(57)【要約】【課題】構造物表面に応力発光体を塗布してき裂の有無を検知する際に、構造物表面に音響によって能動的に圧力変化を与える構造物の検査装置および検査方法を提供する。【解決手段】検査対象である構造物に対して弾性波を励起する弾性波発生素子と、前記弾性波発生素子を駆動する送信器と、前記構造物の表面に応力に応じて発光する応力発光構造部を設けてある部位であって、前記弾性波によって圧力変化が生じている領域を撮像する撮像装置と、前記撮像装置により得られた前記構造物の画像に基づいて、前記構造物の表面の欠陥を検出する欠陥検出部を備える。【選択図】図１
2016125949.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査対象である構造物に対して弾性波を励起する弾性波発生素子と、
前記弾性波発生素子を駆動する送信器と、
前記構造物の表面に応力に応じて発光する応力発光構造部を設けてある部位であって、前記弾性波によって圧力変化が生じている領域を撮像する撮像装置と、
前記撮像装置により得られた前記構造物の画像に基づいて、前記構造物の表面の欠陥を検出する欠陥検出部を備えることを特徴とする構造物の表面検査装置。
【請求項２】
請求項１の構造物の表面検査装置において、
前記弾性波発生素子が弾性表面波発生素子であって、前記弾性波が弾性表面波であることを特徴とする構造物の表面検査装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の構造物の表面検査装置において、
前記弾性波発生素子が少なくとも２つ以上であって、
前記２つ以上の弾性波発生素子を駆動する送信器が、送信時間を制御する機能を有することを特徴とする構造物の表面検査装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかの構造物の表面検査装置において、
前記弾性波発生素子が少なくとも２つ以上であって、
前記２つ以上の弾性波発生素子を駆動する送信器が、送信振幅を制御する機能を有することを特徴とする構造物の表面検査装置。
【請求項５】
請求項２〜４いずれかの構造物の表面検査装置において、
前記２つ以上の弾性表面波発生素子によって駆動された進行方向が異なる弾性表面波の干渉によって、前記弾性表面波の定在波を発生させることを特徴とする構造物の表面検査装置。
【請求項６】
請求項１〜５いずれかの構造物の表面検査装置において、
前記弾性波発生素子が、空気中に音響を送信する素子であることを特徴とする構造物の表面検査装置。
【請求項７】
査対象である構造物表面に弾性波を励起するステップと、
前記構造物の表面に応力に応じて発光する応力発光構造部を設けてある部位であって、前記弾性波によって圧力変化が生じる領域を撮像して画像を得るステップと、
前記画像に基づいて前記構造物の表面の欠陥を検出するステップからなる構造物の表面検査方法。
【請求項８】
請求項７の構造物の表面検査方法において、
前記弾性波を励起するステップが弾性表面波を励起するステップであることを特徴とする構造物の表面検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、インフラを構成する構造物の表面検査装置および表面検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、トンネルなどの社会インフラ構造物においては、老朽化等によって耐久性の低下が生じるため、定期的な検査及び補修作業の実施により維持管理を行うことが必要とされている。従来の検査方法としては、例えば、近接目視検査や打音検査などが知られているが、これらの検査方法は人手による作業であるため効率が悪く、検査には長い時間を必要とする。そのため、供用中の構造物において、検査対象の構造物が使用されていない時間帯に検査を行う場合には、限られた時間で検査する必要があるので検査頻度の低下が問題となり、また、一時的に供用を停止して検査を行う場合には、構造物の稼働率の低下が問題となる。
【０００３】
