JP5119527B2 - 非接触計測対象面形成用ペイント弾 - Google Patents

Description

本発明は、光学手段を使用して計測対象物までの距離や計測対象物の機械的振動や位置の変化を計測するために用いる計測対象物の非接触計測面を容易に形成することができる非接触計測対象面形成用ペイント弾に関するものである。

近年、我が国の荒廃するインフラの管理が叫ばれており、特に、２０１０年代に更新時期を迎える、橋梁や道路などのインフラのリスク管理が重要な課題となってきている。
かかるインフラのリスク管理のためには、光学手段を使用して計測対象物の位置の変化や計測対象物までの距離や計測対象物の機械的振動を計測するために用いる非接触計測対象面を容易に形成することが不可欠となる。

本願の発明者は、既に、構造物の振動特性の非接触計測システムについて提案を行っている（下記特許文献１参照）。
一方、携帯に適したマーキングボール発射装置が提案されている（下記特許文献２参照）。
また、再帰反射性印刷用インキ組成物およびこれを用いた再帰反射性物品が提案されている（下記特許文献３参照）。
特開２００４−１８４３７７号公報 特開２００６−０３８４４５号公報 特開２０００−３０３０１１号公報

しかしながら、計測対象物までの距離の測定や構造物の振動特性の非接触計測システムにおいてレーザードップラーを用いる場合、橋梁などの高い箇所を計測対象面とする時、レーザーが反射する面を如何に設定するかが問題となる。
図１２は従来の非接触計測の対象となる構造物に貼付ける再帰性反射シールを示す図、図１３は従来の高架橋の下面に再帰性反射シールを貼付ける様子を示す図である。

従来は、図１２に示すような再帰性反射シール１０１を計測の対象となる構造物に貼付けるようにしている。つまり、図１３のように計測の対象となる構造物が橋梁１０３の下面であるような場合には、長尺状の棒（約１０ｍ）１０２の先に再帰性反射シール１０１を保持して計測の対象となる橋梁１０３の下面に貼付するようにしていた。しかしながら、非接触計測対象物は山間部や河川部、高架部など地形により危険な所もあり、再帰性反射シールを手作業で取り付けるには限度があり、機械的手段によるマーカーの付与方法の検討が急務であった。

本発明は、上記状況に鑑みて、非接触計測条件が悪い箇所においても、レーザーが反射する面を的確に設定することができるようにするため、機械的発射装置による非接触計測対象面形成用ペイント弾を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕非接触計測対象面形成用ペイント弾において、レーザー光を利用して構造物の非接触計測を行う際、再帰性反射塗料を前記構造物に着弾させ付着させることにより、非接触計測対象面を形成する非接触計測対象面形成用ペイント弾であって、前記再帰性反射塗料が外被材により覆われている球状体であり、前記再帰性反射塗料はガラスビーズと、このガラスビーズを保持・固着させるためのバインダーと、前記再帰性反射塗料の見かけ粘度を上げ、前記ガラスビーズの沈下を防ぎ、運動エネルギーの付加により前記再帰性反射塗料の急激な粘度低下を起こすレデューサーを含むことを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の非接触計測対象面形成用ペイント弾において、前記ガラスビーズは屈折率１．５〜２．２、粒径（平均粒径）１〜１０００μｍであることを特徴とする。
〔３〕上記〔１〕記載の非接触計測対象面形成用ペイント弾において、前記ガラスビーズの表面にシランカップリング剤をコーティングするシラン処理を施すことを特徴とする。

〔４〕上記〔１〕又は〔２〕記載の非接触計測対象面形成用ペイント弾において、前記ガラスビーズの半球部分に反射層となる金属または金属化合物の蒸着層が形成され、前記ガラスビーズ自体が反射機能を有することを特徴とする。
〔５〕上記〔１〕又は〔２〕記載の非接触計測対象面形成用ペイント弾において、反射層となる蒸着層を形成しないガラスビーズを用いた場合の反射性能を上げるため、鏡のような役目を果たすマイカと色を付けるための色素をも含むことを特徴とする。

