ジャイロ式測位システム

【課題】２基のジャイロセンサで方位を検出できるようにしたジャイロ式測位システムを実現する。
【解決手段】ピッチ方向とヨー方向の２基のジャイロセンサ１５，１６を取り付けた細長い台板１４の両端を、支持軸から偏心させて管状のケーシング１０に回転自由に取り付けたジャイロヘッド１と、ジャイロヘッド１の送り込み量を検知するエンコーダによる距離情報から掘進ヘッドの位置ならびに軌跡を検出する。直交３軸方向のうち、ジャイロセンサを１基省略できるので装備も計算も簡単になり、掘進作業が効率化される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地上から地中に向けて小口径の配管等を敷設する地中掘進装置におけるジャイロ式測位システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
建物などの構造物の直下を経由して地上から地中に向けて管路を埋設したり、構造物下部の地盤を改良するため薬液を注入したりするのに、従来は構造物の外側に立坑を設け、ここを起点として水平方向にボーリングすることなどが行われていたが、近年、米国において、進行方向を自在に制御できる掘進ヘッドが開発され、これを使用することによって立坑を設けることなく任意に曲がった経路に管路を敷設することが可能となった。特許文献１にはこのような掘進装置、ならびにこれを使用する掘進工法が記載されている。
【０００３】
図６はこのような掘進機を使用して構造物の下部を地盤改良する場合の概念図で、符号２は掘進ヘッド、符号３は連結ロッド、符号４は掘進機、符号Ｓは構造物である。構造物Ｓの脇の地上から地中に向けて斜めにボーリングを開始し、所定の深さに到達したら掘進ヘッド２の向きを水平方向に変え、以後は水平にボーリングするのである。掘進ヘッド２の後方には可撓性の連結ロッド３が次々に連結される。破線で囲んだ部分が改良する対象地盤である。
【０００４】
図７は特許文献１に記載の掘進ヘッド２の実施例の断面図で、符号２１はジェットノズル、符号２２は高圧流体の供給される流体経路である。ジェットノズル２１は掘進ヘッド２の中心軸に対して約５度斜め方向を向いている。したがって掘進ヘッド２に回転を与えながら前進させれば直進するが、回転を与えずに前進させればジェットノズル２１に従って斜め方向に進む。
【０００５】
図８は同じく特許文献１に記載された掘進機の外観図で、符号４０はベース、符号４１はその上を移動する前進フレーム、符号４２は回転用モータ、符号４３はチェーン、符号４４は前進用モータ、符号３は前進用の管体である連結ロッドである。前進フレーム４１には連結ロッド３を固定するクランプと連結ロッド３を把持して回転させるチャックが備えられており、これに前進機構を組み合わせると連結ロッド３を回転させずに前進させたり、回転させながら前進させたりすることができる。
【０００６】
特許文献１には、掘進ヘッド２に無線送信機および指向性アンテナを装備することにより、受信機によって掘進ヘッド２の現在位置を検出することができると記載されており、また掘進ヘッド２の現在の傾度の検出については電解トランスジューサが組み込まれている、と記載されている。
【０００７】
また、特許文献２には、この特許文献１に記載されているものと同様な「自在誘導掘削工法」について、「如何にして掘削計画線に沿って推進させるかが解決困難な課題のひとつとして知られている。」（段落［０００２］）とした上で、従来知られている掘削軌跡の測定方法として「ゾンデ方式」ならびに「ジャイロ方式」を挙げている。しかしゾンデ方式には、掘削計画線の近辺に電磁遮蔽物があったりして電波障害が起こると正確に測定できなくなるという短所があり（段落［０００４］）、この欠点を補うものとしてジャイロ方式の慣性センサを使用することが述べられている。
【０００８】
すなわちジャイロ方式は、掘削ヘッドの先端にＸ（ロール、ｒｏｌｌ）、Ｙ（ピッチ、ｐｉｔｃｈ）、Ｚ（ヨー、ｙａｗ）の３軸から姿勢・方位を検出するジャイロなどの慣性センサを送り込み、掘削ロッドの先端から地上の掘進機まで慣性センサを引き戻す際に生成される慣性信号と距離情報とに基づいて掘削軌跡を測定するという方法である（段落［０００５］）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開昭６１−２５７５０１号公報
【特許文献２】特開２００７−２４７２９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
掘進は地盤内という３次元の場で行うものであるから、位置や方位を検出するには、前記のようにＸ、Ｙ、Ｚの３軸のジャイロセンサが必要である。しかし、３軸それぞれに自由度があると、各検出データに対して他の軸分の補正を加えなければならず、計算過程が著しく複雑なものとなってしまう。
【００１１】
