JPH09297022A

JPH09297022A - 地下掘削機位置の精密検出方法

Info

Publication number: JPH09297022A
Application number: JP11087296A
Authority: JP
Inventors: Mine Ishizaka; 峯石坂; Tetsuki Kikuchi; 哲樹菊地; Nobuyuki Matsui; 信行松井; Tatsuyuki Ochi; 達之越智
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 1996-05-01
Filing date: 1996-05-01
Publication date: 1997-11-18
Anticipated expiration: 2016-05-01
Also published as: JP2993634B2

Abstract

(57)【要約】【課題】接近感知素子の特性のばらつきの影響を抑制し
た地下掘削機位置の精密検出方法及び装置の提供。【解決手段】掘削機頂面２に１個以上設けた固定参照点
17の各々において相互に120度で交わる３本の線分α、
β、γを頂面２上に定める。重錘９との距離に応じた出
力が出る複数の接近感知素子11を各線分α、β、γ上に
一定間隔で固定し、地表３の基準点７から地下掘削機１
上の対応参照点17の直上まで前記一定間隔に比し小径の
重錘９を吊下げる。３本の線分α、β、γの各々におけ
る接近感知素子11の出力の分布から各線分上で前記出力
が最大の点を推定する。３本の線分に対する前記出力最
大の点での垂線により三角領域を頂面２上に画成し、そ
の領域の重心33を重錘９の鉛直投影位置とする。参照点
17に対する重心33の座標から地上基準点７に対する掘削
機１の参照点17の座標を定める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、地下掘削機（以下、掘
削機という場合がある。）位置の精密検出方法及び装置
に関し、とくに地表から吊下げられ鉛直に掘削する地下
掘削機の位置の精密な検出方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１(A)及び２(A)に、本出願人が特願平
６ー２８９４９０号に提案した下げ振り式地下掘削機の
位置検出方法を示す。地下掘削機１は、その頂面２に接
続した吊りワイヤ５により地表３の吊下げユニット４か
ら重力方向に吊下げられ鉛直に竪孔８を掘削する。実際
には、地層の硬軟によって先端が水平方向にずれ掘削機
１の姿勢が鉛直から離れ、竪孔８の鉛直性が損われるこ
とがある。鉛直性確保のため、掘削機１上に設けた二つ
の参照点17の位置を検出してそれらの位置から掘削機姿
勢を算出し、掘削機１に対し所要の姿勢又は位置の修正
を加えることが行われている。図２(A)及び図４は、か
かる二点のうち一方の点の位置測定方法を示し、他方の
点についても同様な測定が可能である。吊下げユニット
４により地表３の基準点７から重錘９を計測用ワイヤ６
によって吊下げる。掘削機１の頂面２に対する重錘９の
位置検出のため、各参照点17に位置検出ユニット20を設
ける。地表３の二つの基準点７に対する掘削機１上の二
つの参照点17の座標を測定すれば、掘削機１の姿勢は計
算可能であり、例えば図３の計算機34によりその計算を
行いその計算結果を表示部36に表示することができる。

【０００３】図２(A)及び(C)は、９個のホール素子製接
近感知素子11を例えば10cmの素子間間隔で図４のＣ行と
第３列に十文字状に配列して位置検出ユニット20とし、
重錘９を磁石10付きとした例を示す。重錘９が図４の第
２列でＢ行とＣ行との間にある場合を検討する。ホール
素子の出力は、磁界に比例するので、磁石10とホール素
子との間の距離の減少に応じて増大し、磁石に最も近い
ホール素子の出力が最も大きくなる。図４(B)は第３列
の直線上の接近検知素子11の出力の分布を示し、図４
(C)はＣ行の直線上の接近検知素子11の出力の分布を示
す。図4(D)は、図4(B)の接近検知素子出力値を補間法に
より結んでカーブとし、同様に図4(C)の接近検知素子出
力値を補間法により結んでカーブとし、両カーブのピー
ク値を通り且つ行及び列に平行な直線の交点として重錘
９の掘削機１に対する座標を測定する原理を示す。重錘
９の掘削機１に対する座標を測定すれば、既に説明した
ように地表３の基準点７に対する掘削機１の位置を検出
できる。図２(B)は、25個の接近感知素子11をマトリク
ス状に配列した位置検出ユニット20であり、その作用は
図２(A)のものと同様である。

