(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心線が掘進管の掘進計画線から離れた位置に敷設された電流路に対して交流波形の電流を供給するステップと、
前記掘進管先端部における３軸方向の磁界強度を計測するステップと、
前記各軸方向の磁界強度を交流成分と直流成分とに分けるステップと、
前記掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向を計測するステップと、
前記掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向から前記掘進管先端部の傾斜角と回転角とを求めるステップと、
前記分離された各軸方向の磁界強度の交流成分と前記電流路に供給された交流波形の同期信号とから前記掘進管先端部の方位角を求めるステップと、
前記各軸方向の磁界強度の交流成分から前記掘進管先端部の水平位置と深さとを求めるステップとを含むことを特徴とする掘進管先端位置姿勢計測方法。
【請求項２】
中心線が掘進管の掘進計画線から離れた位置に敷設された電流路に対して交流波形の電流を供給するステップと、
前記掘進管先端部における３軸方向の磁界強度を計測するステップと、
前記各軸方向の磁界強度を交流成分と直流成分とに分けるステップと、
前記掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向を計測するステップと、
前記掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向から前記掘進管先端部の傾斜角と回転角とを求めるステップと、
前記各軸方向の磁界強度の直流成分と前記掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向とから前記掘進管先端部の方位角を求めるステップと、
前記各軸方向の磁界強度の交流成分から前記掘進管先端部の水平位置と深さとを求めるステップとを含むことを特徴とする掘進管先端位置姿勢計測方法。
【請求項３】
前記電流路に電流を供給して形成される人工磁場の大きさは、地中の掘進管の先端部において、２μＴ以上となるようにすることを特徴とする請求項１又は２に記載の掘進管先端位置姿勢計測方法。
【請求項４】
中心線が該掘進管の掘進計画線から離れた位置に敷設された電流路と、
この電流路に交流波形の電流を供給する電源と、
前記掘進管の先端に設けられた３軸方向の磁界強度をそれぞれ検出する磁界検出器と、
この磁界検出器により検出された各軸方向の磁界強度を交流成分と直流成分とに分ける直流・交流分離器と、
前記掘進管先端部に設けられ、該掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向を検出する重力加速度方向検出器と、
この重力加速度方向検出器により検出された重力加速度方向から前記掘進管先端部の傾斜角と回転角とを求める傾斜角・回転角検出部と、
前記直流・交流分離器により分離された各軸方向の磁界強度の交流成分と前記電流路に供給された交流波形の同期信号とから前記掘進管先端部の方位角を求める方位角検出部と、
前記直流・交流分離器により分離された各軸方向の磁界強度の交流成分から前記掘進管先端部の水平位置と深さとを求める水平位置・深さ計測部とを具備してなることを特徴とする掘進管先端位置姿勢計測装置。
【請求項５】
中心線が該掘進管の掘進計画線から離れた位置に敷設された電流路と、
この電流路に交流波形の電流を供給する電源と、
前記掘進管の先端に設けられた３軸方向の磁界強度をそれぞれ検出する磁界検出器と、
この磁界検出器により検出された各軸方向の磁界強度を交流成分と直流成分とに分ける直流・交流分離器と、
前記掘進管先端部に設けられ、該掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向を検出する重力加速度方向検出器と、
この重力加速度方向検出器により検出された重力加速度方向から前記掘進管先端部の傾斜角と回転角とを求める傾斜角・回転角検出部と、
前記重力加速度方向検出器により検出された重力加速度方向と、前記直流・交流分離器により分離された各軸方向の磁界強度の直流成分とから前記掘進管先端部の方位角を求める方位角検出部と、
前記直流・交流分離器により分離された各軸方向の磁界強度の交流成分から前記掘進管先端部の水平位置と深さとを求める水平位置・深さ計測部とを具備してなることを特徴とする掘進管先端位置姿勢計測装置。
【請求項６】
コイルに対して、供給時間が異なるハイレベルとローレベルとの２値の矩形波形の電流を供給するステップと、
前記矩形波形の電流が前記コイルに供給された状態で、掘進管先端部における磁界の３軸方向の各成分の時間変位を計測するステップと、
計測された磁界の各成分に対して、前記ハイレベルの電流供給時間に対応して一定のレベルを維持する第１の磁界の各成分と、前記ローレベルの電流供給時間に対応して一定のレベルを維持する第２の磁界強度の各成分とを求めるステップと、
求められた第１及び第２の磁界の各成分から、前記コイルに矩形波形の電流が供給されて形成される人工磁界の各成分と、地磁気の各成分とを求めるステップと、
前記掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向を計測するステップと、
前記掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向から前記掘進管先端部の傾斜角と回転角とを求めるステップと、
前記地磁気の各成分と前記掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向とから前記掘進管先端部の方位角を求めるステップと、
前記各軸方向の人工磁界から前記掘進管先端部の水平位置と深さとを求めるステップとを含むことを特徴とする掘進管先端位置姿勢計測方法。
【請求項７】
第１の磁界の各成分と第２の磁界の各成分との差から、人工磁界の各成分を求め、
第１の磁界の各成分と第２の磁界の各成分との和の１／２から地磁気強度の各成分を求めることを特徴とする請求項６に記載の掘進管先端位置姿勢計測方法。
【請求項８】
コイルと、
このコイルに、供給時間が異なるハイレベルとローレベルとの２値の矩形波形の電流を供給する電源と、
前記掘進管の先端に設けられ、磁界の３軸方向の各成分をそれぞれ検出する磁界検出器と、
この磁界検出器により計測された磁界の各成分から、ハイレベルの供給時間に対応して一定のレベルを維持する第１の磁界の各成分と、ローレベルの電流供給時間に対応して一定のレベルを保つ第２の磁界の各成分とを求める磁界強度検出部と、
第１及び第２の磁界強度の各成分から、前記コイルに電流が供給されて形成される人工磁界の各成分と、地磁気の各成分とを求める人工磁界・地磁気算出部と、
前記掘進管先端部に設けられ、該掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向を検出する重力加速度方向検出器と、
この重力加速度方向検出器により検出された重力加速度方向から前記掘進管先端部の傾斜角と回転角とを求める傾斜角・回転角検出部と、
前記重力加速度方向検出器により検出された重力加速度方向と、地磁気の各成分とから前記掘進管先端部の方位角を求める方位角検出部と、
