(57)【要約】【課題】特殊な発信器や電源供給の必要はなく、構造が単純で低コスト及び小型化できるとともに、検出精度（計測精度）及び信頼性も高いシールド掘進機のカッタ摩耗検出センサ及び検出装置を提供する。【解決手段】シールド掘進機のカッタヘッドに保持される絶縁心棒３に、導電箔の櫛状パターンを付設して、絶縁心棒の長手方向に所定の間隔をおいて配列する複数の摩耗検出電極４と、これらを連接する共通電極５とを構成し、各摩耗検出電極４に個別導線７、共通電極５に共通導線６をそれぞれ接続し、絶縁心棒の摩耗３と共に進行する摩耗検出電極４の摩滅を、それに接続した個別導線７と共通導線６との間の電気的変量として取り出す。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールド掘進機のカッタヘッドに保持される絶縁心棒に、導電箔の櫛状パターンを付設して、絶縁心棒の長手方向に所定の間隔をおいて配列する複数の摩耗検出電極と、これらを連接する共通電極とを構成し、各摩耗検出電極に個別導線、共通電極に共通導線をそれぞれ接続し、絶縁心棒の摩耗と共に進行する摩耗検出電極の摩滅を、それに接続した個別導線と共通導線との間の電気的変量として取り出すことを特徴とするシールド掘進機のカッタ摩耗検出センサ。
【請求項２】
複数の摩耗検出電極と共通電極とを同じ一枚の導電箔で櫛状に一体形成したことを特徴とする請求項１記載のシールド掘進機のカッタ摩耗検出センサ。
【請求項３】
各個別導線の被覆を色分けしたことを特徴とする請求項１又は２記載のシールド掘進機のカッタ摩耗検出センサ。
【請求項４】
導電箔の櫛状パターンを絶縁心棒の表裏両面に付設して、摩耗検出電極と共通電極とを絶縁心棒の表裏両面のそれぞれに構成し、表側の摩耗検出電極と裏側の摩耗検出電極とを、絶縁心棒の長手方向に食い違う配置にしたことを特徴とする請求項１、２又は３記載のシールド掘進機のカッタ摩耗検出センサ。
【請求項５】
摩耗検出電極及び共通電極を付設した絶縁心棒をセンサケース内に収容し、個別導線及び共通導線を束ねて多芯ケーブルとしてセンサケース外へ引き出したことを特徴とする請求項１、２、３又は４記載のシールド掘進機のカッタ摩耗検出センサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のカッタ摩耗検出センサをシールド掘進機のカッタに取り付け、シールド掘進機本体内へ引き出してきた個別導線及び共通導線をシールド掘進機本体内で電位計に接続したことを特徴とするシールド掘進機のカッタ摩耗検出装置。
【請求項７】
カッタ摩耗検出センサをカッタヘッド上の模擬ビットに保持したことを特徴とする請求項６記載のシールド掘進機のカッタ摩耗検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シールド掘進機のカッタビットやカッタディスクの摩耗を検出するカッタ摩耗検出センサ、及びこれを用いたカッタビット摩耗検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、特許文献１（特開平１０−２２１００５号公報）に開示されたカッタビット摩耗検出装置を既に提案している。この検出装置は、摩耗を磁気的に検出するもので、シールド掘進機のカッタヘッド面板の所定位置に、一次側コイル及び二次側コイルが巻回された磁性体コアを内部に収容し、この磁性体コアの一部を切削前面に露出させて検出ヘッド部とした摩耗検出ヘッドを固着する。そして、一次側コイルに交流電圧を印加して検出ヘッド部の摩耗により変化した磁性体コアの磁気回路の磁気抵抗値から得られる二次側コイルの出力電圧により検出ヘッド部の摩耗量を検出するようにしたものである。
【０００３】
また、特許文献２（特開２０００−２０４８８４号公報）には、摩耗検出子として導電性の検出線を用いたカッタビット摩耗検出装置が開示されている。すなわち、この検出装置は、シールド掘進機のカッタヘッドの摩耗する部分の近傍に、絶縁体でそれぞれ絶縁された複数本の導電性の検出線を長さを変えて配置し、カッタビットの摩耗が進行して、順次発生する検出線の先端の露出を、検出線の相互間の地中側の電気導通の変化により検知して、カッタビットの摩耗量を段階的に測定するようになっている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−２２１００５号公報（第３頁、図４）
【特許文献２】
