(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地下坑を掘削しながら地中を掘進する地中掘進機の掘進位置の計測に用いられ、掘進方向前方に配置しその掘進位置の指標となる被計測点の位置を、掘進方向後方に配置し計測の基点となる計測基点との位置関係で計測する地中掘進機の位置計測装置であって、前方に拡散光を発することのできる光源と前方の光源からの拡散光を集めることのできる集光手段と集光手段により集められた光を受光しその受光した光の位置により前方の光源の方向を検出し得るように配置された受光手段とを有し計測基点を設定する基点計測ユニットと、後方に拡散光を発することのできる光源と後方の光源からの拡散光を集めることのできる集光手段と集光手段により集められた光を受光しその受光した光の位置により後方の光源の方向を検出し得るように配置された受光手段とを有し被計測点を設定する被測点計測ユニットと、前方及び後方に拡散光を発することのできる光源と前方及び後方の光源からの拡散光をそれぞれ集めることのできる集光手段と集光手段によりそれぞれ集められた光を受光しその受光した各光の位置により前方及び後方の各光源の方向を検出し得るように配置された受光手段とを有し地下坑内における基点計測ユニットと被測点計測ユニットとの間に配置される少なくとも一つの中間計測ユニットとを設けて構成し、これら基点計測ユニット、被測点計測ユニット及び中間計測ユニットの各計測ユニットでの検出結果に基づいて得られる各光源の方向に関するデータと計測して得られるデータである各計測ユニットにおける隣接する計測ユニット間の各距離に関するデータとに基づいて、計測基点に対する被計測点の相対位置を演算手段で演算して計測するようにしたこと特徴とする地中掘進機の位置計測装置。
【請求項２】
集光手段と受光手段とを、それぞれ凸レンズとこれに平行に配置されたＣＣＤ撮像素子とで構成し、ＣＣＤ撮像素子の面への光源の結像点が凸レンズの中心を通りＣＣＤ撮像素子の面に直交する線である基準線からずれるずれ量と凸レンズとＣＣＤ撮像素子の間の距離とに基づいて、光源の光軸が基準線となす角度を求めて光源の方向に関するデータが得られるようにしたことを特徴とする請求項１記載の地中掘進機の位置計測装置。
【請求項３】
受光手段が、フォトダイオードの表面抵抗を利用して光スポットの位置を知ることのできる位置検出素子であることを特徴とする請求項１記載の地中掘進機の位置計測装置。
【請求項４】
中間計測ユニットに用いることのできる計測ユニットを基点計測ユニット及び被測点計測ユニットの少なくとも一方に兼用することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の地中掘進機の位置計測装置。
【請求項５】
中間計測ユニットを地下坑内に配置する場合、地下坑掘削の進展に伴って設置距離を延伸させながら仮設し地下坑掘削の終了後に撤去する延伸仮設体に取り付けて配置するようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の地中掘進機の位置計測装置。
【請求項６】
各計測ユニットでの検出結果に基づいて得られる各光源の方向に関するデータと各計測ユニットにおける隣接する計測ユニット間の各距離に関するデータとに基づいて、計測基点に対する被計測点の相対位置を演算手段で演算して計測する場合に、各計測ユニットにおける隣接する計測ユニット間の各距離を自動的に検出できる距離検出手段を設け、その距離計測手段での検出結果により得られる各距離に関するデータを演算手段に自動的に入力するようにしたことを特徴とする請求項１記載の地中掘進機の位置計測装置。
【請求項７】
各計測ユニットでの検出結果に基づいて得られる各光源の方向に関するデータと各計測ユニットにおける隣接する計測ユニット間の各距離に関するデータとに基づいて、計測基点に対する被計測点の相対位置を演算手段で演算して計測する場合に、地下坑の所定区間の変化する距離を自動的に検出できる距離検出手段を設け、距離が変化する区間については、その距離計測手段での検出結果により得られる距離に関するデータを演算手段に連続的に入力し、他の区間については、確定した距離に関するデータを断続的に入力するようにしたことを特徴とする請求項１記載の地中掘進機の位置計測装置。
【請求項８】
地中掘進機が掘削機をシールドジャッキで推進しながら地中を掘進するシールド掘進機であり、距離検出手段がシールドジャッキのストローク検出器であることを特徴とする請求項７記載の地中掘進機の位置計測装置。
【請求項９】
地中掘進機が発進立坑内に設置した元押しジャッキで埋設管を推進する管推進機であり、距離検出手段が元押しジャッキのストローク検出器であることを特徴とする請求項７記載の地中掘進機の位置計測装置。
【請求項１０】
基点計測ユニット、被測点計測ユニット及び中間計測ユニットの少なくとも一つが、集光手段の中心を通り受光手段の面に直交する線を挟んで対称に対をなすように配置され前後同じ方向に拡散光を発することのできる光源を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の地中掘進機の位置計測装置。
【請求項１１】
基点計測ユニット、被測点計測ユニット及び中間計測ユニットの少なくとも一つが、前後同じ方向に拡散光を発することのできる複数の光源を有し、この複数の光源を有する計測ユニットとこれらの光源の方向を検出し得るように配置された受光手段を有する隣接する計測ユニットとで得られる両計測ユニットの光源の方向に関するデータと、前記隣接する計測ユニットの受光手段で受光した複数の光源の光の位置に関するデータとに基づいて、両計測ユニット間の距離を計測するようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の地中掘進機の位置計測装置。
【請求項１２】
基点計測ユニット、被測点計測ユニット及び中間計測ユニットの少なくとも一つが、前後同じ方向に拡散光を発することのできる一対の光源を有し、この一対の光源が隣接する計測ユニットに結像する一対の像の傾斜に関するデータ基づいて、その隣接する計測ユニットのローリング量を計測するようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の地中掘進機の位置計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地下坑を掘削しながら地中を掘進する、管推進機（人が入れない小口径の管を地中に埋設する小口径管推進機や人が入れる大口径の管を地中に埋設するセミシールド機）及びシールド掘進機等の地中掘進機の掘進位置の計測に用いられる地中掘進機の位置計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地下坑を掘削しながら地中を掘進する、管推進機及びシールド掘進機等の地中掘進機では、予め設定された掘進経路である計画線に沿って正しく掘進できるようにする必要がある。そのためには、掘進中の地中掘進機の現在位置がリアルタイムにかつ的確に計測できるようにすることが望ましい。すなわち、地中掘進機の現在位置に関する信頼性の高い情報がオペレータにリアルタイムに提供されると、地中掘進機が計画線から外れて掘進しようとしたときに、オペレータは、これをいち早く見つけて早期に対応することができ、地中掘進機を計画線に沿って掘進させる管理が楽に行え、施工精度の向上も期待できる。地中掘進機の掘進位置を計測する技術としては、従来、「トランシットを用いて人手により計測する」方法、「地中掘進機に誘導磁界を発生する発信コイルを設置し、その誘導磁界の強度を地上の受信コイルで測定して地中掘進機の掘進位置を計測する」方法、「逆に、地上に電路を敷設し、この電路に電流を流して誘導磁界を発生させ、その誘導磁界の強度を地中掘進機に設置した受信コイルで検出して掘進位置を計測する」方法等の各種の方法が用いられていた。しかしながら、これら従来用いられている地中掘進機の位置計測技術は、掘進位置のリアルタイムな計測が本来的に行えなかったり、原理的には行えても実際上困難であったりした。
【０００３】
こうした問題を改善する地中掘進機の位置計測技術として、特開昭６１ー４５０９２号公報に記載のシールド掘進機の方向検出装置が提案されている。この従来提案されているシールド掘進機の方向検出装置は、「前方のトンネル内へ向けて照射する第１レーザビーム発振器と前方からのレーザビームを受光することができる第１レーザビーム受光器とをサーボモータでＸ方向（ヨーイング方向）、Ｙ方向（ピッチング方向）に回転できるように架台に取り付け、かつ、その回転角度をセンサで検知できるようにした計測用機器をトンネルの入口部に設置するとともに、後方の第１レーザビーム受光器へ向けて照射する第２レーザビーム発振器と後方の第１レーザビーム発振器からのレーザビームを受光することができる第２レーザビーム受光器と前方のシールド掘進機方向に向けて照射する第３レーザビーム発振器とをサーボモータでＸ，Ｙ方向に回転できるように架台に取り付け、かつ、その回転角度をセンサで検知できるようにした計測用の中継器をトンネルの中間部に設置し、また、後方の第２レーザビーム発振器からのレーザビームを受光することができ、かつ、Ｘ，Ｙ方向及びローリング角を検知可能にした第３レーザビーム受光器とピッチングローリング計とをシールド掘進機に取り付けるようにした」装置である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この従来の装置は、収束度の高いレーザ光であるレーザビームをレーザビーム受光器の所定位置に照射するように、レーザビーム発振器をヨーイング方向やピッチング方向に回転操作してその回転角度を検知し、検知した回転角度に基づいて、シールド掘進機の計画線からのずれ位置をコンピュータで演算して求めるようにしている。そのため、地中掘進機の掘進位置を計測する際、レーザビームをレーザビーム受光器の所定位置に的確に当てるようにレーザビーム発振器を回転させる操作を要して操作が複雑であるばかりでなく、サーボモータ等レーザビーム発振器を回転させるための回転機構を要して機構も複雑になり、これに伴って種々の問題がもたらされることとなる。例えば、こうした回転機構を設けたことにより、装置が地下坑内に配置するものにしては大型化し、製作費が割高になるのは勿論のこと、回転機構が機械的なものであるために、光学的な誤差に機械的な誤差が加わって高い計測精度を確保することが困難であるとともに振動に対しても弱い。
【０００５】
