JP6145970B2 - 表面粗さ計測装置及び計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面粗さ計測装置及び計測方法に関し、特に、建物等のコンクリート構造物の表面の粗さを計測するのに有効な表面粗さ計測装置及び計測方法に関する。

建物等のコンクリート構造物の耐震補強工事等においては、既存のコンクリート構造物の表面に補強部材を接合することで、既存のコンクリート構造物の強度を増加させている。このようなコンクリート構造物の耐震補強工事等においては、コンクリート構造物と補強部材とを接合する際に、コンクリート構造物の表面が平滑な面では付着力が弱いことから、例えば、ウォータージェット装置を用い、コンクリート構造物の表面に高圧水を噴射させることにより、コンクリート構造物の表面を目粗ししている。

ウォータージェット装置を用いる場合、作業者が先端に１本の噴射ノズルを備えたウォータージェットガンを手で持ち、噴射ノズルから高圧水をコンクリート構造物の表面に向けて噴射させる方法、或いは、作業者が先端に複数本の噴射ノズルを備えたウォータージェットガンを手で持ち、複数本の噴射ノズルを回転させながら、各噴射ノズルから高圧水をコンクリート構造物の表面に向けて噴射させる方法があるが、何れの方法も作業者が手作業で行うため、コンクリート構造物の表面の粗さの状態や深さを全体に亘って均一化することは難しい。

このため、最近では、粗さの状態や深さの均一化を図るために、ウォータージェット装置の噴射ノズルの移動を自動化させて、噴射ノズルを一定の速度で移動させることにより、コンクリート構造物の表面の粗さの状態や深さを全体に亘ってほぼ均一化しているが、このような装置を用いた場合であっても、表面の粗さの状態や深さを全体に亘って完全に均一化することは難しい。

目粗ししたコンクリート構造物の表面の粗さの状態は、コンクリート構造物の表面に新しいコンクリートを付着する際の付着強度にも影響するため、粗さ状態や深さを計測することは非常に重要である。土木工事等では、平均的な深さを指定される場合もあるが、計測方法や計測装置が厳密に定義されているわけではない。

従来、コンクリート構造物の表面の粗さの状態や深さを計測する場合、作業者が目粗し面を粗さ標本と比較したり、目粗し面に触れて確認する等、感覚的なイメージによる手法が採られていた。最近では、レーザ距離計や超音波距離計をスライダー機構に搭載させ、その速度を一定にして移動させて、移動ライン上の粗さを計測する手法が用いられ、その一例が非特許文献１に記載されている。この手法では、直線状に数ラインを計測し、その平均的な結果を用いている。

ところで、特許文献１に記載の手法では、計測ラインを増やす程、正確な計測データが得られるが、計測ラインが増す程、計測時間も長くなり、また、計測結果を解析するにも、多くの時間がかかる。特に、作業者がウォータージェットガンを用いた目粗しでは、場所ごとに粗さが異なる場合も予想されるため、全体的な評価としては非常に誤差が大きくなる。さらに、計測を効率よく行うためには、スライダー機構によるレーザ距離計や超音波距離計の移動範囲を大きくしなければならないため、装置全体が大型化してしまう。

コンクリート工学年次論文集、「ウォータージェット技術による新旧コンクリートの一体化処理に関する検討」、岡村雄樹、舌間孝一郎、足立一郎著、ｖｏｌ．２５、Ｎｏ．１、２００３

本発明は、上記のような従来の問題に鑑みなされたものであって、コンクリート構造物の表面の粗さを簡易に正確に計測できるとともに、全体を小型化することができるコンクリート構造物の表面粗さ計測装置及び計測方法を提供することを目的とする。

