JP5984576B2 - 非開削掘削機の情報伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、水道管やガス管などの地中埋設工事や既設建築物の土台部分の地盤改良等の工事を行うための非開削掘削機における情報伝送装置に関し、さらに詳しくは、ボーリングロッド先端部の掘削ヘッドから非開削掘削機の本体側に位置や温度などの情報を効率よく伝送するための非開削掘削機の情報伝送装置に関するものである。

水道管、ガス管、電力線などの地中埋設工事において、従来からの開削工法では道路等に沿って長く深い溝を掘削する必要があり大量の排土が発生していた。また、工事に際して道路の交通を制限する必要があったり、工事のために多数の人員が必要であるなどの問題点があった。これらの問題点を解消するために、非開削工法によってこれらの地中埋設工事を行うことへの要求が高まっている。

非開削工法は、ボーリングロッドの先端部に設けられた掘削工具によってほぼ水平方向に掘削を行うものであり、掘削工具を貫入するための貫入坑、埋設工事の一端側の発進立坑、埋設工事の他端側の到達立坑等の最小限の立坑の掘削によって工事を進行させるものである。また、地震対策などのために既設建築物の土台部分の地盤改良等の工事を行う場合にも、非開削工法が有効に使用できる。

非開削工法においては、掘削工具によってほぼ水平方向に掘削を行うため、掘削工具の位置を高精度に検出することが必要である。掘削工具はボーリングロッドの先端部に固定された掘削ヘッドの先端側に配置されている。従来は、ボーリングロッド先端部の掘削ヘッド内に電磁波の発振器が配置されており、その発振器からの電磁波を地上の受信器によって受信することにより、掘削ヘッドと掘削工具の位置を検出していた。

地上の受信器は可搬型のものであり、その可搬型受信器を作業員が移動させて発振器からの電磁波を受信していた。すなわち、掘削ヘッドの真上位置と推定される位置の近傍を探索することにより、掘削工具の位置を求めていた。

掘削ヘッドの位置検出のための信号だけでなく、掘削ヘッド側の種々の情報を掘削機本体側に送ることができれば、それらの情報を掘削機本体側で有効に利用できる。非開削掘削機においてこのような情報伝送装置は今まで実現されていなかった。垂直方向の掘削を行う大型の掘削装置においては、掘削工具側の情報を地上設備に送るための伝送装置として下記の特許文献１に記載されたようなものがある。

特許文献１には、垂直方向の掘削を行う大型の掘削装置において、傾斜角度等の掘削情報を音響信号として掘削軸を介して地上設備に伝送させるようにした伝送装置が記載されている。

特開平１０−１２１８７８号公報

非開削工法を施工するための非開削掘削機において、掘削工具の位置を検出するための前述のような方法は、地上での作業員が必要であり、掘削工具の位置測定に時間と人手がかかっていた。それだけでなく、前述のような方法では掘削工具の位置測定を行うことができない場合がある。掘削ヘッドの真上位置に河川や池などが存在する場合や、掘削ヘッドの真上位置に建築物などが存在する場合は、作業員がその真上位置の周囲を自由に移動できないため掘削工具の位置測定が行えない。

掘削ヘッドの内部に位置の測定装置を配置して、その位置測定データを非開削掘削機の本体側に伝送するようにすれば、地上の作業員を必要とせずに掘削工具の位置を測定できる。また、掘削ヘッドの真上位置がどのような状態であっても掘削工具の位置を測定できる。しかし、非開削掘削機の掘削ヘッドから本体側に情報を伝送するような装置は今まで実現されていなかった。

また、特許文献１に記載されているような伝送装置は、大径の掘削軸の内部に組み込まれるものであるため、ボーリングロッドおよび掘削ヘッドの直径が比較的小径の非開削掘削機にはそのまま適用することはできなかった。非開削掘削機の情報伝送装置としては、小径の掘削ヘッドの内部に組み込むことができて、効率よく情報を伝送できる伝送装置が必要であった。