本発明は、こうした従来の技術にみられる問題を解消しようとするものであって、その技術課題は、地中掘進機の掘進位置を計測する際に光を受光手段に当てるための操作をしなくても済み、そのための操作機構を要しない地中掘進機の位置計測装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のこうした技術的課題は、「地下坑を掘削しながら地中を掘進する地中掘進機の掘進位置の計測に用いられ、掘進方向前方に配置しその掘進位置の指標となる被計測点の位置を、掘進方向後方に配置し計測の基点となる計測基点との位置関係で計測する地中掘進機の位置計測装置であって、前方に拡散光を発することのできる光源と前方の光源からの拡散光を集めることのできる集光手段と集光手段により集められた光を受光しその受光した光の位置により前方の光源の方向を検出し得るように配置された受光手段とを有し計測基点を設定する基点計測ユニットと、後方に拡散光を発することのできる光源と後方の光源からの拡散光を集めることのできる集光手段と集光手段により集められた光を受光しその受光した光の位置により後方の光源の方向を検出し得るように配置された受光手段とを有し被計測点を設定する被測点計測ユニットと、前方及び後方に拡散光を発することのできる光源と前方及び後方の光源からの拡散光をそれぞれ集めることのできる集光手段と集光手段によりそれぞれ集められた光を受光しその受光した各光の位置により前方及び後方の各光源の方向を検出し得るように配置された受光手段とを有し地下坑内における基点計測ユニットと被測点計測ユニットとの間に配置される少なくとも一つの中間計測ユニットとを設けて構成し、これら基点計測ユニット、被測点計測ユニット及び中間計測ユニットの各計測ユニットでの検出結果に基づいて得られる各光源の方向に関するデータと計測して得られるデータである各計測ユニットにおける隣接する計測ユニット間の各距離に関するデータとに基づいて、計測基点に対する被計測点の相対位置を演算手段で演算して計測するようにした」ことにより達成される。
【０００７】
本発明の地中掘進機の位置計測装置は、こうした技術手段を採用したことにより、中間計測ユニットは、前後に隣接する計測ユニットの前後双方の光源から拡散光を各集光手段で集めてその集められた各光を受光手段で受光し、その受光した各光の位置により中間計測ユニットに対する前後の双方の各光源の相対的な方向を検出することができて、その検出結果に基づいて各光源の方向に関するデータが得られる。その場合、光源として、特に拡散光を発することのできる光源を用い、この光源からの拡散光を集光手段で集めて受光手段に当てるようにしているため、従来のように光源からの光を受光手段に当てるための操作をしなくても済む。こうして各光源の方向に関するデータが得られると、隣接する各計測ユニット間を結ぶ各掘進路線の発進方向線に対する各角度を、その発進方向線との関係で直接的に検出しなくても、演算により間接的に求めることができる。その場合、その角度は、中間計測ユニットや被測点計測ユニットがその取付時の姿勢によって変化したり、地中掘進機の掘進時のヨーイングやピッチングによって変化したりしても、こうした影響を排除した状態で正しく求めることができる。したがって、別途、各計測ユニットにおける隣接する計測ユニット間の各距離に関するデータを適宜の方法で収集すれば、演算により求められた前記の各角度に関するデータとそれらの各距離に関するデータとから計測基点に対する被計測点の相対位置を演算して計測することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明が実際上どのように具体化されるのかを示す具体化例を図１乃至図１８に基づいて説明することにより、本発明の実施の形態を明らかにする。本発明の具体化例の地中掘進機の位置計測装置は、何れも、地下坑を掘削しながら地中を掘進する地中掘進機の掘進位置の計測に用いられ、掘進方向前方に配置しその掘進位置の指標となる被計測点の位置を、掘進方向後方に配置し計測の基点となる計測基点との位置関係で計測する装置である。まず、図１乃至図９を用いて、本発明の第１具体化例の地中掘進機の位置計測装置について説明する。図１は、本発明の第１具体化例の地中掘進機の位置計測装置の全体像を概略的に示す水平断面図、図２は、図１の地中掘進機の位置計測装置における計測ユニットで光源の方向を検出する原理を説明するための概念図、図３は、図１の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットを詳細に示す水平断面図、図４は、図１の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットの作動時のイメージを示す斜視図、図５は、図１の地中掘進機の位置計測装置で光を授受しているときの状態を示す要部の水平断面図、図６は、図１の地中掘進機の位置計測装置で計測基点寄りの計測ユニットの方向を算出する手法を説明するための概念図、図７は、図１の地中掘進機の位置計測装置で任意の地点の計測ユニットの方向を算出する手法を説明するための概念図、図８は、図１の地中掘進機の位置計測装置で地中掘進機の掘進位置を算定する基本原理を説明するための概念図、図９は、図１の地中掘進機の位置計測装置で地中掘進機の掘進位置を算定する実際的な手法を説明するための概念図である。
【０００９】
図１乃至図４において、１は地中掘進機の主要部をなす掘削機、２はシールド掘進機で掘削した坑道又は管推進機で掘削した管渠等の地下坑、３は地中掘進機の掘進の出発点となる発進立坑、４は地下坑２内における後記基点計測ユニット５と後記被測点計測ユニット６との間に配置された中間計測ユニット、５は発進立坑３に配置された基点計測ユニット、６は掘削機１内に配置された被測点計測ユニット、７はこれら中間計測ユニット４、基点計測ユニット５及び被測点計測ユニット６とそれぞれ通信ラインで接続され地中掘進機の掘進位置を演算する中央演算処理装置、８は中央演算処理装置７での演算結果やその演算結果に基づいて得られる情報をオペレータの操縦の便のために数値やグラフで表示する表示装置である。掘削機１は、管推進機及びシールド掘進機等、地下坑を掘削しながら地中を掘進する地中掘進機の掘削機であれば、何れのものでもよい。地下坑２は、管推進機であれば、ヒューム管、鋼管等の埋設管で坑壁が形成され、シールド掘進機であれば、鋼製又はコンクリート製のセグメントで坑壁が形成される。中間計測ユニット４、基点計測ユニット５及び被測点計測ユニット６は、大別すると、隣接する計測ユニットの光源４２から光を受けてその光の方向を検出できるように構成された光源方向検出手段４１と光源４２とからなっていて、何れも基本的な構造は変わらない。
【００１０】
そこで、これらの計測ユニット４，５，６を代表して、中間計測ユニット４の構造を図３に基づいて説明する。中間計測ユニット４は、図３に詳細を示すように、隣接する計測ユニットに向けて拡散光を発することのできる発光ダイオード等の光源４２と、隣接する計測ユニットの光源４２からの拡散光を集めることのできる集光手段としての凸レンズ４１１と、この凸レンズ４１１により集められた光を受光しその受光した光の位置を検出することのできる受光手段としてのＣＣＤ撮像素子４１２（ＣＣＤはＣｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ−Ｄｅｖｉｃｅの略称である。）を備えている。この受光手段としてのＣＣＤ撮像素子４１２は、図２で後に詳述するように、集光手段としての凸レンズ４１１に対して受光した光の位置により隣接する計測ユニットの光源の方向を検出し得るように配置されている。図示している光源方向検出手段４１は、こうした凸レンズ４１１とＣＣＤ撮像素子４１２との集合体のことである。中間計測ユニット４では、光源４２が地中掘進機の掘進方向を基準に前方及び後方に向けてそれぞれ拡散光を発することができるように図３の左右にそれぞれ配置されている。また、凸レンズ４１１は、前後に隣接する別の計測ユニットの光源４２からの各拡散光をそれぞれ集めることができるように、同じく左右に配置されているとともに、ＣＣＤ撮像素子４１２も、各凸レンズ４１１でそれぞれ集められた光を受光することができるように左右に配置されている。各凸レンズ４１１及び各ＣＣＤ撮像素子４１２は、互いに平行に配置して中間計測ユニット４のケース内に取り付け、光源４２は、同ケースの外側に取り付ける。
【００１１】
ＣＣＤ撮像素子４１２は、一次元のラインセンサでもよいが、本具体化例では二次元の面センサを使用することを前提にしている。受光手段として、本具体化例ではＣＣＤ撮像素子４１２を用いているが、これに代えて、フォトダイオードの表面抵抗を利用して光スポットの位置を知ることのできるＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ−Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ−Ｄｅｖｉｃｅ）のようなものを用いてもよく、要は、凸レンズ４１１のような集光手段により集められた光を受光しその受光した光の位置を検出することのできるものであればよく、その種類は問わない。光源４２には、いわゆる点光源のようなものを用い、レーザビームのような収束度の高い光線を発するものは用いることができないが、基本的には、微小なエリアから放射状に拡がるいわゆる拡散光を発するようなものであれば、どのようなものでも使用することができる。中間計測ユニット４は、多くの場合５ｍ乃至５０ｍの間隔で地下坑３内に取り付けられるが、光源４２は、こうした５ｍ乃至５０ｍ先の地下坑内の略全域を照らし得る広がりをもつ収束度の低い光であればよい。すなわち、地下坑３の内径にもよるが、少なくとも５°乃至１０°の角度で広がる光であれば、本発明に用いることができる。したがって、レーザ光であっても、こうした角度以上の角度で広がる収束度の低いレーザ光であれば実用に供することができる。発明が解決しようとする課題の項で述べたように、従来の装置にあっては、レーザビームを光源に用いているため、地中掘進機の掘進位置の計測の際、レーザビームをレーザビーム受光器の所定位置に的確に当てるようにレーザビーム発振器を回転させる操作を必要としたが、本発明では、光源に拡散光を発するものを用いたため、地下坑２の掘削中に何れかの測量ユニットの姿勢が変動しても、光源４２の光を受光手段としてのＣＣＤ撮像素子４１２に確実に当てることができて、こうした操作をしなくても済む。
【００１２】
