論文

非接触式レーザ変位計を用いた非破壊試験における欠陥探査装置の製作および実験
森山 夏輝1・岸田 真幸2・倉橋 貴彦3・村上 祐貴4・池田 富士雄5・井山 徹郎51

長岡技術科学大学 機械創造工学課程（Department of Mechanical Engineering, Nagaoka University of Technology）
2

長岡技術科学大学大学院 技学イノベーション専攻（Department of Science of Technology Innovation, Graduate School of Nagaoka University of Technology）
3

長岡技術科学大学大学院 機械創造工学専攻（Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Nagaoka University of Technology）
4

環境都市工学科（Department of Civil Engineering, National Institute of Technology, Nagaoka College）
5

機械工学科

（Department of Mechanical Engineering, National Institute of Technology, Nagaoka College）

Development and experiment of a defect detection machinefor non-destructive inspection using a non-contact laser displacement meter
Natsuki MORIYAMA1, Masayuki KISHIDA2, Takahiko KURAHASHI 3,Yuki MURAKAMI4, Fujio IKEDA5 and Tetsuro IYAMA5Abstract
In recent years, the deterioration of social infrastructure has become problems in Japan. There areconcerns about an increase in serious accidents. The Ministry of Land, Infrastructure, Transport andTourism has announced the whole inspection of infrastructures, which is necessary to be inspected at highspeed. Thus, this study aims to develop the impact testing machine using a non-contact laser displacement
meter. Internal defects are estimated by mechanically impacting the surface and measuring the displacementof the surface with the non-contact laser displacement meter. The machine was used to conduct impact tests
on spring test pieces and simple beams. The results showed the validity of the machine.
Key Words : Non-destructive inspection, Hammering test, non-contact laser displacement meter.

8１． 序論に示すサイズで設計した（580 mm ×131 mm × 152 mm）．打撃による装置の浮きを抑制するため両脚部に打撃力より十分に重量のあ

近年，日本では高度経済成長期に建設された道路橋るおもりを装着した．

やトンネルなどの社会インフラの老朽化が進行している．老朽化が進むことによって，2012年 12月に発生した笹子トンネル崩落事故 1)に代表されるような重大事

Oscilloscope

故増加の懸念がある．国土交通省から橋梁等の総点検が打ち出されており，高速かつ高精度な検査が求めら

Laser
displacementmeter(Z4D-F04A)

れている．非破壊検査手法として打音検査がある．これは，点検者が構造物を検査用ハンマで叩き，打撃音の清濁で構造物の状態を評価する手法である．この検査手法は操作が簡便であるためコンクリート構造物のMicrocontroller(STM32F446RE)
Solenoid(CBS12400080)点検に幅広く用いられている．しかしこの検査は点検

Inspection target (ABS)

者が打音の清濁を聞き分ける官能試験である．そのた

図-1 打撃試験装置の動作め，点検者の熟練度に依存するという問題がある．さらに，点検者が侵入できない場所が存在する問題もあLinear guideる．
このような問題を解決するために，小型の打撃試験

Impact test part装置により機械で打撃試験を行う研究が進められてきた．今までは加速度センサ 2)や音響センサ 3)によって打撃応答を取得していたが，非接触レーザ変位計を用いることでさらに高速で検査することができると考えた．
本研究では，非接触レーザ変位計を用いて機械で打撃試験を行うことを目的とする．

SolenoidLaser displacement meter
図-2 開発した打撃試験装置

２． 非接触式レーザ変位計を用いた打撃試験装置
２．１ 打撃試験装置の構成と動作本研究で開発する打撃試験装置の動作の流れを図-1に示す．青枠で囲われたものが打検部である．マイコンによりソレノイドを制御し，ソレノイドで検査対象を打撃する．その表面変位をレーザ変形計で読み取り，センサ出力をオシロスコープ上に表示させ内部欠陥の有無を推定する．打撃をソレノイドで行うことで，電圧によって打撃力の制御ができ，常に一定の打撃力

図-3 開発した打撃試験装置の二次元図面で試験することができる．また，今回は簡便に製作するために検査対象を ABS 樹脂とした．

２．２ 製作した装置と設計仕様
実際に製作した装置を図-2に，装置の二次元図面を図-3にそれぞれ示す．またこの装置の設計仕様を表-1に示す．本体を動かさずに打検部を可動できるようにリニアガイドを用いた．また，後述する単純はりの長手方向の大きさを200 mm にするため今回の装置は図-39係を導出する．本研究では対象物体を両端固定単純は

表-1 設計仕様
打検部の移動範囲
打撃力
設置部寸法
レーザセンサソレノイド
マイクロコントローラ

[mm]
[N]
[mm]