前記人工磁界の各成分から前記掘進管先端部の水平位置と深さとを求める水平位置・深さ計測部とを具備してなることを特徴とする掘進管先端位置姿勢計測装置。
【請求項９】
コイルに対して、擬似ランダム信号の電流を供給するステップと、
前記擬似ランダム信号の電流が前記コイルに供給された状態で、掘進管先端部における磁界の３軸方向の各成分の時間変位を計測するステップと、
計測された磁界の各成分と、前記擬似ランダム信号と同一パターンの参照用擬似ランダム信号との相関演算を行って、磁界の各成分を演算する人工磁界強度検出部と、
前記掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向を計測するステップと、
前記掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向から前記掘進管先端部の傾斜角と回転角とを求めるステップと、
前記各軸方向の人工磁界から前記掘進管先端部の水平位置と深さとを求めるステップとを含むことを特徴とする掘進管先端位置姿勢計測方法。
【請求項１０】
コイルと、
擬似ランダム信号波形の信号を発振する擬似ランダム信号発生器と、
この擬似ランダム信号発振器から発振された擬似ランダム信号を増幅して、前記コイルに擬似ランダム信号波形の電流を供給する電源と、
前記掘進管の先端に設けられ、磁界の３軸方向の各成分をそれぞれ検出する磁界検出器と、
この磁界検出器により計測された磁界の各成分と、前記擬似ランダム信号波形と同様な参照信号との相関演算を行い、人工磁界の各成分を演算する人工磁界強度検出部と、
前記掘進管先端部に設けられ、該掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向を検出する重力加速度方向検出器と、
この重力加速度方向検出器により検出された重力加速度方向から前記掘進管先端部の傾斜角と回転角とを求める傾斜角・回転角検出部と、
前記人工磁界の各成分から前記掘進管先端部の水平位置と深さとを求める水平位置・深さ計測部とを具備してなることを特徴とする掘進管先端位置姿勢計測装置。
【請求項１１】
前記参照信号は、擬似ランダム信号発生器と同一パターンの波形を生成する参照用擬似ランダム信号発生器から発振された信号であることを特徴とする請求項１０に記載の掘進管先端位置姿勢計測装置。
【請求項１２】
前記参照信号は、擬似ランダム信号発生器から無線機を介して前記ランダム信号が伝送されたものであることを特徴とする請求項１０に記載の掘進管先端位置姿勢計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非開削で配管を地中に敷設するための掘進工法における掘進管先端位置姿勢計測方法及び掘進管先端位置姿勢計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非開削で配管を地中に敷設するための掘進工法においては、その施工中のドリル先端の位置及びその方向を検出することは、掘進方向を修正して管路軌跡を所定の管理範囲内に制御するために重要な情報である。
【０００３】
図１３は、地磁気を利用した従来の掘進管先端位置姿勢計測装置の概略構成を示す図である。図１３に示すように、掘進管１３８１の先端に、掘進管１３８１に対する地磁気の方位角を求める地磁気検出器１３８３と、水平方向に対する掘進方向の傾斜角と、掘進方向を軸とする回転角を検出できる角度検出器１３８４と、演算器１３８５とから構成されている。
【０００４】
この装置では、検出される掘進管の方位角と傾斜角とから掘進距離に応じて変位量を計算し、積算することで先端位置を演算器１３８５で求める。なお、掘進方向の位置は、掘進中のドリルパイプの長さを管理することで求まる。従って、この方式では、掘進方向に対して、水平位置と深さを求めることとなる。
【０００５】
図１４は、特開平９−７２１９２号公報に記載されている人工技術を用いた装置の概略構成を示す図である。図１４に示すように、掘進工事の掘進計画線上に、電源１４９７及び磁界発生コイル１４９２を設置し、地中の掘進管先端１４９１がコイル１４９２真下近傍に達したとき１４コイル９２に直流或いは矩形交番電流を通電し、地中に人工磁界を発生させ、３軸磁界検出器１４９３で磁界を測定する。コイル１４９２に通電したときの３軸磁界強度から通電しないときの３軸磁界強度を差し引いて求めた３軸磁界強度と、別途測定した先端の姿勢角から、演算により掘進管の先端部の水平位置と深さを求める。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図１３に示した従来装置では、地磁気を利用して掘進管の水平位置・深さを測定するが、特に都市部においては、測定場所近傍に存在する磁性体からなる自動車や構造物の影響を受け、地磁気が乱れていることが多い。そのため、方位角度は誤差を持つ。この誤差が小さくても、これを用いて求めた変位量を積算して得られる掘進管先端位置は、大きな誤差を持ち、都市部では実用にならない。
【０００７】
また、図１４に示した従来装置では、人工磁界から先端位置を求める前に、別途先端部の姿勢角を計測しておく必要がある。そのためには、先端部に傾斜角とロール角とを求めるための重力加速度測定器と、方位角を求めるための地磁気方向検出器が必要になる。従って、地磁気が周辺の磁性体構造物により大きく乱れている場合には、最終的に求められる先端部の検出位置と検出方位角方向に大きな誤差が生じることになる。
【０００８】
また、地磁気の乱れが少ない場合、地磁気を用いて掘進管の先端部の方位角を求めることができた場合でも、人工地場を検出するためにコイル電流のＯＮ／ＯＦＦ情報或いはコイル電流の同期信号を演算器に入力する必要があり、コイル電流の電源から演算処理機までの配線が必要になり、装置の全体構成が複雑になったり、この配線を使わない場合には手動によりコイル電流のＯＮ／ＯＦＦ情報を入力したりする必要があり、測定時間が多くなると言う問題がある。特に、都市部の工事において、コイル設置場所が、演算処理装置から遠隔となる場合には、その配線作業が煩わしくなる。さらに、都市部の工事のように近傍からの電磁飛来ノイズが多い場所では、そのノイズが位置検出精度に悪影響を与える事が多い。
本発明の目的は、地磁気が乱れていても、掘進管の先端部の水平位置、深さ、傾斜角、回転角、及び方位角を精度よく計測し得る掘進管先端位置姿勢計測方法を提供することにある。
【０００９】
また、本発明の別の目的は地磁気が乱れていない状態において、構成の簡易化を図り得る掘進管先端位置姿勢計測方法及び掘進管先端位置姿勢計測装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
［構成］
本発明は、上記目的を達成するために以下のように構成されている。
【００１１】
（１）本発明（請求項１）に係わる掘進管先端位置姿勢計測方法は、中心線が掘進管の掘進計画線から離れた位置に敷設された電流路に対して交流波形の電流を供給するステップと、前記掘進管先端部における３軸方向の磁界強度を計測するステップと、前記各軸方向の磁界強度を交流成分と直流成分とに分けるステップと、前記掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向を計測するステップと、前記掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向から前記掘進管先端部の傾斜角と回転角とを求めるステップと、前記分離された各軸方向の磁界強度の交流成分と前記電流路に供給された交流波形の同期信号とから前記掘進管先端部の方位角を求めるステップと、前記各軸方向の磁界強度の交流成分から前記掘進管先端部の水平位置と深さとを求めるステップとを含むことを特徴とする。
