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図面 (6)

課題

平ドリル装置を使用して地中掘削中に対象物を検出する方法を提供する。

解決手段

特に水平ドリル装置のための、地中削孔用ドリルヘッド1であって、ハウジングと、無線信号を生成するための送信機6と、アンテナ7と、反射された無線信号を受信するための受信機8とを含む、ドリルヘッド1において、前記アンテナユニットは、無線信号を地中に送信し、反射された無線信号を受信するように適合されている、ドリルヘッド1。

概要

背景

地中孔用ドリル装置ドリルヘッドの前方にある障害物は、水平掘削技術における問題を引き起こす。このような障害には、例えば硬質岩の岩石が含まれる場合があり、このような硬質岩の岩石は、使用されるドリル装置によって破砕できないことが多い。さらに、地表付近の領域には水道管ガス管電話線、または電力線が位置する可能性があり、掘削中にこれらを破壊してはならない。

上記の問題は、操縦可能な水平ドリル装置の開発につながった。HDD(Horizontal Directional Drilling)と呼ばれるこのようなドリル装置は、障害物を回避した操縦を可能にする。位置特定の観点から障害物の迂回を可能にするために、ジオレーダ測量によって障害物を分類することがさらに知られている。

地中の障害物は、通常、レーダユニットによって確実に検出され、この場合、レーダユニットから放射される電磁波が、障害物の一部によって引き起こされる電気的な不連続部から反射され、レーダユニットによって再び受信される。受信した電磁波を分析することにより、特に、位置、すなわちドリルヘッドに対する障害物の方向と、障害物までの距離とを検出して、ドリル装置の進行方向を補正するために使用することが可能となる。

米国特許第6755263号明細書(US6755263B2)は、地上のロケータ通信する地下のドリル装置において検出を実施するためのシステムおよび方法を開示している。このシステムおよび方法は、地下のドリル装置からレーダプローブ信号を送信することを含む。地下のドリル装置において、レーダリターン信号が受信される。レーダリターン信号は、センサデータを生成するために地下のドリル装置において処理される。センサデータは、地上のロケータによって受信するために適した形式で送信される。

しかしながら、水平ドリル装置にレーダユニットを組み込むことは、大きな問題となっている。レーダユニットは、通常、ドリルヘッドの前方の領域を監視するために使用されるので、水平ドリル装置自体が電磁波を妨害してしまうことを阻止するために、レーダユニットをドリルヘッド内に配置することが賢明である。さらに、ドリルヘッドは過酷な環境影響を受けるので、ドリルヘッド内の電子装置が著しい摩耗および/または損傷を受ける可能性がある。水平ドリル装置の場合には、ドリルヘッドは、最も強力な応力を受けるコンポーネントである。なぜなら、ドリルヘッドは、水平ドリル装置の駆動ユニットによって生成される静的および動的(打撃装置関与する場合)な堀削力を地面に伝達するからである。さらに、ドリルヘッド内のスペースが制限されてしまう。

概要

水平ドリル装置を使用して地中掘削中に対象物を検出する方法を提供する。特に水平ドリル装置のための、地中削孔用のドリルヘッド1であって、ハウジングと、無線信号を生成するための送信機6と、アンテナ7と、反射された無線信号を受信するための受信機8とを含む、ドリルヘッド1において、前記アンテナユニットは、無線信号を地中に送信し、反射された無線信号を受信するように適合されている、ドリルヘッド1。

目的

本発明は、上述した欠点のうちの少なくとも1つを解決または取り扱うドリルヘッド内に、レーダユニットを組み込むための有利な可能性を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

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請求項1

特に水平ドリル装置のための、地中孔用ドリルヘッド(1)であって、ハウジングと、無線信号を生成するための送信機(6)と、アンテナ(7)と、反射された無線信号を受信するための受信機(8)とを含む、ドリルヘッド(1)において、前記アンテナユニット(7)は、無線信号を地中に送信し、反射された無線信号を受信するように適合されており、前記アンテナユニット(7)は、前記ドリルヘッド(1)の前方および側方にある障害物に関する信号を受信するように配置されていることを特徴とする、ドリルヘッド(1)。

請求項2

前記受信機(8)は、前記反射された無線信号が未処理の状態で地上の装置に送信され得るように適合されている、請求項1記載のドリルヘッド(1)。

請求項3

前記受信機(8)は、信号送信機(10)に結合されており、前記信号送信機(10)は、前記受信機(8)によって受信された前記反射された無線信号を未処理の状態で地上の装置に送信するように適合されている、請求項1または2記載のドリルヘッド(1)。

