JP2002005663A - Front-end pipe position attitude measuring method, and apparatus thereof - Google Patents

Front-end pipe position attitude measuring method, and apparatus thereof

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JP2002005663A
JP2002005663A JP2000401240A JP2000401240A JP2002005663A JP 2002005663 A JP2002005663 A JP 2002005663A JP 2000401240 A JP2000401240 A JP 2000401240A JP 2000401240 A JP2000401240 A JP 2000401240A JP 2002005663 A JP2002005663 A JP 2002005663A
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浩一 手塚
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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To accurately measure horizontal position, depth, inclination angle, rotation angle, and bearing angle of the front-end part of a driving pipe, even if terrestrial magnetism is disturbed. SOLUTION: A power source 21 is connected to a current passage 22, which is laid so that a side of the passage 22 is overlapped with a projected driving line 13. A three-axis magnetic field detector 11 and three-axis gravity direction detector 12 are placed at a front-end part of a driving pipe 10. An inclination angle and rotation angle detector, which determines the inclination angle and rotation angle of the front-end part of the pipe 10 from the gravity direction, is placed. A bearing angle detecting part 33, which determines the bearing angle of the front-end part of the pipe 10 from the alternating current component in a magnetic field and a synchronous signal from a power source, is installed. A horizontal position and depth measuring part 35, which determines the horizontal position and depth of the front-end part of the pipe 10 from the alternating current component in the magnetic field, is installed.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、非開削で配管を地
中に敷設するための掘進工法における掘進管先端位置姿
勢計測方法及び掘進管先端位置姿勢計測装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and apparatus for measuring the position and orientation of a tip of a digging pipe in a digging method for laying a pipe in the ground without cutting.

【０００２】[0002]

【従来の技術】非開削で配管を地中に敷設するための掘
進工法においては、その施工中のドリル先端の位置及び
その方向を検出することは、掘進方向を修正して管路軌
跡を所定の管理範囲内に制御するために重要な情報であ
る。2. Description of the Related Art In a digging method for laying pipes underground without digging, detecting a position and a direction of a drill tip during construction is performed by correcting a digging direction and determining a pipe locus. Is important information to control within the management range.

【０００３】図１３は、地磁気を利用した従来の掘進管
先端位置姿勢計測装置の概略構成を示す図である。図１
３に示すように、掘進管１３８１の先端に、掘進管１３
８１に対する地磁気の方位角を求める地磁気検出器１３
８３と、水平方向に対する掘進方向の傾斜角と、掘進方
向を軸とする回転角を検出できる角度検出器１３８４
と、演算器１３８５とから構成されている。FIG. 13 is a diagram showing a schematic configuration of a conventional excavation pipe tip position / posture measuring apparatus utilizing geomagnetism. Figure 1
As shown in FIG. 3, the tip of the digging tube 1381 is
Geomagnetic detector 13 for finding the azimuth of geomagnetism with respect to 81
83, an angle detector 1384 that can detect the inclination angle of the excavation direction with respect to the horizontal direction and the rotation angle about the excavation direction as an axis.
And an arithmetic unit 1385.

【０００４】この装置では、検出される掘進管の方位角
と傾斜角とから掘進距離に応じて変位量を計算し、積算
することで先端位置を演算器１３８５で求める。なお、
掘進方向の位置は、掘進中のドリルパイプの長さを管理
することで求まる。従って、この方式では、掘進方向に
対して、水平位置と深さを求めることとなる。In this apparatus, a displacement amount is calculated in accordance with a digging distance from an azimuth angle and an inclination angle of a detected digging pipe, and integrated to obtain a tip position by a calculator 1385. In addition,
The position in the excavation direction is obtained by managing the length of the drill pipe being excavated. Therefore, in this method, the horizontal position and the depth are obtained with respect to the excavation direction.

【０００５】図１４は、特開平９−７２１９２号公報に
記載されている人工技術を用いた装置の概略構成を示す
図である。図１４に示すように、掘進工事の掘進計画線
上に、電源１４９７及び磁界発生コイル１４９２を設置
し、地中の掘進管先端１４９１がコイル１４９２真下近
傍に達したとき１４コイル９２に直流或いは矩形交番電
流を通電し、地中に人工磁界を発生させ、３軸磁界検出
器１４９３で磁界を測定する。コイル１４９２に通電し
たときの３軸磁界強度から通電しないときの３軸磁界強
度を差し引いて求めた３軸磁界強度と、別途測定した先
端の姿勢角から、演算により掘進管の先端部の水平位置
と深さを求める。FIG. 14 is a diagram showing a schematic configuration of an apparatus using an artificial technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-72192. As shown in FIG. 14, a power supply 1497 and a magnetic field generating coil 1492 are installed on the excavation planning line of the excavation work, and when the underground excavation pipe tip 1491 reaches a position immediately below the coil 1492, a DC or rectangular alternation is applied to the 14 coil 92. An electric current is supplied to generate an artificial magnetic field in the ground, and the magnetic field is measured by a three-axis magnetic field detector 1493. The horizontal position of the tip of the drilling pipe is calculated from the three-axis magnetic field strength obtained by subtracting the three-axis magnetic field strength when no current is supplied from the three-axis magnetic field strength when the coil 1492 is supplied, and the posture angle of the separately measured tip. And ask for depth.

【０００６】[0006]

【発明が解決しようとする課題】図１３に示した従来装
置では、地磁気を利用して掘進管の水平位置・深さを測
定するが、特に都市部においては、測定場所近傍に存在
する磁性体からなる自動車や構造物の影響を受け、地磁
気が乱れていることが多い。そのため、方位角度は誤差
を持つ。この誤差が小さくても、これを用いて求めた変
位量を積算して得られる掘進管先端位置は、大きな誤差
を持ち、都市部では実用にならない。In the conventional apparatus shown in FIG. 13, the horizontal position and the depth of the excavation pipe are measured by using geomagnetism. The geomagnetic field is often disturbed by the influence of automobiles and structures. Therefore, the azimuth angle has an error. Even if this error is small, the excavated pipe tip position obtained by integrating the displacement amount obtained using the error has a large error and is not practical in urban areas.

【０００７】また、図１４に示した従来装置では、人工
磁界から先端位置を求める前に、別途先端部の姿勢角を
計測しておく必要がある。そのためには、先端部に傾斜
角とロール角とを求めるための重力加速度測定器と、方
位角を求めるための地磁気方向検出器が必要になる。従
って、地磁気が周辺の磁性体構造物により大きく乱れて
いる場合には、最終的に求められる先端部の検出位置と
検出方位角方向に大きな誤差が生じることになる。In addition, in the conventional apparatus shown in FIG. 14, it is necessary to separately measure the attitude angle of the tip before obtaining the tip position from the artificial magnetic field. For that purpose, a gravitational acceleration measuring device for obtaining an inclination angle and a roll angle at the tip and a geomagnetic direction detector for obtaining an azimuth angle are required. Therefore, when the geomagnetism is largely disturbed by the surrounding magnetic material structure, a large error occurs between the finally obtained detection position of the tip and the detection azimuth direction.

【０００８】また、地磁気の乱れが少ない場合、地磁気
を用いて掘進管の先端部の方位角を求めることができた
場合でも、人工地場を検出するためにコイル電流のＯＮ
／ＯＦＦ情報或いはコイル電流の同期信号を演算器に入
力する必要があり、コイル電流の電源から演算処理機ま
での配線が必要になり、装置の全体構成が複雑になった
り、この配線を使わない場合には手動によりコイル電流
のＯＮ／ＯＦＦ情報を入力したりする必要があり、測定
時間が多くなると言う問題がある。特に、都市部の工事
において、コイル設置場所が、演算処理装置から遠隔と
なる場合には、その配線作業が煩わしくなる。さらに、
都市部の工事のように近傍からの電磁飛来ノイズが多い
場所では、そのノイズが位置検出精度に悪影響を与える
事が多い。本発明の目的は、地磁気が乱れていても、掘
進管の先端部の水平位置、深さ、傾斜角、回転角、及び
方位角を精度よく計測し得る掘進管先端位置姿勢計測方
法を提供することにある。In addition, when the disturbance of the geomagnetism is small, and even when the azimuth angle of the tip of the excavated pipe can be obtained by using the geomagnetism, the coil current is turned on to detect the artificial ground.
It is necessary to input / OFF information or a coil current synchronizing signal to an arithmetic unit, and wiring from a coil current power supply to an arithmetic processing unit is required, so that the overall configuration of the apparatus becomes complicated or this wiring is not used. In such a case, it is necessary to manually input ON / OFF information of the coil current, and there is a problem that the measurement time increases. In particular, in a construction work in an urban area, if the coil installation location is remote from the arithmetic processing unit, the wiring work becomes troublesome. further,
In places where there is a lot of electromagnetic noise coming from the vicinity, such as construction in urban areas, the noise often adversely affects position detection accuracy. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for measuring the position and orientation of a tip of a drilling pipe which can accurately measure the horizontal position, depth, inclination angle, rotation angle, and azimuth of the tip of the drilling pipe even when geomagnetism is disturbed. It is in.

【０００９】また、本発明の別の目的は地磁気が乱れて
いない状態において、構成の簡易化を図り得る掘進管先
端位置姿勢計測方法及び掘進管先端位置姿勢計測装置を
提供することにある。It is another object of the present invention to provide a method and apparatus for measuring the position and orientation of the tip of a drilling pipe which can simplify the configuration in a state where the geomagnetism is not disturbed.

【００１０】[0010]

【課題を解決するための手段】［構成］本発明は、上記
目的を達成するために以下のように構成されている。Means for Solving the Problems [Configuration] The present invention is configured as follows to achieve the above object.

【００１１】（１）本発明（請求項１）に係わる掘進管
先端位置姿勢計測方法は、中心線が掘進管の掘進計画線
から離れた位置に敷設された電流路に対して交流波形の
電流を供給するステップと、前記掘進管先端部における
３軸方向の磁界強度を計測するステップと、前記各軸方
向の磁界強度を交流成分と直流成分とに分けるステップ
と、前記掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向を
計測するステップと、前記掘進管先端部の姿勢に対する
重力加速度方向から前記掘進管先端部の傾斜角と回転角
とを求めるステップと、前記分離された各軸方向の磁界
強度の交流成分と前記電流路に供給された交流波形の同
期信号とから前記掘進管先端部の方位角を求めるステッ
プと、前記各軸方向の磁界強度の交流成分から前記掘進
管先端部の水平位置と深さとを求めるステップとを含む
ことを特徴とする。(1) The method for measuring the position and orientation of a tip of a drilling pipe according to the present invention (claim 1) is a method of measuring a current path having an AC waveform with respect to a current path whose center line is laid away from a drilling plan line of the drilling pipe. Supplying the magnetic field, measuring the magnetic field strength in three axial directions at the tip of the drilling pipe, dividing the magnetic field strength in each axial direction into an AC component and a DC component, and the attitude of the tip of the drilling pipe. Measuring the direction of gravitational acceleration with respect to, the step of obtaining the inclination angle and the rotation angle of the tip of the excavation tube from the direction of gravitational acceleration with respect to the attitude of the tip of the excavation tube, and the magnetic field intensity of each of the separated axial directions. Determining the azimuth of the tip of the drilling tube from the AC component and the synchronization signal of the AC waveform supplied to the current path; and determining the horizontal position of the tip of the drilling tube from the AC components of the magnetic field strength in each axial direction. Characterized in that it comprises the steps of obtaining a preparative depth.

【００１２】（２） 本発明に係わる掘進管先端位置姿
勢計測方法は、コイルに対して、供給時間が異なるハイ
レベルとローレベルとの２値の矩形波形の電流を供給す
るステップと、前記矩形波形の電流が前記コイルに供給
された状態で、掘進管先端部における磁界の３軸方向の
各成分の時間変位を計測するステップと、計測された磁
界の各成分に対して、前記ハイレベルの電流供給時間に
対応して一定のレベルを維持する第１の磁界の各成分
と、前記ローレベルの電流供給時間に対応して一定のレ
ベルを維持する第２の磁界強度の各成分とを求めるステ
ップと、求められた第１及び第２の磁界の各成分から、
前記コイルに矩形波形の電流が供給されて形成される人
工磁界の各成分と、地磁気の各成分とを求めるステップ
と、前記掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向を
計測するステップと、前記掘進管先端部の姿勢に対する
重力加速度方向から前記掘進管先端部の傾斜角と回転角
とを求めるステップと、前記地磁気の各成分と前記掘進
管先端部の姿勢に対する重力加速度方向とから前記掘進
管先端部の方位角を求めるステップと、前記各軸方向の
人工磁界から前記掘進管先端部の水平位置と深さとを求
めるステップとを含むことを特徴とする。(2) In the method for measuring the position and orientation of the tip of a digging tube according to the present invention, a step of supplying a current having a binary rectangular waveform of a high level and a low level to supply a different time to the coil; Measuring a time displacement of each component of the magnetic field at the distal end of the drilling pipe in the three-axis direction in a state where the waveform current is supplied to the coil; Each component of the first magnetic field that maintains a constant level corresponding to the current supply time and each component of the second magnetic field intensity that maintains a constant level corresponding to the low-level current supply time are obtained. From the steps and the obtained components of the first and second magnetic fields,
Obtaining a component of an artificial magnetic field formed by supplying a rectangular waveform current to the coil, and a component of geomagnetism; measuring a gravitational acceleration direction with respect to a posture of the excavation tube tip; Obtaining the inclination angle and the rotation angle of the excavation pipe tip from the direction of gravity acceleration with respect to the attitude of the pipe tip; and the excavation pipe tip from each component of the geomagnetism and the direction of gravity acceleration with respect to the orientation of the excavation pipe tip. Determining the azimuth angle of the portion, and determining the horizontal position and the depth of the tip of the excavation tube from the artificial magnetic field in each of the axial directions.

【００１３】（３）本発明に係わる掘進管先端位置姿勢
計測装置は、コイルと、このコイルに、供給時間が異な
るハイレベルとローレベルとの２値の矩形波形の電流を
供給する電源と、前記掘進管の先端に設けられ、磁界の
３軸方向の各成分をそれぞれ検出する磁界検出器と、こ
の磁界検出器により計測された磁界の各成分から、ハイ
レベルの供給時間に対応して一定のレベルを維持する第
１の磁界の各成分と、ローレベルの電流供給時間に対応
して一定のレベルを保つ第２の磁界の各成分とを求める
磁界強度検出部と、第１及び第２の磁界強度の各成分か
ら、前記コイルに電流が供給されて形成される人工磁界
の各成分と、地磁気の各成分とを求める人工磁界・地磁
気算出部と、前記掘進管先端部に設けられ、該掘進管先
端部の姿勢に対する重力加速度方向を検出する重力加速
度方向検出器と、この重力加速度方向検出器により検出
された重力加速度方向から前記掘進管先端部の傾斜角と
回転角とを求める傾斜角・回転角検出部と、前記重力加
速度方向検出器により検出された重力加速度方向と、地
磁気の各成分とから前記掘進管先端部の方位角を求める
方位角検出部と、前記人工磁界の各成分から前記掘進管
先端部の水平位置と深さとを求める水平位置・深さ計測
部とを具備してなることを特徴とする。(3) An apparatus for measuring the position and orientation of a tip of a digging tube according to the present invention includes: a coil; a power supply for supplying a current having a binary rectangular waveform of a high level and a low level having different supply times to the coil; A magnetic field detector provided at the tip of the excavation pipe and detecting each component of the magnetic field in three axial directions, and a constant corresponding to a high level supply time from each component of the magnetic field measured by the magnetic field detector. A magnetic field intensity detecting unit for obtaining each component of the first magnetic field for maintaining the level of the first magnetic field and each component of the second magnetic field for maintaining a constant level corresponding to the low level current supply time; From the components of the magnetic field strength of each component of the artificial magnetic field formed by supplying a current to the coil, and an artificial magnetic field and geomagnetism calculation unit that obtains each component of the geomagnetism, provided at the tip of the excavation pipe, To the attitude of the tip of the excavation pipe A gravitational acceleration direction detector that detects a gravitational acceleration direction, and an inclination / rotation angle detection unit that obtains an inclination angle and a rotation angle of the tip of the excavated pipe from the gravitational acceleration direction detected by the gravitational acceleration direction detector, The gravitational acceleration direction detected by the gravitational acceleration direction detector, an azimuth angle detection unit that determines the azimuth of the excavation tube tip from each component of geomagnetism, and the digging tube tip from each component of the artificial magnetic field A horizontal position / depth measuring unit for obtaining a horizontal position and a depth is provided.

