地中移動体位置推定システム、地中移動体位置推定装置及び地中移動体位置推定方法
【課題】電磁波の減衰の影響を受けずに、また電磁波を探索する作業を伴わずに、地中の地中移動体の三次元位置を推定する、地中移動体位置推定装置及び地中移動体位置推定方法を提供する。
【解決手段】地中のドリルビットの位置を推定するために、従来技術の電波の代わりにドリルビット先端から音を発生させ、地表に複数設けたセンサユニットで受信する。センサユニットに到達する音の時間差とセンサユニット同士の距離に基づいて演算し、ドリルビットの位置を推定する。また、ドリルビットの進行方向の反対側のセンサユニットから得られるデータは、音がドリルビットを回転駆動する駆動パイプを伝うために誤差が大きくなってしまう。そこで、無効になったセンサユニットを、備え付けられているＬＥＤを発光制御させることにより、有効なセンサユニットと無効なセンサユニットとの、目視での判別を容易にすると共に、おおよそのドリルビットの位置が把握可能になる。
【解決手段】地中のドリルビットの位置を推定するために、従来技術の電波の代わりにドリルビット先端から音を発生させ、地表に複数設けたセンサユニットで受信する。センサユニットに到達する音の時間差とセンサユニット同士の距離に基づいて演算し、ドリルビットの位置を推定する。また、ドリルビットの進行方向の反対側のセンサユニットから得られるデータは、音がドリルビットを回転駆動する駆動パイプを伝うために誤差が大きくなってしまう。そこで、無効になったセンサユニットを、備え付けられているＬＥＤを発光制御させることにより、有効なセンサユニットと無効なセンサユニットとの、目視での判別を容易にすると共に、おおよそのドリルビットの位置が把握可能になる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中移動体位置推定システム、地中移動体位置推定装置及び地中移動体位置推定方法に適用して好適な技術に関する。
より詳細には、地中を掘削するドリルビットの地中位置を高精度に推定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
地中を掘削移動する物体の位置を計測するのは非常に重要な技術である。現在は誘導式水平ドリル工法（Horizontal Directional Drilling：以下「ＨＤＤ工法」）において、ドリルビットの内部に電磁波発生装置を設け、その電磁波の強度から位置直上を推定する手法があるのみである。
【０００３】
ＨＤＤ工法は、非開削で電気、ガス、上下水道等の各種パイプラインの敷設を行うことができる手段として、近年広く用いられている工法である。このＨＤＤ工法は、先端にドリルビットが取り付けられた長いパイプを、地上の掘削機が回転駆動することで、ドリルビットが地中を自在に所望の位置及び方向に掘り進む。この工法を施工する際には、地中を掘進していくドリルビットの先端の位置を随時計測する必要があり、この時の計測精度がそのまま埋設管の位置に影響する。
【０００４】
現在、ＨＤＤ工法において地中のドリルビットの位置を計測する手法として、電磁波を用いたものが周知である。ドリルビットの先端には小型の電磁波の発信機が埋め込まれ、地上ではロケーターと呼ばれる電磁波受信装置を用いて、電磁波の強度が最大の地点を探索する。その、電磁波の強度が最大の地点が、ドリルビットの真上であると推定できる。
ＨＤＤ工法の性質上、ドリルビット先端からパイプ内に土砂が流入し、パイプは掘削機によって回転駆動されるので、ドリルビット先端に仕込まれる発信機は掘削機側から電源を得ることができない。従って、発信機は電池駆動でなければならない。
なお、ＨＤＤ工法の先行技術文献として、特許文献１を挙げる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２２０９９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、この電磁波を用いる手法は、ドリルビットの真上の位置しか分からない。このため、施工ライン上に家屋等の建造物がある場合には用いることができない。また、土質の含水率に応じた電磁波の減衰の影響を受ける場合や、現場付近に鉄塔がある場合等の、地中のドリルビットから出力される電磁波が乱れてしまうような状況下においては正確な測定を行うことができない、といった問題点を有している。
また、前述のように発信機は電池駆動であるが故に、強い電磁波を発することが難しい。このことも、電磁波の減衰の影響を受けやすくし、ドリルビットの位置推定精度が向上し難い要因である。
【０００７】
本発明はかかる課題を解決し、電磁波の減衰の影響を受けずに、また電磁波を探索する作業を伴わずに、地中の地中移動体の三次元位置を推定する、地中移動体位置推定システム、地中移動体位置推定装置及び地中移動体位置推定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のドリルビット位置推定システムは、地表面に配置されて地盤中を移動する地中移動体から発される振動波を電気信号に変換する第一のセンサと、第一のセンサから所定の距離だけ離れて地表に配置されて地中移動体から発される振動波を電気信号に変換する第二のセンサと、第一のセンサ及び第二のセンサから所定の距離だけ離れて地表に配置されて地中移動体から発される振動波を電気信号に変換する第三のセンサと、第一のセンサ、第二のセンサ及び第三のセンサの信号を同一のサンプリングクロックでＡ／Ｄ変換して振動波データを出力するＡ／Ｄ変換器と、時刻情報生成部と、Ａ／Ｄ変換器が出力する、第一のセンサ、第二のセンサ及び第三のセンサに係る振動波データを時刻情報生成部が生成する時刻情報と共に記録する計測値テーブルと、第一のセンサの位置情報、第二のセンサの位置情報及び第三のセンサの位置情報が格納されている位置テーブルと、計測値テーブルに格納されている第一のセンサ、第二のセンサ及び第三のセンサに係る振動波データを解析して、相互の振動波データのトリガが発生した時間のずれを算出して、位置テーブルに格納されている第一のセンサの位置情報、第二のセンサの位置情報及び第三のセンサの位置情報に基づいて演算処理を行い、地盤中の地中移動体の位置を推定する地中移動体位置演算部とを備える。
【０００９】
地中を進行する地中移動体の位置を推定するために、地中移動体先端から振動波を発生させ、地表に複数設けたセンサユニットで受信する。センサユニットに到達する振動波の時間差とセンサユニット同士の距離に基づいて演算し、地中移動体の位置を推定する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、電磁波の減衰の影響を受けずに、また電磁波を探索する作業を伴わずに、地中の地中移動体の三次元位置を推定する、地中移動体位置推定装置及び地中移動体位置推定方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第一の実施形態の例である、ドリルビット位置推定システムの概略図である。
【図２】ドリルビットの先端部分の拡大図である。
【図３】音源ユニットのブロック図と、波形図である。
【図４】ドリルビット及び音源ユニットのタイミングチャートである。
【図５】センサユニットの外観斜視図である。
【図６】センサユニットの内部構成を説明するブロック図である。
【図７】ドリルビット位置推定装置のブロック図である。
【図８】ドリルビットの位置を推定する原理を説明する概略図である。
【図９】センサユニットから得られたデータに基づいて形成した曲面を表すシミュレーション図である。
【図１０】ドリルビット位置推定演算の推定誤差が生じる様子を説明する概略図である。
【図１１】ドリルビット位置推定装置の処理の流れを示すフローチャートである。
【図１２】地上を見下ろす視点で、ドリルビットの位置とセンサユニットの発光状態を説明する概略図である。
【図１３】第二の実施形態のセンサユニットのブロック図である。
【図１４】第二の実施形態のドリルビット位置推定装置のブロック図である。
【図１５】掘削機に加振器を備え付けた実施形態の概略図である。
【図１６】掘削装置の外観図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を、図１乃至図１５を参照して説明する。
【００１３】
本実施形態の概要を説明する。
本実施形態では、ドリルビット位置推定装置と、これに用いるセンサユニットと、ドリルビットよりなるドリルビット位置推定システムを開示する。
本実施形態のドリルビットは、従来技術の電磁波の発信機の代わりに、弾性波或は特定周波数の音波を発生する音源ユニットを内蔵する。ドリルビットが地中から生じさせる弾性波或は音波を、地表面に設置した複数のセンサユニットで計測し、各センサユニットへの弾性波或は音波の到達時間差から、ドリルビットの三次元位置推定を行う。
なお、後述する特定周波数の音波は、可聴帯域の音に留まらず、超音波をも包含する。このため、これ以降、可聴帯域又は非可聴帯域に関わらず、弾性波或は音波のように、物体を物理的に振動させる波動を、振動波と定義する。つまり、本実施形態のドリルビット位置推定装置は、地表に配置したセンサユニットを用いて振動波を検出する。
【００１４】
［第一の実施形態］
図１は、本発明の第一の実施形態の例である、ドリルビット位置推定システムの概略図である。
ドリルビット位置推定システム１００は、ドリルビット１０１と、ドリルビット１０１から発される音を検出する複数のセンサユニット１０４と、センサユニット１０４に接続されてドリルビット１０１の位置を推定するドリルビット位置推定装置１０３よりなる。
ドリルビット１０１は地盤１０２中を掘り進む。ドリルビット１０１には後述する音源ユニットが内蔵されている。
【００１５】
地盤１０２中の、ドリルビット１０１が存在する近辺の地表面１０２ａには、ドリルビット位置推定装置１０３に接続される複数のセンサユニット１０４が設置されている。ドリルビット位置推定装置１０３は、アナログインターフェース１０５と、アンテナ１０８を含む無線インターフェース１０６と、これらに接続されるパソコン１０７よりなる。センサユニット１０４は相互に５〜５０ｍ程度離して配置される。これは、後述するドリルビット１０１に内蔵される音源ユニットから発される音を検出する際、相互のセンサユニット１０４から有意な時間差を検出できるための配慮である。
【００１６】
各々のセンサユニット１０４はドリルビット位置推定装置１０３のアナログインターフェース１０５に所定のケーブル１０９によって接続される。また、各々のセンサユニット１０４は後述するＧＰＳモジュールと無線インターフェースを内蔵しており、ドリルビット位置推定装置１０３の無線インターフェース１０６を通じてパソコン１０７に位置情報を送信する。
【００１７】
図２（ａ）及び（ｂ）は、ドリルビット１０１の先端部分の拡大図である。
図２（ａ）を見て判るように、ドリルビット１０１は、一般的な螺旋状の刃を備えるドリルビットとは異なり、金属製パイプを斜めに切断した形状である。この形状は、遠隔地の掘削機からＨＤＤ工法を実施するに適した形状として形成されている。ドリルビット１０１を回転駆動すると、土砂を切削しながら真っ直ぐに進行し、ドリルビット１０１を回転させずに押し込むと、ドリルビット１０１の進行方向が切り欠き面１０１ａに沿って曲がる。ドリルビット１０１の、斜めの切削先端部分を保護しつつ、切削の強度を確保するため、ドリルビット１０１の先端にはヘラ部材２０１が固定されている。
【００１８】
図２（ｂ）は、ドリルビット１０１を別の角度から見た図である。ドリルビット１０１の中腹部分には、切削によって生じた土砂をパイプに流し込む開口部１０１ｃが設けられている。この開口部１０１ｃの内部に、音源ユニット２０２が据え付けられている。元々、この場所には従来技術である電磁波の発信機も据え付けられており、音源ユニット２０２の筐体は発信機と同じ場所に据え付けられるように、また発信機と同様に電池駆動で稼働できるように、大きさや形状が考慮されている。
【００１９】
図２（ａ）及び（ｂ）を見て判るように、ドリルビット１０１は金属製のパイプの先端に設けられており、掘削機はこのパイプを回転駆動させることでドリルビット１０１を回転させ、或は押し込んで、地盤１０２を掘削する。パイプは土砂が流れるため、中空にしなければならない。したがって、パイプの内側に電力を供給するためのケーブルを内蔵させることはほぼ不可能である。このため、音源ユニット２０２は電池駆動の装置でなければならない。
【００２０】
図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）及び（ｅ）は、音源ユニット２０２のブロック図と、波形図である。
図３（ａ）は、音源ユニット２０２の全体ブロック図である。
図３（ｂ）は、信号源の第一の形態のブロック図である。
図３（ｃ）は、信号源の第一の形態の波形図である。
図３（ｄ）は、信号源の第二の形態のブロック図である。
図３（ｅ）は、信号源の第二の形態の波形図である。
本実施形態では、音源ユニット２０２の二通りの形態を説明する。
【００２１】
音源ユニット２０２は、地表に設置されているセンサユニット１０４に対して音を伝達させなければならない。また、詳細は後述するが、音源ユニット２０２が発する音は、各々のセンサユニット１０４との間に明確な時間差が判る波形でなければならない。
更に、前述の通り、音源ユニット２０２は電池駆動の装置である。したがって、電力消費は極力少なくしなければならない。ドリルビット１０１が掘削機によって回転駆動されているような、ドリルビット１０１から大きな騒音が発生している状態で、音源ユニット２０２が稼働して所定の音を発生させても、センサユニット１０４が正しく音を捕捉することが極めて難しくなり、計測作業が不正確になるだけである。
【００２２】
そこで、本実施形態の音源ユニット２０２は、ドリルビット１０１が騒音を発していない状態を検出したら、一回だけ信号源を駆動する構成とした。
先ず、振動センサ３０１はドリルビット１０１の振動を検出する。波形整形部３０２は振動センサ３０１から得られる振動波形をダイオード等で包絡線検波或は同期検波を行い、積分回路を通して波形の雑音成分を除去する。こうして得られた信号を、コンパレータ３０３で所定の基準電圧と比較する。ドリルビット１０１が掘削機によって駆動されて騒音が発生しているときは、コンパレータ３０３は論理の「真」を出力する。
【００２３】
コンパレータ３０３の出力信号はタイマ３０４のリセット端子に入力される。コンパレータ３０３が論理の「真」を出力しているうち、すなわち騒音が発生しているときは、タイマ３０４はリセットされ続ける。ドリルビット１０１が停止し、騒音がコンパレータ３０３に入力される基準電圧で設定される「許容値」を下回ったら、タイマ３０４のリセットは解除され、タイマ３０４は例えば５秒等の所定の時間だけ計時を行い、計時を完遂すると論理の真のパルスを出力する。このパルスは信号源３０５をオン動作させる。