〔６〕上記〔５〕記載の非接触計測対象面形成用ペイント弾において、前記マイカの粒径はガラスビーズの粒径よりも小さいことを特徴とする。
〔７〕上記〔１〕から〔６〕の何れか一項記載の非接触計測対象面形成用ペイント弾において、前記再帰性反射塗料が乾燥することで、非接触計測対象面（反射ターゲット）が完成することを特徴とする。

本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
（１）河川橋梁や高所等、従来反射ターゲットとして用いてきた再帰性反射シール等を簡単に貼付できない場所へ、迅速にかつ的確に非接触計測対象面を形成することができる。
（２）距離の測定や振動測定による構造物検査作業の効率化と安全性の向上をめざすことができる。また、構造物の振動を長距離非接触測定できる新しいシステムであるＵドップラー装置（詳細は後述）から照射されたレーザー光は、再帰性反射が行われるので、その再帰性反射したレーザー光をＵドップラー装置で的確に検出することができ、正確な非接触計測を実施することができる。

（３）さらに、基準点から反射ターゲットへの仰角を計測することにより、高低の変化を察知でき地形の隆起や陥没による事故発生を未然に防止することが可能となる。

本発明の非接触計測対象面形成用ペイント弾は、レーザー光を利用した構造物の非接触計測装置を行う際、再帰性反射塗料を前記構造物に着弾させ付着させることにより、非接触計測対象面を形成する非接触計測対象面形成用ペイント弾であって、前記再帰性反射塗料が外被材により覆われている球状体であり、前記再帰性反射塗料はガラスビーズと、このガラスビーズを保持・固着させるためのバインダーと、前記再帰性反射塗料の見かけ粘度を上げ、前記ガラスビーズの沈下を防ぎ、運動エネルギーの付加により前記再帰性反射塗料の急激な粘度低下を起こすレデューサーを含む。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明で用いるレーザー光を利用した非接触距離計測装置の構成図である。
この図において、レーザー光を利用した非接触距離計測装置１は、脚２、その脚２上にセットされるセンサ部３、そのセンサ部３上に配置される照準手段としての照準スコープ４、さらにデータレコーダ５を備えている。６はその照準スコープ４に対応してセットされる非接触距離計測対象面を形成するボール発射装置、７はセンサ部３とボール発射装置６との間に挟着される衝撃乃至振動を吸収する弾性部材である。因みに、センサ部３は、例えば、レーザー光源としてＨｅ−Ｎｅガスレーザーを用いる。なお、非接触距離計測装置１とボール発射装置６とは共通の照準手段としての照準スコープ４を備えている。したがって、非接触距離計測装置１とボール発射装置６にはそれぞれに照準手段を備える必要がないので、低コスト化を図ることができる。

図２は非接触距離計測装置のセンサ部と併設した非接触計測対象面を形成するボール発射装置を用いた構造物の非接触距離計測システムの模式図、図３はボール発射装置の模式図、図４はそのボールとなるペイント弾（球状体）の模式図、図５は再帰性反射の説明図であり、図５（ａ）はその再帰性反射の様子を示す図、図５（ｂ）はその反射材の断面図、図５（ｃ）はビーズによる再帰性反射の様子を示す図である。

ここで、非接触計測対象面を形成するボール発射装置６は、例えば、図３に示すように一端から他端にかけてガス通路１１が形成される本体部１０と、圧縮気体が充填されたガスボンベ２２が収納され、本体部１０の一端側に装着されるガスホルダー部２０と、非接触計測対象面を形成する再帰性反射ペイント弾（ボール）３３が装填され、本体部１０の他端側に装着されるバレル３１を有するバレル部３０とを備えている。さらに、本体部１０には、ガスボンベ２２を開封するピストン１３、およびそのピストン１３の操作レバー１２が設けられている。本体部１０のガス通路１１は、ガスホルダー部２０とバレル部３０により密封されており、操作レバー１２の操作によりガスボンベ２２が開封されると、ガスボンベ２２内の圧縮気体が本体部１０のガス通路１１内に充満し、充満した圧縮気体の圧力により、バレル部３０に装填されている非接触計測対象面を形成する再帰性反射ペイント弾（ボール）３３がバレル部３０の外部へと発射される。

