JP2005078473A - 無線センサ用保護ケース - Google Patents

Abstract

【課題】 コンクリート構造物に埋設される無線センサを、コンクリート中の熱、アルカリ、水分、コンクリートの受ける応力等から好適に保護し、コンクリート構造物中で異物とならない無線センサ用保護ケースを提供する。
【解決手段】 ２〜４層の構造とし、好適には、非導電性無機材料により構成した最外層３と、振動吸収材により構成した内層４とを含む保護層２を備え、コンクリート構造物中に埋設される無線センサ７を、上記保護層２により保護することとした。開口部１を備える場合には、該開口部１を多孔質構造にした蓋部６を用いて閉成し、該蓋部を透過した検知対象を、内蔵する無線センサ７によって検知する。形状は、円柱状、半カプセル状、卵形状、球形状等のように応力が集中しない形状とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、無線センサ用保護ケース（以下単に保護ケースともいう）に関する。より詳しくは、本発明は、新設又は補修・補強後のコンクリート構造物のコンクリート中に埋設され、そのようなコンクリート構造物におけるコンクリートや鉄筋等の構成材料やそれらによる構造の状態変化あるいは損傷の発生とその進展状況を検知するための無線センサを保護する保護ケースに関する。

トンネル、橋梁、橋脚、及びビルディング等のコンクリート構造物は、供用開始後に外部から受ける繰り返し荷重等によって、ひび割れが発生する場合がある。また、海沿いの地域では、飛来する塩分がコンクリート構造物の内部へ浸透し、鉄筋を腐食させることによって、ひび割れが発生する場合がある。さらに、トンネルの場合、その覆工工事後に、地山と覆工間に空洞や漏水が発生することがある。このようなコンクリート構造物の損傷については、その発生・進行の状況を適切に把握することが必要である。これによって、コンクリート構造物をタイムリーに補修又は補強することが可能となる。

しかし、コンクリート構造物中の各種状態変化を調査する従来の方法は、多くの場合、人的作業に依存するものであり、多大な労力及びコストが必要であった。これに対し、近年、コンクリート構造物又は地中等に無線センサを埋め込み、外部読み取り装置から電磁波を利用して無線センサに電源を供給し、無線センサが取得した構造物内部の状態変化に関する情報を取得する方法が提案されている（特開２００１−２０１３７３号公報、特許第３４１６８７５号公報）。

また、棒状又は線状の電気抵抗体を有するひび割れ検知部、電気抵抗体の電気抵抗値を測定する電気抵抗測定部、測定された電気抵抗値のデータ信号を送信する送信部及び各部に電力を供給する電源部を備えたひび割れ検知装置をコンクリート構造物に埋設し、ひび割れ検知装置より送信されたデータ信号を受信する受信部、及び受信したデータ信号を解析するデータ解析部を備えたデータ解析装置をコンクリート構造物の外部に設けたひび割れ検知システム（特開２００３−１０７０３０号公報）も提案されている。

ここで、コンクリート構造物内の各種状態変化を検知する方法として、各種無線センサをコンクリート構造物中に埋設した場合、コンクリート中の熱、アルカリ、水分、コンクリートの受ける応力等の影響により、無線センサが腐食したり、損傷を受けたりして故障するおそれがある。

ところが、コンクリート構造物に埋設してコンクリートの各種状態変化を無線により検知する無線センサを腐食又は損傷を与えることなく長期間正常に稼動できるようにするための適切なセンサ保護手段は、未だ提案されていない。
また、従来のように金属ケースで保護した場合には、そのケースが異物として作用したり無線センサに対して障害となるおそれがある。
特開２００１−２０１３７３号公報 特許第３４１６８７５号公報 特開２００３−１０７０３０号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、コンクリート構造物に埋設される無線センサを、コンクリート中の熱、アルカリ、水分、コンクリートの受ける応力等から好適に保護し、コンクリート構造物中で異物とならない無線センサ用保護ケースを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、コンクリート構造物におけるコンクリートや鉄筋などの構成材料やそれらによる構造の状態変化あるいは損傷の発生とその進展状況を検知するためコンクリート中に埋設される無線センサを保護する保護ケースであって、２〜４層の複層構造からなり、少なくとも最外層は非導電性無機材料から成ることを特徴とする。

