JPH0554607B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、掘進機を目標線上に移動させるため
に用いられる掘進機の位置検出装置に関する。

〔従来の技術〕

例えば小口径掘進工法等により、地中に管等を
非開削で埋設する場合、当該管の先端に配置する
掘進機は予め定められた掘削目標線に沿つて地中
に掘削してゆく必要がある。このため、地中にお
ける掘進機の位置を検出し、掘進機が掘削目標線
から外れた場合にはこれを修正しなければならな
い。このように、掘進機の位置を検出すること
は、地中を掘削して管を埋設する場合、不可欠の
手段である。以下、従来の位置検出手段を図によ
り説明する。

第６図は従来の位置検出装置の断面図である。
図で、１は地中を掘削中の掘進機、２は掘進機１
の後部に設けられる埋設管、３は掘進機１が掘削
を開始するための発進立坑である。発進立坑３内
には、埋設管２の後部を押す押し装置（図示され
ていない）が設けられている。４は発進立坑３の
適所に設けられたレーザ発振器である。レーザ発
振器４は埋設管２を通つて掘進機１に対してレー
ザ光５を放射するように構成されている。６は掘
進機１に設けられたスクリーンであり、レーザ発
振器４からのレーザ光５を受光する。Ｔは掘進機
１の掘削目標線を示す。

掘進機１が掘削目標線Ｔ上を掘進している場合
には、レーザ光５はスクリーン６上の所定の個所
において受光されるが、掘進機１が掘削目標線Ｔ
から外れると、レーザ光５も当該所定の個所から
外れる。このスクリーン６上のレーザ光５の偏差
より掘進機１の掘削目標線Ｔからのずれを検出
し、これにより掘進機１の軌道の修正が行なわれ
ていた。

しかしながら、上記の手段は、掘削目標線Ｔが
曲線の場合（曲線施工の場合）にはレーザ光５が
スクリーン６上に到達しないので、掘進機１の位
置偏差を検出することができないという欠点を有
しており、さらに、掘進機１の径が小径（例えば
径が100mm程度）の場合、掘進機１および埋設管
２内に確保される種々の装置によりレーザ光５の
通路を確保することができなくなるという欠点を
も有していた。このような欠点を除くため、次の
ような手段が提案されている。

第７図は他の従来の位置検出装置の断面図であ
る。図で、第６図と同一部分には同一符号が付し
てある。７は掘進機１に備えられた磁界発生器、
８は磁界発生器７で発生した磁界を検出する磁界
検出器、９は磁界検出器８の地表上の位置を測量
する測量器、１０は測量器９から磁界検出器８の
位置信号を入力し、これに基づいて掘進機１の掘
進方向を制御する制御部である。

磁界発生器７のＮ極およびＳ極が垂直線上にあ
る場合、地表上においては磁界発生器７の直上点
で垂直方向の磁界強度が最大（又は水平方向の磁
界強度が最小）となる。そこで、地表上において
磁界検出器８を移動（走査）させ、磁界強度が最
大（又は最小）となる地点を探索すれば、その地
点が磁界発生器７の直上点となる。そして、測量
器９で磁界検出器８の位置を測量すれば掘進機１
の位置を検出することができる。このような装置
は、上記従来の欠点を解消することができるが、
その反面地表上において磁界検出器８を走査して
掘進機１の位置を探索し、かつ、その後磁界検出
器８の位置を測量しなければならず、このため、
測量器を別途必要とするばかりでなく、探索と測
量に複雑な手数と長時間を要するという欠点があ
つた。この欠点を除くため、計測を自動化しよう
とすれば、磁界検出および磁界検出器８の位置決
定のため、必然的に自動追従装置等が必要とな
り、コスト高になるという新らたな欠点を生じて
いた。

さらに、前述のように磁界検出器８を地表面上
で走査する場合には、計測が断続的ならざるを得
ず（例えば100ｍを掘削するのに50cm毎に計測を
行なうとして200回の走査が必要であり、計測が
200回断続することになる。）、このため、掘進機
１の自動方向制御を実施するのは困難であるとい
う欠点もあつた。

