(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
螺合によって継ぎ足される複数の管状体から成り、根元側が結合された駆動装置によって軸線のまわりに回転され地中に推進される細長の中空体と、
この中空体の先端部に取り付けられた掘削工具と、
この中空体の先端部に取り付けられた地中探査部と、
ある軸のまわりの回転対称性を有すると共にこの回転対称軸を前記各管状体の中心軸に一致させながら各管状体の螺合部に取付けられるコネクタを有し、上記中空体の先端部に設置された探査部から出力される電気信号をこの中空体の根元側に伝送する伝送線路と
を備えたことを特徴とする地中掘削装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記コネクタは双方向伝送が可能な構成を有し、前記中空体の根元側から前記探査部に対しても電気信号が伝送されることを特徴とする地中掘削装置。
【請求項３】
請求項１と２のそれぞれにおいて、
前記コネクタは、非一体型の電磁結合器であることを特徴とする地中掘削装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記非一体型の電磁結合器は、互いに対向して配置される１対の円形ポットコアと、これらポットコアのそれぞれに巻回された捲線を備えた変成器から成ることを特徴とする地中掘削装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記電気信号の中心周波数を前記変成器の伝達特性に最適の周波数に変換するための周波数変換器がこの変成器の前段に配置されたことを特徴とする地中掘削装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のそれぞれにおいて、
前記中空体の内部にはその根元側から供給されてその先端部から地中に吐出される高圧の水の送水経路が形成されると共に、前記コネクタは前記高圧の水への耐性を備えたことを特徴とする地中掘削装置。
【請求項７】
請求項２において、
前記中空体の根元側から前記探査部に対して伝送される電気信号にはこの探査部に供給される電源電力成分が含まれることを特徴とする地中掘削装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記伝送される電気信号のうち電源電力成分は他の信号成分と時分割多重化されて伝送されることを特徴とする地中掘削装置。
【請求項９】
請求項１乃至６のそれぞれにおいて、
前記中空体の先端部には、この中空体の回転運動を電力に変換する発電機が内蔵されたことを特徴とする地中掘削装置。
【請求項１０】
請求項１乃至６のそれぞれにおいて、
前記中空体の先端部には、この中空体の内部を送水される前記高圧の水の流動エネルギーを電力に変換する発電機が内蔵されたことを特徴とする地中掘削装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、シールドマシンなどと称される地中掘削機に関するものであり、特に、先端部分に障害物探知用のレーダ装置を搭載した地中掘削機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トンネルを形成する非開削工法としてシールド掘削工法が知られている。最近、超小型のシールド掘削システムとして、ロッドなどと称される可撓性を有する長尺体の先端に直径50ｍｍ〜60ｍｍ程度の寸法の掘削刃を取付け、このロッドの根元側を地上に設置した駆動装置によって回転、推進させることにより、地中に配管敷設用の小径のトンネルを形成する工法が採用されてきている。このようなシールド掘削工法は、非開削ドリリング工法などと称されている。
【０００３】
このような非開削ドリリング工法では、形成中のトンネルの長さの増加に合わせて、一定長のパイプが次々と継ぎ足されてゆくことにより、ロッド長が増加せしめられる。パイプの継ぎ足しは作業現場において迅速に行う必要があり、このため、各パイプの端部にネジ溝を形成しておきこれらのネジ溝を螺合させることによって上記パイプの継ぎ足しが行われる。また、先端の掘削刃の冷却と、掘削対象の土壌の軟化を図るという目的から、地上の根元部分からロッド内を通して４０気圧程度の高圧の水を送水し、その先端部から地中に吐出することが行われている。