請求項4

前記地上の装置は、未処理の前記反射された無線信号をワイヤレスで受信するように適合されている、請求項1から3までのいずれか1項記載のドリルヘッド(1)。

請求項5

前記受信機(8)は、ケーブルまたはワイヤ(9)に結合されており、前記ケーブルまたはワイヤ(9)は、前記反射された無線信号を、前記ドリルヘッド(1)に接続可能なドリルロッドセグメント接続要素に送信するための連結要素に接続される、請求項1から4までのいずれか1項記載のドリルヘッド(1)。

請求項6

前記ドリルヘッド(1)は、位置取得装置を含み、前記受信機(8)は、前記位置取得装置のデータを、前記反射された無線信号と一緒に地上の装置に送信するように適合されている、請求項1から5までのいずれか1項記載のドリルヘッド(1)。

請求項7

前記受信機(8)は、前記反射された無線信号および前記位置取得装置のデータを、離散マルチトーン変調によって送信するように適合されている、請求項6記載のドリルヘッド(1)。

請求項8

地中削孔用のドリル装置、特に水平ドリル装置において、前記ドリル装置は、請求項1から7までのいずれか1項記載のドリルヘッド(1)と地上の装置とを有することを特徴とする、ドリル装置。

請求項9

前記地上の装置は、前記ドリルヘッド(1)を操縦するように適合されている、請求項8記載のドリル装置。

請求項10

前記地上の装置は、前記反射された無線信号および/または前記位置取得装置のデータを視覚化するように適合されている、請求項8または9記載のドリル装置。

請求項11

前記地上の装置は、前記反射された無線信号および/または前記位置取得装置のデータに応答して前記ドリルヘッド(1)を操縦するように適合されている、請求項8から10までのいずれか1項記載のドリル装置。

請求項12

地中削孔中に対象物を検出する方法であって、ドリルヘッド(1)から無線信号を送信するステップと、反射された無線信号を、前記ドリルヘッド(1)内の受信機(8)を介して受信するステップとを含む、方法において、同一のアンテナユニット(7)による、前記無線信号を地中に送信するステップと、前記反射された無線信号を受信するステップとを含み、前記アンテナユニット(7)は、前記ドリルヘッド(1)の前方および側方にある障害物を検出することを特徴とする、方法。

請求項13

受信した前記反射された無線信号を未処理の状態で地上の装置に送信するステップを含み、受信した前記反射された無線信号を、ドリルヘッド(1)と、前記ドリルヘッド(1)に接続されるドリルロッドセグメントとを通るワイヤ(9)を介して送信する、請求項12記載の方法。

請求項14

受信した前記反射された無線信号を未処理の状態で地上の装置に送信するステップを含み、受信した前記反射された無線信号を、前記ドリルヘッド(1)から前記地上の装置(4)にワイヤレスで送信する、請求項12記載の方法。

請求項15

前記反射された無線信号を位置取得装置のデータと一緒に、特に離散マルチトーン変調によって送信するステップを含む、請求項12から14までのいずれか1項記載の方法。

技術分野

0001

本発明は、ドリルヘッド、特に水平ドリル装置のためのドリルヘッドと、ドリルヘッドを有する地中孔用ドリル装置、特に水平ドリル装置と、特に水平ドリル装置を使用して地中削孔中に対象物を検出する方法とに関する。

背景技術

0002

地中削孔用のドリル装置のドリルヘッドの前方にある障害物は、水平掘削技術における問題を引き起こす。このような障害には、例えば硬質岩の岩石が含まれる場合があり、このような硬質岩の岩石は、使用されるドリル装置によって破砕できないことが多い。さらに、地表付近の領域には水道管ガス管電話線、または電力線が位置する可能性があり、掘削中にこれらを破壊してはならない。

0003

上記の問題は、操縦可能な水平ドリル装置の開発につながった。HDD(Horizontal Directional Drilling)と呼ばれるこのようなドリル装置は、障害物を回避した操縦を可能にする。位置特定の観点から障害物の迂回を可能にするために、ジオレーダ測量によって障害物を分類することがさらに知られている。

0004

地中の障害物は、通常、レーダユニットによって確実に検出され、この場合、レーダユニットから放射される電磁波が、障害物の一部によって引き起こされる電気的な不連続部から反射され、レーダユニットによって再び受信される。受信した電磁波を分析することにより、特に、位置、すなわちドリルヘッドに対する障害物の方向と、障害物までの距離とを検出して、ドリル装置の進行方向を補正するために使用することが可能となる。

