(57)【要約】　　　（修正有）【課題】小型且つ小口径で、測定精度と信頼性が高く且つ価格が安いジャイロ装置を提供する。【解決手段】掘削装置の掘削部に連結され、中心軸線Ｘを有する円筒状のケーシング５０と、ケーシング５０内でケーシング５０に固着される基台１０と、基台１０に取り付けられ、ＴＤＧ（チューンドドライジャイロ）より構成されているＸ，Ｙジャイロ１１Ｇ，１２Ｇ及びＸ，Ｙ，Ｚ加速度計１１Ａ，１２Ａ，１３Ａを含むセンサ部１と、基台１０に前記中心軸線Ｘに沿って配置され、回転軸が基台１０に対して垂直なＺ軸と平行をなす複数の回転台２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅと、複数の回転台２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅを同期的に回転させるための駆動装置と、回転台の回転角を検出する方位発信器１３Ｙと、センサ部１から出力された信号より前記基台の方位角及び姿勢を演算する方位・姿勢演算部３と、を備える。【選択図】　図１
2004125511.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
掘削装置の掘削部に連結され、中心軸線Ｘを有する円筒状のケーシングと、該ケーシング内に配置され、該ケーシングに固着される基台と、該基台に取り付けられ、Ｘ，Ｙジャイロ及びＸ，Ｙ，Ｚ加速度計を含むセンサ部と、前記基台に前記中心軸線に沿って配置され、回転軸が基台に対して垂直なＺ軸と平行をなす複数の回転台と、該複数の回転台を同期的に回転させるための駆動装置と、回転台の回転角を検出する方位発信器と、前記センサ部から出力された信号より前記基台の方位角及び姿勢を演算する方位・姿勢演算部と、を備え、
前記センサ部のＸ，Ｙジャイロ及びＸ，Ｙ加速度計はその入力軸線または測定軸線がＸ軸とＹ軸が作る平面内にて回転するように前記回転台に装着されており、
前記方位・姿勢演算部は、前記回転台の回転を制御する回転制御部と、前記回転台の回転角をパラメ―タとして前記Ｘ，Ｙジャイロ及びＸ，Ｙ，Ｚ加速度計の出力を記憶するデータ計測記憶部と、該データ計測記憶部からの出力より、基台のＸ軸およびＹ軸回りの傾斜角を演算する姿勢演算部と、前記基台の方位を演算する方位演算部とを有し、前記回転台の複数の回転角における前記センサ部の出力より前記基台のＸ軸およびＹ軸回りの傾斜角及び基台の方位角を算出し、
前記基台は、前記掘削装置の掘削部と共に中心軸線Ｘの回りで回転するようになっており、方位角を検出するにあたり、必要に応じて前記基台を回転させる操作によりＹ加速度計からの出力が中心軸線Ｘの回りでほぼ水平を示すように、基台が調整維持されることを特徴とするジャイロ装置。
【請求項２】
前記方位演算部は、Ｘ，Ｙジャイロそれぞれの出力より求めた方位角を平均化して、方位角を定めることを特徴とする請求項１記載のジャイロ装置。
【請求項３】
前記Ｘ，ＹジャイロはＴＤＧ（チューンドドライジャイロ）より構成されていることを特徴とする請求項１または２記載のジャイロ装置。
【請求項４】
前記円筒状のケーシングの外径は８０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のジャイロ装置。
【請求項５】
掘削装置の掘削部に連結され、中心軸線Ｘを有する円筒状のケーシングと、該ケーシング内に配置され、該ケーシングに固着される基台と、該基台に取り付けられ、Ｘ，Ｙジャイロ及びＸ，Ｙ，Ｚ加速度計を含むセンサ部と、前記基台に前記中心軸線に沿って配置され、回転軸が基台に対して垂直なＺ軸と平行をなす複数の回転台と、該複数の回転台を同期的に回転させるための駆動装置と、回転台の回転角を検出する方位発信器と、前記センサ部から出力された信号より前記基台の方位角及び姿勢を演算する方位・姿勢演算部と、を備え、
前記センサ部のＸ，Ｙジャイロ及びＸ，Ｙ加速度計はその入力軸線または測定軸線がＸ軸とＹ軸が作る平面内にて回転するように前記回転台に装着された、掘削装置用ジャイロ装置の使用方法であって、
Ｙ加速度からの出力から、必要に応じて前記基台を回転させることで基台がＸ軸回りに関しほぼ水平となるように、掘削装置の掘削部と共に基台をＸ軸回りに回転させる工程と、
回転台を回転駆動して、回転台を所定の回転角にする工程と、
Ｘ，Ｙジャイロ及びＸ，Ｙ，Ｚ加速度計の出力を取り込み、回転台の回転角をパラメータとして記憶する工程と、
前記記憶した回転台の複数の回転角における、Ｘ，Ｙジャイロ及びＸ，Ｙ，Ｚ加速度計の出力から、基台のＸ軸およびＹ軸回りの傾斜角と、基台の方位角とを演算する工程と、
を備える掘削装置用ジャイロ装置の使用方法。
【請求項６】
前記方位を演算する工程は、Ｘ，Ｙジャイロそれぞれより求めた方位角を平均化して、方位角を定める請求項５記載の掘削装置用ジャイロ装置の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地盤改良工事で地下に直径１００ｍｍ以下の小口径の穴を掘削する等に使用されるドリリングマシンのような掘削装置の先端部の位置を検出するために方位を検出するジャイロ装置に関するものであり、特に、小型でドリリングマシンのような掘削装置用として好適なジャイロ装置及び掘削装置用ジャイロ装置の使用方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、地中内に小口径の穴を掘削する穴掘削機械のように人が接近することが困難な移動体の位置を検出するために、該穴掘削機械に取り付けられる装置として、円筒状のケーシング内に固定された軸受けにより自由に回転できるように軸承されたケーシングの中心軸方向の回転軸上に設けられた基台上に、レートジャイロ及び加速度計を固定してセンサ部を構成し、軸受けに支持された部分の重心を回転軸の中心から下方へ偏心させたものが知られている（例えば、特許文献１。）。
