特許 6376980 構造物変状検出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6376980

(24)【登録日】2018年8月3日

(45)【発行日】2018年8月22日

(54)【発明の名称】構造物変状検出装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/07 20060101AFI20180813BHJP

   G01M 7/02 20060101ALI20180813BHJP

【ＦＩ】

   G01N29/07

   G01M7/00 A

【請求項の数】5

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2015-4959(P2015-4959)

(22)【出願日】2015年1月14日

(65)【公開番号】特開2016-130684(P2016-130684A)

(43)【公開日】2016年7月21日

【審査請求日】2016年9月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003562

【氏名又は名称】東芝テック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087398

【弁理士】

【氏名又は名称】水野 勝文

(74)【代理人】

【識別番号】100128473

【弁理士】

【氏名又は名称】須澤 洋

(74)【代理人】

【識別番号】100128783

【弁理士】

【氏名又は名称】井出 真

(72)【発明者】

【氏名】小宮 研一

(72)【発明者】

【氏名】石川 大介

【審査官】 佐藤 仁美

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−２３００５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１２７８９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０６９３０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／００１９１５３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０５０３５１４４（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１８５６４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第００／０７３７８１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０６８２３７３７（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 米国特許第０５５８５９２１（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２９／００−２９／５２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定対象物を音波を用いて非接触で加振する加振部と、
前記加振部による前記測定対象物の加振地点の振動をレーザ光を用いて非接触で検出する第２振動測定部であって、前記レーザ光の光軸が前記加振部の出力中心と同軸上にある第２振動測定部と、
前記測定対象物における前記加振地点から離れた測定地点の振動であって前記加振地点から伝搬する振動を、レーザ光を用いて非接触で検出する第１振動測定部と、
前記加振部と前記第１、第２振動測定部とを保持する筐体と、
前記加振部により前記加振地点に発生させた振動を前記第２振動測定部が検出してから、前記測定地点にて前記加振地点から伝搬する前記振動を前記第１振動測定部が検出するまでの時間を計測する時間計測部と、
を有することを特徴とする構造物変状検出装置。

【請求項2】

前記第２振動測定部は、前記構造物変状検出装置の外部に前記レーザ光を出射するレンズ部を備え、
前記加振部は、前記レンズ部の周囲にある複数のスピーカを備える
ことを特徴とする請求項１に記載の構造物変状検出装置。

【請求項3】

前記第１振動測定部は、レーザ光を出射する半導体レーザと、前記半導体レーザが出射するレーザ光を反射するミラーであって、回転駆動されることで反射角度を変え、前記測定地点を変更するミラーと、前記ミラーに反射されて入射するレーザ光を前記構造物変状検出装置の外部に出射するレンズ部と、を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の構造物変状検出装置。

【請求項4】

前記加振地点を固定した状態で、前記ミラーを駆動し、複数の前記測定地点にて前記時間計測部により前記時間を計測することを特徴とする請求項３に記載の構造物変状検出装置。

【請求項5】

前記第１振動測定部は、レーザドップラ振動計測器であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の構造物変状検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この明細書に記載の実施形態は、橋梁やトンネル等の構造物の変状（ひび割れ、きれつ、内部の欠陥）を非接触で検出する技術に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、橋梁、トンネル等の構造物の亀裂などの変状を非接触で検出する検出装置が提案されている（特許文献１）。

【0003】

特許文献１に開示される非接触方式の構造物変状検査装置は、検査対象となる構造物（以下、測定対象物と称す）に超音波発振器で発振した超音波を当てて加振する非接触方式の加振部と、前記加振部で加振された前記測定対象物の振動をレーザドップラ振動計で計測する振動測定部とを有する。

【0004】

この構造物変状検査装置は、測定対象物から離れた地点に前記加振部を配置し、測定対象物表面の検出ポイントやその検出ポイントを含む所定領域に向けて、超音波を発振し、測定対象物を非接触で加振する。また、前記振動測定部は、測定対象物から離れた地点に配置される。前記振動測定部は、加振状態の測定対象物の変状検出ポイントに向けてレーザビームを照射し、その反射光を受光し、受光光に基づいて変状検出ポイントの振動を計測することで当該変状検出ポイントにおける変状の有無を判定する。

【0005】

ところで、変状の有無を検出する手法として、測定対象物の加振点と、振動測定部からのレーザビームが照射される照射ポイントとの間を所定距離とする。そして、前記所定距離を伝搬する振動の伝搬時間が所定の時間に対して異なるか否かにより、変状の有無を検出する。

【0006】

しかし、前記加振部と、前記振動測定部は、それぞれ独立した一つの装置として存在し、測定対象物に対して、個々に超音波の照射位置と、レーザビームの照射位置を独立して設定する。このため、測定ポイントの移動に伴って、レーザビームと超音波の照射位置関係を常に一定に調整するような調整工程が必要であった。

【0007】

また、遠隔からの高精度の測定を想定していることもあり、加振部及び振動計測手段ともに大型であった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開平８−２４８００６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

この明細書に記載の実施形態の目的は、測定ポイントを移動しても、加振部と振動測定部が照射する超音波およびレーザビームの照射位置間の調整を不要とし、またコンパクト化が図れる構造物変状検出装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本実施形態の課題を解決する構造物変状検出装置は、測定対象物を音波を用いて非接触で加振する加振部と、前記加振部による前記測定対象物の加振地点の振動をレーザ光を用いて非接触で検出する第２振動測定部であって、前記レーザ光の光軸が前記加振部の出力中心と同軸上にある第２振動測定部と、前記測定対象物における前記加振地点から離れた測定地点の振動であって前記加振地点から伝搬する振動を、レーザ光を用いて非接触で検出する第１振動測定部と、前記加振部と前記第１、第２振動測定部とを保持する筐体と、前記加振部により前記加振地点に発生させた振動を前記第２振動測定部が検出してから、前記測定地点にて前記加振地点から伝搬する前記振動を前記第１振動測定部が検出するまでの時間を計測する時間計測部と、を有することを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１実施形態を示す構造物変状検出装置の概略正面図。