これらの欠点を解消するため、地上における無
人搬送車等の誘導方式を適用することが考えられ
る。このような誘導方式を図により説明する。第
８図は当該誘導方式を示す概略図である。図で、
１１，１２は無人搬送車を誘導すべき目標線Ｔに
沿つて敷設された連続するケーブルであり、それ
ぞれ目標線Ｔから距離Ｗの位置に配置されてい
る。１３，１４は無人搬送車（図示されていな
い）上に設けられた磁界検出器であり、無人搬送
車の中心位置（目標線Ｔに一致させるべき位置）
からそれぞれ距離ｒの位置に設けられている。

ケーブル１１，１２に電流を供給すると、ケー
ブル１１，１２による磁界が発生し、この磁界は
磁界検出器１３，１４により検出され、検出値に
応じた信号が出力される。今、 k₁：比例定数 ω：ケーブルに供給する電流の角周波数 ｘ：無人搬送車の中心と目標線Ｔとの距離とする
と、例えばケーブルと磁界検出器１３，１４との
距離ｙが距離2Wに等しい場合、距離ｘが、−Ｗ＜
ｘ＜Ｗの範囲において、磁界検出器１３の出力e₁
と磁界検出器１４の出力e₂は近似的に次式で表わ
される。

e₁＝k₁（ｘ＋ｒ）sinωt …(1) e₂＝ｋ、（ｘ−ｒ）sinωt …(2) したがつて、この信号の振幅を検出すれば距離ｘ
を求めることができる。

第９図は上記誘導方式において用いられる演算
装置のブロツク図である。図で、１６，１７は整
流器、１８は差動増幅器である。信号e₁，e₂をそ
れぞれ整流器１６，１７に入力すると、これら信
号e₁，e₂の直流信号₁，₂が得られる。これら直
流信号は次式で表わされる。

₁＝｜k₁（ｘ＋ｒ）／√２｜ …(3) ₂＝｜k₁（ｘ−ｒ）／√２｜ …(4) これらの直流信号₁，₂を差動増幅器１８に入力
することにより、信号（₁−₂）が得られる。
ただし、₁＝k₂・₁，₂＝k₂・₂（k₂：比例定
数）である。

第１０図はこのようにして得られた信号（₁
−₂）と距離ｘとの関係を示すグラフである。
このグラフから明らかなように、信号（₁−₂）
Ｔ距離ｘとは、−ｒ＜ｘ＜ｒの範囲において比例
関係が成立し、かつ、信号（₁−₂）の極性に
より距離ｘの方向も識別することができる。即
ち、信号（₁−₂）を得ることにより無人搬送
車の目標線Ｔからのずれを知ることができ、これ
を修正して無人搬送車を目標線Ｔに沿つて走行さ
せるものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

さて、以上述べた地上の誘導方式を地中の掘進
機の位置検出手段として利用すれば、測量器や自
動追従装置を用いることなく連続してその位置検
出を行なうことができることになる。しかしなが
ら、上記誘導方式を掘進機の位置検出手段に適用
する場合には次のような問題点がある。即ち、(i)
上記誘導方式においては、ケーブル１１，１２と
磁界検出器１３，１４との距離ｙは一定である
が、掘進機１においてこの距離ｙに相当する深さ
は本来未知であり、変化するのが通常である。し
たがつて、(1)式および(2)式における比例定数k₁も
変化し、掘進機１の位置検出は困難となる。(ii)誘
導方式を適用される無人搬送車は、それ自体の回
動（ローリング）を生じることは、タイヤの変形
等によるローリングはあるもののきわめて少ない
が、掘進機は地中を掘進する間に相当程度のロー
リングを生じ、これが前記演算における誤差の原
因となる。(iii)当該無人搬送車においては、各磁界
検出器１３，１４間の間隔２ｒは相当大きく設定
できる。しかし、掘進機、特に直径100mm程度の
小口径の掘進機は間隔２ｒを大きくすることはで
きず、距離ｘと信号（₁−₂）との比例範囲は
極めて狭くなる。

