JP2000298021A - 光学式偏角測定装置及び地中掘進機の位置計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 拡散光の光源からの光の位置検出素子での受
光量が計測点により変動して計測精度が低下するのを防
げる光学式偏角測定装置等を提供する。 【解決手段】 基点とこれと距離を置いて基点の両側に
設定した各地点とをそれぞれを結ぶ二つの線分の偏角を
光で計測するため、各光源４１，４２からの拡散光を集
光するレンズ４１１と、この集光した各光を受光してそ
の受光位置を検出する位置検出素子４１２−１，４１２
−２と、レンズに入射しようとする各光源４２，４１か
らの拡散光を透過しかつレンズで集光する各光源４１，
４２からの光を各位置検出素子４１２−１，４１２−２
に導く反射プリズム４１３−１，４１３−２とを設けて
各位置検出素子での検出結果により偏角を演算により計
測できるように構成するとともに、位置検出素子が受光
する光の受光量の検出し、その結果に基づいて位置検出
素子の受光量を調節して、位置検出素子での受光位置が
適切に検出されるようコントローラ４３により制御す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基点とこれと距離
を置いて基点の両側に設定した各地点とをそれぞれを結
ぶ二つの線分の偏角を光で計測する光学式偏角測定装置
と、曲線経路を掘進する地中掘進機の掘進位置を計測す
る地中掘進機の位置計測装置に関するものである。前者
の装置は、地上や地下で行う建設作業にとって特に有用
なものであって、両者の装置は、産業上、共に建設作業
の分野で利用される。

【０００２】

【従来の技術】地上や地下で建設作業を行う場合、基点
となる地点とこれと距離を置いてその両側にそれぞれ設
定した地点とをそれぞれを結ぶ二つの線分同士の角度関
係を知る必要が生じる。例えば、曲折した道路を施工す
るときには、施工路面の曲折部の角度を知ることが必要
になる。その場合には、曲折部の適所に基点となる計測
地点を設定するとともに、これと距離を置いてその両側
の路面施工区域にもそれぞれ計測地点を設定して、基点
となる計測地点とその両側の各計測地点を結ぶ各線分同
士の角度を計測する。また、地中掘進機でカーブした地
下坑を掘削するには、地中掘進機が計画路線（予め設定
された掘進経路）に沿って正しく掘進しているかどうか
を知るため、その掘進位置を確認しなければならない。
その場合にも、後に詳述するように、基点となる計測地
点とその両側の各計測地点を結ぶ各線分同士の角度関係
を知ることが必要になる。このような基点を頂点とする
両側の線分同士の角度関係を知るには、両線分同士の内
角及び外角の何れを計測してもよく、その角度関係を一
義的に特定できるような角度に関する値が計測できれば
その目的が果たせる。この明細書では、こうした二つの
線分同士の角度関係を特定し得るような角度に関する値
を偏角と称している。

【０００３】建設作業においては、これまで、こうした
偏角を計測するのに、トランシットを用いて計測する方
法が一般的に採用されている。このトランシットによる
偏角の計測方法は、人的能力に依存する方法であるた
め、熟練技術者等人手を要するだけでなく一回の測量時
間が長くなる。また、望遠鏡をヨーイング方向（水平方
向）やピッチング方向（垂直方向）に回動させるための
回動機構を必要とするため、この回動機構に起因して機
械的な計測誤差が生じやすく、高い計測精度を確保する
ことが困難である。さらに、ヨーイング方向やピッチン
グ方向に傾動させるような振動等の外力が作用すると、
こうした外力による計測誤差が生じて計測結果に影響を
及ぼす。

【０００４】ところで、地下坑を掘削しながら地中を掘
進する地中掘進機でカーブする地下坑を掘削する場合に
は、地中掘進機が計画路線に沿って正しく掘進できるよ
うに地中掘進機の掘進位置の計測を行う。この種の地中
掘進機としては、人が入れない小口径の管を地中に埋設
する小口径管推進機、人が入れる大口径の管を地中に埋
設するセミシールド機さらにはシールド掘進機を挙げる
ことができる。こうした地中掘進機の掘進位置の計測を
するには、通常、発進立坑等の地中掘進機の掘進の出発
点となる地点及び地中掘進機内にそれぞれ計測始点及び
計測終点を設定するとともに、地中掘進機の掘進の進展
に応じてこれらの中間に適当数の中間計測点を設定す
る。そして、これらの計測点間の各距離を計測するほ
か、中間計測点と隣接する両側の計測地点を結ぶ各線分
同士の偏角を計測して、これらの計測結果に基づいて地
中掘進機の掘進位置を演算により求めるようにしてい
る。こうした地中掘進機の掘進位置の計測過程で偏角を
計測するときにも、従来、トランシットで計測する方法
が採用されていた。このトランシットによる方法は、前
述したように、一回の測量時間が長く人手を要し、特に
手狭な坑内で測量するときには、測量作業に多大の労力
と危険が伴うことから、この種の地中掘進機の掘進位置
計測技術として、従来、掘進位置の計測の際に、偏角を
トランシットによらないでレーザビームで光学的に計測
する方法を採り入れたものがある。

【０００５】こうした方法を採り入れた地中掘進機の掘
進位置計測技術の代表例として、例えば特開平５ー３４
０１８６号公報に記載された技術を挙げることができ
る。この特開平５ー３４０１８６号公報に記載の技術
（以下「従来の技術」という。）は、「カーブする地下
坑内に設定される後方視準点の前方に、測角機能を有す
るレーザ照準機を設置し、シールド掘進機内に、ミニ反
射プリズムを付設した位置検出素子（光電素子）のター
ゲットを設置するとともに、これらの中間位置には、レ
ーザ照準機からのレーザビームを屈折させ屈折させたレ
ーザビームの方向転角を計測できる距離儀付きのウエッ
ジプリズムを、地中掘進機の掘進の進展に応じて適当数
設置するようにした」ものである。

【０００６】この従来の技術により地中掘進機の掘進位
置を計測するときは、ウエッジプリズムを遠隔操作で回
動させることにより、レーザ照準機からのレーザビーム
を、ウエッジプリズムを介してシールド掘進機内のター
ゲットに常に当てるようにする。そうすると、ウエッジ
プリズムを経由したレーザ照準機からのレーザビームが
ターゲットの位置検出素子に当てられるため、レーザス
ポットの位置が検出されるとともに、ウエッジプリズム
の設置点の偏角がウエッジプリズムの回動量により計測
され、また、各計測点間の距離がウエッジプリズムの距
離儀により計測される。従来の技術では、こうして得ら
れた各計測点間の距離、偏角及びレーザスポットの位置
に基づいて地中掘進機の掘進位置を座標位置により計測
する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の技
術に係る地中掘進機の掘進位置計測技術や同技術に採り
入れられている偏角計測技術は、収束度の高いレーザ光
であるレーザビームを、検出器をなす位置検出素子に当
てるようにウエッジプリズムを回動させて、その回転量
によりウエッジプリズムの設置点の偏角を計測するよう
にしている。そのため、地中掘進機の掘進位置を計測す
る際、レーザビームを検出器の位置検出素子に的確に当
てるようにウエッジプリズムを回動させる操作を要して
操作が複雑であるばかりでなく、ウエッジプリズムを回
動させるための回動機構を要し、これに伴って種々の問
題がもたらされることとなる。例えば、回動機構を要す
るために機械的な計測誤差が生じやすく、光学的な誤差
に機械的な誤差が加わって高い計測精度を確保すること
が困難であるとともに、レーザ照準機が外力によりピッ
チングやヨーイング方向に振動すると、大きな計測誤差
が生じる。特に、地中掘進機の掘進位置の計測では、偏
角の計測結果が掘進位置の計測結果に及ぼす度合いが大
きいことに加えて、緩やかなカーブをなす場所の偏角を
計測する機会が多く、偏角を精度よく計測する必要性が
高いことから、回動機構による機械的な計測誤差や振動
による計測誤差が生じると、地中掘進機の掘進位置の計
測結果に多大な影響を及ぼす。

【０００８】こうしたことから、出願人は、検出器に当
てるための光源として、レーザビームよりも広い領域を
照らせる拡散光を用いて、レーザビームのように光を検
出器の位置検出素子に的確に当てるための操作は要せず
機械的な計測誤差や振動による計測誤差も生じないよう
にした斬新的な偏角測定装置やこれを用いた地中掘進機
の位置計測装置について技術開発を進めている。その技
術開発の過程で生まれた発明は、すでに特許出願されて
おり、その代表的なものとして、特願平９ー２９７２９
５号に係る光学式偏角測定装置及び地中掘進機の位置計
測装置の発明を挙げることができる。

