(57)【要約】【課題】非開削ドリリング工法などに使用される地中掘削機に取付けられる地中レーダ装置において、地中アンテナの方向、従って、障害物の位置を正確に検出できるようにする。【解決手段】本発明の地中レーダ装置は、地中掘削機に設置され、その軸線の回りの回転角度が所定の基準値になった時点を検出しその旨を通知する基準タイミングパルス発生する基準タイミングパルス発生手段（Ｓ）  と、この基準タイミングパルスを処理する基準タイミングパルス処理手段（ＭＬ，ＦＭ，ＳＴ）とを備えることにより、地中掘削機の回転角度、従って地中アンテナ（ＡＴ）の方向を正確に検出するように構成されている。【選択図】図１
2005017100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非開削ドリリング工法またはそれに類するものに使用される地中掘削機に取付けられる地中アンテナを備えた地中レーダ装置において、
前記地中掘削機に設置され、その軸線の回りの回転角度が所定の基準値になった時点を検出しその旨を通知する基準タイミングパルスを発生する基準タイミングパルス発生手段と、
この基準タイミングパルスを処理する基準タイミングパルス処理手段とを備えたことを特徴とする地中レーダ装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記処理手段は、前記基準タイミングパルスを地上に伝送する伝送手段であることを特徴とする地中レーダ装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記伝送手段は、前記基準タイミングパルスと前記アンテナが受信した反射信号との合成信号を伝送する信号合成手段を備えたことを特徴とする地中レーダ装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記伝送手段は、前記合成信号を周波数変調して伝送する信号変調手段を備えたことを特徴とする地中レーダ装置。
【請求項５】
請求項１において、
前記処理手段は、前記アンテナが受信した反射信号を前記基準タイミングパルスを用いて分析し、前記反射信号を発生させた障害物の方向を検出する反射信号処理手段を備えたことを特徴とする地中レーダ装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のそれぞれにおいて、
前記基準タイミングパルス発生手段は、
前記地中掘削機の側壁面とともに回転する外部円筒体と、おもりが取付けられて静止状態を保つ内部回転体とが互いに同軸状態で対向せしめらることにより相対回転角に応じた大きさの電気信号を発生するポテンショメータを備えたことを特徴とする地中レーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、地中掘削機などに搭載される地中レーダ装置に関するものであり、特に、地中掘削機の回転角に応じて変化するビーム方向を高精度で検出可能な地中レーダ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地上からの開削を行うことなく地上からの操作によって地中に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いる。この非開削ドリリング工法では、ロッドと称される３メートルほどの長さの可撓性のパイプを継ぎ足すことによって形成される長尺体の先端部に直径数ｃｍから数十ｃｍの地中掘削機が取付けられる。また、この長尺体の根元側を地上に設置した駆動装置に取付け、この長尺体に回転力と推進力とを与えることにより、トンネルの掘削が行われる。トンネルの掘削の進行に伴い、根元側でロッドが１本ずつ継ぎ足される。
【０００３】
このような非開削ドリリング工法では、地中に埋設されている水道管やガス管などの障害物との接触を回避するために、地中掘削機の先端部や側部に地中レーダ装置を設置し、障害物の検出を行うという方法が開発されてきたこの地中レーダ装置では、掘削機の先端部や側部に取付けられたアンテナから前方や側方の地中にパルス状の電波が放出され、地中の障害物によって生じた反射波がアンテナに受信される（特許文献１乃至６）。
