JP2008051707A - センサ素子及び充填検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】局所的な空気溜による不適切な充填判定を防止できるセンサ素子及び該センサ素子を用いた充填検知装置を得る。
【解決手段】充填検知装置１０に用いられるセンサ素子４は、一方の面に圧電セラミックス４１を取り付けた振動板４２の他方の面が検知面４２ａとなる方向で台座４３を介してケース４４に取り付けられて、前記検知面４２ａで気泡が引っかかる凹状部分を形成されなくした。
【選択図】図３

Description

本発明は、コンクリートやモルタル・グラウト等の充填物を施工する際の充填状況の検知に用いられるセンサ素子及び該センサ素子を用いた充填検知装置に関する。

従来、コンクリートやモルタル・グラウト等の充填物を施工する際に振動を利用した充填確認が行われている(例えば、特許文献１参照)。
特許文献１には、振動板に特定の周波数帯(可聴波領域)の電圧を印加して該振動板の共振点を検出し、異なる物質が触れることによる共振点の変化から充填確認を行う充填検知装置が開示されている。因みに、コンクリートやモルタル・グラウトに接触した場合、振動板の可動領域が拘束されて共振点が無くなる。

特開２００４−２０３８７号公報

しかしながら、従来の充填検知装置にあっては、センサ素子の一外面である検知面で形成された凹状部分があると、センサ素子をその検知面が真水平且つ真下に向くように取り付けた場合（この取り付け方法は「逆打ち」と呼ばれる）、コンクリート等の充填物中に存在する気泡が凹状部分に引っかかって、センサ素子の周りが充填物で充填されているにもかかわらず、空気と誤判定してしまう虞がある。
その様子を図示して説明すると、図９(ａ)に示すように、センサ素子１００をその検知面１０１が真水平且つ真下に向く逆打ち状態にしてコンクリート２００を打設した後、図９(ｂ)に示すように、充填されたコンクリート２００がバイブレータ３００によって締め固められる。この際、コンクリート２００を打設中にセンサ素子１００の一外面である検知面１０１で形成された凹状部分に引っかかったコンクリート２００中の気泡４００が、バイブレータ３００で振動をかけても取り除けないことがある。このとき、気泡４００がセンサ素子１００の検知面１０１の略全域を覆う大きさだと、センサ素子１００の検知面１０１が空気と接することになるので、コンクリート２００が充填されているにもかかわらず空気と誤判定してしまう。

この発明は係る事情に鑑みてなされたものであり、センサ素子周りの局所的な気泡による不適切な充填判定をすることがないセンサ素子及び該センサ素子を用いた充填検知装置を提供することを目的とする。

上記目的は下記構成により達成される。
（１） 電気エネルギを機械エネルギに変換するセンサ素子であって、
圧電素子と、一方の面に前記圧電素子が設けられ他方の面が検知面となる振動板と、前記振動板に設けられた前記圧電素子の周囲に空間を形成すると共に、少なくとも前記振動板の検知面が最外面となるように該振動板を支持するケースと、を具備することを特徴とする。

（２） 上記（１）に記載のセンサ素子において、前記振動板が、前記圧電素子を配置可能にした台座を介して前記ケースに取り付けられることを特徴とする。

（３） 上記（１）に記載のセンサ素子において、前記振動板が、前記ケースの一側面を形成するように該ケースと一体に形成されたことを特徴とする。

（４） 上記（１）〜（３）のいずれか１項に記載のセンサ素子と、周波数が経時的に変化する電気信号を前記センサ素子に印加する信号発生・印加手段と、前記信号発生・印加手段にて発生した電気信号が前記センサ素子に印加されることでそのセンサ素子の振動周波数特性を検出する周波数特性検出手段と、前記周波数特性検出手段で検出された前記センサ素子の振動周波数特性に基づいて充填物の充填状況を判定する判定手段と、を具備することを特徴とする。

上記（１）〜（３）に記載のセンサ素子は、検知面が最外面となるように振動板をケースに取り付けているので、振動板が真水平且つ真下に向くように取り付けられても、充填物中の気泡が引っかかることがない。

また、上記（４）に記載の充填検知装置では、上記センサ素子を備えてセンサ素子の一外面である検知面は気泡が引っかかる凹状部分でないので、センサ素子の周りがコンクリート等で充填されているにもかかわらず、空気と誤判定する虞がない。