そこで、本発明は、ボーリングロッド先端部の小径の掘削ヘッドの内部に組み込むことができて、掘削ヘッドから非開削掘削機の本体側に位置や温度などの情報を効率よく伝送するための非開削掘削機の情報伝送装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の非開削掘削機の情報伝送装置は、非開削掘削機のボーリングロッドの先端部に設けられた掘削ヘッドに配置された情報伝送装置であって、前記掘削ヘッドの先端部の掘削工具の後方に配置されたバッテリーと、前記バッテリーの後方に配置された駆動回路と、前記駆動回路の後方に配置された超磁歪素子と、前記超磁歪素子を支持する素子ケースと、前記超磁歪素子の後方に配置され、前記超磁歪素子からの振動を前記ボーリングロッドに伝達する振動伝達部材とを有する。そして、前記バッテリー、前記駆動回路、前記超磁歪素子および前記振動伝達部材は、前記掘削ヘッドの軸方向に沿ってほぼ直線的に配置されており、前記振動伝達部材は、前記素子ケースに対して、前記掘削ヘッドの軸方向に移動可能に設けられたものである。

また、上記の非開削掘削機の情報伝送装置において、前記振動伝達部材の外周に接して配置され、合成樹脂からなる円筒形状の軸受部材を有することが好ましい。

また、上記の非開削掘削機の情報伝送装置において、前記振動伝達部材の先端側に配置され、前記振動伝達部材を後方に押圧するための柔軟性材料からなる押圧部材を有することが好ましい。

また、上記の非開削掘削機の情報伝送装置において、前記超磁歪素子を前記振動伝達部材に向けて付勢し、その付勢力を調整可能な素子付勢部を有することが好ましい。

また、上記の非開削掘削機の情報伝送装置において、前記バッテリーおよび前記駆動回路を収納する回路ケースを有し、前記回路ケースは、前記掘削ヘッドから取り外し可能に前記掘削ヘッドの内部に配置されたものであることが好ましい。

また、上記の非開削掘削機の情報伝送装置において、前記駆動回路は、前記回路ケース内に防振部材を介して収納されたものであることが好ましい。

本発明は、以上のように構成されているので、以下のような効果を奏する。

本発明によれば、バッテリー、駆動回路、超磁歪素子、振動伝達部材が掘削ヘッドの軸方向に直線状に配置されているため、比較的小径の非開削掘削用の掘削ヘッド内にも各要素を効率よく配置することができ、機械的振動による情報伝送を効率よく行うことができる。これにより、掘削ヘッドの位置や温度などの情報を非開削掘削機の本体側に効率よく伝送することができる。

合成樹脂からなる円筒形状の軸受部材により、振動伝達部材と素子ケースおよび接続部材間の摩擦による摩耗や熱の発生を防止することができる。

柔軟性材料からなる押圧部材によって振動伝達部材が押圧されていることにより、振動伝達部材からボーリングロッドへの振動の伝達が効率的に行われる。

駆動回路が回路ケース内に防振部材を介して収納されているので、掘削時の振動等による駆動回路の損傷や劣化を防止することができる。

図１は、本発明の情報伝送装置を適用する非開削掘削機１の全体構成を示す概略図である。 図２は、非開削掘削機１の掘削ヘッド３の構成を示す図である。 図３は、掘削ヘッド３の構成を示す拡大断面図である。 図４は、回路ケース３２の構成を示す断面図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の情報伝送装置を適用する非開削掘削機１の全体構成を示す概略図である。非開削掘削機１による非開削工法は、ボーリングロッド２の先端部に設けられた掘削工具３１（図２参照）によってほぼ水平方向に地盤９の掘削を行うものであり、掘削ヘッド３を貫入するための貫入坑９１、埋設工事の一端側の発進立坑９２、埋設工事の他端側の到達立坑等の最小限の立坑の掘削によって工事を進行させるものである。

このため排土量を極めて減少させることができ、工事のための人員も少人数とすることができる。工事に際して道路の交通を制限する必要がないという利点もある。また、地震対策などのために既設建築物の土台部分の地盤改良等の工事を行う場合にも、この非開削工法が有効に使用できる。

非開削掘削機１には無限軌道等の走行部１４が設けられており、自走可能な構成になっている。このため非開削掘削機１は必要な位置に自走移動してそこから掘削工事を行うことができる。非開削掘削機１は、ボーリングロッド２の先端部に設けられた掘削ヘッド３を前進させて地盤９を掘削する。ボーリングロッド２は、一定の長さのロッド（単位ロッド）を必要な数だけ接続して使用する。また、ボーリングロッド２を前進させながら、単位ロッドを継ぎ足して使用することができる。