状態変化を検知するセンサ：
状態変化を検知するセンサの例としては、湿度、ｐＨ、イオン、ガスなどを検知する化学センサ等を挙げることができる。
湿度センサとしては、高分子フィルムの両面に電極として金属を蒸着したもので、湿度変化によって高分子膜が吸水・放出し、電極間の静電容量や電気伝導度を測定する高分子系センサ、セラミックスなどの金属酸化物や多孔質無機物質に電極を設置し、電極間の電気伝導度や静電容量の変化を測定するセラミックス系センサ等を挙げることができる。
イオンセンサとしては、ｐＨセンサをも含めて、Ｈ⁺、Ｎａ⁺、Ｋ⁺、ＮＨ₄ ⁺、Ｍｇ²⁺、Ｃａ²⁺、Ｃ１^-、ＮＯ₃ ^-、ＨＣＯ₃ ^-などのイオンを検知するイオン選択性電極等が挙げられる。イオン選択性電極としてｐＨを測定するガラス膜を利用したガラス電極、Ｆ^-，Ｃｌ^-、Ｂｒ^-、Ｉ^-などのハロゲンを検知する金属塩の単結晶や粉末を用いた固体膜を利用したイオン電極、Ｃｌ^-、ＮＯ₃ ^-、Ｋ⁺、２価イオンを検知するイオン電極でイオン交換体やニュートラルキャリアをポリ塩化ピニルなどの高分子に固定化または含浸した電極等が利用でき、特に、構造物の塩害よる劣化に関わるＣｌ^-を検知するセンサとして、対極にＡｇ／ＡｇＣｌ電極、参照電極にＣｕ／ＣｕＳＯ₄を備えたセンサが使用できる。また、イオンセンサとして、イオン選択性電界効果トランジスタ（１ＳＦＥＴ）もイオンセンサとして利用でき、例えば、電子受容体として７，７，８，８−テトラシアノキノジメタンを用いた有機金属系錯体系のイオンセンサが挙げられる．
ガスセンサとしては、酸化物半導体ガスセンサ、電界効果形ガスセンサ、電界形ガスセンサ等を挙げることができ、またイオンセンサである隔膜ガルパニ電池法を用いて溶存酵素を測定することもできる。

損傷の発生とその進展状況を検知するセンサ：
損傷の発生とその進展状況を検知するセンサの例としては、変位、圧力（歪）等を検知する機械センサや電流、電荷、伝導性などを検知する電気センサを挙げることができる。
圧力（歪）を検知する機械センサとしては、酸化亜鉛(ＺｎＯ)のように加えられた圧力の量に比例して自発的に電圧信号を発生する半導体を利用することにより損傷の発生とその進展状況を検知するセンサを使用することができる。
圧力を検知する方法として、圧電素子を用いてもよい。圧電素子を用いる方法として、コンクリート構造物に生じる加速度やコンクリート内を伝わる音波を圧電素子で検知しコンクリートに損傷を与える何らかの情報、例えば、地震や車の衝突による衝撃などによって生じる加速度、鉄筋の腐食膨張やアルカリ骨材反応によって生じるコンクリートの膨張破壊で発生する音、コンクリート中の鉄筋やプレストレストコンクリートにおけるＰＣ鋼材の破断音を検知してもよい。
また、センサとして、コンクリート構造物に使用される鉄筋の腐食の度合いを検知するために、鉄ではない金属、具体的には鉄よりイオン化傾向の小さい金、白金などの金属を使用して鉄筋との電位差を測定してもよい。さらに、センサの電極として２種類以上の異種の金属、例えば、鉄と白金被覆チタンを、鉄筋のかぶり位置、あるいは深さの異なる数箇所に配置し、金属間を流れる電流を測定することによって、コンクリート構造物の鉄筋を腐食させる原因となる塩化物イオンのコンクリートヘの浸透を検知するセンサを構築することができる。

本発明に係る無線センサ用保護ケースは、２〜４層の複層構造から成り、その最外層は、非導電性無機材料から成る。この最外層は、耐アルカリ性、低熱伝道率、耐熱性、耐水性、耐応力性を備えることが好適である。

