JP2006162357A - 水平方向掘削先端位置の測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的小さな径を有する管などの水平系の掘削において、地中の水平方向掘削先端位置を的確に測定することができる水平方向掘削先端位置の測定装置を提供する。
【解決手段】水平方向掘削先端位置の測定装置において、ターゲットユニット１０と、このターゲットユニット１０にリンク支持機構を介して支持され、所定リンク長を有するリンク３と、このリンク３の後端にリンク支持機構３０を介して支持されるとともに、水平保持台２３を有する計測ユニット２０と、前記ターゲットユニット１０、前記リンク３及び前記計測ユニット２０を内蔵し、掘削機１の後端に取り付けられる弾性変形可能なスリーブ管２とを備え、前記スリーブ管２は掘削中の進路変更に伴って弾性変形し、前記計測ユニット２０の位置と前記リンク３の相対角度でターゲット位置を測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、管推進工事などの水平系の掘削において、その掘削先端位置を正確に把握するための水平方向掘削先端位置の測定装置に関するものである。

従来の水平系掘削における位置測定法には、ターゲットが発する電磁波を用いる方法や、レーザ光等の光学的手段を用いてターゲットとの相対角度を測り、位置を算出する方法がある（下記特許文献１，２参照）。

また、推進装置内に搭載したジャイロから得られる角度データ、推進装置の傾きを検知する傾斜計からの角度データ及び推進装置の推進距離を計測する距離計からの距離データを用いて装置の水平位置を演算する際、装置内に設置された位置計測用ターゲット板を用いて推進中の装置の水平変位を測量し、その測量データ及び同時に得られるジャイロの回転角データを用いて、推進装置の推進基線に対する初期角度を演算するようにした地中推進装置の初期角度検知方法及び位置連続検知方法が提案されている（下記特許文献３参照）。
特開平１１−０２３２７１号公報 特開２００２−４８５４３号公報 特開平１１−１０７６７９号公報

しかしながら、上記した地中レーダなどの電磁波を用いる方法では、利用可能な深度の制限を受ける上、地上に建物のある場合や鉄等の金属成分を多く含んだ土壌では使用が制限されるという問題があった。また、上記した光学的手段を用いる方法は、作業環境の影響を受けやすく、操作手順が煩雑である。

さらに、従来の水平系掘削における位置測定法では、比較的小さな径を有する管などの掘削への適用が難しいといった問題があった。

本発明は、上記状況に鑑みて、比較的小さな径を有する管などの水平系の掘削において、地中の水平方向掘削先端位置を、外部環境および作業環境の影響を受けずに、的確に測定することができる、水平方向掘削先端位置の測定装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕水平方向掘削先端位置の測定装置において、ターゲットユニットと、このターゲットユニットにリンク支持機構を介して支持され、所定リンク長を有するリンクと、このリンクの後端にリンク支持機構を介して支持されるとともに、水平保持台を有する計測ユニットと、前記ターゲットユニット、前記リンク及び前記計測ユニットを内蔵し、掘削機の後端に取り付けられる弾性変形可能なスリーブ管とを備え、前記スリーブ管は掘削中の前記掘削機の進路変更に伴って弾性変形し、前記計測ユニットの位置と前記リンクの相対角度で前記ターゲットユニットの位置を測定することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の水平方向掘削先端位置の測定装置において、前記計測ユニットは、前記水平保持台上に傾斜センサーとジャイロコンパスを配置し、前記リンクの角度を重力加速度と地球自転軸を基準として求めて、前記ターゲットユニットの位置を測定することを特徴とする。

〔３〕上記〔２〕記載の水平方向掘削先端位置の測定装置において、前記ジャイロコンパスを用いて方位角を測定することを特徴とする。

〔４〕上記〔１〕記載の水平方向掘削先端位置の測定装置において、前記計測ユニットは、前記水平保持台に対して前記リンクがＺ，Ｙ軸回りに回転できるようにリンク支持機構を設け、このリンク支持機構に高分解能のロータリーエンコーダを設け、各Ｚ，Ｙ軸回りのリンク回転角を測定することを特徴とする。

〔５〕上記〔４〕記載の水平方向掘削先端位置の測定装置において、前記計測ユニットは、２個の傾斜センサーをＸ，Ｙ軸方向に感度軸を向けてセットしておき、前記水平保持台が自動的に水平を保つようにすることを特徴とする。

〔６〕上記〔１〕記載の水平方向掘削先端位置の測定装置において、前記ターゲットユニットは前記リンクを接続し、前記計測ユニットから一定間隔離れた場所の前記スリーブ管中心にリンク支持点を保持することを特徴とする。

〔７〕上記〔１〕記載の水平方向掘削先端位置の測定装置において、前記ターゲットユニットはＺ，Ｙ軸回りの回転を許すように前記リンク支持機構を備えており、各軸回りに高分解能のロータリーエンコーダを備えて前記リンクの傾斜角を測定することを特徴とする。

〔８〕上記〔１〕記載の水平方向掘削先端位置の測定装置において、前記計測ユニットの位置と方向が、前記測定装置が前記リンク長さと同じ距離移動する前のターゲットユニットの位置と方向に一致するとみなすことによって、方位角測定回数を削減可能にすることを特徴とする。

〔９〕水平方向掘削先端位置の測定装置において、ターゲットユニットと、このターゲットユニットにリンク支持機構を介して支持され、所定リンク長を有するリンクと、このリンクの後端にリンク支持機構を介して支持されるとともに、基台を有する計測ユニットと、前記ターゲットユニット、前記リンク及び前記計測ユニットを内蔵し、掘削機の後端に取り付けられる弾性変形可能なスリーブ管とを備え、前記スリーブ管は掘削中の前記掘削機の進路変更に伴って弾性変形し、前記計測ユニットの位置と前記リンクの相対角度で前記ターゲットユニットの位置を測定することを特徴とする。

