JP2011089871A - 埋め込み型計測システム及び埋め込み型計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コンクリート構造物内部に位置ずれ及び配線断の発生しにくいセンサーユニットを設置する。
【解決手段】鉄筋及び前記鉄筋の周囲に打設されたコンクリートの状態を検出する少なくともひとつのセンサーと、前記少なくともひとつのセンサーにより検出された検出データの送信を行う送信部と、を有し、前記少なくともひとつのセンサー及び前記送信部が、第１の鉄筋と第２の鉄筋とを固定する固定具に実装されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばコンクリートの中や地中に計測部を埋め込んで使用する埋め込み型計測システム、及びこのシステムで用いる埋め込み型計測方法に関する。

従来、例えば腐食等によるコンクリート内部の破壊状況の検査には、Ｘ線を照射してコンクリート内部を撮影するＸ線探査と呼ばれる方法や電磁波をコンクリート内部に照射しコンクリート内部の埋設物からの反射波を受信して解析するレーザー探査と呼ばれる方法などが用いられている。しかしながら、コンクリート構造物の構成によっては、Ｘ線探査及びレーザー探査を行う機器の設置が不可能で検査ができない部分があることから、近年、センサーをコンクリート内に埋め込み、センサーの検出データを無線などで受信し解析することで、コンクリート内部の破壊状況を検査する方法が用いられるようになってきている。

例えば、特許文献１には、コンクリート打設の際にＲＦＩＤモジュールを入れることが提案されている。また、特許文献に２には、センサー素子をシース管に取り付けＲＦＩＤなどを含むセンサー本体部を鉄筋に固定することが提案されている。

特開２００６−７１５７５号公報 特開２００８−９３９９１号公報

しかしながら、特許文献１で提案された方法ではコンクリート打設の際はコンクリート自体に流動性があることからＲＦＩＤの位置がずれてしまい、期待する位置と異なる位置に埋め込まれる可能性がある。また、特許文献２で提案された方法では、センサー素子及びセンサー本体部のずれは防げるものの、コンクリートの硬化ムラや内部破壊自体によってセンサー素子とセンサー本体部とを接続する配線が切断される可能性がある。

本発明は、上述の課題の少なくともひとつを解決するためになされたものであり、以下の埋め込み型計測システムの形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
本適用例に係るひとつの埋め込み型計測システムは、鉄筋及び前記鉄筋の周囲に打設されたコンクリートの状態を検出する少なくともひとつのセンサーと、前記少なくともひとつのセンサーにより検出された検出データの送信を行う送信部と、を有し、前記少なくともひとつのセンサー及び前記送信部が、第１の鉄筋と第２の鉄筋とを固定する固定具に実装されていることを特徴とする。

この構成によれば、センサー及び送信部を第１の鉄筋と第２の鉄筋とを固定する固定具に実装することで、第１の鉄筋と第２の鉄筋とを固定する位置は定められていることから期待する位置にセンサーを設置することができ、また、センサーと送信部を結ぶ配線の切断を防ぐことができる。

［適用例２］
上記の適用例に係る埋め込み型計測システムにおいて、前記検出データは無線により前記送信部から送信データとして送信されることが好ましい。

この構成によれば、検出データを取り出すための配線をなくすことができる。

［適用例３］
上記の適用例に係る埋め込み型計測システムにおいて、更に、コマンド及び前記コマンドに付随するパラメーターの受信を行う受信部を有し、前記送信データの送信は、前記検出データを送信することを指示する前記コマンド、又は、前記コマンド及び前記パラメーターを前記受信部が受信することにより行われることが好ましい。

この構成によれば、検出データを送信することを指示するコマンドを受信したときに検出データを送信することで、送信部が常時送信データを送信するのに比較して消費電力を小さくすることができる。また、コマンドだけでなく、コマンドに付随したパラメーターを受信することで、埋め込まれたセンサー及び送信部の動作モードの設定などを外部から行うことができるシステムの構成が可能となる。

