(57)【要約】【課題】磁界発生源の位置が遠距離にあってもその発生する磁界の情報を正確に得ることができる磁気測定装置を提供する。【解決手段】所定の間隔を隔てて同軸上に配設するとともに互いに電気的に接続された一対のコイルからなる第１乃至第３の検出部を有し、前記第１乃至第３の検出部は、そのコイルの軸心が互いに直交する３軸方向に配置されるとともに前記軸心が一対のコイル間で直交して配設され、隣接して配置された前記コイル同士が互いに間隔をあけて配置された磁気測定装置であって、前記コイルに内挿された軟磁性体を備えた磁気測定装置。【選択図】        図１
2004271303.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の間隔を隔てて同軸上に配設するとともに互いに電気的に接続された一対のコイルからなる第１乃至第３の検出部を有し、前記第１乃至第３の検出部は、そのコイルの軸心が互いに直交する３軸方向に配置されるとともに前記軸心が一対のコイル間で直交して配設され、隣接して配置された前記コイル同士が互いに間隔をあけて配置された磁気測定装置であって、前記コイルに内挿された軟磁性体を備えることを特徴とする磁気測定装置。
【請求項２】
地下掘削体の位置と姿勢を検出する位置検出装置であって、前記地下掘削体に内蔵され磁界を発生する磁界発生手段と、
前記磁界発生手段が発生した磁界を検出する、少なくとも一組の請求項１に記載の磁気測定装置とを備えることを特徴とする地下掘削体の位置検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気測定装置に関し、特に非開削工法における地下掘削体の位置と姿勢の検出に用いられる磁気測定装置に係わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
新たに民地へガスを供給する場合には、車道や側道など公共道路の地下に埋設されたガス本支管（以下本支管と称する。）にガス供給管（以下供給管と称する。）を接続し、民地側へ供給管を引込むことが必要となる。従来の供給管を敷設する工法は、民地側の供給管引出し予定部から本支管の接続部までの間の公共道路の地盤に地表面に開口した敷設路を開削し、敷設路に供給管を敷設し、供給管を本支管に接続し、開口した敷設路を埋戻す、いわゆる開削工法であった。開削工法によれば、前記敷設路が、例えば公共道路を横断するように設けられた場合、供給管の敷設工事の間は公共道路の交通を阻害するという問題があった。
【０００３】
その問題を解決する工法として、近年、非開削工法が注目されている。非開削工法は、供給管を引込む民地側の地盤或いは本支管を接続部の地盤のみを開削し、供給管を敷設する敷設路は地中部にのみ掘削して形成する工法であり、公共道路を大規模に開削する必要がない。もって、公共道路の交通を阻害せず、さらに供給管の敷設工事を短期間で出来る利点があり、特に交通量の多い都市部では多用される傾向にある。
【０００４】
非開削工法では、常に地中部で掘削が行われるため掘削を行う地下掘削体（以下掘削体と称する。）の掘削中の位置と姿勢を正確に検出する必要がある。
掘削体の検出には、取り扱いが容易で構造が簡単な磁気測定装置を用いることが多く、その一例が下記特許文献１に開示されている。特許文献１の磁気測定装置は、「同軸上に間隔をあけて配置され電気的に接続された一対のコイルを有する３組の検出コイル対を備え、前記３組の検出コイル対の中心軸が互いに直交する３軸方向に配置され、前記中心軸同士がそれぞれの一対のコイルの間で互いに直交して配置され、隣接して配置された異なる検出コイル対のコイル同士が互いに間隔をあけて配置されている」ものである。
【０００５】