【００２４】
信号源３０５は、各々のセンサユニット１０４同士の時間差を把握可能な波形の音を出す必要がある。本実施形態では、一例として二通りの音のパターンを開示する。
図３（ｂ）は、第一の信号源３０５ａのブロック図である。第一の信号源３０５ａは、音源としてハンマーソレノイド３０６を用いている。ハンマーソレノイド３０６に十分な駆動電力を与えるため、昇圧回路３０７で電池３０８の電圧を昇圧し、コンデンサＣ３０９に電荷を貯めこむ構成とした。コンデンサＣ３０９に十分な電荷がたまった状態でトランジスタスイッチ３１０をオン制御すると、ハンマーソレノイド３０６が駆動され、ハンマーソレノイド３０６から衝撃波が発生する。
図３（ｃ）は、その衝撃波の波形図である。波形の立ち上がりが急峻なので、容易に信号の立ち上がりを検出できる。
【００２５】
図３（ｄ）は、第二の信号源３０５ｂのブロック図である。第二の信号源３０５ｂは、音源として超音波等を発生させるに適している磁歪振動子３１１を用いている。磁歪振動子３１１を二種類以上の周波数の音で駆動させると、周波数が切り替わったタイミングから、各センサユニット１０４の時間差を検出することが可能になる。
磁歪振動子３１１を駆動するために、第二の信号源３０５ｂには、ＲＯＭ３１２と周波数変調部３１３とドライバ３１４が設けられている。ＲＯＭ３１２には周波数変調パターンデータが格納されている。周波数変調部３１３はＲＯＭ３１２から周波数変調パターンデータを読み出して、データに従って周波数変調された信号を出力する。そして、この信号をドライバ３１４が電力増幅する。
図３（ｅ）は、その音波の時間−周波数の波形図である。図２（ｅ）では一例として、三種類の周波数の超音波を、例えば０．５秒等の予め定めた周期で発生させる。
予め信号の周波数の変化が判っているので、ドリルビット位置推定装置側では容易に周波数の切り替わるタイミングを検出できる。
【００２６】
図４は（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）は、ドリルビット１０１及び音源ユニット２０２のタイミングチャートである。
図４（ａ）は、コンパレータ３０３の出力信号のタイミングチャートである。
図４（ｂ）は、タイマ３０４の計時が回転駆動されている状態を示すタイミングチャートである。
図４（ｃ）は、タイマ３０４の出力信号のタイミングチャートである。
【００２７】
図４（ａ）のタイミングチャートに示すコンパレータ３０３の出力信号は、実質的にドリルビット１０１が回転駆動されている状態を示す信号でもある。振動センサ３０１がドリルビット１０１の動作状態を信号として出力すると、波形整形部３０２によって包絡線検波が行われ、コンパレータ３０３によって論理信号に変換される。
タイマ３０４は、図４（ｂ）に示すように、コンパレータ３０３の出力信号が論理の「偽」になると、リセットが解除されて計時を開始する。そして、一定時間、例えば５秒を計時すると、図４（ｃ）に示すように、ワンショットパルスを出力する。タイマ３０４はこれ以降は計時を行わず、再びコンパレータ３０３によってリセットされるまで出力信号の論理は真にはならない。
【００２８】
信号源３０５は、タイマ３０４が出力するこのワンショットパルスを受けて、オン動作する。信号源３０５が図３（ｂ）に示す構成であれば、トランジスタスイッチ３１０がオンになり、ハンマーソレノイド３０６が衝撃音を発する。信号源３０５が図３（ｄ）に示す構成であれば、周波数変調部３１３がオンになり、磁歪振動子３１１が所定の周波数パターンの超音波を発する。
【００２９】
図５（ａ）及び（ｂ）は、センサユニット１０４の外観斜視図である。図５（ａ）はセンサユニット１０４を斜め上から見た斜視図であり、図５（ｂ）はセンサユニット１０４を斜め下から見た斜視図である。
センサユニット１０４の筐体５０１の天板５０１ａには、電源スイッチ５０２と、ＧＰＳパッチアンテナ５０３と、ＬＥＤ５０４が設けられている。
センサユニット１０４の筐体５０１の底板５０１ｂには、地盤１０２に植え込んで固定するための固定柱５０５が設けられている。
【００３０】
図６は、センサユニット１０４の内部構成を説明するブロック図である。
ジオフォン６０１は、周知の地震検知センサである。その構造はスプリングで吊るされた振子に固定されているコイルと、地表と同じ振動をする受振器のケースに固定された永久磁石よりなる。振動体の固有振動周波数が低いことを除くと、原理的には周知のダイナミックマイクロフォンとほぼ等価である。勿論、本実施形態ではドリルビット１０１に内蔵される音源ユニット２０２に用いる信号源３０５は、ハンマーソレノイド３０６が発する高い周波数の衝撃音であったり、磁歪振動子３１１が発する超音波であるので、周知のダイナミックマイクロフォンやコンデンサマイクロフォンであってもよい。
ジオフォン６０１の出力信号は周知のオペアンプ等のドライバ６０２で電圧増幅されて、コネクタ６０３に接続されるケーブル１０９を通じてドリルビット位置推定装置１０３に出力される。
【００３１】
一方、ジオフォン６０１とドライバ６０２とは全く別に、ＧＰＳパッチアンテナ５０３と、ＧＰＳモジュール６０４と、ＬＥＤ５０４と、入出力制御部６０５と、ＤＨＣＰクライアント６０６と無線インターフェース６０７が、センサユニット１０４の筐体５０１内に内蔵されている。
位置情報生成部ともいえるＧＰＳモジュール６０４は、ＧＰＳパッチアンテナ５０３を通じてＧＰＳ衛星の電波を受信して、正確な位置情報を出力する。
入出力制御部６０５は、位置情報を無線インターフェース６０７を通じてドリルビット位置推定装置１０３に送信する。
【００３２】
無線インターフェース６０７は周知の無線ＬＡＮであり、ネットワークインターフェースカード（Network Interface Card：以下「ＮＩＣ」と略）である。無線インターフェース６０７と入出力制御部６０５はＴＣＰ／ＩＰ通信処理系を構成する。ドリルビット位置推定装置１０３とＩＰ接続するために、ＤＨＣＰクライアント６０６が設けられている。
つまり、ＧＰＳモジュール６０４から生成される位置情報の伝送経路に関わる回路ブロックと、ジオフォン６０１から生成される音声信号の伝送経路に関わる回路ブロックは、電源を共通にする以外は、電気的には全く無関係である。
【００３３】
なお、無線インターフェース６０７を通じて送信する位置情報のためのプロトコルは、適切なプロトコルであれば何でも良い。位置情報自体は非常に少量のデータであるので、周知のＴＥＬＮＥＴでもＨＴＴＰでもよい。
【００３４】
図７は、ドリルビット位置推定装置１０３のブロック図である。
ドリルビット位置推定装置１０３は、アナログインターフェース１０５からセンサユニット１０４のアナログ信号を受信して処理する、音声信号処理の機能ブロックと、無線インターフェース１０６からセンサユニット１０４の位置情報を受信して処理する、位置情報処理の機能ブロックの、二系統の信号処理がある。
【００３５】
アナログインターフェース１０５は、複数の入力端子を備え、複数のセンサユニット１０４のアナログ信号を受信する。
アナログインターフェース１０５の出力信号はＡ／Ｄ変換器７０１に供給される。Ａ／Ｄ変換器７０１は複数のアナログ信号をデジタル情報に変換する。なお、Ａ／Ｄ変換器７０１はアナログインターフェース１０５の出力チャンネル毎に複数個設けられている。これは、同一のサンプリングクロック７０２によって相互に正確なタイミングでデジタル変換する必要があることに起因する。
【００３６】
本実施形態のドリルビット位置推定装置１０３は、複数のセンサユニット１０４に到達する音源ユニット２０２の音の時間差を正確に計測しなければならない。このために、Ａ／Ｄ変換器７０１に同一のサンプリングクロック７０２を供給して、入力される複数のアナログ信号をデジタルデータに変換し、相互のデジタルデータに誤差となる時間差が極力生じないように（チャンネル相互にレイテンシが生じないように）、アナログインターフェース１０５、Ａ／Ｄ変換器７０１及びサンプリングクロック７０２を構成している。
【００３７】
Ａ／Ｄ変換器７０１のチャンネル毎の出力データは、トリガ検出部７０３によって、アナログ信号の立ち上がりが検出される。
一方、Ａ／Ｄ変換器７０１のチャンネル毎の出力データは、リングバッファ７０４に入力され、常に一定時間の記憶が行われている。
トリガ検出部７０３が信号の立ち上がりを検出すると、計測値テーブル７０５は、時刻情報生成部ともいえるリアルタイムクロック（「ＲＴＣ」と略）７０６が出力する日時情報と共に、リングバッファ７０４に蓄積されているデータを記録し、予め定められた所定時間だけ記録を継続する。
【００３８】
なお、トリガ検出部７０３は入力される音声信号の形態によって、トリガの検出方法が変わる。図３（ｂ）のハンマーソレノイド３０６が発生するような衝撃波である場合は、入力される音声信号の立ち上がり、すなわち振幅が所定の閾値を越えたか否かを検出する。図３（ｄ）の周波数変調部３１３及び磁歪振動子３１１が発生するような周波数変調信号である場合は、入力される音声信号の周波数の変化を検出する。
【００３９】
一方、無線インターフェース１０６と通信処理部７０７は、センサユニット１０４から位置情報を受信し、位置テーブル７０８に当該センサユニット１０４に割り振られたＩＰアドレスと共に記録する。無線インターフェース１０６と通信処理部７０７との間には、センサユニット１０４の無線インターフェース１０６にＩＰアドレスを付与する為のＤＨＣＰサーバ７０９が設けられている。
【００４０】
計測値テーブル７０５に蓄積されている各センサユニット１０４の音声データと、位置テーブル７０８に蓄積されている各センサユニット１０４の位置情報は、地中移動体位置演算部ともいえるドリルビット位置演算部７１０に入力される。
ドリルビット位置演算部７１０は、先ず計測値テーブル７０５に蓄積されている各センサユニット１０４の音声データを解析して、同時に記録されている時間情報に基づいて、各々の音声データに含まれている、厳密なトリガの日時情報をサンプリングクロック７０２の分解能で取得する。そして、センサユニット１０４の相互の音声データのトリガの時間のずれを算出する。次に、ドリルビット位置演算部７１０は、各センサユニット１０４の音声データのトリガの時間のずれと、各センサユニット１０４の位置情報に基づいて演算処理を行い、地盤１０２中のドリルビット１０１の位置を推定する。
ドリルビット位置演算部７１０が算出して推定した、ドリルビット１０１の地盤１０２中の位置、すなわち地表の位置と深さの情報は、３Ｄ描画処理部７１１に供給される。３Ｄ描画処理部７１１は、地盤１０２と、地表に配置されたセンサユニット１０４と、推定されたドリルビット１０１を透過立体画像として描画処理する。
３Ｄ描画処理部７１１が作成した立体画像は、表示部７１２に表示される。
【００４１】
制御部７１３は操作部７１４の操作を受けて、通信処理部７０７、ドリルビット位置演算部７１０及び３Ｄ描画処理部７１１の制御を行う。特に本実施形態の場合、センサユニット１０４内のアナログ信号の系とデジタル情報の系は全く独立しており、このままではどのアナログ信号がどのＩＰアドレスのセンサユニット１０４のものなのかが特定できないので、測定作業に先立ち、予めアナログ信号のチャンネル番号とＩＰアドレスとを紐付ける作業が必要になる。このため、本実施形態のドリルビット位置推定装置１０３は、制御部７１３がリハーサルモードを備え、一つずつセンサユニット１０４の電源スイッチ５０２をオン操作して、アナログ信号とＩＰアドレスを確認し、計測値テーブル７０５と位置テーブル７０８の紐付けを行う。
【００４２】
［原理］
図８は、ドリルビット１０１の位置を推定する原理を説明する概略図である。
先ず、考察を簡単にするために、地表にセンサユニット１０４が二つ配置されている状態において、この二つのセンサユニット１０４を結ぶ直線を含む垂直な平面上に、ドリルビット１０１（音源８０１）が存在すると仮定する。音源８０１から発生する音は、二つのセンサユニット１０４に到達する際、その距離の差に応じた遅れが生じる。
右センサと左センサとの間の距離をｗ、音源８０１と右センサとの間の距離をｌ、音源８０１と地表との垂直線分をｚ、音源８０１と地表との垂直線分と右センサとの距離をｘ、音源８０１と左センサとの間の距離をｌ＋ｄとする。ｄは、左センサが右センサよりも音源８０１から遠いことを示す。したがって、このｄによって音の到達時間が右センサよりも左センサに遅れが生じる。
【００４３】
周知のピタゴラスの定理より、
ｘ２＋ｚ２＝ｌ２
（ｗ−ｘ）２＋ｚ２＝（ｌ＋ｄ）２
という式が成り立つ。この式を展開して整理すると、以下の式（１）になる。
【００４４】
【数１】
【００４５】
実際には、二つのセンサの線を含む垂直平面上にドリルビット１０１が存在することはそう多くはなく、図８で言えば図面に垂直の方向にずれた位置にドリルビット１０１が存在することが多い。つまり、奥行き方向の要素を考慮しなければならない。この奥行き方向をｙ軸として、ｙ軸方向を考慮すると、以下の式（２）になる。
【００４６】
【数２】
【００４７】
ｄは地盤１０２内の音の伝搬速度に依存するので、ｄ、ｘ、ｙ、ｚという要素によって曲面が形成される。
図９は、センサユニット１０４から得られたデータに基づいて形成した曲面を表すシミュレーション図である。
センサユニット１０４が二つだけでは、ドリルビット１０１の位置を推定することは不可能である。しかし、センサユニット１０４の数が増えれば、シミュレーション曲面を多数形成することができ、それら複数の曲面が交差した点が、ドリルビット１０１の位置であると推定することができる。
複数の曲面同士が交わることによって、音源（点Ｐ９０１）を特定することができる。この点を特定するためには、最低でも曲面が三つ必要になる。三つの曲面を形成するためには、最低でもセンサユニット１０４は三つ必要になる。
センサユニット１０４の位置情報はＧＰＳモジュール６０４から得られるので、上記の式（２）に基づいて図９のような曲面を複数演算して、交点を求めれば、ドリルビット１０１の地表面１０２ａ上の位置及び深さを推定することができる。
【００４８】
しかしながら、発明者は実験を進めるにつれて、推定結果に大きな誤差を生じる場合があることに気付いた。
図１０は、ドリルビット位置推定演算の推定誤差が生じる様子を説明する概略図である。
掘削機１００１は、駆動パイプ１００２を回転駆動させることで、ドリルビット１０１を回転駆動させる。そして、ドリルビット１０１は地盤１０２を掘り進む。
地盤１０２が均一な地質である場合、ドリルビット１０１の内部に仕込まれた音源ユニット２０２から発生する音は、ドリルビット１０１の進行方向に配置されたセンサユニット１０４ａ及び１０４ｂには、真っ直ぐに音が伝搬する。