【０００３】
また、基台に、レートジャイロ及び加速度計を固定すると共に、該基台の中心軸回りの傾斜角を検出する加速度計の出力信号をサーボアンプを介してサーボモータに供給して基台を常に中心軸回りで水平の姿勢に制御するものが知られている（例えば、特許文献２。）。
【０００４】
また、推進工法に使用される掘削装置の掘削刃を有する先導管に装備されるジャイロコンパス装置が本発明と同一の出願人により、特願２００１−９９８１４号（先願という）にて提案されている。図９は、先願に記載されたジャイロコンパス装置の主要部の一例を表す図であり、中心軸線を有する円筒状のケーシングと、該ケーシング内に配置された基台と、該基台に装着されＸＹＺジャイロ、ＸＹＺ加速度計及び方位発信器を含むセンサ部と、を備えており、基台は、回転軸を介してケーシングに取り付けられており、振り子作用ないしは専用のトルクモータを用いて基台をケーシングに対して回転させることが出来るよう構成されている。これにより、方位計測時である測量時に、基台は常に同一のロール位置（水平位置）に保持されて、方位精度を確保するようにしている。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２６４０５２６号公報（特許請求の範囲、第１図参照）
【特許文献２】
特許第３００２７８１号公報（第５欄２４行〜４２行、第１図参照）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、上記従来の装置にあっては、計測精度を確保するために、基台を回転軸を介してケースに取り付け、且つ振り子作用ないしは専用のトルクモータを用いて基台をケーシングに対して回転させて、ケーシングの中心軸線に関して基台が常に水平になるように構成しており、そのための回転軸を有することで、構造が複雑化し、信頼性の向上や小型化を妨げると共に、価格の低減を困難にしているという問題がある。
【０００７】
さらには、特許文献１及び特許文献２では、レートジャイロの出力値を積分することによって方位角を求めているが、レートジャイロのバイアスによって誤差が増大していく問題があり、精度良く検出することが困難である。
【０００８】
本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、小型且つ小口径で、測定精度と信頼性が高く且つ価格が安いジャイロ装置を提供することをその目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明によるジャイロ装置は、掘削装置の掘削部に連結され、中心軸線Ｘを有する円筒状のケーシングと、該ケーシング内に配置され、該ケーシングに固着される基台と、該基台に取り付けられ、Ｘ，Ｙジャイロ及びＸ，Ｙ，Ｚ加速度計を含むセンサ部と、前記基台に前記中心軸線に沿って配置され、回転軸が基台に対して垂直なＺ軸と平行をなす複数の回転台と、該複数の回転台を同期的に回転させるための駆動装置と、回転台の回転角を検出する方位発信器と、前記センサ部から出力された信号より前記基台の方位角及び姿勢を演算する方位・姿勢演算部と、を備え、
前記センサ部のＸ，Ｙジャイロ及びＸ，Ｙ加速度計はその入力軸線または測定軸線がＸ軸とＹ軸が作る平面内にて回転するように前記回転台に装着されており、
前記方位・姿勢演算部は、前記回転台の回転を制御する回転制御部と、前記回転台の回転角をパラメ―タとして前記Ｘ，Ｙジャイロ及びＸ，Ｙ，Ｚ加速度計の出力を記憶するデータ計測記憶部と、該データ計測記憶部からの出力より、基台のＸ軸およびＹ軸回りの傾斜角を演算する姿勢演算部と、前記基台の方位を演算する方位演算部とを有し、前記回転台の複数の回転角における前記センサ部の出力より前記基台のＸ軸およびＹ軸回りの傾斜角及び基台の方位角を算出し、
前記基台は、前記掘削装置の掘削部と共に中心軸線Ｘの回りで回転するようになっており、方位角を検出するにあたり、必要に応じて前記基台を回転させる操作によりＹ加速度計からの出力が中心軸線Ｘの回りでほぼ水平を示すように、基台が調整維持されることを特徴とする。
【００１０】
また、前記方位演算部は、Ｘ，Ｙジャイロそれぞれの出力より求めた方位角を平均化して、方位角を定めることとすることができる。
【００１１】
また、前記Ｘ，ＹジャイロをＴＤＧ（チューンドドライジャイロ）より構成することができる。さらに、前記円筒状のケーシングの外径を８０ｍｍ以下とすることができる。
【００１２】