【０００４】
上述した地中レーダ装置のうち先端部にアンテナを取付けるものでは、図４に示すように、ロッドＱの先端に取付けられた円筒形状の掘削機Ｐの軸線Ｚに対して所定の角度で掘削刃ＢＬが取付けられ、この掘削刃ＢＬの中心部に形成された窓の内部に送信アンテナＴＸと受信アンテナＲＸが取付けられる。地中での電波の減衰量が大きいため、送受各アンテナの指向性は図示のような横長の楕円形状を呈する。両アンテナの指向性のパターンが重なり合った斜線部分が障害物の検出可能領域ＤＡとなる。掘削機Ｐがその軸線Ｚのまわりに回転しながら推進されるため、掘削に伴い、検出可能領域ＤＡは、図４の（Ａ）と（Ｂ）とに例示するように、軸線Ｚのまわりに回転することになる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−１４７１３７号公報
【特許文献２】
特開２０００−２０４８８３号公報
【特許文献３】
特開２００１−  ２１６６３号公報
【特許文献４】
特開２００１−  ５１０６６号公報
【特許文献５】
特開２００１−  ５６３７３号公報
【特許文献６】
特開２００２−  １６５５３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記先行技術の地中レーダ装置では、掘削機の軸線Ｚのまわりの回転角度を高精度で検出することが困難なため、その先端部に傾けて取付けられる地中アンテナの向きを高精度で検出することも困難であった。このため、障害物が掘削機の前方に存在するということは検出できるものの、その正確な方向が不確実になり、このため、掘進方向の変更等による障害物の回避作業に支障をきたすという問題があった。
【０００７】
このアンテナの向き、すなわち、掘削機の回転角度を正確に検出することが困難になるのは、次のような理由による。第１に、多数本のロッドを螺合によって継ぎ足して長尺体を形成するため、この長尺体の軸線のまわりの回転角度に関して、地中の先端部と地上の根元部との正確な差を管理することが困難になるためである。第２に、可撓性のロッドが継ぎ足された長尺体にその軸線のまわりの捩じれが発生するため、先端部と根元部とでは回転角に差が生じ、しかも、この差は長尺体の長さや、回転速度や土の粘性などに応じて変化するからである。
【０００８】
従って、本発明の目的は、アンテナの向きを正確に検出でき、従って、前記の障害物の位置を正確に検出できる地中レーダ装置を提供することにある。
【０００９】
【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に係わる地中レーダ装置は、非開削ドリリング工法またはそれに類するものに使用される地中掘削機に取付けられる地中アンテナを備えている。そして、この地中レーダ装置は、地中掘削機に設置され、その軸線の回りの回転角度が所定の基準値になった時点を検出しその旨を通知する基準タイミングパルスを発生する基準タイミングパルス発生手段と、この基準タイミングパルスを処理する基準タイミングパルス処理手段とを備えることにより地中掘削機の回転角度、従ってアンテナの方向を正確に検出伝送きるように構成されている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施の形態によれば、上記処理手段が基準タイミングパルスを地上の処理装置に伝送する伝送手段で構成され、この基準タイミングパルスの出現時点とアンテナが受信した反射信号とから地上の処理装置における障害物の方向の検出がおこなわれる。
【００１１】
本発明の他の好適な実施の形態によれば、上記伝送手段が基準タイミングパルスとアンテナが受信した反射信号との合成信号を伝送する信号合成手段を備えることにより、伝送路の本数を節減するように構成されている。
【００１２】
本発明のさらに他の好適な実施の形態によれば、上記信号合成手段が上記合成信号を周波数変調して伝送する信号変調手段を備えることにより、伝送品質を向上させるように構成されている。
【００１３】