【０００９】この発明に係る光学式偏角測定装置は、基
点の両側に設定した各地点にそれぞれ設置され拡散光を
発する偏角計測用の光源と、基点に設置される偏角計測
用の検出器とからなり、偏角計測用の各光源が発する拡
散光を検出器の集光手段でそれぞれ集光した後、検出器
の各位置検出素子でそれぞれ受光してその受光位置を検
出し、各位置検出素子での検出結果に基づいて各光源の
光軸同士の偏角を演算により算出できるようにしたもの
である。また、この発明に係る地中掘進機の位置計測装
置は、こうした光学式偏角測定装置を使用することによ
り、曲線経路を掘進して地下坑を掘削する地中掘進機の
掘進位置を計測しようとするものであって、偏角計測用
の検出器等での検出結果に基づいてそれぞれ得られる偏
角及び光源の方向に関するデータと隣接計測点間の各距
離に関するデータとに基づいて、始点計測点に対する終
点計測点の相対位置を演算手段で演算して計測するよう
にしたものであり、何れも、光源に、レーザビームより
広領域を照らせる拡散光を用いて、従来の技術で生じる
前記の問題を解決するようにした点に特徴がある。これ
らの光学式偏角測定装置及び地中掘進機の位置計測装置
の詳細は、後に、この出願の発明を説明する過程で詳述
する。

【００１０】これらの光学式偏角測定装置や地中掘進機
の位置計測装置について、その後、実用化を図るための
研究開発を進めたところ、これらの装置には、拡散光の
光源を用いたことに伴って拡散光の光源特有の問題が生
じ、更に改良すべき点のあることを見出した。

【００１１】この点について言及すると、光学式偏角測
定装置や地中掘進機の位置計測装置で計測する場合、光
源と位置検出素子の間の距離は、計測現場の状況により
計測点ごとにバラツキがあり、常に望ましい状態にある
とは限らない。そのため、位置検出素子で受光する光源
からの光量は、計測点によって変動し、位置検出素子で
の検出結果に基づいて得られる光源の方向に関するデー
タは、こうしたことに起因して信頼性が低下することが
判明した。すなわち、位置検出素子は、受光した光の光
量を検出するためのマトリックス状の多数の画素を有
し、各画素での受光量の検出値を順次出力するようにな
っているが、位置検出素子の受光量が規定の許容値より
も多い場合には、多量の光量を受けた画素が正確な光量
を検出できなくなってしまうため、結像点の重心座標位
置を各画素での検出値から求めたときに精度よく求める
ことができなくなる。また、位置検出素子の受光量が少
すぎる場合には、検出しようとする光源とは別の光がノ
イズとして入射したときにノイズの影響力が相対的に高
まるため、光源の光の結像点の位置を正確に検出するこ
とができなくなる。以上の結果、光学式偏角測定装置や
地中掘進機の位置計測装置による計測精度も低下するこ
ととなり、その対策が望まれる。

【００１２】この出願の光学式偏角測定装置及び地中掘
進機の位置計測装置に係る発明は、こうした要求に応え
るために創作されたものであって、これらの各発明の技
術課題は、拡散光の光源からの光の位置検出素子での受
光量が計測点により変動して計測精度が低下するのを防
ぐことができる光学式偏角測定装置や地中掘進機の位置
計測装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この出願の発明の光学式
偏角測定装置及び地中掘進機の位置計測装置に関する前
記の技術課題は、それぞれ次の１）及び２）の手段によ
り解決される。

【００１４】１）基点とこれと距離を置いて基点の両側
に設定した各地点とをそれぞれを結ぶ二つの線分の偏角
を光で計測する光学式偏角測定装置を構成する場合、基
点の両側に設定した各地点にそれぞれ設置され拡散光を
発する偏角計測用の光源と基点に設置される偏角計測用
の検出器とからなり、各光源からの拡散光をそれぞれ集
光する集光手段と、集光手段でそれぞれ集光した各光源
からの光をそれぞれ受光してその受光位置を検出する各
位置検出素子とを設けて、偏角計測用の検出器を構成
し、各位置検出素子での検出結果に基づいて各光源の光
軸同士の偏角を演算により算出できるようにするととも
に、位置検出素子が受光する光量を調節できる受光量調
節手段と、位置検出素子が受光する光量の指標となる値
を検出する受光量検出手段と、受光量検出手段での検出
結果に基づいて、位置検出素子の受光量を受光量調節手
段で調節することにより位置検出素子での光の受光位置
が適切に検出されるように、制御できるようにする受光
量制御手段を設ける。

【００１５】２）地下坑を掘削しながら地中を掘進する
地中掘進機の掘進位置の計測に用いられ、掘進方向前方
に配置しその掘進位置の指標となる被計測点の位置を、
掘進方向後方に配置し計測の始点となる始点計測点との
位置関係で計測する地中掘進機の位置計測装置を構成す
る場合、前方に拡散光を発する光源と少なくとも前方の
光源からの拡散光を集光する集光手段と集光手段で集光
した光源からの光を受光してその受光位置を検出する位
置検出素子とを有し始点計測点を設定する始点計測ユニ
ットと、後方に拡散光を発する光源と後方の光源からの
拡散光を集光する集光手段と集光手段で集光した光源か
らの光を受光してその受光位置を検出する位置検出素子
とを有し被計測点を設定する被測点計測ユニットと、前
方及び後方に拡散光を発する各光源と前方及び後方の光
源からの拡散光をそれぞれ集光する集光手段と集光手段
でそれぞれ集光した各光源からの光をそれぞれ受光して
その受光位置を検出する位置検出素子とを有し地下坑に
おける始点計測ユニットと被測点計測ユニットとの間に
配置される少なくとも一つの中間計測ユニットとを設け
て、始点計測ユニット及び中間計測ユニットでの検出結
果に基づいて得られる各光源の方向に関するデータと隣
合う各計測ユニット間の距離に関するデータとに基づい
て、始点計測点に対する被計測点の相対位置を演算装置
で演算して計測するようにするとともに、位置検出素子
が受光する光量を調節できる受光量調節手段と、位置検
出素子が受光する光量の指標となる値を検出する受光量
検出手段と、受光量検出手段での検出結果に基づいて、
位置検出素子の受光量を受光量調節手段で調節すること
により位置検出素子での光の受光位置が適切に検出され
るように、制御できるようにする受光量制御手段を設け
る。

【００１６】この出願の発明の光学式偏角測定装置は、
前記１）に示すように、偏角計測用の光源として、特に
拡散光を発する光源を用いて、拡がりをもつ光でレーザ
ビームよりも広い領域を照らせるようにしたことによ
り、光源にレーザビームを用いる従来の技術のように光
源の光を位置検出素子に当てるための操作は要せず、ひ
いては、その操作を可能にするための回転機構を設ける
必要がなくなって、その回転機構に起因する機械的な計
測誤差も生じない。また、その拡がりをもつ偏角計測用
の各光源の光を一個の偏角計測用の検出器に集光手段で
集めて受光位置を検出し、各検出結果に基づいて各光源
の光軸同士の偏角を求め得るようにしたことにより、偏
角計測用の検出器がピッチング及びヨーイング方向に振
動しても、偏角の計測結果がその影響を受けにくいとと
もに、検出器や光源を設置する際、位置設定さえ正確に
行えば、偏角の計測結果が検出器や光源の取付姿勢に影
響されることもない。

【００１７】特に、本発明の光学式偏角測定装置では、
受光量調節手段と受光量検出手段と受光量制御手段とを
設けて、受光量検出手段での検出結果に基づいて位置検
出素子の受光量を受光量調節手段で調節して、位置検出
素子での光の受光位置が適切に検出されるよう受光量制
御手段により制御できるようにしているので、拡散光の
光源からの光の位置検出素子での受光量が計測点により
変動して計測精度が低下するのを防ぐことができる。

【００１８】この出願の発明の地中掘進機の位置計測装
置は、前記２）に示すように、発明の本質をなす主要部
の手段がこうした光学式偏角測定装置と実質上変わらな
いので、その当然の結果として、光源からの光を位置検
出素子に当てるための操作をしなくても済み、回転機構
に起因する機械的な計測誤差も生じない。また、中間計
測ユニットが外力によりピッチング方向やヨーイング方
向に振動しても、計測誤差が生じにくいとともに、中間
計測ユニットを計測点に設置する際、位置設定さえ正確
に行えば、取付姿勢が不統一であっても、その取付姿勢
の影響を受けることなく地中掘進機の掘進位置を正しく
計測することができる。そして、本発明の光学式偏角測
定装置と同様、受光量調節手段と受光量検出手段と受光
量制御手段とを設けているので、拡散光の光源からの光
の位置検出素子での受光量が計測点により変動して計測
精度が低下するのを防ぐことができる。

【００１９】なお、始点計測ユニットでは、少なくとも
前方の光源からの光の受光位置を位置検出素子で検出す
ることにより前方の光源の方向を検出して、地中掘進機
が発進したときの実際の発進方向を検出する働きをし、
その検出結果と前記中間計測ユニットでの検出結果に基
づいて得られる各光源の方向に関するデータと隣合う各
計測ユニット間の距離に関するデータとに基づいて、始
点計測点に対する被計測点の相対位置を演算装置で演算
して計測することができる。また、被測点ユニットで
は、後方の光源の方向を検出してピッチング方向やヨー
イング方向の掘削機の姿勢を検出する働きをし、そのた
め、別途、掘削機の姿勢検出用の計測器を新設しないで
も済む。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、この出願の光学式偏角測定
装置や地中掘進機の位置計測装置に係る発明が実際上ど
のように具体化されるのかを示す具体化例を図１乃至図
５に基づいて説明することにより、この出願の各発明の
実施の形態を明らかにする。図１は、検出器と光源とを
ユニット化して一体にした本発明の光学式偏角測定装置
の具体化例を示す斜視図、図２は、図１の光学式偏角測
定装置を使用した地中掘進機の位置計測装置により地中
掘進機の掘進位置を計測している状態の全体像を概略的
に示す図、図３は、この出願の各発明の技術的意義を説
明するための光学式偏角測定装置の第１の配置状態を示
す図２と同様の図、図４は、この出願の各発明の技術的
意義を説明するための光学式偏角測定装置の第２の配置
状態を示す図２と同様の図、図５は、図１の光学式偏角
測定装置に設けられたコントローラの作用を説明するた
めの流れ図である。