また、本発明による掘削装置用ジャイロ装置の使用方法は、掘削装置の掘削部に連結され、中心軸線Ｘを有する円筒状のケーシングと、該ケーシング内に配置され、該ケーシングに固着される基台と、該基台に取り付けられ、Ｘ，Ｙジャイロ及びＸ，Ｙ，Ｚ加速度計を含むセンサ部と、前記基台に前記中心軸線に沿って配置され、回転軸が基台に対して垂直なＺ軸と平行をなす複数の回転台と、該複数の回転台を同期的に回転させるための駆動装置と、回転台の回転角を検出する方位発信器と、前記センサ部から出力された信号より前記基台の方位角及び姿勢を演算する方位・姿勢演算部と、を備え、
前記センサ部のＸ，Ｙジャイロ及びＸ，Ｙ加速度計はその入力軸線または測定軸線がＸ軸とＹ軸が作る平面内にて回転するように前記回転台に装着された、掘削装置用ジャイロ装置の使用方法であって、
Ｙ加速度からの出力が所定の範囲に入っていない場合には、Ｙ加速度からの出力を参照して、基台がＸ軸回りに関しほぼ水平となるように、掘削装置の掘削部と共に基台をＸ軸回りに回転させる工程と、
回転台を回転駆動して、回転台を所定の回転角にする工程と、
Ｘ，Ｙジャイロ及びＸ，Ｙ，Ｚ加速度計の出力を取り込み、回転台の回転角をパラメータとして記憶する工程と、
前記記憶した回転台の複数の回転角における、Ｘ，Ｙジャイロ及びＸ，Ｙ，Ｚ加速度計の出力から、基台のＸ軸およびＹ軸回りの傾斜角と、基台の方位角とを演算する工程と、
を備える。
【００１３】
前記方位を演算する工程は、Ｘ，Ｙジャイロそれぞれより求めた方位角を平均化して、方位角を定めるものとすることができる。
【００１４】
ドリリングマシンのような掘削装置では、その掘削刃を備える掘削部が、掘削のために、本来回転可能となっている。ジャイロ装置によって掘削装置の方位を検出するにあたっては、掘削装置は静止させるが、この掘削装置の掘削部の回転機構を利用して、掘削部を回転させることにより基台を回転させて、Ｙ加速度計からの出力が中心軸線Ｘの回りでほぼ水平になるように、つまり、基台が中心軸線Ｘの回りでほぼ水平になるように姿勢の制御をする。ここで、ほぼ水平であるとは、厳密に基台を水平にしなければならないという意味ではなく、方位精度との兼ね合いによって許容される程度に水平であるという意味である。そして、回転台を回転させて、その回転角をパラメ―タとしてＸ，Ｙジャイロ及びＸ，Ｙ，Ｚ加速度計の出力を取り込み、記憶し、それらのデータからＸ軸およびＹ軸回りの傾斜角及び基台の方位角を検出する。
【００１５】
こうして、ケーシングに対して基台を回転可能に軸支するための回転軸を省略することができるため、構造が簡素化できると共に、小型化・小口径化を図ることができるようになり、低価格で製造することができるようになる。また、回転台を回転させて、回転角をパラメータとして、Ｘ，Ｙジャイロ及びＸ，Ｙ，Ｚ加速度計からの複数のデータを取ることにより、Ｘ，Ｙジャイロ及びＸ，Ｙ，Ｚ加速度計のドリフト・バイアスによる誤差成分が除去された方位角及び姿勢角を得ることができる。よって、センサ部の温度及び経年変化による方位誤差・姿勢誤差を低減させることができ、精度及び信頼性の高い計測を行うことができる。また、Ｘ，ＹジャイロをＴＤＧ（チューンドドライジャイロ）より構成することにより、その機構上、単軸ジャイロよりも小さく構成することができ、より一層、小型化に有利となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。図１に示すように、本実施形態によるジャイロ装置１００は、ケーシング５０と、ケーシング５０内に配置された基台１０を有する。ケーシング５０は円筒部５１と両端の円板部５２を含み、全体として中心軸線を有する円筒状をなしている。円筒部５１の外径は少なくとも８０ｍｍ以下、好ましくは６０ｍｍ以下である。基台１０はケーシング５０内においてケーシング５０に直接的に固着されており、ケーシング５０と共に一体回転するようになっている。
【００１７】
ここで、ケーシング５０又は基台１０に座標系を設定する。ケーシング５０の円筒部５１の中心軸線に沿ってＸ軸、基台１０に垂直にＺ軸、Ｘ軸とＺ軸に直交し且つ基台１０に平行にＹ軸をとる。このように設定した座標系は、ジャイロ装置を装着した移動体であるドリリングマシン２００に設定した座標系とみなすことができるから、これを以下に移動体座標系と称する。基台１０の基準方位、即ち、移動体の方位はＸ軸の正の方向である。一方、地球表面に設けた座標系をローカル座標系又は局地座標系と称する。ローカル座標系とは、地球表面上の点を原点とし、水平面に沿って子午線方向にＸＬ軸、東西方向にＹＬ軸、鉛直上方にＺＬ軸とする座標系である。
【００１８】
ジャイロ装置１００は、基台１０に装着されたＸ加速度計１１Ａ、Ｙ加速度計１２Ａ、Ｚ加速度計１３Ａと、Ｘジャイロ１１Ｇ、Ｙジャイロ１２Ｇ及び方位発信器１３Ｙの複数のセンサから構成されるセンサ部１を有する。図において各センサに付された矢印は入力軸線又は測定軸線の方向を示す。Ｘ、Ｙ及びＺ加速度計１１Ａ、１２Ａ、１３Ａと、Ｘ，Ｙジャイロ１１Ｇ、１２Ｇは、ケーシング５０の中心軸線即ちＸ軸上、又はＸ軸に整合して配置されている。
【００１９】
ここで、Ｘジャイロ１１Ｇ及びＹジャイロ１２Ｇは、１個のＴＤＧ（チューンドドライジャイロ）からなる。ＴＤＧは互いに直交する２つの入力軸線を有するジャイロからなり、単軸のジャイロよりも寧ろ小型に構成することができるために、装置の小型化のためには適している。
【００２０】