しかし、音源ユニット２０２から発生する音は、ドリルビット１０１の進行方向の逆方向に配置されたセンサユニット１０４ｃ及び１０４ｄには、地盤１０２よりも音の伝搬速度が速い駆動パイプ１００２を伝搬し、その途中から地盤１０２を通じてセンサユニット１０４に音が伝搬する。つまり、音の伝搬経路が真っ直ぐにならない。
このため、ドリルビット１０１の進行方向の後ろ側に位置するセンサユニット１０４の計測結果は、誤差が大きい為に使いものにならない、ということがわかる。
【００４９】
そこで、ドリルビット位置演算部７１０が、演算処理の過程で誤差が大きくなったために使えなくなったセンサユニット１０４を検出し、当該センサユニット１０４のＬＥＤ５０４を発光制御させると、地表から目視でドリルビット１０１のおおよその位置を推定できるだけでなく、使えなくなったセンサユニット１０４を更にドリルビット１０１の進行方向に再配置し、計測作業を継続することができる。
図１１は、ドリルビット位置推定装置１０３の処理の流れを示すフローチャートである。
処理を開始すると（Ｓ１１０１）、トリガ検出部７０３は、Ａ／Ｄ変換器７０１から出力されるデジタルデータが所定の閾値を越えたか否か、すなわちトリガが来たか否かを確認する（Ｓ１１０２）。トリガ検出部７０３は、トリガが来るまでループし続ける（Ｓ１１０２のＮＯ）。
【００５０】
トリガ検出部７０３は、トリガを検出すると（Ｓ１１０２のＹＥＳ）、リングバッファ７０４及び計測値テーブル７０５に制御パルスを発する。リングバッファ７０４及び計測値テーブル７０５はこの制御パルスに呼応して、一定時間、入力されるデータをＲＴＣ７０６が出力する日時情報と共に計測値テーブル７０５に記録する（Ｓ１１０３）。記録するデータはトリガ検出部７０３によってトリガが検出された瞬間から、リングバッファ７０４に蓄積されている直前のデータを含めて、計測値テーブル７０５に記録される。
【００５１】
ステップＳ１１０３の時点で計測値テーブル７０５に全てのセンサユニット１０４のデータが記録されるので、ドリルビット位置演算部７１０は位置テーブル７０８に格納されているセンサユニット１０４の位置情報と共に、地盤１０２中のドリルビットの位置を推定演算する（Ｓ１１０４）。この演算処理はセンサユニット１０４の数に応じて膨大になることが考えられるので、その場合は周知の並列コンピューティングの手法等を用いることが望ましい。
【００５２】
次に、制御部７１３は、ステップＳ１１０４でドリルビット位置演算部７１０がドリルビットの位置を推定演算した結果、大きな誤差を生じるセンサユニット１０４が存在するか否か、確認する（Ｓ１１０５）。もし、一つでも誤差の大きいセンサユニット１０４が存在するなら（Ｓ１１０５のＹＥＳ）、制御部７１３は当該センサユニット１０４のＬＥＤを発光させるべく、制御命令を通信処理部７０７及び無線インターフェース１０６を通じて送信する（Ｓ１１０６）。次に、制御部７１３は計測値テーブル７０５の、当該センサユニット１０４のデータについて、当該データが無効である旨を示すマーク（或はフラグ）を記入する（Ｓ１１０７）。
【００５３】
ステップＳ１１０５で大きな誤差を生じるセンサユニット１０４がなかった場合（Ｓ１１０５のＮＯ）、及びステップＳ１１０７を経て、３Ｄ描画処理部７１１は地盤１０２中のドリルビット１０１の位置を３Ｄにて描画した画像を作成し、表示部７１２がこの画像を表示して（Ｓ１１０８）、一連の処理を終了する（Ｓ１１０９）。
なお、ステップＳ１１０６及びＳ１１０７の処理は、ステップＳ１１０８の処理と並列して行うと、３Ｄ画像の表示に要する時間が短縮されるので、より望ましい。
ステップＳ１１０９で終了した一連の処理は、音源ユニット２０２が動作する度に実施する必要があるので、再度ステップＳ１１０１から繰り返す。
【００５４】
ドリルビット１０１が図１１のフローチャートに示す動作を実施すると、ドリルビット１０１が地中を掘り進んで移動するに連れて、地表に配置されたセンサユニット１０４は次々に発光制御される。この様子を図１２（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に示す。
図１２（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、地上を見下ろす視点で、ドリルビット１０１の位置とセンサユニット１０４の発光状態を説明する概略図である。
図１０にて説明したように、ドリルビット１０１の後ろ側に位置するセンサユニット１０４は、音の伝搬経路が直線でなくなってしまうため、測定データのタイミングに大きな誤差が含まれてしまい、ドリルビット１０１の位置を推定する演算には使えなくなってしまう。ドリルビット位置演算部７１０は、以前の計算の結果を参照して、推定演算に利用できなくなったセンサユニット１０４を特定することができる。制御部７１３はドリルビット位置演算部７１０によって特定されたセンサユニット１０４に対して、ＬＥＤ５０４を発光させるための制御命令を発する。こうして、ドリルビット１０１の後ろ側に位置するセンサユニット１０４のＬＥＤ５０４は発光する。図１２（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）では、「×」印が付された点が、ＬＥＤ５０４が発光しているセンサユニット１０４である。
図１２（ａ）から（ｂ）に推移すると、ドリルビット１０１は地中を掘り進む。そして、それに連れてＬＥＤ５０４が発光するセンサユニット１０４が増えていく。
図１２（ｂ）から（ｃ）に推移すると、ドリルビット１０１の進行方向が変化している。すると、それに連れてＬＥＤ５０４が発光するセンサユニット１０４の領域が変化する。このように、センサユニット１０４の発光の分布状態で、ドリルビット１０１のおおよその進行状態が推測できる。そして、図１２（ｃ）の点線の丸に示すように、次に配置しなければならないセンサユニット１０４の位置を考慮することができる。
【００５５】
［第二の実施形態］
第一の実施形態では、センサユニット１０４内のアナログ信号の系とデジタル情報の系は全く独立しており、このままではどのアナログ信号がどのＩＰアドレスのセンサユニット１０４のものなのかが特定できないので、測定作業に先立ち、予めアナログ信号のチャンネル番号とＩＰアドレスとを紐付ける作業が必要だった。
そこで、このような作業を省力化した構成の実施形態を説明する。
図１３は、第二の実施形態のセンサユニットのブロック図である。
図１３のセンサユニット１３０１は、図６のセンサユニット１０４とは異なり、ジオフォン６０１の出力信号をＡ／Ｄ変換器１３０２でデジタルデータに変換して、入出力制御部１３０４及び無線インターフェース６０７を通じてドリルビット位置推定装置１０３に送信している点である。しかし、単にデジタルに変換するだけでは、各々のセンサユニット１３０１間の相対的な時間差を正確に検出することができない。そこで、ＧＰＳモジュール６０４から得られる正確な日時情報を用いて、Ａ／Ｄ変換器１３０２に供給するサンプリングクロック１３０３を同期させる。
周知のように、ＧＰＳ衛星からは極めて正確な日時情報を得ることができる。センサユニット１３０１に内蔵される全てのサンプリングクロック１３０３がこの日時情報に正確に同期していれば、その正確な日時情報と併せて正確な音の立ち上がりのタイミングを捕捉することができる。つまり、センサユニット１３０１に内蔵される全てのサンプリングクロック１３０３は、正確な日時情報に同期することで、全てのセンサユニット１３０１に対して実質的に同一のサンプリングクロックを提供する。
更に、無線インターフェース６０７からＩＰアドレスを伴って位置情報と音声データが送信されるので、ドリルビット位置推定装置１０３側では、音声データ及び日時情報と位置情報が自ずと紐付けられることとなる。
【００５６】
図１４は、第二の実施形態のドリルビット位置推定装置のブロック図である。
図７のドリルビット位置推定装置１０３とは違い、図１４のドリルビット位置推定装置１４０１は、アナログインターフェース１０５を備える必要はない。また、リングバッファ７０４や計測値テーブル７０５は記録のタイミングを厳密に管理しなくても良い。センサユニット１３０１から正確な日時情報に同期した音声データが送信されるので、受信したデータを順次記録していくだけでよい。更に、無線インターフェース１０６を通じて受信したデータは、ＩＰアドレスを伴って位置情報と音声データが送信されるので、音声データ及び日時情報と位置情報が自ずとＩＰアドレスによって紐付けられることとなる。したがって、アナログ信号のチャンネル番号とＩＰアドレスとを紐付ける作業が不要である。
【００５７】
本実施形態は、以下のような応用例が考えられる。
（１）ドリルビット１０１は鉄等の金属の駆動パイプ１００２で回転駆動される。駆動パイプ１００２は地盤１０２と比べて多くの場合において剛性が高く、振動を伝達させるには好適である。そこで、音源ユニット２０２をドリルビット１０１に内蔵させる代わりに、掘削機１００１に加振器を備え付けて、この加振器が駆動パイプ１００２を振動させる構成にしても良い。
図１５は、掘削機１００１に加振器を備え付けた実施形態の概略図である。
加振器１５０１は、駆動パイプ１００２にハンマーソレノイド等で衝撃音を伝達させたり、磁歪振動子等で複数の周波数の超音波を伝達させる等の、図３（ｂ）及び（ｄ）の構成の信号源３０５をそのまま掘削機１００１に備え付けても良い。加振器１５０１は、掘削機１００１から電源が供給できて制御もできるので、より簡素な装置構成で、且つより強力な信号源を構成することが可能である。
【００５８】
（２）ドリルビット位置演算部７１０はドリルビット１０１の位置を推定すると共に、誤差が大きくなったために無効となったセンサユニット１０４を判定する。そして、無効となったセンサユニット１０４のＬＥＤ５０４は発光される。複数存在する、ＬＥＤ５０４が光っているセンサユニット１０４の中には、ドリルビット１０１に一番近いものもある。そこで、ＬＥＤ５０４が発光されるセンサユニット１０４のうち、最もドリルビット１０１に近いセンサユニット１０４のＬＥＤ５０４を、他のセンサユニット１０４のＬＥＤ５０４とは異なる発光状態にすると、当該センサユニット１０４の近くにドリルビット１０１が存在することが容易に判別できる。ＬＥＤ５０４は例えば赤と緑の二色発光の構成としたり、最も近いセンサユニット１０４のＬＥＤ５０４のみ点滅させ、他のセンサユニット１０４のＬＥＤ５０４は点灯させたままとする発光制御であってもよい。
【００５９】
（３）多くの地盤１０２は、異なる地質の層が複数重なる構成もある。このような地層を構成する地盤１０２の場合、地質の異なる層毎に音の伝搬速度が変化することがある。単一の地質を想定して推定演算を行うと、誤差の大きな演算結果を得てしまう。そこで、予めボーリング調査等の地質調査を行い、計測対象の地盤１０２の地質について、ドリルビット位置演算部７１０にデータを与えて、シミュレーション演算を実施する。ドリルビット位置演算部７１０の推定演算の計算量は更に大量になるが、より正確な演算結果を得ることが期待できる。
【００６０】
（４）前述の式（２）の代わりに、地震の震源地を探索するグリッドサーチ法等の既知のアルゴリズムを用いることも可能である。
【００６１】
（５）第一及び第二の実施形態では、センサユニット１０４の位置情報を受信するインターフェースとして、周知の無線ＬＡＮである無線インターフェース１０６を用いたが、これは有線のＬＡＮであってもよい。また、近年注目されている低消費電力の近距離無線通信のインターフェースである、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）も好適である。
【００６２】
（６）第二の実施形態では、全てのセンサユニット１３０１のサンプリングクロックをより精密に同期させるために、全てのセンサユニット１３０１とドリルビット位置推定装置に周知のｎｔｐｄ（Network Time Protocol Daemon）を稼働させると良い。
【００６３】
（７）音源ユニット２０２を用いる代わりに、ドリルビットと土砂との摩擦で生じる騒音を検出する方法もある。このような検出方法に適した掘削装置を図１６に示す。
図１６は、掘削装置の外観図である。
掘削装置１６０１は、ドリルビット１６０２と、ドリルビット１６０２を回転駆動する駆動ユニット１６０３と、駆動ユニット１６０３によって回転駆動される螺旋羽根１６０４と、螺旋羽根１６０４の先端に設けられているスリップリング１６０５よりなる。
掘削装置１６０１は、先端側に地面等を掘削するためのドリルビット１６０２が設けられる。
ドリルビット１６０２は、モータが内蔵されている駆動ユニット１６０３の先端部分から突出しているドリルシャフト１６０６に固定されている。したがって、モータが回転すると、ドリルビット１６０２はドリルシャフト１６０６を通じて回転駆動され、地面等を掘削する。なお、ドリルビット１６０２は矢印Ａ１６０７の方向に回転駆動される。
【００６４】
駆動ユニット１６０３は円筒形の金属製のケースで覆われている。
駆動ユニット１６０３の内部には、ドリルビット１６０２を回転駆動するためのドリルモータと、螺旋羽根１６０４を回転駆動するための螺旋モータが内蔵されている。
駆動ユニット１６０３の太さは、ドリルビット１６０２が形成する穴の径よりも細い。ドリルビット１６０２が削り出した土砂が駆動ユニット１６０３の側壁部分を流れて螺旋羽根１６０４に到達するために必要な隙間を、駆動ユニット１６０３の側壁部分と穴の側壁との間に確保しなければならないためである。
【００６５】
螺旋状の羽根である螺旋羽根１６０４は、螺旋シャフト１６０８に設けられている。
螺旋羽根１６０４は、螺旋シャフト１６０８を通じて螺旋モータによって、ドリルビット１６０２の回転方向とは逆方向（矢印Ａ１６０９）に回転駆動される。すると、螺旋羽根１６０４は以下の三つの作用を生じる。
先ず、螺旋羽根１６０４はドリルビット１６０２が掘削して生じた土砂を掘削装置１６０１の後ろ側に押し出す（矢印Ａ１６１０ａ及びＡ１６１０ｂ）。
次に、螺旋羽根１６０４はドリルビット１６０２が掘削して生じた土砂を掘削装置１６０１の後ろ側に押し出すので、掘削装置１６０１全体の推進力を生み出すと共に、ドリルビット１６０２を地面に押し当てる圧力を生み出す（矢印Ａ１６１１）。
次に、ドリルビット１６０２から生じる回転反力と、螺旋羽根１６０４から生じる回転反力同士が駆動ユニット１６０３において相殺し合うので、螺旋羽根１６０４が回転駆動されることで、ドリルビット１６０２が地面を掘削せずに駆動ユニット１６０３が空転してしまうことを防止する。
【００６６】