さらに、下記特許文献１には、上記磁気測定装置を使用した地下物体検出方法が開示されている。その地下物体検出方法は、「地下に配置された物体を地上で検出する方法であって、地下に物体とともに配置された磁界発生手段で鉛直方法に磁束軸を有する磁界を発生させる工程と、前記地上で前記磁界中に磁気測定装置を配置する工程と、前記磁界の作用で前記磁気測定装置の各検出コイル対に発生する検出信号を得る工程と、前記３軸方向の検出コイル対のうちの少なくとも２軸方向の検出コイル対で得られる検出信号が一致するように磁気測定装置を旋回する工程と、前記磁気測定装置の旋回姿勢から前記磁気測定装置の位置における前記磁界の磁束方向を得る工程と、前記磁束方向が鉛直方向に近づく方向に前記磁気測定装置を移動させる工程と、前記磁束方向が鉛直方向である位置を、その地下に前記物体が存在する位置であると判断する工程とを備える」ものである。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−２３３６０１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１の磁気測定装置は、上記構成により、３軸方向のコイル同士が重なったり干渉したりすることを防止でき、その結果、３軸方向の検出コイル対の磁気特性が極めて揃ったものとなり磁界の情報を正確に得ることができるので、掘削体の位置を正確に検出可能であるとしている。しかしながら、本願発明者らが特許文献１の磁気測定装置を実際に作成し確認したところによると、特に磁界発生源である磁界発生手段と磁気測定装置の距離が離れた場合には、磁気測定装置が検出した検出信号を増幅する電気回路の不可避の雑音や、地磁気など外来の磁界又は電界を起因とした不可避の雑音に、各軸の検出コイル対で発生した検出信号が埋もれ、磁界発生源の位置を正確に測定できないという問題があった。この問題は、原理的には、磁気測定装置を構成するコイルの断面積が有限であることに起因するものである。
【０００８】
さらに、特許文献１の地下物体検出方法では、地中物体、すなわち掘削体に内蔵した磁界発生手段で発生する磁界の磁束軸の方向を鉛直方向とし、磁界の地表面での強度を高くして旋回自在な磁気測定装置での磁界検出を容易とし、正確に地中にある掘削体の位置を検出可能としている。非開削工法、特に一般家庭に接続される程度の口径の供給管を民地へ引込む場合には、直径が３０〜５０ｍｍ程度と径小な敷設路が掘削される。そのような径小の敷設路を掘削する掘削体はおのずと径小なものとなり、地表面において検出可能な程度の鉛直方向の磁界を発生できる磁界発生手段を、そのような掘削体に内蔵させることは極めて困難であった。
【０００９】
さらに、特許文献１の地下物体検出方法では、地中部を移動する掘削体の位置を検出し特定するため、掘削体の上方の地表面を磁気測定装置で走査する、或いは複数の磁気測定装置を地表面に配置する必要がある。もって、掘削体の位置を特定する際には、磁気測定装置自体が公共道路を占有することとなり、交通を阻害するという問題があった。
【００１０】
本発明は、本願発明者らが上記問題を鋭意検討してなされたものであり、磁界発生源の位置が遠距離にあってもその発生する磁界の情報を正確に得ることができる磁気測定装置と、その磁気測定装置を使用した地表面を大きく占有する必要がない地下掘削体の位置検出装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁気測定装置は、所定の間隔を隔てて同軸上に配設するとともに互いに電気的に接続された一対のコイルからなる第１乃至第３の検出部を有している。前記第１乃至第３の検出部は、そのコイルの軸心が互いに直交する３軸方向に配置されるとともに前記軸心が一対のコイル間で直交して配設されている。隣接して配置された前記コイル同士は、互いに間隔をあけて配置されている。前記コイルには軟磁性体が内挿されている。
【００１２】
