(57)【要約】【課題】  打撃、計測、評価、記録の一連の流れを効率的に実行できる構造物検査用打音・振動測定装置を提供する。【解決手段】  構造物の打音評価検査装置において、ハンマー装置３と、このハンマー装置３による打音・振動計測装置１１と、この打音・振動計測装置１１からの出力による構造物の表面の健全度の評価装置２９と、この評価装置２９からの出力による構造物の表面へのマーキングが可能なマーキング装置４とを具備する。【選択図】  図１
2015007571.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）ハンマー装置と、
（ｂ）該ハンマー装置による打音・振動計測装置と、
（ｃ）該打音・振動計測装置からの出力による構造物の表面の健全度の評価装置と、
（ｄ）該評価装置からの出力による構造物の表面へのマーキングが可能なマーキング装置とを具備することを特徴とする構造物の打音評価検査装置。
【請求項２】
請求項１記載の構造物の打音評価検査装置において、前記打音・振動計測装置は、精密な打音評価を行うための防音・防振機構を備えることを特徴とする構造物の打音評価検査装置。
【請求項３】
請求項１記載の構造物の打音評価検査装置において、前記打音・振動計測装置は、打撃される構造物の表面へ向けられた狭指向性マイクロフォンを備えることを特徴とする構造物の打音評価検査装置。
【請求項４】
請求項１記載の構造物の打音評価検査装置において、前記打音・振動計測装置は、打撃される構造物の表面へ向けられたＬＤＶセンサヘッドを備えることを特徴とする構造物の打音評価検査装置。
【請求項５】
請求項４記載の構造物の打音評価検査装置において、前記ＬＤＶセンサヘッド内に補正用接触型振動計を具備することを特徴とする構造物の打音評価検査装置。
【請求項６】
請求項１記載の構造物の打音評価検査装置において、前記ハンマー装置はモータで巻き上げられトリガされるトリガ装置を有するバネ装置を具備することを特徴とする構造物の打音評価検査装置。
【請求項７】
請求項１記載の構造物の打音評価検査装置において、前記マーキング装置はモータで巻き上げられトリガされるトリガ装置を有するバネ装置を具備することを特徴とする構造物の打音評価検査装置。
【請求項８】
請求項７記載の構造物の打音評価検査装置において、前記マーキング装置は前記打撃される構造物の表面へ向けられ、反射塗料を付与することを特徴とする構造物の打音評価検査装置。
【請求項９】
請求項１記載の構造物の打音評価検査装置において、ロボットアームと自動追尾システムを備え、高所に人が上がることなく、効率的に検査作業を実施できるようにしたことを特徴とする構造物の打音評価検査装置。
【請求項１０】
請求項９記載の構造物の打音評価検査装置において、ステレオカメラを用い、打撃される構造物の表面の目視情報、表面形状情報を得ることを特徴とする構造物の打音評価検査装置。
【請求項１１】
請求項９記載の構造物の打音評価検査装置において、ステレオカメラを用い、測定対象物の３Ｄ形状を把握してロボットアームを制御することにより、構造物における障害物を避けて構造物の打音評価検査を行うことを特徴とする構造物の打音評価検査装置。
【請求項１２】
請求項９記載の構造物の打音評価検査装置において、前記マーキング装置と３Ｄ形状データにより、検査データを自動的に記録・保存することを特徴とする構造物の打音評価検査装置。
【請求項１３】
請求項１記載の構造物の打音評価検査装置において、前記構造物が橋梁・トンネルの鉄道構造物であることを特徴とする構造物の打音評価検査装置。
【請求項１４】
請求項１記載の構造物の打音評価検査装置において、前記構造物が岩盤斜面中の不安定岩盤であることを特徴とする構造物の打音評価検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、橋梁・トンネル等構造物の材料劣化や施工不良の検出を行う構造物の打音評価検査装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄道構造物の材料劣化の検出は検査箇所数が膨大になることから、主に外観の目視検査により行われており、より詳しい検査として対象箇所のハンマー打撃による打音検査が実施されている（下記特許文献１〜３、下記非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３８２２８０１号公報
【特許文献２】特許第３８２２８０２号公報
【特許文献３】特許第３８３１３００号公報
【特許文献４】特許第４００１８０６号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】財団法人  鉄道総合技術研究所，「落石対策技術マニュアル」，平成１１年３月，ｐｐ．３８−３９