このような人手による従来の検査方法に対し、例えば、特許文献１（特開平０６−４２３００号公報）には、トンネル内を走行する車両上に設置されたトンネル壁面撮影用一次元センサカメラを用いてトンネル壁面に対して進行方向と直角方向のトンネル断面スキャンを行い、順次そのデータを蓄積することにより、トンネル壁面の展開画像を取得し、この画像を用いて自動診断を行うトンネル検査装置に関する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０６−４２３００号公報
【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、上記従来技術には次のような問題点がある。すなわち、車両のような移動体に搭載したカメラを用いて撮像を行う場合には、取得画像のブレを抑制するために露光時間を短くする必要がある。しかし、そのような短い露光時間で、例えば、き裂などの不具合箇所（領域）とそれ以外の表面汚れなどの箇所（領域）とを判別するには高コントラストでの撮像が必要であるため、撮像速度（車両速度）を抑えなければならず、検査効率が低下してしまうという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は上記に鑑みてなされたものであり、構造物の表面検査をより高速に行うことができ、検査効率の向上を図ることができる構造物の表面検査装置および表面検査方法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】
上記目的を達成するための本発明の構造物の表面検査装置は、検査対象である構造物に対して弾性波を励起する弾性波発生素子と、前記弾性波発生素子を駆動する送信器と、前記構造物の表面に応力に応じて発光する応力発光構造部を設けてある部位であって、前記弾性波によって圧力変化が生じている領域を撮像する撮像装置と、前記撮像装置により得られた前記構造物の画像に基づいて、前記構造物の表面の欠陥を検出する欠陥検出部を備えることを特徴とする。
【０００８】
上記目的を達成するための本発明の構造物の表面検査方法は、検査対象である構造物表面に弾性波を励起するステップと、前記構造物の表面に応力に応じて発光する応力発光構造部を設けてある部位であって、前記弾性波によって圧力変化が生じる領域を撮像して画像を得るステップと、前記画像に基づいて前記構造物の表面の欠陥を検出するステップからなることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、能動的に均一な歪を付与するので、き裂のサイズに依存する安定的な発光が期待でき、定量評価が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例１による表面検査装置の全体構成を検査対象の構造物とともに概略的に示す図であり、進行方向後方から見た図である。
【図２】実施例１による表面検査装置における各機能の詳細を示す機能ブロック図である。
【図３】ＴＤＩセンサの構造の一例を示す図である。
【図４】実施例１による表面検査方法の処理内容を示すフローチャートである。
【図５】音響によって構造物表面に弾性表面波が励起される様子を示す断面図である。
【図６】応力発光構造部（応力発光材料含有層）を含む構造物の表面のき裂（欠陥）付近を弾性表面波が伝搬する様子を示す図である。
【図７】図６における発光領域の様子を示す図である。
【図８】図６における発光領域の様子を構造物の表面側から見た図である。
【図９】撮像装置により取得された構造物の表面の画像の一例を示す図である。
【図１０】画像処理装置の抽出部により抽出処理を施した画像の一例を示す図である。
【図１１】実施例２による表面検査装置の構成を検査対象の構造物とともに概略的に示す図であり、進行方向後方から見た図である。
【図１２】実施例２による表面検査装置の構成を検査対象の構造物とともに概略的に示す図であり、上方から見た図である。