［適用例４］
上記の適用例に係る埋め込み型計測システムにおいて、前記固定具は、クリップ状の形状を有していることが好ましい。

この構成によれば、固定具がクリップ状の形状を有していることで、第１の鉄筋と第２の鉄筋とを固定する作業を容易にすることができる。

［適用例５］
上記の適用例に係る埋め込み型計測システムにおいて、前記第１の鉄筋及び前記第２の鉄筋により電力が供給されることが好ましい。

この構成によれば、固定具に電力供給源がなくともセンサーの検出データを得ることができる。このため、例えばセンサー及び送信部などを動作させるために埋め込んでおいた電池が消耗してしまったとしても、外部から電力の供給が可能であるため長期に亘る使用が可能となる。また、固定具の位置がコンクリート構成物の奥深くにあり無線により電力供給ができない場合でも電力の供給を行うことができる。また、固定具は第１の鉄筋及び第２の鉄筋を固定してあることから、コンクリート構成物に埋め込まれた複数の鉄筋の中から第１の鉄筋及び第２の鉄筋を選択することで、検出データを取り出したい固定具の選択が可能となる。

［適用例６］
本適用例に係るひとつの埋め込み型計測方法であって、鉄筋及び前記鉄筋の周囲に打設されたコンクリートの状態を検出する少なくともひとつの検出手段及び前記少なくともひとつの検出手段により検出された検出データの送信を行う送信手段を、第１の鉄筋と第２の鉄筋とを固定する固定具に実装し、前記コンクリートの打設時及び打設後の前記第１の鉄筋、前記第２の鉄筋及び前記コンクリートの状態を前記送信手段から送信される前記検出データを含む送信データにより計測することを特徴とする。

この方法によれば、検出手段及び送信手段を第１の鉄筋と第２の鉄筋を固定する固定具に実装することで、第１の鉄筋と第２の鉄筋とを固定する位置は定められていることから期待する位置に検出手段を設置することができ、また、検出手段と送信手段とを結ぶ配線の切断を防ぐことができる埋め込み型計測システムを構築することが可能となる。

［適用例７］
上記の適用例に係る埋め込み型計測方法において、更に、コマンド及び受信データの受信を行う受信手段を有し、前記送信データの送信は、前記検出データを送信することを指示する前記コマンド、又は、前記コマンド及び前記受信データを前記受信手段が受信することにより行われることが好ましい。

この方法によれば、検出データを送信することを指示するコマンドを受信したときに検出データを送信することで、送信手段が常時送信データを送信するのに比較して消費電力を小さくすることができる。また、コマンドだけでなく、コマンドに付随した受信データを受信することで、埋め込まれた検出手段及び送信手段の動作モードの設定などを外部から行うことができる。

［適用例８］
上記の適用例に係る埋め込み型計測方法において、前記固定具は、クリップ状の形状を有していることが好ましい。

この方法によれば、固定具がクリップ状の形状を有していることで、第１の鉄筋と第２の鉄筋とを固定する作業を容易にすることができる。

センサーモジュールを実装した固定具の設置例を示す図。 センサーモジュールを実装した固定具の例を示す図。 Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各々にかかる力の向きとＸ軸歪センサー、Ｙ軸歪センサー及びＺ軸歪センサーの配置の例を示す図。 方向センサーの状態と固定具の状態の対応を示す図。 図４における固定具の状態を図示化した図。 埋め込み型計測システムの実施形態のイメージを示す図。 センサーモジュールのブロック図。 センサーモジュールの処理の一部のフローチャートを示す図。 ホスト機器３０の処理の一部のフローチャートを示す図。

以下、本発明に係る埋め込み型計測システム及び埋め込み型計測方法について、図を用いて説明する。

（第１実施形態）
本実施形態は、各種センサー及び制御部／送受信部を実装した、第１の鉄筋と第２の鉄筋とを固定するクリップ状の固定具のひとつの例を示すものである。図１に、第１の鉄筋１、第２の鉄筋２、及び、第１の鉄筋及び第２の鉄筋を固定している固定具１０を示す。また、図２に、固定具１０及び固定具１０に装着した各種センサー及び制御部／送信部を示す。図１から分かるように、第１の鉄筋１と第２の鉄筋２とは直交する方向に固定具１０により固定されている。説明の便宜上、図１において、第１の鉄筋１に平行な方向をＹ軸の方向、第２の鉄筋２に平行な方向をＸ軸の方向、Ｙ軸の方向及びＸ軸の方向に直交する方向をＺ軸の方向とする。