上記のような課題を解決するために、本発明は、以下のような手段を採用している。
すなわち、本発明は、コンクリート構造物の表面粗さを計測する表面粗さ計測装置であって、前記コンクリート構造物の表面までの距離を計測する距離センサと、該距離センサを水平方向に移動させるリニアアクチュエータと、前記距離センサ及び前記リニアアクチュエータを円周方向に移動させるロータリーアクチュエータと、前記距離センサ、前記リニアアクチュエータ、及び前記ロータリーアクチュエータを制御する制御手段とを備え、
前記距離センサ、前記リニアアクチュエータ、及び前記ロータリーアクチュエータはケーシング内に収容され、前記ケーシング内には、第１支持部材が設けられ、該第１支持部材に前記ロータリーアクチュエータが支持されるとともに、該ロータリーアクチュエータの回転軸に第２支持部材を介して前記リニアアクチュエータが支持され、該リニアアクチュエータの直動軸に第３支持部材を介して前記距離センサが支持され、前記第２支持部材は、前記リニアアクチュエータの本体が前記ロータリーアクチュエータの下方において前記ロータリーアクチュエータの回転軸から所定の向きに偏って位置するように前記リニアアクチュエータを支持し、前記直動軸は前記リニアアクチュエータの本体から前記所定の向きとは反対向きに突出し、前記第３支持部材は、前記直動軸の先端に取付けられる側板と、該側板と一体に、前記所定の向きに延びる底板とを有し、該底板の下面に前記距離センサが支持され、前記制御手段は、前記距離センサの前記リニアアクチュエータの回転中心からの距離に応じて、前記距離センサの移動速度が一定となるように、前記ロータリーアクチュエータの回転速度を制御することを特徴とする。

本発明の表面粗さ計測装置によれば、リニアアクチュエータ及びロータリーアクチュエータにより、距離センサを水平方向及び円周方向に移動させながら、円周上の構造物の表面までの距離を連続的に計測することにより、対象のコンクリート構造物の計測域の表面粗さを計測することができる。従って、距離センサを直線移動させて計測する場合に比べて、装置の全体を小型化することができる。

また、ロータリーアクチュエータの回転軸を回転させることにより、第２支持部材を介してリニアアクチュエータ及び距離センサが回転される。また、リニアアクチュエータの直動軸を直動させることにより、第３支持部材を介して距離センサが直動することになる。

また、本発明において、前記リニアアクチュエータと前記距離センサとの間には、前記距離センサを直線移動可能に支持する直線移動機構が設けられていることとしてもよい。

本発明の表面粗さ計測装置によれば、距離センサは、直線移動機構によって直線移動可能に支持されるので、リニアアクチュエータの作動によって距離センサを直動させる際に、距離センサを円滑に直動させることができる。

また、本発明において、前記距離センサは、レーザ距離センサであることとしてもよい。

本発明の表面粗さ計測装置によれば、レーザ距離センサにより、コンクリート構造物の表面までの距離を計測することにより、コンクリート構造物の表面粗さが計測されることになる。

さらに、本発明の表面粗さの計測方法は、請求項１〜３に記載の表面粗さ計測装置を用い、前記コンクリート構造物に対して、前記リニアアクチュエータ及び前記ロータリーアクチュエータにより、前記距離センサを半径方向に固定し、その円周に沿って回転させることにより、又は前記距離センサを半径方向に移動させながら、円周方向に回転させることにより、それらのライン上の構造物の表面までの距離を連続的に計測することを特徴とする。

以上、説明したように、本発明のコンクリート構造物の表面粗さ計測装置及び計測方法によれば、コンクリート構造物の表面粗さを簡易に計測することができるとともに、装置全体を小型化することができ、表面粗さの計測の作業性を高めることができる。

本発明による表面粗さの計測装置の一実施の形態を示した概略図である。 表面粗さの計測装置の計測可能な範囲と対象のコンクリート構造物の計測域との関係を示した説明図である。 表面粗さの計測装置の計測可能な範囲と対象のコンクリート構造物の計測域との関係を示した説明図である。 表面粗さの計測装置の計測可能な範囲と対象のコンクリート構造物の計測域との関係を示した説明図である。 表面粗さの計測装置の計測可能な範囲と対象のコンクリート構造物の計測域との関係を示した説明図である。 表面粗さの計測装置による計測の原理を示した説明図である。 距離センサの半径を固定した場合の計測ラインを示した説明図である。 距離センサの半径を変化させた場合の計測ラインを示した説明図である。 本発明による表面粗さの計測装置による計測結果を示した説明図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
図１〜図９には、本発明による表面粗さ計測装置及び計測方法の一実施の形態が示されている。本実施の形態の表面粗さ計測装置及び計測方法は、例えば、建物等のコンクリート構造物の表面粗さを計測するのに有効なものである。

