JP2022138825A - 塗布装置及び塗布方法 - Google Patents

Abstract

【課題】要塗布面が不整面であっても、膜剤を均一に塗布可能な方法を提供する。【解決手段】要塗布面２の各面部分２ａの向き及び位置を含む塗布面情報を塗布面検知手段５９によって非接触で検知する。支持手段１３によって移動可能に支持されたノズル７４の向き及び位置を含むノズル情報をノズル情報取得手段４９によって取得する。ノズル情報及び塗布面情報に基づいて、面部分２ａに対するノズル７４の向き及び位置が最適化されるように、制御手段１９によって支持手段１３を制御しながら、ノズル７４から膜剤３ａを所定流量で吐出させ、要塗布面２に膜剤３ａを塗布する。【選択図】図１

Description

本発明は、要塗布面に膜剤を塗布する装置及び方法に関し、特にトンネルや屋外廃棄物処分場の掘削面などの不整面に均一な膜厚の防水塗膜を形成するのに適した塗布装置及び塗布方法に関する。

地山を掘削して構築されるトンネルや屋外廃棄物処分場は、地下水などの流入や汚水の流出を防ぐための防水工が必要である。特許文献１には、地山掘削面にポリウレアやポリウレタンなどの防水性の膜剤を塗布して、防水層を形成することが提案されている。

特開２０２０－１８０４８９号公報

一方、この種の地山掘削面は凸凹な不整面であるため、膜厚を均一にするのが容易でなく、作業者の熟練度によるばらつきが出やすい。
本発明は、かかる事情に鑑み、要塗布面が不整面であっても、膜剤を均一に塗布可能な装置及び方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明装置は、要塗布面に膜剤を塗布する装置であって、
前記要塗布面の各面部分の向き及び位置を含む塗布面情報を非接触で検知する塗布面検知手段と、
前記膜剤を吐出するノズルと、
前記ノズルを移動可能に支持する支持手段と、
前記ノズルの向き及び位置を含むノズル情報を取得するノズル情報取得手段と、
前記ノズル情報及び前記塗布面情報に基づいて、前記面部分に対する前記ノズルの向き及び位置が最適化されるように前記支持手段を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする。

前記塗布面検知手段としては、光波、電磁波、超音波等を要塗布面へ放射してその反射波から要塗布面の各面部分との距離や面部分の向きを解析するものでもよく、赤外線カメラ等のカメラで要塗布面を撮影して画像解析するものでもよい。
前記ノズル情報取得手段は、前記支持手段における前記ノズルに連なる可動アーム又は前記ノズルに設けられた１又は複数のマーカと、前記マーカの位置を光学的に観測するカメラ等のマーカ観測手段とを含み、観測されたマーカの位置情報に基づいて、観測時における前記ノズル情報を求めることが好ましい。これによって、モーションキャプチャー方式によってノズルの向き及び位置の情報をリアルタイムで取得できる。
前記ノズル情報取得手段は、前記支持手段における前記ノズルに連なる可動アーム又は前記ノズルに設けられた加速度センサ、ジャイロセンサ、エンコーダなどの位置センサや角度センサを含んでいてもよい。

前記制御手段は、前記ノズルが前記面部分と直交する方向へ向くように、かつ前記ノズルから前記面部分までの距離が所定になるように、前記支持手段を制御することが好ましい。

本発明方法は、要塗布面に膜剤を塗布する方法であって、
前記要塗布面の各面部分の向き及び位置を含む塗布面情報を非接触で検知する工程と、
支持手段によって移動可能に支持されたノズルの向き及び位置を含むノズル情報を取得する工程と、
前記ノズル情報及び前記塗布面情報に基づいて、前記面部分に対する前記ノズルの向き及び位置が最適化されるように前記支持手段を制御する工程と、
前記ノズルから前記膜剤を所定流量で吐出させる工程と
を備えたことを特徴とする。
前記塗布面情報を先行して検知して記憶手段に記憶しておき、その後、ノズルによって塗布を行ない、その塗布の際に、前記記憶させておいた塗布面情報を用いて前記制御を行なってよい。
或いは、ノズルによる塗布と併行して、前記塗布面情報の検知を行うことで、ノズルの向き及び位置をリアルタイムで修正してもよい。