本発明は、ジャイロセンサを搭載するジャイロヘッドの構造を工夫することによって１軸分、例えばＸ軸の測定を不要とし、２基のジャイロセンサのみによって簡単に位置が算出できるようにしたジャイロセンサを採用したジャイロ式測位システムを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１に記載の本発明は、管路を地中に敷設するための掘進ヘッドの位置ならびに軌跡を検出するジャイロヘッドと測距手段とからなる測位システムにおいて、前記ジャイロヘッドが、両端を回転自由に支持された細長い本体上にピッチ方向とヨー方向の変位を検出する２基のジャイロセンサを備えるとともに、前記本体が、前記の２基のジャイロセンサの取り付け基準面が前記両端の支持点に対して鉛直方向を向くように重心を下方に向けて偏心させてあることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項２に記載の本発明は、前記ジャイロヘッドが、ジャイロセンサの測定データを前記本体内のメモリ部分に記憶させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のジャイロ式測位システムである。
【００１４】
請求項３に記載の本発明は、前記ジャイロヘッドに、後方に向けて通信ケーブルを接続し、ジャイロセンサの測定データを後方でリアルタイムに検出できるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のジャイロ式測位システムである。
【００１５】
請求項４に記載の本発明は、前記測距手段が、掘進ヘッドの後方に接続された連結ロッドと、この連結ロッドの送り込み量を検出するエンコーダとからなるものである請求項１ないし３のいずれかに記載のジャイロ式測位システムである。
【００１６】
請求項５に記載の本発明は、前記測距手段が、ジャイロヘッドの後方に接続された押し込み部材と、この押し込み部材の送り込み量を検出するエンコーダとからなるものである請求項１ないし３のいずれかに記載のジャイロ式測位システムである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、掘進ヘッドの位置や姿勢を検知するのにジャイロセンサは２基のみでよく、設備コストが低減されるばかりでなく解析も簡単になり、リアルタイムの測位も可能で、掘進作業が著しく効率化されるという、すぐれた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明実施例のジャイロヘッドを示す正面図である。
【図２】図１のケーシングと本体とを分離して示した正面図である。
【図３】本発明実施例の掘進作業を示す説明図である。
【図４】本発明の他の実施例の構成を示す説明図である。
【図５】本発明実施例の測定結果を示すデータならびにグラフである。
【図６】本発明に係わる掘進工法の概念図である。
【図７】従来の技術における掘進ヘッドの断面図である。
【図８】従来の技術における掘進機の外観図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下本発明の好適な実施例を図面により詳細に説明する。
【００２０】
まず発明の中心的な構成要素であるジャイロヘッドから説明する。図１は実施例のジャイロヘッドを、要部を切断して示す正面図で、符号１は細長い管状のジャイロヘッド、符号１０はそのケーシング、符号１２はその内部に収められた本体、符号１９はケーシング１０の後端に設けられた球体継手である。図２はケーシング１０と本体１２とを分離して示したもので、（ａ）はケーシング１０、（ｂ）は本体１２のそれぞれ正面図である。（ａ）に示すように、細長い管状のケーシング１０の内部両端に、軸受１１ａ，１１ｂが設けられている。一方、（ｂ）に示すように、本体１２は細長い舟状で、両端に前記の軸受１１ａ，１１ｂに回転自由に支持される支持部１３ａ，１３ｂを備え、これより下がった位置に台板１４が吊り下げられ、台板１４に、符号１５で示すピッチ方向のジャイロセンサ、符号１６で示すヨー方向のジャイロセンサ、符号１７で示す電気回路部、符号１８で示すバッテリーなどが取り付けられている。
【００２１】
電気回路部１７内に記憶装置を備えておけば、各ジャイロセンサ１５，１６の検知データをこれに記憶させ、ジャイロヘッド１を地上に引き出した後、パソコンに接続してデータを読み取ることができる。また、電気回路部１７内に発信機を備え、通信ケーブルと接続しておけば、地上に向けてリアルタイムにデータを発信することができる。さらに、ジャイロヘッド１内にバッテリー１８を備えることにより、地上からの電源コードの引き込みは不要となっており、追って説明する通信ケーブルなどの邪魔になることがない。
【００２２】
ジャイロヘッド１は以上のような構成であるから、縦向きにでもしない限り、略水平姿勢においては各機器を搭載した台板１４は重力により下向きに、すなわちピッチ、ヨーの両ジャイロセンサ１５，１６を取り付けた取り付け基準面は必ず鉛直方向を向くから、ロール方向のジャイロセンサを設けてわざわざ姿勢を検出する必要はない。台板１４に鉛等の錘を付けたり、台板１４そのものを比重の大きい銅板等で構成すれば、重力の作用は一層確実となるので好ましい。
【００２３】
