(57)【要約】バインダ材を焼結してなる結合相の中に超砥粒が分散配置されて形成されたビットを円筒状のチューブの先端に設けてコアビットとし、ダイレクトモータによってコアビットを軸線回りに回転駆動し、回転するコアビットの先端で脆性材料からなる被掘削物を穿孔するよう穿孔装置を構成した。このとき、コアビットが穿孔時に０．６Ｎ／ｍｍ２以上の圧力で被掘削物に押し当てられた状態で、ビットの外周側の周速が３００ｍ／ｍｉｎ以上となるようにコアビットを回転するように構成した。
2002094527.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超硬合金あるいは結合相の中に超砥粒が分散配置されて形成されたビットが棒状あるいは円筒状の工具本体の先端に設けられた穿孔工具と、前記穿孔工具を軸線回りに回転駆動する回転駆動装置とを有し、回転駆動された前記穿孔工具の先端を脆性材料からなる被掘削物に押し当てて該被掘削物を穿孔するよう構成された穿孔装置であって、
前記回転駆動装置は、穿孔時に、前記穿孔工具を０．６Ｎ／ｍｍ２以上の所定の圧力で前記被掘削物に押し当てながら前記ビットの外周側の周速を３００ｍ／ｍｉｎ以上に保つように構成されている穿孔装置。
【請求項２】
請求項１に記載の穿孔装置であって、
前記穿孔工具は、その直径が３ｍｍ以上２００ｍｍ以下とされている穿孔装置。
【請求項３】
請求項１に記載の穿孔装置であって、
前記穿孔工具は、その直径が３ｍｍ以上１５ｍｍ未満とされている穿孔装置。
【請求項４】
請求項１に記載の穿孔装置であって、
前記穿孔工具は、その直径が１５ｍｍ以上５０ｍｍ未満とされている穿孔装置。
【請求項５】
請求項１に記載の穿孔装置であって、
前記穿孔工具は、その直径が５０ｍｍ以上２００ｍｍ以下とされている穿孔装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の穿孔装置であって、
前記回転駆動装置は、先端部に前記穿孔工具が取り付けられる回転軸が貫通されて一体的に設けられた筒状のロータと、このロータの外周面に設けられた円筒状のステータとを備えている穿孔装置。
【請求項７】
円筒状の工具本体の先端に、超硬合金あるいは結合相の中に超砥粒が分散配置されて形成されたビットが設けられてなる穿孔工具を軸線回りに回転駆動し、回転駆動された前記穿孔工具の先端を脆性材料からなる被掘削物に押し当てて該被掘削物を穿孔する穿孔工法であって、
前記穿孔工具を０．６Ｎ／ｍｍ２以上の所定の圧力で前記被掘削物に押し当て、前記ビットの外周側の周速を３００ｍ／ｍｉｎ以上に保ちながら前記被掘削物を穿孔する穿孔工法。
【請求項８】
請求項７に記載の穿孔工法であって、
前記工具本体の直径が３ｍｍ以上２００ｍｍ以下とされた前記穿孔工具を用いる穿孔工法。
【請求項９】
請求項７に記載の穿孔工法であって、
前記工具本体の直径が３ｍｍ以上１５ｍｍ未満とされた前記穿孔工具を用いる穿孔工法。
【請求項１０】
請求項７に記載の穿孔工法であって、
前記工具本体の直径が１５ｍｍ以上５０ｍｍ未満とされた前記穿孔工具を用いる穿孔工法。
【請求項１１】
請求項７に記載の穿孔工法であって、
前記工具本体の直径が５０ｍｍ以上２００ｍｍ以下とされた前記穿孔工具を用いる穿孔工法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、一般に、コンクリート、アスファルト、御影石や大理石等の石材、及び岩盤等の脆性材料からなる被掘削物を穿孔するための穿孔装置及び穿孔工法に係り、特にタイル張りされた壁のタイルや目地等を穿孔する際に用いられたり、トンネルや下水管等の内面に敷設されたコンクリート壁を穿孔する際に用いられて好適な穿孔装置及び穿孔工法に関する。
背景技術
既設されたコンクリート製の壁を補強する方法として、まずこの壁を大きくくり貫き、このくり貫かれた開口部に鉄製のブレス（筋交い）を設け、次いでこのブレスと開口部の内周面に配設させたアンカとをコンクリートで固めることによって壁全体を補強しようとする方法がある。このときアンカは、開口部の内周面に設けた穴に収容させることによって配設される。
このアンカを配設するための穴は、例えば、図１１に示すように、バインダ材を焼結してなる結合相中に超硬合金あるいは超砥粒が分散配置されて形成されたチップ状のビット８０ａが円筒状の工具本体の先端に設けられてなるコアビット８０（穿孔工具）と、このコアビット８０を軸線まわりに回転させるためのモータ８１（回転駆動装置）とを備えた穿孔装置によって形成される。
すなわち、穿孔の際には、被掘削物であるコンクリート８２にコアビット８０の先端に設けられたビット８０ａを回転させつつ押し当てることによってコンクリート８２を穿孔し、円柱状のコア芯８３を形成する。そして、コンクリート８２内部に残存するコア芯８３の根元８３ａを折ってからコア芯８３を引き抜くことによって、コアビット８０の径に応じて、例えば直径１５〜５０ｍｍ程度、深さ５０〜５００ｍｍ程度の穴が形成される。
また、トンネルの内面に敷設されたコンクリート壁の崩落を防ぐために、このコンクリート壁を貫通してコンクリート壁の裏側の岩盤にまで至る穴を穿設し、この穴からコンクリート壁と岩盤との間にグラウト材等を注入してコンクリート壁を補強することが行われている。
コンクリート壁を穿孔する際には、岩盤を削孔する従来の削岩機は、削岩機による振動がかえって崩落を促進するとの理由で採用されず、そのかわりに、コンクリート製の構造物を穿孔するために図１１に示すような穿孔装置が同様に使用されている。この場合、コアビット８０の径に応じて、例えば直径７０〜１００ｍｍ程度の穴が穿設される。
また、外壁がタイル張りされた建築物の老朽化に伴うタイルの剥落を防止するために、タイルやタイルの間の目地を穿孔して下地のコンクリートの壁まで到達する穴を形成し、この穴から剥がれかかったタイルの裏側に樹脂を注入してタイルを固着させることが行われている。このようなタイルやタイルの目地の穿孔には、例えば、コンクリートを穿孔する小形の振動ドリルが用いられている。
ところが通常の振動ドリルは、穿孔時にドリルを振動させ、ハンマーのように被掘削物を打ち砕きながら穿孔するため、かえってタイルの剥落を促進し、外壁を傷めてしまうという欠点を有している。そこで、棒状あるいは円筒状の工具本体の先端にビットが設けられた穿孔工具と、この穿孔工具を軸線回りに回転駆動する回転駆動装置とを備えた穿孔装置が用いられる。
図に示すような従来の穿孔装置は、モータの所定の出力パワーで得られる発生トルクを上げるため、ギア等により回転数を下げて、コアビットの取り付けられる回転軸を回転駆動している。ここでいう出力パワーとは、モータの内部での損失を含まないモータの外側に取り出すことができる出力パワーのことである。この出力パワーは、ギヤ等の回転伝達機構により回転が伝達される過程で、摩擦等により低減されるが、最終的にはコアビットを回転駆動する穿孔装置の出力パワーに変換される。この穿孔装置の出力パワーが穿孔に供せられるものとなる。
すなわち、掘削時に被掘削物から受ける抵抗によってコアビットの先端に加わる接線方向の力の総和をＦｔとし、コアビットの半径をｒと表すとすると、穿孔に際してコアビットを一周させるために必要な仕事は、２πｒＦｔと表すことができるから、コアビットが単位時間当たりｆＮ回転するとき、穿孔装置の仕事率は２πｒＦｔｆＮと表すことができる。この関係は、２πｆＮを角速度ωと表し、ｒωがコアビットの外周側の周速ｖであることから、２πｒＦｔｆＮ＝ｖＦｔと表せば、より明確となる。ところで、ｒＦｔはコアビットを回転させるために必要な発生トルクであるから、この発生トルクをＴとすると、穿孔装置の出力パワーは、回転数と発生トルクとの積に比例してＰ出力∝ＴｆＮと表すことができる。
このように、穿孔装置の出力パワーＰ出力がある一定の値となる条件のもとで、発生トルクＴを上げるため、ギヤ等による出力パワーの伝達ロスは存在するものの、モータの回転数をギヤ等により下げて穿孔工具の回転数ｆＮが低減される。
ところで、上述したような従来の穿孔装置は、穿孔速度が遅いという欠点を有していた。このため、工期が長期化し、穿孔時に発生する騒音や振動によって周囲の環境を悪化させるという問題を招来していた。
例えば、トンネルの補修を行う場合には、５００〜１０００ｍｍの深さの穴を多数穿設しなければならない。ところが、従来の穿孔装置を用いる場合、一個所の穴を穿設するのに３０分程度は必要であり、全ての穴を穿設し終えるまでに人件費だけで膨大な工費が必要になるという問題があった。
また、トンネルのコンクリート壁に限らず、近年では、下水管の内面のコンクリート壁を穿孔し、下水管の裏側に耐食材を注入する工事も行われている。このように、長距離にわたるコンクリート壁に、短い工期で多数の穴を穿設するための適切な技術の開発が求められていた。
また、上述したような従来の穿孔装置は、振動ドリルで用いられるような打撃振動を用いず、しかも、穿孔工具の回転数を下げながら穿孔するため、穿孔速度が通常の振動ドリルに比べて遅いという欠点を有していた。一般に施工の悪い建築物等では、外壁のほとんどのタイルが剥離しかけている場合がある。タイルを全部きれいに剥がしてタイルを張り替える作業は実際にはかなり面倒であり、結局、剥がれかけたタイルの裏側に全て樹脂を注入することが行われる。この場合、穿孔しなければならない穴の数は膨大なものである。このため、穿孔時間の増加から工期の長期化とコストの増加をきたすといった問題があった。こういった理由から、振動ドリルに比べて遜色無く早く穿孔することができ、とりわけ、穿孔時の振動がタイルの剥落を助長しないような、振動の少ない穿孔装置の開発が望まれていた。
本発明は、所定深さ穿孔するために要する仕事の無駄をなくしてその値を低減し、短時間で被掘削物を穿孔することができる穿孔装置および穿孔工法を提供することを目的とする。