このようなボール発射装置は、例えば、上記した特許文献２に開示されている。この特許文献２に記載されたマーキングボール発射装置は照準器を備えているが、本発明では、非接触距離計測装置１に搭載されている照準スコープ４を用いるようにしており、図３に示したこのボール発射装置６を、図１に示すように、非接触距離計測装置１のセンサ部に併設するようにしている。なお、ボール発射装置６はこのような構造に限定されるものではない。例えば、ガスボンベと発射筒とを併設してコンパクトな構造にするようにしてもよい。

また、再帰性反射ペイント弾５１は、図４に示すように、再帰性反射塗料５２がゼラチン素材等の外被材５３により覆われている。また、完成した反射ターゲットは、図５に示すように、反射材６１上にはガラスビーズ６２が付着し、光が入射した方向に戻る再帰性反射面を形成することができる。なお、再帰性反射ペイント弾の構成については詳細に後述する。

したがって、非接触計測対象面が形成されると、非接触距離計測装置１からこの面に照射されたレーザー光は再帰性反射が行われるので、その再帰性反射したレーザー光を非接触距離計測装置１で検出することができ、正確な非接触計測を実施することができる。
また、ボール発射装置６は、非接触距離計測装置１のセンサ部３に併設するが、ボール発射装置６とセンサ部３との間には衝撃乃至振動を吸収する弾性部材７を挟着するようにしたので、ボール発射装置６のボール発射時の衝撃乃至振動を有効に吸収することができ、非接触距離計測装置１への影響をなくすことができる。

図６は本発明にかかる再帰性反射ペイント弾の試作例を示す図、図７は破砕後の再帰性反射ペイント弾の殻を示す図、図８はその再帰性反射ペイント弾の着弾により形成された非接触計測対象面（反射ターゲット）の一例を示す図である。
これらの図に示すように、再帰性反射ペイント弾５１は球状体をなし、破砕後の再帰性反射ペイント弾５１の殻（外被材）５３は図７に示すようになる。

なお、再帰性反射ペイント弾５１に使用するガラスビーズは、屈折率１．５〜２．２（特に、１．９３）、粒径（平均粒径）１〜１０００μｍ（特に、３５〜５５μｍ）のものである。特に、屈折率１．９３のガラスビーズは、その焦点を良好にビーズ底面に結ぶことができる。因みに、通常のガラスの屈折率は１．５２である。また、粒径３５〜５５μｍは、現在量産加工を安定に出来る粒径であり、スプレーによる塗料の吐出のことも考慮して、選定した。

また、反射輝度を反射シートと同等程度にするため、このガラスビーズの半球部分にアルミニウムを真空蒸着し、ガラスビーズ自体に反射機能を付与させたものを使用した。
さらに、ガラスビーズを保持、固着させるためのバインダー及び無機物のガラスと有機物のバインダーをくっつけるためのシランカップリング剤、見かけの粘度を上げ、運動エネルギーを加えた時に急激な粘度低下を起こすレデューサー等を加え、塗料とした。

ここで、バインダーは、対象素材に適した樹脂を選択する。試作品としては、アクリル樹脂の反応性乳化剤を用いた乳化分散物を用いたが、その他にアクリルシリコン樹脂、アクリルウレタン樹脂、酢ビ樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、ウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、その他の有機樹脂や、無機バインダーなどを用いることができる。
また、上記したように、ガラスという無機物には有機の樹脂は良く接着しないので、ガラスビーズ表面にシランカップリング剤をコーティングする。この表面処理をシラン処理という。

さらに、添加剤として、濡れ性をよくするための界面活性剤、糸をひかないようにスパット切れ、当たった時に塗料が飛び散るようにするための界面活性剤、ガラスビーズを沈降しにくくするための助剤、ＰＨ調整剤などが含まれる。
次に、レデューサーについて説明すると、レデューサーの組成は、水（熱湯）、ターペン及び乳化剤からなる。まず、ターペンの中に乳化剤を入れホモミキサーで十分攪拌する。この中に熱湯を攪拌しながら徐々に入れると、急に全体の粘度が上がる。ここで、入れる水（熱湯）の量を調整すると、自由に粘度をコントロールしたレデューサーを作ることができる。