基台１０には複数の回転台が設けられている。図１の例では３つの回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅが設けられ、ＴＤＧからなるＸ及びＹジャイロ１１Ｇ、１２Ｇは第１の回転台２０Ｃ上に載置・装着され、Ｘ加速度計及びＹ加速度計はそれぞれ、第２、第３の回転台２０Ｄ、２０Ｅ上に載置・装着されている。方位発信器１３Ｙは複数の回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅの少なくとも１つの上に載置・装着されている。
【００２１】
回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅの回転軸線はＺ軸と平行をなし、Ｘ軸に沿って配置されており、Ｘ及びＹジャイロ１１Ｇ、１２Ｇと、Ｘ及びＹ加速度計１１Ａ、１２Ａの入力軸線または測定軸線は、回転台２０Ｃ，２０Ｄ、２０Ｅの回転軸線と直交するように配置される。
【００２２】
基台１０には、複数の回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅを回転させるために方位サーボモ―タ２２が設けられ、方位サーボモータ２２の回転を複数の回転台に伝達するために、適当な伝動装置、例えばバックラッシュレス歯車伝動装置２３や歯付ベルト２４が設けられる。方位サーボモータ２２及び伝動装置は、駆動装置を構成し、全ての回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅを同期的に回転駆動する。従って、回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅの回転角を検出する方位発信器１３Ｙは、ただ１つの回転台に配置すればよく、全ての回転台に装着する必要はない。
【００２３】
回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅは一定の回転速度、例えば、１０°／秒にて、±１８０°の回転角の範囲で回転する。回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅの回転角が±１８０°に限定されているため、回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅに載置されたＸ及びＹジャイロ１１Ｇ、１２Ｇと、Ｘ及びＹ加速度計１１Ａ、１２Ａと、方位発信器１３Ｙからのケーブル又はワイヤは縺れることがない。
【００２４】
また、図１に示すように基台１０には方位・姿勢演算部３を構成する回路基板が装着されている。
【００２５】
図２は、本実施形態のジャイロ装置の構成ブロック図である。ジャイロ装置１００は、図１を参照して説明したセンサ部１と方位・姿勢演算部３とを有する。ここで、センサ部１の各センサの入力軸線又は測定軸線（矢印）について説明すると、回転台２０の回転角が０である状態で、Ｘ加速度計１１Ａ及びＸジャイロ１１Ｇは、その入力軸線又は測定軸線が移動体座標系のＸ軸の正の方向に整合するように配置され、Ｙ加速度計１２Ａ及びＹジャイロ１２Ｇは、その入力軸線が移動体座標系のＹ軸の正の方向に整合するように配置される。Ｚ加速度計１３Ａ及び方位発信器１３Ｙは、その入力軸線が移動体座標系のＺ軸の負の方向に整合するように配置される。
【００２６】
Ｘ加速度計１１Ａは移動体座標系のＸ軸方向の加速度を検出し、Ｘジャイロ１１Ｇは移動体座標系のＸ軸回りの角速度ωＸを検出する。Ｙ加速度計１２Ａは移動体座標系のＹ軸方向の加速度を検出し、Ｙジャイロ１２Ｇは移動体座標系のＹ軸回りの角速度ωＹを検出する。Ｚ加速度計１３Ａは移動体座標系のＺ軸方向の加速度を検出する。Ｚ加速度計１３Ａは基台１０の上下（天地）判別に使用される。方位発信器１３Ｙは移動体の方位（Ｘ軸）に対する回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅの回転角φを検出する。尚、上述のように、Ｘジャイロ１１ＧとＹジャイロ１２Ｇは、１個のＴＤＧで構成されるるが、ここでは、説明のために別個のジャイロとして図示した。
【００２７】
方位・姿勢演算部３は、本ジャイロ装置１００が静止状態において、ジャイロ１１Ｇ、１２Ｇ及び加速度計１１Ａ、１２Ａ、１３Ａの出力から、以下で述べるドリリングマシン２００の掘削部の方位角、及び姿勢角を演算し出力するものであり、図８に示すように、回転制御部７１と、シークエンサ部７２と、データ計測記憶部７３と、方位演算部７４と、姿勢演算部７５とを有する。
【００２８】
図３に示すように、ジャイロ装置１００は、ドリリングマシン２００に直接、装着される。ドリリングマシン２００は、その先端部に掘削刃を設けた掘削部２０１を有しており、その後部に延長管２０３を有している。ジャイロ装置１００は、接続部２０２Ａ及び２０２Ｂを介して、掘削部２０１と延長管２０３との間にこれらと一体回転可能に取り付けられる。掘削工事にあたり、地上に設けられる駆動部２０４を回転駆動すると、この回転は、延長管２０３、接続部２０２Ｂ、ジャイロ装置１００及び接続部２０２Ａを介して先端部の掘削部２０１に伝達され、掘削部２０１は回転しながら地中に押し込まれつつ、掘り進む。また、掘り進むに従い、延長管２０３は次々と追加接続されていく。よって、延長管２０３、接続部２０２Ａ、２０２Ｂ、ジャイロ装置１００、掘削部２０１は一体的に動くことになる。ジャイロ装置１００の基台１０及びセンサ部１は、このドリリングマシン２００の運動と共に運動し、ドリリングマシン２００の掘削部の方位及び姿勢と同一の方位及び姿勢をとる。