発明の開示
本発明者は、超硬合金あるいは結合相の中に超砥粒が分散配置されて形成されたビットが所定の直径を有する円筒状の工具本体の先端に設けられてなる穿孔工具を回転駆動させ、その先端を脆性を有する被掘削物、例えば、コンクリート、アスファルト、御影石や大理石等の石材、岩盤等に０．６Ｎ／ｍｍ２以上の所定の圧力で押し当てて穿孔を行う際、穿孔工具の先端のビットの周速が２２０ｍ／ｍｉｎより下の領域では、所定深さ穿孔するために必要となる仕事がビットの周速とともに増加して、ビットの周速を増加させるにもかかわらず穿孔速度を効果的に増加できないという事実を見出すと同時に、ビットの周速が少なくとも３００ｍ／ｍｉｎ以上になると、穿孔するために必要な仕事が減少し、ビットの周速を上げることによって高速に穿孔することができるようになるという知見を得て本発明に至った。
すなわち、本発明は、超硬合金あるいは結合相の中に超砥粒が分散配置されて形成されたビットが、棒状あるいは円筒状の工具本体の先端に設けられた穿孔工具と、前記穿孔工具を軸線回りに回転駆動する回転駆動装置とを有し、回転駆動された前記穿孔工具の先端を脆性材料からなる被掘削物に押し当てて該被掘削物を穿孔するよう構成された穿孔装置であって、前記回転駆動装置は、穿孔時に、前記穿孔工具を０．６Ｎ／ｍｍ２以上の所定の圧力で前記被掘削物に押し当てながら前記ビットの外周側の周速を３００ｍ／ｍｉｎ以上に保つように構成されていることを特徴とする。
本発明においては、棒状あるいは円筒状の工具本体の先端にビットが設けられてなる穿孔工具を用い、コンクリート、アスファルト、御影石や大理石等の石材、岩盤、タイルやその間の目地等の脆性材料からなる被掘削物の穿孔が行われる。この場合、回転する穿孔工具の先端を０．６Ｎ／ｍｍ２以上の所定の圧力で被掘削物に押し当てながらビットの外周側の周速を３００ｍ／ｍｉｎ以上に保つと、掘削時にビットが被掘削物から受ける抵抗が低減し、所定深さの穴を穿孔するのに必要な仕事（以後穿孔仕事量ということもある）を低減することができる。こうして、ビットの周速を増加させることによって、穿孔速度を増加させることができる。
ビットの周速が２２０ｍ／ｍｉｎから３００ｍ／ｍｉｎの間の領域は、穿孔仕事量が周速とともに急速に減少する領域であり、穿孔速度は、基本的にはビットの周速が２５０ｍ／ｍｉｎを超えた辺りからビットの周速とともに増加を始める。このため、穿孔時に、穿孔工具を０．６Ｎ／ｍｍ２以上の所定の圧力で被掘削物に押し当てながらビットの外周側の周速を２５０ｍ／ｍｉｎ以上に保つように穿孔装置が構成されていると、周速の増加とともに穿孔速度を増加させることができる。
また、穿孔時に、穿孔工具を０．６Ｎ／ｍｍ２以上の所定の圧力で被掘削物に押し当てながらビットの周速を４００ｍ／ｍｉｎ以上に保つように穿孔装置が構成されていると、脆性材料からなる被掘削物の種類によらず、穿孔速度を増加させることができる。
なお、ビットを被掘削物に強く押し付けすぎると、ビットが破損するため、６Ｎ／ｍｍ２以下で穿孔を行うことが望ましい。より好ましくは、ビットを３Ｎ／ｍｍ２程度の圧力で押し付けながら穿孔を行うことにより、効率的な穿孔が可能となる。
また、２０００ｍ／ｍｉｎ以下の周速で穿孔を行うことが望ましい。というのも、ビットの周速を高速にしすぎると、回転駆動装置内のベアリング等が破損したり、特に筒状の物体を高速回転すると、動バランスが大きくなって物体の破壊につながって危険であるためであり、また、従来のドリルと異なり、穿孔工具の外周には螺旋状の溝等は通常設けられておらず、穴の壁面と穿孔工具の間が閉塞状態となって穿孔されることから、周速が高いと、研削による熱を切り粉、あるいは水、空気等のクーラントによって放出することが困難となるためである。
また、本発明の穿孔装置において、前記穿孔工具は、その直径が３ｍｍ以上２００ｍｍ以下とされていてもよい。この直径の穿孔工具において、確実に穿孔速度の増加を図ることができる。
また、本発明の穿孔装置において、前記穿孔工具は、その直径が３ｍｍ以上１５ｍｍ未満とされていてもよい。この直径の穿孔工具において、特に棒状の工具本体を用いて細径の穴を穿孔する際に確実に穿孔速度の増加を図ることができる。
また、本発明の穿孔装置において、前記穿孔工具は、その直径が１５ｍｍ以上５０ｍｍ未満とされていてもよい。この直径の穿孔工具において、特に円筒状の工具本体を用いて確実に穿孔速度の増加を図ることができる。
また、本発明の穿孔装置において、前記穿孔工具は、その直径が５０ｍｍ以上２００ｍｍ以下されていてもよい。この直径の穿孔工具において、特に円筒状の工具本体を用いて確実に穿孔速度の増加を図ることができる。
また本発明の穿孔装置において、前記回転駆動装置は、先端部に前記穿孔工具が取り付けられる回転軸が貫通されて一体的に設けられた筒状のロータと、このロータの外周面に設けられた円筒状のステータとを備えていることを特徴とする。
このように、本発明においては、ロータの回転軸に穿孔工具がギヤ等を介さず直接取り付けられるので、回転伝達系での仕事の損失が無く、モータの出力パワーをそのまま穿孔装置の出力パワーとすることができる。そして、穿孔装置の小形軽量化を図ることができる。
なお、穿孔時に、ビットには接線方向に単位面積当たり少なくとも０．２Ｎ／ｍｍ２程度の力が必要となる。このため、直径１５ｍｍ以上２００ｍｍ以下の穿孔工具の先端に、刃厚２ｍｍ程度のビットが周方向に亘って連続して設けられている場合、穿孔工具の直径に応じて少なくとも０．１４Ｎｍ〜２５Ｎｍ程度のトルクが必要になる。直径３ｍｍ以上１５ｍｍ未満の棒状あるいは円筒状の穿孔工具の場合も先端のビットの面積に対応したトルクが必要になる。このトルクが負荷としてかけられた状態で、ビットの周速を３００ｍ／ｍｉｎ以上に保つために、モータを構成するロータもしくはステータのいずれか一方は、ネオジウム・鉄・ボロン系もしくはサマリウム・コバルト系の希土類のマグネットを有して構成され、このマグネットの最大磁気エネルギー積が１００ｋＪｍ−３以上とされていることが望ましい。これにより、モータのトルク定数を容易に０．１Ｎｍ／Ａ以上に高めることができる。そして、直流モータの小形軽量化を図り、高い出力を維持しながら高速回転を可能にすることができる。
また、上記回転軸には、回転軸後端側から先端側の工具本体に貫通する連通孔が軸線に沿って穿設されていてもよい。これにより、回転軸側から、コア芯を取り出すための押出棒等を設けたり、穿孔工具先端に向けて水やエア等の流体を送出することが可能となる。
さらに、モータに直流電圧を供給する電源が制御部を有し、この制御部が発生トルクＴや回転数ｆＮを検出して、必要な発生トルクＴや周速が得られるように直流モータに印加する電圧を調整するように構成されていてもよい。より具体的には、直流モータに印加される電圧をＶＭとすると、発生トルクＴと回転数ｆＮとの
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ことを用いて、制御部がモータの既知の特性曲線に基づいて、検出される電流ＩＭの値から発生トルクＴを算出し、さらには、印加された電圧ＶＭの値から回転数ｆＮを算出、あるいは、エンコーダ等によって回転数ｆＮを直接検出するような構成とされていてもよい。そして、例えば、この制御部は、まず無負荷の状態で穿孔工具の周速が３００ｍ／ｍｉｎ以上の所定の値となるように電圧ＶＭの値を調整し、被掘削物に向けて穿孔装置を送るよう構成された穿孔装置送り機構を制御して、０．６Ｎ／ｍｍ２以上の所定の圧力で穿孔工具を被掘削物に向けて送り、穿孔工具の先端が被掘削物に食い付き穿孔を開始することで穿孔工具にトルクがかかると同時に、印加する電圧ＶＭの値を調整して穿孔工具の周速を３００ｍ／ｍｉｎ以上の所定の値に保つように構成されていてもよい。
また、本発明は、円筒状の工具本体の先端に、超硬合金あるいは結合相の中に超砥粒が分散配置されて形成されたビットが設けられてなる穿孔工具を軸線回りに回転駆動し、回転駆動された前記穿孔工具の先端を脆性材料からなる被掘削物に押し当てて該被掘削物を穿孔する穿孔工法であって、前記穿孔工具を０．６Ｎ／ｍｍ２以上の所定の圧力で前記被掘削物に押し当て、前記ビットの外周側の周速を３００ｍ／ｍｉｎ以上に保ちながら前記被掘削物を穿孔することを特徴とする。
本発明においては、回転する穿孔工具の先端を０．６Ｎ／ｍｍ２以上の所定の圧力で被掘削物に押し当てて被掘削物を掘削する状態で、ビットの外周側の周速を３００ｍ／ｍｉｎ以上に保つことで掘削時にビットが被掘削物から受ける抵抗が低減し、所定深さの穴を穿孔するのに必要な仕事を低い値で一定に保つことができる。こうして、ビットの周速を増加させることによって、穿孔速度を効果的に増加させることができる。
なお、ビットを被掘削物に強く押し付けすぎると、ビットが破損するため、６Ｎ／ｍｍ２以下で穿孔を行うことが望ましい。より好ましくは、ビットを３Ｎ／ｍｍ２程度の圧力で押し付けながら穿孔を行うことにより、効率的な穿孔が可能となる。
また、２０００ｍ／ｍｉｎ以下の周速で穿孔を行うことが望ましい。というのも、ビットの周速を高速にしすぎると、回転駆動装置内のベアリング等が破損したり、特に筒状の物体を高速回転すると、動バランスが大きくなって物体の破壊につながって危険であるためであり、また、従来のドリルと異なり、穿孔工具の外周には螺旋状の溝等は通常設けられておらず、穴の壁面と穿孔工具の間が閉塞状態となって穿孔されることから、周速が高いと、研削による熱を切り粉、あるいは水、空気等のクーラントによって放出することが困難となるためである。