このように、上記誘導方式を掘進機の位置検出
装置に適用しようとすると上述のような問題点が
存在し、これらの問題点を解決しない限りその適
用は困難である。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決
し、掘進機の深さに影響されず、かつ、掘進機に
ローリングが生じていても、広範囲に亘り正確に
位置検出を行うことができる掘進機の位置検出装
置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明は、掘進機
と、この掘進機に設けられた少なくとも一組の磁
界検出装置と、前記掘進機の移動目標線に沿つて
配置された導線と、この導線に電流を供給する電
源と、前記各磁界検出装置の検出値に基づいて前
記掘進機の前記移動目標線に対する位置を演算す
る演算手段とを備えた掘進機の位置検出装置にお
いて、前記掘進機にそのローリング角を検出する
角度検出装置を設けるとともに、前記演算手段
を、前記各磁界検出装置の各検出値の和を演算す
る加算手段と、前記各磁界検出装置の各検出値の
差を演算する減算手段と、前記加算手段により得
られた値と前記減算手段により得られた値との比
を演算する比演算手段と、この比演算手段により
得られた値に前記各磁界検出装置の間隔を乗算す
る乗算手段と、前記角度検出装置の検出値に基づ
いて前記乗算手段により得られた値を補正する補
正演算手段とで構成したことを特徴とする。

〔作用〕

導線に電流を供給することにより当該導線から
発生する磁界は、一組の磁界検出装置により検出
される。これら各磁界検出装置の検出値の和と差
の比が演算され、この比に各磁界検出装置の間隔
が乗算され、その乗算値はローリング角により補
正される。これにより、掘進機の深さに関係な
く、又、掘進機にローリングが生じていても、掘
進機の位置を広い範囲に亘つて正確に検出するこ
とができる。

〔実施例〕

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明す
る。

第１図は本発明の実施例に係る掘進機の位置検
出装置の正面図である。図で、１は掘進機、２
１，２２は掘進機１の周壁の水平方向対称位置に
設けられた磁界検出器（拡大して描かれている）、
２３は掘進機１の適宜個所に設けられた角度検出
器である。角度検出器２３は掘進機１のローリン
グの角度を検出し、これに応じた電気信号を出力
する。１１，１２は第８図に示すケーブルと同じ
ケーブルである。Ｔは掘削目標線、Ｆは掘進機１
の中心、ｙはケーブルから掘進機１の中心Ｆまで
の深さ、２Ｗは前述のようにケーブル１１，１２
間の距離、２ｒは磁界検出器２１，２２間の距離
を示す。又、ケーブル１１，１２を通りこれらに
対して垂直に延びる線をＸ軸、掘削目標線Ｔを通
り前記Ｘ軸に垂直に延びる線をＹ軸とすると、
（x₁，y₁）は磁界検出器２１の中心の座標（x₂，
y₂）は磁界検出器２２の中心の座標となり、掘進
機１の中心Ｆの座標は（ｘ，ｙ）になる。θは掘
進機１のローリング角を示す。小口径掘進工法に
おいて、通常、掘進機１の地中深さｙは２〜５
ｍ、掘進機１の外径は80mm〜500mm（鉄系のパイ
プで構成されることが多い。）、又、ローリング角
θは掘進中±5゜程度変化する。

ここで、ケーブル１１，１２に電源（図示され
ていない）から交流電流が供給されたとき磁界検
出器の出力ｅ（磁界検出器を構成するコイルの誘
導起電力）は、 Ｎ：コイルの巻数 Φ：コイルと交鎖する磁束 ｔ：時間 Ｓ：コイルの断面積 ｆ：磁束の角周波数 μ：土の透磁率 Ｈ：コイルに直交する方向の磁界 とすると、次式のようになる。

ｅ＝Ｎ・dΦ／dt ＝Ｎ・Ｓ・2πf・μ・Hcos（ωt） …(5) 磁界Ｈ以外の値は定数であるから、出力ｅは磁界
Ｈに比例する。

ここで、磁界Ｈは、深さｙ、距離ｘ、ローリン
グ角θおよびケーブル１１，１２に供給される電
流Ｉ、掘削目標線Ｔと各ケーブルとの間の距離Ｗ
より次式のように定まる。

Ｈ＝H_xcosθ＋H_ysinθ …(6) (6)式で、H_xは磁界ＨのＸ軸方向の成分、H_yは
磁界ＨのＹ軸方向の成分であり、次式で表わされ
る。

H_x＝Ｉ・ｙ／2π｛１／（ｘ−Ｗ）²＋y²−１／（ｘ＋Ｗ
）²＋y²｝ …(7) H_y＝Ｉ・ｙ／2π｛ｘ−Ｗ／（ｘ−Ｗ）²＋y²−ｘ＋Ｗ／
（ｘ＋Ｗ）²＋y²｝ …(8) 第２図は磁界検出器２１，２２の検出信号を処
理する信処理部のブロツク図である。図で、e₁は
磁界検出器２１の出力信号、e₂は磁界検出器２２
の出力信号、θは角度検出器２３の出力信号であ
る。２５は加算器、２６は減算器、２７〜３０は
交流信号の振幅に比例した直流信号（実効値）を
得るための整流器、３１〜３４は増幅器、３５は
マイクロコンピユータで構成される補正演算部で
ある。