0005

米国特許第6755263号明細書(US6755263B2)は、地上のロケータ通信する地下のドリル装置において検出を実施するためのシステムおよび方法を開示している。このシステムおよび方法は、地下のドリル装置からレーダプローブ信号を送信することを含む。地下のドリル装置において、レーダリターン信号が受信される。レーダリターン信号は、センサデータを生成するために地下のドリル装置において処理される。センサデータは、地上のロケータによって受信するために適した形式で送信される。

0006

しかしながら、水平ドリル装置にレーダユニットを組み込むことは、大きな問題となっている。レーダユニットは、通常、ドリルヘッドの前方の領域を監視するために使用されるので、水平ドリル装置自体が電磁波を妨害してしまうことを阻止するために、レーダユニットをドリルヘッド内に配置することが賢明である。さらに、ドリルヘッドは過酷な環境影響を受けるので、ドリルヘッド内の電子装置が著しい摩耗および/または損傷を受ける可能性がある。水平ドリル装置の場合には、ドリルヘッドは、最も強力な応力を受けるコンポーネントである。なぜなら、ドリルヘッドは、水平ドリル装置の駆動ユニットによって生成される静的および動的(打撃装置関与する場合)な堀削力を地面に伝達するからである。さらに、ドリルヘッド内のスペースが制限されてしまう。

先行技術

0007

米国特許第6755263号明細書

発明が解決しようとする課題

0008

従来技術を起点として、本発明は、上述した欠点のうちの少なくとも1つを解決または取り扱うドリルヘッド内に、レーダユニットを組み込むための有利な可能性を提供するという課題に基づいている。

課題を解決するための手段

0009

上記の課題は、独立請求項に記載の主題によって解決される。有利な実施形態は、従属請求項の主題である。

0010

本発明の本質は、ただ1つのアンテナユニットだけを使用して、ドリルヘッドの前方および側方にある障害物を検出することができるという発見にある。ドリルヘッド内のコンポーネントの数が減ると共に、ドリルヘッドの経路上の障害物の検出に必要なコンポーネントのために設けなければならないスペースも縮小される。

0011

有利な実施形態によれば、反射された無線信号を地上で処理することができ、また、反射された無線信号の処理が地上で実施される。結果として、ドリルヘッド内において処理を実施する必要がなくなり、−ドリルヘッドによって受信された−反射された無線信号の送信のみを実施すればよくなる。したがって、ドリルヘッド内の電子コンポーネントの数をさらに減らすことが可能となり、ドリルヘッド内の電子コンポーネントの複雑性を軽減することが可能となる。したがって、特に水平ドリル装置のための、本発明による地中削孔用のドリルヘッドは、反射された無線信号が未処理の状態で地上の装置に送信され得るように適合された受信機を含むことができる。

0012

本発明によれば、水平方向の掘削(HDD)において使用することができる水平ドリル装置は、溝なしで地中または土壌に穴を堀削するための装置を包含する。操縦可能なドリルヘッドを使用することができる。地中に穴を掘削する目的は、掘削すべき穴に沿って地下のパイプ導管、またはケーブルを設置することとすることができる。パイプは、例えばPVC、ポリエチレン、および/またはポリプロピレンのようなポリマー延性鉄、および/または鋼といった材料から形成することができる。穴の掘削中または掘削後に、掘削された穴を通してパイプを引き込むことができる。

0013

本発明による「ハウジング」という用語は、ドリルヘッドの外側輪郭区分によって少なくとも部分的に囲まれたスペースを包含する。

0014

本発明による「送信機」は、電磁波、すなわち無線信号を送出するためにアンテナに機能的に結合されたパルス発生器を包含する。レーダ、特に地中削孔用のレーダは、地表下の誘電率の小さな変化でさえも検出するための敏感な技術である地中レーダ(ground penetrating-radar)である。レーダを使用することによって画像を生成することができ、画像は大量の細部を含むことができる。水平方向の掘削においてレーダを使用するための主な目的は、ドリルヘッドの前方にある障害物を検出することである。送信機および受信機は、対象物/障害物検出システムの一部とすることができる。送信機は、1つの実施形態では、無線信号を生成するために使用されるアンテナコンポーネントおよび回路コンポーネントを含むことができる。