中間計測ユニット４は、以上述べた凸レンズ４１１、ＣＣＤ撮像素子４１２及び光源４２のほか、付帯的構造として、透明ガラス製の透明板４１３やコントローラ部４３を備えている。透明板１１３は、中間計測ユニット４のケースの前後に設けた各光採取孔に覆うように取り付けられ、同ケースの気密性を保持し、ケース内の凸レンズ４１１等を防護する。コントローラ部４３は、中間計測ユニット４のケースに内蔵され、ＣＣＤ撮像素子４１２や各光源４２が電気的に接続されるとともにケーブル４５が接続される。このケーブル４５は、ケースに穿設した引出口から引き出されて中央演算処理装置７に接続されるが、その際、ケーブル４５を、引出口に嵌めたグランド４４に挿通して引きだすことにより、ケースの気密性を保持するようにしている。コントローラ部４３は、光源４２を発光させるための電源部、ＣＣＤ撮像素子４１２で検出した光の位置に関する画像データを数値データに変換して処理するためのデータ処理部及びこのデータ処理部で処理したデータを中央演算処理装置７に出力するための通信処理部等から構成される。このコントローラ部４３のデータ処理部では、後に詳述するように、ＣＣＤ撮像素子４１２で検出した光の位置のデータを各光源４２の方向のデータに変換したりその変換したデータを補正したりするための演算も行う。前記ケーブル４５は、コントローラ部４３の通信処理部と中央演算処理装置７との間で通信信号を送受信するための信号路や中間計測ユニット４に電源電流を導くための電路を内蔵している。
【００１３】
以上、中間計測ユニット４の構造について述べたが、基点計測ユニット５は、前方に拡散光を発することのできる光源４２と前方の光源４２からの拡散光を集めることのできる凸レンズ４１１とこの凸レンズ４１１により集められた光を受光することのできるＣＣＤ撮像素子４１２とを備えている。また、被測点計測ユニット６は、後方に拡散光を発することのできる光源４２と後方の光源４２からの拡散光を集めることのできる凸レンズ４１１とこの凸レンズ４１１により集められた光を受光することのできるＣＣＤ撮像素子４１２とを備えている。換言すると、基点計測ユニット５及び被測点計測ユニット６は、それぞれ、中間計測ユニット４における前方側半分の機能及び後方側半分の機能を果たす構造を備えており、この点を除けば、中間計測ユニット４の構造と本質的な差異はない。したがって、基点計測ユニット５及び被測点計測ユニット６には、中間計測ユニット４をそのまま使用し、セットする際にそれぞれ前方側半分及び後方側半分だけが働くようにしたり、ソフト上、それぞれ前方側半分及び後方側半分だけを活かすようにしてもよい。このように中間計測ユニット４に用いられる計測ユニットを基点計測ユニット５や被測点計測ユニット６に兼用するようにすれば、製作する機器の種類を少なくできてそれらの製作を省力化することができるだけでなく、使用する機器の種類も少なくできて機器の使用上の便もよい。地中掘進機の掘進位置を計測する際、その計測の基点となる計測基点と掘進中の地中掘進機の現在位置を表す指標となり得るような被計測点を設定する必要があるが、基点計測ユニット５は、計測基点を設定する役割を果たし、被測点計測ユニット６は、被計測点を設定する役割を果たす。
【００１４】
これらの計測ユニット４，５，６の光源方向検出手段４１で光源４２の方向を検出する原理を、図２を用いて説明する。以下、この説明を始め各具体化例の説明をするに当たり、３次元位置座標上の水平方向の座標軸（端的にいえば左右方向の軸線）をＸ軸、３次元位置座標上の垂直方向の座標軸（端的にいえば上下方向の軸線）をＹ軸、Ｘ軸に直交する３次元位置座標上の水平方向の座標軸（端的にいえば前後方向の軸線）をＺ軸とする。いま、図２に示すように、凸レンズ４１１とＣＣＤ撮像素子４１２とをＬｃの間隔で互いに平行に配置し、隣接する計測ユニットの光源４２から拡散光を発すると、光源４２の像が凸レンズ４１１を通過してＣＣＤ撮像素子４１２の面上に結像する。その場合、光軸（光源４２と凸レンズ４１１の中心とを結ぶ線を意味する。以下同じ。）が基準線（凸レンズ４１１の中心を通りＣＣＤ撮像素子４１２の面に直交する線を意味する。以下同じ。）となす角度のＸ−Ｚ平面上の成分（Ｙ軸回りの回転角度）をΘ、同角度のＹ−Ｚ平面上の成分（Ｘ軸回りの回転角度）をΦとし、ＣＣＤ撮像素子４１２の面上における光源４２の像の結像点が基準線からずれるずれ量（ＣＣＤ撮像素子４１２の面への光源４２の結像点のＣＣＤ撮像素子４１２の中心からの偏差量）のうち、そのＸ軸方向の成分をδｃＸ，そのＹ軸方向の成分をδｃＹとすると、次の各式が成立する。
ｔａｎΘ＝δｃＸ／Ｌｃ……………（１）
ｔａｎΦ＝δｃＹ／Ｌｃ……………（２）
前（１）式及び前（２）式からは、それぞれ、δｃＸ／Ｌｃ及びδｃＹ／Ｌｃに基づいて角度Θ及び角度Φを演算により求めることができる。光源４２の方向は、こうした原理により、ＣＣＤ撮像素子４１２が検出した光の位置に基づいて各計測ユニット４，５，６の光源方向検出手段４１で検出することができる。δｃＸ／Ｌｃ及びδｃＹ／Ｌｃに基づく角度Θ及び角度Φの実際の演算は、本具体化例ではコントローラ部４３の演算手段で行っているが、中央演算処理装置７で行うようにしてもよい。
【００１５】
ここで留意すべきことは、こうして求められる角度Θ，Φは、当該計測ユニットの光軸がその計測ユニットの基準線に対してなす角度であって、地中掘進機の発進時の発進方向に対してなす角度ではなく、地中掘進機の掘進方向を定めるための尺度とはなりえない。しかも、その計測ユニットの基準線それ自体は、計測ユニットの取付時の姿勢によって変化するし、地中掘進機の掘進時のヨーイングやピッチングによっても変化することから、光源方向検出手段４１で検出した前記の角度Θ，Φの値を単純に利用しても、地中掘進機の掘進方向を正しく演算することはできない。こうしたことから、中間計測ユニット４には、前述したように、前後双方の光源４２から拡散光を集め得るように凸レンズ４１１を左右に設け、これら左右の凸レンズ４１１で集められた光を受光し得るようにＣＣＤ撮像素子４１２も左右に設けて、角度Θ，Φを前後双方で検出するようにするとともに、これら前後双方の角度Θ，Φの検出値を後に詳述する独自の演算手法に利用することにより、計測ユニットの取付時の姿勢や地中掘進機のヨーイング、ピッチングの影響を排除した状態で地中掘進機の掘進方向を正しく演算できるようにしている。その技術内容については、地中掘進機の位置の演算手法を説明する際に具体的に述べる。
【００１６】
中間計測ユニット４を設置して実際に作動させているときの全体のイメージを図示すると、図４に図示したようになる。なお、図中に示す矢印は、光源４２の入射方向や放射方向を表す。基点計測ユニット５及び被測点計測ユニット６の全体のイメージについても、それぞれ、図４に図示の前方側半分及び後方側半分と同様のイメージになる。こうした各計測ユニット４，５，６を地中掘進機の位置計測に使用する場合、シールド工事及び管推進工事の何れの場合でも、基点計測ユニット５は、通常、発進立坑３に設置し、被測点計測ユニット６は、通常、掘削機１（シールド工事ではシールド掘進機、管推進工事では先導体）にそれぞれ設置する。その場合、基点計測ユニット５は、その基準線が発進方向と一致するように精度良く設置する。ただし、基点計測ユニット５の基準線を発進方向と一致させないで設置するようにしても、両者のなす角度を精度良く測定しておき、その測定値をオフセット値としてコントローラ部４３又は中央演算処理装置７に予め記憶させておき、地中掘進機の掘進位置を中央演算処理装置７で演算する際にその値を反映させるようにすれば、地中掘進機の位置計測に支障は生じないので、こうした方法を採用することもできる。
【００１７】
一方、各計測ユニット４，５，６のうち特に中間計測ユニット４については、その設置方法がシールド工事及び管推進工事とで若干異なる。すなわち、シールド工事及び管推進工事の何れの場合でも、中間計測ユニット４を地下坑２内に配置する点では変わらないが、前者の場合は、通常、地下坑２の内周壁を構成する既設セグメント等に取り付け、後者の場合は、通常、地下坑２を構成する埋設管の内壁や排土装置をなすオーガケーシング、排土管等の外壁等に取り付ける。管推進工事において地下坑２内に中間計測ユニット４を取り付ける場合、特に、地下坑２の掘削の進展に伴って設置距離を延伸させながら仮設し、地下坑２の掘削の終了後に撤去するオーガケーシングや排土管等の延伸仮設体に取り付けるようにすれば、延伸仮設体の撤去時に中間計測ユニット４も自動的に撤去することができて至便である。また、シールド工事の場合でも、送泥管、排泥管、排土管等の延伸仮設体に取り付けるようにすれば、同様の効果が得られる。
【００１８】
シールド工事では、シールド掘進機をシールドジャッキで推進しながら掘進してその掘進により形成された地下坑２内にセグメントを組み立て、こうした工程の反復により工事が進められるが、工事の過程で、被測点計測ユニット６が基点計測ユニット５の設置位置から見通せなくなったら、これらの計測ユニット５，６の中間の適宜の位置に中間計測ユニット４を新設する。工事が進捗して、新設した中間計測ユニット４の設置位置から被測点計測ユニット６が見通せなくなったら、これらの計測ユニット４、６の中間の適宜の位置に新たな計測ユニット４を追加して設置し、こうした設置作業を繰り返す。管推進工事では、先導体の後方に連結される埋設管の最後部を元押しジャッキで推進しながら最後部の埋設管を地中に埋設し、最後部の埋設管の埋設が終了する都度、新たな埋設管を継ぎ足して工事が進められるが、工事の過程で埋設管を一定距離推進して埋設したら、最後部の埋設管内に中間計測ユニット４を設置する。工事が進捗して埋設管を更に一定距離推進して埋設したら、再度、最後部の埋設管内に中間計測ユニット４を追加して設置し、こうした設置作業を繰り返して各計測ユニット４，５，６間の間隔を適宜の間隔に保つ。その間隔の目安は、計画されている曲線施工区間においても各計測ユニット４，５，６同士が見通せる位置に設置する。
【００１９】
こうして、適当数の中間計測ユニット４を見通せるように地下坑２内に配置して互いに光を授受しているときの状態を摸式的に示した図面が図５である。この図では、４（ｎ）は基点計測ユニット５側からみてｎ番目の中間計測ユニットを表し、４（ｎ＋１）及び４（ｎ−１）はその前後の中間計測ユニットを表す。実際の各計測ユニット４，５，６を地下坑２内に設置した場合、図５に示すように当該計測ユニットへの入射光と当該計測ユニットの放射光とが互いに交差し、かつ、一つの中間計測ユニット４の前後のレンズ４１１及び前後の光源４２の各中心位置が基準となる一点に集中せず、Ｘ−Ｙ面方向やＺ軸方向にずれた状態で計測が行われることになる。
【００２０】