【図１３】実施例３による表面検査装置の全体構成を検査対象の構造物とともに概略的に示す図であり、進行方向後方から見た図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１２】
以下、実施例１を図１乃至図６を用いて説明する。
【００１３】
図１は、実施例１に係る表面検査装置の全体構成を検査対象の構造物とともに概略的に示す図であり、進行方向後方から見た図である。また、図２は、表面検査装置における各機能の詳細を示す機能ブロック図である。なお、本実施例では、表面検査装置による検査対象の構造物の一例として、トンネル１（以下、構造物１と称する）を示して説明する。
【００１４】
図１において、検査対象の構造物１の表面には、応力に応じて発光する応力発光構造部２が設けられている。応力発光構造部２は、例えば、応力発光材料を含有して形成された応力発光材料含有層である。
【００１５】
表面検査装置１００は、車両などの移動体３と、移動体３の車輪に同期したエンコーダ２２からの情報から車両位置を検知する位置検知装置４と、検査対象の構造物１の表面に弾性表面波を発生させる弾性表面波発生素子５１と、弾性表面波発生素子５１を駆動する送信器５２と、構造物１の表面を撮像する撮像装置６と、撮像装置６で取得した画像の処理などを行う画像処理装置７と、画像や検査結果等を表示する表示装置８と、検査条件や画像、検査結果などの各種情報を記憶する記憶装置９と、各種情報を入力する入力装置２３と、表面検査装置１００の全体の動作を制御する制御装置２４とを概略備えている。
【００１６】
位置検知装置４は、予め定められて記憶装置９などに記憶された検査スケジュールや設定内容と、エンコーダ２２からの情報から得られた車両位置とに基づいて、送信器５２や撮像装置６に動作や停止の指示を送る。また、送信器５２や撮像装置６への指示の送信に関連して、画像処理装置７や制御装置２４等にも位置情報を送信し、表面検査装置１００における画像や検査結果等の各種情報と検査対象である構造物１における位置と関連付けて記憶等の処理を行っている。
【００１７】
弾性表面波発生素子５１は、構造物１の検査対象領域の表面に弾性表面波１６を生じさせることにより構造物１表面に応力変化を生じさせるもので、例えば、気中用の音響送信素子を用いる。弾性表面波発生素子５１により、構造物１の表面の応力発光構造部２に応力変化を生じさせると、応力発光構造部２は各部に生じる応力の大きさに応じて発光する。応力発光構造部２に働く応力は、構造物１におけるき裂などの欠陥が存在する領域に集中し、その結果、周囲と比較してより強く発光する領域（すなわち、図３の発光領域１１等）となる。
【００１８】
撮像装置６は、構造物１の表面の弾性表面波発生素子５１によって応力変化が生じている領域を撮像するものであり、例えば、図３に示すようなＴＤＩ（Time Delayed Integration）センサなどの高速高感度センサを用いる。
【００１９】
図３は、ＴＤＩセンサの構造の一例を示す図である。図３に示すように、ＴＤＩセンサは、検査対象表面の応力発光構造部２の発光領域１１の発光をレンズ１３を介して受光素子１４上に集光し、受光素子１４で光電変換した電荷を読み出す際に、隣接する受光素子に転送を実施する。このときに、ＴＤＩセンサ（撮像装置６）および移動体３の移動速度に受光素子１４の電荷転送のタイミングを合わせることで、転送回数分だけ電荷を蓄積することができ、露光時間を長くすることが可能である。これにより、移動体３上に設置した撮像装置６において高速かつ高感度撮像が可能となる。
【００２０】
弾性表面波発生素子５１と撮像装置６は、移動体３上に配置されており、表面検査処理の実施時には、移動体３の構造物１の表面に沿う方向（図１の紙面奥方向）への移動に伴って一体的に移動する。
【００２１】
画像処理装置７は、撮像装置６により得られた構造物１の画像に基づいて、構造物の表面の欠陥を検出する欠陥検出部を構成しており、撮像装置６により取得された画像に基づいて発光領域１１の画像を抽出する抽出部７ａと、抽出された発光領域１１の画像に基づいて欠陥の有無を判定する判定処理（すなわち、欠陥を検出する検出処理）を行う判定部７ｂとを有している。
