JP6778087B2

JP6778087B2 - 孔壁面形状計測装置

Info

Publication number: JP6778087B2
Application number: JP2016225654A
Authority: JP
Inventors: 小林　薫; 薫小林; 尚美佐々木; 昌弘川村; 庸生大中; 祥輝田先
Original assignee: East Japan Railway Co
Current assignee: East Japan Railway Co
Priority date: 2016-11-21
Filing date: 2016-11-21
Publication date: 2020-10-28
Anticipated expiration: 2036-11-21
Also published as: JP2018084414A

Description

本発明は、孔壁の内面形状を計測する孔壁面形状計測装置に関する。

従来、コンクリート建造物や配管等の劣化状況を把握するために、コンクリートを削孔して形成した細孔内や、細い通水管や通気管などの配管内にプローブ式の形状計測装置を挿入して、孔壁の内面形状を計測することがある。
こうした孔壁の内面形状を計測可能な計測装置として、プローブの先端に、環状ビームをリング状に反射させる円錐ミラーを備え、円錐ミラーによるリング状の反射光を孔壁の内面に照射してカメラで撮像し、孔壁面の画像を解析する計測装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１４−１７３９１２号公報

しかしながら、上記特許文献１の計測装置の場合、プローブの先端に円錐ミラーが取り付けられているので、プローブを細孔内に挿入する際に、プローブ先端の円錐ミラーが細孔の壁面に接触したり、細孔の奥に強く突き当たったりしてしまうことがある。それによって円錐ミラーが損傷して計測不能になる虞があるという課題を本発明者らは見出した。
また、プローブが細孔の形状に応じて変形できれば、壁面に凹凸や湾曲がある不整形な細孔であってもプローブを細孔の奥に挿入可能になるので、本発明者らはその改良に取り組んだ。

本発明の目的は、真っ直ぐな細孔であっても不整形な細孔であっても好適に孔壁の内面形状を計測することができる孔壁面形状計測装置を提供することである。

上記目的を達成するため、この発明は、孔壁面形状計測装置であって、
細孔内に挿入可能な可撓性を有する支持部と、
前記支持部の先端に取り付けられた加速度センサーと、
前記加速度センサー側を撮像可能な向きに前記支持部に取り付けられた撮像部と、
前記加速度センサーと前記撮像部の間に位置するように前記支持部に取り付けられ、前記細孔の孔壁内面を照らすリング状の光を照射する照射部と、
前記リング状の光で照らされた前記孔壁内面を前記撮像部が撮像した画像情報と、その撮像時に前記加速度センサーが検出した前記細孔内の位置情報とを対応付け、前記細孔の孔壁面形状の画像情報を作成する孔壁面画像情報作成手段と、
を備え、
前記照射部は、前記加速度センサーと前記撮像部の間での配置を切り替え可能に取り付けられているようにした。

かかる構成の孔壁面形状計測装置であれば、照射部がリング状の光で照らした細孔の孔壁内面を撮像部によって撮像するとともに、その撮像過程での細孔内の位置情報を加速度センサーが検出することができ、撮像部が撮像した画像情報と加速度センサーが検出した位置情報とを対応付けて、細孔の孔壁面形状の画像情報を取得することができる。
そして、この孔壁面形状計測装置の支持部は可撓性を有しており、撮像部や照射部を細孔に挿入した際、支持部が細孔の形状に応じて弾性変形するので、真っ直ぐな細孔であっても不整形な細孔であっても好適に孔壁の内面形状を計測することができる。
また、この孔壁面形状計測装置は、支持部の先端に加速度センサーが取り付けられているので、細孔内に挿入した支持部の先端が細孔の壁面に接触したり、細孔の奥に突き当たったりしても、照射部や撮像部が損傷することはないので、孔壁の内面形状の計測を好適に行うことができる。
また、照射部の配置が切り替え可能であれば、撮像部に対する照射部の距離を調整して、照射部がリング状の光で細孔の孔壁内面を照らした箇所に、撮像部の焦点を合わせる調整を行うことができる。

また、望ましくは、
前記照射部は、円錐ミラーと、前記円錐ミラーの頂点に向けて光を出射する光源部とを有するようにする。

かかる構成の照射部であれば、光源部が出射した光を円錐ミラーの頂点を含む反射面で反射させ、リング状の光となった反射光で細孔の孔壁内面を照らすことができる。
また、光源部が出射する光の直径を調整することで、リング状の光の幅を切り替えて、細孔の孔壁内面を照らす範囲を調整することができる。例えば、光源部が出射する光の直径を太くするほど、リング状の光の幅を太くし、細孔の孔壁内面を照らす範囲を広くすることができる。