0015

ドリルヘッドは、無線信号の送信および受信の両方のための単一のアンテナを含むことが可能である。しかしながら、特に種々異なる目的のため、例えば位置特定情報および/または制御情報または操縦情報および/または命令を送信および/または受信するための、1つまたは複数の追加的なアンテナを設けることも可能である。信号を送信するための単一のアンテナと、信号を受信するための単一のアンテナとを有する単一のアンテナユニットを使用することが可能である。1つまたは複数のアンテナは、好ましくはドリルヘッドの内部またはドリルヘッドの表面にコンフォーマルな形態で配置される。アンテナがドリルヘッドの内部に配置される場合には、ドリルヘッドの少なくとも一部は、非金属材料、好ましくは硬質誘電体、特にPOM、またはレーダ波透過材料を含み、これらの材料によってドリルヘッドから地中への送信が可能となる。

0016

本発明による「受信機」は、電磁波、特に前もって送信され、対象物から反射された無線信号を受信するように適合された装置を包含する。

0017

「前記受信機は、前記反射された無線信号が未処理の状態で地上に送信されるように適合されている」という表現は、受信した反射された無線信号を、受信機自体によって送信することができることを包含し、すなわち、受信機が送信手段を含むことができるか、または受信機によって受信された反射された無線信号を送信する送信手段に、受信機が機能的に結合されていることを包含する。

0018

「未処理の状態で/未処理の」という用語は、受信機によって受信されて地上の装置に送信される反射された無線信号が、信号の評価なしに送信されることを包含する。受信機によって受信された「生の信号」を、地上の装置に送信することができる。受信した無線信号を「未処理の状態で」送信するということは、無線信号を送信目的変調および/または増幅することは可能であるが、しかしながら、障害物を検出する目的に関しては情報が得られないということ、すなわちドリルヘッド内では、障害物を検出する目的での受信した無線信号の評価は実施されないということを包含する。受信した無線信号の評価は、地上で実施される。地上の装置はさらに、表示ユニットを含むことができるか、または表示ユニットに接続されることができ、表示ユニットは、レーダユニットによって検出された、地中に位置する障害物に関する情報、特に距離、位置(すなわちドリル装置に対する方向)、寸法、および形状に関する情報を指示する。地上の装置はさらに、制御ユニットを含むことができるか、または制御ユニットに接続されることができ、制御ユニットは、検出された障害物との衝突を防止するために、ドリル装置のドリルヘッドの進行方向の補正を自動的に実施することが可能である。

0019

「地上の装置」という用語は、それぞれの装置が地面の上に位置し得ることを包含する。「地上の装置」は、地面の穴、特にHDDにおいて使用される発進坑または到達の中に装置が位置することを包含することもできる。「地上の装置」は、ドリルヘッドおよびドリルストリングとは異なるものである。「地上の装置」は、掘削すべき穴の外側にある。

0020

本発明による「ドリルヘッド」という用語は、いわゆる操縦可能なドリルヘッドを包含し、このドリルヘッドは、少なくともいくつかの領域において、ドリルヘッド自体の長手軸線に対して、ひいては掘削方向に対して傾斜している端面を有する。傾斜面は、推進中に側方に向けられた偏向力を引き起こし、ドリルヘッドが静的に駆動される場合、すなわち回転しない場合には、結果的に、湾曲したドリルパターンが形成されることとなる。このような制御されたドリルヘッドでは、ドリルヘッドを推進方向に動作させるだけでなく、偏向力が完全な1回転にわたって補償されるようにドリルヘッドを回転させることによって、直線状の掘削が可能である。

0021

本発明は、明示的に、反射された無線信号を考慮しているが、回折された信号、すなわち、回折された無線信号も同様に考慮することができ、したがって、非反射性の地下の障害物によって引き起こされる信号が考慮される。したがって、「反射された無線信号」という用語は、受信される信号が、反射された無線信号であるか回折された無線信号であるかにかかわらず、受信機によって受信される信号を包含する。

0022

ドリルヘッド内の電子および/または電気コンポーネントを、バッテリまたは蓄電池によって電力供給することができる。バッテリまたは蓄電池をドリルヘッド内に設けることにより、ドリルヘッド内の電気/電子コンポーネントのための独立した電力供給が可能になる。ドリルヘッド内の電子および/または電気コンポーネントを、ドリルロッド内のワイヤによって表面から電力供給することができる。

0023

電力供給部によって供給される電力極性を、電子および/または電気コンポーネントに供給するための電力が適切な極性図に設定され得るように変更または変化させることができるか、またはドリルストリングにおけるあらゆる電解腐食対処するために交番させることができる。

