JPS625124A - 掘進機の掘進制御装置 - 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、当該掘進
機を掘削目標線に沿って掘進させるための掘進機の掘進
制御装置に関する。

〔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。

このためには、まず、地中における掘進機の位置を検出
し、掘進機が掘削口−標線から外れた場合には、掘進機
に備えられてい゛る方向修正用アクチュエータを適宜駆
動してこれを修正しながら掘進してゆく、このような掘
進手段においては、掘進機の位置の検出が重要な部分を
占めるので、従来の位置検出手段を図により説明する。

第５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１゛から外れると、レ
ーザ光５も当該所定の個所がら外れる。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ｌ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１００ｍ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６図は他の従来の位置検出装置の断面図である０図で
、第５図と同一部分には同一符号が付しである。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ｖａ
１の位置を検出することができ、これにより軌道の修正
が行なわれる。

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。そして、自動追従装置を使用したとしても、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
困難であるという重大な欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり
、簡単な構成により掘進機の掘進を自動制御することが
できる掘進機の掘進制御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、掘進機の掘削口
１１１ＩＪｌの近傍に導線を配置し、掘進機には前記導
線を流れる電流により生ずる磁界を検出する磁界検出装
置を少な（とも−組備え、又、掘進機の掘進距離を検出
する距離検出装置を備え、各磁界検出装置と距離検出装
置の検出値に基づいて、掘進機に備えられている方向修
正用アクチュエータを駆動ｍｓ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図体）、　（ｂｌは本発明の実施例に係る掘進制御
装置の平面図および断面図である０図で、第５図および
第６図に示す部分と同一部分には同一符号が付しである
。１１ａは掘進機１の一方の側壁に設けられた磁界検出
器、ｌｌｂは掘進機１の中心を通る垂直面に関して他方
の側壁における磁界検出器１１ａの対称位置に設けられ
た磁界検出器である、各磁界検出器１１ａ、ｌｌｂは磁
界中に置かれたときこれに応じた誘導起電力を発生する
誘導コイルで構成されている。１２は地表上において掘
削目標線Ｔの近傍に往復して配置された導線、Ｃは往復
する導線の中心線を示す、１３は導線１２に交流電流を
供給する電源である。１４は掘進機１の掘進距離ｌを検
出する距離検出器であり、例え４；！１ｍ変位計等によ
り構成されている。１５は磁界検出器１１ａ、ｌｌｂお
よび距離検出器１４からの検出信号に基づいて掘進機の
方向修正用アクチュエータを駆動側扉する演算制御部で
あり、マイクロコンピュータにより構成されている。

次に、本実施例の動作原理を第２図（ａｌ、　（ｂｌ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から導線１２に
電流が供給されると、導！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１１ａ、
ｌｌｂ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
１１ａ、ｌｌｂ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■。：
電流■の最大振幅 ω　：電流Ｉの角周波数 Ｈ１ｌｊＸ軸上（後述）に発生するＸ方向成分の磁界強
度 ｘ　：Ｘ軸上の任意の位置 ｙ：ａｌＩｖＡ１２と磁界検出器１１ａ、ｌｌｂとの間
の垂直方向の距離 Ｗ　：中心線Ｃと各導線１２との間の距離とすると、電
流■および磁界強度Ｈ８は次式により表わされる。