【００２９】
ジャイロ装置１００は、ドリリングマシン２００が移動している場合には、計測を休止しているが、ドリリングマシン２００が静止している場合には、方位を計測するジャイロ装置、即ち、地球自転から北を探す測量ジャイロとして機能する。この方位計測精度を良好にするためには、方位計測を始めるに先立ちジャイロ装置１００の基台１０の姿勢をコントロールする必要があるが、ジャイロ装置１００はドリリングマシン２００の掘削部の方位及び姿勢と同一の方位及び姿勢をとり、掘削部２０１と共に回転するので、掘削部２０１を回転させる機能を用いることで、ジャイロ装置１００自身及び基台１０の姿勢をコントロールすることが出来る。即ち、ドリリングマシン２００のオペレータは、本ジャイロ装置１００のＹ加速度計１２Ａより出力される傾斜信号を見ることにより、Ｙ軸の水平面からのずれを知ることが出来る。このずれが所望の範囲にない場合には、このずれを方位計測精度に悪影響を与えない程度、一般的には±５°以内になるように、オペレータが掘削刃を回すことで、姿勢の整合が実現される。尚、±５°の範囲は必要な方位精度との関係で変わることがあるが、この傾斜角の範囲の例は、ドリリングマシン２００による掘削工事が必要とする方位精度を確保するために定めたものであり、方位精度の許容する範囲で、±５°以上とすることもできる。
【００３０】
図４を参照して本実施形態のジャイロ装置１００の使用方法を説明する。掘削作業にあたっては、ドリリングマシン２００とジャイロ装置１００の結合をはじめとする機器のセットアップを行う（ステップＳ１０）。ジャイロ装置１００とドリリングマシン２００との結合は、機械的なものと電気的なものがあるが、本発明の本質ではないため、ここではその詳細には触れない。掘削工事において方位計測を行うには、ジャイロ装置１００を起動する（ステップＳ１２）。方位計測に先立ち、Ｙ軸を水平に整合する必要があるので、Ｙ軸の水平からのずれを示すＹ加速度計１２Ａからの傾斜信号を得る（ステップＳ１４）。ドリリングマシン２００のオペレータはＹ加速度計１２Ａからの出力を見て、その出力が示す傾斜角が±５°の範囲に収まっていない場合には、ドリリングマシン２００の駆動部２０４を操作して傾斜角を±５°の範囲に収める（ステップＳ１５、Ｓ１６）。併せて、このときに、オペレータは、Ｚ加速度計１３Ａの出力を見て、基台１０の上下（天地）が逆さまになっていないことを確認する。
【００３１】
姿勢整合が完了した後に、ドリリングマシン２００は静止状態に入り、方位計測が可能となる。静止していない状態で方位計測を行うと、計測値に誤差が生じるため、静止状態にあることを、確認した後に、方位計測を行う（ステップＳ２０）。本実施形態のジャイロ装置１００は、後で詳述するように、方位計測を行う際に、回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅに短い時間で、±１８０°の回転角の範囲内で一定角度毎のインデックス動作を行い、ここで得たデータを元に、方位・姿勢演算部３にてジャイロ１１Ｇ、１２Ｇのドリフト及び加速度計１１Ａ、１２Ａのバイアスの影響を除去する。このため、センサ部１０の温度及び経年変化による誤差を低減させることができるようになっている。
【００３２】
計測された方位と目標方位との関係を分析した上で、掘削方向を修正する必要があるなら、ドリリングマシンの掘削方向を目標とする方位に整合させ（ステップＳ２１、Ｓ２２）、掘削を行う（ステップＳ２４）。所定の距離、掘削して、新たな延長管２０３を追加する必要がある場合には、延長管を追加する（ステップＳ２６、Ｓ２８）。そして、このとき、ジャイロ装置１００の電源はオフとする。所望の穴が得られるまで、この工程（ステップＳ１２〜Ｓ２８）を繰り返す。
【００３３】
このように、本実施形態においては、この延長管２０３、接続部２０２、ジャイロ装置１００、掘削部２０１が一体的に動くことを利用し、従来のジャイロ装置が保有し、本発明のジャイロ装置においては取り除いたロール軸の役割である、ジャイロ装置のセンサ部をＸ軸回りに回転可能にすることによりＹ軸方向を水平に保つ作用を実現する。即ち、ジャイロ装置１００から出力されるＹ加速度計１２Ａの出力をドリリングマシン２００のオペレータが読み取り、Ｙ軸方向の傾斜が所望の傾斜角に入っていない場合には、ドリリングマシン２００の回転機能を利用して、延長管２０３を介してジャイロ装置１００を回すことで、Ｙ軸を水平に近付ける。これにより、ジャイロ装置１００の構造を簡素化しながらも、方位測定精度を高めるための、水平への姿勢整合を可能にする。
【００３４】
次に、図５〜図７を参照して、本実施形態のジャイロ装置１００の方位計測の原理について説明する。図５に示すように、地球の北半球における緯度λの地点Ｐを考える。地球の中心をＯとし、地点Ｐを通る子午線が赤道面と交わる点をＰＯとし、地球の自転軸線をＯＰＮとする。地点Ｐの緯度λは∠ＰＯＰＯである。地点Ｐにおける水平面Ｈは地球面に対する接平面である。尚、掘削に伴う地中における地点であっても、便宜的に接平面の概念を用いる。
【００３５】