以下、本発明を実施するための好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る充填検知装置の概略構成を示すブロック図である。
同図において、本実施の形態に係る充填検知装置１０は、同期信号発生器１と、可変周波数発振器２と、増幅器３と、センサ素子４と、抵抗５と、差動増幅器６と、４象限掛け算器７と、ローパスフィルタ８と、判定部９とを備えている。
同期信号発生器１は、可変周波数発振器２を繰り返し動作させるための同期信号を発生する。可変周波数発振器２は、周波数が所定の周波数範囲（例えば１ｋＨｚから２０ｋＨｚ）で連続的に変化する正弦波の電気信号を発生する。この場合、同期信号発生器１から同期信号が出力される毎に初期周波数（例えば１ｋＨｚ）から繰り返し正弦波信号を発生する。
増幅器３は、可変周波数発振器２からの正弦波信号を、センサ素子４を駆動できるレベルまで増幅し、加振用信号Ｖｒとして出力する。なお、本実施の形態では、同期信号発生器１、可変周波数発振器２及び増幅器３を含めて信号発生・印加手段と呼ぶ。また、抵抗５、差動増幅器６、４象限掛け算器７及びローパスフィルタ８を含めて周波数特性検出手段と呼ぶ。また、判定部９を判定手段と呼ぶ。

センサ素子４は、電気信号を機械信号に変換して出力するものである。
図２はセンサ素子４を示す平面図、図３は図２のＡ−Ａ線断面図である。
図２及び図３において、センサ素子４は、圧電セラミックス（圧電素子）４１と、一方の面に圧電セラミックス４１を固定して、他方の面が検知面４２ａとされた振動板(金属板)４２と、振動板４２を後述のケース４４に取り付けるための台座４３と、圧電セラミックス４１の周囲に空間を形成すると共に、少なくとも振動板４２の検知面４２ａが最外面となるように、この振動板４２を支持するケース４４と、振動板４２と台座４３との間、及び台座４３とケース４４との間の夫々に介挿され、ケース４４内へのコンクリート等の充填物の侵入を防止するシール材４５と、圧電セラミックス４１に接続するケーブル４６とを備えて構成される。

台座４３は、丸孔４３ｃを有するリング状に形成された端子部分４３ａと、この端子部分４３ａの一部分から半径外方向に延びるケーブル支持部分４３ｂとからなる所謂、丸型端子と呼ばれるものであり、端子部分４３ａには、圧電セラミックス４１を丸孔４３ｃの中央部に位置するように配置した状態で、振動板４２がシール材４５を介して取り付けられている。
すなわち、圧電セラミックス４１を丸孔４３ｃ内に配置した振動板４２が、圧電セラミックス４１を除いた周縁を台座４３によって支持されており、台座４３はシール材４５を介してケース４４に取り付けられる。

このように、振動板４２を台座４３の外側、つまり、台座４３のケース４４に取り付ける側と反対側に取り付けて、振動板４２の検知面４２ａをセンサの最外面とすることによって、振動板４２の厚み分だけ台座４３との間で段差が生じるものの、振動板４２の厚みは非常に薄いものであるので、振動板４２が真水平且つ真下に向くように取り付けられても、従来構造のように気泡が引っかかることがない。その様子を図４に示す。
図４(ａ)に示すように、センサ素子４をその振動板４２の検知面４２ａが真水平且つ真下に向くように不図示の構造体に取り付けた状態でコンクリート２００を打設した後、図４(ｂ)に示すように、コンクリート２００をバイブレータ３００によって締め固めると、この振動によって、コンクリート２００中の気泡４００が移動する。このとき、従来構造のように、センサ素子４の一外面である検知面４２ａを底にして気泡４００が引っかかるような凹状部分が形成されないので、気泡４００はセンサ素子４の検知面４２ａを通過する。このように、センサ素子４は、その検知面４２ａ側に気泡４００が引っかかるような大きさの凹状部分を持たないので、センサ素子４の周りがコンクリート２００で充填されているにもかかわらず、従来構造のように、気泡４００の存在によってコンクリート２００が未充填状態にあると誤判定する虞がない。すなわち、確実に充填物の有無を判定することができる。

なお、図３において、ケーブル４６は、その先端側が台座４３のケーブル支持部分４３ｂで支持された状態で、ケース４４の開口部に介挿したシール材４５を通ってケース４４内に導入される。そして、ケーブル４６の２本の電極線４７は、その一方が圧電セラミックス４１の一方の電極に接続され、他方が振動板４２を通して圧電セラミックス４１の他方の電極に接続される。
ケース４４は、圧電セラミックス４１の周囲に空間を保てる大きさに形成されている。センサ素子４に圧電セラミックス４１を使用することで装置を安価にできるとともに精度の高い検査が可能となる。

図１に戻り、抵抗５は、増幅器３とセンサ素子４との間に直列に介挿され、その両端にはセンサ素子４に流れる電流に応じた電圧が発生する。センサ素子４に流れる電流は周波数の変化によって変化するので、抵抗５の両端に現れる電圧はセンサ素子４の周波数特性を反映したものになる。
差動増幅器６は、抵抗５に発生する電圧を増幅して電圧Ｖｉを出力する。４象限掛け算器７は、増幅器３からの加振用信号Ｖｒと差動増幅器６からの電圧Ｖｉを乗算してこれらの電圧に対するノイズの影響を除去する。
ローパスフィルタ８は、４象限掛け算器７の出力信号から以下で説明するｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）分を除去した信号（出力電圧Ｖｏ）を出力する。