本発明のさらに他の好適な実施の形態によれば、上記処理手段が上記アンテナが受信した反射信号を基準タイミングパルスを用いて分析し、この反射信号を発生させた障害物の方向を検出する反射信号処理手段を備えることにより、反射信号の地上への伝送を省略できるように構成されている。
【００１４】
本発明のさらに他の好適な実施の形態によれば、上記基準タイミングパルス発生手段は、地中掘削機の側壁面とともに回転する外部円筒体と、おもりが取付けられて静止状態を保つ内部回転体とが互いに同軸状態で対向せしめらることにより相対回転角に応じた大きさの電気信号を発生するポテンショメータを備えることにより、簡易な構成のもとに正確な基準タイミングパルスを発生できるように構成されている。
【００１５】
【実施例】
図１は、本発明の一実施例の地中レーダ装置の構成を示す機能ブロック図である。この地中レーダ装置は、図４に示した非開削ドリリング工法に使用される地中掘削機Ｐの内部に設置され、地中アンテナＡＴ、レーダ送受信部ＴＲ、０°センサＳ、信号合成部ＭＬ、周波数変調部ＦＭ及び信号送信部ＳＴを備えている。
【００１６】
地中アンテナＡＴは、図４に示したように概ね円筒形状の掘削機Ｐの中心線（軸線）Ｚに対して法線を所定角度傾けて取付けられた掘削刃の中心部に形成された窓の内部に取付けられた平面型の送信アンテナＴＸと同じく平面型の受信アンテナＲＸとから構成されている。レーダ送受信部ＴＲは、この地中アンテナＡＴの送信アンテナＴＸにパルス状の送信信号を供給し、地中に放射させる。地中アンテナＡＴの受信アンテナＲＸに受信された障害物からの反射波を含む受信反射信号はレーダ送受信部ＴＲに供給される。
【００１７】
０°センサＳは、掘削機Ｐの軸線Ｚのまわりの回転角度を検出し、これが所定の基準値０°と一致した時点を検出すると、その旨を通知するパルス信号（０°パルス）を出力する。信号合成部ＭＬは、レーダ送受信部ＴＲから供給される反射信号と０°センサＳから供給される０°パルスとを重畳により合成して、周波数変調部ＦＭに供給する。周波数変調部ＦＭは、反射信号と０°パルスとの合成信号を周波数変調し、信号送信部ＳＴに供給する。信号送信部ＳＴは、周波数変調された合成信号を地中の無線伝送路や、ロッドＱ内を延長される有線伝送路など適宜な伝送路ＴＲを介して地上の受信装置に向けて送信する。
【００１８】
図２は、上記信号合成部ＭＬから出力される合成信号の一例を示す波形図である。所定間隔で配列される同期信号ＳＹの間に障害物からの反射波を含む反射信号ＲＳと、０°パルス０°が配列されている。反射信号ＲＳのうち大きな振幅の前半部分は、送信アンテナＴＸから地中に送信された電波の一部が隣接する受信アンテナＲＸに直接受信されるまわり込み成分であり、振幅の小さな後半部分が地中の障害物からの反射波の成分である。
【００１９】
地上の受信装置では、一定の周期で出現する同期信号ＳＹの間にこの同期信号とは異なるタイミングでパルスが出現したことを検出すると、これを０°パルスと認識し、その出現時点に掘削機Ｐが所定の回転角度、従って、地中アンテナＡＴの向きが所定の方向になったことを認識する。この地中アンテナＡＴの所定の向きは適宜なものでよいが、例えば、図４の（Ａ）に示すように、地中アンテナから放射されるビームが最も上向きになったとき、水平になったとき、あるいは最も下向きになったときなど適宜な場合を選択できる。
【００２０】
図３は、図１中の０°センサＳの具体的な一例を示す断面図である。円筒形状の掘削機Ｐの中心にその中心線（軸線、回転軸）Ｚと中心線を一致させた同軸状態で円筒形状のホルダＨが保持される。このホルダＨは、掘削機Ｐの円筒形状の側壁面からその中心に向けてかつ掘削機Ｐの円周方向に沿って中心軸Ｚのまわりに１２０  °ずつ離間して延長された３本の等しい長さのアームＡ１  ，Ａ２  ，Ａ３  （図示せず）の先端部に保持される。このホルダＨの内部に円筒形状のポテンショメータＰＴとおもり収容室ＣＡが軸線を一致させた同軸状態で保持されている。ポテンショメータＰＴは外部円筒体と、内部回転体とが互いに同軸状態で対向せしめらることにより両者の相対回転角に応じた大きさの電圧を発生する。