地球の自転角速度べクトルΩＥは図示のように自転軸線ＯＰＮ方向を向いている。地球の自転角速度べクトルΩＥは、水平面Ｈ上で真北方向（矢印Ｎ）の水平成分ＨＥＲ（Ｈｏｒｉｚｏｎｔａ１　Ｅａｒｔｈ　Ｒａｔｅ）、即ち、ΩＥｃｏｓλと、垂直成分ＶＥＲ（Ｖｅｒｔｉｃａ１　Ｅａｒｔｈ　Ｒａｔｅ）、即ち、ΩＥｓｉｎλとに分解することができる。
【００３６】
図６に示すように、地点Ｐの水平面Ｈ上にジャイロ装置１００、即ち、ドリリングマシン２００が配置されていると仮定する。ドリリングマシン２００の掘削部の方位は上述のようにＸ軸に整合している。ドリリングマシン２００の
掘削部の方位角∠ＮＰＰｘをΦとする。Ｘジャイロ１１Ｇの入力軸線をＸＧＳ、Ｙジヤイロ１２Ｇの入力軸線をＹＧＳとする。
【００３７】
ドリリングマシン２００の方位Ｐｘに対するＸジャイロ１１Ｇの入力軸線の回転角をφとする。回転台２０Ｃの回転角は、Ｘジャイロ１１Ｇの入力軸線の回転角φに等しいとする。Ｘジャイロ１１Ｇの入力軸線の方位角∠ＮＰＰＸＧＳはΦ＋φである。Ｙジャイロ１２Ｇの入力軸線の方位角∠ＮＰＰＹＧＳはΦ＋φ＋π／２である。
【００３８】
Ｘジャイロ１１Ｇは、地球の自転角速度べクトルΩＥの入力軸線ＸＧＳ方向の成分を検出し、Ｙジャイロは地球の自転角速度べクトルΩＥの入力軸線ＹＧＳ方向の成分を検出する。従って、Ｘ、Ｙジャイロ１１Ｇ、１２Ｇの出力ωＸ、ωＹは次のように表わされる。
【００３９】
【数１】
2004125511.tif 000003
ここに、ΩＥは地球の自転角速度、λは緯度である。Φはドリリングマシン２００の掘削部の方位、即ち、Ｘ軸の子午線に対する角度、φはドリリングマシン２００の掘削部の方位に対するＸジャイロ１１Ｇの回転角、ＵＸ、ＵＹはそれぞれＸジャイロ１１Ｇ、Ｙジャイロ１２Ｇのドリフトである。尚、本実施形態では、ジャイロ装置１００が静止している時に方位計測を行うため、Ｙ軸回りの回転角速度及びＸ軸回りの回転角速度はゼロである。
【００４０】
上述の例はジャイロ装置１００、即ち、ドリリングマシン２００の掘削部が水平面Ｈ上に配置されている場合であるが、ドリリングマシン２００の掘削部が傾斜した場合を考察する。ドリリングマシン２００の掘削部がＸジャイロ１１Ｇの入力軸線ＸＧＳ回りに傾斜角σだけ回転偏倚した場合を、図７を参照して考察する。
【００４１】
図７はＺ軸及びＹジャイロ１２Ｇの入力軸線ＹＧＳによって形成される面を示す。Ｘ，Ｙジャイロの出力ωＸ、ωＹは次のように表わされる。
【００４２】
【数２】
2004125511.tif 000004
ここに、σは水平面Ｈに対するドリリングマシン２００の掘削部の入力軸線ＸＧＳ回りの傾斜角である。傾斜角σはＹ加速度計１２Ａによって検出される。ｍｇはジャイロロータの重心の偏侍に起因するマスアンバランス、ｑｇは相手軸の入力角速度変化に起因するクロストーク量である。これらはＴＤＧ特有の誤差である。Ｘ、Ｙジャイロ１１Ｇ、１２Ｇの出力ωＸ、ωＹより移動体の方位角Φを求めるためには、ジャイロ１１Ｇ、１２ＧのドリフトＵＸ、ＵＹの影響を排除する必要がある。以下に、ジャイロ１１Ｇ、１２ＧのドリフトＵＸ、ＵＹを排除する方法を説明する。
【００４３】
回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅを一定の回転角度△φ＝２π／ｎ毎に（例えば、ｎ＝６として６０°毎に）回転させては停止し、２つのジャイロ１１Ｇ、１２Ｇの出力信号ωＸ、ωＹ及びＹ加速度計１２Ａの出力信号σを測定する。回転台を１回転させることによってｎ組の測定値ωＸｉ、ωＹｉ、σｉ（ｉ＝１〜ｎ）が得られたものとする。これらの測定値のなかで、回転角φが互いに１８０°異なるデータに注目する。例えば、回転角φの場合のＸ、Ｙジャイロ１１Ｇ、１２Ｇの出力信号をωＸ１、ωＹ１、回転角φ＋πの場合のＸ，Ｙジャイロの出力信号をωＸ２、ωＹ２をとすると、これらは次のように表される。
【００４４】
【数３】
2004125511.tif 000005
ここにσ１、σ２はそれぞれ回転台の回転角がφとφ＋πの場合における、水平面Ｈに対する移動体又は基台１０のＸジャイロ１１Ｇの入力軸線ＸＧＳ回りの傾斜角である。この２つの傾斜角σ１、σ２の間には、幾何学的に次のような関係がある。
【００４５】
【数４】
2004125511.tif 000006
（２）式を変形し、（５）式を（４）式に代入して変形すると次の関係が得られる。
【００４６】
【数５】
2004125511.tif 000007
これらの式より次の関係式が求められる。
【００４７】
【数６】
2004125511.tif 000008
（８）式より、Φを求めることができる。即ち、ドリリングマシン２００の掘削部の方位角Φは、
【００４８】
【数７】
2004125511.tif 000009
と表される。
【００４９】
以上は、Ｘジャイロ１１Ｇの入力軸線ＸＧＳの傾斜がゼロであると仮定したが、Ｘジャイロ１１Ｇの入力軸線ＸＧＳの傾斜がゼロでない場合には、Ｙジャイロ１２Ｇの出力ωＹ、（９）式より、方位角Φを求める。
【００５０】
【数８】
2004125511.tif 000010
ここで簡略化のため、ＴＤＧの特性値であるマスアンバランスｍｇを既知として扱い（１１）式を単純化すると次の関係が求められる。
【００５１】
【数９】
2004125511.tif 000011
同様に、Ｘジャイロ１１Ｇの入力軸線ＸＧＳの傾斜がゼロでなく、入力軸線ＹＧＳ回りに傾斜角θだけ傾斜している場合に、上記（８）式は、