また、望ましくは、
前記円錐ミラーは前記撮像部寄りの位置にあり、前記光源部は前記加速度センサー寄りの位置にあり、前記光源部が出射した光の一部が前記撮像部側を照らすようにする。
光源部が出射した光の一部が撮像部側を照らしていれば、その光が当たった円錐ミラーを撮像部で撮像することができる。
例えば、撮像部が撮像した画像を解析するなどすれば、画角内の円錐ミラーのサイズに基づいて撮像部と円錐ミラー（照射部）との距離を算出することができる。

また、望ましくは、
前記円錐ミラーと前記光源部はそれぞれ、前記加速度センサーと前記撮像部の間での配置を切り替え可能に前記支持部に取り付けられているようにする。
こうすることで、撮像部と円錐ミラーの距離、撮像部と光源部の距離、円錐ミラーと光源部の距離を調整することができる。

本発明によれば、真っ直ぐな細孔であっても不整形な細孔であっても好適に孔壁の内面形状を計測することができる。

本実施形態の孔壁面形状計測装置のプローブを示す斜視図（ａ）（ｂ）である。本実施形態の孔壁面形状計測装置の機能構成を示すブロック図である。孔壁面形状計測装置の照射部による光照射に関する説明図（ａ）と、図３（ａ）のIII−III線での断面図（ｂ）である。孔壁面形状計測装置のプローブの変形例を示す説明図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る孔壁面形状計測装置の実施形態について詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

本実施形態の孔壁面形状計測装置１００は、例えば、図１（ａ）（ｂ）に示すように、長尺な細孔Ｈ内に挿入可能な支持部１と、支持部１の先端に取り付けられた加速度センサー１０と、加速度センサー１０側を撮像可能な向きに支持部１に取り付けられた撮像部２０と、加速度センサー１０と撮像部２０の間に位置するように支持部１に取り付けられ、細孔Ｈの孔壁内面を照らすリング状の光を照射する照射部３０と、を備えたプローブ１００ａを備えている。
照射部３０は、円錐ミラー３１と、円錐ミラー３１の頂点に向けて光を出射する光源部３２を有している。
また、孔壁面形状計測装置１００は、例えば、図２に示すように、加速度センサー１０と、撮像部２０と、照射部３０の光源部３２と、操作部４０と、記憶部５０と、表示部６０と、上記各部を統括制御する制御部７０を備えている。
なお、加速度センサー１０と撮像部２０と照射部３０の光源部３２は、プローブ１００ａに備えられ、操作部４０と記憶部５０と表示部６０と制御部７０は、ケーブルを介してプローブ１００ａに繋がれているパソコン（ＰＣ）に備えられている。

支持部１は、例えば、３本の板バネで構成されており、可撓性を有している。
この支持部１は、４つの略円管状のホルダー１ａを支持しており、各ホルダー１ａの管内に、加速度センサー１０、光源部３２、円錐ミラー３１、撮像部２０が、それぞれネジ止めされて固定されている。各ホルダー１ａには、例えば、３方向からネジＮが管内に向けて螺入されており、３つのネジＮによって各部がホルダー１ａに固定されている。
この支持部１が可撓性を有しているので、真っ直ぐな細孔Ｈ内にも、不整形な細孔Ｈ内にもプローブ１００ａを挿入することができる。

加速度センサー１０は、例えば、上下、左右、前後の三軸方向に対する速度を検知することで、細孔Ｈ内に挿入したプローブ１００ａの位置情報を検出することができる。

撮像部２０は、例えば、ＣＣＤカメラであり、照射部３０によって照らされた細孔Ｈの孔壁内面を撮像する。

照射部３０の光源部３２は、例えば、半導体レーザー素子であり、例えば直径２ｍｍのレーザー光を出射する。
照射部３０の円錐ミラー３１は、円錐状の反射面を有している反射部材である。
プローブ１００ａにおいて、円錐ミラー３１は撮像部２０寄りの位置にあり、光源部３２は加速度センサー１０寄りの位置にあるように取り付けられている。
そして、円錐ミラー３１の頂点を含む反射面に、光源部３２が出射した直径２ｍｍのレーザー光を当てると、図１（ｂ）、図３（ａ）に示すように、円錐ミラー３１は約１ｍｍ幅のリング状の光を反射して、細孔Ｈの孔壁内面を照らすことができる。
つまり、光源部３２が出射する光の直径を調整することで、円錐ミラー３１が反射するリング状の光の幅を切り替えて、細孔Ｈの孔壁内面を照らす範囲を調整することができる。

