(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地下坑を掘削しながら地中を掘進する地中掘進機の掘進位置の計測に用いられ、掘進方向前方に配置しその掘進位置の指標となる被計測点の位置を、掘進方向後方に配置し計測の基点となる計測基点との位置関係で計測する地中掘進機の位置計測装置であって、前方に拡散光を発することのできる光源と前方の光源からの拡散光を集めることのできる集光手段と集光手段により集められた光を受光しその受光した光の位置により前方の光源の方向を検出し得るように配置された受光手段とを有し計測基点を設定する基点計測ユニットと、後方に拡散光を発することのできる光源と後方の光源からの拡散光を集めることのできる集光手段と集光手段により集められた光を受光しその受光した光の位置により後方の光源の方向を検出し得るように配置された受光手段とを有し被計測点を設定する被測点計測ユニットと、前方及び後方に拡散光を発することのできる光源と前方及び後方の光源からの拡散光をそれぞれ集めることのできる集光手段と集光手段によりそれぞれ集められた光を受光しその受光した各光の位置により前方及び後方の各光源の方向を検出し得るように配置された受光手段とを有し地下坑内における基点計測ユニットと被測点計測ユニットとの間に配置される少なくとも一つの中間計測ユニットとを設けるとともに、これら基点計測ユニット、被測点計測ユニット及び中間計測ユニットの各計測ユニットにおける隣接する計測ユニットの一方の計測ユニットに拡散光による光波を発する光波距離計を付設し他方の計測ユニットにその光波を光波距離計に向かって反射する光反射手段を付設して構成し、各計測ユニットでの検出結果に基づいて得られる各光源の方向に関するデータと光波距離計により得られる各計測ユニットにおける隣接する計測ユニット間の各距離に関するデータとに基づいて、計測基点に対する被計測点の相対位置を演算手段で演算して計測するようにしたこと特徴とする地中掘進機の位置計測装置。
【請求項２】
請求項１記載の地中掘進機の位置計測装置において、隣接する計測ユニットの一方の計測ユニットに拡散光による光波を発する光波距離計を付設する場合に、この光波距離計の発する拡散光による光波が他方の計測ユニットに配置された受光手段で受光されるようにして、一方の計測ユニットの光源を光波距離計の光波発生源で代用するようにしたことを特徴とする地中掘進機の位置計測装置。
【請求項３】
請求項１記載の地中掘進機の位置計測装置において、隣接する計測ユニットの一方の計測ユニットに拡散光による光波を発する光波距離計を付設し他方の計測ユニットにその光波を光波距離計に向かって反射する光反射手段を付設する場合に、この光波距離計の発する拡散光による光波が他方の計測ユニットに配置された受光手段で受光されるとともに、光反射手段で反射される拡散光による光波が一方の計測ユニットに配置された受光手段で受光されるようにして、一方の計測ユニットの光源を光波距離計の光波発生源で代用するとともに、他方の計測ユニットの光源を光反射手段で代用するようにしたことを特徴とする地中掘進機の位置計測装置。
【請求項４】
拡散光による光波を発光ダイオードにより発生させるようにしたことを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３記載の地中掘進機の位置計測装置。
【請求項５】
光反射手段に反射プリズムを用いたことを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３記載の地中掘進機の位置計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地下坑を掘削しながら地中を掘進する、管推進機（人が入れない小口径の管を地中に埋設する小口径管推進機や人が入れる大口径の管を地中に埋設するセミシールド機）及びシールド掘進機等の地中掘進機の掘進位置の計測に用いられる地中掘進機の位置計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地下坑を掘削しながら地中を掘進する、管推進機及びシールド掘進機等の地中掘進機では、予め設定された掘進経路である計画線に沿って正しく掘進できるようにする必要がある。そのためには、掘進中の地中掘進機の現在位置がリアルタイムにかつ的確に計測できるようにすることが望ましい。すなわち、地中掘進機の現在位置に関する信頼性の高い情報がオペレータにリアルタイムに提供されると、地中掘進機が計画線から外れて掘進しようとしたときに、オペレータは、これをいち早く見つけて早期に対応することができ、地中掘進機を計画線に沿って掘進させる管理が楽に行え、施工精度の向上も期待できる。地中掘進機の掘進位置を計測する技術としては、従来、「トランシットを用いて人手により計測する」方法、「地中掘進機に誘導磁界を発生する発信コイルを設置し、その誘導磁界の強度を地上の受信コイルで測定して地中掘進機の掘進位置を計測する」方法、「逆に、地上に電路を敷設し、この電路に電流を流して誘導磁界を発生させ、その誘導磁界の強度を地中掘進機に設置した受信コイルで検出して掘進位置を計測する」方法等の各種の方法が用いられていた。しかしながら、これら従来用いられている地中掘進機の位置計測技術は、掘進位置のリアルタイムな計測が本来的に行えなかったり、原理的には行えても実際上困難であったりした。
【０００３】
こうした問題を改善する地中掘進機の位置計測技術として、特開昭６１ー４５０９２号公報に記載のシールド掘進機の方向検出装置が提案されている。この従来提案されているシールド掘進機の方向検出装置は、「前方のトンネル内へ向けて照射する第１レーザビーム発振器と前方からのレーザビームを受光することができる第１レーザビーム受光器とをサーボモータでＸ方向（ヨーイング方向）、Ｙ方向（ピッチング方向）に回転できるように架台に取り付け、かつ、その回転角度をセンサで検知できるようにした計測用機器をトンネルの入口部に設置するとともに、後方の第１レーザビーム受光器へ向けて照射する第２レーザビーム発振器と後方の第１レーザビーム発振器からのレーザビームを受光することができる第２レーザビーム受光器と前方のシールド掘進機方向に向けて照射する第３レーザビーム発振器とをサーボモータでＸ，Ｙ方向に回転できるように架台に取り付け、かつ、その回転角度をセンサで検知できるようにした計測用の中継器をトンネルの中間部に設置し、また、後方の第２レーザビーム発振器からのレーザビームを受光することができ、かつ、Ｘ，Ｙ方向及びローリング角を検知可能にした第３レーザビーム受光器とピッチングローリング計とをシールド掘進機に取り付けるようにした」装置である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この従来の装置は、収束度の高いレーザ光であるレーザビームをレーザビーム受光器の所定位置に照射するように、レーザビーム発振器をヨーイング方向やピッチング方向に回転操作してその回転角度を検知し、検知した回転角度に基づいて、シールド掘進機の計画線からのずれ位置をコンピュータで演算して求めるようにしている。そのため、地中掘進機の掘進位置を計測する際、レーザビームをレーザビーム受光器の所定位置に的確に当てるようにレーザビーム発振器を回転させる操作を要して操作が複雑であるばかりでなく、サーボモータ等レーザビーム発振器を回転させるための回転機構を要して機構も複雑になり、これに伴って種々の問題がもたらされることとなる。例えば、こうした回転機構を設けたことにより、装置が地下坑内に配置するものにしては大型化し、製作費が割高になるのは勿論のこと、回転機構が機械的なものであるために、光学的な誤差に機械的な誤差が加わって高い計測精度を確保することが困難であるとともに振動に対しても弱い。
【０００５】
