JP2013148491A - センサー装置およびセンサー装置の設置方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明のセンサー装置1は、第1の電極3と、第1の電極3に対して離間して設けられた第2の電極4と、第1の電極3の表面の一部との間に第1の電極3の隙間腐食を生じさせ得る隙間を形成して配置された隙間形成体8と、第1の電極3と第2の電極4との電位差を測定する機能を有する機能素子51とを備え、第1の電極3の表面は、隙間を介して隙間形成体8に覆われた第1の領域と、隙間形成体8に覆われずに外部に露出した第2の領域とを有しており、第1の領域は、第1の電極3の一方向での一方側に偏在し、第2の領域は、第1の電極3の一方向での他方側に偏在している。
【選択図】図4
Description
施工直後のコンクリート構造物中のコンクリートは、通常、強アルカリ性を呈する。そのため、施工直後のコンクリート構造物中の鉄筋は、その表面に不動態膜が形成されるため、安定である。しかし、施工後に酸性雨や排気ガス等の影響を受けたコンクリート構造物は、コンクリートが徐々に酸性化(中性化)していくため、鉄筋が腐食することとなる。また、コンクリート構造物は、コンクリートへ侵入した塩化物イオンによっても鉄筋が腐食する。
しかし、かかる装置では、鉄筋の腐食の原因がコンクリート中へ侵入した塩化物イオンによるものなのか、コンクリートの中性化によるものなのかを特定することができず、その結果、コンクリート構造物の適切な保全を行うことができないという問題があった。
本発明のセンサー装置は、第1の金属材料で構成された第1の電極と、
前記第1の電極に対して離間して設けられ、第2の金属材料で構成された第2の電極と、
前記第1の電極の表面の一部との間に前記第1の電極の隙間腐食を生じさせ得る隙間を形成して配置された隙間形成体と、
前記第1の電極と前記第2の電極との電位差を測定する機能を有する機能素子とを備え、
前記第1の電極の表面は、前記隙間を介して前記隙間形成体に覆われた第1の領域と、前記隙間形成体に覆われていない第2の領域とを有しており、
前記第1の領域は、前記第1の電極の一方向での一方側に偏在し、前記第2の領域は、前記第1の電極の前記一方向での他方側に偏在していることを特徴とする。
特に、第1の領域側を第2の領域側よりも測定対象物の外表面側に位置するように、第1の電極を設置することにより、第1の電極の第1の領域側の塩化物イオン濃度が第2の領域側の塩化物イオン濃度よりも濃くなるように、塩化物イオン濃度の濃度勾配を生じさせることができる。その結果、第1の電極の隙間腐食を促進させることができる。
そのため、測定対象部位の塩化物イオン濃度が比較的低い状態であっても、第1の電極と第2の電極との電位差が生じ、かかる電位差に基づいて塩化物イオンの侵入を高感度に検知することができる。
これにより、第1の電極の隙間腐食を促進させることができる。
本発明のセンサー装置では、前記第1の電極は、前記一方向に沿って延在する長手形状をなすことが好ましい。
これにより、第1の電極の隙間腐食を促進させることができる。
これにより、第1の電極の隙間腐食を生じさせ得る隙間を第1の電極と隙間形成体との間に簡単かつ確実に形成することができる。
これにより、隙間形成体が第1の電極の自然電位に影響を及ぼすのを防止することができる。そのため、第1の電極および隙間形成体の設計が容易となる。
本発明のセンサー装置では、前記隙間形成体は、絶縁性材料で構成されていることが好ましい。
これにより、隙間形成体が第1の電極の自然電位に影響を及ぼすのを防止することができる。そのため、第1の電極および隙間形成体の設計が容易となる。
これにより、測定対象部位がコンクリートである場合であっても、隙間形成体の耐久性を優れたものとすることができる。そのため、コンクリートの状態を長期に亘り安定して測定することができる。
これにより、第1の電極と第2の電極との電位差に基づいて、測定対象部位に塩化物イオンが侵入したことを高感度に検知することができる。
鉄または鉄系合金(鉄系材料)は比較的安価で入手が容易である。また、例えば、センサー装置をコンクリート構造物の状態測定に用いた場合、第1の電極をコンクリート構造物中の鉄筋と同一材料(または近似した材料)で構成することが可能であり、コンクリート構造物中の鉄筋の腐食状態を効果的に検知することができる。
前記電気抵抗体の表面の一部との間に前記電気抵抗体の隙間腐食を生じさせ得る隙間を形成して設けられた隙間形成体と、
前記電気抵抗体の抵抗値を測定する機能を有する機能素子とを有し、