【００２１】
おもり収容室ＣＡは、ポテンショメータＰＴとの間がパッキンによって液密状態に保たれ、内部に適宜な粘度の液体が充填されている。ポテンショメータＰＴの内部回転体の中心軸がおもり収容室ＣＡ内に突出せしめられており、その先端には大きな重量のおもりＷが取付けられている。このおもりＷは、ポテンショメータＰＴの内部回転体の中心軸のまわりに非対称の扇型の形状を有する。掘削機Ｐがその軸線Ｚのまわりにある角度回転すると、アームＡ１  ，Ａ２  ，Ａ  ３とホルダーＨとが同一角度だけ回転し、この結果ポテンショメータＰＴとおもり収容室ＣＡが、軸線Ｚのまわりに掘削機Ｐと同一角度だけ回転する。このとき、ポテンショメータＰＴの内部回転体は、おもりＷの重心が常に鉛直方向を向くため、回転せず、元の角度を保持し続ける。
【００２２】
この結果、掘削機Ｐとともに回転するポテンショメータＰＴの外部円筒体と、おもりＷが取付けられて静止状態を保つ内部回転体との間に相対回転角に応じた大きさの電圧が発生する。この電圧は、典型的には正弦波となり、その変動の周期は、掘削機Ｐの１回転の周期と一致する。図１中の０°センサＳは、このポテンショメータＰＴから出力される電圧の絶対値と増減の向きから、掘削機Ｐの所定の回転角度を検出し０°パルスを発生させる。
【００２３】
以上、掘削機の先端に地中アンテナを取付ける場合を例にとって本発明の地中レーダ装置を説明した。しかしながら、掘削機の周辺部分に地中アンテナを取付ける構成の地中レーダ装置に対しても本発明を適用することができる。
【００２４】
また、非開削ドリリング工法の掘削機に取付ける場合を例にとって本発明の地中アンテナを説明した。しかしながら、これと類似の他の地中掘削工法や、あるいは地中埋設物の探索を目的として掘進を行う場合などにも、本発明の地中レーダ装置を適用することもできる。
【００２５】
さらに、受信反射信号を地上装置に送信し、この地上装置で障害物の検出を行う構成の地中レーダ装置を例示した。しかしながら、地中の掘削機の内部で反射信号を処理して障害物を検出する構成の地中レーダ装置にも本発明を適用できる。この場合、０°パルスをそのような掘削機内部で障害物の角度の検出に利用し、地上装置には反射信号を送信しない構成とすることもできる。
【００２６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の地中レーダ装置は、地中掘削機の回転角度が所定の基準値になった時点を検出しその旨を通知する基準タイミングパルスを発生する基準タイミングパルス発生手段を備える構成であるから、地上においてアンテナの向き、従って、障害物の位置を正確に検出でき、回避作業が容易かつ確実になるという効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の地中レーダ装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図２】図１の信号合成部から出力される０°パルスを含む合成信号波形の一例を示す概念図である。
【図３】図１の０°センサＳの構成の一例を示す断面図である。
【図４】非開削ドリリング工法に使用される掘削機の先端に取付けられた地中レーダとその問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
ＡＴ    地中アンテナ
ＴＸ    送信アンテナ
ＲＸ    受信アンテナ
ＴＲ    レーダ送受信部
Ｓ    ０  °センサ
ＭＬ    信号合成部
ＦＭ    周波数変調部
ＴＲ    信号伝送部
Ｈ    ホルダー
Ａ１，Ａ２アーム
ＰＴ      ポテンショメータ
ＣＡ    おもり収容室
Ｗ    おもり
Ｚ    掘削機の中心軸（軸線、回転軸）
ＳＹ    同期信号
ＲＳ    受信信号
Ｐ    掘削機
Ｑ    ロッド
ＢＬ    掘削刃
【図１】
2005017100.tif 000003
【図２】
2005017100.tif 000004
【図３】
2005017100.tif 000005
【図４】
2005017100.tif 000006