こうした状態で計測することにより得られるデータに基づいて地中掘進機の位置を演算する場合には、演算の便宜上、図６及び図７に示すように、前後のレンズ４１１及び前後の光源４２の各中心位置が各計測ユニット４，５，６の基準点（前後のレンズ４１１の中心線上の適宜の点、例えばその中心線上の真中の点）に揃えられるようにそれらの各中心位置をＸ−Ｙ面方向やＺ軸方向に位置補正して演算する。その場合、地中掘進機の位置計測が一層正確に行えるようにするため、光軸と基準線とのなす角度について若干補正をするが、その補正値は、前後のレンズ４１１及び前後の光源４２の各中心位置と基準点との位置関係を考慮しながら、前記（１）、（２）式から得られる角度Θ、角度Φに基づいてコントローラ部４３で算出するようにしている。後述する角度ΘＮn ，ΦＮn 、ΘＳn 、ΦＳn は、こうした補正を経て得られたものである。このように、本具体化例では、より正確な計測を期して光軸と基準線とのなす角度について補正をしているが、前後のレンズ４１１や光源４２の各中心位置のずれ量は、各計測ユニット４，５，６間の距離に比べれば僅少な値であるので、レンズ４１１や光源４２の中間計測ユニット４への配置を適切に選定すれば、こうした補正をしなくても、実用性のある位置計測装置が得られる。
【００２１】
そこで、各計測ユニット４，５，６で得られるデータにより地中掘進機の位置を演算する手法を、図６乃至図９を用いて説明する。その説明をするに当たり、これらの図面や以下の数式に用いている記号の意味を説示する。
Ｖ；隣合った各計測ユニット４，５，６の基準点同士を結ぶ直線を意味する見通し線、この見通し線Ｖは、隣合った各計測ユニット４，５，６間で授受する光の光軸とみることができる。
Ｖ0 ；地中掘進機の発進時の発進方向を表す発進方向線、
Ｖn ；見通し線Ｖのうちのｎ−１番目の計測ユニットとｎ番目の計測ユニットとを結ぶ見通し線、
Ｇ；当該計測ユニットの凸レンズ４１１の中心を通りその計測ユニットのＣＣＤ撮像素子４１２の面に直交する線を意味する前述の基準線、
Ｇn ；基準線Ｇのうちのｎ番目の計測ユニットの基準線、
Θn ；見通し線Ｖn が発進方向線Ｖ0 に対してなす角度のＸ−Ｚ平面上の成分（見通し線Ｖn と発進方向線Ｖ0 をＸ−Ｚ平面上へ正投影した線のなす角度、端的にいえば、地下坑２の軸方向に向かって左右方向の角度）、
Φn ；見通し線Ｖn が発進方向線Ｖ0 に対してなす角度のＹ−Ｚ平面上の成分（見通し線Ｖn と発進方向線Ｖ0 をＹ−Ｚ平面上へ正投影した線のなす角度、端的にいえば、地下坑２の軸方向に向かって上下方向の角度）、
ΘＮn ；ｎ番目の測量ユニットにおいてその後方の見通し線Ｖn が基準線Ｇnとなす角度のＸ−Ｚ平面上の成分（見通し線Ｖn と基準線Ｇn をＸ−Ｚ平面上へ正投影した線のなす角度）、
ΦＮn ；ｎ番目の測量ユニットにおいてその後方の見通し線Ｖn が基準線Ｇnとなす角度のＹ−Ｚ平面上の成分（見通し線Ｖn と基準線Ｇn をＹ−Ｚ平面上へ正投影した線のなす角度）、
ΘＳn ；ｎ番目の測量ユニットにおいてその前方の見通し線Ｖn+1 （ｎ＋１番目の測量ユニットにとっては後方の見通し線）が基準線Ｇn となす角度のＸ−Ｚ平面上の成分（見通し線Ｖn+1 と基準線Ｇn をＸ−Ｚ平面へ正投影した線のなす角度）、
ΦＳn ；ｎ番目の測量ユニットにおいてその前方の見通し線Ｖn+1 （ｎ＋１番目の測量ユニットにとっては後方の見通し線）が基準線Ｇn となす角度のＹ−Ｚ平面上の成分（見通し線Ｖn+1 と基準線Ｇn をＹ−Ｚ平面上へ正投影した線のなす角度）、
Ｌn ；隣合った各計測ユニット４，５，６の基準点間の距離のうちのｎ−１番目の計測ユニットとｎ番目の計測ユニットの基準点間の距離、
なお、地中掘進機の位置の演算手法を説明するに当たっては、説明の便宜上、中間計測ユニット４だけに限らず、全ての計測ユニット４，５，６を、４を頭文字とする符号４（ｎ）で統一して表すこととする。その場合、４（ｎ）は、基点計測ユニット５の次の計測ユニットから数えてｎ番目の計測ユニットを意味し、４（０）は、基点計測ユニット５を意味する。また、Ｇ0 は、基点計測ユニット４（０）の基準線Ｇを意味し、本具体化例では発進方向線Ｖ0 の方向と一致させるようにセットしてある。角度Θn ，Φn ，ΘＮn ，ΦＮn ，ΘＳn ，ΦＳn には、極性をもたせており、図６及び図７においては、基準線Ｇn を基準にして見通し線Ｖn が時計方向回りに傾斜している場合の角度を−の極性、反時計方向回りに傾斜している場合の角度を＋の極性と定めた。したがって、例えば、図６において、角度Θ1 ，Φ1 は、見通し線Ｖn の傾斜方向を表す弧線先端矢印が反時計方向を向いていてプラスの角度であり、角度ΘＮ1 ，ΦＮ1 ，ΘＳ1 ，ΦＳ1 は、見通し線Ｖn の傾斜方向を表す弧線先端矢印が時計方向を向いていてマイナスの角度である。
【００２２】
すでに述べたことから明らかなように、見通し線Ｖn が基準線Ｇn となす角度ΘＮn ，ΦＮn ，ΘＳn ，ΦＳn は、計測ユニット４（ｎ）により求めることができるが、地中掘進機の位置を演算する際、本具体化例で最終的に求めようとする角度は、見通し線Ｖn が発進方向線Ｖ0 となす角度Θn ，Φn である。図６及び図７を用いてその角度Θn ，Φn の演算手法について説明すると、まず、角度Θ1 ，Φ1 については、基点計測ユニット４（０）の基準線Ｇ0 を発進方向線Ｖ0 の方向と一致させるように、換言すると、Θ1 ＝ΘＳ0 、Φ1 ＝ΦＳ0 となるように予め設定しているので、基点計測ユニット４（０）での計測結果から直接的に得られる。次に、角度Θ2 ，Φ2 については、それぞれ、こうして得られた角度Θ1 ，Φ1 と計測ユニット４（１）で得られたΘＮ1 ・ΘＳ1 ，ΦＮ1 ・ΦＳ1 の値を基に、次の各式で求めることができる。
Θ2 ＝Θ1 −ΘＮ1 ＋ΘＳ1 ……………（３）
Φ2 ＝Φ1 −ΦＮ1 ＋ΦＳ1 ……………（４）
同様にして、角度Θn+1 ，Φn+1 については、角度Θn ，Φn が得られれば、この角度Θn ，Φn と計測ユニット４（ｎ）で得られたΘＮn ・ΘＳn ，ΦＮn ・ΦＳn の値を基に、次の各式で求めることができる。
Θn+1 ＝Θn −ΘＮn ＋ΘＳn ……………（５）
Φn +1＝Φn −ΦＮn ＋ΦＳn ……………（６）
これら（５）、（６）式中の角度Θn ，Φn は、角度Θn-1 ，Φn-1 の値が地中掘進機の位置の計測過程で演算により求められるので、これらの値を基にして（５）、（６）式から求めることができる。すなわち、前記（３）、（４）式で得られた角度Θ2 ，Φ2 の値を（５）、（６）式のΘn ，Φn に代入してΘ3 ，Φ3 を算出し、その算出結果を基に再び（５）、（６）式からΘ4 ，Φ4 を算出するという演算を順送りに行って角度Θn-1 ，Φn-1 の値を得ることができるので、最後に、これらの値を（５）、（６）式に代入することにより角度Θn ，Φn を求めることができる。こうした角度Θn ，Φn のような各光源４２の方向に関するデータは、本具体化例では前各式に従って中央演算処理装置７の演算部で演算することにより求められる。本具体化例では、各計測ユニット４，５，６の検出結果に基づいて得られる各光源４２の方向に関するデータのうち、角度ΘＮn ，ΦＮn 、ΘＳn 、ΦＳn についてはコントローラ部４３の演算手段で求め、角度Θn ，Φn については前各式に従って中央演算処理装置７の演算部で求めているが、これらのデータを何れで求めるかは、発明の実施に際して任意に選択できる設計上の選択事項である。
【００２３】
以上の説明から明らかなように、地中掘進機の位置の演算の基礎となる、計測ユニット４（ｎ）の見通し線Ｖn の発進方向線Ｖ0 に対する角度Θn ，Φn は、見通し線Ｖn のなす角度を発進方向線Ｖ0 との関係で直接的に検出しなくても、その計測ユニット４（ｎ）の基準線Ｇn との関係で前後双方の見通し線Ｖn について検出して各計測ユニット４（ｎ）ごとに角度ΘＮn ，ΦＮn ，ΘＳn ，ΦＳn を順次計測し、その計測結果を用いて前式のような手法で演算することにより間接的に求めることができる。そのため、本具体化例によれば、計測ユニット４（ｎ）の基準線Ｇn がその取付時の姿勢によって変化したり、地中掘進機の掘進時のヨーイングやピッチングによって変化したりしても、角度ΘＮn ，ΦＮn ，ΘＳn ，ΦＳn さえ適正に計測すれば、こうした変化がそのまま織り込まれた状態で地中掘進機の掘進方向を正しく演算することができ、その変化が演算結果に影響をもたらすようなことはない。
【００２４】
こうして、例えば角度Θ1 〜Θn の値やΦ1 〜Φn の値を順次計測した後は、各計測ユニット４（ｎ）と隣接する後方の計測ユニット４（ｎ−１）との基準点間の距離Ｌ1 〜Ｌn の値を、後に詳述するような適宜の方法で順次計測し、これらの角度と距離の計測結果に基づいて、設定された３次元位置座標上における地中掘進機の位置すなわち計測基点に対する被計測点の相対位置を演算する。そこで、その演算方法の基本的な原理を図８を用いて説明する。図８には、その演算方法の理解を容易にするため、角度Θn ，Φn の一方だけを変化させ他方を変化させないで地下坑を施工する場合すなわち地中掘進機で水平方向か上下方向にだけ曲線施工する場合における各計測ユニット４（ｎ）の基準点の位置を、Ｘ軸及びＹ軸に共用している縦軸とＺ軸としての横軸とからなる２次元位置座標上に、（Ｘ1 ，Ｙ1 ，Ｚ1 ）、（Ｘ2 ，Ｙ2 ，Ｚ2 ）……（Ｘn ，Ｙn ，Ｚn ）というように順次表示している。その場合、２次元位置座標のＺ軸を発進方向線Ｖ0 に一致させるとともにその原点を基点計測ユニット５〔４（０）〕の計測基点に一致させるようにしている。
【００２５】
この図８を参照すると明らかなように、各計測ユニット４（ｎ）の基準点の隣接後方計測ユニット４（ｎ−１）の基準点に対する座標位置の変化量は、各角度Θ1 〜Θn やΦ1 〜Φn の値及び各距離Ｌ1 〜Ｌn の値（各見通し線Ｖ1 〜Ｖnの長さに相当）を用いて三角関数により順次算出することができる。すなわち、各計測ユニット４（ｎ）の基準点の隣接後方計測ユニット４（ｎ−１）の基準点に対する座標位置の変化量のうち、Ｘ軸方向の成分及びＹ軸方向の成分は、それぞれＬn ・ｓｉｎΘn 及びＬn ・ｓｉｎΦn として求めることができ、Ｚ軸方向の成分は、Ｌｎ・ｃｏｓΘn 又はＬn ・ｃｏｓΦn として求めることができる。なお、この例では、曲線施工に際して前記したように角度Θn ，Φn の一方だけを変化させるようにしているので、角度Θn を変化させるようにした場合は、前記の各計測ユニット４（ｎ）の基準点の座標位置の変化量のうちのＸ軸方向の成分だけがＬn ・ｓｉｎΘn の量変化してＹ軸方向の成分は変化せず、角度Φn を変化させるようにした場合は、Ｙ軸方向の成分だけがＬn ・ｓｉｎΦn の量変化してＸ軸方向の成分は変化しない。
【００２６】