本発明の掘削体の位置と姿勢を検出する掘削体の位置検出装置は、前記地下掘削体に内蔵され磁界を発生する磁界発生手段と、少なくとも一組の前記磁気測定装置を備えている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の磁気測定装置について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の磁気測定装置の概略構成を示す斜視図である。図２は、図１の磁気測定装置による位置測定の実験例を説明するための図である。図３は、図１の磁気測定装置による位置測定の実験例の結果を示した図である。
【００１４】
本発明の磁気測定手段１は、図１に示すように、所定の間隔を隔てて同軸上に配設するとともに互いに電気的に接続された一対のコイル１１ｘ１〜１１ｚ２からなる第１乃至第３の検出部１１ｘ〜１１ｚを有している。前記第１乃至第３１１ｘ〜１１ｚの検出部は、そのコイル１１ｘ１〜１１ｚ２の軸心が互いに直交する３軸方向に配置されるとともに前記軸心が一対のコイル１１ｘ１〜１１ｚ２の間で直交して配設されている。隣接して配置された前記コイル１１ｘ１〜１１ｚ２同士が互いに間隔をあけて配置されている。前記コイル１１ｘ１〜１１ｚ２には、軟磁性体１２が内挿されている。ここで、第１の検出部１１ｘの軸心ａ、すなわちコイル１１ｘ１、１１ｘ２の軸心ａを、以下第１の軸心ａと称する。同様に、第２の検出部１１ｙの軸心ｂを第２の軸心ｂ、第３の検出部１１ｚの軸心ｃを第３の軸心ｃと称する。
【００１５】
磁気測定装置１は、図１に示すように、前記第１〜第３の検出部１１ｘ〜１１ｚを構成するコイル１１ｘ１〜１１ｚ２の姿勢を正確に保持するため、非磁性材料からなる立方形状の支持体１３と、前記支持体１３の中心Ｐに対し対称に該支持体１３の各面に密設するとともに、前記コイル１１ｘ１〜１１ｚ２を巻回し、さらに内部に略円柱形状の軟磁性体１２が嵌入される、非磁性材料からなる略円筒形状の巻回部材１４を有していれば望ましい。もって、第１〜第３の軸心ａ〜ｃの交点と前記支持体１３の中心Ｐとは一致することとなる。上記構成の磁気測定装置１は、その中心Ｐに作用する磁界のベクトルを、第１〜第３の軸心ａ〜ｃに沿う成分として測定するものである。
【００１６】
上記磁界測定装置１の製造方法について説明する。例えば樹脂を加工して形成した支持体１３と巻回部材１４を準備する。支持体１３の各面に巻回部材１４を接着する。それぞれの巻回部材１４の外周面に導線を巻回し、第１〜第３の検出部１１ｘ〜１１ｚを形成する。巻回部材１４の内部に軟磁性体１２を嵌挿する。
【００１７】
上記構成の磁気測定装置１によれば、第１〜第３の検出部１１ｘ〜１１ｚのコイル１１ｘ１〜１１ｚ２は間隔を隔てて配設されているので互いに干渉することを防止でき磁界の情報を正確に得ることが可能となる。さらに、コイル１１ｘ１〜１１ｚ２には、軟磁性体１４が内挿されているので微弱な磁気を増幅することができ、磁界発生源が遠距離にあってもその発生する磁界の情報を正確に得ることが可能となる。以下、その効果を実験例を参照して説明する。
【００１８】
［実験例］
下記に示す構成の磁気測定装置１により、磁気測定装置１の検出特性を確認した。
１）支持体１３の一辺の長さ          ：３０ｍｍ
２）コイル１１ｘ１〜１１ｚ２の長さ  ：２５ｍｍ
３）コイル１１ｘ１〜１１ｚ２の内径  ：１６ｍｍ
４）コイル導線の線径                ：０．１４ｍｍ
５）コイル導線の巻数                ：２５０回
６）軟磁性体１２の材質              ：ＮｉＺｎフェライト
７）軟磁性体１２の比透磁率          ：７５
８）軟磁性体１２の飽和磁束密度      ：０．２７Ｔ
【００１９】
本実験例において、磁気測定装置１は、図２に示すように、その第１の軸心ａをＸ軸に沿い、第２の軸心ｂをＹ軸に沿い固定した。磁界発生源である磁界発生手段２は、その発生する磁界の磁束軸がＸ−Ｙ平面にあって、前記第２の軸心ｂと平行になるよう移動自在に配置した。第２の軸心ｂと磁束軸との距離、すなわち磁気測定装置１の中心ＰからみたＸ軸方向の磁界発生手段２の位置をｘとした。また、第１の軸心ａと磁界発生手段２の中心との距離、すなわち前記中心ＰからみたＹ軸方向の磁界発生手段２の位置をｙとした。磁界発生手段２を０．５〜２ｍの間移動させて、磁界発生手段２の位置ｘ、ｙと磁気測定装置１から出力される検出信号の関係を確認した。