本発明は、こうした従来の技術にみられる問題を解消しようとするものであって、その技術課題は、地中掘進機の掘進位置を計測する際に光を受光手段に当てるための操作をしなくても済み、そのための操作機構を要しない地中掘進機の位置計測装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のこうした技術課題は、「地下坑を掘削しながら地中を掘進する地中掘進機の掘進位置の計測に用いられ、掘進方向前方に配置しその掘進位置の指標となる被計測点の位置を、掘進方向後方に配置し計測の基点となる計測基点との位置関係で計測する地中掘進機の位置計測装置」を、「前方に拡散光を発することのできる光源と前方の光源からの拡散光を集めることのできる集光手段と集光手段により集められた光を受光しその受光した光の位置により前方の光源の方向を検出し得るように配置された受光手段とを有し計測基点を設定する基点計測ユニットと、後方に拡散光を発することのできる光源と後方の光源からの拡散光を集めることのできる集光手段と集光手段により集められた光を受光しその受光した光の位置により後方の光源の方向を検出し得るように配置された受光手段とを有し被計測点を設定する被測点計測ユニットと、前方及び後方に拡散光を発することのできる光源と前方及び後方の光源からの拡散光をそれぞれ集めることのできる集光手段と集光手段によりそれぞれ集められた光を受光しその受光した各光の位置により前方及び後方の各光源の方向を検出し得るように配置された受光手段とを有し地下坑内における基点計測ユニットと被測点計測ユニットとの間に配置される少なくとも一つの中間計測ユニットとを設けるとともに、これら基点計測ユニット、被測点計測ユニット及び中間計測ユニットの各計測ユニットにおける隣接する計測ユニットの一方の計測ユニットに拡散光による光波を発する光波距離計を付設し他方の計測ユニットにその光波を光波距離計に向かって反射する光反射手段を付設して構成し、各計測ユニットでの検出結果に基づいて得られる各光源の方向に関するデータと光波距離計により得られる各計測ユニットにおける隣接する計測ユニット間の各距離に関するデータとに基づいて、計測基点に対する被計測点の相対位置を演算手段で演算して計測するようにした」ことにより達成される。
【０００７】
本発明の地中掘進機の位置計測装置は、こうした技術手段を採用したことにより、中間計測ユニットは、前後に隣接する計測ユニットの前後双方の光源から発せられた拡散光を各集光手段で集めてその集められた各光を受光手段で受光し、その受光した各光の位置により中間計測ユニットに対する前後の双方の各光源の相対的な方向を検出することができて、その検出結果に基づいて各光源の方向に関するデータが得られる。その場合、光源として、特に拡散光を発することのできる光源を用い、この光源からの拡散光を集光手段で集めて受光手段に当てるようにしているため、従来のように光源からの光を的確に受光手段に当てるための操作をしなくても済む。こうして各光源の方向に関するデータが得られると、隣接する各計測ユニット間を結ぶ各掘進路線の発進方向線に対する各角度を、その発進方向線との関係で直接的に検出しなくても、演算により間接的に求めることができる。その場合、その角度は、中間計測ユニットや被測点計測ユニットがその取付時の姿勢によって変化したり、地中掘進機の掘進時のヨーイングやピッチングによって変化したりしても、こうした影響を排除した状態で正しく求めることができる。
一方、隣接する計測ユニットの一方の計測ユニットの光波距離計から発せられた光波を他方の計測ユニットに付設した光反射手段でその光波距離計に向かって反射し、光波距離計で受光することにより、隣接する計測ユニット間の各距離に関するデータが得られる。その場合、光波として、特に拡散光による光波を用いて、この拡散光による光波を光反射手段で光波距離計に向かって反射するようにしているため、光波距離計からの光波を光反射手段に当てて反射させ、その反射した光波を光波距離計で的確に受光できるようにするための操作をしなくても済む。こうして得られた各距離に関するデータと演算により求められた前記の各角度に関するデータとから計測基点に対する被計測点の相対位置を演算して計測することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明が実際上どのように具体化されるのかを示す具体化例を図１乃至図２１に基づいて説明することにより、本発明の実施の形態を明らかにする。本発明の具体化例の地中掘進機の位置計測装置は、何れも、地下坑を掘削しながら地中を掘進する地中掘進機の掘進位置の計測に用いられ、掘進方向前方に配置しその掘進位置の指標となる被計測点の位置を、掘進方向後方に配置し計測の基点となる計測基点との位置関係で計測する装置である。まず、図１乃至図５を用いて、本発明の第１具体化例の地中掘進機の位置計測装置の構造及び用法について説明する。図１は、本発明の第１具体化例の地中掘進機の位置計測装置の全体像を概略的に示す水平断面図、図２は、図１の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットを詳細に示す水平断面図、図３は、図１の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットの後方側からみた斜視図、図４は、図１の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットの前方側からみた斜視図、図５は、光波距離計の概略的な構造を示す断面図である。
【０００９】
図１乃至図４において、１は地中掘進機の主要部をなす掘削機、２はシールド掘進機で掘削した坑道又は管推進機で掘削した管渠等の地下坑、３は地中掘進機の掘進の出発点となる発進立坑、４は地下坑２内における後記基点計測ユニット５と後記被測点計測ユニット６との間に配置された中間計測ユニット、５は発進立坑３に配置された基点計測ユニット、６は掘削機１内に配置された被測点計測ユニット、７はこれら中間計測ユニット４、基点計測ユニット５及び被測点計測ユニット６とそれぞれ通信ラインで接続され地中掘進機の掘進位置を演算する中央演算処理装置、８は中央演算処理装置７での演算結果やその演算結果に基づいて得られる情報をオペレータの操縦の便のために数値やグラフで表示する表示装置である。掘削機１は、管推進機及びシールド掘進機等、地下坑を掘削しながら地中を掘進する地中掘進機の掘削機であれば、何れのものでもよい。地下坑２は、管推進機であれば、ヒューム管、鋼管等の埋設管で坑壁が形成され、シールド掘進機であれば、鋼製又はコンクリート製のセグメントで坑壁が形成される。中間計測ユニット４、基点計測ユニット５及び被測点計測ユニット６は、大別すると、隣接する計測ユニットの光源４２から光を受けてその光の方向を検出できるように構成された光源方向検出手段４１と光源４２とからなり、距離検出手段を構成する光波距離計１０及び反射プリズム１１の少なくとも一つを付設していて、何れも基本的な構造は変わらない。
【００１０】