【図2】図１に示す加振部のパラメトリックスピーカーの構成を示す図。

【図3】図１に示す構造物変状検出装置の側断面図で、構造物に変状がない状態を示す。

【図4】図１に示す構造物変状検出装置の側断面図で、構造物に変状がある状態を示す。

【図5】図１に示す構造物変状検出装置の検出動作の基本的な流れを説明するフローチャート。

【図6】図１に示す加振部のパラメトリックスピーカーの制御回路図。

【図7】図１に示す振動測定部を構成する二次元走査型レーザドップラ振動計の回路図を示す。

【図8】図１に示す構造物変状検出装置のシステム構成を示す回路図。

【図9】図１に示す構造物変状検出装置のスキャニング動作を説明する図。

【図10】図１に示す構造物変状検出装置における変状検出動作の基準となる基準時間測定動作の流れを説明するフローチャート。

【図11】第２実施形態を示す構造物変状検出装置の概略正面図。

【図12】図１１に示す構造物変状検出装置の側断面図で、構造物に変状が有る状態を示す。

【図13】図１１に示す振動測定部を構成する自己混合干渉型レーザドップラ振動計の回路図。

【図14】第２実施形態の構造物変状検出装置のシステム構成を示す回路図。

【図15】第２実施形態の変状検出を説明するタイミングチャート。

【図16】第３実施形態の構造物変状検出装置の概略正面図。

【図17】図１６に示す構造物変状検出装置の側断面図で、構造物に変状が有る状態を示す。

【図18】第３実施形態の構造物変状検出装置のシステム構成を示す回路図。

【図19】図１６に示す構造物変状検出装置による検出動作の流れを説明するフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、実施形態を図面に基づいて説明する。

【0013】

第１実施形態
図１は第１実施形態を示す構造物変状検出装置の概略正面図、図２（ａ）、（ｂ）は図１に示す加振部のパラメトリックスピーカーの構成を示す図、図３は図１に示す構造物変状検出装置の側断面図で、構造物に変状がない状態を示す。図４は図１に示す構造物変状検出装置の側断面図で、構造物に変状がある状態を示す。図５は図１に示す構造物変状検出装置の検出動作の基本的な流れを説明するフローチャート、図６は図１に示す加振部のパラメトリックスピーカーの制御回路図、図７は図１に示す振動測定部を構成する二次元走査型レーザドップラ振動計の回路図、図８は図１に示す構造物変状検出装置のシステム構成を示す回路図である。図９は図１に示す構造物変状検出装置のスキャニング動作を説明する図、図１０は図１に示す構造物変状検出装置における変状検出動作の基準となる基準時間測定動作の流れを説明するフローチャートである。

【0014】

図１において、構造物変状検出装置１０は、スピーカー８００を有する加振部１と、前面にレンズ部４３０を配置した振動測定部２を有する。加振部１と振動測定部２は、加振部１から出力される音波の出力方向の軸線と、振動測定部２から出射されるレーザビームの軸線とを同じ方向（前方）に向けて筐体３に配置される。加振部１から出力される音波の出力中心をＯ１、振動測定部２から出力されるレーザビームの出射中心をＯ２とすると、加振部１と振動測定部２は、出力中心Ｏ１と出射中心Ｏ２間の距離を所定の間隔Ｌ０として筐体３に固定され、一体化されている。

【0015】

図３に示すように、構造物変状検出装置１０は、コンクリートやモルタル等で形成された測定対象物４に対して、ある一定の設置距離を隔てて対向配置し、非接触で測定点の振動を測定する。

【0016】

前記設置距離は、振動測定部２を構成するレーザドップラ振動計の焦点距離や、加振部１が出力する音波の到達距離等を考慮した上で決まる。本実施形態の場合、作業者が構造物変状検出装置１０を携帯できるような小型のものを想定しているため、数ｍ程度の近距離を想定している。

【0017】

図１において、加振部１のスピーカー８００としては、例えばパラメトリックスピーカーやフラットスピーカー、ラウドスピーカー、あるいはガスガン、衝撃波菅といった、非接触で、測定対象物を加振することが可能なものであればよい。以下、本実施例では、加振部１のスピーカーとしてパラメトリックスピーカー８００を例に説明する。

【0018】

一方、振動測定部２は、二次元レーザドップラ振動計で構成され、構体３の前面に二次元レーザドップラ振動計のレーザビームの入出射口であるレンズ部４３０が配置される。

【0019】

パラメトリックスピーカー８００の構成としては、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、トランスデューサー（例えば超音波圧電素子）８０１を平面に複数個並べたものである。トランスデューサー８０１単体ではおよそ６０〜７０度の指向性を持つが、図２（ａ）上記構成とすると指向性が向上する。よって、パラメトリックスピーカー８００から発せられる超音波は数度の角度の指向性で、ほぼ一直線に測定対象物４に照射される（図３）。すなわちパラメトリックスピーカー８００の中心部とパラメトリックスピーカーから発せられる超音波の中心部Ｏ１はほぼ一致する。

【0020】

一方、二次元走査型のレーザドップラ振動計は、本実施形態では自己混合干渉型のレーザドップラ振動計を適用している。自己混合干渉法は、レーザの出力光と、加振された測定対象物からの散乱光をレーザ内部で干渉させ、測定対象物の運動（振動）を測定する手法である。すなわち、レーザビームが照射されている測定対象物の振動を測定することができる。