また、円錐ミラー３１と光源部３２は、それぞれのホルダー１ａを支持部１に沿ってスライド移動させるようにして、加速度センサー１０と撮像部２０の間での配置を切り替えることができる。つまり、撮像部２０と円錐ミラー３１の距離、撮像部２０と光源部３２の距離、円錐ミラー３１と光源部３２の距離を調整することが可能になっている。
そして、撮像部２０に対する円錐ミラー３１と光源部３２の距離を調整することで、撮像部２０の焦点を、照射部３０（円錐ミラー３１及び光源部３２）がリング状の光で細孔Ｈの孔壁内面を照らした箇所に合わせる調整を行うことができる。

また、図３（ｂ）に示すように、ホルダー１ａの管内に突き出た３つのネジＮで固定されている円錐ミラー３１とホルダー１ａの間には隙間があり、光源部３２が出射した光の一部がこの隙間を抜けて撮像部２０側を照らすことができる。なお、隙間を抜けて撮像部２０側に漏れ出る光には、細孔Ｈの孔壁で乱反射した光が含まれている。
そして、撮像部２０が、その隙間から漏れた光を画像として取り込むようにすれば、撮像部２０の光軸のずれに関する判断基準として、その光の画像を画像処理に用いることができる。例えば、隙間から漏れた光の画像が正円状であれば、撮像部２０の光軸は円錐ミラー３１に対しずれのない適正な向きであると判断でき、隙間から漏れた光の画像が楕円状であれば、撮像部２０の光軸は円錐ミラー３１に対し斜めにずれていると判断できる。
また、撮像部２０が、その隙間から漏れた光が当たった照射部３０（円錐ミラー３１）を撮像して画像として取り込むようにすれば、画角内の照射部３０（円錐ミラー３１）のサイズに基づき、撮像部２０と照射部３０（円錐ミラー３１）との距離を算出する基準にすることができる。

操作部４０は、例えば、キーボード、マウス、タッチパネルであり、この操作部４０によって各種操作指示の入力や、各種データの入力や変更を行うことができる。
記憶部５０は、例えば、半導体メモリーであり、撮像部２０が撮像した細孔Ｈの孔壁内面の画像情報のデータや、後述する制御部７０（孔壁面画像情報作成手段）が作成した細孔Ｈの孔壁面形状の画像情報のデータを記憶する。
表示部６０は、例えば、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、有機ＥＬ（Electro Luminescence）素子を用いたＦＰＤ（Flat Panel Display）などである。この表示部６０には、細孔Ｈの孔壁内面の画像情報や、細孔Ｈの孔壁面形状の画像情報や、画像解析の結果などが表示される。

制御部７０は、孔壁面形状計測装置１００の動作を中央制御する。具体的には、制御部７０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などを有しており、ＲＡＭの作業領域に展開されたＲＯＭに記憶されたプログラムデータとＣＰＵとの協働により各部を統括制御する。
例えば、制御部７０は、撮像部２０が撮像した細孔Ｈの孔壁内面の画像情報と、加速度センサー１０が検出した細孔Ｈ内の位置情報とを対応付け、細孔Ｈの孔壁面形状の画像情報を作成する。
具体的に、制御部７０は、照射部３０によるリング状の光で照らされた細孔Ｈの孔壁内面を撮像部２０が撮像した画像情報と、その撮像時に加速度センサー１０が検出した細孔Ｈ内の位置情報とを対応付け、細孔Ｈの孔壁面形状の画像情報を作成する孔壁面画像情報作成手段として機能する。

この孔壁面形状計測装置１００を用いて、孔壁の内面形状を計測する場合、孔壁面形状計測装置１００のプローブ１００ａを細孔Ｈ内に挿入し、照射部３０（円錐ミラー３１及び光源部３２）がリング状の光で照らした細孔Ｈの孔壁内面を撮像部２０によって撮像する。
また、この撮像過程でのプローブ１００ａの動きを加速度センサー１０が検知することで、細孔Ｈ内に挿入したプローブ１００ａの位置情報を検出する。
そして、孔壁面画像情報作成手段として機能する制御部７０が、撮像部２０が撮像した細孔Ｈの孔壁内面の画像情報と、加速度センサー１０が検出した細孔Ｈ内の位置情報とを対応付け、細孔Ｈの孔壁面形状の画像情報を作成し、記憶部５０に記憶する。

こうして取得した細孔Ｈの孔壁面形状の画像情報に、周知の画像解析を施すことで、細孔Ｈの孔壁面の３次元画像を作成することができる。例えば、ユーザは、２値化した３次元画像から孔壁面の空隙面積の割合を算出するなどして、所望する計測データを取得することができる。
なお、プローブ１００ａを細孔Ｈ内に挿入する計測を複数回行って、複数の画像情報を取得し、その複数の画像情報に画像解析を施すなどして、各画像情報を補うようにすることが好ましい。

