(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中掘削機に設置されかつ地中に電波を送信する地中送信部と、
この地中掘削機の進行方向にほぼ一致する行方向とこの行方向にほぼ直交する        列方向とにほぼマトリックス状に地上に配置される複数の受信アンテナと、
これら複数の受信アンテナの全部又は一部を含む領域内を行方向と列方向とに走査することによりこの領域内の各受信アンテナの受信信号を選択的に通過させる走査部と、
この走査部によって選択的に通過せしめられた前記領域内の各受信アンテナの受信信号の波形を各受信アンテナの配列に対応させて表示する波形表示部とを備え、
前記波形表示部は、前記送信部による電波の送信時点を最上部の横軸に、その後の時間の経過を下向きの縦軸にそれぞれ設定し、前記各受信アンテナの受信信号波形を各受信アンテナの空間的な配列の順序に従って、横軸方向に配列しながら表示する手段を備えたことを特徴とする地中掘削機の位置検出システム。
【請求項２】
地中掘削機に設置されかつ地中に電波を放射する地中送信部と、
この地中掘削機の進行方向にほぼ一致する行方向とこの行方向にほぼ直交する列方向とにほぼマトリックス状に地上に配置される複数の受信アンテナと、
これら複数の受信アンテナの全部又は一部を含む領域内に行方向と列方向とに走査することによりこの領域内の各受信アンテナの受信信号を選択的に通過させる走査部と、
この走査部によって選択的に通過せしめられた前記領域内の各受信アンテナの受信信号の出現タイミングと振幅の一方又は双方の関係に基づき前記地中送信部の位置を検出する手段を備えたことを特徴とする地中掘削機の位置検出システム。
【請求項３】
請求項１又は２のいずれかにおいて、
前記走査部によって選択的に通過せしめられた各行内の受信アンテナの受信信号の総和を算定し、この総和が最大となる行に対して列方向への走査を行わせる手段を備えたことを特徴とする地中掘削機の位置検出システム。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記地中送信部は、前記地中掘削機の先端部の側面に沿って配置され、同時に電波を放射する複数の送信アンテナを備えたことを特徴とする地中掘削機の位置検出システム。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記複数の受信アンテナは、電気絶縁性のシートの上に配列されたことを特徴とする地中掘削機の位置検出システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地中に小径のトンネルを形成する地中掘削機の位置の検出に利用される地中掘削機の位置検出システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、地上からの開削を行うことなく地中に大径のトンネルを形成する工法として地中の作業者によって地中の掘削機の操作が行われるシールド工法が良く知られている。最近、このシールド工法とは異なり地上の作業者の操作に基づいて地中に極めて小径のトンネルを掘削するという非開削ドリリング工法が開発されてきた。このような非開削ドリリング工法では、可撓性の長尺体の先端部に直径数ｃｍ乃至数十ｃｍ程度の掘削機を取付け、地上に設置した駆動装置に長尺体の根元端部を取付け、この長尺体に回転力と推進力を付与するように構成されている。
【０００３】
このような非開削ドリリング工法では、地中に埋設された水道管やガス管などの障害物への接触を回避するために地中掘削機の先端部に地中レーダを設置し、障害物を検出する方法が開発されてきた。このような地中レーダが設置された地中掘削機については、必要に応じて、本出願人の先願に係わる特願平１０ー３１４１５１号などを参照されたい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記地中掘削機では、先端に掘削機が取付けられる可撓性の長尺体は、その直径が小さいことから曲げ剛性が小さく、しかも、最後尾から推進力が伝達される構成となっている。このため、先端部の掘進方向が曲がり易く、真っ直ぐなトンネルを形成することがむずかしい。