【００１４】（４）本発明に係わる掘進管先端位置姿勢
計測方法は、コイルに対して、擬似ランダム信号の電流
を供給するステップと、前記擬似ランダム信号の電流が
前記コイルに供給された状態で、掘進管先端部における
磁界の３軸方向の各成分の時間変位を計測するステップ
と、計測された磁界の各成分と、前記擬似ランダム信号
と同一パターンの参照用擬似ランダム信号との相関演算
を行って、磁界の各成分を演算する人工磁界強度検出部
と、前記掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向を
計測するステップと、前記掘進管先端部の姿勢に対する
重力加速度方向から前記掘進管先端部の傾斜角と回転角
とを求めるステップと、前記各軸方向の人工磁界から前
記掘進管先端部の水平位置と深さとを求めるステップと
を含むことを特徴とする。(4) In the method for measuring the position and orientation of the tip of the excavation tube according to the present invention, a step of supplying a current of a pseudo-random signal to the coil, and a step of supplying the current of the pseudo-random signal to the coil. Measuring the time displacement of each component in the three-axis direction of the magnetic field at the tip of the excavation pipe, and calculating the correlation between each component of the measured magnetic field and the reference pseudo random signal having the same pattern as the pseudo random signal. Performing an artificial magnetic field strength detection unit for calculating each component of the magnetic field, measuring the direction of gravitational acceleration with respect to the attitude of the excavation tube tip, and calculating the gravitational acceleration direction with respect to the orientation of the excavation tube tip. Determining a tilt angle and a rotation angle of the portion, and determining a horizontal position and a depth of the tip of the excavation tube from the artificial magnetic field in each of the axial directions. To.

【００１５】（５）本発明に係わる掘進管先端位置姿勢
計測装置は、コイルと、擬似ランダム信号波形の信号を
発振する擬似ランダム信号発生器と、この擬似ランダム
信号発振器から発振された擬似ランダム信号を増幅し
て、前記コイルに擬似ランダム信号波形の電流を供給す
る電源と、前記掘進管の先端に設けられ、磁界の３軸方
向の各成分をそれぞれ検出する磁界検出器と、この磁界
検出器により計測された磁界の各成分と、前記擬似ラン
ダム信号波形と同様な参照信号との相関演算を行い、人
工磁界の各成分を演算する人工磁界強度検出部と、前記
掘進管先端部に設けられ、該掘進管先端部の姿勢に対す
る重力加速度方向を検出する重力加速度方向検出器と、
この重力加速度方向検出器により検出された重力加速度
方向から前記掘進管先端部の傾斜角と回転角とを求める
傾斜角・回転角検出部と、前記人工磁界の各成分から前
記掘進管先端部の水平位置と深さとを求める水平位置・
深さ計測部とを具備してなることを特徴とする。(5) An apparatus for measuring the position and orientation of a tip of a drilling tube according to the present invention includes a coil, a pseudo-random signal generator for oscillating a signal having a pseudo-random signal waveform, and a pseudo-random signal oscillated from the pseudo-random signal oscillator. A power supply for amplifying the current and supplying a current of a pseudo-random signal waveform to the coil; a magnetic field detector provided at the tip of the excavation pipe to detect each component of a magnetic field in three axial directions; An artificial magnetic field strength detection unit that performs a correlation operation between each component of the magnetic field measured by the above and a reference signal similar to the pseudo random signal waveform to calculate each component of the artificial magnetic field, and is provided at the tip of the drilling tube. A gravitational acceleration direction detector for detecting a gravitational acceleration direction with respect to the posture of the excavation tube tip,
An inclination angle / rotation angle detection unit for obtaining an inclination angle and a rotation angle of the tip of the excavation pipe from the direction of gravity acceleration detected by the gravity acceleration direction detector, and a detection of the tip of the excavation pipe from each component of the artificial magnetic field. Horizontal position to find horizontal position and depth
A depth measuring unit.

【００１６】［作用］本発明は、上記構成によって以下
の作用・効果を有する。[Operation] The present invention has the following operation and effects by the above configuration.

【００１７】本発明によれば、中心線が掘進管の推進計
画線に離れた位置に電流路を敷設すると共に、電流路に
対して交流波形の電流を供給することによって、地磁気
の乱れが大きくても、検出された磁界の交流成分（人工
磁場）を利用して掘進管の先端部の水平位置、深さ、傾
斜角、回転角、及び方位角を精度よく図ることができ
る。According to the present invention, the current path is laid at a position where the center line is separated from the propulsion planning line of the excavation pipe, and the current having the AC waveform is supplied to the current path. However, the horizontal position, the depth, the inclination angle, the rotation angle, and the azimuth angle of the tip of the excavation tube can be accurately determined by utilizing the AC component (artificial magnetic field) of the detected magnetic field.

【００１８】また、中心線が掘進管の推進計画線に離れ
た位置に電流路を敷設すると共に、電流路に対して交流
波形の電流を供給することによって、地磁気が乱れてい
ない状態において、コイル電流のＯＮ／ＯＦＦ情報或い
はコイル電流の同期信号を演算器に入力する必要がな
く、コイル電流の電源から演算処理部までの配線が不要
となり、構成の簡易化を図ることができる。In addition, by laying a current path at a position where the center line is apart from the propulsion plan line of the excavation pipe, and supplying an AC waveform current to the current path, the coil can be operated in a state where geomagnetism is not disturbed. There is no need to input current ON / OFF information or a coil current synchronization signal to the arithmetic unit, and wiring from the coil current power supply to the arithmetic processing unit is not required, and the configuration can be simplified.

【００１９】本発明によれば、敷設されたコイルに対し
て、供給時間が異なるハイレベルとローレベルとの２値
の矩形波形の電流を供給して、計測された磁場に対して
ハイレベルに対応した磁場とローレベルに対応した磁場
との差をとることによって、電源の同期信号を用いるこ
となく、コイルによる磁界と地磁気とをそれぞれ求める
ことができるので装置構成を簡易化することができる。According to the present invention, a current having a binary rectangular waveform of a high level and a low level with different supply times is supplied to the laid coil, and the current is changed to a high level with respect to the measured magnetic field. By taking the difference between the corresponding magnetic field and the magnetic field corresponding to the low level, the magnetic field of the coil and the geomagnetism can be obtained without using the synchronization signal of the power supply, so that the device configuration can be simplified.

【００２０】その結果、工事現場において便利で使いや
すい簡単な装置構成で、掘進管の先端部の水平位置，深
さ，傾斜角，回転角及び方位角を精度良く検出すること
ができる。As a result, the horizontal position, the depth, the inclination angle, the rotation angle, and the azimuth angle of the tip of the excavation pipe can be accurately detected with a simple device configuration that is convenient and easy to use at the construction site.

【００２１】コイルに対して擬似ランダム信号の波形を
有する電流を供給することによって、磁気検出器に検出
された信号と、同様の参照用擬似ランダム信号との相関
演算を行うことによって、人工磁界のみを算出すること
ができる。また、参照用擬似ランダム信号源として、擬
似ランダム信号発生器と同一パターンの波形を生成する
参照用擬似ランダム信号発生器を用いることによって、
電源に接続された擬似ランダム信号と人工磁界強度検出
部とを接続する必要が無く、配線作業が必要ない。ま
た、擬似ランダム信号発生器から無線機を介して前記ラ
ンダム信号を人工磁界強度検出部に伝送することによっ
て、配線作業が必要ない。By supplying a current having a waveform of a pseudo-random signal to the coil, a correlation operation between the signal detected by the magnetic detector and a similar pseudo-random signal for reference is performed, thereby obtaining only the artificial magnetic field. Can be calculated. Also, by using a reference pseudo-random signal generator that generates a waveform of the same pattern as the pseudo-random signal generator as the reference pseudo-random signal source,
There is no need to connect the pseudo-random signal connected to the power supply and the artificial magnetic field strength detection unit, and no wiring work is required. Further, by transmitting the random signal from the pseudo-random signal generator to the artificial magnetic field strength detection unit via the wireless device, wiring work is not required.

【００２２】[0022]

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を以下に図面
を参照して説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【００２３】［第１実施形態］図１は、本発明の一実施
形態に係わる掘進管先端位置姿勢計測装置の概略構成を
示す図である。本装置は、掘進計画線（Ｚ軸）に対して
垂直なＸＹ平面にける掘進管の位置の測定を行う。図１
に示すように、掘進管１１０の先端部に、３軸磁界検出
器１１１及び３軸重力方向検出器１１２が設置されてい
る。３軸磁界検出器１１１は、掘進方向（Ｚ’軸）及び
掘進方向に垂直な平面における水平方向（Ｙ’軸）及び
鉛直方向（Ｘ’軸）の３軸方向の磁界強度（Ｈx'，
Ｈy'，Ｈz'）を検出する。３軸磁界検出器１１１はフラ
ックスゲート型のセンサで、直流磁界と交流磁界の両者
を一つのセンサで検出することができる。また、３軸重
力方向検出器１１２は、掘進方向（Ｚ’軸）及び掘進方
向に垂直な平面における水平方向（Ｙ’軸）及び鉛直方
向（Ｘ’軸）の３軸方向の重力加速度の大きさ（ｇx'，
ｇy'，ｇz'）を検出し、掘進管先端部の姿勢に対する重
力加速度を計測する。３軸重力方向検出器１１２として
は、サーボ方式の加速度センサが使用されている。[First Embodiment] FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an apparatus for measuring the position and orientation of a tip of a digging tube according to an embodiment of the present invention. This apparatus measures the position of the excavation pipe on the XY plane perpendicular to the excavation planning line (Z axis). Figure 1
As shown in the figure, a three-axis magnetic field detector 111 and a three-axis gravity direction detector 112 are provided at the tip of the excavation tube 110. The three-axis magnetic field detector 111 detects the magnetic field strengths (H x ′ , H x ′ ) in the horizontal direction (Y ′ axis) and the vertical direction (X ′ axis) in a plane perpendicular to the digging direction (Z ′ axis) and the digging direction.
H y ′ , H z ′ ) are detected. The three-axis magnetic field detector 111 is a flux gate type sensor, and can detect both a DC magnetic field and an AC magnetic field with one sensor. In addition, the three-axis gravity direction detector 112 detects the magnitude of the gravitational acceleration in the three-axis direction in the horizontal direction (Y ′ axis) and the vertical direction (X ′ axis) on a plane perpendicular to the excavation direction (Z ′ axis) and the excavation direction. (G x ' ,
g y ′ , g z ′ ) are detected, and the gravitational acceleration with respect to the posture of the tip of the excavation pipe is measured. As the three-axis gravity direction detector 112, a servo type acceleration sensor is used.

【００２４】地表に電源１２１と、この電源１２１に接
続された電流路１２２とからなる人工磁界発生器１２０
が設置されている。電流路１２２は、一辺が掘進計画線
１１３と重なるように敷設され、その中心線１２３が掘
進管１１０の掘進計画線１１３に対して離されている。
電源１２１は、幅２ｍ，長さ９０ｍの電流路１２２に対
して電流１００Ａ，１０Ｈｚの矩形波を供給する。An artificial magnetic field generator 120 comprising a power source 121 on the ground and a current path 122 connected to the power source 121
Is installed. The current path 122 is laid so that one side thereof overlaps the excavation planning line 113, and its center line 123 is separated from the excavation planning line 113 of the excavation tube 110.
The power supply 121 supplies a rectangular wave having a current of 100 A and 10 Hz to a current path 122 having a width of 2 m and a length of 90 m.

【００２５】３軸磁界検出器１１１からの磁界信号（Ｈ
x'，Ｈy'，Ｈz'）Ｓ１０２が、検出された磁界から交流
成分と直流成分とを分離する直流・交流分離器１３２に
入力されている。３軸重力方向検出器１１２からの重力
方向信号Ｓ１０２が、傾斜角・回転角検出部１３１に入
力されている。The magnetic field signal (H
x ' , Hy' , Hz ' ) S102 is input to a DC / AC separator 132 that separates an AC component and a DC component from the detected magnetic field. A gravitational direction signal S102 from the triaxial gravitational direction detector 112 is input to the tilt angle / rotation angle detection unit 131.

【００２６】直流・交流分離器１３２で分離された一方
の成分である方位角検出用信号Ｓ１０３、及び電源１２
１から電流路に供給する交流波形の位相が０゜，１８０
゜の時に発せられる同期信号Ｓ１０５が、方位角検出部
１３３に入力されている。傾斜角・回転角検出部１３１
で検出された傾斜角・回転角信号Ｓ１０６、方位角検出
部１３３で検出された方位角信号Ｓ１０７、直流・交流
分離器１３２で分離された交流成分である人工磁界信号
（Ｈax'，Ｈay'，Ｈaz'）Ｓ１０８、が、人工磁界変換
部１３４に入力されている。人工磁界変換部１３４から
人工磁界信号Ｓ１０９が、水平位置・深さ計測部１３５
に入力されている。水平位置・深さ計測部１３５から水
平位置・深さ信号Ｓ１１０、傾斜角・回転角信号Ｓ１０
６，及び方位角信号Ｓ１０７が、出力部１３６に入力さ
れている。The azimuth angle detection signal S 103, which is one of the components separated by the DC / AC separator 132, and the power supply 12
The phase of the AC waveform supplied from 1 to the current path is 0 °, 180
The synchronization signal S105 issued at the time of ゜ is input to the azimuth angle detection unit 133. Tilt / rotation angle detector 131
, The azimuth angle signal S107 detected by the azimuth angle detection unit 133, and the artificial magnetic field signals ( Hax ' , Hay) which are the AC components separated by the DC / AC separator 132. ' , Haz' ) S108 is input to the artificial magnetic field conversion unit 134. The artificial magnetic field signal S109 is output from the artificial magnetic field conversion unit 134 to the horizontal position / depth measurement unit 135.
Has been entered. Horizontal position / depth signal S110, tilt angle / rotation angle signal S10 from horizontal position / depth measuring section 135
6, and the azimuth signal S107 are input to the output unit 136.

【００２７】傾斜角・回転角検出部１３１，直流・交流
分離器１３２，方位角検出部１３３，人工磁界変換部１
３４，及び水平位置・深さ計測部１３５の機能は、いわ
ゆるマイコンである演算処理部１３０で処理される。The tilt / rotation angle detector 131, the DC / AC separator 132, the azimuth detector 133, the artificial magnetic field converter 1
34 and the functions of the horizontal position / depth measuring unit 135 are processed by an arithmetic processing unit 130 which is a so-called microcomputer.

