JP2001146888A - 地中掘進機の位置計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 検出対象外の光が計測ユニットに入射しても
信頼性の高い計測が行える、拡散光の光源を用いた地中
掘進機の位置計測装置を提供する。 【解決手段】 計測基点、中間計測点及び被計測点を順
次設定して前方、後方の光源４１，４２からの拡散光を
集光する共通のレンズ４１１と集光した光の受光位置を
検出する位置検出素子４１２−１，４１２−２とレンズ
に入射しようとする拡散光を透過しレンズで集光した光
を各位置検出素子に導く偏光反射プリズム４１３−１，
４１３−２と各反射プリズムで拡散光が前方、後方に向
けられる光源４１，４２とを有する計測ユニット４００
を各計測点に設置して、各計測ユニットでの検出結果と
各計測ユニット間の距離に基づいて計測基点に対する被
計測点の位置を計測し、その場合、位置検出素子に結像
している像が複数個あるときには、コントローラ４３に
予め記憶した複数種類の選別手法により光源の像を選別
して計測できるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、曲線経路を掘進す
る地中掘進機における掘進位置の計測に用いられる地中
掘進機の位置計測装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】地下坑を掘削しながら地中を掘進する地
中掘進機でカーブした地下坑を掘削するには、地中掘進
機が計画路線（予め設定された掘進経路）に沿って正し
く掘進しているかどうかを知るため、その掘進位置を確
認しなければならない。この種の地中掘進機としては、
人が入れない小口径の管を地中に埋設する小口径管推進
機、人が入れる大口径の管を地中に埋設するセミシール
ド機さらにはシールド掘進機を挙げることができる。

【０００３】地中掘進機の掘進位置を確認するには、通
常、発進立坑等の地中掘進機の掘進の出発点となる地点
及び地中掘進機内にそれぞれ計測基点及び被計測点を設
定するとともに、地中掘進機の掘進の進展に応じてこれ
らの中間位置の掘進経路上に適宜中間計測点を設定す
る。そして、後に詳述するように、これらの計測点間の
各距離を計測するほか、中間計測点とこれに隣接する両
側の計測点とをそれぞれ結ぶ二つの線分同士の角度を順
次計測し、これらの計測結果に基づいて地中掘進機の掘
進位置を演算により求めるようにしている。こうした所
定の計測点を頂点とする二つの線分同士の角度を計測す
るには、両線分同士の内角及び外角の何れを計測しても
よく、その角度関係を一義的に特定できるような角度に
関する値が計測できればその目的が果たせる。この明細
書では、このような二つの線分同士の角度関係を特定し
得るような角度に関する値を偏角と称している。

【０００４】地中掘進機の位置計測においては、これま
で、こうした偏角を計測するのに、トランシットを用い
て計測する方法が一般的に採用されていたが、人的能力
に依存していて一回の計測時間が長くなる等種々の問題
があるため、偏角をレーザビームで光学的に計測する方
法を採り入れた位置計測技術が開発されてきた。こうし
た地中掘進機の位置計測技術の代表例として、例えば特
開平５ー３４０１８６号公報に記載された技術を挙げる
ことができる。このレーザビームを用いた先行技術は、
「カーブする地下坑内に設定される後方視準点の前方
に、測角機能を有するレーザ照準機を設置し、シールド
掘進機内に、ミニ反射プリズムを付設した位置検出素子
（光電素子）のターゲットを設置するとともに、これら
の中間位置には、レーザ照準機からのレーザビームを屈
折させ屈折させたレーザビームの方向転角を計測できる
距離儀付きのウエッジプリズムを、地中掘進機の掘進の
進展に応じて適当数設置するようにした」ものである。

【０００５】本技術により地中掘進機の掘進位置を計測
するときは、ウエッジプリズムを遠隔操作で回動させる
ことにより、レーザ照準機からのレーザビームを、ウエ
ッジプリズムを介してシールド掘進機内のターゲットに
常に当てるようにする。そうすると、ウエッジプリズム
を経由したレーザ照準機からのレーザビームがターゲッ
トの位置検出素子に当てられるため、レーザスポットの
位置が検出されるとともに、ウエッジプリズムの設置点
の偏角がウエッジプリズムの回動量により計測され、ま
た、各計測点間の距離がウエッジプリズムの距離儀によ
り計測される。このレーザビームを用いた先行技術で
は、こうして得られた各計測点間の距離、偏角及びレー
ザスポットの位置に基づいて地中掘進機の掘進位置を座
標位置により計測する。

【０００６】このように、レーザビームを用いた先行技
術は、収束度の高いレーザ光であるレーザビームを位置
検出素子に当てるようにウエッジプリズムを回動させ
て、その回転量によりウエッジプリズムの設置点の偏角
を計測するようにしている。そのため、地中掘進機の掘
進位置を計測する際、レーザビームをレーザビームの位
置検出素子に的確に当てるようにウエッジプリズムを回
転させる操作を要して操作が複雑であるばかりでなく、
ウエッジプリズムを回転させるための回転機構を要し、
これに伴って種々の問題がもたらされることとなる。例
えば、回動機構を要するために機械的な計測誤差が生じ
やすく、光学的な誤差に機械的な誤差が加わって高い計
測精度を確保することが困難であるとともに、レーザ照
準機が外力によりピッチングやヨーイング方向に振動す
ると、大きな計測誤差が生じる。特に、地中掘進機の掘
進位置の計測では、偏角の計測結果が掘進位置の計測結
果に及ぼす度合いが大きいことに加えて、緩やかなカー
ブをなす場所の偏角を計測する機会が多く、偏角を精度
よく計測する必要性が高いことから、回動機構による機
械的な計測誤差や振動による計測誤差が生じると、地中
掘進機の掘進位置の計測結果に多大な影響を及ぼす。

【０００７】こうしたことから、出願人は、位置検出素
子に当てるための光源として、広い領域を照らせる拡散
光を用いて、レーザビームのように光を位置検出素子に
当てるための操作は要せず機械的な計測誤差や振動によ
る計測誤差も生じないようにした画期的な技術を開発し
た。その技術開発の過程で生まれた発明の代表的なもの
としては、特開平１１ー１３２７４６号公報（特願平９
ー２９７２９５号）に係る発明を挙げることができる。
この公報に記載の技術（以下「従来の技術」という。）
は、基点計測ユニットと被測点計測ユニットとの間の地
下坑内に適宜の数の中間計測ユニットを配置し、これら
各計測ユニットがそれぞれ隣合う他の計測ユニットの光
源の拡散光を受光してその受光位置を検出し、これによ
り得られる各光源の方向に関するデータと隣合う各計測
ユニット間の距離に関するデータとに基づいて地中掘進
機の掘進位置を計測するようにしたものである。この従
来の技術の詳細は本発明を説明する過程で明らかにす
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】この従来の技術に係る
地中掘進機の掘進位置計測装置の実用化を進めるため、
その後、研究開発を進めたところ、位置検出素子に当て
るための光源に拡散光を発するものを用いたことに起因
する特有の問題が生じ得ることが新たに判明した。すな
わち、本計測装置に用いられる光源は、レーザビームの
ようにターゲットの一点を照らす収束度の高い光線を発
するものではなく、ターゲット以外の広い領域を照らす
拡散光を発することから、地下坑内の状態によっては、
検出対象外の光が当該計測ユニットに入射して外乱が生
じ、計測の信頼性を低下させるという問題が生じる恐れ
がある。例えば、検出対象となる光源の光が地下坑内の
大きな水溜りで全反射する等、地下坑内の反射物に反射
して当該計測ユニットに入射すると、その反射物が新た
な光の発生源となって外乱が生じ、計測の信頼性を低下
させることになる。また、当該計測ユニットでこれと隣
合う光源の光の受光位置を検出しようとするときに、検
出しようとする光源とは別の光源を他の計測ユニットで
の計測のために点灯していると、掘削した地下坑の形態
や計測ユニットの配置によっては、その検出対象外の光
源の光が当該計測ユニットに入射して外乱が生じ、計測
の信頼性を低下させることになる。

