特許 7291325 電磁波レーダを用いたコンクリート構造物の入隅部における非破壊探査方法及び装置

(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】

(24)【登録日】2023-06-07

(45)【発行日】2023-06-15

(54)【発明の名称】電磁波レーダを用いたコンクリート構造物の入隅部における非破壊探査方法及び装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 22/02 20060101AFI20230608BHJP

   G01N 22/00 20060101ALI20230608BHJP

   G01S 13/88 20060101ALI20230608BHJP

   G01V 3/12 20060101ALI20230608BHJP

【ＦＩ】

G01N22/02 Z

G01N22/00 Y

G01S13/88

G01V3/12 B

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2019017360

(22)【出願日】2019-02-01

(65)【公開番号】P2020125932

(43)【公開日】2020-08-20

【審査請求日】2021-12-17

(73)【特許権者】

【識別番号】504258527

【氏名又は名称】国立大学法人 鹿児島大学

(73)【特許権者】

【識別番号】594007995

【氏名又は名称】株式会社ランドアート

(74)【代理人】

【識別番号】100133271

【弁理士】

【氏名又は名称】東 和博

(72)【発明者】

【氏名】藤枝 繁

【審査官】田中 洋介

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－１５６２４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１８８５４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０５８１４７３１（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０７１９８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１４５３７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】藤枝繁，コンパクト高周波電磁波レーダを用いたコンクリート内部3D可視化技術 ストラクチャスキャンSIR‐EZ XT，検査技術，2018年，Vol.23 No.9，pp.53-56

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２２／００－２２／０４

Ｇ０１Ｓ １３／００－１３／９５

Ｇ０１Ｖ ３／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電磁波レーダを用いたコンクリート構造物の壁面とこれに直角なコンクリート表面との間の入隅部における非破壊探査方法において、
電磁波レーダ装置からの電磁波をコンクリート構造物に輻射してコンクリート構造物の壁面とこれに直角なコンクリート表面との間の入隅部に位置する埋設物の鉄筋または空隙部の耐震スリットを探査するにあたり、
コンクリート構造物の前記入隅部に、６～９の比誘電率をもち、当該入隅部に向けて登りとなる斜面を有し、縦断面視して、斜面の起点側となる鋭角状の前端部と、斜面の終点側となる鋭角状の頂部と、入隅部の角部に配置される直角部とからなる直角三角形のくさび形形状をなし、内部に反射物を有しない、御影石からなるくさび形電磁波伝搬物質体を、前記頂部および直角部が前記コンクリート構造物の壁面に当接するように配置し、当該くさび形電磁波伝搬物質体の斜面に沿って電磁波レーダ装置を、前記入隅部に位置する埋設物の鉄筋または空隙部の耐震スリットの向きと直交する向きに走行させることにより、電磁波伝搬軸がコンクリート構造物の表面に対し斜めになるように電磁波をコンクリート構造物に輻射してコンクリート構造物の壁面とこれに直角なコンクリート表面との間の入隅部に位置する埋設物の鉄筋または空隙部の耐震スリットを探査することを特徴とする、
電磁波レーダを用いたコンクリート構造物の入隅部における非破壊探査方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電磁波レーダを用いたコンクリート構造物の非披壊探査方法法及び装置に関し、なかでもコンクリート構造物の入隅部における非破壊探査方法と装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

コンクリート構造物の入隅部を探査する場合、アンテナ部前面とアンテナ部中央（送信アンテナと受信アンテナの中央）の電波伝搬軸の距離が短い小型の電磁波レーダ装置が用いられる。

【0003】

従来より、電磁波レーダ装置を用いてコンクリート構造物の内部を探査する方法として、鉄筋コンクリート構造物の内部に発生するひび割れを検出する方法（特許文献１）、鉄筋コンクリート構造物の内部の鉄筋の腐食部を測定する方法（特許文献２）、コンクリート構造物のクラックや空洞を検出する方法（特許文献３）などが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１８－１５５５５１号公報

【文献】特開２００９－２４４０７６号公報

【文献】特開２００８－３９４２９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、従来の方法は、図７および図８に示すように、小型の電磁波レーダ装置１０のアンテナ部前面とアンテナ部中央の電波伝搬軸との間に距離があるため、コンクリート構造物１の入隅部２に探査が困難な測定死角Ｗが生じており、入隅部２に配置される耐震スリット（空隙部）３や鉄筋（埋設物）４を探知することが難しかった。