こうして、各計測ユニット４（ｎ）の基準点の隣接後方計測ユニット４（ｎ−１）の基準点に対する座標位置の変化量のＸ軸方向又はＹ軸方向の成分及びＺ軸方向の成分が求められると、これらの各方向の成分の量をそれぞれ積算することにより、（Ｘn ，Ｙn ，Ｚn ）の座標位置を算定することができる。図８の例では、各見通し線Ｖn がＺ軸に対して常に反時計方向回りに傾斜するように変化しているので、その積算をする際には、各方向の成分の量をそれぞれそのまま積算すればよい。しかしながら、各見通し線Ｖn の傾斜方向が時計方向回り、反時計方向回りにランダムに変化する場合であっても、角度Θn ，Φn に前述したような極性をもたせるようにすれば、前記したと同様、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各方向の成分の量をそれぞれそのまま積算して、（Ｘn ，Ｙn ，Ｚn ）の座標位置を算定することができる。
【００２７】
図８では、曲線施工に際して角度Θn ，Φn の一方だけを変化させる例を示したが、次に、角度Θn ，Φn の双方を変化させて地中掘進機の掘進方向を上下、水平方向というように３次元的に変える場合の地中掘進機の位置の演算方法を図９を用いて説明する。図９には、地中掘進機の掘進方向をこのように３次元的に変える場合の各計測ユニット４（ｎ）の基準点の位置を、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸からなる通常の３次元位置座標上に（Ｘ1 ，Ｙ1 ，Ｚ1 ）、（Ｘ2 ，Ｙ2 ，Ｚ2 ）というように計測ユニット４（１），４（２）についてだけ例示的に示している。その場合、３次元位置座標のＺ軸を発進方向線Ｖ0 に一致させるとともにその原点を基点計測ユニット５〔４（０）〕の計測基点に一致させるようにしている。図９では、図６及び図７と同様、角度Θn ，Φn に極性をもたせており、角度Θn については、Ｙ−Ｚ面を基準にして時計方向回りに形成される角度を＋の極性、反時計方向回りに形成される角度を−の極性と定めた。これに対し、角度Φn については、Ｘ−Ｚ面を基準にして時計方向回りに形成される角度を−の極性、反時計方向回りに形成される角度を＋の極性と定めた。したがって、図９において、角度Θ1 ，Θ2 は、角度を表す弧線の先端矢印が何れも時計方向を向いていてプラスの角度である。これに対し、角度Φ1 は、角度を表す弧線の先端矢印が反時計方向を向いていてプラスの角度であり、角度Φ2 は、角度を表す弧線の先端矢印が時計方向を向いていてマイナスの角度である。
【００２８】
各計測ユニット４（ｎ）の基準点の座標位置（Ｘn ，Ｙn ，Ｚn ）は、前述した方法で得られた角度Θ1 〜Θn やΦ1 〜Φn の値と適宜の方法で計測して得られた距離Ｌ1 〜Ｌn の値とを用いて、図８で概説したのと同様の手法により３次元的に算定する。まず、座標位置（Ｘ1 ，Ｙ1 ，Ｚ1 ）については、基点計測ユニット４（０）での計測結果から直接的に得られた角度Θ1 ，Φ1 の値及び距離Ｌ1 の値を基に、次の各式で求めることができる。
Ｘ1 ＝Ｌ1 ｃｏｓΦ1 ｓｉｎΘ1 ……………（７）
Ｙ1 ＝Ｌ1 ｃｏｓΘ1 ｓｉｎΦ1 ……………（８）
Ｚ1 ＝Ｌ1 ｃｏｓΘ1 ｃｏｓΦ1 ……………（９）
次に、座標位置（Ｘ2 ，Ｙ2 ，Ｚ2 ）については、前（７）、（８）、（９）式で得られたＸ1 ，Ｙ1 ，Ｚ1 の値と前記（３）、（４）式で得られた角度Θ2 ，Φ2 の値と適宜の方法で計測して得られた距離Ｌ2 の値を基に、次の各式で求めることができる。
Ｘ2 ＝Ｘ1 ＋Ｌ2 ｃｏｓΦ2 ｓｉｎΘ2 ……………（１０）
Ｙ2 ＝Ｙ1 ＋Ｌ2 ｃｏｓΘ2 ｓｉｎΦ2 ……………（１１）
Ｚ2 ＝Ｚ1 ＋Ｌ2 ｃｏｓΘ2 ｃｏｓΦ2 ……………（１２）
同様に、座標位置（Ｘn ，Ｙn ，Ｚn ）については、前（１０）、（１１）、（１２）と同様の演算を順送りに行って得られたＸn-1 、Ｙn-1 、Ｚn-1 の値と前記（５）、（６）式で演算して得られた角度Θn ，Φn の値と距離Ｌn の値とを基に、次の（１３）´、（１４）´、（１５）´式で求めることができる。
Ｘn ＝Ｘn-1 ＋Ｌn ｃｏｓΦn ｓｉｎΘn ……………（１３）´
Ｙn ＝Ｙn-1 ＋Ｌn ｃｏｓΘn ｓｉｎΦn ……………（１４）´
Ｚn ＝Ｚn-1 ＋Ｌn ｃｏｓΘn ｃｏｓΦn ……………（１５）´
したがって、各計測ユニット４（ｎ）の基準点の座標位置（Ｘn ，Ｙn ，Ｚn ）は、結局、次の（１３）、（１４）、（１５）で表すことができる。
Ｘn ＝ΣＬn ｃｏｓΦn ｓｉｎΘn ……………（１３）
Ｙn ＝ΣＬn ｃｏｓΘn ｓｉｎΦn ……………（１４）
Ｚn ＝ΣＬn ｃｏｓΘn ｃｏｓΦn ……………（１５）
なお、前（１３）、（１４）、（１５）式中のΣはｎを順次１からｎまでに置いて積算した値を意味し、それゆえ、例えば、ΣＬn ｃｏｓΦn ｓｉｎΘn は、ΣＬ1 ｃｏｓΦ1 ｓｉｎΘ1 〜ΣＬn ｃｏｓΦn ｓｉｎΘn の各値の合計値を意味する。いま仮に、ｎ番目の計測ユニット４（ｎ）が被計測点を設定するための被測点計測ユニット６であるとすると、基点計測ユニット５で設定した計測基点に対する被計測点の相対位置は（Ｘn ，Ｙn ，Ｚn ）となり、（１３）、（１４）、（１５）式により容易に算定することができる。こうした前各式による位置の演算は、中央演算処理装置７の演算部で行われる。
【００２９】
このように、計測基点に対する被計測点の相対位置は、計測ユニット４，５，６の検出結果に基づいて得られる各光源の方向に関するデータと隣接する計測ユニット間の各距離に関するデータとに基づいて、（３）〜（１５）式に従って演算により計測するが、その場合、隣接する計測ユニット間の各距離に関するデータを収集して中央演算処理装置７の演算部に入力する必要がある。そこで、こうした距離に関するデータを中央演算処理装置７の演算部に入力する手法の例を図１０及び図１１に基づいて説明する。図１０は、第１具体化例を管推進機に適用した場合における地下坑の距離に関するデータを中央演算処理装置に入力する手法を説明するための水平断面図、図１１は、第１具体化例をシールド掘進機に適用した場合における図１０と同様の図である。
【００３０】
計測ユニット間の各距離に関するデータは、基本的には既存の距離計で計測する等適宜の手段で収集して中央演算処理装置７に入力すればよいが、そのための代表的な手法を示すと、次のような方法がある。
（イ）各計測ユニット４，５，６間の各距離を自動的に検出できる距離検出手段を設け、その距離計測手段での検出結果により得られる各距離に関するデータを中央演算処理装置７の演算部に自動的に入力する。
（ロ）地下坑２の所定区間の変化する距離を自動的に検出できる距離検出手段を設け、距離が変化する区間については、その距離計測手段での検出結果により得られる距離に関するデータを、中央演算処理装置７の演算部に継続的に入力し、他の区間については、実地に計測して得られる実測値や計画線から得られる計画値等の確定した距離に関するデータを非継続的に入力する。
【００３１】
図１０及び図１１は、これらの手法のうち（ロ）の手法を説明するための図である。管推進機で地下坑２を施工する場合、地下坑２の距離は、元押しジャッキで直接推進している埋設中の最後方の埋設管の区間だけが時々刻々変化し、埋設管が地中に完全に埋設されている他の区間は、距離が固定されていて絶えず変動するようなことはない。こうしたことから、管推進工事の場合、図１０に示すように、埋設管の埋設が進行している最後方の区間についてだけ、その距離を元押しジャッキのストローク計１２で自動的に検出して距離に関するデータを中央演算処理装置７に入力し、埋設管が地中に完全に埋設されている他の区間については、確定した距離に関するデータを入力するようにしている。その場合、埋設管の埋設が進行している最後方の所定の区間は、埋設管の推進中に距離が絶えず変化するため、その変化する距離に関するデータを連続的に自動入力する。一方、埋設済みの埋設管が位置する他の区間は、最後方の埋設管の埋設終了後、その後方で新たな埋設管の埋設が再開されるまでは距離が変化しないので、その新たな埋設管の埋設が再開される際に確定した距離に関するデータを修正して再入力するというように断続的に手動で入力する。その場合、当然のことながら、確定した距離に関するデータは、隣接する計測ユニット間ごとに、その間の各距離が分かるように区分して入力する。確定した距離に関するデータとして、管推進工事の場合には、実測値や計画値のほか埋設済みの埋設管の数に基づいて算出できる距離データを用いることができる。
【００３２】
シールド掘進機で地下坑２を施工する場合、地下坑２のうち、掘削機１をシールドジャッキで推進している最前方の区間は距離が時々刻々変動するが、他の区間であるセグメントで覆工した区間は、距離が固定されていて絶えず変動するようなことはない。こうしたことから、シールド工事の場合には、図１１に示すように、掘削機１で掘進中の最前方の所定の区間についてだけ、その距離をシールドジャッキのストローク計１３で自動的に検出して距離に関するデータを中央演算処理装置７に入力し、セグメントで覆工した区間については、確定した距離に関するデータを入力するようにしている。その場合、掘削機１で掘進中の最前方の所定の区間は、掘進中に距離が絶えず変化するため、その変化する距離に関するデータを連続的に自動入力する。一方、セグメントで覆工した区間は、セグメントの１リング相当分掘進して新たなセグメントを組み立てるまでは距離が変化しないので、その新たなセグメントが組み立てられたときに確定した距離に関するデータを修正して再入力するというように断続的に手動で入力する。その場合も、管推進機で施工する場合と同様、確定した距離に関するデータは、隣接する計測ユニット間ごとに区分して入力する。確定した距離に関するデータとして、シールド工事の場合には、実測値や計画値のほかすでに組み立てられたセグメントの種類と数に基づいて算出できる距離データを用いることができる。以上述べた地下坑２の距離データの中央演算処理装置７への入力手法によれば、何れも、管推進機やシールドジャッキに通常付設されている元押しジャッキのストローク計１２やシールドジャッキのストローク計１３を地下坑の距離の計測に二重に活用していて、その距離の計測のために特別の距離計測手段を新設する必要はないので、地下坑２の距離の計測手段を設置するためのコストやスペースを節減することができる。
【００３３】