螺旋羽根１６０４の太さは、ドリルビット１６０２が形成する穴の径と等しいか、或は細いことが望ましい。但し、駆動ユニット１６０３よりは太くなければならない。ドリルビット１６０２が削り出した土砂が駆動ユニット１６０３の側壁部分を流れて螺旋羽根１６０４に到達するために必要な隙間を、駆動ユニット１６０３の側壁部分と穴の側壁との間に確保しなければならないためである。
【００６７】
螺旋シャフト１６０８は中空形状の金属製のパイプである。例えば真鍮等が利用可能である。
螺旋羽根１６０４及びドリルビット１６０２の材質は、硬質のものであれば金属であっても、セラミックや合成樹脂等の非金属の物体であってもよい。但し、螺旋シャフト１６０８か螺旋羽根１６０４のいずれか一方は、金属製であることが望ましい。これは、周知の筐体接地を用いてスリップリング１６０５の端子数を減らすためである。
螺旋シャフト１６０８の中には、二本の導線が封入されている。これらはそれぞれドリルモータと螺旋モータの駆動電力を伝達する線である。また、前述の通り、螺旋シャフト１６０８は金属製のパイプであるので、これが筐体接地の役割を担っている。
【００６８】
螺旋シャフト１６０８の、駆動ユニット１６０３とは相対する側には、スリップリング１６０５が設けられている。スリップリング１６０５は、回転する物体に回転しない側の導線との電気的導通を実現するための、周知の回転端子である。スリップリング１６０５からは導線１６１２ａ及び導線１６１２ｂが引き出される。これらはそれぞれドリルモータと螺旋モータの駆動電力を伝達する線である。また、スリップリング１６０５の筐体は金属製であり、これが筐体接地の役割を担っている。
【００６９】
図１６に示した掘削装置１６０１は、小型且つ軽量な構造を目指して作られているため、音源ユニット２０２を内蔵することが困難である。その代わりに、駆動ユニット１６０３に内蔵されているドリルモータと螺旋モータを地上から供給する電源によって駆動することができるので、このドリルモータと螺旋モータが地中を掘削することで、ドリルビット１６０２及び螺旋シャフト１６０８と土砂との摩擦によって発生する騒音を、センサユニットで検出することができる。
なお、図１６の掘削装置１６０１の場合、駆動パイプ１００２が存在しないので、測定誤差が大きくなるセンサユニットが生じる要因がない。つまり、ＬＥＤ５０４は発光しない。
【００７０】
（８）第一の実施態様のセンサユニット１０４、及び第二の実施態様のセンサユニット１３０１のいずれも、センサユニット自身の位置情報を取得するために、ＧＰＳモジュール６０４を搭載させている。ここで、前述の図１６に開示した掘削装置１６０１を用いて、掘削装置１６０１自身が大きく地表面１０２ａ方向に移動しないように掘削することが予め判っている場合、掘削装置１６０１の移動に伴ってセンサユニットを再配置する必要はない。このような場合においては、一つのセンサユニットを別途独立したＧＰＳ装置等で測量して、他のセンサユニットを等間隔に配置すれば、全てのセンサユニットにＧＰＳモジュール６０４を搭載させる必要がなくなる。この場合、センサユニットの位置情報はドリルビット位置推定装置に操作部７１４を用いて直接手入力で位置テーブル７０８に登録することとなる。
【００７１】
（９）第一の実施形態のサンプリングクロック７０２及び第二の実施形態のサンプリングクロック１３０３は、相対的時間差を検出できる構成であれば、必ずしも同一のサンプリングクロックを供給する回路構成でなくてもよい。例えば、複数のＡ／Ｄ変換器のうちの、一方のセンサユニットの出力信号を処理する方に、他方のＡ／Ｄ変換器に対するサンプリングクロックを整数逓倍したサンプリングクロックを供給する等の構成が考えられる。
【００７２】
本実施形態においては、ドリルビット位置推定装置、及びこれに使用するセンサユニット、そしてドリルビットを開示した。
地中のドリルビットの位置を推定するために、従来技術の電波の代わりにドリルビット先端から音を発生させ、地表に複数設けたセンサユニットで受信する。センサユニットに到達する音の時間差とセンサユニット同士の距離に基づいて演算し、ドリルビットの位置を推定する。
また、ドリルビットの進行方向の反対側のセンサユニットから得られるデータは、音がドリルビットを回転駆動する駆動パイプを伝うために誤差が大きくなってしまう。そこで、無効になったセンサユニットを、備え付けられているＬＥＤを発光制御させることにより、有効なセンサユニットと無効なセンサユニットとの、目視での判別を容易にすると共に、おおよそのドリルビットの位置が把握可能になる。
【００７３】
以上、本発明の実施形態例について説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。
【符号の説明】
【００７４】
１００…ドリルビット位置推定システム、１０１…ドリルビット、１０２…地盤、１０３…ドリルビット位置推定装置、１０４…センサユニット、１０５…アナログインターフェース、１０６…無線インターフェース、１０７…パソコン、１０８…アンテナ、１０９…ケーブル、２０１…ヘラ部材、２０２…音源ユニット、３０１…振動センサ、３０２…波形整形部、３０３…コンパレータ、３０４…タイマ、３０５…信号源、３０６…ハンマーソレノイド、３０７…昇圧回路、３０８…電池、３１０…トランジスタスイッチ、３１１…磁歪振動子、３１２…ＲＯＭ、３１３…周波数変調部、３１４…ドライバ、５０１…筐体、５０２…電源スイッチ、５０３…ＧＰＳパッチアンテナ、５０４…ＬＥＤ、５０５…固定柱、６０１…ジオフォン、６０２…ドライバ、６０３…コネクタ、６０４…ＧＰＳモジュール、６０５…入出力制御部、６０６…ＤＨＣＰクライアント、６０７…無線インターフェース、７０１…Ａ／Ｄ変換器、７０２…サンプリングクロック、７０３…トリガ検出部、７０４…リングバッファ、７０５…計測値テーブル、７０６…ＲＴＣ、７０７…通信処理部、７０８…位置テーブル、７０９…ＤＨＣＰサーバ、７１０…ドリルビット位置演算部、７１１…３Ｄ描画処理部、７１２…表示部、７１３…制御部、７１４…操作部、８０１…音源、１００１…掘削機、１００２…駆動パイプ、１３０１…センサユニット、１３０２…Ａ／Ｄ変換器、１３０３…サンプリングクロック、１３０４…入出力制御部、１４０１…ドリルビット位置推定装置、１５０１…加振器、１６０１…掘削装置、１６０２…ドリルビット、１６０３…駆動ユニット、１６０４…螺旋羽根、１６０５…スリップリング、１６０６…ドリルシャフト、１６０８…螺旋シャフト、１６１２ａ、１６１２ｂ…導線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中移動体位置推定システム、地中移動体位置推定装置及び地中移動体位置推定方法に適用して好適な技術に関する。
より詳細には、地中を掘削するドリルビットの地中位置を高精度に推定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
地中を掘削移動する物体の位置を計測するのは非常に重要な技術である。現在は誘導式水平ドリル工法（Horizontal Directional Drilling：以下「ＨＤＤ工法」）において、ドリルビットの内部に電磁波発生装置を設け、その電磁波の強度から位置直上を推定する手法があるのみである。
【０００３】
ＨＤＤ工法は、非開削で電気、ガス、上下水道等の各種パイプラインの敷設を行うことができる手段として、近年広く用いられている工法である。このＨＤＤ工法は、先端にドリルビットが取り付けられた長いパイプを、地上の掘削機が回転駆動することで、ドリルビットが地中を自在に所望の位置及び方向に掘り進む。この工法を施工する際には、地中を掘進していくドリルビットの先端の位置を随時計測する必要があり、この時の計測精度がそのまま埋設管の位置に影響する。
【０００４】
現在、ＨＤＤ工法において地中のドリルビットの位置を計測する手法として、電磁波を用いたものが周知である。ドリルビットの先端には小型の電磁波の発信機が埋め込まれ、地上ではロケーターと呼ばれる電磁波受信装置を用いて、電磁波の強度が最大の地点を探索する。その、電磁波の強度が最大の地点が、ドリルビットの真上であると推定できる。
ＨＤＤ工法の性質上、ドリルビット先端からパイプ内に土砂が流入し、パイプは掘削機によって回転駆動されるので、ドリルビット先端に仕込まれる発信機は掘削機側から電源を得ることができない。従って、発信機は電池駆動でなければならない。
なお、ＨＤＤ工法の先行技術文献として、特許文献１を挙げる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２２０９９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、この電磁波を用いる手法は、ドリルビットの真上の位置しか分からない。このため、施工ライン上に家屋等の建造物がある場合には用いることができない。また、土質の含水率に応じた電磁波の減衰の影響を受ける場合や、現場付近に鉄塔がある場合等の、地中のドリルビットから出力される電磁波が乱れてしまうような状況下においては正確な測定を行うことができない、といった問題点を有している。
また、前述のように発信機は電池駆動であるが故に、強い電磁波を発することが難しい。このことも、電磁波の減衰の影響を受けやすくし、ドリルビットの位置推定精度が向上し難い要因である。
【０００７】
本発明はかかる課題を解決し、電磁波の減衰の影響を受けずに、また電磁波を探索する作業を伴わずに、地中の地中移動体の三次元位置を推定する、地中移動体位置推定システム、地中移動体位置推定装置及び地中移動体位置推定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のドリルビット位置推定システムは、地表面に配置されて地盤中を移動する地中移動体から発される振動波を電気信号に変換する第一のセンサと、第一のセンサから所定の距離だけ離れて地表に配置されて地中移動体から発される振動波を電気信号に変換する第二のセンサと、第一のセンサ及び第二のセンサから所定の距離だけ離れて地表に配置されて地中移動体から発される振動波を電気信号に変換する第三のセンサと、第一のセンサ、第二のセンサ及び第三のセンサの信号を同一のサンプリングクロックでＡ／Ｄ変換して振動波データを出力するＡ／Ｄ変換器と、時刻情報生成部と、Ａ／Ｄ変換器が出力する、第一のセンサ、第二のセンサ及び第三のセンサに係る振動波データを時刻情報生成部が生成する時刻情報と共に記録する計測値テーブルと、第一のセンサの位置情報、第二のセンサの位置情報及び第三のセンサの位置情報が格納されている位置テーブルと、計測値テーブルに格納されている第一のセンサ、第二のセンサ及び第三のセンサに係る振動波データを解析して、相互の振動波データのトリガが発生した時間のずれを算出して、位置テーブルに格納されている第一のセンサの位置情報、第二のセンサの位置情報及び第三のセンサの位置情報に基づいて演算処理を行い、地盤中の地中移動体の位置を推定する地中移動体位置演算部とを備える。
【０００９】
地中を進行する地中移動体の位置を推定するために、地中移動体先端から振動波を発生させ、地表に複数設けたセンサユニットで受信する。センサユニットに到達する振動波の時間差とセンサユニット同士の距離に基づいて演算し、地中移動体の位置を推定する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、電磁波の減衰の影響を受けずに、また電磁波を探索する作業を伴わずに、地中の地中移動体の三次元位置を推定する、地中移動体位置推定装置及び地中移動体位置推定方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第一の実施形態の例である、ドリルビット位置推定システムの概略図である。
【図２】ドリルビットの先端部分の拡大図である。
【図３】音源ユニットのブロック図と、波形図である。
【図４】ドリルビット及び音源ユニットのタイミングチャートである。
【図５】センサユニットの外観斜視図である。
【図６】センサユニットの内部構成を説明するブロック図である。
【図７】ドリルビット位置推定装置のブロック図である。
【図８】ドリルビットの位置を推定する原理を説明する概略図である。
【図９】センサユニットから得られたデータに基づいて形成した曲面を表すシミュレーション図である。
【図１０】ドリルビット位置推定演算の推定誤差が生じる様子を説明する概略図である。
【図１１】ドリルビット位置推定装置の処理の流れを示すフローチャートである。
【図１２】地上を見下ろす視点で、ドリルビットの位置とセンサユニットの発光状態を説明する概略図である。
【図１３】第二の実施形態のセンサユニットのブロック図である。
【図１４】第二の実施形態のドリルビット位置推定装置のブロック図である。
【図１５】掘削機に加振器を備え付けた実施形態の概略図である。
【図１６】掘削装置の外観図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を、図１乃至図１５を参照して説明する。
【００１３】
本実施形態の概要を説明する。
本実施形態では、ドリルビット位置推定装置と、これに用いるセンサユニットと、ドリルビットよりなるドリルビット位置推定システムを開示する。
本実施形態のドリルビットは、従来技術の電磁波の発信機の代わりに、弾性波或は特定周波数の音波を発生する音源ユニットを内蔵する。ドリルビットが地中から生じさせる弾性波或は音波を、地表面に設置した複数のセンサユニットで計測し、各センサユニットへの弾性波或は音波の到達時間差から、ドリルビットの三次元位置推定を行う。
なお、後述する特定周波数の音波は、可聴帯域の音に留まらず、超音波をも包含する。このため、これ以降、可聴帯域又は非可聴帯域に関わらず、弾性波或は音波のように、物体を物理的に振動させる波動を、振動波と定義する。つまり、本実施形態のドリルビット位置推定装置は、地表に配置したセンサユニットを用いて振動波を検出する。
【００１４】
［第一の実施形態］
図１は、本発明の第一の実施形態の例である、ドリルビット位置推定システムの概略図である。
ドリルビット位置推定システム１００は、ドリルビット１０１と、ドリルビット１０１から発される音を検出する複数のセンサユニット１０４と、センサユニット１０４に接続されてドリルビット１０１の位置を推定するドリルビット位置推定装置１０３よりなる。
ドリルビット１０１は地盤１０２中を掘り進む。ドリルビット１０１には後述する音源ユニットが内蔵されている。
【００１５】
地盤１０２中の、ドリルビット１０１が存在する近辺の地表面１０２ａには、ドリルビット位置推定装置１０３に接続される複数のセンサユニット１０４が設置されている。ドリルビット位置推定装置１０３は、アナログインターフェース１０５と、アンテナ１０８を含む無線インターフェース１０６と、これらに接続されるパソコン１０７よりなる。センサユニット１０４は相互に５〜５０ｍ程度離して配置される。これは、後述するドリルビット１０１に内蔵される音源ユニットから発される音を検出する際、相互のセンサユニット１０４から有意な時間差を検出できるための配慮である。