【００２２】
抽出部７ａは、撮像装置６により得られた画像に、例えば、輝度の二値化処理のような画像処理を施すことによって、画像から、明るく撮像された発光領域１１のみを抽出する。なお、発光領域１１のみを抽出する画像処理については、同様の効果が得られる別の処理を用いても良く、例えば、境界抽出処理を用いても構わない。また、発光領域１１のみを抽出する処理の前や後に、平滑化処理のようなノイズ除去処理を必要に応じて追加しても構わない。
【００２３】
また、抽出部７ａでは、抽出した発光領域１１の画像から、発光領域１１の検査範囲における位置や大きさなどの発光領域情報データを算出する処理（サイジング処理）を行う。なお、発光領域１１には、欠陥が存在すると推定されるので、発光領域情報データは、検査範囲における欠陥位置や大きさ（長さ、幅）などの欠陥情報データと言い換えることもできる。
【００２４】
判定部７ｂは、抽出部７ａで抽出された画像や発光領域情報データ（欠陥情報データ）に基づいて、欠陥の有無、或いは、欠陥が許容範囲であるかどうかを判定する。判定部７ｂでは、予め設定した検査目的や検査基準に応じて、例えば、欠陥（すなわち、発光領域１１）の大きさ（長さ、幅）を予め定めた基準の値を超えるか否かによって欠陥の有無、或いは、欠陥が許容範囲であるかどうか（つまり、検査の合否）を判定する。
【００２５】
画像処理装置７で得られた、処理前後の画像や発光領域情報データ（欠陥情報データ）、判定結果などの情報は、表示装置８に送られて表示されるとともに、記憶装置９に送られて記憶される。
【００２６】
制御装置２４は、表面検査装置１００の全体の動作を制御するとともに、入力装置２３から入力される設定値や動作に関する指示、記憶装置９に予め記憶されたプログラム等に基づいて各構成の動作を制御し、表面検査処理などの処理を実施する。
【００２７】
図４は、本実施例における表面検査処理の処理内容を示すフローチャートである。図４において、オペレータからの表面検査処理の開始が入力装置２３等を介して指示されると、制御装置２４は、移動体３の検査方向への移動を開始する。（ステップＳ１００）。位置検出装置４によって検出される移動体３の位置が構造物１における検査対象の領域に達すると、弾性表面波発生装置５の動作による構造物１に圧力変化を発生させ（ステップＳ１１０）、弾性表面波発生装置５によって圧力変化が生じている領域を撮像装置６により撮像する（ステップＳ１２０）。続いて、撮像装置６により得られた画像に対して、画像処理装置７の抽出部７ａで発光領域情報データ（欠陥情報データ）の算出処理を行い（ステップＳ１３０）、発光領域情報データ（欠陥情報データ）に基づいて、画像処理装置７の判定部７ｂで欠陥の検出処理を行う（ステップＳ１４０）。検出処理の結果は、表示装置８に送られて表示されるとともに、記憶装置９に送られて記憶される（ステップＳ１５０）。ここで、表面検査処理の実施が予定されていた構造体１における領域のうち、未実施の領域があるかどうかを判定し（ステップＳ１６０）、判定結果がＹＥＳの場合には、判定結果がＮＯになるまでステップＳ１１０〜Ｓ１５０の処理を繰り返す。また、ステップＳ１６０での判定結果がＮＯの場合には、移動体３や各構成の動作を停止し（ステップＳ１７０）、処理を終了する。
【００２８】
ここで、表面検査処理における構造物の圧力変化と発光領域との関係について図５乃至図８を参照しつつ詳細に説明する。
【００２９】
図５は、検査対象の構造物であるトンネルに対して、空気中用の音響素子から送信した音響によって弾性表面波が発生する様子を示す断面図である。
【００３０】
図５に示すように、移動体３に搭載した弾性表面波発生素子５１から発せられた音響が特定の角度θでトンネル（構造物１）の内壁に入射すると、検査対象である構造物１の内壁に弾性表面波１６が発生し、応力変化が発生する。空気中の縦波音速を３４０ｍ／ｓ、コンクリート製のトンネル内壁の弾性表面波音速を１８００ｍ／ｓとすると、スネルの法則から、θ＝ａｒｃｓｉｎ（３４０／１８００）、すなわち約１１度の入射角で弾性表面波を励起できる。
【００３１】