【０００９】本発明は、こうした従来の技術にみられる
問題を解消しようとするものであって、その技術課題
は、位置検出素子に当てる光源に拡散光を発するものを
用いた地中掘進機の位置計測装置において、検出対象外
の光が計測ユニットに入射して外乱が生じても、信頼性
の高い計測が行える地中掘進機の位置計測装置を提供す
ることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のこうした技術課
題は、地下坑を掘削しながら地中を掘進する地中掘進機
の掘進方向前方に配置しその掘進位置の指標となる被計
測点の位置を、掘進方向後方に配置し計測の基点となる
計測基点との位置関係で計測して地中掘進機の掘進位置
を計測する場合に、前方に拡散光を発する光源と少なく
とも前方の光源からの拡散光を集光する集光手段と集光
手段で集光した光源からの光を受光してその受光位置を
検出する位置検出素子とを有し計測基点を設定する基点
計測ユニットと、後方に拡散光を発する光源と後方の光
源からの拡散光を集光する集光手段と集光手段で集光し
た光源からの光を受光してその受光位置を検出する位置
検出素子とを有し被計測点を設定する被測点計測ユニッ
トと、前方及び後方に拡散光を発する各光源と前方及び
後方の光源からの拡散光をそれぞれ集光する集光手段と
集光手段でそれぞれ集光した各光源からの光をそれぞれ
受光してその受光位置を検出する位置検出素子とを有し
地下坑における基点計測ユニットと被測点計測ユニット
との間に配置される少なくとも一つの中間計測ユニット
とを設けて、基点計測ユニット及び中間計測ユニットで
の光の受光位置に関するデータに基づいて得られる各光
源の方向に関するデータと隣合う各計測ユニット間の距
離に関するデータとに基づいて、計測基点に対する被計
測点の相対位置を演算して計測する地中掘進機の位置計
測装置において、位置検出素子に、光を受光して光量を
検出するための多数の画素を有し各画素の検出値を出力
するものを用いるともに、位置検出素子に結像している
像が複数個であるか否かを位置検出素子の各画素の検出
値に基づいて判別する判別手段と、位置検出素子に結像
している像が複数個であるときに複数個の像の中から光
源の像を選別するための複数種類の選別手法を記憶する
記憶手段と、これら複数種類の選別手法のうちの任意の
選別手法に従って選別された光源の像の付近における画
素の検出値に基づいて、位置検出素子で受光する光源か
らの光の受光位置に関するデータを算出し得る演算手段
と、計測基点に対する被計測点の相対位置に関するデー
タをオペレータに伝達する伝達手段とを設けたことによ
り達成される。

【００１１】本発明の地中掘進機の位置計測装置は、こ
のように光源として特に拡散光を発する光源を用いて拡
がりをもつ光でレーザビームよりも広い領域を照らせる
ようにしているため、光源にレーザビームを用いる先行
技術のように光源の光を位置検出素子に当てるための操
作を要せず、ひいては、その操作を可能にするための回
転機構を設ける必要がなくなって、その回転機構に起因
する機械的な計測誤差も生じない。

【００１２】また、その拡がりをもつ各光源の光を中間
計測ユニットに集めてその受光位置を検出し、演算手段
でその検出結果を処理して光の受光位置に関するデータ
を求めることにより、前方及び後方の双方の光源の方向
に関するデータを得るようにしているため、こうして得
られる前方及び後方の光源の方向に基づいて地中掘進機
の位置計測に有用な各光源の光軸同士の偏角を求めるこ
とができる。この偏角は、中間計測ユニットがピッチン
グ方向やヨーイング方向に変位しても変動しないので、
中間計測ユニットが外力によりピッチング方向やヨーイ
ング方向に振動しても計測誤差が生じにくい。また、こ
うしたことから、中間計測ユニットを計測点に設置する
際、位置設定さえ正確に行えば、取付姿勢が不統一であ
っても、その取付姿勢の影響を受けることなく地中掘進
機の掘進位置を正しく計測することができる。一方、基
点計測ユニットでは、前方の光源からの光の受光位置を
位置検出素子で検出し、同様にして、演算手段で光の受
光位置に関するデータを求めることにより前方の光源の
方向を検出して、地中掘進機が発進したときの実際の発
進方向を検出することができる。また、被測点ユニット
では、後方の光源の方向を検出してピッチング方向やヨ
ーイング方向の掘削機の姿勢を検出することができ、そ
のため、別途、掘削機の姿勢検出用の計測器を新設しな
いでも済む。

【００１３】特に、前記の判別手段、記憶手段及び演算
手段を設けて、記憶手段には、位置検出素子に結像して
いる像が複数個であるときに複数個の像の中から光源の
像を選別するための複数種類の選別手法を記憶している
ので、光源からの光の受光位置を位置検出素子で検出す
る場合において、位置検出素子に結像している像が複数
個であるときには、このことを判別手段で判別し、演算
手段では、記憶手段に記憶されている選別手法に従って
複数個の像の中から光源の像を選別して、その選別され
た光源の像の付近における画素の検出値に基づいて、位
置検出素子で受光する光源からの光の受光位置に関する
データを算出する。

【００１４】こうして得られたデータには、検出対象と
なる光源の光の光量だけが反映されて、検出対象外の光
の光量は反映されない。そのため、当該計測ユニットで
光源の光の受光位置を検出しているときに、検出対象外
の光が当該計測ユニットに入射しても、前記の光源から
の光の受光位置に関するデータの値がその光の影響を受
けて、計測の信頼性が低下するようなことはない。しか
も、記憶手段には複数種類の選別手法が記憶されてい
て、その複数種類の選別手法の中から任意のものを選択
できるので、光源の像をそれぞれ複数種類の選別手法に
より選別して光源の光の受光位置に関するデータを算出
することにより地中掘進機の掘進位置を複数通りの方法
で計測することができる。そのため、オペレータは、こ
れらの計測結果を総合することにより、地中掘進機の掘
進位置の計測結果に問題がないか否かを確認することが
できて、信頼性の高い掘進位置の計測を行うことができ
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明が実際上どのように
具体化されるのかを示す具体化例を図１乃至図８に基づ
いて説明することにより本発明の実施の形態を明らかに
する。まず、その具体化例の基本的な技術内容を図１及
び図２に基づいて説明する。図１は、本発明の具体化例
の地中掘進機の位置計測装置により地中掘進機の掘進位
置を計測している状態の全体像を概略的に示す図、図２
は、図１の地中掘進機の位置計測装置に使用する中間計
測ユニットの例を示す斜視図である。

【００１６】本発明の地中掘進機の位置計測装置では、
地中掘進機の掘進位置の指標となる被計測点の位置を計
測の基点となる計測基点との位置関係で計測する。その
使用態様の一例を図１に基づいて概説する。１は地中掘
進機の主要部をなす掘削機、２はシールド掘進機で掘削
した坑道又は管推進機で掘削した管渠等の地下坑、３は
地中掘進機の掘進の出発点となる発進立坑、４は後述す
る基点計測ユニット４００ａ、中間計測ユニット４００
及び被測点計測ユニット４００ｂとそれぞれ通信ライン
で接続され地中掘進機の掘進位置を演算する中央演算処
理装置、５はこの中央演算処理装置４での演算結果に関
する情報等オペレータの操縦に有用な種々の情報を数値
やグラフ等により表示してオペレータに伝達する表示装
置、６はこの表示装置５に表示させるための計画路線を
記憶している記憶装置としてのデータベースである。掘
削機１は、管推進機及びシールド掘進機等、地下坑を掘
削しながら地中を掘進する地中掘進機の掘削機であれ
ば、何れのものでもよい。地下坑２は、管推進機であれ
ば、ヒューム管、鋼管等の埋設管で坑壁が形成され、シ
ールド掘進機であれば、鋼製又はコンクリート製のセグ
メントで坑壁が形成される。

【００１７】４００ａは計測基点を設定する基点計測ユ
ニット、４００ｂは被計測点を設定する被測点計測ユニ
ット、４００は地下坑２内におけるこれら基点計測ユニ
ット４００ａと被測点計測ユニット４００ｂとの間に設
定された中間計測点に配置される中間計測ユニットであ
る。中間計測ユニット４００は、地中掘進機の掘進の進
展に応じて一つ以上所望の数配置するが、ここでは、説
明の便宜上、三つの中間計測ユニット４００を配置した
例を示している。基点計測ユニット４００ａ、中間計測
ユニット４００及び被測点計測ユニット４００ｂは、大
別すると、隣合う計測ユニットに対して拡散光を発する
光源と、隣合う計測ユニットの光源から拡散光を受けて
その光の方向を検出するように構成された光源方向検出
手段とからなっていて、何れも基本的な構造は変わらな
い。

【００１８】地中掘進機の掘進位置を光で計測する場
合、その計測の基点となる計測基点と掘進中の地中掘進
機の現在位置を表すための指標となり得るような被計測
点を設定する必要があるが、基点計測ユニット４００ａ
は、計測基点を設定する役割を果たし、被測点計測ユニ
ット４００ｂは、被計測点を設定する役割を果たす。基
点計測ユニット４００ａは、通常、発進立坑３に設置
し、被測点計測ユニット４００ｂは、通常、掘削機１
（シールド工事ではシールド掘進機、管推進工事では先
導体）にそれぞれ設置する。