〔１０〕上記〔９〕記載の水平方向掘削先端位置の測定装置において、前記計測ユニットは、前記基台上に傾斜センサーとジャイロコンパスを配置し、計測地点の緯度を参照する補正方法により、前記ターゲットユニットの位置を測定することを特徴とする。

〔１１〕上記〔１０〕記載の水平方向掘削先端位置の測定装置において、前記計測ユニットは、前記基台に対して前記リンクがＺ，Ｙ軸回りに回転できるようにリンク支持機構を設け、このリンク支持機構に高分解能のロータリーエンコーダを設け、各Ｚ，Ｙ軸回りのリンク回転角を測定することを特徴とする。

〔１２〕上記〔９〕記載の水平方向掘削先端位置の測定装置において、前記ターゲットユニットは前記リンクを接続し、前記計測ユニットから一定間隔離れた場所の前記スリーブ管中心にリンク支持点を保持することを特徴とする。

〔１３〕上記〔９〕記載の水平方向掘削先端位置の測定装置において、前記ターゲットユニットはＺ，Ｙ軸回りの回転を許すように前記リンク支持機構を備えており、各軸回りに高分解能のロータリーエンコーダを備えて前記リンクの傾斜角を測定することを特徴とする。

〔１４〕上記〔９〕記載の水平方向掘削先端位置の測定装置において、前記計測ユニットの位置と方向が、前記測定装置が前記リンク長さと同じ距離移動する前のターゲットユニットの位置と方向に一致するとみなすことによって、方位角測定回数を削減可能にすることを特徴とする。

本発明によれば、比較的小さな径を有する管などの水平系の掘削において、地中の水平方向掘削先端位置を的確に測定することができる。

また、本発明は重力加速度と地球自転軸を利用するため、外部環境および作業環境の影響を受けずに高精度の測定を行うことができる。

水平方向掘削先端位置の測定装置において、ターゲットユニットと、このターゲットユニットにリンク支持機構を介して支持され、所定リンク長を有するリンクと、このリンクの後端にリンク支持機構を介して支持されるとともに、水平保持台を有する計測ユニットと、前記ターゲットユニット、前記リンクおよび前記計測ユニットを内蔵し、掘削機の後端に取り付けられる弾性変形可能なスリーブ管とを備え、前記スリーブ管は前記掘削機の掘削中の進路変更に伴って弾性変形し、前記計測ユニットの位置と前記リンクの相対角度でターゲットユニットの位置を測定する。よって、比較的小さな径を有する管などの水平系の掘削において、地中の水平方向掘削先端位置を的確に測定することができる。

また、水平保持台を通常の基台に換えて、計測地点の緯度を参照する方法により、ターゲットユニットの位置を測定することもできる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の実施例を示す地中水平方向掘削先端位置の測定装置の全体構成平面図、図２はその地中水平方向掘削先端位置の測定装置のターゲットユニットの模式図、図３はその地中水平方向掘削先端位置の測定装置の計測ユニットの模式図である。

これらの図において、１は掘削機、２はスリーブ管、３はリンク、３Ａはリンク先端（リンク先端支持点）、３Ｂはリンク後端（リンク後端支持点）、４は計測ユニット２０と制御・表示装置とを接続するケーブル、１０はターゲットユニットである。

まず、図１に示すように、この地中水平方向掘削先端位置の測定装置は、次の５つの部分で構成される。

（１）ターゲットユニット
このターゲットユニット１０は、図２に示すように、リンク３に接続され、計測ユニット２０から一定間隔離れた場所のスリーブ管２の中心にリンク先端支持点３Ａを保持する。

（２）リンク
このリンク３は、ターゲットユニット１０と計測ユニット２０を機械的に接続し、傾斜角に対するセンサー機能を有する。

（３）計測ユニット
この計測ユニット２０は、図３に示すように、リンク３に接続され、ターゲットユニット１０から一定間隔離れた場所のスリーブ管２の中心にリンク後端支持点３Ｂを保持する。また、そのリンク３の傾斜角測定および方位角の測定を行う。

（４）スリーブ管
このスリーブ管２は、ターゲットユニット１０、リンク３、計測ユニット２０を内蔵し、掘削機１の後端に取り付けられる。掘削機１の進路変更に伴ってスリーブ管２が弾性変形し、リンク角度が発生する。掘削終了後に掘削機１とともに回収する。また、塑性変形し難い材料でできていることが望ましい。

（５）制御・表示装置（図示なし）
杭口（図示なし）付近にセットし、計測ユニット２０の制御・計測信号を、方位座標へ変換する。また、表示装置（図示なし）に計画座標との差を表示する。

次に、ターゲットユニット１０について図２を参照しながらさらに説明する。

このターゲットユニット１０は、リンク３の支持機構１１を有しており、このリンク支持機構１１は、スリーブ管２の内径に適合するような円形のリング（ケース）１２と、このリング１２内に設けられ、リンク先端支持点３Ａに連結される二股状のアーム１３と、このアーム１３とリンク支点１３Ａで直交するように連結される四角形状のリンク１４と、このリンク１４に取り付けられるピッチ回転軸１５からなる。そして、ピッチ回転軸１５の回転を検出するロータリーエンコーダ（Ｚ軸）１７、ヨー回転軸１６回りの回転を検出するロータリーエンコーダ（Ｙ軸）１８を備えている。このように各軸まわりに高分解能のロータリーエンコーダ１７，１８を配置するようにしている。

このように、ターゲットユニット１０は、Ｚ，Ｙ軸回りの回転を許すようにリンク３を支持する支持機構１１を備えるとともに、各軸回りに高分解能のロータリーエンコーダ１７，１８を備え、リンク３の傾斜角を測定する。

なお、このターゲットユニット１０は、設置時にリンク３の中心とスリーブ管２の中心が一致するように調整、固定する芯出装置（図示なし）を具備している。

次に、計測ユニット２０について図３を参照しながら説明する。

この計測ユニット２０は、スリーブ管２の内径に適合するように配置される円形のリング（ケース）２１と、このリング２１に固定されるピッチ回転軸受２２と、水平保持台２３と、その水平保持台２３の後端に配置される、水平保持台駆動用モータとしての超音波モータ２４と、水平保持台２３上に設置され、真北の方位を測定するジャイロコンパス２５と、傾斜センサー２６Ａ，２６Ｂと、ボールねじ２７Ａと、ボールねじ受け部２７Ｂと、継ぎ手２８と、中空ステッピングモータ２９よりなる。