前記ノズルが前記面部分と直交する方向へ向くように、かつ前記ノズルから前記面部分までの距離が所定になるように、前記制御を行うことが好ましい。

本発明によれば、要塗布面が不整面であっても、膜剤を要塗布面に均一に塗布でき、均一な膜厚の塗膜を形成できる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る塗布装置によって防水施工されるトンネル（要防水構造物）の正面断面図である。 図２は、図１の円部ＩＩを拡大して示す、稼働中の前記塗布装置の解説正面図である。 図３は、前記塗布装置の第２アーム部及びノズルと要塗布面部分との関係を説明するための斜視図である。 図４は、前記ノズルの向き等の修正の様子を加えた、図１のＩＶ－ＩＶ線に沿う、トンネルの側面断面図である。 図５は、本発明の第２実施形態に係る塗布装置によるトンネル（要防水構造物）の塗布面情報の検知工程を示す解説正面図である。 図６は、前記第２実施形態に係る塗布装置による塗布工程を示す解説正面図である。

以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。
図１に示すように、本実施形態の要防水構造物は、例えば防水型（非排水型）のＮＡＴＭトンネルである。該トンネル１の全周にわたって防水施工がなされる。なお、トンネルが排水型であってもよく、該排水型トンネルの上半アーチ部だけを防水施工することとしてもよい。

＜第１実施形態＞
トンネル１内には、本発明の第１実施形態に係る塗布装置１０が設置されている。塗布装置１０は、装置本体１１と、軌道１８と、ノズル７４を備えている。装置本体１１と軌道１８によって、ノズル７４を移動可能に支持する支持手段１３が構成されている。

トンネル１の内周に沿って環状の軌道１８が設置されている。好ましくは、軌道は、トンネル１の軸方向（図１において紙面と直交する方向）へ移動可能である。軌道１８に装置本体１１が搭載されている。装置本体１１は、軌道１８上を案内されることによって、トンネル１の周方向に移動される。

図２に示すように、塗布装置１０によって、トンネル１の地山掘削面２（要塗布面）に膜剤３ａが塗布される。塗布された膜剤３ａが、地山掘削面２上で硬化又は膜化されることによって、防水層３となる。これによって、防水施工がなされる。地山掘削面２に直接、膜剤３ａを塗布してもよく、地山掘削面２に吹付コンクリートなどの下地層（図示省略）を被せて、ある程度、整面化したうえで、その下地層上に膜剤３ａを塗布してもよい。

膜剤３ａは、少なくとも塗布時には流動性を有し、その後の硬化又は膜化によって防水性が発現される樹脂である。好ましくは、膜剤３ａとして、ポリウレア、ポリウレタン、ポリウレタンポリウレアハイブリッド樹脂、エポキシ樹脂、エポキシポリウレタン樹脂などが挙げられる。

塗布装置１０の装置本体１１は、ボディ１２と、可動アーム２０を備えている。ボディ１２が、軌道１８に案内可能に支持されている。

ボディ１２から可動アーム２０が延びている。可動アーム２０は、ボディ１２に対して変位可能である。詳しくは、可動アーム２０は、第１アーム部２１と、第２アーム部２２を有している。ボディ１２から第１アーム部２１が延び出ている。第１アーム部２１は、ボディ１２に対して固定（移動不能）でもよく、ボディ１２に対して可動でもよい。可動の場合の第１アーム部２１は、ボディ１２に対し、例えば縦（上下）及び横（図２の紙面直交方向）にスライド可能でもよく、ボディ１２に対して縦横に振ったり捩じったりするように回転可能でもよい。

第１アーム部２１の先端から第２アーム部２２が延びている。これらアーム部２１，２２の間には、関節２３が設けられている。関節２３によって、第２アーム部２２が、第１アーム部２１に対して縦横に振るように回転可能に連結されている。さらに、第２アーム部２２は伸縮可能である。図２において第２アーム部２２の伸縮構造は、テレスコピック式であるが、これに限らず、蛇腹式などであってもよい。
第１アーム部２１についても伸縮可能になっていてもよい。