【非特許文献２】笠  博義  他，「トンネル覆工の自動打音調査システムの開発」，トンネル工学研究論文・報告書第１３巻，ｐｐ．３４３−３４８、２００３．１１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の構造物の打音評価検査装置では、以下のような問題点があった。
従来の打音検査法は評価基準が担当者の主観に依存しており、評価の客観性に課題がある。長大トンネル、高架橋などの点検・調査にあたっては、点検作業自体が高所作業車上での上向きの苦渋作業となり、多大なマンパワーや調査時間を要する。また、膨大な検査結果のデータの保存管理にも課題がある。
【０００６】
本発明は、上記状況に鑑みて、打撃、計測、評価、記録の一連の流れを効率的に実行できる構造物の打音評価検査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕構造物の打音評価検査装置において、ハンマー装置と、このハンマー装置による打音・振動計測装置と、この打音・振動計測装置からの出力による構造物の表面の健全度の評価装置と、この評価装置からの出力による構造物の表面へのマーキングが可能なマーキング装置とを具備することを特徴とする。
【０００８】
〔２〕上記〔１〕記載の構造物の打音評価検査装置において、前記打音・振動計測装置は、精密な打音評価を行うための防音・防振機構を備えることを特徴とする。
〔３〕上記〔１〕記載の構造物の打音評価検査装置において、前記打音・振動計測装置は、打撃される構造物の表面へ向けられた狭指向性マイクロフォンを備えることを特徴とする。
【０００９】
〔４〕上記〔１〕記載の構造物の打音評価検査装置において、前記打音・振動計測装置は、打撃される構造物の表面へ向けられたＬＤＶセンサヘッドを備えることを特徴とする。
〔５〕上記〔４〕記載の構造物の打音評価検査装置において、前記ＬＤＶセンサヘッド内に補正用接触型振動計を具備することを特徴とする。
【００１０】
〔６〕上記〔１〕記載の構造物の打音評価検査装置において、前記ハンマー装置はモータで巻き上げられトリガされるトリガ装置を有するバネ装置を具備することを特徴とする。
〔７〕上記〔１〕記載の構造物の打音評価検査装置において、前記マーキング装置はモータで巻き上げられトリガされるトリガ装置を有するバネ装置を具備することを特徴とする。
【００１１】
〔８〕上記〔７〕記載の構造物の打音評価検査装置において、前記マーキング装置は前記打撃される構造物の表面へ向けられ、反射塗料を付与することを特徴とする。
〔９〕上記〔１〕記載の構造物の打音評価検査装置において、ロボットアームと自動追尾システムを備え、高所に人が上がることなく、効率的に検査作業を実施できるようにしたことを特徴とする構造物の打音評価検査装置。
【００１２】
〔１０〕上記〔９〕記載の構造物の打音評価検査装置において、ステレオカメラを用い、打撃される構造物の表面の目視情報、表面形状情報を得ることを特徴とする構造物の打音評価検査装置。
〔１１〕上記〔９〕記載の構造物の打音評価検査装置において、ステレオカメラを用い、測定対象物の３Ｄ形状を把握してロボットアームを制御することにより、構造物における障害物を避けて構造物の打音評価検査を行うことを特徴とする構造物の打音評価検査装置。
【００１３】
〔１２〕上記〔９〕記載の構造物の打音評価検査装置において、前記マーキング装置と３Ｄ形状データにより、検査データを自動的に記録・保存することを特徴とする構造物の打音評価検査装置。
〔１３〕上記〔１〕記載の構造物の打音評価検査装置において、前記構造物が橋梁・トンネルの鉄道構造物であることを特徴とする。
【００１４】
〔１４〕上記〔１〕記載の構造物の打音評価検査装置において、前記構造物が岩盤斜面中の不安定岩盤であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、以下のような効果を奏することできる。
（１）打撃、計測、評価、記録の一連の流れを効率的に実行することができる。
（２）ロボットアームと自動追尾システムの採用により、人が高所に上がることなく、効率的に検査作業を実施できる。
（３）ステレオカメラの採用により、目視情報、表面形状情報を得ることができる。
【００１６】
（４）ステレオカメラの採用により、測定対象物の３Ｄ形状を把握してロボットアームを制御することによって、構造物における障害物を避けて構造物の打音評価検査を行うことができる。
（５）自動マーキング装置と３Ｄ形状データにより、検査データを自動的に記録・保存することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例を示す構造物の打音評価検査装置の全体模式図である。
【図２】本発明の実施例を示す構造物のハンマー装置及びマーキング装置の構成図である。