【００２１】冒頭で述べたように、光学式偏角測定装置
は、基点とこれと距離を置いて基点の両側に設定した各
地点とをそれぞれを結ぶ二つの線分の偏角を光で計測す
る装置である。ここで基点とは、計測しようとする角度
の頂点の個所に設定する計測点を意味する。ここに示す
光学式偏角測定装置は、全体像が図１に図示されてお
り、大別すると、基点の両側に設定した地点にそれぞれ
設置される偏角計測用の各光源４１，４２と、基点に設
置され各光源４１，４２の方向を検出できる偏角計測用
の検出器とからなる。また、ここに示す地中掘進機の位
置計測装置は、こうした光学式偏角測定装置を使用する
ことにより、曲線経路を掘進して地下坑を掘削する地中
掘進機の掘進位置を計測するもので、その掘進位置の計
測は、地中掘進機の掘進位置の指標となる被計測点の位
置を計測の始点となる始点計測点との位置関係で計測す
ることにより行う。

【００２２】まず、この出願の発明の光学式偏角測定装
置及び地中掘進機の位置計測装置のベースとなる技術内
容を、図１及び図２を用いて説明する。１は地中掘進機
の主要部をなす掘削機、２はシールド掘進機で掘削した
坑道又は管推進機で掘削した管渠等の地下坑、３は地中
掘進機の掘進の出発点となる発進立坑、４は後述する始
点計測ユニット４００ａ、中間計測ユニット４００及び
被測点計測ユニット４００ｂとそれぞれ通信ラインで接
続され地中掘進機の掘進位置を演算する中央演算処理装
置、５は中央演算処理装置４での演算結果やその演算結
果に基づいて得られる情報をオペレータの操縦の便のた
めに数値やグラフで表示する表示装置である。掘削機１
は、管推進機及びシールド掘進機等、地下坑２を掘削し
ながら地中を掘進する地中掘進機の掘削機であれば、何
れのものでもよい。地下坑２は、管推進機であれば、ヒ
ューム管、鋼管等の埋設管で坑壁が形成され、シールド
掘進機であれば、鋼製又はコンクリート製のセグメント
で坑壁が形成される。

【００２３】４００ａは始点計測点を設定する始点計測
ユニット、４００ｂは被計測点を設定する被測点計測ユ
ニット、４００は地下坑２内におけるこれら始点計測ユ
ニット４００ａと被測点計測ユニット４００ｂとの間に
設定された中間計測点に配置される中間計測ユニットで
ある。中間計測ユニット４００は、地中掘進機の掘進の
進展に応じて一つ以上所望の数配置するが、ここでは、
説明の便宜上三つの中間計測ユニット４００を配置した
例を示している。始点計測ユニット４００ａ、中間計測
ユニット４００及び被測点計測ユニット４００ｂは、大
別すると、隣合う計測ユニットに対して拡散光を発する
光源と、隣合う計測ユニットの光源から拡散光を受けて
その光の方向を検出するように構成された光源方向の検
出器とからなっていて、何れも基本的な構造は変わらな
い。

【００２４】地中掘進機の掘進位置を光で計測する場
合、その光による計測の始点となる始点計測点と掘進中
の地中掘進機の現在位置を表す指標となり得るような被
計測点を設定する必要があるが、これらの計測点を設定
するため、始点計測ユニット４００ａは、通常、発進立
坑３に設置し、被測点計測ユニット４００ｂは、通常、
掘削機１（シールド工事ではシールド掘進機、管推進工
事では先導体）に設置する。しかしながら、始点計測点
は、発進立坑３との位置関係が特定できる地点であれ
ば、発進立坑３内に限らず、発進立坑３の前方の地下坑
２内に設定する等、適宜の個所に設定することができ
る。

【００２５】前述したように、各計測ユニット４００
ａ，４００，４００ｂは、何れも基本的な構造は変わら
ないので、各計測ユニット４００ａ，４００，４００ｂ
を代表して中間計測ユニット４００の構造を図１に基づ
いて説明し、併せて、他の計測ユニット４００ａ，４０
０ｂの構造も明らかにする。なお、図１中、４１は、図
１に図示の中間計測ユニット４００の後方に配置した計
測ユニットが内蔵している前方光源を表し、４２は、図
１に図示の中間計測ユニット４００の前方に配置した計
測ユニットが内蔵している後方光源を表す。まず、この
中間計測ユニット４００の概要を説明すると、中間計測
ユニット４００は、前方の計測ユニット及び後方の計測
ユニットに対してそれぞれ拡散光を発する前方光源４１
及び後方光源４２と、隣合う前方の計測ユニットの後方
光源４２及び後方の計測ユニットの前方光源４１から拡
散光をそれぞれ受けて各光源４２，４１の方向を検出す
るための、レンズ４１１、位置検出素子４１２−１，４
１２−２及び反射プリズム４１３−１，４１３−２を有
する光源方向の検出器とでユニットをなすように構成さ
れている。この中間計測ユニット４００における光源方
向の検出器は、偏角計測用の検出器としての役割を果た
す。

【００２６】次に、中間計測ユニット４００の詳細を説
明すると、４１１は前方の計測ユニットの後方光源４２
及び後方の計測ユニットの前方光源４１の拡散光を集光
する（収束させて集める）両光源４１，４２に共通の集
光手段としてのレンズ、４１２−１は、このレンズ４１
１で集められた後方の計測ユニットの前方光源４１から
の拡散光を受光しその受光位置を検出する光センサとし
ての位置検出素子、４１２−２はレンズ４１１で集めら
れた前方の計測ユニットの後方光源４２からの拡散光を
受光しその受光位置を検出する同様の位置検出素子、４
１３−１はレンズ４１１で集光する後方の計測ユニット
の前方光源４１からの拡散光を位置検出素子４１２−１
に導くように光の方向を転換する反射プリズム、４１３
−２はレンズ４１１で集光する前方の計測ユニットの後
方光源４２からの拡散光を位置検出素子４１２−２に導
くように光の方向を転換する反射プリズムである。

【００２７】中間計測ユニット４００は、大別すると、
以上述べた光源４１，４２とレンズ４１１と位置検出素
子４１２−１，４１２−２と反射プリズム４１３−１，
４１３−２とで構成される。光源４１，４２には、例え
ば発光ダイオードやある種の半導体レーザのような拡散
光を発するいわゆる点光源のようなものを用いる。すな
わち、レーザビームのような収束度の高い光線を発する
ものは用いることができないが、基本的には、微小なエ
リアから放射状に拡がる拡散光を発するようなものであ
れば、設計上、適宜選択して使用することができる。

【００２８】位置検出素子４１２−１及び位置検出素子
４１２−２は、隣合う計測ユニットの後方光源４２及び
前方光源４１からレンズ４１１に入射しようとする拡散
光を遮断しない位置にそれぞれ配置することとする。こ
こに示す例では、位置検出素子４１２−１は、その受光
面をレンズ４１１の光軸Ｃ（レンズ４１１の中心を通り
これに直交する軸線）と直交する方向に向けて側方に配
置し、位置検出素子４１２−２は、その受光面をレンズ
４１１の光軸Ｃと直交する方向に向けて上方に配置して
いる。位置検出素子４１２−１，４１２−２には、フォ
トダイオードをマトリックス状に配置したＭＯＳ型撮像
素子やＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ−Ｄｅｖ
ｉｃｅ）撮像素子等の二次元光センサを用いることとし
ている。また、フォトダイオードの表面抵抗を利用して
光スポットの位置を検出することのできるＰＳＤ（Ｐｏ
ｓｉｔｉｏｎ−Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ−Ｄｅｖｉｃｅ）の
ようなものを用いてもよく、要は、集光レンズで集めら
れた光を受光しその受光した光の位置を検出できるもの
であればよく、その種類は限定されない。

【００２９】反射プリズム４１３−１及び反射プリズム
４１３−２は、それぞれ、レンズ４１１の前方位置及び
後方位置に配置され、隣合う前方の計測ユニットの後方
光源４２及び後方の計測ユニットの前方光源４１からレ
ンズ４１１に入射しようとする各拡散光の少なくとも一
部をそれぞれ透過させ、レンズ４１１で集光した前方光
源４１及び後方光源４２からの光の少なくとも一部をそ
れそれ反射面で反射させて位置検出素子４１２−１及び
位置検出素子４１２−２の受光面に導くように方向転換
させる働きをする。また、これらの反射プリズム４１３
−１及び反射プリズム４１３−２は、それぞれ、中間計
測ユニット４００それ自体にユニットとして組み込まれ
ている前方光源４１及び後方光源４２の拡散光の少なく
とも一部をそれぞれ反射面で反射させて隣合う前方の計
測ユニット及び後方の計測ユニットに向けるように方向
転換させる働きもする。