【００２０】
［比較例］
上記磁気測定装置１と基本的には同一の構成であって、軟磁性体のない磁気測定装置を製作し、上記と同様に磁界発生手段２の位置ｘ、ｙとその磁気測定装置から出力される検出信号の関係を確認した。
【００２１】
上記実験例と比較例の結果を図３に示す。図３は、磁界発生手段２の位置ｘ、ｙと磁気測定装置１から出力された検出信号の電圧の関係を示したものである。実験例では、磁界発生手段２の位置ｘ、ｙが遠い２ｍの位置でも、磁気測定装置１が発生した検出信号の強度は前記した不可避の雑音の強度より高くさらに全体としてＳ／Ｎが高く、磁気測定装置１は磁界の情報を正確に捉えている。比較例では、全体としてＳ／Ｎが低く、特に磁界発生手段２が遠距離となった場合検出信号の強度は雑音の強度以下となった。
【００２２】
以下、非開削工法において本支管の所定接続点まで敷設路を掘削する掘削体の位置と姿勢を検出する前記磁気測定装置を用いた位置検出装置について図面を参照し説明する。図４は、本発明の位置検出装置の実施態様を示す概略構成図である。図５は、その位置検出装置による掘削体の位置検出方法を説明する図である。図６、７は、掘削体の位置検出方法の別の態様を示す図である。
【００２３】
［実施態様１］
本発明の位置検出装置３は、掘削体に内蔵した磁界発生手段と、図４に示すように、前記磁界発生手段が発生する磁界を検出する少なくとも１組の前記磁気測定装置１ａ、１ｂとを有している。さらに、位置検出装置３は、その磁気測定装置１ａ、１ｂの各コイル１１ｘ１〜１１ｚ２に電気的に接続され、該コイル１１ｘ１〜１１ｚ２で発生した検出信号を増幅する増幅器と、前記増幅器が接続し、増幅された検出信号を処理して掘削体の位置と姿勢を演算する演算手段（共に図示せず）を有している。
【００２４】
本実施態様の位置検出装置３は、図４に示すように、第１の磁気測定装置１ａと第２の磁気測定装置１ｂの第１の軸心ａを一致させ、それぞれの第２及び第３の軸心ｂ、ｃを平行に配置するとともに、それぞれの第２の軸心ｂの距離がＬとなるよう相互位置関係を規定して配設したものである。このように、磁気測定装置１ａ、１ｂの相互位置関係を規定すれば、位置検出装置３のセッティングや、セッティング後の磁気測定装置１ａ、１ｂの位置確認の手間が少なく好ましい。さらに、位置検出装置３は、磁気測定装置１ａ、１ｂの姿勢を保持するため、磁気測定装置１ａ、ｂを付勢するとともに磁気測定装置１ａ、１ｂを支持する支持部材３１と、前記支持部材３１を立設する基板３２とを備えていれば望ましい。
【００２５】
磁気測定装置１ａ、１ｂの相互位置関係は、上記位置関係に限定されることなく、それぞれの相互位置関係が一意的に規定されていればよい。すなわち、磁気測定装置１ａ、１ｂは、それぞれ任意の位置に、任意の姿勢で配置すればよく、それぞれの中心Ｐａ、Ｐｂの距離と第１〜第３の軸心ａ〜ｃの方向の関係が一意的に規定されていればよい
【００２６】
上記説明した位置検出装置３によれば、非開削工法において地中を掘削する掘削体の位置と姿勢を検出し、本支管の所定接続点に該掘削体を誘導し、所望の敷設路を形成することが可能となる。以下、位置検出装置３による掘削体の位置と姿勢の検出方法について図５を参照し説明する。
【００２７】
図５において、４は地下に埋設された半径がＲの本支管、Ｐｔは前記本支管４と供給管との接続予定点である。ここで、本支管４の埋設位置（平面方向及び深さ方向の位置）及び接続予定点Ｐｔの位置は予め図面や事前調査により既知のものであり、本支管４の軸心に沿う方向をＸ軸とし、該Ｘ軸に直交するとともに水平な方向をＹ軸とし、該Ｘ、Ｙ軸に直交する方向をＺ軸とし、前記接続予定点Ｐｔの近傍を原点Ｏとした（ｘ，ｙ，ｚ）座標系を設定する。もって、接続予定部Ｐｔは、座標（０，Ｒ，０）に位置するものと考えることができる。