ロッド接続機構１１は、ボーリングロッド２に単位ロッドを接続して継ぎ足したり、ボーリングロッド２から単位ロッドを取り外すための機構である。回転進退機構１２は、ボーリングロッド２を回転駆動するとともに、ボーリングロッド２を前進または後退させるための機構である。ボーリングロッド２を回転させながら前進させると、ボーリングロッド２はほぼ直線的に進行して掘削を行う。ボーリングロッド２の回転を停止して前進させると、ボーリングロッド２はほぼ一定の曲率で曲がりながら進行して掘削を行う。

掘削ヘッド３には掘削工具３１（図２参照）が傾斜して取り付けられており、これによって掘削ヘッド３の曲線状の掘削が行われる。また、掘削工具３１からは高圧の泥水等の流体が噴出される。この流体噴出によって地盤９の土壌が崩され掘削が進行する。操作盤１３は、非開削掘削機１の掘削作業やボーリングロッド２の接続・取り外し作業の操作を行ったり、各部の状態を確認するためのものである。操作盤１３には、各種の操作や入力を行うための操作ボタンや、各種の情報を表示するための表示部が設けられている。

図２は、ボーリングロッド２の先端部に設けられた掘削ヘッド３の構成を示す図である。この図では、掘削ヘッド３の後部が断面で示されており、掘削ヘッド３の内部の構造が示されている。掘削ヘッド３はボーリングロッド２の先端部に設けられている。すなわち、掘削ヘッド３の後端部の接続部材３９にはボーリングロッド２が接続される。

この掘削ヘッド３は、非開削掘削用として比較的小径に構成されており、本体部および接続部材３９の直径（外径）は約１００ｍｍ程度である。なお、接続部材３９に接続されるボーリングロッド２の直径（外径）は５０〜６０ｍｍ程度である。掘削ヘッド３の前端部には掘削工具３１が傾斜状態で固定されている。

掘削ヘッド３の内部には、高圧の泥水等の流体を掘削工具３１側に供給する流体供給路３８が形成されている。流体供給路３８を通して高圧の泥水等の流体が供給され、この高圧流体が掘削工具３１から噴出される。掘削ヘッド３の内部には、回路ケース３２が取り外し可能に収納されている。回路ケース３２は防水機能を有する密封容器であり、その内部にはバッテリー３３（図４参照）および駆動回路基板３４（図４参照）が収納されている。

また、掘削ヘッド３の内部には、素子ケース３６が収納され固定されている。素子ケース３６には、磁歪現象により電気信号を機械的な振動に変換する超磁歪素子３５が固定されている。超磁歪素子３５の振動部は振動伝達部材３７に接触しており、超磁歪素子３５の振動は振動伝達部材３７に伝達される。ここで、超磁歪素子３５の振動が掘削ヘッド３の軸方向（図の左右方向）の振動となるように、超磁歪素子３５が配置されている。

振動伝達部材３７は、素子ケース３６に対して掘削ヘッド３の軸方向に移動可能に設けられている。振動伝達部材３７の後端は、接続部材３９に接続されたボーリングロッド２に接触しており、超磁歪素子３５の振動が振動伝達部材３７を介してボーリングロッド２に伝達される。振動伝達部材３７が軸方向に移動可能に設けられているため、超磁歪素子３５の振動を効率よくボーリングロッド２に伝達することができる。

掘削ヘッド３に配置された回路ケース３２内部の駆動回路基板３４には、超磁歪素子３５を電気的に駆動する駆動回路が設けられている。また、この駆動回路基板３４には、掘削ヘッド３の位置を検出するための重力センサーや温度センサーなどのセンサー類や測定回路が設けられている。これにより、掘削ヘッド３の位置、姿勢、温度などに関する種々の情報を、非開削掘削機１の本体側に伝送することができる。

駆動回路基板３４には超磁歪素子３５の駆動回路が含まれており、駆動回路基板３４は回路ケース３２に設けられた端子を介して超磁歪素子３５に接続されている。種々の情報は駆動回路基板３４から超磁歪素子３５に送られ、超磁歪素子３５において機械的振動に変換され、その機械的振動がボーリングロッド２自体を伝送媒体として非開削掘削機１の本体側に伝送される。