【0006】

本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、これまで死角となっていたコンクリート構造物の入隅部に配置される埋設物または空隙部を非破壊で探査可能とする、電磁波レーダを用いたコンクリート構造物の入隅部における非破壊探査方法と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】

上記課題を解決するために、本発明に係る電磁波レーダを用いたコンクリート構造物の入隅部における非破壊探査方法は、
電磁波レーダを用いたコンクリート構造物の壁面とこれに直角なコンクリート表面との間の入隅部における非破壊探査方法において、
電磁波レーダ装置からの電磁波をコンクリート構造物に輻射してコンクリート構造物の壁面とこれに直角なコンクリート表面との間の入隅部に位置する埋設物の鉄筋または空隙部の耐震スリットを探査するにあたり、
コンクリート構造物の前記入隅部に、６～９の比誘電率をもち、当該入隅部に向けて登りとなる斜面を有し、縦断面視して、斜面の起点側となる鋭角状の前端部と、斜面の終点側となる鋭角状の頂部と、入隅部の角部に配置される直角部とからなる直角三角形のくさび形形状をなし、内部に反射物を有しない、御影石からなるくさび形電磁波伝搬物質体を、前記頂部および直角部が前記コンクリート構造物の壁面に当接するように配置し、当該くさび形電磁波伝搬物質体の斜面に沿って電磁波レーダ装置を、前記入隅部に位置する埋設物の鉄筋または空隙部の耐震スリットの向きと直交する向きに走行させることにより、電磁波伝搬軸がコンクリート構造物の表面に対し斜めになるように電磁波をコンクリート構造物に輻射してコンクリート構造物の壁面とこれに直角なコンクリート表面との間の入隅部に位置する埋設物の鉄筋または空隙部の耐震スリットを探査することを主要な特徴とする。

【0013】

御影石は、比誘電率がコンクリートに近く安定しており、内部に金属を有せず、強固である。コンクリートでくさび形電磁波伝搬物質体を作製した場合は、御影石に比べて強度が弱く、鉄筋を配置しなければならず、不要な反射や鉄筋による測定死角が発生し、コンクリート構造物内の埋設物や空隙部の判別が難しくなる。

【0014】

くさび形電磁波伝搬物質体をコンクリートで作製した場合、含水率により比誘電率にばらつきが生じやすく、比誘電率の補正が煩雑になる。木材で作製したくさび形電磁波伝搬物質体は、比誘電率がコンクリート構造物と大きく異なるため、両者の境界面での反射が大きく電磁波が減衰し、波形がひずむ。

【0015】

６～９の比誘電率をもつ硬質な物質としては、マイカを主要構成部材とするセラミック部材が該当する。くさび形電磁波伝搬物質体の比誘電率は６～８であることが望ましい。

【発明の効果】

【0016】

本発明は、コンクリートとほぼ同じ６～９の比誘電率をもち、内部に鉄筋等の反射物がない、くさび形電磁波伝搬物質体をコンクリート構造物の入隅部に置き、その斜面に鉛って電磁波レーダ装置を走行し、コンクリート構造物の表面に対して斜めに電磁波を幅射することで、送信アンテナおよび受信アンテナの中央位置からアンテナ幅射面に対して直角方向に延びる電磁波伝搬軸を入隅部内に到達させることが可能となり、従来の方法に比べて、入隅部の測定死角を解消することができるという効果を奏する。

【0017】

また、本発明によれば、コンクリート構造物の入隅部における埋設物や空隙部の有無、それらの深度および位置を確実に探査し、探査範囲および探査精度を向上させ、それらの作業効率を向上させることができるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】電磁波レーダを用いた本発明の非破壊探査装置を用いてコンクリート構造物の入隅部の耐震スリットを探査する方法を示す図、

【図2】図１の探査方法により得られた反射波形を示す図、

【図3】本発明の非破壊探査装置を用いてコンクリート構造物の入隅部の鉄筋を探査する方法を示す図、

【図4】くさび形電磁波伝搬物質体の比誘電率を求めるための説明図、

【図5】コンクリート構造物の比誘電率を求めるための説明図、

【図6】くさび形電磁波伝搬物質体を用いてコンクリート構造物内の埋設物の深度および位置を求めるための説明図、

【図7】電磁波レーダを用いた従来方法によるコンクリート構造物の入隅部の耐震スリットに対する測定死角を示す説明図、

【図8】電磁波レーダを用いた従来方法によるコンクリート構造物の入隅部の鉄筋に対する測定死角を示す説明図である。

【発明を実施するための最良の形態】

【0019】

本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。図１および図２は本発明に係る第１の実施形態を示すもので、これらの図において、符号Ｓは非破壊探査装置（以下、探査装置という）、符号１はコンクリート構造物を示している。

