WO1998003771A1 - Appareil et procede de detection de la direction d'excavation - Google Patents

Appareil et procede de detection de la direction d'excavation Download PDF

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WO1998003771A1
WO1998003771A1 PCT/JP1997/002458 JP9702458W WO9803771A1 WO 1998003771 A1 WO1998003771 A1 WO 1998003771A1 JP 9702458 W JP9702458 W JP 9702458W WO 9803771 A1 WO9803771 A1 WO 9803771A1
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lens system
main lens
detection
light
detecting element
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Application number
PCT/JP1997/002458
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hiroaki Yamaguchi
Original Assignee
Komatsu Ltd.
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D9/00—Tunnels or galleries, with or without linings; Methods or apparatus for making thereof; Layout of tunnels or galleries
    • E21D9/003—Arrangement of measuring or indicating devices for use during driving of tunnels, e.g. for guiding machines
    • E21D9/004—Arrangement of measuring or indicating devices for use during driving of tunnels, e.g. for guiding machines using light beams for direction or position control
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target

Definitions

  • the present invention relates to an attitude measurement method for an excavator or the like, and more particularly to an excavation azimuth detection device capable of detecting an attitude (azimuth angle) of an excavator with a one-dimensional position detecting element and a detection method thereof.
  • the position data to be measured is usually represented by coordinates in an appropriate three-dimensional coordinate system set in the tunnel space.
  • the tunnel planning line is set as one coordinate axis, and the horizontal and vertical lines perpendicular to the tunnel planning line are set as the other two coordinate axes.
  • the position of the tunnel machine is often expressed by the excavation distance obtained in the direction of the planning line, the horizontal deviation from the planning line, and the vertical deviation from the planning line.
  • the attitude of a tunnel machine is generally represented by a rotation angle around each axis of the three-dimensional coordinate system.
  • the orientation of a tunnel machine in a horizontal plane direction (hereinafter referred to as a "jowing angle")
  • the attitude of the tunnel machine is often expressed by the inclination of the tunnel machine in the front-rear direction (hereinafter referred to as a pitching angle) and the rotation of the tunnel machine around its central axis (hereinafter referred to as a rolling angle).
  • the measurement of the position and orientation of the tunnel machine is generally performed using a light beam such as a laser beam.
  • a position and orientation measurement apparatus using a laser beam is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-172710 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-174561.
  • FIG. 5 and 6 show an embodiment of the position and orientation measurement device described in the publication, and the description will be made based on these drawings.
  • a plurality of segments 2 of a predetermined length are connected and buried behind the tunnel hole excavated by the excavator 1 in the direction of excavation.
  • the section is connected to a shield jack 3, which receives the reaction force from the segment 2 and moves the excavator 1 forward.
  • An excavator 1 is provided with a receiver 20 and a rolling meter 21.
  • a predetermined position behind the excavator 1 is provided with a position measuring light emitting device 10 as a position and orientation measuring device of the excavator 1.
  • the position measuring light transmitter 10 includes a light receiver 11, a light emitter 12, and a rolling meter 13.
  • the rolling meter 13 and the rolling meter 21 measure the u-ring angle of the position measuring light emitting device 10 and the light receiving device 20, respectively, and are constituted by, for example, an inclinometer using gravity. I have.
  • a laser projector 5 is provided further behind the position measurement light projector 10 and at a predetermined position serving as a measurement reference point. This reference point is provided, for example, at the starting shaft of the excavator 1 or at a relay point in the middle of the excavated tunnel, and the position of the laser projector 5 at the base point can be accurately obtained by ordinary surveying or the like.
  • the laser beam 15 emitted from the laser projector 5 is received by the light receiver 11 of the position measuring projector 10 and the laser beam 15 emitted from the light emitter 12 in a direction substantially opposite to the light receiving direction. Is received by the light receiver 20. At this time, the position and orientation of each position measuring light emitting device 10 and light receiver 20 are measured based on the light receiving position and light receiving direction of the laser beam measured by the position measuring light emitting device 10 and light receiver 20. You.
  • the measurement data is input to a controller (not shown) by communication, and the controller calculates and calculates the position and attitude of the excavator 1 based on the measurement data.
  • FIG. 6 illustrates a method of measuring the position and orientation by the photodetectors 11 and 20 described above.
  • Each of the light receivers 11 and 20 has a main lens system 16 for condensing the laser beam 15 at a predetermined position and a second lens unit for receiving the beam-like laser beam 15 passing through the main lens system 16.
  • the first light receiving surface 1 ⁇ a and the second light receiving surface 17 b are provided.
  • the main lens system 16 may be constituted by only the ordinary condenser lens 16 or may be constituted by combining a plurality of ordinary condenser lenses.
  • the surface 17b is constituted by a position detection sensor that converts a two-dimensional plane position where the laser beam 15 is received into an electric signal.
  • the first light receiving surface 17a has a light-transmitting detecting element, and transmits the laser beam 15 to be received by the second light receiving surface 17b.
  • an orthogonal coordinate system having coordinate axes in the vertical and horizontal directions of each of the light receivers 11 and 20 is provided.
  • the optical axis 18 is orthogonal to each light receiving surface 17a, 17b, and the origin Oa, 0 of the above-described orthogonal coordinate system on each light receiving surface 17a, 17b. It is arranged to pass through b.
  • the main lens system 16 has a condensing point at the origin 0 b of the second light receiving surface 17 b, and the laser beam 15 incident parallel to the optical axis 18 is condensed at the origin 0 b It has become to be.
  • the position and orientation of each of the light receivers 11 and 20 are measured. That is, based on the laser light 15, the displacement position from the laser light 15 is detected based on the light receiving position on the first light receiving surface 17 a, and this is sent to the controller as the position of each light receiver. Entered.
  • the angle of incidence of the laser beam 15 on the main lens system 16 corresponds to the attitude angle of the photodetector 11, and the laser beam 15 incident on the main lens system 16 ⁇
  • the attitude angle of each light receiver based on the displacement position detected by the detection element of the second light receiving surface 17b,
  • the pointing angle and the pitching angle are measured, and these are input to the controller as the attitude of each light receiver.
  • the light receiving position on each of the light receiving surfaces 17a and 17b is corrected by the rolling angle detected by the rolling meters 13 and 21, and each light receiving position is corrected based on the corrected light receiving position.
  • the position and orientation of the receiver are required.
  • the distance between the laser projector 5 and the light receiver 11 and the distance between the light emitter 12 and the light receiver 20 are measured by a distance detector (not shown) such as a lightwave distance meter. Then, based on the position and orientation of each light receiver, the distance between the laser projector 5 and the light receiver 11, and the distance between the light emitter 12 and the light receiver 20, the controller finally determines the The position and orientation are calculated and calculated.
