JP2005156432A - 破断音センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 高感度で耐久性に優れた破断音センサーを提供すること。
【解決手段】 被測定物であるプレストレスコンクリート構造物Ａに密着して取付けられ
る受信板３と、該受信板３を介して前記被測定物Ａに埋設された緊張材Ｘの破断によって
生じた弾性波を受信し、該弾性波を電気信号に変換する圧電セラミックス素子４と、該圧
電セラミックス素子４を収納するケーシング２とを備えた破断音センサ１であって、前記
ケーシング２を構成する円筒形部分２ａと蓋部分２ｂの全部を、マシナブルセラミックス
により形成した破断音センサとした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、破断音センサに関するもので、更に詳しくは、高感度で耐久性に優れた破断
音センサに関するものである。

例えば、道路橋や鉄道橋などのコンクリート構造物は、経時的な繰り返し荷重を受ける
ため、緊張材を埋設したプレストレスコンクリート構造物が使用されている。これらのプ
レストレスコンクリート構造物においては、緊張材の破断を検知することが、劣化による
構造物全体の崩壊を事前に予測するために非常に重要である。

特に、近年においては、凍結防止材の散布や高速道路の活荷重量の増加などにより、既
存の道路橋や鉄道橋などのコンクリート構造物への負荷が増加している。凍結防止材に含
まれる塩分は、コンクリート構造物中の鉄筋などの補強材を腐食させるため、構造物全体
の耐力を低下させてしまう。特に、プレストレストコンクリート構造物では、塩分等によ
り鋼製の緊張材が腐食し破断した場合、構造物全体の崩壊に至る危険性が高いため、その
状況を長期にわたってセンサにより正確にモニタリングする必要がある。
これ故、プレストレストコンクリート構造物の緊張材の破断をモニタリングするセンサ
は、耐久性に優れたものであることが重要となる。

また、コンクリート中に埋設してある緊張材の破断音を高感度に検出するためには、緊
張材近傍にセンサを設置することが望ましく、そのために、コンクリートを削孔し、セン
サを埋設する技術が特許文献１に開示されている。
しかし、一般的にこのような埋め込み型のセンサにおいても、これまではセンサ自体に
は何ら耐久性を確保する為の工夫がなされておらず、センサを収納するケーシングは、金
属、例えば鉄或いはアルミニウム等で作られていたため、後述するように耐久性に問題が
あった。また、これまでのセンサでは、破断音の検出感度も十分なものではなかった。
そこで、高耐久性で、しかも緊張材の破断音を長期に渡り高感度に検出し得る破断音セ
ンサの出現が強く望まれていた。

特公平５−６４２９９号公報

即ち、例えばセンサのケーシングが鉄である場合は、塩分の浸入によって腐食すること
があり、アルミニウムである場合は、コンクリート中のアルカリ成分と反応して水素ガス
を発生させ、膨張圧によりコンクリート中にひび割れを発生させる憂いがある。また、ケ
ーシングが他の金属類である場合は、コンクリート中に埋設すると、緊張材である鉄との
イオン化傾向の違いによりその間に腐食電池が形成され、緊張材の腐食を促進させてしま
う恐れがある。
そこで、本発明の第１の課題は、コンクリート中に埋設したときのセンサのこのような
耐久性の問題を解消した破断音センサを提案することにある。

また、コンクリート中で発生する緊張材の破断（弾性波）エネルギーは、コンクリート
内部を伝播する。従って、埋設したセンサが破断音を高感度に検出するためには、センサ
全体でこの伝播エネルギーを検出できればよい。
そこで、本発明の第２の課題は、センサ全体で破断音を検出することができる高感度な
破断音センサを提案することにある。

上記した課題を解決するため、請求項１の本発明は、被測定物であるプレストレスコン
クリート構造物に密着して取付けられる受信板と、該受信板を介して前記被測定物に埋設
された緊張材の破断によって生じた破断音を受信し、該破断音を電気信号に変換する電気
音響変換子と、該電気音響変換子を収納するケーシングとを備えた破断音センサであって
、前記ケーシングを、セラミックスにより形成した破断音センサとした。

また、請求項２の本発明は、上記請求項１の発明において、上記セラミックスの音響イ
ンピーダンスを、上記被測定物の音響インピーダンスと近似したものとした。

また、請求項３の本発明は、上記請求項１の発明において、上記セラミックスの音響イ
ンピーダンスを、上記被測定物の音響インピーダンスと上記電気音響変換子の音響インピ
ーダンスの両者と近似したものとした。

また、請求項４の本発明は、上記請求項１〜３のいずれかの発明において、上記セラミ
ックスを、マシナブルセラミックス、ステアタイトセラミックス、フォルステライトセラ
ミックス、或いはＰＺＴセラミックスのいずれかとした。