【0021】

加振部１は、コンクリートやモルタル等で形成された測定対象物４に対して、超音波を照射し、加振する。測定対象物４に照射（当てられた）超音波により測定対象物４に発生する超音波振動は、測定対象物４の表面を伝搬し、レーザドップラ振動計２のレーザビームが照射されている測定ポイントでレーザドップラ振動計に検出される。

【0022】

測定対象物４の表面が例えばコンクリートだとする。加振部１が照射して発生した超音波振動の振動波６がコンクリート表面を真っ直ぐ（最短距離）伝搬する。そして、レーザドップラ振動計２に検出されるまでの時間（伝搬時間）Ｔを測定し、メモリに記録しておく。ひび割れや亀裂、浮き、剥離等の変状の生じていない健全なコンクリートであれば、この時間が距離Ｌ０を超音波が伝搬した時間となる（図３）。

【0023】

一方、測定対象物が、ひびわれの生じたコンクリートの場合を表したのが図４である。この場合、測定対象物４に生じる超音波振動７は、ひび割れ部分を伝搬できないため、ひび割れの深さＤ方向の頂点を沿うように迂回して伝搬し、レーザドップラ振動計の測定ポイントに達する。

【0024】

すなわち、ひび割れや亀裂、剥離等が生じたコンクリートの場合には、超音波はコンクリートの表面を伝搬することができないため、長い距離を伝搬することになる。コンクリート内を伝搬する超音波の速度はほぼ一定のため、健全なコンクリートの伝搬時間よりも、長い時間を要してレーザドップラ振動計２に計測される。測定ポイントでの伝搬時間をｔとする。

【0025】

すなわち、あらかじめ健全なコンクリートで伝搬時間Ｔを測定し（キャリブレーション）、それを記録しておき、測定対象物を測定した結果である伝搬時間ｔが健全なコンクリートよりも長い時間であれば、何らかの変状（ひび割れ、亀裂、剥離等）が生じていることになる。

【0026】

図３において、レーザドップラ振動計２は、レーザ部４０１の半導体レーザ４０２から出力されたレーザが光学ユニット４０８によって、測定対象物４上に集光される。集光されたレーザビームが、測定対象物４上で反射し、その散乱光が、光路を通じて、半導体レーザ４０２内部で干渉し、その光をレーザ部４０１内部のフォトダイオード４０３で測定する。

【0027】

図３において、測定対象物４に生じる超音波振動６の進行方向が矢印の向きに振動すると、ドップラーシフトが生じ、散乱光の周波数がわずかに変化する。この散乱光がレーザ部４０１内部のオリジナル光（バックビーム）と干渉を起こし、それを内蔵フォトダイオード４０３で検出する。フォトダイオード４０３上で干渉すると、その周波数差がビート信号として検出される。

【0028】

図５に示すフローチャートに基づいて、変状検出の流れを説明する。

【0029】

Ａｃｔ１において、距離Ｌ０を隔てて健全なコンクリートの表面に加振部１により超音波を照射すると共に、振動測定部２によりレーザビームを照射する。そして、超音波の照射が開始されてから、振動測定部２が振動を検出するまでの時間（伝搬時間Ｔ）を計測し、Ａｃｔ２に進む。

【0030】

Ａｃｔ２において、基準となる伝搬時間Ｔをメモリに記録し、Ａｃｔ３に進む。Ａｃｔ１およびＡｃｔ２の処理は、基準時間測定の処理である。

【0031】

Ａｃｔ３において、振動測定部２のレーザビームが照射する測定ポイントで、加振が開始されてから振動を検出することで、伝搬時間ｔを測定し、Ａｃｔ４に進む。

【0032】

Ａｃｔ４において、伝搬時間ｔをメモリに記録し、Ａｃｔ５に進む。

【0033】

Ａｃｔ５において、基準の伝搬時間Ｔと測定伝搬時間ｔを比較する。測定伝搬時間ｔが基準伝搬時間を超えている場合（ｔ＞Ｔ）、Ａｃｔ６に進み、測定伝搬時間ｔが基準伝搬時間未満の場合（ｔ＜Ｔ）、Ａｃｔ７に進む。

【0034】

Ａｃｔ６において、ｔ＞Ｔの場合は図４に示す状態であるため、変状ありと判定し、Ａｃｔ８に進み元に戻る。

【0035】

Ａｃｔ７において、ｔ＜Ｔの場合は図３に示す状態にあるため、変状なしと判定し、Ａｃｔ８に進む。

【0036】

次に、加振部１であるパラメトリックスピーカー８００の制御回路を図６に基づいて説明する。

【0037】

パラメトリックスピーカー８００は、トランスデューサー８０１を平面に複数個並べたものであるため、駆動回路部（ＤＲＶ００、ＤＲＶ０１、・・・・ＤＲＶｎ）６００、６０１・・・６１０もトランスデューサー８０１の数だけある。例えば図２（ａ）のパラメトリックスピーカー８００の場合には、９個のトランスデューサー８０１から構成されているため、駆動回路部も９個必要である（ＤＲＶ００〜ＤＲＶ０８）。

【0038】

装置全体を制御するＣＰＵ５１１は、データライン５１３とトランスデューサー８０１を指定するアドレスライン５１５とクロックライン５１４を使用して、任意のトランスデューサー８０１を駆動することができる。ただし、本例では、９個すべて駆動する。アンド回路５２０に、クロックライン５１４からクロック信号と、アドレスライン５１５からアドレス信号が入力されると、フリップフロップ回路５６０のＦＦ００に信号１が出力される。フリップフロップ回路５６０は、全出力端子から信号１が出力され、駆動回路部（ＤＲＶ００〜ＤＲＶ０８）が同時に駆動される。

【0039】

次に、二次元レーザドップラ振動計２の構成の詳細を図７に基づいて説明する。

【0040】

二次元レーザドップラ振動計２は、測定対象物４の測定面を互いに直交するＸ−Ｙ平面とすると、Ｘ−Ｙ平面上の任意の測定点に向けてレーザビームを照射できるようになっている。