図２に示すように、固定具１０には、Ｘ軸歪センサー１１、Ｘ軸方向センサー１２、Ｙ軸歪センサー１３、Ｙ軸方向センサー１４、Ｚ軸歪センサー１５、Ｚ軸方向センサー１６、モジュール制御部１７、送信データの送信及び受信データの受信に用いるアンテナ１８及び温度センサー１９が実装されている。本実施形態においては、各種センサー及び回路などに供給する電力供給源はモジュール制御部１７内に含まれるものとし、特に電力供給源の図示及び説明は行わない。以降、固定具１０に実装されている、Ｘ軸歪センサー１１、Ｘ軸方向センサー１２、Ｙ軸歪センサー１３、Ｙ軸方向センサー１４、Ｚ軸歪センサー１５、Ｚ軸方向センサー１６、モジュール制御部１７、送信データの送信及び受信データの受信に用いるアンテナ１８及び温度センサー１９を含めてセンサーモジュールと呼ぶ。

図４にＸ軸方向センサー１２、Ｙ軸方向センサー１４及びＺ軸方向センサー１６に用いた方向センサー５０と、Ｘ軸方向センサー１２、Ｙ軸方向センサー１４及びＺ軸方向センサー１６の出力の組み合わせでわかる固定具１０の方向を示す一覧表とを示す。また、図５に、図４の一覧表で示した固定具１０の方向を示す角度に対応した固定具１０の状態（向き）を示す。尚、図４（Ｂ）〜（Ｄ）及び図５において、図中では書面下方向が重力方向である。

方向センサー５０は、第１電極５１、第２電極５２及び導電体５３を絶縁部材で覆った構造を有する。第１電極５１と第２電極５２とが重力方向に位置し、導電体５３が第１電極５１及び第２電極５２に接すると第１電極５１と第２電極５２とが通電の状態となる（図４（Ａ）の状態）。導電体５３は常に重力方向に位置しようとすることから、方向センサー５０が所定の角度以上傾斜すると導電体５３が第１電極５１及び第２電極５２の両方に接する状態ではなくなり、第１電極５１と第２電極５２とは非通電の状態となる（例えば、図４（Ｂ）及び（Ｃ）の状態）。方向センサー５０は、Ｘ軸方向センサー１２、Ｙ軸方向センサー１４及びＺ軸方向センサー１６として、図４の一覧表に従ったｏｎ又はｏｆｆとなる向きに固定具１０に実装されている。

図３は、Ｘ軸方向から圧力がかかった場合（Ａ）、Ｙ軸方向から圧力がかかった場合（Ｂ）及びＺ軸方向から圧力がかかった場合（Ｃ）を示した図である。Ｘ軸方向の圧力を検出するために、Ｘ軸歪センサー１１は固定具１０のＸ軸に平行となる面に設置してある。同様に、Ｙ軸歪センサー１３は固定具１０のＹ軸に平行となる面に設置してあり、Ｚ軸歪センサー１５は固定具１０のＺ軸と平行となる面に設置してある。