セラミックスは、非金属であるために塩分の浸入によっても鉄とは異なり腐食すること
がない。また、セラミックスは、アルミニウムとは異なりコンクリート中のアルカリ成分
と反応して水素ガスを発生させることがない。さらに、セラミックスは、他の金属類とは
異なり緊張材である鉄とのイオン化傾向の相違により腐食電池を形成することがなく、緊
張材の腐食を促進させる憂いもない。
上記のようなことから、ケーシングをセラミックスにより形成した本発明に係る破断音
センサは、耐久性の優れたセンサとなる。

また、音響インピーダンスがＺ１とＺ２との異なる材料が接触している場合、その境界
面における平面波の反射率Ｒは、（Ｚ１−Ｚ２）／（Ｚ１＋Ｚ２）の二乗に比例し、透過
率Ｔは、（１−Ｒ）である。即ち、音響インピーダンスが近似したもの同士が接触してい
るほど、その境界面における平面波の反射率は小さく、透過率は大きくなる。

ここで、平面波に対する音響インピーダンスＺは、音速ｖと密度ρの積（Ｚ＝ｖ・ρ）
である。代表的な数値を挙げると、コンクリートの音響インピーダンスは１０×１０^６ｋ
ｇ／ｍ^２ｓ程度、鉄の音響インピーダンスは４５×１０^６ｋｇ／ｍ^２ｓ程度である。また
電気音響変換子である圧電セラミックス素子の作成、或いは受信板の作成に多用されてい
るＰＺＴセラミックスの音響インピーダンスは２３×１０^６ｋｇ／ｍ^２ｓ程度、その他の
セラミックスであるマシナブルセラミックスの音響インピーダンスは１５×１０^６ｋｇ／
ｍ^２ｓ程度、ステアタイトセラミックスの音響インピーダンスは１９×１０^６ｋｇ／ｍ^２
ｓ程度、フォルステライトセラミックスの音響インピーダンスは２１×１０^６ｋｇ／ｍ^２
ｓ程度である。

そのため、従来、鉄製であったセンサ（電気音響変換子）のケーシングを、セラミック
スにより形成した請求項１の本発明に係る破断音センサ、また、前記ケーシングを形成す
るセラミックスの音響インピーダンスを、被測定物であるコンクリートの音響インピーダ
ンスと近似したものとした請求項２の本発明に係る破断音センサ、更には、前記ケーシン
グを形成するセラミックスの音響インピーダンスを、被測定物であるコンクリートの音響
インピーダンスと上記電気音響変換子である圧電セラミックス素子の音響インピーダンス
の両者と近似したものとした請求項３の本発明に係る破断音センサは、被測定物とケーシ
ング、ケーシングと電気音響変換子との各境界面における破断音の反射がより起こり難い
構造のものとなり、ケーシングに、緊張材の破断音をセンサ受信部に伝える導波棒的な役
割をさせることができ、このために、例えば鉄製ケーシングにより形成されたセンサ（電
気音響変換子）で破断音を検出するよりも、高感度に破断音を検出することができるセン
サとなる。
ここで、上記ケーシングを形成する好適なセラミックスとしては、マシナブルセラミッ
クス、ステアタイトセラミックス、フォルステライトセラミックス、或いはＰＺＴセラミ
ックスが挙げられる。

なお、上記において、「コンクリートの音響インピーダンスと近似したもの」とは、音
響インピーダンスがコンクリートの０．８〜３．０倍の範囲にあるもの、即ち、コンクリ
ートの音響インピーダンスは１０×１０^６ｋｇ／ｍ^２ｓ程度であるため、音響インピーダ
ンスが８×１０^６〜３０×１０^６ｋｇ／ｍ^２ｓの範囲にあるセラミックスを言う。また、
「コンクリートの音響インピーダンスと電気音響変換子である圧電セラミックス素子の音
響インピーダンスの両者と近似したもの」とは、音響インピーダンスが、コンクリートと
電気音響変換子である圧電セラミックス素子の両者の間にあることを言い、コンクリート
の音響インピーダンスは、上述したように１０×１０^６ｋｇ／ｍ^２ｓ程度、電気音響変換
子は、例えば多用されているＰＺＴセラミックスの音響インピーダンスは２３×１０^６ｋ
ｇ／ｍ^２ｓ程度であるため、音響インピーダンスが１０×１０^６〜２３×１０^６ｋｇ／ｍ
^２ｓの範囲にあるセラミックスを言う。

さらに、センサを被測定物の緊張材近傍に埋設して使用することで、本発明に係る破断
音センサは、緊張材の破断音検出を良好に行な得るとともに、センサに対する外気温の変
動を最小限に抑えることができ、センサの受けるダメージが少なく、高い信頼性を長期に
わたって維持することができるものとなる。