  • the position detection accuracy of the tunnel machine is also required to have high accuracy.
  • the above-described error in the posture detection of the tunnel machine is related to the position detection accuracy of the excavator 1, and the error in the posture detection accumulates as the construction becomes longer, or the calculation of the posture detection is performed.
  • the error increases and the position detection accuracy decreases.
  • the apparatus described in the above-mentioned publication it is considered that this problem can be dealt with if the accuracy of the light receiving position detection by the detecting element of the second light receiving surface 17b is improved, and the detection accuracy of the light receiving position is improved. Is required to be increased about 100 times.
  • the angle range over which the posture is to be measured that is, the angle range incident on the main lens system 16 by the device described in the above-mentioned publication is described.
  • problems such as the need to make them wider.
  • In order to expand the range of the angle of incidence on the main lens system 16 it is necessary to increase the area of the two-dimensional position detecting element, but it is also necessary to satisfy a resolution of 100 times.
  • the spherical aberration of the main lens system 16 becomes large, it can be expanded only to a certain incident angle range, which makes it more difficult to obtain a resolution of 100 times as described above.
  • a one-dimensional position detecting element can be used instead of a two-dimensional position detecting element to improve the accuracy.
  • the oscillating angle and pitch conventionally detected by a two-dimensional position detection element Only one of the steering angles can be detected.
  • the same gravitational detection inclinometer as that used for detecting the rolling angle can be used for the pitching angle of the jogging angle and the pitching angle by changing the detection direction.
  • the laser beam 15 from above and below when the photodetectors 11 and 20 are installed horizontally is used.
  • the incident angle that is, the pitching angle of the photodetectors 11 and 20 when the laser beam 15 is irradiated horizontally
  • the laser beam 15 is outside the detection surface width of the one-dimensional position detection element. Light may be collected. This causes a problem that the laser beam 15 exceeds the detection range of the one-dimensional position detecting element.
  • the position measuring / projecting / lighting device 10 and the light receiver 20 are inclined at a rolling angle that is equal to or greater than a predetermined value, the laser beam 15 is also used as the one-dimensional position detecting element.
  • the problem of exceeding the detection range occurs.
  • the two-dimensional position detecting element that the laser beam 15 must be correctly focused on the one-dimensional position detecting element is used. When used, it is not a problem and has created a new problem.
  • the ratio of the length of the detecting surface in the direction of the joing angle to its width is 10: 1 or more. Therefore, when the detection range of the joing angle is large, it can be said that the incident angle from the vertical direction is similarly refracted through the lens system, and the allowable range of the incident angle from the vertical direction is one of the detection range of the joing angle. This means that detection is possible only in a range less than 1/0.
  • the present invention has been made in order to solve the problems of the related art, and an object of the present invention is to provide an excavation direction detecting device capable of detecting the attitude of an excavator with high accuracy and a method of detecting the same.
  • the position detecting element has a detection resolution in one of two orthogonal directions that is more accurate than the other direction, and
  • a second optical system is disposed between the main lens system and the position detecting element, wherein the second optical system changes the azimuth angle of the light receiver to change the light receiving position of the laser beam to the position detecting element.
  • the laser light incident on the main lens system is guided to the position detecting element when the position shifts by a predetermined S in a direction in which the detection resolution of the element is low.
  • the second optical system can perform the above-described operation.
  • the laser light is focused on the detection surface of the position detection element.
  • the path of the laser beam does not change in a direction in which the detection resolution of the position detecting element is high, so that the detection magnification does not change. Therefore, In an excavation direction detection device of an excavator, a position detection element that mainly measures the orientation in one direction with high accuracy can be used.
  • the position detecting element is a one-dimensional position detecting element that can detect only the one direction.
  • the one-dimensional position detecting element can be used in the excavation direction detecting device of the excavator.
  • Many one-dimensional position detecting elements have very high resolution and are easily available.
  • the azimuth of the excavator can be increased by using such high-resolution one-dimensional position detecting elements. Measurement can be performed with high accuracy. Therefore, it is possible to reduce the error of the position detection of the excavator due to the long distance of the tunnel construction, and it is possible to accurately perform the tunnel construction.
  • the second optical system may be constituted by a condenser lens system of an anamorphic optical system.
  • the second optical system provided between the main lens system and the position detecting element is constituted by a condensing lens system of an anamorphic optical system such as a cylindrical lens.
  • anamorphic optical system such as a cylindrical lens.
  • the second optical system may be constituted by a concave mirror having a predetermined curvature.
  • the concave mirror having a predetermined curvature is used as the second optical system, the laser beam is focused on the outside of the detection surface of the position detection element in the width direction. Even when the laser beam is incident on the main lens system at a large incident angle, the laser beam is condensed within the width of the detection surface of the position detecting element, particularly the one-dimensional position detecting element, by the concave mirror. Will be done. As a result, similarly to the above, it is possible to reduce the error of the position detection of the excavator due to the long distance of the tunnel construction, and it is possible to perform the tunnel construction with high accuracy.
  • the second optical system may be constituted by a polygon mirror.
  • the main lens since the polygon mirror is used as the second optical system, the main lens has a large incident angle such that the laser light is condensed outside the width direction of the detection surface of the position detection element. Even when laser light is incident on the system, the laser light is condensed within the width of the detection surface of the position detection element, particularly the one-dimensional position detection element, by the light condensing action of the rotation of the polygon mirror. Become.
  • the error of the position detection of the excavator due to the extension of the tunnel construction can be reduced, and the tunnel construction can be performed with high accuracy.
  • a beam-shaped laser beam irradiated in a predetermined direction from a predetermined point is received by a position detecting element via a main lens system, and an incident angle of the irradiated laser light to the main lens system is determined by the position detecting element.
  • the excavation azimuth detection method of the excavator which detects the excavation azimuth using the laser light as an azimuth reference by detecting based on the displacement amount of the light receiving position in the excavator
  • the excavation azimuth of the excavator changes, and the laser
  • the main Ray incident on lens system The light is guided to the position detecting element by a second optical system provided between the main lens system and the position detecting element.
  • the position detecting element in which only one direction has a higher resolution than the other direction in particular, in the width direction of the detection surface of the one-dimensional position detecting element that can detect only one direction, that is, outside the low-resolution direction.
  • the laser light is focused on the detection surface of the position detection element by the second optical system. become.
  • the path of the laser beam does not change in the direction of detection with high resolution of the position detecting element, particularly in the case of a one-dimensional position detecting element.
  • the excavation direction detecting device it is possible to reduce the error of the position detection of the excavator due to the long distance of tunnel construction, and it is possible to perform tunnel construction with high accuracy.
  • FIG. 1 shows a side view of the light receiving device of the first embodiment of the digging direction detecting device according to the present invention.
