JPH11201709A - 位置測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 迅速かつ高精度にドリルパイプ先端の位置を
測定する。 【解決手段】 水平ドリリング工法のドリルヘッドＤＨ
の先端には、少なくとも２個の３軸直交型の磁気セン
サ、ゾンデＳＤの回転および傾斜をそれぞれ測定する角
度計を有するゾンデＳＤが設置されている。地表には、
電流源ＣＳと磁界発生用電線ＣＬからなる磁界発生装置
ＭＳが設けられ、既知の交流磁界を発生する。該交流磁
界を前記ゾンデＳＤ内の少なくとも２個の３軸直交型磁
気センサで検出し、前記回転計および傾斜計からのデー
タとともに伝送路ＴＬを介して位置算出用演算装置ＰＭ
に送信し、ゾンデＳＤの位置を算出させる。また、前記
磁界発生装置を少なくとも２個設けてもよく、さらに、
２つの異なる位置で前記既知の交流磁界を測定するよう
にしてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は位置測定方法および
装置に関し、特に、地中や海底に管路を非開削で建設す
るための水平ドリリング工法において掘削先端のビット
の位置を測定するのに用いて好適なものである

【０００２】

【従来の技術】地中や海底に管路を非開削で建設する方
法として、水平ドリリング工法が知られている。この水
平ドリリング工法では、掘削装置により直径数インチ程
度のドリルパイプを押し込むことにより孔を掘削する。
このドリルパイプの先端にはドリルヘッドが取り付けら
れており、その先端（ビット）は斜めにカットされてい
る。そして、ドリルヘッドを回転させながら押し込むと
ドリルパイプは直進し、回転を止めて押し込むと曲進す
るようになっている。これにより、掘削の方向や経路を
制御することができる。

【０００３】このような水平ドリリング工法において
は、掘削の経路を知るために地中にあるドリルパイプの
先端の位置を測定することが必要である。この位置を測
定する方法として、以下の方法が知られている。 （１）図９に（１）で示すように、ドリルパイプＤＰの
先端に設けたドリルヘッドＤＨ中にトランスミッタＸＴ
を設け、該トランスミッタＸＴから電磁波を送出する。
その電磁波を地上のレシーバＲＸで検出することにより
トランスミッタＸＴの位置を測定する方法。 （２）図９に（２）で示すように、地上にループ状の電
線ＣＬを設置して、この電線ＣＬに電流源ＣＳから直流
電流を流し、直流磁界を発生させる。この直流磁界と地
磁気とをドリルパイプＤＰ先端のドリルヘッドＤＨに取
り付けたゾンデＳＤ内に設けた磁気センサにより測定す
る。また、ゾンデＳＤ内に収納した傾斜計と回転計によ
って、ドリルヘッドＤＨの傾斜角と回転角を測定する。
これらの測定結果をゾンデＳＤから有線伝送路ＴＬによ
って地上に伝送し、演算装置ＰＲに入力し、測定した磁
界、傾斜角、回転角、方位から演算処理によって該ゾン
デＳＤの位置を求める方法。 （３）図１０に（３）で示すように、方位を測定するマ
グネットコンパスとドリルパイプの傾斜を測定する傾斜
計を内蔵したゾンデＳＤをドリルパイプ先端のドリルヘ
ッドＤＨ内に設けておき、ゾンデＳＤの方位および傾斜
を測定し、有線伝送路ＴＬを介して地上の演算装置ＰＲ
に伝送する。そして、該ゾンデＳＤの方位および傾斜、
ドリルパイプＤＰの長さから推定できる掘削長を用い
て、ゾンデＳＤの位置と軌跡を算出する方法。

【０００４】さらに、交流磁界を用いて測定する方法も
提案されている。 （４）図１０に（４）で示すように、地上にループ状の
電線ＣＬを設置し、このループ状電線ＣＬに電流源ＣＳ
で発生させた交流電流を流して、交流磁界を発生させ
る。この発生された交流磁界をドリルパイプ先端のドリ
ルヘッドＤＨに取り付けたゾンデＳＤ内に設けた交流磁
気センサにより測定し、またゾンデＳＤ内に収納した傾
斜計と回転計によって、傾斜角と回転角を測定する。そ
して、これらの測定信号を、ゾンデＳＤ内に設けた発信
器から電磁波により送出し、この送られてきた磁界、傾
斜角、回転角の各データを地上のレシーバＸＲで受信
し、演算処理によって該ゾンデの位置を求める方法。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記（１）の方法の場
合には、通常、測定者がレシーバＲＸをトランスミッタ
ＸＴの真上まで運び、トランスミッタＸＴの深さと水平
位置を測定している。したがって、位置を精密に測定す
るためには、測定者はレシーバＲＸを置く場所の測定を
行う必要があり、迅速な測定を行うことができないとい
う問題点がある。

【０００６】前記（２）の方法では、測定に対する地磁
気の影響を取り除くために、電流源ＣＳで発生する直流
電流の方向を変えて２回測定を行うことが必要となる。
また、地磁気を参照しているために、地磁気が一様でな
い場所では正確な測定が困難となる。さらに、直流磁界
を検出する必要があるために感度が低いという欠点があ
り、これを克服するためには、ループ状電線ＣＬに大電
流を流すことが必要となるという問題点がある。

【０００７】前記（３）の方法では、方位の測定にマグ
ネットコンパスを用いているために、周囲に磁性体があ
る場所や地磁気が一様でない場所では正確な方位の測定
が困難となる。また、ドリルパイプ先端の方向を押し込
んだドリルパイプの長さに対して積分して位置を求めて
いるために、測定誤差が加算され、掘削長が長くなるほ
ど測定精度が劣化するという問題点がある。

【０００８】前記（４）の方法では、地磁気を参照しな
いために絶対方位を知ることができない。また、交流磁
界を用いているために地磁気の影響は受けないものの、
電流の位相を参照していないために磁界の絶対的な方向
を定めることができず、位置を特定できない場合が存在
する。さらに、ループ状電線ＣＬが平行線路で近似でき
るなど磁界の方向に対して適当な拘束条件を設定できる
場合以外は正確な位置を求めることが困難であるという
問題点がある。

【０００９】一般に、空間的に異なる２地点での磁界が
測定できる場合、空間的な磁界の分布が既知であれば、
原理的にドリルヘッドの位置、ピッチ角、ヨー角および
ロール角を求めることができる。しかしながら、水平ド
リリング工法においては、ロール角は変化することある
いは変化させることが多く、履歴から演算に用いる角度
の初期を推定することができない場合が多い。この場合
には、位置算出のための繰り返し演算が収束しない可能
性が高くなり、信頼性が高い位置測定ができないことと
なる。さらに、いずれかの３軸磁気センサの位置に加え
て周期関数であるピッチ角、ヨー角、ロール角が全て変
数となるために、演算時間の増大と低い演算の収束性と
いう問題が生じることとなる。

【００１０】そこで、本発明はこれらの問題点を鑑み、
以下のような特徴を有する位置測定方法および装置を提
供することを目的としている。 （１）検出器等を運搬しながら測定する必要が無く、迅
速な測定を行うことができる。 （２）高感度な磁界検出が可能である。 （３）磁界発生源に対するゾンデの位置に条件を設ける
ことなく、有効な交流磁界が存在する全空間で位置の測
定が可能である。 （４）地磁気を参照せずに、正確な位置測定が可能であ
る。 （５）静磁気が検出可能な高価な磁気センサや余分なマ
グネットコンパスを用いる必要がない。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の位置測定方法は、既知の磁界中に配置さ
れた物体の位置を測定する方法であって、（１）空間的
な分布が既知の交流磁界を発生させるステップ、（２）
当該物体に取り付けられた位置測定用ゾンデにおいて、
直交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃を、Ｘ₃軸が該位置測定用ゾン
デの長軸方向に一致し、Ｚ₃軸がＸ₃軸と鉛直方向を含む
平面内に位置するように定め、前記Ｘ₃軸上の既知の距
離だけ離れた少なくとも２点における前記直交座標系Ｘ
₃，Ｙ₃，Ｚ₃の各軸方向の交流磁界、前記Ｙ₃軸周りの回
転角である傾斜角および前記Ｘ₃軸周りの回転角を測定
するステップ、および、（３）前記ステップ（２）によ
る測定データに基づいて、前記位置測定用ゾンデの位置
を算出するステップを含むものである。

【００１２】また、本発明の他の位置測定方法は、既知
の磁界中に配置された物体の位置を測定する方法であっ
て、（１）少なくとも２個の磁界発生源により空間的な
分布が既知の交流磁界を発生させるステップ、（２）当
該物体に取り付けられた位置測定用ゾンデにおいて、直
交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃を、Ｘ₃軸が該位置測定用ゾンデ
の長軸方向に一致し、Ｚ₃軸がＸ₃軸と鉛直方向を含む平
面内に位置するように定め、前記直交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，
Ｚ₃における各軸方向の交流磁界、前記Ｙ₃軸周りの回転
角である傾斜角および前記Ｘ₃軸周りの回転角を測定す
るステップ、および、（３）前記ステップ（２）による
測定データに基づいて、前記位置測定用ゾンデの位置を
算出するステップを含むものである。

【００１３】さらに、本発明のさらに他の位置測定方法
は、既知の磁界中に配置された物体の位置を測定する方
法であって、（１）それぞれが交流電流源と該交流電流
源からの交流電流が供給される磁界発生用電線からなる
少なくとも２個の磁界発生源であって、前記少なくとも
２個以上の磁界発生用電線が、当該物体に取り付けられ
た位置測定用ゾンデの近傍においていずれも直線とみな
せ、かつ、互いに平行とされているか、あるいは、いず
れも一端に交流電流が供給され他端が接地された互いに
平行な直線的な電線とされている少なくとも２個の磁界
発生源を用いて空間的な分布が既知の交流磁界を発生さ
せるステップ、（２）前記位置測定用ゾンデにおいて、
直交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃を、Ｘ₃軸が該位置測定用ゾン
デの長軸方向に一致し、Ｚ₃軸がＸ₃軸と鉛直方向を含む
平面内に位置するように定め、前記直交座標系Ｘ₃，
Ｙ₃，Ｚ₃における各軸方向の交流磁界を測定するステッ
プ、および、（３）前記ステップ（２）による測定デー
タに基づいて、前記位置測定用ゾンデの位置を算出する
ステップを含むものである。

【００１４】さらにまた、本発明のさらに他の位置測定
方法は、既知の磁界中に配置された物体の位置を測定す
る方法であって、（１）空間的な分布が既知の交流磁界
を発生させるステップ、（２）当該物体に取り付けられ
た位置測定用ゾンデにおいて、直交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ
₃を、Ｘ₃軸が該位置測定用ゾンデの長軸方向に一致し、
Ｚ₃軸がＸ₃軸と鉛直方向を含む平面内に位置するように
定め、前記直交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃における各軸方向
の交流磁界、前記Ｙ₃軸周りの回転角である傾斜角およ
び前記Ｘ₃軸周りの回転角を測定するステップ、（３）
前記位置測定用ゾンデを既知の距離だけ移動させるステ
ップ、（４）前記ステップ（３）により既知の距離だけ
移動された後の、前記直交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃におけ
る各軸方向の交流磁界、前記Ｙ₃軸周りの回転角である
傾斜角および前記Ｘ₃軸周りの回転角を測定するステッ
プ、および、（５）前記ステップ（２）およびステップ
（４）による各測定データに基づいて、該位置測定用ゾ
ンデの位置を算出するステップを含むものである。