装置本体１１には、アーム部２１，２２のうち少なくとも第２アーム部２２の回転動作及び伸縮動作を行うためのモータ、シリンダ、ギア等を含むアーム駆動機構２６が設けられている。図２において、アーム駆動機構２６は、ボディ１２に設けられているが、第１アーム部２１に設けられていてもよい。

第２アーム部２２に代えて、第１アーム部２１が伸縮可能であってもよい。第１及び第２アーム部２１，２２が共に伸縮可能であってもよい。
可動アーム２０のアーム部の数は、２つに限らない。可動アーム２０が、単一のアーム部２１，２２によって構成されていてもよい。可動アーム２０が、関節を介して連なる３つ以上のアーム部を含んでいてもよい。

図２に示すように、第２アーム部２２の先端部にノズル７４が設けられている。ノズル７４は、第２アーム部２２の軸方向に沿って一直線に延びている。ノズル７４は、先端に向かって先細になっている。
ノズル７４は、膜剤供給系７０の末端要素を構成している。膜剤供給系７０は、膜剤タンク７１と、これに連なる供給ポンプ７２を含む。図２において、膜剤タンク７１は、ボディ１２の外部に設けられているが、ボディ１２内に収容されていてもよい。また、図２において、供給ポンプ７２は、ボディ１２内に収容されているが、ボディ１２の外部に設けられていてもよい。供給ポンプ７２から供給管７３が延びている。供給管７３は、可動アーム２０に沿って可動アーム２０の外側に配管されていてもよく、可動アーム２０の内部に通されていてもよい。供給管７３の先端がノズル７４に連なっている。

図２に示すように、塗布装置１０には、ノズル７４の向き及び位置を含むノズル情報を取得するノズル情報取得手段４９と、要塗布面２の各面部分２ａの向き及び位置を含む塗布面情報を非接触で検知する塗布面検知手段５９とが設けられている。ノズル情報取得手段４９は、複数のマーカ３１，３２と、マーカ観測手段４０とを含む。

マーカ３１，３２は、可動アーム２０の互いに離間した複数箇所にそれぞれ設けられている。第１のマーカ３１は、例えば関節２３すなわち第１アーム部２１と第２アーム部２２の連結部に設けられている。第２のマーカ３２は、第２アーム部２２の先端に設けられている。マーカ３１，３２は、入射光を拡散させることなく入射方向へ反射させる反射材によって構成されている。
なお、マーカ３１，３２の配置位置及び数は必ずしも前記に限られない。マーカ３１，３２は、可動アーム２０における少なくとも第２アーム部２１の延び方向に互いに離間して配置されていればよい。マーカ３２がノズル７４に設けられていてもよい。

マーカ観測手段４０は、モーションキャプチャーの原理によって、マーカ３１，３２の位置を光学的にリアルタイムで観測する。具体的に、マーカ観測手段４０は、ボディ１２（モーションキャプチャーにおける固定系）に互いに離れて設置された複数（図２では１つだけ図示）の赤外線カメラ４１と、各カメラ４１に設けられた赤外線発光部４２を含む。赤外線発光部４２からの赤外線が、マーカ３１，３２に当たってカメラ４１へ反射され、カメラ４１によってマーカ３１，３２の赤外線画像が取得される。複数箇所のカメラ４１によるマーカ３１，３２の画像から三次元座標上の各マーカ３１，３２の空間位置情報が得られる。さらには、これらマーカ３１，３２の空間位置情報からノズル７４の向き及び位置を含むノズル情報が得られる。

図３に示すように、可動アーム２０の第２アーム部２２又はノズル７４には、塗布面検知手段５９を構成するレーザ距離計ユニット５０が設けられている。レーザ距離計ユニット５０は、複数（好ましくは３つ～４つ）のレーザ距離計５１，５４を含む。各レーザ距離計５１，５４は、レーザ５５を一方向へ照射して反射光を受光することによって、照射点５６との距離を光学的に検知する。レーザ５５は、赤外線などの不可視光レーザでもよく、可視光レーザでもよい。