そこで、これらの計測ユニット４，５，６を代表して、中間計測ユニット４の構造を図２に基づいて説明する。中間計測ユニット４は、図２に詳細を示すように、隣接する計測ユニットに向けて拡散光を発することのできる光源４２と、隣接する計測ユニットの光源４２からの拡散光を集めることのできる集光手段としての凸レンズ４１１と、この凸レンズ４１１により集められた光を受光しその受光した光の位置を検出することのできる受光手段としてのＣＣＤ撮像素子４１２（ＣＣＤはＣｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ−Ｄｅｖｉｃｅの略称である。）を備えている。この受光手段としてのＣＣＤ撮像素子４１２は、後に詳述するように、集光手段としての凸レンズ４１１に対して受光した光の位置により隣接する計測ユニットの光源の方向を検出し得るように配置されている。図示の光源方向検出手段４１は、これら凸レンズ４１１とＣＣＤ撮像素子４１２との集合体のことである。中間計測ユニット４では、光源４２が地中掘進機の掘進方向を基準に前方及び後方に向けてそれぞれ拡散光を発することができるように図２の左右にそれぞれ配置されている。また、凸レンズ４１１は、前後に隣接する別の計測ユニットの光源４２からの各拡散光をそれぞれ集めることができるように、同じく左右に配置されているとともに、ＣＣＤ撮像素子４１２も、各凸レンズ４１１でそれぞれ集められた光を受光することができるように左右に配置されている。各凸レンズ４１１及び各ＣＣＤ撮像素子４１２は、互いに平行に配置して中間計測ユニット４のケース内に取り付け、光源４２は、同ケースの外側に取り付ける。
【００１１】
ＣＣＤ撮像素子４１２は、一次元のラインセンサでもよいが、本具体化例では二次元の面センサを使用することを前提にしている。受光手段として、本具体化例ではＣＣＤ撮像素子４１２を用いているが、これに代えて、フォトダイオードの表面抵抗を利用して光スポットの位置を知ることのできるＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ−Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ−Ｄｅｖｉｃｅ）のようなものを用いてもよく、要は、凸レンズ４１１のような集光手段により集められた光を受光しその受光した光の位置を検出することのできるものであればよく、その種類は問わない。光源４２には、いわゆる点光源のようなものを用い、レーザビームのような収束度の高い光線を発するものは用いることができないが、基本的には、微小なエリアから放射状に拡がるいわゆる拡散光を発するようなものであれば、何のようなものでも使用することができる。中間計測ユニット４は、多くの場合５ｍ乃至５０ｍの間隔で地下坑３内に取り付けられるが、光源４２は、こうした５ｍ乃至５０ｍ先の地下坑内の略全域を照らし得る広がりをもつ収束度の低い光であればよい。すなわち、地下坑３の内径にもよるが、少なくとも５°乃至１０°の角度で広がる光であれば、本発明に用いることができる。したがって、レーザ光であっても、こうした角度以上の角度で広がる収束度の低いレーザ光であれば実用に供することができる。発明が解決しようとする課題の項で述べたように、従来の装置にあっては、レーザビームを光源に用いているため、地中掘進機の掘進位置の計測の際、レーザビームをレーザビーム受光器の所定位置に的確に当てるようにレーザビーム発振器を回転させる操作を必要としたが、本発明では、光源に拡散光を発するものを用いたため、地下坑２の掘削中に何れかの測量ユニットの姿勢が変動しても、光源４２の光を受光手段としてのＣＣＤ撮像素子４１２に確実に当てることができて、こうした操作をしなくても済む。
【００１２】
以上述べた構造は、計測基点に対する被計測点の相対位置を計測するのに必要な第１のデータである各計測ユニット４，５，６の各光源４２の方向に関するデータを得るための手段であるが、次に、その相対位置を計測するのに必要な第２のデータである各計測ユニット４，５，６間の距離に関するデータを得るための手段を、中間計測ユニット４の構造を中心に図１及び図２に基づいて説明する。こうした距離に関するデータを得るための手段は、隣接する計測ユニットの一方の計測ユニットに付設され拡散光による光波を発する光波距離計１０と、他方の計測ユニットに付設されこの光波距離計１０に向ってこれの発する光波を反射する光反射手段としての反射プリズム１１で構成する。図２に示す中間計測ユニット４を例にして説明すると、中間計測ユニット４の前後の一方の側には、送光器１０１と受光器１０２とを有する光波距離計１０を付設して、その送光器１０１の発する光波を隣接する計測ユニットの反射プリズム１１に向けて送るようにするとともに、この隣接する計測ユニットの反射プリズム１１で反射した光波を受光器１０２で受光するようにしている。この光波は、パルス状の断続光を意味し、換言すると変調光のことである。中間計測ユニット４の前後の他方の側には、反射プリズム１１を付設して、隣接する計測ユニットの発する光波をその隣接する計測ユニットの受光器１０２に向けて反射するようにしている。
【００１３】
この反射プリズム１１には、送光器１０１の発する光波が拡散光によるため拡がった状態で入射するが、光反射手段にこうした反射プリズム１１を用いると、その拡がって入射した光波をその入射方向に反射させて返すことができるため、その反射した光波は、拡がりはするものの受光器１０２を包むようにして確実に照らすことができる。光波を発生させる光波発生源に、本具体化例では発光ダイオードを用いているが、光源４２と同様の拡がりをもつ拡散光の光波を発するようなものであれば、本発明に用いることができ、したがって、レーザ光であっても、こうした拡がりをもつ収束度の低いレーザ光であれば実用に供することができる。このように、光波として、特に拡散光による光波を用いて、この拡散光による光波を反射プリズム１１で光波距離計１０に向かって反射するようにしているため、光波距離計１０からの光波を反射プリズム１１に当てて反射させ、その反射した光波を光波距離計１０で的確に受光できるようにするための操作をしなくても済む。
【００１４】
計測ユニット４では、光源４２から拡散光を発するとともに光波距離計１０から光波を発するようにしていて二種類の拡散光を発するようにしている。そのため、光源方向検出手段４１で光源４２からの拡散光を受光して光源４２の方向に関するデータを得る場合に、光波距離計１０が発する光波も受光してそのデータに悪影響を及ぼす恐れがある。逆に、光波距離計１０で反射プリズム１１からの拡散光を受光して距離に関するデータを得る場合に、光源４２が発する光波も受光してそのデータに悪影響を及ぼす恐れがある。こうしたことを防止するには、光源４２と光波距離計１０が発する拡散光に波長の異なる光を用いて光源方向検出手段４１や光波距離計１０の受光部にフィルターをかけることにより、フィルターで必要な光だけを透過させ不要な光を吸収するようにすればよい。また、光源方向検出手段４１で光の方向を検出する時間帯と光波距離計１０で距離を検出する時間帯とをずらして時分割により検出するようにしてもよい。
【００１５】
この光波距離計１０の概略的な構造を図５に基づいて説明する。１０１はパルス状の等間隔の断続光でかつ収束度の低い光すなわち拡散光を発する発光ダイオード等により構成された送光器、１０２は反射プリズム１１で反射された送光器１０１の光波を受光しその受光した光の強弱を電圧信号に変換する光電変換素子（フォトセンサ）等で構成された受光器、１０４は後記凹面鏡１０７で反射された送光器１０１の光波を受光してその強弱を電圧信号に変換する光電変換素子、１０５はこれら受光器１０２及び光電変換素子１０４からそれぞれ出力される電圧信号が入力される光波距離演算手段、１０６は光波距離演算手段１０５の指令に従って送光器１０１に前記パルス状の断続光を発生させるための基準パルスを発生するパルス発生器、１０７は送光器１０１の発する光波の一部を光電変換素子１０４で受光できるように反射させる凹面鏡である。
【００１６】
受光器１０２は、光電変換素子１０４と同質のものであり、これと同様の働きをする。光波距離演算手段１０５では、入力された受光器１０２及び光電変換素子１０４の電圧信号の各パルス波形を正弦波に整えるとともに周波数変換して波長を伸長する。そして、その上で、両正弦波の位相差（時間）を測定し、その測定結果と既知の光速とから送光器１０１と反射プリズム１１との間の距離を演算して隣接する計測ユニット間の距離に関するデータを得る。このように光波距離計１０は、光波（変調光）を用いて発射光と反射光との位相のずれから距離を測定する距離測定装置であり、きわめて高精度に距離を測定することができる。