【００２８】次に、本装置の動作について説明する。３
軸重力方向検出器１１２は、掘進方向成分ｇz'，掘進方
向に対して垂直な平面における水平方向成分ｇy'，垂直
方向成分ｇx'を検出し、重力方向信号Ｓ１０２として演
算処理部１３０の傾斜角・回転角検出部１３１に出力す
る。傾斜角・回転角検出部１３１は、重力加速度の掘進
方向成分ｇZ'と垂直方向成分ｇx'とから、掘進計画線に
対して直行する平面において、掘進計画線対する傾斜角
を計測すると共に、垂直方向成分ｇx'と水平方向成分ｇ
y'とから掘進計画方向を軸とする回転角を計測する。Next, the operation of the present apparatus will be described. 3
The axial gravitational direction detector 112 detects a digging direction component g z ′ , a horizontal direction component g y ′ and a vertical direction component g x ′ on a plane perpendicular to the digging direction, and obtains an arithmetic processing unit 130 as a gravitational direction signal S 102. Is output to the inclination / rotation angle detection unit 131. The inclination angle / rotation angle detection unit 131 measures the inclination angle with respect to the excavation planning line in a plane orthogonal to the excavation planning line, based on the excavation direction component g Z ′ and the vertical direction component g x ′ of the gravitational acceleration. , The vertical component g x ′ and the horizontal component g
The rotation angle about the excavation planning direction is measured from y ′ .

【００２９】次いで、３軸磁界検出器１１１は、磁界の
掘進方向成分Ｈx'，掘進方向に対して垂直な平面におけ
る水平方向成分Ｈ'y，垂直方向成分Ｈz'を検出し、磁界
信号（Ｈx'，Ｈy'，Ｈz'）Ｓ１０１として直流・交流分
離器１３２に出力する。人工磁界発生器１２０が発生す
る人工磁界は交流磁界なので、３軸磁界検出器１１１が
検出する磁界は、地磁気に人工磁界が重畳された磁界と
なる。[0029] Then, three-axis magnetic field detector 111, the magnetic field in the excavation direction component H x detects y, the vertical component H z '', the horizontal component H in a plane perpendicular to the excavation direction ', the magnetic field signal (H x ′ , H y ′ , H z ′ ) Output to the DC / AC separator 132 as S101. Since the artificial magnetic field generated by the artificial magnetic field generator 120 is an AC magnetic field, the magnetic field detected by the three-axis magnetic field detector 111 is a magnetic field in which the artificial magnetic field is superimposed on the terrestrial magnetism.

【００３０】なお、人工磁界を検出する際、地磁気の時
間的変動成分はノイズすなわち誤差要因となる。調査に
より、日本の市街地における地磁気の変動成分は実測し
て、約０．１μＴ程度であることが分かった。掘進管先
端部の位置検出精度を、実用上深さに対して５％以下と
すると、人工磁界成分の強度は、上記地磁気の時間変動
成分の２０倍必要となる。従って、磁界検出器１１１近
傍において、人工磁界の強度が２μＴ以上得られるよう
な電流を電流路に供給する必要がある。When detecting the artificial magnetic field, the temporal variation component of the geomagnetism is a noise, that is, an error factor. According to the survey, the fluctuation component of the geomagnetism in the urban area of Japan was measured and found to be about 0.1 μT. Assuming that the position detection accuracy of the excavation tube tip is practically 5% or less of the depth, the intensity of the artificial magnetic field component is required to be 20 times the time-varying component of the geomagnetism. Therefore, it is necessary to supply a current near the magnetic field detector 111 to the current path so that the intensity of the artificial magnetic field can be obtained at 2 μT or more.

【００３１】直流・交流分離器１３２は、磁界信号（Ｈ
x'，Ｈy'，Ｈz'）Ｓ１０１を直流成分と交流成分とに分
離する。直流・交流分離器１３２で分離された磁界信号
Ｓ１０１の直流成分は地磁気（Ｈgx'，Ｈgy'，Ｈgz'）
であり、交流成分は人工磁界（Ｈax'，Ｈay'，Ｈaz'）
である。The DC / AC separator 132 outputs a magnetic field signal (H
x ' , Hy' , Hz ' ) S101 is separated into a DC component and an AC component. DC component of the magnetic field signal S101 which is separated by the DC-AC separator 132 geomagnetism (H gx ', H gy' , H gz ')
And the AC component is an artificial magnetic field (H ax ' , H ay' , H az ' )
It is.

【００３２】地磁気の乱れが少ない場合、地磁気（Ｈ
gx'，Ｈgy'，Ｈgz'）を方位角検出用信号Ｓ１０３とし
て方位角検出部１３３に出力する。方位角検出部１３３
は、入力された地磁気（Ｈgx'，Ｈgy'，Ｈgz'）から、
地磁気に対する掘進管の方位角を求める。そして、予め
求められている掘進計画線に対する地磁気の方位角か
ら、掘進計画線に対する掘進管の方位角を求める。When the disturbance of the geomagnetism is small, the geomagnetism (H
gx ', H gy', outputs H gz ') in the azimuth angle detection section 133 as the azimuth angle detection signal S103. Azimuth angle detection unit 133
From the input geomagnetism (H gx ′ , H gy ′ , H gz ′ )
Find the azimuth of the tunnel with respect to geomagnetism. Then, the azimuth of the excavation pipe with respect to the excavation planning line is obtained from the azimuth of the geomagnetism with respect to the excavation planning line obtained in advance.

【００３３】地磁気が近傍の磁性体構造物により乱れが
大きい場合、人工磁界（Ｈax'，Ｈa y'，Ｈaz'）を方位
角検出用信号Ｓ１０３として方位角検出部１３３に出力
する。電流路１２２の中心線１２３が掘進管１１０の掘
進計画線１１３から離れた位置に電流路１２２が敷設さ
れているので、図２に示すように、人工磁界に水平成分
が生じている。従って、人工磁界の水平方向成分が掘進
管先端部の掘進方向に持つ成分を検出することで掘進管
先端部の方位角を求めることができる。[0033] If the geomagnetic is large disturbance by magnetic structure in the vicinity of the artificial magnetic field (H ax ', H a y ', H az ') outputs the azimuth detecting unit 133 as the azimuth angle detection signal S103. Since the current path 122 is laid at a position where the center line 123 of the current path 122 is apart from the excavation planning line 113 of the excavation pipe 110, a horizontal component is generated in the artificial magnetic field as shown in FIG. Therefore, the azimuth of the excavation tube tip can be determined by detecting the component of the artificial magnetic field in the horizontal direction at the excavation direction of the excavation tube tip.

【００３４】従来、図２に示すように、掘進管先端位置
が電流路中心線１２３の直下近傍の位置１１０ｂにある
と、この近傍の磁界の方向は主に鉛直方向成分を向いて
いるので、この磁界方向に垂直面内の角度を磁界の計測
から求めることができない。Conventionally, as shown in FIG. 2, when the tip of the excavation pipe is located at a position 110b immediately below the current path center line 123, the direction of the magnetic field in this vicinity is mainly a vertical component. The angle in the plane perpendicular to the direction of the magnetic field cannot be determined from the measurement of the magnetic field.

【００３５】すなわち、掘進管先端部の方向が電流路と
平行であれば、人工磁界の掘進方向（Ｚ’）成分は現れ
ない。掘進管先端部の方向が電流路の方向に対して角度
を有する場合には、その角度に応じて人工磁界の掘進方
向（Ｚ’）成分が現れる。このときには、その方位角が
左右に振れると、人工磁界の掘進方向成分はその磁界強
度も変化するが符号も変化する。That is, if the direction of the excavation tube tip is parallel to the current path, the excavation direction (Z ') component of the artificial magnetic field does not appear. When the direction of the excavation tube tip has an angle with respect to the direction of the current path, the excavation direction (Z ') component of the artificial magnetic field appears according to the angle. At this time, when the azimuth angle swings right and left, the component of the artificial magnetic field in the direction of excavation changes its magnetic field intensity but also its sign.

【００３６】従って、電流路１２２の交流電流に対して
検出される交流の人工磁界の位相変化を検出するため、
電流路の交流波形の同期信号が演算処理部に入力されて
いる。このとき正確な位相情報を入力する必要はなく、
電流路に供給される電流の位相が０゜と１８０゜のとこ
ろで、信号を送ればよい。Therefore, in order to detect the phase change of the AC artificial magnetic field detected with respect to the AC current in the current path 122,
The synchronization signal of the alternating current waveform of the current path is input to the arithmetic processing unit. There is no need to input accurate phase information at this time,
A signal may be sent where the phase of the current supplied to the current path is between 0 ° and 180 °.

【００３７】直流・交流分離器１３２で分離された人工
磁界信号（Ｈax'，Ｈay'，Ｈaz'）Ｓ１０４、傾斜角・
回転角信号Ｓ１０６、及び方位角信号Ｓ１０７が、人工
磁界変換部１３４に出力される。人工磁界信号
（Ｈax'，Ｈay'，Ｈaz'）はＸＹ平面に対して傾き、掘
進線に対して垂直な平面における磁場成分である。従っ
て、人工磁界変換部は、Ｘ’Ｙ’平面における人工磁界
（Ｈax'，Ｈay'，Ｈaz'）を、求められた傾斜角，回転
角，及び方位角を用いて、ＸＹ平面における人工磁場
（Ｈax，Ｈay）に変換する。なお、掘進方向の電流路１
２２の長さを長くとっているので、掘進方向に対して直
交する電流路１２２により生成される磁界を無視するこ
とができるので、人工磁界Ｈazは０とすることができ
る。The artificial magnetic field signals ( Hax ' , Hay' , Haz ' ) S104 separated by the DC / AC separator 132,
The rotation angle signal S106 and the azimuth signal S107 are output to the artificial magnetic field conversion unit 134. The artificial magnetic field signals ( Hax ' , Hay' , Haz ' ) are magnetic field components in a plane inclined with respect to the XY plane and perpendicular to the digging line. Thus, the artificial magnetic field conversion unit, X'Y 'artificial magnetic field in the plane (H ax', H ay ' , H az') of the inclination angle obtained by using the rotation angle, and azimuth, in the XY plane It is converted into an artificial magnetic field ( Hax , Hay ). The current path 1 in the direction of excavation
Since the length of the length 22 is long, the magnetic field generated by the current path 122 orthogonal to the excavation direction can be ignored, so that the artificial magnetic field Haz can be set to zero.

【００３８】人工磁界変換部１３４は、変換された人工
磁場信号（Ｈax，Ｈay）Ｓ１０９を水平位置・深さ計測
部１３５に対して出力する。本装置においては、図２に
示すように、電流路中心線１２３を掘進計画線１１３か
らずらした位置１１０ａで使用する。掘進管先端が左右
に振れた場合でも、水平方向の人工磁界成分は向きが変
化せず、強度が変化するだけであり、人工磁界信号とし
ては交流波形の振幅だけを計測すれば良く、装置構成が
簡単化する。人工磁界の鉛直方向（Ｘ）成分は、コイル
内であれば常に場所によらず一定方向であるから、同様
に磁界信号としては交流成分の振幅だけを計測すればよ
い。The artificial magnetic field conversion section 134 outputs the converted artificial magnetic field signal ( Hax , Hay ) S109 to the horizontal position / depth measurement section 135. In the present apparatus, as shown in FIG. 2, the current path center line 123 is used at a position 110a shifted from the excavation planning line 113. Even if the tip of the excavation tube swings to the left and right, the direction of the artificial magnetic field component in the horizontal direction does not change, only the intensity changes, and only the amplitude of the AC waveform needs to be measured as the artificial magnetic field signal. Is simplified. Since the vertical (X) component of the artificial magnetic field is always in a constant direction regardless of the location within the coil, only the amplitude of the AC component needs to be measured as the magnetic field signal.

【００３９】水平位置・深さ計測部１３５は、人工磁界
（Ｈax，Ｈay）の振幅の計測値と、電流路の形状及び電
流値から、例えば電流路からの発生磁界を表現するビオ
サバールの式に基づいた繰り返し計算により、掘進管先
端部の水平位置と、深さを算出する。The horizontal position / depth measuring unit 135 calculates, for example, the biosavart of the magnetic field generated from the current path from the measured value of the amplitude of the artificial magnetic field (H ax , H ay ) and the shape and current value of the current path. The horizontal position and the depth of the tip of the excavation pipe are calculated by repeated calculation based on the formula.

【００４０】以下に、繰り返し計算について説明する。
初期値として、適当な位置Ｑ1（Ｘ1，Ｙ1）を設定し
て、深さＸ1を少しずつ変化させながら、ビオサバール
の式にしたがって点Ｑ1の磁界（Ｈax1，Ｈay1）を計算
で求め、Ｈax1が磁界検出器により測定されたＨaxに近
くなるようなＸ1をＸ2とし、位置Ｑ11（Ｘ2，Ｙ1）を決
める。The repetitive calculation will be described below.
An appropriate position Q 1 (X 1 , Y 1 ) is set as an initial value, and the magnetic field (H ax1 , H ay1 ) at the point Q 1 is changed according to the Biot-Savart equation while gradually changing the depth X 1. calculated by seeking, the X 1 as H ax1 is close to H ax measured by magnetic field detector and X 2, positioning Q 11 (X 2, Y 1 ).

【００４１】次に、水平位置Ｙ1をすこしずつ変化させ
ながらビオサバールの式にしたがって点Ｑ11の磁界（Ｈ
ax2，Ｈay1）を計算で求め、Ｈay1が磁界検出器により
測定されたＨayに近くなるような水平位置Ｙ1をＹ2と
し、位置Ｑ2（Ｘ2，Ｙ2）を決める。Next, the magnetic field of the point Q 11 according to the equation Biot-Savart while changing the horizontal position Y 1 little by little (H
ax2, H ay1) determined by the calculation, the horizontal position Y 1 as H ay1 is close to H ay measured by magnetic field detector and Y 2, positioning Q 2 (X 2, Y 2 ).

【００４２】次いで、位置Ｑ1（Ｘ1，Ｙ1）とＱ
2（Ｘ2，Ｙ2）との距離を算出する。算出された距離が
所定値以下で無ければ、位置Ｑ2（Ｘ2，Ｙ2）を新たな
初期値として、上述した計算を順次行い、点Ｑi（ｉ＝
１，２，３．…）を求め、それらの点が収束する点を磁
界検出器の位置Ｐとする。Next, positions Q 1 (X 1 , Y 1 ) and Q
Calculate the distance to 2 (X 2 , Y 2 ). If the calculated distance is not less than the predetermined value, the above-described calculation is sequentially performed using the position Q 2 (X 2 , Y 2 ) as a new initial value, and the point Q i (i =
1,2,3. ..) Are obtained, and the point at which these points converge is defined as the position P of the magnetic field detector.

【００４３】そして、求められた掘進管の先端部の位
置、傾斜角、回転角及び方位角が出力部１３６に入力さ
れ、ＣＲＴ等に表示される。Then, the obtained position, inclination angle, rotation angle and azimuth of the tip of the excavation pipe are input to the output unit 136 and displayed on a CRT or the like.