レーザ距離計５１，５４の照射方向は、第２アーム部２２及びノズル７４の延長方向に概略沿っている。詳しくは、３つのレーザ距離計５１は、ノズル７４の軸線Ｌ_７４と平行な方向を中心にして三方向へ向けられている。これら３つのレーザ距離計５１による測定距離及びレーザ照射角度等から、地山掘削面２（要塗布面）における３つのレーザ距離計５１の照射点を結ぶ三角形の面部分２ａの向き及び位置を含む塗布面情報が得られる。具体的には、ノズル７４の軸線Ｌ_７４に対する面部分２ａの法線の角度θ_２ａと、ノズル７４の先端から面部分２ａまでの距離Ｄ_２ａが分かる。
第４のレーザ距離計５４の照射方向（図３における破線）をノズル７４の軸線Ｌ_７４と平行に向け、該第４のレーザ距離計５４による測定距離から距離Ｄ_２ａを導出することにしてもよい。

なお、図４に示すように、実際の面部分２ａは凸凹である場合が多いが、塗布装置１０の処理としては、簡便化のために、仮想的ないしは近似的に面部分２ａが平坦面２ａ’であると見做す。面部分２ａの面積を小さく設定することによって、実際の面部分２ａも平坦面２ａ’に近づく。

図２に示すように、さらに塗布装置１０は、処理部１９を備えている。詳細な図示は省略するが、処理部１９は、例えば汎用のＰＣ、マイクロコンピュータ、ＰＬＣなどのコンピュータ、インターフェース、アーム駆動機構２６及びポンプ７２用の駆動回路などを含む。処理部１９のコンピュータ機能によって、マーカ３１，３２の空間位置の算出ひいてはノズル７４の向き及び位置（ノズル情報）の算出や、ノズル７４に対する面部分２ａの向き及び位置（塗布面情報）の算出や、面部分２ａに対してノズル７４が向くべき最適な向き及び配置されるべき最適な位置（ノズル目標情報）の算出が実行される。処理部１９は、前記ノズル情報取得手段４９及び塗布面検知手段５９の要素を構成している。更に、更に、処理部１９は、前記駆動回路を介して、アーム駆動機構２６を操作することで、ノズル７４の向き及び位置を修正制御する制御手段として機能する。また、処理部１９は、ポンプ７２の制御手段としても機能する。
図２において、処理部１９は、装置本体１１内に設けられているが、これに限らず、装置本体１１の外部に設けられていてもよい。

塗布装置１０は、次のように動作することによって、地山掘削面２の防水施工を行なう。
マーカ観測手段４０のカメラ４１によって、マーカ３１，３２の位置を光学的に観測する（観測工程）。処理部１９は、そのコンピュータ機能に各カメラ４１による観測データを総合して、ボディ１２を基準とする三次元座標上のマーカ３１，３２の位置情報をリアルタイムで算出する。
続いて、処理部１９は、マーカ３１，３２の前記位置情報に基づいて、観測時におけるノズル７４の向き及び位置を含むノズル情報をリアルタイムで求める（ノズル情報取得工程）。
併行して、レーザ距離計５１によって、ノズル７４の軸線の延長方向と交差する要塗布面部分２ａの、ノズル７４に対する向きθ_２ａ及び距離Ｄ_２ａを光学的に検知する。言い換えると、要塗布面２の各面部分２ａの向き及び位置を含む塗布面情報を非接触で検知する（塗布面情報検知工程）。

さらに、処理部１９（制御手段）は、前記ノズル情報及び前記塗布面情報に基づいて、要塗布面部分２ａに対するノズル７４の向き及び位置が最適化されるように支持手段１３を制御する（制御工程）。具体的には、図３に示すように、ノズル７４の軸線Ｌ_７４が要塗布面部分２ａ（２ａ’）の法線方向Ｌ_２ａに対して傾斜していたときは、その傾斜が小さくなるように、可動アーム２０を動かす。ノズル７４の先端から要塗布面部分２ａ（２ａ’）までの距離Ｄ_２ａが前記所定距離より大きいときは、第２アーム部２２を伸長させ、距離Ｄ_２ａが前記所定距離より小さいときは、第２アーム部２２を収縮させる。要するに、制御手段１９によって、ノズル７４が面部分２ａと直交する方向へ向くように、かつノズル７４から面部分２ａまでの距離Ｄ_２ａが所定になるように、支持手段１３が制御される。