【００１６】
各々のセンサユニット１０４はドリルビット位置推定装置１０３のアナログインターフェース１０５に所定のケーブル１０９によって接続される。また、各々のセンサユニット１０４は後述するＧＰＳモジュールと無線インターフェースを内蔵しており、ドリルビット位置推定装置１０３の無線インターフェース１０６を通じてパソコン１０７に位置情報を送信する。
【００１７】
図２（ａ）及び（ｂ）は、ドリルビット１０１の先端部分の拡大図である。
図２（ａ）を見て判るように、ドリルビット１０１は、一般的な螺旋状の刃を備えるドリルビットとは異なり、金属製パイプを斜めに切断した形状である。この形状は、遠隔地の掘削機からＨＤＤ工法を実施するに適した形状として形成されている。ドリルビット１０１を回転駆動すると、土砂を切削しながら真っ直ぐに進行し、ドリルビット１０１を回転させずに押し込むと、ドリルビット１０１の進行方向が切り欠き面１０１ａに沿って曲がる。ドリルビット１０１の、斜めの切削先端部分を保護しつつ、切削の強度を確保するため、ドリルビット１０１の先端にはヘラ部材２０１が固定されている。
【００１８】
図２（ｂ）は、ドリルビット１０１を別の角度から見た図である。ドリルビット１０１の中腹部分には、切削によって生じた土砂をパイプに流し込む開口部１０１ｃが設けられている。この開口部１０１ｃの内部に、音源ユニット２０２が据え付けられている。元々、この場所には従来技術である電磁波の発信機も据え付けられており、音源ユニット２０２の筐体は発信機と同じ場所に据え付けられるように、また発信機と同様に電池駆動で稼働できるように、大きさや形状が考慮されている。
【００１９】
図２（ａ）及び（ｂ）を見て判るように、ドリルビット１０１は金属製のパイプの先端に設けられており、掘削機はこのパイプを回転駆動させることでドリルビット１０１を回転させ、或は押し込んで、地盤１０２を掘削する。パイプは土砂が流れるため、中空にしなければならない。したがって、パイプの内側に電力を供給するためのケーブルを内蔵させることはほぼ不可能である。このため、音源ユニット２０２は電池駆動の装置でなければならない。
【００２０】
図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）及び（ｅ）は、音源ユニット２０２のブロック図と、波形図である。
図３（ａ）は、音源ユニット２０２の全体ブロック図である。
図３（ｂ）は、信号源の第一の形態のブロック図である。
図３（ｃ）は、信号源の第一の形態の波形図である。
図３（ｄ）は、信号源の第二の形態のブロック図である。
図３（ｅ）は、信号源の第二の形態の波形図である。
本実施形態では、音源ユニット２０２の二通りの形態を説明する。
【００２１】
音源ユニット２０２は、地表に設置されているセンサユニット１０４に対して音を伝達させなければならない。また、詳細は後述するが、音源ユニット２０２が発する音は、各々のセンサユニット１０４との間に明確な時間差が判る波形でなければならない。
更に、前述の通り、音源ユニット２０２は電池駆動の装置である。したがって、電力消費は極力少なくしなければならない。ドリルビット１０１が掘削機によって回転駆動されているような、ドリルビット１０１から大きな騒音が発生している状態で、音源ユニット２０２が稼働して所定の音を発生させても、センサユニット１０４が正しく音を捕捉することが極めて難しくなり、計測作業が不正確になるだけである。
【００２２】
そこで、本実施形態の音源ユニット２０２は、ドリルビット１０１が騒音を発していない状態を検出したら、一回だけ信号源を駆動する構成とした。
先ず、振動センサ３０１はドリルビット１０１の振動を検出する。波形整形部３０２は振動センサ３０１から得られる振動波形をダイオード等で包絡線検波或は同期検波を行い、積分回路を通して波形の雑音成分を除去する。こうして得られた信号を、コンパレータ３０３で所定の基準電圧と比較する。ドリルビット１０１が掘削機によって駆動されて騒音が発生しているときは、コンパレータ３０３は論理の「真」を出力する。
【００２３】
コンパレータ３０３の出力信号はタイマ３０４のリセット端子に入力される。コンパレータ３０３が論理の「真」を出力しているうち、すなわち騒音が発生しているときは、タイマ３０４はリセットされ続ける。ドリルビット１０１が停止し、騒音がコンパレータ３０３に入力される基準電圧で設定される「許容値」を下回ったら、タイマ３０４のリセットは解除され、タイマ３０４は例えば５秒等の所定の時間だけ計時を行い、計時を完遂すると論理の真のパルスを出力する。このパルスは信号源３０５をオン動作させる。
【００２４】
信号源３０５は、各々のセンサユニット１０４同士の時間差を把握可能な波形の音を出す必要がある。本実施形態では、一例として二通りの音のパターンを開示する。
図３（ｂ）は、第一の信号源３０５ａのブロック図である。第一の信号源３０５ａは、音源としてハンマーソレノイド３０６を用いている。ハンマーソレノイド３０６に十分な駆動電力を与えるため、昇圧回路３０７で電池３０８の電圧を昇圧し、コンデンサＣ３０９に電荷を貯めこむ構成とした。コンデンサＣ３０９に十分な電荷がたまった状態でトランジスタスイッチ３１０をオン制御すると、ハンマーソレノイド３０６が駆動され、ハンマーソレノイド３０６から衝撃波が発生する。
図３（ｃ）は、その衝撃波の波形図である。波形の立ち上がりが急峻なので、容易に信号の立ち上がりを検出できる。
【００２５】
図３（ｄ）は、第二の信号源３０５ｂのブロック図である。第二の信号源３０５ｂは、音源として超音波等を発生させるに適している磁歪振動子３１１を用いている。磁歪振動子３１１を二種類以上の周波数の音で駆動させると、周波数が切り替わったタイミングから、各センサユニット１０４の時間差を検出することが可能になる。
磁歪振動子３１１を駆動するために、第二の信号源３０５ｂには、ＲＯＭ３１２と周波数変調部３１３とドライバ３１４が設けられている。ＲＯＭ３１２には周波数変調パターンデータが格納されている。周波数変調部３１３はＲＯＭ３１２から周波数変調パターンデータを読み出して、データに従って周波数変調された信号を出力する。そして、この信号をドライバ３１４が電力増幅する。
図３（ｅ）は、その音波の時間−周波数の波形図である。図２（ｅ）では一例として、三種類の周波数の超音波を、例えば０．５秒等の予め定めた周期で発生させる。
予め信号の周波数の変化が判っているので、ドリルビット位置推定装置側では容易に周波数の切り替わるタイミングを検出できる。
【００２６】
図４は（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）は、ドリルビット１０１及び音源ユニット２０２のタイミングチャートである。
図４（ａ）は、コンパレータ３０３の出力信号のタイミングチャートである。
図４（ｂ）は、タイマ３０４の計時が回転駆動されている状態を示すタイミングチャートである。
図４（ｃ）は、タイマ３０４の出力信号のタイミングチャートである。
【００２７】
図４（ａ）のタイミングチャートに示すコンパレータ３０３の出力信号は、実質的にドリルビット１０１が回転駆動されている状態を示す信号でもある。振動センサ３０１がドリルビット１０１の動作状態を信号として出力すると、波形整形部３０２によって包絡線検波が行われ、コンパレータ３０３によって論理信号に変換される。
タイマ３０４は、図４（ｂ）に示すように、コンパレータ３０３の出力信号が論理の「偽」になると、リセットが解除されて計時を開始する。そして、一定時間、例えば５秒を計時すると、図４（ｃ）に示すように、ワンショットパルスを出力する。タイマ３０４はこれ以降は計時を行わず、再びコンパレータ３０３によってリセットされるまで出力信号の論理は真にはならない。
【００２８】
信号源３０５は、タイマ３０４が出力するこのワンショットパルスを受けて、オン動作する。信号源３０５が図３（ｂ）に示す構成であれば、トランジスタスイッチ３１０がオンになり、ハンマーソレノイド３０６が衝撃音を発する。信号源３０５が図３（ｄ）に示す構成であれば、周波数変調部３１３がオンになり、磁歪振動子３１１が所定の周波数パターンの超音波を発する。
【００２９】
図５（ａ）及び（ｂ）は、センサユニット１０４の外観斜視図である。図５（ａ）はセンサユニット１０４を斜め上から見た斜視図であり、図５（ｂ）はセンサユニット１０４を斜め下から見た斜視図である。
センサユニット１０４の筐体５０１の天板５０１ａには、電源スイッチ５０２と、ＧＰＳパッチアンテナ５０３と、ＬＥＤ５０４が設けられている。
センサユニット１０４の筐体５０１の底板５０１ｂには、地盤１０２に植え込んで固定するための固定柱５０５が設けられている。
【００３０】
図６は、センサユニット１０４の内部構成を説明するブロック図である。
ジオフォン６０１は、周知の地震検知センサである。その構造はスプリングで吊るされた振子に固定されているコイルと、地表と同じ振動をする受振器のケースに固定された永久磁石よりなる。振動体の固有振動周波数が低いことを除くと、原理的には周知のダイナミックマイクロフォンとほぼ等価である。勿論、本実施形態ではドリルビット１０１に内蔵される音源ユニット２０２に用いる信号源３０５は、ハンマーソレノイド３０６が発する高い周波数の衝撃音であったり、磁歪振動子３１１が発する超音波であるので、周知のダイナミックマイクロフォンやコンデンサマイクロフォンであってもよい。
ジオフォン６０１の出力信号は周知のオペアンプ等のドライバ６０２で電圧増幅されて、コネクタ６０３に接続されるケーブル１０９を通じてドリルビット位置推定装置１０３に出力される。
【００３１】
一方、ジオフォン６０１とドライバ６０２とは全く別に、ＧＰＳパッチアンテナ５０３と、ＧＰＳモジュール６０４と、ＬＥＤ５０４と、入出力制御部６０５と、ＤＨＣＰクライアント６０６と無線インターフェース６０７が、センサユニット１０４の筐体５０１内に内蔵されている。
位置情報生成部ともいえるＧＰＳモジュール６０４は、ＧＰＳパッチアンテナ５０３を通じてＧＰＳ衛星の電波を受信して、正確な位置情報を出力する。
入出力制御部６０５は、位置情報を無線インターフェース６０７を通じてドリルビット位置推定装置１０３に送信する。
【００３２】
無線インターフェース６０７は周知の無線ＬＡＮであり、ネットワークインターフェースカード（Network Interface Card：以下「ＮＩＣ」と略）である。無線インターフェース６０７と入出力制御部６０５はＴＣＰ／ＩＰ通信処理系を構成する。ドリルビット位置推定装置１０３とＩＰ接続するために、ＤＨＣＰクライアント６０６が設けられている。
つまり、ＧＰＳモジュール６０４から生成される位置情報の伝送経路に関わる回路ブロックと、ジオフォン６０１から生成される音声信号の伝送経路に関わる回路ブロックは、電源を共通にする以外は、電気的には全く無関係である。
【００３３】
なお、無線インターフェース６０７を通じて送信する位置情報のためのプロトコルは、適切なプロトコルであれば何でも良い。位置情報自体は非常に少量のデータであるので、周知のＴＥＬＮＥＴでもＨＴＴＰでもよい。
【００３４】
図７は、ドリルビット位置推定装置１０３のブロック図である。
ドリルビット位置推定装置１０３は、アナログインターフェース１０５からセンサユニット１０４のアナログ信号を受信して処理する、音声信号処理の機能ブロックと、無線インターフェース１０６からセンサユニット１０４の位置情報を受信して処理する、位置情報処理の機能ブロックの、二系統の信号処理がある。
【００３５】
アナログインターフェース１０５は、複数の入力端子を備え、複数のセンサユニット１０４のアナログ信号を受信する。
アナログインターフェース１０５の出力信号はＡ／Ｄ変換器７０１に供給される。Ａ／Ｄ変換器７０１は複数のアナログ信号をデジタル情報に変換する。なお、Ａ／Ｄ変換器７０１はアナログインターフェース１０５の出力チャンネル毎に複数個設けられている。これは、同一のサンプリングクロック７０２によって相互に正確なタイミングでデジタル変換する必要があることに起因する。
【００３６】
本実施形態のドリルビット位置推定装置１０３は、複数のセンサユニット１０４に到達する音源ユニット２０２の音の時間差を正確に計測しなければならない。このために、Ａ／Ｄ変換器７０１に同一のサンプリングクロック７０２を供給して、入力される複数のアナログ信号をデジタルデータに変換し、相互のデジタルデータに誤差となる時間差が極力生じないように（チャンネル相互にレイテンシが生じないように）、アナログインターフェース１０５、Ａ／Ｄ変換器７０１及びサンプリングクロック７０２を構成している。
【００３７】
Ａ／Ｄ変換器７０１のチャンネル毎の出力データは、トリガ検出部７０３によって、アナログ信号の立ち上がりが検出される。
一方、Ａ／Ｄ変換器７０１のチャンネル毎の出力データは、リングバッファ７０４に入力され、常に一定時間の記憶が行われている。
トリガ検出部７０３が信号の立ち上がりを検出すると、計測値テーブル７０５は、時刻情報生成部ともいえるリアルタイムクロック（「ＲＴＣ」と略）７０６が出力する日時情報と共に、リングバッファ７０４に蓄積されているデータを記録し、予め定められた所定時間だけ記録を継続する。
【００３８】
なお、トリガ検出部７０３は入力される音声信号の形態によって、トリガの検出方法が変わる。図３（ｂ）のハンマーソレノイド３０６が発生するような衝撃波である場合は、入力される音声信号の立ち上がり、すなわち振幅が所定の閾値を越えたか否かを検出する。図３（ｄ）の周波数変調部３１３及び磁歪振動子３１１が発生するような周波数変調信号である場合は、入力される音声信号の周波数の変化を検出する。
【００３９】
一方、無線インターフェース１０６と通信処理部７０７は、センサユニット１０４から位置情報を受信し、位置テーブル７０８に当該センサユニット１０４に割り振られたＩＰアドレスと共に記録する。無線インターフェース１０６と通信処理部７０７との間には、センサユニット１０４の無線インターフェース１０６にＩＰアドレスを付与する為のＤＨＣＰサーバ７０９が設けられている。
【００４０】
計測値テーブル７０５に蓄積されている各センサユニット１０４の音声データと、位置テーブル７０８に蓄積されている各センサユニット１０４の位置情報は、地中移動体位置演算部ともいえるドリルビット位置演算部７１０に入力される。