例えば、プレキャスト部材のようなコンクリート部材は、工場において製造されており、製造から出荷までの期間が２週間程度と短いため、出荷までの間に所要の強度を発現させる必要がある。この手段として、工場内で打設したコンクリートは、打設終了から数時間後に温度５０〜７０℃、相対湿度９０％以上の蒸気養生を施される。

ここで、樹脂等により単に防水加工を施した無線センサをコンクリート打設前に型枠内の所定位置に取り付けた場合、取り付けた無線センサは、強アルカリ（ｐＨ＝１３以上）雰囲気に晒される。これは、コンクリート中に含まれるセメントと水が反応することにより生成される水酸化カルシウムに起因する。このことから、上記最外層は、このような強アルカリ雰囲気に対抗できる耐アルカリ性を備えることが必要である。そして、無線センサは、上記したような蒸気養生中に高温度、高湿度に晒される。したがって、上記最外層は低熱伝導性を備え、内部の無線センサが高温とならないようにすることが好適である。また、蒸気養生中の高温（５０〜７０℃）に耐えるために、８０℃以上の耐熱性を備えることが好適である。そして、無線センサを保護する観点で、水溶解性がなく、水分を透過させないようにする耐水性も備えることが好適である。さらに、コンクリート打設時に型枠内に流動するコンクリートの流動圧、コンクリートに含まれる砂利等の衝突から直接的に応力、衝撃、振動を受けることが想定されるので、耐衝撃性等の耐応力性も備えることが好適である。

さらに、無線センサ用保護ケースは、コンクリート構造物中に埋設されるので、コンクリート構造物中で、他の骨材と同様の化学的、物理的挙動を示すことが好ましい。すなわち、異物として存在するのではなく、コンクリート構造物の構成要素として機能することが好適である。このようなことから、外層は、セメント、モルタルと親和性の良い材料とすることが好適である。
また、本発明の保護ケースは、無線センサ用保護ケースであるので、金属等の導電性無機材料は、無線通信の障害となり、好ましくない。

以上のことから、最外層を構成する材料は、電磁波を遮蔽しない非導電性無機材料であることが好適である。上記のような特性を備えた無機材料としては、例えば、アルミナセラミックス、アルミナ、ムライト、コージライト、ステアタイト、フォルステライト、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニア、高強度モルタルを挙げることができる。

ここで、最外層の大きさは、保護ケース自体の大きさを規定する。鉄筋コンクリートのかぶり厚は、構造物の種類によって異なるが通常は３０〜８０ｍｍ程度であり、鉄筋から表層部のかぶりコンクリート層に埋設することから、かぶり厚より１０ｍｍ小さい寸法とするのが良い。次に、最外層の厚みは１ｍｍ〜５ｍｍが好適である。この範囲であれば、衝撃力や応力に対して耐えられる強度を確保できる。また、この範囲であれば、保護ケースのサイズが過大とならず、かぶりコンクリート層に埋設できる。

また、最外層は、保護ケースの形状も規定する。保護ケースの形状は、角部を極力少なくしたものが好適である。一つは、コンクリート打設前の鉄筋を組んだ状態で無線センサ取り付けた場合、コンクリート打設時に受ける衝撃力が角部に集中し保護ケースが破壊するのを避けるためである。また、別の理由として、無線通信において、角部の影響を避けるためである。具体的に、好適な形状としては、球型、卵型、円柱型、湾曲型を挙げることができる。

なお、先に述べたように、金属は、耐衝撃性、耐水性が高いものの、熱伝導率が非常に大きく無線センサに与える温度の影響が大きくなるので、最外層を構成する材料としては不適当である。また、金属は、電磁波から内部を遮蔽してしまう特性があり、無線通信手段の機能を阻害する。すなわち、無線通信に悪影響を与えることから上記最外層を構成する材料として適さない。

さらに、本発明に係る無線センサ用保護ケースは、その保護層が振動吸収材により構成した少なくとも一の内層を含むのが好ましい。この内層は、外部からの振動・衝撃によるエネルギーを吸収する。また、この内層は、無線センサ内部に水分が浸入しないように透湿性の低い材料で構成することが好適である。また、上記最外層と同様に耐熱性を備えることが好適である。