さらに、水平保持台２３のピッチ回転軸受取付部３７にはリンク支持機構３０が配置される。リンク支持機構３０は、リンク後端支持点３Ｂに連結された二股状のアーム３１と、このアーム３１とリンク支点３３Ａで直交するように固定される四角形状のリンク３２と、この四角形状のリンク３２に連結されるピッチ回転軸３３からなる。そして、ピッチ回転軸３３の回転を検出するロータリーエンコーダ（Ｚ軸）３５、ヨー回転軸３４回りの回転を検出するロータリーエンコーダ（Ｙ軸）３６を備えている。このように各軸まわりに高分解能のロータリーエンコーダ３５，３６を設けている。

このように、計測ユニット２０は、リング（ケース）２１に対してＹ，Ｚ軸回りの回転ができるようにリンク支持機構３０を支持する。また、２個の傾斜センサー２６Ａ，２６ＢをＸ，Ｙ軸方向に感度軸を向けてセットしておき、水平保持台２３が自動的に水平を保つようにする。

また、水平保持台２３に対してリンク３がＺ，Ｙ軸回りに回転できるように支持されている。さらに、高分解能のロータリーエンコーダ３５，３６をリンク支持機構３０に設け、各軸回りのリンク回転角を測定する。

また、この計測ユニット２０は測定装置組み立て時にリンク３の中心とスリーブ管２の中心が一致するように調整、固定する芯出装置（図示なし）を具備する。

さらに、制御・表示装置（図示なし）は、以下の機能を有する。

（１）水平保持台２３の制御を行い、水平を保つ。

（２）ジャイロコンパス２５の制御を行う。

（３）各傾斜センサー信号の読み取りを行う。

（４）通信を介して外部の主制御装置との信号交換を行う。

（５）較正データ（水平時の傾斜センサーオフセット、方位角と装置主軸の誤差等）を保持する。

次に、電源・ケーブルについて説明する。

使い勝手を考えると、測定装置内にバッテリを搭載して外部電源及びケーブルを用いないことが望ましいが、その方式では、以下のような問題がある。
（１）地中で数日間以上稼働させる可能性があるため、バッテリ切れの心配がある。
（２）さらに、水平保持台、ジャイロコンパスなどの機械的駆動部があるため、消費電力が大きい。
（３）万一バッテリ切れなどの事態が起こった場合、装置の回収が難しい。

以上の点から、現段階ではバッテリのみを用いた運転はリスクを伴う。

そこで、外部電源及びケーブルを用いて電力を供給する際には、以下の点に注意する。
（１）ケーブルをスリーブ管内に通す必要がある。このため、スリーブ管の定尺毎にケーブルを接続して延長する必要があり、そのために接続用コネクタを用いる。
（２）ケーブルと掘削機用の油圧ホースとがスリーブ管内で絡まないように配置する。
（３）多数のケーブルの信頼性を維持するようにチェックを行う。

そこで、実際の電源供給は次の方法が考えられる。
（１）複合ホース：掘削機用の油圧ホースと測定装置用の電源ケーブルを一体にまとめたホースを作る。この複合ホースの端部では油圧ホースと電源ケーブルを分け、それぞれ油圧用ワンタッチカプラと電気用コネクタに取り付ける。電気用コネクタはＩＰ６７の防水仕様であることが望ましい。このコネクタには電源の他に通信用の端子（４極程度）を装備し、制御・表示装置との通信を行う。
（２）油圧モータ式発電器：測定装置内に油圧モータで駆動する発電機を内蔵し、バッテリの充電ができるようにする。油圧は掘削機の油圧モータ駆動回路（図示なし）から分岐し、減圧弁を介して発電用油圧モータに供給する。制御・表示装置との通信はスリーブ管をダクトとして電波または超音波により行う。

図４は本発明の実施例を示す地中水平方向掘削先端位置の測定装置による測定原理の説明図、図５はその地中水平方向掘削先端位置の測定装置の主な機構の模式図、図６はその地中水平方向掘削先端位置の測定装置における位置更新時における各ユニットの位置関係を示す模式図、図７はその地中水平方向掘削先端位置の測定装置のジャイロコンパスによる自転方向検出の説明図、図８は自転方向検出の信号処理の方法の説明図である。

まず、前提条件として、管推進工法は、次の条件を満たすものとする。
（１）掘削機による掘削の進行に連動して、スリーブ管及び測定装置は地上側で送り込んだ管の長さだけ前進する。
（２）後続して送り込まれる管は、掘削機が掘った軌跡をトレースして進む。

以上の条件を前提として、まず、測定の原理について説明する。

図４に示すように、スリーブ管２中心の２点に渡したリンク３の角度を、方位角、重力加速度方向を基準とする座標に変換し、スリーブ管２の各点の位置を求める。このとき、
（１）計測はリンク３の長さｌ毎に行う。

（２）重力ベクトルの方向は傾斜センサー２６Ａ，２６Ｂで求める。

（３）方位角はジャイロコンパス２５を用いて、地球の自転軸を観測することにより求めるが、掘削がリンク長さ分だけ進んだ位置においては、１サンプル前のターゲットユニット１０の方位角と、次のサンプルにおける計測ユニット２０の方位角が等しくなることを利用して、方位角の検出回数を削減することができる。

（４）計測ユニット２０には水平保持台２３を設け、傾斜センサー２６Ａ，２６Ｂとジャイロコンパス２５を水平保持台２３上に配置する。

（５）ターゲットユニット１０と計測ユニット２０との間はリンク３で結ぶ。計測ユニット２０側のピッチ回転軸３３は水平保持台２３のピッチ回転軸受取付部３７に取り付け、水平保持台２３となす角をロータリーエンコーダ３５，３６で測定する。