【００４４】なお、本装置では、３軸磁界検出器１１１
近傍では、約５０×１０-7Ｔ（５０ｍＧ）の人工磁場が
発生し、検出位置精度は２〜３％程度となり実用上十分
な精度が得られた。In this apparatus, the three-axis magnetic field detector 111
In the vicinity, an artificial magnetic field of about 50 × 10 −7 T (50 mG) was generated, and the detection position accuracy was about 2 to 3%, which was sufficient for practical use.

【００４５】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではない。例えば、磁場変動が小さい場合でも、
磁場変動が大きい場合の検出方法用いることができる。The present invention is not limited to the above embodiment. For example, even when the magnetic field fluctuation is small,
A detection method when the magnetic field fluctuation is large can be used.

【００４６】その他、本発明は、その要旨を逸脱しない
範囲で、種々変形して実施することが可能である。In addition, the present invention can be variously modified and implemented without departing from the gist thereof.

【００４７】［第２の実施形態］図３は、本発明の一実
施形態に係わる掘進管先端位置姿勢計測装置の概略構成
を示す図である。本装置は、掘進計画線（Ｚ軸）に対し
て垂直なＸＹ平面にける掘進管の位置の測定を行う。図
３に示すように、掘進管２１０の先端部に、３軸磁界検
出器２１１及び３軸重力加速度検出器２１２が設置され
ている。掘進管２１０の深さは２ｍ、推進距離は７０ｍ
である。３軸磁界検出器２１１は、掘進方向（Ｚ’軸）
及び掘進方向に垂直な平面における水平方向（Ｙ’軸）
及び鉛直方向（Ｘ’軸）の３軸方向の磁界強度（Ｈx'，
Ｈy'，Ｈz'）を検出する。３軸磁界検出器２１１はフラ
ックスゲート型のセンサで、直流磁界と交流磁界の両者
を一つのセンサで検出することができる。また、３軸加
速度方向検出器２１２は、掘進方向（Ｚ’軸）及び掘進
方向に垂直な平面における水平方向（Ｙ’軸）及び鉛直
方向（Ｘ’軸）の３軸方向の重力加速度の大きさ（ｇ
x'，ｇy'，ｇz'）を検出し、掘進管先端部の姿勢に対す
る重力加速度を計測する。３軸重力方向検出器２１２と
しては、サーボ方式の加速度センサが使用されている。[Second Embodiment] FIG. 3 is a view showing a schematic configuration of an apparatus for measuring the position and orientation of a tip of a digging tube according to an embodiment of the present invention. This apparatus measures the position of the excavation pipe on the XY plane perpendicular to the excavation planning line (Z axis). As shown in FIG. 3, a three-axis magnetic field detector 211 and a three-axis gravitational acceleration detector 212 are installed at the tip of the excavation pipe 210. The depth of the excavation pipe 210 is 2 m and the propulsion distance is 70 m
It is. The three-axis magnetic field detector 211 moves in the excavation direction (Z ′ axis).
And horizontal direction on a plane perpendicular to the excavation direction (Y 'axis)
And the magnetic field strength (Hx ',
Hy ′, Hz ′) are detected. The triaxial magnetic field detector 211 is a fluxgate type sensor, and can detect both a DC magnetic field and an AC magnetic field with one sensor. In addition, the three-axis acceleration direction detector 212 detects the magnitude of the gravitational acceleration in the three-axis direction in the horizontal direction (Y ′ axis) and the vertical direction (X ′ axis) in a plane perpendicular to the excavation direction (Z ′ axis) and the excavation direction. Sa (g
x ', gy', gz ') are detected, and the gravitational acceleration with respect to the attitude of the tip of the excavation pipe is measured. As the three-axis gravity direction detector 212, a servo type acceleration sensor is used.

【００４８】地表に電源２２１と、この電源２２１に接
続されたコイル２２２とからなる人工磁界発生器２２０
が設置されている。コイル２２２は、一辺が掘進計画線
２１３と重なるように敷設され、その中心線２２３が掘
進管２１０の掘進計画線２１３に対して離されている。
電源２２２は、１辺１．５ｍの方形型コイルである。電
源２２１はコイル２２２に対して、電流５０Ａ、１Ｈｚ
の矩形波形の電流を供給する。コイル２２２に供給され
る矩形波形は、図４に示すように、正方向電流（ハイレ
ベル）時間と負方向（ローレベル）電流時間の割合は３
０％と７０％である。An artificial magnetic field generator 220 comprising a power source 221 and a coil 222 connected to the power source 221 on the ground surface
Is installed. The coil 222 is laid so that one side thereof overlaps the excavation planning line 213, and its center line 223 is separated from the excavation planning line 213 of the excavation pipe 210.
The power supply 222 is a rectangular coil having a side of 1.5 m. The power supply 221 supplies a current of 50 A and 1 Hz to the coil 222.
Is supplied. As shown in FIG. 4, the rectangular waveform supplied to the coil 222 has a positive current (high level) time and a negative current (low level) current ratio of 3 times.
0% and 70%.

【００４９】３軸重力方向検出器２１２からの重力方向
信号Ｓ２０２が、傾斜角・回転角検出部２３１に入力さ
れている。３軸磁界検出器２１１からの磁界信号（Ｈ
x'，Ｈy'，Ｈz'）Ｓ２０１が、所定のルールに従って各
軸方向の磁界強度を検出する磁界強度検出部２３２に入
力されている。磁界強度検出部２３２により検出された
磁界信号Ｓ２０３が人工磁界・地磁気算出部２３３に入
力されている。人工磁界・地磁気算出部２３３で算出さ
れた地磁気信号Ｓ２０４が方位角検出部２３４に入力さ
れている。人工磁界・地磁気算出部２３３で算出された
人工磁界信号Ｓ２０５が人工磁界変換部２３５に入力さ
れている。A gravitational direction signal S 202 from the three-axis gravitational direction detector 212 is input to the tilt angle / rotation angle detecting section 231. The magnetic field signal (H
x ′, Hy ′, Hz ′) S201 is input to the magnetic field strength detection unit 232 that detects the magnetic field strength in each axial direction according to a predetermined rule. The magnetic field signal S203 detected by the magnetic field strength detection unit 232 is input to the artificial magnetic field / earth magnetism calculation unit 233. The geomagnetic signal S204 calculated by the artificial magnetic field / geographic magnetism calculation unit 233 is input to the azimuth angle detection unit 234. The artificial magnetic field signal S205 calculated by the artificial magnetic field and geomagnetism calculation unit 233 is input to the artificial magnetic field conversion unit 235.

【００５０】傾斜角・回転角検出部２３１で検出された
傾斜角・回転角信号Ｓ２０６、方位角検出部２３４で検
出された方位角信号Ｓ２０７、人工磁界・地磁気算出部
で算出された人工磁界信号（Ｈcoilx'，Ｈcoily'，Ｈco
ilz'）Ｓ２０８、が、人工磁界変換部２３５に入力され
ている。人工磁界変換部２３５から人工磁界信号Ｓ２０
８が、水平位置・深さ計測部２３６に入力されている。
水平位置・深さ計測部２３６から水平位置・深さ信号Ｓ
２０９、傾斜角・回転角信号Ｓ２０６，及び方位角信号
Ｓ２０７が、出力部２３７に入力されている。The tilt / rotation angle signal S206 detected by the tilt / rotation angle detection unit 231, the azimuth signal S207 detected by the azimuth detection unit 234, the artificial magnetic field signal calculated by the artificial magnetic field / geomagnetism calculation unit (Hcoilx ', Hcoily', Hco
ilz ′) S208 is input to the artificial magnetic field conversion unit 235. The artificial magnetic field signal S20 is output from the artificial magnetic field conversion unit 235.
8 is input to the horizontal position / depth measuring unit 236.
Horizontal position / depth signal S from horizontal position / depth measuring section 236
209, the tilt angle / rotation angle signal S 206, and the azimuth angle signal S 207 are input to the output unit 237.

【００５１】傾斜角・回転角検出部２３１，磁界強度検
出部２３２，人工磁界・地磁気算出部２３３，方位角検
出部２３４，人工磁界変換部２３５，及び水平位置・深
さ計測部２３６の機能は、いわゆるマイコンである演算
処理部２３０で処理される。The functions of the tilt angle / rotation angle detection section 231, the magnetic field strength detection section 232, the artificial magnetic field / geomagnetism calculation section 233, the azimuth angle detection section 234, the artificial magnetic field conversion section 235, and the horizontal position / depth measurement section 236 are as follows. The processing is performed by an arithmetic processing unit 230 which is a so-called microcomputer.

【００５２】本装置においては、コイル２２２により発
生される人工磁界Ｈcoil（Ｈcoilx'，Ｈcoily'，Ｈcoil
z'）を検出して、掘進管先端位置を求めるものである。
しかし、検出される磁場は、人工磁場Ｈcoil（Ｈcoil
x'，Ｈcoily'，Ｈcoilz'）に地磁気Ｈearth（Ｈearth
x'，Ｈearthy'，Ｈearthz'）が重畳されたものである。
従って、測定された磁場（Ｈx'，Ｈy'，Ｈz'）を人工磁
界Ｈcoil（Ｈcoilx'，Ｈcoily'，Ｈcoilz'）と地磁気Ｈ
earth（Ｈearthx'，Ｈearthy'，Ｈearthz'）とに分けな
ければならない。In this device, the artificial magnetic field Hcoil (Hcoilx ', Hcoily', Hcoil) generated by the coil 222 is used.
z ′) is detected to determine the position of the tip of the excavation pipe.
However, the detected magnetic field is an artificial magnetic field Hcoil (Hcoil).
x ', Hcoily', Hcoilz ')
x ', Hearty', Heartz ') are superimposed.
Therefore, the measured magnetic field (Hx ', Hy', Hz ') is converted into the artificial magnetic field Hcoil (Hcoilx', Hcoily ', Hcoilz') and the geomagnetic H
earth (Heartx ', Hearty', Heartz ').

【００５３】ところで、図５に示すように、掘進管先端
部が位置Ｐ1にある場合と位置Ｐ2とにある場合では、水
平方向の人工磁場の大きさは同じ場合でも向きが異なる
場合がある（磁界の符号が変化する）。このような状況
においては、電流波形に対する検出される磁界波形の位
相情報が必要となる。As shown in FIG. 5, the direction of the artificial magnetic field in the horizontal direction may be different between the case where the excavation tube tip is at the position P1 and the case where the excavation tube is at the position P2 even if the magnitude of the horizontal artificial magnetic field is the same. The sign of the magnetic field changes). In such a situation, phase information of the detected magnetic field waveform with respect to the current waveform is required.

【００５４】そこで、本発明においては、コイルに通電
する電流波形は、図４に示すように、矩形波であるが、
正方向の電流供給時間と負方向の電流供給時間を異なる
ようにしておく。Thus, in the present invention, the waveform of the current flowing through the coil is a rectangular wave as shown in FIG.
The current supply time in the positive direction is different from the current supply time in the negative direction.

【００５５】図６（ａ）は位置Ｐ1における磁場の磁界
変位を示す特性図、図６（ｂ）は位置Ｐ2における磁場
の時間変位を示す特性図である。この波形から、掘進管
２１０が位置Ｐ1にある場合、短時間継続している磁界
測定値Ｈ1から長時間継続している磁界測定値Ｈ2を差し
引くことで、人工磁場の寄与分をその絶対値と符号とし
て求めることが出来る。また、位置Ｐ2で検出される磁
界を考えると、短時間継続している磁界測定値Ｈ1から
長時間継続している磁界測定値Ｈ2を差し引くことで、
人工磁場の寄与分を求めることが出来る。FIG. 6A is a characteristic diagram showing the magnetic field displacement of the magnetic field at the position P1, and FIG. 6B is a characteristic diagram showing the time displacement of the magnetic field at the position P2. When the excavation tube 210 is located at the position P1, from this waveform, the contribution of the artificial magnetic field is calculated as the absolute value by subtracting the magnetic field measurement value H2 continuing for a long time from the magnetic field measurement value H1 continuing for a short time. It can be obtained as a sign. Further, considering the magnetic field detected at the position P2, by subtracting the magnetic field measurement value H2 continuing for a long time from the magnetic field measurement value H1 continuing for a short time,
The contribution of the artificial magnetic field can be obtained.

【００５６】これはちょうどコイル中心軸に対称な位置
Ｐ1と位置Ｐ2とにおける水平方向の磁場は、絶対値は同
じであるが符号が異なるので、位置Ｐ1と位置Ｐ2とは区
別することができる。This is because the horizontal magnetic field at the position P1 and the position P2 symmetrical with respect to the coil center axis have the same absolute value but different signs, so that the position P1 and the position P2 can be distinguished.

【００５７】すなわち、元のコイルの電流波形に対する
磁界検出波形の位相情報を波形自身から検出できるの
で、交流磁界を使用しているにも関わらず、検出側にコ
イル電流波形の位相情報を別の配線などで送ることな
く。磁界のベクトル方向が検出でき、検出される位置を
一意的に決定できるようになる。That is, since the phase information of the magnetic field detection waveform with respect to the current waveform of the original coil can be detected from the waveform itself, the phase information of the coil current waveform is transmitted to the detection side separately even though the AC magnetic field is used. Without sending by wiring etc. The vector direction of the magnetic field can be detected, and the detected position can be uniquely determined.

【００５８】次に、本装置の動作について説明する。３
軸重力加速度検出器２１２は、掘進方向成分ｇz'，掘進
方向に対して垂直な平面における水平方向成分ｇy'，垂
直方向成分ｇx'を検出し、重力方向信号Ｓ２０２として
演算処理部２３０の傾斜角・回転角検出部２３１に出力
する。傾斜角・回転角検出部２３１は、重力加速度の掘
進方向成分ｇz'と垂直方向成分ｇx'とから、掘進計画線
に対して直行する平面において、掘進計画線に対する傾
斜角を計測すると共に、垂直方向成分ｇx'と水平方向成
分ｇy'とから掘進計画方向を軸とする回転角を計測す
る。Next, the operation of the present apparatus will be described. 3
The axial gravitational acceleration detector 212 detects a digging direction component gz ', a horizontal component gy' and a vertical component gx 'on a plane perpendicular to the digging direction, and detects the inclination angle of the arithmetic processing unit 230 as a gravitational direction signal S202. • Output to the rotation angle detection unit 231. The inclination angle / rotation angle detection unit 231 measures the inclination angle with respect to the excavation plan line on a plane orthogonal to the excavation plan line from the excavation direction component gz ′ and the vertical direction component gx ′ of the gravitational acceleration. From the direction component gx 'and the horizontal direction component gy', a rotation angle about the excavation planning direction is measured.

【００５９】次いで、３軸磁界検出器２１１は、磁界の
掘進方向成分Ｈz'，掘進方向に対して垂直な平面におけ
る水平方向成分Ｈ'y，垂直方向成分Ｈx'を検出し、磁界
信号（Ｈx'，Ｈy'，Ｈz'）Ｓ２０１として磁界強度検出
部２３２に出力する。人工磁界発生器２２０が発生する
人工磁界は交流磁界なので、３軸磁界検出器２１１が検
出する磁界は、地磁気に人工磁界が重畳された磁界とな
る。Next, the triaxial magnetic field detector 211 detects a digging direction component Hz 'of the magnetic field, a horizontal direction component H'y on a plane perpendicular to the digging direction, and a vertical direction component Hx', and outputs a magnetic field signal (Hx ', Hy', Hz ') are output to the magnetic field intensity detection unit 232 as S201. Since the artificial magnetic field generated by the artificial magnetic field generator 220 is an AC magnetic field, the magnetic field detected by the triaxial magnetic field detector 211 is a magnetic field in which the artificial magnetic field is superimposed on the terrestrial magnetism.