図６は、応力発光構造部（応力発光材料含有層）２を含む構造物１の表面にき裂（欠陥）がある場合に弾性表面波が伝搬する様子を示す図である。また、図７は図６における発光領域の様子を示す図である。図８は、図７を構造物表面側から見た図である。
【００３２】
図７及び図８に示すように、構造物１の表面にき裂１０がある場合に、弾性表面波１６による圧力変化が発生すると、応力発光構造部２の応力分布は、き裂１０の変位が発生するき裂面に沿って一様に集中する。したがって、図７及び図８に示すように、き裂面に沿って応力発光構造部２に境界発光領域１１１が発生する。特に、開口形状が鋭角になるき裂１０の端部にはより強い応力集中が生じ、境界発光領域１１１より強く発光する端部発光領域１１２が発生する。つまり、構造物１に発生したき裂１０に沿って応力発光構造部２が発光する。
【００３３】
図９は、撮像装置６により取得された構造物１の表面の画像の一例を示す図であり、図１０は画像処理装置７の抽出部７ａにより抽出処理を施した画像の一例を示す図である。
【００３４】
図９に示すように、撮像装置６により取得された撮像画像１８では、き裂１０の存在する部分の発光領域１１が明るく撮像される。また、構造物１の表面模様領域１９、及び表面付着物２０なども、き裂１０による発光領域１１に対して比較的暗くではあるが撮像される。
【００３５】
このような撮像画像１８に対し、画像処理装置７の抽出部７ａにより抽出処理（例えば、輝度の二値化処理）を実施すると、図１０に示すように、撮像画像２１において明るく撮像されるき裂１０の部分の発光領域１１のみが抽出される。
【００３６】
以上のように構成した実施例１の効果を説明する。
【００３７】
従来技術としては、例えば、トンネル内を走行する車両上に設置されたトンネル壁面撮影用一次元センサカメラを用いてトンネル壁面に対して進行方向と直角方向のトンネル断面スキャンを行い、順次そのデータを蓄積することにより、トンネル壁面の展開画像を取得し、この画像を用いて自動診断を行うトンネル検査装置に関する技術が知られている。しかしながら、上記従来技術には次のような問題点があった。すなわち、車両のような移動体に搭載したカメラを用いて撮像を行う場合には、取得画像のブレを抑制するために露光時間を短くする必要がある。しかし、そのような短い露光時間で、例えば、き裂などの不具合箇所（領域）とそれ以外の表面汚れなどの箇所（領域）とを判別するには高コントラストでの撮像が必要であるため、撮像速度（車両速度）を抑えなければならず、検査効率が低下してしまうという問題があった。
【００３８】
これに対して、実施例１においては、応力に応じて発光する応力発光構造部２を表面に設けた検査対象の構造物１の表面に沿う方向に移動し、構造物１の表面に圧力変化を発生させる弾性表面波発生素子５１と、弾性表面波発生素子５１と一体的に移動し、構造物１の表面の圧力変化が生じている領域を撮像する撮像装置６と、撮像装置６により得られた構造物１の画像に基づいて、構造物１の表面の欠陥を検出する画像処理装置７とを備えたので、構造物１の表面検査をより高速に行うことができ、検査効率の向上を図ることができる。また、能動的に均一な歪を付与するので、き裂のサイズに依存する安定的な発光が期待でき、定量評価が容易になる。
【実施例２】
【００３９】
実施例２を図１１乃至１２を用いて説明する。
【００４０】
図１１は、実施例２に係る表面検査装置の構成を検査対象の構造物とともに概略的に示す図であり、進行方向後方から見た図である。表面検査装置１００は、実施例１の構成に近いが、検査対象の構造物１の表面に弾性表面波１６を発生させる弾性表面波発生素子５１を複数有する点において異なる。この構成において、初めに、弾性表面波発生素子５１ａが音響１５ａを送信し、点Ａで弾性表面波１６ａが励起される。弾性表面波１６ａが構造物１の内壁に沿って点Ｂに到達するときに、弾性表面波発生素子５１ｂから送信された音響１５ｂが点Ｂに到達し、弾性表面波１６ｂが励起される。これによって、弾性表面波１６ａと弾性表面波１６ｂが干渉して強度が上がる。同様にして、弾性表面波１６ａと弾性表面波１６ｂの干渉した波が構造物１の内壁に沿って点Ｃに到達するときに、弾性表面波発生素子５１ｃから送信された音響１５ｃが点Ｃに到達し、弾性表面波１６ｃが励起される。これによって、弾性表面波１６ａ、弾性表面波１６ｂと弾性表面波１６ｃが干渉して強度が上がる。