修正中も、リアルタイムで可動アーム２０の向き及び先端位置を観測するとともに、可動アーム２０の先端に対する要塗布面部分２ａ（２ａ’）の向き及び距離を検知することで、可動アーム２０ひいてはノズル７４の向き及び位置を再修正する。これによって、ノズル７４が要塗布面部分２ａに対して直交されるとともに、ノズル７４の先端から要塗布面部分２ａ（２ａ’）までの距離Ｄ_２ａが所定距離になる位置にノズル７４が配置される。

そして、ポンプ７２の操作によってノズル７４から膜剤３ａを所定流量で吐出させる（塗布工程）。これによって、地山掘削面２の要塗布面部分２ａに対して、適切な角度及び距離から膜剤３ａを塗布できる。地山掘削面２が不整面であっても、膜剤３ａを均一に塗布することができる。

さらに、ノズル７４が地山掘削面２（要塗布面）に沿って一定方向へ一定速度で移動されるように、可動アーム２０又はボディ１２を動かす。例えば、図４に示すように、トンネル１の隣接する支保工４どうし間のスパン１ｓ内において、ノズル７４をトンネル軸方向（図４において左右方向）へ移動させるとともに、面部分２ａ（２ａ’）に合わせてノズル７４の向き及び位置を修正する。また、ボディ１２を軌道１８（図１）に沿って移動させることで、塗布領域をトンネル周方向（図４において紙面直交方向）へ移行させる。１つのスパン１ｓの全周に防水膜３を施工した後は、軌道１８をトンネル軸方向（図１において紙面直交方向）へ動かし、次のスパン１ｓの防水施工を行う。
このようにして、トンネル１の地山掘削面２の全域に所定厚みの均一な防水膜３を形成することができる。

＜第２実施形態（図５～図６）＞
次に、本発明の他の実施形態を説明する。以下の実施形態において既述の形態と重複する構成に関しては図面に同一符号を付して説明を省略する。
図５に示すように、本発明の第２実施形態の塗布装置１０Ｂにおいては、レーザ距離計ユニット５０による塗布面情報検知工程が先行して行われる。検知した要塗布面２の各面部分２ａの向き及び位置を含む塗布面情報は、処理部１９の記憶部１９ｍに記憶される。好ましくは、処理部１９においては、要塗布面２が座標上でモデル化されており、各面部分２ａに対応する座標点ごとに基準軸に対する向き及び基準点に対する位置の検知情報がデータベース化されて保存される。前記基準軸及び基準点は例えば座標軸及び座標原点でもよい。面部分２ａのトンネル軸方向の位置及びトンネル周方向の位置に応じて基準軸及び基準点を設定してもよい。ノズル７４の向き及び位置を基準軸及び基準点としてもよい。

要塗布面２の全域又は所定領域について塗布面情報を取得し終えた後、図６に示すように、ノズル７４による膜剤３ａの塗布工程が行われる。該塗布工程と併行して、ノズル情報取得手段４９によるノズル情報の取得工程と、ノズル７４の向き及び位置を最適化する制御工程とが行われる。制御工程では、塗布対象となる面部分２ａについての塗布面情報が記憶部１９ｍから読み出され、該塗布面情報と、リアルタイムで取得したノズル情報とに基づいて、面部分２ａに対するノズル７４の向き及び位置が最適になるよう修正される。