【００６０】なお、人工磁界を検出する際、地磁気の時
間的変動成分はノイズすなわち誤差要因となる。調査に
より、日本の市街地における地磁気の変動成分は実測し
て、約０．１μＴ程度であることが分かった。掘進管先
端部の位置検出精度を、実用上深さに対して５％以下と
すると、人工磁界成分の強度は、上記地磁気の時間変動
成分の２０倍必要となる。従って、磁界検出器２１１近
傍において、人工磁界の強度が２μＴ以上得られるよう
な電流をコイルに供給する必要がある。When detecting the artificial magnetic field, the temporal fluctuation component of the geomagnetism becomes a noise, that is, an error factor. According to the survey, the fluctuation component of the geomagnetism in the urban area of Japan was measured and found to be about 0.1 μT. Assuming that the position detection accuracy of the excavation tube tip is practically 5% or less of the depth, the intensity of the artificial magnetic field component is required to be 20 times the time-varying component of the geomagnetism. Therefore, it is necessary to supply a current near the magnetic field detector 211 to the coil so that the intensity of the artificial magnetic field is 2 μT or more.

【００６１】次いで、磁界強度検出部２３２で、各軸方
向において、正方向の電流供給時間に対応する一定の強
度を維持する磁界（Ｈ1x'，Ｈ1y'，Ｈ1z'）を検出す
る。また、磁界強度検出部２３２で、負方向の電流供給
時間に対応する一定の強度を維持する磁界（Ｈ2x'，Ｈ2
y'，Ｈ2z'）を検出する。より具体的には、ある時間一
定のレベルを維持する磁界を調べ、維持時間が短い磁界
をＨ1（Ｈ1x'，Ｈ1y'，Ｈ1z'）とし、維持時間が長い磁
界を磁界Ｈ2（Ｈ2x'，Ｈ2y'，Ｈ2z'）としても良い。そ
して、磁界強度（Ｈ1x'，Ｈ1y'，Ｈ1z'）及び磁界（Ｈ2
x'，Ｈ2y'，Ｈ2z'）を磁界信号Ｓ２０３として、人工磁
界・地磁気算出部２３３に出力する。Next, the magnetic field strength detecting section 232 detects a magnetic field (H1x ', H1y', H1z ') which maintains a constant strength corresponding to the current supply time in the positive direction in each axial direction. Further, the magnetic field strength detecting section 232 maintains the magnetic fields (H2x ', H2) maintaining a constant strength corresponding to the current supply time in the negative direction.
y ', H2z'). More specifically, a magnetic field that maintains a constant level for a certain time is examined, a magnetic field having a short maintenance time is designated as H1 (H1x ', H1y', H1z '), and a magnetic field having a long maintenance time is designated as a magnetic field H2 (H2x', H2y). ', H2z'). Then, the magnetic field strength (H1x ', H1y', H1z ') and the magnetic field (H2
x ′, H2y ′, H2z ′) as the magnetic field signal S203 to the artificial magnetic field and geomagnetism calculation unit 233.

【００６２】人工磁界・地磁気算出部２３３は、各軸方
向においてＨ1α−Ｈ2α（αはx',y',z'のいずれか）を
計算して人工磁界Ｈcoil（Ｈcoilx'，Ｈcoily'，Ｈcoil
z'）を求める。また、各軸方向において、（Ｈ1α＋Ｈ2
α）／２（αはx',y',z'のいずれか）を計算して、地磁
気Ｈearth（Ｈearthx'，Ｈearthy'，Ｈearthz'）を求め
る。The artificial magnetic field / geomagnetic calculation unit 233 calculates H1α-H2α (α is any of x ′, y ′, z ′) in each axial direction, and calculates the artificial magnetic field Hcoil (Hcoilx ′, Hcoily ′, Hcoil).
z '). In each axial direction, (H1α + H2
α) / 2 (α is any of x ′, y ′, z ′) is calculated to obtain the earth magnetism Hearth (Heartx ′, Hearthy ′, Hearthz ′).

【００６３】地磁気の乱れが少ない場合、地磁気信号
（Ｈearthx'，Ｈearthy'，Ｈearthz'）Ｓ２０４として
方位角検出部２３４に出力する。方位角検出部２３４
は、入力された地磁気（Ｈearthx'，Ｈearthy'，Ｈeart
hz'）から、地磁気に対する掘進管の方位角を求める。
そして、予め求められている掘進計画線に対する地磁気
の方位角から、掘進計画線に対する掘進管の方位角を求
める。When the disturbance of the geomagnetism is small, it is output to the azimuth detection unit 234 as a geomagnetic signal (Heartx ', Hearthy', Hearthz ') S204. Azimuth angle detector 234
Is the input geomagnetism (Heartx ', Hearty', Heartt)
hz '), the azimuth angle of the tunnel tube with respect to the geomagnetism is obtained.
Then, the azimuth of the excavation pipe with respect to the excavation planning line is obtained from the azimuth of the geomagnetism with respect to the excavation planning line obtained in advance.

【００６４】しかし、地磁気が近傍の磁性体構造物によ
り乱れが大きい場合には、上記にように地磁気を利用す
ることはできない。この場合には、方位角はほぼ計画線
方向と仮定する。However, when the geomagnetism is largely disturbed by the nearby magnetic structure, the geomagnetism cannot be used as described above. In this case, it is assumed that the azimuth is approximately in the direction of the planning line.

【００６５】人工磁界・地磁気算出部２３３で算出され
た人工磁界信号（Ｈcoilx'，Ｈcoily'，Ｈcoilz'）Ｓ２
０５、傾斜角・回転角信号Ｓ２０６、及び方位角信号Ｓ
２０７が、人工磁界変換部２３５に出力される。人工磁
界信号（Ｈcoilx'，Ｈcoily'，Ｈcoilz'）はＸＹ平面に
対して傾き、掘進線に対して垂直な平面における磁場成
分である。従って、人工磁界変換部は、Ｘ’Ｙ’平面に
おける人工磁界（Ｈcoilx'，Ｈcoily'，Ｈcoilz'）を、
求められた傾斜角，回転角，及び方位角を用いて、ＸＹ
平面における人工磁場（Ｈcoilx，Ｈcoily，Ｈcoilz）
に変換する。The artificial magnetic field signal (Hcoilx ', Hcoily', Hcoilz ') S2 calculated by the artificial magnetic field and geomagnetism calculation unit 233
05, tilt angle / rotation angle signal S206 and azimuth angle signal S
207 is output to the artificial magnetic field converter 235. The artificial magnetic field signals (Hcoilx ', Hcoily', Hcoilz ') are magnetic field components in a plane inclined with respect to the XY plane and perpendicular to the digging line. Therefore, the artificial magnetic field conversion unit converts the artificial magnetic field (Hcoilx ', Hcoily', Hcoilz ') in the X'Y' plane into:
Using the obtained inclination angle, rotation angle, and azimuth angle, XY
Artificial magnetic field in a plane (Hcoilx, Hcoily, Hcoilz)
Convert to

【００６６】人工磁界変換部２３５は、変換された人工
磁場信号（Ｈcoilx，Ｈcoily，Ｈcoilz）Ｓ２０８を水
平位置・深さ計測部２３６に対して出力する。The artificial magnetic field conversion section 235 outputs the converted artificial magnetic field signal (Hcoilx, Hcoily, Hcoilz) S208 to the horizontal position / depth measurement section 236.

【００６７】水平位置・深さ計測部２３６は、人工磁界
（Ｈcoilx，Ｈcoily，Ｈcoilz）の振幅の計測値と、コ
イルの形状及び電流値Ｉcoilから、例えばコイルからの
発生磁界を表現するビオサバールの式に基づいた繰り返
し計算により、掘進管先端部の水平位置と、深さを算出
する。The horizontal position / depth measuring unit 236 calculates a Biot-Savart expression that expresses a magnetic field generated from a coil, for example, from the measured value of the amplitude of the artificial magnetic field (Hcoilx, Hcoily, Hcoilz) and the coil shape and current value Icoil. The horizontal position and the depth of the tip of the excavation pipe are calculated by iterative calculation based on.

【００６８】以下に、繰り返し計算について説明する。
先ず、磁界発生器２２１を動作させ、３軸磁界検出器２
３１は３軸加速度計２３２により、その時、３軸磁界検
出器２３１が位置する点Ｐにおける磁界Ｈx，Ｈy，ＨZ
を計測する。Hereinafter, the repetitive calculation will be described.
First, the magnetic field generator 221 is operated, and the three-axis magnetic field detector 2
Reference numeral 31 denotes a three-axis accelerometer 232, at which time the magnetic fields Hx, Hy, HZ at the point P where the three-axis magnetic field detector 231 is located.
Is measured.

【００６９】初期値として、適当な位置Ｑ1（Ｘ1，Ｙ
1，Ｚ1）を設定して、深さＸ1を少しずつ変化させなが
ら、ビオサバールの式にしたがって点Ｑ1の磁界（Ｈcoi
lx1，Ｈcoily1，Ｈcoilz1）を計算で求め、Ｈcoilx1が
磁界検出器により測定されたＨcoilxに近くなるような
Ｘ1をＸ2とし、位置Ｑ11（Ｘ2，Ｙ1，Ｚ1）を決める。As an initial value, an appropriate position Q1 (X1, Y
1, Z1) and changing the depth X1 little by little, according to the Biot-Savart equation, the magnetic field (Hcoi
lx1, Hcoily1, Hcoilz1) are calculated, X1 is set such that Hcoilx1 is close to Hcoilx measured by the magnetic field detector, and the position Q11 (X2, Y1, Z1) is determined.

【００７０】次に、水平位置Ｙ1をすこしずつ変化させ
ながらビオサバールの式にしたがって点Ｑ11の磁界（Ｈ
coilx2，Ｈcoily1，Ｈcoilz1）を計算で求め、Ｈcoily1
が磁界検出器により測定されたＨcoilyに近くなるよう
な水平位置Ｙ1をＹ2とし、位置Ｑ12（Ｘ2，Ｙ2，Ｚ1）
を決める。Next, while changing the horizontal position Y1 little by little, the magnetic field (H
coilx2, Hcoily1, Hcoilz1) is calculated and Hcoily1
Y2 is the horizontal position where Y1 is close to Hcoily measured by the magnetic field detector, and the position Q12 (X2, Y2, Z1)
Decide.

【００７１】次に、掘進方向位置Ｚ1をすこしずつ変化
させながらビオサバールの式にしたがって点Ｑ12の磁界
（Ｈcoilx2，Ｈcoily2，Ｈcoilz1）を計算で求め、Ｈco
ilz1が磁界検出器により測定されたＨcoilzに近くなる
ような水平位置Ｙ1をＹ2とし、位置Ｑ2（Ｘ2，Ｙ2，Ｚ
2）を決める。Next, the magnetic field (Hcoilx2, Hcoily2, Hcoilz1) at the point Q12 is calculated according to the Biot-Savart equation while changing the excavation direction position Z1 little by little.
A horizontal position Y1 at which ilz1 is close to Hcoilz measured by a magnetic field detector is defined as Y2, and a position Q2 (X2, Y2, Z
2) Decide.

【００７２】次いで、位置Ｑ1（Ｘ1，Ｙ1，Ｚ1）とＱ2
（Ｘ2，Ｙ2，Ｚ2）との距離を算出する。算出された距
離が所定値以下で無ければ、位置Ｑ2（Ｘ2，Ｙ2，Ｚ2）
を新たな初期値として、上述した計算を順次行い、点Ｑ
i（ｉ＝１，２，３．…）を求め、それらの点が収束す
る点を磁界検出器の位置Ｐとする。Next, the positions Q1 (X1, Y1, Z1) and Q2
The distance to (X2, Y2, Z2) is calculated. If the calculated distance is not less than the predetermined value, the position Q2 (X2, Y2, Z2)
Is used as a new initial value, and the above-described calculation is sequentially performed, and the point Q
i (i = 1, 2, 3,...) are obtained, and a point at which those points converge is defined as a position P of the magnetic field detector.

【００７３】そして、求められた掘進管の先端部の位
置、傾斜角、回転角及び方位角が出力部２３７に入力さ
れ、ＣＲＴ等に表示される。Then, the obtained position, inclination angle, rotation angle and azimuth of the tip of the excavation pipe are input to the output section 237 and displayed on a CRT or the like.

【００７４】なお、本装置では、３軸磁界検出器２１１
近傍では、約３０×１０-7Ｔ（３０ｍＧ）の人工磁場が
発生し、検出位置精度は２〜３％程度となり実用上十分
な精度が得られた。In this apparatus, the three-axis magnetic field detector 211
In the vicinity, an artificial magnetic field of about 30 × 10 −7 T (30 mG) was generated, and the detection position accuracy was about 2 to 3%, which was sufficient for practical use.

【００７５】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではない。例えば、上記実施形態では、ハイレベ
ルの供給時間が短く、ローレベルの供給時間が長かった
が、ハイレベルの供給時間が長く、ローレベルの供給時
間が短くても良い。この場合、維持時間が長い磁界Ｈ1
（Ｈ1x'，Ｈ1y'，Ｈ1z'）と、維持時間が短い磁界Ｈ2
（Ｈ2x'，Ｈ2y'，Ｈ2z'）とをそれぞれ求める。そし
て、Ｈ1α−Ｈ2α（αはx',y',z'のいずれか）を計算し
て人工磁界Ｈcoil（Ｈcoilx'，Ｈcoily'，Ｈcoilz'）が
求められる。また、（Ｈ1α＋Ｈ2α）／２（αはx',y',
z'のいずれか）を計算して、地磁気Ｈearth（Ｈearth
x'，Ｈearthy'，Ｈearthz'）が求められる。The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above embodiment, the high-level supply time is short and the low-level supply time is long, but the high-level supply time may be long and the low-level supply time may be short. In this case, the magnetic field H1 having a long maintenance time is used.
(H1x ', H1y', H1z ') and the magnetic field H2 having a short maintenance time.
(H2x ', H2y', H2z '). Then, an artificial magnetic field Hcoil (Hcoilx ', Hcoily', Hcoilz ') is obtained by calculating H1α-H2α (α is any of x ′, y ′, z ′). Also, (H1α + H2α) / 2 (α is x ′, y ′,
z ') and calculate the geomagnetic Hearth (Heart
x ', Hearty', Heartz ').

【００７６】また、磁場変動が小さい場合でも、磁場変
動が大きい場合の検出方法用いることができる。また、
コイルに流す電流波形は、図５に示すような、矩形波に
限らず、図７（ａ）に示すように、ＯＮ／ＯＦＦ波形で
も適用できる。さらには、図７（ｂ）に示すように、電
流方向は同じで電流値の大きさを矩形波形的に変化させ
た波形でも適用できる。Further, even when the magnetic field fluctuation is small, a detection method for a case where the magnetic field fluctuation is large can be used. Also,
The waveform of the current flowing through the coil is not limited to a rectangular wave as shown in FIG. 5, but may be an ON / OFF waveform as shown in FIG. Further, as shown in FIG. 7B, a waveform in which the current direction is the same and the magnitude of the current value is changed in a rectangular waveform can be applied.