【００１５】さらにまた、本発明のさらに他の位置測定
方法は、水平ドリリング工法におけるドリルの位置を測
定する方法であって、（１）当該掘削予定位置の近傍に
配置された交流磁界発生源により空間的な分布が既知の
交流磁界を発生させるステップ、（２）前記ドリルの先
端近傍に取り付けられた位置測定用ゾンデにおいて、直
交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃を、Ｘ₃軸が該位置測定用ゾンデ
の長軸方向に一致し、Ｚ₃軸がＸ₃軸と鉛直方向を含む平
面内に位置するように定め、前記Ｘ₃軸上の既知の距離
だけ離れた少なくとも２点における前記直交座標系
Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃の各軸方向の交流磁界、前記Ｙ₃軸周りの
回転角である傾斜角および前記Ｘ₃軸周りの回転角を測
定するステップ、および、（３）前記ステップ（２）に
よる測定データに基づいて、前記ドリルの位置を算出す
るステップを含むものである。

【００１６】さらにまた、本発明のさらに他の位置測定
方法は、水平ドリリング工法におけるドリルの位置を測
定する位置測定方法であって、（１）当該掘削予定位置
の近傍に配置された少なくとも２個の交流磁界発生源を
用いて空間的な分布が既知の交流磁界を発生させるステ
ップ、（２）前記ドリルの先端近傍に取り付けられた位
置測定用ゾンデにおいて、直交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ
₃を、Ｘ₃軸が該位置測定用ゾンデの長軸方向に一致し、
Ｚ₃軸がＸ₃軸と鉛直方向を含む平面内に位置するように
定め、前記直交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃における各軸方向
の交流磁界、前記Ｙ₃軸周りの回転角である傾斜角およ
び前記Ｘ₃軸周りの回転角を測定するステップ、およ
び、（３）前記ステップ（２）による測定データに基づ
いて、前記ドリルの位置を算出するステップを含むもの
である。

【００１７】さらにまた、本発明のさらに他の位置測定
方法は、水平ドリリング工法におけるドリルの位置を測
定する位置測定方法であって、（１）当該掘削予定位置
の近傍に配置され、それぞれが交流電流源と該交流電流
源からの交流電流が供給される磁界発生用電線からなる
少なくとも２個の磁界発生源であって、前記少なくとも
２個以上の磁界発生用電線が、当該物体に取り付けられ
た位置測定用ゾンデの近傍においていずれも直線とみな
せ、かつ、互いに平行とされているか、あるいは、いず
れも一端に交流電流が供給され他端が接地された互いに
平行な直線的な電線とされている少なくとも２個の磁界
発生源を用いて空間的な分布が既知の交流磁界を発生さ
せるステップ、（２）前記位置測定用ゾンデにおいて、
直交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃を、Ｘ₃軸が該位置測定用ゾン
デの長軸方向に一致し、Ｚ₃軸がＸ₃軸と鉛直方向を含む
平面内に位置するように定め、前記直交座標系Ｘ₃，
Ｙ₃，Ｚ₃における各軸方向の交流磁界を測定するステッ
プ、および、（３）前記ステップ（２）による測定デー
タに基づいて、前記ドリルの位置を算出するステップを
含むものである。

【００１８】さらにまた、本発明のさらに他の位置測定
方法は、水平ドリリング工法におけるドリルの位置を測
定する位置測定方法であって、（１）当該掘削予定位置
の近傍に交流磁界発生源を配置し、該交流磁界発生源に
より空間的な分布が既知の交流磁界を発生させるステッ
プ、（２）前記ドリルの先端近傍に取り付けられた位置
測定用ゾンデにおいて、直交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃を、
Ｘ₃軸が該位置測定用ゾンデの長軸方向に一致し、Ｚ₃軸
がＸ₃軸と鉛直方向を含む平面内に位置するように定
め、前記直交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃における各軸方向の
交流磁界、前記Ｙ₃軸周りの回転角である傾斜角および
前記Ｘ₃軸周りの回転角を測定するステップ、（３）前
記位置測定用ゾンデを既知の距離だけ移動させるステッ
プ、（４）前記ステップ（３）により、既知の距離だけ
移動された後の、前記直交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃におけ
る各軸方向の交流磁界、前記Ｙ₃軸周りの回転角である
傾斜角および前記Ｘ₃軸周りの回転角を測定するステッ
プ、および、（５）前記ステップ（２）およびステップ
（４）による各測定データに基づいて、前記ドリルの位
置を算出するステップを含むものである。

【００１９】さらにまた、本発明の位置測定装置は、空
間的な分布が既知の交流磁界を発生する磁界発生装置
と、該交流磁界内に配置された位置測定用ゾンデと、位
置算出用演算装置と、前記位置測定用ゾンデと演算装置
の間の信号を伝送する伝送路とを有し、前記位置測定用
ゾンデにおいて、直交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃を、Ｘ₃軸が
該位置測定用ゾンテの長軸方向に一致し、Ｚ₃軸がＸ₃軸
と鉛直方向を含む平面内に位置するように定め、前記位
置測定用ゾンデは、その３軸が前記Ｘ₃軸、Ｙ₃軸および
Ｚ₃軸に一致するように配置され、かつ、前記Ｘ₃軸上に
おいて既知の距離だけ離して配置された少なくとも２個
の互いに直交した３軸方向に感度を有する３軸直交型の
磁気センサと、前記Ｙ₃軸周りの回転角である傾斜角を
測定する手段と、前記Ｘ₃軸周りの回転角を測定する手
段と、前記位置算出用演算装置に測定結果を信号として
送出する伝送手段とを有するものであり、前記位置算出
用演算装置は、前記位置測定用ゾンデによって前記伝送
路に送出された信号を受信する機能と、前記伝送路を介
して受信された、前記少なくとも２個の３軸直交型の磁
気センサの測定結果である交流磁界の３成分と傾斜角と
Ｘ₃軸周りの回転角とを基に前記位置測定用ゾンデの位
置を算出する機能を有するものである。

【００２０】また、前記位置算出用演算装置が、前記磁
界発生装置が発生する磁界の位相信号を前記伝送路に送
出する機能を有し、前記位置測定用ゾンデが、前記位置
算出用演算装置が伝送路に送出した位相信号を受信する
機能と、該受信信号に基づいて前記３軸直交型の磁気セ
ンサの出力信号を同期検波することにより目的の周波数
の信号を検出する機能とを有するものである。

【００２１】さらにまた、本発明の他の位置測定装置
は、空間的な分布が既知の交流磁界を発生する少なくと
も２個の磁界発生装置と、該交流磁界内に配置された位
置測定用ゾンデと、位置算出用演算装置と、前記位置測
定用ゾンデと演算装置の間の信号を伝送する伝送路とを
有し、前記位置測定用ゾンデにおいて、直交座標系
Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃を、Ｘ₃軸が該位置測定用ゾンデの長軸方
向に一致し、Ｚ₃軸がＸ₃軸と鉛直方向を含む平面内に位
置するように定め、前記位置測定用ゾンデは、互いに直
交した３軸方向に感度を有する３軸直交型の磁気センサ
であって、その３軸が前記Ｘ₃軸、Ｙ₃軸およびＺ₃軸に
一致するように配置された１個の３軸直交型磁気センサ
と、前記Ｙ₃軸周りの回転角である傾斜角を測定する手
段と、前記Ｘ₃軸周りの回転角を測定する手投と、前記
位置算出用演算装置に測定結果を信号として送出する伝
送手投とを有するものであり、前記位置算出用演算装置
は、前記位置測定用ゾンデによって前記伝送路に送出さ
れた測定信号を受信する機能と、前記伝送路を介して受
信された、前記少なくとも２個の３軸型の直交磁気セン
サの測定結果である交流磁界の３成分と傾斜角とＸ₃軸
周りの回転角とを基に前記位置測定用ゾンデの位置を算
出する機能を有するものである。

【００２２】さらにまた、本発明のさらに他の位置測定
装置は、空間的な分布が既知の交流磁界を発生する少な
くとも２個の磁界発生装置と、該交流磁界内に配置され
た位置測定用ゾンデと、位置算出用演算装置と、該位置
測定用ゾンデと演算装置の間の信号を伝送する伝送路と
を有し、前記少なくとも２個以上の磁界発生装置が、そ
れぞれ、交流電流源と該交流電流源によって交流電流を
供給される磁界発生用電線から構成され、該少なくとも
２個以上の磁界発生用電線が、前記位置測定用ゾンデの
近傍において何れも直線と見なせ、かつ、互いに平行で
あるか、あるいは、該少なくとも２個以上の磁界発生用
電線が、何れも、一端に交流電流が供給され他端が接地
された互いに平行な直線的な電線とされ、前記位置測定
用ゾンデにおいて、直交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃を、Ｘ₃軸
が該位置測定用ゾンデの長軸方向に一致し、Ｚ₃軸がＸ₃
軸と鉛直方向を含む平面内に位置するように定め、前記
位置測定用ゾンデは、互いに直交した３軸方向に感度を
有する３軸直交型の磁気センサであって、その３軸が前
記Ｘ₃軸、Ｙ₃軸およびＺ₃軸に一致するように配置され
た１個の３軸直交型磁気センサと、前記位置算出用演算
装置に測定結果を信号として送出する伝送手段とを有す
るものであり、前記位置算出用演算装置は、前記位置測
定用のゾンデによって該伝送路に送出された信号を受信
する機能と、前記伝送路を介して受信した、前記位置測
定用ゾンデの測定結果である交流磁界の３成分を基に前
記位置測定用ゾンデの相対位置を算出する機能を有する
ものである。

【００２３】さらにまた、前記既知の交流磁界を発生す
るための少なくとも２個の磁界発生装置が、磁界発生の
有無を各磁界発生装置毎に独立して制御できるようにな
されているものである。さらにまた、前記既知の交流磁
界を発生するための少なくとも２個の磁界発生装置によ
り発生される磁界の周波数が各磁界発生源装置ごとに異
なっているものである。

【００２４】さらにまた、本発明のさらに他の位置測定
装置は、空間的な分布が既知の交流磁界を発生する磁界
発生装置と、該交流磁界内に配置された位置測定用ゾン
デと、位置算出用演算装置と、該位置測定用ゾンデと演
算装置の間の信号を伝送する伝送路とを有し、前記位置
測定用ゾンデにおいて、直交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃を、
Ｘ₃軸が該位置測定用ゾンデの長軸方向に一致し、Ｚ₃軸
がＸ₃軸と鉛直方向を含む平面内に位置するように定
め、前記位置測定用ゾンデは、互いに直交した３軸方向
に感度を有する３軸直交型の磁気センサであって、その
３軸が前記Ｘ₃軸、Ｙ₃軸およびＺ₃軸に一致するように
配置された１個の３軸直交型磁気センサと、前記Ｙ₃軸
周りの回転角である傾斜角を測定する手段と、前記Ｘ₃
軸周りの回転角を測定する手段と、前記位置算出用演算
装置に測定結果を信号として送出する伝送手段とを有す
るものであり、前記位置算出用演算装置は、前記位置測
定用のゾンデによって前記伝送路に送出された測定信号
を受信する機能と、前記位置測定用ゾンデを既知の距離
だけ移動させたときの、該移動距離と、移動前と移動後
における測定結果である、交流磁界の３成分と傾斜角と
Ｘ₃軸周りの回転角とを基に前記位置測定用ゾンデの位
置を算出する機能とを有するものである。さらにまた、
前記位置算出用演算装置は、前記位置測定用ゾンデを２
回以上移動させたときにおける交流磁界の３成分と傾斜
角と回転角と移動距離とを基に掛算処理することにより
前記位置測定用ゾンデの位置を算出するようになされて
いるものである。