このような特性を備えた上記内層を構成する材料としては、各種合成ゴム、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル等の合成樹脂、発泡スチロールや発泡ウレタン等の発泡性材料等がある。特に合成ゴムが好適であり、具体的には、ウレタンゴム、クロロプレンゴム、エチレンプロピレンゴム、シリコンゴムを挙げることができる。内層の厚みは、０．１〜５ｍｍが好ましい。この範囲では、良好な衝撃吸収性が得られ、保護ケース自体が大型化せず、コンクリート構造物の鉄筋かぶり厚さ内のサイズとなり、取り付けが容易である。

前記最外層と内層を備えた保護ケースは、当業者にとって公知の方法を組み合わせることによって製造することができる。例えば、最外層は特開平０９−０５２７５７号公報に記載の方法によって、アルミナセラミックス原料粉末を従来公知の鋳込成形を行い、脱型・乾燥を行った後に、最高焼成温度が１５５０〜１６５０℃の範囲内で少なくとも１時間以上保持することにより製造できる。また、内層は特開平５−２０２２８５号公報に記載の方法によって、ウレタンプレポリマーに架橋剤とガラスマイクロバルーンを混合してなるポリウレタンゴム組成物を注型用の型に流し込み硬化させることにより製造できる。そして、製造した最外層セラミックスに内層ゴムを挿入することにより保護ケースを製造できる。

なお、本発明に係る保護ケースは、一般的には上記のような２層構造が好適である。しかし、さらに３層、４層構造とする場合も本発明に含まれる。
３層構造とする場合、保護ケースは、最外層と中間層とを、耐アルカリ性、低熱伝導率、耐熱性、耐水性、耐応力性を兼ね備えた非導電性無機材料の２重構造とし、２層構造の場合と同様の内層（振動吸収材）を設けた構成とすることが好適である。または、最外層を耐アルカリ性、低熱伝導率、耐熱性、耐水性、耐応力性を兼ね備えた非導電性無機材料で構成し、中間層と内層とを、前記した２層構造の場合と同等の特性を備えた内層（振動吸収材）とすることが好適である。

４層構造とする場合、３層構造と同様に最外層のみを耐アルカリ性、低熱伝導率、耐熱性、耐水性、耐応力性を兼ね備えた非導電性無機材料とし、最内層に振動吸収材を３重に備えた構成とするか、最外層から内側の２層目まで、又は３層目までを耐アルカリ性、低熱伝導率、耐熱性、耐水性、耐応力性を兼ね備えた非導電性無機材料とし、最内層に振動吸収材を備えた構成とすることが好適である。振動吸収材で内層を構成するときは、いずれも前記した２層構造での内層と同等の特性を備えた内層とする

本発明の適用対象となる無線センサは、検知対象によっては、周囲の物質の濃度等の状況を直接検知する必要はない。このような場合には、全体を保護ケース内に収容できる。

しかし、検知対象によっては、周囲の物質の濃度等の状況を直接検知する必要がある。このような場合には、保護ケース内に無線センサを配置後、保護ケースの開口部を蓋部で閉じる構造とすることが好適である。この蓋部は、蓋としての機能の他に、センサの種類に応じて検知対象を透過させ、又は蓋部自身が検知部となる。そこで、このような機能を発揮することができるような構造としたり、このような目的に適合するように蓋部の材質を選定する必要がある。すなわち、上記蓋部を機能性構造又は機能性材料で構成することが好適である。

機能性構造：
機能性構造としては、例えば多孔質構造、光透過性構造、振動・音波伝達構造を挙げることができる。多孔質構造は、毛細管現象を利用することにより、コンクリート硬化体中に含まれる各種物質をより迅速に検知できる。光透過性構造は、光、赤外線などを検知できる。振動・音波伝達構造は、振動、音波などを検知できる。