ドリルビット位置演算部７１０は、先ず計測値テーブル７０５に蓄積されている各センサユニット１０４の音声データを解析して、同時に記録されている時間情報に基づいて、各々の音声データに含まれている、厳密なトリガの日時情報をサンプリングクロック７０２の分解能で取得する。そして、センサユニット１０４の相互の音声データのトリガの時間のずれを算出する。次に、ドリルビット位置演算部７１０は、各センサユニット１０４の音声データのトリガの時間のずれと、各センサユニット１０４の位置情報に基づいて演算処理を行い、地盤１０２中のドリルビット１０１の位置を推定する。
ドリルビット位置演算部７１０が算出して推定した、ドリルビット１０１の地盤１０２中の位置、すなわち地表の位置と深さの情報は、３Ｄ描画処理部７１１に供給される。３Ｄ描画処理部７１１は、地盤１０２と、地表に配置されたセンサユニット１０４と、推定されたドリルビット１０１を透過立体画像として描画処理する。
３Ｄ描画処理部７１１が作成した立体画像は、表示部７１２に表示される。
【００４１】
制御部７１３は操作部７１４の操作を受けて、通信処理部７０７、ドリルビット位置演算部７１０及び３Ｄ描画処理部７１１の制御を行う。特に本実施形態の場合、センサユニット１０４内のアナログ信号の系とデジタル情報の系は全く独立しており、このままではどのアナログ信号がどのＩＰアドレスのセンサユニット１０４のものなのかが特定できないので、測定作業に先立ち、予めアナログ信号のチャンネル番号とＩＰアドレスとを紐付ける作業が必要になる。このため、本実施形態のドリルビット位置推定装置１０３は、制御部７１３がリハーサルモードを備え、一つずつセンサユニット１０４の電源スイッチ５０２をオン操作して、アナログ信号とＩＰアドレスを確認し、計測値テーブル７０５と位置テーブル７０８の紐付けを行う。
【００４２】
［原理］
図８は、ドリルビット１０１の位置を推定する原理を説明する概略図である。
先ず、考察を簡単にするために、地表にセンサユニット１０４が二つ配置されている状態において、この二つのセンサユニット１０４を結ぶ直線を含む垂直な平面上に、ドリルビット１０１（音源８０１）が存在すると仮定する。音源８０１から発生する音は、二つのセンサユニット１０４に到達する際、その距離の差に応じた遅れが生じる。
右センサと左センサとの間の距離をｗ、音源８０１と右センサとの間の距離をｌ、音源８０１と地表との垂直線分をｚ、音源８０１と地表との垂直線分と右センサとの距離をｘ、音源８０１と左センサとの間の距離をｌ＋ｄとする。ｄは、左センサが右センサよりも音源８０１から遠いことを示す。したがって、このｄによって音の到達時間が右センサよりも左センサに遅れが生じる。
【００４３】
周知のピタゴラスの定理より、
ｘ２＋ｚ２＝ｌ２
（ｗ−ｘ）２＋ｚ２＝（ｌ＋ｄ）２
という式が成り立つ。この式を展開して整理すると、以下の式（１）になる。
【００４４】
【数１】
【００４５】
実際には、二つのセンサの線を含む垂直平面上にドリルビット１０１が存在することはそう多くはなく、図８で言えば図面に垂直の方向にずれた位置にドリルビット１０１が存在することが多い。つまり、奥行き方向の要素を考慮しなければならない。この奥行き方向をｙ軸として、ｙ軸方向を考慮すると、以下の式（２）になる。
【００４６】
【数２】
【００４７】
ｄは地盤１０２内の音の伝搬速度に依存するので、ｄ、ｘ、ｙ、ｚという要素によって曲面が形成される。
図９は、センサユニット１０４から得られたデータに基づいて形成した曲面を表すシミュレーション図である。
センサユニット１０４が二つだけでは、ドリルビット１０１の位置を推定することは不可能である。しかし、センサユニット１０４の数が増えれば、シミュレーション曲面を多数形成することができ、それら複数の曲面が交差した点が、ドリルビット１０１の位置であると推定することができる。
複数の曲面同士が交わることによって、音源（点Ｐ９０１）を特定することができる。この点を特定するためには、最低でも曲面が三つ必要になる。三つの曲面を形成するためには、最低でもセンサユニット１０４は三つ必要になる。
センサユニット１０４の位置情報はＧＰＳモジュール６０４から得られるので、上記の式（２）に基づいて図９のような曲面を複数演算して、交点を求めれば、ドリルビット１０１の地表面１０２ａ上の位置及び深さを推定することができる。
【００４８】
しかしながら、発明者は実験を進めるにつれて、推定結果に大きな誤差を生じる場合があることに気付いた。
図１０は、ドリルビット位置推定演算の推定誤差が生じる様子を説明する概略図である。
掘削機１００１は、駆動パイプ１００２を回転駆動させることで、ドリルビット１０１を回転駆動させる。そして、ドリルビット１０１は地盤１０２を掘り進む。
地盤１０２が均一な地質である場合、ドリルビット１０１の内部に仕込まれた音源ユニット２０２から発生する音は、ドリルビット１０１の進行方向に配置されたセンサユニット１０４ａ及び１０４ｂには、真っ直ぐに音が伝搬する。
しかし、音源ユニット２０２から発生する音は、ドリルビット１０１の進行方向の逆方向に配置されたセンサユニット１０４ｃ及び１０４ｄには、地盤１０２よりも音の伝搬速度が速い駆動パイプ１００２を伝搬し、その途中から地盤１０２を通じてセンサユニット１０４に音が伝搬する。つまり、音の伝搬経路が真っ直ぐにならない。
このため、ドリルビット１０１の進行方向の後ろ側に位置するセンサユニット１０４の計測結果は、誤差が大きい為に使いものにならない、ということがわかる。
【００４９】
そこで、ドリルビット位置演算部７１０が、演算処理の過程で誤差が大きくなったために使えなくなったセンサユニット１０４を検出し、当該センサユニット１０４のＬＥＤ５０４を発光制御させると、地表から目視でドリルビット１０１のおおよその位置を推定できるだけでなく、使えなくなったセンサユニット１０４を更にドリルビット１０１の進行方向に再配置し、計測作業を継続することができる。
図１１は、ドリルビット位置推定装置１０３の処理の流れを示すフローチャートである。
処理を開始すると（Ｓ１１０１）、トリガ検出部７０３は、Ａ／Ｄ変換器７０１から出力されるデジタルデータが所定の閾値を越えたか否か、すなわちトリガが来たか否かを確認する（Ｓ１１０２）。トリガ検出部７０３は、トリガが来るまでループし続ける（Ｓ１１０２のＮＯ）。
【００５０】
トリガ検出部７０３は、トリガを検出すると（Ｓ１１０２のＹＥＳ）、リングバッファ７０４及び計測値テーブル７０５に制御パルスを発する。リングバッファ７０４及び計測値テーブル７０５はこの制御パルスに呼応して、一定時間、入力されるデータをＲＴＣ７０６が出力する日時情報と共に計測値テーブル７０５に記録する（Ｓ１１０３）。記録するデータはトリガ検出部７０３によってトリガが検出された瞬間から、リングバッファ７０４に蓄積されている直前のデータを含めて、計測値テーブル７０５に記録される。
【００５１】
ステップＳ１１０３の時点で計測値テーブル７０５に全てのセンサユニット１０４のデータが記録されるので、ドリルビット位置演算部７１０は位置テーブル７０８に格納されているセンサユニット１０４の位置情報と共に、地盤１０２中のドリルビットの位置を推定演算する（Ｓ１１０４）。この演算処理はセンサユニット１０４の数に応じて膨大になることが考えられるので、その場合は周知の並列コンピューティングの手法等を用いることが望ましい。
【００５２】
次に、制御部７１３は、ステップＳ１１０４でドリルビット位置演算部７１０がドリルビットの位置を推定演算した結果、大きな誤差を生じるセンサユニット１０４が存在するか否か、確認する（Ｓ１１０５）。もし、一つでも誤差の大きいセンサユニット１０４が存在するなら（Ｓ１１０５のＹＥＳ）、制御部７１３は当該センサユニット１０４のＬＥＤを発光させるべく、制御命令を通信処理部７０７及び無線インターフェース１０６を通じて送信する（Ｓ１１０６）。次に、制御部７１３は計測値テーブル７０５の、当該センサユニット１０４のデータについて、当該データが無効である旨を示すマーク（或はフラグ）を記入する（Ｓ１１０７）。
【００５３】
ステップＳ１１０５で大きな誤差を生じるセンサユニット１０４がなかった場合（Ｓ１１０５のＮＯ）、及びステップＳ１１０７を経て、３Ｄ描画処理部７１１は地盤１０２中のドリルビット１０１の位置を３Ｄにて描画した画像を作成し、表示部７１２がこの画像を表示して（Ｓ１１０８）、一連の処理を終了する（Ｓ１１０９）。
なお、ステップＳ１１０６及びＳ１１０７の処理は、ステップＳ１１０８の処理と並列して行うと、３Ｄ画像の表示に要する時間が短縮されるので、より望ましい。
ステップＳ１１０９で終了した一連の処理は、音源ユニット２０２が動作する度に実施する必要があるので、再度ステップＳ１１０１から繰り返す。
【００５４】
ドリルビット１０１が図１１のフローチャートに示す動作を実施すると、ドリルビット１０１が地中を掘り進んで移動するに連れて、地表に配置されたセンサユニット１０４は次々に発光制御される。この様子を図１２（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に示す。
図１２（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、地上を見下ろす視点で、ドリルビット１０１の位置とセンサユニット１０４の発光状態を説明する概略図である。
図１０にて説明したように、ドリルビット１０１の後ろ側に位置するセンサユニット１０４は、音の伝搬経路が直線でなくなってしまうため、測定データのタイミングに大きな誤差が含まれてしまい、ドリルビット１０１の位置を推定する演算には使えなくなってしまう。ドリルビット位置演算部７１０は、以前の計算の結果を参照して、推定演算に利用できなくなったセンサユニット１０４を特定することができる。制御部７１３はドリルビット位置演算部７１０によって特定されたセンサユニット１０４に対して、ＬＥＤ５０４を発光させるための制御命令を発する。こうして、ドリルビット１０１の後ろ側に位置するセンサユニット１０４のＬＥＤ５０４は発光する。図１２（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）では、「×」印が付された点が、ＬＥＤ５０４が発光しているセンサユニット１０４である。
図１２（ａ）から（ｂ）に推移すると、ドリルビット１０１は地中を掘り進む。そして、それに連れてＬＥＤ５０４が発光するセンサユニット１０４が増えていく。
図１２（ｂ）から（ｃ）に推移すると、ドリルビット１０１の進行方向が変化している。すると、それに連れてＬＥＤ５０４が発光するセンサユニット１０４の領域が変化する。このように、センサユニット１０４の発光の分布状態で、ドリルビット１０１のおおよその進行状態が推測できる。そして、図１２（ｃ）の点線の丸に示すように、次に配置しなければならないセンサユニット１０４の位置を考慮することができる。
【００５５】
［第二の実施形態］
第一の実施形態では、センサユニット１０４内のアナログ信号の系とデジタル情報の系は全く独立しており、このままではどのアナログ信号がどのＩＰアドレスのセンサユニット１０４のものなのかが特定できないので、測定作業に先立ち、予めアナログ信号のチャンネル番号とＩＰアドレスとを紐付ける作業が必要だった。
そこで、このような作業を省力化した構成の実施形態を説明する。
図１３は、第二の実施形態のセンサユニットのブロック図である。
図１３のセンサユニット１３０１は、図６のセンサユニット１０４とは異なり、ジオフォン６０１の出力信号をＡ／Ｄ変換器１３０２でデジタルデータに変換して、入出力制御部１３０４及び無線インターフェース６０７を通じてドリルビット位置推定装置１０３に送信している点である。しかし、単にデジタルに変換するだけでは、各々のセンサユニット１３０１間の相対的な時間差を正確に検出することができない。そこで、ＧＰＳモジュール６０４から得られる正確な日時情報を用いて、Ａ／Ｄ変換器１３０２に供給するサンプリングクロック１３０３を同期させる。
周知のように、ＧＰＳ衛星からは極めて正確な日時情報を得ることができる。センサユニット１３０１に内蔵される全てのサンプリングクロック１３０３がこの日時情報に正確に同期していれば、その正確な日時情報と併せて正確な音の立ち上がりのタイミングを捕捉することができる。つまり、センサユニット１３０１に内蔵される全てのサンプリングクロック１３０３は、正確な日時情報に同期することで、全てのセンサユニット１３０１に対して実質的に同一のサンプリングクロックを提供する。
更に、無線インターフェース６０７からＩＰアドレスを伴って位置情報と音声データが送信されるので、ドリルビット位置推定装置１０３側では、音声データ及び日時情報と位置情報が自ずと紐付けられることとなる。
【００５６】
図１４は、第二の実施形態のドリルビット位置推定装置のブロック図である。
図７のドリルビット位置推定装置１０３とは違い、図１４のドリルビット位置推定装置１４０１は、アナログインターフェース１０５を備える必要はない。また、リングバッファ７０４や計測値テーブル７０５は記録のタイミングを厳密に管理しなくても良い。センサユニット１３０１から正確な日時情報に同期した音声データが送信されるので、受信したデータを順次記録していくだけでよい。更に、無線インターフェース１０６を通じて受信したデータは、ＩＰアドレスを伴って位置情報と音声データが送信されるので、音声データ及び日時情報と位置情報が自ずとＩＰアドレスによって紐付けられることとなる。したがって、アナログ信号のチャンネル番号とＩＰアドレスとを紐付ける作業が不要である。
【００５７】
本実施形態は、以下のような応用例が考えられる。
（１）ドリルビット１０１は鉄等の金属の駆動パイプ１００２で回転駆動される。駆動パイプ１００２は地盤１０２と比べて多くの場合において剛性が高く、振動を伝達させるには好適である。そこで、音源ユニット２０２をドリルビット１０１に内蔵させる代わりに、掘削機１００１に加振器を備え付けて、この加振器が駆動パイプ１００２を振動させる構成にしても良い。
図１５は、掘削機１００１に加振器を備え付けた実施形態の概略図である。
加振器１５０１は、駆動パイプ１００２にハンマーソレノイド等で衝撃音を伝達させたり、磁歪振動子等で複数の周波数の超音波を伝達させる等の、図３（ｂ）及び（ｄ）の構成の信号源３０５をそのまま掘削機１００１に備え付けても良い。加振器１５０１は、掘削機１００１から電源が供給できて制御もできるので、より簡素な装置構成で、且つより強力な信号源を構成することが可能である。
【００５８】
（２）ドリルビット位置演算部７１０はドリルビット１０１の位置を推定すると共に、誤差が大きくなったために無効となったセンサユニット１０４を判定する。そして、無効となったセンサユニット１０４のＬＥＤ５０４は発光される。複数存在する、ＬＥＤ５０４が光っているセンサユニット１０４の中には、ドリルビット１０１に一番近いものもある。そこで、ＬＥＤ５０４が発光されるセンサユニット１０４のうち、最もドリルビット１０１に近いセンサユニット１０４のＬＥＤ５０４を、他のセンサユニット１０４のＬＥＤ５０４とは異なる発光状態にすると、当該センサユニット１０４の近くにドリルビット１０１が存在することが容易に判別できる。ＬＥＤ５０４は例えば赤と緑の二色発光の構成としたり、最も近いセンサユニット１０４のＬＥＤ５０４のみ点滅させ、他のセンサユニット１０４のＬＥＤ５０４は点灯させたままとする発光制御であってもよい。