例えば、まず無負荷の状態で穿孔工具の周速が３００ｍ／ｍｉｎ以上の所定の値となるように調整する。そして、所定の送り速度にて穿孔工具を回転させながら穿孔装置を被掘削物に向けて送り、穿孔工具の先端が被掘削物に食い付き穿孔を開始することで穿孔工具にトルクがかかると同時に、穿孔するための出力と送りの速度とを調整して、穿孔工具の周速を３００ｍ／ｍｉｎ以上の所定の値に保ちながら穿孔を行う。
ところで、ビットの周速が２２０ｍ／ｍｉｎから３００ｍ／ｍｉｎの間の領域は、穿孔仕事量が周速とともに急速に減少する領域であり、穿孔速度は、基本的にはビットの周速が２５０ｍ／ｍｉｎを超えた辺りからビットの周速とともに増加を始める。このため、穿孔時に、穿孔工具を０．６Ｎ／ｍｍ２以上の所定の圧力で被掘削物に押し当てながらビットの外周側の周速を２５０ｍ／ｍｉｎ以上にして穿孔すると、周速の増加とともに穿孔速度を増加させることができる。
また、穿孔時に、穿孔工具を０．６Ｎ／ｍｍ２以上の所定の圧力で被掘削物に押し当てながらビットの周速を４００ｍ／ｍｉｎ以上に保つようにして穿孔すると、脆性材料からなる被掘削物の種類によらず、確実に穿孔速度を増加させることができる。
また、本発明の穿孔工法において、前記穿孔工具は、その直径が３ｍｍ以上２００ｍｍ以下とされていてもよい。この場合、確実に穿孔速度の増加を図ることができる。
また、本発明の穿孔工法において、前記穿孔工具は、その直径が３ｍｍ以上１５ｍｍ未満とされていてもよい。この場合、特に棒状の工具本体を用いて細径の穴を穿孔する際に確実に穿孔速度の増加を図ることができる。
また、本発明の穿孔工法において、前記穿孔工具は、その直径が１５ｍｍ以上５０ｍｍ未満とされていてもよい。この場合、特に円筒状の工具本体を用いて確実に穿孔速度の増加を図ることができる。
また、本発明の穿孔工法において、前記穿孔工具は、その直径が５０ｍｍ以上２００ｍｍ以下とされていてもよい。この場合、特に円筒状の工具本体を用いて確実に穿孔速度の増加を図ることができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明による穿孔装置を図面に基づき説明する。
図１ないし図５に、本発明に係る穿孔装置の第一の実施例を示す。図において、符号１は、穿孔装置、符号１ａは、穿孔装置本体、符号１ｂは、電源であり、符号２は、この電源１ｂによって駆動される穿孔装置本体１ａを構成する本実施例の直流モータ（以後ダイレクトモータと称する）である。
穿孔装置１は、アスファルト、コンクリート、御影石や大理石等の石材、及び岩盤等の被掘削物Ｃに設置される設置部１３０と、この設置部１３０に回動自在に連結され、設置部１３０に対して傾斜可能とされた支柱部１４０とを有している。そして、穿孔装置本体１ａは、電源１ｂと別体に設けられ、支柱部１４０に進退自在に取り付けられるスライド機構１４１を介して支柱部１４０に支持されている。
また、穿孔装置１は、穿孔装置１を制御する遠隔制御部２００が穿孔装置本体１ａ及び電源１ｂと別体に設けられて構成されている。この制御部２００には、ダイレクトモータ２（回転駆動装置）の回転数を調整してダイレクトモータ２を始動または停止させたりするための回転数調整つまみ１６１と、電源のインターロックにより電源１ｂの出力電圧が零に落ちた場合に再び電圧を出力させるリセットボタン１６２が設けられている。
ダイレクトモータ２は、直流電圧が印加されて回転する直流モータとされ、図２に示すように、その中心に円筒状の回転軸１１を有しており、この回転軸１１の先端には、アダプタ１２が回転軸１１の先端に形成されたネジ部１１ａに着脱自在に螺設され、このアダプタ１２に円筒状のコアビット１３（穿孔工具）が回転軸１１と互いに連通するように着脱可能に取り付けられている。
ここで、アダプタ１２は、中空の略円筒形状を呈し、基端側に回転軸１１先端のネジ部１１ａに螺合する雌ネジ部１２ａが、また、先端側には、コアビット１３の基端が取り付けられる雌ネジ部１２ｂが回転軸１１の軸線Ｏ方向に沿って設けられている。ここで、雌ネジ部１２ａは、穿孔時の回転によって回転軸１１に締めつけられる向きに形成されている。
また、コアビット１３は、直径が１５〜５０ｍｍの円筒状に形成された中空のチューブ１４（工具本体）の先端に、ビット１５が円周方向へ略円環状に装着された構造とされている。ここで、ビット１５は、メタルボンドあるいはレジンボンドのようなバインダ材を焼結して固めてなる結合相の中に超硬合金、あるいは超砥粒（ダイヤモンド砥粒やＣＢＮ砥粒）を分散配置させて形成されている。あるいは、被掘削物が大理石である場合には、電着によって結合相中に超砥粒が分散配置されて形成されている。そして、このようなビット１５が先端に装着されたコアビット１３が軸線回りに回転駆動させられ、軸線方向先端側へ送られることによって被掘削物Ｃを掘削し、円柱状のコアを形成するように構成されている。
このコアビット１３の基端側には、アダプタ１２に取り付けられる着脱部１３ａが設けられている。この着脱部１３ａには、アダプタ１２の雌ネジ部１２ｂに螺合する雄ネジ部１３ｂがコアビット１３の軸線方向に沿って形成されている。ここで、雄ネジ部１３ｂは、穿孔時のコアビット１３の回転によって、コアビット１３がアダプタ１２に締めつけられる向きに形成されている。
ダイレクトモータ２は、回転軸１１に直結された工具であるコアビット１３をギヤ等の回転伝達機構を用いずに直接回転させるダイレクトタイプのモータで、直径１５ｍｍ以上５０ｍｍ未満のコアビット１３が、穿孔時に０．６Ｎ／ｍｍ２〜６Ｎ／ｍｍ２の範囲の圧力で被掘削物Ｃに押し当てられながら、３００ｍ／ｍｉｎ〜２０００ｍ／ｍｉｎの周速で回転可能となるように構成されている。
また、ダイレクトモータ２は、ハウジング１６内に、例えばポリイミド等の耐熱樹脂が被覆されたコイルが巻回されてなるロータ１７と、このロータ１７の外周面に設けられ、永久磁石を有する円筒状のステータ１８とを備えた構成とされている。そして、回転軸１１は、前記ロータ１７の中心に形成された挿通孔１７ａ内へ圧入されるようにして挿通され、ロータ１７に一体的に固定されている。
ここで、ステータ１８のマグネットとしては、小形軽量で高いトルクが得られるように、一般的に用いられるフェライトマグネットあるいはアルニコマグネットと比較して、遥かに高い最大磁気エネルギー積が１００ｋＪｍ−３以上とされたネオジウム・鉄・ボロン系もしくはサマリウム・コバルト系の希土類の高密度マグネットが用いられている。また、ロータ１７は、その直径がその長さ寸法よりも小さい値とされている。これにより、本実施例におけるダイレクトモータ２のトルク定数は、０．１２Ｎｍ／Ａとされており、本実施例においては、発生トルクＴ（単位はＮｍ）とダイレクトモータ２に流れる電流ＩＭ（単位はＡ）の間には、Ｔ＝０．１２×ＩＭ−０．６の関係が成立している。
ダイレクトモータ２を納めるハウジング１６の上壁部１６ａ及び下壁部１６ｂの内側には、ロータ１２を回転自在に支持するための軸受１９ａ，１９ｂがそれぞれ設置されている。すなわち、軸受１９ａ，１９ｂは、ロータ１７の中心に挿通された回転軸１１の上下端部近傍を支持するようになっており、回転軸１１及びこの回転軸１１が挿通されたロータ１７に作用するスラスト方向の力とラジアル方向の力とを受けることが可能な構成となっている。
このダイレクトモータ２の後端部には、回転軸１１の後端部と回転可能かつ液密状態に連結されたメカニカルシール部３８を回転自在に支持する回転軸支持台２０と、回転軸支持台２０の上に固定され、回転軸１１の後端部を収める上部ハウジング２１とが設けられている。
この上部ハウジング２１には、回転軸１１の中心の貫通孔１１ａと連通する流路２２が形成されており、この流路２２は、上部ハウジング２１の側方に開口されている。この側方に開口された開口部２３には、チューブ２４が接続されるようになっており、このチューブ２４から湿式掘削のための冷却水が送り込まれるようになっている。
そして、このチューブ２４から上部ハウジング２１の流路２２を通り、回転軸１１の貫通孔１１ａへ導かれ、その後、回転軸１１の先端部にアダプタ１２を介して連結されたコアビット１３内に送り込まれ、ビット１５による掘削箇所が冷却されるようになっている。
また、上部ハウジング２１には、その後端部に、取り付けねじ部３１が形成されており、この取り付けねじ部３１には、キャップ３２がねじ込み固定されるようになっている。このキャップ３２には、その中心に挿通孔３４が形成されている。また、上部ハウジング２１には、キャップ３２の挿通孔３４及び回転軸１１の貫通孔１１ａと連通する連通孔３５が形成されている。そして、これら互いに連通した挿通孔３４、連通孔３５及び貫通孔１１ａには、押出棒３６が挿通されている。なお、押出棒３６とキャップ３２の挿通孔３４との間には、Ｏリング３７が設けられてシールされている。
なお、符号２５は、ダイレクトモータ２のハウジング１６内における上方側にて、回転軸１１に接触するように、その周方向へ配設されたブラシ部であり、このブラシ部２５に直流の電圧が印加され、駆動電流が供給されるようになっている。
ダイレクトモータ２に直流電流を供給する電源１ｂは、電源本体５を有し、さらに、作業現場に供給される交流源に電源本体５を接続するためのプラグ５１を有した入力ケーブル５２を備えている。電源本体５には、メインスイッチ５３に加えて、入力側の電源の許容電流量に応じて適宜電流量を選択出来る電流量選択スイッチ５４が設けられている。なお、ここでは図示されぬが、電源本体５には、この他にも穿孔作業緊急停止用のスイッチ、電源冷却用の冷却水を導入するための冷却水導入口等が設けられている。
上記穿孔装置本体１ａと電源１ｂとの間には、ケーブル７が設けられている。このケーブル７は、電源１ｂからダイレクトモータ２に直流電流を供給する図示されぬ２本の電流供給線、アース線等が防水性を有する防水カバー７４によって束ねられて一本のケーブルとされており、穿孔装置本体１ａの搬送に際しては、電流供給線、アース線等が一体で引き回されるように構成されている。