【００３０】こうした反射プリズム４１３−１，４１３
−２に一般的なものを用いると、レンズ４１１に入射し
ようとする各光源４１，４２からの拡散光が、それぞ
れ、その入射前に、反射プリズム４１３−２，４１３−
１で一部反射されて減少するため、各位置検出素子４１
２−１，４１２−２に導かれる光量が損失する。こうし
た問題を解消するため、レンズ４１１に入射しようとす
る各光源４１，４２からの拡散光を、互いに振動方向の
直交する直線偏光の拡散光になるようにするとともに、
各反射プリズム４１３−１，４１３−２として、レンズ
４１１に入射しようとする一方の直線偏光の拡散光を透
過させかつレンズ４１１で集光される過程の他方の直線
偏光の拡散光を位置検出素子４１２−１，４１２−２に
導くように反射する偏光反射プリズムを用いるとよい。
反射プリズム４１３−１，４１３−２にこうした偏光反
射プリズムを用いると、レンズ４１１に入射しようとす
る光源４２，４１からの拡散光を、その光量を損失させ
ることなく透過させるとともに、レンズ４１１で集光さ
れる過程の光源４１，４２からの拡散光を、位置検出素
子４１２−１，４１２−２に導くように全反射させるこ
とができ、レンズ４１１で集光した光の受光位置を位置
検出素子４１２−１，４１２−２で明確に検出すること
ができる。

【００３１】以上の構造を備えた中間計測ユニット４０
０の作用を説明する。前方の計測ユニットの後方光源４
２から発せられる拡散光は、中間計測ユニット４００の
前方の反射プリズム４１３−１に入射後、その少なくと
も一部が同反射プリズム４１３−１を透過してレンズ４
１１で集光され、しかる後、その背後の反射プリズム４
１３−２で反射されて方向転換をし、中間計測ユニット
４００の後方の位置検出素子４１２−２上に結像する。
同様にして、後方の計測ユニットの前方光源４１からの
拡散光は、その少なくとも一部が中間計測ユニット４０
０の手前の反射プリズム４１３−２を透過してレンズ４
１１で集光され、しかる後、その背後の反射プリズム４
１３−１で反射されて中間計測ユニット４００の前方の
位置検出素子４１２−１上に結像する。この間、中間計
測ユニット４００に組み込まれた前方光源４１及び後方
光源４２の拡散光は、それぞれ、反射プリズム４１３−
１及び反射プリズム４１３−２の作用により前方の計測
ユニット及び後方の計測ユニットに向けて出射される。

【００３２】各位置検出素子４１２−１，４１２−２に
は、それぞれの受光面にＸ−Ｙ平面座標が予め設定され
ているため、光源４１，４２からの拡散光が結像する
と、その結像位置すなわち集光した拡散光の受光位置を
Ｘ，Ｙ軸の座標点として検出する。こうして拡散光の受
光位置が検出されると、その検出結果に基づいて各光源
４１，４２の方向を演算により検出することができる。
これらの各光源４１，４２の方向は、中間計測ユニット
４００の基準線（通常はレンズ４１１の光軸Ｃに合わせ
るように設定）に対して各光源４１，４２の光軸Ｄ（各
光源４１，４２の拡散光が前後方向に直進するときの各
出発点の中心位置とレンズ４１１の中心位置とをそれぞ
れ結ぶ各線）のなす角度で表すことができる。この角度
は、各光源４１，４２の方向の水平方向の成分（レンズ
４１１の光軸Ｃと各光源４１，４２の光軸Ｄを水平面上
へ正投影した線同士のなす角度）と垂直方向の成分（レ
ンズ４１１の光軸Ｃと各光源４１，４２の光軸Ｄをレン
ズ４１１の光軸Ｃと平行な垂直面上へ正投影した線同士
のなす角度）とで特定することができる。

【００３３】これら各光源４１，４２の方向の水平方向
の成分及び垂直方向の成分は、レンズ４１１の光軸Ｃ上
を通る各光源４１，４２の光軸Ｄがそれぞれレンズ４１
１に入射後、レンズ４１１の中心位置から位置検出素子
４１２−１，４１２−２に到達するまでの過程にたどる
距離の総和（この値は中間計測ユニット４００の仕様に
より定まる既知の値である。）と、位置検出素子４１２
−１，４１２−２への各光源４１，４２の拡散光の結像
位置のＸ軸方向の成分及びＹ軸方向の成分との関係から
演算により求めることができる。こうした演算は、中央
演算装置４で行ってもよいが、光源４１，４２の方向の
水平方向の成分及び垂直方向の成分は、前記の拡散光の
結像位置のＸ軸方向の成分及びＹ軸方向の成分が検出さ
れれば、一義的に定まる値であって機械的に求められる
ので、ここに示す例では中間計測ユニット４００に付設
したコントローラで求めている。

【００３４】こうして光源４１，４２の方向の水平方向
の成分及び垂直方向の成分を検出すると、その検出結果
に基づいて各光源４１，４２の光軸Ｄ同士の偏角の水平
方向の成分（各光源４１，４２の光軸Ｄを水平面上へ正
投影した線同士のなす角度）及び垂直方向の成分（各光
源４１，４２の光軸Ｄをレンズ４１１の光軸Ｃと平行な
垂直面上へ正投影した線同士のなす角度）を算出でき
る。すなわち、光源４１の方向の水平方向の成分に関す
る角度から光源４２の方向の水平方向の成分に関する角
度を減算することにより、中間計測ユニット４００のレ
ンズ４１１の中心点を頂点とする各光源４１，４２の光
軸Ｄ同士の偏角（外角の偏角）の水平方向の成分を求め
ることができ、同じく、前者の垂直方向の成分に関する
角度から後者の水平方向の成分に関する角度を減算する
ことにより、レンズ４１１の中心点を頂点とする各光源
４１，４２の光軸Ｄ同士の偏角（外角の偏角）の垂直方
向の成分を求めることができる。その場合、これらの角
度には極性をもたせて、光源４１，４２の光軸Ｄをレン
ズ４１１の光軸Ｃに重なるように最小の角度で回動させ
る方向が時計方向であるときを正、反時計方向であると
きを負とする。

【００３５】こうして中間計測ユニット４００のレンズ
４１１の中心点を頂点とする各光源４１，４２の光軸Ｄ
同士の偏角を求め得ることから、二つの線の偏角を計測
するには、測定しようとする角度の頂点すなわち基点の
個所にレンズ４１１の中心点が位置するように中間計測
ユニット４００を設置するとともに、二つの線上の任意
の個所にそれぞれ光源４１，４２を設置して以上述べた
手法で偏角の垂直方向の成分及び水平方向の成分を求め
ればよく、これにより二つの線の角度関係が特定されて
偏角を計測することができる。したがって、図１に例示
する光学式偏角測定装置は、中間計測ユニット４００中
の光源方向の検出器が偏角計測用の検出器の役割を果た
し、この中間計測ユニット４００と隣合う各光源４１，
４２が偏角計測用の光源となって、これら光源方向の検
出器と各光源４１，４２とで構成される。

【００３６】こうして構成される光学式偏角測定装置
は、各光源４１，４２に特に拡散光を発する光源を用い
て、拡がりをもつ光でレーザビームよりも広い領域を照
らせるようにしているため、偏角を光学的に計測する場
合に、ウエッジプリズムを回動させることによりレーザ
ビームを位置検出素子に当てる従来の技術で行われてい
るような操作は行わなくても計測することができる。そ
の結果、こうした操作を可能にするための回転機構を設
ける必要もなくなるため、従来の技術と異なり、回転機
構に起因する機械的な計測誤差も生じない。また、拡散
光の光源４１，４２は、このように照射領域が広いた
め、中間計測ユニット４００や光源４１，４２が外力に
より振動しても、中間計測ユニット４００中の光源方向
の検出器を常に照らすことができて計測に支障が生じる
こともない。

【００３７】前記の手法で計測される偏角の計測値は、
中間計測ユニット４００中の光源方向の検出器が姿勢の
変化や振動等により上下方向（ピッチング方向）や左右
方向（ヨーイング方向）に傾動して、各光源４１，４２
の方向に関する角度が変動しても、こうした変動に影響
されることなく一定に保たれる。したがって、光源方向
の検出器が外力によりピッチング方向やヨーイング方向
に振動しても、計測誤差が生じにくい。また、こうした
ことや更には光源４１，４２が拡散光であってレンズ４
１１で集めるようにしていることから、光源方向の検出
器や光源４１，４２を設置する際、位置設定さえ正確に
行えば、それらの取付姿勢が一定していなくてもよく、
偏角の計測結果がそれらの取付姿勢に影響されることも
ない。

【００３８】中間計測ユニット４００を構成する場合、
反射プリズム４１３−１，４１３−２を設けないで、中
間計測ユニット４００の前部及び後部にそれぞれレンズ
４１１を配置して、各レンズ４１１の背後にそれぞれ位
置検出素子４１２−１，４１２−２を配置するととも
に、レンズ４１１の前方位置及び後方位置にそれぞれ光
源４１及び光源４２を配置して構成してもよく、このよ
うに構成しても以上の効果を奏する。しかしながら、こ
こに示すように反射プリズム４１３−１，４１３−２を
設けると、隣合う前方の計測ユニットの後方光源４２及
び後方の計測ユニットの前方光源４１からの拡散光がレ
ンズ４１１に入射するのを阻止しない位置にそれぞれ位
置検出素子４１２−１及び位置検出素子４１２−２を配
置することが可能となるため、拡散光を集めるためのレ
ンズ４１１を、各光源４１，４２ごとに設けることは要
せず共通化することができる。