建物等のコンクリート構造物の耐震補強工事等においては、コンクリート構造物の表面に補強部材を接合することで、コンクリート構造物の強度を増加させている。このような耐震補強工事等においては、コンクリート構造物と補強部材との接合強度を高めるために、例えば、ウォータージェット装置を用い、コンクリート構造物の表面に高圧水を噴射させてコンクリート構造物の表面を切削することにより、コンクリート構造物の表面を目粗している。このようなコンクリート構造物の表面の目粗しの状態及び深さの計測に本実施の形態の表面粗さ計測装置及び計測方法が用いられる。

本実施の形態の表面粗さの計測装置（以下、計測装置１という。）は、図１に示すように、第１支持部材２と、第１支持部材２に支持されるロータリーアクチュエータ３と、ロータリーアクチュエータ３に支持される第２支持部材６と、第２支持部材６に支持されるリニアアクチュエータ１０と、リニアアクチュエータ１０に支持される直線移動機構１３と、直線移動機構１３に支持される第３支持部材１６と、第３支持部材１６に支持される距離センサ２０と、第１支持部材２、ロータリーアクチュエータ３、第２支持部材６、リニアアクチュエータ１０、直線移動機構１３、第３支持部材１６、及び距離センサ２０を収容するケーシング２１と、ロータリーアクチュエータ３、リニアアクチュエータ１０、及び距離センサ２０を制御する制御手段２５とを備えている。

ケーシング２１は、半透明又は透明の合成樹脂材から形成される上端が円板状の蓋２３で閉塞された筒状をなすものであって、ケーシング２１内の所定の位置にケーシング２１内を上下方向に２室に区画するように円板状の第１支持部材２が設けられている。

ケーシング２１の蓋２３の上部には、コ形状の取手２４が設けられ、この取手２４を手で掴んで持ち上げることにより、計測装置１を対象のコンクリート構造物３０の表面３１の所定の位置に容易に設置することができる。

ロータリーアクチュエータ３は、第１支持部材２の上部中央部に取り付けられるアクチュエータ本体４と、第１支持部材２を貫通して先端が第１支持部材２の下方に突出するとともに、ケーシング２１の中心軸２２を中心として回転可能な回転軸５とから構成されている。

第２支持部材６は、上板７と、上板７の下方に所定の間隔をおいて平行に設けられる上板７よりも短い下板８と、上板７の左端と下板８の左端との間を連結する側板９とからなるコ形状をなすものであって、上板７の中央部がロータリーアクチュエータ３の回転軸５の先端に連結されている。第２支持部材６は、ロータリーアクチュエータ３の回転軸５と一体に同一方向に回転可能に構成されている。

リニアアクチュエータ１０は、第２支持部材６の下板８の上部に取り付けられるアクチュエータ本体１１と、ケーシング２１の中心軸２２と直交する方向（略水平方向）に進退可能な直動軸１２とから構成されている。

直線移動機構１３は、例えば、リニアスライダー１３であって、第２支持部材６の下板８の下部に取り付けられるガイドレール１４と、ガイドレール１４に沿ってケーシング２１の中心軸２２と直交する方向にスライド可能なスライダー１５とから構成されている。

第３支持部材１６は、下板１７と、下板１７の右端に一体に設けられる側板１８とからなるＬ形状をなすものであって、下板１７の左端がリニアスライダー１３のスライダー１５に連結され、側板１８の上端がリニアアクチュエータ１０の直動軸１２に連結されている。リニアアクチュエータ１０の直動軸１２を進退させることにより、第３支持部材１６がリニアスライダー１３に案内された状態で同一方向に進退するようになっている。

なお、直線移動機構１３は、リニアスライダー１３に限らず、第３支持部材１６を進退可能に支持することができるもの（例えば、ボールねじ、ランク・ピニオン等）であればよい。

