JPH0735972B2 - 掘進機の位置検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、掘進機により地中を掘削する場合、掘進機を
掘削目標線に沿つて掘進させるための掘進機の位置を検
出する掘進機の位置検出装置に関する。

〔従来の技術〕

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を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の偏差により掘進機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、シールド
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内に配設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発生器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、その他点が磁界発生器７の直上点となる。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。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、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、計測が断続的にならざるを得ず（例えば10
0m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。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであ
り、その目的は、上記従来技術の欠点を除き、後続する
埋設管の空間を利用することなく、又測定器や自動追従
装置を用いることなく、掘進機の掘削目標線からのず
れ、および進行方向に対するずれを連続的に、かつ、精
度良く検出することができ、これにより、曲線施工およ
び掘進機の自動方向制御を可能とし、ひいては、管等を
高い精度で埋設する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、地中を掘削する
掘進機において、この掘進機の掘削目標線に沿ってその
両側に所定幅で配置されたループ状の誘導線と、この誘
導線に電流を供給しこれにより磁界を発生させる電源
と、前記掘進機にその進行方向に沿う垂直面に対して対
称位置に配置された２つの磁界検出装置を１組とし当該
掘進機の進行方向に沿つて備えられた２組の磁界検出装
置と、これら各組の磁界検出装置の水平方向の磁界の各
検出値の和と差の比に基づき各組毎の前記掘削目標線か
らの偏差を演算し、かつ、これら各偏差に基づき前記掘
進機の進行方向のずれを演算する演算手段とを設けたこ
とを特徴とする。

〔作用〕

誘導線に電流が供給されると、誘導線から磁界が発生す
る。この磁界のうち水平方向の磁界が各組毎にそれぞれ
２つの磁界検出装置により検出され、各組の２つの磁界
検出装置の検出値の和と差の比に基づいて、各組毎の掘
削目標線からの偏差が演算され、さらに、これら偏差に
基づいて掘削機の進行方向に対するずれが演算される。

〔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（ａ），（ｂ）はそれぞれ本発明の実施例に係る
掘進機の位置検出装置を用いた系統の平面図および断面
図である。図で、第６図，第７図に示す部分と同一部分
には同一符号が付してある。11_a1は掘進機１の一方の側
壁に設けられた磁界検出器、11_b1は掘進機１の中心を通
る垂直面に関して他方の側壁における前記磁界検出器11
_a1の対称位置に設けられた磁界検出器である。本実施例
では後述するようにこれら磁界検出器11_a1，11_b1が１組
として用いられる。11_a2，11_b2は磁界検出器11_a1，11_b1
と同様の他の１組の磁界検出器である。各磁界検出器11
_a1，11_b3は受信コイルにより構成され、掘進機１の側壁
において、その掘進方向のほぼ同一線上に位置するよう
に配置されている。12は地表上において掘削目標線Ｔの
両側に沿つて敷設された誘導線であり、掘削目標線Ｔか
ら一方側の誘導線12までの距離と他方側の誘導線12まで
の距離とは等しくされる。この誘導線12は一本の導線で
構成されている。13は誘導線12の両端が接続される電源
であり、誘導線12に交流電流を供給する。14は磁界検出
器置11_a1，11_b2で検出された値を入力して位置偏差信号
δを算出する信号処理部である。

次に、本実施例の動作原理を第２図（ａ），（ｂ）に示
す掘進機の位置およびその位置における磁界強度特性図
を参照しながら説明する。電源13から誘導線12に電流が
供給されると、誘導線12のまわりには磁界が矢印に示す
ように形成され、この磁界は磁界検出器11_a1〜11_b2によ
り検出される。ここで、上記のように磁界が形成された
とき、磁界検出器11_a1，11_b1から出力される電気的信号
について考察する。今 Ｉ ：電源13から誘導線12に供給される電流 I₀ ：電流Ｉの最大振幅 ω ：電流Ｉの角周波数 H_x :X軸上（後述）に発生するｘ方向成分の磁界強度 ｘ :X軸上の任意位置 ｙ ：誘導線12の設置面と磁界検出器11_a1，11_b1との間
の 垂直方向の距離 Ｗ ：掘削目標線Ｔと誘導線12との間の距離とすると、
電流Ｉおよび磁界強度H_xは次式により表わされる。