（６）ターゲットユニット１０と計測ユニット２０は同一のスリーブ管２内に取り付ける。

図５は本発明の地中水平方向掘削先端位置の測定装置の模式図である。

次いで、ターゲットユニットの位置・方位角について図５を参照しながら説明する。

（１）ターゲットユニット１０を先にし、計測ユニット２０を後にして掘削機１の後端に取り付ける。

（２）水平保持台２３は傾斜センサー２６Ａ，２６Ｂからの信号をフィードバックして、常に自動的に水平を保つようにする。

そこで、ある位置のサンプルｉにおいて、ジャイロコンパス２５による地球自転軸の検知から北の方向を計測し、計測ユニット２０の主軸（Ａ）方位角（水平保持台２３の方位角）ψ_Biを求める。

（３）計測ユニット主軸（Ａ）からみたターゲットユニット１０のリンク支点１３Ａの位置 ^BＰ_Aiは下記式（１）で表される。

ただし、Ｒ_zi，Ｒ_yiは、ｚ′，ｙ′軸回りの回転変換行列で、次のようになる。

ここで、ａ_i はリンク３の水平保持台２３に対するピッチング角、ｂ_i はリンク３の水平保持台２３に対するヨー角、ｃ_i はリンク３のターゲットユニット１０の主軸（Ｂ）に対するピッチング角、ｄ_i はリンク３のターゲットユニット１０の主軸（Ｂ）に対するヨー角を表す。

ターゲットユニット１０の方位角は、
ψ_Ai＝ψ_Bi＋ｂ_i ＋ｄ_i …（３）
ターゲットユニット１０のリンク支点１３Ａの位置 ^BＰ_Aiを、方位座標と掘削開始位置を原点とする座標で表すと、上記式（１）を用いて下記式（４）となる。

また、Ｐ_Biは方位基準座標で表した計測ユニット３０のリンク支点３３Ａの位置で、Ｐ_B0は掘削を開始した原点である。

上記式（４）に、上記式（２）、式（５）を代入して整理すると、方位座標系で表したターゲットユニット１０の座標は式（６）となる。

次に、地中水平方向掘削先端位置の更新について説明する。

図６はその位置の更新の説明図である。図６において、３，３′，３″はリンク、５はサンプルｉ、５′はサンプルｉ＋１、５″はサンプルｉ＋２、６はサンプルｉのターゲットユニット、６′はサンプルｉ＋１のターゲットユニット、６″はサンプルｉ＋２のターゲットユニット、７はサンプルｉの計測ユニット、７′はサンプルｉ＋１の計測ユニット、７″はサンプルｉ＋２の計測ユニットである。

掘削機で掘削が進行し、サンプルｉ（５）の位置からリンク３の長さｌだけ進んだ位置の測定値をサンプルｉ＋１（５′）の測定値とする。このとき、サンプルｉ＋１の計測ユニット７′のリンク支点の位置はサンプルｉのターゲットユニット６のリンク支点の位置と一致する。
これにより、サンプルｉ＋１（５′）における計測ユニット７′の位置、方位 角は、図６のようにサンプルｉ（５）におけるターゲットユニット６の位置、方位角と同じである。従って、
ψ_Bi+1＝ψ_Ai， Ｐ_Bi+1＝Ｐ_Ai …（７）
そこで、上記式（３）と同様に、

上記式（７）、（８）より掘削開始位置を原点とする方位基準座標で表した各サンプルのリンク支点位置が逐次求められる。

ただし、上記方法により用いた方位角ψ_A ，ψ_B には誤差が累積し、この誤差は精度に及ぼす影響が大きい。精度を維持するため、適当な間隔ごとに掘削を１０分程度一旦停止し、ジャイロコンパス２５により計測ユニット２０の方位角を検出して、その時点の方位角ψ_B として用いる。

以降は同じ計算手順で方位角が修正され、精度が維持される。

次に、方位角の検出について説明する。

一般に、方位角の検出手段として、（１）ジャイロコンパス、（２）地磁気センサー、（３）ＧＰＳ方位計などが考えられるが、地中で利用することを考えると、上記（２）の地磁気センサーでは配管や鉄筋など、地磁気を乱す物質の存在が想定される場所では精度が保証されず、上記（３）のＧＰＳ方位計では衛星からの電波が受信できない。このため、本発明では、ジャイロコンパス２５を選択することにした。

ジャイロコンパス２５は高精度の角速度センサーを用いて、地球の自転軸方向を検出するもので、航空機などの分野で利用されている。

地球の自転角速度は４．１７×１０^-3（ｄｅｇ／ｓｅｃ）程度の小さい値であるから、角速度センサーには高い精度が要求され、通常、光ファイバジャイロが用いられる。

図７は本発明の実施例を示すジャイロコンパスによる自転方向の検出の説明図である。

この図に示すように、水平保持台２３上に、ジャイロコンパス２５として角速度センサー（光ファイバジャイロ）を設置する。なお、４１は水平保持台２３に対する鉛直軸、４２は角速度検出軸、４３は地軸である。

このように、ジャイロコンパス（角速度センサー）２５を回転する水平保持台２３の上に載せて鉛直軸４１回りに回転させると、ジャイロコンパス（角速度センサー）２５の感度軸が地球の自転軸付近を向くと出力が大きくなり、直交すると出力が無くなる。この性質を利用して、装置の基準座標軸に対する回転軸と出力との相関から真北に対する方位角を求めることができる。

次に、図８を用いて本発明のジャイロコンパスによる自転方向の信号処理について説明する。

このように、常に水平を保持する水平保持台２３の上に鉛直軸４１回りに回転する角速度センサー２５を設置すると、回転角と角速度センサー２５の関係は真北で最大値をとる正弦波になる。これを参照信号としてセンサー出力との相関関数が最大となる角度を計算すると、装置の基準軸線と真北の角度差、すなわち方位角が求まる。