【００３９】このように光源４１，４２からの拡散光を
集光するレンズを共通化すると、各光源４１，４２の方
向に基づいて当該中間計測ユニット４００で計測される
偏角は、共通のレンズ４１１の中心位置を頂点とする各
光源４１，４２の光軸Ｄ同士のなす偏角が計測されるこ
ととなる。その結果、その計測される偏角は、レンズ４
１１を前記のように前方光源４１及び後方光源４２に対
応して別々に設ける場合に比べて、当該中間計測ユニッ
ト４００がピッチング方向及びヨーイング方向に変位し
ても確実に変動しなくなるため、当該中間計測ユニット
４００の取付時の取付姿勢の不統一やその後の外力によ
る姿勢の変化にも一層影響されなくなって精度の高いも
のとなる。

【００４０】以上述べた中間計測ユニット４００は、前
後の光源４１，４２と集光手段としてのレンズ４１１と
前後の位置検出素子４１２−１，４１２−２と前後の反
射プリズム４１３−１，４１３−２とを有し、これらを
ケース内に組み込んでユニット状に一体構成している。
これに対し、始点計測ユニット４００ａは、中間計測ユ
ニット４００から後方側の光源４２及び前方側の位置検
出素子４１２−１を省いたものであり、後方側の位置検
出素子４１２−２をレンズ４１１の背後に配置すれば、
後方側の反射プリズム４１３−２も省くこともできる。
また、被測点計測ユニット４００ｂは、中間計測ユニッ
ト４００から前方側の光源４１及び後方側の位置検出素
子４１２−２を省いたものであり、前方側の位置検出素
子４１２−１をレンズ４１１の背後に配置すれば、前方
側の反射プリズム４１３−１を省くこともできる。

【００４１】これら計測ユニット４００ａ，４００ｂの
構造を具体的に確認すると、始点計測ユニット４００ａ
は、前方に拡散光を発する光源４１と、前方の中間計測
ユニット４００の後方光源４２からの拡散光を集光する
レンズ４１１と、レンズ４１１で集光した光を受光して
その受光した光の位置を検出することによりこの光源４
２の方向を検出できるように配置された位置検出素子４
１２−２と、レンズ４１１に入射しようとする光源４２
からの拡散光の少なくとも一部を透過する前方側の反射
プリズム４１３−１を有していればよく、後方側の反射
プリズム４１３−２は必要に応じて設ければよい。ま
た、被測点計測ユニット４００ｂは、後方に拡散光を発
する光源４２と、後方の中間計測ユニット４００の前方
光源４１からの拡散光を集光するレンズ４１１と、レン
ズ４１１で集光した光を受光しその受光した光の位置を
検出することによりこの光源４１の方向を検出できるよ
うに配置された前方側の位置検出素子４１２−１と、レ
ンズ４１１に入射しようとする後方の中間計測ユニット
４００の前方光源４１からの拡散光の少なくとも一部を
透過する後方側の反射プリズム４１３−２を有していれ
ばよく、前方側の反射プリズム４１３−１は必要に応じ
て設ければよい。

【００４２】こうした始点計測ユニット４００ａや被測
点計測ユニット４００ｂに必要な構造は、図１の中間計
測ユニット４００が備えているので、始点計測ユニット
４００ａや被測点計測ユニット４００ｂに中間計測ユニ
ット４００をそのまま使用して、中間計測ユニット４０
０を計測始点や被計測点にセットするときに必要な構造
だけをソフト上活かすようにしてもよい。このように中
間計測ユニット４００を始点計測ユニット４００ａや被
測点計測ユニット４００ｂに兼用するようにすれば、製
作する機器の種類を少なくできてそれらの製作を省力化
することができるだけでなく、使用する機器の種類も少
なくできて機器の使用上の便もよい。

【００４３】図２は、こうした計測ユニット４００ａ，
４００ｂの間に複数個の中間計測ユニット４００を配置
し、隣合う計測ユニット間で拡散光を照射して地中掘進
機の掘進位置を計測するときの態様を示している。図２
において、Ｖは計測ユニット間の基準点同士を結ぶ直線
を表し、この明細書では、こうした直線を見通し線と称
する。各計測ユニット４００，４００ａ，４００ｂは、
光源４１，４２をレンズ４１１の中心位置に配置したの
と等価の構造をしているものとし、それゆえ、各計測ユ
ニットの基準点は、何れもレンズ４１１の中心に位置す
るとともに、各計測ユニットの各光源４１，４２の拡散
光は、レンズ４１１の中心を出発点として前後方向に直
進するようになっている。図２には、始点計測ユニット
４００ａと被測点計測ユニット４００ｂとの間に三つの
中間計測ユニット４００を設置した例を示しているが、
これらの計測ユニット４００ａ，４００ｂの間には、地
中掘進機の掘進距離や地下坑２のカーブの状態等を考慮
しながら、一つ以上所望の数の中間計測ユニット４００
を、互いに見通すことのできる適当間隔を置いて設置す
ることができる。

【００４４】地中掘進機の掘進位置を計測する場合、前
後、上下、左右の３次元の位置座標上における始点計測
点（座標の原点）に対する被計測点の相対位置を演算し
て計測する。したがって、地中掘進機の掘進位置は、掘
進方向である前後方向の座標点に対応して上下方向の座
標点及び左右方向の座標点が求められて特定される。ま
た、これに対応して、光源４１，４２の方向に関する角
度等も前述したように水平方向の成分及び垂直方向の成
分として求められて特定される。３次元の位置座標を設
定する場合、演算の便のため、座標の原点を始点計測点
に一致させ、前後方向の座標軸を発進基準方向（地中掘
進機の発進時における予め設定した基準となる掘進路線
の方向）に一致させる。各計測ユニットを各計測点に設
置する場合には、始点計測ユニット４００ａについては
その基準線（レンズの光軸Ｃ）を発進基準方向に合わ
せ、被測点ユニット４００ｂについては掘削機１の中心
軸線の方向に合わせるように姿勢を調整するが、中間計
測ユニット４００については、予め定めた位置に設置す
るだけで姿勢までも調整する必要はない。

【００４５】中間計測ユニット４００では、光源４１，
４２の拡散光の受光位置に関する検出結果に基づいて、
前述した手法により、隣合う前方の計測ユニットの後方
光源４２の方向や後方の計測ユニットの前方光源４１の
方向を検出する。これらの光源４１，４２の方向のう
ち、前方の計測ユニットの後方光源４２の方向は、中間
計測ユニット４００の基準線とその基準線の前方側の見
通し線Ｖとのなす角度で表すことができ、後方の計測ユ
ニットの前方光源４１の方向は、中間計測ユニット４０
０の基準線とその基準線の後方側の見通し線Ｖとのなす
角度で表すことができる。そして、前述したように前者
の角度から後者の角度を減算することにより、各中間計
測ユニット４００の基準点を頂点とする偏角（後方側の
見通し線Ｖの延長線と前方側の見通し線Ｖとのなす角度
すなわち外角の偏角）を求めることができる。始点計測
ユニット４００ａでは、隣合う前方の中間計測ユニット
４００の後方光源４２の方向を検出し、これにより地中
掘進機が発進したときの実際の発進方向を検出すること
ができる。この発進方向は、前記したように始点計測ユ
ニット４００ａの基準線を発進基準方向に合わせている
ことから、その基準線と見通し線Ｖとのなす角度で表す
ことができる。

【００４６】この地中掘進機の位置計測装置では、こう
した発進方向に関する角度や偏角に関するデータを得る
のと並行して、隣合う各計測ユニット４００，４００
ａ，４００ｂ間の距離に関するデータを適宜の方法で収
集する。これら角度や距離に関するデータが得られる
と、地中掘進機の掘進位置は一義的に定まるので、これ
らのデータから始点計測点に対する終点計測点の相対位
置を３次元の位置座標における座標点として求めること
ができる。したがって、地中掘進機の掘進位置すなわち
始点計測点に対する終点計測点の相対位置は、帰すると
ころ、始点計測ユニット４００ａや各中間計測ユニット
４００での検出結果から得られる光源４１，４２の方向
に関するデータと、隣合う各計測ユニット４００，４０
０ａ，４００ｂ間の距離に関するデータとに基づいて演
算により計測することができる。

【００４７】こうした演算は、各計測ユニット４００，
４００ａ，４００ｂから通信ラインを通じて入力される
各光源４１，４２の方向に関するデータや別途計測され
て入力される距離に関するデータに基づいて中央演算処
理装置４により行われる。この中央演算処理装置４には
表示装置５が接続されているため、中央演算処理装置４
で演算された地中掘進機の現在位置は、この表示装置５
に表示されて、地中掘進機の現在位置に関する信頼性の
高い情報をオペレータにリアルタイムに提供することが
できる。なお、被測点ユニット４００ｂの位置検出素子
４１２−１は、隣合う後方の中間計測ユニット４００の
前方光源４１の方向を検出することにより、ピッチング
方向やヨーイング方向の掘削機１の姿勢を検出する働き
をする。それゆえ、地中掘進機に通常設けられていたピ
ッチング計やヨーイング計等の掘削機の姿勢検出用の計
測器を別途新設しないでも、掘削機１の姿勢を検出する
ことができる。