機能性材料：
機能性材料とは、物理的、化学的状態変化検知した際に自発的に電圧信号を発生する材料をいう。例えば、酸化亜鉛(ＺｎＯ)は、加えられた歪の量に比例して自発的に電圧信号を発生するので、歪センサ用の蓋部として用いることができる。物理的、化学的状態変化の具体例としては、例えば、温度、圧力、衝撃、振動、化学種の検出・化学種の濃度変化、被曝熱量等を挙げることができる。これら機能性材料の具体例としては、前述の酸化亜鉛などの金属酸化物を用いた圧電素子でコンクリート内で生じる音波や振動を検知する。あるいは、コンクリート構造物で使用する鉄筋とイオン化傾向の異なる金属、例えば、金などの金属材料を使用して鉄筋との電位差を計測し、鉄筋の腐食の状況や、化学種の濃度変化として塩化物イオン濃度の違いによる電位差の変動を検知する、等の方法を挙げることができる。

機能性構造の一例として、イオンセンサのようにイオン物質等を検知する場合、蓋部は多孔質構造で構成することが好適である。イオン物質等としては、塩化物イオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、酸素、二酸化炭素等を挙げることができる。
蓋部を毛細管から成る多孔質構造にすることにより、検知対象外の物質がセンサ内に進入する影響を極力排除しつつ、蓋部を透過した検知対象を検知できる。すなわち、多孔質構造では毛細管現象が起こり、この毛細管現象によって水分中に溶け込んでいる検知対象となるイオン物質が蓋部を透過する。これによって、設置したイオンセンサ近傍のコンクリート構造物中に含まれる検知対象となるイオン物質を迅速に検知できる。
このような多孔質構造を構成する好適なものとしては、耐アルカリ性、耐熱性、耐衝撃性の観点から、セラミックス、各種セメント硬化体を具体的に挙げることができる。

上記において、多孔質構造の空隙率は、１５〜６０％が好適であり、空隙径は、０．００１〜１μｍが好適である。この範囲の空隙率であれば、多孔質構造の強度を良好とでき、コンクリートを流し込んだ際に砂利等が衝突しても破壊されにくく、毛細管現象も良好に機能し、検知対象の検知に時間を要することもない。また、この範囲の空隙径であれば、セメント粒子等検知対象以外の物質が空隙径に侵入することがなく、検知対象を精度良く検知でき、毛細管現象が良好に機能し、検知対象を迅速に検知できる。なお、蓋部自体の、保護ケースの表面積全体に占める面積割合は、２５％以下とすることが好適である。

また、機能性材料を用いた場合の一例として、コンクリート構造物の内部に発生している歪等の応力を検知する場合、保護ケースの蓋部自身が電気信号を発生する特性をもったものを使用する。このような物質として酸化亜鉛（ＺｎＯ）を挙げることができる。酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、加えられた歪の量に比例して自発的に電圧信号を発生する。このため、センサを簡素化できることと電流を流す必要がなくセンサ自身の発熱による寿命低下も改善できる。なお、この場合には、多孔質構造とする必要はない。

保護ケースの蓋部に用いる材料の線膨張係数は、コンクリートの線膨張係数１０×１０^-6／℃よりも小さくすることが好ましい。このようにすれば、保護ケースと蓋部の間に緩みが生じることがなく、生じた隙間から湿分等が進入せず、無線センサ内の精密装置を腐食、故障させることがない。保護ケースの蓋部に用いる材料の厚みは、使用するセンサの種類に応じて定められる。通常は０．ｌｍｍ〜５ｍｍの範囲で最適なものを選ぶ。この範囲であれば多孔質構造であっても割れにくく、検知対象を迅速に検知できる。

多孔質構造の製造方法は、当業者にとって公知のものを採用することができる。例えば、主成分となる無機材料中に空隙形成材としてカーボン粉未、小麦粉、澱粉、フェノール樹脂、発泡樹脂、発泡済みの発泡樹脂、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレンテレフタレート等を添加し、４００℃以上の高温で焼成することにより作製することができる（特開２００３−２１２６７２号公報）。なお、空隙径及び空隙率は、空隙形成材の粒度、添加量に応じて決定することができる。