この方式の欠点は、小さな出力信号から方位を割り出すために長時間のデータを平均処理して信頼性を上げる必要があり、計測時間が長くなることである。また、測定時には角速度センサー２５に振動を与えることは好ましくない。このため、絶対方位角を常時測定することは困難である。

次に動作方法について説明する。
〔１〕角度の較正は方位が既知の水平な台上に本発明の装置を置き、ジャイロコンパス２５が出力する方位角と各エンコーダの角度を原点として測定装置内のＥＥＰＲＯＭ（電気的に消去可能なプログラマブルＲＯＭ：ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｅｒａｓａｂｌｅ ａｎｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｒｅａｄ ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ）に記録する。
〔２〕ターゲットユニット１０側を前にして装置を掘削機１の後端に取り付け、杭内に入れる。
〔３〕制御・表示装置に原点座標Ｐ_B0と方位計測周期を入力し、測定を開始する。
〔４〕測定を開始した後、方位計測を行って計測ユニット２０の初期方位ψ_B0を求める。
〔５〕次いで、前記式（３）、（６）により、ターゲットユニット１０の方位角ψ_A0と座標Ｐ_A0を求める。
〔６〕ターゲットユニット１０の座標を制御・表示装置に表示する。
〔７〕リンク３の１本分の長さだけ掘削を行う。
〔８〕前記式（７）により、計測ユニット２０の方位角ψ_Biと座標Ｐ_Biを求める。
〔９〕前記式（３），（４）により、ターゲットユニット１０の方位角ψ_Aiと座標Ｐ_Aiを求める。
〔１０〕方位計測周期に達するまで前記〔５〕から〔９〕を繰り返す。

次に、本測定装置の主要部品について説明する。

（１）傾斜センサー
ＪＡ−２３−ＭＡ−００〔サーボ型、日本航空電子製、計測範囲±９０°、角度分解能１０秒、温度範囲−２５〜７０℃〕が適当である。

（２）角度検出器
スリーブ管のたわみがわずかであること、検出精度が全体の性能に直結することから考えて高い分解能が必要と考えられる。また、測定が長時間に及び、原点を見失う可能性があるので、原点を確実に管理できるアブソリュート型が望ましい。候補部品としては、ＲＡ５１０（ソニープレシジョン：分解能２．５秒）、ＳＡ３５（多摩川精機：分解能１０秒）などを用いる。

（３）水平保持台駆動用モータ
移動速度が小さく精密な送りが必要なこと、保持トルクが必要なことなどから考えて、超音波モータかハーモニック減速機付きステッピングモータが適すると考えられる。超音波モータを使用する場合、寿命は１０００時間（実運転時間）程度なので、定期的に交換が必要である。

Ｙ軸回りについてはボールねじなどにより駆動するので、ボールねじにモータを直結できない場合はバックラッシュを排除する機構を装備する必要がある。

（４）ジャイロコンパス
特殊な部品であるため、選択肢が少ないが、市販されているユニットの例として日本航空電子工業株式会社製ＪＭ７７を用いることができる。ターンテーブルを製作する場合には、日本航空電子株式会社製光ファイバジャイロＪＧ−２０１ＦＡが利用可能と考えられる。出力が非常に微弱であるため、増幅系のノイズ対策を十分に行う必要がある。

ターンテーブルの駆動は速度ムラを抑制しなければならない。また、運転時間が長くなるので、信頼性の面から交流サーボモータが適している。

次に、水平系地中位置測定装置の水平保持台を省略する計測方法について説明する。

上記実施例では、水平系地中位置測定装置の測定システムにおいて、地軸から方位角を求めるために水平保持台を用いる方法を採用した。この方法は確実であるが、構造が複雑になり、装置製作の難度が高いため、この実施例では、水平保持台が不要なデータ処理方法を考案した。

（１）測定の原理
（１−１）方位角測定
測定装置の主軸線をｘ軸とする直交座標をＡ座標系、真北をｘ′軸、鉛直をｚ′軸とする座標をＢ座標系、Ｂ座標系をｙ′軸回りに回転してｘ″を地軸と一致させた座標をＣ座標系とする。

この座標系の関係を図９に示す。

図９（ａ）において、５１は計測ユニット、５２はｘ軸、５３はｙ軸、５４はｚ軸、５５は北方向軸（ｘ′軸）、５６はｙ′軸である。

また、図９（ｂ）において、５７は地軸（ｘ″軸）、５８はｚ″軸である。

図１０に示すように、高精度ジャイロコンパス２５の感度軸をＡ座標系のｘ−ｙ平面に回転させると、この感度軸が描く軌跡 ^AＶはＡ座標系において式（９）で表される。

^AＶ＝［ｃｏｓθ ｓｉｎθ ０］^t …（９）
ただし、θは測定装置主軸とジャイロコンパス感度軸のなす角度を示している。

この軌跡をＢ座標系で表すと式（１０）となる。

^BＶ＝Ｒ_z Ｒ_y Ｒ_x ^AＶ …（１０）
Ｒ_z ，Ｒ_y ，Ｒ_x はＡ座標からＢ座標への座標変換行列で、下記式（１１）〜式（１３）で表される。

但し、αはｘ軸方向傾斜角、βはｙ軸方向傾斜角、ψは装置主軸の方位角である。計測地点の緯度をＬとすると、Ｃ座標系から見たジャイロコンパス感度軸の軌跡 ^CＶは式（１４）となる。

^CＶ＝Ｒ_L ^BＶ
＝Ｒ_L Ｒ_z Ｒ_y Ｒ_x ^AＶ …（１４）
Ｒ_L はＢ座標からＣ座標への変換行列で、式（１５）で与えられる。

^CＶのｘ成分をＥとすると式（１４）により式（１６）になる。

Ｅ（θ）＝（ｃｏｓＬｃｏｓψｃｏｓα＋ｓｉｎＬｓｉｎα）ｃｏｓθ
＋｛−ｃｏｓＬｓｉｎψｃｏｓβ＋（ｃｏｓＬｃｏｓψｓｉｎα
−ｓｉｎＬｃｏｓα）ｓｉｎβ｝ｓｉｎθ …（１６）
一方、Ｅは地球自転角速度に対するジャイロコンパスの感度を示すから、回転角θにおけるジャイロコンパス出力から式（１７）で求められる。