さらに、ケーブル７の穿孔装置本体１ａ側の一端には、電流供給線、アース線等が水密、かつ、一体で穿孔装置本体１ａに接続されるように多芯の穿孔装置本体接続部７ａが設けられ、電源１ｂ側の他端には、電流供給線、アース線等が水密、かつ、一体で電源１ｂに接続されるように多芯のモータ電源接続部７ｂが設けられている。そして、防水カバー７４は、これら穿孔装置本体接続部７ａと、モータ電源接続部７ｂとに水密性を保って取り付けられており、ケーブル７が水に浸漬されても、内側の電流供給線、電源を制御する導線、及び、アース線等は、防水されるように構成されている。
支柱部１４０は、図３にも示すように、一対の長尺の支柱板１４０ａ，１４０ａからなるもので、これら支柱板１４０ａ同士の間には、支柱部１４０の長手方向にわたって、ボールスクリュー９１が設けられている。この、ボールスクリュー９１は、支柱部１４０の上下端部近傍に設けられた軸受１０１に回転可能に支持されている。
この支柱部１４０に進退自在に取り付けられるスライド機構１４１は、図３に示すように、支柱板１４０ａ，１４０ａの周囲を囲うように設けられたスライドボックス９４と、このスライドボックス９４に固定されてスライドボックス９４内にてボールスクリュー９１がねじ込まれたスライド部材９５とを有しており、また、スライドボックス９４と支柱板５ａとの間には、支柱板５ａに対して円滑な摺動状態を確保するスライドプレート９６が設けられている。そして、ボールスクリュー９１が回動されると、このボールスクリュー９１がねじ込まれたスライド部材９５とともにスライドボックス９４が支柱部１４０に対してスライドし、スライド機構１４１全体が支柱部１４０に沿ってその長手方向に移動するように構成されている。
この移動方向は、ボールスクリュー９１の回転方向によって決まり、ボールスクリュー９１の時計周りもしくは反時計周りの回転により、スライド機構１４１に固定された穿孔装置本体１ａが支柱部１４０に支持されて被掘削物Ｃに対して進退移動されるようになっている。
このボールスクリュー９１は、支柱部１４０の上端部に設けられた移動機構１６０（穿孔装置送り機構）によって回転されるようになっている。すなわち、移動機構１６０は、図４に示すように、収納ボックス１０３内に設けられた移動用モータ１０４を有しており、この移動用モータ１０４の回転軸１０４ａには、クラッチ１０５を介して駆動プーリ１０６が接続されている。この駆動プーリ１０６とボールスクリュー９１の上端部に固定された従動プーリ１０２には、伝達ベルト１０７が巻回されており、この伝達ベルト１０７によって、移動用モータ１０４の回転駆動力がボールスクリュー９１に伝達され、ボールスクリュー９１が回動されるようになっている。ここで、移動機構１６０の移動用モータ１０４と伝達ベルト１０７が巻回された駆動プーリ１０６との間に設けられたクラッチ１０５は、磁力による磁粉の結合力によって軸同士を所定力によって連結する電磁クラッチとされている。
こうして、移動機構１６０がボールスクリュー９１を回転駆動することによって、穿孔装置本体１ａが支柱部１４０に沿って移動させられるようになっている。
なお、穿孔装置本体１ａは、ボールスクリュー以外にも、ピニオンとラックの組み合わせによって移動させられるように構成されていてもよい。
遠隔制御部２００には、この移動機構１６０を制御するため、移動機構１６０の移動用モータ１０４の駆動のＯＮ・ＯＦＦを行う電源スイッチ１０８及び移動用モータ１０４の回転速度を調整する速度調整つまみ１０９が設けられている。
図５は、穿孔装置１の電気回路的構成を模式的にブロック図で示したものである。図５に示すように、電源１ｂは、トライアックＴのゲートＧに与えるトリガ電流の点弧角を調整することによって入力側Ｔ１の交流電圧の位相の一部を周期的に出力側Ｔ２に出力する位相制御部５６と、ダイレクトモータ２に直流電圧を印加するよう位相制御部５６の出力側Ｔ２の電圧を整流して電圧脈動を平滑化する整流部５７とを備えている。
位相制御部５６は、トライアックＴのゲートＧに例えばダイアック等からのトリガ電流を与える電源制御部５８（制御部）を有しており、遠隔制御部２００に設けられた回転数調整つまみ１６１からの入力（図中ＶＡＬで示す）、及びリセットボタン１６２からの入力（図中ＲＥＳで示す）に基づき適宜トリガ電流の点弧角を調整して、出力側Ｔ２への出力を制御するよう構成されている。
さらに、電源１ｂは、ダイレクトモータ２を流れる電流ＩＭを検出する電流検出器５９を備えており、電流検出器５９により検出された電流値がしきい値を超えるとただちに電圧を出力停止するようにモータ駆動電圧停止手段としてのブレーカを有している。
整流部５７は、サインカーブの山の一部が切り取られたような位相制御部５６の出力電圧を全波整流するためのダイオード部５７ａと、ダイレクトモータ２に電気的に並列に接続され、電圧を整流して電圧脈動を平滑化するコンデンサー５７ｂとを備えている。さらに、整流部５７には、ダイレクトモーター２が停止する際にコンデンサー５７ｂから迅速に蓄えられた電荷を放出させる図示されぬ回路が設けられており、蓄えられた電荷によりダイレクトモーター２が再び回転始動されないようになっている。
また、電源１ｂは、上述したような手動による穿孔装置の制御から自動制御に切り替えるための不図示の切替スイッチを有している。電源制御部５８は、自動制御に切り替えられると、検出されるダイレクトモータ２を流れる電流ＩＭに基づき、内部に設置されたメモリー内に入力されている既知の特性曲線のデータから発生トルクＴを算出し、さらに、トリガ電流の点弧角からダイレクトモータ２に印加される電圧ＶＭを算出してダイレクトモータ２の回転数、換言すればコアビット１３の回転数ｆＮを算出するように構成されている。
加えて、電源制御部５８は、移動機構１６０を制御する移動機構制御部１６０ａに信号を送信することによって移動機構１６０を制御し、穿孔装置本体１ａの送りの速度、すなわち穿孔速度を調整するように構成されている。そして、トリガ電流の点弧角を調整することによってダイレクトモータ２に印加される電圧ＶＭを調整するとともに、コアビット１３の周速を３００ｍ／ｍｉｎ以上の所定の値に設定するように構成されている。
次に、上記構成の穿孔装置１の作用、並びに穿孔装置１を用いた被掘削物Ｃへの穿孔作業について説明する。
まず、支柱部１４０の上方側へ位置させた穿孔装置本体１ａを、被掘削物Ｃの所定の穿孔位置に、回転軸１１の軸線が一致するように位置決めし、設置部１３０を被掘削物Ｃに固定する。
このように穿孔装置本体１ａを被掘削物Ｃに設置したら、穿孔装置本体接続部７ａを穿孔装置本体１ａに、モータ電源接続部７ｂを電源１ｂに接続して穿孔装置本体１ａと電源１ｂとの間をケーブル７によって電気的に接続する。電源１ｂのメインスイッチ５３をＯＮ側にし、交流電圧供給側の許容電流に合わせて電流量選択スイッチ５４を設定する。リセットボタン１６２を押し、ダイレクトモータ２のブラシ２５に直流電圧を印加してロータ１７（あるいはステータ１８）のコイルに通電し、ロータ１７を高速回転させるとともに、湿式で穿孔するために、図示しない冷却水供給装置からチューブ２４を介して冷却水を送り込む。トルクが０の状態のこの時の回転数は、手動の場合には、コアビット１３の周速が３００ｍ／ｍｉｎ以上の所定の値となるように、遠隔制御部２００に設けられた回転数調整つまみ１６１を回すことによって設定する。自動制御の場合には、電源制御部５８によってコアビット１３の周速が３００ｍ／ｍｉｎ以上の所定の値となるようにダイレクトモータ２に印加される電圧ＶＭの値が自動調整される。
そして、コアビット１３を高速で回転させた状態で、移動機構１６０によって穿孔装置本体１ａを下降させることにより、回転軸１１の先端部に連結したコアビット１３のビット１５を０．６Ｎ／ｍｍ２以上の圧力で被掘削物Ｃの表面に押し当てる。これにより、高速にて回転されているビット１５によって被掘削物Ｃに環状の穴Ｈが形成される。このとき、自動制御の場合には、コアビット１３の先端が被掘削物Ｃに食い付き穿孔を開始することでコアビット１３にトルクがかかると同時に、ダイレクトモータ２に印加する電圧ＶＭの値が制御され、コアビット１３の周速が３００ｍ／ｍｉｎ以上の所定の値に設定される。そして、印加する電圧ＶＭの値、及び、移動機構１６０を制御して、穿孔工具の周速を３００ｍ／ｍｉｎ以上の所定の値に保ちながら、０．６Ｎ／ｍｍ２以上の所定の圧力で穿孔工具を送る。
このような穿孔作業中にビット１５が被掘削物Ｃを補強するための鉄筋等の硬い補強体に当接し、突然ダイレクトモータ２の回転が抑制された場合には、誘導電圧が突如減少して巻線抵抗のみとなり過大な電流が流れる。このため、しきい値を適宜設定して、電流検出器５９によって検出された電流値がしきい値を超えたら、ただちにブレーカによって位相制御部５６からの出力が停止される。こうして、ビット１５が鉄筋等の補強体に当接した場合には、ダイレクトモータ２の回転が直ちに停止し、穿孔作業が中断される。
このように、インターロックが作動して穿孔作業が中断された場合には、穿孔する位置を変え、鉄筋に当たらないようにして作業を再開する。この時、ダイレクトモータ２を再度回転させるためにリセットボタン１６２を押す。
なお、穿孔作業中、仮に冷却水がケーブル７にかかることがあっても、ケーブル７の防水性が保たれているため、漏電や短絡等は起きない。
このようにして、所定深さまで環状の穴Ｈを形成したら、穿孔装置本体１ａを上昇させて穴Ｈからビット１５を引き抜き、中心のコアを取り除くことにより、アンカー穴が形成される。ここで、穴Ｈからビット１５を引き抜いた際に、コアビット１３内にコアが残留した場合は、押出棒３６を先端側へ押出す。