以上述べた本発明の第１具体化例の地中掘進機の位置計測装置では、計測ユニット４，５，６を、特に、隣接する計測ユニットに拡散光を発することのできる光源４２と、隣接する計測ユニットの光源４２からの拡散光を集めることのできる凸レンズ４１１と、凸レンズ４１１によりそれぞれ集められた光を受光しその受光した光の位置により隣接する計測ユニットの光源の方向を検出し得るように配置されたＣＣＤ撮像素子４１２とで構成するようにしたので、光源４２の光を受光手段としてのＣＣＤ撮像素子４１２に常に確実に当てることができ、その結果、地中掘進機の掘進位置を計測する際に光を受光手段に当てるための操作をしなくても済み、そのための複雑な操作機構を要しない。また、計測ユニット４の取付姿勢が不統一であったり、地中掘進機の掘進時のヨーイングやピッチングによって変化したりしても、こうしたことに影響されることなく、地中掘進機の掘進位置を常に正しく演算して計測することができる。
【００３４】
次に、図１２乃至図１８を用いて、本発明の第２具体化例の地中掘進機の位置計測装置について説明する。図１２は、本発明の第２具体化例の地中掘進機の位置計測装置の全体像を概略的に示す水平断面図、図１３は、図１２の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットを示す斜視図、図１４は、図１２の地中掘進機の位置計測装置で計測ユニット間の距離を算出する手法を説明するための概念図、図１５は、計測ユニットの一つがローリングした際にそのローリング量を図１２の地中掘進機の位置計測装置で計測する基本原理を説明するための概念図、図１６は、計測ユニットの一つがローリングした際にそのローリング量を図１２の地中掘進機の位置計測装置で算出する手法を説明するための概念図、図１７は、隣接する計測ユニットの双方がローリングした際に両者間の相対的なローリング量を図１の地中掘進機の位置計測装置で算出する手法を説明するための概念図である。図１２乃至図１６中、第１具体化例の装置の説明の際にすでに用いた図面と同一の符号を付けた部分は、その図面と同等の部分を表す。
【００３５】
以上説明した本発明の第１具体化例の地中掘進機の位置計測装置において、中間計測ユニット４、基点計測ユニット５及び被測点計測ユニット６の何れかに前後同じ方向に拡散光を発することのできる光源４２を複数個配置すると、第１具体化例の装置の機能に加え、それら複数の光源を多角的に活用することにより、次のような機能を併せ発揮することができる。
（ハ）第１具体化例の装置で地中掘進機の位置を演算する場合、前述のように、当該計測ユニットのレンズ４１１及び光源４２の各中心位置が当該計測ユニットの一つの基準点に揃えられるようにそれらの各中心位置をＸ−Ｙ面方向及びＺ軸方向に位置補正し、これに伴って光軸と基準線Ｇとのなす角度Θ、角度Φについて補正をするが、当該計測ユニットの前記の複数個の光源４２を基準線Ｇを挟んで対称に対をなすように配置して、こうした配置の光源４２を少なくとも１組設けると、当該計測ユニットのレンズ４１１及び光源４２の各中心位置がＸ−Ｙ面方向については当該計測ユニットの一つの基準点に揃えられて、レンズ４１１及び光源４２の各中心位置を一つの基準点に揃えるための補正は、Ｚ軸方向についてだけ行えばよくなり、簡略化される。
（ニ）当該計測ユニットの前記の複数個の光源４２の適宜の二つの光源４２を利用することにより、当該計測ユニットとその二つの光源４２の拡散光を受光する計測ユニットとの間の距離を計測することができる。
（ホ）当該計測ユニットの前記の複数個の光源４２の適宜の二つの光源４２を利用することにより、当該計測ユニットとその二つの光源４２の拡散光を受光する計測ユニットとの間のローリング量を計測することができる。
【００３６】
第２具体化例の地中掘進機の位置計測装置は、これら（ハ）、（ニ）、（ホ）の機能を発揮できるようにするため、図１２及び図１３に示すように、前後同じ方向に拡散光を発することのできる左光源４２（Ｌ）及び右光源４２（Ｒ）とからなる一対の光源４２を、中間計測ユニット４には前側及び後側に１組ずつ、基点計測ユニット５には前側に１組、被測点計測ユニット６には後側に１組設けるようにしている。その場合、前記（ハ）の機能を発揮できるようにするため、前後同じ方向に拡散光を発することのできる１対の光源４２のそれぞれを、特に、基準線Ｇを挟んで対称位置に配置している。こうして一つの計測ユニットの同じ側に一対の光源４２を配置すると、これら一対の光源４２の各光は、図１２に示すように隣接する計測ユニットの一つの光源方向検出手段４１に入射し、光源方向検出手段４１でそれぞれの方向が検出されるが、一対の光源４２は、基準線Ｇを挟んで特に対称位置に配置されているため、各光源４２の方向に関する検出値を平均すると、その平均値は、レンズ４１１の中心位置と同じＸ−Ｙ面に設けた一つの光源４２が前記の隣接する計測ユニットに入射したときの検出値に近似する値となる。その結果、レンズ４１１及び光源４２の各中心位置を一つの基準点に揃えることに伴って行う補正は、Ｚ軸方向についてだけ行えばよくなり、帰するところ、地中掘進機の位置を計測するに際して行う演算が簡略化されることとなる。本具体化例では、対称位置に配置される一対の光源４２を各計測ユニット４，５，６の同じ側に一組ずつしか設けていないが、こうした光源４２を複数組設けて、これらの光源４２に関する光源方向検出手段４１での各検出値を平均するようにすれば、その補正の精度を一層向上させることができる。
【００３７】
第２具体化例の地中掘進機の位置計測装置を用いて前記（ニ）の機能を発揮させるための手法を、図１４を用いて説明する。図１４は、任意の計測ユニット４（ｎ）とその後方に隣接する計測ユニット４（ｎ−１）との間の距離を、この計測ユニット４（ｎ−１）の左右の光源４２（Ｌ），４２（Ｒ）を利用して算出する手法を説明するためのものである。その距離の算出をするに当たっては、計測ユニット４（ｎ）のＣＣＤ撮像素子４１２の中心を原点にとり、その計測ユニット４（ｎ）の基準線Ｇn をいわゆるＺ軸とするとともにこれに直交するδＸｎ軸及びδＹｎ軸をいわゆるＸ軸及びＹ軸とした３次元位置座標と、計測ユニット４（ｎ）の基準線Ｇn をいわゆるＺ軸とするとともにこれに直交するＸn-1´軸及びＹn-1´軸をいわゆるＸ軸及びＹ軸とし、Ｘn-1´−Ｙn-1´面が計測ユニット４（ｎ−１）の左右の光源４２（Ｌ），４２（Ｒ）の中点を通るように設定した３次元位置座標とを用いる。なお、前者の３次元位置座標におけるδＸｎ−δＹｎ面は、計測ユニット４（ｎ）のＣＣＤ撮像素子４１２の面と同じ面をなす。計測ユニット４（ｎ）と計測ユニット４（ｎ−１）の間の距離の算出手法を説明をするに当たり、図面や以下の数式に用いている記号の意味を説示する。
【００３８】
４２Ｌ（ｎ−１）；計測ユニット４（ｎ−１）の左光源、
４２Ｒ（ｎ−１）；計測ユニット４（ｎ−１）の右光源、
４２Ｃ（ｎ−１）；左光源４２Ｌ（ｎ−１）と右光源４２Ｒ（ｎ−１）との中点、
４２Ｌ（ｎ−１）´；左光源４２Ｌ（ｎ−１）をＸn-1´−Ｙn-1´面に正投影し                      た点、
４２Ｒ（ｎ−１）´；右光源４２Ｒ（ｎ−１）をＸn-1´−Ｙn-1´面に正投影し                      た点、
δxnＬ；δＸｎ−δＹｎ面上への左光源４２Ｌ（ｎ−１）の結像点のδＸｎ軸方向の成分、
δynＬ；δＸｎ−δＹｎ面上への左光源４２Ｌ（ｎ−１）の結像点のδＹｎ軸方向の成分、
δxnＲ；δＸｎ−δＹｎ面上への右光源４２Ｒ（ｎ−１）の結像点のδＸｎ軸方向の成分、
δynＲ；δＸｎ−δＹｎ面上への右光源４２Ｒ（ｎ−１）の結像点のδＹｎ軸方向の成分、
ΘG ；計測ユニット４（ｎ−１）の基準線Ｇn-1 をＸn-1 −Ｇn 平面上へ正投影した線と計測ユニット４（ｎ）の基準線Ｇn との交角、
ΦG ；計測ユニット４（ｎ−１）の基準線Ｇn-1 をＹn-1 −Ｇn 平面上へ正投影した線と計測ユニット４（ｎ）の基準線Ｇn との交角、
ＬＲ；左光源４２Ｌ（ｎ−１）と右光源４２Ｒ（ｎ−１）の離隔距離、
ＬＲ´；左光源４２Ｌ（ｎ−１）と右光源４２Ｒ（ｎ−１）とを結ぶ線をＸn-1´ −Ｙn-1´面に正投影した線分の長さ、
ＬＣ；計測ユニット４（ｎ）のレンズ４１１（ｎ）の中心からδＸｎ軸に下した垂線の長さ、換言すると、レンズ４１１（ｎ）の中心と計測ユニット４（ｎ）のＣＣＤ撮像素子４１２の中心の間の距離、
ＬＤ；δＸｎ−δＹｎ面上への左光源４２Ｌ（ｎ−１）の結像点と右光源４２Ｒ（ｎ−１）の結像点との中点と、計測ユニット４（ｎ）のレンズ４１１（ｎ）の中心の間の距離、
いま、この第２具体化例の装置により算出しようとする計測ユニット４（ｎ）と計測ユニット４（ｎ−１）の間の距離を、中点４２Ｃ（ｎ−１）とレンズ４１１（ｎ）間の距離であると定めてその距離をＬＸとし、距離ＬＸの算出手法を説明する。
【００３９】
まず、距離ＬＸの算出手法の要点を述べると、距離ＬＸの算出の基本的な手法は、距離ＬＲ´に対する距離ＬＸの比率が「δＸｎ−δＹｎ面上への左光源４２Ｌ（ｎ−１）の結像点（δxnＬ，δynＬ）と右光源４２Ｒ（ｎ−１）の結像点（δxnＲ，δynＲ）の間の距離」に対する距離ＬＤの比率に等しいことを利用して距離ＬＸを算出しようとする点にあり、このことは、後記（１７）式に集約して表されている。
距離ＬＸの算出手法を具体的に述べると、左光源４２Ｌ（ｎ−１）と右光源４２Ｒ（ｎ−１）の離隔距離ＬＲと、左右の光源４２Ｌ（ｎ−１），４２Ｒ（ｎ−１）を結ぶ線をＸn-1´−Ｙn-1´面に投影した線分の長さＬＲ´との関係は、次式で表すことができる。
【００４０】
【数１】
0003759281.tif 000002
【００４１】
一方、δＸｎ−δＹｎ面とＸn-1´−Ｙn-1´面は、何れも基準線Ｇn に直交する平面であって平行であるから、次式が成立する。
【００４２】
【数２】
0003759281.tif 000003
【００４３】
なお、この（１７）式において、（δxnＲ−δxnＬ）2 ＋（δynＲ−δynＬ）2 の平方根の項は、「δＸｎ−δＹｎ面上への左光源４２Ｌ（ｎ−１）の結像点（δxnＬ，δynＬ）と右光源４２Ｒ（ｎ−１）の結像点（δxnＲ，δynＲ）の間の距離」を表す。
【００４４】
前式中の距離ＬＤは、既知の値である距離ＬＣと、光源方向検出手段４１の検出結果から算出できる左右の光源４２Ｌ（ｎ−１），４２Ｒ（ｎ−１）の結像点間の中点の座標（（δxnＬ＋δxnＲ）／２，（δynＬ＋δynＲ）／２）の値とを用いてピタゴラスの定理により次式で表すことができる。
【００４５】
【数３】
0003759281.tif 000004
【００４６】
前（１８）式を用いて前（１７）式中のＬＤを消去し、同式を変形すると、算出しようとする前後の計測ユニット４（ｎ），４（ｎ−１）間の距離ＬＸを次式で表すことができる。
【００４７】
【数４】
0003759281.tif 000005
【００４８】