  • FIG. 2 shows a plan view of the light receiving device of the first embodiment of the digging direction detecting device according to the present invention.
  • FIG. 4 shows a side view of a light receiving device of a second embodiment of the digging direction detecting device according to the present invention.
  • FIG. 4 shows a side view of a light receiving device of another example of the second embodiment of the digging direction detecting device according to the present invention.
  • FIG. 5 shows a configuration diagram of a position and orientation measurement apparatus according to the related art.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram of a method of measuring a position and an attitude by a light receiver according to a conventional technique.
  • the main lens system 16 of the photoreceiver 11 is integrally formed by combining a plurality of lenses, and the housing 19 of the photoreceiver 11 is formed. It is fixed to a bracket by a holder such as a bracket.
  • the main lens system 16 is constituted by a condensing lens system, that is, constituted by only a normal condensing lens, or constituted by combining a plurality of ordinary condensing lenses and the like. Then, the main lens system 16 focuses the laser beam 15 incident parallel to the optical axis 18 on the focal point.
  • the main lens system 16 constitutes a first optical system.
  • a first light-transmitting light receiving surface 17a composed of a two-dimensional position detecting element and having a light transmissivity 17a orthogonal to the optical axis 18 is provided in front of the main lens system 16 on the laser light 15 incident side.
  • a window glass 42 is provided on a side surface of the housing 19 in front of the first light receiving surface 17a. The window glass 42 is provided so that dust, dirt, moisture, and the like from outside the housing do not enter the housing 19. Note that the positional relationship between the first light receiving surface 7a and the main lens system 16 before and after is not limited to the position shown in the figure, but may be reversed.
  • a second light receiving surface 14 is fixed to the housing 1S by a predetermined holder at an optically optimal position at or near the light condensing point of the system 16. Further, the second light receiving surface 14 has a sensitivity only in one dimension, that is, is constituted by a one-dimensional hidden detection element 31 a in which the light receiving element is concealed only in one direction.
  • the longitudinal direction of the one-dimensional position detecting element 31 a is orthogonal to the axis 18 and coincides with the horizontal direction of the light receiver 11.
  • the one-dimensional position detecting element 31a and the two-dimensional position detecting element can be constituted by, for example, PSD (so-called optical position detector), CCD (so-called charge-coupled element), or the like.
  • a condensing lens system 41 of an anamorphic optical system is disposed as a second optical system 40 between the main lens system 16 and the one-dimensional position detecting element 31a.
  • this anamorphic optical system has the characteristic that the lateral magnification of the image is different between the vertical and horizontal directions by utilizing the characteristics of a cylindrical lens (so-called cylindrical lens).
  • the angle of incidence of the laser beam 15 on the main lens system 16 indicates the angle between the housing 19 of the photodetector 11 and the laser beam 15. I have.
  • the detection direction of the one-dimensional position detecting element 31 a on the second light receiving surface 14 is the horizontal direction of the light receiving device 11. Is detected.
  • the laser beam 15 incident on the photodetector 11 is bent by the main lens system 16 and further bent by the condensing lens system 41 to be a one-dimensional position detecting element of the second light receiving surface 14. Led to 3 1 a.
  • the main lens system 16 is provided to convert the incident angle of the laser beam 15 into a displacement position on the second light receiving surface 14, and the displacement position is determined by the focusing distance of the main lens system 16. Converted to position. If the optical design is advanced, the design focal length of the main lens system 16 may not be the optimal position for receiving light, and the design focal length of the main lens system 16 may slightly deviate from the optimal position. Is not a problem.
  • the condenser lens system 41 provided as the second optical system 40 has a refractive characteristic in the detection direction of the one-dimensional position detection element 31a, that is, in the horizontal direction of the light receiver 11. It does not have such a property that it refracts light in a direction perpendicular to the detection direction, that is, in the vertical direction of the light receiver 11. As a result, the laser beam refracted by the main lens system 16 is guided to the detection surface of the one-dimensional position detecting element 31a, but its horizontal component is one-dimensional as a ray due to refraction by the main lens system 16.
  • the vertical component reaches the position detecting element 31a, and is refracted by the second optical system 40, and is guided into the vertical length of the detecting surface of the one-dimensional position detecting element 31a, that is, into the width of the detecting surface.
  • I will This is equivalent to that the width of the detection surface of the one-dimensional position detection element 31a appears to be enlarged by the second optical system 40 when viewed from the main lens system 16. Therefore, the detection range in the vertical direction is expanded by the optical action of the condenser lens system 41 as the second optical system 40 while keeping the detection range in the horizontal direction as it is.
  • the laser beam When the laser beam is incident on the one-dimensional position detecting element 31a at a long distance in the horizontal detection range, the laser beam is incident horizontally, and the optical receiver 11 has a rolling angle. Even if 1 does not have a pitching angle, it has the second optical system 40 Otherwise, light may not enter the width of the detection surface of the one-dimensional position detection element 31a.
  • the condenser lens system 41 as the second optical system 40 between the main lens system 16 and the one-dimensional position detecting element 31a, the condenser lens If the detectable range in the vertical direction of the system 41 is sufficiently designed, laser light can be guided to the one-dimensional position detecting element 31a.
  • This embodiment shows a case where a mirror is used as the second optical system 40.
  • a concave mirror 43 having a concave cross section is provided on the optical axis 18 of the main lens system 16 and behind the main lens system 16.
  • the concave surface of No. 3 is constituted by a cylindrical surface having a predetermined radius of curvature.
  • the concave mirror 43 condenses the laser beam 15 that has passed through the main lens system 16 by the concave surface, and the condensed focal position is located on the second light receiving surface 14 similarly to the previous embodiment.
  • a one-dimensional position detecting element 31a is provided.
  • the longitudinal direction of the concave mirror 43 and the one-dimensional position detecting element 31 a is orthogonal to the optical axis 18 and coincides with the horizontal direction of the light receiver 11.
  • the main lens system 16 and the one-dimensional position detecting element 31a are not arranged on a straight line, but the effect is that the focal point of the main lens system 16 is determined as the distance that has passed through the convex concave lens. It is only necessary that the above-described —dimensional position detecting element 31 a be disposed at a distance.
  • the concave mirror 43 converges the laser light entering from above and below the main lens system 16 so that the pitch mirror and the rolling mirror can cope with the pitching angle and the rolling angle.
  • FIG. 4 shows an example in which the polygon mirror 44 is used as the second optical system 40.
  • a polygon mirror 44 is disposed on the optical axis 18 of the main lens system 16 and behind the main lens system 16.
  • the direction of the rotation axis of the polygon mirror 44 is orthogonal to the optical axis 18 and the horizontal direction of the photodetector 11, and the polygon mirror 44 is centered on the rotation axis. Is rotating in the specified direction.