距離センサ２０は、例えば、レーザ距離センサ２０であって、レーザの放射方向が鉛直下方を向くように、第３支持部材１６の下板１７に取り付けられている。レーザ距離センサ２０は、所定径のレーザ光を出射して、コンクリート構造物３０の表面のレーザ照射位置までの距離を計測する公知のセンサである。
なお、距離センサ２０は、レーザ距離センサ２０に限らず、狭い所定の範囲内でコンクリート構造物３０の表面３１までの距離を計測できるものであればよい。

上記のような構成の本実施の形態の計測装置１を用いて対象のコンクリート構造物３０の表面３１の粗さを計測する場合、図２〜図５に示すように、対象のコンクリート構造物３０の計測域３２が計測装置１による計測可能な範囲よりも小さい場合と、大きい場合とに分けて計測する必要がある。

具体的には、計測域３２が計測装置１による計測可能な範囲よりも小さい場合には、図２に示すように、対象のコンクリート構造物３０の目粗し前の状態を基準とし、この基準面を含む計測域３２に計測装置１を設置することにより、基準面を基準として計測域３２の表面粗さを計測する。

また、計測域３２が計測装置１による計測可能な範囲よりも大きい場合には、図３に示すように、基準面を含む計測域３２に計測装置１を設置することができないので他に基準面をとる必要ある。例えば、図４に示すように、計測装置１のケーシング２１の下端部にサポート２６を取り付け、サポート２６を計測域３２の両側の基準面に架け渡す。或いは、図５に示すように、計測装置１のケーシング２１の上端部にサポート３６を取り付け、サポート３６を計測域３２の上方の支持部材２７に支持し、支持部材２７を基準面として、計測域３２の表面粗さを計測する。

そして、上記のような計測域３２の状態に応じて、本実施の形態の計測装置１を対象のコンクリート構造物３０の表面３１に設置し、レーザ距離センサ２０の半径を固定した状態で、或いはレーザ距離センサ２０の半径を変化させながら、レーザ距離センサ２０を周方向に回転させることにより、その円周上又はライン上におけるコンクリート構造物３０の表面３１までの距離を連続的に計測して、当該距離の変化を表面粗さとして計測し、その計測データを制御手段２５で処理することにより、その円周面上又はラインの面上での深さ、平均、標準偏差等の値を計測する。

レーザ距離センサ２０の半径を固定した状態で計測する場合には、図６及び図７に示すように、コンクリート構造物３０の計測域３２の範囲内において、ロータリーアクチュエータ３によりレーザ距離センサ２０を円周方向に回転させるとともに、リニアアクチュエータ１０によりレーザ距離センサ２０の半径を変えて回転させることにより、半径の異なる円周上でのコンクリート構造物３０の表面３１までの距離を連続的に計測し、得られた計測データを制御手段２５で処理することにより、半径の異なる円周上での深さ、平均、標準偏差等の値を計測する。

また、レーザ距離センサ２０の半径を変化させながら計測する場合には、図８に示すように、コンクリート構造物３０の計測域３２の範囲内において、ロータリーアクチュエータ３によりレーザ距離センサ２０を円周方向に回転させるとともに、リニアアクチュエータ１０によりレーザ距離センサ２０の半径方向に移動させながら、螺旋のライン上でのコンクリート構造物３０の表面３１までの距離を連続的に計測し、得られた計測データを制御手段２５で処理することにより、螺旋のライン上での深さ、平均、標準偏差等の値を計測する。

ここで、本実施の形態の計測装置１による表面粗さの計測の原理について、図１、及び図６〜図８を参照しながら説明する。
本実施の形態の計測装置１は、レーザ距離センサ２０を半径Ｒ０〜ＲＡ（最大）の範囲内で移動させることができ、レーザ距離センサ２０の半径方向の移動は、連続的に変化させても、ある点で固定することもできる。また、レーザ距離センサ２０は、ある半径Ｒで、その軸に対して回転することができ、その半径Ｒの円周に沿って計測することができる。レーザ距離センサ２０の半径が固定されているときは、図７に示すように、計測ラインは円周となり、レーザ距離センサ２０の半径が一定速度で移動し回転する場合には、図８に示すように、螺旋状のラインとなる。また、半径方向への移動速度と円周方向への移動速度を任意に設定することで、様々な計測ライン（トロコイド、サイクロイド、直線等）上での計測が可能となる。また、計測ラインは、重ならないので、計測ラインは端部で結合でき、全体を合わせて評価することができる（半径が固定で、順次変化させる場合）。