Ｅ＝ω（θ）／ω₀ …（１７）
ただし、ω（θ）はジャイロコンパスで検出した角速度、ω₀ は地球の自転角速度を示す。

θ＝０においては、式（１６）の第２項が０になるので、このときのジャイロコンパスの出力から計算した感度Ｅ（０）を用いて式（１８）が得られる。

Ｅ（０）＝ｃｏｓＬｃｏｓψｃｏｓα＋ｓｉｎＬｓｉｎα …（１８）
よって、測定装置主軸の方位角ψは式（１９）となる。

式（１９）の解は−π〜πの間に２個存在する。このため、２個の解のうち直前のψに近い方を採用する。従って、測定開始時には大まかな初期方位角を与えておく必要がある。

アークコサインの計算を行う際、通常のコンピュータライブラリでは主値として０〜πの間だけを計算するので、式（１９）の解に対して±ψのどちらが前回のψに近いかを判定して採用する。

（１−２）ノイズ除去
式（１９）では、１点の観測から方位角が求まることを示すが、実際のジャイロコンパスの出力にはオフセット誤差、ゲイン誤差、ノイズ成分等の誤差要因が含まれるため、次のようにしてこれらを除去する。

ｓｉｎ（−θ）＝−ｓｉｎ（θ）より、式（１６）をθ＝０に対して対称な２点について足し合わせると第２項が消去され、式（２０）となる。

式（２０）で得られる２個の解の選択については式（１９）と同様に行う。

ノイズがガウス性であることを仮定すると、十分な標本数の平均を取ることにより除去されるから、方位角ψは十分に大きなｎに対して式（２１）で与えられる。

（１−３）オフセット除去
上述したように、ジャイロコンパスの出力にはオフセットが含まれることが予想される。オフセットを除くため、式（１７）のＥは次のようにして求める。
（ａ）ジャイロコンパスを十分な回数だけ回転させて、回転角度に対する出力の平均を求める。
（ｂ）上記（ａ）から１周期の平均を求めて各要素から差し引き、式（１７）でＥを求める。

（１−４）ゲイン誤差補正
この実施例の方式では相関関数から方位角を求める前出の実施例と異なり、ゲイン誤差が方位の誤差となる。このため、較正時において、次のようにゲインの補正を行う。

（ａ）方位と緯度が既知の水平な較正台上で計測ユニット主軸を真北に向け、ゲインを仮に１としてジャイロコンパスを十分な回数だけ回転し、上記した（１−３）の要領でＥを計算し、全振幅をＡとする。

（ｂ）式（１６）においてａ＝ｂ＝０としてＥの全振幅を求め、Ｂとする。

（ｃ）Ｂ／Ａをジャイロコンパスのゲインとして計測装置のＲＯＭに記録する。

（ｄ）測定時には上記（ｃ）で求めたゲインでＥの補正を行う。
（２）リンク位置の計測
（２−１）ターゲットユニットの位置・方位角
図１１は本発明の他の実施例を示す地中水平方向掘削先端位置の測定装置の計測ユニットの模式図である。なお、リンクおよびターゲットユニットは上記した実施例と同様であり、ここでは図示を省略する。

この図において、６０は計測ユニットであり、この計測ユニット６０は、基台６１と、その基台６１上に配置されるジャイロコンパス６２、傾斜センサー６３Ａ，６３Ｂ、ピッチ回転軸受取付部６４からなる。さらに、基台６１のピッチ回転軸受取付部６４にはリンク支持機構７０が配置される。リンク支持機構７０は、リンク後端支持点３Ｂに連結された二股状のアーム７１と、このアーム７１に直交するように固定される四角形状のリンク７２と、このリンク７２に連結されるピッチ回転軸７３からなる。そして、ピッチ回転軸７３の回転を検出するロータリーエンコーダ（Ｚ軸）７５、ヨー回転軸７４回りの回転を検出するロータリーエンコーダ（Ｙ軸）７６を備えている。このように各軸回りに高分解能のロータリーエンコーダ７５，７６を設けている。

この計測ユニット６０において、計測ユニット主軸に固定した座標系をＡ、真北をｘ軸、上方をｚ軸として、掘削開始点を原点とする座標系をＢとする。

そこで、計測ユニット６０から見たターゲットユニットのリンク支持位置 ^AＰ_Aiは式（２２）で与えられる。

ただし、Ｒ_zi，Ｒ_yi，は、ｚ′，ｙ′軸回りの回転変換行列であり、次のようになる。

また、計測ユニット６０からみたターゲットユニット軸線の方向ベクトル ^AＶは、式（２４）となる。

ここで、ａ_i はリンク３の計測ユニット主軸に対するピッチング角、ｂ_i はリンク３の計測ユニット主軸に対するヨー角、ｃ_i はリンク３のターゲットユニット主軸に対するピッチング角、ｄ_i はリンク３のターゲットユニット主軸に対するヨー角である。

計測ユニット主軸のピッチング角をα_i 、ロール角をβ_i 、方位角をψ_i とすると、方位座標系Ｂで表現したターゲットユニットのリンク支持位置座標Ｐ_Aiおよびターゲットユニットの方向ベクトルＶ_A は式（２５）、（２６）となる。

ターゲットユニット主軸線の方位角は方向ベクトルＶ_A のｘ，ｙ軸成分Ｖ_Ax，Ｖ_Ayを用いて、式（３０）で表される。

逆正弦関数の主値の問題については、式（３０）においても上記方位角測定と同様である。

（２−２）位置の更新
図１２は本発明の他の実施例を示す計測ユニットとターゲットユニットの位置関係を示す模式図である。ここで、８１はサンプルｉ、８１′はサンプルｉ＋１、８１″はサンプルｉ＋２、８２はサンプルｉのターゲットユニット、８２′はサンプルｉ＋１のターゲットユニット、８２″はサンプルｉ＋２のターゲットユニット、８３はサンプルｉの計測ユニット、８３′はサンプルｉ＋１の計測ユニット、８３″はサンプルｉ＋２の計測ユニットである。