【０００５】
掘進経路を直線や所望の形状となるように制御するには、まず、先端の掘削機の位置を検出することが必要になる。しかしながら、従来掘削機に取付けられてきた地中レーダ装置は、掘削機から見た障害物の相対的な位置を検出するには有効であるが、掘削機の位置自体の検出には利用できないという問題がある。従って、本発明の目的は、地中掘削機の先端部の位置を容易かつ正確に検出できる地中掘削機の位置検出システムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記従来技術の課題を解決する第１の発明に係わる地中掘削機の位置検出システムは、地中掘削機に設置されかつ地中に電波を送信する地中送信部と、この地中掘削機の進行方向にほぼ一致する行方向とこの行方向にほぼ直交する列方向とにほぼマトリックス状に地上に配置される複数の受信アンテナと、これらの受信アンテナの全部又は一部を含む領域内を行方向と列方向とに走査することにより各受信アンテナの受信信号を選択的に通過させる走査部と、この走査部によって選択的に通過せしめられた領域内の各受信アンテナの受信信号の波形を各受信アンテナの配列に対応させて表示する波形表示部とを備えている。
そして、この波形表示部は、送信部による電波の送信時点を最上部の横軸に、その後の時間の経過を下向きの縦軸にそれぞれ設定し、各受信アンテナの受信信号波形を各受信アンテナの空間的な配列の順序に従って、横軸方向に配列しながら表示する手段を備えている。
【０００７】
上記従来技術の課題を解決する第２の発明に係わる地中掘削機の位置検出システムは、上記第１の発明に係わるシステム中の波形表示部の代わりに、上記走査部によって選択的に通過せしめられた上記領域内の各受信アンテナの受信信号の出現タイミングと振幅の一方又は双方の関係に基づき上記地中送信部の位置を検出する手段を備えている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
上記第１，第２の発明の一つの好適な実施の形態によれば、上記地中送信部は、上記地中掘削機の先端部の側面に沿って設置され、同時に電波を放射する複数のアンテナを備えている。
【０００９】
上記第２の発明の他の好適な実施の形態によれば、上記位置検出部は、上記領域内の各受信アンテナの受信信号の出現タイミングに基づき上記地中送信部の位置を検出する手段を備えている。
【００１０】
上記第２の発明の更に他の好適な実施の形態によれば、上記位置検出部は、領域内の各受信アンテナの受信信号の振幅に基づき上記地中送信部の位置を検出する手段を備えている。
【００１１】
上記第２の発明の更に他の好適な実施の形態によれば、上記位置検出部は、領域内の各受信アンテナの受信信号の出現タイミングと振幅とに基づき上記地中送信部の位置を検出する手段を備えている。
【００１２】
【実施例】
図１は、本発明の一実施例に係わる地中掘削機の位置検出システムを位置検出対象の地中掘削機と共に示す図であり、下段は地中の様子を示す断面図、上段は地上の様子を示す平面図である。この地中掘削システムでは、地上に設置される本体部Ｍに、可撓性を有する長尺のロッドＲが機械的に結合される。この可撓性のロッドＲは、一定長さの部分が順次継ぎ足されることによって延長され、その先端には掘削機Ｐが固定されている。このロッドＲの先端部の掘削機Ｐには、本体部ＭからロッドＲを介して回転力と推進力とが伝達され、その先端に斜めに取付けられた掘削刃により地中にトンネルが形成される。
【００１３】