【０００４】位置検出ユニット20の構成の一例を示す図
３において、マルチプレクサ22は、制御電流発生部30の
電流Ｉを順次各接近感知素子11に加えると共にその出力
電圧Ｅhを増幅器25を介してレベル検知部26に与える。
マルチプレクサ制御部32は、マルチプレクサ22の切替え
により、制御電流Ｉ及び出力電圧Ｅhの接続を各接近感
知素子11に順次切り替える。判別部28は、レベル検知部
26からの電圧と位置メモリ29からの当該電圧が発生した
接近感知素子11の位置とに基づき、複数の接近感知素子
11に対向する磁石10の位置を決定する。計算機34が、地
表３の基準点７の座標、掘削機１上の複数の接近感知素
子11の座標、及び位置検出ユニット20からの接近感知素
子11に対する磁石10の位置に基づき、掘削機１の地表座
標を算定する。算定結果は表示部36における表示又は記
録部38による記録に供される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記提案の地
下掘削機の位置検出方法には次の問題点がある。 (1) 複数の接近感知素子11の出力をそのまま測定値とし
て使用するので、接近感知素子11の特性のばらつきに起
因する誤差が生ずる。 (2) 掘削後の竪孔内の空気又は安定液の温度が変動する
場合に、接近感知素子11の出力の温度変化による誤差が
生ずる。 (3) 接近感知素子11が本来の機能上又は感度向上のため
磁性体を含む場合に、重錘９に取付けた磁石10の強い磁
場への接近・離隔を繰返すとその磁性体に残留磁気が残
り、誤差の原因となる。

【０００６】従って本発明の目的は、接近感知素子の特
性のばらつきの影響を抑制した地下掘削機位置の精密検
出方法及び装置の提供にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、図４の位置
決定手法では複数の接近感知素子11の出力から求めた二
つの座標軸における座標値で直接に定まる点として重錘
９の位置を求めているので、接近感知素子11相互間の特
性のばらつきの影響が生じやすい点に着目した。重錘９
の位置をなんらかの手法で複数の接近感知素子11の出力
の平均値として求めれば、素子11の特性のばらつきの影
響を抑制できるはずである。

【０００８】図１の実施例を参照するに、本発明の地下
掘削機位置の精密検出方法によれば、地表３より吊下げ
られて鉛直に掘削する地下掘削機１の位置を検出する方
法において、掘削機頂面２に１個以上の固定参照点17を
設け、各参照点17において相互に120度で交わる３本の
線分α、β、γを頂面２上に定め、近接重錘９との距離
に応じた出力が出る複数の接近感知素子11を各線分α、
β、γ上に一定間隔で固定し（以下、スター配置という
場合がある）、地表３の基準点７から地下掘削機１上の
対応参照点17の直上まで前記一定間隔に比し小径の重錘
９を吊下げ、３本の線分α、β、γの各々における接近
感知素子11の出力の分布から各線分上で前記出力が最大
の点Pa、Pb、Pc（図５参照）を定め、頂面２上における
３本の線分に対する前記出力最大の点での垂線La、Lb、
Lc（図５参照）が囲む三角領域31（図５参照）の重心33
（図５参照）を定めてこれを重錘９の鉛直投影位置と
し、当該参照点17に対する重心33の座標に基づき前記地
上基準点７に対する掘削機１の当該参照点17の座標を定
める。

【０００９】好ましくは、複数の接近感知素子11の各々
の出力の温度変化特性を予め測定して記憶し、それら接
近検知素子11の近傍に温度計23（図６参照）を設け、地
下掘削機１の位置検出時の各接近検知素子11の出力を該
検出時に温度計23で測定される温度と記憶された温度変
化特性とにより補正する。さらに好ましくは、重錘９に
磁石10を取付け、各接近感知素子11に磁石10の接近・離
隔に応じて磁化の強さが増減する磁性体（図示せず）を
含め、一定回数の地下掘削機１の位置検出の後に各感知
素子11の磁性体の残留磁気を消磁する。