【００２５】（Ａ）磁界発生源により発生される交流磁
界を、空間的に異なる２以上の位置で検出する、（Ｂ）
少なくとも２個の磁界発生源により発生される交流磁界
を検出する、あるいは、（Ｃ）磁界発生源により発生さ
れる交流磁界を、既知の距離だけ離れた２以上の地点で
検出することにより、磁界検出感度を向上させるととも
に、絶対方位を検出して、位置算出に用いることが可能
となる。同期検波方式によって目的周波数の時間を検出
することにより、感度が向上し、大深度に対応すること
が可能となる。水平ドリリング工法では、通常、ドリル
ヘッドの傾斜とヘッドの軸周りの回転角を常時監視する
必要があり、傾斜計や回転角度計をドリルヘッドに組み
込んでいるという特徴を有効に利用した位置測定方法を
提供することができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】本発明の位置測定方法および装置
は、位置測定用ゾンデが既知の交流磁界内に配置されて
いる場合であればどのような場合にも適用することがで
きるものであるが、ここでは、水平ドリリング工法のド
リル位置の測定に適用した場合を例にとって説明する。
本発明の位置測定方法および装置は、（Ａ）空間的に異
なる２以上の位置において同時に磁界を測定することに
よる方法、（Ｂ）少なくとも２以上の磁界発生装置によ
り発生される磁界を測定することによる方法、および、
（Ｃ）既知の距離だけ離れた少なくとも２以上の点にお
いて磁界を測定することによる方法の３通りの方法およ
び装置に大別することができる。

【００２７】［Ａ−１．第１の実施の形態］まず、
（Ａ）空間的に異なる２以上の位置において同時に磁界
を測定するようにした位置測定方法および装置について
説明する。図１は、本発明の前記（Ａ）の位置測定方法
における第１の実施の形態が適用された位置測定装置の
構成を示す図である。図中、ＰＭは位置算出用演算装
置、ＭＳは磁界発生装置であり、この磁界発生装置ＭＳ
は、電流源ＣＳと磁界発生用電線ＣＬとから構成されて
いる。また、ＴＬは伝送路、ＳＤは位置測定用ゾンデで
ある。さらに、ドリルパイプＤＰ、ドリルヘッドＤＨ、
ビットＢＴは前述した水平ドリリング工法のための構成
要素である。

【００２８】図２は、前記位置算出用演算装置ＰＭ、伝
送路ＴＬ、位置測定用ゾンデＳＤおよび磁界発生装置Ｍ
Ｓの詳細な構成例を示すブロック図である。なお、矢印
は各構成要素間の信号の流れを示している。図中、位置
算出用演算装置ＰＭ中のＰＣは位置算出部、ＰＤは位相
検知部、ＸＲは信号受信部である。位置検出用ゾンデＳ
Ｄ中のＸＴは信号送信部、ＳＣは信号変換部、ＳＰは信
号処理部、ＴＭ１、ＴＭ２は互いに直交した３軸方向に
感度を有する３軸直交型の磁気センサ（以下、単に「３
軸磁気センサ」と呼ぶ）、ＰＳは傾斜角センサ、ＲＳは
回転角センサである。ところで、本発明で使用する磁界
発生用電線ＣＬは、両端を電流源ＣＳに接続されている
ループ状のもの、あるいは一端を磁界発生用電線ＣＳに
接続され、他の一端を接地されたものなどを用いること
ができる。また、前記伝送路ＴＬとしては、有線伝送路
の他に、無線伝送路や磁気結合による信号伝送路などを
用いることができる。ただし、測定深度を増すためには
有線伝送路が有利である。

【００２９】次にこの実施の形態の位置測定装置の動作
について説明する。前記磁界発生装置ＭＳにおいて、前
記電流源ＣＳから前記磁界発生用電線ＣＬに交流電流を
供給し、交流磁界を発生させる。この磁界発生装置ＭＳ
により発生された交流磁界を前記位置測定用ゾンデＳＤ
中の３軸磁気センサＴＭ１およびＴＭ２により検出す
る。また、前記３軸磁気センサＴＭ１およびＴＭ２の傾
きを前記傾斜角センサＰＳと前記回転角センサＲＳで検
知する。これらの各センサの出力信号は前記信号処理部
ＳＰによってフィルタリング等の処理を施される。信号
処理部ＳＰの出力信号は信号変換部ＳＣでコーディング
され、信号送信部ＸＴに送られ、伝送路に送出される。
なお、位置検出用ゾンデＳＤの構成は図のものに限らず
同等な機能を有するものであればよい。

【００３０】ここで、前記３軸磁気センサＴＭ１の感度
軸は互いに直交しており、１個の軸の方向は位置検出用
ゾンデＳＤの長軸方向と一致している。また、別の１個
の軸は傾斜角センサＰＳの感度軸と一致している。傾斜
角センサＰＳはこの感度軸の鉛直方向からの傾きを検出
し、信号として出力する。３軸磁気センサＴＭ２の３個
の感度軸は前記３軸磁気センサＴＭ１の３個の感度軸と
平行とされている。したがって、位置検出用ゾンデＳＤ
が水平な状態では、３軸磁気センサＴＭ１およびＴＭ２
の第１の軸（Ｘ₃軸）は水平で同ゾンデＳＤの長軸と一
致しており、第２の軸（Ｚ₃軸）は鉛直方向と一致して
いる。残る第３軸（Ｙ₃軸）はやはり水平である。傾斜
角センサＰＳは３軸磁気センサＴＭ１とＴＭ２の第１の
軸（Ｘ₃軸）の水平方向からの傾きである傾斜角を検知
し、回転角センサＲＳは第１軸（Ｘ₃軸）の周りの回転
角を検出する。また、前記３軸磁気センサＴＭ１とＴＭ
２はＸ₃軸上に既知の距離Ｌを離して設置されている。
このように、本実施の形態では磁界発生装置ＭＳが発生
する交流磁界を２個の３軸磁気センサＴＭ１およびＴＭ
２によって検出している。

【００３１】前記位置算出用演算装置ＰＭでは、前記伝
送路ＴＬを介して送られてきた信号を信号受信部ＸＲに
よって受信し、デコーディングして位置算出部ＰＣに送
る。一方、磁界発生装置ＭＳ中の電流源ＣＳは磁界発生
のために出力している交流電流と同相の信号を位置算出
用演算装置ＰＭ中の位相検出部ＰＤに送る。位相検出部
ＰＤは送られてきた信号の位相を検知し、位置算出部Ｐ
Ｃに送る。

【００３２】ここで、位置の算出方法について説明す
る。 ［第１の解法］既知の磁界、すなわち磁界発生装置ＭＳ
（磁界発生用電線ＣＬ）によって発生させられた磁界を
記述するための直交座標系（Ｘ_w，Ｙ_w，Ｚ_w）を世界座
標系と呼ぶことにする。ここで、世界座標系のＺ_w軸は
鉛直方向に平行で、地面に対して上向きの方向を正方向
と決める。次に、世界座標系と平行な直交座標系を世界
座標系のＺ_w軸の周りに角度Ψ回転した直交座標系を直
交座標系１（Ｘ₁，Ｙ₁，Ｚ₁）とする。直交座標系１に
平行な直交座標系を直交座標系１のＹ₁軸の周りに角度
Θ回転した直交座標系を直交座標系２（Ｘ₂，Ｙ₂，
Ｚ₂）とする。さらに、この直交座標系２に平行な直交
座標系を直交座標系２のＸ₂軸の周りに角度Φ回転した
直交座標系がゾンデに固定した直交座標系３（Ｘ₃，
Ｙ₃，Ｚ₃）であるとする。以後、直交座標系３をゾンデ
座標系と呼ぶことにする。

【００３３】傾斜角センサＰＳが検知した傾斜角がΘ
で、回転角センサＲＳが検知した回転角がΦであるとす
る。つまり、位置検出用ゾンデＳＤは水平から角度Θ傾
き、ゾンデの長軸の周りに角度Φ回転している状態で磁
界を検出するものとする。このとき、位置算出部ＰＣは
送られてきた磁界の２個の３成分の組と、傾斜角Θ、回
転角Φをもとに、以下の手順で位置検出用ゾンデＳＤの
位置を算出する。

【００３４】３軸磁気センサＴＭ１と３軸磁気センサＴ
Ｍ２のゾンデ座標系での位置をそれぞれ原点（０，０，
０）と点（−Ｌ，０，０）であるとする。直交座標系１
での３軸磁気センサＴＭ１の位置を（ｘ₁₁，ｙ₁₁，
ｚ₁₁）とすると、３軸磁気センサＴＭ２の位置（ｘ₁₂，
ｙ₁₂，ｚ₁₂）は次の式（１）で表わされる。

【数１】 ただし、

【数２】 である。ここで、

【数３】 であるから、次の式（４）が成立する。

【数４】

【００３５】世界座標系に対する直交座標系１の回転角
をΨと仮定するとき、３軸磁気センサＴＭ１の世界座標
系での位置を（ｘ_w，ｙ_w，ｚ_w）とすると、３軸磁気セ
ンサＴＭ２の世界座標系での位置（ｘ_w2，ｙ_w2，ｚ_w2）
は、次の式（５）で表わされる。

【数５】 ただし、

【数６】 である。

【００３６】ここで、３軸磁気センサＴＭ１の世界座標
に対する３軸磁気センサＴＭ２の世界座標の増分を（△
ｘ_w，△ｙ_w，△ｚ_w）とすると、

【数７】 は既知であって、△ｘ_wは△ｙ_wを用いて符号の曖昧さな
しに

【数８】 と表すことができる。ただし、ｓｇｎ（ｑ）はｑの符号
を表すものとする。

【００３７】一方、３軸磁気センサで測定した磁界につ
いては、ゾンデ座標系と直交座標系１で表したものをそ
れぞれベクトルＨ₃、ベクトルＨ₁とすると、

【数９】 で、

【数１０】 である。また、

【数１１】 であるから、磁界の絶対値｜Ｈ_w｜と、垂直成分Ｈ_zwは
ともに確定値として求められる。前記式（７）と式
（８）とを用いて、第２の３軸磁気センサＴＭ２の位置
を表せば、求めるべき未知数はｘ_w、ｙ_w、ｚ_w、Ψの４
個であり、２カ所での磁界の絶対値と垂直成分の等値か
ら、４個の方程式が得られる。

【００３８】すなわち、磁界発生装置ＭＳが発生する交
流磁界ベクトルＨ_acが次の式（１２）のように与えられ
るとする。

【数１２】 このとき、世界座標（ｘ_w，ｙ_w，ｚ_w）と（ｘ_w2，
ｙ_w2，ｚ_w2）で与えられる２個の点での各磁界ベクトル
Ｈ_ac1、Ｈ_ac2は、次の式（１３）および式（１４）とな
る。

【数１３】

【数１４】 この磁界分布の中には世界座標（ｘ_w，ｙ_w，ｚ_w）の座
標軸を設定する過程で方位に関する情報が組み込まれて
いる。

【００３９】位置測定用ゾンデＳＤ中の３軸磁気センサ
ＴＭ１およびＴＭ２で検出した交流磁界ベクトルＨ_s1と
Ｈ_s2を世界座標で表現したものをベクトルＨ_w1、Ｈ_w2、
直交座標系１で表現したものをベクトルＨ₁₁、Ｈ₁₂とす
ると、

【数１５】 であって、

【数１６】 であるから、

【数１７】

【数１８】 となる。したがって、式（７）、式（８）と式（１
７）、式（１８）を連立させて解けば、ｘ_w、ｙ_w、
ｚ_w、ｘ_w2、ｙ_w2、ｚ_w2を求めることができる。

【００４０】［別の解法］

【数１９】 とすれば、

【数２０】 また、

【数２１】 であるから、

【数２２】 であって、

【数２３】 または、

【数２４】 が成立する。

【００４１】したがって、例えば、ｗ₁α＞０，ｗ₂α＞
０，α＝ｘ，ｙ，ｚを重みとして、次に式（２５）に示
す評価関数Ｓを最小とするｘ_w、ｙ_w，ｚ_w、Ψを非線形
な最小二乗法で求める。