【００１７】
中間計測ユニット４は、以上述べた凸レンズ４１１、ＣＣＤ撮像素子４１２及び光源４２や光波距離計１０及び反射プリズム１１のほか、付帯的構造として、透明ガラス製の透明板１０３，１１１，４１３やコントローラ部４３を備えている。透明板１０３，１１１，４１３は、中間計測ユニット４のケースの前後に設けた各光採取孔に覆うように取り付けられ、同ケースの気密性を保持し、ケース内の送光器１０１、受光器１０２、反射プリズム１１、凸レンズ４１１等を防護する。コントローラ部４３は、中間計測ユニット４のケースに内蔵され、光波距離計１０やＣＣＤ撮像素子４１２や各光源４２が電気的に接続されるとともにケーブル４５が接続される。このケーブル４５は、ケースに穿設した引出口から引き出されて中央演算処理装置７に接続されるが、その際、ケーブル４５を、引出口に嵌めたグランド４４に挿通して引きだすことにより、ケースの気密性を保持するようにしている。コントローラ部４３は、光源４２を発光させるための電源部、ＣＣＤ撮像素子４１２で検出した光の位置に関する画像データを数値データに変換して処理するためのデータ処理部及びこのデータ処理部で処理したデータを中央演算処理装置７に出力するための通信処理部等から構成される。このコントローラ部４３のデータ処理部では、ＣＣＤ撮像素子４１２で検出した光の位置のデータを各光源４２の方向のデータに変換したりその変換したデータを補正したりするための演算も行う。前記ケーブル４５は、コントローラ部４３の通信処理部と中央演算処理装置７との間で通信信号を送受信するための信号路や中間計測ユニット４に電源電流を導くための電路を内蔵している。
【００１８】
以上、中間計測ユニット４の構造を中心に述べたが、基点計測ユニット５は、前方に拡散光を発することのできる光源４２と前方の光源４２からの拡散光を集めることのできる凸レンズ４１１とこの凸レンズ４１１により集められた光を受光することのできるＣＣＤ撮像素子４１２と前方に拡散光による光波を発する光波距離計１０とを備えている。また、被測点計測ユニット６は、後方に拡散光を発することのできる光源４２と後方の光源４２からの拡散光を集めることのできる凸レンズ４１１とこの凸レンズ４１１により集められた光を受光することのできるＣＣＤ撮像素子４１２と光波距離計１０が発した光波を光波距離計１０に向かって反射する反射プリズム１１とを備えている。換言すると、基点計測ユニット５及び被測点計測ユニット６は、それぞれ、中間計測ユニット４における前方側半分の機能及び後方側半分の機能を果たす構造を備えており、この点を除けば、中間計測ユニット４の構造と本質的な差異はない。したがって、基点計測ユニット５及び被測点計測ユニット６には、中間計測ユニット４をそのまま使用し、セットする際にそれぞれ前方側半分及び後方側半分だけが働くようにしたり、ソフト上、それぞれ前方側半分及び後方側半分だけを活かすようにしてもよい。このように中間計測ユニット４に用いられる計測ユニットを基点計測ユニット５や被測点計測ユニット６に兼用するようにすれば、製作する機器の種類を少なくできてそれらの製作を省力化することができるだけでなく、使用する機器の種類も少なくできて機器の使用上の便もよい。地中掘進機の掘進位置を計測する際、その計測の基点となる計測基点と掘進中の地中掘進機の現在位置を表す指標となり得るような被計測点を設定する必要があるが、基点計測ユニット５は、計測基点を設定する役割を果たし、被測点計測ユニット６は、被計測点を設定する役割を果たす。
【００１９】
各計測ユニット４，５，６を地中掘進機の位置計測に使用する場合、シールド工事及び管推進工事の何れの場合でも、基点計測ユニット５は、通常、発進立坑３に設置し、被測点計測ユニット６は、通常、掘削機１（シールド工事ではシールド掘進機、管推進工事では先導体）にそれぞれ設置する。その場合、基点計測ユニット５は、その基準線が発進方向と一致するように精度良く設置する。ただし、基点計測ユニット５の基準線を発進方向と一致させないで設置するようにしても、両者のなす角度を精度良く測定しておき、その測定値をオフセット値としてコントローラ部４３又は中央演算処理装置７に予め記憶させておき、地中掘進機の掘進位置を中央演算処理装置７で演算する際にその値を反映させるようにすれば、地中掘進機の位置計測に支障は生じないので、こうした方法を採用することもできる。
【００２０】
一方、各計測ユニット４，５，６のうち特に中間計測ユニット４については、その設置方法がシールド工事及び管推進工事とで若干異なる。すなわち、シールド工事及び管推進工事の何れの場合でも、中間計測ユニット４を地下坑２内に配置する点では変わらないが、前者の場合は、通常、地下坑２の内周壁を構成する既設セグメント等に取り付け、後者の場合は、通常、地下坑２を構成する埋設管の内壁や排土装置をなすオーガケーシング、排土管等の外壁等に取り付ける。管推進工事において地下坑２内に中間計測ユニット４を取り付ける場合、特に、地下坑２の掘削の進展に伴って設置距離を延伸させながら仮設し、地下坑２の掘削の終了後に撤去するオーガケーシングや排土管等の延伸仮設体に取り付けるようにすれば、延伸仮設体の撤去時に中間計測ユニット４も自動的に撤去することができて至便である。また、シールド工事の場合でも、送泥管、排泥管、排土管等の延伸仮設体に取り付けるようにすれば、同様の効果が得られる。
【００２１】
シールド工事では、シールド掘進機をシールドジャッキで推進しながら掘進してその掘進により形成された地下坑２内にセグメントを組み立て、こうした工程の反復により工事が進められるが、工事の過程で、被測点計測ユニット６が基点計測ユニット５の設置位置から見通せなくなったら、これらの計測ユニット５，６の中間の適宜の位置に中間計測ユニット４を新設する。工事が進捗して、新設した中間計測ユニット４の設置位置から被測点計測ユニット６が見通せなくなったら、これらの計測ユニット４、６の中間の適宜の位置に新たな中間計測ユニット４を追加して設置し、こうした設置作業を繰り返す。管推進工事では、先導体の後方に連結される埋設管の最後部を元押しジャッキで推進しながら最後部の埋設管を地中に埋設し、最後部の埋設管の埋設が終了する都度、新たな埋設管を継ぎ足して工事が進められるが、工事の過程で埋設管を一定距離推進して埋設したら、最後部の埋設管内に中間計測ユニット４を設置する。工事が進捗して埋設管を更に一定距離推進して埋設したら、再度、最後部の埋設管内に中間計測ユニット４を追加して設置し、こうした設置作業を繰り返して各計測ユニット４，５，６間の間隔を適宜の間隔に保つ。その間隔の目安は、計画されている曲線施工区間において各計測ユニット４，５，６同士が見通せる位置に設置する。
【００２２】
こうした計測ユニット４，５，６により計測基点に対する被計測点の相対位置を演算する手法について、図１６乃至図２１を用いて説明する。図１６は、図１の地中掘進機の位置計測装置における計測ユニットで光源の方向を検出する原理を説明するための概念図、図１７は、図１の地中掘進機の位置計測装置で光を授受しているときの状態を示す要部の水平断面図、図１８は、図１の地中掘進機の位置計測装置で計測基点寄りの計測ユニットの方向を算出する手法を説明するための概念図、図１９は、図１の地中掘進機の位置計測装置で任意の地点の計測ユニットの方向を算出する手法を説明するための概念図、図２０は、図１の地中掘進機の位置計測装置で地中掘進機の掘進位置を算定する基本原理を説明するための概念図、図２１は、図１の地中掘進機の位置計測装置で地中掘進機の掘進位置を算定する実際的な手法を説明するための概念図である。
【００２３】