【００１９】前述したように、各計測ユニット４００
ａ，４００，４００ｂは、何れも基本的な構造は変わら
ないので、各計測ユニット４００ａ，４００，４００ｂ
を代表して中間計測ユニット４００の構造を図２に基づ
いて説明し、併せて、他の計測ユニット４００ａ，４０
０ｂの構造も明らかにする。なお、図２中、点４１は、
図２に図示の中間計測ユニット４００の後方に配置した
計測ユニットが内蔵している前方光源を表し、点４２
は、図２に図示の中間計測ユニット４００の前方に配置
した計測ユニットが内蔵している後方光源を表す。

【００２０】まず、この中間計測ユニット４００の概要
を説明すると、図に示す例では、中間計測ユニット４０
０は、前方の計測ユニット及び後方の計測ユニットに対
してそれぞれ拡散光を発する前方光源４１及び後方光源
４２と、隣合う前方の計測ユニットの後方光源４２及び
後方の計測ユニットの前方光源４１から拡散光を受けて
各光源４２，４１の方向を検出するためのレンズ４１１
と位置検出素子４１２−１，４１２−２と偏光反射プリ
ズム４１３−１，４１３−２でユニットをなすように構
成されている。光源４１，４２には、例えば発光ダイオ
ードのような拡散光を発するいわゆる点光源のようなも
のを用いる。すなわち、レーザビームのような収束度の
高い光線を発するものは用いることができないが、基本
的には、微小なエリアから放射状に拡がる拡散光を発す
るようなものであれば、設計上、適宜選択して使用する
ことができる。

【００２１】次に、中間計測ユニット４００における特
に光源方向検出手段の詳細を説明すると、４１１は前方
の計測ユニットの後方光源４２及び後方の計測ユニット
の前方光源４１の拡散光をそれぞれ集光する（収束させ
て集める）両光源４１，４２に共通の集光手段としての
レンズ、４１２−１は、このレンズ４１１で集められた
後方の計測ユニットの前方光源４１からの拡散光を受光
しその受光位置を検出する光センサとしての位置検出素
子、４１２−２はレンズ４１１で集められた前方の計測
ユニットの後方光源４２からの拡散光を受光しその受光
位置を検出する同様の位置検出素子、４１３−１はレン
ズ４１１で集光する後方の計測ユニットの前方光源４１
からの拡散光を位置検出素子４１２−１に導くように光
の方向を転換する偏光反射プリズム、４１３−２はレン
ズ４１１で集光する前方の計測ユニットの後方光源４２
からの拡散光を位置検出素子４１２−２に導くように光
の方向を転換する同様の偏光反射プリズムである。

【００２２】位置検出素子４１２−１及び位置検出素子
４１２−２は、隣合う計測ユニットの後方光源４２及び
前方光源４１からレンズ４１１に入射しようとする拡散
光を遮断しない位置にそれぞれ配置することとする。こ
こに示す例では、位置検出素子４１２−１は、その受光
面をレンズ４１１の光軸Ｃ（レンズ４１１の中心を通り
これに直交する軸線）と直交する方向に向けて側方に配
置し、位置検出素子４１２−２は、その受光面をレンズ
４１１の光軸Ｃと直交する方向に向けて上方に配置して
いる。位置検出素子４１２−１，４１２−２には、フォ
トダイオードをマトリックス状に配置したＭＯＳ型撮像
素子やＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ−Ｄｅｖ
ｉｃｅ）撮像素子等の二次元光センサを用いることとし
ている。また、フォトダイオードの表面抵抗を利用して
光スポットの位置を検出することのできるＰＳＤ（Ｐｏ
ｓｉｔｉｏｎ−Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ−Ｄｅｖｉｃｅ）の
ようなものを用いてもよく、要は、集光レンズで集めら
れた光を受光しその受光した光の位置を検出できるもの
であればよく、その種類は限定されない。

【００２３】偏光反射プリズム４１３−１及び偏光反射
プリズム４１３−２は、それぞれ、レンズ４１１の前方
位置及び後方位置に配置され、隣合う前方の計測ユニッ
トの後方光源４２及び後方の計測ユニットの前方光源４
１からレンズ４１１に入射しようとする各拡散光をそれ
ぞれ光量を損失させることなく透過させ、レンズ４１１
で集光した前方光源４１及び後方光源４２からの光をそ
れそれ反射面で全反射させて位置検出素子４１２−１及
び位置検出素子４１２−２の受光面に導くように方向転
換させる働きをする。また、これらの偏光反射プリズム
４１３−１及び偏光反射プリズム４１３−２は、それぞ
れ、中間計測ユニット４００それ自体にユニットとして
組み込まれている前方光源４１及び後方光源４２の拡散
光をそれぞれ反射面で全反射させて隣合う前方の計測ユ
ニット及び後方の計測ユニットに向けるように方向転換
させる働きもする。

【００２４】偏光反射プリズム４１３−１，４１３−２
がこうした働きを行えるようにするため、光源４１，４
２には、同じ中間計測ユニット４００内の偏光反射プリ
ズム４１３−１，４１３−２に対してＳ偏光（偏光反射
プリズム４１３−１，４１３−２の反射面に平行方向に
振動する直線方向の光）の拡散光を発する光源を用てい
る。また、偏光反射プリズム４１３−１，４１３−２
は、図２に示すように互いに反射面の方向が直交するよ
うに配置して、反射面で反射される光の偏光方向が互い
に直交するように配置する。そうすると、偏光反射プリ
ズム４１３−１，４１３−２は、Ｓ偏光の光を全反射
し、このＳ偏光の光に直交する方向に振動する直線方向
の光であるＰ偏光の拡散光を光量を損失させることなく
透過させる機能を発揮する。

【００２５】こうした反射プリズムに一般的なものを用
いることもできるが、そうすると、レンズ４１１に入射
しようとする各光源４１，４２からの拡散光が、それぞ
れ、その入射前に反射プリズムで一部反射されて減少す
るため、各位置検出素子４１２−１，４１２−２に導か
れる光量が損失する。こうした問題を解消するため、こ
こでは偏光反射プリズム４１３−１，４１３−２を用い
て、レンズ４１１に入射しようとする光源４２，４１か
らの拡散光を、その光量を損失させることなく透過させ
るとともに、レンズ４１１で集光される過程の光源４
１，４２からの拡散光を、位置検出素子４１２−１，４
１２−２に導くように全反射させることができ、レンズ
４１１で集光した光の受光位置を位置検出素子４１２−
１，４１２−２で明確に検出することができる。

【００２６】以上の構造を備えた中間計測ユニット４０
０の作用を説明する。前方の計測ユニットの後方光源４
２から発せられる拡散光は、中間計測ユニット４００の
前方の偏光反射プリズム４１３−１に入射後、同偏光反
射プリズム４１３−１を透過してレンズ４１１で集光さ
れ、しかる後、その背後の偏光反射プリズム４１３−２
で全反射されて方向転換をし、中間計測ユニット４００
の後方の位置検出素子４１２−２上に結像する。同様に
して、後方の計測ユニットの前方光源４１からの拡散光
は、その少なくとも一部が中間計測ユニット４００の手
前の偏光反射プリズム４１３−２を透過してレンズ４１
１で集光され、しかる後、その背後の偏光反射プリズム
４１３−１で全反射されて中間計測ユニット４００の前
方の位置検出素子４１２−１上に結像する。この間、中
間計測ユニット４００に組み込まれた前方光源４１及び
後方光源４２の拡散光は、それぞれ、偏光反射プリズム
４１３−１及び偏光反射プリズム４１３−２の作用によ
り前方の計測ユニット及び後方の計測ユニットに向けて
出射される。

【００２７】各位置検出素子４１２−１，４１２−２に
は、それぞれの受光面にＸ−Ｙ平面座標が予め設定され
ているため、光源４１，４２からの拡散光が結像する
と、その結像位置すなわち集光した拡散光の受光位置を
Ｘ，Ｙ軸の座標点として検出する。こうして拡散光の受
光位置が検出されると、その検出結果に基づいて各光源
４１，４２の方向を演算により検出することができる。
これらの各光源４１，４２の方向は、中間計測ユニット
４００の基準線（通常はレンズ４１１の光軸Ｃに合わせ
るように設定）に対して各光源４１，４２の光軸Ｄ（各
光源４１，４２の拡散光が前後方向に直進するときの各
出発点の中心位置とレンズ４１１の中心位置とをそれぞ
れ結ぶ各線）のなす角度α，βで表わすことができる。
この角度α，βは、各光源４１，４２の方向の水平方向
の成分（レンズ４１１の光軸Ｃと各光源４１，４２の光
軸Ｄを水平面上へ正投影した線同士のなす角度）と垂直
方向の成分（レンズ４１１の光軸Ｃと各光源４１，４２
の光軸Ｄをレンズ４１１の光軸Ｃと平行な垂直面上へ正
投影した線同士のなす角度）とで特定することができ
る。したがって、各光源４１，４２の方向の水平方向の
成分及び垂直方向の成分がゼロであることは、各光源４
１，４２の光軸Ｄがレンズ４１１の光軸Ｃ上を通ってい
ることに相当し、その場合、各光源４１，４２の拡散光
は、各位置検出素子４１２−１，４１２−２のＸ−Ｙ平
面座標上の原点に結像する。