【００７７】その他、本発明は、その要旨を逸脱しない
範囲で、種々変形して実施することが可能である。In addition, the present invention can be variously modified and implemented without departing from the gist thereof.

【００７８】［第３の実施形態］図８は、本発明の一実
施形態に係わる掘進管先端位置姿勢計測装置の概略構成
を示す図である。本装置は、掘進計画線（Ｚ軸）に対し
て垂直なＸＹ平面にける掘進管の位置の測定を行う。本
実施形態では、掘進計画線に対して、掘進間がＹＺ平面
内で傾いていない場合について説明する（方位角０
度）。[Third Embodiment] FIG. 8 is a diagram showing a schematic configuration of an excavation pipe tip position and orientation measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. This apparatus measures the position of the excavation pipe on the XY plane perpendicular to the excavation planning line (Z axis). In the present embodiment, a case will be described in which the excavation space is not inclined in the YZ plane with respect to the excavation plan line (azimuth angle 0
Every time).

【００７９】図８に示すように、掘進管３１０の先端部
に、３軸磁界検出器３１１及び３軸重力加速度検出器３
１２が設置されている。掘進管３１０の直径は約１００
ｍｍ、長さは１ｍであり、その後ろに直径約８０ｍｍの
ロッド３１４が接続されている。As shown in FIG. 8, a triaxial magnetic field detector 311 and a triaxial gravitational acceleration detector 3
12 are installed. The diameter of the dug tube 310 is about 100
mm, the length is 1 m, and a rod 314 having a diameter of about 80 mm is connected to the rear of the rod.

【００８０】３軸磁界検出器３１１は、掘進方向（Ｚ’
軸）及び掘進方向に垂直な平面における水平方向（Ｙ’
軸）及び鉛直方向（Ｘ’軸）の３軸方向の磁界強度（Ｈ
x'，Ｈy'，Ｈz'）を検出する。３軸磁界検出器３１１は
磁気抵抗素子型のセンサで、直流磁界と交流磁界の両者
を一つのセンサで検出することができる。また、３軸加
速度方向検出器３１２は、掘進方向（Ｚ’軸）及び掘進
方向に垂直な平面における水平方向（Ｙ’軸）及び鉛直
方向（Ｘ’軸）の３軸方向の重力加速度の大きさ（ｇ
x'，ｇy'，ｇz'）を検出し、掘進管先端部の姿勢に対す
る重力加速度を計測する。３軸重力方向検出器３１２と
しては、サーボ方式の加速度センサが使用されている。The three-axis magnetic field detector 311 moves in the direction of excavation (Z ′).
Axis) and a horizontal direction (Y ′) in a plane perpendicular to the excavation direction.
Axis) and the magnetic field strength (H
x ', Hy', Hz '). The three-axis magnetic field detector 311 is a magnetoresistive element type sensor, and can detect both a DC magnetic field and an AC magnetic field with one sensor. In addition, the three-axis acceleration direction detector 312 outputs the magnitude of the gravitational acceleration in the horizontal direction (Y ′ axis) and the vertical direction (X ′ axis) in a plane perpendicular to the excavation direction (Z ′ axis) and the excavation direction. Sa (g
x ', gy', gz ') are detected, and the gravitational acceleration with respect to the attitude of the tip of the excavation pipe is measured. As the three-axis gravity direction detector 312, a servo type acceleration sensor is used.

【００８１】地表に、直径１．５ｍの円形コイル３２２
と、図９に示すような擬似ランダム信号Ｓ３１０を発生
する擬似ランダム信号発生器３２２と、この擬似ランダ
ム信号発生器３２２からの擬似ランダム信号発生器Ｓ３
１０を増幅した電流信号波形を円形コイル３２２供給す
る電源３２１とが設置されている。コイルの起磁力は、
１００ＡＴである。A circular coil 322 having a diameter of 1.5 m is placed on the surface of the earth.
And a pseudo-random signal generator 322 for generating a pseudo-random signal S310 as shown in FIG. 9, and a pseudo-random signal generator S3 from the pseudo-random signal generator 322.
And a power source 321 for supplying a current signal waveform obtained by amplifying 10 to a circular coil 322. The magnetomotive force of the coil is
100 AT.

【００８２】擬似ランダム信号発生器３２２は、図１０
に示すように複数個のシフトレジスタ１００１が直列に
接続されると共に、適切な帰還回路１００２が接続され
て構成され、各シフトレジスタ１００１に同期信号が入
力されている。これらのシフトレジスタ１００１に、ク
ロック周波数０．１Ｈｚ〜３０Ｈｚの同期信号を入力す
ることによって、出力側から擬似ランダム信号として矩
形波形のＭ系列信号（Maxmal Length Sequence）が出力
される。The pseudo-random signal generator 322 has the structure shown in FIG.
As shown in the figure, a plurality of shift registers 1001 are connected in series and an appropriate feedback circuit 1002 is connected, and a synchronization signal is input to each shift register 1001. By inputting a synchronization signal with a clock frequency of 0.1 Hz to 30 Hz to these shift registers 1001, an M-sequence signal (Maxmal Length Sequence) having a rectangular waveform is output from the output side as a pseudo random signal.

【００８３】この擬似ランダム信号、Ｍ系列信号（Maxm
al Length Sequence）と呼ばれる。Ｍ系列信号は、その
発生に使用されるシフトレジスタの段数ｎに対して、同
期信号の時間間隔をΔｔとすると、（２n −１）Δｔの
周期（Ｔ）を有する。This pseudo-random signal, M-sequence signal (Maxm
al Length Sequence). The M-sequence signal has a period (T) of (2 n −1) Δt, where Δt is the time interval of the synchronization signal with respect to the number n of stages of the shift register used for its generation.

【００８４】本実施形態では、５段のシフトレジスタを
直列に接続すると共に適切な位置に帰還回路を接続する
と共に、クロック周波数０．１Ｈｚ〜３０Ｈｚの同期信
号を入力して、３１×Δｔの周期のＭ系列信号を生成し
た。In this embodiment, a five-stage shift register is connected in series, a feedback circuit is connected at an appropriate position, and a synchronizing signal having a clock frequency of 0.1 Hz to 30 Hz is input, and a period of 31 × Δt is inputted. Was generated.

【００８５】擬似ランダム信号波形の電流波形がコイル
に供給されることにより、同様に擬似ランダム信号波形
の人工磁場が形成される。By supplying the current waveform of the pseudo-random signal waveform to the coil, an artificial magnetic field having a pseudo-random signal waveform is similarly formed.

【００８６】掘進管３１０内の３軸磁界検出器３１１及
び３軸重力加速度検出器３１２は、３軸方向の磁気及び
重力加速度成分をそれぞれ測定し、測定値を磁界信号Ｓ
３０１及び重力方向信号Ｓ３０２として、いわゆるマイ
コンで構成された演算処理部３３０に出力する。The three-axis magnetic field detector 311 and the three-axis gravitational acceleration detector 312 in the digging tube 310 respectively measure the magnetic and gravitational acceleration components in the three-axis directions, and transmit the measured values to the magnetic field signal S.
The signal is output to the arithmetic processing unit 330 constituted by a so-called microcomputer as 301 and a gravity direction signal S302.

【００８７】磁界信号Ｓ３０１は、相関演算器３３３に
入力される。相関演算器３３３には、擬似ランダム信号
発生器３２４と同じ回路で構成された参照信号発生器か
ら、擬似ランダム信号Ｓ３１０と同じパターンの参照用
擬似ランダム信号Ｓ３０３が入力されている。The magnetic field signal S301 is input to the correlation calculator 333. To the correlation calculator 333, a reference pseudo-random signal S303 having the same pattern as the pseudo-random signal S310 is input from a reference signal generator composed of the same circuit as the pseudo-random signal generator 324.

【００８８】相関演算器は、検出された３軸の磁界信号
Ｓ３０１のそれぞれに対して、参照用擬似ランダム信号
Ｓ３０３との相関演算を行いう。このとき、参照用擬似
ランダム信号Ｓ３０３の時間軸をずらしながら、検出さ
れた磁界信号Ｓ３０１と参照用擬似ランダム信号Ｓ３０
３との乗算および積分を繰り返しながら相関を演算し、
相関が最大値または極小値となるように参照信号の時間
軸を調整する。このようにして、求められた相関の最大
値（同位相）または極小値（逆位相）をもって、人工磁
界の測定値とし、人工磁界信号Ｓ３０５を人工磁界変換
部３３５に出力する。The correlation calculator calculates the correlation between each of the detected three-axis magnetic field signals S301 and the reference pseudo-random signal S303. At this time, the detected magnetic field signal S301 and the reference pseudo-random signal S30 are shifted while shifting the time axis of the reference pseudo-random signal S303.
Calculate the correlation while repeating multiplication and integration with 3,
The time axis of the reference signal is adjusted so that the correlation becomes the maximum value or the minimum value. The maximum value (the same phase) or the minimum value (the opposite phase) of the correlation thus obtained is used as the measurement value of the artificial magnetic field, and the artificial magnetic field signal S305 is output to the artificial magnetic field conversion unit 335.

【００８９】この相関演算について詳しく説明する。関
数ｆ(t)とその同じ波形を有する参照用信号ｆ(t-τ)と
の自己相関Ψ(τ)はThe correlation calculation will be described in detail. The autocorrelation Ψ (τ) between the function f (t) and the reference signal f (t−τ) having the same waveform is

【数１】 (Equation 1)

【００９０】で求められる。図１１に擬似ランダム信号
の自己相関波形を示す。図１１に示すように、前述した
周期Ｔで非常に鋭いピークを持つ波形である。Is obtained. FIG. 11 shows an autocorrelation waveform of the pseudo-random signal. As shown in FIG. 11, the waveform has a very sharp peak in the period T described above.

【００９１】擬似ランダム信号ｆ(t)の電流波形で人工
磁場発生コイルを駆動し、地中に磁場を発生させる。こ
のとき、人工磁場の波形が明確な矩形波形となるように
するため、コイルは擬似ランダム信号の電流波形で駆動
される。The artificial magnetic field generating coil is driven by the current waveform of the pseudo random signal f (t) to generate a magnetic field in the ground. At this time, the coil is driven by the current waveform of the pseudo-random signal so that the waveform of the artificial magnetic field becomes a clear rectangular waveform.

【００９２】この磁界を検出する磁界検出器として、ピ
ックアップコイルのような電磁誘導型の検出器ではな
く、ホール素子や磁気抵抗素子などの磁気検出器を用い
れば、検出される信号成分は忠実にもとのコイルの電流
波形ｆ(t)の波形と同様な波形として検出できる。As a magnetic field detector for detecting this magnetic field, if a magnetic detector such as a Hall element or a magnetoresistive element is used instead of an electromagnetic induction type detector such as a pickup coil, the detected signal component can be faithfully obtained. It can be detected as a waveform similar to the waveform of the original coil current waveform f (t).

【００９３】都市部のように電磁気的な飛来ノイズが多
い環境では、実際に検出される検出信号は、人工磁場信
号ｆ(t)にノイズ信号ｎ(t)が重畳されたものである。こ
こで、磁界信号ｇ(t)［Ｓ３０１］は次式のように表さ
れる。In an environment with a lot of electromagnetic flying noise, such as in an urban area, the detection signal actually detected is a signal in which the noise signal n (t) is superimposed on the artificial magnetic field signal f (t). Here, the magnetic field signal g (t) [S301] is represented by the following equation.

【００９４】ｇ(t)＝ｆ(t)＋ｎ(t) 相関演算器が、磁界信号ｇ(t)と、参照用擬似ランダム
信号ｆ(t)［Ｓ３０３］との相互相関演算を施すと、そ
の演算結果Ψ(τ)は、次のようになる。G (t) = f (t) + n (t) When the correlation calculator performs a cross-correlation calculation between the magnetic field signal g (t) and the reference pseudo random signal f (t) [S303], The calculation result Ψ (τ) is as follows.

【００９５】[0095]

【数２】 (Equation 2)

【００９６】磁界信号ｆ(ｔ)にはＭ系列信号（擬似ラン
ダム信号）成分が含まれ、参照用擬似ランダム信号ｇ
(ｔ)にもこれと同じパターンのＭ系列信号パターンであ
るので、相互相関演算は時間遅延をおこした自己相関演
算と同じになる。The magnetic field signal f (t) includes an M-sequence signal (pseudo-random signal) component, and the reference pseudo-random signal g
Since (t) also has the same M-sequence signal pattern, the cross-correlation calculation is the same as the auto-correlation calculation with a time delay.

【００９７】したがって、相関演算結果は、図１１に示
した波形と同様に、周期的なピーク値を有する。このピ
ーク値を検出して磁界検出信号の代表値とする。相関演
算器は、算出した代表値に基づいて、人工磁界として検
出し、人工磁界信号Ｓ３０５として人工磁界変換部３３
５に出力する自己相関演算結果では、ノイズｎ(t)の影
響は消去され、ｆ(t)の自己相関関数Φ(τ)だけの成分
として求められている。これは、一般的にノイズ波形と
擬似ランダム信号との間に相関がない性質を利用してい
るからである。すなわち、ノイズ信号が除去された、感
度の高い人工磁場信号を検出することが可能となる。Therefore, the correlation calculation result has a periodic peak value, similarly to the waveform shown in FIG. This peak value is detected and used as a representative value of the magnetic field detection signal. The correlation calculator detects an artificial magnetic field based on the calculated representative value, and generates an artificial magnetic field signal S305 as the artificial magnetic field conversion unit 33.
In the autocorrelation calculation result output to 5, the influence of the noise n (t) is eliminated, and the result is obtained as a component of only the autocorrelation function Φ (τ) of f (t). This is because, in general, a property that there is no correlation between the noise waveform and the pseudo random signal is used. That is, it is possible to detect a highly sensitive artificial magnetic field signal from which a noise signal has been removed.

【００９８】また、検出される磁界信号が、コイルの波
形の逆位相となる場合でも、ｇ(τ)＝−ｆ(t)＋ｎ(t)と
なるので、Ψ（τ）＝−Φ（τ）として得られ、検出に
よって異なる検出信号の位相、すなわち同位相と逆位相
との区別ができるようになる。Even when the detected magnetic field signal has the opposite phase of the coil waveform, g (τ) = − f (t) + n (t), so that Ψ (τ) = − Φ (τ ), And it is possible to distinguish between different detection signal phases depending on the detection, that is, the same phase and the opposite phase.

【００９９】本実施形態では、直接検出された磁界信号
のＳ／Ｎに対して、擬似ランダム信号を利用した本発明
により測定値のＳ／Ｎは約５倍も改善された。In the present embodiment, the S / N of the measured value is improved about 5 times by the present invention using the pseudo random signal, compared to the S / N of the magnetic field signal directly detected.

【０１００】一方、３軸重力方向検出器３１２からの重
力方向信号Ｓ３０２が、傾斜角・回転角検出部３３１に
入力されている。傾斜角・回転角検出部３３１は、重力
方向信号Ｓ３０２から、掘進管３１０の回転角及び傾斜
角を求め、傾斜角・回転角信号Ｓ３０６を人工磁界変換
部３３５に対して出力する。On the other hand, a gravitational direction signal S 302 from the three-axis gravitational direction detector 312 is input to the tilt angle / rotation angle detection unit 331. The inclination angle / rotation angle detection unit 331 obtains the rotation angle and the inclination angle of the excavation pipe 310 from the gravity direction signal S302, and outputs the inclination angle / rotation angle signal S306 to the artificial magnetic field conversion unit 335.