まず、基本的な事項として、これらの計測ユニット４，５，６の光源方向検出手段４１で光源４２の方向を検出する原理を、図１６を用いて説明する。以下、この説明を始め各具体化例の説明をするに当たり、３次元位置座標上の水平方向の座標軸（端的にいえば左右方向の軸線）をＸ軸、３次元位置座標上の垂直方向の座標軸（端的にいえば上下方向の軸線）をＹ軸、Ｘ軸に直交する３次元位置座標上の水平方向の座標軸（端的にいえば前後方向の軸線）をＺ軸とする。いま、図１６に示すように、凸レンズ４１１とＣＣＤ撮像素子４１２とをＬｃの間隔で互いに平行に配置し、隣接する計測ユニットの光源４２から拡散光を発すると、光源４２の像が凸レンズ４１１を通過してＣＣＤ撮像素子４１２の面上に結像する。その場合、光軸（光源４２と凸レンズ４１１の中心とを結ぶ線を意味する。以下同じ。）が基準線（凸レンズ４１１の中心を通りＣＣＤ撮像素子４１２の面に直交する線を意味する。以下同じ。）となす角度のＸ−Ｚ平面上の成分（Ｙ軸回りの回転角度）をΘ、同角度のＹ−Ｚ平面上の成分（Ｘ軸回りの回転角度）をΦとし、ＣＣＤ撮像素子４１２の面上における光源４２の像の結像点が基準線からずれるずれ量（ＣＣＤ撮像素子４１２の面への光源４２の結像点のＣＣＤ撮像素子４１２の中心からの偏差量）のうち、そのＸ軸方向の成分をδｃＸ，そのＹ軸方向の成分をδｃＹとすると、次の各式が成立する。
ｔａｎΘ＝δｃＸ／Ｌｃ……………（１）
ｔａｎΦ＝δｃＹ／Ｌｃ……………（２）
前（１）式及び前（２）式からは、それぞれ、δｃＸ／Ｌｃ及びδｃＹ／Ｌｃに基づいて角度Θ及び角度Φを演算により求めることができる。光源４２の方向は、こうした原理により、ＣＣＤ撮像素子４１２が検出した光の位置に基づいて各計測ユニット４，５，６の光源方向検出手段４１で検出することができる。δｃＸ／Ｌｃ及びδｃＹ／Ｌｃに基づく角度Θ及び角度Φの実際の演算は、本具体化例ではコントローラ部４３の演算手段で行っているが、中央演算処理装置７で行うようにしてもよい。
【００２４】
ここで留意すべきことは、こうして求められる角度Θ，Φは、当該計測ユニットの光軸がその計測ユニットの基準線に対してなす角度であって、地中掘進機の発進時の発進方向に対してなす角度ではなく、地中掘進機の掘進方向を定めるための尺度とはなりえない。しかも、その計測ユニットの基準線それ自体は、計測ユニットの取付時の姿勢によって変化するし、地中掘進機の掘進時のヨーイングやピッチングによっても変化することから、光源方向検出手段４１で検出した前記の角度Θ，Φの値を単純に利用しても、地中掘進機の掘進方向を正しく演算することはできない。こうしたことから、中間計測ユニット４には、前述したように、前後双方の光源４２から拡散光を集め得るように凸レンズ４１１を左右に設け、これら左右の凸レンズ４１１で集められた光を受光し得るようにＣＣＤ撮像素子４１２も左右に設けて、角度Θ，Φを前後双方で検出するようにするとともに、これら前後双方の角度Θ，Φの検出値を後に詳述する独自の演算手法に利用することにより、計測ユニットの取付時の姿勢や地中掘進機のヨーイング、ピッチングの影響を排除した状態で地中掘進機の掘進方向を正しく演算できるようにしている。
【００２５】
図１７は、適当数の中間計測ユニット４を地下坑２内に配置して互いに光を授受しているときの状態を摸式的に示すもので、４（ｎ）は基点計測ユニット５側からみてｎ番目の中間計測ユニットを表し、４（ｎ＋１）及び４（ｎ−１）はその前後の中間計測ユニットを表す。実際の各計測ユニット４，５，６を地下坑２内に設置した場合、図１７に示すように当該計測ユニットへの入射光と当該計測ユニットの放射光とが互いに交差し、かつ、一つの中間計測ユニット４の前後のレンズ４１１及び前後の光源４２の各中心位置が基準となる一点に集中せず、Ｘ−Ｙ面方向やＺ軸方向にずれた状態で計測が行われることになる。
【００２６】
こうした状態で計測することにより得られるデータに基づいて地中掘進機の位置を演算する場合には、演算の便宜上、図１８及び図１９に示すように、前後のレンズ４１１及び前後の光源４２の各中心位置が各計測ユニット４，５，６の基準点（前後のレンズ４１１の中心線上の適宜の点、例えばその中心線上の真中の点）に揃えられるようにそれらの各中心位置をＸ−Ｙ面方向やＺ軸方向に位置補正して演算する。その場合、地中掘進機の位置計測が一層正確に行えるようにするため、光軸と基準線とのなす角度について若干補正をするが、その補正値は、前後のレンズ４１１及び前後の光源４２の各中心位置と基準点との位置関係を考慮しながら、前記（１）、（２）式から得られる角度Θ、角度Φに基づいてコントローラ部４３で算出するようにしている。後述する角度ΘＮn ，ΦＮn 、ΘＳn 、ΦＳn は、こうした補正を経て得られたものである。このように、本具体化例では、より正確な計測を期して光軸と基準線とのなす角度について補正をしているが、前後のレンズ４１１や光源４２の各中心位置のずれ量は、各計測ユニット４，５，６間の距離に比べれば僅少な値であるので、レンズ４１１や光源４２の中間計測ユニット４への配置を適切に選定すれば、こうした補正をしなくても、実用性のある位置計測装置が得られる。
【００２７】
そこで、各計測ユニット４，５，６で得られるデータにより地中掘進機の位置を演算する手法を、図１８乃至図２１を用いて説明する。その説明をするに当たり、これらの図面や以下の数式に用いている記号の意味を説示する。
Ｖ；隣合った各計測ユニット４，５，６の基準点同士を結ぶ直線を意味する見通し線、この見通し線Ｖは、隣合った各計測ユニット４，５，６間で授受する光の光軸とみることができる。
Ｖ0 ；地中掘進機の発進時の発進方向を表す発進方向線、
Ｖn ；見通し線Ｖのうちのｎ−１番目の計測ユニットとｎ番目の計測ユニットとを結ぶ見通し線、
Ｇ；当該計測ユニットの凸レンズ４１１の中心を通りその計測ユニットのＣＣＤ撮像素子４１２の面に直交する線を意味する前述の基準線、
Ｇn ；基準線Ｇのうちのｎ番目の計測ユニットの基準線、
Θn ；見通し線Ｖn が発進方向線Ｖ0 に対してなす角度のＸ−Ｚ平面上の成分（見通し線Ｖn と発進方向線Ｖ0 をＸ−Ｚ平面上へ正投影した線のなす角度、端的にいえば、地下坑２の軸方向に向かって左右方向の角度）、
Φn ；見通し線Ｖn が発進方向線Ｖ0 に対してなす角度のＹ−Ｚ平面上の成分（見通し線Ｖn と発進方向線Ｖ0 をＹ−Ｚ平面上へ正投影した線のなす角度、端的にいえば、地下坑２の軸方向に向かって上下方向の角度）、
ΘＮn ；ｎ番目の測量ユニットにおいてその後方の見通し線Ｖn が基準線Ｇnとなす角度のＸ−Ｚ平面上の成分（見通し線Ｖn と基準線Ｇn をＸ−Ｚ平面上へ正投影した線のなす角度）、
ΦＮn ；ｎ番目の測量ユニットにおいてその後方の見通し線Ｖn が基準線Ｇnとなす角度のＹ−Ｚ平面上の成分（見通し線Ｖn と基準線Ｇn をＹ−Ｚ平面上へ正投影した線のなす角度）、
ΘＳn ；ｎ番目の測量ユニットにおいてその前方の見通し線Ｖn+1 （ｎ＋１番目の測量ユニットにとっては後方の見通し線）が基準線Ｇn となす角度のＸ−Ｚ平面上の成分（見通し線Ｖn+1 と基準線Ｇn をＸ−Ｚ平面へ正投影した線のなす角度）、
ΦＳn ；ｎ番目の測量ユニットにおいてその前方の見通し線Ｖn+1 （ｎ＋１番目の測量ユニットにとっては後方の見通し線）が基準線Ｇn となす角度のＹ−Ｚ平面上の成分（見通し線Ｖn+1 と基準線Ｇn をＹ−Ｚ平面上へ正投影した線のなす角度）、
Ｌn ；隣合った各計測ユニット４，５，６の基準点間の距離のうちのｎ−１番目の計測ユニットとｎ番目の計測ユニットの基準点間の距離、