判定部９は、図示せぬＣＰＵ(Central Processing Unit)、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ(Read Only Memory)、Ａ／Ｄ(Analog/Digital)変換器、ＬＣＤ(Liquid Crystal Display)等の表示器を備えて構成される。判定部９は、センサ素子４にコンクリートを接触させないときの固有の振動周波数特性を基準として、ローパスフィルタ８を通過した信号から、センサ素子４に対するコンクリートの接触・非接触を判定するとともに、センサ素子４に接触した物質を判定し、それらの結果を上述した表示器上に表示する。因みに、センサ素子４の固有の振動周波数特性を一度設定しておくことで、以後メンテナンス時以外、再設定する必要はなくなる。なお、センサ素子４の固有の振動周波数特性は上記したＲＡＭに記憶される。また、上記したＣＰＵを制御するためのプログラムは上記したＲＯＭに記憶されている。

次に、本実施の形態の充填検知装置の動作を説明する。
可変周波数発振器２にて発生した正弦波信号が増幅器３で増幅されて加振用電圧Ｖｒとしてセンサ素子４と４象限掛け算器７とに入力される。センサ素子４に加振用電圧Ｖｒが入力されることでセンサ素子４から機械的振動が発生する。また、抵抗５の両端にはセンサ素子４に流れる電流に対応する電圧が発生し、この電圧が差動増幅器６にて増幅されて電圧Ｖｉが出力される。差動増幅器６からの電圧Ｖｉと増幅器３からの加振用電圧Ｖｒとが４象限掛け算器７にて乗算され、その出力がローパスフィルタ８にてｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）成分が除去されて出力電圧Ｖｏが得られる。

ローパスフィルタ８からの出力電圧Ｖｏは加振用信号の周波数変化に対するセンサ素子４の周波数特性（振幅と位相）を反映した信号になる。このときセンサ素子４の表面に何も接触していなければ、図５に示すように、センサ素子４の持つ固有振動数付近の周波数にピークを持った電圧が現れる。そして、センサ素子４の周りにコンクリートが充填された場合には、センサ素子４の振動特性が変化して、図６に示すように、ピーク電圧の位置と大きさが変化する。判定部９はこのピーク電圧の変化からコンクリートの充填状況を判定し、その結果を表示器上に表示する。このように、センサ素子４にコンクリートが接触すると、ピークの周波数とレベルが変化することで、コンクリートを検知することができ、ユーザは容易にコンクリートの充填状況を把握することができる。

ここで、上記作動原理を、数式を用いて説明すると以下のようになる。
この場合、Ｖｒ＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋α）、Ｖｉ＝Ｂｓｉｎ（ωｔ＋β）とする。但し、Ａ，Ｂは振幅、ωｔは周波数、αとβは位相のずれとする。
Ｖｒ×Ｖｉ＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋α）×Ｂｓｉｎ（ωｔ＋β）
＝ＡＢ［ｃｏｓ（β−α）−ｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）］／２ …（１）

式（１）のｃｏｓ（β−α）の部分は、位相差に合わせて変化する直流成分であり、ここに電圧Ｖｉの振幅成分も含まれる。また、ｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）の部分は、元の加振用電圧Ｖｒと電圧Ｖｉの２倍の周波数の信号である。必要とする周波数特性の情報は、電圧Ｖｉの振幅（大きさ）であるので、式（１）のｃｏｓ（β−α）のみで良い。したがって、ローパスフィルタ８を通過させてｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）の成分を除去すればよい。このようにして出力電圧Ｖｏには周波数特性が電圧の形で現れる。

このように、本実施の形態の充填検知装置によれば、振動板４２を台座４３を介してケース４４に取り付けた構造として、振動板４２に配置したセンサ素子４の一外面である検知面４２ａを底にして気泡が引っかかる凹状部分が形成されないようにしたので、センサ素子の局所的な気泡による不適切な充填判定を防止することができる。

