JPH01155290A - 土木工事機械用障害物探知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、例えば土を押広げる推進機または掘削する
掘削機等の土木工事機械に付設される障書物探知装置に
関し、進行方向前方に存在する埋設物等を探知するとと
もに、その埋設物等が短尺物か長尺物かも判別して障害
物を的確に探知できるようにしたものである。

（従来の技術） 推進機または掘削器等の土木工事機械における障害物探
知装置としては、電磁波を土中に送信し、障害物からの
反射波を受信して、これを探知するようにしたものが知
られている。

ところで、このような土木工事機械の先端部前面板は、
土を押広げあるいは掘削するために大きな荷重がかかる
ので、高強度な鉄鋼材料が用いられている。このため、
このような材料製の先端部前面板の背面側に送信用およ
び受信用のアンテナエレメントを装着しても、送信用ア
ンテナエレメントから送信された電磁波は鉄鋼材料製の
先端部前面板の内面側で全反射されて電磁波を土中へ送
信することはできない。

このような点に対処した第１の従来例として、機械先端
部に４本のカッタースポークが備えられたシールド掘削
機における障害物探知装置において、カッタースポーク
による送信用電磁波の反射を防ぐため、カッター旋回モ
ータ軸に連結された回転パルス発信器とカッタースポー
ク位置演算器とが備えられ、カッタースポークによる非
遮断時間帯にのみアンテナから送信用電磁波を発射させ
るようにしたものがある（特開昭６０−２６１８９２号
公報）。

しかしながら、第１の従来例にあっては、複数個のカッ
タースポークによる非遮断時間帯を検出するための装置
構成が複雑化し、また非遮断時間帯にのみ受信された反
射波により障害物を探知することになるので、障害物を
的確に探知することが難しいという問題点があった。

また、障害物探知装置には、地上から地中の埋設物等の
障害物を探知するようにした第２の従来例がある。この
第２の従来例では、送信用アンテナから空気中に発射さ
れる電磁波の波長として、電磁波の到達距離を大にして
探知性能を高めるために３ｍ〜５０ｃｍ（周波数で約１
００ＭＨ２〜６００ＭＨｚに相当）程度のものが用いら
れている。そして、この帯域の電磁波を送、受信するた
めのアンテナエレメントとしては、−辺が３０〜４ＱＣ
ｍのものが用いられている。このような大きさのアンテ
ナエレメントを土木工事機械の先端部に装着できれば、
地上からの障害物探知装置と同程度の探知可能距離を有
する土木工事機械用障害物探知装置が実現できる。しか
しながら、上記のような大きさのアンテナエレメントを
土木工事機械の先端部に装着すると、その土木工事機械
の種類によってはアンテナエレメントの占有面積が大き
くなって、装着が困難になる場合があった。

これを解決するために、アンテナエレメントの寸法を単
純に１／ｎ　（ｎ＞１）に小形化すると、適用できる波
長は１／ｎになり周波数がｎ倍となって電磁波の到達距
離が短かくなり探知可能距離が低下してしまう。

（発明が解決しようとする問題点） 従来の土木工事機械は、その前面部に鉄鋼材質重の前面
板が配設されていたため、この前面板の背面側に送信用
アンテナエレメントを装着しても、送信用のｉｒａ波が
前面板の裏面側で全反射されて、電磁波を土中へ送信す
ることはできない。

また、第１の従来例では、複数個のカッタースポークに
よる非遮断時間帯を検出するための装置構成が複雑化し
、さらに非遮断時間帯にのみ受信された反射波により障
害物を探知することになるので、障害物を的確に探知す
ることが難しい。

さらに、地上からの障害物探知装置である第２の従来例
と同程度の探知可能距離を得るためには、アンテナエレ
メントの寸法が比較的大きくなってしまうので、これを
機械先端部に装着することは難しいという問題点があっ
た。

また、障害物探知装置で探知される地中の埋設物には、
例えば石等の短尺物と、通信用管路等の長尺物とがあり
、このうち石等の短尺物の場合は、推進機等は、そのま
ま推進可能の場合があるが、通信用管路等の長尺物の場
合は、推進不可能で障害物となる。したがって障害物の
探知機能を高めるためには、障害物探知装置は、埋設物
の探知機′能とともに、その埋設物が短尺物であるか長
尺物であるかの判別機能を有するものが求められている
。