なお、地中掘進機の位置の演算手法を説明するに当たっては、説明の便宜上、中間計測ユニット４だけに限らず、全ての計測ユニット４，５，６を、４を頭文字とする符号４（ｎ）で統一して表すこととする。その場合、４（ｎ）は、基点計測ユニット５の次の計測ユニットから数えてｎ番目の計測ユニットを意味し、４（０）は、基点計測ユニット５を意味する。また、Ｇ0 は、基点計測ユニット４（０）の基準線Ｇを意味し、本具体化例では発進方向線Ｖ0 の方向と一致させるようにセットしてある。角度Θn ，Φn ，ΘＮn ，ΦＮn ，ΘＳn ，ΦＳn には、極性をもたせており、図１８及び図１９においては、基準線Ｇn を基準にして見通し線Ｖn が時計方向回りに傾斜している場合の角度を−の極性、反時計方向回りに傾斜している場合の角度を＋の極性と定めた。したがって、例えば、図１８において、角度Θ1 ，Φ1 は、見通し線Ｖn の傾斜方向を表す弧線先端矢印が反時計方向を向いていてプラスの角度であり、角度ΘＮ1 ，ΦＮ1 ，ΘＳ1 ，ΦＳ1 は、見通し線Ｖn の傾斜方向を表す弧線先端矢印が時計方向を向いていてマイナスの角度である。
【００２８】
すでに述べたことから明らかなように、見通し線Ｖn が基準線Ｇn となす角度ΘＮn ，ΦＮn ，ΘＳn ，ΦＳn は、計測ユニット４（ｎ）により求めることができるが、地中掘進機の位置を演算する際、本具体化例で最終的に求めようとする角度は、見通し線Ｖn が発進方向線Ｖ0 となす角度Θn ，Φn である。図１８及び図１９を用いてその角度Θn ，Φn の演算手法について説明すると、まず、角度Θ1 ，Φ1 については、基点計測ユニット４（０）の基準線Ｇ0 を発進方向線Ｖ0 の方向と一致させるように、換言すると、Θ1 ＝ΘＳ0 、Φ1 ＝ΦＳ0 となるように予め設定しているので、基点計測ユニット４（０）での計測結果から直接的に得られる。次に、角度Θ2 ，Φ2 については、それぞれ、こうして得られた角度Θ1 ，Φ1 と計測ユニット４（１）で得られたΘＮ1 ・ΘＳ1 ，ΦＮ1 ・ΦＳ1 の値を基に、次の各式で求めることができる。
Θ2 ＝Θ1 −ΘＮ1 ＋ΘＳ1 ……………（３）
Φ2 ＝Φ1 −ΦＮ1 ＋ΦＳ1 ……………（４）
同様にして、角度Θn+1 ，Φn+1 については、角度Θn ，Φn が得られれば、この角度Θn ，Φn と計測ユニット４（ｎ）で得られたΘＮn ・ΘＳn ，ΦＮn ・ΦＳn の値を基に、次の各式で求めることができる。
Θn+1 ＝Θn −ΘＮn ＋ΘＳn ……………（５）
Φn +1＝Φn −ΦＮn ＋ΦＳn ……………（６）
これら（５）、（６）式中の角度Θn ，Φn は、角度Θn-1 ，Φn-1 の値が地中掘進機の位置の計測過程で演算により求められるので、これらの値を基にして（５）、（６）式から求めることができる。すなわち、前記（３）、（４）式で得られた角度Θ2 ，Φ2 の値を（５）、（６）式のΘn ，Φn に代入してΘ3 ，Φ3 を算出し、その算出結果を基に再び（５）、（６）式からΘ4 ，Φ4 を算出するという演算を順送りに行って角度Θn-1 ，Φn-1 の値を得ることができるので、最後に、これらの値を（５）、（６）式に代入することにより角度Θn ，Φn を求めることができる。こうした角度Θn ，Φn のような各光源４２の方向に関するデータは、本具体化例では前各式に従って中央演算処理装置７の演算部で演算することにより求められる。本具体化例では、各計測ユニット４，５，６の検出結果に基づいて得られる各光源４２の方向に関するデータのうち、角度ΘＮn ，ΦＮn 、ΘＳn 、ΦＳn についてはコントローラ部４３の演算手段で求め、角度Θn ，Φn については前各式に従って中央演算処理装置７の演算部で求めているが、これらのデータを何れで求めるかは、発明の実施に際して任意に選択できる設計上の選択事項である。
【００２９】
以上の説明から明らかなように、地中掘進機の位置の演算の基礎となる、計測ユニット４（ｎ）の見通し線Ｖn の発進方向線Ｖ0 に対する角度Θn ，Φn は、見通し線Ｖn のなす角度を発進方向線Ｖ0 との関係で直接的に検出しなくても、その計測ユニット４（ｎ）の基準線Ｇn との関係で前後双方の見通し線Ｖn について検出して各計測ユニット４（ｎ）ごとに角度ΘＮn ，ΦＮn ，ΘＳn ，ΦＳn を順次計測し、その計測結果を用いて前式のような手法で演算することにより間接的に求めることができる。そのため、計測ユニット４（ｎ）の基準線Ｇn がその取付時の姿勢によって変化したり、地中掘進機の掘進時のヨーイングやピッチングによって変化したりしても、角度ΘＮn ，ΦＮn ，ΘＳn ，ΦＳn さえ適正に計測すれば、こうした変化がそのまま織り込まれた状態で地中掘進機の掘進方向を正しく演算することができ、その変化が演算結果に影響をもたらすようなことはない。
【００３０】
こうして、例えば角度Θ1 〜Θn の値やΦ1 〜Φn の値を順次計測した後は、これらの角度の値と、光波距離計１０で計測された各計測ユニット４（ｎ）と隣接する後方の計測ユニット４（ｎ−１）との基準点間の距離Ｌ1 〜Ｌn の値とに基づいて、設定された３次元位置座標上における地中掘進機の位置すなわち計測基点に対する被計測点の相対位置を演算する。そこで、その演算方法の基本的な原理を図２０を用いて説明する。図２０には、その演算方法の理解を容易にするため、角度Θn ，Φn の一方だけを変化させ他方を変化させないで地下坑を施工する場合すなわち地中掘進機で水平方向か上下方向にだけ曲線施工する場合における各計測ユニット４（ｎ）の基準点の位置を、Ｘ軸及びＹ軸に共用している縦軸とＺ軸としての横軸とからなる２次元位置座標上に、（Ｘ1 ，Ｙ1 ，Ｚ1 ）、（Ｘ2 ，Ｙ2 ，Ｚ2 ）……（Ｘn ，Ｙn ，Ｚn ）というように順次表示している。その場合、２次元位置座標のＺ軸を発進方向線Ｖ0 に一致させるとともにその原点を基点計測ユニット５〔４（０）〕の計測基点に一致させるようにしている。
【００３１】
この図２０を参照すると明らかなように、各計測ユニット４（ｎ）の基準点の隣接後方計測ユニット４（ｎ−１）の基準点に対する座標位置の変化量は、各角度Θ1 〜Θn やΦ1 〜Φn の値及び各距離Ｌ1 〜Ｌn の値（各見通し線Ｖ1 〜Ｖnの長さに相当）を用いて三角関数により順次算出することができる。すなわち、各計測ユニット４（ｎ）の基準点の隣接後方計測ユニット４（ｎ−１）の基準点に対する座標位置の変化量のうち、Ｘ軸方向の成分及びＹ軸方向の成分は、それぞれＬn ・ｓｉｎΘn 及びＬn ・ｓｉｎΦn として求めることができ、Ｚ軸方向の成分は、Ｌｎ・ｃｏｓΘn 又はＬn ・ｃｏｓΦn として求めることができる。なお、この例では、曲線施工に際して前記したように角度Θn ，Φn の一方だけを変化させるようにしているので、角度Θn を変化させるようにした場合は、前記の各計測ユニット４（ｎ）の基準点の座標位置の変化量のうちのＸ軸方向の成分だけがＬn ・ｓｉｎΘn の量変化してＹ軸方向の成分は変化せず、角度Φn を変化させるようにした場合は、Ｙ軸方向の成分だけがＬn ・ｓｉｎΦn の量変化してＸ軸方向の成分は変化しない。
【００３２】
こうして、各計測ユニット４（ｎ）の基準点の隣接後方計測ユニット４（ｎ−１）の基準点に対する座標位置の変化量のＸ軸方向又はＹ軸方向の成分及びＺ軸方向の成分が求められると、これらの各方向の成分の量をそれぞれ積算することにより、（Ｘn ，Ｙn ，Ｚn ）の座標位置を算定することができる。図２０の例では、各見通し線Ｖn がＺ軸に対して常に反時計方向回りに傾斜するように変化しているので、その積算をする際には、各方向の成分の量をそれぞれそのまま積算すればよい。しかしながら、各見通し線Ｖn の傾斜方向が時計方向回り、反時計方向回りにランダムに変化する場合であっても、角度Θn ，Φn に前述したような極性をもたせるようにすれば、前記したと同様、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各方向の成分の量をそれぞれそのまま積算して、（Ｘn ，Ｙn ，Ｚn ）の座標位置を算定することができる。
【００３３】