【００２８】これら各光源４１，４２の方向の水平方向
の成分及び垂直方向の成分は、レンズ４１１の光軸Ｃ上
を通る各光源４１，４２の光軸Ｄがそれぞれレンズ４１
１に入射後、レンズ４１１の中心位置から位置検出素子
４１２−１，４１２−２に到達するまでの過程にたどる
距離の総和（この値は中間計測ユニット４００の仕様に
より定まる既知の値である。）と、位置検出素子４１２
−１，４１２−２への各光源４１，４２の拡散光の結像
位置のＸ軸方向の成分及びＹ軸方向の成分との関係から
演算により求めることができる。こうした演算は、中央
演算装置４で行ってもよいが、光源４１，４２の方向の
水平方向の成分及び垂直方向の成分は、前記の拡散光の
結像位置のＸ軸方向の成分及びＹ軸方向の成分が検出さ
れれば、一義的に定まる値であって機械的に求められる
ので、ここに示す例では中間計測ユニット４００内の後
に詳述するコントローラ４３で求めている。

【００２９】中間計測ユニット４００は、以上述べたよ
うに前後の光源４１，４２と集光手段としてのレンズ４
１１と前後の位置検出素子４１２−１，４１２−２と前
後の偏光反射プリズム４１３−１，４１３−２とを有
し、これらをケース内に組み込んでユニット状に一体構
成している。これに対し、基点計測ユニット４００ａ
は、中間計測ユニット４００から後方側の光源４２及び
前方側の位置検出素子４１２−１を省いたものであり、
後方側の位置検出素子４１２−２をレンズ４１１の背後
に配置すれば、後方側の偏光反射プリズム４１３−２も
省くことができる。また、被測点計測ユニット４００ｂ
は、中間計測ユニット４００から前方側の光源４１及び
後方側の位置検出素子４１２−２を省いたものであり、
前方側の位置検出素子４１２−１をレンズ４１１の背後
に配置すれば、前方側の偏光反射プリズム４１３−１も
省くことができる。

【００３０】これら計測ユニット４００ａ，４００ｂの
構造を具体的に確認すると、基点計測ユニット４００ａ
は、前方に拡散光を発する光源４１と、前方の中間計測
ユニット４００の後方光源４２からの拡散光を集光する
レンズ４１１と、レンズ４１１で集光した光を受光して
その受光した光の位置を検出することによりこの光源４
２の方向を検出できるように配置された位置検出素子４
１２−２と、レンズ４１１に入射しようとする光源４２
からの拡散光を透過する前方側の偏光反射プリズム４１
３−１を有していればよく、後方側の偏光反射プリズム
４１３−２は必要に応じて設ければよい。また、被測点
計測ユニット４００ｂは、後方に拡散光を発する光源４
２と、後方の中間計測ユニット４００の前方光源４１か
らの拡散光を集光するレンズ４１１と、レンズ４１１で
集光した光を受光しその受光した光の位置を検出するこ
とによりこの光源４１の方向を検出できるように配置さ
れた前方側の位置検出素子４１２−１と、レンズ４１１
に入射しようとする後方の中間計測ユニット４００の前
方光源４１からの拡散光を透過する後方側の偏光反射プ
リズム４１３−２を有していればよく、前方側の偏光反
射プリズム４１３−１は必要に応じて設ければよい。

【００３１】こうした基点計測ユニット４００ａや被測
点計測ユニット４００ｂに必要な構造は、図２の中間計
測ユニット４００が備えているので、基点計測ユニット
４００ａや被測点計測ユニット４００ｂに中間計測ユニ
ット４００をそのまま使用して、中間計測ユニット４０
０を計測基点や被計測点にセットするときに必要な構造
だけをソフト上活かすようにしてもよい。このように中
間計測ユニット４００を基点計測ユニット４００ａや被
測点計測ユニット４００ｂに兼用するようにすれば、製
作する機器の種類を少なくできてそれらの製作を省力化
することができるだけでなく、使用する機器の種類も少
なくできて機器の使用上の便もよい。

【００３２】図１は、こうした計測ユニット４００ａ，
４００ｂの間に複数個の中間計測ユニット４００を配置
し、隣合う計測ユニット間で拡散光を照射して地中掘進
機の掘進位置を計測するときの態様を示している。図１
において、Ｖは、隣合う計測ユニット間の基準点同士を
結ぶ直線を表し、この明細書では、こうした直線を見通
し線と称する。各計測ユニット４００，４００ａ，４０
０ｂは、光源４１，４２をレンズ４１１の中心位置に配
置したのと等価の構造をしているものとし、それゆえ、
各計測ユニットの基準点は、何れもレンズ４１１の中心
に位置するとともに、各計測ユニットの各光源４１，４
２の拡散光は、レンズ４１１の中心を出発点として前後
方向に直進するようになっている。図１には、基点計測
ユニット４００ａと被測点計測ユニット４００ｂとの間
に三つの中間計測ユニット４００を設置した例を示して
いるが、これらの計測ユニット４００ａ，４００ｂの間
には、地中掘進機の掘進距離や地下坑２のカーブの状態
等を考慮しながら、一つ以上所望の数の中間計測ユニッ
ト４００を、互いに見通すことのできる適当間隔を置い
て設置することができる。

【００３３】地中掘進機の掘進位置を計測する場合、前
後、上下、左右の３次元の位置座標上における計測基点
（座標の原点）に対する被計測点の相対位置を演算して
計測する。したがって、地中掘進機の掘進位置は、掘進
方向である前後方向の座標点に対応して上下方向の座標
点及び左右方向の座標点が求められて特定される。ま
た、これに対応して、光源４１，４２の方向に関する角
度等も前述したように水平方向の成分及び垂直方向の成
分として求められて特定される。３次元の位置座標を設
定する場合、演算の便のため、座標の原点を計測基点に
一致させ、前後方向の座標軸を発進基準方向（地中掘進
機の発進時における予め設定した基準となる掘進路線の
方向）に一致させる。各計測ユニット４００，４００
ａ，４００ｂを各計測点に設置する場合には、基点計測
ユニット４００ａについてはその基準線（レンズの光軸
Ｃ）を発進基準方向に合わせ、被測点ユニット４００ｂ
については掘削機１の中心軸線の方向に合わせるように
姿勢を調整するが、中間計測ユニット４００について
は、予め定めた位置に設置するだけで姿勢までも調整す
る必要はない。

【００３４】中間計測ユニット４００では、光の受光位
置に関する検出結果に基づいて隣合う前方の計測ユニッ
トの後方光源４２の方向や後方の計測ユニットの前方光
源４１の方向を検出する。これらの光源４１，４２の方
向のうち、前方の計測ユニットの後方光源４２の方向
は、中間計測ユニット４００の基準線とその基準線の前
方側の見通し線Ｖとのなす角度で表すことができ、後方
の計測ユニットの前方光源４１の方向は、中間計測ユニ
ット４００の基準線とその基準線の後方側の見通し線Ｖ
とのなす角度で表すことができる。そして、前者の角度
から後者の角度を減算することにより、各中間計測ユニ
ット４００の基準点を頂点とする偏角（後方側の見通し
線Ｖの延長線と前方側の見通し線Ｖとのなす角度すなわ
ち外角の偏角）を求めることができる。

【００３５】すなわち、光源４１の方向の水平方向の成
分に関する角度から光源４２の方向の水平方向の成分に
関する角度を減算することにより、中間計測ユニット４
００のレンズ４１１の中心点を頂点とする各光源４１，
４２の光軸Ｄ同士の偏角（外角の偏角）の水平方向の成
分を求めることができ、同じく、前者の垂直方向の成分
に関する角度から後者の垂直方向の成分に関する角度を
減算することにより、レンズ４１１の中心点を頂点とす
る各光源４１，４２の光軸Ｄ同士の偏角（外角の偏角）
の垂直方向の成分を求めることができる。これらの角度
には、当然のことながら極性をもたせており、ここで
は、光源４１，４２の光軸Ｄをレンズ４１１の光軸Ｃに
重なるように最小の角度で回動させる方向が時計方向で
あるときを正、反時計方向であるときを負としている。

【００３６】基点計測ユニット４００ａでは、隣合う前
方の中間計測ユニット４００の後方光源４２の方向を検
出し、これにより地中掘進機が発進したときの実際の発
進方向を検出することができる。この発進方向は、前記
したように基点計測ユニット４００ａの基準線を発進基
準方向に合わせていることから、その基準線と見通し線
Ｖとのなす角度で表すことができる。