【図３】本発明の実施例を示す開閉機能付きスピンドルナットの開閉の模式図である。
【図４】本発明の実施例を示す打音に含まれる装置駆動音の影響の補正方法の模式図である。
【図５】本発明における打音の分析・評価方法の例を示す図である。
【図６】本発明の構造物の打音評価検査装置による判定結果の測定対象上への記録模式図である。
【図７】本発明の実施例を示すロボットアームを装備した大型構造物の打音評価検査装置の模式図である。
【図８】本発明の実施例を示すステレオ画像相関法説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の構造物の打音評価検査装置は、ハンマー装置と、このハンマー装置による打音・振動計測装置と、この打音・振動計測装置からの出力による構造物の表面の健全度の評価装置と、この評価装置からの出力による構造物の表面へのマーキングが可能なマーキング装置とを具備する。
【実施例】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の実施例を示す構造物の打音評価検査装置の全体模式図である。
この図において、１は検査の対象となる構造物（橋梁・トンネルの鉄道構造物、岩盤斜面中の不安定岩盤など）、２はハンマー装置・マーキング装置、３はハンマー装置、４はマーキング装置、５はハンマー装置３のバネ装置、６はモータで巻き上げられるハンマー装置３のトリガ装置、７はマーキング装置４のバネ装置、８はモータで巻き上げられるマーキング装置４のトリガ装置、９はトリガ装置６，８に接続されるハンマー装置・マーキング装置２のコントローラ、１０は防音・防振機構、１１は打音・振動計測装置、１２は狭指向性マイクロフォン、１３はＬＤＶセンサヘッド、１４は補正用接触型振動計、１５Ａ，１５Ｂは光ファイバケーブル、１６は打音・振動計測装置１１のコントローラ、２１は記録・演算・評価・制御装置、２２は電源装置、２３はレーザー発生・復調器、２４は狭指向性マイクロフォン１２に接続されるバンドパスフィルタ、２５はレーザー発生・復調器２３及びコントローラ１６に接続されるバンドパスフィルタ、２６はハンマー装置３に接続されるバンドパスフィルタ、２７はバンドパスフィルタ２４〜２６に接続されるＡ／Ｄ変換装置、２８はＡ／Ｄ変換装置２７に接続される記録装置、２９は記録装置２８に接続される演算・評価装置、３０は演算・評価装置２９に接続される表示装置、３１は演算・評価装置２９に接続される入力装置である。電源装置２２はレーザー発生・復調器２３、Ａ／Ｄ変換装置２７、演算・評価装置２９にそれぞれ接続されている。
【００２０】
図２は本発明の実施例を示す構造物のハンマー装置及びマーキング装置の構成図であり、図２（ａ）はその正面図、図２（ｂ）はハンマー装置の側面図、図２（ｃ）はマーキング装置の側面図である。図３は本発明の実施例を示す開閉機能付きスピンドルナットの開閉の模式図であり、図３（ａ）はスピンドルナットが閉状態を示す図、図３（ｂ）はスピンドルナットが開状態を示す図である。
【００２１】
これらの図において、４１はトリガ装置、４２は第１のバッファー（硬質ウレタン）、４３は第２のバッファー（ゴム）、４４はハンマー装置、４５はバネ装置、４６はスピンドル装置、４７はベルトドライブ、４８は開閉機能付きスピンドル・ナット、４９はバネ座、５０は緩衝装置、５１は加速度計、５２はマーキング装置、５３はモータ、５４はコントローラである。
【００２２】
そこで、ハンマー装置・マーキング装置の機構の動作の説明を行う。
（１）モータ５３を駆動させ、ベルトドライブ４７経由でスピンドル装置４６に回転が伝わる。スピンドル装置４６に彫られた溝に沿って開閉機能付きスピンドル・ナット４８が直線的に右側に移動する。この開閉機能付きスピンドル・ナット４８がハンマー装置４４を右側に移動させ、所定の位置まで来ると停止する。これに伴い、バネ装置４５のバネが収縮され、蓄積された中間エネルギーを保持している。この場合には、図３（ａ）に示すように、トリガ装置４１は閉じられており、スピンドル・ナット４８も閉じられている。
【００２３】
（２）コントローラ５４からの指示により、トリガ装置４１を開放すると、図３（ｂ）に示すように、スピンドル・ナット４８が開いてスピンドル装置４６との間に隙間ができ、バネから放出されたエネルギーがハンマー装置４４（またはマーキング装置５２）を急激に左側に動かす。ハンマー装置４４のストッパーがバッファ（緩衝材）４２，４３に当りハンマー装置４４の運動が停止する。バッファ（緩衝材）４２，４３は、ハンマーのスプリングバックや二度撃ちしないための緩衝アクチュエータである。
【００２４】
（３）バネ座４９の位置（加振力）の調整によって、構造物を最適に加振できるように設定する。測定作業実施前に健全な位置で予備計測を行い、最適な設定を決定する。