0024

本発明に基づいて使用されるレーダは、ダイレクトデジタルシンセサイザ(DDS)に基づくことができる。DDSは、周波数シンセサイザ一種であり、単一の固定周波数基準クロックから任意の波形を生成するために使用することができる。使用可能なDDS回路は、(a)位相アキュムレータ、(b)メモリストレージ、(c)D/A変換器、および(d)周期的なアナログ信号アナログパルスに変換するための手段を含むことができる。位相アキュムレータは、数値制御されることができ、所定の入力計数期間および入力クロック周波数を有することができ、位相変調された周期的な出力デジタル信号を有することができる。メモリ/ストレージは、位相変調された周期的なデジタル信号位相振幅変換のためのROMとして実装されることができ、振幅変調された周期的なデジタル信号を提供することができる。D/A変換器は、前記振幅変調された周期的なデジタル信号を、量子化された周期的なアナログ信号に変換することができる。前記変換するための手段は、好ましくは比較器を含み、比較器は、前記周期的なアナログ信号の「ゼロ交差」を検出し、当該「ゼロ交差」のそれぞれに対して駆動パルスを生成する。有利には、前記比較器の上流には、前記量子化された周期的なアナログ信号を正弦波信号に変換するためのフィルタが設けられている。

0025

本発明の好ましい実施形態によれば、前記受信機は、信号送信機に結合されており、前記信号送信機は、前記受信機によって受信された前記反射された無線信号を未処理の状態で地上の装置に送信するように適合されている。したがって、反射された無線信号を受信するための受信機は、受信機に対して追加的な別個エンティティとすることができる。しかしながら、反射された無線信号を受信するための受信機が、反射された無線信号を当該受信機自身で送信するように適合されていることも可能である。

0026

本発明の好ましい実施形態によれば、前記反射された無線信号を受信するための前記受信機および/または前記信号送信機は、未処理の前記反射された無線信号をワイヤレスで受信するように適合されている。したがって、前記地上の装置は、前記反射された無線信号をワイヤレスで受信するように適合されている。ワイヤレス伝送を有する場合には、未処理の無線信号を地上の装置に送信可能なワイヤは必要ない。未処理の無線信号は、変調可能な電磁波を介して送信することができる。したがって、変調された電磁波は、未処理の無線信号を地上の装置に伝送するために使用される。地上の装置によって受信された電磁波が復調された後、未処理のデータを使用して情報を視覚化すること、および/または、警告信号を生成することができる。

0027

本発明の好ましい実施形態によれば、前記受信機は、ケーブルまたはワイヤに結合されており、前記ケーブルまたはワイヤは、前記反射された無線信号を、前記ドリルヘッドに接続可能なドリルロッドセグメント接続要素に送信するための連結要素に接続される。伝送のためにケーブルまたはワイヤを設けることにより、ワイヤレス伝送のために使用される電磁波への影響に起因して発生し得る干渉の危険性が低減される。

0028

本発明の好ましい実施形態によれば、前記ドリルヘッドは、位置取得装置を含み、前記受信機は、前記位置取得装置のデータを、前記反射された無線信号と一緒に地上の装置に送信するように適合されている。障害物検出システムのデータを、位置取得装置のデータと同期させることができる。障害物検出装置のデータを、位置情報相関させることも可能であろう。

0029

本発明の好ましい実施形態によれば、前記受信機は、前記反射された無線信号および前記位置取得装置のデータを、離散マルチトーン変調DMM)によって送信するように適合されている。アンテナによって受信された反射された無線信号は、まず始めに増幅器においての生データとして増幅される。この信号は、その後、増幅器から(4線インタフェースである)イーサネットインタフェースを介してドリルヘッド内のDMMモデムに伝達され、DMMモデムは、4線インタフェースを2線インタフェースにする。次いで、信号を、地上の装置、例えばドリル装置に、ドリルロッド内のいわゆる「インライナ」、または2つのパイプ(インナーパイプおよびアウターパイプ)を有するドリルロッドと、インナーパイプとを介して伝送することができるか、またはそれぞれのアウターパイプと、ドリルロッドとを介して伝送することができる。地上の装置は、伝送された信号を、スリップリングを介してタップすることができる。いわゆる「インキャブモデム(In-Cab modem)」は、2線インタフェースを再び4線インタフェース(イーサネット)にする。生のデータは、その後、市販のイーサネットネットワークケーブルを介して、評価のためにドリル装置のコンピュータに伝達される。

0030

「イーサネット」という用語は、イーサネット上の通信がデータストリームをより短い部分に、いわゆるフレームに分割するという可能性を包含する。それぞれのフレームは、送信元アドレスおよび宛先アドレスと、誤り検査データとを含むことができる。フレームの内容は、損傷したフレームを検出して破棄および/または再送信および/または修正することができる可能性を提供する。

0031

離散マルチトーン変調を使用することにより、信号を複数の周波数帯域に分離することができる。変調および復調のためには高速フーリエ変換FFTアルゴリズムを使用することができる。