【００５２】
【数１０】
2004125511.tif 000012
となる。ここで簡略化のため、ＴＤＧの特性値であるマスアンバランスｍｇを既知として扱い（８’）式を単純化し、方位角Φを求めると、次の式となる。
【００５３】
【数１１】
2004125511.tif 000013
次にＹ加速度計１２Ａの出力信号σに含まれるバイアス△σを検出し、真のＸ軸回りの傾斜角σを検出する方法を説明する。回転台２０Ｅを一定の回転角度△φ＝２π／ｎ毎に（例えば、ｎ＝６として６０°毎に）回転させては停止し、Ｙ加速度計の出力信号σＭを測定する。回転台を１回転させることによってｎ組の測定値σＭｉ（ｉ＝１〜ｎ）が得られたものとする。これらの測定値のなかで、回転角φが互いに１８０°異なるデータに注目する。例えば、回転角φの場合のＹ加速度計１２Ａの出力信号をσＭ１、回転角φ＋πの場合のＹ加速度計１２Ａの出力信号をσＭ２とすると次のように表される。
【００５４】
【数１２】
2004125511.tif 000014
ここに、σ１、σ２は上述のように、バイアス△σがゼロの場合に、回転角がφの場合とφ＋πの場合の回転台２０ＥのＸＧＳ軸回りの傾斜角である。この２つのＸ軸回りの傾斜角σ１、σ２の間には（５）式の関係があるので、（１３）、（１４）式より、次の関係が得られる。
【００５５】
【数１３】
2004125511.tif 000015
従って、回転台２０Ｅの回転角がφのとき、ＸＧＳ軸回りの真の傾斜角σ１は次の式によって表される。
【００５６】
【数１４】
2004125511.tif 000016
回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅの回転角がφのとき、ＹＧＳ軸回りの真の傾斜角θ１及びＸ加速度計のバイアス△θも同様な方法によって求められ、（１５）式と同様な式によって与えられるがここでは詳細に説明しない。（１５）式で得られた回転角がφのときのＸＧＳ軸回りの真の傾斜角σ１を（１２）式に用いることによりバイアス・ドリフトによる誤差成分が除去された方位角を求めることができる。
【００５７】
本実施形態によると、回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅを１回転させることによってｎ組の測定値ωＸｉ、ωＹｉ、σｉ、θｉ（ｉ＝１〜ｎ）が得られる。従って、回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅの回転角φが互いに１８０°異なる測定値はｎ／２組である。ｎ／２組の測定値からｎ／２組のデータΦ、σ１、θ１が得られる。従って、ｎ／２組のデータΦの平均値、又はωＸｉ、ωＹｉ（ｉ＝１〜ｎ）の最小二乗近似値を求めることによって、より正確なデータΦの値が得られる。同様に、φ＝０のときの真の傾斜角σ１、θ１が基台１０のＸ軸回り及びＹ軸回りの傾斜角となるので、σｉ、θｉ（ｉ＝１〜ｎ）の最小二乗近似値により、回転角φ＝０のときのσ、θを求めることによって、より正確なデータσ、θの値が得られる。これにより、ドリリングマシン２００の掘削部の方位角Φと、姿勢σ、θが求められることになる。さらに、方位角Φとドリリングマシン２００の掘削部が進んだ距離から、ドリリングマシン２００の掘削部の位置を求めることが可能になる。
【００５８】
図８を参照して方位・姿勢演算部３の動作を説明する。回転制御部７１は、回転台の回転角φが設定回転角φＳに等しくなるように、方位サーボモータ２２を制御する。回転制御部７１は、シークエンサ部７２によって生成された設定回転角φＳを方位サーボモータ２２に供給する。方位サーボモータ２２が作動して回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅが回転軸線回りに回転する。方位発信器１３Ｙは回転台の回転角φを検出しそれを回転制御部７１に出力する。方位発信器１３Ｙの出力信号φが設定回転角φＳに等しくなると、データ計測記憶部７３は回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅの回転角φデータを回転台の回転角として記憶する。
【００５９】
データ計測記憶部７３は、回転台の設定回転角φＳ＝φ毎に、回転角とＸ、Ｙジャイロ１１Ｇ、１２Ｇの出力信号ωＸ、ωＹ、及びＸ、Ｙ加速度計１１Ａ、１２Ａより出力された傾斜角θ、σ（時計方向を＋とする。）のデータを記憶する。次にシークエンサ部７２は、新たな設定回転角φＳ＝φＳ＋△φを生成して回転制御部７１に供給する。回転制御部７１は方位発信器１３Ｙの出力信号φが新たな設定回転角φＳに等しくなるように、方位サーボモータ２２を作動させる。
【００６０】
方位発信器１３Ｙの出力信号φが新たな設定回転角φＳに等しくなると、デ―タ計測記憶部７３は、同様に、Ｘ、Ｙジャイロ１１Ｇ、１２Ｇ、Ｘ、Ｙ加速度計１１Ａ、１２Ａより出力された信号及び回転台の回転角のデータを記憶する。
【００６１】
こうして、データ計測記情部７３は設定回転角φＳ毎に、データωＸｉ、ωＹｉ、σｉ、θｉ（ｉ＝１〜ｎ）を順次記憶する。データ計測記憶部７３に記憶された多数のデータφｉ、ωＸｉ、ωＹｉ、σｉ、θｉ（ｉ＝１〜ｎ）は順次、方位演算部７４及び姿勢演算部７５に供給される。
【００６２】