【００１２】
（２）  本発明に係わる掘進管先端位置姿勢計測方法は、コイルに対して、供給時間が異なるハイレベルとローレベルとの２値の矩形波形の電流を供給するステップと、前記矩形波形の電流が前記コイルに供給された状態で、掘進管先端部における磁界の３軸方向の各成分の時間変位を計測するステップと、計測された磁界の各成分に対して、前記ハイレベルの電流供給時間に対応して一定のレベルを維持する第１の磁界の各成分と、前記ローレベルの電流供給時間に対応して一定のレベルを維持する第２の磁界強度の各成分とを求めるステップと、求められた第１及び第２の磁界の各成分から、前記コイルに矩形波形の電流が供給されて形成される人工磁界の各成分と、地磁気の各成分とを求めるステップと、前記掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向を計測するステップと、前記掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向から前記掘進管先端部の傾斜角と回転角とを求めるステップと、前記地磁気の各成分と前記掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向とから前記掘進管先端部の方位角を求めるステップと、前記各軸方向の人工磁界から前記掘進管先端部の水平位置と深さとを求めるステップとを含むことを特徴とする。
【００１３】
（３）本発明に係わる掘進管先端位置姿勢計測装置は、コイルと、このコイルに、供給時間が異なるハイレベルとローレベルとの２値の矩形波形の電流を供給する電源と、前記掘進管の先端に設けられ、磁界の３軸方向の各成分をそれぞれ検出する磁界検出器と、この磁界検出器により計測された磁界の各成分から、ハイレベルの供給時間に対応して一定のレベルを維持する第１の磁界の各成分と、ローレベルの電流供給時間に対応して一定のレベルを保つ第２の磁界の各成分とを求める磁界強度検出部と、第１及び第２の磁界強度の各成分から、前記コイルに電流が供給されて形成される人工磁界の各成分と、地磁気の各成分とを求める人工磁界・地磁気算出部と、前記掘進管先端部に設けられ、該掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向を検出する重力加速度方向検出器と、この重力加速度方向検出器により検出された重力加速度方向から前記掘進管先端部の傾斜角と回転角とを求める傾斜角・回転角検出部と、前記重力加速度方向検出器により検出された重力加速度方向と、地磁気の各成分とから前記掘進管先端部の方位角を求める方位角検出部と、前記人工磁界の各成分から前記掘進管先端部の水平位置と深さとを求める水平位置・深さ計測部とを具備してなることを特徴とする。
【００１４】
（４）本発明に係わる掘進管先端位置姿勢計測方法は、コイルに対して、擬似ランダム信号の電流を供給するステップと、前記擬似ランダム信号の電流が前記コイルに供給された状態で、掘進管先端部における磁界の３軸方向の各成分の時間変位を計測するステップと、計測された磁界の各成分と、前記擬似ランダム信号と同一パターンの参照用擬似ランダム信号との相関演算を行って、磁界の各成分を演算する人工磁界強度検出部と、前記掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向を計測するステップと、前記掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向から前記掘進管先端部の傾斜角と回転角とを求めるステップと、前記各軸方向の人工磁界から前記掘進管先端部の水平位置と深さとを求めるステップとを含むことを特徴とする。
【００１５】
（５）本発明に係わる掘進管先端位置姿勢計測装置は、コイルと、擬似ランダム信号波形の信号を発振する擬似ランダム信号発生器と、この擬似ランダム信号発振器から発振された擬似ランダム信号を増幅して、前記コイルに擬似ランダム信号波形の電流を供給する電源と、前記掘進管の先端に設けられ、磁界の３軸方向の各成分をそれぞれ検出する磁界検出器と、この磁界検出器により計測された磁界の各成分と、前記擬似ランダム信号波形と同様な参照信号との相関演算を行い、人工磁界の各成分を演算する人工磁界強度検出部と、前記掘進管先端部に設けられ、該掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向を検出する重力加速度方向検出器と、この重力加速度方向検出器により検出された重力加速度方向から前記掘進管先端部の傾斜角と回転角とを求める傾斜角・回転角検出部と、前記人工磁界の各成分から前記掘進管先端部の水平位置と深さとを求める水平位置・深さ計測部とを具備してなることを特徴とする。
【００１６】
［作用］
本発明は、上記構成によって以下の作用・効果を有する。
【００１７】
本発明によれば、中心線が掘進管の推進計画線に離れた位置に電流路を敷設すると共に、電流路に対して交流波形の電流を供給することによって、地磁気の乱れが大きくても、検出された磁界の交流成分（人工磁場）を利用して掘進管の先端部の水平位置、深さ、傾斜角、回転角、及び方位角を精度よく図ることができる。
【００１８】
また、中心線が掘進管の推進計画線に離れた位置に電流路を敷設すると共に、電流路に対して交流波形の電流を供給することによって、地磁気が乱れていない状態において、コイル電流のＯＮ／ＯＦＦ情報或いはコイル電流の同期信号を演算器に入力する必要がなく、コイル電流の電源から演算処理部までの配線が不要となり、構成の簡易化を図ることができる。
【００１９】
本発明によれば、敷設されたコイルに対して、供給時間が異なるハイレベルとローレベルとの２値の矩形波形の電流を供給して、計測された磁場に対してハイレベルに対応した磁場とローレベルに対応した磁場との差をとることによって、電源の同期信号を用いることなく、コイルによる磁界と地磁気とをそれぞれ求めることができるので装置構成を簡易化することができる。
【００２０】
その結果、工事現場において便利で使いやすい簡単な装置構成で、掘進管の先端部の水平位置，深さ，傾斜角，回転角及び方位角を精度良く検出することができる。
【００２１】
コイルに対して擬似ランダム信号の波形を有する電流を供給することによって、磁気検出器に検出された信号と、同様の参照用擬似ランダム信号との相関演算を行うことによって、人工磁界のみを算出することができる。また、参照用擬似ランダム信号源として、擬似ランダム信号発生器と同一パターンの波形を生成する参照用擬似ランダム信号発生器を用いることによって、電源に接続された擬似ランダム信号と人工磁界強度検出部とを接続する必要が無く、配線作業が必要ない。また、擬似ランダム信号発生器から無線機を介して前記ランダム信号を人工磁界強度検出部に伝送することによって、配線作業が必要ない。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下に図面を参照して説明する。