以下、上記した本発明に係る破断音センサの実施の形態を、図面等を参照しながら詳細
に説明する。
ここで、図１は本発明の好ましい実施の形態に係る破断音センサの概念的断面図、図２
は同じく本発明の好ましい実施の形態に係る破断音センサのブロックダイアグラムである
。また、図３は本発明に係る破断音センサをコンクリート中に埋設した状態を示した概念
的断面図である。

この実施の形態に係る破断音センサ１では、ケーシング２が円筒形部分２ａと蓋部分２
ｂとから構成されている。上記円筒形部分２ａの一端は上記蓋部分２ｂで閉じられ、他端
は受信板３で閉じられている。上記受信板３に電気音響変換子である圧電セラミックス素
子４が固定されている。上記圧電セラミックス素子４を励起する電気信号、及び該圧電セ
ラミックス素子４の検出電気信号などを伝達するリード線群５が、ケーブル６を介して外
部に引き出されている。

上記ケーシング２を構成する蓋部分２ｂは、上記ケーシング２を構成する円筒形部分２
ａと一体に形成することも可能である。また、上記受信板３及び圧電セラミックス素子４
は、この実施の形態においては共にＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）セラミックスで形成
されているが、この材料に限られるものではなく、特に、受信板３については、ケーシン
グ２を構成する後記するセラミックスと同種のセラミックスを使用して形成することが、
ケーシング２と受信板３との境界面で破断音の反射が生じ難いために好ましい。

また、この実施の形態では、上記圧電セラミックス素子４の背面に中間部材７と第２の
圧電セラミックス素子８が設けられている。この中間部材７は、音響減衰率の小さい材料
からなり、上記した両圧電セラミックス素子４，８の共振周波数を調整するために設けら
れている。また、上記第２の圧電セラミックス素子８は、図２に示した駆動回路１４から
の信号により検査音響信号を発生し、上記圧電セラミックス素子４の受信感度等の自己診
断を行なう。
なお、上記中間部材７は、この実施の形態においては真鍮で形成されており、上記第２
の圧電セラミックス素子８は、圧電セラミックス素子４と同様にＰＺＴセラミックスで形
成されているが、これらの材料に限られるものではない。

本発明に係る破断音センサ１においては、上記ケーシング２の全部（円筒形部分２ａと
蓋部分２ｂの両者）或いは少なくともその一部（例えば、円筒形部分２ａのみ）が、セラ
ミックスにより形成される。このセラミックス製ケーシング２の肉厚は、センサの大きさ
、使用するセラミックスの種類等にも左右されるが、２〜５ｍｍとすることが、強度及び
経済性の観点から好ましい。

この実施の形態では、上記ケーシング２を構成する円筒形部分２ａと蓋部分２ｂの両者
が、２ｍｍ程度の肉厚のマシナブルセラミックスで形成されている。
なお、このセラミックス製ケーシング２は、通常のセラミックス製品の製造方法と同様
の方法で形成すれば良い。

上記ケーシング２を形成するセラミックスは、コンクリートの音響インピーダンスと近
似した音響インピーダンスを有するセラミックスから選択されることが好ましく、更には
、コンクリートの音響インピーダンスと、センサ本体である電気音響変換子の音響インピ
ーダンスの両者と近似した音響インピーダンスを有するセラミックスから選択されること
がより好ましい。これは、被測定物であるコンクリート内部で発生した緊張材の破断に基
づく破断音を、被測定物とケーシングとの境界面等において反射させることなく効率的に
センサ本体である電気音響変換子に伝達し得るセンサを提供できるためである。

上記の観点から、本発明のケーシングの材料として採用できる好ましいセラミックスと
しては、マシナブルセラミックス、ステアタイトセラミックス、フォルステライトセラミ
ックス、或いはＰＺＴセラミックスが挙げられる。
セラミックスの音響インピーダンスは、材料組成、焼結前のかさ密度、焼結温度、更に
は焼結時間等により変動するが、前述の通り、上記したマシナブルセラミックスの音響イ
ンピーダンスは１５×１０^６ｋｇ／ｍ^２ｓ程度、ステアタイトセラミックスの音響インピ
ーダンスは１９×１０^６ｋｇ／ｍ^２ｓ程度、フォルステライトセラミックスの音響インピ
ーダンスは２１×１０^６ｋｇ／ｍ^２ｓ程度、ＰＺＴセラミックスの音響インピーダンスは
２３×１０^６ｋｇ／ｍ^２ｓ程度である。これらは、鉄の音響インピーダンスである４５×
１０^６ｋｇ／ｍ^２ｓ程度と比べ、コンクリートの音響インピーダンスである１０×１０^６
ｋｇ／ｍ^２ｓ、また電気音響変換子である圧電セラミックス素子の作成に多用されている
ＰＺＴセラミックスの音響インピーダンスである２３×１０^６ｋｇ／ｍ^２ｓと近似したも
のである。