特開２０００−２０４８８４号公報（第３、４頁、図３）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１の検出装置では、一次側コイル及び二次側コイルが巻回された磁性体コアを用いるため、検出部の構造が複雑で大きくなるとともに、製造も面倒であり、また特殊な発信器が必要で高価になる等の問題点がある。
【０００６】
特許文献２の検出装置では、前者に比べ構造が単純で小型化できるものの、順次発生する検出線の先端の露出を、検出線の相互間の地中側の電気導通の変化により検知、すなわち、先端が露出した検出線間が、掘削土砂中に含まれている導電体である地下水を通し電気的に導通して、導通回路が形成されることにより検出するため、検出精度（計測精度）が低く、また検出線の先端が露出しないと検出そのものが不能になるため、信頼性が劣る等の問題点がある。また、電源供給が必要である。
【０００７】
本発明の目的は、特殊な発信器や電源供給の必要はなく、構造が単純で低コスト及び小型化できるとともに、検出精度（計測精度）及び信頼性も高いシールド掘進機のカッタ摩耗検出センサ及び検出装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のカッタ摩耗検出センサは、シールド掘進機のカッタヘッドに保持される絶縁心棒に、導電箔の櫛状パターンを付設して、絶縁心棒の長手方向に所定の間隔をおいて配列する複数の摩耗検出電極と、これらを連接する共通電極とを構成し、各摩耗検出電極に個別導線、共通電極に共通導線をそれぞれ接続し、絶縁心棒の摩耗と共に進行する摩耗検出電極の摩滅を、それに接続した個別導線と共通導線との間の電気的変量として取り出すことを特徴とする。
【０００９】
すなわち、本発明は、導電箔の自然電位（金属固有の自然電位）を利用するもので、その原理を図１によって説明する。同図（Ａ）は、カッタ摩耗検出センサ１が模擬ビット（又は、カッタディスク）２に埋設された状態を示し、絶縁心棒３の表面に導電箔の櫛状パターンを付着することにより、多段に配列する▲１▼から▲５▼までの摩耗検出電極４と、これらを連接する共通電極５とが形成されている。共通電極５の基端部に接続した共通導線６と、各摩耗検出電極４に接続した個別導線７とはセンサ基部の止水部分８を通して外部へ引き出され、共通導線６と各個別導線７との間に生ずる電位を各摩耗検出電極４毎に検出するようになっている。
【００１０】
同図（Ａ）では、模擬ビット２及び絶縁心棒３の摩耗は無く、▲１▼から▲５▼までの摩耗検出電極４の全てが残存し、いずれも共通電極５と導通していて抵抗値が０であるので、各摩耗検出電極４毎の自然電位差はいずれの摩耗検出電極４についても生じない。
【００１１】
同図（Ｂ）は、模擬ビット２及び絶縁心棒３が摩耗して、▲１▼の第１番目の摩耗検出電極４が摩滅して無くなり、これに接続されていた個別導線７が断線した状態を示す。このとき、この個別導線７と共通導線６との間に微小電位差（自然電位差）が生じ、電気的変量（電位）が計測される。これにより、▲１▼の第１番目の摩耗検出電極４相当分だけ模擬ビット２が摩耗したことが分かる。以下、摩耗が進行して▲２▼、▲３▼、▲４▼、▲５▼の摩耗検出電極４が順次摩滅して無くなると、模擬ビット２の摩耗量を段階的に検出できることになる。なお、摩耗検出電極４毎の電位計測を安定して行うため、各個別導線７毎に抵抗が並列接続されている。
【００１２】
複数の摩耗検出電極と共通電極とは、同じ一枚の導電箔で櫛状に一体形成できる。各個別導線は、その被覆を色分けするとよい。
【００１３】
導電箔の櫛状パターンを絶縁心棒の表裏両面に付設して、摩耗検出電極と共通電極とを絶縁心棒の表裏両面のそれぞれに構成し、表側の摩耗検出電極と裏側の摩耗検出電極とを、絶縁心棒の長手方向に食い違う配置にすれば、段階的に検出する摩耗量の検出密度を密にできる。
【００１４】
摩耗検出電極及び共通電極を付設した絶縁心棒をセンサケース内に収容し、個別導線及び共通導線を束ねて多芯ケーブルとしてセンサケース外へ引き出せば、本発明のカッタ摩耗検出センサを一つのユニットとしてシールド掘進機へ簡単に組み込むことができる。
【００１５】
本発明のカッタ摩耗検出装置は、上記のようなカッタ摩耗検出センサをシールド掘進機のカッタに取り付け、シールド掘進機本体内へ引き出してきた個別導線及び共通導線をシールド掘進機本体内で電位計に接続したことを特徴とする。カッタ摩耗検出センサは、カッタヘッド上の模擬ビットに保持することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