このように、本実施形態の孔壁面形状計測装置１００を使って、孔壁の内面形状を計測することができる。
そして、この孔壁面形状計測装置１００の支持部１は可撓性を有しており、撮像部２０や照射部３０を細孔Ｈに挿入した際、支持部１が細孔Ｈの形状に応じて弾性変形するので、真っ直ぐな細孔Ｈであっても、凹凸があったり湾曲したりするような不整形な細孔Ｈであっても好適に孔壁の内面形状を計測することができる。
また、この孔壁面形状計測装置１００のプローブ１００ａの先端には加速度センサー１０が取り付けられているので、プローブ１００ａを細孔Ｈの壁面に接触させたり、細孔Ｈの奥に突き当てたりしてしまっても、照射部３０（円錐ミラー３１及び光源部３２）や撮像部２０が損傷することはないので、孔壁の内面形状の計測を好適に行うことができる。
また、この孔壁面形状計測装置１００では、支持部１に取り付けた円錐ミラー３１と光源部３２の位置を調整することが可能であり、撮像部２０の焦点を、照射部３０（円錐ミラー３１及び光源部３２）がリング状の光で細孔Ｈの孔壁内面を照らした箇所に合わせる調整を行うことができるので、孔壁の内面形状の計測を精度よく行うことができる。

なお、本発明は上記実施形態に限られるものではない。
例えば、図４に示すように、孔壁面形状計測装置１００のプローブ１００ａにおいて、加速度センサー１０と撮像部２０の間に取り付けられる照射部３０用の略円管状のホルダー１ａとして、周方向の全周に亘って内周面から外周面に通じるスリットＳが形成されたものを用い、そのホルダー１ａの管内にＬＥＤなどの光源部を配設した照射部３０を備えた構成の装置であってもよい。
このような照射部３０を備えた孔壁面形状計測装置１００であっても、照射部３０が出射したリング状の光で照らした細孔Ｈの孔壁内面を撮像部２０で撮像することができ、細孔Ｈの孔壁面形状の画像情報を取得できる。

なお、以上の実施の形態においては、孔壁面形状計測装置１００（制御部７０）が作成した細孔Ｈの孔壁面形状の画像情報に、周知の画像解析を施して２値化した３次元画像を作成して細孔Ｈの孔壁面形状を調査することを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、光切断法による３次元画像解析を行って細孔Ｈの孔壁面形状を調査するなどしてもよい。

また、プローブ１００ａ先端の加速度センサー１０の端部にゴム製のクッション材を貼り付けるなどして、加速度センサー１０の保護を図るようにしてもよい。
また、細孔Ｈ内にプローブ１００ａをスムーズに挿入することを可能にするように、ホルダー１ａの周面にガイド部材を取り付けるようにしてもよい。

また、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。

１支持部
１ａホルダー
１０加速度センサー
２０撮像部
３０照射部
３１円錐ミラー
３２光源部
４０操作部
５０記憶部
６０表示部
７０制御部（孔壁面画像情報作成手段）
１００孔壁面形状計測装置
１００ａプローブ
Ｈ細孔
Ｎネジ
Ｓスリット

Claims

細孔内に挿入可能な可撓性を有する支持部と、
前記支持部の先端に取り付けられた加速度センサーと、
前記加速度センサー側を撮像可能な向きに前記支持部に取り付けられた撮像部と、
前記加速度センサーと前記撮像部の間に位置するように前記支持部に取り付けられ、前記細孔の孔壁内面を照らすリング状の光を照射する照射部と、
前記リング状の光で照らされた前記孔壁内面を前記撮像部が撮像した画像情報と、その撮像時に前記加速度センサーが検出した前記細孔内の位置情報とを対応付け、前記細孔の孔壁面形状の画像情報を作成する孔壁面画像情報作成手段と、
を備え、
前記照射部は、前記加速度センサーと前記撮像部の間での配置を切り替え可能に取り付けられていることを特徴とする孔壁面形状計測装置。
前記照射部は、円錐ミラーと、前記円錐ミラーに向けて光を出射する光源部とを有することを特徴とする請求項１に記載の孔壁面形状計測装置。
前記円錐ミラーは前記撮像部寄りの位置にあり、前記光源部は前記加速度センサー寄りの位置にあり、
前記光源部が出射した光の一部が前記撮像部側を照らすことを特徴とする請求項２に記載の孔壁面形状計測装置。
前記円錐ミラーと前記光源部はそれぞれ、前記加速度センサーと前記撮像部の間での配置を切り替え可能に前記支持部に取り付けられていることを特徴とする請求項２又は３に記載の孔壁面形状計測装置。