【０１０１】人工磁界信号（Ｈcoilx'，Ｈcoily'，Ｈco
ilz'）はＸＹ平面に対して傾き、掘進線に対して垂直な
平面における磁場成分である。従って、人工磁界変換部
３３５は、Ｘ’Ｙ’平面における人工磁界（Ｈcoilx'，
Ｈcoily'，Ｈcoilz'）を、求められた傾斜角及び回転角
を用いて、ＸＹ平面における人工磁場（Ｈcoilx，Ｈcoi
ly，Ｈcoilz）に変換する。The artificial magnetic field signals (Hcoilx ', Hcoily', Hco
ilz ') is a magnetic field component in a plane inclined with respect to the XY plane and perpendicular to the digging line. Therefore, the artificial magnetic field conversion unit 335 outputs the artificial magnetic field (Hcoilx ′,
Hcoily ', Hcoilz') is calculated by using the determined inclination angle and rotation angle, and the artificial magnetic field (Hcoilx, Hcoi ') in the XY plane.
ly, Hcoilz).

【０１０２】人工磁界変換部３３５は、変換された人工
磁場信号（Ｈcoilx，Ｈcoily，Ｈcoilz）Ｓ３０８を水
平位置・深さ計測部３３６に対して出力する。The artificial magnetic field conversion section 335 outputs the converted artificial magnetic field signal (Hcoilx, Hcoily, Hcoilz) S308 to the horizontal position / depth measurement section 336.

【０１０３】水平位置・深さ計測部３３６は、人工磁界
（Ｈcoilx，Ｈcoily，Ｈcoilz）の振幅の計測値と、コ
イルの形状及び電流値Ｉcoilから、例えばコイルからの
発生磁界を表現するビオサバールの式に基づいた繰り返
し計算により、掘進管先端部の水平位置及び深さを算出
する。The horizontal position / depth measuring unit 336 calculates a Biot-Savart equation that expresses, for example, a magnetic field generated from the coil from the measured value of the amplitude of the artificial magnetic field (Hcoilx, Hcoily, Hcoilz) and the coil shape and current value Icoil. The horizontal position and the depth of the tip of the excavation pipe are calculated by iterative calculation based on.

【０１０４】本実施形態では、直接検出された磁界信号
のＳ／Ｎに対して、擬似ランダム信号を利用した本発明
により測定値のＳ／Ｎは約５倍も改善された。In the present embodiment, the S / N of the measured value is improved about 5 times by the present invention using the pseudo-random signal with respect to the S / N of the directly detected magnetic field signal.

【０１０５】このとき、３軸磁界検出器３１１近傍では
約６０ミリガウスの人工磁場が発生され、検出位置精度
は２〜３％程度となり実用上十分な精度が得られた。At this time, an artificial magnetic field of about 60 milligauss was generated in the vicinity of the three-axis magnetic field detector 311 and the detection position accuracy was about 2 to 3%, which was sufficient for practical use.

【０１０６】［第４の実施形態］第３の実施形態では、
信号処理装置内で相関演算を実施するときに、参照信号
の時間軸をずらしながら繰り返し計算をするため、演算
時間が長くなり現場作業上支障をきたす場合がある。[Fourth Embodiment] In the third embodiment,
When performing the correlation calculation in the signal processing device, the calculation is repeatedly performed while shifting the time axis of the reference signal, so that the calculation time becomes longer, which may hinder on-site work.

【０１０７】演算時間を短くする必要がある場合には、
図１２に示すように、擬似ランダム信号発生器３２４か
ら擬似ランダム信号を電源３２１に入力すると共に、擬
似ランダム信号発生器３２２から出力された擬似ランダ
ム信号Ｓ３１０を参照信号送信機４３２ａと参照信号受
信機４３２ｂとからなる参照信号伝送器を介して演算処
理部３３０に入力し、磁界信号と参照用擬似ランダム信
号Ｓ４０３との相関演算（乗算および積分演算）をリア
ルタイムで行うことで、両者の信号の相互相関の極大値
が少ない演算時間で直接的に求めることができる。な
お、図１２において、図８と同一な部位には同一符号を
付し、その詳細な説明を省略する。If it is necessary to shorten the calculation time,
As shown in FIG. 12, a pseudo-random signal is input from a pseudo-random signal generator 324 to a power supply 321, and a pseudo-random signal S310 output from a pseudo-random signal generator 322 is referred to as a reference signal transmitter 432a and a reference signal receiver. 432b through a reference signal transmitter, and performs a correlation operation (multiplication and integration operation) between the magnetic field signal and the reference pseudo-random signal S403 in real time, so that the two signals can be mutually connected. The maximum value of the correlation can be obtained directly in a short calculation time. In FIG. 12, the same portions as those in FIG. 8 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

【０１０８】このようにして、３軸の磁界測定値が求ま
れば、前の実施形態と同様にして、掘進管の姿勢情報を
考慮し、繰り返し演算により掘進管の水平および深さ位
置をもとめることができる。When the three-axis magnetic field measurement values are obtained in this manner, the horizontal and depth positions of the excavated pipe are obtained by repeated calculations in consideration of the attitude information of the excavated pipe in the same manner as in the previous embodiment. be able to.

【０１０９】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変
形して実施することが可能である。The present invention is not limited to the above-described embodiment, but can be implemented in various modifications without departing from the scope of the invention.

【０１１０】[0110]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、中
心線が掘進管の推進計画線に離れた位置に電流路を敷設
すると共に、電流路に対して交流波形の電流を供給する
ことによって、地磁気の乱れが大きくても、検出された
磁界の交流成分（人工磁場）を利用して掘進管の先端部
の水平位置、深さ、傾斜角、回転角、及びを精度よく図
ることができる。As described above, according to the present invention, a current path is laid at a position where the center line is separated from the propulsion planning line of the excavation pipe, and an AC waveform current is supplied to the current path. By using the AC component (artificial magnetic field) of the detected magnetic field, the horizontal position, the depth, the inclination angle, the rotation angle, and the like of the excavation pipe can be accurately measured even if the geomagnetic disturbance is large. it can.

【０１１１】また、中心線が掘進管の推進計画線に離れ
た位置に電流路を敷設すると共に、電流路に対して交流
波形の電流を供給することによって、地磁気が乱れてい
ない状態において、コイル電流のＯＮ／ＯＦＦ情報或い
はコイル電流の同期信号を演算器に入力する必要がな
く、コイル電流の電源から演算処理部までの配線が不要
となり、構成の簡易化を図ることができる。In addition, by laying a current path at a position where the center line is apart from the propulsion planning line of the excavation pipe, and supplying an AC waveform current to the current path, the coil can be operated in a state where geomagnetism is not disturbed. There is no need to input current ON / OFF information or a coil current synchronization signal to the arithmetic unit, and wiring from the coil current power supply to the arithmetic processing unit is not required, and the configuration can be simplified.

【０１１２】以上説明したように本発明によれば、敷設
されたコイルに対して、供給時間が異なるハイレベルと
ローレベルとの２値の矩形波形の電流を供給して、計測
された磁場に対してハイレベルに対応した磁場とローレ
ベルに対応した磁場との差をとることによって、電源の
同期信号を用いることなく、コイルによる磁界と地磁気
とをそれぞれ求めることができるので装置構成を簡易化
することができる。As described above, according to the present invention, a current having a binary rectangular waveform of a high level and a low level having different supply times is supplied to the laid coil, and the measured magnetic field is supplied to the coil. By taking the difference between the magnetic field corresponding to the high level and the magnetic field corresponding to the low level, the magnetic field generated by the coil and the geomagnetism can be obtained without using the synchronization signal of the power supply, simplifying the device configuration can do.

【０１１３】本発明によれば、都市部においてｕましば
遭遇する飛来ノイズが存在しても、高いＳ／Ｎが得られ
るようになる。また、人工磁場発生コイルに対する掘進
管の位置によって、変化する検出磁界の位相（王位相と
逆位相）の識別宅できる。実施例１の場合には、参照信
号を演算処理装置ないで作成して相関演算を行うので、
人工磁場発生コイル２と信号演算装置５の聞に伝送線路
を必要とせず、現場の作業性老優れている。According to the present invention, a high S / N can be obtained even if there is flying noise encountered in the urban area. Further, it is possible to identify the phase (opposite phase to the king phase) of the detected magnetic field that changes depending on the position of the drilling tube with respect to the artificial magnetic field generating coil. In the case of the first embodiment, since the reference signal is created without using the arithmetic processing unit and the correlation operation is performed,
The transmission line is not required for the artificial magnetic field generating coil 2 and the signal arithmetic unit 5, and the workability at the site is excellent.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】第１の実施形態に係わる掘進管先端位置姿勢計
測装置の概略構成を示す構成図。FIG. 1 is a configuration diagram showing a schematic configuration of an excavation pipe tip position and orientation measurement apparatus according to a first embodiment.

【図２】本発明の掘進管先端位置姿勢計測方法の説明に
用いた図。FIG. 2 is a diagram used for explaining a method of measuring the position and orientation of a tip of a digging tube according to the present invention.

【図３】第２の実施形態に係わる掘進管先端位置姿勢計
測装置の概略構成を示す構成図。FIG. 3 is a configuration diagram illustrating a schematic configuration of an apparatus for measuring the position and orientation of a tip of a digging tube according to a second embodiment.

【図４】図３に示す掘進管先端位置姿勢計測装置の電源
がコイルに供給する電流の矩形波形を示す図。FIG. 4 is a diagram showing a rectangular waveform of a current supplied to a coil by a power supply of the excavation tube tip position / posture measuring apparatus shown in FIG. 3;

【図５】本発明の掘進管先端位置姿勢計測方法の説明に
用いた図。FIG. 5 is a diagram used for explaining a method of measuring the position and orientation of a tip of a digging tube according to the present invention.

【図６】位置Ｐ1と位置Ｐ2とで計測される磁界の時間変
化を示す特性図。FIG. 6 is a characteristic diagram showing a time change of a magnetic field measured at a position P1 and a position P2.

【図７】第２の実施形態の変形例を示す図。FIG. 7 is a view showing a modification of the second embodiment.

【図８】第３の実施形態に係わる掘進管先端位置姿勢計
測装置の概略構成を示す構成図。FIG. 8 is a configuration diagram showing a schematic configuration of an excavation tube tip position / posture measuring apparatus according to a third embodiment.

【図９】擬似ランダム信号の波形の例を示す図。FIG. 9 is a diagram showing an example of a waveform of a pseudo random signal.

【図１０】擬似ランダム信号発生器の概略構成を示す
図。FIG. 10 is a diagram showing a schematic configuration of a pseudo-random signal generator.

【図１１】擬似ランダム信号の自己相関波形を示す図。FIG. 11 is a diagram showing an autocorrelation waveform of a pseudo random signal.

【図１２】第４の実施形態に係わる掘進管先端位置姿勢
計測装置の概略構成を示す構成図。FIG. 12 is a configuration diagram showing a schematic configuration of an excavation tube tip position / posture measuring apparatus according to a fourth embodiment.

【図１３】従来の掘進管先端位置姿勢計測装置の概略構
成を示す構成図。FIG. 13 is a configuration diagram showing a schematic configuration of a conventional excavation pipe tip position / posture measuring apparatus.

【図１４】従来の掘進管先端位置姿勢計測装置の概略構
成を示す構成図。FIG. 14 is a configuration diagram showing a schematic configuration of a conventional excavation pipe tip position / posture measuring apparatus.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１１０…掘進管 １１１…３軸磁界検出器 １１２…軸重力方向検出器 １１３…掘進計画線 １２０…人工磁界発生器 １２１…電源 １２２…電流路 １２３…中心線 １３０…演算処理部 １３１…傾斜角・回転角検出部 １３２…直流・交流分離器 １３３…方位角検出部 １３４…人工磁界変換部 １３５…水平位置・深さ計測部 １３６…出力部 Reference numeral 110: excavating pipe 111: 3-axis magnetic field detector 112: axial gravity direction detector 113: excavation planning line 120: artificial magnetic field generator 121: power supply 122: current path 123: center line 130: arithmetic processing unit 131: inclination angle / Rotation angle detector 132 DC / AC separator 133 Azimuth detector 134 Artificial magnetic field converter 135 Horizontal position / depth measuring unit 136 Output unit

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 荒木 修 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 Ｆターム(参考） 2D054 AA02 AC18 GA04 GA62 GA65 GA81 2F063 AA04 AA35 AA37 BA17 CA00 CA40 DA01 DA05 GA01 GA58 GA61 JA07 LA01 LA02 LA11 LA13 LA30 MA04  ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing from the front page (72) Inventor Osamu Araki 1-2-1 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo F-term within Nihon Kokan Co., Ltd. 2D054 AA02 AC18 GA04 GA62 GA65 GA81 2F063 AA04 AA35 AA37 BA17 CA00 CA40 DA01 DA05 GA01 GA58 GA61 JA07 LA01 LA02 LA11 LA13 LA30 MA04