図７に本実施形態におけるセンサーモジュールのブロック図を示す。図７には、モジュール制御部１７０、Ｘ軸歪センサー１１０、Ｙ軸歪センサー１３０、Ｚ軸歪センサー１５０、温度センサー１９０、Ｘ軸方向センサー１２０、Ｙ軸方向センサー１４０、Ｚ軸方向センサー１６０及びアンテナ１８０を示している。モジュール制御部１７０は、図２のモジュール制御部１７に対応する。Ｘ軸歪センサー１１０は、図２のＸ軸歪センサー１１に対応する。Ｙ軸歪センサー１３０は、図２のＹ軸歪センサー１３に対応する。Ｚ軸歪センサー１５０は、図２のＺ軸歪センサー１５に対応する。温度センサー１９０は、図２の温度センサー１９に対応する。Ｘ軸方向センサー１２０は、図２のＸ軸方向センサー１２に対応する。Ｙ軸方向センサー１４０は、図２のＹ軸方向センサー１４に対応する。Ｚ軸方向センサー１６０は、図２のＺ軸方向センサー１６に対応する。アンテナ１８０は、図２のアンテナ１８に対応する。モジュール制御部１７０は、検出部１００及び制御部／無線部２００を含む。更に検出部１００は、ＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１０１及び検出回路１０２を含む。

Ｘ軸歪センサー１１０、Ｙ軸歪センサー１３０、Ｚ軸歪センサー１５０及び温度センサー１９０は出力信号がアナログ信号であることから、該出力信号はＡＤＣ１０１によってデジタル信号に変換されてから検出回路１０２に入力される。Ｘ軸方向センサー１２０、Ｙ軸方向センサー１４０及びＺ軸方向センサー１６０の出力信号は、本実施形態で説明したようにオン又はオフの２値データであるのでアナログ−デジタル変換をする必要がないため、検出部１００内の検出回路に直接入力される。

検出回路１０２は、いずれのセンサーであるかを区別するためのセンサーの種類を示すコードと該コードに対応するセンサーの出力信号から得られた検出データを制御部／無線部２００に出力する。制御部／無線部２００は、所定の通信プロトコルに従って該検出データの送信を行う。

図１に図示はないが、第１の鉄筋１、第２の鉄筋２及び固定具１０はコンクリート構造物の内部に埋め込まれている。モジュール制御部１７は各センサーの出力値を取り込み、アンテナ１８を介してコンクリート構造物の外部に送信する。

（第２実施形態）
本実施形態は、第１実施形態で説明を行ったセンサーモジュールを実装した固定具１０と、固定具１０が送信する各種センサーからの検出データを含む送信データを受信するホスト機器３０を組み合わせたシステムとしての例である。図６に本実施形態におけるシステムの構成図の一部を示す。

図６に示したのは、コンクリート構造物２０と、コンクリート構造物２０内に埋め込まれた第１の鉄筋１、第２の鉄筋２及び固定具１０と、ホスト機器３０である。ホスト機器３０は、アンテナ３１、無線部３２及び制御部３３を含む。制御部３３は、固定具１０に実装されたセンサーモジュールとの送受信の制御を行うと共にセンサーモジュールから送られてくる検出データの記憶、解析及び表示などを行うもので、専用の装置であってもよいし、パーソナルコンピューターのようなものであってもよい。図６に示した固定具１０はひとつのみであるが、コンクリート構造物２０内にはセンサーモジュールを実装した固定具１０が複数埋め込まれている。それぞれの固定具１０の向きは限定するものではないが、アンテナ１８がコンクリート構造物２０の外側を向く方向となるように設置するのが好ましい。また、個々のセンサーモジュールの区別を行うために、センサーモジュールは個別のＩＤを有している。

図８にセンサーモジュールにおける制御フローの一部のフローチャート１０００を示す。フローチャート１０００で示した処理は制御部／無線部２００により実行される処理であり、ホスト機器３０により起動がかけられた後の各種センサーの監視を行う処理のフローを示している。図９は、ホスト機器３０がセンサーモジュールに起動をかけるときの処理を示すフローチャート２０００である。ホスト機器３０は、起動させるセンサーモジュールの数だけフローチャート２０００を実行することになる。