【0041】

本実施形態では、Ｘ軸回りとＹ軸回りに回転できるガルバノスキャナー４２０にレーザビームを照射し、測定対象物からの反射光をガルバノスキャナー４２０、光学ユニット４０８を介してレーザ部４０１で受光する。

【0042】

レーザ部４０１には、パワーモニター用のフォトダイオード４０３が内蔵されている。半導体レーザ４０２はカレントドライバ４０４によって、定電流駆動される。モニターダイオード４０３の出力は、電流―電圧変換アンプ４０５によって変換及び増幅された後、ローパスフィルター４０６によって高周波成分のノイズをカットされる。この信号４０９がビート信号で、この信号をモニターすることによって、ドップラーシフトが生じたかどうか分かる。さらにＦＦＴ４０７によってフーリエ変換し、レーザ強度のパワースペクトルを得ることができる。

【0043】

本方法を選択したのは、従来の光ヘテロダイン検出法のような参照光が不要となるので、光学系の構成を単純化でき、低コストかつ小型装置を実現できるからである。

【0044】

測定用レーザビーム光を走査させる２次元走査手段は、いわゆるガルバノスキャナー４２０である。測定用のレーザビーム光は、光学ユニット４０８によって、ガルバノスキャナー４２０の反射ミラー面に集光される。図の縦軸（ｙ軸）を中心にミラーを回転させるとｘ軸方向にビーム光を走査し、図の横軸（ｘ軸）を中心にミラーを回転させるとｙ軸方向にレーザビーム光を走査する。この動作によって、図９のｘ軸方向の座標とｙ軸方向の座標で決まる任意の位置に測定用レーザビーム光を自由に移動することができる。

【0045】

ガルバノスキャナー４２０のミラーは、ｘ軸回り駆動用のｘ軸アクチュエータ（不図示）と、ｙ軸回り駆動用のｙ軸アクチュエータ(不図示)によりｘ軸回りとｙ軸回りにそれぞれ回転駆動される。ＣＰＵ５１１から測定点の座標（Ｘ，Ｙ）指示がなされると、ｙ軸座標データ部４２１と、ｘ軸座標データ部４２２からｙ軸ドライバ４２３とｘ軸ドライバ４２４へ駆動信号がそれぞれ出力される。そして、前記ｙ軸アクチュエータと前記ｘ軸アクチュエータが駆動される。その結果、レーザビームは測定点に照射される。

【0046】

構造物変状検出装置のシステム構成を図８に示す回路図に基づいて説明する。なお、詳細な構成は図６及び図７で説明したのでその説明は省略する。

【0047】

構造物変状検出装置のシステム構成は、ＣＰＵ５１１により、スピーカー駆動部８１０を駆動し、パラメトリックスピーカー８００から超音波を出力する。スピーカー駆動部８１０は、駆動信号をタイマ８３０のスタート端子に出力する。

【0048】

一方、ＣＰＵ５１１は、レーザドップラ振動計８２０を駆動し、計測結果のデータ信号をタイマ８３０のストップ端子とＣＰＵ５１１に出力する。

【0049】

タイマ８３０は、スタート端子にスピーカー駆動信号が入力されるとタイマをスタートさせ、レーザドップラ振動計８２０の計測結果のデータ信号が入力されるとタイマをストップさせる。そして、メモリ８４０に計測結果のデータを記録させる。

【0050】

この場合、パラメトリックスピーカー８００が測定対象物４に向けて照射する超音波の照射点は一箇所である。これに対し、レーザドップラ振動計８２０はガルバノスキャナー４２０がｘ−ｙ座標上の任意の測定点に向けてレーザビームを照射し、例えばマトリックス状に設定した測定点で振動を検出する。

【0051】

図９は構造物変状検出装置のひび割れ等の変状を検出する方法を説明する概略図である。

【0052】

加振部１のパラメトリックスピーカー８００から出力される超音波の照射位置を○で表した。一方、振動測定部２から出射されるレーザビーム光の照射位置を●で示した。振動測定部２は、図７で説明する２次元走査型のレーザドップラ振動計８２０である。ｘ軸とｙ軸の交点である図面中央位置がホームポジション（ＨＰ）位置とする。（ｘ、ｙ）座標を指定することで、測定用のレーザビーム光を測定対象物の任意の位置に自由に移動することができる。図９では、ｘ軸上とｙ軸上にそれぞれ測定用レーザビーム光を照射した際のイメージを●にて表現している。ｘ軸上のｘ０〜ｘ１０までの各点の座標間隔（Ｌ０〜Ｌ４）は、等間隔である。また、ｙ軸上のｙ０〜ｙ１０までの各点の座標間隔（Ｌ０〜Ｌ４）は等間隔である。例えば、点O１と、測定点（ｘ５、ｙ４）との直線距離は、Ｌ０^２＋Ｌ４^２の平方根で得られる。

【0053】

振動測定部２の測定位置を測定対象物４上の任意の位置に自由に移動できることによって、加振部１の加振位置と振動計測手段と振動計測位置間のひび割れを検出することが可能となる。すなわち、後述する、ひび割れの伸長を計測することができる。

【0054】

図９は、例えば、コンクリートで形成されたトンネルの覆工部上に生じたひび割れ９００を、本構造物変状検出装置１０で検出する様子を説明するための図である。変状の一例としてひび割れの伸長をは、必ずしも直線上に生じるわけではなく、図のように方向を変えつつ伸長する。また、ひび割れは、目視で確認出来るものもあるが、そうでないものもある。図では便宜上太い黒線で表現しているが、本装置では目視で確認できないようなひび割れを検出することができる。