【００４１】
実際には、移動体３が比較的高速で移動しているので、例えば、弾性表面波１６ａが点Ｂに到達するまでの時間分を考慮して、弾性表面波発生素子５１ａと弾性表面波発生素子５１ｂは、移動体の進行方向に離して配置する。
【００４２】
図１２は、弾性表面波発生素子の配置を説明した図であり、進行方向上側から見た図である。弾性表面波発生素子５１ａ、弾性表面波発生素子５１ｂ、弾性表面波発生素子５１ｃは、各々移動体３の進行方向に距離Ｄ離して配置する。この距離は、弾性表面波５１の音速、入射点間の距離、移動体３の移動速度で決定できる。なお、弾性表面波発生素子は、３個であることは限定されず、２個や４個以上であっても良い。
【００４３】
以上のように構成した実施例２の効果を説明する。
【００４４】
本実施例においては、表面検査装置１００に、弾性表面波発生素子５１を複数配置して、弾性表面波１６を干渉させるように送信するので、弾性表面波の強度が上昇し、ひいては、構造物１の表面の欠陥の位置における発光強度が増すことが期待できる。
【実施例３】
【００４５】
実施例３を図１３を用いて説明する。
【００４６】
図１３は、実施例１３に係る表面検査装置の構成を検査対象の構造物とともに概略的に示す図であり、進行方向後方から見た図である。
【００４７】
表面検査装置１００は、実施例１や実施例２の構成に近いが、検査対象の構造物１の表面に進行方向の異なる弾性表面波１６を発生させる点において異なる。この構成においては、弾性表面波発生素子５１ｄから送信された音響１５ｄによって弾性表面波１６ｄが励起され、一方で、弾性表面波発生素子５１ｅから送信された音響１５ｅによって弾性表面波１６ｅが励起される。弾性表面波１６ｄと弾性表面波１６ｅは、進行方向が逆であるため、両者の干渉によって、定在波１７が発生する。
【００４８】
以上のように構成した実施例３の効果を説明する。
【００４９】
実施例３においては、表面検査装置１００の移動体３の両側に弾性表面波発生素子５１ｄと弾性表面波発生素子５１eを配置することで、弾性表面波を干渉させて定在波１７が発生するので、弾性表面波の強度が上昇するとともに、特定の位置において進行しない振動が生じるので、構造物１の表面の欠陥の位置における発光強度が増すことが期待できる。
【符号の説明】
【００５０】
１  構造物
２  応力発光構造部（応力発光材料含有層）
３  移動体
４  位置検知装置
６  撮像装置
７  画像処理装置
７ａ  抽出部
７ｂ  判定部
８  表示装置
９  記憶装置
１０  き裂
１１  発光領域
１２  ＴＤＩセンサ
１３  レンズ
１４  受光素子
１５  音響
１６  弾性表面波
１７  定在波
１８  撮像画像
１９  表面模様領域
２０  表面付着物
２１  抽出処理画像
２２  エンコーダ
２３  入力装置
２４  制御装置
５１  弾性表面波発生素子
５２  送信器
１００  表面検査装置
１１１  境界発光領域
１１２  端部発光領域
【図１】
2016125949.tif 000003
【図２】
2016125949.tif 000004
【図３】
2016125949.tif 000005
【図４】
2016125949.tif 000006
【図５】
2016125949.tif 000007
【図６】
2016125949.tif 000008
【図７】
2016125949.tif 000009
【図８】
2016125949.tif 000010
【図９】
2016125949.tif 000011
【図１０】
2016125949.tif 000012
【図１１】
2016125949.tif 000013
【図１２】
2016125949.tif 000014
【図１３】
2016125949.tif 000015