【００１０】

【作用】本発明の作用を図５により説明する。この例で
は、接近感知素子11をホール素子とし、複数の接近検知
素子11を掘削機１上の参照点17において120゜で交る３本
の線分α、β、γ上にスター配置で固定し、それぞれ磁
石10を有する二つの重錘９を二つの基準位置7A、7Bが設
けられた吊下げユニット４から吊下げているが、本発明
はこの例に限定されない。

【００１１】地表３の基準点７から地下掘削機１の参照
点17の直上まで吊下げた重錘９は基準点７の鉛直下方に
あるから、基準点７の地表における平面座標はこの重錘
９の地表に平行な平面座標においても維持される。重錘
９が図５(A)の線分βの同図で参照点17から上向きに１
番目と２番目の接近感知素子11の間で僅かに線分βの右
側において実質上頂面２に接しているとする。この場
合、スター配置の接近感知素子11の出力が図５(B)のよ
うになることが想定される。図５(B)は、作図の便宜上
スター配置の中心点Ｓから線分α、β及びγをそれぞれ
図５(A)の位置と平行に等距離だけ後退させたもので、
各線分α、β、γから直角方向に隔たった黒丸は各接近
感知素子11の出力を表し当該線分からの隔たりの大きさ
が各接近感知素子11の出力の大きさに比例するものとす
る。各線分α、β、γに対する黒丸を滑らかな曲線で結
ぶことにより、接近感知素子11の出力の連続的分布を推
定することができる。但し黒丸の位置は推定値ではなく
実測値である。この分布から、各線分において接近感知
素子11の出力が最大となる位置、即ち当該線分上で重錘
９に最も近い点をピーク点Pa、Pb、Pcとして定め得る。
頂面２上でピーク点Pa、Pb、Pcにおける線分α、β、γ
に対する垂線La、Lb、Lcは三角領域31を画成する。

【００１２】いま、接近感知素子11が理想的なセンサー
であって誤差やばらつきが全くないと仮定すると、上記
垂線La、Lb、Lcは一点で交わりその点が重錘９の鉛直投
影位置となる。しかし、現実の接近感知素子11には誤差
やばらつきがあるので、３本の垂線La、Lb、Lcは一点で
交わらず三角領域31を画成する。図４の従来技術では、
二つの座標のみしか用いないので、重錘９の鉛直投影位
置を、補間曲線ピーク値を通る直線の交点として求めて
いる。このため、図４の場合には、接近感知素子11の誤
差やばらつきを含む２直線の交点を重錘９の鉛直投影位
置とするので、これらの誤差やばらつきに対する補償が
全くなされず、それらの誤差やばらつきが直接に測定に
影響している。

【００１３】他方、本発明では上記の三角領域31の重心
33を求めこれを重錘９の鉛直投影位置とする。この重心
33を求めることは複数の接近感知素子11の誤差やばらつ
きを平均してその影響を抑制することになる。従って、
これら誤差やばらつきの影響の少ない高精度計測が可能
になる。

【００１４】こうして、本発明の目的である「接近感知
素子の特性のばらつきの影響を抑制した地下掘削機位置
の精密検出方法及び装置の提供」が達成される。

【００１５】

【実施例】図１の実施例では、複数の接近感知素子11の
配置を図２(B)のマトリクス型ではなく図２(D)のスター
型としているので、素子11の数を少なくして故障率の低
減と低コスト化が可能である。また、図２(C)のクロス
型の場合に比し、位置検出ユニット20の隅部での計測精
度を高く維持することができる。

【００１６】位置検出素子11の出力の温度変化は素子11
ごとにばらつき易いので、一定温度環境で使用する場合
には、重大な問題とならないが、測定環境の温度が著し
く変化する場合には、例えば図６の接近感知素子11の支
持台21等の接近感知素子11近傍に温度計23を設け、予め
工場で作成した温度ー出力電圧特性により温度変化に対
する補償をすることが望ましい。さらに具体的には、ホ
ール素子からなる接近感知素子11に対して次のような手
法を用いることができる。