【００２８】
非開削装置５は、磁界を発生する磁界発生手段２を内蔵した先端に傾斜面を備えた略丸棒状の掘削体５１と、掘削体５１に推進力と回転力を伝達して掘削体５１を誘導する可撓性を備えた誘導手段５２を有し、民地から接続予定点Ｐｔまで直線状或いは曲線状の敷設路を非開削で形成するものである。前記磁界発生手段２は、前記掘削体５１に内蔵可能な略丸棒状の外形をなし、その軸心を掘削体５１の軸心と一致させて掘削体５１に内蔵している。ここで、掘削体５１の位置は、前記磁界発生手段２の中点、詳しくは図に示すように掘削体５１の軸心上にあって、掘削体５１の先端からｓの距離の点（以下掘削点と称する。）Ｐｓの位置で表すこととする。もって、該掘削体５１を水平な姿勢で座標（０，Ｒ＋ｓ，０）の位置まで誘導すれば、民地から前記接続予定点Ｐｔへ供給管を敷設する敷設路が形成されることとなる。
【００２９】
位置検出装置３の配置位置は、その位置と本支管４の位置関係、具体的には、前記設定した（ｘ，ｙ，ｚ）座標系の原点Ｏに対する磁気測定装置１ａ、１ｂの中心点Ｐａ、Ｐｂの位置関係が規定されたものであればよい。なお、図４に示すように、本支管４の上方の地表面に位置検出装置３を配置すれば、配置作業を簡便に行うことができるので望ましい。
【００３０】
上記したように配置された位置検出装置３による掘削体５１の位置及び姿勢の検出原理について詳述する。
図５に示すように、掘削体５１の位置する掘削点Ｐｓの座標を（ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ）とする。第１の磁気測定装置１ａの中心が位置する点（以下第１の点と称する場合もある。）Ｐａの座標を（ｘｏａ，ｙｏａ，ｚｏａ）とし、第２の磁気測定装置１ｂの中心が位置する点（以下第２の点と称する場合もある。）Ｐｂの座標を（ｘｏｂ，ｙｏｂ，ｚｏｂ）とする。第１の点Ｐａから掘削点Ｐｓまでの距離をｒａ、第２の点Ｐｂから掘削点Ｐｓまでの距離をｒｂとする。ここで、掘削体５１の姿勢を示す磁界発生手段２の磁気モーメントを（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）とし、第１及び第２の点Ｐａ、Ｐｂにおけるその磁界の磁束密度の各成分を（Ｂｘａ，Ｂｙａ，Ｂｚａ）及び（Ｂｘｂ，Ｂｙｂ，Ｂｚｂ）とする。上記磁気モーメントの各成分と点Ｐａ、Ｐｂにおける磁束密度の各成分の間には、下記数１の非線形連立方程式で表される関係が成り立つ。
【００３１】
【数１】
2004271303.tif 000003
ここで  ｘａ：第１の点Ｐａから掘削点Ｐｓまでの距離ｒａのＸ成分
ｙａ：第１の点Ｐａから掘削点Ｐｓまでの距離ｒａのＹ成分
ｚａ：第１の点Ｐａから掘削点Ｐｓまでの距離ｒａのＺ成分
ｘｂ：第２の点Ｐｂから掘削点Ｐｓまでの距離ｒｂのＸ成分
ｙｂ：第２の点Ｐｂから掘削点Ｐｓまでの距離ｒｂのＹ成分
ｚｂ：第２の点Ｐｂから掘削点Ｐｓまでの距離ｒｂのＺ成分
【００３２】
上記、第１の点Ｐａから掘削点Ｐｓまでの距離ｒａの各成分ｘａ〜ｚａ、及び第２の点Ｐｂから掘削点Ｐｓまでの距離ｒｂの各成分ｘｂ〜ｚｂは、磁気測定装置１ａ、１ｂの位置する点Ｐａ、Ｐｂ及び掘削体５１の位置する点Ｐｓの関係から数２、３で示す式で表すことができる。
【００３３】
【数２】
2004271303.tif 000004
【００３４】
【数３】
2004271303.tif 000005
【００３５】