【００５９】
（３）多くの地盤１０２は、異なる地質の層が複数重なる構成もある。このような地層を構成する地盤１０２の場合、地質の異なる層毎に音の伝搬速度が変化することがある。単一の地質を想定して推定演算を行うと、誤差の大きな演算結果を得てしまう。そこで、予めボーリング調査等の地質調査を行い、計測対象の地盤１０２の地質について、ドリルビット位置演算部７１０にデータを与えて、シミュレーション演算を実施する。ドリルビット位置演算部７１０の推定演算の計算量は更に大量になるが、より正確な演算結果を得ることが期待できる。
【００６０】
（４）前述の式（２）の代わりに、地震の震源地を探索するグリッドサーチ法等の既知のアルゴリズムを用いることも可能である。
【００６１】
（５）第一及び第二の実施形態では、センサユニット１０４の位置情報を受信するインターフェースとして、周知の無線ＬＡＮである無線インターフェース１０６を用いたが、これは有線のＬＡＮであってもよい。また、近年注目されている低消費電力の近距離無線通信のインターフェースである、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）も好適である。
【００６２】
（６）第二の実施形態では、全てのセンサユニット１３０１のサンプリングクロックをより精密に同期させるために、全てのセンサユニット１３０１とドリルビット位置推定装置に周知のｎｔｐｄ（Network Time Protocol Daemon）を稼働させると良い。
【００６３】
（７）音源ユニット２０２を用いる代わりに、ドリルビットと土砂との摩擦で生じる騒音を検出する方法もある。このような検出方法に適した掘削装置を図１６に示す。
図１６は、掘削装置の外観図である。
掘削装置１６０１は、ドリルビット１６０２と、ドリルビット１６０２を回転駆動する駆動ユニット１６０３と、駆動ユニット１６０３によって回転駆動される螺旋羽根１６０４と、螺旋羽根１６０４の先端に設けられているスリップリング１６０５よりなる。
掘削装置１６０１は、先端側に地面等を掘削するためのドリルビット１６０２が設けられる。
ドリルビット１６０２は、モータが内蔵されている駆動ユニット１６０３の先端部分から突出しているドリルシャフト１６０６に固定されている。したがって、モータが回転すると、ドリルビット１６０２はドリルシャフト１６０６を通じて回転駆動され、地面等を掘削する。なお、ドリルビット１６０２は矢印Ａ１６０７の方向に回転駆動される。
【００６４】
駆動ユニット１６０３は円筒形の金属製のケースで覆われている。
駆動ユニット１６０３の内部には、ドリルビット１６０２を回転駆動するためのドリルモータと、螺旋羽根１６０４を回転駆動するための螺旋モータが内蔵されている。
駆動ユニット１６０３の太さは、ドリルビット１６０２が形成する穴の径よりも細い。ドリルビット１６０２が削り出した土砂が駆動ユニット１６０３の側壁部分を流れて螺旋羽根１６０４に到達するために必要な隙間を、駆動ユニット１６０３の側壁部分と穴の側壁との間に確保しなければならないためである。
【００６５】
螺旋状の羽根である螺旋羽根１６０４は、螺旋シャフト１６０８に設けられている。
螺旋羽根１６０４は、螺旋シャフト１６０８を通じて螺旋モータによって、ドリルビット１６０２の回転方向とは逆方向（矢印Ａ１６０９）に回転駆動される。すると、螺旋羽根１６０４は以下の三つの作用を生じる。
先ず、螺旋羽根１６０４はドリルビット１６０２が掘削して生じた土砂を掘削装置１６０１の後ろ側に押し出す（矢印Ａ１６１０ａ及びＡ１６１０ｂ）。
次に、螺旋羽根１６０４はドリルビット１６０２が掘削して生じた土砂を掘削装置１６０１の後ろ側に押し出すので、掘削装置１６０１全体の推進力を生み出すと共に、ドリルビット１６０２を地面に押し当てる圧力を生み出す（矢印Ａ１６１１）。
次に、ドリルビット１６０２から生じる回転反力と、螺旋羽根１６０４から生じる回転反力同士が駆動ユニット１６０３において相殺し合うので、螺旋羽根１６０４が回転駆動されることで、ドリルビット１６０２が地面を掘削せずに駆動ユニット１６０３が空転してしまうことを防止する。
【００６６】
螺旋羽根１６０４の太さは、ドリルビット１６０２が形成する穴の径と等しいか、或は細いことが望ましい。但し、駆動ユニット１６０３よりは太くなければならない。ドリルビット１６０２が削り出した土砂が駆動ユニット１６０３の側壁部分を流れて螺旋羽根１６０４に到達するために必要な隙間を、駆動ユニット１６０３の側壁部分と穴の側壁との間に確保しなければならないためである。
【００６７】
螺旋シャフト１６０８は中空形状の金属製のパイプである。例えば真鍮等が利用可能である。
螺旋羽根１６０４及びドリルビット１６０２の材質は、硬質のものであれば金属であっても、セラミックや合成樹脂等の非金属の物体であってもよい。但し、螺旋シャフト１６０８か螺旋羽根１６０４のいずれか一方は、金属製であることが望ましい。これは、周知の筐体接地を用いてスリップリング１６０５の端子数を減らすためである。
螺旋シャフト１６０８の中には、二本の導線が封入されている。これらはそれぞれドリルモータと螺旋モータの駆動電力を伝達する線である。また、前述の通り、螺旋シャフト１６０８は金属製のパイプであるので、これが筐体接地の役割を担っている。
【００６８】
螺旋シャフト１６０８の、駆動ユニット１６０３とは相対する側には、スリップリング１６０５が設けられている。スリップリング１６０５は、回転する物体に回転しない側の導線との電気的導通を実現するための、周知の回転端子である。スリップリング１６０５からは導線１６１２ａ及び導線１６１２ｂが引き出される。これらはそれぞれドリルモータと螺旋モータの駆動電力を伝達する線である。また、スリップリング１６０５の筐体は金属製であり、これが筐体接地の役割を担っている。
【００６９】
図１６に示した掘削装置１６０１は、小型且つ軽量な構造を目指して作られているため、音源ユニット２０２を内蔵することが困難である。その代わりに、駆動ユニット１６０３に内蔵されているドリルモータと螺旋モータを地上から供給する電源によって駆動することができるので、このドリルモータと螺旋モータが地中を掘削することで、ドリルビット１６０２及び螺旋シャフト１６０８と土砂との摩擦によって発生する騒音を、センサユニットで検出することができる。
なお、図１６の掘削装置１６０１の場合、駆動パイプ１００２が存在しないので、測定誤差が大きくなるセンサユニットが生じる要因がない。つまり、ＬＥＤ５０４は発光しない。
【００７０】
（８）第一の実施態様のセンサユニット１０４、及び第二の実施態様のセンサユニット１３０１のいずれも、センサユニット自身の位置情報を取得するために、ＧＰＳモジュール６０４を搭載させている。ここで、前述の図１６に開示した掘削装置１６０１を用いて、掘削装置１６０１自身が大きく地表面１０２ａ方向に移動しないように掘削することが予め判っている場合、掘削装置１６０１の移動に伴ってセンサユニットを再配置する必要はない。このような場合においては、一つのセンサユニットを別途独立したＧＰＳ装置等で測量して、他のセンサユニットを等間隔に配置すれば、全てのセンサユニットにＧＰＳモジュール６０４を搭載させる必要がなくなる。この場合、センサユニットの位置情報はドリルビット位置推定装置に操作部７１４を用いて直接手入力で位置テーブル７０８に登録することとなる。
【００７１】
（９）第一の実施形態のサンプリングクロック７０２及び第二の実施形態のサンプリングクロック１３０３は、相対的時間差を検出できる構成であれば、必ずしも同一のサンプリングクロックを供給する回路構成でなくてもよい。例えば、複数のＡ／Ｄ変換器のうちの、一方のセンサユニットの出力信号を処理する方に、他方のＡ／Ｄ変換器に対するサンプリングクロックを整数逓倍したサンプリングクロックを供給する等の構成が考えられる。
【００７２】
本実施形態においては、ドリルビット位置推定装置、及びこれに使用するセンサユニット、そしてドリルビットを開示した。
地中のドリルビットの位置を推定するために、従来技術の電波の代わりにドリルビット先端から音を発生させ、地表に複数設けたセンサユニットで受信する。センサユニットに到達する音の時間差とセンサユニット同士の距離に基づいて演算し、ドリルビットの位置を推定する。
また、ドリルビットの進行方向の反対側のセンサユニットから得られるデータは、音がドリルビットを回転駆動する駆動パイプを伝うために誤差が大きくなってしまう。そこで、無効になったセンサユニットを、備え付けられているＬＥＤを発光制御させることにより、有効なセンサユニットと無効なセンサユニットとの、目視での判別を容易にすると共に、おおよそのドリルビットの位置が把握可能になる。
【００７３】
以上、本発明の実施形態例について説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。
【符号の説明】
【００７４】
１００…ドリルビット位置推定システム、１０１…ドリルビット、１０２…地盤、１０３…ドリルビット位置推定装置、１０４…センサユニット、１０５…アナログインターフェース、１０６…無線インターフェース、１０７…パソコン、１０８…アンテナ、１０９…ケーブル、２０１…ヘラ部材、２０２…音源ユニット、３０１…振動センサ、３０２…波形整形部、３０３…コンパレータ、３０４…タイマ、３０５…信号源、３０６…ハンマーソレノイド、３０７…昇圧回路、３０８…電池、３１０…トランジスタスイッチ、３１１…磁歪振動子、３１２…ＲＯＭ、３１３…周波数変調部、３１４…ドライバ、５０１…筐体、５０２…電源スイッチ、５０３…ＧＰＳパッチアンテナ、５０４…ＬＥＤ、５０５…固定柱、６０１…ジオフォン、６０２…ドライバ、６０３…コネクタ、６０４…ＧＰＳモジュール、６０５…入出力制御部、６０６…ＤＨＣＰクライアント、６０７…無線インターフェース、７０１…Ａ／Ｄ変換器、７０２…サンプリングクロック、７０３…トリガ検出部、７０４…リングバッファ、７０５…計測値テーブル、７０６…ＲＴＣ、７０７…通信処理部、７０８…位置テーブル、７０９…ＤＨＣＰサーバ、７１０…ドリルビット位置演算部、７１１…３Ｄ描画処理部、７１２…表示部、７１３…制御部、７１４…操作部、８０１…音源、１００１…掘削機、１００２…駆動パイプ、１３０１…センサユニット、１３０２…Ａ／Ｄ変換器、１３０３…サンプリングクロック、１３０４…入出力制御部、１４０１…ドリルビット位置推定装置、１５０１…加振器、１６０１…掘削装置、１６０２…ドリルビット、１６０３…駆動ユニット、１６０４…螺旋羽根、１６０５…スリップリング、１６０６…ドリルシャフト、１６０８…螺旋シャフト、１６１２ａ、１６１２ｂ…導線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地表面に配置されて地盤中を移動する地中移動体から発される振動波を電気信号に変換する第一のセンサと、
前記第一のセンサから所定の距離だけ離れて前記地表に配置されて前記地中移動体から発される前記振動波を電気信号に変換する第二のセンサと、
前記第一のセンサ及び前記第二のセンサから所定の距離だけ離れて前記地表に配置されて前記地中移動体から発される前記振動波を電気信号に変換する第三のセンサと、
前記第一のセンサ、前記第二のセンサ及び前記第三のセンサの信号をサンプリングクロックでＡ／Ｄ変換して振動波データを出力するＡ／Ｄ変換器と、
時刻情報生成部と、
前記Ａ／Ｄ変換器が出力する、前記第一のセンサ、前記第二のセンサ及び前記第三のセンサに係る前記振動波データを前記時刻情報生成部が生成する時刻情報と共に記録する計測値テーブルと、
前記第一のセンサの位置情報、前記第二のセンサの位置情報及び前記第三のセンサの位置情報が格納されている位置テーブルと、
前記計測値テーブルに格納されている前記第一のセンサ、前記第二のセンサ及び前記第三のセンサに係る前記振動波データを解析して、相互の前記振動波データのトリガが発生した時間のずれを算出して、前記位置テーブルに格納されている前記第一のセンサの位置情報、前記第二のセンサの位置情報及び前記第三のセンサの位置情報に基づいて演算処理を行い、前記地盤中の前記地中移動体の位置を推定する地中移動体位置演算部と
を備える地中移動体位置推定システム。
【請求項２】
更に、
前記第一のセンサの位置情報を出力する第一の位置情報生成部と、
前記第二のセンサの位置情報を出力する第二の位置情報生成部と、
前記第三のセンサの位置情報を出力する第三の位置情報生成部と、
を備える、請求項１記載の地中移動体位置推定システム。
【請求項３】
地表面に配置されて地盤中を移動する地中移動体から発される振動波を電気信号に変換する第一のセンサと、
前記第一のセンサの信号を時刻情報で同期されたサンプリングクロックでＡ／Ｄ変換する第一のＡ／Ｄ変換器と、
前記第一のセンサの位置情報を出力する第一の位置情報生成部と、
前記第一のセンサから所定の距離だけ離れて前記地表に配置されて前記地中移動体から発される前記振動波を電気信号に変換する第二のセンサと、
前記第二のセンサの信号を時刻情報で同期されたサンプリングクロックでＡ／Ｄ変換する第二のＡ／Ｄ変換器と、
前記第二のセンサの位置情報を出力する第二の位置情報生成部と、
前記第一のセンサ及び前記第二のセンサから所定の距離だけ離れて前記地表に配置されて前記地中移動体から発される前記振動波を電気信号に変換する第三のセンサと、
前記第三のセンサの信号を時刻情報で同期されたサンプリングクロックでＡ／Ｄ変換する第三のＡ／Ｄ変換器と、
前記第三のセンサの位置情報を出力する第三の位置情報生成部と、
前記第一のＡ／Ｄ変換器が出力する前記第一のセンサに係る第一の振動波データと、前記第二のＡ／Ｄ変換器が出力する前記第二のセンサに係る第二の振動波データと、前記第三のＡ／Ｄ変換器が出力する前記第三のセンサに係る第三の振動波データとを記録する計測値テーブルと、
前記第一のセンサの位置情報、前記第二のセンサの位置情報及び前記第三のセンサの位置情報を記録する位置テーブルと、
前記計測値テーブルに格納されている前記第一の振動波データ、前記第二の振動波データ及び前記第三の振動波データを解析して、相互の振動波データのトリガが発生した時間のずれを算出して、前記位置テーブルに格納されている前記第一のセンサの位置情報、前記第二のセンサの位置情報及び前記第三のセンサの位置情報に基づいて演算処理を行い、前記地盤中の前記地中移動体の位置を推定する地中移動体位置演算部と
を備える地中移動体位置推定システム。
【請求項４】