【0020】

図１は、同探査装置Ｓを用いてコンクリート構造物１の入隅部２にある耐震スリット（空隙部）３の有無を確認する方法の一例を示しており、同図に示すように、探査装置Ｓは、電磁波レーダ装置１０と、くさび形電磁波伝搬物質体２０と、本体制御部３０を備えている。

【0021】

電磁波レーダ装置１０は、送信アンテナ１１および受信アンテナ１２と、車輪１３を備えている。送信アンテナ１１はコンクリート構造物１に対し電磁波を輻射し、受信アンテナ１２はコンクリート構造物１の埋設物や空隙部からの反射波を受信する。車輪１３には起点からの移動距離を測定する距離計（エンコーダ）が組み込まれている。また、送受信アンテナ１１、１２の中心軸、すなわち、電磁波伝搬軸１４は、アンテナ輻射面１５に対し直角方向に延びるとともに、アンテナ部前面１６とアンテナ部後面１７間の中央に位置している。

【0022】

くさび形電磁波伝搬物質体２０は、コンクリート構造物１の入隅部２に配置されるもので、入隅部２に向けて登りとなる斜面２１を有し、図示例の場合、縦断面視して、斜面２１の起点側となる鋭角状の前端部２２と、斜面２１の終点側となる鈍角状の頂部２３と、入隅部２の角部に配置される直角部２４とからなる直角三角形のくさび形形状をしている。

【0023】

斜面２１の傾斜角αは、電磁波レーダ装置１０のアンテナ部前面１６が頂部２３と接する位置で、電磁波伝搬軸１４がくさび形電磁波伝搬物質体２０の直角部２４を通ることになる角度を基準とし、適切な走査距離Ｌを考慮して決定される。

【0024】

上記くさび形電磁波伝搬物質体２０は、コンクリートに近い６～８の比誘電率をもち、内部に鉄筋等の反射物を有しない構造となっている。このため、本実施形態ではくさび形電磁波伝搬物質体２０として御影石が採用されている。

【0025】

本体制御部３０は、ケーブル３１を介して電磁波レーダ装置１０と接続されており、電磁波レーダ装置１０の送信アンテナ１１および受信アンテナ１２を制御し、また、電磁波レーダ装置１０からのデータ（反射波、測定距離）に基づき、測定結果をディスプレイ部３２に表示する。

【0026】

上記構造の探査装置Ｓを用いてコンクリート構造物１の入隅部２にある耐震スリット（空隙部）３の有無を確認する場合、まず、くさび形電磁波伝搬物質体２０をコンクリート構造物１の入隅部２に配置する。具体的には、頂部２３および直角部２４がコンクリート構造物１の壁面５に当接するようにくさび形電磁波伝搬物質体２０を入隅部２に配置する。

【0027】

次に、くさび形電磁波伝搬物質体２０の斜面２１上の起点ＳＰに電磁波レーダ装置１０を配置し、当該レーダ装置１０のアンテナ部前面１６が壁面５に当接するまで斜面２１上を移動しながら走査する。

【0028】

電磁波レーダ装置１０が斜面２１上を走査する間、送信アンテナ１１から電磁波が電磁波伝搬物質体２０を通じてコンクリート表面６に輻射されるが、電磁波伝搬軸１４が耐震スリット３に至ると、送信アンテナ１１から輻射される電磁波が耐震スリット３（の空気層と）の境界面により反射し、反射波を受信アンテナ１２が受信し、反射波データを本体制御部３０に送信する。

【0029】

本体制御部３０には、電磁波レーダ装置１０の車輪１３に組み込まれた距離計から得られる走査距離データも送信され、ディスプレイ部３２に、横軸を走査距離とする反射波形が表示される。図２に反射波形の図を示す。ディスプレイ部３２上に耐震スリット３の境界面で反射される反射波が表示されるので、入隅部２における耐震スリット３の有無を確認することができる。