【００４８】隣合う各計測ユニット４００，４００ａ，
４００ｂ間の距離を計測する方法について述べると、地
中掘進機が管推進機である場合には、例えば、埋設済み
の埋設管の数により算出される距離データと元押しジャ
ッキのストローク計で検出される距離データとに基づい
て計測する方法を挙げることができる。また、地中掘進
機がシールド掘進機である場合には、例えば、セグメン
トの種類と数に基づいて算出される距離データとシール
ドジャッキのストローク計で検出される距離データとに
基づいて計測する方法を挙げることができる。これらの
方法は、何れも、管推進機やシールドジャッキに通常付
設されている元押しジャッキのストローク計やシールド
ジャッキのストローク計を距離の計測にも活用すること
ができて、距離の計測のために特別の距離計測手段を新
設する必要がない。

【００４９】以上述べた地中掘進機の位置計測装置は、
図１の光学式偏角測定装置を使用して構成しているの
で、その当然の結果として、図１の光学式偏角測定装置
と同様の効果を発揮することができる。すなわち、地中
掘進機の位置を計測する際、従来の技術のように光源４
１，４２からの光を位置検出素子に当てるための操作は
しなくても済み、ひいては、その操作を可能にするため
の回転機構を設ける必要がなくなって、その回転機構に
起因する機械的な計測誤差も生じない。また、中間計測
ユニット４００中の光源方向の検出器がピッチング方向
やヨーイング方向に変位しても変動しない偏角に関する
データに基づいて地中掘進機の位置を計測できるように
しているので、光源方向の検出器が外力によりピッチン
グ方向やヨーイング方向に振動しても、計測誤差が生じ
にくいとともに、光源方向の検出器や光源４１，４２を
計測点に設置する際、位置設定さえ正確に行えば、取付
姿勢が不統一であっても、その取付姿勢の影響を受ける
ことなく地中掘進機の掘進位置を正確に計測することが
できる。その場合、前述したように、反射プリズム４１
３−１，４１３−２を設けて光源４１，４２の拡散光を
集めるレンズを共通化したことにより、光源方向の検出
器がピッチング方向やヨーイング方向に変位しても、偏
角を正確に計測できるようにしていて、こうした効果を
確実に達成することができる。

【００５０】ところで、中間計測ユニット４００は、こ
れに組み込まれている光源４１，４２の拡散光を反射プ
リズム４１３−１，４１３−２で隣合う前後の中間計測
ユニット４００に向けるように構成しているため、光源
４１，４２とレンズ４１１と反射プリズム４１３−１，
４１３−２との位置関係を適切に定めることにより、光
源４１，４２をレンズ４１１の中心に配置したのと等価
の構造になるように構成することができる。こうした構
造を得るには、中間計測ユニット４００を次の条件を満
たすように構成すればよい。 イ）反射プリズム４１３−１（反射プリズム４１３−
２）の反射面の傾斜方向にに対して直交する平面上に、
光源４１（光源４２）とレンズ４１１の中心が共に位置
する。 ロ）反射プリズム４１３−１（反射プリズム４１３−
２）の反射面に対するレンズ４１１の光軸Ｃの交点と光
源４１（光源４２）との間の距離が同交点とレンズ４１
１の中心との間の距離に等しい。

【００５１】中間計測ユニット４００をこうした条件を
満たすように構成して、光源４１，４２をレンズ４１１
の中心に配置したのと等価の構造になるように構成すれ
ば、各中間計測ユニット４００間で授受される光の光軸
Ｄを見通し線Ｖ（隣合う中間計測ユニット４００の基準
点同士を結ぶ直線）と正確に一致させることができるの
で、光源４１，４２の方向に関する検出結果の補正をし
なくても、地中掘進機の掘進位置を一層高い精度できわ
めて精密に計測することができる。したがって、こうし
た効果と光源４１，４２の拡散光を集めるレンズを共通
化した点の前述の効果とが相俟って、中間計測ユニット
４００が地中掘進機のピッチングやヨーイングによって
傾斜したときでも、光源４１，４２の方向に関する検出
結果の補正を要することなく、地中掘進機の掘進位置を
きわめて高い精度で精密に計測することができる。

【００５２】図２に示す例では、始点計測点を発進立坑
３内に設定して、始点計測ユニット４００ａでは隣合う
前方の中間計測ユニット４００の後方光源４２の方向だ
けを検出するようにしているが、発進立坑３の前方の地
下坑２内に発進立坑３との位置関係を特定した上で始点
計測点を設定し、この始点計測点に向けて拡散光を発す
る光源を発進立坑３内に設置して、この光源と前記後方
光源４２の双方の光源方向を始点計測ユニット４００ａ
で検出するようにしてもよい。始点計測点を発進立坑３
内に設定した場合、高精度の計測を行うには、始点計測
ユニット４００ａについてその基準線を発進基準方向に
合わせるように取付姿勢を精度よく調整する困難な作業
を必要とするが、このように始点計測点を発進立坑３前
方の地下坑２内に設定した場合には、始点計測ユニット
４００ａでも、その取付姿勢に影響されない偏角を計測
することができて、取付姿勢を調整しなくても、高精度
の計測を簡便に行うことができる。本発明を具体化する
場合には、これら何れの方法を採用してもよく、始点計
測点には、少なくとも隣合う前方の中間計測ユニット４
００の光源４２からの拡散光を集光してその受光位置を
検出することができる始点計測ユニット４００ａを設置
するようにすれば、地中掘進機の位置計測の目的は達成
することができる。

【００５３】ところで、地中掘進機が緩やかな曲線経路
を掘進する場合において中間計測ユニット４００を地下
坑２内の所望の位置に設置することができるときには、
図３に示すように、各中間計測ユニット４００間の距離
を全て一定の距離Ｌ０にして等間隔で配置することがで
きる。このような場合には、各光源４１，４２と各位置
検出素子４１２−２，４１２−１の間の距離が距離Ｌ０
のときに受光位置が最も良好に検出できるように各位置
検出素子４１２−１，４１２−２の作動条件を調整すれ
ばよい。しかしながら、埋設管やセグメントで坑壁が形
成された地下坑２内には、種々の配管・配線類や機器類
が設置されていて、このように中間計測ユニット４００
を地下坑２内の所望の位置に設置できるとは限らない。
そして、特に、地中掘進機が急な曲線経路を掘進する場
合には、図３に示すように、各中間計測ユニット４００
間の距離には、長めの距離Ｌ１できたり短めの距離Ｌ
２，Ｌ３，Ｌ４ができたりするというようにバラツキが
生じ、各中間計測ユニット４００間の距離を一定に保つ
のは困難である。

【００５４】このような場合、位置検出素子４１２−
１，４１２−２で受光する光源４２，４１からの光量
は、計測点によって変動するため、位置検出素子４１２
−１，４１２−２による受光位置の検出を全ての計測点
で正確に行うことは困難になる。その結果、この位置検
出素子４１２−１，４１２−２での検出結果に基づいて
得られる偏角や光源の方向に関するデータの信頼性が低
下して、光学式偏角測定装置や地中掘進機の位置計測装
置による計測精度も低下することとなる。この出願の発
明に係る光学式偏角測定装置や地中掘進機の位置計測装
置は、こうした拡散光による計測に特有の問題を解消し
て、一層信頼性の高い拡散光による計測が行えるように
したものである。以下、この点の技術内容を、図１及び
図５に基づいて具体的に説明する。

【００５５】本発明では、こうした問題を解消するた
め、位置検出素子が受光する光量を調節できる受光量調
節手段と、位置検出素子が受光する光量の指標となる値
を検出する受光量検出手段と、受光量検出手段での検出
結果に基づいて、位置検出素子の受光量を受光量調節手
段で調節することにより位置検出素子での光の受光位置
が適切に検出されるように、制御できるようにする受光
量制御手段を光学式偏角測定装置や地中掘進機の位置計
測装置に設けた。

【００５６】まず、受光量調節手段について説明する
と、受光量調節手段として、ここに示す例では、位置検
出素子４１２−１，４１２−２の受光時間を調節できる
可変の電子シャッター装置を設けている。位置検出素子
４１２−１，４１２−２は、レンズ４１１で集められた
各光源４２，４１の光をそれぞれ受光しその受光した光
の光量を検出するための多数の画素を有し、各画素での
受光量に関する検出値が出力されるようになっている。
画素は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に所定数並べてマトリッ
クス状に配置している。こうした多数の画素からなる位
置検出素子４１２−１，４１２−２は、光を受光する
と、Ｘ−Ｙ平面座標上の各位置の光量を各画素により検
出して、その各位置に対応する光量の検出値を所定の順
序で演算処理手段に順次出力する。演算処理手段では、
この出力値に基づいて、各位置検出素子４１２−１，４
１２−２の受光面における各光源４２，４１の光の結像
点の位置を、重心座標位置を演算することにより求め
る。前記電子シャッター装置は、位置検出素子４１２−
１，４１２−２の各画素が光を受光してから演算処理手
段に出力するまでの時間を調節できるようにしたもので
あり、各位置検出素子４１２−１，４１２−２に設けて
いる。