姿勢演算部７５は、（１５）式または（１５）式に準じた式を用い、最小二乗近似値により、回転角φ＝０のときのσ、θを求めることによって、姿勢角σ、θを演算し、方位演算部７４は、（１２）式または（１２’）式により、ドリリングマシン２００の掘削部の方位角Φを演算する。尚、（１２）式または（１２）式に準じた式を用いた最小二乗近似値によれば、Ｙジャイロ１２Ｇの出力ωＹと、回転台の回転角度φと姿勢角σ１によって方位角Φを求めることができ、（１２’）式または（１２’）式に準じた式を用いた最小二乗近似値によれば、Ｘジャイロ１１Ｇの出力ωＸと、回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅの回転角度φと姿勢角θ１によって方位角Φを求めることができる。本装置においては、ＴＤＧを使用しているので、Ｘジャイロ１１ＧとＹジャイロ１２Ｇの出力によりそれぞれ方位Φを求めることが可能である。よって、方位演算部７４では、Ｘジャイロ１１ＧとＹジャイロ１２Ｇの出力より（１２）式または（１２’）式を用いて得た方位角を平均化して方位角Φを決定し、出力することで、確度の高い方位信号を出力することができる。
【００６３】
以上本発明の例を説明したが、説明においては、精度と小型化の面で市場要求が厳しいドリリングマシンへのジャイロ適用を例示したが、推進工法等従来より行われている他の掘削法への本ジャイロ装置の適用は更に容易であることは言うまでもない。ジャイロ装置の他の用例としては、延長管を介してジャイロ装置１００を回転しても良いが、本発明のドリリングマシン以外では、外付の回転駆動手段により円筒状ケーシング５０をＸ軸周りに回転させても良いし、ケーシング５０をジンバルで指示し、ほぼ水平を求めるようにしても良いのは当然である。このように、本発明は特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変形例が可能であることは当業者によって理解されよう。尚、ここで、用いられている加速度計の作用は傾斜計の作用に等しく、本明細書における加速度計は、傾斜計を含む概念であることを念のため付け加えておく。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ケーシングに対して基台を回転可能に軸支するための回転軸を省略することができるため、構造が簡素化すると共に、小型化、小口径化を図ることができるようになり、低価格で製造することができるようになる。また、基台に設けた回転台にＸ，Ｙジャイロ及びＸ，Ｙ加速度計を装着し、回転台の回転角をパラメ―タとして前記Ｘ，Ｙジャイロ及びＸ，Ｙ，Ｚ加速度計の出力を記憶し、その出力から、基台の方位及び姿勢を求めているために、センサ部の温度及び経年変化による方位誤差・姿勢誤差を低減させることができ、精度及び信頼性の高い計測を行うことができる。さらに、Ｘ，ＹジャイロをＴＤＧ（チューンドドライジャイロ）より構成することにより、その機構上、単軸ジャイロよりも小さく構成することができ、より一層、小型化、小口径化を図ることができる。
本発明は、ドリリングマシンを例に説明しているが、地中掘削、屈伸、推進装置にも適用できるのは言を待たない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るジャイロ装置の主要部を表す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係るジャイロ装置の構成例を表すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態に係るジャイロ装置を含めたドリリングマシン全体の構成例を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係るジャイロ装置を含めたドリリングマシンの運用例を表すフローチャートである。
【図５】地球の自転角速度べクトルを説明するための説明図である。
【図６】Ｘ，Ｙジャイロによって検出する地球の自転角速度べクトルの成分を説明するための説明図である。
【図７】ジャイロ装置が傾斜した場合のＸ，Ｙジャイロによって検出する地球の自転角速度べクトルの成分を説明するための説明図である。
【図８】本発明のジャイロ装置の方位・姿勢演算部の構成例を示すブロック図である。
【図９】先願の掘削用ジャイロ装置の例の図である。
【符号の説明】
１　センサ部
３　方位・姿勢演算部
１０　基台
１１Ａ、１２Ａ、１３Ａ　加速度計
１１Ｇ、１２Ｇ　ジャイロ
１３Ｙ　方位発信器
２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ　回転台
２２　方位サーボモータ（駆動装置）
５０　ケーシング
１００　ジャイロ装置
２００　ドリリングマシン
【図１】
2004125511.tif 000017
【図２】
2004125511.tif 000018
【図３】
2004125511.tif 000019
【図４】
2004125511.tif 000020
【図５】
2004125511.tif 000021
【図６】
2004125511.tif 000022
【図７】
2004125511.tif 000023
【図８】
2004125511.tif 000024
【図９】
2004125511.tif 000025