  • the polygons 4 The light 15 reaches the one-dimensional position detecting element 31a of the second light receiving surface 14 disposed at a predetermined position. Therefore, a mechanism is provided to reclaim the polygon mirror 4 4.
  • the optical path incident on the one-dimensional position detecting element 31 a is changed, and the laser light that is not condensed in the vertical direction is changed to the one-dimensional position. It is possible to guide to the detection element 31a.
  • the one-dimensional position detecting element 31a is used.
  • the present invention is not limited to this.
  • one of two orthogonal directions is used.
  • a position detecting element 31 having a high resolution only in the direction and a lower resolution in the other direction may be used.
  • the angle of the excavator in the predetermined direction such as the shoring angle is accurately detected.
  • the present invention can detect the position of an excavator with high accuracy by using a position detection element with a higher resolution in one direction than in the other direction, especially a one-dimensional position detection element, and can respond to long distance tunnel construction It is useful as a simple excavation direction detecting device.

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Description

明 細 窨 掘進方位検出装匱及びその検出方法 技 術 分 野
本発明は、 掘進機等の姿勢計測方法に係り、 特に掘進機の姿勢 （方位角） を一 次元位置検出素子で検出可能な掘進方位検出装置及びその検出方法に関する。 背 景 技 術
従来、 例えばシールド掘進機等の トンネル機械によってトンネル施工を行う場 合、 予め定めた 卜ンネル計画線通りの施工を行うために、 トンネル機械の位置及 び姿勢を計測する必要がある。 計測する位置データは、 ト ンネル空間内に設定し た適当な三次元座標系における各座標で表すのが普通である。 通常は、 ト ンネル 計画線を 1つの座標軸とし、 卜ンネル計画線に直交する水平線及び鉛直線を他の 2つの座標軸として設定している。 そして、 計画線方向に得られる掘進距離と、 計画線からの水平方向へのずれと、 計画線からの鉛直方向へのずれとによつて、 トンネル機械の位置を表すことが多い。 他方、 トンネル機械の姿勢は、 前記三次 元座標系の各軸回りの回転角度で表すのが普通であり、 例えば、 ト ンネル機械の 水平面方向の向き （以後、 ョ一イング角度と呼ぶ） と、 ト ンネル機械の前後方向 の傾き （以後、 ピッチング角度と呼ぶ） と、 ト ンネル機械の中心軸回りの回転 （ 以後、 ローリ ング角度と呼ぶ） とにより、 ト ンネル機械の姿勢を表すことが多い そして、 上記ト ンネル機械の位置及び姿勢の計測は、 一般的にレーザ光等の光 ビームを用いて行っている。 このようなレーザ光を利用した位置姿勢計測装置が 、 例えば日本特開平 3 - 1 7 2 7 1 0号公報及び日本特開平 7 - 1 7 4 5 6 1号 公報に開示されている。 図 5及び図 6には、 同公報に記載された位置姿勢計測装 置の一実施例を示しており、 以下これらの図に基づいて説明する。 図 5 において、 掘進機 1 により掘削された 卜ンネル穴の掘進方向後方には所定 長さのセグメ ン ト 2が複数連結されて埋設されており、 これらのセグメ ン 卜 2の 掘進機 1側先端部にはセグメ ン ト 2から反力を得て掘進機 1を前進させるシール ドジャツキ 3が連結されている。 掘進機 1 には受光器 2 0及びローリ ング計 2 1 が配設され、 掘進機 1の後方の所定位匱には掘進機 1の位置姿勢計測装置として の位置計測投光装置 1 0が配設されている。 位置計測投光装匱 1 0は、 受光器 1 1 と、 発光器 1 2 と、 ローリ ング計 1 3とを備えている。 ローリ ング計 1 3及び ローリ ング計 2 1 はそれぞれ位置計測投光装置 1 0及び受光器 2 0の u—リ ング 角度を計測するものであり、 例えば重力を利用した傾斜計等によって構成されて いる。 また、 位置計測投光装置 1 0のさらに後方で、 かつ、 計測の基準点となる 所定位置には、 レーザ投光器 5が配設されている。 この基準点は例えば掘進機 1 の発進立坑や、 掘削されたト ンネルの途中の中継点等に設けられ、 基维点のレ一 ザ投光器 5の位置は通常の測量等によって正確に求められる。
そして、 レーザ投光器 5から出射されたレーザ光 1 5は位置計測投光装置 1 0 の受光器 1 1 に受光され、 この受光方向と略反対方向に発光器 1 2から発光され たレーザ光 1 5は受光器 2 0に受光される。 このとき、 位置計測投光装置 1 0及 び受光器 2 0において測定されたレーザ光の受光位置及び受光方向によって、 各 位置計測投光装置 1 0及び受光器 2 0の位置及び姿勢が計測される。 この計測デ 一夕は図示しないコントローラに通信によって入力され、 コン トローラはこれら の計測データに基づいて掘進機 1の位置及び姿勢を演算して求めるようになって いる。