0032

使用される技術を、最適なスループットを維持するレートで最も好ましいトーンを使用して適応的にすることができる。データストリームは、データの品質保証するために誤り検出および訂正オーバーヘッド運ぶことができる。

0033

本発明はさらに、地中削孔用のドリル装置、特に水平ドリル装置において、前記ドリル装置は、上述したドリルヘッドと地上の装置とを有する、ドリル装置を提供する。

0034

本発明の好ましい実施形態によれば、前記地上の装置は、前記ドリルヘッドを操縦するように適合されている。地上の装置に入力された命令または指示に応答してドリルヘッドを操縦し、地中に穴を掘削することが可能になる。ドリルヘッドは、命令/指示を受信することができるか、またはドリル装置は、地上の装置に応答して動作される。

0035

本発明の好ましい実施形態によれば、前記地上の装置は、前記反射された無線信号および/または前記位置取得装置のデータを視覚化するように適合されている。地上の装置は、障害物検出システム(反射された無線信号)ならびに位置取得装置によって受信された情報を視覚化するためのディスプレイまたはモニタを含むことができる。

0036

本発明の好ましい実施形態によれば、前記地上の装置は、前記反射された無線信号および/または前記位置取得装置のデータに応答して前記ドリルヘッドを操縦するように適合されている。ドリルヘッドまたはドリル装置の制御は、反射された無線信号(障害物検出装置)によって供給された情報を考慮してドリルヘッドが所定の経路に沿って操縦されるような自動制御とすることができる。検出された障害物を回避した後、ドリルヘッドを障害物の背後の所定の経路に戻すことができる。

0037

本発明はさらに、地中削孔中に対象物を検出する方法であって、同一のアンテナによる、ドリルヘッドから無線信号を送信するステップと、反射された無線信号を前記ドリルヘッド内の受信機を介して受信するステップとを含む、方法を提供する。したがって、無線信号を地中に送信すると共に、反射された無線信号を受信するための、ただ1つの単一のアンテナが使用される。

0038

好ましい実施形態によれば、前記方法はさらに、受信した前記反射された無線信号を未処理の状態で地上の装置に送信するステップを含む。

0039

本発明の好ましい実施形態によれば、前記方法は、受信した前記反射された無線信号を、ドリルヘッドと、前記ドリルヘッドに接続されるドリルロッドセグメントとを通るケーブルを介して送信するステップを含む。

0040

本発明の好ましい実施形態によれば、前記方法は、前記反射された無線信号を位置取得装置のデータと一緒に、特に離散マルチトーン変調によって送信するステップを含む。

0041

本発明の好ましい実施形態によれば、前記方法は、前記反射された無線信号に応答して前記ドリルヘッドを操縦するステップを含む。

0042

本発明の例示的な実施形態を、以下に図面を参照しながらより詳細に説明する。

図面の簡単な説明

0043

本発明によるドリルヘッドを有する水平ドリル装置を示す図である。
本発明によるドリルヘッドを有する水平ドリル装置の別の実施形態を示す図である。
本発明によるドリルヘッドの第1の実施形態を示す図である。
本発明によるドリルヘッドの第2の実施形態を示す図である。
データ、信号、および電力のフローを説明するフロー図である。

実施例

0044

図1は、いわゆるHDDドリル装置とも呼ばれる操縦可能な水平ドリル装置の適用例を概略的な図示によって示す。HDDは、“Horizontal Directional Drilling”の略である。水平ドリル装置は、本発明によるドリルヘッド1を含むドリルヘッド1を有する。ドリルヘッド1は、ドリルロッド2の先端に取り付けられており、ドリルロッド2は、ねじ山を介して相互に連結された複数のロッドセクション3から形成されている。ドリルロッド2の後端は、駆動ユニット4に接続されており、駆動ユニット4によって、ドリルロッド2の長手方向の力とトルクとをドリルロッド2に伝達することができる。駆動ユニット4によって、取り付けられたドリルヘッド1を含むドリルロッド2は、スラスト方向およびプル方向に駆動されると共に、回転されることができる。

0045

図1の水平ドリル装置では、駆動ユニット4は、地表上に、ひいては地上に固定されて配置されている。したがって、掘削作業は地表からも開始され、これによって、まず始めに地中に斜めに掘削が行われ、所望の深度に到達後、掘削の進行方向が水平に到達するまで変更され、その後、掘削が実質的に水平に継続される。

