JPS625115A - 掘進機の位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

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

〔発明の背景〕

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
た掘削目標線に沿っ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ｌ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０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を通って掘進機ｌに
対してレーザ光５を反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ｌ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ｌ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である。７は掘
進機ｌ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
ｌ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段と長時間を要するという
欠点があった。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１０
０ｍを掘削するのに５０ｃｍ毎に計測を行なうとして２
００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った。

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に沿っ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、 ｋｌ　：比例常数 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ｅ、と磁界検出器１４の出力ｅ２は近似的
に次式で表わされる。

ｅ、＝に、（ｘ＋ｒ）ｓ　ｉｎωｔ　−−−・１ｆ）ｅ
、　＝に、（ｘ−ｒ）　ｓ　ｉｎωｔ　−−暑φ１２）
したがって、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
ロック図である。図で、１６．１７は整流器、１８は差
動増幅器である。信号ｅｌ＋　　ｅＺをそれぞれ整流器
１６．１７に入力すると、これら信号ｅｌ＋　　ｅＺの
直流信号’Ｉ＋１３１が得られる。これら直流信号は次
式で表わされる。

これらの直流信号［９石を差動増幅器１８に入力するこ
とにより、信号（Ｅ−＋　　Ｅｔ）が得られる。ただし
、「−に８　・己、Ｅｚ−ｋｔ　　・ｅｔ　　（ｋｇ　
　：比例定数）である。

第１０図はこのようにして得られた信号（−一匹）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（ＥＩ　　Ｅｔ）
と距離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（ＥＩ　　Ｅｔ）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（ＥＩ　
　ＥＸ）を得ることにより無人搬送車の目標ＭＴ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の目
標線Ｔに沿って走行させるものである。

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、地中を掘削しながら進行
してゆく掘進機においては、その掘進中に相当程度の回
動（ローリン′　　　そして、上記誘導式をそのまま掘
進機に適用すれば、前記演算により得られた位置に対し
て、前記ローリングにより大きな誤差を生じるという問
題点があり、この問題点を解決しない限り、上記誘導方
式の掘進機への適用は実際上不可能であった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記の問題点を解決し、ローリングに
よる検出誤差を補正することができ、これにより精度の
高い位置検出を行なうことができる掘進機の位置検出装
置を提供するにある。

〔発明の概要〕

上記の目的を達成するため、本発明は、掘進機に少なく
とも一組の磁界検出装置と掘進機のローリング角を検出
する角度検出装置とを備え、掘削目標線に沿って導線を
配置し、この導線に電流を供給することにより生じる磁
界を前記各磁界検出装置で検出し、各検出値に基づいて
得られた掘進機の位置を角度検出装置で検出した値に基
づいて補正するようにしたことを特徴とする。

〔発明の実施例〕

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、２１゜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装置
（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、２
Ｗは前述のヴようにケーブル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、（ｘ＋、ｙ＋）は磁界検出器２１の中心座標
、（Ｘｚ、ｙｚ）は磁界検出器２２の中心座標となり、
掘進ａ１の中心Ｆの座標は（ｘ、ｙ）となる。

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ｌの地中深さｙは２〜５ｍ、掘進
ａ１の外径は３９ｍｍ〜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。

ｔ ＝Ｎ−３・２πｆ　・μ・Ｈｃｏｓ（６）ｔ）　＋　１
　（５）磁束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１１掘削目標
線Ｔと各ケーブルとの間の距離Ｗにより次式のように定
まる。

Ｈ＝Ｈ，ｃｏｓθ＋Ｈ，ｓｉｎθ　　・・・・・（６）
（６）式で、Ｈ，は磁界ＨのＸ軸方向の成分、Ｈ，は磁
界ＨのＹ軸方向の成分であり、次式で表わされる。

・・・・（７） ・・・・（８） 第２図は磁界検出器２１．２２の検出信号を処理する信
号処理部のブロック図である。図で、ｅｌは磁界検出器
２１の出力信号、ｅ３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、２
６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はマイクロコンピュ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２
１．２２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（ｅ、＋ｅ、）および信号
（ｅｌ　　　ｅｚ）が得られる。これらの各信号は整流
器２９．３０に入力されて、それらの直流信号（ｅ、＋
ｅｚ　）、　　（ｅ、−：了Ｔ）が得られ、さらに増幅
器３３．３４により増幅されて増幅信号（Ｅ＋　　＋Ｅ
ｔ　）、’（Ｅ＋　−Ｅｘ）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’ｌ
＋’２°が得られ、さらに増幅器３１．３２に入力され
て増幅信号「、西が得られる。なお、［＝に１・ｅ、、
Ｅ２　＝ｋｚ　　・ｅｚ　　（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
ｅｌ＋　　ｅＺ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。

と差の比を求めるようにしたので、（１１式および（２
）式の比例定数に１は消去され、したがって深さｙの影
響はほとんどなくなり、算出された距離Ｘ。

は掘進機１の実際の距Ｍｘ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、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Ｏでない場合の距離Ｘ６　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判る。したがって、
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って行なわれる。

ｘｅ　＝ｘ０＋ｒ　　（θ）・・・・・・・ａｌ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　　　　　・・・・・・・０υ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、掘削目標線に沿っ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ネ
食出するとともに、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ック図である。図で、３７はマイ
クロコンピュ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ｅｌ＋　　ｅ！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ｅ＋、ｅｘ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ｅｌ＋
０２をとり込み、Ａ／Ｄ変換器（図示されていない）に
よりこれをディジタル信号に変換して次式示されていな
い）によりアナログ信号に変換して出力する。

ただし、ｅＩＺ８２′は信号ｅＩ＋６２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ｅＩ＋６２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、直接マイクロコ
ンピュ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ってさきの実施例のも
のと同じ効果を奏する。

なお、磁界検出器により検出された値に基づく位置の検
出は必ずしも上記実施例の演算手段に限ることはなく、
他の手段を用いることができ、要は得られた位置をロー
リング角θで補正すればよい、又、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って敷設する例に
ついて説明したが、一方のケーブルを掘削目標線と一敗
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、ファラデー
素子、ジョセフソン効果型、プロトンのような共鳴形磁
力計、フラックスゲート型、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、組になった
磁界検出器およびローリング角を検出する角度検出器を
備え、掘削目標線に沿っ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検出値に基づいて掘
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、掘進機にローリングが生じてい
ても、これによる誤差を補正することができ、精度の高
い位置検出を行なうことができる。

【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
部のブロック図、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ック図、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、その演算部のブロッ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、３
７・・・演算部、Ｔ・・・掘削目標線。 第１図 第３図 喫欧濃ｘ（ｍ） 第４図 ズオ燻ｘ（ｍ） 第５図 θ 第６図 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 地中を掘進する掘進機と、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、前記掘進機のローリング
   角を検出する角度検出装置と、前記掘進機の掘削目標線
   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得られ
   た値を前記角度検出装置の検出値により補正する補正演
   算部とを備えていることを特徴とする掘進機の位置検出
   装置。