超磁歪素子３５から伝達される機械的振動の振動数は例えば１ｋＨｚ程度が使用できる。この機械的振動に対して適宜の変調が加えられ、掘削ヘッドの位置、姿勢、温度などの情報が変調によって付加された機械的振動が非開削掘削機１の本体に送られる。非開削掘削機１の本体側では機械的振動から情報を復調して取り出すことができる。

図３は、掘削ヘッド３の超磁歪素子３５周辺の構成を示す拡大断面図である。この図は掘削ヘッド３後端部の接続部材３９にボーリングロッド２が接続された状態を示している。接続部材３９とボーリングロッド２はそれらの端部に形成されたテーパーねじによって接続されている。ボーリングロッド２には高圧流体の供給路が中心軸に沿って設けられており、ボーリングロッド２が接続部材３９に接続されると、ボーリングロッド２の供給路が掘削ヘッド３の流体供給路３８に接続される。高圧流体は非開削掘削機１の本体側からボーリングロッド２内の供給路を通して掘削ヘッド３に供給される。

掘削ヘッド３の本体と接続部材３９もねじによって結合されている。ねじ結合をゆるめることにより、接続部材３９を掘削ヘッド３の本体から取り外すことができる。掘削ヘッド３の本体から接続部材３９を取り外すと、掘削ヘッド３の内部から素子ケース３６および回路ケース３２などを取り出すことができる。

振動伝達部材３７は、素子ケース３６に対して掘削ヘッド３の軸方向に移動可能に設けられている。振動伝達部材３７は断面円形に形成されているが、その外周に接して合成樹脂からなる円筒形状の軸受部材３７１，３７２が配置されている。軸受部材３７１，３７２はいわゆる高性能ポリマーからなる摺動軸受であり、無潤滑、無給油で低摩擦係数を維持可能な軸受となっている。軸受部材３７１，３７２により、振動伝達部材３７と素子ケース３６および接続部材３９間の摩擦による摩耗や熱の発生を防止することができる。

振動伝達部材３７の先端側には柔軟性材料からなる押圧部材３７３が配置されている。押圧部材３７３としては硬質ゴム等が使用できる。ボーリングロッド２が接続部材３９に接続されると、ボーリングロッド２の先端が振動伝達部材３７を前方に移動させるが、振動伝達部材３７は押圧部材３７３によって押し返されボーリングロッド２側に押圧されることになる。振動伝達部材３７に対するこの押圧により、振動伝達部材３７からボーリングロッド２への振動の伝達が効率的に行われる。

また、素子ケース３６と超磁歪素子３５の間には、超磁歪素子３５を振動伝達部材３７に向けて付勢する素子付勢部３６２が配置されている。素子付勢部３６２による超磁歪素子３５への付勢力を所定値に調整することで、超磁歪素子３５から伝達する機械的振動の振動数を振動系の共振振動数に一致させることができる。伝達振動数を共振振動数に一致させるか共振振動数近傍の振動数とすることにより、超磁歪素子３５から伝達する機械的振動の強度を増大させることができ、信号雑音比（ＳＮ比）などの通信品質を向上させることができる。

素子付勢部３６２は、くさび機構や調整ねじにより超磁歪素子３５への付勢力を調整可能なものとすることができる。また、素子付勢部３６２は、硬質ゴム等の弾性材料からなる板状の部材でもよい。その場合、素子付勢部３６２の板厚や材質を変更することにより、付勢力を調整することができる。素子付勢部３６２による付勢力は、伝達振動強度を最大とするような最適値とした後はその値に固定しておく。

素子ケース３６と回路ケース３２との間には、ウレタンゴム等の軟質材料からなる振動抑制部材３６１が配置されている。振動抑制部材３６１は中央部が空洞の円筒形状の部材である。振動抑制部材３６１により超磁歪素子３５の振動が回路ケース３２側に伝達するのを抑制できる。回路ケース３２内の駆動回路基板３４には、種々のセンサー等の精密電子部品が含まれており、駆動回路基板３４に印加される振動はできるだけ低減することが望ましい。

図４は、回路ケース３２の構成を示す断面図である。回路ケース３２は防水機能を有する密封容器であり、その内部には２個のバッテリー３３，３３および駆動回路基板３４が収納されている。回路ケース３２の左方の先端部は本体にねじ接続されたキャップとなっており、このキャップを取り外すことで２個のバッテリー３３，３３を容易に交換することができる。