【０００４】
上記従来の非開削ドリリング工法では、トンネルの形成に先立って、形成対象の地中のガス管、水道管、電力ケーブル等の既設の設備の埋設状況が地上から地中レーダ装置を操作することによって探査され、既設の埋設物への接触を回避できるようなトンネルの形成ルートが決定される。しかしながら、実際には、測定誤差などによって形成途中のトンネルが地中の埋設物に接触したりすることも起こり得る。このような事態を回避するために、ロッドの先端部分に小型の地中レーダ装置を取付け、前方の障害物の有無を確認しながら掘削を行うことが考えられるようになってきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記地中レーダの設置には、これをいかにして小型化するかという問題に加えて、地中レーダ装置の探査結果をどのようにして地上に送信するかというという問題と、地中レーダ装置にどのようにして動作電力を供給するかという問題を解決する必要がある。何故ならば、地上と地中レーダ装置との間を電気ケーブルで接続しようとする場合にはパイプの継ぎ足しに伴ってケーブルの継ぎ足しも必要になる。しかしながら、このケーブルの継ぎ足しを作業現場で迅速に行うことが意外に困難であるからである。
【０００６】
そこで、地上と地中レーダ装置との間を電気ケーブルで接続することなく、この地中レーダ装置の測定結果を別途設置した交信用送信アンテナ装置から地表に向けて土中に送信し、これを地表に配置した受信器で受信するワイヤレスの方式が検討されてきた。このワイヤレスの方式では、地中レーダ装置の動作電力の供給は、ロッドの先端部に収納した蓄電池から行われる。
【０００７】
しかしながら、このワイヤレス方式では、地中から地表に向けて送信された電気信号の減衰は極めて大きいため、その受信用アンテナを地中の交信用送信アンテナに近接させて、すなわち、ロッドの先端部分に近接させて配置することが必要になる。しかしながら、地中とは異なり地表には民家などの構築物が存在するため、送信アンテナの近傍に何時でも受信アンテナを配置できるとは限らず、そのような場合、地中の交信用アンテナから送信された電波を受信できなくなる。
【０００８】
また、地中レーダは、地中の電波の大きな減衰量のもとで一定のＳＮ比を確保するため、大電力の電波を送信する必要がある。このため、地中レーダの消費電力は大きなものとなり、この大きな消費電力をまかなうための大容量の蓄電器を小径のロッド内に設置することが困難になる。この結果、蓄電器の頻繁な交換が必要となり、掘削作業全体の能率が低下するという問題がある。また、ワイヤレス方式では、交信用送信アンテナやその前段の送信回路などを併設しなければならないため、装置全体の小型化と低消費電力化が困難になるという問題もある。
【０００９】
従って、本発明の目的は、ロッド先端部に設置される地中レーダ装置と、地上装置との間の電気信号や電源電力の伝達を安価な構造のもとに確実に行える非開削ドリリング工法の地中掘削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】
上記従来技術の課題を解決する本発明の地中掘削装置は、ある軸のまわりの回転対称性を有すると共にこの回転対称軸を各管状体（パイプ）の中心軸に一致させながら各管状体の螺合部に取付けられるコネクタを有し、上記複数の管状体によって構成される細長の中空体（ロッド）の先端部に設置された探査部から出力される電気信号をこの中空体の根元側に伝送する伝送線路を備えている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施の形態によれば、上記コネクタは双方向伝送が可能な構成を有し、上記中空体の根元側から上記探査部に対しても電気信号が伝送される。
【００１２】
本発明の他の好適な実施の形態によれば、上記コネクタは非一体型の電磁結合器であり、例えば、互いに対向して配置される１対の円形ポットコアと、これらポットコアのそれぞれに巻回された捲線を備えた変成器から構成される。更に好適には、電気信号の中心周波数を上記変成器の伝達特性に最適の周波数に変換するための周波数変換器がこの変成器の前段に配置されている。