掘削機で掘削し、サンプルｉ（８１）の位置からリンクの長さｌだけ進んだ位置の測定値をサンプルｉ＋１（８１′）の測定値とする。このとき、サンプル１＋ｉの計測ユニット８３′のリンク支点位置はサンプルｉのターゲットユニット８２のリンク支点位置にある。

従って、図１２に示すように、サンプルｉ＋１における計測ユニット８３′の位置・方位角はサンプルｉにおけるターゲットユニット８２の位置・方位角と等しくなり、式（３１）が成り立つ。

ψ_Bi+1＝ψ_Ai ，Ｐ_Bi+1＝Ｐ_Ai …（３３）
式（２５）、（２６）、（３０）、（３１）の関係を用いると、掘削開始位置を原点とする方位基準座標で表した各サンプルのリンク支持位置座標が逐次求められる。

ただし、上記の方法により求めた方位角ψ_A ，ψ_B には誤差が累積し、この誤差は精度に及ぼす影響が大きい。精度を維持するため、適当な間隔ごとに掘削を１０分程度一旦停止し、ジャイロコンパス６２により計測ユニット６０の方位角を検出して、その時点の方位角ψ_B として用いる。

以降は同じ計算手順で方位角が修正され、精度が維持される。

（３）水平保持台の有無による違い
前述した水平保持台を用いる方法では、ジャイロコンパスの感度軸が水平面と平行に回転するため、地球自転軸とジャイロコンパス感度軸のなす角度はジャイロコンパスの感度軸が真北を向いたときに最小となり、同時にジャイロコンパスの出力は最大となる。このため、ジャイロコンパスの回転角をθ、ジャイロコンパスの出力をＥ（θ）として、ｃｏｓ（θ）とＥ（θ）の相関関数が最大になるθを方位角とすることができる。この相関関数による方法は、２つの信号間の位相差が求まるため、ジャイロコンパスのオフセット誤差やゲイン誤差はθの計算に影響しない。

これに対して、この実施例の水平保持台を省略した構成では、ジャイロコンパスの感度軸が水平面に対して傾いて回転するため、地球自転軸とジャイロコンパスの感度軸のなす角が最小になる方位は必ずしも真北ではない。このため、基準関数と測定信号の位相差で方位角を求めることはできない。

一方、ジャイロコンパスの回転軸の傾斜は傾斜センサーにより容易に求まるから、計測地の緯度を参照すれば、ある方位角をジャイロコンパスの感度軸が向いたときの出力の大きさを上記式（１６）で予想することができ、実測した出力の大きさとの比較から、上記式（２０）で方位角を求めることができる。

上記式（２０）はジャイロコンパスの出力の大きさから方位角を求める式であり、ゲイン誤差、オフセット誤差の影響を強く受ける。この点が位相差で方位角を求める方法と異なっており、計測系の安定性に対する要求が高くなる。

この反面、装置の構成は非常に単純化され、コスト低減が見込まれる他、機械的精度の確保が容易になる利点がある。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の水平方向掘削先端位置の測定装置は、比較的小さな径を有する管などの水平系の掘削において、地中水平方向掘削先端位置を測定する用途に好適である。

本発明の実施例を示す地中水平方向掘削先端位置の測定装置の全体構成平面図である。 本発明の実施例を示す地中水平方向掘削先端位置の測定装置のターゲットユニットの模式図である。 本発明の実施例を示す地中水平方向掘削先端位置の測定装置の計測ユニットの模式図である。 本発明の実施例を示す地中水平方向掘削先端位置の測定装置による測定原理の説明図である。 本発明の実施例を示す地中水平方向掘削先端位置の測定装置の主な機構の模式図である。 本発明の実施例を示す地中水平方向掘削先端位置の測定装置における位置更新時における各ユニットの位置関係を示す模式図である。 本発明の実施例を示す地中水平方向掘削先端位置の測定装置のジャイロコンパスによる自転方向検出の説明図である。 本発明の実施例を示す地中水平方向掘削先端位置の測定装置のジャイロコンパスによる自転方向検出の信号処理の方法の説明図である。 計測ユニットの座標系の関係を示す図である。 高精度ジャイロの座標系を示す図である。 本発明の他の実施例を示す地中水平方向掘削先端位置の測定装置の計測ユニットの模式図である。 本発明の他の実施例を示す計測ユニットとターゲットユニットの位置関係を示す模式図である。

符号の説明

１ 掘削機
２ スリーブ管
３，３′，３″ リンク
３Ａ リンク先端支持点
３Ｂ リンク後端支持点
４ ケーブル
５，８１ サンプルｉ
５′，８１′ サンプルｉ＋１
５″，８１″ サンプルｉ＋２
６，８２ サンプルｉのターゲットユニット
６′，８２′ サンプルｉ＋１のターゲットユニット
６″，８２″ サンプルｉ＋２のターゲットユニット
７，８３ サンプルｉの計測ユニット
７′，８３′ サンプルｉ＋１の計測ユニット
７″，８３″ サンプルｉ＋２の計測ユニット
１０ ターゲットユニット
１１，３０，７０ リンク支持機構
１２，２１ 円形のリング（ケース）
１３，３１，７１ 二股状のアーム
１３Ａ，３３Ａ リンク支点
１４，３２，７２ 四角形状のリンク
１５，３３，７３ ピッチ回転軸
１６，３４，７４ ヨー回転軸
１７，３５，７５ ロータリーエンコーダ（Ｚ軸）
１８，３６，７６ ロータリーエンコーダ（Ｙ軸）
２０，５１，６０ 計測ユニット
２２ ピッチ回転軸受
２３ 水平保持台
２４ 超音波モータ
２５，６２ ジャイロコンパス（角速度センサー）
２６Ａ，２６Ｂ，６３Ａ，６３Ｂ 傾斜センサー
２７Ａ ボールねじ
２７Ｂ ボールねじ受け部
２８ 継ぎ手
２９ 中空ステッピングモータ
３７，６４ ピッチ回転軸受取付部
４１ 水平保持台に対する鉛直軸
４２ 角速度検出軸
４３ 地軸
５２ ｘ軸
５３ ｙ軸
５４ ｚ軸
５５ 北方向軸（ｘ′軸）
５６ ｙ′軸
５７ 地軸（ｘ″軸）
５８ ｚ″軸
６１ 基台