【0030】

本実施形態の探査装置Ｓを用いた探査方法によると、くさび形電磁波伝搬物質体２０の斜面２１に沿って、電磁波レーダ装置１０を走査することにより、コンクリート構造物１の表面に対し斜めに電磁波が幅射され、送受信アンテナ１１、１２の中央位置からアンテナ轄射面１５に対して直角方向に伸びる電磁波伝搬軸１４を入隅部２内部に到達させることができ、従来方法による測定死角Ｗを解消する。

【0031】

図３は本発明に係る第２の実施形態を示すもので、コンクリート構造物１の入隅部２に配置される鉄筋（埋設物）４を探査する例である。

【0032】

図３に示すように、くさび形電磁波伝搬物質体２０の斜面２１上の起点ＳＰ（図１参照）に電磁波レーダ装置１０を配置し、斜面２１上を移動しながら走査すると、図８に示すように従来方法では入隅部２の測定死角Ｗにあった鉄筋４Ａが走査範囲、すなわち測定範囲内に入るので、これまで未確認であった鉄筋４Ａを確認することができる。

【0033】

同様に、図３の点線に示すように、くさび形電磁波伝搬物質体２０の頂部２５を下にして入隅部２に配置し、くさび形電磁波伝搬物質体２０の斜面２１上の起点から電磁波レーダ装置１０を斜面２１に沿って下向きに走査すると、図８に示すように従来方法では入隅部２の測定死角Ｗにあった壁面５内部の鉄筋４Ｂが走査範囲内に入るので、これまで未確認であった鉄筋４Ｂを確認することができる。

【0034】

これにより、探査装置Ｓを用いることにより、コンクリート構造物１の入隅部２における床内部の鉄筋４および壁体内部の鉄筋４に対し、図８に示す従来の測定死角Ｗを、最小限の測定死角Ｗ１に大幅に削減することができる。

【0035】

図４ないし図６は、くさび形電磁波伝搬物質体２０を用いて、コンクリート構造物１の埋設物の位置および深度を測定する原理と方法を示している。

【0036】

電磁波レーダ装置１０は、電磁波の送信から、反射物質からの反射波の受信までの往復電磁波伝搬時間Ｔを測定する機器である。（１）式に示す通り、往復電磁波伝搬時間Ｔと伝搬物質によって決まる電磁波の速度ｃ／√εの積によって決まり，それを片道にすること（１／２）により，埋設物の深度Ｄを求めることができる。
Ｄ = (１／２)・（ｃ／√ε）・Ｔ （１）

【0037】

ここで、c = 3×10⁸m/secであり、また、ε（比誘電率）は伝搬物質によって異なる係数である（空気１，プラスチック２～３，御影石６，コンクリート６～８，水８１）。そのため、埋設物の深度Ｄを求めるためには、くさび形電磁波伝搬物質体の比誘電率εを事前に求める必要がある。

【0038】

図４を参照して、くさび形電磁波伝搬物質体２０の比誘電率は次のようにして求める。電磁波レーダ装置１０を用いて、位置Ｐ₁，Ｐ₂における電磁波の送信から、くさび形電磁波伝搬物質体２０の底面からの反射波の受信までの電磁波伝搬時間ｔ₁，ｔ₂を測定する。得られた電磁波伝搬時間ｔ₁，ｔ₂から位置Ｐ₁とＰ₂の相対深度ｄ₂－ｄ₁を求める。
ｄ₂－ｄ₁ ＝（１／２）・（c／√ε_a）・（ｔ₂－ｔ₁） （２）

【0039】

なお、相対深度ｄ₂－ｄ₁の真値は、電磁波伝搬物質の角度αと位置Ｐ₁，Ｐ₂間の距離l_aより求めることができる。
ｄ₂－ｄ₁ ＝l_a・tanα （３）
（２）（３）式を用いて、以下の（４）式により、くさび形伝搬物質体２０の比誘電率ε_aを求めることができる。

【0040】

図５を参照して、走査対象となるコンクリート構造物１のコンクリートの比誘電率は次のようにして求める。電磁波レーダ装置１０を用いて、鉄筋の直上の位置Ｐ₃とそこからl_bの距離にある位置Ｐ₄における電磁波の各送信から、鉄筋からの反射波の各受信までの電磁波伝搬時間ｔ₃，ｔ₄を測定する。得られた電磁波伝搬時間ｔ₃，ｔ₄から深度d₃，d₄を求める。
d₃ ＝ （１／２）・（ｃ／√ε_b）・（t₃） （５）
d₄ ＝ （１／２）・（ｃ／√ε_b）・（t₄） （６）