１＝Ｉｅｓｉｎωｔ　・−・・・−・・・−・−・・・
・−・・・・−・・・・・・−・・・　＋１１第２図（
♂）は掘進機１が中心線Ｃからずれた位置（位置偏差δ
）にある状態を示す図であり、磁界検出器１１ａ、ｌｌ
ｂを結ぶ線をＸ軸にとっである。なお、シールド掘進機
ｌの中心Ｆと各磁界検出器１１２．１１ｂとの間の距離
がｒで示されている。第２図山）は距離ｙと導線１２間
の距Ｉｉ！Ｉ２Ｗとが等しい（Ｆ−２Ｗ）場合における
磁界強度Ｈ０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Ｈ１１がとっである。なお、
距離ｙが大きくなるにしたがって図の直線の傾斜が小さ
くなる０図から明らかなように、磁界強度Ｈ貢は両側の
誘導１１１２の中央で０となり、中央から離れるにした
がってほぼその距離に比例して増大する。なお、このよ
うな特性は実験により確かめることができた。ここで、 ｋ、：比例定数 ｘ　ｌ　、中心線Ｃから磁界検出器１１３．１１ｂまで
の距離 Ｈａ：ｍ界検出器１１ａで検出される磁界強度Ｈ１：磁
界検出器１１ｂで検出される磁界強度δ　：掘進機１の
中心線Ｃからのずれ とすると、磁界Ｈは Ｈ−に、　　・Ｘ′　・・・・・−・・−・−・・・・
−；−・・・・−・・・−・・・・・・・−・−・・（
３１で表わされるから、 Ｈ，−に＋（ｒ＋δ）　−・−・・・・・・・−・−・
・−・・−・・−・・・・・・・・−（４）Ｈｂ＝　　
ｋ＋　　（ｒ−δ）　−・・−・・・・−・・・・−・
・−・−−−−・・−・・−・（５）となる、そして、
磁界検出器１１ａから出力される電気的信号Ｅ１、およ
び磁界検出器１１ｂから出力される電気的信号Ｅ、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、鴫に１　・ｋ、（ｒ＋δ）−・・−・−・・・・・
・・・・・・−・・−・（６）Ｅｂ−に＋　　・ｋ冨　
（ｒ−δ）・−・−・・・・・・・・−・・−・（７）
なお、上記式において、ｋ、は比例定数であり、この比
例定数に８は各磁界検出素子１１ａ、１１ｂのコイルの
巻数をＮ、コイルの断面積をａ１媒質の透磁率をμとす
ると、ｋ、ｏｃＮ−ａ・ω・μとなる。

以上のことから、掘進機ｌの位置偏差δを求めるには、 Ｅ、−Ｅｂ の演算を行なえば、値ｒは一定値であるから位置偏差δ
を求めることができる。制御器１４は磁界検出器１１ａ
の出力信号Ｅｓ、磁界検出器１１ｂの出力信号Ｅｈ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を算出する。

第３図は実際の位置偏差に対する（８）式で得られた位
置偏差の特性図である。図で、横軸にはある範囲−Ｘ、
〜ｘ、における実際の位置偏差が、又、縦軸には（８）
式で得られた同上範囲の位置偏差がとっである０図では
、深さｙを２　ｒｒｌ＋　　３　ｍ、５　ｒｒ＋とした
ときの特性が示されているが、いずれの深さにおいても
両者はほぼ１対ｌで対応しており、位置偏差δを精度良
く検出できることが判る。なお、この実験によれば、位
置検出精度は２ｃＩ１１以下と良好であった。

このように、位置偏差δを精度良くかつ連続して検出で
きることを利用して、掘進機１を掘削目標線Ｔに沿って
自動的に掘進させることが可能である。以下、これを第
１図を参照しながら説明する０ｍ削目標線Ｔは、掘進距
離ｉおよび中心線Ｃと掘削目標線Ｔとの偏差δ７の関係
で予め決めることができる。例えば、中心ｖＡＣの発進
立坑３からの長さを２とすると、掘削目標線Ｔの中心線
Ｃからの偏差δ７は次式で表わされる。

δ、　　＝　ｆ　　（２）　　−−−−−・・・・・・
・−−−−一・・・・・・・−・・・・−・−・−−−
−・−・−・・（９）又、これを距離ｌの関数として表
わすには、を解くことにより、 δア　＝ｇ　　（ｊり　　　−・−・・・・・・−・−
・・・・・・−・−・・・・−・・−−一一−−−・−
・・・・−・・・−（ｌｌＪで求めることができる。即
ち、偏差δアは距離検出器１４の検出値に基づいて求め
ることができる。

以上のことから、中心ＮＩＡＣに対する掘進機１の偏差
δを（８）式により求め、これを（ｌり式で与えられる
掘削目標＆ｌｌＴの偏差δｉと比較し、その差がＯとな
るように掘進機１の方向修正用アクチュエータを駆動制
御すれば、掘進機１を掘削目標線Ｔに沿って自動的に掘
進させることができる。

次に、本実施例の動作を第４図に示す演算制御部１５の
フローチャートを参照しながら説明する。

まず、距離検出器１５からその検出値ｌを入力しく手順
Ｓｌ）、　式にしたがって掘削目標線Ｔの偏差δ１を演
算する（手１１［ｓｓ　）　、次に磁界検出器１１ａ、
ｌｌｂから信号Ｅ、、Ｅｂを入力しく手順Ｓｓ）、＋８
１式にしたがって掘進機ｌの偏差δを演算する（手！ｌ
ｌｔ［５４）０次いで、求められた偏差δ！から偏差δ
を減算しく手順Ｓ、）、その減算値Δが０であるか否か
を判断する（手順Ｓ、）。