（４）スピンドル装置４６の回転やトリガ装置４１の開放（打撃）の制御は、制御装置からの入力信号に基づいてコントローラ５４が行う。
（５）打撃位置に欠陥があると判定された場合には、制御装置からの入力信号により、マーキング装置５２が動作する。
【００２５】
そこで、構造物の打音評価検査装置について説明する。
（１）打音計測には狭指向性マイクロフォン１２を用いる。打撃による以外の音を収録しないように、防音・防風を目的としたフードにより保護された機構とする。
（２）振動計測には補正機能付きのレーザードップラー速度計（ＬＤＶ）を用いる。レーザー照射方向と計測方向を同一にした接触型振動計でＬＤＶの振動を同時計測し、そのデータを用いてＬＤＶの揺れの影響を補正する（上記特許文献４参照）。
【００２６】
（３）測定対象打撃後の反発によるハンマー装置の加速度応答（反発度）をハンマー装置４４に取り付けた加速度計５１で計測する。
（４）各センサからの電気信号は、センサ種別毎に着目すべき周波数成分以外の振動成分を低減するバンドパスフィルタ２４，２５，２６を通過させた後、Ａ／Ｄ変換装置２７によりデジタル信号化して記録装置２８に収録する。
【００２７】
（５）ハンマー装置・マーキング装置２の駆動音や振動が伝わらないように、打音・振動計測装置１１との間には防音・防振機構（防音・防振材）１０を配置する。
ここで、打音に含まれる装置駆動音の影響の補正方法について説明する。
図４は本発明の実施例を示す打音に含まれる装置駆動音の影響の補正方法の模式図である。
【００２８】
当該装置は、モーター等の駆動や打撃に関わる動作に起因する一定の駆動音を発生する。防音・防振機構で防ぎきれないノイズ音がマイクに伝わり、打音のノイズとなる可能性がある。
そこで、
（１）まず、事前に打撃時に発生する装置由来音を、当該装置内蔵のマイクで測定する。測定時間および開始のタイミングは打音測定の際の測定時間および開始のタイミングと合わせる。測定対象からの反射音を考慮するため、打撃は行なわないが対象物近傍でマイクを対象物に向けて測定を実施する。
【００２９】
（２）例えば、図４（ａ）に示すように、事前に測定した装置由来音の周波数スペクトル（パワースペクトル等）を求める。
（３）次に、打音測定時のマイクロフォンの収録波形の周波数スペクトル〔図４（ａ）〕から、例えば、図４（ｂ）に示すように、装置由来音のスペクトル相当分を減算することにより、例えば、図４（ｃ）に示すように、打音に含まれるノイズ成分を低減する。
【００３０】
次に、対象物の欠陥の判定方法について説明する。
（１）打音、振動、反発度を指標化して事前に設定した閾値と比較することにより、構造物の面の欠陥を掲出する。
（２）検出に用いる指標は、１）打音、振動、反発度の３指標全て、２）任意の２指標の組み合わせ、３）任意の１指標を選択できるものとする。予備測定を行って測定対象に最適な指標の組み合わせを選択する。
【００３１】
次に、打音の分析・評価方法について説明する。
図５は本発明における打音の分析・評価方法の例を示す図であり、横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸は音響エネルギー指数（ｄＢ）を示している。
ここでは、任意の打音評価法を適用可能とする。
例えば、事前に健全箇所の打音を計測して、そのパワースペクトルの卓越周波数の平均値を求め、例えば７０％の周波数を閾値とし、それを下回る場合に欠陥と判定する。
【００３２】
既存手法として、例えば、トンネル覆工の評価では図５に示される音響エネルギー指数（０〜２００）を用いて評価する（上記非特許文献２参照）。
次に、振動の分析・評価方法について説明する。
ここでは、任意振動評価法を適用可能とする。
例えば、事前に健全箇所の振動を計測して、そのパワースペクトルの卓越周波数の平均値を求め、例えば７０％の周波数を閾値とし、それを下回る場合に欠陥と判定する。
【００３３】
次に、反発度（強度）の評価方法について説明する。
ハンマー装置内蔵の加速度計が反発時に記録した加速度最大値から材料特性を評価する〔シュミットハンマー（反発硬度法）と同様の原理による〕。
打撃面での反発による最大加速度値を記録する。
事前に健全箇所の振動を計測して健全箇所の平均値を求め、例えば７０％の周波数を閾値とし、それを下回る場合に欠陥と判定する。
【００３４】
図６は本発明の構造物の打音評価検査装置による判定結果の測定対象上への記録模式図である。
この図において、６１は測定対象、６２は調査（打撃）箇所、６３は測線、６４は反射塗料マーキング箇所、６５は推定される欠陥領域である。
反射塗料マーキング箇所６４は、フラッシュ撮影で明瞭な画像が得られる。
【００３５】
また、レーザー計測用ターゲットとして使用でき、ＬＤＶなどによる追跡調査が可能である。
図７は本発明の実施例を示すロボットアームを装備した大型構造物の打音評価検査装置の模式図、図８は本発明の実施例を示すステレオ画像相関法説明図である。