【００５７】受光量検出手段は、ここに示す例では位置
検出素子４１２−１，４１２−２の受光量の指標となる
輝度データを検出する。輝度データは、位置検出素子４
１２−１，４１２−２の各画素が受光した受光量の検出
値の最大値である。また、受光量制御手段には、ここに
示す例では電子シャッター装置を制御するコントローラ
４３を用いている。いま、位置検出素子４１２−１，４
１２−２に、Ｘ軸方向に６４０個、Ｙ軸方向に４８０個
の画素を並べてマトリックス状に配置したＣＣＤ撮像素
子を用いるものすると、このＣＣＤ撮像素子は、通常、
６４０×４８０個の各画素ごとに受光量を２５５階調で
検出する。その検出した階調の最大値が輝度データであ
るが、それらの画素中に２５５階調の値を超えた受光量
を受光した画素があると、その画素については受光量を
正確に検出できないため、各位置検出素子４１２−１，
４１２−２の受光面における各光源４２，４１の光の結
像点の重心座標位置を正確に求めることができなくな
る。

【００５８】コントローラ４３は、こうした事態に対応
して輝度データの検出値が階調の最大値２５５を超えて
いるか否かを判別するとともに、輝度データの検出値
が、ノイズの影響を排除する上で小さすぎないか否かを
判別する。そして、輝度データの検出値に基づいて、電
子シャッター装置を作動させるための適切なシャッタス
ピードを選定してその値を電子シャッター装置に送り、
この値を基に、各光源４２，４１の光の結像点の位置が
正確に検出されるように電子シャッター装置を自動制御
する。こうした制御を可能にするため、コントローラ４
３では、位置検出素子４１２−１，４１２−２が受光す
る光の輝度について、位置検出素子４１２−１，４１２
−２で光の結像点の位置を正確に検出できるようにする
ための適正範囲の値が目標値として設定されている。

【００５９】したがって、位置検出素子４１２−１，４
１２−２の各画素での検出結果に基づいて検出した輝度
データの検出値がその目標値より大きい場合には、その
画素が過剰な光量を受けて正確な光量を検出できなくな
り、各画素での検出値に基づいて光の結像点の位置を精
度よく求めることができなくなるため、コントローラ４
３は、電子シャッター装置のシャッタースピードを速く
して位置検出素子４１２−１，４１２−２の受光量を適
正範囲の値に押さえるように制御する。また、各画素で
の検出結果に基づいて検出した輝度データの検出値が目
標値より小さい場合には、位置検出素子４１２−１，４
１２−２の受光量が少すぎて、検出しようとする光源と
は別の光がノイズとして入射したときにそのノイズが大
きく影響して光の結像点の位置を正しく求めることがで
きなくなるため、コントローラ４３は、電子シャッター
装置のシャッタースピードを遅くして位置検出素子４１
２−１，４１２−２の受光量を適正範囲の値まで増加さ
せるように制御する。

【００６０】次に、このコントローラ４３の作用を、地
中掘進機の位置計測装置で偏角等を計測する場合を例に
とり、図５に基づいて説明する。地中掘進機の位置計測
装置により各計測地点で掘進位置の計測しようとすると
きには、各計測地点で地中掘進機の掘進を停止し、オペ
レータは、中央演算処理装置４に対してその都度計測開
始の指令操作を行う。図５の流れ図中の「開始」は、こ
うした計測開始の指令操作を意味する。中間計測ユニッ
ト４００が普通の反射プリズム４１３−１，４１３−２
を用いたものである場合において、１個の中間計測ユニ
ット４００で隣合う前方、後方の光源４１，４２の方向
を同時に計測すると、一方の光源の光を受光する際に他
方の光源の光がノイズとして混じるため、光源４１，４
２の方向を別々に計測する必要があるが、以下に示す例
は、中間計測ユニット４００が偏光反射プリズムを用い
たものであって、こうした問題が生じないため、一つの
中間計測ユニット４００で光源４１，４２を同時に計測
することとする。

【００６１】当該計測地点で計測開始の指令操作を行う
と、まず、基点計測ユニット４００ａと隣合う前方の中
間計測ユニット４００の後方光源４２が点灯して、基点
計測ユニット４００ａでの計測に必要な計測用の拡散光
が発せられる。そうすると、ステップＳ１００に移行し
て、受光量検出手段では、基点計測ユニット４００ａの
位置検出素子４１２−１から輝度データを取得して輝度
を検出し、次いで、ステップＳ１０１でその輝度が適切
な範囲内の値であるか否か、換言すると、設定した目標
値の範囲にあるか否かをコントローラ４３により判定す
る。その結果、目標値の範囲内にあると判定されたとき
には、ステップ１０６に移行して位置検出素子４１２−
１での検出結果を出力して画像処理を開始し、その結
果、前記後方光源４２の方向を求めるためのデータを取
得することができる。

【００６２】テップＳ１００において受光量検出手段で
検出した輝度が目標値の範囲内にないと判定されたとき
には、ステップ１０２に移行して、その輝度が目標値よ
りも大きいか否かが判定される。その結果、大きいと判
定されたときには、ステップ１０２に移行し、電子シャ
ッター装置のシャッタースピードを速くして位置検出素
子４１２−１の受光量を減少させる。次いで、再びステ
ップＳ１００に移行して、再度、ステップＳ１０１で輝
度が設定した目標値の範囲にあるか否かを判定する。ま
た、ステップ１０２で輝度が大きいくないと判定された
ときには、ステップ１０４に移行して、輝度が目標値よ
りも小さいか否かが判定されるが、ステップ１０４では
当然小さいと判定されるので、ステップ１０５に移行
し、電子シャッター装置のシャッタースピードを遅くし
て位置検出素子４１２−１の受光量を増加させ、次い
で、再びステップＳ１００に移行する。こうした過程を
反復することにより、受光量検出手段で検出される輝度
が目標値の範囲内になるように電子シャッター装置を作
動させて位置検出素子４１２−１の受光量が適正範囲の
値になるように制御する。その結果、ステップ１０６に
おいて、後方光源４２の方向を求めるための信頼性の高
いデータを取得することができる。

【００６３】ステップ１０６において位置検出素子４１
２−１での検出結果を出力して画像処理を開始した後
は、その検出結果に基づいて後方光源４２の方向を演算
して計測するが、ステップ１０７では、こうした計測が
終了したか否かを確認する。その結果、終了したと判定
されたときには、中央演算処理装置４の指令により後方
光源４２が自動的に消灯するとともに、ステップＳ１０
８に移行して、当該計測地点での全ての計測が終了した
か否かを判定する。ステップＳ１０８で当該計測地点で
の全ての計測が終了していないと判定されたときには、
中央演算処理装置４の指令により基点計測ユニット４０
０ａと隣合う前方の中間計測ユニット４００での計測に
関係する光源が自動的に点灯する。すなわち、この中間
計測ユニット４００の隣前方の中間計測ユニット４００
の後方光源４２及び基点計測ユニット４００ａの前方光
源４１が点灯し、再び最初のステップであるステップＳ
１００に移行する。

【００６４】こうしてステップＳ１００に移行すると、
今度はこれらの前方光源４１及び後方光源４２につい
て、前記したステップと同様のステップを経て光源の方
向を求めるためのデータを取得する。その結果、前後の
双方の光源４２，４１の方向を求めるためのデータが得
られるため、基点計測ユニット４００ａと隣合う前方の
中間計測ユニット４００の基準点を基点（頂点）とする
偏角を求めるためのデータが取得できる。こうした前方
光源４１及び後方光源４２に関するデータの取得は、コ
ントローラ４３により別々に行われるが、同時に並行し
て行われる。ステップ１０７で偏角の計測の終了を確認
した後、ステップＳ１０８に移行して、当該計測地点で
の全ての計測が終了したか否かを判定し、終了していな
いと判定されたときには、中央演算処理装置４の指令に
より、この最初の中間計測ユニット４００と隣合う前方
の２番目の中間計測ユニット４００での計測に関係する
光源４１，４２が自動的に点灯する。この間、中央演算
処理装置４の指令により、最初の中間計測ユニット４０
０の後方光源４２が自動的に消灯する。

【００６５】２番目の中間計測ユニット４００での計測
に関係する光源４１，４２が点灯すると、再びステップ
Ｓ１００に移行して、以後、以上述べたのと同様の手順
により、当該計測地点に設置されている全ての計測ユニ
ットを使用して光源の方向やこれに基づて偏角が求めら
れ、当該計測地点での全ての計測が終了したとステップ
Ｓ１０３で判定されると、当該計測地点に設置されてい
る全光源４１，４２が消灯した状態となる。その間、こ
うして計測された各光源４１，４２の方向に関するデー
タと別途計測された距離に関するデータとに基づいて、
当該計測地点における地中掘進機の掘進位置が中央演算
処理装置で演算して計測される。