本発明に係る上記破断音センサ１は、図３に示したように、緊張材Ｘを埋設したプレス
トレスコンクリート構造物である被測定物Ａに埋設して使用される。そして、緊張材Ｘの
破断により破断音が発生すると、その破断音は被測定物Ａ中を伝わり、センサのケーシン
グ全体を振動させる。この際、本発明に係る破断音センサ１のケーシング２の音響インピ
ーダンスは、コンクリートの音響インピーダンスと近似したものであるため、その境界面
において破断音に基づく振動は反射することなく効率的にケーシング２に伝わり、さらに
破断音センサ１の底部の受信板３を介してセンサ本体である圧電セラミックス素子４に伝
達される。

圧電セラミックス素子４において、上記伝達された破断音は電気信号に変換され、その
変換された圧電セラミックス素子４の電気信号出力は、ケーブル６を介して外部に設置さ
れた測定ボックス１０に導かれる。測定ボックス１０内には、図２に示したように、フィ
ルタ１１が設けられ、該フィルタ１１において破断音の周波数帯域の信号が取り出され、
破断音信号処理部１２において信号処理がなされ、破断音の発生が記録されたり、破断音
の発生箇所が特定されたり、警告灯１３を点灯させて構造物の異常を管理者に知らせるこ
となどがなされる。

また、定期或いは不定期に、第２の圧電セラミックス素子８は駆動回路１４からの信号
により検査音響信号を発生し、該第２の圧電セラミックス素子８からの検査音響信号に起
因する信号を受信した圧電セラミックス素子４の信号は、図２に示したように、第２のフ
ィルタ１５によって取り出され、検査音響信号処理部１６に送られ、そこで信号解析がな
され、圧電セラミックス素子４の受信感度等の自己診断が行なわれる。

上記検査音響信号処理部１６の機能は、上記駆動回路１４への検査音響信号発生の指示
、判定のための基準値の設定及びその記憶、記憶した基準値と上記圧電セラミックス素子
４が検出した検査音響信号に起因する信号との比較、及びその比較に基づく判定、前記判
定結果の出力などである。

以上、本発明に係る破断音センサの実施の形態を説明したが、本発明は、何ら既述の実
施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した本発明の技術的思想の範囲内において
、種々の変形及び変更が可能であることは当然である。

例えば、上記実施の形態における破断音センサ１の構造は一例を示したに過ぎず、例え
ば、中間部材７、第２の圧電セラミックス素子８などの存在は必須ではない。
また、被測定物Ａへの破断音センサ１の埋設構造も何ら上記実施の形態に限定されず、
既存の種々の埋設構造が利用できるものである。

本発明の好ましい実施の形態に係る破断音センサの概念的断面図である。 本発明の好ましい実施の形態に係る破断音センサのブロックダイアグラムである。 本発明に係る破断音センサをコンクリート中に埋設した状態を示した概念的断面図である。

符号の説明

１ 破断音センサ
２ ケーシング
２ａ 円筒形部分
２ｂ 蓋部分
３ 受信板
４ 圧電セラミックス素子（電気音響変換子）
５ リード線群
６ ケーブル
７ 中間部材
８ 第２の圧電セラミックス素子
１０ 測定ボックス
１１ フィルタ
１２ 破断音信号処理部
１３ 警告灯
１４ 駆動回路
１５ 第２のフィルタ
１６ 検査音響信号処理部
Ｘ 緊張材
Ａ 被測定物（プレストレスコンクリート構造物）

Claims (4)

1. 被測定物であるプレストレスコンクリート構造物に密着して取付けられる受信板と、該
   受信板を介して前記被測定物に埋設された緊張材の破断によって生じた破断音を受信し、
   該破断音を電気信号に変換する電気音響変換子と、該電気音響変換子を収納するケーシン
   グとを備えた破断音センサであって、前記ケーシングが、セラミックスにより形成されて
   いることを特徴とする、破断音センサ。
2. 上記セラミックスの音響インピーダンスが、上記被測定物の音響インピーダンスと近似
   したものであることを特徴とする、請求項１に記載の破断音センサ。
3. 上記セラミックスの音響インピーダンスが、上記被測定物の音響インピーダンスと上記
   電気音響変換子の音響インピーダンスの両者と近似したものであることを特徴とする、請
   求項１に記載の破断音センサ。
4. 上記セラミックスが、マシナブルセラミックス、ステアタイトセラミックス、フォルス
   テライトセラミックス、或いはＰＺＴセラミックスのいずれかであることを特徴とする、
   請求項１〜３のいずれかに記載の破断音センサ。
   

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