りと考える．図-5 に中央荷重がかかる両端固定単純は

245
15142×111
Z4D-F04A
CBS12400080
STM32F446REりのモデルを示す．以下にはりのたわみの微分方程式を示す．ここでたわみをv，ヤング率をE，任意の位置x の曲げモーメントを Mx，打撃力を F，断面二次モーメントを I，はりの長さを L とする．
𝑑𝑑 2 𝑣𝑣
𝑀𝑀𝑥𝑥= −𝐸𝐸𝐸𝐸
𝑑𝑑𝑥𝑥 2

２．３ 回路本装置の実験用回路の概略図を図-4 に示す．この回(1)荷重と支点反力を考えた任意の位置 x の曲げモーメン

路は，マイコン（Nucleo STM32F446RE），レーザ変位

ト Mx は以下のように表すことができる．

計（Z4D-F04A），昇圧モジュール（NJW4131），制御用基板から構成されている．レーザ変位計からの出力

𝑀𝑀𝑥𝑥 =

電圧をオシロスコープ（DS1104Z plus）で読み取ることにより打撃時の変位を測定する．

𝐹𝐹(4𝑥𝑥 − 𝐿𝐿)
8(2)式（2）を式（1）に代入し積分する．任意の位置 x のたわみ vx とヤング率 E の関係は以下のとおりである．

Ni-Cd battery(7.2 [V] 1300[mA])
Boostmodule
Boostmodule
Driverboard

𝑣𝑣𝑥𝑥 =Laser displacement meter(Z4D-F04A))

Microcontroller(STM32F446RE)(3)

FOscilloscope(DS1104Z Plus)

Solenoid(CBS12400080)

𝐹𝐹𝐹𝐹𝑥𝑥 2 3 2𝑥𝑥
� − �
24𝐸𝐸𝐸𝐸 2 𝐿𝐿

E,IxLvy

図-4 実験用回路

図-5 中央荷重がかかる両端固定単純はり

２．４ 実際の現場への適用例
２．６ たわみ曲線を表す式の導出

この装置の打撃試験対象としては，橋梁遊間部を想２．４で述べたたわみ曲線を表す式を導出する．図

定している．想定している適用方法の手順を以下に示す．

-6 に任意の位置に集中荷重がかかる両端固定単純はり

・実際の現場で試験を行う前に，用意した欠陥の無いのモデルを示す．荷重と支点反力を考えた AC 間の曲健全対象物体で打撃試験を行い，最大たわみ量からヤげモーメント MAC は以下のように表すことができる．

ング率を求め，たわみ曲線を作成する．

ここで端面 A から打撃位置 C までの距離を a，打撃位・実際の現場に移動し，装置の脚部を橋梁遊間部に固置 C から端面 B までの距離を b， AC 間のたわみ量を定する．

vAC とする．

・打検部に装着されたアクチュエータで自走して打撃𝐹𝐹𝑏𝑏 2{(3𝑎𝑎 + 𝑏𝑏)𝑥𝑥 − 𝑎𝑎𝑎𝑎}(4)
𝐿𝐿3
式（4）を式（1）に代入し積分する．AC 間の任意位試験を行い，たわみ曲線を作成する．

𝑀𝑀𝐴𝐴𝐴𝐴 =・事前に用意したたわみ曲線と比較し，欠陥有無と位置を推定する．

置のたわみ量 vAC は以下のとおりである．

２．５ たわみ量とヤング率の関係
２．４で述べた対象物体のたわみ量とヤング率の関
10

𝑣𝑣𝐴𝐴𝐴𝐴 =𝐹𝐹𝑏𝑏 2 𝑥𝑥 2
{3𝑎𝑎𝑎𝑎 − (3𝑎𝑎 + 𝑏𝑏)𝑥𝑥}
6𝐸𝐸𝐸𝐸𝐿𝐿3FaAを用いて打撃力の参考値を取得した．実験の概略図を(5)

図-8 に示す．図-8（a）ではソレノイドに連続通電し電子バネ秤に押し付けた．図-8（b）ではソレノイドに連続通電し電子バネ秤を引っ張った．そして，ソレbノイドが引っ込んだ時の質量を打撃力の参考値とした．

CB

実験結果として，二つの方法で同じく打撃力x

F = 15 N という結果を得た．この結果は参考値であるが，同じ実験方法で同じ結果が得られているためこのE,IL値を今回の装置の打撃力とする．また，ソレノイド（CBS12400080）のデータシートから値に問題がないyことを確認している．