上記数１において、点Ｐａ、ｂの座標（ｘｏａ，ｙｏａ，ｚｏａ）及び（ｘｏｂ，ｙｏｂ，ｚｏｂ）は既知である。また、数１における磁束密度の各成分Ｂｘａ、Ｂｙａ、Ｂｚａ及びＢｘｂ、Ｂｙｂ、Ｂｚｂは、磁気測定装置１ａ、１ｂで測定された各成分の検出信号を演算手段で処理して算出することができる。もって、例えばニュートン法、あるいはニュートン−ラプソン法など非線形の連立方程式から近似解を得る適宜な手法に基づいて上記数式１を解き、未知数ｘｓ、ｙｓ、ｚｓ及びＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを算出し、掘削体５１の位置する掘削点Ｐｓの座標（ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ）と掘削体５１の姿勢を示す磁気モーメント（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）を得ることが可能となる。
【００３６】
位置検出装置３は、上記した検出原理に基づいて掘削体５１の位置と姿勢を時々刻々に検出する。非開削装置５は、位置検出装置３が検出した掘削体５１の位置と姿勢に基づいて誘導手段５２を制御して掘削体５１を本支管４の接続予定点Ｐｔへ誘導し、敷設路を形成する。このように、本発明の位置検出装置３によれば、位置検出装置３は地表面の所定位置に固定した状態で掘削体５１の位置と姿勢を検出することができ、公共道路の占有が少なく交通の阻害を防止することが可能となる。
【００３７】
［実施態様２］
上記位置検出装置３は、図６に示すように、本支管４の軸心に対し本支管４の上方に略鉛直に開削された立孔の中に、例えばその磁気測定装置１ａ、１ｂの第１の軸心ａを鉛直方向に配置してもよい。このようにすれば、位置検出装置３は地表面に配置されないので、公共道路の交通を阻害することがさらに少なくなり望ましい。
【００３８】
［実施態様３］
上記位置検出装置３は、本支管４が新設されたものでガスの流通のない場合には、図７に示すように、本支管４の内部に配置してもよい。このようにすれば、上記と同様に位置検出装置３は地表面に配置されないので、公共道路の交通を阻害することが少なくなり望ましい。
【００３９】
【発明の効果】
上記説明のように、本発明の磁気測定装置よれば、所定の間隔を隔てて同軸上に配設するとともに互いに電気的に接続された一対のコイルからなる第１乃至第３の検出部を有し、前記第１乃至第３の検出部は、そのコイルの軸心が互いに直交する３軸方向に配置されるとともに前記軸心が一対のコイル間で直交して配設され、隣接して配置された前記コイル同士が互いに間隔をあけて配置された磁気測定装置において、微弱な磁気を増幅するため前記コイルに軟磁性体を内挿したので、磁気発生源が遠距離にあってもその発生する磁界の情報を正確に得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気測定装置の概略構成図である。
【図２】図１の磁気測定装置の実験例を説明する図である。
【図３】図２の実験例の結果を説明する図である。
【図４】本発明の位置検出装置の概略構成図である。
【図５】図４の位置検出装置による掘削体の位置と姿勢の検出の実施態様の一例を示す図である。
【図６】図４の位置検出装置による掘削体の位置と姿勢の検出の実施態様の別の例を示す図である。
【図７】図４の位置検出装置による掘削体の位置と姿勢の検出の実施態様のさらに別の例を示す図である。
【符号の説明】
１（１ａ、１ｂ）：磁気測定装置、１１ｘ：第１の検出部
１１ｙ：第２の検出部
１１ｚ：第３の検出部
１１ｘ１〜１１ｚ２：コイル
１２：軟磁性体、１３：支持体
１４：巻回部材
２：磁界発生手段
３：位置検出装置、３１：支持部材、３２：基板
５：非開削装置、５１：地下掘削体、５２：誘導手段
【図１】
2004271303.tif 000006
【図２】
2004271303.tif 000007
【図３】
2004271303.tif 000008
【図４】
2004271303.tif 000009
【図５】
2004271303.tif 000010
【図６】
2004271303.tif 000011
【図７】
2004271303.tif 000012