図９は本発明に係る再帰性反射ペイント弾の塗料に含まれるレデューサーの希釈抵抗性を示す図、図１０は本発明に係る再帰性反射ペイント弾に使用されるレデューサーを希釈して８０％にした時の塗料の粘度特性を示す図である。
図９に示すように、一般にレデューサーを水で希釈すると級数的に粘度は低下する。（レデューサー：水＝８０：２０）
また、図１０に示すように、攪拌するローターの回転数（ｒｐｍ）が増加すると（運動エネルギーが増加すれば増加するほど）、塗料の粘度は低下する。図１０から明らかなように、攪拌の衝撃で大きなエネルギーが加わると塗料の粘度が低下することがわかる。

こうして作られた再帰性反射ペイント弾には次のような特徴がある。
（１）反射輝度は市販の反射シートとほぼ同等である。
（２）ペイント弾（玉殻）の中に塗料を入れても、ガラスビーズは沈降しない。
（３）ペイント弾（玉殻）を発射した時の衝撃では塗料の粘性は変化しない。
（４）ペイント弾（玉殻）が空中を移動中は塗料の粘性の変化はない。

（５）ペイント弾（玉殻）が目標に当った時の衝撃で割れ、その時の運動エネルギーで塗料の粘度が低くなり、塗料及びガラスビーズが辺りに飛び散るように設計されている。
（６）これ等を満足させるため、最大量の蒸着ガラスビーズと最小量のバインダーに、塗料の見かけ粘度を上げガラスビーズの沈降を防ぎ、運動エネルギーを付加することにより急激な粘度低下を起こすレデューサーを加える。

以上のような再帰性反射ペイント弾を用いて、ここでは、河川橋梁の橋脚に非接触計測対象面を形成する場合について説明する。
図２に示されるように、レーザー光を利用した非接触距離計測装置１とこの非接触距離計測装置に併設された非接触計測対象面を形成するボール発射装置６とを河川４１の片岸に配置する。非接触距離計測装置１の照準スコープ４で非接触計測対象面を形成するボール発射装置６の照準も合わせて、再帰性反射ペイント弾（図示なし）を非接触計測対象面である対向するもう一方の岸の橋脚４２に発射する。この再帰性反射ペイント弾は着弾すると破裂して測定対象面に再帰性反射塗料が付着する。この再帰性反射塗料が乾燥すると、非接触計測対象面（反射ターゲット）が完成する。上述したような再帰性反射ペイント弾は、図４に示されるように、再帰性反射塗料５２がゼラチン素材等の外被材５３により覆われている。また、図５に示すように、完成した反射ターゲットの反射材６１上にはガラスビーズ６２が付着し、光が入射した方向に戻る再帰性反射面を形成することができる。

したがって、非接触計測対象面が形成されると、非接触距離計測装置１からこの面に照射されたレーザー光は再帰性反射が行われるので、その再帰性反射したレーザー光を非接触距離計測装置１で検出することができ、正確な非接触計測を実施することができる。
上記した実施例では、レーザー光を利用した非接触距離計測装置について説明したが、レーザー光を利用した構造物の振動特性の計測装置として用いるようにしてもよい。

図１１は本発明のレーザー光を利用した構造物の振動特性の非接触計測装置の測定原理を示す図であり、図１１（ａ）は測定対象物が構造物の振動特性の非接触計測装置から離れる場合、図１１（ｂ）は測定対象物が構造物の振動特性の非接触計測装置へ近づく場合を示している。
図１１（ａ）においては、構造物の振動特性の非接触計測装置であるＵドップラー装置７１からの入射光７２が測定対象物７３の非接触計測対象面７４から反射光７５として反射されるが、測定対象物７３がＵドップラー装置７１から離れる方向にあるため、周波数が低くなる。

一方、図１１（ｂ）においては、Ｕドップラー装置７１からの入射光７２が測定対象物７３の非接触計測対象面７４から反射光７６として反射されるが、測定対象物７３がＵドップラー装置７１に近づく方向にあるため、周波数が高くなる。
このようにして、構造物の振動特性の計測を非接触で行うことができるが、その場合にも、上記した再帰性反射ペイント弾の着弾により測定対象物７３の非接触計測対象面７４を容易に形成することができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の非接触計測対象面形成用ペイント弾は、迅速かつ的確に非接触計測面を形成する再帰性反射ペイント弾として利用可能である。