図-6 任意の位置に荷重がかかる両端固定はり

Force

３． センサとソレノイドの性能評価

Scale

３．１ レーザセンサの性能評価
レーザセンサの出力電圧を変位に換算する関係式をｖ

Scale立てるために，実際のセンサを用いて次のような実験を行った．実験のために製作した器具を図-7 に示す．

Force

図-7 に示した器具についた板とセンサの距離をノギ（a）スで測定し，その時の電圧をオシロスコープで測定す（b）

図-8 ソレノイドの性能評価実験の概略

ることで距離と電圧の関係を調べた．

7Instrument

N=10N= 106

1.8311x- 4.2446
dy = 1.83V- 4.24

Voltage V [V]5432Sensor― Theoretical values● Measured values― Approximate curve

1Vernier caliper

0

図-7 製作した器具

実験結果を図-9 に示す．この結果からセンサの出力

254Distance d [mm]図-9 センサの電圧特性
36

電圧を変位に換算する式は以下のようになった．ここで距離を d，電圧を V とする．

４． 開発した装置での打撃試験
𝑉𝑉 + 4.24
𝑑𝑑 =1.83(6)開発した打撃試験装置を用い，バネを使った試験片での打撃試験と，実際の問題を想定し単純はりでの打３．２ ソレノイドの性能評価

撃試験を行う．この結果から開発した装置の性能評価

ソレノイドでの打撃力を確認するために電子バネ秤

11Test pieceを行う．
４．１ バネを使った試験片での打撃試験
図-10 にバネを使った試験片を示す．今回の実験では 2 種類のバネを用意して試験を行った．図-11 に試験の概略図を示す．
試験の手順は以下の通りである．
・打撃試験装置，オシロスコープの電源を入れる．
・ソレノイドの直下にバネ付き試験片を設置しクランプで固定する．
・打撃前の距離によるセンサの出力電圧を記録する．

F clamp・ソレノイドで試験片を打撃し，打撃時の出力電圧を

図-12 バネ付き試験片での打撃試験記録する．
・式（6）より打撃前と打撃時の電圧差を変位に換算

表-2 バネ付き試験片を用いた打撃試験結果する．
・以下に示すフックの法則から性能評価を行う． ここ

バネ定数[N/mm]

で打撃を F，バネ定数を k，変位を u とする．

6.8
17.7(7)𝐹𝐹 = 𝑘𝑘𝑘𝑘

変位[mm]

打撃力[N]

理論値

測定値

152.060.79

1.950.87

４．２ 単純はりでの打撃試験
２．４で述べた現場への適用方法の検証をするため

Springに一連の試験を行った．今回は簡便に行うために，検査対象を 3D プリンタ（Zortrax M200）で製作した．図13 に使用した 3D プリンタを示す．素材は ABS 樹脂に物性値が似ているフィラメント（Z-ABS）を使用した．
表-3 に 3D プリンタと材料の仕様を示す．なお，ヤン
グ率 E の値は ABS 樹脂の物性値 4)である E = 1.54 ~ 2.32
GPa を参考にする．

図-10 バネを使った試験片

図-12 にバネ付き試験片での試験の様子を，表-2 にソレノイドの打撃力から求めた理論値とバネ付き試験片での試験結果をそれぞれ示す．この結果から，理論値と打撃時の変位量がほとんど変わらないため，この試験装置が妥当であると言える．

Fuk

図-13 Zortrax M200

図-11 バネ付き試験片を用いた打撃試験の概略

12表-3 3D プリンタと材料の仕様
3D プリンタ
積層ピッチ
充填率
材料
ヤング率

Simple beam

熱溶解積層型
0.09100
Z-ABS
1.54 ~ 2.32[mm]
[%]
[GPa]

図-14 に製作したはりの概略図を，表-4 に製作したはりの設計定数をそれぞれ示す．ここで欠陥位置を xd，ヤング率を E，はりの長さを L，はりの断面寸法を a，欠陥の長さを l，欠陥の断面寸法を b とする．

F clamp
図-15 単純はりでの打撃試験

xb4.50aEDeflection v [mm]xdabl

Ly4.003.50
3.00
2.502.00

図-14 はりの概略図

7.58.59.510.511.512.5Time [s]図-16 打撃前後のセンサ出力

表-4 はりの設計定数
xd[mm]
50，100，120
欠陥位置E[GPa]
1.8
ヤング率L[mm]200はりの長さa[mm]10はりの断面寸法
l[mm]
13
欠陥の長さ
b[mm]
8.49
欠陥の断面寸法欠陥が無い健全はりを打撃試験して得られたたわみと式（5）で算出したたわみ曲線を図-17 に示す．この
図から試験で得られたたわみと理論式から算出したたわみがほぼ合致しているため，この装置によって単純はりの打撃試験ができていることがわかる．