Ｉ＝I₀sinωｔ ……（１） 第２図（ａ）は掘進機１が掘削目標線Ｔからずれた位置
（位置偏差δ_１）にある状態を示す図であり、磁気検出
器11_a1，11_b1を結ぶ線をＸ軸にとつてある。なお、掘進
機１の中心Ｆと各磁界検出器11_a1，11_b1との間の距離が
ｒで示されている。第２図（ｂ）は距離ｙと両磁界検出
器11_a1，11_b1間の距離2Wとが等しい（ｙ＝2W）場合にお
ける磁界強度H_xの特性を示す図であり、横軸にｘ方向の
位置が、又、縦軸に磁界強度H_xがとつてある。なお、距
離ｙが大きくなるにしたがつて図の直線の傾斜が小さく
なる。図から明らかなように、磁界強度H_xは両側の誘導
線12の中央で０となり、中央から離れるにしたがつて、
その距離にほぼ比例して増大する。なお、このような特
性は実験により確かめることができる。ここで、 k₁ ：比例定数 ｘ′：掘削目標線Ｔから磁界検出器11_a1，11_b1までの距
離H_a1 :磁界検出器11_a1で検出される磁界強度 H_b1 :磁界検出器11_b1で検出される磁界強度 δ_１：シールド掘進機１の掘削目標線Ｔからのずれ（位
置偏差） とすると、 H_x＝k₁・ｘ′ ……（３） で表わされるから、 H_a1＝k₁（ｒ＋δ_１） ……（４） H_b1＝−k₁（ｒ−δ_１） ……（５） となる。そして、磁界検出器11_a1から出力される電気的
信号E_a1、および磁界検出器11_b1から出力される電気的
信号E_b1は、それぞれその検出された磁界強度に比例す
るので、次式が成立する。

E_a1＝k₁・k₂（ｒ＋δ_１） ……（６） E_b1＝−k₁・k₂（ｒ−δ_１） ……（７） なお、上記式において、k₂は比例定数であり、この比例
定数k₂は各磁界検出素子11_a1，11_b1のコイルの巻数を
Ｎ、コイルの断面積をａとすると、k₂＝Ｎ・ａ・ωとな
る。

以上のことから、シールド掘進機１の位置偏差δ_１を求
めるには、 の演算を行なえば、値ｒは一定値であるから位置偏差δ
_１を求めることができる。信号処理部14は磁界検出器11
_a1の出力信号E_a1，磁界検出器11_b1の出力信号E_b1を入力
し、これらの値に基づいて上式の演算を行ない、位置偏
差δ_１を算出する。

なお、地中深さ（ｙ）２〜3mにおいて、掘進機１の半径
（ｒ）が５〜25cmのものについて解析を行なつた結果、
近似的に上記（６），（７）式が成立することが確認さ
れた。

以上は磁界検出器11_a1，11_b1の出力信号についての考案
である。磁界検出器11_a2，11_b2の出力信号についても全
く同様であり、これにより、信号処理部14において、磁
界検出器11_a2，11_b2の出力信号に基づく位置偏差δ_２を
得ることができる。そして、これら位置偏差δ_１，
δ_２，δ_３の値により、掘進機１の掘削目標線Ｔに対す
る状態を知ることができる。以下、これを図により説明
する。

第３図（ａ）は掘削目標線と一致した状態にある掘進機
の平面図、第３図（ｂ）は第３図（ａ）に示す状態にお
ける位置偏差信号の特性図である。掘進機１が掘削目標
線Ｔ上にあるときには、さきの（６），（７）式から磁
界検出器11_a1，11_b1の出力は大きさ等しく符号反対とな
る。磁界検出器11_a2，11_b2についても同様である。信号
処理部14では（８）式に基づく演算が行なわれるので、
結局信号処理部14から出力される位置偏差δ_１，δ_２，
の値はいずれも０となる。第３図（ｂ）はこのように、
各組の磁界検出器に基づいて検出される位置偏差δ_１，
δ_２がいずれも０である場合の信号処理部14の位置偏差
信号δを示し、これら各信号を結んだ線が値０を示す
線、即ち掘削目標線Ｔに一致することが判る。

第４図（ａ）は掘削目標線からずれた状態にある掘進機
の平面図、第４図（ｂ）は第４図（ａ）に示す状態にお
ける位置偏差信号の特性図である。図に示されるよう
に、掘進機１は掘削目標線Ｔから角度θ（この角度をヨ
ーイング角という。）ずれた位置にある。この場合、各
組における２つの磁界検出器の出力の大きさは異なり、
これに応じて（８）式により信号処理部14から各位置偏
差δ_１，δ_２の値が出力される。第４図（ｂ）にこれら
の値が示されており、これら各値を結んだ線は値０の線
に対して角度θ′をなす。この角度θ′は角度θに比例
する値であり、これにより、掘進機１のずれの角度θ、
すなわちヨーイング角が判る。このように磁界検出器11
_a，11_bを２組設けることにより掘進機１の姿勢を検知す
ることができる。

ところで、掘進機１の姿勢は、以上の説明だけからみる
と磁界検出器11_a1，11_b1の１組を備えておれば充分であ
るようにみえる。しかしながら、掘進機１の姿勢は第３
図（ａ）および第４図（ａ）に示すような姿勢ばかりで
はなく、第５図（ａ），（ｂ）に示すような姿勢となる
場合もある。