図８及び図９の処理について説明する。コンクリート構造物２０に埋め込まれた固定具１０に実装されたセンサーモジュールは、ホスト機器からの起動コマンドの受信待ちの状態にある（図８・処理Ｓ１１００）。まず、ホスト機器３０は起動するセンサーモジュールに対して、起動コマンドを送信する（図９・処理Ｓ２００１）。起動コマンドはパラメーター値として起動するセンサーモジュールのＩＤを有するコマンドである。センサーモジュールは起動コマンドを受信すると、パラメーターとして送信された値が自身のＩＤと一致するかを確認し（図８・処理Ｓ１００１）、一致していればＸ軸方向センサー１２０、Ｙ軸方向センサー１４０及びＺ軸方向センサー１６０の出力値を基にした固定具１０の設置方向データを検出回路１０２により検出し（図８・処理Ｓ１００２）、ホスト機器３０に該設置方向データを送信する（図８・処理Ｓ１００３）。その後、センサーモジュールは、ホスト機器３０からのコマンドの受信待ち（図８・処理Ｓ１００４）及びＸ軸方向センサー１２０、Ｙ軸方向センサー１４０及びＺ軸方向センサー１６０の状態監視（図８・処理Ｓ１０１４）の状態になる。尚、センサーモジュールからホスト機器３０への送信データには、自身のＩＤが含まれる。

ホスト機器３０は、設置方向データの受信待ちの状態（図９・処理Ｓ２００２）から設置方向データを受信すると、起動をかけたセンサーモジュールからの応答であるかを確認するために、送られたデータに添付されたセンサーモジュールのＩＤの判定を行う（図９・処理Ｓ２００３）。ＩＤが一致しなければ受信したデータは、自己のセンサーモジュールに対してのものではないと判断して受信待ちの状態（図９・処理Ｓ２００２）に移行する。ＩＤが一致した場合は、受信したデータを固定具１０の初期設定状態（絶対方向）として確定し（図９・処理Ｓ２００４）、記憶する（図９・処理Ｓ２００５）。これにより、センサーモジュールに起動をかける処理が終了する。

ホスト機器３０からのコマンド受信待ち（図８・処理Ｓ１００４）及びＸ軸方向センサー１２０、Ｙ軸方向センサー１４０及びＺ軸方向センサー１６０の状態監視（図８・処理Ｓ１０１４）の状態にあるセンサーモジュールは、コマンドを受信するとコマンドに付随するＩＤが自身のＩＤと一致するかを確認する（図８・処理Ｓ１００５）。ＩＤが一致していない場合は受信したのは自己のセンサーモジュールに対してのものではないと判断してコマンドの受信待ち（図８・処理Ｓ１００４）の状態に戻る。ＩＤが一致した場合は、コマンドが温度計測コマンドであるかどうかを確認する（図８・処理Ｓ１００６）。温度計測コマンドであった場合は、検出回路１０２から温度センサー１９０の測定値を規定回数検出して温度データを確定させ（図８・処理Ｓ１００７及びＳ１００８）、ホスト機器３０に対して検出データの送信を行い（図８・処理Ｓ１００９）、コマンドの受信待ち（図８・処理Ｓ１００４）の状態に戻る。

図８・処理Ｓ１００６により温度計測コマンドでないと判断された場合は歪計測コマンドであるかどうかの判断を行い（図８・処理Ｓ１０１０）、歪計測コマンドでない場合はコマンドの受信待ち（図８・処理Ｓ１００４）の状態に戻る。歪計測コマンドと判断された場合は、検出回路１０２からＸ軸歪センサー１１０、Ｙ軸歪センサー１３０、Ｚ軸歪センサー１５０の測定値を規定回数検出して歪みデータを確定させ（図８・処理Ｓ１０１１及びＳ１０１２）、ホスト機器３０に対して検出データの送信を行い（図８・処理Ｓ１０１３）、コマンドの受信待ち（図８・処理Ｓ１００４）の状態に戻る。尚、上記処理Ｓ１００８及び処理Ｓ１０１２で用いている規定回数とは検出値の確からしさを判断するために行うに行う検出値の読み出し回数のことであり、センサーの種類により異なった回数が指定されていてかまわない。１回であってもかまわない。