【００１３】
本発明の更に好適な実施の形態によれば、上記中空体の内部にはその根元側から供給されてその先端部から地中に吐出される高圧の水の送水経路が形成されると共に、上記コネクタは上記高圧の水への耐性を備えている。
【００１４】
本発明の他の好適な実施の形態によれば、上記中空体の根元側から上記探査部に対して伝送される電気信号にはこの探査部に供給される電源電力成分が含まれており、好適には、この電源電力成分は他の信号成分と時分割多重化されて伝送される。
【００１５】
本発明の他の好適な実施の形態によれば、上記中空体の先端部には、この中空体の回転運動を電力に変換する発電機が内蔵されるか、あるいは、この中空体の内部を送水される高圧の水の流動エネルギーを電力に変換する発電機が内蔵されることにより、地上からの給電が不要にせしめられる。
【００１６】
【実施例】
図１は、本発明の一実施例の地中掘削装置の構成を示す模式図である。この地中掘削装置は、地上に設置される駆動装置Ｑと、複数の管状体（パイプ）Ｐｏ，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４から成る細長の中空体（ロッド）Ｒと、この中空体Ｒの先端部分に取付けられた掘削刃Ｂ及び高圧水吐出用ノズルＮとを備えている。
【００１７】
中空体Ｒの先端部の掘削刃Ｂの裏面には地中レーダ装置のアンテナＡＴが取付けられており、このアンテナＡＴは地中探査部を含む地中側装置Ｅに接続されている。この地中側装置Ｅと地上に設置された地上側装置Ｄとは、管状体の接続部に形成されるコネクタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を介在させながら中空体Ｒの内部を延長されるケーブルＬによって接続されている。
【００１８】
管状体Ｐｏ，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の接続部に形成されるコネクタＣ１，Ｃ２，Ｃ３．Ｃ４は全て同一の構造を有している。図２と図３は、これらのコネクタの構成を管状体Ｐ１とＰ２の接続部に形成されるコネクタＣ２で代表して示す断面図である。図２は管状体Ｐ１，Ｐ２の中心軸を含む面で切断して示す縦断面図であり、図３は管状体Ｐ１，Ｐ２の中心軸と直交する面で切断して示す横断面図である。
【００１９】
このコネクタＣ２は、互いに対向して配置される１対のフェライトを素材とする円形ポットコア１ａ，１ｂと、これらポットコア１ａ，１ｂのそれぞれに巻回された捲線２ａ，２ｂとを備えた変成器から成る非一体型の電磁結合器である。円形のポットコア１ａと１ｂのそれぞれは回転対称性を有しており、それぞれの回転対称軸を円形断面の管状体Ｐ１，Ｐ２のそれぞれの中心軸に一致させるように、管状体Ｐ１，Ｐ２のそれぞれの端部に固定される。この固定を行うために、管状体Ｐ１，Ｐ２の端部に保持具７ａ，７ｂが嵌合され、これらの保持具７ａ，７ｂの内部にポットコア１ａと１ｂが保持される。
【００２０】
保持具７ａ内に保持されたポットコア１ａは、同じくこの保持具７ａ内に保持されているバネ６ａと６ｂとによって、図示しないストッパによって制限される位置まで前方に押し出され、その前端面が対向するポットコア１ｂの前端面に押圧される。ポットコア１ａの前端面には、４弗化エチレンなどの摩擦の小さな誘電体の薄片３が介在せしめられ、対向するポットコア１ｂとの間で滑らかな回転動作が確保される。
【００２１】
保持具７ａと７ｂの外周部には、４０気圧程度の高圧の水を中空体Ｒの先端部に向けて流すための開口８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ・・・が形成されている。この高圧水の圧力によるポットコアの機械的な破壊を防止すると共に、これに巻回された捲線２ａ，２ｂの短絡を防止するために、ポットコア１ａ，１ｂの内部の空隙部分４ａ，４ｂと、保持具７ａ，７ｂの空隙部分５ａ，５ｂには、ドットを付して図示するように、予め樹脂が充填されている。
【００２２】