上述のように、本実施例によれば、コアビット１３は、回転軸１１からコアビット１３に直接回転力を付与させるダイレクトモータ２によって極めて高速にて回転され、ビット１５の周速が３００ｍ／ｍｉｎとなるようにすることができる。
回転するコアビット１３の先端を０．６Ｎ／ｍｍ２以上の所定の圧力で被掘削物Ｃに押し当て被掘削物Ｃを掘削する状態で、ビット１５の外周側の周速を３００ｍ／ｍｉｎ以上に保つことで掘削時にビット１５が被掘削物から受ける抵抗が低減し、所定深さの穴Ｈを穿孔するのに必要な仕事を減少させることができる。こうして、ビット１５の周速を増加させることによって、穿孔速度を増加させることができる。
また、コアビット１３は、その直径が１５ｍｍ以上５０ｍｍ未満とされているので、確実に穿孔速度の増加を図ることができる。
また、ロータ１７の中心に形成された挿通孔１７ａへ回転軸１１を圧入して直接固定して一体化したものであるので、穿孔装置本体１ａの全体の剛性を大幅に向上させることができ、これにより、コアビット１３を高速回転させて穴を形成することが可能となり、従来の場合と比較して、その穿孔速度を大幅に高めることができる。こうして、穿孔作業を迅速に行うことができ、穿孔作業を有する各種施工作業の工期の短縮化を図ることができる。
上述のように本実施例によれば、所定深さ穿孔するために要する仕事の無駄をなくしてその値を低減し、短時間で被掘削物を穿孔することができる。
なお、上記の実施例においては、穿孔工具としてのコアビットをギヤ等の回転伝達機構を介さず、回転駆動装置としての直流モータに直接取り付ける構成としたが、超硬合金あるいは結合相の中に超砥粒が分散配置されて形成されたビットが先端に装着されたコアビットを用いて脆性材料からなる被掘削物を穿孔する場合、０．６Ｎ／ｍｍ２以上の圧力でコアビットを被掘削物に押し当てながら、ビットの外周側の周速を３００ｍ／ｍｉｎ以上で回転させながら穿孔する穿孔装置であれば、回転駆動装置は、油圧モータを用いたものであっても、ギヤを備えたものであっても構わないことは言うまでもない。ここで言う回転駆動装置とは、当業者であれば想到し得る全ての回転駆動手段を含むものである。
次に、本発明による第二の実施例を図８及び図９を用いて説明する。図において、図１〜図５にそれぞれ対応する部分は、その構成が全く同じであるため同一の符号を付し、ここではその説明を省略するが、同一の符号に関しては、上記の第一の実施例と全く同じように動作し機能するものである。特に、図８および図９には、図３および図５に示される構成は示されていないが、以下に述べる第二の実施例も図３および図５に示される構成と同じ構成を有している。
本実施例において、コアビット２１３は、直径が５０〜２００ｍｍの円筒状に形成された中空のチューブ２１４（工具本体）の先端に、ビット２１５が円周方向へ略円環状に装着された構造とされている。ここで、ビット２１５は、メタルボンドあるいはレジンボンドのようなバインダ材を焼結して固めてなる結合相の中に超硬合金、あるいは超砥粒（ダイヤモンド砥粒やＣＢＮ砥粒）を分散配置させて形成されている。あるいは、被掘削物が大理石である場合には、電着によって結合相中に超砥粒が分散配置されて形成されている。そして、このようなビット２１５が先端に装着されたコアビット２１３が軸線回りに回転駆動させられ、軸線方向先端側へ送られることによって被掘削物Ｃを掘削し、円柱状のコアを形成するように構成されている。
コアビット２１３の基端側には、アダプタ２１２に取り付けられる着脱部２１３ａが設けられている。この着脱部２１３ａには、アダプタ２１２の雌ネジ部２１２ｂに螺合する雄ネジ部２１３ｂがコアビット２１３の軸線方向に沿って形成されている。なお、雄ネジ部２１３ｂは、穿孔時のコアビット２１３の回転によって、コアビット２１３がアダプタ２１２に締めつけられる向きに形成されている。
アダプタ２１２は、中空の略円筒形状を呈し、基端側に回転軸１１先端のネジ部１１ａに螺合する雌ネジ部２１２ａが、また、先端側には、コアビット２１３の基端が取り付けられる雌ネジ部２１２ｂが回転軸１１の軸線Ｏ方向に沿って設けられている。なお、雌ネジ部２１２ａは、穿孔時の回転によって回転軸１１に締めつけられる向きに形成されている。
ダイレクトモータ２は、その中心に円筒状の回転軸１１を有しており、この回転軸１１の先端に、アダプタ２１２が回転軸１１の先端に形成されたネジ部１１ａに着脱自在に螺設され、このアダプタ２１２に円筒状のコアビット２１３（穿孔工具）が回転軸１１と互いに連通するように着脱可能に取り付けられている。このダイレクトモータ２は、回転軸１１に直結された工具であるコアビット１３をギヤ等の回転伝達機構を用いずに直接回転させるダイレクトタイプのモータで、直径５０ｍｍ以上２００ｍｍ未満のコアビット１３が、穿孔時に０．６Ｎ／ｍｍ２〜６Ｎ／ｍｍ２の範囲の圧力で被掘削物Ｃに押し当てられながら、３００ｍ／ｍｉｎ〜２０００ｍ／ｍｉｎの周速で回転可能となるように構成されている。
上述のように、本実施例によれば、コアビット２１３は、回転軸１１からコアビット２１３に直接回転力を付与させるダイレクトモータ２によって極めて高速にて回転され、ビット２１５の周速が３００ｍ／ｍｉｎとなるようにすることができる。
回転するコアビット２１３の先端を０．６Ｎ／ｍｍ２以上の所定の圧力で被掘削物Ｃに押し当て被掘削物Ｃを掘削する状態で、ビット２１５の外周側の周速を３００ｍ／ｍｉｎ以上に保つことで掘削時にビット１５が被掘削物から受ける抵抗が低減し、所定深さの穴Ｈを穿孔するのに必要な仕事を減少させることができる。こうして、ビット２１５の周速を増加させることによって、穿孔速度を増加させることができる。
また、コアビット２１３は、その直径が５０ｍｍ以上２００ｍｍ未満とされているので、確実に穿孔速度の増加を図ることができる。
また、ロータ１７の中心に形成された挿通孔１７ａへ回転軸１１を圧入して直接固定して一体化したものであるので、穿孔装置本体１ａの全体の剛性を大幅に向上させることができ、これにより、コアビット２１３を高速回転させて穴を形成することが可能となり、従来の場合と比較して、その穿孔速度を大幅に高めることができる。こうして、穿孔作業を迅速に行うことができ、穿孔作業を有する各種施工作業の工期の短縮化を図ることができる。
なお、上記第二の実施例においては、穿孔工具としてのコアビットをギヤ等の回転伝達機構を介さず、回転駆動装置としての直流モータに直接取り付ける構成としたが、超硬合金あるいは結合相の中に超砥粒が分散配置されて形成されたビットが先端に装着されたコアビットを用いて脆性材料からなる被掘削物を穿孔する場合、０．６Ｎ／ｍｍ２以上の圧力でコアビットを被掘削物に押し当てながら、ビットの外周側の周速を３００ｍ／ｍｉｎ以上で回転させながら穿孔する穿孔装置であれば、回転駆動装置は、油圧モータを用いたものであっても、ギヤを備えたものであっても構わないことは言うまでもない。ここで言う回転駆動装置とは、当業者であれば想到し得る全ての回転駆動手段を含むものである。
次に、本発明による第三の実施例を図１０を用いて説明する。
図１０において、符号３０１は穿孔装置であり、符号３０２は、この穿孔装置３０１を構成する直流モータとしてのダイレクトモータ（回転駆動装置）である。
ダイレクトモータ３０２は、直流電圧が印加されて回転する直流モータであり、図に示すように、その中心に円筒状の回転軸３１１を有しており、この回転軸３１１の先端には、アダプタ３１２が回転軸３１１の先端に形成されたネジ部３１１ａに着脱自在に螺設され、このアダプタ３１２に棒状の穿孔工具３１３が着脱可能に螺設されている。
ここで、アダプタ３１２は、中空の略円筒形状を呈し、基端側に回転軸３１１先端のネジ部３１１ａに螺合する雌ネジ部３１２ａが、また、先端側には、穿孔工具３１３の基端が取り付けられる雌ネジ部３１２ｂが回転軸３１１の軸線Ｏ方向に沿って設けられている。ここで、雌ネジ部３１２ａは、穿孔時の回転によって回転軸３１１に締めつけられる向きに形成されている。
また、穿孔工具３１３は、直径が３〜１５ｍｍの棒状の工具本体３１４の先端に、ビット３１５が装着された構造とされている。ここで、ビット３１５は、メタルボンドあるいはレジンボンドのようなバインダ材を焼結して固めてなる結合相中に超硬合金、あるいは超砥粒（ダイヤモンド砥粒やＣＢＮ砥粒）を分散配置させて形成されている。あるいは、電着によって結合相中に超砥粒が分散配置されて形成されている。そして、このようなビット３１５が先端に装着された穿孔工具３１３が軸線回りに回転駆動させられ、軸線方向先端側へ送られることによって、タイルやタイルの目地といった脆性材料からなる被掘削物を穿孔するように構成されている。
この穿孔工具３１３の基端側には、アダプタ３１２の雌ネジ部３１２ｂに螺合する雄ネジ部１３ａが穿孔工具３１３の軸線方向に沿って形成されている。ここで、雄ネジ部３１３ａは、穿孔時の穿孔工具３１３の回転によって、穿孔工具３１３がアダプタ３１２に締めつけられる向きに形成されている。
ダイレクトモータ３０２は、回転軸３１１に直結された工具である穿孔工具３１３をギヤ等の回転伝達機構を用いずに直接回転させるダイレクトタイプのモータで、直径３ｍｍ以上１５ｍｍ未満の穿孔工具３１３が、穿孔時に０．６Ｎ／ｍｍ２〜６Ｎ／ｍｍ２の範囲の圧力で被掘削物に押し当てられながら、３００ｍ／ｍｉｎ〜２０００ｍ／ｍｉｎの周速で回転可能となるように構成されている。
また、ダイレクトモータ３０２は、ハウジング３１６内に、例えばポリイミド等の耐熱樹脂が被覆されたコイルが巻回されてなるロータ３１７と、このロータ３１７の外周面に設けられ、永久磁石を有する円筒状のステータ３１８とを備えた構成とされている。そして、回転軸３１１は、前記ロータ３１７の中心に形成された挿通孔３１７ａ内へ圧入されるようにして挿通され、ロータ３１７に一体的に固定されている。
