘削面に向
け、液体ジェットを噴射させる。同時にノズルは一軸を
支点として一平面内を所定の揺動角度範囲で揺動させな
がら、これと直交する方向の運動成分を含む繰り返し運
動、例えば一点を中心に揺動平面を横切る円運動をさせ
る。これにより掘削面にノズル揺動方向の細長いみぞが
形成される。繰り返し運動の振幅を変えることによって
みぞの幅を変えることができる。みぞは次第に深くなっ
ていくが、これに応じてノズルを掘削面側に前進させ
る。これによりみぞは更に深くなっていく。形成された
みぞ内にノズルを進入させ、最終的には所定深さのみぞ
を形成する。これにより例えばコンクリートの場合であ
っても深さ1mに達するみぞを形成することができる。

１回のみぞの掘削作業が終了すると、次に新しいみぞの
掘削作業を開始する。その場合に、すでに形成されたみ
ぞの一端に新たに形成するみぞの一端が位置するように
ノズルを設置する。こうすることによつてみぞを順次接
続していき、所定長さの連続みぞとすることができる。
この際、繰り返し運動の折り返し点（ノズルがみぞ幅方
向にもっとも振られた点）近傍で繰り返し運動を減速又
は一時停止させることによって、壁面における掘削時間
を長くとることができ、掘削残りの少ないみぞ形状を得
ることができる。

（ヘ）実施例 （第１実施例） 第１及び２図に液体ジェットを用いたみぞ掘削装置を示
す。フレーム２上に移動台４が第１及び２図中左右方向
に移動可能に設けられている。なお、フレーム２自体は
図示していないロボットアームの先端に取付けられてお
り、所望の位置まで移動させて静止させることができ
る。移動台４はフレーム２に設けられたモータ６（前後
進装置）によってプーリ７及びベルト８を介して駆動さ
れ、位置が制御される。なお、移動台４の底面にはベル
ト８に固定される接続部材５が取り付けられている。移
動台４に揺動装置10及び繰り返し運動装置12が設けられ
ている。揺動装置10及び繰り返し運動装置12を以下に説
明する。

（揺動装置10） 揺動装置10は、二又部20a及び20bを有するＹ字状をした
レバー20と、一端側24aが二又部20aの先端部のすり割り
にはめ合わされピン22をもって回動可能に支持されると
共に、他端側24bに連結穴を有するリンク24と、一端側2
8aが上記二又部20bをピン26をもって回動可能に支持す
ると共に、他端側に張り出し部28bが設けられたアーム2
8と、リンク24の一端側24a及びアーム28の一端側28aに
ピン30及び32をもってそれぞれ支持されたリンク34と、
リンク24をピン32を支点として第１図において左右方向
に揺動させる駆動装置36と、を有しており、リンク24を
左右方向に揺動させることにより、レバー20をピン26を
支点として第１図において紙面と平行な平面内を上下方
向に揺動させることができる。なお、レバー20には、後
述する繰り返し運動装置12のフォーク56を取り付ける穴
20c及び同様に後述する偏心カム60の軸部を回転可能に
支持する軸受け部20dが設けられている。駆動装置36
は、端部に揺動軸受け部37aを有する筒状のケース37
と、一端を揺動軸受け部37aと連結され他端をピン30に
よりリンク24及びアーム28と連結されるねじ軸38と、こ
れとねじ結合される棒状のナット40と、ナット40と一体
的に取り付けられると共にケース37内に軸受け50により
回転可能に支持されるギヤ42と、これとかみ合うギヤ44
と、ケース37内に取り付けられギヤ44を駆動するモータ
46と、を有している。モータ46には減速機52及び位置決
め用のエンコーダ54が取り付けられている。ケース37の
揺動軸受け部37aは、移動台４に固定されたトラニオン
機構48に揺動可能に支持されている。これによりリンク
24がピン32を支点として図中左右方向に動いてアーム28
との軸間距離が変化しても、ケース37がトラニオン機構
48のトラニオン軸を支点として図中上下方向に揺動する
ことにより軸間距離の変化に追従することができる。な
お、駆動装置36はあらかじめ設定された周期で回転方向
が反転するようにされており、これにより第１図中＋β
から−βで示す角度範囲においてレバー20を所定の周期
で揺動させることが可能である。