【0055】

図９ではトンネルの覆工部上に、構造物変状検出装置１０の加振部１の加振点と振動測定部２のレーザビーム照射点が投影されているイメージ図である。例えば、座標（ｘ０、ｙ５）は加振部３のパラメトリックスピーカー８００から出力される超音波が投影されており、その超音波出力が照射される位置である。

【0056】

同様に、（ｘ５、ｙ５）は振動測定手段であるレーザドップラ振動計のホームポジション（ＨＰ）であり、測定用レーザビーム光が照射される位置である（距離がＬ０）。また、（ｘ０、ｙ５）、（ｘ１、ｙ５）、（ｘ２、ｙ５）、（ｘ３、ｙ５）、（ｘ４、ｙ５）、（ｘ６、ｙ５）、（ｘ７、ｙ５）、（ｘ８、ｙ５）、（ｘ９、ｙ５）、（ｘ１０、ｙ５）はホームポジションから、ｘ軸の左右方向に測定用レーザビーム光を移動させて照射させたイメージ図である。

【0057】

同様に、（ｘ５、ｙ０）、（ｘ５、ｙ１）、（ｘ５、ｙ２）、（ｘ５、ｙ３）、（ｘ５、ｙ４）、（ｘ５、ｙ５）、（ｘ５、ｙ６）、（ｘ５、ｙ７）、（ｘ５、ｙ８）、（ｘ５、ｙ９）、（ｘ５、ｙ１０）はｙ軸の上下方向に測定用レーザビーム光を移動させて照射させたイメージ図である。

【0058】

振動測定部２のレーザドップラ振動計の測定用レーザビーム光が投影されたエリアが、本構造物変状検出装置の検知範囲である。

【0059】

次にひび割れ検知について図１０のフローチャートに従って説明する。

【0060】

まず図３に示すように、健全な状態のコンクリート上を本装置により測定し（図５のＡｃｔ１−Ａｃｔ３）、メモリに８４０に記録する（図５のＡｃｔ４）。

【0061】

Ａｃｔ１１において、ｍ＿ｍａｘ＝１０ （ｘ軸最大値）、n_init＝５ （ｙ軸ホームポジション）にレーザビームの照射位置を設定し、Ａｃｔ１２に進む。

【0062】

Ａｃｔ１２において、半導体レーザ４０２を発光させ、Ａｃｔ１３に進む。

【0063】

Ａｃｔ１３において、測定点の座標（ｘ、ｙ）を設定し、Ａｃｔ１４に進む。

【0064】

Ａｃｔ１４において、ＣＰＵ５１１は、レーザドップラ振動計８２０の測定用レーザビームの照射位置を設定した座標位置（ｘ１０、ｙ５）にガルバノスキャナー４２０のミラーを移動させ、Ａｃｔ１５に進む。レーザビームはレンズ４０８によって、ガルバノスキャナー４２０のミラー面上にフォーカスされ、さらにミラー面で反射し、レンズ４３０によって、測定ポイントであるコンクリート上にフォーカスされる。この動作によって座標（ｘ１０、ｙ５）の測定ポイントの振動を計測する。

【0065】

Ａｃｔ１５において、パラメトリックスピーカー８００をオンとし、超音波を照射位置Ｏ１に照射し、Ａｃｔ１６に進む。ＣＰＵ５１１は、データライン５１３（図６参照）に［０００１ １１１１ １１１１］をセットし、アドレスライン５１５に［１］をセットする。さらにクロックライン５１４にクロックを発生させることによってＤＲＶ００〜ＤＲＶ０８ドライバを有効にし、超音波を発生させる（時間測定開始）。

【0066】

Ａｃｔ１６において、測定点での超音波振動の伝搬時間ｔ（ｘｍ、ｙｎ）を取得し、Ａｃｔ１７に進み、伝搬時間ｔをメモリ８４０に記録し、Ａｃｔ１８に進む。超音波はコンクリートを加振し、その表面を伝搬し、レーザドップラ振動計の測定位置である（ｘ１０、ｙ５）に到達した時点でレーザドップラ振動計に検出される（時間測定終了）。この測定時間を伝搬時間ｔ（ｘ１０、ｙ５）として、メモリ８４０に記憶する。

【0067】

Ａｃｔ１８において、ｘ軸の座標位置を１減じ（ｍ＝ｍ−１）、Ａｃｔ１９に進む。

【0068】

Ａｃｔ１９において、ｘ軸の座標位置が既にｘ１０からｘ０まで達している場合（ｍ＜０、Ｙｅｓ）、Ａｃｔ２０に進み、ｍ＞０の場合（Ｎｏ）にはＡｃｔ１３に戻る。

【0069】

Ａｃｔ２０において、ｙ軸の座標位置ｎが０未満であるか否かを判定し、０未満であれば終了し、０以上であればＡｃｔ２１に進む。

【0070】

Ａｃｔ２１において、ｙ軸の座標位置を１減じ（ｎ＝ｎ−１）、Ａｃｔ１３に戻る。

【0071】

すなわち、Ａｃｔ１８−２１において、ＣＰＵ５１１は、ガルバノスキャナー４２０によって、レーザドップラ振動計の測定用レーザビームの照射位置を（ｘ９、ｙ５）に移動させ、レーザ半導体４０２を発光させる。レーザビームはレンズ４０８によって、ガルバノスキャナー４２０のミラー面上にフォーカスされ、さらにミラー面で反射し、レンズ４３０によって、測定ポイントであるコンクリート上にフォーカスされる。この動作によって（ｘ９、ｙ５）の測定ポイントの振動を計測することが可能になる。

【0072】

先ほどと同様に、パラメトリックスピーカーから超音波を発生させる（時間測定開始）。超音波はコンクリートを加振し、その表面を伝搬し、レーザドップラ振動計の測定位置である（ｘ９、ｙ５）に到達した時点でレーザドップラ振動計に検出される（時間測定終了）。この測定時間Ｔ（ｘ９、ｙ５）をメモリ８４０に記憶する。