第５図（ａ），（ｂ）は掘削目標線からずれた状態にあ
る掘進機の平面図である。各図では、いずれも磁界検出
器11_a1，11_b1で得られる位置偏差δ_１が等しい。しかし
ながら、図から明らかなようにその姿勢（ヨーイング
角）は全く異なり、第５図（ａ）に示す場合は掘削目標
線Ｔから離れる方向にあるので、最大限の方向修正能力
を必要とするのに対して、第５図（ｂ）に示す場合は掘
削目標線Ｔに近づく方向にあり、むしろ方向修正は必要
としない段階にある。

さらに、掘進機１の中心Ｆが掘削目標線Ｔ上にあり、磁
界検出器11_a1，11_b1で得られる位置偏差δ_１が０であつ
ても、ヨーイング角が０でない場合があることは、これ
を改めて図示しなくても明らかである。この場合、当然
ながら方向修正を必要とするが、磁界検出器11_a1，11_b1
のみを備えている場合には方向修正は行なわれないこと
になる。

以上のことから、磁界検出器11_a1，11_b1だけでなく、磁
界検出器11_a2，11_b2も備えられることにより、はじめて
確実に掘進機１の姿勢を判断することができ、これに基
づいて方向修正を行ない、精度の良い管の埋設を実行す
ることが判る。

このように、本実施例では、目標掘削線に沿つて誘導線
を敷設し、この誘導線により発生する磁界を掘進機両側
面に設けられた組になつた磁界検出器で検出するように
したので、何等支障なく曲線施工を行なうことができ、
又、連続した位置検出を行なうことができて自動方向制
御を行なうことができる。さらに、磁界検出器を２組設
けたので、掘進機の掘削目標線に対するずれの角度を検
出することができ、方向制御が確実にできると共に埋設
精度を向上させることができる。さらに又、磁界検出器
として小型のコイルを用いても充分に磁界検出を行うこ
とができるので、掘進機の口径が小さくてもこれに対応
することができる。

なお、上記実施例の説明では、誘導線を掘削目標線の両
側に沿つて敷設する側について説明したが、一方の誘導
線を掘削目標線と一致させて敷設し、折返えされる他方
の誘導線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、磁界検出器の位置は
任意に選択することができる。又、各組の磁界検出器の
出力信号を平均化する手段を設ければ、検出器誤差や外
乱電磁波ノイズの影響を抑制することができ、検出精度
を一層向上せしめることができる。又、磁界検出器を非
磁性体のカバーにより保護することもできる。さらに、
磁界検出器は垂直でなく、傾けて設ければ、位置検出範
囲を拡大することができる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明では、掘削目標線に沿つて誘
導線を敷設し、この誘導線に電流を供給することにより
発生する磁界を掘進機に設けられた２組の磁界検出装置
により検出するようにしたので、掘進機の掘削目標線か
らのずれ、および進行方向に対するずれを精度良く連続
的に検出することができ、曲線施工および自動方向制御
を可能とし、埋設精度を向上させることができる。又、
掘進機は掘削深さが正確に定まらないが、本発明では、
相当大きな範囲内の掘削深さにおいて、掘削深さに関係
なく位置、姿勢の検出を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ），（ｂ）は本発明の実施例に係る掘進機の
位置検出装置の平面図および断面図、第２図（ａ），
（ｂ）は掘進機の位置を示す断面図およびその位置にお
ける磁界強度の特性図、第３図（ａ），（ｂ）、第４図
（ａ），（ｂ）は掘進機の位置、姿勢およびその位置、
姿勢における位置偏差信号の特性図、第５図（ａ），
（ｂ）は掘進機の位置、姿勢を示す平面図、第６図およ
び第７図はそれぞれ従来の位置検出装置の断面図であ
る。 １……シールド掘進機、11_a1，11_b1，11_a2，11_b2……磁
界検出器、12……誘導線、13……電源、14……信号処理
部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長沢 潔 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 (72)発明者 村山 健 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 (56)参考文献 特開 昭56−90210（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−145304（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−50704（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−110915（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−73080（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−230498（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】地中を掘削する掘進機において、この掘進
   機の掘削目標線に沿ってその両側に所定幅で配置された
   ループ状の誘導線と、この誘導線に電流を供給しこれに
   より磁界を発生させる電源と、前記掘進機にその進行方
   向に沿う垂直面に対して対称位置に配置された２つの磁
   界検出装置を１組とし当該掘進機の進行方向に沿って備
   えられた２組の磁界検出装置と、これら各組の磁界検出
   装置の水平方向の磁界の各検出値の和と差の比に基づき
   各組毎の前記掘削目標線からの偏差を演算し、かつ、こ
   れら各偏差に基づき前記掘進機の進行方向のずれを演算
   する演算手段とを設けたことを特徴とする掘進機の位置
   検出装置。