また、Ｘ軸方向センサー１２０、Ｙ軸方向センサー１４０及びＺ軸方向センサー１６０の状態監視で変化を検出した（図８・処理Ｓ１０１４でＹＥＳ）場合は、コンクリート構造物２０に異変があったと判断できる。Ｘ軸方向センサー１２０、Ｙ軸方向センサー１４０及びＺ軸方向センサー１６０の値を検出回路１０２から検出し、検出回路１０２からＸ軸歪センサー１１０、Ｙ軸歪センサー１３０、Ｚ軸歪センサー１５０の測定値を規定回数検出して歪みデータを確定させ（図８・処理Ｓ１０１１及びＳ１０１２）、ホスト機器３０に対して検出データの送信を行い（図８・処理Ｓ１０１３）、コマンドの受信待ち（図８・処理Ｓ１００４）の状態に戻る。

以上、本発明に係る実施形態の説明を行ったが、本発明の実施は上記形態に限られるものではない。例えば、モジュール制御部１７を図２の位置ではなく、固定具内部に組み込むようなものであってもよい。

１…第１の鉄筋、２…第２の鉄筋、１０…固定具、１１…Ｘ軸歪センサー、１２…Ｘ軸方向センサー、１３…Ｙ軸歪センサー、１４…Ｙ軸方向センサー、１５…Ｚ軸歪センサー、１６…Ｚ軸方向センサー、１７…モジュール制御部、１８…アンテナ、１９…温度センサー、２０…コンクリート構造物、３０…ホスト機器、３１…アンテナ、３２…無線部、３３…制御部、５０…方向センサー、５１…第１電極、５２…第２電極、５３…導電体、１００…検出部、１０１…ＡＤＣ、１０２…検出回路、１１０…Ｘ軸歪センサー、１２０…Ｘ軸方向センサー、１３０…Ｙ軸歪センサー、１４０…Ｙ軸方向センサー、１５０…Ｚ軸歪センサー、１６０…Ｚ軸方向センサー、１７０…モジュール制御部、１８０…アンテナ、１９０…温度センサー、２００…制御部／無線部。

Claims (8)

1. 鉄筋及び前記鉄筋の周囲に打設されたコンクリートの状態を検出する少なくともひとつのセンサーと、
   前記少なくともひとつのセンサーにより検出された検出データの送信を行う送信部と、
   を有し、
   前記少なくともひとつのセンサー及び前記送信部が、第１の鉄筋と第２の鉄筋とを固定する固定具に実装されていることを特徴とする埋め込み型計測システム。
2. 前記検出データは無線により前記送信部から送信データとして送信されることを特徴とする請求項１に記載の埋め込み型計測システム。
3. 更に、コマンド及び前記コマンドに付随するパラメーターの受信を行う受信部を有し、
   前記送信データの送信は、前記検出データを送信することを指示する前記コマンド、又は、前記コマンド及び前記パラメーターを前記受信部が受信することにより行われることを特徴とする請求項１又は２に記載の埋め込み型計測システム。
4. 前記固定具は、クリップ状の形状を有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の埋め込み型計測システム。
5. 前記第１の鉄筋及び前記第２の鉄筋により電力が供給されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の埋め込み型計測システム。
6. 鉄筋及び前記鉄筋の周囲に打設されたコンクリートの状態を検出する少なくともひとつの検出手段及び前記少なくともひとつの検出手段により検出された検出データの送信を行う送信手段を、第１の鉄筋と第２の鉄筋とを固定する固定具に実装し、
   前記コンクリートの打設時及び打設後の前記第１の鉄筋、前記第２の鉄筋及び前記コンクリートの状態を前記送信手段から送信される前記検出データを含む送信データにより計測することを特徴とする埋め込み型計測方法。
7. 更に、コマンド及び受信データの受信を行う受信手段を有し、
   前記送信データの送信は、前記検出データを送信することを指示する前記コマンド、又は、前記コマンド及び前記受信データを前記受信手段が受信することにより行われることを特徴とする請求項６に記載の埋め込み型計測方法。
8. 前記固定具は、クリップ状の形状を有していることを特徴とする請求項６又は７に記載の埋め込み型計測方法。

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