レーザ距離センサ２０の円周方向への移動は、半径が変わっても常に移動速度が一定になるように移動させる。つまり、角速度ωに対して速度Ｖは、Ｖ＝Ｒ・ωとなるが、Ｖは一定であるから、半径Ｒが大きいほどωは小さく、逆に半径Ｒが小さいほどωは大きくする必要がある。これは、半径によらず計測間隔を一定にするために必要である。本実施の形態においても、サーボモータを用いれば、半径と角速度を適時変え、Ｖが一定になることは十分に可能である。半径の移動は、Ｒが小〜大、或いはＲが大〜小、どちらでもよい。

この計測方法は、比較的限定された範囲を連続的に計測する場合に適している。直線計測では、内部空間の計測に対して、直線を網目状に計測することになるが、その場合には、計測点を端部で止めるか、減速する必要がある。

同じ領域に対して、総直線長さが等しくなるようにした、網目計測と円周計測では、ほとんど等しくなり、ある範囲内での計測では問題がない。

従来の計測は、広域な範囲の目粗しを行い、その中の数か所に対して、サンプリング的に直線ラインを選び、その平均化をしている。本実施の形態の計測方法は、広域な範囲に対して、ある部分領域を選択し、その部分を数か所サンプル計測して平均化するもので、代表サンプルを基にした計測手法としては、確率的に同等と考えられる。
図９に本実施の形態の計測装置１による計測結果を示す。この図９に示すように、本実施の形態の計測装置１による計測結果は、従来の計測方法（直線計測）による計測結果と変わらないことがわかる。

本実施の形態の計測装置１の測定仕様を以下に示す。
（１）測定ピッチ：０．１〜１．０ｍｍ（０．１ｍｍ単位設定）、ＰＣで設定入力可能
（２）半径ピッチ：１〜４５ｍｍ（１ｍｍ単位設置）、ＰＣで設定入力可能
（３）測定面積：φ１０〜φ１００
（４）測定データレジスタ：ＺＦ００００〜３０００点保存／周
（５）測定サンプリングレート：３３ｍｓ（固定）

本実施の形態の計測装置１においては、測定ピッチ：１ｍｍ、半径ピッチ：５ｍｍに設定し、次の（１）〜（９）による自動運転を行い、対象のコンクリート構造物３０の表面粗さの計測を行った。
（１） ロータリーアクチュエータ３の速度を、３３ｍｓで１ｍｍ間移動する速度に設定する。
（２） その速度に対する加速スタート位置にレーザ距離センサ２０のレーザポイントを移動させる（測定開始する位置から前）。
（３） ロータリーアクチュエータ３が加速し、等速になったとことから、データを収集開始する。
（４） ３６０°位置（パルスカウント数）でデータ収集を終了する。
（５） ロータリーアクチュエータ３を減速停止させる。
（６） φ１００の場合、約３１４ｍｍ移動し、３１４点のデータがＺＦ００００〜ＺＦ０３１３に保存される。ロータリーアクチュエータ３を半径ピッチを内側に向かって移動させる。
（７） 同時にロータリーアクチュエータ３を（２）の位置に移動させる（但し、その集会の速度によって位置は変動する）。
（８） （３）〜（７）までを繰り返し、半径ピッチ累計が４５以上になったら測定を終了する。
（９） 連続運転を可能とするために、（２）の位置に戻り、自動運転を完了する。

上記のように構成した本実施の形態の表面粗さ計測装置及び計測方法にあっては、ロータリーアクチュエータ３及びリニアアクチュエータ１０により、レーザ距離センサ２０を円周方向及び半径方向に移動させるように構成して、円周上又は螺旋のライン上におけるコンクリート構造物３０の表面３１までの距離を連続的に計測するように構成したので、従来のレーザ距離センサを直線移動させて計測する方式に比べて、装置全体を軽量、小型化することができ、計測の作業を容易にすることができる。