図２は掘削機Ｐの内部に設置される地中送信部の機能上の構成を示す機能ブロック図である。掘削機Ｐの先端部には掘削刃ＢＬが斜めに取付けられ、その中央部分には、前方監視用レーダ装置の送信アンテナＴＡと受信アンテナＲＡが設置されている。掘削機Ｐの内部に設置された送信部ＴＸは、同期信号発生回路ＳＹが発生した同期信号ｓｙに同期して、前方の地中に電波を放射する。前方の障害物で生じた反射波は受信部ＲＸで受信され、合成回路ＡＤにおいて同期信号ｓｙと合成され、信号線ＳＬ３を介して、ロッドＲ内を通して地上に転送される。
【００１４】
円筒形状の掘削機Ｐの側面には、それぞれがダイポールアンテナで構成される複数の送信アンテナＴ１，Ｔ２，Ｔ３・・・・が掘削機Ｐの中心軸の回りに幾何学的な対称性を保ちながら取付けられている。送信回路ＴＴが同期信号ｓｙに同期して発生した送信信号は、これらの送信アンテナから位置検出用信号として同時に地中に放射される。送信アンテナＴ１，Ｔ２，Ｔ３・・・のそれぞれは、指向性を有しているが、これらの指向性アンテナを掘削機の側面上に幾何学的に対称に複数設置し、同時に信号を送信させることにより、実質的に、単一の無指向性の仮想的な送信アンテナＴＴから地中に位置検出用信号を送信すると近似することができる。
【００１５】
図３は、上記地中送信部の動作に関連する同期信号や送信波形などのタイミングを説明するための信号波形図である。最上段に示す同期信号ｓｙをトリガとして、前方監視用レーダ装置の送信アンテナＴＡから前方の地中に前方監視用送信信号ｔが送信され、地中の反射物体からの反射信号ｒが受信アンテナＲＡに受信される。これらの前方監視用レーダ装置の送信信号ｔや受信信号ｒとは時間的に重なり合わないタイミングで、送信アンテナＴ１，Ｔ２，Ｔ３・・・・で構成される仮想的な単一の無指向性アンテナＴＴから位置検出用の送信信号ｔｔが放射される。
【００１６】
ここで、図１の上段を参照すると、掘削機Ｐによってトンネルを形成しようとする領域の上方の地面には、樹脂などの電気絶縁性のシートの上に受信アンテナの群を一定の間隔で二次元方向に配列させたアンテナシートＡＳが載置されている。このアンテナシートＡＳ上に形成された各受信アンテナＲｉ  ｊ  は、頂点を対向させて配置される１対の三角形状の導体薄板から成るダイポールアンテナから構成されている。各受信アンテナは、地中掘削機Ｐの進行方向にほぼ一致する８個の列Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３・・・Ｃ８の配列方向と、この列方向にほぼ直交する１１個の行Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３・・・・Ｌ１１の配列方向とに沿ってマトリックス状に配置されている。
【００１７】
各行の８個の受信アンテナは、第６行Ｌ６で代表して図示されているように、各行ごとに形成された受信アンテナ切替え回路ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３・・・・ＳＷ１１に接続されている。そして、各行の受信アンテナ切替え回路ＳＷ１〜ＳＷ１１は、本体装置Ｕから信号線ＳＬ２上を送信される行選択指令信号に従って選択されると、同じく本体装置Ｕから送信される列選択指令信号に従って行内の８個の受信アンテナを順次一つずつ選択して信号線ＳＬ１に接続してゆくという受信アンテナの行内の走査を実行する。上記行選択指令信号によって選択されていない受信アンテナ切替え回路ＳＷ１〜ＳＷ１１は、自行内の全ての受信アンテナを信号線ＳＬ１から切り離す。
【００１８】
本体装置Ｕは、図４に機能ブロック図として示すように、信号処理部ＰＲ、信号分離部ＤＶ、走査制御部ＳＣ、表示部ＤＳ、位置・深さ検出部ＣＬを備えている。上述した掘削機Ｐ内の信号合成部ＡＤ（図２）から信号線ＳＬ３上に送出された前方監視用レーダ装置の受信反射信号と、同期信号との合成信号は、地中掘削部の本体部Ｍから取り出され、本体装置Ｕ内の信号分離部ＤＶに供給される。この信号分離部ＤＶで分離された前方監視用レーダ装置の受信反射信号は、図示しない前方監視用のレーダ装置に供給され、同期信号ｓｙは信号処理部ＰＲに供給される。
【００１９】