多孔質構造で構成した蓋部は、非導電性無機材料から成る最外層と少なくとも一の内層から成る保護層によって構成した保護ケース内に、無線センサを配置・固定した後、保護ケースに樹脂で接着される。
すなわち、保護ケース内で無線センサが動くのを防止するために絶縁性樹脂(ボンド)を用いて、無線センサを固定する。その際、使用する絶縁性樹脂(ボンド)は市販のものを使用できる。無線センサを保護ケース内に取り付け後、無線センサと保護ケース内に隙間が生じることがある。このような場合、この隙間に絶縁性樹脂を注入しても良い。その際、使用する絶縁性樹脂は市販のものを使用できる。
上記絶縁性樹脂は、好適なものとしてＡＢＳ樹脂、ポリスチレン樹脂、塩化ビニル樹脂、メタクリル樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、エポキシ樹脂を挙げることができる。これらの樹脂は、耐アルカリ性、耐熱性、耐水性、耐衝撃性を備える。
なお、蓋部をねじ蓋として構成し、開口部をねじ蓋式に閉成する構造とすることもできる。

なお、上記のような保護ケースの開口部で用いる多孔質構造材を接着するための樹脂は、最外層のような無機材料に比較して、コンクリートを構成する材料との親和性は少ない。しかし、開口部自体の表面積に占める割合は、１０％内に収めることができる。したがって、無線センサがコンクリート構造物中で異物として機能することはない。

本発明に係る無線センサを内蔵した保護ケースは、新設のコンクリート構造物の場合、コンクリート打設前に組んだ鉄筋に直接又はスペーサーを用いて取り付けられる。既設のコンクリート構造物の場合、鉄筋が見える状態になるまでコンクリートをはつり、鉄筋に直接又はスペーサーを用いて取り付けられる。埋設位置は、鉄筋より表層部のかぶりコンクリート層に埋設することから、表面より２０ｍｍから鉄筋表面までとすることが好適である。ただし、表層がモルタルの場合、表面より５ｍｍから鉄筋表面までとすることが好適である。

本発明によれば、コンクリート構造物でのコンクリート中に埋設される無線センサを、無線センサの機能を阻害することなく、また、異物として作用することなく、コンクリート中の熱、アルカリ、水分、コンクリートの受ける応力等から好適に保護する無線センサ用保護ケースが提供される。

以下に、添付図面を参照して、本発明に係る無線センサ用保護ケースの実施の形態を説明する。

図1に、本発明に係る無線センサ用保護ケースの一実施の形態を示す。
この保護ケースは、開口部１を有し、保護層２をその本体部としている。保護層１は、アルミナセラミックス等の無機材料で構成した外層３とウレタンゴム等の弾性材料で構成した内層４との２層構造から成る。開口部１には、多孔質材料で構成した蓋部６が配置され、該蓋部６の周囲をエポキシ樹脂層５で埋め、これによって開口部１を閉成している。

外層３は、内蔵された無線センサ７を保護するために、先に説明したように、耐アルカリ性、低熱伝道率、耐熱性、耐水性、耐応力性を有する。また、内層４は、内蔵された無線センサ７に、外部からの振動・衝撃によるエネルギーが直接印加されないようにするための層である。また、内層４は、先に説明したように、無線センサ内部に水分が浸入しないように透湿性が低く、上記外層３と同様に耐熱性を備える。

無線センサ７の検知する情報は、外部の操作者が操作する読み取り装置（図示せず）によって読み取られる。無線センサ７と読み取り装置が電磁波を介して通信することで、無線センサ７で検知された情報をコンクリート構造物の外部に伝達することができる。

このような機能を発揮するために、無線センサ７は、センサ部８、アンテナ部９、本体部１０を主たる構成要素として含む。これらの構成要素を備えることにより、センサ部８で検知した検知対象に関する情報を、本体部１０に伝達し、本体部１０で処理された情報を外部の読み取り装置にアンテナ部９から無線で発信する。
後述するように、本体部１０には、検知対象、無線センサの仕様等に応じて当業者に公知の各種デバイスを組み込むことができる。なお、外部の読み取り装置からは、当業者に公知の手段により、無線センサ７の駆動電源も無線で供給することができる。
センサ８及びアンテナ部９は必ずしも保護ケース内にある必要はなく、センサ部は検知の対象とするコンクリート内の内部に設置してもよく、また、アンテナ部は電磁波を効率的に送受信できる部位、例えば、コンクリート表面に設けてもよい。