また、駆動回路基板３４は回路ケース３２内に防振部材３４１を介して収納されている。防振部材３４１はシリコーン樹脂等の防振機能を有する材料が使用できる。この防振部材３４１により、掘削時の振動等による駆動回路基板３４の損傷や劣化を防止することができる。なお、回路ケース３２は掘削ヘッド３から取り外し可能に設けられている。

以上のように、本発明によれば、バッテリー３３，３３、駆動回路基板３４、超磁歪素子３５、振動伝達部材３７が掘削ヘッド３の軸方向に直線状に配置されているため、比較的小径の非開削掘削用の掘削ヘッド３内にも効率よく配置することができ、機械的振動による情報伝送を効率よく行うことができる。

本発明によれば、ボーリングロッド先端部の小径の掘削ヘッドの内部に組み込むことができて、掘削ヘッドから非開削掘削機の本体側に位置や温度などの情報を効率よく伝送するための非開削掘削機の情報伝送装置を提供することができる。

１ 非開削掘削機
２ ボーリングロッド
３ 掘削ヘッド
９ 地盤
１１ ロッド接続機構
１２ 回転進退機構
１３ 操作盤
１４ 走行部
３１ 掘削工具
３２ 回路ケース
３３ バッテリー
３４ 駆動回路基板
３５ 超磁歪素子
３６ 素子ケース
３７ 振動伝達部材
３８ 流体供給路
３９ 接続部材
９１ 貫入坑
９２ 発進立坑
３４１ 防振部材
３６１ 振動抑制部材
３６２ 素子付勢部
３７１ 軸受部材
３７３ 押圧部材

Claims (6)

1. 非開削掘削機のボーリングロッド（２）の先端部に設けられた掘削ヘッド（３）に配置された情報伝送装置であって、
   前記掘削ヘッド（３）の先端部の掘削工具（３１）の後方に配置されたバッテリー（３２）と、
   前記バッテリー（３３）の後方に配置された駆動回路（３４）と、
   前記駆動回路（３４）の後方に配置された超磁歪素子（３５）と、
   前記超磁歪素子（３５）を支持する素子ケース（３６）と、
   前記超磁歪素子（３５）の後方に配置され、前記超磁歪素子（３５）からの振動を前記ボーリングロッド（２）に伝達する振動伝達部材（３７）とを有し、
   前記バッテリー（３３）、前記駆動回路（３４）、前記超磁歪素子（３５）および前記振動伝達部材（３７）は、前記掘削ヘッド（３）の軸方向に沿ってほぼ直線的に配置されており、
   前記振動伝達部材（３７）は、前記素子ケース（３６）に対して、前記掘削ヘッド（３）の軸方向に移動可能に設けられたものである非開削掘削機の情報伝送装置。
2. 請求項１に記載した非開削掘削機の情報伝送装置であって、
   前記振動伝達部材（３７）の外周に接して配置され、合成樹脂からなる円筒形状の軸受部材（３７１，３７２）を有する非開削掘削機の情報伝送装置。
3. 請求項２に記載した非開削掘削機の情報伝送装置であって、
   前記振動伝達部材（３７）の先端側に配置され、前記振動伝達部材（３７）を後方に押圧するための柔軟性材料からなる押圧部材（３７３）を有する非開削掘削機の情報伝送装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載した非開削掘削機の情報伝送装置であって、
   前記超磁歪素子（３５）を前記振動伝達部材（３７）に向けて付勢し、その付勢力を調整可能な素子付勢部（３６２）を有する非開削掘削機の情報伝送装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載した非開削掘削機の情報伝送装置であって、
   前記バッテリー（３３）および前記駆動回路（３４）を収納する回路ケース（３２）を有し、
   前記回路ケース（３２）は、前記掘削ヘッド（３）から取り外し可能に前記掘削ヘッド（３）の内部に配置されたものである非開削掘削機の情報伝送装置。
6. 請求項５に記載した非開削掘削機の情報伝送装置であって、
   前記駆動回路（３４）は、前記回路ケース（３２）内に防振部材（３４１）を介して収納されたものである非開削掘削機の情報伝送装置。

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