図 6は、 上記の受光器 1 1、 2 0による位置及び姿勢の計測方法を説明してい る。 各受光器 1 1、 2 0にはそれぞれ、 レーザ光 1 5を所定位置に集光する主レ ンズ系 1 6 と、 主レンズ系 1 6を通過したビーム状のレーザ光 1 5を受光する第 1の受光面 1 Ί a及び第 2の受光面 1 7 bとが配設されている。 主レンズ系 1 6 は、 通常の集光レンズ 1 6のみで構成しても、 あるいは、 通常の集光レンズ等を 複数枚組み合わせたもので構成してもよい。 第 1の受光面 1 7 a及び第 2の受光 面 1 7 bは、 上記レーザ光 1 5が受光された二次元平面位置を電気信号に変換す る位置検出センサにより構成されている。 また、 第 1 の受光面 1 7 aは光透過性 を有する検出素子を備え、 レーザ光 1 5を透過して第 2の受光面 1 7 bに受光さ せる。 各受光面 1 7 a、 1 7 b上には、 各受光器 1 1、 2 0の鉛直方向及び水平 方向に座標軸を有する直交座標系が設けられている。 主レンズ系 1 6は、 光軸 1 8が各受光面 1 7 a、 1 7 bと直交し、 かつ、 各受光面 1 7 a、 1 7 b上の上記 直交座標系の原点 O a、 0 bを通るように配設されている。 そして、 主レンズ系 1 6は第 2の受光面 1 7 bの原点 0 bに集光点を有し、 光軸 1 8に平行に入射し たレーザ光 1 5はこの原点 0 bに集光されるようになつている。
そして、 各受光面 1 7 a、 1 了 b上でのレーザ光 1 5の受光位置に対応する座 標に基づいて、 各受光器 1 1、 2 0の位置及び姿勢が計測される。 すなわち、 レ 一ザ光 1 5を基準と して、 第 1の受光面 1 7 aでの受光位置に基づいてレーザ光 1 5からの変位位置が検出され、 これが各受光器の位置としてコントローラに入 力される。 また、 主レンズ系 1 6へのレーザ光 1 5の入射角度は受光器 1 1の姿 勢角度に相当しており、 主レンズ系 1 6に入射したレーザ光 1 5力《、 レンズ入射 角度の関数で表される変位を第 2の受光面 1 7 b上で生じることを利用し、 第 2 の受光面 1 7 bの検出素子によって検出した変位位置に基づいて各受光器の姿勢 角度、 すなわちョ一イング角度及びピッチング角度を計測し、 これが各受光器の 姿勢としてコン トローラに入力される。 このとき、 ローリ ング計 1 3、 2 1 によ つて検出されたローリ ング角度により上記各受光面 1 7 a、 1 7 bでの受光位置 は補正され、 この補正された受光位置に基づいて各受光器の位置及び姿勢は求め られるようになっている。 また、 レーザ投光器 5と受光器 1 1 との距離、 及び発 光器 1 2と受光器 2 0との距離は、 例えば光波距離計等からなる図示していない 距離検出器によって計測している。 そして、 コントローラは、 各受光器の位置及 び姿勢、 レーザ投光器 5と受光器 1 1 との距離、 及び発光器 1 2と受光器 2 0 と の距離に基づいて、 最終的に掘進機 1 の位置及び姿勢を演算して求めている。
—方、 近年の施工事例によると トンネル機械の掘進距離が長くなる傾向にある ので、 トンネル機械の位置検出精度もそれに伴って高精度のものが要求されてい る。 ところが、 トンネル機械の上記のような姿勢検出の誤差が掘進機 1の位置検 出精度に関わっており、 施工の長距離化に伴って上記姿勢検出の誤差が累積した り、 あるいは姿勢検出の演算誤差が増大し、 よって位置検出精度が低下するとい う問題が生じている。 前述の公報に記載された装置によると、 第 2の受光面 1 7 bの検出素子による受光位置検出の精度が向上されれば、 この問題に対処可能で あると考えられ、 受光位置の検出精度を約 1 0 0倍程度上げることが要求されて いる。 これは、 分解能を例えば 0 . 1 mmから約 1 w mへ上げることに相当する。 この受光位置検出精度を向上するには、 例えば検出素子の分解能の高精度化が必 要となる。 しかしながら、 検出素子の分解能については、 実際に使用できるデバ イスの各軸方向の分解能が従来に対して 1 0 0倍となるような二次元位置検出素 子は現実的には無いのが現状である。 これは、 画素数が分解能に相当すると考え られる撮像用の C C Dデバイスを例にとれば、 現在の 4 1万画素 （約 7 0 0 X 6 0 0 ) を 4 2億画素にしたデバィスが必要となることを意味するが、 そのような デバイスは存在していない。 さらに、 掘進距離が長く なると同時に、 曲線施工の 事例も増加しているため、 姿勢を計測すべき角度範囲、 すなわち前述の公報に記 載されている装置による主レンズ系 1 6に入射する角度範囲も広く しなければな らないなどの問題も生じている。 主レンズ系 1 6への入射角度範囲の拡大化につ いては、 二次元位置検出素子の大面積化が必要になるが、 同時に 1 0 0倍の分解 能を満たす必要もある。 ところが、 主レンズ系 1 6の球面収差が大きくなる等を 考慮すると、 一定の入射角度範囲までしか拡大できず、 上記のような 1 0 0倍の 分解能を得ることをさらに実現困難にしている。
ところが、 例えば、 縮小転写技術で作られる C C Dにおいては、 1万画素で検 出できる一次元のデバイスは既に存在している。 そこで、 二次元の位置検出素子 ではなく、 一次元の位置検出素子を流用して精度向上することが容易に想像でき る。 この方法に従ってレンズ系と 1次元位置検出デバイスとを組み合わせて使う 場合、 従来、 2次元の位置検出素子で検出できていたョーイ ング角度及びピッチ ング角度の内一方しか検出できなくなる。 この場合、 ョーイング角度及びピッチ ング角度の内のピッチング角度については、 ローリ ング角度検出に利用していた ものと同じ重力検出型の傾斜計を検出方向を変えることによって使用することが できる。
しかしながら、 1次元の位置検出素子を使用してョ一ィング角度を検出するよ うにした場合、 受光器 1 1、 2 0が水平設置されているときの上下方向からのレ 一ザ光 1 5の入射角度、 すなわち、 レーザ光 1 5が水平に照射されているときの 受光器 1 1、 2 0のピッチング角度に対して、 レーザ光 1 5が一次元位置検出素 子の検出面幅より外側に集光する場合がある。 これによつて、 レーザ光 1 5がー 次元位置検出素子の検出範囲を越えてしまうという問題を生じる。 また、 位置計 測投光装匱 1 0や受光器 2 0等が所定値以上のローリ ング角度で傾斜している場 合にも、 上記と同様にレーザ光 1 5がー次元位置検出素子の検出範囲を越えてし まうという問題が生じる。 このように、 一次元位置検出素子を使用してョーイ ン グ角度を検出する方法においては、 レーザ光 1 5を正しく一次元位置検出素子に 集光させなければならないという、 二次元位置検出素子を使用しているときには 問題とならなかつた新たな問題を生じている。