このコネクタＣ２は、管状体Ｐ１とＰ２がそれぞれの端部の外周面に形成されたネジ溝Ｘによって互いに螺合される際に、この管状体どうしの螺合と同時に形成される。このことは、ポットコア７ａ，７ｂの回転対称軸を管状体Ｐ１，Ｐ２の中心軸と一致させたことによって可能になる。従って、現場の作業者は、コネクタの存在を意識することなく、管状体の螺合によるその継ぎ足し作業のみを意識することによって、管状体の延長に伴って必要になるケーブルの延長を無意識のうちに自動的に行うことが可能になる。
【００２３】
図４は、図１中の地上側装置Ｄと地中側装置Ｅの構成の一例を示す機能ブロック図である。地上側装置Ｄは、信号処理部Ｄ１、表示部Ｄ２、給電部Ｄ３及び多重化／分離部Ｄ４を備えている。また、地中側装置Ｅは、地中探査部Ｅ１、周波数変換部Ｅ２、整流・給電部Ｅ３及び多重化／分離部Ｅ４とを備えている。
【００２４】
地上側装置Ｄ内の給電部は、図５の波形図に例示するように、変成器の通過帯域内の周波数のバースト状の大振幅の交流電力Ｔを一定の周期で発生し、これを多重化／分離部Ｄ４に供給する。多重化／分離部Ｄ４は、一定の周期で切り替えられるスイッチなどから構成され、給電部Ｄ３から供給される大振幅の一定周期のバースト状の交流電力Ｔを一定の期間にわたってケーブルＬ上に転送すると共に、ケーブルＬ上に同一の周期でずれたタイミングで出現するバースト状の信号Ｓを一定の期間にわたって信号処理部Ｄ１に転送することにより、時分割多重化と、多重分離とを行う。
【００２５】
同様に、地中側装置Ｅ内の多重化／分離部Ｅ４は、地中探査部Ｅ１から周波数変換部Ｅ２を介して供給される一定周期のバースト状の信号ＳをケーブルＬ上に転送すると共に、ケーブルＬ上に同一の周期でずれたタイミングで出現する大振幅のバースト状の交流電力Ｔを整流・給電部Ｅ３に転送することにより、時分割多重化と、多重分離とを行う。
【００２６】
整流・給電部Ｅ３は、多重化／分離部Ｅ４から供給されるバースト状の交流電力を整流することにより一定電圧の直流電力に変換し、この直流電力を地中探査部Ｅ１と周波数変換部Ｅ２と多重化／分離部Ｅ４に供給する。なお、多重化／分離部Ｅ４は、整流・給電部Ｅ３からの直流電力の給電が開始されるまでは、ケーブルＬに出現する全ての電気信号を整流・給電部Ｅ３に転送するように初期設定されている。
【００２７】
地中探査部Ｅ１は、整流・給電部Ｅ３から直流電力の供給を受けて動作を開始し、送信アンテナから一定の周期で地中にパルス状の電波を放射し、地中で生じた反射波を受信アンテナを介して受信する。地中探査部は、電波の送信から反射波の受信までに要した時間に関する情報を含む信号Ｓを周波数変換部Ｅ２を介して多重化／分離部Ｅ４に供給する。この周波数変換部Ｅ２は、地中探査部Ｅ１から供給された信号を、図２に例示した変成器の通過損失や帯域特性などの電気特性に関して最適の周波数に変換して多重化／分離部Ｅ４に供給する。
【００２８】
上記信号Ｓは、ケーブルＬによって地上側装置Ｄに転送され、その多重化／分離部Ｄ４を介して信号処理部Ｄ１に転送される。信号処理部Ｄ１は、地中探査部Ｅ１から転送されてきた信号を処理することにより、レーダ画面を作成し、これを表示部Ｄ２に転送する。このレーダ画面は、ブラウン管や高輝度の液晶装置などで構成される表示部Ｄ２に表示される。作業者は、この表示部Ｄ２に表示中のレーダ画面を観察することによって障害物を監視しながら掘削作業を進めることができる。
【００２９】
このように、信号成分と電力成分とが時分割多重化されるため、振幅多重化の場合に比べて磁気回路の飽和に伴う信号成分の歪みが小さくなり、そのぶんＳ／Ｎ比が向上する。また、信号成分と電力成分とが周波数多重化される場合に比べて、両成分について変成器内の通過損失の低減が可能になり、信号成分のＳ／Ｎ比の向上や、電力成分の高効率の伝送が可能になる。
【００３０】
図６は、本発明の他の実施例を示す断面図である。この実施例では、先端の管状体Ｐｏ内に発電機が設置される。この発電機は、管状体Ｐｏと同軸の状態でこの管状体Ｐｏ内に保持されて管状体Ｐｏと一緒に回転する中心軸Ｚと、この中心軸ＺにベアリングＵを介して吊り下げられた永久磁石Ｍと、管状体Ｐｏの内周面にはめ込まれたヨークＹから等角度間隔で突出する４個の磁極（ポール）ＰＬ１〜ＰＬ４と、これらの磁極に巻回された捲線Ｗとを備えている。
【００３１】