【0073】

以下同様にレーザドップラ振動計の測定用レーザビーム光を下記位置に移動させ、パラメトリックスピーカーの超音波を照射し、超音波の照射位置とレーザドップラ振動計の測定位置間の伝搬時間ｔ（ｘ、ｙ）を測定し、メモリに記憶する。

【0074】

座標位置の変更は、例えば、Ａｃｔ１８、１９、２０、２１において、（ｘ８、ｙ５）〜（ｘ１、ｙ５）の後に、順に（ｘ１０、ｙ４）〜（ｘ０、ｙ４）、（ｘ１０、ｙ３）〜（ｘ０、ｙ３）、（ｘ１０、ｙ２）〜（ｘ０、ｙ２）、（ｘ１０、ｙ１）〜（ｘ０、ｙ１）、（ｘ１０、ｙ０）〜（ｘ０、ｙ０）で実行される。

【0075】

なお、説明の便宜上上記座標としたが、ガルバノスキャナー４２０のミラーの移動位置をもっと詳細に表現できるのであれば、加振ポイント（ｘ０、ｙ５）と測定ポイント（ｘ１０、ｙｎ）間を直線で結んだ線上の測定ポイントの伝搬時間を計測しメモリに記憶させても良い。

【0076】

上記動作によって、健全な状態のコンクリートでの超音波の伝搬時間が判明する。

【0077】

図９、図１０において、測定対象物に超音波振動を発生させ（時間測定開始）、時間測定開始からレーザドップラ振動計の測定位置である（ｘ１０、ｙ５）に振動が到達すると、レーザドップラ振動計が振動を検出する（時間測定終了）。この測定時間ｔ（Ｘ１０、ｙ５）をメモリ８４０に記憶する。図９の場合、ｘ０とｘ１０間にひび割れが存在するため、測定時間は健全時の測定時間Ｔ（ｘ１０、ｙ５）０よりも長くなる（ｔ（ｘ１０、ｙ５）＞Ｔ（ｘ１０、ｙ５））。測定時間の大小関係によって、ＣＰＵ５１１は、ひび割れの存在を検出する。

【0078】

詳細なひびわれ位置を検出するために、測定ポイントを、加振ポイントＯ１に近づけて、同様の動作を行う。測定ポイントを（ｘ９、ｙ５）に移動する。

【0079】

ＣＰＵ５１１は、さらに超音波を発生させる（時間測定開始）。超音波振動は、コンクリートを加振し、その表面を伝搬し、レーザドップラ振動計の測定位置である（ｘ９、ｙ５）に到達した時点でレーザドップラ振動計に検出される（時間測定終了）。この測定時間ｔ（ｘ９、ｙ５）をメモリ８４０に記憶する。図１０場合、ｘ０とｘ９間にひび割れが存在するため、測定時間は健全時の測定時間Ｔ（ｘ９、ｙ５）よりも長くなる（ｔ（ｘ９、ｙ５）＞Ｔ（ｘ９、ｙ５））。

【0080】

以下、同様に、測定ポイントを（ｘ８、ｙ５）、（ｘ７、ｙ５）、（ｘ６、ｙ５）（ｘ５、ｙ５）、（ｘ４、ｙ５）、（ｘ３、ｙ５）、（ｘ２、ｙ５）選択し、上記測定を繰り返す。本実施形態の場合には、（ｘ２、ｙ５）の測定時間が、ほぼ基準時間と等しくなるため、ひび割れ位置は、（ｘ３、ｙ５）と（ｘ２、ｙ５）の間に存在すると判定される。

【0081】

さらに、レーザドップラ振動計の測定ポイントを（ｘ１０、ｙ４）、（ｘ１０、ｙ３）、（ｘ１０、ｙ２）、（ｘ１０、ｙ３）、（ｘ１０、ｙ２）、（ｘ１０、ｙ１）、（ｘ１０、ｙ０）、の順に移動させて、同様の測定を行うことによって、ひびわれの位置を検出することができる。

【0082】

第２実施形態
図１１は第２実施形態を示す構造物変状検出装置の概略正面図、図１２は図１１に示す構造物変状検出装置の側断面図で、構造物に変状が有る状態を示す。図１３は図１１に示す振動測定部を構成する自己混合干渉型レーザドップラ振動計の回路図、図１４は第２実施形態の構造物変状検出装置のシステム構成を示す回路図、図１５は第２実施形態の変状検出を説明するタイミングチャートである。なお、図１１、図１２、図１３、図１４において、図１，２，３，４、７，８に示す部材と同じ部材には同じ符号を付してその説明を省略する。

【0083】

第２実施形態は、時間計測開始タイミングを発生する専用の振動測定部を設けて、加振部１から照射された超音波がコンクリート等の測定対象物４を加振した瞬間に時間計測を開始できるようにした。

【0084】

これによって、誤差要因となる超音波が照射され測定対象物４を加振するまでの時間を完全に取り除き、本来測定すべき時間のみを測定することができるようになるため、高精度のひび割れなどの変状の計測が可能になる。

【0085】

図１１において、加振手段８００は、パラメトリックスピーカーやフラットスピーカー、ラウドスピーカー、あるいはガスガン、衝撃波菅といった、非接触で、測定対象物４を加振することが可能ものであればよい。以下、本例では、一実施例としてパラメトリックスピーカーを例に説明する。

【0086】

図１１において、構造物変状検出装置１０は、筐体３の前面に振動測定部２（以下、第１の振動測定部２Ａとする）である二次元レーザドップラ振動計のレーザビームの入出射口であるレンズ部４３０が配置されるのは、第１実施形態と同様である。さらに、第２の振動測定部２Ｂであるレーザドップラ振動計のレーザビームの入出射口であるレンズ部４３１が配置される。