【００３７】この地中掘進機の位置計測装置では、こう
した発進方向に関する角度や偏角に関するデータを得る
のと並行して、隣合う各計測ユニット４００，４００
ａ，４００ｂ間の距離に関するデータを適宜の方法で収
集する。これら角度や距離に関するデータが得られる
と、地中掘進機の掘進位置は一義的に定まるので、これ
らのデータから計測基点に対する被計測点の相対位置を
３次元の位置座標における座標点として求めることがで
きる。したがって、地中掘進機の掘進位置すなわち計測
基点に対する被計測点の相対位置は、帰するところ、基
点計測ユニット４００ａや各中間計測ユニット４００で
の検出結果から得られる光源４１，４２の方向に関する
データと、隣合う各計測ユニット４００，４００ａ，４
００ｂ間の距離に関するデータとに基づいて演算により
計測することができる。

【００３８】こうした演算は、各計測ユニット４００，
４００ａ，４００ｂから通信ラインを通じて入力される
各光源４１，４２の方向に関するデータや別途計測され
て入力される距離に関するデータに基づいて中央演算処
理装置４により行われる。中央演算処理装置４には表示
装置５が接続されているため、中央演算処理装置４で演
算された地中掘進機の現在位置は、表示装置５に表示さ
れて、地中掘進機の現在位置に関する信頼性の高い情報
をオペレータにリアルタイムに提供することができる。
被測点ユニット４００ｂの位置検出素子４１２−１は、
隣合う後方の中間計測ユニット４００の前方光源４１の
方向を検出することにより、ピッチング方向やヨーイン
グ方向の掘削機１の姿勢を検出する働きをする。それゆ
え、地中掘進機に通常設けられていたピッチング計やヨ
ーイング計等の掘削機の姿勢検出用の計測器を別途新設
しないでも、掘削機１の姿勢を検出することができる。

【００３９】隣合う各計測ユニット４００，４００ａ，
４００ｂ間の距離を計測する方法について述べると、地
中掘進機が管推進機である場合には、例えば、埋設済み
の埋設管の数により算出される距離データと元押しジャ
ッキのストローク計で検出される距離データとに基づい
て計測する方法を挙げることができる。また、地中掘進
機がシールド掘進機である場合には、例えば、セグメン
トの種類と数に基づいて算出される距離データとシール
ドジャッキのストローク計で検出される距離データとに
基づいて計測する方法を挙げることができる。これらの
方法は、何れも、管推進機やシールドジャッキに通常付
設されている元押しジャッキのストローク計やシールド
ジャッキのストローク計を距離の計測にも活用すること
ができて、距離の計測のために特別の距離計測手段を新
設する必要がない。

【００４０】本地中掘進機の位置計測装置では、光源４
１，４２からの拡散光を各計測ユニット４００，４００
ａ，４００ｂにおいてレンズ４１１で集光し、その集光
した光を位置検出素子４１２−１，４１２−２で受光し
てその受光位置を検出することにより、前方の光源４１
や後方の光源４２の方向を検出するようにしている。そ
の場合、光源として、特に拡散光を発することのできる
光源４１，４２を用いて拡がりをもつ光で広い領域を照
らせるようにしているため、ウエッジプリズムを回動さ
せることによりレーザビームを位置検出素子に当てる従
来の技術で行われているような操作は行わなくても済
む。その結果、こうした操作を可能にするための回転機
構を設ける必要もなくなるため、従来の技術とは異な
り、回転機構に起因する機械的な計測誤差も生じない。
また、拡散光の光源４１，４２は、このように照射領域
が広いため、各計測ユニット４００，４００ａ，４００
ｂや光源４１，４２が外力により振動しても、各計測ユ
ニット４００，４００ａ，４００ｂを常に照らすことが
できて計測に支障が生じることもない。

【００４１】中間計測ユニット４００では、位置検出素
子４１２−１，４１２−２の受光位置により隣合う前方
の光源４１及び後方の光源４２の双方の光源の方向を検
出するようにしているため、その検出された光源４１，
４２の方向によりこれらの光源４１，４２の光軸Ｄ同士
の偏角を求めることができる。この偏角は、中間計測ユ
ニット４００がピッチング方向やヨーイング方向に変位
しても（上下方向や左右方向に揺動しても）変動しない
ため、この地中掘進機の位置計測装置では、中間計測ユ
ニット４００が外力によりピッチング方向やヨーイング
方向に振動しても、計測誤差が生じにくい。また、こう
したことから、中間計測ユニット４００を計測点に取り
付ける際に、位置設定さえ正確に行えば、取付姿勢が不
統一であっても、その取付姿勢の影響を受けることなく
地中掘進機の掘進位置を正しく計測することができる。

【００４２】図１に示す例では、計測基点を発進立坑３
内に設定して、基点計測ユニット４００ａでは隣合う前
方の中間計測ユニット４００の後方光源４２の方向だけ
を検出するようにしているが、発進立坑３の前方の地下
坑２内に発進立坑３との位置関係を特定した上で計測基
点を設定し、この前方の計測基点に向けて拡散光を発す
る光源を発進立坑３内に設置して、この光源と前記後方
光源４２の双方の光源方向を基点計測ユニット４００ａ
で検出するようにしてもよい。計測基点を発進立坑３内
に設定した場合、高精度の計測を行うには、基点計測ユ
ニット４００ａについてその基準線を発進基準方向に合
わせるように取付姿勢を精度よく調整する困難な作業を
必要とするが、このように計測基点を発進立坑３前方の
地下坑２内に設定した場合には、基点計測ユニット４０
０ａでも、その取付姿勢に影響されない偏角を計測する
ことができて、取付姿勢を調整しなくても、高精度の計
測を簡便に行うことができる。本発明を具体化する場合
には、これら何れの方法を採用してもよく、計測基点に
は、少なくとも隣合う前方の中間計測ユニット４００の
光源４２からの拡散光を集光してその受光位置を検出す
ることができる基点計測ユニット４００ａを設置するよ
うにすれば、地中掘進機の位置計測の目的は達成するこ
とができる。

【００４３】中間計測ユニット４００を構成する場合、
偏光反射プリズム４１３−１，４１３−２を設けない
で、中間計測ユニット４００の前部及び後部にそれぞれ
レンズ４１１を配置し、各レンズ４１１の背後にそれぞ
れ位置検出素子４１２−１，４１２−２を配置するとと
もに、レンズ４１１の前方位置及び後方位置にそれぞれ
光源４１及び光源４２を配置して構成してもよく、この
ように構成してもすでに述べた効果を奏する。しかしな
がら、偏光反射プリズム４１３−１，４１３−２を設け
ると、隣合う前方の計測ユニットの後方光源４２及び後
方の計測ユニットの前方光源４１からの拡散光がレンズ
４１１に入射するのを阻止しない位置にそれぞれ位置検
出素子４１２−１及び位置検出素子４１２−２を配置す
ることが可能となるため、拡散光を集めるためのレンズ
４１１は、前記の前方光源４１及び後方光源４２に対応
して別々に設ける必要がなくなってこれらの光源４１，
４２からの拡散光を共に集光するように共通化すること
ができる。

【００４４】このように光源４１，４２からの拡散光を
集光するレンズを共通化すると、隣合う前方の計測ユニ
ットの後方光源４２及び後方の計測ユニットの前方光源
４１の各方向に基づいて当該中間計測ユニット４００で
計測される偏角は、これら前方光源４１及び後方光源４
２の各光軸Ｄ同士のなす角度と正確に合致して、共通の
レンズ４１１の中心位置を頂点とする各光源４１，４２
の光軸Ｄ同士のなす偏角が計測されることとなる。その
結果、その計測される偏角は、レンズ４１１を前記のよ
うに前方光源４１及び後方光源４２に対応して別々に設
ける場合に比べて、当該中間計測ユニット４００がピッ
チング方向及びヨーイング方向に変位しても確実に変動
しなくなるため、当該中間計測ユニット４００の取付時
の取付姿勢の不統一やその後の外力による姿勢の変化に
も一層影響されなくなって地中掘進機の掘進位置をより
正確に計測することができる。

【００４５】中間計測ユニット４００は、前記のよう
に、これに組み込まれる光源４１，４２の拡散光を偏光
反射プリズム４１３−１，４１３−２で隣合う前後の計
測ユニットに向けるように構成しているため、光源４
１，４２とレンズ４１１と偏光反射プリズム４１３−
１，４１３−２との位置関係を適切に定めることによ
り、光源４１，４２をレンズ４１１の中心に配置したの
と等価の構造になるように構成することができる。この
ような構造になるように構成すれば、計測ユニット４０
０，４００ａ，４００ｂ間で授受される光の光軸Ｄを見
通し線Ｖ（隣合う計測ユニットの基準点（レンズ４１１
の中心）同士を結ぶ直線）と正確に一致させることがで
きるので、光源４１，４２の方向に関する検出結果の補
正をしなくても、地中掘進機の掘進位置を一層高い精度
できわめて精密に計測することができる。したがって、
こうした効果と光源４１，４２の拡散光を集めるレンズ
を共通化した点の前述の効果とが相俟って、中間計測ユ
ニット４００が地中掘進機のピッチングやヨーイングに
よって傾斜したときでも、光源４１，４２の方向に関す
る検出結果の補正を要することなく、地中掘進機の掘進
位置をきわめて高い精度で精密に計測することができ
る。