【００１７】(a) 恒温槽内等の温度変化試験環境で測定
を行い、各ホール素子ごとの出力電圧ー温度特性曲線を
図６(B)のように作成してコンピュータ（図示せず）に
これを記憶する。 (b) 現場での測定開始時に、磁界がない状態で各ホール
素子の出力電圧を初期ホール素子電圧として計測する。
（キャリブレーション） (c) 複数のホール素子の初期ホール素子電圧を測定時温
度（例えば20゜C）と共に次表のような初期ホール素子電
圧テーブルとしてコンピュータ内に記憶する。

【００１８】

【表１】重錘（磁石）がない時のホール素子出力初期値ホール素子番号出力電圧（ボルト） 10゜C 20゜C 30゜C １ 4.0 4.5 5.0 ２ 4.1 4.0 4.9 ３ 4.2 4.5 5.3 ・・・ｎ … … …

【００１９】(d) 磁石10付き重錘９を吊り降ろし、本計
測を開始する。 (e) 計測中に温度変化（例えば20゜Cから18゜Cへ）があっ
た場合、出力電圧ー温度特性曲線から、ホール素子No.1
〜No.nの各々について20゜Cにおける電圧と18゜Cにおける
電圧との差分を求め、求めた差分を現在計測中のホール
素子電圧に加算して補正する。こうしてホール素子の違
いによる温度特性のばらつきを補償することができる。

【００２０】重錘９に取付けた磁石10が強い磁場を有す
る場合に、接近感知素子11が本来の機能上又は感度向上
のため磁性体を含む時は、重錘９のこれら素子11への接
近・離隔が繰返されると、その磁性体に残留磁気が残
り、誤差の原因となる。この誤差を避けるため例えば図
７に示すように、位置検出ユニット20の一部となる圧力
容器40内の基板41に取付けた接近感知素子11の付近に、
消磁回路43から付勢される消磁ヘッド44を配置してもよ
い。図中符号42は圧力容器40の天板を示し、符号45は各
素子11を制御ケーブル19に接続するための端子を示す。
表示部36（図３）において、接近感知素子11の出力に異
常な変動が認められる等の異常検出時に、又は定期的に
消磁ヘッド44による消磁を行えば、上記の残留磁気によ
る誤差を避けることができる。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明による地下掘
削機位置の精密検出方法及び装置は、120゜の角度で相互
に交差する線分上に接近感知素子を配置して、接近感知
素子の単体ごとの特性のばらつきを補償するので、次の
顕著な効果を奏する。 (イ) 簡単な構造の装置で地下掘削機の位置を精密に検
出することができる。 (ロ) スター配置の採用により少ない数の接近感知素子
で精密検出ができる。 (ハ) 接近感知素子の数を少なくし装置全体の故障率低
減を図ることができる。 (ニ) 接近感知素子出力の温度変動のばらつきに対する
補償が可能である。 (ホ) 必要に応じ、接近感知素子等の磁性部品の残留磁
気の消磁が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】は本発明の一実施例の説明図である。