図２〜図６に本発明によるカッタ摩耗検出センサ（以下、単にセンサと言う）の一例を示す。このセンサ１は、カッタビットと同程度の硬度を有する絶縁材、例えば焼結酸化鉄からなる絶縁心棒３の表裏両面のそれぞれに、銅箔の櫛状パターンをエッチング加工することにより、表裏両面のそれぞれに、絶縁心棒３の長手方向に等間隔をおいて多段に配列する複数の摩耗検出電極４と、これらを連接する共通電極５とを一体に構成している。絶縁心棒３の表裏両面は平行な平面、両端面は湾曲凸面となっている。
【００１８】
表裏の摩耗検出電極４は、図６に展開して表裏を対照させ、表側の摩耗検出電極には奇数の番号、裏側の摩耗検出電極には偶数の番号を付して示すように、絶縁心棒３の長手方向に表裏が食い違う配置関係になっている。ここで、摩耗検出電極の幅員は表裏とも同じ幅員Ｗで、間隔Ｐも表裏同じであり、しかも幅員Ｗと間隔Ｐとは等しく（Ｗ＝Ｐ）、表側の摩耗検出電極は、絶縁心棒３の表面の先端を起点として、つまりそこに第１番目の摩耗検出電極がくるようにして配列形成されている。例えば、Ｗ＝Ｐ＝３ｍｍである。
【００１９】
表裏それぞれにおいて、共通電極５の基端部には共通導線６、各摩耗検出電極４の一辺縁（絶縁心棒３から見て、その先端側とは反対側の辺縁）には個別導線７が接続されている。個別導線７は、容易に視覚識別できるように、その被覆色が電極毎に色分けされ、例えば次の表１のようになっている。この表１で、共通電極５に接続された共通導線６について「シールド」と表記したのは、同軸ケーブルのシールド線であることを示す。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
このように表裏両面に摩耗検出電極４及び共通電極５を形成した絶縁心棒３は、ステンレス等の金属製センサケース９の電極収容室９ａに収容されている。電極収容室９ａは有底で、その深さは絶縁心棒３の長さとほぼ同じであるが、内周面は、絶縁心棒３の外周面と相似形でそれよりやや大きく、これらの間に僅かな隙間が形成されるようになっている。そして、この隙間にエポキシ樹脂等の樹脂モールド１０をすることにより、絶縁心棒３は、樹脂被覆状態で電極収容室９ａ内に固定されている。ただし、絶縁心棒３の先端面は電極収容室９ａの先端開口に露呈している。
【００２２】
センサケース９には、電極収容室９ａの他に、これと連通孔１１にて連通するパッキン室１２、及びこのパッキン室１２と連続していてセンサケース９の基端面に開口するケーブル固定用ネジ穴１３が設けられている。
【００２３】
共通電極５からの共通導線６及び各摩耗検出電極４からの個別導線７は、絶縁心棒３の基端でまとめられてセンサケース９の連通孔１１に挿通され、束ねて多芯ケーブル１４としてセンサケース９外へ引き出されている。すなわち、共通導線６及び個別導線７は、多芯ケーブル１４の心線をもって導線としたものである。多芯ケーブル１４の被覆があるその先端部は、パッキン室１２内に嵌合したゴムパッキン１５にて、センサケース９との間を止水されているとともに、ネジ穴１３に螺合したケーブル固定ネジ１６にてセンサケース９に緊締されている。
【００２４】
このように構成されたセンサ１において、センサケース９及び絶縁心棒３の摩耗に伴い先ず第１番目（表側）の摩耗検出電極４が摩滅すると、該第１番目の摩耗検出電極４に接続された個別導線７と共通導線６との間が遮断するため、それらの間に自然電位が生ずる。これを電位計で計測することにより、絶縁心棒３が第１番目の摩耗検出電極相当分だけ摩耗したことが分かる。
【００２５】
センサケース９及び絶縁心棒３の摩耗が進行して第２番目（裏側）の摩耗検出電極４が摩滅すると、該第２番目の摩耗検出電極４に接続された個別導線７と共通導線６との間が遮断するため、それらの間に自然電位が生ずる。これを電位計で計測することにより、絶縁心棒３が第２番目の摩耗検出電極相当分だけ摩耗したことが分かる。センサケース９及び絶縁心棒３の摩耗が更に進行して、第３番目、第４番目、・・・と表裏の摩耗検出電極４が順次交互に摩滅すると、同様に自然電位が生ずるので、絶縁心棒３の摩耗量を段階的に計測できることになる。
【００２６】