【００４６】この地中掘進機の位置計測装置は、レーザ
ビームを光源に用いた先行技術にはみられないこうした
優れた効果を発揮するが、広い領域を照らす拡散光の光
源４１，４２を用いていることから、地下坑２内の状態
によっては、検出対象となる光源４１，４２の光が地下
坑２内の水溜りで全反射して当該計測ユニットに入射し
たり、検出対象外の光源４１，４２の光が当該計測ユニ
ットに入射したりする等、外乱が生じ、計測の信頼性を
低下させるという問題が生じる恐れがある。本発明は、
こうした拡散光による計測に特有の問題を解消して、検
出対象外の光が計測ユニットに入射して外乱が生じて
も、拡散光による信頼性の高い計測が行えるようにした
ものである。以下、そのための技術手段を、図１及び図
２のほか図３乃至図６を用いて以下に説明する。

【００４７】図３は、図１の地中掘進機の位置計測装置
に設けられるコントローラの作用を説明するための流れ
図、図４は、位置検出素子に複数個の像が結像している
ときの状態を示す図、図５は、位置検出素子に複数個の
像が結像しているときの画像処理方法を説明するための
図、図６は、本発明の具体化例に係る地中掘進機の位置
計測装置での掘進位置の計測結果を計画路線と対比して
表示装置に表示した状態を示す図である。なお、図４及
び図５において、Ｘ及びＹは、それぞれ、位置検出素子
４１２−１の受光面に設定された水平方向及び垂直方向
の座標軸であるＸ軸及びＹ軸を表わす。

【００４８】位置検出素子４１２−１，４１２−２に
は、レンズ４１１で集められた各光源４１，４２からの
光をそれぞれ受光して、その受光した光の光量を検出す
るための多数の画素を有し、各画素での光量に関する検
出値を出力するタイプのものが用いられる。画素は、Ｘ
軸方向及びＹ軸方向に所定の画素ピッチ（寸法）を有し
て方形をなし、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に所定数並べてマ
トリックス状に配置している。こうした多数の画素から
なる位置検出素子４１２−１，４１２−２は、光を受光
すると、Ｘ−Ｙ平面座標上の各位置の光量を各画素によ
り検出して、その各位置の検出値を所定の順序で演算手
段に順次出力する。すなわち、各位置検出素子４１２−
１，４１２−２の受光面におけるＸ−Ｙ平面座標の座標
位置に対応して、光量（光の強度）に比例した電流値等
の検出値を順次出力する。演算処理装置は、これらの出
力値を処理して各位置検出素子４１２−１，４１２−２
の受光面における各光源４１，４２の光の結像点の位置
すなわち光の受光位置を演算により求め得るように構成
されている。この結像点の位置を求める場合、各画素の
座標位置とその各座標位置に対応する画素の出力値とに
基づいて、位置検出素子４１２−１，４１２−２の出力
値の重心座標位置を演算して求める。

【００４９】図２に示す例では、こうした演算を行う演
算手段として、コントローラ４３を各計測ユニット４０
０，４００ａ，４００ｂに設けている。図４は、検出対
象となる後方隣の計測ユニットの前方光源４１の像５１
のほか、検出対象外の光の像５２，５３が中間計測ユニ
ット４００の位置検出素子４１２−１に結像したときの
映像を示すものである。このように検出対象外の光の像
５２，５３が位置検出素子４１２−１に結像したとき
に、全部の画素の出力値に基づいて重心座標位置を求め
たとすると、重心座標位置は、検出対象外の像５２，５
３の光量の影響を受けて適正に求めることはできない。

【００５０】こうした問題を解消するため、このコント
ローラ４３には、位置検出素子４１２−１，４１２−２
に結像している像が複数個である否かを位置検出素子４
１２−１，４１２−２の各画素の検出値に基づいて判別
する判別手段と、位置検出素子４１２−１，４１２−２
に結像している像が複数個であるときに複数個の像の中
から検出対象となる光源４１，４２の像を選別するため
の複数種類の選別手法を記憶する記憶手段とを設けてい
る。また、コントローラ４３には、こうした手段と併
せ、これら複数種類の選別手法のうちの任意の選別手法
に従って選別された光源４１，４２の像の付近における
画素の検出値に基づいて、位置検出素子４１２−１，４
１２−２で受光する光源４１，４２からの光の受光位置
に関するデータを算出し得る演算手段を設けている。

【００５１】そこで、当該中間計測ユニット４００の位
置検出素子４１２−１に複数個の像５１，５２，５３が
結像している場合を例に採り、それらの手段により、位
置検出素子４１２−１における光源４１の光の結像点の
位置を求めるための画像処理を行う方法を図５に基づい
て説明する。この画像処理を行う場合、まず、図５に示
すように、各像５１，５２，５３に外接する矩形状のエ
リア５４を位置検出素子４１２−１の受光面にそれぞれ
画定する。前記判別手段は、こうした矩形状のエリア５
４が幾つあるかその数を数えることにより、位置検出素
子４１２−１に結像している像が複数個であるか否かを
判別することができる。

【００５２】一方、コントローラ４３の記憶手段には、
前述したように、位置検出素子４１２−１に結像してい
る像が複数個であるときにこれらの中から検出対象とな
る光源４１の像を選別するための複数種類の選別手法を
記憶しているが、ここに示す例では、その選別手法であ
る画像処理パターンを二種類記憶している。その第１の
画像処理パターンは、複数個の像の中から最大輝度の像
を光源の像として選別する選別手法であり、第２の画像
処理パターンは、複数個の像の中から、地下坑２内の最
上方に位置する光の発生源によりもたらされた像を光源
の像として選別する選別手法である。

【００５３】第１の画像処理パターンは、各像５１，５
２，５３に外接する矩形状の画像処理エリア５４内の各
画素の出力値に基づいて、像５１，５２，５３の各輝度
をコントローラ４３で求めて各像５１，５２，５３に輝
度の大きい順に順位を付けることにより、像５１，５
２，５３の各輝度の中から最大輝度の像を光源４１の像
として選別する手法である。ここで、輝度は、それぞれ
の像５１，５２，５３の明るさのピーク値を意味し、換
言すると、当該矩形状の画像処理エリア５４内の各画素
が受光した受光量の検出値の最大値である。当該中間計
測ユニット４００の位置検出素子４１２−１で受光する
光の光量は、通常、検出対象となる隣の計測ユニットの
光源４１から発せられる光が最も大きく、外乱となる他
の光の発生源からたらされ光は、それよりも小さいと考
えられるため、第１の画像処理パターンとして、前記の
ような輝度による選別手法を採用することとした。

【００５４】第２の画像処理パターンでは、位置検出素
子４１２−１の受光面に設定されたＹ軸の像５１，５
２，５３の各座標点をコントローラ４３で求めて、Ｙ軸
座標点の値の大小の順に従って各像５１，５２，５３に
順位を付けることにより、これら像５１，５２，５３の
中から、地下坑２内の最上方に位置する光の発生源によ
りもたらされた像を光源４１の像として選別する。その
場合、像の数が多いときには、これらの像の中から上位
ｎ番目の像だけを対象にしてこうした画像処理を行う。
図５に示す例では、上方に位置する光の発生源によりも
たらされた像ほどＹ軸の像の座標点が大きくなるように
構成されているので、光源４１の像は、像５１であると
みることができる。光源４１の光が地下坑２内の水溜り
で全反射することによりその水溜りが新たな光の発生源
となって、その光が当該中間計測ユニット４００に入射
して外乱が生じたときには、地下坑２内の水溜りは、光
源４１よりも下方に位置して、その水溜りによる像は、
光源４１の像よりも必ずＹ軸の下方に位置することにな
るので、光源４１の像は、この第２の画像処理パターン
に従って選別すると確実に選別することができる。

【００５５】コントローラ４３の記憶手段には、以上の
ような二種類の画像処理パターンを記憶させているが、
例えば、検出対象となる光源の像を像の大きさで選別で
きるようにする画像処理パターンを記憶させる等、更に
多くの画像処理パターンを記憶させるようにしてもよ
い。位置検出素子４１２−１，４１２−２に結像してい
る像が複数個であると判別手段で判別されたときには、
ここに示す例では、オペレータが二種類の画像処理パタ
ーンの中から所望のものを中央演算処理装置４により選
択するが、通常は、第１の画像処理パターンにより光源
４１の像を正しく選別することができるので、初回の計
測では、この第１の画像処理パターンが自動的に選択さ
れるようにしてもよい。しかしながら、光源４１の光が
大きな水溜りで全反射して外乱が生じたときには、像５
１，５２，５３の中の最大輝度の像が水溜りによる像と
なることも想定できるので、オペレータの判断により第
２の画像処理パターンも適宜選択できるようにしてい
る。