また、対象のコンクリート構造物３０の表面３１が水平方向を向く面の場合に限らず、上下方向を向く面、斜め方向を向く面等、各種の方向を向く面に対しても容易に計測することができる。

また、計測装置１のロータリーアクチュエータ３、及びリニアアクチュエータ１０の移動、レーザ距離センサ２０による計測、計測データに基づいた解析を予め定めた定数設定するだけで、自動操作が可能となり、表面粗さの計測に要する時間を大幅に削減することができる。

また、計測装置１のレーザ距離センサ２０の移動速度は、移動半径が変わっても等しくすることにより、計測ライン上のサンプリングデータを常に等しくすることができるので、計測条件を統一することができ、計測の品質確保、計測の信頼性を維持することができる。

さらに、本実施の形態による計測装置１によって計測したデータを、ある目粗し範囲のサンプルとして記憶できるので、目粗し全体に対して数か所行うことにより、その平均や深さ平均を用いることで、全体の目粗し状態を代表できることになる。

１ 表面粗さの計測装置
２ 第１支持部材
３ ロータリーアクチュエータ
４ アクチュエータ本体
５ 回転軸
６ 第２支持部材
７ 上板
８ 下板
９ 側板
１０ リニアアクチュエータ
１１ アクチュエータ本体
１２ 直動軸
１３ 直線移動機構（リニアスライダー）
１４ ガイドレール
１５ スライダー
１６ 第３支持部材
１７ 下板
１８ 側板
２０ 距離センサ（レーザ距離センサ）
２１ ケーシング
２２ 中心軸
２３ 蓋
２４ 取手
２５ 制御手段
２６ サポート
２７ 支持部材
３０ コンクリート構造物
３１ 表面
３２ 計測域

Claims (4)

1. コンクリート構造物の表面粗さを計測する表面粗さ計測装置であって、
   前記コンクリート構造物の表面までの距離を計測する距離センサと、該距離センサを水平方向に移動させるリニアアクチュエータと、前記距離センサ及び前記リニアアクチュエータを円周方向に移動させるロータリーアクチュエータと、前記距離センサ、前記リニアアクチュエータ、及び前記ロータリーアクチュエータを制御する制御手段とを備え、
   前記距離センサ、前記リニアアクチュエータ、及び前記ロータリーアクチュエータはケーシング内に収容され、
   前記ケーシング内には、第１支持部材が設けられ、該第１支持部材に前記ロータリーアクチュエータが支持されるとともに、該ロータリーアクチュエータの回転軸に第２支持部材を介して前記リニアアクチュエータが支持され、該リニアアクチュエータの直動軸に第３支持部材を介して前記距離センサが支持され、
   前記第２支持部材は、前記リニアアクチュエータの本体が前記ロータリーアクチュエータの下方において前記ロータリーアクチュエータの回転軸から所定の向きに偏って位置するように前記リニアアクチュエータを支持し、
   前記直動軸は前記リニアアクチュエータの本体から前記所定の向きとは反対向きに突出し、
   前記第３支持部材は、前記直動軸の先端に取付けられる側板と、該側板と一体に、前記所定の向きに延びる底板とを有し、該底板の下面に前記距離センサが支持され、
   前記制御手段は、前記距離センサの前記リニアアクチュエータの回転中心からの距離に応じて、前記距離センサの移動速度が一定となるように、前記ロータリーアクチュエータの回転速度を制御することを特徴とする表面粗さ計測装置。
2. 前記リニアアクチュエータと前記距離センサとの間には、前記距離センサを直線移動可能に支持する直線移動機構が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の表面粗さ計測装置。
3. 前記距離センサは、レーザ距離センサであることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面粗さ計測装置。
4. 請求項１〜３に記載の表面粗さ計測装置を用い、前記コンクリート構造物に対して、前記リニアアクチュエータ及び前記ロータリーアクチュエータにより、前記距離センサを半径方向に固定し、その円周に沿って回転させることにより、又は前記距離センサを半径方向に移動させながら、円周方向に、前記距離センサの移動速度が一定となるような回転速度で回転させることにより、それらのライン上の構造物の表面までの距離を連続的に計測することを特徴とする表面粗さの計測方法。

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