0046

掘削の直線状の進行方向からの逸脱は、地中において、掘削して貫通することができない障害物(例えば岩盤)または掘削して貫通してはならない障害物(例えば電力線、ガス管、または水道管)(図示せず)に遭遇する場合に必要となることがある。このような地中の障害物を検出するために、ドリルヘッドにレーダユニットが設けられており、レーダユニットは、電磁波を放射し、この電磁波が導電性の対象物から反射された後、この電磁波を受信し、これによって対象物の距離、形状、寸法、および位置を計算することが可能である。このように、レーダユニットは、図3および4においてより詳細に説明されている。

0047

図2は、駆動ユニット4が発進坑5の中に配置されている別の実施形態を示す。本発明の理解によれば、駆動ユニット4は、地上の装置である。

0048

図3および4は、図1および2に示された水平ドリル装置において使用可能な、レーダユニットを有する、本発明によるドリルヘッド1の2つの実施形態を示す。

0049

図2および3のドリルヘッド1は、堀削方向において後端に形成されている円筒形シャフトを有し、円筒形のシャフトは、ロックシステムを有し、このロックシステムによって円筒形のシャフトをドリルロッド2の先端に固定することが可能である。ドリルヘッド1の先端には、推進力が最大になるように構成された形状を有するドリルヘッドフロントが設けられている。この目的のためにドリルヘッドフロントは、地中における良好な切削作用を提供すると共に摩耗耐性が極めて高い、種々の硬質合金要素を含む。傾斜面は、地中を推進中に、横方向に向けられた偏向を引き起こし、これによって水平ドリル装置の操縦性が可能となる。傾斜面にはさらに、ベントナイトを流すための2つのノズルを組み込むことができ、外部の供給管(図示せず)および中空のドリルロッド2の内部を通ってドリルヘッド1に導かれたベントナイトは、これらの2つのノズルによってドリルヘッドから高圧下で吐出され、一方では液圧による切削作用によって、他方ではドリルヘッド1の前方にある土の軟化によって、ドリルの推進力を増加させる。

0050

レーダユニットは、ドリルヘッド1の円筒形のシャフト内に配置されており、電気パルスを生成し、アンテナ7を介して電磁波(反射される無線信号)を放射するための送信機6と、反射された電磁波を受信するための受信機8とを含む。反射された無線信号は、未処理の状態で駆動ユニット4に送信される。駆動ユニット4は、評価ユニットを含み、評価ユニットは、地中に存在する障害物の距離、位置、寸法、および形状に関する情報を指示することができる表示装置を有する。評価ユニットはさらに、制御ユニットに接続されており、制御ユニットは、それぞれ駆動ユニット4を動作させることによって障害物を回避した操縦を可能にする。

0051

レーダユニット、特にアンテナ7は、所定の方向に電磁波を送出し、これによってドリルヘッド1のハウジングの、電磁波が出射する領域を、酸化物セラミックス、すなわち誘電性材料からなるプレートによって覆うことができる。これとは対照的に、ドリルヘッド1のハウジングの残りの部分は、鋼から、ひいては導電性材料から形成することができる。このプレートは、電磁波がドリルヘッド1のハウジングを十分に通過することを保証することができ、これによってドリルヘッド1の正面および/または側面の地中を監視することが可能となる。

0052

図3および4に示されたドリルヘッド1は、実質的に3つの部分から形成されており、これら3つの部分は、ドリルロッド2の先端に取り付けるためのシャフト端部と、堀削推進力が最大になるように設計された形状を有するドリルヘッドフロントと、ドリルヘッド1のこれらのコンポーネントの間に配置され、ドリルヘッド1のシャフトの一部を形成しているレーダハウジングとからなる。ドリルヘッド1の3つの部分の間の接続は、ロック要素を有する高速作動式のクロージャシステムによって実装される。ドリルヘッド1が3つの部分から構成されていることにより、レーダユニットの任意選択的な取り付けが可能となり、これによってドリルヘッドフロントを、シャフト端部に直接的に接続することも可能となる。掘削が実施される地面によっては、レーダ監視が必要でない可能性があり、レーダユニットは相当に高価でもあるので、購入されるレーダユニットの個数がドリルヘッドの個数よりも少ない場合もあるから、レーダユニットの任意選択的な取り付けは、有効性を改善するに過ぎないという状況が存在する場合がある。

0053

図3に示された実施形態による、受信機8によってアンテナ7を介して受信された未処理の無線信号の、ドリルユニット4への送信は、ワイヤ9を介して実施される。ワイヤ9は、受信機8に結合されており、ドリルロッド2の先端に接触する接触面に通じている。ドリルロッド2(それぞれのドリルロッドセクション3)内には、受信機8からドリルユニット4への電気的接触構築するためのケーブルが設けられている。