本発明で用いるレーザー光を利用した非接触距離計測装置の構成図である。 非接触距離計測装置のセンサ部と併設した非接触計測対象面を形成するボール発射装置を用いた構造物の非接触距離計測システムの模式図である。 ボール発射装置の模式図である。 ボールとなるペイント弾（球状体）の模式図である。 再帰性反射の説明図である。 本発明にかかる再帰性反射ペイント弾の試作例を示す図である。 破砕後の再帰性反射ペイント弾の殻を示す図である。 再帰性反射ペイント弾の着弾により形成された非接触計測対象面（反射ターゲット）の一例を示す図である。 本発明に係る再帰性反射ペイント弾の塗料に含まれるレデューサーの希釈抵抗性を示す図である。 本発明に係る再帰性反射ペイント弾に使用されるレデューサーを希釈して８０％にした時の塗料の粘度特性を示す図である。 本発明のレーザー光を利用した構造物の振動特性の非接触計測装置の測定原理を示す図である。 従来の非接触計測の対象となる構造物に貼付ける再帰性反射シールを示す図である。 従来の高架橋の下面に再帰性反射シールを貼付ける様子を示す図である。

１ 非接触距離計測装置
２ 脚
３ センサ部
４ 照準スコープ
５ データレコーダ
６ ボール発射装置
７ 弾性部材
１０ 本体部
１１ ガス通路
１２ 操作レバー
１３ ピストン
２０ ガスホルダー部
２２ ガスボンベ
３０ バレル部
３１ バレル
３３ 再帰性反射ペイント弾（ボール）
４１ 河川
４２ 橋脚
５１ 再帰性反射ペイント弾
５２ 再帰性反射塗料
５３ 外被材
６１ 反射材
６２ ガラスビーズ
７１ Ｕドップラー装置
７２ 入射光
７３ 測定対象物
７４ 非接触計測対象面
７５，７６ 反射光

Claims (7)

1. レーザー光を利用して構造物の非接触計測を行う際、再帰性反射塗料を前記構造物に着弾させ付着させることにより、非接触計測対象面を形成する非接触計測対象面形成用ペイント弾であって、前記再帰性反射塗料が外被材により覆われている球状体であり、前記再帰性反射塗料はガラスビーズと、該ガラスビーズを保持・固着させるためのバインダーと、前記再帰性反射塗料の見かけ粘度を上げ、前記ガラスビーズの沈下を防ぎ、運動エネルギーの付加により前記再帰性反射塗料の急激な粘度低下を起こすレデューサーを含むことを特徴とする非接触計測対象面形成用ペイント弾。
2. 請求項１記載の非接触計測対象面形成用ペイント弾において、前記ガラスビーズは屈折率１．５〜２．２、粒径（平均粒径）１〜１０００μｍであることを特徴とする非接触計測対象面形成用ペイント弾。
3. 請求項１記載の非接触計測対象面形成用ペイント弾において、前記ガラスビーズの表面にシランカップリング剤をコーティングするシラン処理を施すことを特徴とする非接触計測対象面形成用ペイント弾。
4. 請求項１又は２記載の非接触計測対象面形成用ペイント弾において、前記ガラスビーズの半球部分に反射層となる金属または金属化合物の蒸着層が形成され、前記ガラスビーズ自体が反射機能を有することを特徴とする非接触計測対象面形成用ペイント弾。
5. 請求項１又は２記載の非接触計測対象面形成用ペイント弾において、反射層となる蒸着層を形成しないガラスビーズを用いた場合の反射性能を上げるため、鏡のような役目を果たすマイカと色を付けるための色素をも含むことを特徴とする非接触計測対象面形成用ペイント弾。
6. 請求項５記載の非接触計測対象面形成用ペイント弾において、前記マイカの粒径はガラスビーズの粒径よりも小さいことを特徴とする非接触計測対象面形成用ペイント弾。
7. 請求項１から６の何れか一項記載の非接触計測対象面形成用ペイント弾において、前記再帰性反射塗料が乾燥することで、非接触計測対象面（反射ターゲット）が完成することを特徴とする非接触計測対象面形成用ペイント弾。