【図２】は接近検知素子の各種配列の説明図である。

【図３】は位置検知ユニットのブロック図である。

【図４】はクロス配置の接近感知素子の出力の説明図で
ある。

【図５】は本発明による接近感知素子出力の補間法を説
明する図表である。

【図６】は温度計を設けた位置検知ユニットの説明図で
ある。

【図７】は消磁手段を設けた位置検知ユニットの説明図
である。

【符号の説明】

１地下掘削機２頂面３地表４吊下げユニット５吊下げワイヤ６計測用ワイヤ７基準点８竪孔９重錘 10 磁石 11 接近感知素子 15 深度センサー 17 参照点 19 制御ケーブル 20 位置検出ユニット 21 支持台 22 マルチプレクサ 23 温度計 24 コントローラ 25 増幅器 26 レベル検知部 28 判別部 29 位置メモリ 30 制御電流発生部 31 三角領域 32 マルチプレクサ制御部 33 重心 34 計算機 36 表示部 38 記録部 40 圧力容器 41 基板 42 天板 43 消磁回路 44 消磁ヘッド 45 端子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者越智達之東京都港区元赤坂一丁目２番７号鹿島建設株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】地表から吊下げられて鉛直に掘削する地下
掘削機の位置を検出する方法において、掘削機頂面に１
個以上の固定参照点を設け、各参照点において相互に12
0度で交わる３本の線分を前記頂面上に定め、近接重錘
との距離に応じた出力が出る複数の接近感知素子を前記
各線分上に一定間隔で固定し、地表の基準点から地下掘
削機上の対応参照点直上まで前記一定間隔に比し小径の
重錘を吊下げ、前記３本の線分の各々における前記接近
感知素子の出力の分布から各線分上で前記出力が最大の
点を定め、前記頂面上における３本の線分に対する前記
出力最大の点での垂線が囲む三角領域の重心位置を定め
て前記重錘の鉛直投影位置とし、当該参照点に対する前
記重心位置の座標に基づき前記地上基準点に対する掘削
機の当該参照点の座標を定めてなる地下掘削機位置の精
密検出方法。
【請求項２】請求項１の精密検出方法において、前記
複数の接近感知素子の各々の出力の温度変化特性を予め
測定して記憶し、それら接近検知素子の近傍に温度計を
設け、地下掘削機の位置検出時の各接近検知素子の出力
を該検出時に前記温度計で測定される温度と記憶された
温度変化特性とにより補正してなる地下掘削機位置の精
密検出方法。
【請求項３】請求項１又は２の精密検出方法におい
て、前記重錘に磁石を取付け、前記各接近感知素子に前
記磁石の接近・離隔に応じて磁化の強さが増減する磁性
体を含め、一定回数の地下掘削機の位置検出の後に前記
各感知素子の磁性体の残留磁気を消磁してなる地下掘削
機位置の精密検出方法。
【請求項４】請求項１、２又は３の精密検出方法にお
いて、前記地表の基準点に前記重錘の深さを検出する深
度センサーを設け、前記地表基準点に対する前記掘削機
の三次元位置を検出してなる地下掘削機位置の精密検出
方法。
【請求項５】請求項４の精密検出方法において、前記
掘削機の頂面上に一定間隔を隔てた二つの参照点を設
け、各参照点において相互に120度で交わる３本の線分
を前記頂面上に定め、近接重錘との距離に応じた出力が
出る複数の接近感知素子を前記各線分上に一定間隔で固
定し、地表で前記一定間隔を隔てた二つの基準位置から
前記重錘をそれぞれ吊下げ、前記各重錘に対応する参照
点における３本線上の前記接近感知素子からの出力及び
各重錘に対応する前記深度センサーの出力を検出し、検
出された前記接近感知素子及び深度センサーの出力から
前記各地表基準点に対応する各参照点の三次元位置を検
出することにより前記掘削機の位置及び姿勢を検出して
なる地下掘削機位置の精密検出方法。
【請求項６】請求項１、２、３、４又は５の精密検出
方法において、前記接近感知素子をホール素子とし、前
記重錘に磁石を設けてなる地下掘削機位置の精密検出方
法。
【請求項７】請求項１、２、３、４又は５の精密検出
方法において、前記接近感知素子を磁気抵抗素子とし、
前記重錘に磁石を設けてなる地下掘削機位置の精密検出
方法。
【請求項８】地表基準点に対する地下掘削機の位置を
検出する装置において、地下掘削機の頂面上の所定参照
点において相互に120度で交わる前記頂面上の３本の線
分に沿って一定間隔で固定され且つ近接重錘との距離に
応じた出力を発生する複数の接近感知素子；前記一定間
隔より小さい径を有する重錘；地表の所定位置から前記
重錘を前記地下掘削機の直上まで吊下げる吊下げユニッ
ト；及び前記３本の線分の各々における前記接近感知素
子の出力の分布から各線分上で前記出力が最大の点を定
め、前記頂面上における３本の線分に対する前記出力最
大の点での垂線が囲む三角領域の重心位置を定めて前記
重錘の鉛直投影位置とし、当該参照点に対する前記重心
位置を検出する位置検出ユニットを備え、当該参照点に
対する前記重心位置の座標に基づき前記地上基準点に対
する掘削機の当該参照点の座標を定めてなる地下掘削機
位置の精密検出装置。