この問題を解決するために、 位置計測投光装置 1 0や受光器 2 0等の受光姿勢 を、 ァクチユエ一夕を有する機構によって、 予め定められた所定の水平の範囲に 調整する方法が考えられる。 しかし、 通常の一次元位置検出デバイスでは、 その 検出面のョーイ ング角度検出方向の長さとその幅の比が 1 0 ： 1以上である。 よ つて、 ョーイ ング角度の検出範囲を大きく とる場合、 レンズ系を通して上下方向 からの入射角度も同様に屈折するとは言え、 上下方向からの入射角度の許容範囲 角度は、 ョーィング角度の検出範囲の 1 0分の 1 にも満たない範囲でしか検出で きないことになる。 これはローリング角度が絶対水平である、 つまり、 ローリ ン グ角度が零の場合という条件での話であり、 実際の卜ンネル機械においては当然 所定の大きさのローリ ング角度が存在しているので、 上記のようなョーィング角 度の検出範囲の 1 0分の 1にも満たない検出範囲でさえも確保することを難しく している。 さらに、 位置計測投光装匿 1 0や受光器 2 0等の上記水平調整を高精 度に実施するにしても、 トンネル機械の運転により発生する振動の存在する中で の調整となるので、 従来のような重力検出型傾斜計以外のピッチング角度及び口 一リ ング角度の検出器を付加しないと自動化を進めるのも困難である。 発 明 の 開 示
本発明は、 かかる従来技術の問題点を解消するためになされたもので、 掘進機 の姿勢を高精度で検出できる掘進方位検出装置及びその検出方法を提供すること を目的としている。
本発明に係る掘進機の掘進方位検出装置は、
所定の点から所定方向に照射されたビーム伏のレーザ光を集光する主レンズ系と 、 前記主レンズ系の集光点近傍に配設され、 前記集光されたレーザ光の受光位置 を検出する位置検出素子とを有する受光器を備え、 前記位置検出素子での受光位 置の変位量に基づいて、 前記照射されたレーザ光の主レンズ系への入射角度を検 出することにより、 レーザ光を方位基準として受光器の方位角を検出する掘進機 の掘進方位検出装置において、
前記位置検出素子は、 直交する 2方向の内、 いずれか一の方向の検出分解能が他 の方向よりも高精度であると共に、
前記主レンズ系と前記位置検出素子との間に第 2の光学系を配置し、 前記第 2の 光学系は、 前記受光器の方位角が変化してレーザ光の受光位置が前記位置検出素 子の検出分解能の低い方向に所定 Sずれた場合、 主レンズ系に入射したレーザ光 を前記位置検出素子に導く ことを特徴としている。
かかる構成によれば、 位置検出素子の検出分解能が低い方向の外側にレーザ光 が集光されるような大きな入射角で主レンズ系にレーザ光が入射した場合でも、 第 2の光学系によって上記レーザ光が位置検出素子の検出面内に集光されるよう になる。 このとき、 位置検出素子の検出分解能が高精度な方向にはレーザ光の経 路は変化しないので、 検出の倍率が変わらないようになっている。 したがって、 掘進機の掘進方位検出装置において、 主に一方向の姿勢を高精度で計測する位置 検出素子を使用可能となる。 この結果、 一方向のみが高分解能の位置検出素子を 使用して掘進機の方位角を高精度に計測可能となる。 よって、 ト ンネル施工の長 距離化に伴う掘進機の位置検出の誤差を小さくできるようになり、 トンネル施工 を精度良く実施可能となる。
また、 前記位置検出素子が、 前記一の方向のみ検出可能な一次元位置検出素子 であることを特徴としている。
かかる構成によれば、 1方向のみ検出可能な一次元位置検出素子の検出面の幅 方向の外側にレーザ光が集光されるような大きな入射角で主レンズ系にレーザ光 が入射した場合でも、 第 2の光学系によって上記レーザ光が一次元位置検出素子 の検出面内に集光されるようになる。 このとき、 一次元位置検出素子の検出方向 にはレーザ光の経路は変化しないので、 検出の倍率が変わらないようになつてい る。 したがって、 掘進機の掘進方位検出装置において、 一次元位置検出素子を使 用可能となる。 一次元位置検出素子としては、 非常に高分解能で、 かつ、 入手し 易いものが多いので、 この結果、 このような高分解能の一次元位置検出素子を使 用して掘進機の方位角を高精度に計測可能となる。 よって、 ト ンネル施工の長距 離化に伴う掘進機の位置検出の誤差を小さくできるようになり、 卜ンネル施工を 精度良く実施可能となる。
また、 前記第 2の光学系は、 アナモルフィ ック光学系の集光レンズ系より構成 されていてもよい。
かかる構成によれば、 主レンズ系と前記位置検出素子との間に設けた前記第 2 の光学系を、 例えばシリンドリカルレンズ等のアナモルフィ ック光学系の集光レ ンズ系で構成しているので、 前記位置検出素子の検出面の幅方向、 すなわち低分 解能の方向の外側にレーザ光が集光されるような大きな入射角で主レンズ系にレ —ザ光が入射した場合でも、 アナモルフィ ック光学系の集光レンズ系によってレ 一ザ光が前記位置検出素子、 特には一次元位置検出素子の検出面の幅内に集光さ れるようになる。 この結果、 前記同様に、 ト ンネル施工の長距離化に伴う掘進機 の位置検出の誤差を小さくできるようになり、 卜ンネル施工を精度良く実施可能 となる。
また、 前記第 2の光学系は、 所定の曲率を有する凹面ミ ラーより構成されてい てもよい。
かかる構成によれば、 前記第 2の光学系と して所定の曲率を有する凹面ミラ一 を使用するので、 前記位置検出素子の検出面の幅方向の外側にレーザ光が集光さ れるような大きな入射角で主レンズ系にレーザ光が入射した場合でも、 凹面ミ ラ 一の集光作用によってレーザ光が前記位置検出素子、 特には一次元位匿検出素子 の検出面の幅内に集光されるようになる。 この結果、 前記同様に、 ト ンネル施工 の長距離化に伴う掘進機の位置検出の誤差を小さくできるようになり、 ト ンネル 施工を精度良く実施可能となる。
また、 前記第 2の光学系は、 ポリゴンミラ一より構成されていてもよい。 かかる構成によれば、 前記第 2の光学系としてポリゴンミ ラ一を使用するので 、 前記位置検出素子の検出面の幅方向の外側にレーザ光が集光されるような大き な入射角で主レンズ系にレーザ光が入射した場合でも、 上記ポリゴンミ ラーの回 転による集光作用によってレーザ光が前記位置検出素子、 特には一次元位置検出 素子の上記検出面の幅内に集光されるようになる。 この結果、 前記同様に、 ト ン ネル施工の長距離化に伴う掘進機の位置検出の誤差を小さくできるようになり、 トンネル施工を精度良く実施可能となる。
また、 本発明に係る掘進機の掘進方位検出方法は、