試験の手順は以下の通りである．
・欠陥が無い健全はりを用意し両端固定する．
・中央を打撃し，たわみ量 v からヤング率 E を推定す
る．
Deflection v [mm]・複数個所を打撃し，たわみ曲線を作る．
・欠陥不明のはりで打撃試験を行い，たわみ曲線を作成し欠陥位置を推定する．
図-15 に単純はりでの打撃試験の様子を示す．欠陥が無い健全はりを打撃して得られたセンサ位置（x = 80mm ）のたわみ量 v は 0.349 mm となった．このたわみ量と式（3）からヤング率 E は 1.80 GPa と推定できる．

0-0.05
-0.1
-0.15
-0.2
-0.25
-0.3-0.35
-0.4
-0.45

406080

Impact point xf [mm]100120140160

180

Mesuared values
Theoretical values

図-17 健全はりの打撃試験結果と理論値

表-3 に示した ABSの物性値の範囲に入っているためこの値は概ね正しいものと考えられる．図-16 に打撃前欠陥が無い健全はりを打撃試験して得られたたわみ後のセンサ出力のグラフを示す．このグラフから打撃と欠陥をそれぞれ 50，100，120 mm の位置につけたは後の振動がほとんど存在せず，センサ出力に若干のノりで打撃試験して得られたたわみを図-18 に示す．欠イズがあることがわかる．

陥が無い健全はりのたわみとそれぞれの欠陥位置で得られたたわみの誤差を2乗したグラフを図-19 に示す．
図-18 から欠陥が無い健全はりと欠陥があるはりのた13

めに打撃力の強化を行うことが挙げられる．また，よが大きい．このことから欠陥の有無があることが推測

り精度よく打撃試験を行うために分解能がさらに高いできる．また，図-19 から欠陥が存在する位置の周辺レーザ変位計に変更することも挙げられる．そして，に大きな誤差が生じている．このたわみ量の誤差から遊間部などでも打撃試験を行うことができるように打欠陥があることが推測できる．このことから，この装検部が自走できるようなアクチュエータを装着するこ置により欠陥の位置推定ができることがわかる．とが挙げられる．

Deflection v [mm]

わみ量を見比べると，欠陥があるはりのたわみ量の方

0-0.05-0.1-0.15-0.2-0.25
-0.3
-0.35
-0.4
-0.45

40

Impact point xf [mm]
80100
120
14060160

謝辞：本論文を執筆するにあたり，国立研究開発法人

180

科学技術振興機構A-STEPトライアウト「自己組織化マップにより形式知化された打音点検技能に基づく技能獲得プロセスのDX化」に関する経費による援助を受けた．また，本試験装置を製作するにあたり，本研究内外の先輩方のご助力をいただいた．ここに記してnon-defectNon-defect= 50 [mm]xx=d 50xx=d 100= 100 [mm]xx=d 120= 120 [mm]

謝意を表す．

図-18 健全はりと欠陥があるはりの参考文献

打撃試験結果1) 国土交通省：“トンネル天井板の落下事故に関する調査・検討委員会報告書”，2013．

Square error ε [-]

0.005
0.004

xd = 50 [mm]系列1
xd = 100 [mm]系列20.003

系列3xd = 120 [mm]2) 高橋和也，池田富士雄，志田爲御，林充輝，村上祐貴，外山茂浩，倉橋貴彦：“橋梁遊間部を対象とする打音点検システムの改良”，日本機械学会年次大会 講演論文集，2019．

0.002

3) Masaya Iwata，Yuji Kasai，Ching-Tzun Chang，Takashi Okuma，

0.001
0Yusuke Nozoe，Sota Takatsu，Yuichi Kubota，and Masahiro
406080100120140
Impact point xf [mm]160

Murakawa：“AI-aided Hammering Test System to Automatically180

Generate Anomaly Maps”，Sensors and materials Vol. 31 No. 10，

図-19 理論値と測定値の誤差の 2 乗値

pp3087-3098，2019．
4) 山口章三郎：“JIS 使い方シリーズ 新版 プラスチック材料選
択のポイント 第 2 版”，日本規格協会，pp438-439，2003．

５． 結論(2021.8.19 受付)

本研究では，従来の打撃試験の問題点を解決するために，非接触レーザ変位計を用いた打撃試験装置を開発した．開発した装置に使った部品の性能評価を行ってどのような特性があるのかを調査した．また，開発した装置を用いてバネを使った試験片と欠陥の有無と位置を変更した単純はりでの打撃試験を行った．結果
としてバネを使った試験片では理論値とほぼ同様な変位を読み取ることができた．また，欠陥が無い健全単純はりから理論式によりヤング率を求めることができた． そして，実験から単純はりの欠陥位置の推定ができた．
しかしながら，本研究の打撃試験に用いたはりの欠陥はサイズが非常に大きく，材料はコンクリートよりヤング率が低いものを使用している．そこで今後の課題として，実際のコンクリート構造物に適用させるた
14