図７は、本発明の第２の実施の形態に係る充填検知装置のセンサ素子を示す平面図である。また、図８は図７のＢ−Ｂ線断面図である。なお、図７及び図８において、前述した図２及び図３と共通する部分には同一の符号を付ける。 なお、本実施の形態の充填検知装置のセンサ素子１４において、圧電セラミックス４１と、圧電セラミックス４１を固定する振動板(金属板)４２とは、先の実施の形態と同じ構成である。しかし、この実施の形態では、先の実施の形態における台座４３が省略されて、圧電セラミックス４１を取り付けた振動板４２は、ケース１４４に直接取り付けられた構造となっている。言い換えれば、振動板４２はケース１４４の一側面を形成するように、モールド成形によりケース１４４と一体に形成されてケース１４４の一方の開口面を塞ぐ。また、ケース１４４の他方の開口面はケース蓋１４４ａによりシール部材４５を介して塞がれる。この構成により、本実施の形態のセンサ素子１４では、振動板４２の面とケース１４４端面との高さ一致が図られている。この結果、センサ素子１４の一外面である検知面を底にして形成される凹状部分がなくなり、小さな気泡が引っかかることもない。
また、先の第１の実施形態での台座４３が省略されているため、ケーブル４６の先端部分はケース１４４とケース蓋１４４ａで支持されるようになっている。そして、ケーブル蓋１４４ａの開口部に介挿したシール部材４５を通ってケース１４４内に導入されたケーブル４６の２本の電極線４７は、一方の電極線４７が圧電セラミックス４１の一方の電極に接続され、他方が振動板４２を通して圧電セラミックス４１の他方の電極に接続されている。

このように、本実施の形態の充填検知装置によれば、振動板４２をケース１４４に直付けする構造とし、振動板４２の面とケース１４４端面との高さ一致を図って一外面である検知面を底にして気泡が引っかかる凹状部分を形成されなくしたセンサ素子１４を備えるので、センサ素子の局所的な気泡による不適切な充填判定を防止することができる。

なお、上記実施の形態では、単一の周波数範囲の正弦波を用いたが、周波数範囲を切り替える不図示の周波数範囲切替器を設けて、複数の周波数範囲の正弦波を択一的に選択できるようにしても良い。この場合、可変周波数発振器２は、周波数範囲切替器にて切り替えられた範囲の周波数帯で正弦波信号を繰り返し発生させる機能を有することになる。このように複数の周波数範囲の正弦波を択一的に選択できるようにすることで、プレキャストコンクリート型枠の構造や材質等の物理的な特性に応じて測定に最適な周波数範囲を選択することができ、これによって、より精度の高い測定が可能となる。

センサ素子周りの局所的な気泡による不適切な充填判定を回避することができるといった効果を有して、コンクリートのプレキャストコンクリート型枠等の閉鎖空間内の充填状況を検出する充填検知装置への適用が可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る充填検知装置の概略構成を示すブロック図である。 図１の充填検知装置に用いられるセンサ素子の平面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 本発明に係るセンサ素子を使用した場合のコンクリート内を流動する気泡の様子を示す図で、（ａ）はコンクリートの打設初期状態、（ｂ）はコンクリートが打ち上がり状態を示す。 充填検知装置での測定結果の一例を示す図で、コンクリート充填前の出力電圧波形図である。 充填検知装置での測定結果の一例を示す図で、コンクリート充填後の出力電圧波形図である。 本発明の第２の実施の形態に係る充填検知装置のセンサ素子の平面図である。 図７のＢ−Ｂ線断面図である。 従来のセンサ素子を使用した場合のコンクリート内を流動する気泡の様子を示す図で、、（ａ）はコンクリートの打設初期状態、（ｂ）はコンクリートが打ち上がり状態を示す。

符号の説明

１ 同期信号発生器
２ 可変周波数発振器
３ 増幅器
４、１４ センサ素子
５ 抵抗
６ 差動増幅器
７ ４象限掛け算器
８ ローパスフィルタ
９ 判定部
４１ 圧電セラミックス
４２、１４２ 振動板
４３ 台座
４３ａ 端子部分
４３ｂ ケーブル支持部分
４４、１４４ ケース
４５ シール材
４６ ケーブル
４７ 電極線
２００ コンクリート
３００ バイブレータ
４００ 気泡

Claims (4)

1. 電気エネルギを機械エネルギに変換するセンサ素子であって、
   圧電素子と、一方の面に前記圧電素子が設けられ他方の面が検知面となる振動板と、前記振動板に設けられた前記圧電素子の周囲に空間を形成すると共に、少なくとも前記振動板の検知面が最外面となるように該振動板を支持するケースと、を具備することを特徴とするセンサ素子。
2. 前記振動板が、前記圧電素子を配置可能にした台座を介して前記ケースに取り付けられることを特徴とする請求項１に記載のセンサ素子。
3. 前記振動板が、前記ケースの一側面を形成するように該ケースと一体に形成されたことを特徴とする請求項１に記載のセンサ素子。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のセンサ素子と、周波数が経時的に変化する電気信号を前記センサ素子に印加する信号発生・印加手段と、前記信号発生・印加手段にて発生した電気信号が前記センサ素子に印加されることでそのセンサ素子の振動周波数特性を検出する周波数特性検出手段と、前記周波数特性検出手段で検出された前記センサ素子の振動周波数特性に基づいて充填物の充填状況を判定する判定手段と、を具備することを特徴とする充填検知装置。

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