図７及び図８に、上記のように構成されたセンサ１をシールド掘進機１７のカッタヘッド（カッタディスク）に組み込んだ使用例を示す。シールド掘進機１７は、掘進機本体１８に対してカッタヘッド１９が従来と同様に回転するもので、本例では、カッタヘッド１９の面板に装着されたカッタスポーク２０の外周端部に、その外周端のビット２１の近傍において模擬ビット２２が設けられている。なお、カッタスポーク２０は、その３組が１２０度の位相差をもったＹ形配置にしてカッタヘッド１９の面板に装着されているが、図の例では、その中の一つのカッタスポーク２０についてだけ模擬ビット２２を設けた状態で示している。
【００２７】
この模擬ビット２２に、上述したセンサ１がカッタビット摩耗検出用センサ１Ａとして、カッタヘッド１９の面板の内側から貫通させて固着されているとともに、カッタヘッド１９の外周リング２３にも、外周リング摩耗検出用センサ１Ｂとして内側から貫通させて固着されている。そして、これら両センサ１Ａ・１Ｂからの多芯ケーブル１４は計測記憶装置２４に接続されている。計測記憶装置２４は、電位計としての機能及びデータ記憶の機能を有し、掘進機本体１８内で隔壁２５にて仕切られたカッタ室２６に設置されている。この計測記憶装置２４には、ロータリジョイント２７を介して給電ケーブル２８が接続され、給電される。なお、計測記憶装置２４へは給電するが、両センサ１Ａ・１Ｂへは給電しない。計測記憶装置２４自体に電源を内蔵してもよい。
【００２８】
よって、模擬ビット２と共にセンサケース９及び絶縁心棒３が摩耗すると、カッタビット摩耗検出用センサ１Ａの絶縁心棒３が摩耗してその摩耗検出電極４が摩滅するので、模擬ビット２２の摩耗量を計測記憶装置２４で計測し、そのデータを記憶できる。また、外周リング２３が摩耗すると、外周リング摩耗検出用センサ１Ｂの絶縁心棒３が摩耗してその摩耗検出電極４が摩滅するので、外周リング２３の摩耗量を同様に計測記憶装置２４で計測し、そのデータを記憶できる。
【００２９】
シールド掘進機１７には、ビット交換装置２９が備えられ、掘進機本体１８内で所望のビットを交換できるようになっている。計測記憶装置２４のデータから模擬ビット２２の摩耗量が所定以上になった場合、模擬ビット２２の近傍の最外周端のビット２１も同様に摩耗していると想定できるので、ビット交換装置２９を用いて、摩耗したビットの交換を行う。
【００３０】
なお、上記の実施例では、絶縁心棒３をセンサケース９に収容したが、センサケース９を省略してカッタヘッドに直接組み込むこともできる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、絶縁心棒に、導電箔の櫛状パターンを付設して、絶縁心棒の長手方向に所定の間隔をおいて配列する複数の摩耗検出電極と、これらを連接する共通電極とを構成し、絶縁心棒の摩耗に伴い摩耗検出電極が摩滅することにより生ずる自然電位を利用して摩耗量を検出するため、特殊な発信器や電源供給の必要はなく、構造が単純で低コスト及び小型化できるとともに、検出精度（計測精度）及び信頼性も高いシールド掘進機のカッタ摩耗検出センサ及び検出装置として提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理説明図で、（Ａ）は絶縁心棒が摩耗していないとき、（Ｂ）は摩耗したときである。
【図２】本発明によるカッタ摩耗検出センサの一例の一部切欠背面図である。
【図３】その側面部である。
【図４】断面図である。
【図５】絶縁心棒とその表裏の電極を示す斜視図である。
【図６】表裏の電極の展開図である。
【図７】シールド掘進機のカッタヘッドに組み込んだ使用例を示す正面図である。
【図８】同上の断面図である。
【符号の説明】
１  カッタ摩耗検出センサ
３  絶縁心棒
４  摩耗検出電極
５  共通電極
６  共通導線
７  個別導線
８  止水部分
９  センサケース
９ａ  電極収容室
１０  樹脂モールド
１１  連通孔
１２  パッキン室
１３  ネジ穴
１４  多芯ケーブル
１５  ゴムパッキン
１６  ケーブル固定ネジ
１７  シールド掘進機
１８  掘進機本体
１９  カッタヘッド
２０  カッタスポーク
２１  ビット
２２  模擬ビット
２３  外周リング
２４  計測記憶装置
２５  隔壁
２６  カッタ室
２７  ロータリジョイント
２８  給電ケーブル
２９  ビット交換装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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