（繰り返し運動装置12） 繰り返し運動装置12は、揺動装置10のレバー20の穴20c
にはめ合わされる軸部56aを有し一端側にすり割りの設
けられたフォーク56と、中間部が上記すり割りにはめ合
わされピン58によって回動可能に支持され一端にノズル
取り付け部16aを有し他端に球面受け部16bを有するヘッ
ド16と、軸部の一端側が偏心して先端部に球面端部60a
が形成されて上記球面受け部16bとはめ合わされると共
に他端部に継ぎ手部60bが形成された偏心カム60と、一
端部に偏心カム60の継ぎ手部60bと組み合わされる継ぎ
手部62aを有し他端部に継ぎ手部62bを有するユニバーサ
ルジョイント62と、上記継ぎ手部62bと組み合わされる
回転継ぎ手64と、回転継ぎ手64を回転させる回転駆動装
置66と、を有している。なお、偏心カム60の軸部は、揺
動装置10のレバー20の軸受け部20dにより回転可能に支
持されている。ユニバーサルジョイント62は、中間部に
スプライン穴部68と、これに軸方向移動可能にはめ合わ
されるスプライン軸部70とを有しており、これにより軸
方向に伸縮可能である。回転駆動装置66には減速機72,
クラッチ・ブレーキ機構74及びモータ76が取り付けられ
ている。回転駆動装置66によって回転継ぎ手64を回転駆
動することにより、偏心カム60の球面端部60aを円運動
状に繰り返し運動させることが可能である。すなわち、
ヘッド16はフォーク56の軸部56a及びピン58を支点とし
て第１図中紙面と直交する方向の運動成分を含む繰り返
し運動をすることが可能である。移動台４には、近接セ
ンサ78a及び78bが取り付けられており、回転継ぎ手64の
半径方向に取り付け角度を180度ずらして取り付けられ
た検出子79a及び79bの通過を検出して信号を発生するよ
うになっている。すなわち、近接センサ78a及び78bは、
回転継ぎ手64の180度回転ごとに交互に信号を発生する
ことが可能である。この信号を入力とする制御装置73の
制御信号によりクラッチ・ブレーキ機構74を作動させて
モータ76の回転を減速又は一時停止させることができ
る。

上記ヘッド16のノズル取り付け部16aには、液体ジェッ
トを噴射するノズル18が取り付けられている。ヘッド16
には、高圧水用ホース82及び研磨材用ホース84が取り付
けられると共に、内部に高圧水用ホース82からの高圧水
と研磨材用ホース84からの研磨材とを混合してノズル18
に供給する混合室80が設けられている。高圧水用ホース
82には図示しない高圧水ポンプから高圧水が供給され、
また、研磨材用ホース84には図示しない研磨材供給ポン
プから研磨材が供給されるようになっている。ノズル18
は、高圧水と研磨材とを混合室80内で混合した研削液を
液体ジェットとして掘削面86に噴射可能である。

移動台４側とジェット噴射部14側とを隔てるようにカバ
ー88が設けられている。カバー88は、リンク24,アーム2
8上記２本のホース82,84及びユニバーサルジョイント62
が貫通するように設けられており、これにより液体ジェ
ットの飛散による移動台４側に設けた機器の汚染を防止
することができる。