信号処理部ＰＲは、信号分離部ＤＶから供給された同期信号ｓｙに基づき地中の仮想的な無指向性の送信アンテナＴＴから行われた位置検出用の送信信号ｔｔの送信時点を検出する。信号処理部ＰＲは、この送信時点を基準点とし、信号線ＳＬ１を通して供給された各受信アンテナＲｉ  ｊ  の受信信号を処理する。まず、信号処理部ＰＲは、動作開始の直後には、走査制御部ＳＣから信号線ＳＬ２上に行選択指令信号を出力させることにより、アンテナシートＡＳ上の全ての受信アンテナＲｉ  ｊ  について行方向と列方向とに走査し、各受信アンテナによる受信レベルの大小に基づいて送信アンテナに最も近い行を検出する。
【００２０】
この最も近い行の検出は、一例として、各行ごとに８個の受信アンテナの受信レベルの総和を算定し、この総和が最大となる行を地中の仮想的な送信アンテナＴＴに最も近い行として検出することによって行われる。信号処理部ＰＲは、上述のようにして最も近い行を検出すると、この最も近い行のみについて列方向への走査を開始する。
【００２１】
この実施例では、高精度を実現するために、地中の送信アンテナＴＴから一定の周期で位置検出用信号を送信し、１個の受信アンテナで受信した位置検出用信号波形を一定微小量ずつタイミングをずらしながらサンプリングしてゆくことによって実質的に時間軸を拡大して受信するというサンプリング方式を採用するものとする。この場合、一例として、同期信号の周期を１０μｓｅｃ  、受信アンテナの切り換え周期を５ｍｓｅｃ  に設定し、地中の送信アンテナＴＴと地上の１個の受信アンテナとの間で５００  回にわたって反復された送受信の結果得られた時間軸の伸長された受信波形が１個の受信アンテナの受信波形として検出される。
【００２２】
信号処理部ＰＲは、上述の処理によって得た各受信アンテナの受信信号波形を内蔵のメモリに暫定的に保存しながら、これを表示部ＤＳに転送し表示させる。この表示波形の一例は、図４に示すように、同期信号ｓｙの送信時点を最上部の横軸に設定し、その後の時間の経過を下向きの縦軸に設定し、各受信アンテナの受信信号波形を各アンテナの空間的な配列の順序に従って、横方向に配列したものである。
【００２３】
各受信アンテナにおいて、早く出現した受信信号ほど上方に表示される。各受信アンテナにおいて、最上段の横軸と、各受信信号の出現時点との間の距離は、地中の送信アンテナＴＴと各受信アンテナＲｉ  ｊ  との間を電波が伝播するのに要した伝播所要時間τｉ  ｊ  、すなわち、地中の送信アンテナと各受信アンテナとの距離を示す。図示の例では、送信アンテナは、第４列の受信アンテナの近傍に存在すると判定される。
【００２４】
上記受信波形の表示と並行して、位置深さ算出部ＣＬでは、各受信アンテナの受信信号波形の伝播所要時間τｉ  ｊ  に基づき、地中の送信アンテナＴＴの水平面上の位置と、深さとが算定される。この送信アンテナＴＴの深さの算定に必要な土中の誘電率は、特許第２５５７６８２号などに開示されているように、既知の長さの土中を電磁波が伝播するのに要する伝播所要時間を実測することなどによって算定される。このようにして算定された送信アンテナＴＴの位置や深さは、信号処理部ＰＲを介して表示部ＤＳに数値によって表示される。操作者は、上記受信信号波形や、数値によって地中の送信アンテナＴＴ、すなわち掘削機Ｐの先端部の位置を検出する。
【００２５】
掘削機Ｐの掘進方向の修正は、この掘削機Ｐの回転角度を所望の値に固定した状態でロッドを介して推進力を与えることにより行われる。すなわち、掘削刃ＢＬが円筒形状の掘削機Ｐの中心軸に対して傾斜して取付けられているため、土壌から掘削刃の法線方向に作用する反力により、掘削機Ｐの向きが変更される。
【００２６】
以上、各受信アンテナの受信信号波形の出現時点、すなわち、地中の電波の伝播所要時間に基づき地中の送信アンテナの位置を検出する場合を例示した。しかしながら、この伝播所要時間の代わりに、あるいは、この伝播所要時間と組合せる形で、各受信アンテナの受信信号のレベルに基づき地中の送信アンテナの位置を検出する構成を採用することもできる。この受信レベルによる位置の検出方法は、地中における電波の伝播損失が地上におけるよりもはるかに大きいことを考慮すると極めて有効である。