【数２５】

【００４２】ところで、本発明では地磁気の情報を用い
る必要がないので、コイルなどの安価な交流磁気センサ
を３軸磁気センサとして用いることがでさる。また、本
発明では、電流源ＣＳから磁界発生用電線ＣＬに流して
いる交流電流と一定な位相関係にある信号を位置算出用
演算装置ＰＭ内の位相検知部ＰＤに入力して、発生する
交流磁界の位相を検知し、その情報を基に３軸磁気セン
サＴＭで検出した磁界の絶対方向（符号）を決定し、位
置算出部ＰＣで位置測定用ゾンデＳＤの位置を算出して
いる。そのために、磁界発生用電線ＣＬに対する位置測
定用ゾンデＳＤの相対的な配置の関係を仮定することな
く位置を測定できる。したがって、磁界の空間的な分布
に対称性がある場合でも、有効な交流磁界が存在する全
空間で測定が可能である。以上が、本実施の形態におけ
る位置算出法である。なお、位置算出用ゾンデＳＤとル
ープ状電流ＣＬの幾何学的な配置によって前記の曖昧さ
が除去できる場合には、位相検知部ＰＤを省略すること
が可能である。また、前述においては、２個の３軸磁気
センサを用いていたが、３個以上の３軸磁気センサを用
いても同様に位置を検出することができる。

【００４３】［Ａ−２．第２の実施の形態］図３は、磁
界を同期検波するようにした実施の形態における前記位
置算出用演算装置ＰＭ、伝送路ＴＬ、位置測定用ゾンデ
ＳＤおよび磁界発生装置ＭＳの詳細な構成例を示す図で
ある。なお、図中、矢印は各構成要素間の信号の流れで
ある。この図において、位置算出用演算装置ＰＭ中のＰ
Ｃは位置算出部、ＰＤは位相検知部、ＴＲ１は信号伝送
部である。また、位置検出用ゾンデＳＤ中のＴＲ２は信
号伝送部、ＳＣは信号変換部、ＳＰは信号処理部、ＴＭ
１とＴＭ２は３軸磁気センサ、ＰＳは傾斜角センサ、Ｒ
Ｓは回転角センサである。さらに、前述の場合と同様
に、前記伝送路ＴＬとしては、有線伝送路の他に、無線
伝送路や磁気結合による信号伝送路などを用いることが
できる。

【００４４】次に、この実施の形態による位置測定装置
の動作について説明する。磁界発生装置ＭＳにおいて電
流源ＣＳから磁界発生用電線ＣＬに交流電流を供給し、
交流磁界を発生させる。この磁界を位置測定用ゾンデＳ
Ｄ中の３軸磁気センサＴＭ１とＴＭ２で検出する。ま
た、３軸磁気センサＴＭ１とＴＭ２の傾きを傾斜角セン
サＰＳと回転角センサＲＳで検知する。これらのセンサ
の出力信号は信号処理部ＳＰによってフィルタリング等
の処理を施される。本実施の形態では、信号処理部ＳＰ
は交流磁界を検出するのに同期検波を用いている。同期
検波のための参照信号は位置算出用演算装置ＰＭから伝
送路ＴＬを介して送られてくる。この参照信号は、信号
伝送部ＴＲ２により受信され信号処理部ＳＰに送られ
る。信号処理部ＳＰの出力信号は信号変換部ＳＣでコー
ディングされ、信号伝送部ＴＲ２に送られ、伝送路ＴＬ
に送出される。なお、位置検出用ゾンデＳＤの構成は図
のものに限らず同等な機能を有するものであればよい。

【００４５】３軸磁気センサＴＭ１の感度軸は互いに直
交しており、１個の軸の方向は位置検出用ゾンデＳＤの
長軸方向と一致している。また、別の１個の軸は傾斜角
センサＰＳの感度軸と一致している。傾斜角センサＰＳ
はこの感度軸の鉛直方向からの傾きを検出し、信号とし
て出力する。したがって、位置検出用ゾンデＳＤが水平
な状態では、３軸磁気センサＴＭの第１の軸（Ｘ₃軸）
は水平で同ゾンデＳＤの長軸と一致しており、第２の軸
（Ｚ₃軸）は鉛直方向と一致している。残る第３軸（Ｙ₃
軸）はやはり水平である。傾斜角センサＰＳは３軸磁気
センサＴＭ１の第１の軸（Ｘ₃軸）の水平方向からの傾
きである傾斜角を検知し、回転角センサＲＳは第１軸
（Ｘ₃軸）の周りの回転角を検出する。３軸磁気センサ
ＴＭ２の各感度軸は３軸磁気センサＴＭ１の対応する感
度軸と平行である。３軸磁気センサＴＭ１とＴＭ２はＸ
₃軸上に既知の距離Ｌを離して設置されている。

【００４６】位置算出用演算装置ＰＭでは、伝送路ＴＬ
を送られてきた信号を信号伝送部ＴＲ１によって受信
し、デコーディングして位置算出部ＰＣに送る。位置算
出部ＰＣは、送られてきた磁界の３成分の２個の組と、
傾斜角、回転角をもとに、図２の実施の形態と同様な方
法で位置検出用ゾンデＳＤの位置を算出する。本実施の
形態の場合には信号処理部ＳＰが交流磁界の同期検波を
行っているために、送られてきた磁界の３成分は既に符
号（方向）の曖昧さは除かれている。一方、磁界発生装
置ＭＳ中の電流源ＣＳは磁界発生のために出力している
交流電流と同相の信号を位置算出用演算装置ＰＭ中の位
相検出部ＰＤに送る。位相検出部ＰＤは送られてきた信
号の位相を検知し、コーディングして信号伝送部ＴＲ１
に送る。信号伝送部ＴＲ１は同位相情報を伝送路ＴＬを
介して位置検出用ゾンデＳＤに送る。なお、このように
して得られた磁界と傾斜角、回転角からゾンデの位置を
算出する方法は、前述した第１の実施の形態と同様な方
法を用いればよい。

【００４７】［Ｂ−１．第３の実施の形態］次に、前述
した（Ｂ）少なくとも２個の磁界発生源により発生され
る交流磁界を検出することによる位置測定方法および装
置について説明する。図４は、本発明の前記（Ｂ）の位
置測定方法における第１の実施形態が適用された位置測
定装置の構成を示す図である。本実施の形態は、水平ド
リリング工法でドリルヘッドの位置を測定する場合の実
施形態である。図中、ＰＭは位置算出用演算装置、ＭＳ
１、ＭＳ２は磁界発生装置であり、それぞれ、電流源Ｃ
Ｓ１、ＣＳ２、磁界発生用電線ＣＬ１、ＣＬ２とから構
成されている。また、前述の場合と同様に、ＴＬは伝送
路、ＳＤは位置測定用ゾンデ、ＤＰはドリルパイプ、Ｄ
Ｈはドリルヘッド、ＢＴはビットである。さらに、前述
の場合と同様に、前記伝送路ＴＬとしては、有線伝送路
の他に、無線伝送路や磁気結合による信号伝送路などを
用いることができる。

【００４８】図５は、この実施の形態における、位置算
出用演算装置ＰＭ、伝送路ＴＬ、位置測定用ゾンデＳＤ
および磁界発生装置ＭＳの詳細な構成例を示すブロック
図である。なお、矢印は各構成要素間の信号の流れであ
る。図中、位置算出用演算装置ＰＭ中のＰＣは位置算出
部、ＰＤは位相検知部、ＴＲ１は信号伝送部である。位
置検出用ゾンデＳＤ中のＴＲ２は信号伝送部、ＳＣは信
号変換部、ＳＰは信号処理郡、ＴＭは３軸磁気センサ、
ＰＳは傾斜角センサ、ＲＳは回転角センサである。とこ
ろで、本発明で使用する磁界発生用電線ＣＬ１、ＣＬ２
は、両端を電流源ＣＳに接続されているループ状のも
の、あるいは一端を磁界発生用電線ＣＳに接続され、他
の一端を接地されたものなどを用いることができる。

【００４９】次に、このように構成された位置測定装置
の動作について説明する。磁界発生装置ＭＳ１およびＭ
Ｓ２において、各電流源ＣＳ１およびＣＳ２から磁界発
生用電線ＣＬ１およびＣＬ２にそれぞれ交流電流を供給
し、磁界を発生させる。この磁界を位置測定用ゾンデＳ
Ｄ中の３軸磁気センサＴＭで検知する。また、３軸磁気
センサＴＭの傾きを傾斜角センサＰＳと回転角センサＲ
Ｓで検知する。これらのセンサの出力信号は信号処理部
ＳＰによってフィルタリング等の処理を施される。ま
た、本実施の形態では、位置算出用演算装置ＰＭから送
られてきた参照信号を基に交流磁界を同期検波によって
検出している。信号処理部ＳＰの出力信号は信号変換部
ＳＣでコーディングされ、信号伝送部ＴＲ２に送られ、
伝送路ＴＬに送出される。なお、位置検出用ゾンデＳＤ
の構成は図のものに限らず同等な櫻能を有するものであ
ればよい。また、同期検波を行うことは必須ではない。

【００５０】さて、前述の場合と同様に、前記３軸磁気
センサＴＭの感度軸は互いに直交しており、１個の軸の
方向は位置検出用ゾンデＳＤの長軸方向と一致してい
る。また、別の１個の軸は傾斜角センサＰＳの感度軸と
一致している。傾斜角センサＰＳはこの感度軸の鉛直方
向からの傾きを検出し、信号として出力する。したがっ
て、位置検出用ゾンデＳＤが水平な状態では、３軸磁気
センサＴＭの第１の軸（Ｘ₃軸）は水平で同ゾンデＳＤ
の長軸と一致しており、第２の軸（Ｚ₃軸）は鉛直方向
と一致している。残る第３軸（Ｙ₃軸）はやはり水平で
ある。傾斜角センサＰＳは３軸磁気センサＴＭの第１の
軸（Ｘ₃軸）の水平方向からの傾きである傾斜角を検知
し、回転角センサＲＳは第１軸（Ｘ₃軸）の周りの回転
角を検出する。

【００５１】位置算出用演算装置ＰＭでは、伝送路ＴＬ
を送られてきた信号を信号伝送部ＴＲ１によって受信
し、デコーディングして位置算出部ＰＣに送る。一方、
磁界発生装置ＭＳ中の電流源ＣＳは磁界発生のために出
力している交流電流と同相の信号を位置算出用演算装置
ＰＭ中の位相検出部ＰＤに送る。位相検出部ＰＤは送ら
れてきた信号を参照信号として信号伝送部ＴＲ１を介し
て位置測定用ゾンデＳＤに送る。

【００５２】ここで、位置の算出方法について説明す
る。 ［第１の解法］既知の磁界、すなわち磁界発生装置ＭＳ
１およびＭＳ２、したがって、磁界発生用電線ＣＬ１お
よび磁界発生用電線ＣＬ２によって発生させられた磁界
を記述するための直交座標系（Ｘ_w，Ｙ_w，Ｚ_w）を世界
座標系と呼ぶことにする。ここで世界座標系のＺ_w軸は
鉛直方向に平行で、地面に対して上向きの方向を正方向
と決める。次に、世界座標系と平行な直交座標系を世界
座標系のＺ_w軸の周りに角度Ψ回転した直交座標系を直
交座標系１（Ｘ₁，Ｙ₁，Ｚ₁）とする。直交座標系１に
平行な直交座標系を直交座標系１のＹ₁軸周りに角度Θ
回転した直交座標系を直交座標系２（Ｘ₂，Ｙ₂，Ｚ₂₎と
する。さらに、この直交座標系２に平行な直交座標系を
直交座標系２のＸ₂軸の周りに角度Φ回転した直交座標
系がゾンデＳＤに固定した直交座標系３（Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ
₃）であるとする。以後、直交座標系３をゾンデ座標系
と呼ぶことにする。