次にこの第１実施例の作動を説明する。まず、図示しな
いロボットアームによってフレーム２を位置決めし、固
定させる。移動台４は第１及び２図において図示位置よ
りも左方に後退させ、ノズル18を掘削面86に対面させて
おく。このときノズル18は揺動の一方の端部（例えば第
１図のｍ位置）にあり、近接センサ用の検出子79a及び7
9bは、近接センサ78a及び78bの取り付け位置から90度ず
れて、かつ互いに180度離れて位置するように回転継ぎ
手64に対する取り付け位置を調整しておく。この状態で
ジェットの噴出を開始させる。すなわち、高圧水用ホー
ス82及び研磨材用ホース84を通してヘッド16にそれぞれ
高圧水及び研磨材を供給し、混合室80内で両者を混合
し、研磨材を含んだジェットをノズル18から噴出させ
る。ノズル18から噴出したジェットは高圧水及び研磨材
の運動エネルギーによってコンクリート、岩などを切削
する。同時に回転駆動装置66を駆動して回転継ぎ手64を
回転させる。これによりユニバーサルジョイント62が回
転して偏心カム60を回転させる。これによりヘッド16
は、フォーク56の軸部56aの軸心及びピン58の軸心を支
点として第２図において＋αから−αで示す角度範囲を
円運動状の繰り返し運動が行われ、深さＨの円形穴状の
掘削が行われる。一方、駆動装置36のモータ46を駆動し
て減速機52を介してギヤ44を回転させる。これによりギ
ヤ42,ナット40が回転され、ねじ軸38が軸方向に移動す
る。リンク24はピン32を支点として第１図において左右
方向（例えば右方向）に揺動し、これに伴ってレバー20
はピン26を支点として（例えばｍからｎに向かって）＋
βから−βで示す範囲において紙面と平行な平面内を揺
動することになる。すなわち、ノズル18は、第３図に示
すように円運動状の繰り返し運動をしながら横方向に揺
動して掘削を行うことになる。この際、第２図から見て
繰り返し運動の折り返し点、すなわち第２図の点ａ及び
ｂで示す上下位置ごとに近接センサ78a及び78bが交互に
信号を発生し、制御装置73に入力される。制御装置73は
クラッチ・ブレーキ機構74を制御してモータ76を点ａ及
びｂ近傍で減速又は一時停止させる。これにより、第６
図に示すような所望の断面形状のみぞを掘削することが
できる。

以下、この運動原理を説明する。第３図において、点ａ
からｂを通って１周する間のノズル18の動きを紙面と直
交し、かつ揺動平面と直交する平面に投影してみると、
点a,bを結ぶ線分ab上を往復運動する動きとして表され
る。この動きを縦軸に振幅をとり、横軸に時間をとって
各点ごとの時間をプロットすると第４図に示すような曲
線が描かれる。破線で示すＡ曲線は、１振幅（点ａから
出発して点ｂを通り点ａに戻るまで）の間に減速又は一
時停止することなく、すなわちノズル18を等速度で円形
に繰り返し運動させた場合に得られる。一点鎖線で示す
Ｃ曲線はａ及びｂ点において比較的長い時間停止させた
場合に得られる。実線で示すＢ曲線は中間の停止時間の
場合に得られる。このような時間分布によって繰り返し
運動をさせると、まず、ノズル18を連続的に繰り返し運
動させた場合には、第５図Ａに示すような中央部が深く
図中において上下方向の壁面に掘削残りの多いみぞ断面
形状となる。これは第５図において上下方向の壁面部に
かける掘削時間が短すぎることを示している。点ａ及び
ｂ近傍で一時停止する時間が所定値より長すぎる場合に
は同図Ｃに示すような上下方向の壁面が深く掘削されて
中央部に掘削残りがあるみぞ断面形状となる。ほぼ理想
的な停止時間に設定すると第６図Ｂで示すようなみぞ断
面形状となる。なお、上記の説明では、繰り返し運動を
一時停止するようにしたが、停止させずに減速するよう
にしてもよい。

実験によると、繰り返し運動角度α＝±５゜としたと
き、繰り返し運動中心部付近の時間割合をＡの2/3に減
らし、残り1/3を点ａ及びｂ移動させた、Ｂのようにす
ると、第６図Ｂで示すような断面形状が得られた。

（第２実施例） 第７図に本発明の第２実施例を示す。これの第１実施例
と異なるところは、ヘッド140は、軸部140aと、繰り返
し運動装置12の球面部60aに対面する端部側に軸部140a
の軸心と直交する方向に設けられた穴140bを有してお
り、軸部140aはレバー20の穴20cにはめ合わされると共
に、穴140bにはめ合わされるピン144と、ピン144によっ
て軸140の軸心と直交する軸回りに回動可能に一端側が
支持されたリンク142を有していることである。リンク1
42は他端側には球面穴142aが設けられており、この穴内
に偏心カム60の球面部60aが回転可能にはめ合わされて
いる。なお、第１実施例において用いられていたフォー
ク56とピン58とは本実施例においては用いられていな
い。また、ヘッド140には球面穴（第１実施例における
符号60a）は設けられていない。