【0087】

本実施形態において、第２の振動測定部２Ｂであるレーザドップラ振動計のレーザビーム入出射口部であるレンズ部４３１の周囲に加振部１を構成するパラメトリックスピーカー８００を配置している。本構成によれば、パラメトリックスピーカー８００から発せられた超音波の中心部Ｏ１と、第２の振動測定部２Ｂであるレーザドップラ振動計から出射されるレーザビーム光の中心部がほぼ一致する。このため、加振対象である測定対象物４のコンクリート表面部の加振ポイントを、第２の振動測定部２Ｂであるレーザドップラ振動計によって測定することができる。

【0088】

図１２および図１３において、第２振動測定部２Ｂは、本例では自己混合干渉型のレーザドップラ振動計を適用している。自己混合干渉法は、レーザの出力光と測定対象からの散乱光をレーザ内部で干渉させ、測定対象の運動を測定する手法である。

【0089】

図１２および図１３において、レーザ半導体１４０２から出力されたレーザビームは光学ユニット１４０８によって、測定対象物４上に集光される。集光されたレーザビームが、測定対象物４上で反射し、その散乱光が、光路を通じて、レーザ半導体１４０２の内部で干渉し、その光を半導体レーザ内部のフォトダイオード１４０３で測定する。すなわち、測定対象物が、図１３の矢印の向きに振動すると、ドップラーシフトが生じ、散乱光の周波数がわずかに変化する。この散乱光がレーザ半導体１４０２内部のオリジナル光（バックビーム）と干渉を起こし、それを内蔵フォトダイオード１４０３で検出する。フォトダイオード１４０３上で干渉すると、その周波数差がビート信号として検出される。

【0090】

半導体レーザ部１４０１には、半導体レーザ１４０２とパワーモニター用のフォトダイオード１４０３が内蔵されている。半導体レーザ１４０２はカレントドライバ１４０４によって、定電流駆動される。モニターダイオードであるフォトダイオード１４０３の出力は、電流―電圧変換アンプ１４０５によって変換及び増幅された後、ローパスフィルター１４０６によって高周波成分のノイズをカットされる。この信号１４０９がビート信号で、この信号をモニターすることによって、ドップラーシフトが生じたかどうか分かる。さらにＦＦＴ１４０７によってフーリエ変換し、レーザ強度のパワースペクトルを得ることができる。

【0091】

一方、第１の振動測定部２Ａである二次元走査型のレーザドップラ振動計については、第１の実施形態の振動測定部２と同様なのでその説明は省略する。

【0092】

図１４は第２実施形態の構造物変状検出装置１０のシステム構成を示す。

【0093】

本実施形態は、健全なコンクリート部で基準時間を測定する際と、実際にひび割れを測定する際に特徴がある。

【0094】

まず、第２の振動測定部２Ｂのレーザビームをコンクリートやモルタル上に照射する。

【0095】

次に、加振部３のスピーカー８００によって、コンクリートやモルタル等で形成された測定対象物４に対して、超音波を照射する。すなわち、ＣＰＵ５１１は、データライン５１３に［００００ １１１１ １１１１］をセットし、アドレスライン５１５に［１］をセットする。さらにクロックラインにクロックを発生させることによって、超音波を発生させる。照射された超音波はコンクリートに到達し、コンクリートを加振する。

【0096】

この際、第２の振動部２Ｂは、コンクリートの振動を検出し、タイマ８３０に対して、測定開始信号１４０９を出力する。タイマ８３０はこの測定開始信号１４０９を受信し、基準クロックをカウントし始める。

【0097】

加振部１によってコンクリートに照射された超音波は、その表面を伝搬し、レーザドップラ振動計の測定位置に到達した時点で第１の振動測定部２Ａであるレーザドップラ振動計に検出される。コンクリートの振動を検出した第１のレーザドップラ振動計２Ａは、測定終了信号１４０９をタイマ８３０に対して出力する。タイマ８３０はこの測定終了信号１４０９を受信しカウントを停止し、カウント値をメモリ８４０に記録する。

【0098】

図１５は上記のタイミングチャートである。加振部１の超音波照射を開始する信号がドライバに入力され、実際に超音波発振が始まり、それがコンクリートに到達するまでの時間（t_err）はばらつきが生じやすい。例えば、パラメトリックスピーカー８００を構成する圧電トランスデューサー８０１の起動時間は個々にばらつきがある。

【0099】

しかし、第２の振動測定部２Ｂは、加振部１から照射される超音波が加振対象であるコンクリートを加振した瞬間を検出し、タイマ８４０による時間測定を開始するため、上記ばらつきを含まない精度の良い時間計測ができる。このため、基準時間を測定する際や、実際にひび割れを測定する際に精度の良い計測が可能で、高精度にひび割れ検出を行うことができる。

【0100】

第３実施形態
図１６は第３実施形態の構造物変状検出装置の概略正面図、図１７は図１６に示す構造物変状検出装置の側断面図で、構造物に変状が有る状態を示す。図１８は第３実施形態の構造物変状検出装置のシステム構成を示す回路図、図１９は図１６に示す構造物変状検出装置による検出動作の流れを説明するフローチャートである。

【0101】

第３実施形態は第２実施形態の変形例を示す。

【0102】

図１６は第３実施形態の構造物変状検出装置の概略正面図、図１７は図１６に示す構造物変状検出装置の側断面図で、構造物に変状が有る状態を示す。図１８は第３実施形態の構造物変状検出装置のシステム構成を示す回路図、図１９は図１６に示す構造物変状検出装置による検出動作の基本的な流れを説明するフローチャートである。