減算値ΔがＯのときは、掘進機１が掘削目標線Ｔ上にあ
ることになるので、方向の修正は行なわず、手順ＳＩに
戻る。一方、減算値ΔがＯでないとき、即ち、掘進機１
が掘削目標線Ｔから外れているときは、演算された減算
値Δに基づいて方向修正用アクチュエータへの指令信号
を演算する（手順Ｓ、）。

方向修正用アクチュエータは、例えば掘進機１の先端を
任意の方向に傾動させる方式のものであって、その傾動
のため複数の油圧シリンダで構成されている。この場合
、手順Ｓ、では、掘進機１を掘削目標＆ｉＴに戻すには
、どの油圧シリンダをどれだけのストローク変位させる
かを、減算値Δを基にして演算する。最後に、演算結果
に応じた指令信号が方向修正用アクチュエータに対して
出力される（手ｌ１ｌｉＳ１）。上記の例では、この指
令信号は例えば電磁方向切換弁等に対して出力される。

その後、処理は再び手順Ｓ１に戻る。

このように、本実施例では、掘削口ｖａｂｓの近傍に往
復の導線を平行に敷設し、導線に流れる電流により生じ
る磁界を２つの磁界検出器により検出するとともに掘進
距離をも検出し、これらの検出値に基づいて掘進機の方
向修正用アクチュエータを駆動するようにしたので、掘
進機を予定された掘削目標線に沿って自動的に掘進させ
ることができる。

なお、上記実施例の説明では、掘削目標線が曲線を描く
場合について説明したが、これが直線を描く場合であっ
ても適用可能であるのは明らかである。そして、その場
合、導線の中心線Ｃは当該直線の掘削目標線と一致させ
る必要がないのは上記実施例の説明から容易に理解され
る。このことから、導線の敷設は必ずしも直線でなけれ
ばならないということはなく、曲線であっても差支えな
い、したがって、この場合導線を地上に敷設する”＜３
、地上における交通、障害物等の状況に対応させて敷設
できるという効果を奏することになる。

なおＩ又、磁界検出器は誘導コイル以外に種々の型のも
のを用いることができる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明では、導線を掘削目標線の近
傍に配置し、ｆＩＬ線に流れる電流を一組の磁界検出器
で検出するとともに掘進機の掘進距離をも検出し、これ
らの検出値に基づいて掘進機の方向修正用アクチュエー
タを駆動するようにしたので、掘進機を予定された掘削
目標線に沿って自動的に掘進させることができる。又、
ｉ線は周囲の状況に応じて配置することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ｔａｌ、　（ｂｌは本発明の実施例に係る掘進制
御装置の平面図および断面図、第２図ｔａｇ、　（ｂｌ
は掘進機の位置およびその位置における磁界強度特性図
、第３図は第１図に示す装置により得られる位置偏差の
特性図、第４図は第１図に示す演算制御部の動作を説明
するフローチャート、第５図および第６図はそれぞれ従
来の掘進機位置検出装置の断面図である。 １・・・・掘進機、ｌｌａ、ｌｌｂ・・・・磁界検出器
、１２・・・・導線、１４・・・・距離検出器、１５・
・・・演算制御部、Ｔ・・・・目標掘削線、Ｃ・・・・
中心線。 代理人　弁理士　　弐　　順次部（ほか１名）　　　　
。 第２０！ＥＩ （−）　　　　　　　Ｏ（＋） Ｘ方百位ｌ 第３ｒＩＡ ｘ原の位置偏ｌ 第４＠

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 方向修正用アクチュエータを備えた掘進機と、この掘進
   機の掘削目標線の近傍に配置された導線と、前記掘進機
   に備えられ前記導線を流れる電流により生ずる磁界を掻
   出する少なくとも一組の磁界検出装置と、前記掘進機の
   掘進距離を検出する距離検出装置と、前記各磁界検出装
   置および前記距離検出装置の検出値に基づいて前記アク
   チュエータの駆動を制御する演算制御部とで構成される
   ことを特徴とする掘進機の掘進制御装置。