0054

図4に示された実施形態による、受信機8によってアンテナ7を介して受信された未処理の無線信号の、ドリルユニット4への送信は、ワイヤレスで実施される。受信機8は、受信した反射された無線信号をドリルユニット4に送信する。受信機8は、反射された無線信号をドリルユニット4に送信するための信号送信機10を含む。

0055

図5は、本発明の1つの実施形態による信号、データ、および電力のフローを説明する。図5は、例示的なシステムフロー図を説明する。図5は、ドリルヘッド1のコンポーネントを概略的に示す。ドリルヘッド1のコンポーネントは、破線によって囲まれている。しかしながら、参照符号21aおよび21bが付されたコンポーネントを、ドリルヘッド1に隣接するドリルロッドに含めることも可能である。

0056

図5によれば、ドリルヘッド1は、Tx/Rx電子機器31と、電子機器21aと、電子機器21bとを含む。Tx/Rx電子機器31は、電気パルスを生成し、Txパルスによって示される電磁波を放射するように適合されている。さらに、Rx信号によって示される受信される電磁波が、Tx/Rx電子機器31によって受信される。

0057

Tx/Rx電子機器31は、電子機器21aに含まれた制御ユニット22によって電力供給される。さらに、制御ユニット22は、Tx/Rx電子機器31にタイミングデータを送信し、このタイミングデータに基づいて、Tx/Rx電子機器31が電気パルスを生成し、電磁波が送信される。さらに、制御ユニットは、Tx/Rx電子機器31によって受信された信号の形態の、生のレーダデータを受信する。データは、未処理の状態で送信されることができる。

0058

制御ユニット22は、レーダモデムインタフェース23と双方向に通信するように適合されているものとして説明されている。制御ユニット22は、構成データおよび/または状態データをそれぞれレーダモデムインタフェース23から受信するように、かつ、レーダモデムインタフェース23に送信するように適合されている。

0059

ドリルヘッド電子機器21aの一部として配置されている姿勢センサ24が設けられている。姿勢センサ24は、制御ユニット22から電力を受け取ることができる。制御ユニットを姿勢センサ24に接続することができ、これによって、姿勢センサ24によって生成された信号を、制御ユニット22によって受信することが可能となる。姿勢センサ24は、ドリルヘッド1のロール角を検出することができる。ロール角は、ドリルヘッド1がドリルヘッド1の長手軸線を中心として回転する角度に対応し得る。制御ユニット22は、ドリルヘッド1のロール角に対応する信号を受信することができる。

0060

制御ユニット22は、受信したレーダデータを、ドリルヘッド1のロール角に関する情報と一緒に未処理の状態で送信することができる。ロール角と一緒にされた、レーダデータのそれぞれの情報は、「タグ付きレーダデータ」と呼ばれ、レーダモデムインタフェース23に送信される。

0061

タグ付きレーダデータは、電子機器21aのレーダモデムインタフェース23からイーサネットリンク26を介して電子機器21bのスペクトル拡散モデムインタフェース25に送信される。イーサネットリンク26は、レーダモデムインタフェース23とスペクトル拡散モデムインタフェース25との間の双方向通信を提供する。

0062

制御ユニット22には、電力変換および監視ユニット27を介して電力が供給される。電力変換および監視ユニット27は、スペクトル拡散モデムインタフェース25のための電力供給部として機能する。さらに、電力変換および監視ユニット27は、スペクトル拡散モデムインタフェース25にドリルストリング状態データを提供する。

0063

スペクトル拡散モデムインタフェース25は、スペクトル拡散データを提供し、このスペクトル拡散データを、ドリルストリングを介して、掘削を制御するドリルユニット4に送信することができる。ドリルストリングは、電力供給のためには一方向に機能し、レーダデータの信号のためには双方向に機能する。スペクトル拡散データは、ドリルストリングから、レーダデータおよびロール角の情報を視覚化するための表示装置および/または制御装置へとスリップリング28によってタップすることができる。制御装置において、レーダデータを、生の信号とこれに関連するそれぞれのロール角とに基づいて処理することができる。地下の障害物の位置を示すそれぞれの装置42上に、画像を表示させることができる。これに加えてまたはこれに代えて、ドリルヘッド1が、ドリルヘッド1の現在の方向にさらに移動したときに障害物に接触する危険を冒している場合には、制御装置42によって警告信号を生成することが可能である。

0064

スリップリング28を介して、レーダデータに関する信号、および/またはドリルストリングへの電力を供給することが可能である。

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