【００２３】
［第１実施形態］
図１は、本発明の一実施形態に係わる掘進管先端位置姿勢計測装置の概略構成を示す図である。本装置は、掘進計画線（Ｚ軸）に対して垂直なＸＹ平面にける掘進管の位置の測定を行う。
図１に示すように、掘進管１１０の先端部に、３軸磁界検出器１１１及び３軸重力方向検出器１１２が設置されている。３軸磁界検出器１１１は、掘進方向（Ｚ’軸）及び掘進方向に垂直な平面における水平方向（Ｙ’軸）及び鉛直方向（Ｘ’軸）の３軸方向の磁界強度（Ｈx'，Ｈy'，Ｈz'）を検出する。３軸磁界検出器１１１はフラックスゲート型のセンサで、直流磁界と交流磁界の両者を一つのセンサで検出することができる。また、３軸重力方向検出器１１２は、掘進方向（Ｚ’軸）及び掘進方向に垂直な平面における水平方向（Ｙ’軸）及び鉛直方向（Ｘ’軸）の３軸方向の重力加速度の大きさ（ｇx'，ｇy'，ｇz'）を検出し、掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度を計測する。３軸重力方向検出器１１２としては、サーボ方式の加速度センサが使用されている。
【００２４】
地表に電源１２１と、この電源１２１に接続された電流路１２２とからなる人工磁界発生器１２０が設置されている。電流路１２２は、一辺が掘進計画線１１３と重なるように敷設され、その中心線１２３が掘進管１１０の掘進計画線１１３に対して離されている。電源１２１は、幅２ｍ，長さ９０ｍの電流路１２２に対して電流１００Ａ，１０Ｈｚの矩形波を供給する。
【００２５】
３軸磁界検出器１１１からの磁界信号（Ｈx'，Ｈy'，Ｈz'）Ｓ１０２が、検出された磁界から交流成分と直流成分とを分離する直流・交流分離器１３２に入力されている。３軸重力方向検出器１１２からの重力方向信号Ｓ１０２が、傾斜角・回転角検出部１３１に入力されている。
【００２６】
直流・交流分離器１３２で分離された一方の成分である方位角検出用信号Ｓ１０３、及び電源１２１から電流路に供給する交流波形の位相が０゜，１８０゜の時に発せられる同期信号Ｓ１０５が、方位角検出部１３３に入力されている。傾斜角・回転角検出部１３１で検出された傾斜角・回転角信号Ｓ１０６、方位角検出部１３３で検出された方位角信号Ｓ１０７、直流・交流分離器１３２で分離された交流成分である人工磁界信号（Ｈax'，Ｈay'，Ｈaz'）Ｓ１０８、が、人工磁界変換部１３４に入力されている。人工磁界変換部１３４から人工磁界信号Ｓ１０９が、水平位置・深さ計測部１３５に入力されている。水平位置・深さ計測部１３５から水平位置・深さ信号Ｓ１１０、傾斜角・回転角信号Ｓ１０６，及び方位角信号Ｓ１０７が、出力部１３６に入力されている。
【００２７】
傾斜角・回転角検出部１３１，直流・交流分離器１３２，方位角検出部１３３，人工磁界変換部１３４，及び水平位置・深さ計測部１３５の機能は、いわゆるマイコンである演算処理部１３０で処理される。
【００２８】
次に、本装置の動作について説明する。
３軸重力方向検出器１１２は、掘進方向成分ｇz'，掘進方向に対して垂直な平面における水平方向成分ｇy'，垂直方向成分ｇx'を検出し、重力方向信号Ｓ１０２として演算処理部１３０の傾斜角・回転角検出部１３１に出力する。傾斜角・回転角検出部１３１は、重力加速度の掘進方向成分ｇZ'と垂直方向成分ｇx'とから、掘進計画線に対して直行する平面において、掘進計画線対する傾斜角を計測すると共に、垂直方向成分ｇx'と水平方向成分ｇy'とから掘進計画方向を軸とする回転角を計測する。
【００２９】
次いで、３軸磁界検出器１１１は、磁界の掘進方向成分Ｈx'，掘進方向に対して垂直な平面における水平方向成分Ｈ'y，垂直方向成分Ｈz'を検出し、磁界信号（Ｈx'，Ｈy'，Ｈz'）Ｓ１０１として直流・交流分離器１３２に出力する。人工磁界発生器１２０が発生する人工磁界は交流磁界なので、３軸磁界検出器１１１が検出する磁界は、地磁気に人工磁界が重畳された磁界となる。
【００３０】
なお、人工磁界を検出する際、地磁気の時間的変動成分はノイズすなわち誤差要因となる。調査により、日本の市街地における地磁気の変動成分は実測して、約０．１μＴ程度であることが分かった。掘進管先端部の位置検出精度を、実用上深さに対して５％以下とすると、人工磁界成分の強度は、上記地磁気の時間変動成分の２０倍必要となる。従って、磁界検出器１１１近傍において、人工磁界の強度が２μＴ以上得られるような電流を電流路に供給する必要がある。
【００３１】
直流・交流分離器１３２は、磁界信号（Ｈx'，Ｈy'，Ｈz'）Ｓ１０１を直流成分と交流成分とに分離する。直流・交流分離器１３２で分離された磁界信号Ｓ１０１の直流成分は地磁気（Ｈgx'，Ｈgy'，Ｈgz'）であり、交流成分は人工磁界（Ｈax'，Ｈay'，Ｈaz'）である。
【００３２】
地磁気の乱れが少ない場合、地磁気（Ｈgx'，Ｈgy'，Ｈgz'）を方位角検出用信号Ｓ１０３として方位角検出部１３３に出力する。方位角検出部１３３は、入力された地磁気（Ｈgx'，Ｈgy'，Ｈgz'）から、地磁気に対する掘進管の方位角を求める。そして、予め求められている掘進計画線に対する地磁気の方位角から、掘進計画線に対する掘進管の方位角を求める。
【００３３】
地磁気が近傍の磁性体構造物により乱れが大きい場合、人工磁界（Ｈax'，Ｈay'，Ｈaz'）を方位角検出用信号Ｓ１０３として方位角検出部１３３に出力する。電流路１２２の中心線１２３が掘進管１１０の掘進計画線１１３から離れた位置に電流路１２２が敷設されているので、図２に示すように、人工磁界に水平成分が生じている。従って、人工磁界の水平方向成分が掘進管先端部の掘進方向に持つ成分を検出することで掘進管先端部の方位角を求めることができる。
【００３４】
従来、図２に示すように、掘進管先端位置が電流路中心線１２３の直下近傍の位置１１０ｂにあると、この近傍の磁界の方向は主に鉛直方向成分を向いているので、この磁界方向に垂直面内の角度を磁界の計測から求めることができない。
【００３５】
すなわち、掘進管先端部の方向が電流路と平行であれば、人工磁界の掘進方向（Ｚ’）成分は現れない。掘進管先端部の方向が電流路の方向に対して角度を有する場合には、その角度に応じて人工磁界の掘進方向（Ｚ’）成分が現れる。このときには、その方位角が左右に振れると、人工磁界の掘進方向成分はその磁界強度も変化するが符号も変化する。
【００３６】
従って、電流路１２２の交流電流に対して検出される交流の人工磁界の位相変化を検出するため、電流路の交流波形の同期信号が演算処理部に入力されている。このとき正確な位相情報を入力する必要はなく、電流路に供給される電流の位相が０゜と１８０゜のところで、信号を送ればよい。
【００３７】
直流・交流分離器１３２で分離された人工磁界信号（Ｈax'，Ｈay'，Ｈaz'）Ｓ１０４、傾斜角・回転角信号Ｓ１０６、及び方位角信号Ｓ１０７が、人工磁界変換部１３４に出力される。人工磁界信号（Ｈax'，Ｈay'，Ｈaz'）はＸＹ平面に対して傾き、掘進線に対して垂直な平面における磁場成分である。従って、人工磁界変換部は、Ｘ’Ｙ’平面における人工磁界（Ｈax'，Ｈay'，Ｈaz'）を、求められた傾斜角，回転角，及び方位角を用いて、ＸＹ平面における人工磁場（Ｈax，Ｈay）に変換する。なお、掘進方向の電流路１２２の長さを長くとっているので、掘進方向に対して直交する電流路１２２により生成される磁界を無視することができるので、人工磁界Ｈazは０とすることができる。