【００２７】
また、地中掘削機の側面に複数の送信アンテナを配列し同時に電波を放射することにより単一の無指向性の送信アンテナを構成する場合を例示した。しかしながら、指向性の送信アンテナを掘削機の側面に１個だけ設置し、この掘削機の回転角度と同期して、例えば、この送信アンテナが上を向いた時点に電波を送信させる構成とすることもできる。
【００２８】
更に、前方監視用レーダ装置の送信部とは別個に地中送信部を設置する構成を例示した。しかしながら、この前方監視用レーダ装置の送信部をこの位置検出システムの地中送信部と兼用する構成を採用することもできる。
【００２９】
また、各受信アンテナの受信信号をサンプリング方式で時間軸を実質的に拡大しながら検出する構成を例示した。しかしながら、多少の精度の低下が許容できるような場合には、このようなサンプリング方式を採用せずに直接検出する構成とすることもできる。
【００３０】
さらに、地中の送信アンテナに最も近い行について、行内の全ての受信アンテナを走査する構成を例示した。しかしながら、地中の送信アンテナＴＴの位置がある程度判明した時点では、地中アンテナに最も近い行内のこれに最も近い一部の受信アンテナのみを走査する構成とすることもできる。また、地中アンテナに最も近い行内だけでなく隣接する複数の行について受信アンテナの走査を行う構成とすることもできる。
【００３１】
また、各受信アンテナの受信信号波形を表示すると共に、地中の送信アンテナの位置と深さとを算出する処理を行う場合を例示した。しかしながら、装置の簡易化を図るため、そのような地中アンテナの位置や深さの算出を行うことなく、受信信号波形の表示のみを行い、作業者がこれらの受信信号波形から位置や深さを判定するように構成することもできる。
【００３２】
さらに、複数の受信アンテナをマトリックス状に配列する構成を例示した。しかしながら、掘削機の位置が遠方にいくほど大きくそれていく傾向がある点を考慮して、複数の受信アンテナを扇型の領域内に極座標と同様に、角度と距離によって定められる位置に配列する構成とすることもできる。
【００３３】
以上詳細に説明したように、本発明の位置検出システムは、地中掘削機に取付けた地中送信部から電波を送信し、地上にマトリックス状に配置される複数の受信アンテナで受信した受信信号波形を各受信アンテナの空間的な配列の順序に従って横軸方向に配列しながら表示したり、受信信号の出現タイミングと振幅の一方又は双方の関係に基づき地中送信部の位置を検出する構成であるから、掘削機の位置を相当な角度で検出できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係わる地中掘削機の位置検出システムを検出対象の地中掘削機と共に示す図であり、下段は地中の様子を示す断面図、上段は地上の様子を示す平面図である。
【図２】図１中の掘削機Ｐの内部に設置される地中送信部の機能上の構成を示す機能ブロック図である。
【図３】上記地中送信部の動作に関連する同期信号や送信波形などのタイミングを説明するための信号波形図である。
【図４】地上に設置される本体装置Ｕの機能上の構成を示す機能ブロック図である。
【符号の説明】
Ｐ            地中掘削機
Ｒ            ロッド
Ｍ        掘削装置の本体部
ＴＴ            地中送信部の送信アンテナ
ＡＳ      アンテナシート
Ｒｉｊ          マトリックス状に配列される受信アンテナ
ＳＷ１〜ＳＷ８  受信アンテナ切替え回路
ＳＬ１〜ＳＬ３  信号線
Ｕ            本体装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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