図２０では、曲線施工に際して角度Θn ，Φn の一方だけを変化させる例を示したが、次に、角度Θn ，Φn の双方を変化させて地中掘進機の掘進方向を上下、水平方向というように３次元的に変える場合の地中掘進機の位置の演算方法を図２１を用いて説明する。図２１には、地中掘進機の掘進方向をこのように３次元的に変える場合の各計測ユニット４（ｎ）の基準点の位置を、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸からなる通常の３次元位置座標上に（Ｘ1 ，Ｙ1 ，Ｚ1 ）、（Ｘ2 ，Ｙ2 ，Ｚ2 ）というように計測ユニット４（１），４（２）についてだけ例示的に示している。その場合、３次元位置座標のＺ軸を発進方向線Ｖ0 に一致させるとともにその原点を基点計測ユニット５〔４（０）〕の計測基点に一致させるようにしている。図２１では、図１８及び図１９と同様、角度Θn ，Φn に極性をもたせており、角度Θn については、Ｙ−Ｚ面を基準にして時計方向回りに形成される角度を＋の極性、反時計方向回りに形成される角度を−の極性と定めた。これに対し、角度Φn については、Ｘ−Ｚ面を基準にして時計方向回りに形成される角度を−の極性、反時計方向回りに形成される角度を＋の極性と定めた。したがって、図２１において、角度Θ1 ，Θ2 は、角度を表す弧線の先端矢印が何れも時計方向を向いていてプラスの角度である。これに対し、角度Φ1 は、角度を表す弧線の先端矢印が反時計方向を向いていてプラスの角度であり、角度Φ2 は、角度を表す弧線の先端矢印が時計方向を向いていてマイナスの角度である。
【００３４】
各計測ユニット４（ｎ）の基準点の座標位置（Ｘn ，Ｙn ，Ｚn ）は、前述した方法で得られた角度Θ1 〜Θn やΦ1 〜Φn の値と適宜の方法で計測して得られた距離Ｌ1 〜Ｌn の値とを用いて、図２０で概説したのと同様の手法により３次元的に算定する。まず、座標位置（Ｘ1 ，Ｙ1 ，Ｚ1 ）については、基点計測ユニット４（０）での計測結果から直接的に得られた角度Θ1 ，Φ1 の値及び距離Ｌ1 の値を基に、次の各式で求めることができる。
Ｘ1 ＝Ｌ1 ｃｏｓΦ1 ｓｉｎΘ1 ……………（７）
Ｙ1 ＝Ｌ1 ｃｏｓΘ1 ｓｉｎΦ1 ……………（８）
Ｚ1 ＝Ｌ1 ｃｏｓΘ1 ｃｏｓΦ1 ……………（９）
次に、座標位置（Ｘ2 ，Ｙ2 ，Ｚ2 ）については、前（７）、（８）、（９）式で得られたＸ1 ，Ｙ1 ，Ｚ1 の値と前記（３）、（４）式で得られた角度Θ2 ，Φ2 の値と適宜の方法で計測して得られた距離Ｌ2 の値を基に、次の各式で求めることができる。
Ｘ2 ＝Ｘ1 ＋Ｌ2 ｃｏｓΦ2 ｓｉｎΘ2 ……………（１０）
Ｙ2 ＝Ｙ1 ＋Ｌ2 ｃｏｓΘ2 ｓｉｎΦ2 ……………（１１）
Ｚ2 ＝Ｚ1 ＋Ｌ2 ｃｏｓΘ2 ｃｏｓΦ2 ……………（１２）
同様に、座標位置（Ｘn ，Ｙn ，Ｚn ）については、前（１０）、（１１）、（１２）と同様の演算を順送りに行って得られたＸn-1 、Ｙn-1 、Ｚn-1 の値と前記（５）、（６）式で演算して得られた角度Θn ，Φn の値と距離Ｌn の値とを基に、次の（１３）´、（１４）´、（１５）´式で求めることができる。
Ｘn ＝Ｘn-1 ＋Ｌn ｃｏｓΦn ｓｉｎΘn ……………（１３）´
Ｙn ＝Ｙn-1 ＋Ｌn ｃｏｓΘn ｓｉｎΦn ……………（１４）´
Ｚn ＝Ｚn-1 ＋Ｌn ｃｏｓΘn ｃｏｓΦn ……………（１５）´
したがって、各計測ユニット４（ｎ）の基準点の座標位置（Ｘn ，Ｙn ，Ｚn ）は、結局、次の（１３）、（１４）、（１５）で表すことができる。
Ｘn ＝ΣＬn ｃｏｓΦn ｓｉｎΘn ……………（１３）
Ｙn ＝ΣＬn ｃｏｓΘn ｓｉｎΦn ……………（１４）
Ｚn ＝ΣＬn ｃｏｓΘn ｃｏｓΦn ……………（１５）
なお、前（１３）、（１４）、（１５）式中のΣはｎを順次１からｎまでに置いて積算した値を意味し、それゆえ、例えば、ΣＬn ｃｏｓΦn ｓｉｎΘn は、Ｌ1 ｃｏｓΦ1 ｓｉｎΘ1 〜Ｌn ｃｏｓΦn ｓｉｎΘn の各値の合計値を意味する。いま仮に、ｎ番目の計測ユニット４（ｎ）が被計測点を設定するための被測点計測ユニット６であるとすると、基点計測ユニット５で設定した計測基点に対する被計測点の相対位置は（Ｘn ，Ｙn ，Ｚn ）となり、（１３）、（１４）、（１５）式により容易に算定することができる。こうした前各式による位置の演算は、中央演算処理装置７の演算部で行われる。このように、計測基点に対する被計測点の相対位置は、計測ユニット４，５，６の検出結果に基づいて得られる各光源の方向に関するデータと、光波距離計１０により得られる隣接する計測ユニット間の各距離に関するデータとに基づいて、（３）〜（１５）式に従って演算により計測することができる。
【００３５】
最後に、図６乃至図１５を用いて、本発明の第２具体化例及び第３具体化例の地中掘進機の位置計測装置について説明する。図６は、本発明の第２具体化例の地中掘進機の位置計測装置の全体像を概略的に示す水平断面図、図７は、図６の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットを詳細に示す水平断面図、図８は、図６の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットの後方側からみた斜視図、図９は、図６の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットの前方側からみた斜視図、図１０は、本発明の第２具体化例の地中掘進機の位置計測装置の作動時のイメージを概略的に示す断面図、図１１は、本発明の第３具体化例の地中掘進機の位置計測装置の全体像を概略的に示す水平断面図、図１２は、図１１の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットを詳細に示す水平断面図、図１３は、図１１の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットの後方側からみた斜視図、図１４は、図１１の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットの前方側からみた斜視図、図１１５は、本発明の第３具体化例の地中掘進機の位置計測装置の作動時のイメージを概略的に示す断面図である。
【００３６】
まず、本発明の第２具体化例の地中掘進機の位置計測装置につき図６乃至図１０を用いて説明すると、図１０によく表されているように、すでに述べた第１具体化例の地中掘進機の位置計測装置において、隣接する計測ユニット４（ｎ−１），４（ｎ）の一方の計測ユニット４（ｎ−１）に光波距離計１０を付設する場合に、この光波距離計１０の送光器１０１の発する拡散光による光波が他方の計測ユニット４（ｎ）に配置された受光手段としてのＣＣＤ撮像素子４１２で受光されるようにして、一方の計測ユニット４（ｎ−１）の光源４２を、光波距離計１０における光波発生源としての送光器１０１で代用するようにしたものである。本具体化例の位置計測装置は、こうした構造を備えているので、計測ユニット４（ｎ−１）に付設した光波距離計１０の送光器１０１の発する光波は、反射プリズム１１に入射した後に受光器１０２に向かって反射することにより、光波距離計１０で隣接する計測ユニット４（ｎ−１），４（ｎ）間の距離の計測ができるとともに、その送光器１０１の発する光波は、計測ユニット４（ｎ）のレンズ４１１で集められＣＣＤ撮像素子４１２でも受光され、その結果、計測ユニット４（ｎ）により計測ユニット４（ｎ−１）の光源の方向に相当する値を検出することができる。また、計測ユニット４（ｎ）の光源４２の方向は、第１具体化例と同様、その光源４２の拡散光を計測ユニット４（ｎ−１）のレンズ４１１で集めてＣＣＤ撮像素子４１２で受光することにより検出することができる。こうした構造を採用することにより、隣接する計測ユニット４（ｎ−１），４（ｎ）の一方の計測ユニット４（ｎ−１）の光源を光波距離計１０の送光器１０１で代用することができるため、計測ユニット４（ｎ−１）に設ける光源の数を減少させることができる。