【００３８】
人工磁界変換部１３４は、変換された人工磁場信号（Ｈax，Ｈay）Ｓ１０９を水平位置・深さ計測部１３５に対して出力する。本装置においては、図２に示すように、電流路中心線１２３を掘進計画線１１３からずらした位置１１０ａで使用する。掘進管先端が左右に振れた場合でも、水平方向の人工磁界成分は向きが変化せず、強度が変化するだけであり、人工磁界信号としては交流波形の振幅だけを計測すれば良く、装置構成が簡単化する。人工磁界の鉛直方向（Ｘ）成分は、コイル内であれば常に場所によらず一定方向であるから、同様に磁界信号としては交流成分の振幅だけを計測すればよい。
【００３９】
水平位置・深さ計測部１３５は、人工磁界（Ｈax，Ｈay）の振幅の計測値と、電流路の形状及び電流値から、例えば電流路からの発生磁界を表現するビオサバールの式に基づいた繰り返し計算により、掘進管先端部の水平位置と、深さを算出する。
【００４０】
以下に、繰り返し計算について説明する。初期値として、適当な位置Ｑ1（Ｘ1，Ｙ1）を設定して、深さＸ1を少しずつ変化させながら、ビオサバールの式にしたがって点Ｑ1の磁界（Ｈax1，Ｈay1）を計算で求め、Ｈax1が磁界検出器により測定されたＨaxに近くなるようなＸ1をＸ2とし、位置Ｑ11（Ｘ2，Ｙ1）を決める。
【００４１】
次に、水平位置Ｙ1をすこしずつ変化させながらビオサバールの式にしたがって点Ｑ11の磁界（Ｈax2，Ｈay1）を計算で求め、Ｈay1が磁界検出器により測定されたＨayに近くなるような水平位置Ｙ1をＹ2とし、位置Ｑ2（Ｘ2，Ｙ2）を決める。
【００４２】
次いで、位置Ｑ1（Ｘ1，Ｙ1）とＱ2（Ｘ2，Ｙ2）との距離を算出する。算出された距離が所定値以下で無ければ、位置Ｑ2（Ｘ2，Ｙ2）を新たな初期値として、上述した計算を順次行い、点Ｑi（ｉ＝１，２，３．…）を求め、それらの点が収束する点を磁界検出器の位置Ｐとする。
【００４３】
そして、求められた掘進管の先端部の位置、傾斜角、回転角及び方位角が出力部１３６に入力され、ＣＲＴ等に表示される。
【００４４】
なお、本装置では、３軸磁界検出器１１１近傍では、約５０×１０-7Ｔ（５０ｍＧ）の人工磁場が発生し、検出位置精度は２〜３％程度となり実用上十分な精度が得られた。
【００４５】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、磁場変動が小さい場合でも、磁場変動が大きい場合の検出方法用いることができる。
【００４６】
その他、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することが可能である。
【００４７】
［第２の実施形態］
図３は、本発明の一実施形態に係わる掘進管先端位置姿勢計測装置の概略構成を示す図である。本装置は、掘進計画線（Ｚ軸）に対して垂直なＸＹ平面にける掘進管の位置の測定を行う。
図３に示すように、掘進管２１０の先端部に、３軸磁界検出器２１１及び３軸重力加速度検出器２１２が設置されている。掘進管２１０の深さは２ｍ、推進距離は７０ｍである。３軸磁界検出器２１１は、掘進方向（Ｚ’軸）及び掘進方向に垂直な平面における水平方向（Ｙ’軸）及び鉛直方向（Ｘ’軸）の３軸方向の磁界強度（Ｈx'，Ｈy'，Ｈz'）を検出する。３軸磁界検出器２１１はフラックスゲート型のセンサで、直流磁界と交流磁界の両者を一つのセンサで検出することができる。また、３軸加速度方向検出器２１２は、掘進方向（Ｚ’軸）及び掘進方向に垂直な平面における水平方向（Ｙ’軸）及び鉛直方向（Ｘ’軸）の３軸方向の重力加速度の大きさ（ｇx'，ｇy'，ｇz'）を検出し、掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度を計測する。３軸重力方向検出器２１２としては、サーボ方式の加速度センサが使用されている。
【００４８】
地表に電源２２１と、この電源２２１に接続されたコイル２２２とからなる人工磁界発生器２２０が設置されている。コイル２２２は、一辺が掘進計画線２１３と重なるように敷設され、その中心線２２３が掘進管２１０の掘進計画線２１３に対して離されている。電源２２２は、１辺１．５ｍの方形型コイルである。電源２２１はコイル２２２に対して、電流５０Ａ、１Ｈｚの矩形波形の電流を供給する。コイル２２２に供給される矩形波形は、図４に示すように、正方向電流（ハイレベル）時間と負方向（ローレベル）電流時間の割合は３０％と７０％である。
【００４９】
３軸重力方向検出器２１２からの重力方向信号Ｓ２０２が、傾斜角・回転角検出部２３１に入力されている。３軸磁界検出器２１１からの磁界信号（Ｈx'，Ｈy'，Ｈz'）Ｓ２０１が、所定のルールに従って各軸方向の磁界強度を検出する磁界強度検出部２３２に入力されている。磁界強度検出部２３２により検出された磁界信号Ｓ２０３が人工磁界・地磁気算出部２３３に入力されている。人工磁界・地磁気算出部２３３で算出された地磁気信号Ｓ２０４が方位角検出部２３４に入力されている。人工磁界・地磁気算出部２３３で算出された人工磁界信号Ｓ２０５が人工磁界変換部２３５に入力されている。
【００５０】
傾斜角・回転角検出部２３１で検出された傾斜角・回転角信号Ｓ２０６、方位角検出部２３４で検出された方位角信号Ｓ２０７、人工磁界・地磁気算出部で算出された人工磁界信号（Ｈcoilx'，Ｈcoily'，Ｈcoilz'）Ｓ２０８、が、人工磁界変換部２３５に入力されている。人工磁界変換部２３５から人工磁界信号Ｓ２０８が、水平位置・深さ計測部２３６に入力されている。水平位置・深さ計測部２３６から水平位置・深さ信号Ｓ２０９、傾斜角・回転角信号Ｓ２０６，及び方位角信号Ｓ２０７が、出力部２３７に入力されている。
【００５１】
傾斜角・回転角検出部２３１，磁界強度検出部２３２，人工磁界・地磁気算出部２３３，方位角検出部２３４，人工磁界変換部２３５，及び水平位置・深さ計測部２３６の機能は、いわゆるマイコンである演算処理部２３０で処理される。
【００５２】
本装置においては、コイル２２２により発生される人工磁界Ｈcoil（Ｈcoilx'，Ｈcoily'，Ｈcoilz'）を検出して、掘進管先端位置を求めるものである。しかし、検出される磁場は、人工磁場Ｈcoil（Ｈcoilx'，Ｈcoily'，Ｈcoilz'）に地磁気Ｈearth（Ｈearthx'，Ｈearthy'，Ｈearthz'）が重畳されたものである。従って、測定された磁場（Ｈx'，Ｈy'，Ｈz'）を人工磁界Ｈcoil（Ｈcoilx'，Ｈcoily'，Ｈcoilz'）と地磁気Ｈearth（Ｈearthx'，Ｈearthy'，Ｈearthz'）とに分けなければならない。
【００５３】
ところで、図５に示すように、掘進管先端部が位置Ｐ1にある場合と位置Ｐ2とにある場合では、水平方向の人工磁場の大きさは同じ場合でも向きが異なる場合がある（磁界の符号が変化する）。このような状況においては、電流波形に対する検出される磁界波形の位相情報が必要となる。
【００５４】
そこで、本発明においては、コイルに通電する電流波形は、図４に示すように、矩形波であるが、正方向の電流供給時間と負方向の電流供給時間を異なるようにしておく。
【００５５】