【0041】

なお、深度d_３の真値は、位置Ｐ₃，Ｐ₄間の距離l_bと、位置Ｐ₄における深度d₄より求めることができる。
（d₃）² ＝（d₄）² -（l_b）² （７）
（５）（６）（７）式を用いて、以下の（８）式により、コンクリートの比誘電率ε_bを求めることができる。

【0042】

図６を参照して、くさび形伝搬物質体２０を介したコンクリート内部の鉄筋４の位置と深度は次にようにして求める。まず、電磁波レーダ装置１０を用いて、起点から鉄筋の直上の位置Ｐ₅までの距離ｌを求め、あわせて鉄筋４の直上の位置Ｐ₅における電磁波の、二つの物質を通過した送信から、鉄筋からの反射波の受信までの電磁波伝搬時間t₅ を測定する。起点から鉄筋の直上の位置P₅までの距離ｌと電磁波伝搬物質体２０の傾斜角αより，深度d_5aを求める。
d_5a ＝ｌ・tanα （９）

【0043】

次に（４）より求めたくさび形電磁波伝搬物質体２０の比誘電率ε_aを使って電磁波伝搬時間ｔ_5aを求める。
t_5a ＝（２√ε_a／c）・d_5a （１０）
コンクリート中の伝搬時間ｔ_5b は、
ｔ_5b =ｔ₅ - ｔ_5a （１１）
であることから、コンクリート中の深度d_5b は、

となり、深度d₅ は、（９）（１２）より
d₅ = d_5a + d_5b (１３)
で求めることができる。

【0044】

以上の原理および手順により、入隅部２に配置されたくさび形電磁波伝搬物質体２０の斜面２１に沿って起点から電磁波レーダ装置１０で走査し、得られた鉄筋４からの反射波、電磁波伝播時間、傾斜角α、くさび形電磁波伝搬物質体２０およびコンクリート構造物１の比誘電率から、鉄筋４の位置と深度を求めることができる。

【0045】

以上説明したように、本発明の電磁波レーダ装置を用いた非破壊探査方法によると、コンクリートとほぼ同じ６～８の比誘電率をもち、内部に鉄筋等の反射物がない、くさび形電磁波伝搬物質体２０をコンクリート構造物１の入隅部２に配置し、その斜面２１に沿って電磁波レーダ装置１０を走査することで、電磁波伝搬軸１４を入隅部２内に到達させることができ、従来の方法に比べて、図７および図８に示すような入隅部２の測定死角Ｗを解消するか、小さくすることができる。

【0046】

これにより、コンクリート構造物１の入隅部２における埋設物や空隙部の有無、それらの深度および位置を確実に探査し、探査範囲および探査精度を向上させ、それらの作業効率を向上させることができる。

【0047】

本実施形態では、コンクリート構造物１の入隅部２における探査方法について説明したが、これに限らず、電磁波レーダ装置１０の電磁波伝搬軸１４を入射できない測定死角のある部位に対し、上記くさび形電磁波伝搬物質体２０を用いることで、測定死角を解消または減少させることができる。

【0048】

かくして、本発明によると、コンクリート構造物の入隅部における探査作業を確実にかつ効率的に行うことができるようになった。

【産業上の利用可能性】

【0049】

本発明は、コンクリート構造物の入隅部における探査方法および探査装置として利用可能である。

【符号の説明】

【0050】

１ コンクリート構造物
２ 入隅部
３ 耐震スリット（空隙部）
４，４Ａ，４Ｂ 鉄筋（埋設物）
５ 壁面
６ コンクリート表面
１０ 電磁波レーダ装置
１１ 送信アンテナ
１２ 受信アンテナ
１３ 車輪
１４ 電磁波伝搬軸
１５ アンテナ輻射面
１６ アンテナ部前面
１７ アンテナ部後面
２０ くさび形電磁波伝搬物質体
２１ 斜面
２２ 前端部
２３ 頂部
２４ 直角部
３０ 本体制御部
３１ ケーブル
３２ ディスプレイ部
Ｓ 探査装置
ＳＰ 起点
Ｌ 走査距離
Ｗ，Ｗ１ 測定死角
α 傾斜角

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】