本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の改変をなすことができる。
例えば、塗布面検知手段５９は、レーザ距離計５１等の光波による位置検出センサに限らず、電磁波による位置検出センサ、超音波による位置検出センサなどであってもよく、赤外線カメラその他のカメラで要塗布面を撮影して、面形状や各面部分の位置を画像解析するものであってもよい。
ノズル情報取得手段４９は、マーカ３１，３２及び赤外線カメラ４１を用いたモーションキャプチャー方式に限らず、加速度センサ、ジャイロセンサ、エンコーダ等によってノズル７４の位置や角度を検知するセンサ方式であってもよい。
ノズル情報取得手段４９で取得したノズル７４と要塗布面部分２ａとの距離Ｄ_２ａに応じて、膜剤３ａに混ぜるエア流量を調整してもよい。
軌道１８に沿うボディ１２の移動速度と膜剤３ａの塗布流量とを互いに比例するよう調整してもよい。
複数台の塗布装置１０をトンネル１の周方向に間隔を置いて設置し、これら塗布装置１０による塗布を同時併行して行ってもよい。これによって、要塗布面の広い範囲を短時間で施工でき、省力化できる。
第２実施形態において、塗布面情報検知工程を先行して行う塗布面検知手段が、その後のノズル情報取得工程、制御工程および塗布工程を行なう装置部分とは別に設けられていてもよい。１の塗布装置１０が複数の可動アーム２０を有していてもよく、先行する可動アーム２０で塗布面情報検知工程を行ない、後続の可動アーム２０でノズル情報取得工程、制御工程および塗布工程を行なってもよい。先行する可動アーム２０の修正動作を記憶しておき、後続の可動アーム２０は前記先行の可動アーム２０の修正動作をトレースするように動作してもよい。
塗布領域が小さい場合には、ボディ１２を固定して可動アーム２０を動かすだけで塗布を完了してもよく、軌道１８を省略してもよい。
要塗布面は、トンネルの地山掘削面２に限られず、トンネル以外の地下構造物でもよく、廃棄物処分場でもよく、基礎、河川敷、法面等であってもよい。

本発明は、例えばトンネルの防水施工に適用できる。

１ トンネル
２ 地山掘削面（要塗布面）
２ａ 実際の要塗布面部分
２ａ’ 平坦と見做した要塗布面部分
３ 防水層
３ａ 膜剤
１０ 塗布装置
１１ 装置本体
１２ ボディ
１３ 支持手段
１８ 軌道
１９ 処理部（制御手段）
２０ 可動アーム
２１ 第１アーム部
２２ 第２アーム部
２３ 関節
２６ アーム駆動機構
３１ 第１のマーカ
３２ 第２のマーカ
４０ マーカ観測手段
４１ カメラ
４２ 赤外線発光部
４９ ノズル情報取得手段
５０ レーザ距離計ユニット
５１ レーザ距離計
５９ 塗布面検知手段
７０ 膜剤供給系
７１ 膜剤タンク
７２ 供給ポンプ
７３ 供給管
７４ ノズル

Claims (4)

1. 要塗布面に膜剤を塗布する装置であって、
   前記要塗布面の各面部分の向き及び位置を含む塗布面情報を非接触で検知する塗布面検知手段と、
   前記膜剤を吐出するノズルと、
   前記ノズルを移動可能に支持する支持手段と、
   前記ノズルの向き及び位置を含むノズル情報を取得するノズル情報取得手段と、
   前記ノズル情報及び前記塗布面情報に基づいて、前記面部分に対する前記ノズルの向き及び位置が最適化されるように前記支持手段を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする塗布装置。
2. 前記制御手段は、前記ノズルが前記面部分と直交する方向へ向くように、かつ前記ノズルから前記面部分までの距離が所定になるように、前記支持手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の塗布装置。
3. 要塗布面に膜剤を塗布する方法であって、
   前記要塗布面の各面部分の向き及び位置を含む塗布面情報を非接触で検知する工程と、
   支持手段によって移動可能に支持されたノズルの向き及び位置を含むノズル情報を取得する工程と、
   前記ノズル情報及び前記塗布面情報に基づいて、前記面部分に対する前記ノズルの向き及び位置が最適化されるように前記支持手段を制御する工程と、
   前記ノズルから前記膜剤を所定流量で吐出させる工程と
   を備えたことを特徴とする塗布方法。
4. 前記ノズルが前記面部分と直交する方向へ向くように、かつ前記ノズルから前記面部分までの距離が所定になるように、前記制御を行うことを特徴とする請求項３に記載の塗布方法。

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