つづいて本発明のジャイロヘッドを使用する測位システムについて説明する。
【００２４】
図３は実施例の掘進作業の一例を示す説明図で、前記図６において説明したとおり符号２は掘進ヘッド、符号３はこの後方に接続される連結ロッド、符号４は掘進機であり、符号５はエンコーダである。この例のように連結ロッド３の前進量を直接エンコーダで読み取ることができれば、連結ロッド３とエンコーダ５とで測距手段を構成でき、ジャイロセンサ１５，１６の測定データと組み合わせる距離情報を簡単に得ることができるが、連結ロッド３の送り込みは掘進作業そのものであるから、測距のためにデータ採取を繰り返すことはできない。なお図３の構成の場合、ジャイロヘッド１は掘進ヘッド内に組み込むか、連結ロッド３の内部に別途送り込むかのいずれかであるが、これは任意である。
【００２５】
図４は、他の実施例である連結ロッド３以外の送り込み手段を用いてジャイロヘッド１を連結ロッド３の内部に送り込む場合の構成を示す説明図で、符号６は送り込み手段、符号７は通信ケーブルである。送り込み手段６としてはＰＣ鋼棒のような棒状材や鋼管などがあり、曲線状の掘進坑内にジャイロヘッド１を送り込んだり引き出したりできる程度の剛性を有する弾性体である。前記の球体継手１９を介してジャイロヘッド１に連結する。
【００２６】
この送り込み手段６の送り込み量を図３のエンコーダ５で読み取るようにすれば、掘進ヘッドを任意の位置に停止したまま、ジャイロヘッド１を先端まで送り込んだり引き出したりして何回でもデータを採取することができる。この場合、送り込む際と引き出す際とで往復２回距離データが採取できるが、引き出す際のデータの方が揺れや反りなどの影響がなく正確である。
【００２７】
また、ジャイロヘッド１内の発信機に通信ケーブルを接続すれば、ジャイロセンサ１５，１６の測定データを後方（地上）でリアルタイムに検出でき、エンコーダのデータと合わせて直ちに解析し、掘進ヘッドの向き等を修正することができる。通信ケーブルを地上までのアンテナケーブルとし、アンテナとパソコン間は無線伝送としてもよい。アンテナケーブルとしない場合には、ノイズを拾わないという特性から、通信ケーブルとして光ファイバが最も好ましい。
【００２８】
図５は測定結果の一例である。ここではＸは基準面（鉛直面）からの水平方向の変位量、Ｚは同じく基準面（水平面、一般にＧ.Ｌ.）からの鉛直方向の変位量を示し、Ｙは掘進方向の距離である。Ｘ、Ｚはｍｍ単位、Ｙはｍ単位とした。図５の上端が発進位置、下端が掘進方向の先端位置で、グラフＸ−Ｙは地上から見た水平面内の曲がりを、グラフＹ−Ｚは水平方向から見た鉛直面内の曲がり（深さの変化）を示している。この結果を計画線と比較し、必要に応じて掘進ヘッドの向き等を修正することができる。
【００２９】
本発明は、内部に人が立ち入ることができず、通常の機器を持ち込むことも困難な小口径、中口径の管路に対して有効である。
【符号の説明】
【００３０】
１…ジャイロヘッド、２…掘進ヘッド、３…連結ロッド、４…掘進機、５…エンコーダ、６…送り込み手段、７…通信ケーブル、１０…ケーシング、１１…軸受、１２…本体、１３…支持部、１４…台板、１５…ジャイロセンサ（ピッチ）、１６…ジャイロセンサ（ヨー）、１７…電気回路部、１８…バッテリー、１９…球体継手、２１…ジェットノズル、２２…流体経路、４０…ベース、４１…前進フレーム、４２…回転用モータ、４３…チェーン、４４…前進用モータ、Ｓ…構造物。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
管路を地中に敷設するための掘進ヘッドの位置ならびに軌跡を検出するジャイロヘッドと測距手段とからなるジャイロ式測位システムにおいて、
前記ジャイロヘッドが、両端を回転自由に支持された細長い本体上にピッチ方向とヨー方向との変位を検出する２基のジャイロセンサを備えるとともに、前記本体が、前記の２基のジャイロセンサの取り付け基準面が前記両端の支持点に対して鉛直方向を向くように重心を底板下方に向けて偏心させてあることを特徴とするジャイロ式測位システム。
【請求項２】
前記ジャイロヘッドは、ジャイロセンサの測定データを前記本体内のメモリ部分に記憶させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のジャイロ式測位システム。
【請求項３】
前記ジャイロヘッドに、後方に向けて通信ケーブルを接続し、ジャイロセンサの測定データを後方でリアルタイムに検出できるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のジャイロ式測位システム。
【請求項４】
前記測距手段が、掘進ヘッドの後方に接続された連結ロッドと、この連結ロッドの送り込み量を検出するエンコーダとからなるものである請求項１ないし３のいずれかに記載のジャイロ式測位システム。
【請求項５】
前記測距手段が、ジャイロヘッドの後方に接続された押し込み部材と、この押し込み部材の送り込み量を検出するエンコーダとからなるものである請求項１ないし３のいずれかに記載のジャイロ式測位システム。

【図１】