ここで、ステータ３１８のマグネットとしては、小形軽量で高いトルクが得られるように、一般的に用いられるフェライトマグネットあるいはアルニコマグネットと比較して、遥かに高い最大磁気エネルギー積が１００ｋＪｍ−３以上とされたネオジウム・鉄・ボロン系もしくはサマリウム・コバルト系の希土類の高密度マグネットが用いられている。また、ロータ３１７は、その直径がその長さ寸法よりも小さい値とされている。これにより、本実施例におけるダイレクトモータ３０２のトルク定数は、０．１２Ｎｍ／Ａとされており、本実施例においては、発生トルクＴ（単位はＮｍ）とダイレクトモータ３０２に流れる電流ＩＭ（単位はＡ）の間には、Ｔ＝０．１２×ＩＭ−０．６の関係が成立している。
ダイレクトモータ３０２を納めるハウジング３１６の上壁部３１６ａ及び下壁部３１６ｂの内側には、ロータ３１２を回転自在に支持するための軸受３１９ａ，３１９ｂがそれぞれ設置されている。すなわち、軸受３１９ａ，３１９ｂは、ロータ３１７の中心に挿通された回転軸３１１の上下端部近傍を支持するようになっており、回転軸３１１及びこの回転軸３１１が挿通されたロータ３１７に作用するスラスト方向の力とラジアル方向の力とを受けることが可能な構成となっている。
また、このダイレクトモータ３０２の後端部には、回転軸３１１の後端部を収める上部ハウジング３２１が設けられている。
なお、符号３２５は、ダイレクトモータ３０２のハウジング３１６内における上方側にて、回転軸３１１に接触するように、その周方向へ配設されたブラシ部であり、このブラシ部３２５に直流の電圧が印加され、駆動電流が供給されるようになっている。
ダイレクトモータ３０２に直流電流を供給する電源は、穿孔装置３０１を手に持つための把持部３０３の中に組み込まれており、バッテリー（図示せず）と、このバッテリーとブラシ部３２５とを電気的に接続する配線部（図示せず）と、把持部先端側に指にかけられるように設けられたトリガー３３１に連動して回路のオン・オフを行うスイッチ部（図示せず）とから概略構成されている。
次に、上記構成の穿孔装置３０１の作用、並びに穿孔装置３０１を用いたタイルやタイルの目地といった脆性材料からなる被掘削物への穿孔作業について説明する。
まず、穿孔装置３０１を、把持部３０３にて把持し、被掘削物の所定の穿孔位置に、回転軸３１１の軸線が一致するように位置決めする。このように穿孔装置３０１を被掘削物に対して位置決めしたら、トリガー３３１を指で引いて、ダイレクトモータ３０２のブラシ３２５に直流電圧を印加してロータ３１７（あるいはステータ３１８）のコイルに通電し、ロータ３１７を高速回転させる。無負荷の状態のこの時の回転数は、手動の場合には、穿孔工具３１３の周速が３００ｍ／ｍｉｎ以上の所定の値となるように、ここでは図示されぬ回転数調整つまみを回すことによって設定する。自動制御の場合には、穿孔工具３１３の周速が３００ｍ／ｍｉｎ以上の所定の値となるようにダイレクトモータ３０２に印加される電圧ＶＭの値が自動調整される。
そして、穿孔工具３１３を高速で回転させた状態で、回転軸３１１の先端部に連結した穿孔工具３１３のビット３１５を被掘削物の表面に押し当てる。これにより、高速にて回転されているビット３１５によって被掘削物に穴が形成される。このとき、自動制御の場合には、穿孔工具３１３の先端が被掘削物に食い付き穿孔を開始することで穿孔工具３１３にトルクがかかると同時に、ダイレクトモータ３０２に印加する電圧ＶＭの値が制御され、穿孔工具３１３の周速が３００ｍ／ｍｉｎ以上の所定の値に設定される。そして、印加する電圧ＶＭの値を制御して、穿孔工具の周速を３００ｍ／ｍｉｎ以上の所定の値に保ちながら、０．６Ｎ／ｍｍ２以上の所定の圧力で穿孔工具を送る。ここで、穿孔時のリード角が大きくなって負荷が増大しないように、穿孔工具３１３の周速は、穿孔工具３１３の送りの速度が速くなるほど増加させられる
上述のように、本実施例によれば、穿孔工具３１３は、回転軸３１１から穿孔工具３１３に直接回転力を付与させるダイレクトモータ３０２によって極めて高速にて回転され、ビット３１５の周速が３００ｍ／ｍｉｎとなるようにすることができる。
回転するコアビット３１３の先端を０．６Ｎ／ｍｍ２以上の所定の圧力で被掘削物に押し当て被掘削物を掘削する状態で、ビット３１５の外周側の周速を３００ｍ／ｍｉｎ以上に保つことで掘削時にビット３１５が被掘削物から受ける抵抗が低減し、所定深さの穴を穿孔するのに必要な仕事を減少させることができる。こうして、ビット３１５の周速を増加させることによって、穿孔速度を増加させることができる。
また、コアビット２１３は、その直径が３ｍｍ以上１５ｍｍ未満とされているので、確実に穿孔速度の増加を図ることができる。
また、ロータ３１７の中心に形成された挿通孔３１７ａへ回転軸３１１を圧入して直接固定して一体化したものであるので、穿孔装置３０１の全体の剛性を大幅に向上させることができ、これにより、穿孔工具３１３を高速回転させて穴を形成することが可能となり、従来の場合と比較して、その穿孔速度を大幅に高めることができる。こうして、穿孔作業を迅速に行うことができ、穿孔作業を有する各種施工作業の工期の短縮化を図ることができる。
なお、上記の実施例においては、穿孔工具をギヤ等の回転伝達機構を介さず、回転駆動装置としての直流モータに直接取り付ける構成としたが、超硬合金あるいは結合相の中に超砥粒が分散配置されて形成されたビットが先端に装着されたコアビットを用いて脆性材料からなる被掘削物を穿孔する場合、０．６Ｎ／ｍｍ２以上の圧力でコアビットを被掘削物に押し当てながら、ビットの外周側の周速を３００ｍ／ｍｉｎ以上で回転させながら穿孔する穿孔装置であれば、回転駆動装置は、油圧モータを用いたものであっても、ギヤを備えたものであっても構わないことは言うまでもない。ここで言う回転駆動装置とは、当業者であれば想到し得る全ての回転駆動手段を含むものである。
実験例
次に、上記第一の実施例における穿孔装置１を用いた穿孔工法の実験例を説明する。
＜実験例１＞
上述の構成を備えた穿孔装置１において、ビット１５の周速を３００ｍ／ｍｉｎ以上とすると、実際に所定深さの穴を穿孔するのに必要な穿孔仕事量が低減し、周速の増加とともに穿孔速度の増加を図ることができることを検証実験のデータに基づき以下に詳述する。
被掘削物Ｃに対する穿孔速度を測定するため、発生トルクを略一定の値に保ちながら、一分間当たりのコアビット１３の回転数を変えてビット１５の周速を変え、それぞれの周速毎に、圧縮強度がＪＩＳ規格２１０ｋｇｆ／ｃｍ２のコンクリートからなる被掘削材Ｃに対して１００ｍｍないし２２０ｍｍの所定の深さを穿孔するのに要した穿孔時間を測定した。ここで、コアビット１３として、チューブ１４の先端に略全周に亘ってビット１５が装着されたものを用い、ビット１５として、その外径が２５ｍｍ、刃厚が２ｍｍ、軸方向の長さが６ｍｍ、メッシュサイズが＃４０／５０の高グレードのダイヤモンド砥粒を１．７６ｃｔ／ｃｃの密度でメタルボンド材としてＷ−Ｃｕ−Ｓｎ中に分散配置させて形成されたものを用いた。また、穿孔に際しては、略室温に近い冷却水を３ｌ／ｍｉｎ流しながら下向きに穿孔を行った。
表１〜表５は、無負荷時のコアビット１３の回転数がそれぞれ１０００ｒｐｍ、１５００ｒｐｍ、２０００ｒｐｍ、３０００ｒｐｍ、５０００ｒｐｍの場合に、被掘削物Ｃに向けて所定の圧力をかけながらコアビット１３を送り、ダイレクトモータ２に流れる電流を略一定の値に保ち、穿孔時になるべく同じようなトルクの負荷がコアビット１３にかかるようにして、その時の回転数と穿孔時間とを測定した結果である。これらの測定に際しては、コアビット１３の状態が測定中に変らなかったことを確認するため、測定に際しては、それぞれの測定の前後に、７０００ｒｐｍ程度の回転数で確認穿孔を行った。
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これらの表において、穿孔時にダイレクトモータ２に流れた電流値は略２８Ａ前後で一定していた。本実施例においては、発生トルクＴ（単位Ｎｍ）と電流ＩＭ（単位Ａ）との間に、Ｔ＝０．１２×ＩＭ−０．６の関係が成立しているので、以上の表においては発生トルクも一定に保たれ、ビット１５が被掘削物Ｃから受ける負荷が略一定であったことがわかる。つまり、ビット１５の外径は２５ｍｍで同じあるから、トルクが等しいということは、ビット１５の接線方向に加わる力が略一定であったことを意味している。ところで、ビット１５による被掘削物Ｃへの切り込みの深さが変ると、それに応じて、被掘削物Ｃから受ける抵抗も変るから、ビット１５の接線方向に加わる力が略一定であったということは、ビット１５の被掘削物Ｃへの切り込みの深さも略同じ程度であったか、あるいはそうでなかったとしても、仮に回転数が高い程コアビット１３ないしビット１５と、切粉ないし被掘削物Ｃとの間の摩擦が大きくなって負荷が大きくなるとすれば、少なくとも、ビット１５の被掘削物Ｃへの切り込みの深さは、回転数が高い場合には、回転数が低い場合に比べて大きくはなかったということを意味している。
また、表６は、穿孔時にコアビット１３にかかるトルクの負荷の値を二つの異なる値にして、異なる負荷条件での比較を行なうために、穿孔時にダイレクトモータ２に流れる電流値を１５Ａと３０Ａの二つの異なる値でそれぞれ略一定に保ち、無負荷時のコアビット１３の回転数がそれぞれ１０００ｒｐｍ、１５００ｒｐｍ、２０００ｒｐｍ、３０００ｒｐｍ、４０００、５０００ｒｐｍの場合に対して、被掘削物Ｃに向けて所定の圧力をかけながらコアビット１３を送り、その時の回転数と穿孔時間とを測定した結果である。