この発明は、上記事情に基づいてなされたもので、進行
方向前方に存在する埋設物等を探知するとともに、その
埋設物が短尺物であるか長尺物であるかも判別して障害
物を的確に探知することのできる土木工事機械用障害物
探知装置を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） この発明は、上記問題点を解決するために、土中を推進
ないしは掘削する土木工事機械の先端部に装着され所要
の強度を有する非金属材質重の前面部材と、該前面部材
の背面側におけるアンテナ収納部に配設され当該前面部
材を通して埋設物探知用の電波を送波及び受波する送信
用及び受信用のアンテナと、該アンテナを傾動させて前
記電波の送波及び受波方向を可変する駆動手段と、前記
送信用及び受信用のアンテナとの間で送信電力の給電及
び埋設物からの反射電波に基づく受信電力の受電を行な
う送信用及び受信用の回路とを有することを要旨とする
。

（作用） 上記構成において、土と接する前面部材は、非金属材質
で作製されているので、その比誘電率を土の比誘電率と
ほぼ近い値とすることができる。

而して前面部材と土との境界部における電磁波の反射を
少なくすることができて、送信用アンテナから発射され
た電波は、前面部材を効率よく通過して土木工事機械の
進行方向前方の土中に送信される。また障害物からの反
射電波も上記と同様に前面部材を効率よ（通過して受信
アンテナに受波される。したがって進行方向前方に存在
する埋設物等が効率よく探知される。

また、駆動手段によりアンテナが傾動さ゛れて電波の送
波及び受波力・向が可変され、受波された反射電波から
探知された埋設物が短尺物であるか長尺物であるかが判
別される。而して障害物の存在が的確に探知される。

（実施例） 以下、この発明の実施例を第１図ないし第６図に基づい
て説明する。この実施例は、推進機に適用されたもので
ある。

まず、土木工事機械用障害物探知装置の構成を説明する
と、土木工事機械の構成部材である鉄鋼製推進管１の先
端部２には、前面部材としてのセラミックス製の前面板
３が装着−されている。前面板３は、鉄鋼材質重のもの
と同程度の強度とするため、鉄鋼材質重のものよりも適
宜に厚く形成されている。

使用時にこの前面板３の外面側は、土（比誘電率＝２〜
８０）と接触する。一般に電磁波は、比誘電率の相異す
る物質の境界部で反射が生じるが、前面板３の材質を上
記のようにセラミックスとすることにより前面板３の比
誘電率を土の比誘電率と同程度の値とすることができて
、その接触面での電磁波の反射ｍが極めて小さい値に抑
えられる。

このような比誘電率を有するセラミックスとしては、ア
ルミナ系、ベリリア系、バリウム系等多数のものが存在
している。なお、前面板３の材質としては、上記のセラ
ミックスの他に、例えば通常の塩化ビニールの比誘電率
は３〜１０程度、フェノール系樹脂では４〜５０程度の
値であるので、プラスチック、ＦＲＰ（強化プラスチッ
ク）を用いることもでき、さらにはカーボンを所定の割
合で分散させたゴムを用いることもできる。

また、上述の前面板３の背面側には、液体封入室からな
るアンテナ収納部４が一体的に形成されている。アンテ
ナ収納部４内には、前面板３の材質の比誘電率と略同値
の比誘電率を有する粘性液体５が封入され、前面板３は
、その背面部での電磁波の反射損失も極めて小さい値に
抑えられている。このような比誘電率を有する粘性液体
５としては、例えば、シリコーンオイル（比誘電率約５
）に、カーボン及びアルミナ等−の何れか、又はこの両
者等を適宜の割合で混入したものが用いられている。

そして、このような粘性液体５の封入されたアンテナ収
納部４に、鋼板製の送信用アンテナエレメントロ及び受
信用アンテナエレメント７が、取付板を兼ねた電波吸収
体８の前面部に取付けられて配設されている。電波吸収
体８の背面には、駆動アーム９が取付けられ、この駆動
アーム９の他端は、後述の駆動手段に連結されている。

一般に、比誘電率εの誘電体中では電磁波の速度は空気
中の１／ε阿となる。したがって送信用および受信用ア
ンテナエレメント６．７を１／ｎに小形化しても、これ
を上述のようにｎ−ε鰐の粘性液体５等の誘電体中に設
ければ、電磁波の周波数は不変となって、探知可能距離
の低下が防止される。

また、アンテナ収納部４を形成している液体封入室の後
部外壁には、鉄鋼製推進管１と一体に形成された取付板
１１が密着され、この取付板１１に、送信用及び受信用
のアンテナエレメント６．７を傾動ないしは回動させて
発ｆａｌｌ！波の送波方向を可変するための駆動手段１
２、送信回路１３及び受信回路１４が取付けられている
。