次にこの第２実施例の作動を説明する。回転駆動装置66
によってユニバーサルジョイント62が回転させられる
と、偏心カム60も回転し、偏心した球面部60が半径ｅの
円運動をする。この円運動によってヘッド140は軸部140
aを支点として図中紙面と直交する方向に揺動すること
になる。すなわち、本実施例においては繰り返し運動は
揺動運動であり、揺動装置10による揺動運動と合成され
た動きは第８図に示すようになる。なお、同図は図中左
右方向に揺動させながら、上下方向に繰り返し運動をさ
せ、上下の端部ａ及びｂ点において繰り返し運動を一時
停止させた場合を示している。また、第９図に示すよう
に、繰り返し運動中は、揺動装置10の運動を停止させて
おき、繰り返し運動が一時停止している間に揺動装置10
を一方向に所定角度運動させ、次の繰り返し運動が一時
停止している間に揺動装置10を逆方向に所定角度運動さ
せるようにしてもよい。

（ト）発明の効果 以上説明してきたように、本発明によると、ヘッドを揺
動させつつ、これと直交する方向の運動成分を含む繰り
返し運動をさせると共に掘削面側に前進させるようにし
たので、ヘッド及びノズルは揺動及び繰り返し運動を行
うだけで回転はしないため、高価な高圧水用スイベルジ
ョイントを用いる必要がない。また、繰り返し運動の途
中で運動を一時停止又は減速させることにより、みぞの
幅方向における掘削残りを少なくすることができ、これ
によりトンネルなどの掘削作業の能率が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例である液体ジェットを用い
たみぞ掘削装置の正面図、第２図は第１図に示す液体ジ
ェットを用いたみぞ掘削装置の平面図、第３図は第１実
施例におけるノズルの軌跡を説明する図、第４図は繰り
返し運動の振幅位置に対する時間分布を示す曲線図、第
５及び６図は形成されたみぞの断面を示す図、第７図は
本発明の第２実施例である液体ジェットを用いたみぞ掘
削装置の部分正面図、第８及び９図は第２実施例におけ
るノズルの軌跡を説明する図、第10図は従来の液体ジェ
ットを用いたみぞ掘削装置による掘削状況を説明する図
である。 ２……フレーム、４……移動台、６……モータ、７……
プーリ、８……ベルト、10……揺動装置、12……繰り返
し運動装置、16……ヘッド、18……ノズル、20……レバ
ー。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 忍谷 孝治 広島県広島市安芸区船越南１丁目６番１号 株式会社日本製鋼所内 (72)発明者 宮永 佳晴 東京都中央区銀座６丁目15番１号 電源開 発株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】掘削部に深いみぞを形成する液体ジェット
   を用いたみぞ掘削方法において、 液体ジェットを噴射するノズルを一平面内に揺動させな
   がら、上記一平面と直交する方向の運動成分を含む繰り
   返し運動をさせ、順次掘削面側に前進させることにより
   掘削部にみぞを形成することを特徴とする液体ジェット
   を用いたみぞ掘削方法。
2. 【請求項２】繰り返し運動の折返し点近傍において、繰
   り返し運動を減速又は一時停止させることを特徴とする
   請求項１記載の液体ジェットを用いたみぞ掘削方法。
3. 【請求項３】所定位置に移動させて固定することが可能
   なフレーム（２）と、フレーム（２）上を前後進装置
   （６）によって移動可能な移動台（４）と、移動台
   （４）に搭載され先端部のレバー（20）を一平面内で揺
   動させることが可能な揺動装置（10）と、移動台（４）
   に搭載され先端部のノズル取り付け部材（16）を上記一
   平面に直交する運動成分を含む繰り返し運動をさせるこ
   とが可能な繰り返し運動装置（12）と、ノズル取り付け
   部材（16）に取り付けられ液体ジェットを噴射可能なノ
   ズル（18）と、を有しており、ノズル取り付け部材（1
   6）は、レバー（20）に繰り返し運動可能に支持されて
   いる液体ジェットを用いたみぞ掘削装置。