図６（ａ）は位置Ｐ1における磁場の磁界変位を示す特性図、図６（ｂ）は位置Ｐ2における磁場の時間変位を示す特性図である。この波形から、掘進管２１０が位置Ｐ1にある場合、短時間継続している磁界測定値Ｈ1から長時間継続している磁界測定値Ｈ2を差し引くことで、人工磁場の寄与分をその絶対値と符号として求めることが出来る。また、位置Ｐ2で検出される磁界を考えると、短時間継続している磁界測定値Ｈ1から長時間継続している磁界測定値Ｈ2を差し引くことで、人工磁場の寄与分を求めることが出来る。
【００５６】
これはちょうどコイル中心軸に対称な位置Ｐ1と位置Ｐ2とにおける水平方向の磁場は、絶対値は同じであるが符号が異なるので、位置Ｐ1と位置Ｐ2とは区別することができる。
【００５７】
すなわち、元のコイルの電流波形に対する磁界検出波形の位相情報を波形自身から検出できるので、交流磁界を使用しているにも関わらず、検出側にコイル電流波形の位相情報を別の配線などで送ることなく。磁界のベクトル方向が検出でき、検出される位置を一意的に決定できるようになる。
【００５８】
次に、本装置の動作について説明する。
３軸重力加速度検出器２１２は、掘進方向成分ｇz'，掘進方向に対して垂直な平面における水平方向成分ｇy'，垂直方向成分ｇx'を検出し、重力方向信号Ｓ２０２として演算処理部２３０の傾斜角・回転角検出部２３１に出力する。傾斜角・回転角検出部２３１は、重力加速度の掘進方向成分ｇz'と垂直方向成分ｇx'とから、掘進計画線に対して直行する平面において、掘進計画線に対する傾斜角を計測すると共に、垂直方向成分ｇx'と水平方向成分ｇy'とから掘進計画方向を軸とする回転角を計測する。
【００５９】
次いで、３軸磁界検出器２１１は、磁界の掘進方向成分Ｈz'，掘進方向に対して垂直な平面における水平方向成分Ｈ'y，垂直方向成分Ｈx'を検出し、磁界信号（Ｈx'，Ｈy'，Ｈz'）Ｓ２０１として磁界強度検出部２３２に出力する。人工磁界発生器２２０が発生する人工磁界は交流磁界なので、３軸磁界検出器２１１が検出する磁界は、地磁気に人工磁界が重畳された磁界となる。
【００６０】
なお、人工磁界を検出する際、地磁気の時間的変動成分はノイズすなわち誤差要因となる。調査により、日本の市街地における地磁気の変動成分は実測して、約０．１μＴ程度であることが分かった。掘進管先端部の位置検出精度を、実用上深さに対して５％以下とすると、人工磁界成分の強度は、上記地磁気の時間変動成分の２０倍必要となる。従って、磁界検出器２１１近傍において、人工磁界の強度が２μＴ以上得られるような電流をコイルに供給する必要がある。
【００６１】
次いで、磁界強度検出部２３２で、各軸方向において、正方向の電流供給時間に対応する一定の強度を維持する磁界（Ｈ1x'，Ｈ1y'，Ｈ1z'）を検出する。また、磁界強度検出部２３２で、負方向の電流供給時間に対応する一定の強度を維持する磁界（Ｈ2x'，Ｈ2y'，Ｈ2z'）を検出する。より具体的には、ある時間一定のレベルを維持する磁界を調べ、維持時間が短い磁界をＨ1（Ｈ1x'，Ｈ1y'，Ｈ1z'）とし、維持時間が長い磁界を磁界Ｈ2（Ｈ2x'，Ｈ2y'，Ｈ2z'）としても良い。そして、磁界強度（Ｈ1x'，Ｈ1y'，Ｈ1z'）及び磁界（Ｈ2x'，Ｈ2y'，Ｈ2z'）を磁界信号Ｓ２０３として、人工磁界・地磁気算出部２３３に出力する。
【００６２】
人工磁界・地磁気算出部２３３は、各軸方向においてＨ1α−Ｈ2α（αはx',y',z'のいずれか）を計算して人工磁界Ｈcoil（Ｈcoilx'，Ｈcoily'，Ｈcoilz'）を求める。また、各軸方向において、（Ｈ1α＋Ｈ2α）／２（αはx',y',z'のいずれか）を計算して、地磁気Ｈearth（Ｈearthx'，Ｈearthy'，Ｈearthz'）を求める。
【００６３】
地磁気の乱れが少ない場合、地磁気信号（Ｈearthx'，Ｈearthy'，Ｈearthz'）Ｓ２０４として方位角検出部２３４に出力する。方位角検出部２３４は、入力された地磁気（Ｈearthx'，Ｈearthy'，Ｈearthz'）から、地磁気に対する掘進管の方位角を求める。そして、予め求められている掘進計画線に対する地磁気の方位角から、掘進計画線に対する掘進管の方位角を求める。
【００６４】
しかし、地磁気が近傍の磁性体構造物により乱れが大きい場合には、上記にように地磁気を利用することはできない。この場合には、方位角はほぼ計画線方向と仮定する。
【００６５】
人工磁界・地磁気算出部２３３で算出された人工磁界信号（Ｈcoilx'，Ｈcoily'，Ｈcoilz'）Ｓ２０５、傾斜角・回転角信号Ｓ２０６、及び方位角信号Ｓ２０７が、人工磁界変換部２３５に出力される。人工磁界信号（Ｈcoilx'，Ｈcoily'，Ｈcoilz'）はＸＹ平面に対して傾き、掘進線に対して垂直な平面における磁場成分である。従って、人工磁界変換部は、Ｘ’Ｙ’平面における人工磁界（Ｈcoilx'，Ｈcoily'，Ｈcoilz'）を、求められた傾斜角，回転角，及び方位角を用いて、ＸＹ平面における人工磁場（Ｈcoilx，Ｈcoily，Ｈcoilz）に変換する。
【００６６】
人工磁界変換部２３５は、変換された人工磁場信号（Ｈcoilx，Ｈcoily，Ｈcoilz）Ｓ２０８を水平位置・深さ計測部２３６に対して出力する。
【００６７】
水平位置・深さ計測部２３６は、人工磁界（Ｈcoilx，Ｈcoily，Ｈcoilz）の振幅の計測値と、コイルの形状及び電流値Ｉcoilから、例えばコイルからの発生磁界を表現するビオサバールの式に基づいた繰り返し計算により、掘進管先端部の水平位置と、深さを算出する。
【００６８】
以下に、繰り返し計算について説明する。先ず、磁界発生器２２１を動作させ、３軸磁界検出器２３１は３軸加速度計２３２により、その時、３軸磁界検出器２３１が位置する点Ｐにおける磁界Ｈx，Ｈy，ＨZを計測する。
【００６９】
初期値として、適当な位置Ｑ1（Ｘ1，Ｙ1，Ｚ1）を設定して、深さＸ1を少しずつ変化させながら、ビオサバールの式にしたがって点Ｑ1の磁界（Ｈcoilx1，Ｈcoily1，Ｈcoilz1）を計算で求め、Ｈcoilx1が磁界検出器により測定されたＨcoilxに近くなるようなＸ1をＸ2とし、位置Ｑ11（Ｘ2，Ｙ1，Ｚ1）を決める。
【００７０】
次に、水平位置Ｙ1をすこしずつ変化させながらビオサバールの式にしたがって点Ｑ11の磁界（Ｈcoilx2，Ｈcoily1，Ｈcoilz1）を計算で求め、Ｈcoily1が磁界検出器により測定されたＨcoilyに近くなるような水平位置Ｙ1をＹ2とし、位置Ｑ12（Ｘ2，Ｙ2，Ｚ1）を決める。
【００７１】
次に、掘進方向位置Ｚ1をすこしずつ変化させながらビオサバールの式にしたがって点Ｑ12の磁界（Ｈcoilx2，Ｈcoily2，Ｈcoilz1）を計算で求め、Ｈcoilz1が磁界検出器により測定されたＨcoilzに近くなるような水平位置Ｙ1をＹ2とし、位置Ｑ2（Ｘ2，Ｙ2，Ｚ2）を決める。
【００７２】
次いで、位置Ｑ1（Ｘ1，Ｙ1，Ｚ1）とＱ2（Ｘ2，Ｙ2，Ｚ2）との距離を算出する。算出された距離が所定値以下で無ければ、位置Ｑ2（Ｘ2，Ｙ2，Ｚ2）を新たな初期値として、上述した計算を順次行い、点Ｑi（ｉ＝１，２，３．…）を求め、それらの点が収束する点を磁界検出器の位置Ｐとする。
【００７３】
そして、求められた掘進管の先端部の位置、傾斜角、回転角及び方位角が出力部２３７に入力され、ＣＲＴ等に表示される。
【００７４】
なお、本装置では、３軸磁界検出器２１１近傍では、約３０×１０-7Ｔ（３０ｍＧ）の人工磁場が発生し、検出位置精度は２〜３％程度となり実用上十分な精度が得られた。