図７において、７１はトンネル（測定対象物）、７２は検査車両、７３は検査車両７２に搭載される操縦・制御装置、７４は多関節型ロボットアーム、７５は多関節型ロボットアームの先端に配置される打音評価検査装置、７６は位置検出用ターゲット、７７は追尾用ターゲット、７８は検査車両７２に搭載される追尾用モータドライブ、７９はステレオカメラ、８０は追尾用ターゲット７７を駆動する追尾用レーザー、８１はトンネル７１内の障害物である。
【００３６】
図８において、９１は左カメラ、９２は右カメラ、９３は左画像、９４は右画像、９５はターゲット位置Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）、ｆは焦点距離、ｂは基線長、Ｘはｂｕ／（ｕ−ｕ′），Ｙ＝ｂν／（ｕ−ｕ′），Ｚ＝ｂｆ／（ｕ−ｕ′）である。
（１）ステレオカメラ７９で打音評価検査装置７５を追尾しながら測定構造物７１を撮影する。
【００３７】
（２）ステレオ画像相関法により測定対象物７１の３次元形状データを計算する。
（３）多関節型ロボットアーム７４で打音評価検査装置７５を操作する。その際に３次元形状データを用いてトンネル内の障害物８１を回避可能とする。
（４）３次元形状データを利用して、測定箇所の画像上での設定、多関節型ロボットアーム７４の自動制御による計測を可能とする。
【００３８】
（５）検査結果と測定対象の３次元形状データをリンクさせて自動保存することにより、検査結果を自動的に台帳化可能にする。
なお、打音検査法は、熟練した検査員が直接対象物の状況を見ながら打音検査することで、視覚、聴覚および触覚（反発度合い）をもとにした総合的な判断ができるという利点がある。さらに被りコンクリートなどの剥落が懸念される場所においては、現場で容易に叩き落としによる対処が可能であり、トンネルなどの最も基本的な検査方法の一つとなっている。
【００３９】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の構造物の打音評価検査装置は、打撃、計測、評価、記録の一連の流れを効率的に実行できる構造物検査用打音・振動測定装置として利用可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１    検査の対象となる構造物
２    ハンマー装置・マーキング装置
３，４４    ハンマー装置
４，５２    マーキング装置
５    ハンマー装置のバネ装置
６，８    トリガ装置
７    マーキング装置のバネ装置
９，１６，５４    コントローラ
１０    防音・防振機構
１１    打音・振動計測装置
１２    狭指向性マイクロフォン
１３    ＬＤＶセンサヘッド
１４    補正用接触型振動計
１５Ａ，１５Ｂ    光ファイバケーブル
２１    記録・演算・評価・制御装置
２２    電源装置
２３    レーザー発生・復調器
２４，２５，２６    バンドパスフィルタ
２７    Ａ／Ｄ変換装置
２８    記録装置
２９    演算・評価装置
３０    表示装置
３１    入力装置
４１    トリガ装置
４２    第１のバッファー（硬質ウレタン）
４３    第２のバッファー（ゴム）
４５    バネ装置
４６    スピンドル装置
４７    ベルトドライブ
４８    開閉機能付きスピンドル・ナット
４９    バネ座
５０    緩衝装置
５１    加速度計
５３    モータ
６１    測定対象
６２    調査（打撃）箇所
６３    測線
６４    反射塗料マーキング箇所
６５    推定される欠陥領域
７１    トンネル（測定対象物）
７２    検査車両
７３    操縦・制御装置
７４    多関節型ロボットアーム
７５    打音評価検査装置
７６    位置検出用ターゲット
７７    追尾用ターゲット
７８    追尾用モータドライブ
７９    ステレオカメラ
８０    追尾用レーザー
８１    トンネル内の障害物
９１    左カメラ
９２    右カメラ
９３    左画像
９４    右画像
９５    ターゲット位置Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）
【図１】
2015007571.tif 000003
【図２】
2015007571.tif 000004
【図３】
2015007571.tif 000005
【図４】
2015007571.tif 000006
【図５】
2015007571.tif 000007
【図６】
2015007571.tif 000008
【図７】
2015007571.tif 000009
【図８】
2015007571.tif 000010