【００３７】
本発明の第３具体化例の地中掘進機の位置計測装置につき図１１乃至図１５を用いて説明すると、図１５によく表されているように、第１具体化例の地中掘進機の位置計測装置において、隣接する計測ユニット４（ｎ−１），４（ｎ）の一方の計測ユニット４（ｎ−１）に拡散光による光波を発する光波距離計１０を付設し、他方の計測ユニット４（ｎ）にその光波を光波距離計１０に向かって反射する反射プリズム１１を付設する場合に、この光波距離計１０の発する拡散光による光波が他方の計測ユニット４（ｎ）に配置されたＣＣＤ撮像素子４１２で受光されるとともに、反射プリズム１１で反射される拡散光による光波が一方の計測ユニット４（ｎ−１）に配置されたＣＣＤ撮像素子４１２で受光されるようにして、一方の計測ユニット４（ｎ−１）の光源４２を光波距離計の送光器１０１で代用するとともに、他方の計測ユニット４（ｎ）の光源４２を反射プリズム１１で代用するようにした。こうした構造を採用することにより、隣接する計測ユニットの対向部に設ける光源を無くすことができて、計測ユニットに設ける光源の数を更に減少させることができる。また、このように光発生源が一つになるため、各計測ユニット４（ｎ−１），４（ｎ）で各光源４２の方向に関するデータを得る場合に光波距離計１０の光波がそのデータに悪影響を及ぼしたり光波距離計１０により隣接する計測ユニット間の各距離に関するデータを得る場合に光源４２の拡散光がそのデータに悪影響を及ぼしたりするのを防止するための周波数選別フィルタ等の手段を設けなくても済む。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明は、課題を解決するための手段の項に示した技術手段を採用しているので、本発明によれば、地中掘進機の掘進位置を計測する際に光を受光手段に当てるための操作しなくても済み、そのための操作機構を要しない地中掘進機の位置計測装置が得られる。また、計測ユニットの取付姿勢が不統一であったり、地中掘進機の掘進時のヨーイングやピッチングによって変化したりしても、こうしたことに影響されることなく、地中掘進機の掘進位置を常に正しく演算して計測することができる。
本発明を具体化する場合、特に、特許請求範囲の請求項２に記載の技術手段を採用すれば、こうした基本的な効果を奏することに加え、隣接する計測ユニットの一方の計測ユニットの光源を光波距離計の光波発生源で代用することにより、計測ユニットに設ける光源の数を減少させることができる。本発明を具体化する場合、特に、特許請求範囲の請求項３に記載の技術手段を採用すれば、前記の基本的な効果を奏することに加え、隣接する計測ユニットの一方の計測ユニットの光源を光波距離計の光波発生源で代用するとともに他方の計測ユニットの光源を光反射手段で代用することにより、隣接する計測ユニットの対向部に設ける光源を無くすことができて、計測ユニットに設ける光源の数を更に減少させることができる。また、各計測ユニットで各光源の方向に関するデータを得る場合に光波距離計の光波がそのデータに悪影響を及ぼしたり光波距離計により隣接する計測ユニット間の各距離に関するデータを得る場合に光源の拡散光がそのデータに悪影響を及ぼしたりするのを防止するための手段を設けなくても済む。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１具体化例の地中掘進機の位置計測装置の全体像を概略的に示す水平断面図である。
【図２】図１の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットを詳細に示す水平断面図である。
【図３】図１の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットの後方側からみた斜視図である。
【図４】図１の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットの前方側からみた斜視図である。
【図５】光波距離計の概略的な構造を示す断面図である。
【図６】本発明の第２具体化例の地中掘進機の位置計測装置の全体像を概略的に示す水平断面図である。
【図７】図６の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットを詳細に示す水平断面図である。
【図８】図６の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットの後方側からみた斜視図である。
【図９】図６の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットの前方側からみた斜視図である。
【図１０】本発明の第２具体化例の地中掘進機の位置計測装置の作動時のイメージを概略的に示す断面図である。
【図１１】本発明の第３具体化例の地中掘進機の位置計測装置の全体像を概略的に示す水平断面図である。
【図１２】図１１の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットを詳細に示す水平断面図である。
【図１３】図１１の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットの後方側からみた斜視図である。
【図１４】図１１の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットの前方側からみた斜視図である。
【図１５】本発明の第３具体化例の地中掘進機の位置計測装置の作動時のイメージを概略的に示す断面図である。
【図１６】図１の地中掘進機の位置計測装置における計測ユニットで光源の方向を検出する原理を説明するための概念図である。
【図１７】図１の地中掘進機の位置計測装置で光を授受しているときの状態を示す要部の水平断面図である。
【図１８】図１の地中掘進機の位置計測装置で計測基点寄りの計測ユニットの方向を算出する手法を説明するための概念図である。
【図１９】図１の地中掘進機の位置計測装置で任意の地点の計測ユニットの方向を算出する手法を説明するための概念図である。
【図２０】図１の地中掘進機の位置計測装置で地中掘進機の掘進位置を算定する基本原理を説明するための概念図である。
【図２１】図１の地中掘進機の位置計測装置で地中掘進機の掘進位置を算定する実際的な手法を説明するための概念図である。
【符号の説明】
１    掘削機
２    地下坑
３    発進立て坑
４    中間測量ユニット
４１  光源方向検出手段
４１１  凸レンズ
４１２  ＣＣＤ撮像素子
４２  光源
４３  コントローラ部
５    基点計測ユニット
６    被測点計測ユニット
７    中央演算処理装置
８    表示装置
１０    光波距離計
１０１  送光器
１０２  受光器
１０４  光電変換素子
１０５  光波距離演算手段
１０６  パルス発生器
１０７  凹面鏡
１１    反射プリズム
Ｇn     ｎ番目の計測ユニットの基準線
Ｌn     隣合ったｎ−１番目とｎ番目の計測ユニットの基準点間の距離、ＬＣ；レンズの中心とＣＣＤ撮像素子の中心の間の距離
Ｖ0     発進方向線
Ｖn     ｎ−１番目とｎ番目の計測ユニットを結ぶ見通し線
Θn     見通し線Ｖn が発進方向線Ｖ0 に対してなす角度のＸ−Ｚ平面上の成分
Φn     見通し線Ｖn が発進方向線Ｖ0 に対してなす角度のＹ−Ｚ平面上の成分
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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