【００６６】コントローラ４３を用いたこのような計測
は、各計測地点でそれぞれ行うが、そのときには、それ
ぞれの計測地点でオペレータが単に計測開始の指令操作
を行なえば、その後は、それぞれの計測地点で以上述べ
たような手順により地中掘進機の掘進位置の計測が自動
的に行なわれる。以上、光源４１，４２の方向を計測ユ
ニット単位で順番に計測する場合について説明したが、
光源４１，４２の方向を光源単位で順番に計測する場合
については、各光源４１，４２を個別的に点灯させるよ
うに、その点灯順序を中央演算処理装置４で予め設定し
た後、地中掘進機の掘進位置を各計測地点で図５に示す
ような手順で計測すればよい。

【００６７】以上述べた地中掘進機の位置計測装置で
は、特に、受光量調節手段としての可変の電子シャッタ
ー装置と位置検出素子が受光する光量の指標となる輝度
を検出する受光量検出手段と受光量制御手段としてのコ
ントローラ４３とを設け、受光量検出手段での検出結果
に基づいて、位置検出素子４１２−１，４１２−２の受
光量を電子シャッター装置で調節することにより位置検
出素子４１２−１，４１２−２での光の受光位置が適切
に検出されるようにコントローラ４３で制御するように
しているので、拡散光の光源からの光の位置検出素子で
の受光量が計測点により変動して計測精度が低下するの
を防ぐことができる。また、こうした手段を光学式偏角
測定装置に設けた場合でも、同様の効果を奏すること
は、以上の説明から明らかである。

【００６８】図５に示す例では、当該計測地点に設置さ
れている全ての計測ユニットにコントローラ４３を設け
て図５に示すような手順で偏角等を求めるためのデータ
を取得するようにしているが、当該計測地点における各
計測点中、計測現場の周辺状況からみて、こうした方法
によらなくても信頼性の高いデータが取得できると考え
られる計測点がある場合には、その計測点に設置される
計測ユニットについては、コントローラ４３や受光量検
出手段等を設けないようにし、必要な計測ユニットにだ
け設けるようにしてもよい。

【００６９】図５に示す例では、受光量検出手段で位置
検出素子の受光量の指標となる値を検出する場合、輝度
データを検出するようにしているが、光量は距離の二乗
に反比例するので、位置検出素子の受光量の指標となる
値として当該計測ユニットとこの計測ユニットでの計測
に関係する光源との距離に関するデータを検出するよう
にしてもよく、その検出した距離データに基づいて、コ
ントローラ４３により電子シャッター装置を作動させ
て、各位置検出素子４１２−１，４１２−２の受光面に
おける各光源４２，４１の光の結像点の位置が正確に検
出されるように自動制御してもよい。その場合、その距
離と電子シャッター装置のシャッター速度との適切な関
係をテーブル又は数式としてコントローラ４３に記憶さ
せ、受光量検出手段で検出される距離データに応じて電
子シャッター装置のシャッター速度を適切な速度になる
ようにコントローラ４３で制御するようにすればよい。

【００７０】図５に示す例では、受光量制御手段にコン
トローラ４３を用いることにより、受光量検出手段での
検出結果に基づいて、位置検出素子４１２−１，４１２
−２での光の受光位置が適切に検出されるように自動制
御するようにしているが、受光量検出手段での検出結果
に関するデータを表示装置５に表示するようにし、オペ
レータがその表示装置５に表示されたデータをみながら
電子シャッター装置を操作することにより、位置検出素
子４１２−１，４１２−２での光の受光位置が適切に検
出されるように手動制御するようにしてもよい。その場
合、受光量検出手段での検出結果に関するデータを表示
するための手段が受光量制御手段の役割を果たすことに
なり、受光量制御手段は、要は、受光量検出手段での検
出結果に基づいて、位置検出素子４１２−１，４１２−
２の受光量を受光量調節手段で調節することにより位置
検出素子４１２−１，４１２−２での光の受光位置が適
切に検出されるように制御できるものであればよく、自
動制御であるか、手動制御であるかの別は問はない。

【００７１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、この出
願の発明の光学式偏角測定装置及び地中掘進機の位置計
測装置は、それぞれ「課題を解決するための手段」の項
の１）及び２）に示す手段を採用しているので、拡散光
の光源からの光の位置検出素子での受光量が計測点によ
り変動して計測精度が低下するのを防ぐことができる。
こうしたこの出願の発明の特有の効果に加え、計測時に
光を検出器に当てる操作を不要にし、機械的な計測誤差
や振動による計測誤差を生じにくくすることができ、さ
らには、偏角計測用の検出器や光源を設置する際に位置
設定さえ正確に行えば、計測結果が検出器や光源の取付
姿勢に影響されるようなこともないという従来の技術に
はみられない優れた効果を併せ発揮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】検出器と光源とをユニット化して一体にした本
発明の光学式偏角測定装置の具体化例を示す斜視図であ
る。

【図２】図１の光学式偏角測定装置を使用した地中掘進
機の位置計測装置により地中掘進機の掘進位置を計測し
ている状態の全体像を概略的に示す図である。

【図３】この出願の各発明の技術的意義を説明するため
の光学式偏角測定装置の第１の配置状態を示す図２と同
様の図である。

【図４】この出願の各発明の技術的意義を説明するため
の光学式偏角測定装置の第２の配置状態を示す図２と同
様の図である。

【図５】図１の光学式偏角測定装置に設けられたコント
ローラの作用を説明するための流れ図である。

【符号の説明】

１ 掘削機 ２ 地下坑 ３ 発進立坑 ４ 中央演算処理装置 ５ 表示装置 ４１，４２ 光源 ４３ コントローラ ４００ 中間計測ユニット ４００ａ 始点計測ユニット ４００ｂ 被測点ユニット ４１０ 偏角計測用の検出器 ４１１ レンズ ４１２−１，４１２−２ 位置検出素子 ４１３−１，４１３−２ 反射プリズム Ｃ レンズの光軸 Ｄ 光源の光軸 Ｖ 隣合う計測ユニット間の見通し線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 亀井 健 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 (72)発明者 下村 義昭 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 Ｆターム(参考） 2D054 AA02 AC01 GA04 GA17 GA25 GA61 GA82 2F065 AA04 AA06 AA17 AA19 AA31 AA37 CC40 FF01 FF23 GG06 GG07 GG12 HH02 JJ03 JJ05 JJ16 JJ26 LL12 LL30 LL37 NN12 NN17 PP22 QQ25 QQ29 SS03 SS13

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基点とこれと距離を置いて基点の両側に
   設定した各地点とをそれぞれを結ぶ二つの線分の偏角を
   光で計測する光学式偏角測定装置であって、基点の両側
   に設定した各地点にそれぞれ設置され拡散光を発する偏
   角計測用の光源と基点に設置される偏角計測用の検出器
   とからなり、各光源からの拡散光をそれぞれ集光する集
   光手段と、集光手段でそれぞれ集光した各光源からの光
   をそれぞれ受光してその受光位置を検出する各位置検出
   素子とを設けて、偏角計測用の検出器を構成し、各位置
   検出素子での検出結果に基づいて各光源の光軸同士の偏
   角を演算により算出できるようにするとともに、位置検
   出素子が受光する光量を調節できる受光量調節手段と、
   位置検出素子が受光する光量の指標となる値を検出する
   受光量検出手段と、受光量検出手段での検出結果に基づ
   いて、位置検出素子の受光量を受光量調節手段で調節す
   ることにより位置検出素子での光の受光位置が適切に検
   出されるように、制御できるようにする受光量制御手段
   を設けたことを特徴とする光学式偏角測定装置。
2. 【請求項２】 地下坑を掘削しながら地中を掘進する地
   中掘進機の掘進位置の計測に用いられ、掘進方向前方に
   配置しその掘進位置の指標となる被計測点の位置を、掘
   進方向後方に配置し計測の始点となる始点計測点との位
   置関係で計測する地中掘進機の位置計測装置であって、
   前方に拡散光を発する光源と少なくとも前方の光源から
   の拡散光を集光する集光手段と集光手段で集光した光源
   からの光を受光してその受光位置を検出する位置検出素
   子とを有し始点計測点を設定する始点計測ユニットと、
   後方に拡散光を発する光源と後方の光源からの拡散光を
   集光する集光手段と集光手段で集光した光源からの光を
   受光してその受光位置を検出する位置検出素子とを有し
   被計測点を設定する被測点計測ユニットと、前方及び後
   方に拡散光を発する各光源と前方及び後方の光源からの
   拡散光をそれぞれ集光する集光手段と集光手段でそれぞ
   れ集光した各光源からの光をそれぞれ受光してその受光
   位置を検出する位置検出素子とを有し地下坑における始
   点計測ユニットと被測点計測ユニットとの間に配置され
   る少なくとも一つの中間計測ユニットとを設けて、始点
   計測ユニット及び中間計測ユニットでの検出結果に基づ
   いて得られる各光源の方向に関するデータと隣合う各計
   測ユニット間の距離に関するデータとに基づいて、始点
   計測点に対する被計測点の相対位置を演算装置で演算し
   て計測するようにするとともに、位置検出素子が受光す
   る光量を調節できる受光量調節手段と、位置検出素子が
   受光する光量の指標となる値を検出する受光量検出手段
   と、受光量検出手段での検出結果に基づいて、位置検出
   素子の受光量を受光量調節手段で調節することにより位
   置検出素子での光の受光位置が適切に検出されるよう
   に、制御できるようにする受光量制御手段を設けたこと
   特徴とする地中掘進機の位置計測装置。