【００５３】このとき、傾斜角センサＰＳが検知する傾
斜角はΘで、回転角センサＲＳが検知する回転角はΦで
ある。つまり、位置検出用ゾンデＳＤは水平から角度Θ
傾き、ゾンデの長軸の周りに角度Φ回転している状態で
磁界を検出する。また、世界座標系Ｚｗ軸の周りの回転
角はΨであるとする。磁界発生装置ＭＳ１が磁界を発生
した磁界を３軸磁気センサＴＭで検出したものをベクト
ルＨ_s1、磁界発生装置ＭＳ２が磁界を発生した磁界を３
軸磁気センサＴＭで検出したものをベクトルＨ_s2とす
る。これらの磁界に対応する世界座標で表現したベクト
ルＨ_w1、Ｈ_w2は式（１９）の変換行列Ｒ₃→_wを用いる
と、次の式（２６）により表わされる。

【数２６】 ただし、

【数２７】

【数２８】

【数２９】

【数３０】

【数３１】 である。

【００５４】ここで磁界発生装置ＭＳ１により発生され
る磁界Ｈ_ac ¹が世界座標系で

【数３２】 と表わされ、磁界発生装置ＭＳ２により発生される磁界
Ｈ_ac ²が世界座標系で、

【数３３】 と表わされるとする。すると、

【数３４】 および

【数３５】 が成立する。

【００５５】したがって、例えば、ｗ₁α＞０，ｗ₂α＞
０，α＝ｘ，ｙ，ｚを重みとして、式（３６）に示す評
価関数Ｓを最小にするようなｘ_w、ｙ_w、ｚ_w、Ψを非線
形な最小２乗法で求める。

【数３６】 このような評価関数を用いる場合、磁界発生装置の数を
増せば測定誤差の影響を軽減することができる。

【００５６】［他の解法］３軸磁気センサで測定した磁
界について、ゾンデ座標系と直交座標系１で表したもの
をそれぞれベクトルＨ₃、Ｈ₁とすると、

【数３７】 で、

【数３８】 である。ただし、

【数３９】 である。ここで、

【数４０】 であるから、

【数４１】

【数４２】 を解けば、未知数ｘ_w、ｙ_w、ｚ_w、Ψを求めることがで
きる。

【００５７】なお、個々の磁界発生装置の識別は、
（１）同時にはただ１個のみの磁界発生装置で磁界を発
生する、（２）各磁界発生装置で発生する交流磁界の周
波数を変えて、複数の磁界発生装置により同時に磁界を
発生する、などの方法により可能である。

【００５８】［Ｂ−２．第４の実施の形態］上述した実
施の形態においては、傾斜計および回転角度計を用いて
位置を測定していたが、前記磁界発生装置ＭＳ１および
ＭＳ２の各磁界発生用電線ＣＬ１およびＣＬ２を２本の
平行な電線であるとみなすことができる場合には、前記
３軸磁気センサＴＭにより検出した磁界のみから当該位
置を算出することが可能となる。このような実施の形態
について説明する。

【００５９】図６は、位置測定用ゾンデＳＤの近傍に２
本の平行な電線があるとみなせる場合における磁界発生
用電線と位置測定用ゾンデの配置を示す図である。この
ような場合としては、例えば、２個の磁界発生用電線
が、何れも、位置測定用ゾンデＳＤの近傍で直線的に配
置されていて、他の部分からの磁界の影響が無視できる
場合や、磁界発生用電線が、一端を設置された直線的な
電線である場合などが含まれる。

【００６０】図６において、Ｘ_w、Ｙ_w、Ｚ_wは座標軸
で、Ｘ_w軸は紙面に垂直で、表面から裏面に向かう方向
が正の方向であるとする。磁界発生用電線ＣＬ１と磁界
発生用電線ＣＬ２はＸ_w軸に平行で、Ｘ_w軸からそれぞれ
ｄ／２、−ｄ／２だけＹ_w軸方向に離れて配置されてい
る。Ｉ₁、Ｉ₂はそれぞれ磁界発生用電線ＣＬ１と磁界発
生用電線ＣＬ２に流れている電流、ｄは磁界発生用電線
ＣＬ１と磁界発生用電線ＣＬ２の間の間隔である。ｙ、
ｈは、それぞれ３軸磁気センサＴＭの位置の世界座標系
でのＹ座標とＺ座標である。ベクトルＨ_w1、Ｈ_w2はそれ
ぞれ磁界発生用電線ＣＬ１と磁界発生用電線ＣＬ２に流
れる交流電流によって発生した磁界である。φ₁、φ₂は
磁界Ｈ_w1、Ｈ_w2がＹ_w軸となす角度であり、Ｙ_w軸からＺ
_w軸方向に測るものとする。このような場合には、傾斜
センサや回転センサを使用しなくても、電線に対するゾ
ンデの位置と方向を容易に知ることができる。そこで、
本実施の形態では傾斜角センサ、回転角センサは使用し
ていない。

【００６１】直線的な電線に電流が流れている場合、磁
界は電線に垂直であるから、磁界発生用電線ＣＬ１と磁
界発生用電線ＣＬ２が発生する磁界を３軸磁気センサで
測定したものをそれぞれベクトルＨ_s1、Ｈ_s2とする。ゾ
ンデ座標系（Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃）での表現を、

【数４３】 とすると、磁界発生用電線ＣＬ１と磁界発生用電線ＣＬ
２、したがって、電流の方向はゾンデ座標系で、

【数４４】 に平行である。

【００６２】電流が世界座標系（Ｘ_w，Ｙ_w，Ｚ_w）のＸ_w
軸方向に平行に流れているとする。世界座標系から直交
座標系２への変換は

【数４５】 で表される。世界座標系のＸ_w軸は直交座標系２では

【数４６】 と表され、これが式（４４）のベクトルｉの方向と一致
するから、傾斜角Θ、回転角Ψは、次の式（４７）によ
って計算することができる。

【数４７】

【００６３】一方、電流の大きさが既知であるので、磁
界の絶対値から、位置測定用ゾンデＳＤから磁界発生用
電線ＣＬ１と磁界発生用電線ＣＬ２までの距離を計算す
ることができる。磁界発生用電線ＣＬ１と磁界発生用電
線ＣＬ２までの距離をそれぞれ、ｒ₁、ｒ₂とすると、

【数４８】 である。また、図６から

【数４９】

【数５０】 であるから、

【数５１】

【数５２】 となる。

【００６４】さらに、

【数５３】

【数５４】 とすれば、

【数５５】

【数５６】 であるから、

【数５７】 から、回転角Φを

【数５８】 と計算できる。ただし、

【数５９】 である。

【００６５】このように、位置測定用ゾンデＳＤの近傍
で、磁界発生用電線ＣＬ１と磁界発生用電線ＣＬ２が平
行で直線的な孤立した電線とみなせる場合には、傾斜角
ＰＳセンサや回転角センサＲＳを使用しないで、位置測
定用ゾンデＳＤの電線からの位置（電線に垂直な断面内
の位置）と方向を測定することができる。なお、磁界発
生用電線ＣＬ１と磁界発生用電線ＣＬ２と平行な方向の
位置は、押し込んだドリルパイプＤＰの長さから推定す
ることができる。

【００６６】［Ｂ−３．第５の実施の形態］図７は、こ
の発明におけるさらに他の実施の形態における磁界発生
用電線と位置測定用ゾンデの配置を示す図である。本実
施の形態は、位置測定用ゾンデＳＤの近傍で２個の磁界
発生用電線ＣＬ１、ＣＬ２が直線的で、磁界発生用電線
ＣＬ１、ＣＬ２を流れる他の部分からの磁界が無視でき
る場合の実施の形態である。ここで、２本の磁界発生用
電線ＣＬ１、ＣＬ２の直線的な部分がなす角度φ_cは既
知である。

【００６７】図７において、Ｘ_w、Ｙ_w、Ｚ_wは座標軸
で、Ｘ_w軸は紙面に垂直で、表面から裏面に向かう方向
が正の方向であるとする。磁界発生用電線ＣＬ１と磁界
発生用電線ＣＬ２の直線的な部分は世界座標系の原点で
交叉し、世界座標系のＸ_w−Ｙ_w平面上にあるとする。ま
た、磁界発生用電線ＣＬ１の直線的な部分は世界座標系
のＸ_w軸と一致しているとする。Ｉ₁、Ｉ₂はそれぞれ磁
界発生用電線ＣＬ１と磁界発生用電線ＣＬ２に流れてい
る電流である。ｄ₁、ｄ₂は、位置測定用ゾンデから世界
座標系のＸ_w−Ｙ_w平面に下ろした垂線の足から磁界発生
用電線ＣＬ１と磁界発生用電線ＣＬ２の直線的な部分ま
での距離、ｈはＸ_w−Ｙ_w平面から測った位置測定用ゾン
デＳＤの高さである。Ｌは世界座標の原点と上記垂線の
足までの距離、φ₁、φ₂はそれぞれ、世界座標の原点と
垂線の足を結ぶ直線と磁界発生用電線ＣＬ１と磁界発生
用電線ＣＬ２の直線的な部分がなす角度であり、磁界発
生用電線ＣＬ１と磁界発生用電線ＣＬ２の直線的な部分
から同直線に向かって計るものとし、右ネジ方向を正の
方向とする。角度φｃは磁界発生用電線ＣＬ１から磁界
発生用電線ＣＬ２に向かって測るものとし、やはり右ネ
ジ方向を正の方向とする。ベクトルｒ₁、ｒ₂はそれぞ
れ、位置測定用ゾンデＳＤから最短距離にある磁界発生
用電線ＣＬ１と磁界発生用電線ＣＬ２の直線的な部分上
の点から位置測定用ソンデＳＤに向かうベクトルであ
る。

【００６８】磁界発生用電線ＣＬ１と磁界発生用電線Ｃ
Ｌ２に流れる交流電流によって発生した磁界を位置測定
用ゾンデＳＤ中の３軸磁気センサＴＭで測定したものを
ベクトルＨ_s1、Ｈ_s2とする。

【数６０】 また、傾斜角センサＰＳで測定した傾斜角をΘとし、回
転角センサＲＳで測定した回転角をΦとする。すると、
測定磁界をゾンデ座標系で表現したベクトルＨ_s1、Ｈ_s2
は直交座標系１でベクトルＨ₁₁、Ｈ₁₂と表現できる。

【数６１】 ただし、

【数６２】

【数６３】 である。

【００６９】ここで、

【数６４】

【数６５】 と定義すると、

【数６６】 から、直交座標系１で見た交流電流Ｉ₁、Ｉ₂の方向を計
算できる。この計算には式（６６）の２個の式のうちの
何れを用いても良い。２本の磁界発生用電線ＣＬ１、Ｃ
Ｌ２の直線的な部分がなす角度φ_cは既知で、

【数６７】 であるから、式（６６）の２個の式を用いて最小２乗法
でΨ₁あるいはΨ₂を求めても良い。また、水平ドリリン
グ工法では、ゾンデ座標系のＸ₃軸と世界座標のＸ_w軸と
がなす角度は大きくは変化しないから、式（６６）は符
号の曖昧さなく解くことができる。

【００７０】次に、３軸磁気センサＳＤから磁界発生用
電線ＣＬ１と磁界発生用電線ＣＬ２の直線的な部分まで
の距離ｒ₁、ｒ₂は磁界の絶対値と既知である交流電流Ｉ
₁とＩ₂の大きさを用いて、

【数６８】 と計算できる。一方、ベクトルｒ₁、ｒ₂方向の単位ベク
トルａ₁₁、ａ₁₂は、

【数６９】 によって決めることができる。したがって、高さｈは、

【数７０】 によって計算することができる。また、

【数７１】 であり、

【数７２】 から、距離Ｌと角度φ₁が求められる。このようにし
て、世界座標系での位置測定用ゾンデの位置ＳＤと方向
を算出することができる。

【００７１】なお、以上の実施の形態においては、２個
の磁界発生源をＭＳ１およびＭＳ２を用いた場合を例に
とって説明したが、３以上の磁界発生源を用いる場合に
も、同様に位置を算出することが可能である。