駆動手段１２には、例えば図示省略の第１、第２の２Ｍ
のウオームギヤ機構とこれを駆動するための駆動モータ
が備えられている。

２基のウオームギヤ機構は、第１のウオームギヤ機構に
おけるウオームギヤの回転軸が第２のウオームギヤ機構
におけるウオームに相当するような関係に構成され、第
１のウオームギヤ機構と第２のウオームギヤ機構とは、
クラッチ機構等により連結状態で作動し、またクラッチ
機構等の解除により第２のウオームギヤ機構のみが単独
でも作動し得るように構成されている。そして第２のウ
オームギヤ機構におけるウオームギヤに駆動アーム９が
連結されている。

而して、送信用及び受信用のアンテナエレメント６．７
は、第１、第２のウオームギヤ機構により、駆動アーム
９の連結部を回動中心として上下方向及び左右方向に回
動され、さらにこの第１、第２のウオームギヤ機構の運
動動作により駆動・アーム９の連結部を中心とした球面
部に沿って移動できるように構成されている。

また、送信回路１３は図示省略のコードで送信用アンテ
ナエレメント６に接続され、受信回路１４は他のコード
で受信用アンテナエレメント７に接続されている。第４
図に示すように送信回路１３と受信回路１４との間には
送受シールド１５が設けられている。

送信回路１３と受信回路１４とは、さらにコネクタ１６
及びケーブル１７を介して制御処理部１８に接続されて
いる。制御処理部１８は土木工事機械の推進制御機能を
有するとともに、受信回路１４からの埋設物等の探知信
号を受けた時に警報を発し、これと同時に、駆動手段１
２に対して駆動開始信号を発信する機能も備えている。

また制御処理部１８には、埋設物２０からの反射波形を
表示部るための表示部１９等が備えられている。

この実施例の土木工事機械用障害物探知装置は、上述の
ように構成されているので、送信回路１３からの送信電
力の給電により、送信用アンテナエレメント６からの電
磁波である高周波のパルスが発射されると、その電磁波
は、粘性液体５、粘性液体５と前面板３の裏面との接触
面、前面板３及びその外部と土との接触面を効率よく通
過して先端部２の進行方向前方の土中に送信される。そ
して、進行方向前方の土中に埋設物等２０が存在すると
、その反射電波は、上述の前面板３の外面と土との接触
面等を上記と逆方向に効率よく通過して受信用アンテナ
エレメント７に受波される。

このようにして受波された反射電波は、受信回路１４を
介して制御処理部１８に送られ、その表示部１９に波形
が表示されて埋設物２０の存在が探゛知される。第５図
は、先端部２の前方はぼ１ｍの土中に埋設された７５ｍ
ｍφ管を埋設物２ｏとして探知した反射電波の波形例を
示すものである。

同波形図中、Ｐｌは送信用アンテナエレメント６から受
信用アンテナエレメント７へ直接回り込んだ電磁波のピ
ークを示し、Ｐ２は埋設□物２ｏである７５ｍｍφ管か
らの反射電波によるピークを示している。このピーク信
号Ｐ２から埋設物２０が探知される。

しかし、埋設物等２０が探知されても、このままでは、
その埋設物等２０が、例えば石等の短尺物で推進機がそ
のまま推進可能であるか、又は通信管路等の長尺物で障
害物となるものであるかの判別は困難である。

そこで、受信回路１４からの反射電波を受けて制御処理
部１８で埋設物２０の存在が確認されると、制御処理部
１８からは警報が発せられると同時に、駆動手段１２に
駆動開始信号が送られ、駆動手段１２が作動してアンテ
ナエレメント６．７の傾動ないしは回動動作が開始され
て、埋設物２０が短尺物か長尺物であるかの判別動作が
なされる。

第６図の（Ａ＞、（Ｂ）は、先端部２の前方に、通信管
路等の長尺物が埋設されている場合と、石等の短尺物が
存在している場合の探知結果例を示すものである。まず
、第６図（Ａ）は、長尺物に対し上下方向（断面と平行
方向）にアンテナエレメント６．７を動かし、各角度毎
の反射波を合成したものである。同図中、Ｒ１は、アン
テナエレメント６．７の正面部からの反射５波であり、
反射時間が早いことを示している。Ｒ２は、アンテナエ
レメント６．７の傾動角度が大きい部分からの反射波で
あり、反射時間が遅いことを示しでいる。

また、Ｒ３は、アンテナエレメント６．７の傾動角度が
ある範囲を越えて反射波が存在しない領域を示している
。この探知結果例から、１設物２０が太い場合は各反射
波の波頭値を結んだ双曲線の円弧が大きくなり、逆に埋
設物２０が細い場合は円弧が小さくなることから、埋設
物２０の径の大小を知ることができる。