この（１９）式に（１６）式を代入してＬＲ´を消去すると、距離ＬＸを次式で表すことができる。
【００４９】
【数５】
0003759281.tif 000006
【００５０】
この（２０）式中、基準線Ｇn と基準線Ｇn-1 の交角（ΘG ，ΦG ）は、計測ユニット４（ｎ−１）の検出結果に基づいて得られる角度ΘＳn-1 ，ΦＳn-1 と計測ユニット４（ｎ）の検出結果に基づいて得られる角度ΘＮn ，ΦＮn との差から容易に求め得る数値である。また、計測ユニット４（ｎ）のＣＣＤ撮像素子４１２で受光した左右の光源４２Ｌ（ｎ−１），４２Ｒ（ｎ−１）の光の位置を表すδxnＬ，δynＬ，δxnＲ，δynＲの値は、計測ユニット４（ｎ）の検出結果から得られる値である。そして、前（２０）式中の「左光源４２Ｌ（ｎ−１）と右光源４２Ｒ（ｎ−１）の離隔距離」ＬＲと「レンズ４１１（ｎ）の中心と計測ユニット４（ｎ）のＣＣＤ撮像素子４１２の中心の間の距離」ＬＣは、何れも既知の値にすぎない。そうすると、前後の計測ユニット４（ｎ），４（ｎ−１）間の距離ＬＸは、帰するところ、左右の光源４２Ｌ（ｎ−１），４２Ｒ（ｎ−１）を有する計測ユニット４（ｎ−１）とこれらの光源の方向を検出する計測ユニット４（ｎ）とで得られる両計測ユニットの光源の方向に関するデータΘＳn-1 ，ΦＳn-1 ，ΘＮn ，ΦＮn と、計測ユニット４（ｎ）で得られる左右の光源４２Ｌ（ｎ−１），４２Ｒ（ｎ−１）の光の受光位置に関するデータδxnＬ，δynＬ，δxnＲ，δynＲとに基づいて計測できることとなる。
【００５１】
このように、本発明の第２具体化例の装置を用いれば、計測基点に対する被計測点の相対位置を計測する過程において計測ユニット４（ｎ），４（ｎ−１）で得られるデータを、隣接する計測ユニット４（ｎ），４（ｎ−１）間の距離の計測のためにほとんどそのまま用いることができる。また、こうしたデータに基づいてその距離を演算するときは、それらのデータを中央演算処理装置７の演算部に入力し、前（２０）式に従って演算するようにすればよい。したがって、以上述べた計測ユニット４（ｎ），４（ｎ−１）間の距離の計測手段によれば、地下坑の距離の計測のために特別の距離計測手段を新設する必要はないので、地下坑２の距離の計測手段を設置するためのコストやスペースを節減することができるとともに、地中掘進機の位置の計測のために特別に設けた計測ユニット４，５，６を地下坑の距離の計測のためにも利用できて、特設機器を多角的に活用することができる。
【００５２】
図１４による説明では、計測ユニット４（ｎ）と計測ユニット４（ｎ−１）との間の距離を、この計測ユニット４（ｎ−１）の左右の光源４２Ｌ（ｎ−１），４２Ｒ（ｎ−１）を利用して算出する手法を説明したが、逆に、その距離を、計測ユニット４（ｎ）の左右の光源４２Ｌ（ｎ），４２Ｒ（ｎ）を利用して算出することもできる。本具体化例では、特定の計測ユニット４（ｎ−１）に前後同じ方向に拡散光を発することのできる光源４２を２個配置した例を示したが、こうした光源４２を多数配置し、これらの光源４２を二個ずつ組み合わせて前述した手法で前後の計測ユニット４（ｎ），４（ｎ−１）間の距離ＬＸに関するデータを多数得るようにしてもよく、その場合には、これらの多数のデータを総合することにより、距離ＬＸの計測を一層正確に行うことができる。図１４に示すような手法で距離ＬＸを計測する場合において、基点計測ユニット５と被側点測ユニット６の間に多数の中間計測ユニット４を設置しなければならないときには、距離ＬＸに関する計測誤差が僅少であったとしても、各計測ユニット４，５，６間の多数の計測誤差が積み重ねられて無視できない集積誤差が生じることも考えられる。こうしたことから、図１４のような計測手法を用いて第２具体化例の位置計測装置により被側点測の位置を計測する場合、地中掘進機での掘進がある程度進捗した段階において、冒頭で述べたような従来の各種の位置計測技術で被側点の位置を実測し、第２具体化例の装置による被側点の位置の計測結果をその実測による位置の計測結果と照合してこうした集積誤差を修正するようにすれば、第２具体化例の装置による位置計測を一層確実に行うことができる。以上述べた距離検出手段は、各計測ユニット４，５，６間の距離を自動的に検出できるので、その距離データを利用する場合には、前記（イ）、（ロ）に示した演算手段への距離データの入力手法のうちの何れの手法も採用することができる。
【００５３】
最後に、第２具体化例の地中掘進機の位置計測装置を用いて前記（ホ）の機能を発揮させるための手法を、図１５乃至図１７を用いて説明する。地中掘進機の掘進過程において、管推進機にあっては埋設管や掘削機１がローリングして中間計測ユニット４や被側点計測ユニット６がローリングし、シールド掘進機にあっては掘削機１がローリングして被側点計測ユニット６がローリングすることがあるため、地中掘進機の位置の計測過程で光源４２の方向に関するデータΘＮn ，ΦＮn ，ΘＳn ，ΦＳn に変動が生じて、地中掘進機の位置の計測結果に無視できない影響を及ぼすことがある。ここで説明する技術手段は、地中掘進機の位置の計測結果の信頼性を高めるため、第２具体化例の装置において、計測ユニット４，５，６の左右の光源４２（Ｌ），４２（Ｒ）を利用することにより、隣接する計測ユニット４，５，６間のローリング量を計測して、こうした影響を排除できるようにしたものである。なお、中間計測ユニット４や被側点計測ユニット６は、通常、埋設管や掘削機１の内周壁の近傍に取り付けるため、埋設管や掘削機１がローリングすると、これらの中心軸線を中心として公転するような位置の移動する。ここでいう中間計測ユニット４や被側点計測ユニット６のローリングはこうした公転するような位置の移動のことである。
【００５４】
図１５は、任意の計測ユニット４（ｎ）がローリングした際に、そのローリング量を、その後方の計測ユニット４（ｎ−１）の左右の光源４２（Ｌ），４２（Ｒ）を利用して計測する基本原理を説明するためのものである。計測ユニット４（ｎ）のＣＣＤ撮像素子４１２の面には、基準線Ｇn 上を原点にとり、δｃＸ軸及びδｃＹ軸をいわゆるＸ軸とＹ軸とした２次元位置座標が設定されており、これらの軸により、ＣＣＤ撮像素子４１２の面への光源４２の結像点の基準線Ｇn からのずれ量のＸ軸方向の成分δｃｘ及びＹ軸方向の成分δｃｙが把握できるようになっている。図１５には、後方の計測ユニット４（ｎ−１）がその左右の光源４２（Ｌ），４２（Ｒ）とともにローリング角γn-1 だけローリングし、これに伴って、計測ユニット４（ｎ）のＣＣＤ撮像素子４１２に結像する光源４２（Ｌ），４２（Ｒ）の像がその角度γn-1 相当分傾動するとともに、計測ユニット４（ｎ）がローリング角γn だけローリングし、これに伴ってＸ軸としてのδｃＸ軸がその角度γn 相当分傾動した状態が図示されている。計測ユニット４（ｎ）に結像する光源４２（Ｌ），４２（Ｒ）の像は、こうした状態において、δｃＸ，δｃＹ軸の２次元位置座標に対してγn ＋γn-1 の角度だけ相対的に傾動することになる。また、その角度は、光源４２（Ｌ），４２（Ｒ）の像の座標上の位置から一義的に定まる。ここで説明する技術手段は、こうした現象を利用して、次に示す算出手法により任意の計測ユニット４（ｎ）のローリング量を算出するようにしたものである。
【００５５】
最初に、計測ユニット４（１）についての算出手法を、図１６を用いて説明する。図１６に示すように、計測ユニット４（１）がローリング角γ1 だけローリングすると、δｃＸ，δｃＹ軸に相当する線がローリング角γ1 だけ傾動してδｃＸ´，δｃＹ´の位置に移動するとともに、計測ユニット４（１）のローリングに伴う凸レンズ４１１のローリングに伴って、計測ユニット４（１）に結像する基点計測ユニット５の光源４２（Ｌ），４２（Ｒ）の像Ｌ，Ｒも、δｃＸ軸に平行な水平線に対して傾動する。いま、その場合の左右の像Ｌ，Ｒが水平線に対して傾く角度をγ1s 、左右の像Ｌ，Ｒの座標位置（傾動しないδｃＸ，δｃＹ軸座標における位置）をそれぞれ（δx1Ｌ，δy1Ｌ）、（δx1Ｒ，δy1Ｒ）とすると、像Ｌ，Ｒ間の距離と像Ｌ，ＲのδｃＸ軸への投影点間の距離との関係から、角度をγ1s を次式で求めることができる。
【００５６】
【数６】
0003759281.tif 000007
【００５７】
この計測ユニット４（１）に光を発する後方の計測ユニット４（０）は、基点計測ユニット５であってローリングすることはないため、この（２１）式で算出される角度γ1sの値は、ローリング角γ1 と等しいものとみることができ、結局、この角度γ1sが計測ユニット４（１）のローリング量である。
【００５８】
次に、任意の計測ユニット４（ｎ）とその後方の計測ユニット４（ｎ−１）が共にローリングしたときの計測ユニット４（ｎ）のローリング量の算出手法を、図１７を用いて説明する。後方の計測ユニット４（ｎ−１）がその左右の光源４２（Ｌ），４２（Ｒ）とともにローリング角度γn-1 だけローリングすると、これに伴って、図１７に示すように、計測ユニット４（ｎ）に結像する後方の計測ユニット４（ｎ−１）の光源４２（Ｌ），４２（Ｒ）の像Ｌ，Ｒもその角度γn-1 相当分傾動する。また、図１７に示すように、計測ユニット４（ｎ）がローリング角γn だけローリングすると、δｃＸ，δｃＹ軸に相当する線もその角度γn 分傾動してδｃＸ´，δｃＹ´の位置に移動するとともに、計測ユニット４（ｎ）のローリングに伴う凸レンズ４１１のローリング（掘削機１や埋設管の中心軸線を中心として公転するような位置の移動）に伴って、計測ユニット４（ｎ）に結像する基点計測ユニット５の光源４２（Ｌ），４２（Ｒ）の像Ｌ，Ｒも、δｃＸ軸に平行な水平線に対して角度γn 相当分傾動する。
【００５９】
いま、その場合の左右の像Ｌ，Ｒが水平線に対して傾く角度をγns、左右の像Ｌ，Ｒの座標位置（傾動しないδｃＸ，δｃＹ軸座標における位置）をそれぞれ（δxnＬ，δynＬ）、（δxnＲ，δynＲ）とすると、前（２１）式と同様に像Ｌ，Ｒ間の距離と像Ｌ，ＲのδｃＸ軸への投影点間の距離との関係から、角度をγnsを次式で求めることができる。なお、計測ユニット４（ｎ）がローリングした場合における傾動前のδｃＸ，δｃＹ軸の位置は、計測ユニット４（ｎ）の左右の光源４２についての後方の計測ユニット４（ｎ−１）でのそれらの像に関する座標位置の計測結果から求めることができる。
【００６０】
【数７】
0003759281.tif 000008
【００６１】
この計測ユニット４（ｎ）に光を発する後方の計測ユニット４（ｎ−１）は、ローリング角度γn-1 だけローリングするため、この（２２）式で算出される角度γnsの値は、計測ユニット４（ｎ）のローリング角γn そのものではなく、そのローリング角γn は、次式で表される。