中心軸ＺからベアリングＵを介して吊り下げられた永久磁石Ｍは、管状体Ｐｏが地上装置から伝達される回転力によって回転し、従って中心軸Ｚが回転しても自重とベアリングＵによる滑りとによって静止状態を保つ。この結果、管状体Ｐｏと共に回転する４個の磁極ＰＬ１〜ＰＬ４が次々に、永久磁石Ｍの真下を通過してゆき、この通過の際に、永久磁石Ｍから出て磁極に巻回された捲線Ｗと交差する磁束密度が変化し、端子ｗ１，ｗ２間に交流電圧が誘起され、これが整流されて直流電力となり地中側装置内の各部に動作電力として供給される。
【００３２】
中心軸Ｚと永久磁石Ｍとの間にベアリングを設置する代わりに、これを管状体Ｐｏと中心軸との間に設置することにより、管状体Ｐｏが回転しても中心軸Ｚがこの管状体ｐｏとの間に設置されたベアリングと永久磁石の自重とによって静止状態を保つ構成を採用することもできる。
【００３３】
図７は、本発明の他の実施例を示す断面図である。この実施例でも、先端の管状体Ｐｏ内に発電機が設置される。この発電機は、管状体Ｐｏと同軸の状態でこの管状体Ｐｏ内に保持されて管状体Ｐｏと一緒に回転する中心軸Ｚと、この中心軸Ｚのまわりに回転自在に保持された回転体Ｇと、この管状体ｐｏ内を流動する高圧水の水流で回転体Ｇを回転させるプロペラＰＰとを備えている。回転軸Ｚと回転体Ｇのそれぞれの側に、永久磁石と捲線とが対向して設置され、捲線に交流電力が誘起される。
【００３４】
上述のように、中空体Ｒ自体の回転力や高圧水の流動エネルギーを利用して中空体Ｒの先端部分で発電を行う構成を採用することにより、地上から電力を送電する必要がなくなり、送電系統の簡略化が可能になる。
【００３５】
以上、コネクタとして変成器を使用する場合を例示した。しかしながら、棒状のピンとこれを収容する管状のレセプタクルとが機械的な接触を保ちながら回転自在に嵌合される構造の同軸コネクタを、その軸線を管状体の軸線に一致させて配置した構造など他の構造を利用することもできる。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の地中掘削装置は、コネクタの回転対称軸を管状体の中心軸に一致させながら各コネクタを管状体の螺合部に取付ける構成であるから、現場の作業者は、コネクタの存在を意識せずに、管状体の螺合による結合作業のみを意識することによって、管状体の延長とこれに伴うケーブルの延長とを迅速・確実に行うことができる。
【００３７】
本発明の好適な実施の形態によれば、上記コネクタは非一体型の電磁結合器であるから、安価で、確実な伝送路を形成することができる。
【００３８】
本発明の他の好適な実施の形態によれば、中空体の回転エネルギーや高圧水の流動エネルギーを利用して中空体の先端部分で発電を行う構成であるから、地上から地中側装置への給電系統が簡略化できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の地中掘削装置の構成を示す模式図である。
【図２】図１中のコネクタＣ１〜Ｃ４の構成をコネクタＣ２で代表し、これを管状体Ｐ１、Ｐ２の中心軸を含む面で切断して示す縦断面図縦断面図である。
【図３】上記コネクタＣ２を管状体Ｐ１、Ｐ２の中心軸と直交する面で切断して示す横断面図である。
【図４】図１中の地上側装置Ｄと地中側装置Ｅの構成の一例を示す機能ブロック図である。
【図５】図１と図４に示した地中側装置Ｄと地中側装置Ｅ間を伝送される電気信号の波形を例示する波形図である。
【図６】先端のパイプの内部にこの管状体の回転力によって駆動される発電機が形成される本発明の他の実施例を示す断面図である。
【図７】先端のパイプの内部に水流で駆動される発電機が形成される本発明の更に他の実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
P0〜P4    管状体（パイプ）
R         中空体（ロッド）
B         掘削刃
N         圧力水吐出用ノズル
Q         駆動装置
AT        アンテナ
C1〜C4    コネクタ
L         ケーブル
D         地上側装置
E         地中側装置
【図１】
0003705948.tif 000002
【図２】
0003705948.tif 000003
【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】
0003705948.tif 000008