【００７５】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、ハイレベルの供給時間が短く、ローレベルの供給時間が長かったが、ハイレベルの供給時間が長く、ローレベルの供給時間が短くても良い。この場合、維持時間が長い磁界Ｈ1（Ｈ1x'，Ｈ1y'，Ｈ1z'）と、維持時間が短い磁界Ｈ2（Ｈ2x'，Ｈ2y'，Ｈ2z'）とをそれぞれ求める。そして、Ｈ1α−Ｈ2α（αはx',y',z'のいずれか）を計算して人工磁界Ｈcoil（Ｈcoilx'，Ｈcoily'，Ｈcoilz'）が求められる。また、（Ｈ1α＋Ｈ2α）／２（αはx',y',z'のいずれか）を計算して、地磁気Ｈearth（Ｈearthx'，Ｈearthy'，Ｈearthz'）が求められる。
【００７６】
また、磁場変動が小さい場合でも、磁場変動が大きい場合の検出方法用いることができる。
また、コイルに流す電流波形は、図５に示すような、矩形波に限らず、図７（ａ）に示すように、ＯＮ／ＯＦＦ波形でも適用できる。さらには、図７（ｂ）に示すように、電流方向は同じで電流値の大きさを矩形波形的に変化させた波形でも適用できる。
【００７７】
その他、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することが可能である。
【００７８】
［第３の実施形態］
図８は、本発明の一実施形態に係わる掘進管先端位置姿勢計測装置の概略構成を示す図である。本装置は、掘進計画線（Ｚ軸）に対して垂直なＸＹ平面にける掘進管の位置の測定を行う。
本実施形態では、掘進計画線に対して、掘進間がＹＺ平面内で傾いていない場合について説明する（方位角０度）。
【００７９】
図８に示すように、掘進管３１０の先端部に、３軸磁界検出器３１１及び３軸重力加速度検出器３１２が設置されている。掘進管３１０の直径は約１００ｍｍ、長さは１ｍであり、その後ろに直径約８０ｍｍのロッド３１４が接続されている。
【００８０】
３軸磁界検出器３１１は、掘進方向（Ｚ’軸）及び掘進方向に垂直な平面における水平方向（Ｙ’軸）及び鉛直方向（Ｘ’軸）の３軸方向の磁界強度（Ｈx'，Ｈy'，Ｈz'）を検出する。３軸磁界検出器３１１は磁気抵抗素子型のセンサで、直流磁界と交流磁界の両者を一つのセンサで検出することができる。また、３軸加速度方向検出器３１２は、掘進方向（Ｚ’軸）及び掘進方向に垂直な平面における水平方向（Ｙ’軸）及び鉛直方向（Ｘ’軸）の３軸方向の重力加速度の大きさ（ｇx'，ｇy'，ｇz'）を検出し、掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度を計測する。３軸重力方向検出器３１２としては、サーボ方式の加速度センサが使用されている。
【００８１】
地表に、直径１．５ｍの円形コイル３２２と、図９に示すような擬似ランダム信号Ｓ３１０を発生する擬似ランダム信号発生器３２２と、この擬似ランダム信号発生器３２２からの擬似ランダム信号発生器Ｓ３１０を増幅した電流信号波形を円形コイル３２２供給する電源３２１とが設置されている。コイルの起磁力は、１００ＡＴである。
【００８２】
擬似ランダム信号発生器３２２は、図１０に示すように複数個のシフトレジスタ１００１が直列に接続されると共に、適切な帰還回路１００２が接続されて構成され、各シフトレジスタ１００１に同期信号が入力されている。これらのシフトレジスタ１００１に、クロック周波数０．１Ｈｚ〜３０Ｈｚの同期信号を入力することによって、出力側から擬似ランダム信号として矩形波形のＭ系列信号（Maxmal Length Sequence）が出力される。
【００８３】
この擬似ランダム信号、Ｍ系列信号（Maxmal Length Sequence）と呼ばれる。Ｍ系列信号は、その発生に使用されるシフトレジスタの段数ｎに対して、同期信号の時間間隔をΔｔとすると、（２n −１）Δｔの周期（Ｔ）を有する。
【００８４】
本実施形態では、５段のシフトレジスタを直列に接続すると共に適切な位置に帰還回路を接続すると共に、クロック周波数０．１Ｈｚ〜３０Ｈｚの同期信号を入力して、３１×Δｔの周期のＭ系列信号を生成した。
【００８５】
擬似ランダム信号波形の電流波形がコイルに供給されることにより、同様に擬似ランダム信号波形の人工磁場が形成される。
【００８６】
掘進管３１０内の３軸磁界検出器３１１及び３軸重力加速度検出器３１２は、３軸方向の磁気及び重力加速度成分をそれぞれ測定し、測定値を磁界信号Ｓ３０１及び重力方向信号Ｓ３０２として、いわゆるマイコンで構成された演算処理部３３０に出力する。
【００８７】
磁界信号Ｓ３０１は、相関演算器３３３に入力される。相関演算器３３３には、擬似ランダム信号発生器３２４と同じ回路で構成された参照信号発生器から、擬似ランダム信号Ｓ３１０と同じパターンの参照用擬似ランダム信号Ｓ３０３が入力されている。
【００８８】
相関演算器は、検出された３軸の磁界信号Ｓ３０１のそれぞれに対して、参照用擬似ランダム信号Ｓ３０３との相関演算を行いう。このとき、参照用擬似ランダム信号Ｓ３０３の時間軸をずらしながら、検出された磁界信号Ｓ３０１と参照用擬似ランダム信号Ｓ３０３との乗算および積分を繰り返しながら相関を演算し、相関が最大値または極小値となるように参照信号の時間軸を調整する。このようにして、求められた相関の最大値（同位相）または極小値（逆位相）をもって、人工磁界の測定値とし、人工磁界信号Ｓ３０５を人工磁界変換部３３５に出力する。
【００８９】
この相関演算について詳しく説明する。
関数ｆ(t)とその同じ波形を有する参照用信号ｆ(t-τ)との自己相関Ψ(τ)は
【数１】
0003716743.tif 000002
【００９０】
で求められる。図１１に擬似ランダム信号の自己相関波形を示す。図１１に示すように、前述した周期Ｔで非常に鋭いピークを持つ波形である。
【００９１】
擬似ランダム信号ｆ(t)の電流波形で人工磁場発生コイルを駆動し、地中に磁場を発生させる。このとき、人工磁場の波形が明確な矩形波形となるようにするため、コイルは擬似ランダム信号の電流波形で駆動される。
【００９２】
この磁界を検出する磁界検出器として、ピックアップコイルのような電磁誘導型の検出器ではなく、ホール素子や磁気抵抗素子などの磁気検出器を用いれば、検出される信号成分は忠実にもとのコイルの電流波形ｆ(t)の波形と同様な波形として検出できる。
【００９３】
都市部のように電磁気的な飛来ノイズが多い環境では、実際に検出される検出信号は、人工磁場信号ｆ(t)にノイズ信号ｎ(t)が重畳されたものである。ここで、磁界信号ｇ(t)［Ｓ３０１］は次式のように表される。
【００９４】
ｇ(t)＝ｆ(t)＋ｎ(t)
相関演算器が、磁界信号ｇ(t)と、参照用擬似ランダム信号ｆ(t)［Ｓ３０３］との相互相関演算を施すと、その演算結果Ψ(τ)は、次のようになる。
【００９５】
【数２】
0003716743.tif 000003
【００９６】
磁界信号ｆ(ｔ)にはＭ系列信号（擬似ランダム信号）成分が含まれ、参照用擬似ランダム信号ｇ(ｔ)にもこれと同じパターンのＭ系列信号パターンであるので、相互相関演算は時間遅延をおこした自己相関演算と同じになる。
【００９７】