Claims (14)

1. （ａ）ターゲットユニットと、
   （ｂ）該ターゲットユニットにリンク支持機構を介して支持され、所定リンク長を有するリンクと、
   （ｃ）該リンクの後端にリンク支持機構を介して支持されるとともに、水平保持台を有する計測ユニットと、
   （ｄ）前記ターゲットユニット、前記リンク及び前記計測ユニットを内蔵し、掘削機の後端に取り付けられる弾性変形可能なスリーブ管とを備え、
   （ｅ）前記スリーブ管は掘削中の前記掘削機の進路変更に伴って弾性変形し、前記計測ユニットの位置と前記リンクの相対角度で前記ターゲットユニットの位置を測定することを特徴とする水平方向掘削先端位置の測定装置。
2. 請求項１記載の水平方向掘削先端位置の測定装置において、前記計測ユニットは、前記水平保持台上に傾斜センサーとジャイロコンパスを配置し、前記リンクの角度を重力加速度と地球自転軸を基準として求めて、前記ターゲットユニットの位置を測定することを特徴とする水平方向掘削先端位置の測定装置。
3. 請求項２記載の水平方向掘削先端位置の測定装置において、前記ジャイロコンパスを用いて方位角を測定することを特徴とする水平方向掘削先端位置の測定装置。
4. 請求項１記載の水平方向掘削先端位置の測定装置において、前記計測ユニットは、前記水平保持台に対して前記リンクがＺ，Ｙ軸回りに回転できるようにリンク支持機構を設け、該リンク支持機構に高分解能のロータリーエンコーダを設け、各Ｚ，Ｙ軸回りのリンク回転角を測定することを特徴とする水平方向掘削先端位置の測定装置。
5. 請求項４記載の水平方向掘削先端位置の測定装置において、前記計測ユニットは、２個の傾斜センサーをＸ，Ｙ軸方向に感度軸を向けてセットしておき、前記水平保持台が自動的に水平を保つようにすることを特徴とする水平方向掘削先端位置の測定装置。
6. 請求項１記載の水平方向掘削先端位置の測定装置において、前記ターゲットユニットは前記リンクを接続し、前記計測ユニットから一定間隔離れた場所の前記スリーブ管中心にリンク支持点を保持することを特徴とする水平方向掘削先端位置の測定装置。
7. 請求項１記載の水平方向掘削先端位置の測定装置において、前記ターゲットユニットはＺ，Ｙ軸回りの回転を許すように前記リンク支持機構を備えており、各軸回りに高分解能のロータリーエンコーダを備えて前記リンクの傾斜角を測定することを特徴とする水平方向掘削先端位置の測定装置。
8. 請求項１記載の水平方向掘削先端位置の測定装置において、前記計測ユニットの位置と方向が、前記測定装置が前記リンク長さと同じ距離移動する前のターゲットユニットの位置と方向に一致するとみなすことによって、方位角測定回数を削減可能にすることを特徴とする水平方向掘削先端位置の測定装置。
9. （ａ）ターゲットユニットと、
   （ｂ）該ターゲットユニットにリンク支持機構を介して支持され、所定リンク長を有するリンクと、
   （ｃ）該リンクの後端にリンク支持機構を介して支持されるとともに、基台を有する計測ユニットと、
   （ｄ）前記ターゲットユニット、前記リンク及び前記計測ユニットを内蔵し、掘削機の後端に取り付けられる弾性変形可能なスリーブ管とを備え、
   （ｅ）前記スリーブ管は掘削中の前記掘削機の進路変更に伴って弾性変形し、前記計測ユニットの位置と前記リンクの相対角度で前記ターゲットユニットの位置を測定することを特徴とする水平方向掘削先端位置の測定装置。
10. 請求項９記載の水平方向掘削先端位置の測定装置において、前記計測ユニットは、前記基台上に傾斜センサーとジャイロコンパスを配置し、計測地点の緯度を参照する補正方法により、前記ターゲットユニットの位置を測定することを特徴とする水平方向掘削先端位置の測定装置。
11. 請求項１０記載の水平方向掘削先端位置の測定装置において、前記計測ユニットは、前記基台に対して前記リンクがＺ，Ｙ軸回りに回転できるようにリンク支持機構を設け、該リンク支持機構に高分解能のロータリーエンコーダを設け、各Ｚ，Ｙ軸回りのリンク回転角を測定することを特徴とする水平方向掘削先端位置の測定装置。
12. 請求項９記載の水平方向掘削先端位置の測定装置において、前記ターゲットユニットは前記リンクを接続し、前記計測ユニットから一定間隔離れた場所の前記スリーブ管中心にリンク支持点を保持することを特徴とする水平方向掘削先端位置の測定装置。
13. 請求項９記載の水平方向掘削先端位置の測定装置において、前記ターゲットユニットはＺ，Ｙ軸回りの回転を許すように前記リンク支持機構を備えており、各軸回りに高分解能のロータリーエンコーダを備えて前記リンクの傾斜角を測定することを特徴とする水平方向掘削先端位置の測定装置。
14. 請求項９記載の水平方向掘削先端位置の測定装置において、前記計測ユニットの位置と方向が、前記測定装置が前記リンク長さと同じ距離移動する前のターゲットユニットの位置と方向に一致するとみなすことによって、方位角測定回数を削減可能にすることを特徴とする水平方向掘削先端位置の測定装置。

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