【００６２】
γn ＝γns−γn-1 ……………（２３）
このローリング角γn は、前（２３）式中のγn-1 の値が計測ユニット４（ｎ）よりも後方の各計測ユニット４（ｎ−１）のローリング量を計測する過程で演算により順次求められるので、これらの値を基にして（２３）式から求めることができる。すなわち、前記（２２）式で得られた角度γ1sの値すなわちローリング角γ1 の値を（２３）式のγn-1 に代入して角度γ2 を算出し、その算出結果を基に再び（２３）式から角度γ3 を算出するという演算を順送りに行って角度γn-1 の値を得ることができるので、最後に、これらの値を（２３）式に代入することにより角度γn を求めて計測ユニット４（ｎ）の実際のローリング量を求めることができる。こうした計測ユニット４（ｎ）の演算は、中央演算処理装置７の演算部で行われ、計測ユニット４（ｎ）より後方の各計測ユニットに関するローリング角γ1 ，γ2 ，γ3 等のローリング量に関するデータは、オフセット量として中央演算処理装置７の記憶部に記憶してその演算に用いる。
【００６３】
この例では、各計測ユニット４（ｎ）のローリング量を、こうした手法により精密に計測することができるため、その計測されたローリング量に基づいて地中掘進機の位置の計測過程で得られる光源４２の方向に関するデータを正しく補正することにより、計測ユニット４（ｎ）のローリングの影響を排除して地中掘進機の位置の計測結果の信頼性を高めることができる。この例では、各計測ユニット４（ｎ）のローリング角γn を演算により順次算出するようにしているが、シールド掘進機やセミシールド機で掘削した地下坑のように坑内に人が入れる場合には、計測ユニット４（ｎ）よりも後方の計測ユニット４（ｎ−１）について最初のローリングを検出し次第、その計測ユニットをローリング量が０になるように設置し直し、以後、こうした作業を続行するようにしても、前記と同様の効果を発揮することができる。以上述べた計測ユニット４（ｎ）のローリング量の計測手段によれば、そのローリング量の計測のための特別の計測機器を新設する必要はないので、こうした機器を設置するためのコストやスペースを節減することができるとともに、地中掘進機の位置の計測のために特別に設けた計測ユニット４，５，６を計測ユニット４，６のローリング量の計測のためにも利用できて、特設機器を多角的に活用することができる。
【００６４】
本発明の第２具体化例では、計測ユニット４（ｎ）のローリング量の計測手段に以上のような特別の手段を用いているが、こうした手段を設ける代わりに各計測ユニットに通常のローリング計（ローリング方向の傾斜角を検出して電気信号に変換する計器）を内蔵させるようにしてもよい。特に、シールド掘進機で地下坑２を施工する場合、地下坑２のうち、シールドジャッキで推進している最前方の掘削機１の区間だけがローリングし、他のセグメントで覆工した区間はローリングしないので、こうしたローリング計を掘削機１の区間だけに設ければよい。また、機器類を水平に保持してローリングさせないように設置するためのジンバルのような自動整準手段を用いて中間計測ユニット４や被測点計測ユニット６を設置するようにすれば、こうしたローリング量の計測手段は設ける必要がないから、ローリング量の計測手段は、本発明にとって不可欠の要件ではない。
【００６５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明は、課題を解決するための手段の項に示した技術手段を採用しているので、本発明によれば、地中掘進機の掘進位置を計測する際に光を受光手段に当てるための操作しなくても済み、そのための操作機構を要しない地中掘進機の位置計測装置が得られる。また、計測ユニットの取付姿勢が不統一であったり、地中掘進機の掘進時のヨーイングやピッチングによって変化したりしても、こうしたことに影響されることなく、地中掘進機の掘進位置を常に正しく演算して計測することができる。こうした効果に加え、本発明を具体化すると、次のような効果を併せ発揮することができる
本発明を具体化する場合、特に、特許請求範囲の請求項４に記載の技術手段を採用すれば、中間計測ユニットに用いられる計測ユニットを基点計測ユニットや被測点計測ユニットに兼用できることにより、製作する機器の種類を少なくできてそれらの製作を省力化することができるだけでなく、使用する機器の種類も少なくできて機器の使用上の便もよい。本発明を具体化する場合、特に、特許請求範囲の請求項５に記載の技術手段を採用すれば、延伸仮設体の撤去時に中間計測ユニット４も自動的に撤去することができて至便である。
【００６６】
本発明を具体化する場合、特に、特許請求範囲の請求項７に記載の技術手段を採用すれば、地下坑の距離の計測手段を設置するためのコストやスペースを節減することができる。本発明を具体化する場合、特に、特許請求範囲の請求項８又は請求項９に記載の技術手段を採用すれば、こうした効果を発揮することに加え、シールド掘進機又は管推進機に通常付設されているシールドジャッキのストローク計又は元押しジャッキのストローク計を地下坑の距離の計測に二重に活用していて、その距離の計測のために特別の距離計測手段を新設する必要はない。  本発明を具体化する場合、特に、特許請求範囲の請求項１０に記載の技術手段を採用すれば、対称に対をなすように配置された光源について光源の方向に関する検出結果を平均することにより、地中掘進機の位置を計測するに際して行う演算が簡略化される。本発明を具体化する場合、特に、特許請求範囲の請求項１１に記載の技術手段を採用すれば、地下坑の距離の計測手段を設置するためのコストやスペースを節減することができるとともに、地中掘進機の位置の計測のために特別に設けた各計測ユニットを地下坑の距離の計測のためにも利用できて、特設機器を多角的に活用することができる。本発明を具体化する場合、特に、特許請求範囲の請求項１２に記載の技術手段を採用すれば、計測ユニットのローリング量の計測のための特別の計測機器を新設する必要はないので、こうした機器を設置するためのコストやスペースを節減することができるとともに、地中掘進機の位置の計測のために特別に設けた計測ユニットを計測ユニットのローリング量の計測のためにも利用できて、特設機器を多角的に活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１具体化例の地中掘進機の位置計測装置の全体像を概略的に示す水平断面図である。
【図２】図１の地中掘進機の位置計測装置における計測ユニットで光源の方向を検出する原理を説明するための概念図である。
【図３】図１の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットを詳細に示す水平断面図である。
【図４】図１の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットの作動時のイメージを示す斜視図である。
【図５】図１の地中掘進機の位置計測装置で光を授受しているときの状態を示す要部の水平断面図である。
【図６】図１の地中掘進機の位置計測装置で計測基点寄りの計測ユニットの方向を算出する手法を説明するための概念図である。
【図７】図１の地中掘進機の位置計測装置で任意の地点の計測ユニットの方向を算出する手法を説明するための概念図である。
【図８】図１の地中掘進機の位置計測装置で地中掘進機の掘進位置を算定する基本原理を説明するための概念図である。
【図９】図１の地中掘進機の位置計測装置で地中掘進機の掘進位置を算定する実際的な手法を説明するための概念図である。
【図１０】第１具体化例を管推進機に適用した場合における地下坑の距離に関するデータを中央演算処理装置に入力する手法を説明するための水平断面図である。
【図１１】第１具体化例をシールド掘進機に適用した場合における図１０と同様の図である。
【図１２】本発明の第２具体化例の地中掘進機の位置計測装置の全体像を概略的に示す水平断面図である。
【図１３】図１２の地中掘進機の位置計測装置における中間計測ユニットを示す斜視図である。
【図１４】図１２の地中掘進機の位置計測装置で計測ユニット間の距離を算出する手法を説明するための概念図である。
【図１５】計測ユニットの一つがローリングした際にそのローリング量を図１２の地中掘進機の位置計測装置で計測する基本原理を説明するための概念図である。
【図１６】計測ユニットの一つがローリングした際にそのローリング量を図１２の地中掘進機の位置計測装置で算出する手法を説明するための概念図である。
【図１７】隣接する計測ユニットの双方がローリングした際に両者間の相対的なローリング量を図１の地中掘進機の位置計測装置で算出する手法を説明するための概念図である。
【符号の説明】
１    掘削機
２    地下坑
３    発進立て坑
４    中間測量ユニット
４１  光源方向検出手段
４１１  凸レンズ
４１２  ＣＣＤ撮像素子
４２  光源
４２（Ｌ）  左光源
４２（Ｒ）  右光源
４３  コントローラ部
５    基点計測ユニット
６    被測点計測ユニット
７    中央演算処理装置
８    表示装置
１２    元押しジャッキストローク計
１３    シールドジャッキストローク計
Ｌ    左光源の像
Ｒ    右光源の像
Ｇn     ｎ番目の計測ユニットの基準線
Ｌn     隣合ったｎ−１番目とｎ番目の計測ユニットの基準点間の距離、
ＬＣ；レンズの中心とＣＣＤ撮像素子の中心の間の距離
ＬＲ；左光源と右光源の離隔距離
Ｖ0     発進方向線
Ｖn     ｎ−１番目とｎ番目の計測ユニットを結ぶ見通し線
Θn     見通し線Ｖn が発進方向線Ｖ0 に対してなす角度のＸ−Ｚ平面上の成分
Φn     見通し線Ｖn が発進方向線Ｖ0 に対してなす角度のＹ−Ｚ平面上の成分
ΘG     基準線Ｇn-1 をＸn-1 −Ｇn 平面上へ正投影した線と基準線Ｇn との交角
ΦG     基準線Ｇn-1 をＹn-1 −Ｇn 平面上へ正投影した線と基準線Ｇn との交角
γn     ｎ番目の計測ユニットのローリング角
γns   光源の左右の像が水平線に対して傾く角度
δxnＬ  δＸｎ−δＹｎ面上への左光源の結像点のδＸｎ軸方向の成分
δynＬ  δＸｎ−δＹｎ面上への左光源の結像点のδＹｎ軸方向の成分
δxnＲ  δＸｎ−δＹｎ面上への右光源の結像点のδＸｎ軸方向の成分
δynＲ  δＸｎ−δＹｎ面上への右光源の結像点のδＹｎ軸方向の成分
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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