所定の点から所定方向に照射されたビーム状のレーザ光を、 主レンズ系を経由し て位 検出素子に受光し、 前記照射されたレーザ光の主レンズ系への入射角度を 前記位置検出素子での受光位置の変位量に基づいて検出することにより、 レーザ 光を方位基準として掘進方位角を検出する掘進機の掘進方位検出方法において、 掘進機の前記掘進方位角が変化して、 前記レーザ光の受光位置が、 直交する 2方 向の内いずれか一の方向の検出分解能が他の方向よりも高精度である位置検出素 子の前記検出分解能の低い方向に所定量ずれた場合、 主レンズ系に入射したレー ザ光を、 主レンズ系と前記位腹検出素子との間に設けた第 2の光学系によって前 記位置検出素子に導く方法としている。
かかる構成によれば、 一方向のみが他方向より高分解能である位置検出素子、 特には一方向のみ検出可能な一次元位臛検出素子の検出面の幅方向、 すなわち低 分解能の方向の外側にレーザ光が集光されるような大きな入射角で主レンズ系に レーザ光が入射した場合でも、 第 2の光学系によってこのレーザ光が前記位置検 出素子の検出面内に集光されるようになる。 このとき、 前記位置検出素子の高分 解能な検出方向、 特に一次元位置検出素子のときはその検出方向にはレーザ光の 経路は変化しない。 この結果、 掘進方位検出装置において、 ト ンネル施工の長距 離化に伴う掘進機の位置検出の誤差を小さくできるようになり、 トンネル施工を 精度良く実施可能となる。 図面の簡単な説明
図 1 は本発明に係る掘進方位検出装置の第 1実施形態の受光器の側面図を示す 図 2は本発明に係る掘進方位検出装置の第 1実施形態の受光器の平面図を示す 図 3は本発明に係る掘進方位検出装置の第 2実施形態の受光器の側面図を示す 図 4は本発明に係る掘進方位検出装置の第 2実施形態の他例の受光器の側面図 を示す。
図 5は従来技術に係る位置姿勢計測装置の構成図を示す。
図 6は従来技術に係る受光器による位置及び姿勢の計測方法説明図である。 発明を実施するための最良の形態
本発明に係る掘進方位検出装置及びその検出方法について、 好ま しい実施例を 添付図面に従って以下に詳述する。 P T JP' 7/02458
1 0 図 1及び図 2において、 本実施形態に係わる受光器 1 1の主レンズ系 1 6は複 数のレンズを組み合わせて一体で構成されたものであり、 受光器 1 1の筐体 1 9 にブラケッ 卜等の保持具により固着されている。 主レンズ系 1 6は集光レンズ系 で構成されており、 すなわち、 通常の集光レンズのみで構成されたり、 あるいは 、 通常の集光レンズ等を複数枚組み合わせたもので構成されている。 そして、 こ の主レンズ系 1 6は、 光軸 1 8に平行に入射したレーザ光 1 5をその集光点に集 光する。 ここで、 主レンズ系 1 6は第 1 の光学系を構成している。 また、 この主 レンズ系 1 6より レーザ光 1 5の入射側の前方には二次元位置検出素子で構成さ れた光透過性を有する第 1 の受光面 1 7 aが光軸 1 8に直交して配設されており 、 さらに、 第 1の受光面 1 7 aより前方の筐体 1 9の側面にはゥィ ン ドガラス 4 2が設けられている。 このウィ ンドガラス 4 2は、 筐体外部からの埃ゃゴミ、 湿 気等が筐体 1 9内に入らないように設けている。 なお、 第 1の受光面】 7 aと主 レンズ系 1 6との前後の位置関係は同図に示した位置に限定されず、 逆でもよい 主レンズ系 1 6の後方で、 かつ、 主レンズ系 1 6の集光点又はその近傍の光学 的に最適な位置に、 第 2の受光面 1 4が所定の保持具によつて筐体 1 Sに固設さ れている。 また、 この第 2の受光面 1 4は一次元のみ感度を持つ、 つまり一方向 のみに受光素子が配匿された一次元位匿検出素子 3 1 aで構成されており、 この 受光面は光軸 1 8に直交し、 この一次元位置検出素子 3 1 aの長手方向は受光器 1 1の水平方向と一致している。 なお、 この一次元位置検出素子 3 1 a及び前記 二次元位置検出素子は、 例えば P S D (いわゆる、 光位置検出器） や C C D (い わゆる、 電荷結合素子） 等で構成することができる。
また、 主レンズ系 1 6と一次元位置検出素子 3 1 aとの間には、 例えば、 アナ モルフィ ック光学系の集光レンズ系 4 1が第 2の光学系 4 0として配設されてい る。 ここで、 このアナモルフィ ッ ク光学系は、 円柱レンズ （いわゆる、 シ リ ン ド リカルレンズ） の特性を利用して、 結像の横倍率が垂直方向と水平方向とで異な るような特性を持たせた光学系のことである。 そして、 このような構成の受光器 1 1において、 レーザ光 1 5の主レンズ系 1 6への入射角度が、 受光器 1 1 の筐体 1 9とレーザ光 1 5 との成す角度を示して いる。 また、 本実施形態では、 第 2の受光面 1 4での前記一次元位置検出素子 3 1 aの検出方向は受光器 1 1 の水平方向なので、 第 2の受光面 1 4 によって受光 器 1 1のョーイ ング角度が検出されるようになつている。
受光器 1 1へ入射して来たレーザ光 1 5は、 主レンズ系 1 6により曲げられ、 さらに、 集光レンズ系 4 1で曲げられて第 2の受光面 1 4の一次元位置検出素子 3 1 aへ導かれる。 主レンズ系 1 6は、 レーザ光 1 5の入射角度を第 2の受光面 1 4上での変位位置に変換するために設けられており、 その変位位置は主レンズ 系 1 6の集光距離位置に変換される。 なお、 光学的な設計を進めると、 主レンズ 系 1 6の設計焦点距離が受光の際の最適な位置とならないこともあり、 主レンズ 系 1 6の設計焦点距離はその最適な位置から若干ずれていても問題にならない。 また、 第 2の光学系 4 0として設けられている集光レンズ系 4 1 は、 前記一次元 位置検出素子 3 1 aの検出方向、 すなわち受光器 1 1の水平方向に対しては屈折 特性を持たず、 この検出方向に直交する方向、 すなわち受光器 1 1 の鉛直方向に 対しては光を屈折させる特性を持たせている。 これによつて、 主レンズ系 1 6で 屈折したレーザ光は一次元位置検出素子 3 1 aの検出面へ導かれるが、 その水平 成分は主レンズ系 1 6での屈折による光線のまま一次元位置検出素子 3 1 aに到 達し、 鉛直成分は第 2の光学系 4 0により屈折して一次元位置検出素子 3 1 aの 検出面の鉛直方向長さ内、 すなわち検出面の幅内へ導かれる。 これは、 主レンズ 系 1 6から見た場合、 第 2の光学系 4 0によって、 一次元位置検出素子 3 1 aの 検出面の幅が拡大したように見えることと等価である。 したがって、 水平方向の 検出範囲をそのままとし、 第 2の光学系 4 0としての集光レンズ系 4 1の光学的 作用によって鉛直方向の検出範囲を拡大していることになる。