【0103】

第３実施形態は、第２実施形態と同様に、第２振動測定部２Ｃによって、加振部１による測定対象４への加振点Ｏ１での加振を検出する。しかし、本実施形態の第２の振動測定部２Ｃは、第１の振動測定部２Ａと同様にガルバノスキャナー２４２０を有する。第２振動測定部２Ｃのレンズ４３１のレンズ中心は加振部１のスピーカー８００により加振される中心（スピーカー８００の出力中心Ｏ１）とは異なる位置に配置される。なお、図１７において、第２振動測定部２Ｃを構成する部材において、第１振動測定部２Ａを構成する部材と同じ部材には、第１振動測定部２Ａの部材の符号の前に２を付してその説明を省略する。また、図１８に示す部材において、図１４に示す部材と同じ部材には同じ符号を付してその説明を省略する。

【0104】

図１７に示す配置において、加振ポイントを測定するため、第２振動測定部２Ｃを二次元走査型のレーザドップラ振動計とした。すなわち、基準時間測定工程及変状（例えばびひび割れ）測定工程の前に、第２振動測定部２Ｃの測定位置が、加振位置と一致するようにガルバノスキャナー２４２０のミラーを制御する工程が加わる。この測定動作によって、加振部１によってコンクリートが加振された瞬間を、第２振動測定部２Ｃが検知し、タイマ８３０の測定開始信号を出力する。以降の工程はすでに説明済みであるため省略する。

【0105】

図１８において、第２振動測定部２Ｃは、第１振動測定部２Ａと同様に、ガルバノスキャナー２４２０のミラーを所定の座標位置に移動させる信号がＣＰＵ５１１から入力される。

【0106】

図１６に示す構造物変状検出装置による検出動作の流れを図１９に示すフローチャートに基づいて説明する。

【0107】

Ａｃｔ３１において、第２振動測定部２Ｃのガルバノスキャナー２４２０のミラーを加振部３により加振される測定対象物４の加振位置に移動させ、Ａｃｔ３２に進む。

【0108】

Ａｃｔ３２において、加振部１は健全なコンクリートに対して加振し、第１振動測定部２Ａにより基準伝搬時間Ｔの基準時間を測定し、Ａｃｔ３３に進む。健全なコンクリートは測定対象物４に存在するものとする。このため、第２振動測定部２Ｃは、ガルバノスキャナー２４２０のミラーを健全なコンクリートに向けてレーザビームを照射する。この場合、基準伝搬時間測定のためのレーザビームの照射位置と加振点との距離は予め求められている。これにより基準伝搬時間Ｔが求まる。

【0109】

Ａｃｔ３３において、測定した基準伝搬時間Ｔをメモリ８４０に記録し、Ａｃｔ３４に進む。

【0110】

Ａｃｔ３４において、第２振動測定部２Ｃの測定位置を加振部１で加振する加振位置に移動し、Ａｃｔ３５に進む。

【0111】

Ａｃｔ３５において、第１振動測定部２Ａのガルバノスキャナー４２０を駆動し、照射位置を測定位置（振動検出位置）に移動し、Ａｃｔ３６に進む。

【0112】

Ａｃｔ３６において、測定位置（振動検出位置）での振動伝搬時間ｔを測定し、Ａｃｔ３７に進む。

【0113】

Ａｃｔ３７において、振動伝搬時間ｔをメモリ８４０に記録し、Ａｃｔ３８に進む。

【0114】

Ａｃｔ３８において、振動伝達時間ｔと基準伝達時間Ｔとの大小を比較する。Ａｃｔ３８において、振動伝達時間ｔが伝達時間Ｔを超えている場合、図４に示すような状態が存在すると推測できるため、Ａｃｔ３９に進んで変状ありと判定し、次の測定位置での測定を実行する。また、振動伝達時間ｔが伝達時間Ｔ未満の場合には、Ａｃｔ４０に進んで変状なしと判定し、次の測定位置での測定を実行する。

【0115】

本実施形態によれば、第２振動測定部２Ｃと加振部１との動作により、基準となる振動の伝搬時間Ｔを測定することができる。このため、測定対象物４の中で健全なコンクリート部分を用いて基準となる振動伝搬時間Ｔを測定することができる。

【0116】

第１実施形態〜第３実施形態において、第１振動測定部２Ａ、第２振動測定部２Ｃは、ガルバノスキャナー４２０（２４２０）を有する。このガルバノスキャナー４２０（２４２０）は、ミラーを直交するｘ軸回りと、ｙ軸回りに回転することにより、測定対象物４の任意の位置にレーザビームを照射することができる。

【0117】

また、上記した各実施形態は、筐体３内に加振部１と振動測定部２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃを配置している。筐体３は、箱形状、フレーム形状等が例示できる。

【0118】

すなわち、振動測定装置は、以下の特徴を有する。
（１）：半導体レーザから測定対象物に向けてレーザビームを照射し、前記半導体レーザ内でオリジナル光と反射したレーザビームとで生じる干渉をフォトダイオードで検出するレーザ部と、前記レーザ部からのレーザビームを前記測定対象物に向けて照射させ、前記測定対象物で反射したレーザビームを前記半導体レーザに入射させる反射ミラーと、前記半導体レーザから出射されるレーザビームを前記測定対象物の任意の位置に照射させるべく前記反射ミラーの向きを制御する駆動部とを有する。
（２）：（１）の振動測定装置において、前記フォトダイオードが干渉を検出すると、前記測定対象物に発生した振動を検出したと判定する判定部を有する。

【0119】

本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他の様々な形で実施できる。そのため、前述の実施の形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する全ての変形、様々な改良、代替および改質は、すべて本発明の範囲内のものである。

【符号の説明】

【0120】

１０ 構造物変状検出装置
１ 加振部
８００ パラメトリックスピーカー
２ 振動測定部
２Ａ 第１振動測定部 ２Ｂ、２Ｃ 第２振動測定部
３ 筐体
４ 測定対象物
４０１ レーザ部
４０２ 半導体レーザ
４０３ フォトダイオード
４２０ ガルバノスキャナー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】