次に、この信号処理部の動作を説明する。磁界
検出器２１，２２からの検出信号は加算器２５お
よび減算器２６に入力されてそれぞれ、信号（e₁
＋e₂）および信号（e₁−e₂）が得られる。これら
の各信号は整流器２９，３０に入力されて、これ
らの直流信号（₁＋₂），（₁−₂）が得られ、さ
らに増幅器３３，３４により増幅されて増幅信号
（₁＋₂），（₁−₂）が得られる。一方、各信号
はそれぞれ整流器２７，２８に入力されて直流信
号₁，₂が得られ、さらに増幅器３１，３２に入
力されて増幅信号₁，₂が得られる。なお、₁
＝k₃・₁，₂＝k₃・₂（k₃：比例定数）である。
これらの増幅信号および信号θは補正演算部３５
に入力され、補正演算部３５ではこれらの信号に
基づいて所要の演算を行ない、距離ｘを算出す
る。なお、信号e₁，e₂の電圧レベルが高ければ、
増幅器３１〜３４を省略することができる。

まず、ローリング角θが０である場合の距離x₀
は次式により算出される。

x₀＝E₁−E₂｜／〓E₁−E₂〓・E₁＋E₂／E₁−E₂・ｒ …(9) 上記(9)式中、E₁＋E₂／E₁−E₂により、検出信号の和
と の差の比を求めるようにしたので、(1)式およぴ(2)
式の比例定数k₁は消去され、したがつて深さｙの
影響はほとんどなくなり、算出された距離x₀は掘
進機１の実際の距離とほぼ一致する。

第３図は上記信号処理部を用いた場合の実験結
果を示すグラフである。このグラフは、ケーブル
幅Ｗと距離ｘ＝x_pの比が約10：３の範囲内におけ
る実験結果のグラフである。この範囲において、
深さ２ｍ，３ｍ，５ｍについて実験したが、グラ
フから演算値x₀と実際の値ｘとはほぼ１対１の関
係にあり、深さｙの影響は除去されていることが
判る。

次に、ローリング角θが０でない場合の距離x〓
を求める演算について説明する。第４図は、上記
(9)式と同じ演算式を用い、かつ、上記実験と同一
の条件において、ローリング角θのみを変化させ
た場合の実験結果のグラフである。このグラフか
ら、ローリング角θが変化すると、θ−０のとき
の直線は左右にずれるが、その傾きはほとんど変
化しないことが伴る。したがつて、ローリング角
θに対する角度補正を行なうには、ローリング角
θに応じて０点を移動させてやればよい。これに
より、ローリング角が０でないときの距離x〓の補
正演算部３５での演算は次式にしたがつて行なわ
れる。

x〓＝x₀＋ｆ（θ） …(10) ここで、ｆ（θ）はローリング角θの関数を表
わす。この関数ｆ（θ）は(5)，(6)，(7)，(8)式を解
くことにより求められることができるが、深さｙ
が大幅に変化しない場合には、次式の比例関係が
成立し、簡単に補正を行なうことができる。

ｆ（θ）＝α・θ …(11) ただし、αは比例定数である。

このように、本実施例では、磁界検出器１組と
角度検出器を備え、掘削目標線に沿つて敷設され
たケーブルにより発生せしめられる磁界を前記各
磁界検出器で検出し、その検出信号の和と差の比
に基づいて掘進機の位置を検出するとともに、掘
進機のローリングにより生じる誤差を前記角度検
出器の信号に基づいて補正するようにしたので、
掘進機の深さやローリングに関係なく正確に位置
を検出することができ、又、掘進機が小口径であ
り、各磁界検出器相互の間隔が狭くても、掘削目
標線を中心とする広い範囲の位置検出が可能であ
る。