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さて、穿孔装置の穿孔を行う仕事率としての出力パワーＰ出力は、既に述べたように、回転数ｆＮとトルクＴとの積に比例して、Ｐ出力∝ＴｆＮと表されるから、発生トルクＴが略一定で回転数ｆＮを上げ、ビット１５の周速を上げれば、それに応じて出力パワーＰ出力も上がる。今、電流値を略一定に保ちながらビット１５に加わる接線方向の力を略一定に保ち、軸線方向に略一定の力ＦＮを加えながら穿孔を行っているから、所定の深さＬの穴を穿孔するための穿孔仕事量Ｅは、穿孔時間をΔｔとして、Ｅ＝２πＴｆＮ×Δｔ＋ＦＮＬとなる。先ず、摩擦等による仕事の消耗がないような理想的な場合、一定の深さを穿孔するために必要な穿孔仕事量Ｅは、回転数ｆＮに依らず一定であると考える。すると、穿孔に要する穿孔時間Δｔは、出力パワーＰ出力が増加するに伴って減少し、穿孔速度ＶＨ＝Ｌ／Δｔは、出力パワーＰ出力に比例して増加すると考えられる。
そこで、表１〜表６の値からビット１５の外周側の周速と穿孔速度とを割り出し、周速（単位ｍ／ｍｉｎ）を横軸、穿孔速度を縦軸にとってグラフ化したものが図６である。
ここで、表１〜表６中、略一定とは言うものの、若干（２割程度）変動する発生トルク値が穿孔速度に及ぼす影響を取り除いて穿孔速度を比較するため、図６では、穿孔速度を穿孔時の発生トルク値で割って規格化した量（Ｌ／Δｔ）／Ｔ（単位は１０−３Ｎ−１・ｓｅｃ−１）を穿孔速度として用いている。したがって、図６は、発生トルクの値は一定で、ビット１５の周速だけが変化した場合の穿孔速度の変化の様子を示すものである。図において、ひし形の点Ａ１、及び＋型の点Ａ２は、ダイレクトモータ２に流れる電流が３０Ａ程度のときのものであり、また、四角形の点Ａ３は、ダイレクトモータ２に流れる電流が１５Ａ程度のときのものである。
図から分かるように、周速が２２０ｍ／ｍｉｎ以下では、予想に反してコアビット１３の周速を増加させても穿孔速度がそれに比例して増加しない。むしろその値は、一定に留まっていることがわかる。しかも、ダイレクトモータ２に流れる電流、すなわち、発生トルクが異なっても、この傾向は変らない。既に述べたように、ビットによる切り込みの深さと発生トルクとは互いに関係していて、本実験例において発生トルクは一定であるから、この結果は、周速３００ｍ／ｍｉｎ以上で穿孔速度が増加するのは、周速とともに切り込みの深さが変るためではないことを示唆している。
図７は、穿孔装置を送るために必要な仕事は一定として無視し、表１〜表６の値から、穿孔装置によってなされる穿孔仕事量Ｅ０のみ着目してＥ０＝２πＴｆＮ×Δｔの関係を用いて穿孔装置による穿孔仕事量Ｅを割り出し、ビット１５の外周側の周速（単位ｍ／ｍｉｎ）を横軸に、単位深さ当たりの穿孔装置による穿孔仕事量（単位はＪ／ｍｍ）を縦軸にとってグラフ化したものである。図において、ひし形の点Ａ１、及び＋型の点Ａ２は、ダイレクトモータ２に流れる電流が３０Ａ程度のときのものであり、また、四角形の点Ａ３は、ダイレクトモータ２に流れる電流が１５Ａ程度のときのものである。図から、穿孔装置による穿孔仕事量Ｅ０が周速２２０ｍ／ｍｉｎ以下の領域で略周速に比例するように増加していることがわかる。しかも、ダイレクトモータ２に流れる電流が異なる場合も、それぞれの周速で穿孔仕事量Ｅ０の値は同じである。これは、ビット１５による切り込みの深さが大きいときには、負荷もその深さに比例して大きくなり、その一方で穿孔するために必要なコアビット１３の全回転数が少なくなるために、全体として穿孔仕事量Ｅ０が変わらなくなるためであると考えられる。いずれにせよ、コアビット１３を被掘削物Ｃに押し当てる際の圧力が異なり、コアビット１３に加わる負荷の値が変る場合でも、周速２２０ｍ／ｍｉｎ以下では、コアビット１３の周速の増加に伴って穿孔仕事量が増加するため、穿孔速度が増加しないことがわかる。
ところが、図７においてビットの周速の高い領域を見ると、周速が２５０ｍ／ｍｉｎから３００ｍ／ｍｉｎにかけて穿孔装置による穿孔仕事量Ｅ０が周速の増加とともに急激に減少し、少なくとも周速３００ｍ／ｍｉｎ以上の領域では、周速２２０ｍ／ｍｉｎでの穿孔仕事量の値の半分以下にまで低下することが分かる。この結果、図６にも示されているように、周速３００ｍ／ｍｉｎ以上で、穿孔速度は周速とともに単調に増加する。
上記に示した測定結果は、コアビットの直径が２５ｍｍのものを用いたものであるが、直径が１５ｍｍ以上５０ｍｍ未満のコアビットを用い、コアビットを０．６Ｎ／ｍｍ２以上の所定の圧力で送った場合にも似通った測定結果が得られ、コアビットの径によらず、ビットの外周側の周速が少なくとも３００ｍ／ｍｉｎ以上の場合に、穿孔装置による穿孔仕事量が減少して周速と共に穿孔速度が増加することが分かった。
以上述べてきたように、切り込み深さを一定に保つ目的で、発生トルクを一定に保つようにしながら穿孔を行なったところ、従来であれば、ビットの周速とともに穿孔速度が単調に増加することが予想されるにもかかわらず、本発明者らは、穿孔速度が周速の増加とともに単調に増加するのではなく、ビットの周速が２２０ｍ／ｍｉｎより遅いと、穿孔に必要な仕事量が増加するため有効に穿孔速度を増加させることができないことを発見し、さらに、穿孔に必要な仕事量がビットの周速２５０ｍ／ｍｉｎから３００ｍ／ｍｉｎにかけて減少して、ビットの周速が３００ｍ／ｍｉｎ以上になると、ビットの周速を増加させることによって効果的に穿孔速度を増加させることができることを発見した。したがって、本発明の穿孔装置と穿孔工法によれば、所定深さ穿孔するために要する仕事の無駄をなくしてその値を低減し、短時間で被掘削物を穿孔することができる。
＜実験例２＞
従来の穿孔装置は、無負荷時に周速が３００ｍ／ｍｉｎ以上有していたとしても、穿孔時に負荷をかけた状態では、ビットの外周側の周速が２２０ｍ／ｍｉｎ以下となるものが用いられている。そこで、本発明に係る穿孔装置１と、従来用いられている穿孔装置との穿孔速度の比較を行った。すなわち、従来用いられている穿孔装置として、市販されている２種類の穿孔装置Ａ及び穿孔装置Ｂを用意し、圧縮強度がＪＩＳ規格２１０ｋｇｆ／ｃｍ２のコンクリートからなる被掘削材Ｃに対して深さ２００ｍｍの穿孔を行い、それぞれ穿孔時間を測定して比較した。ここで、穿孔装置Ａ、穿孔装置Ｂ、及び穿孔装置１に使用するコアビットは、実験例１で使用されたものと同じものを用いた。
表７は、このような条件のもとで穿孔装置Ａ、穿孔装置Ｂ、穿孔装置１を用いて穿孔を行った場合の穿孔時間を比較したものである。
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穿孔装置Ａの場合、１７Ａの電流を供給して、回転数ｆＮが２５００ｒｐｍ、ビットの周速２００ｍ／ｍｉｎ、発生トルクＴが３．２Ｎｍのときにコンクリートの被掘削物に深さ２００ｍｍの穴を穿孔するのに約５５秒を要した。
また、穿孔装置Ｂの場合、９Ａの電流を供給して、回転数ｆＮが７５０ｒｐｍ、ビットの周速６０ｍ／ｍｉｎ、発生トルクＴが７．５Ｎｍの値のときにコンクリートの被掘削物に深さ２００ｍｍの穴を穿孔するのに約６０秒を要した。穿孔装置の出力パワーに比例する回転数ｆＮと発生トルクＴの積が、先に述べた穿孔装置の例の場合の７割程度しかないため、単純な比較はできないものの、仮に回転数と発生トルクの積が同等になるような回転数での穿孔時間を評価すると、４０秒程度となる。
一方、本発明に係る穿孔装置１の場合、回転数ｆＮが５７００ｒｐｍ、ビットの周速４５０ｍ／ｍｉｎ、発生トルクＴが１．４Ｎｍのときに同じコンクリートの被掘削物に深さ２００ｍｍの穴を穿孔するのに要した時間は約１６秒程度であった。
これらの値から、穿孔装置による穿孔仕事量を算出すると、穿孔装置Ａを用いた場合が４６．２ｋＪ、穿孔装置Ｂを用いた場合が３５．３ｋＪ、穿孔装置１を用いた場合が１３．４ｋＪとなり、穿孔装置による穿孔仕事量だけを比較してみても、穿孔装置１を用いた場合が最も少なかった。穿孔装置を送るために必要な送りの方向の力はビットの接線方向に必要な力に比例しているから、穿孔仕事量全体を比較してもこの順序は変わらない。
このように、ビットの周速を３００ｍ／ｍｉｎ以上として穿孔を行う方が、穿孔仕事量が小さくなり、周速を増加させることで効果的に穿孔速度を増加させることができることが分かった。
以上の実験例から、ビットの周速を３００ｍ／ｍｉｎ以上に増加させて穿孔を行うことにより、穿孔仕事量を低減でき、穿孔時間を短縮することができることが判明した。
また、ビットの周速が２２０ｍ／ｍｉｎから３００ｍ／ｍｉｎの間の領域は、穿孔仕事量が周速とともに急速に減少する領域であり、穿孔速度は、基本的にはビットの周速が２５０ｍ／ｍｉｎを超えた辺りからビットの周速とともに増加を始める。このため、穿孔時に、穿孔工具を０．６Ｎ／ｍｍ２以上の所定の圧力で被掘削物に押し当てながらビットの外周側の周速を２５０ｍ／ｍｉｎ以上にして穿孔すると、有意な差はないまでも、少なくとも、周速の増加とともに穿孔速度を増加させることができる。
また、穿孔時に、穿孔工具を０．６Ｎ／ｍｍ２以上の所定の圧力で被掘削物に押し当てながらビットの周速を４００ｍ／ｍｉｎ以上に保つようにして穿孔すると、脆性材料からなる被掘削物の種類によらず、確実に穿孔速度を増加させることができる。
さらに、第二の実施例の構成を備えた穿孔装置１においても、ビット２１５の周速を３００ｍ／ｍｉｎ以上とすると、実際に所定深さの穴を穿孔するのに必要な穿孔仕事量が低減し、周速の増加とともに穿孔速度の増加を図ることができることが検証実験によって示された。