センサ部８は、検知対象となる、塩化物イオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、酸素、二酸化炭素等のイオン物質の種類に応じて適切なイオンセンサとすることができる。
また、他の物理量である、湿度、温度等を併せて又は単独で検知できるように構成することもできる。歪を検知対象とする場合、蓋部６は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を構成材料とすることが好適である。

アンテナ部９としては、アルミニウム、銅等の金属類、フェライト等の導電性材料を用い、中空の巻き線、又は磁性体巻き線として用いることが望ましい。また、その形状はリング状、棒状、円盤状等の適当な形状としたものを用いることができる。

本体部１０は、変調装置、充電／電源部、メモリ、復調装置、ＣＰＵ、センサ制御部等を無線センサの仕様に応じて含む。
充電／電源部は、マンガン電池、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池などの各種の電池、水素やメタノール等から発電する燃料電池の電池を備え、無線センサの各部に電気を供給し、あるいは外部から供給される電磁波からの誘電電圧を一時的に蓄え、あるいはコンクリート外部に設置した太陽光発電で得た電気を蓄える蓄電機能を備えたものであってもよい。メモリには予め登録された固有の識別番号、外部からの情報、コンクリート構造物内の状態変化の記録、その他必要な情報を記憶させることができる。ＣＰＵ（セントラル・プロセシング・ユニット）は送受信の信号のデータ処理、センサ部８からのアナログ情報のデジタル変換、電源のコントロール、その他データ処理を行うものである。メモリは、全体の制御を行うオペレーティングシステムが格納されているＲＯＭ（リード・オンリー・メモリー）、データの書き換えや構造物の状態を検知するプログラムが格納されているＥＥＰＲＯＭ又はＦＲＡＭ、検知した情報を記録するＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリー）等を含む。さらに、メモリにはセンサ部８のＩＤ番号（識別番号）を搭載してもよく、また、読み取り装置からコンクリート構造物の埋め込み位置に関する情報をＲＡＭに書き込み、これら情報をセンサ部８で検知した情報と共に読み取り装置で読み取ってもよい。

上記した外部の読み取り装置は、無線センサ７に対応して、アンテナ、変調装置、復調装置、メモリ、ＣＰＵ、電源を供給するための電源部を含む。なお、このような読み取り装置は、必要に応じてセンサ部からの情報を直接、あるいはデータ処理を行って外部出力端子を介して他の装置に出力させるような構成とすることができる。
なお、コンクリートの電磁波吸収特性を調査した結果、電磁波はその周波数が高くなるほど減衰率が大きくなる特性を有する。アンテナを無線センサ７に内蔵し、かつ外部電磁波によって無線センサ７を駆動する場合、通信に用いる電磁波の周波数は好ましくは１００ＭＨｚ以下であり、３００ＫＨｚ以下とした場合にはより多くの情報を伝達することができる。また、無線センサ７に電池を有する場合は、高い出力とすることができるが、その場合でも６ＧＨｚ以下である必要がある。このように用いる周波数帯を選択することによって、深い位置に埋設した無線センサからの信号を読み取り装置で捉えることが可能となる。

図1の実施の形態に係る保護ケースは、蓋部６の側を底面とした円柱状に構成されている。全体の大きさ、外層３及び内層４の厚み等の寸法諸元は、先に説明した範囲を満たすことが好適である。

本実施の形態に係る無線センサの保護ケースは、保護層２によって、コンクリート中の熱、アルカリ、水分、コンクリートの受ける応力等から無線センサ７を好適に保護する。また、開口部１においても、蓋部６の周囲のエポキシ樹脂層５が保護層２と同様の保護を行う。蓋部６は、多孔質材料で構成され、毛細管現象により水分が蓋部６を透過し、溶け込んだ検知対象がセンサ部８に接触し、センサ部８によって検知される。

なお、本発明に係る無線センサ用保護ケースは、図1に示す実施の形態に限定されるものではなく、角部を極力少なくした形状であれば良い。図２に示すように、円柱状の形状２１だけでなく、半カプセル形状２２、卵形２３、球形２４といった形状とすることができる。このようにすれば、衝撃が加わっても、過大な応力が発生することがない。
上記のうち、半カプセル形状２２の場合、底面を蓋部として構成することが好適である。