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】中心線が掘進管の掘進計画線から離れた位
置に敷設された電流路に対して交流波形の電流を供給す
るステップと、 前記掘進管先端部における３軸方向の磁界強度を計測す
るステップと、 前記各軸方向の磁界強度を交流成分と直流成分とに分け
るステップと、 前記掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向を計測
するステップと、 前記掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向から前
記掘進管先端部の傾斜角と回転角とを求めるステップ
と、 前記分離された各軸方向の磁界強度の交流成分と前記電
流路に供給された交流波形の同期信号とから前記掘進管
先端部の方位角を求めるステップと、 前記各軸方向の磁界強度の交流成分から前記掘進管先端
部の水平位置と深さとを求めるステップとを含むことを
特徴とする掘進管先端位置姿勢計測方法。1. A step of supplying an AC waveform current to a current path laid at a position where a center line is apart from a digging line of a digging tube; Measuring; dividing the magnetic field strength in each axial direction into an AC component and a DC component; measuring a gravitational acceleration direction with respect to the attitude of the excavation pipe tip; and gravity with respect to the attitude of the excavation pipe tip. Obtaining an inclination angle and a rotation angle of the excavation tube tip from the acceleration direction; and excavating from the AC component of the separated magnetic field strength in each axial direction and a synchronization signal of an AC waveform supplied to the current path. Determining the azimuth angle of the pipe tip, and determining the horizontal position and depth of the drill pipe tip from the alternating current component of the magnetic field strength in each axial direction. Position and orientation measurement method. 【請求項２】中心線が掘進管の掘進計画線から離れた位
置に敷設された電流路に対して交流波形の電流を供給す
るステップと、 前記掘進管先端部における３軸方向の磁界強度を計測す
るステップと、 前記各軸方向の磁界強度を交流成分と直流成分とに分け
るステップと、 前記掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向を計測
するステップと、 前記掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向から前
記掘進管先端部の傾斜角と回転角とを求めるステップ
と、 前記各軸方向の磁界強度の直流成分と前記掘進管先端部
の姿勢に対する重力加速度方向とから前記掘進管先端部
の方位角を求めるステップと、 前記各軸方向の磁界強度の交流成分から前記掘進管先端
部の水平位置と深さとを求めるステップとを含むことを
特徴とする掘進管先端位置姿勢計測方法。2. A step of supplying an AC waveform current to a current path laid at a position where a center line is away from a digging plan line of the digging pipe; Measuring; dividing the magnetic field strength in each axial direction into an AC component and a DC component; measuring a gravitational acceleration direction with respect to the attitude of the excavation pipe tip; and gravity with respect to the attitude of the excavation pipe tip. Calculating the inclination angle and the rotation angle of the excavation pipe tip from the acceleration direction; and the DC component of the magnetic field strength in each of the axial directions and the gravitational acceleration direction with respect to the attitude of the excavation pipe tip. Determining an azimuth angle; and obtaining a horizontal position and a depth of the excavation tube tip from the AC components of the magnetic field strengths in the respective axial directions. Momentum measurement method. 【請求項３】前記電流路に電流を供給して形成される人
工磁場の大きさは、地中の掘進管の先端部において、２
μＴ以上となるようにすることを特徴とする請求項１又
は２に記載の掘進管先端位置姿勢計測方法。3. An artificial magnetic field formed by supplying a current to the current path has a magnitude of 2 at the tip of the underground tunnel.
The method for measuring the position and orientation of a tip of a digging tube according to claim 1 or 2, wherein the value is set to at least μT. 【請求項４】中心線が該掘進管の掘進計画線から離れた
位置に敷設された電流路と、 この電流路に交流波形の電流を供給する電源と、 前記掘進管の先端に設けられた３軸方向の磁界強度をそ
れぞれ検出する磁界検出器と、 この磁界検出器により検出された各軸方向の磁界強度を
交流成分と直流成分とに分ける直流・交流分離器と、 前記掘進管先端部に設けられ、該掘進管先端部の姿勢に
対する重力加速度方向を検出する重力加速度方向検出器
と、 この重力加速度方向検出器により検出された重力加速度
方向から前記掘進管先端部の傾斜角と回転角とを求める
傾斜角・回転角検出部と、 前記直流・交流分離器により分離された各軸方向の磁界
強度の交流成分と前記電流路に供給された交流波形の同
期信号とから前記掘進管先端部の方位角を求める方位角
検出部と、 前記直流・交流分離器により分離された各軸方向の磁界
強度の交流成分から前記掘進管先端部の水平位置と深さ
とを求める水平位置・深さ計測部とを具備してなること
を特徴とする掘進管先端位置姿勢計測装置。4. A current path laid at a position where a center line is apart from a digging plan line of the digging pipe, a power supply for supplying an AC waveform current to the current path, and a tip line of the digging pipe. A magnetic field detector for detecting magnetic field strengths in three axial directions, a DC / AC separator for dividing the magnetic field strength in each axial direction detected by the magnetic field detector into an AC component and a DC component; A gravitational acceleration direction detector for detecting a gravitational acceleration direction with respect to the attitude of the excavation tube tip; and a tilt angle and a rotation angle of the digging tube tip from the gravitational acceleration direction detected by the gravitational acceleration direction detector. And an inclination angle / rotation angle detection unit for obtaining the tip of the excavation pipe from the AC component of the magnetic field strength in each axial direction separated by the DC / AC separator and the synchronization signal of the AC waveform supplied to the current path. Azimuth angle An azimuth angle detection unit, and a horizontal position / depth measurement unit that determines the horizontal position and depth of the excavation tube tip from the AC component of the magnetic field strength in each axial direction separated by the DC / AC separator. An apparatus for measuring the position and orientation of a tip of a drilling pipe, comprising: 【請求項５】中心線が該掘進管の掘進計画線から離れた
位置に敷設された電流路と、 この電流路に交流波形の電流を供給する電源と、 前記掘進管の先端に設けられた３軸方向の磁界強度をそ
れぞれ検出する磁界検出器と、 この磁界検出器により検出された各軸方向の磁界強度を
交流成分と直流成分とに分ける直流・交流分離器と、 前記掘進管先端部に設けられ、該掘進管先端部の姿勢に
対する重力加速度方向を検出する重力加速度方向検出器
と、 この重力加速度方向検出器により検出された重力加速度
方向から前記掘進管先端部の傾斜角と回転角とを求める
傾斜角・回転角検出部と、 前記重力加速度方向検出器により検出された重力加速度
方向と、前記直流・交流分離器により分離された各軸方
向の磁界強度の直流成分とから前記掘進管先端部の方位
角を求める方位角検出部と、 前記直流・交流分離器により分離された各軸方向の磁界
強度の交流成分から前記掘進管先端部の水平位置と深さ
とを求める水平位置・深さ計測部とを具備してなること
を特徴とする掘進管先端位置姿勢計測装置。5. A current path laid at a position whose center line is distant from a plan line of the excavation pipe, a power supply for supplying an AC waveform current to the current path, and a current path provided at a tip of the excavation pipe. A magnetic field detector for detecting magnetic field strengths in three axial directions, a DC / AC separator for dividing the magnetic field strength in each axial direction detected by the magnetic field detector into an AC component and a DC component; A gravitational acceleration direction detector for detecting a gravitational acceleration direction with respect to the posture of the excavation tube tip; and a tilt angle and a rotation angle of the digging tube tip from the gravitational acceleration direction detected by the gravitational acceleration direction detector. And an inclination angle / rotation angle detection unit for calculating the direction of gravitational acceleration detected by the gravitational acceleration direction detector and the DC component of the magnetic field strength in each axial direction separated by the DC / AC separator. tube An azimuth detecting unit for obtaining an azimuth of an end; and a horizontal position and depth for obtaining a horizontal position and a depth of the tip of the excavation pipe from an AC component of a magnetic field intensity in each axial direction separated by the DC / AC separator. And a measuring unit for measuring the position and orientation of the tip of the excavation pipe. 【請求項６】コイルに対して、供給時間が異なるハイレ
ベルとローレベルとの２値の矩形波形の電流を供給する
ステップと、 前記矩形波形の電流が前記コイルに供給された状態で、
掘進管先端部における磁界の３軸方向の各成分の時間変
位を計測するステップと、 計測された磁界の各成分に対して、前記ハイレベルの電
流供給時間に対応して一定のレベルを維持する第１の磁
界の各成分と、前記ローレベルの電流供給時間に対応し
て一定のレベルを維持する第２の磁界強度の各成分とを
求めるステップと、 求められた第１及び第２の磁界の各成分から、前記コイ
ルに矩形波形の電流が供給されて形成される人工磁界の
各成分と、地磁気の各成分とを求めるステップと、 前記掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向を計測
するステップと、 前記掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向から前
記掘進管先端部の傾斜角と回転角とを求めるステップ
と、 前記地磁気の各成分と前記掘進管先端部の姿勢に対する
重力加速度方向とから前記掘進管先端部の方位角を求め
るステップと、 前記各軸方向の人工磁界から前記掘進管先端部の水平位
置と深さとを求めるステップとを含むことを特徴とする
掘進管先端位置姿勢計測方法。6. A step of supplying a current having a binary rectangular waveform of a high level and a low level having different supply times to the coil, wherein the current having the rectangular waveform is supplied to the coil.
Measuring the time displacement of each component of the magnetic field at the tip of the excavation tube in the three axial directions; and maintaining a constant level corresponding to the high level current supply time for each component of the measured magnetic field. Determining each component of the first magnetic field and each component of the second magnetic field strength that maintains a constant level corresponding to the low-level current supply time; and the determined first and second magnetic fields. Calculating each component of the artificial magnetic field formed by supplying a rectangular waveform current to the coil and each component of the geomagnetism, and measuring the direction of gravitational acceleration with respect to the posture of the excavation tube tip from the components Determining the inclination angle and the rotation angle of the excavation tube tip from the direction of gravitational acceleration with respect to the orientation of the excavation tube tip; and applying gravity to each component of the geomagnetism and the orientation of the excavation tube tip. Determining the azimuth of the tip of the excavation tube from the degree direction, and determining the horizontal position and the depth of the tip of the excavation tube from the artificial magnetic field in each of the axial directions. Position and orientation measurement method. 【請求項７】第１の磁界の各成分と第２の磁界の各成分
との差から、人工磁界の各成分を求め、 第１の磁界の各成分と第２の磁界の各成分との和の１／
２から地磁気強度の各成分を求めることを特徴とする請
求項６に記載の掘進管先端位置姿勢計測方法。7. A component of an artificial magnetic field is determined from a difference between each component of the first magnetic field and each component of the second magnetic field, and the respective components of the first magnetic field and each component of the second magnetic field are calculated. 1 / sum
7. The method according to claim 6, wherein each component of the geomagnetic intensity is obtained from (2). 【請求項８】コイルと、 このコイルに、供給時間が異なるハイレベルとローレベ
ルとの２値の矩形波形の電流を供給する電源と、 前記掘進管の先端に設けられ、磁界の３軸方向の各成分
をそれぞれ検出する磁界検出器と、 この磁界検出器により計測された磁界の各成分から、ハ
イレベルの供給時間に対応して一定のレベルを維持する
第１の磁界の各成分と、ローレベルの電流供給時間に対
応して一定のレベルを保つ第２の磁界の各成分とを求め
る磁界強度検出部と、 第１及び第２の磁界強度の各成分から、前記コイルに電
流が供給されて形成される人工磁界の各成分と、地磁気
の各成分とを求める人工磁界・地磁気算出部と、 前記掘進管先端部に設けられ、該掘進管先端部の姿勢に
対する重力加速度方向を検出する重力加速度方向検出器
と、 この重力加速度方向検出器により検出された重力加速度
方向から前記掘進管先端部の傾斜角と回転角とを求める
傾斜角・回転角検出部と、 前記重力加速度方向検出器により検出された重力加速度
方向と、地磁気の各成分とから前記掘進管先端部の方位
角を求める方位角検出部と、 前記人工磁界の各成分から前記掘進管先端部の水平位置
と深さとを求める水平位置・深さ計測部とを具備してな
ることを特徴とする掘進管先端位置姿勢計測装置。8. A coil, a power supply for supplying a current of a binary rectangular waveform of a high level and a low level having different supply times to the coil, A magnetic field detector for detecting each of the components of the first magnetic field, from each component of the magnetic field measured by this magnetic field detector, each component of the first magnetic field to maintain a constant level corresponding to the high-level supply time, A magnetic field strength detection unit for obtaining each component of a second magnetic field that maintains a constant level corresponding to a low-level current supply time; and supplying a current to the coil from each component of the first and second magnetic field strengths. An artificial magnetic field and geomagnetism calculation unit that obtains each component of the artificial magnetic field formed and each component of the geomagnetism, and is provided at the tip of the excavation pipe, and detects the direction of gravitational acceleration with respect to the attitude of the excavation pipe tip. Gravity acceleration direction detector An inclination / rotation angle detection unit for obtaining an inclination angle and a rotation angle of the excavated pipe tip from the direction of gravity acceleration detected by the direction of gravity acceleration detected by the direction of gravity acceleration; and a gravity acceleration detected by the direction detector of gravity acceleration. A direction and an azimuth detecting unit for obtaining an azimuth of the excavation tube tip from each component of geomagnetism; and a horizontal position and depth for obtaining a horizontal position and a depth of the excavation tube tip from each component of the artificial magnetic field. An excavation pipe tip position / posture measuring device comprising a measuring unit. 【請求項９】コイルに対して、擬似ランダム信号の電流
を供給するステップと、 前記擬似ランダム信号の電流が前記コイルに供給された
状態で、掘進管先端部における磁界の３軸方向の各成分
の時間変位を計測するステップと、 計測された磁界の各成分と、前記擬似ランダム信号と同
一パターンの参照用擬似ランダム信号との相関演算を行
って、磁界の各成分を演算する人工磁界強度検出部と、 前記掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向を計測
するステップと、 前記掘進管先端部の姿勢に対する重力加速度方向から前
記掘進管先端部の傾斜角と回転角とを求めるステップ
と、 前記各軸方向の人工磁界から前記掘進管先端部の水平位
置と深さとを求めるステップとを含むことを特徴とする
掘進管先端位置姿勢計測方法。9. A step of supplying a current of a pseudo-random signal to the coil, and in a state where the current of the pseudo-random signal is supplied to the coil, each component of the magnetic field at the tip of the drilling tube in three axial directions. Measuring the time displacement of the magnetic field, and calculating the correlation between the measured components of the magnetic field and the reference pseudo-random signal of the same pattern as the pseudo-random signal to calculate the components of the magnetic field. Measuring the direction of gravitational acceleration with respect to the attitude of the excavation tube tip; obtaining the inclination angle and the rotation angle of the excavation tube tip from the gravitational acceleration direction with respect to the orientation of the excavation tube tip; Obtaining a horizontal position and a depth of the tip of the excavation tube from the artificial magnetic field in each axial direction. 【請求項１０】コイルと、 擬似ランダム信号波形の信号を発振する擬似ランダム信
号発生器と、 この擬似ランダム信号発振器から発振された擬似ランダ
ム信号を増幅して、前記コイルに擬似ランダム信号波形
の電流を供給する電源と、 前記掘進管の先端に設けられ、磁界の３軸方向の各成分
をそれぞれ検出する磁界検出器と、 この磁界検出器により計測された磁界の各成分と、前記
擬似ランダム信号波形と同様な参照信号との相関演算を
行い、人工磁界の各成分を演算する人工磁界強度検出部
と、 前記掘進管先端部に設けられ、該掘進管先端部の姿勢に
対する重力加速度方向を検出する重力加速度方向検出器
と、 この重力加速度方向検出器により検出された重力加速度
方向から前記掘進管先端部の傾斜角と回転角とを求める
傾斜角・回転角検出部と、 前記人工磁界の各成分から前記掘進管先端部の水平位置
と深さとを求める水平位置・深さ計測部とを具備してな
ることを特徴とする掘進管先端位置姿勢計測装置。10. A coil, a pseudo-random signal generator for oscillating a signal having a pseudo-random signal waveform, and a pseudo-random signal oscillated from the pseudo-random signal oscillator is amplified, and a current having a pseudo-random signal waveform is supplied to the coil. A magnetic field detector provided at the tip of the digging tube and detecting each component of the magnetic field in three axial directions; each component of the magnetic field measured by the magnetic field detector; and the pseudo-random signal An artificial magnetic field strength detection unit that performs a correlation operation with a reference signal similar to the waveform and calculates each component of the artificial magnetic field; and an gravitational acceleration direction with respect to the attitude of the digging tube tip provided at the digging tube tip. A gravitational acceleration direction detector, and a skew angle / rotation for obtaining a skew angle and a rotation angle of the excavated pipe tip from the gravitational acceleration direction detected by the gravitational acceleration direction detector. A detection unit, excavation pipe tip position and orientation measurement apparatus characterized by comprising comprises a horizontal position and depth measuring unit for obtaining a horizontal position and depth of the excavation pipe tip from the components of the artificial magnetic field. 【請求項１１】前記参照信号は、擬似ランダム信号発生
器と同一パターンの波形を生成する参照用擬似ランダム
信号発生器から発振された信号であることを特徴とする
請求項１０に記載の掘進管先端位置姿勢計測装置。11. The drilling pipe according to claim 10, wherein the reference signal is a signal oscillated from a reference pseudo-random signal generator that generates a waveform having the same pattern as that of the pseudo-random signal generator. Tip position and orientation measurement device. 【請求項１２】前記参照信号は、擬似ランダム信号発生
器から無線機を介して前記ランダム信号が伝送されたも
のであることを特徴とする請求項１０に記載の掘進管先
端位置姿勢計測装置。12. The excavation tube tip position and orientation measuring apparatus according to claim 10, wherein the reference signal is a signal obtained by transmitting the random signal from a pseudo random signal generator via a wireless device.
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