次に、第６図（Ｂ）は、上記と同じ長尺物に対し、アン
テナエレメント６．７を左右方向（長手方向）に動かし
、各角度毎の反射波を合成したものである。この場合は
、同図中、Ｒ４で示すようにアンテナエレメント６．７
の傾動角度が大きくなっても反射波が存在する。そして
、この反射波の存在から長尺物であることが識別される
。

これに対し、例えば、通信用管路の径と同程度の石等の
短尺物の場合は、アンテナエレメント６．７を上下方向
及び左右方向の何れの方向に動かしても、第６図（Ａ）
のような反射波の合成を得るので短尺物であることが識
別されて、通信用管路等の長尺物との区別がつくことに
なる＠したがって、探知された埋設物２０がそのまま推
進可能程度の短尺物か、又は推進不可能な長尺物である
かの判別が的確になされる。

そして、このような埋設物探知作用において、電波吸収
体８により、送信用アンテナエレメント６から発射され
た電磁波及び前面板３の内外両面部で僅かに反射された
電磁波が送信回路１３及び受信回路１４にノイズとして
入るのが防止される。

なお、上述の実施例では、送信用及び受信用のアンテナ
エレメントを各別に設けたが、両者を１つのアンテナエ
レメントで兼用するとともに、送受切替部を設けること
によっても同上実施例のも□のと同様の作用を得ること
ができる。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明によれば、土木工事機械
先端部の土と接触する前面部材を非金属材質重としたの
で、その比誘電率を土の比誘電率とほぼ近い値とするこ
とができ、送、受信用の電磁波が前面部材及びその前面
部材の外面部と土との接触面の部分を効率よく通過して
埋設物の探知機能が高められ、さらに駆動手段によりア
ンテナが傾動されて電波の送波及び受波方向が可変され
るので、探知されたその埋設物が短尺物であるか長尺も
のであるかも判別されて障害物を的確に探知することが
できるという効果が得られる。

また、送信用及び受信用のアンテナを、比誘電率が前面
部材の材質の比誘電と略同値の粘性液体中に配設した実
施例によれば、上記共通の効果に加えて、さらに送、受
信用のアンテナを小形化しても、適用できる周波数をほ
ぼ不変とすることができて、障害物の探知可能距離の低
下を防止することができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第６図はこの発明に係る土木工事機械用障
害物探知装置の実施例を示すもので、第１図は装置全体
の構成図、第２図は土木工事機械先端部の縦断面図、第
３図は第２図のＡ−Ａ線断面図、第４図は第２図のＢ−
Ｂ線断面図、第５図は埋設物からの反射電波の波形例を
示す波形図、第６図はアンテナエレメントを推進方向に
対して上下方向及び左右方向に動かした場合の反射電波
の合成波形例を示す波形図である。 ２：先端部、　　　３：前面板（前面部材）、４：アン
テナ収納部、　５：粘性液体、６：送信用アンテナエレ
メント、 ７：受信用アンテナエレメント、 １２：駆動手段、　　　１３：送信回路、１４：受信回
路、　　　１８：制御処理部。 代理人　　弁理士　　三　好　　保　男第１図 １１．２図 第３因　　　　　　　Ｎ４図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）土中を推進ないしは掘削する土木工事機械の先端
   部に装着され所要の強度を有する非金属材質製の前面部
   材と、該前面部材の背面側におけるアンテナ収納部に配
   設され当該前面部材を通して埋設物探知用の電波を送波
   及び受波する送信用及び受信用のアンテナと、該アンテ
   ナを傾動させて前記電波の送波及び受波方向を可変する
   駆動手段と、前記送信用及び受信用のアンテナとの間で
   送信電力の給電及び埋設物からの反射電波に基づく受信
   電力の受電を行なう送信用及び受信用の回路とを有する
   ことを特徴とする土木工事機械用障害物探知装置。
2. （２）前記前面部材の材質は、比誘電率が２〜８０のセ
   ラミックス、ゴム、プラスチック、強化プラスチックの
   何れか又は複合体であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の土木工事機械用障害物探知装置。
3. （３）前記アンテナ収納部は液体封入室で形成され、該
   液体封入室には、比誘電率が前記前面部材の材質の比誘
   電率と略同値の粘性液体を封入してなることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の土木工事機
   械用障害物探知装置。
4. （４）前記粘性液体は、シリコーンオイルにカーボン及
   びアルミナの何れか又は両者を適宜割合で混入させたも
   のであることを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載
   の土木工事機械用障害物探知装置。
5. （５）前記駆動手段は、前記受信用回路で受信された埋
   設物探知信号に基づいて作動を開始するものであること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の土木工事機
   械用障害物探知装置。