【００５６】コントローラ４３の演算手段では、光源４
１の像が前記二種類の画像処理パターンの何れの画像処
理パターンにより選別されたときでも、その選別された
光源４１の像の付近における画素の検出値に基づいて、
位置検出素子４１２−１で受光する光源４１の光の受光
位置に関するデータを算出できるようになっている。す
なわち、その選別された像に外接する矩形状の画像処理
エリア５４内の各画素の座標位置とその各座標位置に対
応する画素の出力値とに基づいて位置検出素子４１２−
１の出力値の重心座標位置を演算し、これにより、光源
４１の像として選別された像の中心点の位置を求めるこ
とができるようになっている。こうして得られるその重
心座標位置は、検出対象外の像の光量の影響を受けてい
ないので、光の受光位置に関する精度の高いデータが得
られる。コントローラ４３では、この精度の高いデータ
に基づいて光源４１の方向を演算し、中央演算処理装置
４では、その演算結果を用いて地中掘進機の掘進位置を
演算する。

【００５７】ところで、こうした地中掘進機の位置計測
装置で計測する場合、中間計測ユニット４００を新設す
る度に計測を行う等、予め設定した計測地点で計測して
地中掘進機の現在位置に関するデータをリアルタイムに
収集し、オペレータは、そのデータに基づいて地中掘進
機を計画路線５７（図６参照）に沿って掘進させるよう
に適宜方向修正する。設定した各計測地点で計測を行う
場合、当該計測地点において基点計測ユニット４００ａ
から被測点計測ユニット４００ｂまでに至る全ての光源
４１，４２についてその方向を計測する。すなわち、既
設の計測ユニットが時間とともに外力等により微小変位
する可能性があることから、過去に計測が行われたか否
かにかかわりなく全ての光源４１，４２の方向について
計測を改めて行う。特に、管推進工法では、埋設管に中
間計測ユニット４００を取り付けた状態で埋設管を推進
し、その結果、推進の都度、中間計測ユニット４００の
位置が変動するため、全ての光源４１，４２の方向につ
いて計測を改めて行うことが不可欠である。それゆえ、
一計測地点で行う光源４１，４２の方向に関する計測回
数は、地中掘進機の掘進が進展するにつれて逐次増加し
て行く。

【００５８】こうして一計測地点で光源４１，４２の方
向を計測する場合、その計測方法としては、各光源４
１，４２を一つずつ点灯して個別的に計測する方法と、
各計測ユニット４００，４００ａ，４００ｂのうちの多
数の計測ユニットで一斉に計測が行えるように、その計
測に必要な各光源４１，４２を同時に点灯して、これら
の各光源４１，４２の方向を所定の順番で連続的に計測
して行く方法とがある。ここでは、一計測地点での計測
を能率的に行えるようにするため、後者の方法を採用し
た場合を例にして、この地中掘進機の位置計測装置によ
り掘進位置を計測する手順を、図３の流れ図を用いて説
明する。その説明をするに当たっては、複数の中間ユニ
ット４００がすでに後方に設置されている一計測地点で
計測する状態を想定して説明する。

【００５９】中間計測ユニット４００の反射プリズムに
普通の反射プリズムを用いると、１個の中間計測ユニッ
ト４００で隣合う前方及び後方の光源４１，４２の方向
を同時に計測すると、一方の光源の光を受光する際に他
方の光源の光がノイズとして混じるが、この地中掘進機
の位置計測装置では、前述したように反射プリズムに偏
光反射プリズム４１３−１，４１３−２を用いているの
で、こうした問題は生じない。地中掘進機の位置計測装
置により各計測地点で計測しようとするときには、各計
測地点で地中掘進機の掘進を停止し、オペレータは、中
央演算処理装置４に対してその都度計測開始の指令操作
を行う。図３の流れ図中の「開始」は、こうした計測開
始の指令操作を意味する。

【００６０】当該計測地点で計測開始の指令操作を行う
と、各計測ユニット４００，４００ａ，４００ｂの光源
４１，４２が点灯して、各計測ユニット４００，４００
ａ，４００ｂでの計測に必要な拡散光が発せられる。そ
うすると、ステップＳ１００に移行し、以下、各計測ユ
ニット４００，４００ａ，４００ｂごとに図３の流れ図
に従って光源４１，４２の方向や偏角の演算が行われ
が、ここでは、中間計測ユニット４００での計測結果に
基づいてこうした演算を行う場合を例にして述べる。オ
ペレータが計測開始の指令操作を行うと、位置検出素子
４１２−１に複数個の像が結像しているときには、複数
個の像が結像した状態を示す図４のような映像が表示装
置５に表示される。オペレータは、ステップＳ１００に
おいて、この映像を観察しながら前記の二種類の画像処
理パターンの中から適当なものを選択する。

【００６１】いま、第１の画像処理パターンを選択する
ものとすると、当該中間計測ユニット４００に内蔵され
たコントローラ４３では、複数の像の輝度データを取得
して比較し、最大輝度の像を光源４１の像として選別す
る。次いで、ステップＳ１０１に移行し、その選別され
た光源４１の像の付近における画素の検出値に基づい
て、位置検出素子４１２−１で受光する光源４１の光の
受光位置に関するデータを算出し、このデータに基づい
て光源４１の方向に関するデータを演算により取得す
る。コントローラ４３では、同様のステップを経て、当
該中間計測ユニット４００の位置検出素子４１２−２で
の検出値に基づいて、当該中間計測ユニット４００と隣
合う光源４２の方向に関するデータも取得する。

【００６２】以上の過程を経て光源４１，４２の方向に
関するデータを取得すると、当該中間計測ユニット４０
０を基点（頂点）とする偏角の演算に必要な前後双方の
光源４１，４２の方向に関するデータが得られるため、
ステップＳ１０１では、その偏角に関するデータをコン
トローラ４３で演算して取得する。次いで、ステップＳ
１０２では、当該中間計測ユニット４００でのこうした
偏角データの取得が終了したか否か、すなわち１個の計
測が終了したか否かが確認され、終了したことが確認さ
れると、ステップＳ１０３に移行してその計測結果をコ
ントローラ４３に保存する。

【００６３】次いで、ステップＳ１０４に移行して当該
計測地点での全ての偏角の計測が終了したか否かを判定
する。その結果、終了していないと判定されたときに
は、中央演算処理装置４の指令により、再びステップＳ
１０１に移行して、各計測ユニット４００，４００ａ，
４００ｂの中から設定順序に従って次の計測ユニットで
の計測が開始されて、以上述べたのと同様の手順により
偏角データを取得する。以後、以上述べたのと同様の手
順により、当該計測値点に設置されている全ての計測ユ
ニットを使用して光源の方向やこれに基づく偏角に関す
るデータが得られるが、基点計測ユニット４００ａや被
測点計測ユニット４００ｂでは、光源の方向に関するデ
ータだけをステップＳ１０１で得る。

【００６４】当該計測地点での全ての計測が終了したも
のとステップＳ１０４で判定されると、中央演算処理装
置４では、基点計測ユニット４００ａで得られた光源の
方向に関するデータ及び計測ユニット４００で得られた
偏角に関するデータと、隣合う計測ユニット４００，４
００ａ，４００ｂ間の距離に関するデータとを用いて地
中掘進機の掘進位置を演算する。こうして演算された地
中掘進機の掘進位置に関するデータは、ステップＳ１０
５において、適宜の方法で表示装置５に表示されてオペ
レータに伝達される。図６は、表示装置５に表示された
地中掘進機の掘進位置に関するデータの一例を示すもの
で、表示装置５には、オペレータの地中掘進機の操縦の
便のため、地中掘進機の実際の掘進経路５８を計画路線
５７と対比して表示し、これと合わせて、計測ユニット
４００，４００ｂの設置位置５９を表示している。な
お、５５は発進立坑、５６は到達立坑を表わす。

【００６５】オペレータは、この表示装置５に表示され
たデータを判断材料にして、自己の操縦が適切であるか
否かや地中掘進機の掘進位置の計測結果が納得の行くも
のであるか否かをステップＳ１０６で判断する。そし
て、第１の画像処理パターンによる掘進位置の計測結果
に疑問点がなく満足できたときには、全計測ユニット４
００，４００ａ，４００ｂの光源４１，４２を消灯して
当該計測地点での計測を終了する。また、実際の掘進経
路５８が計画路線５７と対して大きくずれていたり、計
測ユニット４００，４００ｂの設置位置５９に異常があ
ったりする等、第１の画像処理パターンによる掘進位置
の計測結果に疑問点があるときには、ステップＳ１０７
で再検討し第２の画像処理パターンを選択して、以上述
べたのと同様の手順により当該計測地点での計測をやり
直す。