したがって、相関演算結果は、図１１に示した波形と同様に、周期的なピーク値を有する。このピーク値を検出して磁界検出信号の代表値とする。相関演算器は、算出した代表値に基づいて、人工磁界として検出し、人工磁界信号Ｓ３０５として人工磁界変換部３３５に出力する
自己相関演算結果では、ノイズｎ(t)の影響は消去され、ｆ(t)の自己相関関数Φ(τ)だけの成分として求められている。これは、一般的にノイズ波形と擬似ランダム信号との間に相関がない性質を利用しているからである。すなわち、ノイズ信号が除去された、感度の高い人工磁場信号を検出することが可能となる。
【００９８】
また、検出される磁界信号が、コイルの波形の逆位相となる場合でも、ｇ(τ)＝−ｆ(t)＋ｎ(t)となるので、Ψ（τ）＝−Φ（τ）として得られ、検出によって異なる検出信号の位相、すなわち同位相と逆位相との区別ができるようになる。
【００９９】
本実施形態では、直接検出された磁界信号のＳ／Ｎに対して、擬似ランダム信号を利用した本発明により測定値のＳ／Ｎは約５倍も改善された。
【０１００】
一方、３軸重力方向検出器３１２からの重力方向信号Ｓ３０２が、傾斜角・回転角検出部３３１に入力されている。傾斜角・回転角検出部３３１は、重力方向信号Ｓ３０２から、掘進管３１０の回転角及び傾斜角を求め、傾斜角・回転角信号Ｓ３０６を人工磁界変換部３３５に対して出力する。
【０１０１】
人工磁界信号（Ｈcoilx'，Ｈcoily'，Ｈcoilz'）はＸＹ平面に対して傾き、掘進線に対して垂直な平面における磁場成分である。従って、人工磁界変換部３３５は、Ｘ’Ｙ’平面における人工磁界（Ｈcoilx'，Ｈcoily'，Ｈcoilz'）を、求められた傾斜角及び回転角を用いて、ＸＹ平面における人工磁場（Ｈcoilx，Ｈcoily，Ｈcoilz）に変換する。
【０１０２】
人工磁界変換部３３５は、変換された人工磁場信号（Ｈcoilx，Ｈcoily，Ｈcoilz）Ｓ３０８を水平位置・深さ計測部３３６に対して出力する。
【０１０３】
水平位置・深さ計測部３３６は、人工磁界（Ｈcoilx，Ｈcoily，Ｈcoilz）の振幅の計測値と、コイルの形状及び電流値Ｉcoilから、例えばコイルからの発生磁界を表現するビオサバールの式に基づいた繰り返し計算により、掘進管先端部の水平位置及び深さを算出する。
【０１０４】
本実施形態では、直接検出された磁界信号のＳ／Ｎに対して、擬似ランダム信号を利用した本発明により測定値のＳ／Ｎは約５倍も改善された。
【０１０５】
このとき、３軸磁界検出器３１１近傍では約６０ミリガウスの人工磁場が発生され、検出位置精度は２〜３％程度となり実用上十分な精度が得られた。
【０１０６】
［第４の実施形態］
第３の実施形態では、信号処理装置内で相関演算を実施するときに、参照信号の時間軸をずらしながら繰り返し計算をするため、演算時間が長くなり現場作業上支障をきたす場合がある。
【０１０７】
演算時間を短くする必要がある場合には、図１２に示すように、擬似ランダム信号発生器３２４から擬似ランダム信号を電源３２１に入力すると共に、擬似ランダム信号発生器３２２から出力された擬似ランダム信号Ｓ３１０を参照信号送信機４３２ａと参照信号受信機４３２ｂとからなる参照信号伝送器を介して演算処理部３３０に入力し、磁界信号と参照用擬似ランダム信号Ｓ４０３との相関演算（乗算および積分演算）をリアルタイムで行うことで、両者の信号の相互相関の極大値が少ない演算時間で直接的に求めることができる。なお、図１２において、図８と同一な部位には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【０１０８】
このようにして、３軸の磁界測定値が求まれば、前の実施形態と同様にして、掘進管の姿勢情報を考慮し、繰り返し演算により掘進管の水平および深さ位置をもとめることができる。
【０１０９】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することが可能である。
【０１１０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、中心線が掘進管の推進計画線に離れた位置に電流路を敷設すると共に、電流路に対して交流波形の電流を供給することによって、地磁気の乱れが大きくても、検出された磁界の交流成分（人工磁場）を利用して掘進管の先端部の水平位置、深さ、傾斜角、回転角、及びを精度よく図ることができる。
【０１１１】
また、中心線が掘進管の推進計画線に離れた位置に電流路を敷設すると共に、電流路に対して交流波形の電流を供給することによって、地磁気が乱れていない状態において、コイル電流のＯＮ／ＯＦＦ情報或いはコイル電流の同期信号を演算器に入力する必要がなく、コイル電流の電源から演算処理部までの配線が不要となり、構成の簡易化を図ることができる。
【０１１２】
以上説明したように本発明によれば、敷設されたコイルに対して、供給時間が異なるハイレベルとローレベルとの２値の矩形波形の電流を供給して、計測された磁場に対してハイレベルに対応した磁場とローレベルに対応した磁場との差をとることによって、電源の同期信号を用いることなく、コイルによる磁界と地磁気とをそれぞれ求めることができるので装置構成を簡易化することができる。
【０１１３】
本発明によれば、都市部においてｕましば遭遇する飛来ノイズが存在しても、高いＳ／Ｎが得られるようになる。また、人工磁場発生コイルに対する掘進管の位置によって、変化する検出磁界の位相（王位相と逆位相）の識別宅できる。実施例１の場合には、参照信号を演算処理装置ないで作成して相関演算を行うので、人工磁場発生コイル２と信号演算装置５の聞に伝送線路を必要とせず、現場の作業性老優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係わる掘進管先端位置姿勢計測装置の概略構成を示す構成図。
【図２】本発明の掘進管先端位置姿勢計測方法の説明に用いた図。
【図３】第２の実施形態に係わる掘進管先端位置姿勢計測装置の概略構成を示す構成図。
【図４】図３に示す掘進管先端位置姿勢計測装置の電源がコイルに供給する電流の矩形波形を示す図。
【図５】本発明の掘進管先端位置姿勢計測方法の説明に用いた図。
【図６】位置Ｐ1と位置Ｐ2とで計測される磁界の時間変化を示す特性図。
【図７】第２の実施形態の変形例を示す図。
【図８】第３の実施形態に係わる掘進管先端位置姿勢計測装置の概略構成を示す構成図。
【図９】擬似ランダム信号の波形の例を示す図。
【図１０】擬似ランダム信号発生器の概略構成を示す図。
【図１１】擬似ランダム信号の自己相関波形を示す図。
【図１２】第４の実施形態に係わる掘進管先端位置姿勢計測装置の概略構成を示す構成図。
【図１３】従来の掘進管先端位置姿勢計測装置の概略構成を示す構成図。
【図１４】従来の掘進管先端位置姿勢計測装置の概略構成を示す構成図。
【符号の説明】
１１０…掘進管
１１１…３軸磁界検出器
１１２…軸重力方向検出器
１１３…掘進計画線
１２０…人工磁界発生器
１２１…電源
１２２…電流路
１２３…中心線
１３０…演算処理部
１３１…傾斜角・回転角検出部
１３２…直流・交流分離器
１３３…方位角検出部
１３４…人工磁界変換部
１３５…水平位置・深さ計測部
１３６…出力部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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