本発明に係る無線センサ用保護ケースを、具体的実施例についてさらに説明する。
図１の実施の形態と同様の構成の保護ケースを準備し、無線センサ７を内蔵した。外層３として、外寸３０ｍｍ、内寸２４ｍｍ、厚み３ｍｍのアルミナセラミックスを備え、内層４として、厚み１．５ｍｍのウレタンゴムを供える２層からなる保護層２を有し、高さ３０ｍｍの円柱状保護ケースを作製した。本保護ケース内に塩化物イオンを検知するイオンセンサを設置した。イオン電極にＡｇ／ＡｇＣｌ電極、参照電極にＣｕ／ＣｕＳ０₄を用いたものを使用した。保護ケースの開口部１の蓋部６は、空隙率５０％、平均空隙径０．１μｍ、厚み１．５ｍｍのアルミナセラミックスを２液硬化型エポキシ樹脂５により取り付けた。

このように無線センサ７を内蔵した保護ケースは、幅２．１ｍ、高さ３０ｃｍ、奥行き１ｍの寸法となるコンクリート型枠内でスペーサーを用いて表面から１ｃｍ、３ｃｍの深さ位置になるように各３個ずつ取り付けた。その後、コンクリートを打設し、打設終了から３時間経過後に、昇温速度１５℃／ｈｒにて温度６０℃まで昇温させ、その後、温度６０℃、湿度９０％以上の条件にて蒸気養生を５時間施し、蒸気養生終了から２週間屋外にて気中養生を行った。

２週問の気中養生終了後、埋設した無線センサに対して読み取り装置から１３４．２ＫＨｚの電磁波を送信しセンサの検知情報取得を行った結果、塩化物イオン量は０．２ｋｇ／ｍ³である結果が得られた。その後、ＮａＣｌ濃度３％溶液５Ｌをコンクリート上側表面に噴霧し、乾燥させる操作を継続して実施したＮａＣｌ濃度３％溶液を噴霧開始から９日後に、深さ１cmに埋設したセンサで塩化物イオンを検知し噴霧開始から８１日後に深さ３cmに埋設したセンサで塩化物イオンを検知したそして噴霧開始から９２日後における深さ１cm及び深さ３cmのセンサ部における塩化物イオン量は、それぞれ６.９０ｋｇ／ｍ³及び０.４６ｋｇ／ｍ³であることを確認した。

比較例
一方、実施例１の保護ケースをウレタンゴムの１層からなることを除き、全て実施例１と同様に試験を行った。
その結果、全ての無線センサについて、応答が得られなかった。このため、コンクリートを解体し無線センサを取り出し確認したところ、保護ケース内の無線センサが破損していることを確認した。

本発明に係る無線センサ用保護ケースは、コンクリート構造物に埋設される無線センサに広く適用することができる。

本発明に係る無線センサ用保護ケースの一実施の形態を示す断面図である。 本発明に係る無線センサ用保護ケースについて、その形状の各種形態を示す概念的斜視図である。

符号の説明

１ 開口部
２ 保護層
３ 外層
４ 内層
５ エポキシ樹脂層
６ 蓋部
７ 無線センサ
８ センサ部
９ アンテナ部
１０ 本体部

Claims (3)

1. コンクリート構造物におけるコンクリートや鉄筋などの構成材料やそれらによる構造の状態変化あるいは損傷の発生とその進展状況を検知するためコンクリート中に埋設される無線センサを保護する保護ケースであって、２〜４層の複層構造からなり、少なくとも最外層は非導電性無機材料からなることを特徴とする無線センサ用保護ケース。
2. 上記において、無線センサ用保護ケースは蓋部を有し、該蓋部は機能性構造あるいは機能性材料から成ることを特徴とする請求項1に記載の無線センサ用保護ケース。
3. 上記において、無線センサ用保護ケースの外形状が、円柱状、半カプセル状、卵形状、球形状のいずれかであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の無線センサ用保護ケース。

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