前記地中移動体は地盤中を掘削するドリルビットである、請求項１又は２又は３記載の地中移動体位置推定システム。
【請求項５】
前記地中移動体位置演算部は、前記演算処理の結果、前記第一のセンサ、前記第二のセンサ又は前記第三のセンサのいずれかの前記振動波データが生じる測定誤差が前記地中移動体の位置の推定の妨げになると判定した場合、該当するいずれかのセンサの前記振動波データを前記演算処理の対象から外す、請求項１又は２又は３又は４記載の地中移動体位置推定システム。
【請求項６】
更に、
前記第一のセンサに配置される第一の発光素子と、
前記第二のセンサに配置される第二の発光素子と、
前記第三のセンサに配置される第三の発光素子と、
前記地中移動体位置演算部が、前記演算処理の結果、前記第一のセンサ、前記第二のセンサ又は前記第三のセンサのいずれかの前記振動波データが生じる測定誤差が前記地中移動体の位置の推定の妨げになると判定した場合、該当するいずれかのセンサに係る前記発光素子を発光する命令を発する制御部と
を備える、請求項５記載の地中移動体位置推定システム。
【請求項７】
前記地中移動体には所定の振動波を発生する音源が内蔵されており、
前記音源は、前記地中移動体が回転駆動されていない状態を検出して前記振動波を発生する、請求項１又は２又は３又は４又は５又は６記載の地中移動体位置推定システム。
【請求項８】
前記地中移動体は掘削機によって駆動パイプを通じて回転駆動されるものであり、
前記掘削機には前記駆動パイプに所定の振動波を伝達させる加振器が備えられている、請求項１又は２又は３又は４又は５又は６記載の地中移動体位置推定システム。
【請求項９】
地表面に配置されて地盤中を移動する地中移動体から発される振動波を電気信号に変換する複数のセンサの信号をサンプリングクロックでＡ／Ｄ変換して振動波データを出力するＡ／Ｄ変換器と、
前記Ａ／Ｄ変換器が出力する、前記複数のセンサに係る前記振動波データを記録する計測値テーブルと、
前記複数のセンサの位置情報を記録する位置テーブルと、
前記計測値テーブルに格納されている前記複数のセンサに係る前記振動波データを解析して、相互の前記振動波データのトリガが発生した時間のずれを算出して、前記位置テーブルに格納されている前記複数のセンサの位置情報に基づいて演算処理を行い、前記地盤中の前記地中移動体の位置を推定する地中移動体位置演算部と
を備える地中移動体位置推定装置。
【請求項１０】
地表面に配置されて地盤中を移動する地中移動体から発される振動波を電気信号に変換する複数のセンサの信号を、時刻情報で同期されたサンプリングクロックでＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器が出力する、前記複数のセンサに係る振動波データを記録する計測値テーブルと、
前記複数のセンサの位置情報を記録する位置テーブルと、
前記計測値テーブルに格納されている前記複数のセンサに係る前記振動波データを解析して、相互の前記振動波データのトリガが発生した時間のずれを算出して、前記位置テーブルに格納されている前記複数のセンサの位置情報に基づいて演算処理を行い、前記地盤中の前記地中移動体の位置を推定する地中移動体位置演算部と
を備える地中移動体位置推定装置。
【請求項１１】
前記地中移動体は地盤中を掘削するドリルビットである、請求項９又は１０記載の地中移動体位置推定装置。
【請求項１２】
前記地中移動体位置演算部は、前記演算処理の結果、前記複数のセンサのいずれかの前記振動波データが生じる測定誤差が前記地中移動体の位置の推定の妨げになると判定した場合、該当するいずれかのセンサの前記振動波データを前記演算処理の対象から外す、請求項９又は１０又は１１記載の地中移動体位置推定システム。
【請求項１３】
更に、
前記複数のセンサにはそれぞれ発光素子が配置されており、
前記複数のセンサのいずれかの前記振動波データが、前記地中移動体位置演算部が前記演算処理の結果、測定誤差が前記地中移動体の位置の推定の妨げになると判定した場合、該当するいずれかのセンサに係る前記発光素子を発光する命令を発する制御部と
を備える、請求項９又は１０又は１１又は１２記載の地中移動体位置推定装置。
【請求項１４】
地盤中を移動する地中移動体から発される振動波を地表面に配置される複数のセンサによって電気信号に変換する振動波信号収集ステップと、
前記振動波信号をサンプリングクロックでＡ／Ｄ変換して振動波データを出力するＡ／Ｄ変換ステップと、
前記複数のセンサに係る前記振動波データを時刻情報と共に計測値テーブルに記録する振動波データ記録ステップと、
前記複数のセンサの位置情報を位置テーブルに記録する位置情報記録ステップと、
前記計測値テーブルに格納されている前記複数のセンサに係る前記振動波データを解析して、相互の前記振動波データのトリガが発生した時間のずれを算出して、前記位置テーブルに格納されている前記複数のセンサの位置情報に基づいて演算処理を行い、前記地盤中の前記地中移動体の位置を推定する地中移動体位置演算ステップと
を有する地中移動体位置推定方法。
【請求項１５】
前記地中移動体は地盤中を掘削するドリルビットである、請求項１４記載の地中移動体位置推定方法。
【請求項１】
地表面に配置されて地盤中を移動する地中移動体から発される振動波を電気信号に変換する第一のセンサと、
前記第一のセンサから所定の距離だけ離れて前記地表に配置されて前記地中移動体から発される前記振動波を電気信号に変換する第二のセンサと、
前記第一のセンサ及び前記第二のセンサから所定の距離だけ離れて前記地表に配置されて前記地中移動体から発される前記振動波を電気信号に変換する第三のセンサと、
前記第一のセンサ、前記第二のセンサ及び前記第三のセンサの信号をサンプリングクロックでＡ／Ｄ変換して振動波データを出力するＡ／Ｄ変換器と、
時刻情報生成部と、
前記Ａ／Ｄ変換器が出力する、前記第一のセンサ、前記第二のセンサ及び前記第三のセンサに係る前記振動波データを前記時刻情報生成部が生成する時刻情報と共に記録する計測値テーブルと、
前記第一のセンサの位置情報、前記第二のセンサの位置情報及び前記第三のセンサの位置情報が格納されている位置テーブルと、
前記計測値テーブルに格納されている前記第一のセンサ、前記第二のセンサ及び前記第三のセンサに係る前記振動波データを解析して、相互の前記振動波データのトリガが発生した時間のずれを算出して、前記位置テーブルに格納されている前記第一のセンサの位置情報、前記第二のセンサの位置情報及び前記第三のセンサの位置情報に基づいて演算処理を行い、前記地盤中の前記地中移動体の位置を推定する地中移動体位置演算部と
を備える地中移動体位置推定システム。
【請求項２】
更に、
前記第一のセンサの位置情報を出力する第一の位置情報生成部と、
前記第二のセンサの位置情報を出力する第二の位置情報生成部と、
前記第三のセンサの位置情報を出力する第三の位置情報生成部と、
を備える、請求項１記載の地中移動体位置推定システム。
【請求項３】
地表面に配置されて地盤中を移動する地中移動体から発される振動波を電気信号に変換する第一のセンサと、
前記第一のセンサの信号を時刻情報で同期されたサンプリングクロックでＡ／Ｄ変換する第一のＡ／Ｄ変換器と、
前記第一のセンサの位置情報を出力する第一の位置情報生成部と、
前記第一のセンサから所定の距離だけ離れて前記地表に配置されて前記地中移動体から発される前記振動波を電気信号に変換する第二のセンサと、
前記第二のセンサの信号を時刻情報で同期されたサンプリングクロックでＡ／Ｄ変換する第二のＡ／Ｄ変換器と、
前記第二のセンサの位置情報を出力する第二の位置情報生成部と、
前記第一のセンサ及び前記第二のセンサから所定の距離だけ離れて前記地表に配置されて前記地中移動体から発される前記振動波を電気信号に変換する第三のセンサと、
前記第三のセンサの信号を時刻情報で同期されたサンプリングクロックでＡ／Ｄ変換する第三のＡ／Ｄ変換器と、
前記第三のセンサの位置情報を出力する第三の位置情報生成部と、
前記第一のＡ／Ｄ変換器が出力する前記第一のセンサに係る第一の振動波データと、前記第二のＡ／Ｄ変換器が出力する前記第二のセンサに係る第二の振動波データと、前記第三のＡ／Ｄ変換器が出力する前記第三のセンサに係る第三の振動波データとを記録する計測値テーブルと、
前記第一のセンサの位置情報、前記第二のセンサの位置情報及び前記第三のセンサの位置情報を記録する位置テーブルと、
前記計測値テーブルに格納されている前記第一の振動波データ、前記第二の振動波データ及び前記第三の振動波データを解析して、相互の振動波データのトリガが発生した時間のずれを算出して、前記位置テーブルに格納されている前記第一のセンサの位置情報、前記第二のセンサの位置情報及び前記第三のセンサの位置情報に基づいて演算処理を行い、前記地盤中の前記地中移動体の位置を推定する地中移動体位置演算部と
を備える地中移動体位置推定システム。
【請求項４】
前記地中移動体は地盤中を掘削するドリルビットである、請求項１又は２又は３記載の地中移動体位置推定システム。
【請求項５】
前記地中移動体位置演算部は、前記演算処理の結果、前記第一のセンサ、前記第二のセンサ又は前記第三のセンサのいずれかの前記振動波データが生じる測定誤差が前記地中移動体の位置の推定の妨げになると判定した場合、該当するいずれかのセンサの前記振動波データを前記演算処理の対象から外す、請求項１又は２又は３又は４記載の地中移動体位置推定システム。
【請求項６】
更に、
前記第一のセンサに配置される第一の発光素子と、
前記第二のセンサに配置される第二の発光素子と、
前記第三のセンサに配置される第三の発光素子と、
前記地中移動体位置演算部が、前記演算処理の結果、前記第一のセンサ、前記第二のセンサ又は前記第三のセンサのいずれかの前記振動波データが生じる測定誤差が前記地中移動体の位置の推定の妨げになると判定した場合、該当するいずれかのセンサに係る前記発光素子を発光する命令を発する制御部と
を備える、請求項５記載の地中移動体位置推定システム。
【請求項７】
前記地中移動体には所定の振動波を発生する音源が内蔵されており、
前記音源は、前記地中移動体が回転駆動されていない状態を検出して前記振動波を発生する、請求項１又は２又は３又は４又は５又は６記載の地中移動体位置推定システム。
【請求項８】
前記地中移動体は掘削機によって駆動パイプを通じて回転駆動されるものであり、
前記掘削機には前記駆動パイプに所定の振動波を伝達させる加振器が備えられている、請求項１又は２又は３又は４又は５又は６記載の地中移動体位置推定システム。
【請求項９】
地表面に配置されて地盤中を移動する地中移動体から発される振動波を電気信号に変換する複数のセンサの信号をサンプリングクロックでＡ／Ｄ変換して振動波データを出力するＡ／Ｄ変換器と、
前記Ａ／Ｄ変換器が出力する、前記複数のセンサに係る前記振動波データを記録する計測値テーブルと、
前記複数のセンサの位置情報を記録する位置テーブルと、
前記計測値テーブルに格納されている前記複数のセンサに係る前記振動波データを解析して、相互の前記振動波データのトリガが発生した時間のずれを算出して、前記位置テーブルに格納されている前記複数のセンサの位置情報に基づいて演算処理を行い、前記地盤中の前記地中移動体の位置を推定する地中移動体位置演算部と
を備える地中移動体位置推定装置。
【請求項１０】
地表面に配置されて地盤中を移動する地中移動体から発される振動波を電気信号に変換する複数のセンサの信号を、時刻情報で同期されたサンプリングクロックでＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器が出力する、前記複数のセンサに係る振動波データを記録する計測値テーブルと、
前記複数のセンサの位置情報を記録する位置テーブルと、
前記計測値テーブルに格納されている前記複数のセンサに係る前記振動波データを解析して、相互の前記振動波データのトリガが発生した時間のずれを算出して、前記位置テーブルに格納されている前記複数のセンサの位置情報に基づいて演算処理を行い、前記地盤中の前記地中移動体の位置を推定する地中移動体位置演算部と
を備える地中移動体位置推定装置。
【請求項１１】
前記地中移動体は地盤中を掘削するドリルビットである、請求項９又は１０記載の地中移動体位置推定装置。
【請求項１２】
前記地中移動体位置演算部は、前記演算処理の結果、前記複数のセンサのいずれかの前記振動波データが生じる測定誤差が前記地中移動体の位置の推定の妨げになると判定した場合、該当するいずれかのセンサの前記振動波データを前記演算処理の対象から外す、請求項９又は１０又は１１記載の地中移動体位置推定システム。
【請求項１３】
更に、
前記複数のセンサにはそれぞれ発光素子が配置されており、
前記複数のセンサのいずれかの前記振動波データが、前記地中移動体位置演算部が前記演算処理の結果、測定誤差が前記地中移動体の位置の推定の妨げになると判定した場合、該当するいずれかのセンサに係る前記発光素子を発光する命令を発する制御部と
を備える、請求項９又は１０又は１１又は１２記載の地中移動体位置推定装置。
【請求項１４】
地盤中を移動する地中移動体から発される振動波を地表面に配置される複数のセンサによって電気信号に変換する振動波信号収集ステップと、
前記振動波信号をサンプリングクロックでＡ／Ｄ変換して振動波データを出力するＡ／Ｄ変換ステップと、
前記複数のセンサに係る前記振動波データを時刻情報と共に計測値テーブルに記録する振動波データ記録ステップと、
前記複数のセンサの位置情報を位置テーブルに記録する位置情報記録ステップと、
前記計測値テーブルに格納されている前記複数のセンサに係る前記振動波データを解析して、相互の前記振動波データのトリガが発生した時間のずれを算出して、前記位置テーブルに格納されている前記複数のセンサの位置情報に基づいて演算処理を行い、前記地盤中の前記地中移動体の位置を推定する地中移動体位置演算ステップと
を有する地中移動体位置推定方法。
【請求項１５】
前記地中移動体は地盤中を掘削するドリルビットである、請求項１４記載の地中移動体位置推定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−５８０３８（Ｐ２０１２−５８０３８Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２００３５１（Ｐ２０１０−２００３５１）
【出願日】平成２２年９月７日（２０１０．９．７）
【出願人】（５０４１７１１３４）国立大学法人 筑波大学 (510)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月７日（２０１０．９．７）
【出願人】（５０４１７１１３４）国立大学法人 筑波大学 (510)
【Ｆターム（参考）】
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