第５図は本発明の他の実施例に係る掘進機の位
置検出装置の信号処理部のブロツク図である。図
で、３７はマイクロコンピユータで構成される演
算部である。さきの実施例における信号処理部
が、磁界検出器２１，２２からの信号e₁，e₂を直
流に変換して増幅し、補正演算部で処理するのに
対して、本実施例における信号処理部は、信号
e₁，e₂を直流に変換せずに処理するものである。
即ち、演算部３７はある時間間隔で信号e₁，e₂を
とり込み、Ａ／Ｄ変換器（図示されていない）に
よりこれをデイジタル信号に変換して次式による
演算を行ない、演算結果をＤ／Ａ変換器（図示さ
れていない）によりアナログ信号に変換して出力
する。

x′＝e₁′＋e₂′／e₁′−e₂′・ｒ＋ｆ（θ） ただし、e₁′，e₂′は信号e₁，e₂のある時刻にお
ける瞬時値である。そして、得られた信号x′はさ
きの実施例における信号ｘと同じである。

なお、信号e₁，e₂の電圧レベルが低い場合は演
算部３７へ入力する前に増幅器を用いて増幅すれ
ばよい。

このように、本実施例では、信号処理部におい
て、磁界検出器により得られた信号を整流せず、
直流マイクロコンピユータで構成された演算部で
処理するようにしたので、簡単な構成の信号処理
部によつてさきの実施例のものと同じ効果を奏す
る。

なお、上記実施例の説明では、ケーブルを掘削
目標線の両側に沿つて敷設する例について説明し
たが、一方のケーブルを掘削目標線と一致させて
敷設し、折返えされる他方のケーブルをこれから
充分に離して敷設するようにしてもよい。又、磁
界検出器としては、コイルの他に、ホール効果
型、フアラデー素子、ジヨセフソン効果型、プロ
トンのような共鳴形磁力計、フラツクスゲート
型、薄膜型等を用いることができる。さらに、磁
界検出器の位置、組数は任意に選択することがで
きる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明では、掘進機に、組
になつた磁界検出器を備え、移動目標線に沿つて
配置された導線の発する磁界を各磁界検出器で検
出してそれらの和と差の比に基づいて掘進機の位
置を検出し、この位置を角度検出器の出力で補正
するようにしたので、掘進機の深さや磁界検出器
の間隔に関係なく、移動目標を中心とする広い範
囲に亘つて正確に位置を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る掘進機の位置検
出装置の概略図、第２図は第１図に示す位置検出
装置の信号処理部のブロツク図、第３図および第
４図は第２図に示す信号処理部により得られた位
置と実際位置との関係の実験結果のグラフ、第５
図は本発明の他の実施例に係る掘進機の位置検出
装置の信号処理部のブロツク図、第６図および第
７図は従来の掘進機の位置検出装置の断面図、第
８図、第９図および第１０図はそれぞれ地上の誘
導方式の概略図、その演算部のブロツク図および
検出範囲の特性図である。 １…掘進機、１１，１２…ケーブル、２１，２
２…磁界検出器、２３…角度検出器、２５…加算
器、２６…減算器、２７〜３０…整流器、３１〜
３４…増幅器、３５…補正演算部、３７…演算
部、Ｔ…掘削目標線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 掘進機と、この掘進機に設けられた少なくと
   も一組の磁界検出装置と、前記掘進機の移動目標
   線に沿つて配置された導線と、この導線に電流を
   供給する電源と、前記各磁界検出装置の検出値に
   基づいて前記掘進機の前記移動目標線に対する位
   置を演算する演算手段とを備えた掘進機の位置検
   出装置において、前記掘進機にそのローリング角
   を検出する角度検出装置を設けるとともに、前記
   演算手段を、前記各磁界検出装置の各検出値の和
   を演算する加算手段と、前記各磁界検出装置の各
   検出値の差を演算する減算手段と、前記加算手段
   により得られた値と前記減算手段により得られた
   値との比を演算する比演算手段と、この比演算手
   段により得られた値に前記各磁界検出装置の間隔
   を乗算する乗算手段と、前記角度検出装置の検出
   値に基づいて前記乗算手段により得られた値を補
   正する補正演算手段とで構成したことを特徴とす
   る掘進機の位置検出装置。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記補正演
   算手段は、前記角度検出装置の検出値に所定の定
   数を乗算する定数乗算手段と、この定数乗算手段
   により得られた値に前記乗算手段により得られた
   値を加算する他の加算手段で構成されていること
   を特徴とする掘進機の位置検出装置。