【００７２】［Ｃ−１．第６の実施の形態］次に、前述
した（Ｃ）既知の距離だけ離れた少なくとも２以上の地
点における磁界を測定することによる位置測定方法およ
び装置について説明する。この（Ｃ）の位置測定方法を
水平ドリリング工法においてドリルヘッドの位置を測定
する場合に適用した実施の形態は、前述した図１と同様
の構成とされる。ただし、この実施の形態においては、
前記位置測定用ゾンデＳＤ中に単一の３軸磁気センサＴ
Ｍが設けられており、２以上の場所において磁界の検出
を行なっている点で、前述した各実施の形態と相違して
いる。

【００７３】図８は、この実施の形態における位置算出
用演算装置ＰＭ、伝送路ＴＬ、位置測定用ゾンデＳＤお
よび磁界発生装置ＭＳの詳細な構成例を示すブロック図
である。なお、図中、矢印は各構成要素間の信号の流れ
を示している。この図において、位置算出用演算装置Ｐ
Ｍ中のＰＣは位置算出部、ＰＤは位相検知部、ＴＲ１は
信号伝送部である。また、位置検出用ゾンデＳＤ中のＴ
Ｒ２は信号伝送部、ＳＣは信号変換部、ＳＰは信号処理
部、ＴＭは３軸磁気センサ、ＰＳは傾斜角センサ、ＲＳ
は回転角センサである。なお、前述の場合と同様に、前
記伝送路ＴＬとしては、有線伝送路の他に、無線伝送路
や磁気結合による信号伝送路などを用いることができ
る。また、この実施の形態において使用する磁界発生用
電線ＣＬは、両端を電流源ＣＳに接続されているループ
状のもの、あるいは一端を磁界発生用電線ＣＳに接続さ
れ、他の一端を接地されたものなどを用いることができ
る。

【００７４】次に、このように構成された位置測定装置
の動作について説明する。磁界発生装置ＭＳにおいて電
流源ＣＳから磁界発生用電線ＣＬに交流電流を供給し、
磁界を発生させる。この交流磁界を位置測定用ゾンデＳ
Ｄ中の３軸磁気センサＴＭで検出する。また、３軸磁気
センサＴＭの傾きを傾斜角センサＰＳと回転角センサＲ
Ｓで検知する。これらのセンサの出力信号は信号処理部
ＳＰによってフィルタリング等の処理を施される。信号
処理部の出力信号は信号変換部ＳＣでコーディングさ
れ、信号伝送部ＴＲ２に送られ、伝送路ＴＬに送出され
る。位置検出用ゾンデＳＤの構成は図のものに限らず同
等な機能を有するものであればよい。なお、本実施の形
態では、信号処理部ＳＰにおいて、位置算出用演算装置
ＰＭから送られてくる参照信号を用いて交流磁界を同期
検波によって検出しているが、この機能は必須ではな
い。

【００７５】さて、前記３軸磁気センサＴＭの感度軸は
互いに直交しており、１個の軸の方向は位置検出用ゾン
デＳＤの長軸方向と一致している。また、別の１個の軸
は傾斜角センサＰＳの感度軸と一致している。傾斜角セ
ンサＰＳはこの感度軸の鉛直方向からの傾きを検出し、
信号として出力する。したがって、位置検出用ゾンデＳ
Ｄが水平な状態では、３軸磁気センサＴＭの第１の軸
（Ｘ₃軸）は水平で同ゾンデＳＤの長軸と一致してお
り、第２の軸（Ｚ₃軸）は鉛直方向と一致している。残
る第３軸（Ｙ₃軸）はやはり水平である。傾斜角センサ
ＰＳは３軸磁気センサＴＭの第１の軸（Ｘ₃軸）の水平
方向からの傾きである傾斜角を検知し、回転角センサＲ
Ｓは第１軸（Ｘ₃軸）の周りの回転角を検出する。

【００７６】前記位置算出用演算装置ＰＭでは、伝送路
ＴＬを介して送られてきた信号を信号受信部ＴＲ１によ
って受信し、デコーディングして位置算出部ＰＣに送
る。一方、磁界発生装置ＭＳ中の電流源ＣＳは磁界発生
のために出力している交流電流と同相の信号を位置算出
用演算装置ＰＭ中の位相検出部ＰＤに送る。位相検出郡
ＰＤは、信号伝送部ＴＲ１、伝送路ＴＬを介して、この
信号を参照信号として位置算出部ＰＣに送る。

【００７７】ここで、位置の算出方怯について説明す
る。この発明では、磁界発生装置ＭＳが発生する交流磁
界を異なる２カ所以上の場所で３軸磁気センサＴＭによ
って検出している。前述の場合と同様に、既知の磁界、
すなわち磁界発生装置ＭＳ（磁界発生用電線ＣＬ）によ
って発生させれた磁界を記述するための直交座標系（Ｘ
_w，Ｙ_w，Ｚ_w）を世界座標系と呼ぶことにする。ここ
で、世界座標系のＺ_w軸は鉛直方向に平行で、地面に対
して上向きの方向を正方向と決める。次に、世界座標系
と平行な直交座標系を世界座標系のＺ_w軸の周りに角度
Ψ回転した直交座標系を直交座標系１（Ｘ₁，Ｙ₁，
Ｚ₁）とする。直交座標系１に平行な直交座標系を直交
座標系１のＹ₁軸の周りに角度Θ回転した直交座標系を
直交座標系２（Ｘ₂，Ｙ₂，Ｚ₂）とする。さらに、この
直交座標系２に平行な直交座標系を直交座標系２のＸ₂
軸の周りに角度Φ回転した直交座標系がゾンデに固定し
た直交座標系３（Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃）であるとする。以
後、直交座標系３をゾンデ座標系と呼ぶことにする。

【００７８】傾斜角センサＰＳが検知する傾斜角はΘ
で、回転角センサＲＳが検知する回転角はΦとする。つ
まり、位置検出用ゾンデＳＤは水平から角度Θ傾き、ゾ
ンデの長軸の周りに角度Φ回転している状態で磁界を検
出するものとする。位置算出用ゾンデＳＤをＮ回移動し
て磁界を測定する場合を例にとってこの発明における位
置の求め方を説明する。ただし、ＮはＮ＞０なる整数で
ある。位置算出部ＰＣは送られてきた磁界のＮ個の３成
分の組と、Ｎ個の傾斜角Θ、Ｎ個の回転角Φをもとに、
以下の手順で位置検出用ゾンデＳＤの位置を算出する。
また、この時の位置算出用ゾンデＳＤの移動距離は、水
平ドリリング工法の場合押し出したドリルパイプＤＰの
長さから求めることができ、Ｌ₀、…、Ｌ_N-1であるとす
る。

【００７９】移動前と移動後のＮ＋１個の場所での３軸
磁気センサＴＭの位置Ｐ_wi（ｉ＝０，…、Ｎ）を世界座
標系で

【数７３】 であるとする。同様に、Ｎ＋１個の場所での傾斜角Θと
回転角Φをそれぞれ、Θ₀、…、Θ_NおよびΦ₀、…、Φ_N
とする。これらＮ＋１個の位置での磁界の測定値Ｈ_s0、
…、Ｈ_sNは、ゾンデ座標系で

【数７４】 と与えられる。また、それぞれの場所での世界座標系に
対する直交座標系１の回転角ΨをΨ₀、…、Ψ_Nと仮定す
る。

【００８０】［第１の解法］まず、傾斜角Θと回転角Φ
の変化が少なく、移動中のこれらの角度を移動前後の角
度の平均値で代表することができる場合の位置の算出法
について説明する。角度Θ_i，Ψ_i、ｉ＝０，…，Ｎに対
して、それらの平均値を次の式（７５）のように定義す
る。

【数７５】 これらの平均角度と移動距離Ｌ₀、…、Ｌ_N-1を用いる
と、移動後の３軸磁気センサの位置（ｘ_w1，ｙ_w1，
ｚ_w1），…，（ｘ_wN，ｙ_wN，ｚ_wN）は、移動前の位置
（ｘ_w0，ｙ_w0，ｚ_w0）を用いて、次の式（７６）あるい
は式（７７）で与えられる。

【数７６】

【数７７】

【００８１】また、Θ_i，Φ_i，Ψ_i，ｉ＝０，…，Ｎに
対して、次の式（７８）〜式（８２）と定義する。

【数７８】

【数７９】

【数８０】

【数８１】

【数８２】 このとき、各測定点ベクトルＰ_wi（ｉ＝０，…，Ｎ）で
の測定磁界の世界座標での表現ベクトルＨ_w0，…，Ｈ_wN
は、次の式（８３）で表わされる。

【数８３】

【００８２】磁界発生装置ＭＳが発生する交流磁界ベク
トルＨ_acが各測定点Ｐ_wi（ｉ＝０，…，Ｎ）で次の式
（８４）で与えられるとする。

【数８４】 ここで、式（８４）は磁界のＸ_w、Ｙ_w、Ｚ_w軸方向成分
が変数ｘ_wi，ｙ_wi，ｚ_wi、Ψ_iの関数として、それぞれ
関数ｆ_x、ｆ_y、ｆ_zによって与えられることを示してい
る。測定磁界と磁界発生装置ＭＳが発生する磁界は等し
いから、次の式（８５）が成立する。

【数８５】 すなわち、次の式（８６）となる。

【数８６】 ここで、上記式（８６）の左辺は、Ｈ_xwi、Ｈ_ywi、Ｈ
_zwiがｘ_wi，ｙ_wi，ｚ_wi，Ψ_iの関数であることを表わし
ている。

【００８３】したがって、前記式（７７）の（ｘ_w1，ｙ
_w1，ｚ_w1）、…、（ｘ_wN，ｙ_wN，ｚ_wN）を式（８６）に
代入すれば、ｘ_w0，ｙ_w0，ｚ_w0，Ψ₀，…，Ψ_NのＮ＋４
個の未知数に対する３（Ｎ＋１）個の方程式

【数８７】 が得られる。ここで、左辺は、Ｈ_xwi、Ｈ_ywi、Ｈ_zwiが
ｘ_w0，ｙ_w0，ｚ_w0，Ψ₀，Ψ₁，…，Ψ_Nの関数であるこ
とを表わしている。

【００８４】方程式の数が未知数の数より多いので、非
線形な最小二乗法のような方法で式（８７）を解けば、
ｘ_w0，ｙ_w0，ｚ_w0，Ψ₀，Ψ₁，…，Ψ_Nを求めることが
できる。具体的には、

【数８８】 を最小にするようなｘ_w0，ｙ_w0，ｚ_w0，Ψ₀，Ψ₁，…，
Ψ_Nを非線形な最小二乗法のような方法で求めればよ
い。

【００８５】このように、この発明では地磁気の情報を
用いる必要がないので、コイルなど安価な交流磁気セン
サを３軸磁気センサとして用いることができる。ところ
で、この発明では、電流源ＣＳから磁界発生用電線ＣＬ
に流している交流電流と同相な信号を参照信号として３
軸磁気センサＴＭで検出した磁界中の当該周波数成分を
検出しているので、磁界発生用電線ＣＬに対する位置測
定用ゾンデＳＤの相対的な配置の関係を仮定することな
く位置を測定できる。したがって、磁界の空間的な分布
に対称性がある場合でも、有効な交流磁界が存在する全
空間で測定が可能である。以上がこの実施の形態におけ
る位置算出法である。位置算出用ゾンデＳＤとループ状
電流ＣＬの幾何学的な配置によって前記の曖昧さが除去
できる場合には、位相検知部ＰＤを省略することが可能
である。

【００８６】［第２の解法］回転角Ψと傾斜角Θが移動
距離に対して一定の割合で変化するとみなせる場合の位
置の算出法について以下に説明する。位置算出用ゾンデ
ＳＤが点Ｐ_wiから点Ｐ_wi+1まで移動するときに、回転角
Ψと傾斜角Θが、次の式（８９）のように変化するもの
とする。