被掘削物Ｃに対する穿孔速度を測定するため、発生トルクを略一定の値に保ちながら、一分間当たりのコアビット２１３の回転数を変えてビット２１５の周速を変え、それぞれの周速毎に、圧縮強度がＪＩＳ規格２１０ｋｇｆ／ｃｍ２のコンクリートからなる被掘削材Ｃに対して１００ｍｍないし２２０ｍｍの所定の深さを穿孔するのに要した穿孔時間を測定した。ここで、コアビット２１３として、チューブ２１４の先端に略全周に亘ってビット２１５が装着されたものを用い、ビット２１５として、その外径が７５ｍｍ、刃厚が２ｍｍ、軸方向の長さが６ｍｍ、メッシュサイズが＃４０／５０の高グレードのダイヤモンド砥粒を１．７６ｃｔ／ｃｃの密度でメタルボンド材としてＷ−Ｃｕ−Ｓｎ中に分散配置させて形成されたものを用いた。また、穿孔に際しては、上述の実験例１と同じようにして被掘削物Ｃに向けて所定の圧力をかけながらコアビット２１３を送り、その時の回転数と穿孔時間とを測定した。
結果として表１〜表６ならびに図６および図７に示すような値が得られた。周速２２０ｍ／ｍｉｎ以下では、予想に反してコアビット２１３の周速を増加させても穿孔速度がそれに比例して増加しなかった。むしろその値は、一定に留まっていることが分かった。しかも、ダイレクトモータ２に流れる電流が異なっていても、すなわち、発生トルクが異なっても、この傾向は変らなかった。上述したように、ビットによる切り込みの深さと発生トルクとは互いに関係しているから、この結果は、周速３００ｍ／ｍｉｎ以上で穿孔速度が増加するのは、周速とともに切り込みの深さが変るためではないことを示唆している。一方、穿孔装置による穿孔仕事量Ｅ０が周速２２０ｍ／ｍｉｎ以下の領域で略周速に比例するように増加していることがわかった。しかも、ダイレクトモータ２に流れる電流が異なる場合も、それぞれの周速で穿孔仕事量Ｅ０の値は同じであった。これは、ビット２１５による切り込みの深さが大きいときには、負荷もその深さに比例して大きくなり、その一方で穿孔するために必要なコアビット２１３の全回転数が少なくなるために、全体として穿孔仕事量Ｅ０が変わらなくなるためであると考えられる。いずれにせよ、コアビット２１３を被掘削物に押し当てる際の圧力が異なり、コアビット２１３に加わる負荷の値が変る場合でも、周速２２０ｍ／ｍｉｎ以下では、コアビット２１３の周速の増加に伴って穿孔仕事量が増加するため、穿孔速度が増加しないことが分かった。ところが、周速が２５０ｍ／ｍｉｎから３００ｍ／ｍｉｎにかけて穿孔装置による穿孔仕事量Ｅ０が周速の増加とともに急激に減少し、少なくとも周速３００ｍ／ｍｉｎ以上の領域では、周速２２０ｍ／ｍｉｎでの穿孔仕事量の値の半分以下にまで低下することが分かった。このため、周速３００ｍ／ｍｉｎ以上で、穿孔速度は周速とともに単調に増加した。
この測定結果は、コアビットの直径が７５ｍｍのものを用いたものであるが、直径が５０ｍｍ以上２００ｍｍ未満のコアビットを用い、コアビットを０．６Ｎ／ｍｍ２以上の所定の圧力で送った場合にも似通った測定結果が得られ、コアビットの径によらず、ビットの外周側の周速が少なくとも３００ｍ／ｍｉｎ以上の場合に、穿孔装置による穿孔仕事量が減少して周速と共に穿孔速度が増加することが分かった。
以上の実験例から、第二の実施例においても、ビットの周速を３００ｍ／ｍｉｎ以上に増加させて穿孔を行うことにより、穿孔仕事量を低減でき、穿孔時間を短縮することができることが判明した。
また、ビットの周速が２２０ｍ／ｍｉｎから３００ｍ／ｍｉｎの間の領域は、穿孔仕事量が周速とともに急速に減少する領域であり、穿孔速度は、基本的にはビットの周速が２５０ｍ／ｍｉｎを超えた辺りからビットの周速とともに増加を始める。このため、穿孔時に、穿孔工具を０．６Ｎ／ｍｍ２以上の所定の圧力で被掘削物に押し当てながらビットの外周側の周速を２５０ｍ／ｍｉｎ以上にして穿孔すると、有意な差はないまでも、少なくとも、周速の増加とともに穿孔速度を増加させることができる。
また、穿孔時に、穿孔工具を０．６Ｎ／ｍｍ２以上の所定の圧力で被掘削物に押し当てながらビットの周速を４００ｍ／ｍｉｎ以上に保つようにして穿孔すると、脆性材料からなる被掘削物の種類によらず、確実に穿孔速度を増加させることができる。
加えて、上述の第三の実施例における構成の場合にも、ビット３１５の周速を３００ｍ／ｍｉｎ以上にすると、実際に所定深さの穴を穿孔するのに必要な穿孔仕事量が低減し、周速の増加とともに穿孔速度の増加を図ることができことが検証実験によって示された。
被掘削物に対する穿孔速度を測定するため、発生トルクを略一定の値に保ちながら、一分間当たりの穿孔工具３１３の回転数を変えてビット３１５の周速を変え、それぞれの周速毎に、圧縮強度がＪＩＳ規格２１０ｋｇｆ／ｃｍ２のコンクリートからなる被掘削材に対して１００ｍｍないし２２０ｍｍの所定の深さを穿孔するのに要した穿孔時間を測定した。ここで、穿孔工具３１３として、工具本体３１４の先端にビット３１５が装着されたものを用い、ビット３１５として、その外径が６．５ｍｍ、軸方向の長さが６ｍｍ、メッシュサイズが＃４０／５０の高グレードのダイヤモンド砥粒を１．７６ｃｔ／ｃｃの密度でメタルボンド材としてＷ−Ｃｕ−Ｓｎ中に分散配置させて形成されたものを用いた。また、穿孔に際しては、上述の実験例１と同じようにして被掘削物に向けて所定の圧力をかけながら穿孔工具３１３を送り、ダイレクトモータ３０２に流れる電流を略一定の値に保ち、穿孔時になるべく同じようなトルクの負荷が穿孔工具３１３にかかるようにして、その時の回転数と穿孔時間とを測定した。
結果として表１〜表６ならびに図６および図７に示すような値が得られた。周速２２０ｍ／ｍｉｎ以下では、予想に反して穿孔工具３１３の周速を増加させても穿孔速度がそれに比例して増加しなかった。むしろその値は、一定に留まっていることが分かった。しかも、ダイレクトモータ３０２に流れる電流が異なっていても、すなわち、発生トルクが異なっても、この傾向は変らなかった。上述したように、ビットによる切り込みの深さと発生トルクとは互いに関係しているから、この結果は、周速３００ｍ／ｍｉｎ以上で穿孔速度が増加するのは、周速とともに切り込みの深さが変るためではないことを示唆している。一方、穿孔装置による穿孔仕事量Ｅ０が周速２２０ｍ／ｍｉｎ以下の領域で略周速に比例するように増加していることがわかった。しかも、ダイレクトモータ３０２に流れる電流が異なる場合も、それぞれの周速で穿孔仕事量Ｅ０の値は同じであった。これは、ビット３１５による切り込みの深さが大きいときには、負荷もその深さに比例して大きくなり、その一方で穿孔するために必要なコアビット３１３の全回転数が少なくなるために、全体として穿孔仕事量Ｅ０が変わらなくなるためであると考えられる。いずれにせよ、穿孔工具３１３を被掘削物に押し当てる際の圧力が異なり、穿孔工具３１３に加わる負荷の値が変る場合でも、周速２２０ｍ／ｍｉｎ以下では、穿孔工具３１３の周速の増加に伴って穿孔仕事量が増加するため、穿孔速度が増加しないことが分かった。ところが、周速が２５０ｍ／ｍｉｎから３００ｍ／ｍｉｎにかけて穿孔装置による穿孔仕事量Ｅ０が周速の増加とともに急激に減少し、少なくとも周速３００ｍ／ｍｉｎ以上の領域では、周速２２０ｍ／ｍｉｎでの穿孔仕事量の値の半分以下にまで低下することが分かった。このため、周速３００ｍ／ｍｉｎ以上で、穿孔速度は周速とともに単調に増加した。
この測定結果は、穿孔工具の直径が６．５ｍｍのものを用いたものであるが、直径が３ｍｍ以上１５ｍｍ未満の穿孔工具を用い、穿孔工具を０．６Ｎ／ｍｍ２以上の所定の圧力で送った場合にも似通った測定結果が得られ、穿孔工具の径によらず、ビットの外周側の周速が少なくとも３００ｍ／ｍｉｎ以上の場合に、穿孔装置による穿孔仕事量が減少して周速と共に穿孔速度が増加することが分かった。
以上の実験例から、第三の実施例の場合にもビットの周速を３００ｍ／ｍｉｎ以上に増加させて穿孔を行うことにより、穿孔仕事量を低減でき、穿孔時間を短縮することができることが判明した。
産業上の利用の可能性
本発明の穿孔装置によれば、所定深さ穿孔するために要する仕事の値が低減され、その結果、ビットの周速を増加させることで、短時間で被掘削物を穿孔することができる。
また、本発明の穿孔装置によれば、回転駆動装置が、先端部に穿孔工具が取り付けられる回転軸が貫通されて一体的に設けられた筒状のロータと、このロータの外周面に設けられた円筒状のステータとを備えているので、ギヤ等を用いた回転伝達系での仕事の損失が無く、モータの出力パワーをそのまま穿孔装置の出力パワーとすることができ、穿孔装置の小形軽量化を図って高速で穿孔工具を回転することができる。
また、本発明の穿孔工法によれば、所定深さ穿孔するために要する仕事の値が低減され、ビットの周速を増加させることで、短時間で被掘削物を穿孔することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に係る第一の実施例を示す図であって、穿孔装置の一例を示す側面図である。
図２は、本発明に係る第一の実施例を示す図であって、穿孔装置の穿孔装置本体を一部破断して示す側面図である。
図３は、本実施例の穿孔装置の支柱部の構造を説明する支柱部の断面図である。
図４は、本実施例の穿孔装置の移動機構の構成及び構造を説明する移動機構の断面図である。
図５は、本実施例の穿孔装置の電気回路の接続を模式的に示すブロック図である。
図６は、ビットの周速とトルクの値で規格化された穿孔速度との関係を示す図である。
図７は、ビットの周速と穿孔装置による穿孔仕事量の関係を示す図である。
図８は、本発明に係る第二の実施例を示す図であって、穿孔装置の一例を示す側面図である。
図９は、本発明に係る第二の実施例を示す図であって、穿孔装置の穿孔装置本体を一部破断して示す側面図である。
図１０は、本発明に係る第三の実施例を示す図であって、穿孔装置の穿孔装置本体を一部破断して示す側面図である。
図１１は、従来の穿孔装置の構造を説明する穿孔装置の断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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