受光器 1 1がローリ ング角度を有し、 一次元位置検出素子 3 1 aの水平方向の 検出範囲いつぱいにレーザ光が入射しているとき、 レーザ光が水平に入射して、 かつ、 受光器 1 1がピッチング角度を有していなく とも、 第 2の光学系 4 0を有 していない場合は、 一次元位置検出素子 3 1 aの検出面の幅内に光が入射されな いことがある。 しかし、 この場合に、 第 2の光学系 4 0と しての集光レンズ系 4 1を主レンズ系 1 6と一次元位置検出素子 3 1 aとの間に配置することにより、 集光レンズ系 4 1 での鉛直方向の検出可能範囲を充分に設計しておけば、， 一次元 位置検出素子 3 1 aへレーザ光を導く ことができる。
次に、 第 2実施形態を図 3及び図 4に基づいて説明する。 本実施形態は、 前記 第 2の光学系 4 0 として、 ミ ラーを使用する場合を示している。
図 3において、 主レンズ系 1 6の光軸 1 8上で、 かつ、 主レンズ系 1 6より後 方に、 断面が凹形状の凹面ミ ラー 4 3を配設しており、 この凹面ミラー 4 3の凹 面は所定の曲率半径を有する円柱面で構成されている。 凹面ミラー 4 3は主レン ズ系 1 6を通過したレーザ光 1 5を上記凹面により集光させるものであり、 この 集光焦点位置に、 前実施形態と同様に第 2の受光面 1 4 の一次元位置検出素子 3 1 aが配設されている。 凹面ミ ラー 4 3及び一次元位置検出素子 3 1 aの長手方 向は、 光軸 1 8に直交し、 かつ、 受光器 1 1 の水平方向に一致している。 そして 、 一次元位置検出素子 3 1 aでのレーザ光 1 5の水平方向変位位置を計測するこ とにより、 受光器 1 1のョーィング角度が検出される。 上記作用のごと く、 主レ ンズ系 1 6と上記一次元位置検出素子 3 1 aは一直線上に配置されないが、 作用 としては凸形伏のレンズを通過した距離として主レンズ系 1 6の焦点距離に上記 —次元位置検出素子 3 1 aが配置されればよいことになる。 このとき、 上記凹面 ミ ラー 4 3が主レンズ系 1 6の上下方向より入ってきたレーザ光を集光する作用 により、 ピッチング角度及びローリ ング角度に対処できるようになる。
また、 ポリゴンミラー 4 4を第 2の光学系 4 0と して使用する例を図 4に示し ている。 図 4において、 主レンズ系 1 6の光軸 1 8上で、 かつ、 主レンズ系 1 6 より後方にポリゴンミ ラー 4 4が配設されている。 このポリゴンミ ラー 4 4の回 転軸の方向は上記光軸 1 8に直交し、 かつ、 受光器 1 1の水平方向を向くように 配設されており、 ポリ ゴンミラー 4 4 はこの回転軸を中心に所定方向に回転して いる。 すなわち、 ポリゴンミラー 4 4の回転によって、 各ミラーで反射したレー ザ光 1 5は、 所定位置に配設された第 2の受光面 1 4の一次元位置検出素子 3 1 aに到達するようになっている。 よって、 ポリゴンミ ラー 4 4を回耘させる機構 を設け、 この機構で回転させることにより一次元位置検出素子 3 1 aに入射する 光経路を変化させ、 上下方向に集光されないレーザ光を一次元位置検出素子 3 1 aに導く ことが可能である。
なお、 これまでの実施形態においては、 一次元位置検出素子 3 1 aを使用した 例を示しているが、 本発明はこれに限定されるものではなく、 例えば、 直交する 2方向の内の一方向のみの分解能が高精度で、 他方向はこれよりも低い分解能で あるような位置検出素子 3 1を使用してもよい。 これによつて、 同様に、 掘進機 の例えばョーイ ング角度のような所定方向の角度が精度良く検出される。
また、 以上の説明では、 受光器 1 1 について説明した力 受光器 2 0について も同様の構成である。 産業上の利用可能性
本発明は、 一方向の分解能が他方向よりも高精度な位置検出素子、 特には一次 元位置検出素子により、 掘進機の姿勢を高精度で検出でき、 トンネル施工の長距 離化に対応可能な掘進方位検出装置として有用である。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 所定の点から所定方向に照射されたビーム状のレーザ光（15)を集光する主レ ンズ系（16)と、 前記主レンズ系（16)の集光点近傍に配設され、 前記集光されたレ —ザ光（15)の受光位置を検出する位置検出素子（31 )とを有する受光器（1 1 , 20) を 備え、 前記位置検出素子（31)での受光位置の変位量に基づいて、 前記照射された レーザ光（15)の主レンズ系（16)への入射角度を検出することにより、 レーザ光（1 5)を方位基準として受光器（11 , 20) の方位角を検出する掘進機の掘進方位検出装 置において、
前記位置検出素子（31 )は、 直交する 2方向の内、 いずれか一の方向の検出分解 能が他の方向よりも高精度であると共に、
前記主レンズ系（16)と前記位置検出素子（31 )との間に、 第 2の光学系（40)を配 置し、 前記第 2の光学系（40)は、 前記受光器（11 , 20) の方位角が変化してレーザ 光（15)の受光位置が前記位匱検出素子（31 )の検出分解能の低い方向に所定量ずれ た場合、 主レンズ系（16)に入射したレーザ光（15)を前記位置検出素子（31 )に導く ことを特徴とする掘進方位検出装鼸。
2 . 請求の範囲 1記載の掘進方位検出装置において、 前記位置検出素子（31 )が、 前記一の方向のみ検出可能な一次元位置検出素子（31 a) であることを特徵とする 掘進方位検出装置。
3 . 請求の範囲 1又は 2記載の掘進方位検出装置において、 前記第 2の光学系（4 0)はアナモルフィ ック光学系の集光レンズ系（41 )より構成されたことを特徴とす る掘進方位検出装置。
4 . 請求の範囲 1又は 2記載の掘進方位検出装置において、 前記第 2の光学系（4 0)は所定の曲率を有する凹面ミ ラー（43)より構成されたことを特徴とする掘進方 位検出装置。
5 . 請求の範囲 1又は 2記載の掘進方位検出装置において、 前記第 2の光学系（4 0)はポリゴンミラー（44)より構成されたことを特徴とする掘進方位検出装置。
6 . 所定の点から所定方向に照射されたビーム状のレーザ光（15)を、 主レンズ系 (16)を経由して位置検出素子（31)に受光し、 前記照射されたレーザ光（15)の主レ ンズ系（16)への入射角度を前記位置検出素子（31)での受光位置の変位量に基づい て検出することにより、 レーザ光（15)を方位基準として掘進方位角を検出する掘 進機の掘進方位検出方法において、
掘進機の前記掘進方位角が変化して、 前記レーザ光（15)の受光位置が、 直交す る 2方向の内いずれか一の方向の検出分解能が他の方向よりも高精度である位置 検出素子（31 )の前記検出分解能の低い方向に所定量ずれた場合、 主レンズ系（16) に入射したレーザ光（15)を、 主レンズ系（16)と前記位置検出素子（31 )との間に設 けた第 2の光学系（40)によって前記位置検出素子（31 )に導く ことを特徴とする掘 進方位検出方法。
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