【数８９】 このとき、移動中の位置算出用ゾンデＳＤの移動方向ｄ
ｒ_w／ｄｌは、次の式（９０）で与えられる。

【数９０】 これを成分毎に書けば、次の式（９１）となる。

【数９１】

【００８７】したがって、ベクトルで表現した点Ｐ_wi+1
の世界座標はα_iとβ_iとの関係にしたがって、次の５通
りに表わされる。 ［１］β_i≠±α_i、α_i≠０のときは次の式（９２）の
ように表わされる。

【数９２】 ただし、

【数９３】 である。

【００８８】［２］β_i≠±α_i、α_i＝０のときは、次
の式（９４）のように表される。

【数９４】 ［３］β_i＝−α_i、α_i≠０のときは、次の式（９５）
のように表される。

【数９５】 ［４］β_i＝＋α_i、α_i≠０のときは、次の式（９６）
のように表される。

【数９６】 ［５］α_i＝β_i＝０のときは、次の式（９７）のように
表される。

【数９７】

【００８９】したがって、α_iとβ_iとの関係にしたがっ
て前記式（９２）、式（９４）〜式（９７）までのいず
れかを前記式（８６）に代入すれば、前記式（８７）と
同様な連立方程式が得られる。この方程式を前述した第
１の解法と同様な方法で解けば位置測定用ゾンデＳＤの
位置を求めることができる。

【００９０】［第３の解法］世界座標系のＸ_w、Ｙ_w、Ｚ
_w軸方向への移動距離が移動距離の多項式で近似できる
場合、つまり、

【数９８】 であるときについて説明する。まず、

【数９９】 である。このとき、傾きは、

【数１００】 となるが、方向余弦の大きさは１でなければならないか
ら、つまり、

【数１０１】 であるから、次の式（１０２）が成立する。

【数１０２】

【００９１】一般に、Ｍが奇数のときは、次の式（１０
３）が成立する。

【数１０３】 また、Ｍが偶数のときは、次の式（１０４）が成立す
る。

【数１０４】

【００９２】ところで、前記式（１００）からΘ_iは既
知であるから、ｌ＝０のとき、次の式（１０５）とな
る。

【数１０５】 また、次の式（１０６）が成立する。

【数１０６】

【００９３】ドリルパイプの一般的な曲げを考慮する
と、１次微分、２次微分、３次微分が連続であるから、
次の式（１０７）〜式（１０９）が成立する。

【数１０７】

【数１０８】

【数１０９】

【００９４】ここで、

【数１１０】

【数１１１】 であるから、傾斜角Θと回転角Φの測定値と式（１１
０）と式（１１１）の回転角Ψを前記式（７８）〜式
（８３）に代入すると、磁界に関する前述した式（８
６）と同様の式（１１２）が得られる。

【数１１２】 ここで、未知数は、α_ik、β_ik、γ_ik、ｉ＝１，…，Ｎ
−１、ｋ＝０，…，Ｋの３Ｎ（Ｋ＋１）個である。

【００９５】一方、方程式の数は、式（９９）が３Ｎ
個、式（１０３）と式（１０４）とでＮ（２Ｋ−１）
個、式（１０５）と式（１０６）とでＮ＋１個、式（１
０７）、式（１０８）、式（１０９）がそれぞれ３（Ｎ
−１）個、式（１１２）が３（Ｎ＋１）個で、合計２Ｋ
Ｎ十１５Ｎ−５個であるから、Ｋ＜１２，２≦Ｎであれ
ば、有為な方程式群が得られる。ドリルパイプＤＰおよ
び位置測定用ゾンデＳＤが受ける外力の変化が少なけれ
ば、Ｋは４程度とすれば十分である。Ｎ＞２として、式
（９９）と式（１０３）〜式（１０９）までを式（１１
２）に代入し、式（８８）と同様な式を求めて最小二乗
法で解を求めれば、位置測定用ゾンデＳＤの位置を算出
することができる。

【００９６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の位置測定
方法および装置によれば、検出器等を運搬しながら測定
する必要が無く、迅速な測定を行うことが可能となる。
また、磁界発生源に対するゾンデの位置に条件を設ける
ことなく、有効な交流磁界が存在する全空間で位置の測
定が可能となる。さらに、地磁気を参照せずに、正確な
位置測定が可能な位置測定方法および装置を提供するこ
とができる。さらにまた、静磁気が検出可能な高価な磁
気センサや余分なマグネットコンパスを用いる必要がな
く、水平ドリリング工法において、通常組み込まれてい
る傾斜計や回転角度計を有効に利用した位置測定方法お
よび装置を提供することができる。さらにまた、同期検
波方式によって目的周波数の時間を検出することによ
り、感度が向上し、大深度に対応することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 磁界発生源により発生される交流磁界を、空
間的に異なる２以上の位置で検出することによる本発明
の位置測定方法を水平ドリリング工法に適用した位置測
定装置の構成例を示す図である。

【図２】 図１に示した位置測定装置における各構成要
素の詳細な構成例を示すブロック図である。

【図３】 図１に示した位置測定装置における各構成要
素の他の構成例を示すブロック図である。

【図４】 少なくとも２個の磁界発生源により発生され
る交流磁界を検出することによる本発明の位置測定方法
を水平ドリリング工法に適用した位置測定装置の構成例
を示す図である。

【図５】 図４に示した位置測定装置における各構成要
素の詳細な構成例を示すブロック図である。

【図６】 図４に示した位置測定装置において、位置測
定用ゾンデの近傍に２ほんの平行な電線があるとみな競
る場合における磁界発生用電線と位置測定用ゾンデの配
置を示す図である。

【図７】 図４に示した位置測定装置において、位置測
定用ゾンデの近傍で２個の磁界発生用電線が直線的で、
磁界発生用電線を流れる他の部分からの磁界が無視でき
る場合における磁界発生用電線と位置測定用ゾンデの配
置を示す図である。

【図８】 既知の距離だけ離れた少なくとも２以上の地
点における磁界を測定することによる本発明の位置測定
方法を水平ドリリング工法に適用した位置測定装置にお
ける各構成要素の詳細な構成例を示すブロック図であ
る。

【図９】 従来の位置測定方法および装置を説明するた
めの図である。

【図１０】 従来の位置測定方法および装置を説明する
ための図である。

【符号の説明】

ＢＴ：ビット ＣＬ、ＣＬ１、ＣＬ２：磁界発生用電線 ＣＳ、ＣＳ１、ＣＳ２：電流源 ＤＨ：ドリルヘッド ＤＰ：ドリルパイプ ＭＳ、ＭＳ１、ＭＳ２：磁界発生装置 ＰＣ：位置算出部 ＰＤ：位相検知部 ＰＭ：位置算出用演算装置 ＰＳ：傾斜角センサ ＲＳ：回転角センサ ＳＣ：信号変換部 ＳＤ：位置測定用ゾンデ ＳＰ：信号処理部 ＴＬ：伝送路 ＴＭ、ＴＭ１、ＴＭ２：３軸磁気センサ ＴＲ１、ＴＲ２：信号伝送部 ＸＲ：信号受信部 ＸＴ：信号送信部