【００６６】この地中掘進機の位置計測装置では、以上
のように画像処理パターンにより検出対象となる光源４
１，４２の像を選別し、その選別された光源４１，４２
の像の付近における位置検出素子４１２−１，４１２−
２の画素の検出値に基づいて光源４１，４２の光の受光
位置に関するデータを算出するようにしているので、算
出された受光位置に関するデータには、検出対象となる
光源４１，４２の像の光量だけが反映されて、検出対象
外の像の光量は反映されない。そのため、当該計測ユニ
ットで光源４１，４２の光の受光位置を検出していると
きに、検出対象外の光が当該計測ユニットに入射して
も、受光位置に関するデータの値がその光の影響を受け
て、計測の信頼性が低下するようなことはない。しか
も、画像処理パターンは、複数種類のもの中から任意の
ものを選択できるので、光源４１，４２の光の受光位置
に関するデータを複数種類の画像処理パターンによりそ
れぞれ算出して地中掘進機の掘進位置を複数通りの方法
で計測することができる。そのため、オペレータは、こ
れらの計測結果を総合することにより、掘進位置の計測
結果に問題がないか否かを確認することができて、信頼
性の高い地中掘進機の掘進位置の計測を行うことができ
る。また、画像処理パターンとして、第１の画像処理パ
ターンのほか特に第２の画像処理パターンを用いている
ので、光源４１，４２の光が大きな水溜りで全反射して
計測ユニットに入射することにより外乱が生じたときで
も、こうした信頼性の高い計測が確実に行える。

【００６７】コントローラ４３を用いたこのような計測
は、各計測地点でそれぞれ行うが、そのときには、それ
ぞれの計測地点でオペレータが単に計測開始の指令操作
を行なえば、その後は、それぞれの計測地点で以上述べ
たような手順で偏角が計測され、その計測結果を用いて
地中掘進機の掘進位置の計測が自動的に行なわれる。以
上、この地中掘進機の位置計測装置について、同時点灯
計測を行う場合を例にとって説明したが、この位置計測
装置は、同時点灯計測以外の計測を行う場合にも、当然
使用することができる。

【００６８】ここでは、本発明に係る地中掘進機の位置
計測装置について、中間計測ユニット４００の反射プリ
ズムに偏光反射プリズム４１３−１，４１３−２を用い
たものを例にして説明したが、偏光反射プリズム４１３
−１，４１３−２に代えて普通の反射プリズムを用いる
場合には、各中間計測ユニット４００とも、隣合う各光
源４１，４２の方向を片方ずつ逐次計測するようにすれ
ばよい。ここに示す例では、当該計測地点に設置されて
いる全ての計測ユニット４００，４００ａ，４００ｂに
図３に示すような演算機能を有するコントローラ４３を
設けて光の受光位置に関するデータを算出するようにし
ているが、当該計測地点における各計測点中、計測現場
の周辺状況からみて、こうした方法によらなくても信頼
性の高いデータが取得できると考えられる計測点がある
場合には、その計測点に設置される計測ユニットについ
ては、そのような演算機能を有するコントローラ４３を
設けないようにしてもよい。

【００６９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は、「課題を解決するための手段」の項に示した手段を
採用しているので、本発明によれば、位置検出素子に当
てる光源に拡散光を発するもの用いた地中掘進機の位置
計測装置において、検出対象外の光が計測ユニットに入
射して外乱が生じても、信頼性の高い計測が行える地中
掘進機の位置計測装置が得られる。この地中掘進機の位
置計測装置は、光源に拡散光を用いて、各計測ユニット
において光源からの拡散光を集光手段で集光し位置検出
素子で受光するようにしているので、計測時に光を位置
検出素子に当てる操作を不要にし、機械的な計測誤差や
振動による計測誤差が生じにくい。また、中間計測ユニ
ットを設置する際に位置設定さえ正確に行えば、取付姿
勢が不統一であっても、その取付姿勢の影響を受けるこ
となく地中掘進機の掘進位置を正しく計測することがで
きる。さらに、被測点ユニットでは、ピッチング方向や
ヨーイング方向の掘削機の姿勢を検出することができ
て、別途、掘削機の姿勢検出用の計測器を新設しないで
も済む。本発明を具体化する場合、特に、特許請求の範
囲の請求項２に記載のように具体化すれば、光源の光が
大きな水溜りで全反射して計測ユニットに入射すること
により外乱が生じたときでも、信頼性の高い計測が確実
に行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の具体化例の地中掘進機の位置計測装置
により地中掘進機の掘進位置を計測している状態の全体
像を概略的に示す図である。

【図２】図１の地中掘進機の位置計測装置に使用する中
間計測ユニットの例を示す斜視図である。

【図３】図１の地中掘進機の位置計測装置に設けられる
コントローラの作用を説明するための流れ図である。

【図４】位置検出素子に複数個の像が結像しているとき
の状態を示す図である。

【図５】位置検出素子に複数個の像が結像しているとき
の画像処理方法を説明するための図である。

【図６】本発明の具体化例に係る地中掘進機の位置計測
装置での掘進位置の計測結果を計画路線と対比して表示
装置に表示した状態を示す図である。

【符号の説明】

１ 掘削機 ２ 地下坑 ３ 発進立坑 ４ 中央演算処理装置 ５ 表示装置 ６ データベース ４１，４２ 光源 ４３ コントローラ ５１，５２，５３ 像 ５４ 画像処理エリア ５７ 計画路線 ５８ 実際の掘進経路 ５９ 計測ユニットの設置位置 ４００ 中間計測ユニット ４００ａ 基点計測ユニット ４００ｂ 被測点計測ユニット ４１１ レンズ ４１２−１，４１２−２ 位置検出素子 ４１３−１，４１３−２ 偏光反射プリズム Ｃ レンズの光軸 Ｄ 光源の光軸 Ｖ 隣合う計測ユニット間の見通し線

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 地下坑を掘削しながら地中を掘進する地
   中掘進機の掘進方向前方に配置しその掘進位置の指標と
   なる被計測点の位置を、掘進方向後方に配置し計測の基
   点となる計測基点との位置関係で計測して地中掘進機の
   掘進位置を計測する場合に、前方に拡散光を発する光源
   と少なくとも前方の光源からの拡散光を集光する集光手
   段と集光手段で集光した光源からの光を受光してその受
   光位置を検出する位置検出素子とを有し計測基点を設定
   する基点計測ユニットと、後方に拡散光を発する光源と
   後方の光源からの拡散光を集光する集光手段と集光手段
   で集光した光源からの光を受光してその受光位置を検出
   する位置検出素子とを有し被計測点を設定する被測点計
   測ユニットと、前方及び後方に拡散光を発する各光源と
   前方及び後方の光源からの拡散光をそれぞれ集光する集
   光手段と集光手段でそれぞれ集光した各光源からの光を
   それぞれ受光してその受光位置を検出する位置検出素子
   とを有し地下坑における基点計測ユニットと被測点計測
   ユニットとの間に配置される少なくとも一つの中間計測
   ユニットとを設けて、基点計測ユニット及び中間計測ユ
   ニットでの光の受光位置に関するデータに基づいて得ら
   れる各光源の方向に関するデータと隣合う各計測ユニッ
   ト間の距離に関するデータとに基づいて、計測基点に対
   する被計測点の相対位置を演算して計測する地中掘進機
   の位置計測装置において、位置検出素子に、光を受光し
   て光量を検出するための多数の画素を有し各画素の検出
   値を出力するものを用いるともに、位置検出素子に結像
   している像が複数個であるか否かを位置検出素子の各画
   素の検出値に基づいて判別する判別手段と、位置検出素
   子に結像している像が複数個であるときに複数個の像の
   中から光源の像を選別するための複数種類の選別手法を
   記憶する記憶手段と、これら複数種類の選別手法のうち
   の任意の選別手法に従って選別された光源の像の付近に
   おける画素の検出値に基づいて、位置検出素子で受光す
   る光源からの光の受光位置に関するデータを算出し得る
   演算手段と、計測基点に対する被計測点の相対位置に関
   するデータをオペレータに伝達する伝達手段とを設けた
   こと特徴とする地中掘進機の位置計測装置。
2. 【請求項２】 複数個の像の中から光源の像を選別する
   ための複数種類の選別手法の中に、複数個の像の中から
   最大輝度の像を光源の像として選別する選別手法と、複
   数個の像の中から、最上方に位置する光の発生源により
   もたらされた像を光源の像として選別する選別手法とが
   含まれていること特徴とする請求項１記載の地中掘進機
   の位置計測装置。