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 既知の磁界中に配置された物体の位置
   を測定する方法であって、 （１）空間的な分布が既知の交流磁界を発生させるステ
   ップ、 （２）当該物体に取り付けられた位置測定用ゾンデにお
   いて、直交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃を、Ｘ₃軸が該位置測定
   用ゾンデの長軸方向に一致し、Ｚ₃軸がＸ₃軸と鉛直方向
   を含む平面内に位置するように定め、前記Ｘ₃軸上の既
   知の距離だけ離れた少なくとも２点における前記直交座
   標系Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃の各軸方向の交流磁界、前記Ｙ₃軸周
   りの回転角である傾斜角および前記Ｘ₃軸周りの回転角
   を測定するステップ、および、 （３）前記ステップ（２）による測定データに基づい
   て、前記位置測定用ゾンデの位置を算出するステップを
   含むことを特徴とする位置測定方法。
2. 【請求項２】 既知の磁界中に配置された物体の位置
   を測定する方法であって、 （１）少なくとも２個の磁界発生源により空間的な分布
   が既知の交流磁界を発生させるステップ、 （２）当該物体に取り付けられた位置測定用ゾンデにお
   いて、直交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃を、Ｘ₃軸が該位置測定
   用ゾンデの長軸方向に一致し、Ｚ₃軸がＸ₃軸と鉛直方向
   を含む平面内に位置するように定め、前記直交座標系Ｘ
   ₃，Ｙ₃，Ｚ₃における各軸方向の交流磁界、前記Ｙ₃軸周
   りの回転角である傾斜角および前記Ｘ₃軸周りの回転角
   を測定するステップ、および、 （３）前記ステップ（２）による測定データに基づい
   て、前記位置測定用ゾンデの位置を算出するステップを
   含むことを特徴とする位置測定方法。
3. 【請求項３】 既知の磁界中に配置された物体の位置
   を測定する方法であって、 （１）それぞれが交流電流源と該交流電流源からの交流
   電流が供給される磁界発生用電線からなる少なくとも２
   個の磁界発生源であって、前記少なくとも２個以上の磁
   界発生用電線が、当該物体に取り付けられた位置測定用
   ゾンデの近傍においていずれも直線とみなせ、かつ、互
   いに平行とされているか、あるいは、いずれも一端に交
   流電流が供給され他端が接地された互いに平行な直線的
   な電線とされている少なくとも２個の磁界発生源を用い
   て空間的な分布が既知の交流磁界を発生させるステッ
   プ、 （２）前記位置測定用ゾンデにおいて、直交座標系
   Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃を、Ｘ₃軸が該位置測定用ゾンデの長軸方
   向に一致し、Ｚ₃軸がＸ₃軸と鉛直方向を含む平面内に位
   置するように定め、前記直交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃にお
   ける各軸方向の交流磁界を測定するステップ、および、 （３）前記ステップ（２）による測定データに基づい
   て、前記位置測定用ゾンデの位置を算出するステップを
   含むことを特徴とする位置測定方法。
4. 【請求項４】 既知の磁界中に配置された物体の位置
   を測定する方法であって、 （１）空間的な分布が既知の交流磁界を発生させるステ
   ップ、 （２）当該物体に取り付けられた位置測定用ゾンデにお
   いて、直交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃を、Ｘ₃軸が該位置測定
   用ゾンデの長軸方向に一致し、Ｚ₃軸がＸ₃軸と鉛直方向
   を含む平面内に位置するように定め、前記直交座標系Ｘ
   ₃，Ｙ₃，Ｚ₃における各軸方向の交流磁界、前記Ｙ₃軸周
   りの回転角である傾斜角および前記Ｘ₃軸周りの回転角
   を測定するステップ、 （３）前記位置測定用ゾンデを既知の距離だけ移動させ
   るステップ、 （４）前記ステップ（３）により既知の距離だけ移動さ
   れた後の、前記直交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃における各軸
   方向の交流磁界、前記Ｙ₃軸周りの回転角である傾斜角
   および前記Ｘ₃軸周りの回転角を測定するステップ、お
   よび、 （５）前記ステップ（２）およびステップ（４）による
   各測定データに基づいて、該位置測定用ゾンデの位置を
   算出するステップを含むことを特徴とする位置測定方
   法。
5. 【請求項５】 水平ドリリング工法におけるドリルの
   位置を測定する方法であって、 （１）当該掘削予定位置の近傍に配置された交流磁界発
   生源により空間的な分布が既知の交流磁界を発生させる
   ステップ、 （２）前記ドリルの先端近傍に取り付けられた位置測定
   用ゾンデにおいて、直交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃を、Ｘ₃軸
   が該位置測定用ゾンデの長軸方向に一致し、Ｚ₃軸がＸ₃
   軸と鉛直方向を含む平面内に位置するように定め、前記
   Ｘ₃軸上の既知の距離だけ離れた少なくとも２点におけ
   る前記直交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃の各軸方向の交流磁
   界、前記Ｙ₃軸周りの回転角である傾斜角および前記Ｘ₃
   軸周りの回転角を測定するステップ、および、 （３）前記ステップ（２）による測定データに基づい
   て、前記ドリルの位置を算出するステップを含むことを
   特徴とする位置測定方法。
6. 【請求項６】 水平ドリリング工法におけるドリルの
   位置を測定する位置測定方法であって、 （１）当該掘削予定位置の近傍に配置された少なくとも
   ２個の交流磁界発生源を用いて空間的な分布が既知の交
   流磁界を発生させるステップ、 （２）前記ドリルの先端近傍に取り付けられた位置測定
   用ゾンデにおいて、直交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃を、Ｘ₃軸
   が該位置測定用ゾンデの長軸方向に一致し、Ｚ₃軸がＸ₃
   軸と鉛直方向を含む平面内に位置するように定め、前記
   直交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃における各軸方向の交流磁
   界、前記Ｙ₃軸周りの回転角である傾斜角および前記Ｘ₃
   軸周りの回転角を測定するステップ、および、 （３）前記ステップ（２）による測定データに基づい
   て、前記ドリルの位置を算出するステップを含むことを
   特徴とする位置測定方法。
7. 【請求項７】 水平ドリリング工法におけるドリルの
   位置を測定する位置測定方法であって、 （１）当該掘削予定位置の近傍に配置され、それぞれが
   交流電流源と該交流電流源からの交流電流が供給される
   磁界発生用電線からなる少なくとも２個の磁界発生源で
   あって、前記少なくとも２個以上の磁界発生用電線が、
   当該物体に取り付けられた位置測定用ゾンデの近傍にお
   いていずれも直線とみなせ、かつ、互いに平行とされて
   いるか、あるいは、いずれも一端に交流電流が供給され
   他端が接地された互いに平行な直線的な電線とされてい
   る少なくとも２個の磁界発生源を用いて空間的な分布が
   既知の交流磁界を発生させるステップ、 （２）前記位置測定用ゾンデにおいて、直交座標系
   Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃を、Ｘ₃軸が該位置測定用ゾンデの長軸方
   向に一致し、Ｚ₃軸がＸ₃軸と鉛直方向を含む平面内に位
   置するように定め、前記直交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃にお
   ける各軸方向の交流磁界を測定するステップ、および、 （３）前記ステップ（２）による測定データに基づい
   て、前記ドリルの位置を算出するステップを含むことを
   特徴とする位置測定方法。
8. 【請求項８】 水平ドリリング工法におけるドリルの
   位置を測定する位置測定方法であって、 （１）当該掘削予定位置の近傍に交流磁界発生源を配置
   し、該交流磁界発生源により空間的な分布が既知の交流
   磁界を発生させるステップ、 （２）前記ドリルの先端近傍に取り付けられた位置測定
   用ゾンデにおいて、直交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃を、Ｘ₃軸
   が該位置測定用ゾンデの長軸方向に一致し、Ｚ₃軸がＸ₃
   軸と鉛直方向を含む平面内に位置するように定め、前記
   直交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃における各軸方向の交流磁
   界、前記Ｙ₃軸周りの回転角である傾斜角および前記Ｘ₃
   軸周りの回転角を測定するステップ、 （３）前記位置測定用ゾンデを既知の距離だけ移動させ
   るステップ、 （４）前記ステップ（３）により、既知の距離だけ移動
   された後の、前記直交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，Ｚ₃における各
   軸方向の交流磁界、前記Ｙ₃軸周りの回転角である傾斜
   角および前記Ｘ₃軸周りの回転角を測定するステップ、
   および、 （５）前記ステップ（２）およびステップ（４）による
   各測定データに基づいて、前記ドリルの位置を算出する
   ステップを含むことを特徴とする位置測定方法。
9. 【請求項９】 空間的な分布が既知の交流磁界を発生
   する磁界発生装置と、 該交流磁界内に配置された位置測定用ゾンデと、 位置算出用演算装置と、 前記位置測定用ゾンデと演算装置の間の信号を伝送する
   伝送路とを有し、 前記位置測定用ゾンデにおいて、直交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，
   Ｚ₃を、Ｘ₃軸が該位置測定用ゾンテの長軸方向に一致
   し、Ｚ₃軸がＸ₃軸と鉛直方向を含む平面内に位置するよ
   うに定め、 前記位置測定用ゾンデは、 その３軸が前記Ｘ₃軸、Ｙ₃軸およびＺ₃軸に一致するよ
   うに配置され、かつ、前記Ｘ₃軸上において既知の距離
   だけ離して配置された少なくとも２個の互いに直交した
   ３軸方向に感度を有する３軸直交型の磁気センサと、 前記Ｙ₃軸周りの回転角である傾斜角を測定する手段
   と、 前記Ｘ₃軸周りの回転角を測定する手段と、 前記位置算出用演算装置に測定結果を信号として送出す
   る伝送手段とを有するものであり、 前記位置算出用演算装置は、 前記位置測定用ゾンデによって前記伝送路に送出された
   信号を受信する機能と、 前記伝送路を介して受信された、前記少なくとも２個の
   ３軸直交型の磁気センサの測定結果である交流磁界の３
   成分と傾斜角とＸ₃軸周りの回転角とを基に前記位置測
   定用ゾンデの位置を算出する機能を有することを特徴と
   する位置測定装置。
10. 【請求項１０】 前記位置算出用演算装置が、前記磁
    界発生装置が発生する磁界の位相信号を前記伝送路に送
    出する機能を有し、 前記位置測定用ゾンデが、前記位置算出用演算装置が伝
    送路に送出した位相信号を受信する機能と、該受信信号
    に基づいて前記３軸直交型の磁気センサの出力信号を同
    期検波することにより目的の周波数の信号を検出する機
    能とを有することを特徴とする前記請求項９記載の位置
    測定装置。
11. 【請求項１１】 空間的な分布が既知の交流磁界を発
    生する少なくとも２個の磁界発生装置と、 該交流磁界内に配置された位置測定用ゾンデと、 位置算出用演算装置と、 前記位置測定用ゾンデと演算装置の間の信号を伝送する
    伝送路とを有し、 前記位置測定用ゾンデにおいて、直交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，
    Ｚ₃を、Ｘ₃軸が該位置測定用ゾンデの長軸方向に一致
    し、Ｚ₃軸がＸ₃軸と鉛直方向を含む平面内に位置するよ
    うに定め、 前記位置測定用ゾンデは、 互いに直交した３軸方向に感度を有する３軸直交型の磁
    気センサであって、その３軸が前記Ｘ₃軸、Ｙ₃軸および
    Ｚ₃軸に一致するように配置された１個の３軸直交型磁
    気センサと、 前記Ｙ₃軸周りの回転角である傾斜角を測定する手段
    と、 前記Ｘ₃軸周りの回転角を測定する手投と、 前記位置算出用演算装置に測定結果を信号として送出す
    る伝送手投とを有するものであり、 前記位置算出用演算装置は、 前記位置測定用ゾンデによって前記伝送路に送出された
    測定信号を受信する機能と、 前記伝送路を介して受信された、前記少なくとも２個の
    ３軸型の直交磁気センサの測定結果である交流磁界の３
    成分と傾斜角とＸ₃軸周りの回転角とを基に前記位置測
    定用ゾンデの位置を算出する機能を有することを特徴と
    する位置測定装置。
12. 【請求項１２】 空間的な分布が既知の交流磁界を発
    生する少なくとも２個の磁界発生装置と、 該交流磁界内に配置された位置測定用ゾンデと、 位置算出用演算装置と、 該位置測定用ゾンデと演算装置の間の信号を伝送する伝
    送路とを有し、 前記少なくとも２個以上の磁界発生装置が、それぞれ、
    交流電流源と該交流電流源によって交流電流を供給され
    る磁界発生用電線から構成され、 該少なくとも２個以上の磁界発生用電線が、前記位置測
    定用ゾンデの近傍において何れも直線と見なせ、かつ、
    互いに平行であるか、 あるいは、 該少なくとも２個以上の磁界発生用電線が、何れも、一
    端に交流電流が供給され他端が接地された互いに平行な
    直線的な電線とされ、 前記位置測定用ゾンデにおいて、直交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，
    Ｚ₃を、Ｘ₃軸が該位置測定用ゾンデの長軸方向に一致
    し、Ｚ₃軸がＸ₃軸と鉛直方向を含む平面内に位置するよ
    うに定め、 前記位置測定用ゾンデは、 互いに直交した３軸方向に感度を有する３軸直交型の磁
    気センサであって、その３軸が前記Ｘ₃軸、Ｙ₃軸および
    Ｚ₃軸に一致するように配置された１個の３軸直交型磁
    気センサと、 前記位置算出用演算装置に測定結果を信号として送出す
    る伝送手段とを有するものであり、 前記位置算出用演算装置は、 前記位置測定用のゾンデによって該伝送路に送出された
    信号を受信する機能と、 前記伝送路を介して受信した、前記位置測定用ゾンデの
    測定結果である交流磁界の３成分を基に前記位置測定用
    ゾンデの相対位置を算出する機能を有するものであるこ
    とを特徴とする位置測定装置。
13. 【請求項１３】 前記既知の交流磁界を発生するため
    の少なくとも２個の磁界発生装置が、磁界発生の有無を
    各磁界発生装置毎に独立して制御できるようになされて
    いるものであることを特徴とする前記請求項１１あるい
    は１２に記載の位置測定装置。
14. 【請求項１４】 前記既知の交流磁界を発生するため
    の少なくとも２個の磁界発生装置により発生される磁界
    の周波数が各磁界発生源装置ごとに異なっていることを
    特徴とする前記請求項１１あるいは１２に記載の位置測
    定装置。
15. 【請求項１５】 空間的な分布が既知の交流磁界を発
    生する磁界発生装置と、 該交流磁界内に配置された位置測定用ゾンデと、 位置算出用演算装置と、 該位置測定用ゾンデと演算装置の間の信号を伝送する伝
    送路とを有し、 前記位置測定用ゾンデにおいて、直交座標系Ｘ₃，Ｙ₃，
    Ｚ₃を、Ｘ₃軸が該位置測定用ゾンデの長軸方向に一致
    し、Ｚ₃軸がＸ₃軸と鉛直方向を含む平面内に位置するよ
    うに定め、 前記位置測定用ゾンデは、 互いに直交した３軸方向に感度を有する３軸直交型の磁
    気センサであって、その３軸が前記Ｘ₃軸、Ｙ₃軸および
    Ｚ₃軸に一致するように配置された１個の３軸直交型磁
    気センサと、 前記Ｙ₃軸周りの回転角である傾斜角を測定する手段
    と、 前記Ｘ₃軸周りの回転角を測定する手段と、 前記位置算出用演算装置に測定結果を信号として送出す
    る伝送手段とを有するものであり、 前記位置算出用演算装置は、 前記位置測定用のゾンデによって前記伝送路に送出され
    た測定信号を受信する機能と、 前記位置測定用ゾンデを既知の距離だけ移動させたとき
    の、該移動距離と、移動前と移動後における測定結果で
    ある、交流磁界の３成分と傾斜角とＸ₃軸周りの回転角
    とを基に前記位置測定用ゾンデの位置を算出する機能と
    を有することを特徴とする位置測定装置。
16. 【請求項１６】 前記位置算出用演算装置は、前記位
    置測定用ゾンデを２回以上移動させたときにおける交流
    磁界の３成分と傾斜角と回転角と移動距離とを基に掛算
    処理することにより前記位置測定用ゾンデの位置を算出
    することを特徴とする前記請求項１５記載の位置測定装
    置。