前記電気抵抗体の表面は、前記隙間を介して前記隙間形成体に覆われた第1の領域と、前記隙間形成体に覆われていない第2の領域とを有し、
前記第1の領域は、前記電気抵抗体の一方向での一方側に偏在し、前記第2の領域は、前記電気抵抗体の前記一方向での他方側に偏在していることを特徴とする。
特に、第1の領域側を第2の領域側よりも測定対象物の外表面側に位置するように、電気抵抗体を設置することにより、電気抵抗体の第1の領域側の塩化物イオン濃度が第2の領域側の塩化物イオン濃度よりも濃くなるように、塩化物イオン濃度の濃度勾配を生じさせることができる。その結果、電気抵抗体の隙間腐食を促進させることができる。
そのため、測定対象部位の塩化物イオン濃度が比較的低い状態であっても、電気抵抗体の抵抗値が変化し、かかる変化に基づいて塩化物イオンの侵入を高感度に検知することができる。
これにより、電気抵抗体の隙間腐食を促進させることができる。
本発明のセンサー装置では、前記電気抵抗体は、前記一方向に沿って延在し、前記一方向に対して垂直な方向に間隔を隔てて並んで設けられた1対の第1の導体と、前記1対の第1の導体の一端部同士の間に設けられ、前記1対の第1の導体同士を電気的に接続する第2の導体とを有し、
前記第1の領域は、前記第2の導体に設けられていることが好ましい。
これにより、電気抵抗体の隙間腐食を促進させることができる。
これにより、隙間形成体と電気抵抗体とが接触しても、その接触による電気抵抗体の腐食を防止することができる。
本発明のセンサー装置では、前記隙間形成体は、絶縁性材料で構成されていることが好ましい。
これにより、隙間形成体が電気抵抗体の一部として機能してしまうのを防止することができる。そのため、電気抵抗体および隙間形成体の設計が容易となる。
これにより、測定対象部位がコンクリートである場合であっても、隙間形成体の耐久性を優れたものとすることができる。そのため、コンクリートの状態を長期に亘り安定して測定することができる。
これにより、電気抵抗体の抵抗値に基づいて、測定対象部位に塩化物イオンが侵入したことを高感度に検知することができる。
これらの金属は比較的安価で入手が容易である。また、例えば、センサー装置をコンクリート構造物の状態測定に用いた場合、電気抵抗体をコンクリート構造物中の鉄筋と同一材料(または近似した材料)で構成することが可能であり、コンクリート構造物中の鉄筋の腐食状態を効果的に検知することができる。
前記第1の電極を前記測定対象物内に埋設する際に、前記第1の領域側を前記第2の領域側よりも前記測定対象物の外表面側に位置するように、前記第1の電極を設置することを特徴とする。
このようなセンサー装置の設置方法によれば、測定対象部位の塩化物イオン濃度が比較的低い状態であっても、第1の電極と第2の電極との電位差が生じ、かかる電位差に基づいて塩化物イオンの侵入を高感度に検知することができる。
前記電気抵抗体を前記測定対象物内に埋設する際に、前記第1の領域側を前記第2の領域側よりも前記測定対象物の外表面側に位置するように、前記電気抵抗体を設置することを特徴とする。
このようなセンサー装置の設置方法によれば、測定対象部位の塩化物イオン濃度が比較的低い状態であっても、電気抵抗体の抵抗値が変化し、かかる変化に基づいて塩化物イオンの侵入を高感度に検知することができる。
<第1実施形態>
まず、本発明の第1実施形態を説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係るセンサー装置の使用状態の一例を示す図、図2は、図1に示すセンサー装置の概略構成を示すブロック図、図3は、図1に示すセンサー装置を示す平面図、図4は、図3中のA−A線断面図、図5は、図3中のB−B線断面図、図6は、図3中のC−C線断面図、図7は、図2に示す第1の電極の塩化物イオンによる腐食を説明する模式図、図8は、図2に示す機能素子に備えられた差動増幅回路を示す回路図、図9は、図2に示す機能素子に備えられた差動増幅回路を示す回路図、図10は、図1に示すセンサー装置の作用の一例を説明するための図である。
なお、図1、3では、説明の便宜上、互いに直交する3つの軸としてX軸、Y軸およびZ軸を図示している。また、以下の説明では、X軸に平行な方向を「X軸方向」、Y軸に平行な方向を「Y軸方向」、Z軸に平行な方向を「Z軸方向」と言う。また、以下では、本発明のセンサー装置をコンクリート構造物の品質測定に用いる場合を例に説明する。
コンクリート構造物100は、コンクリート101内に複数の鉄筋102が埋設されている。そして、センサー装置1は、コンクリート構造物100のコンクリート101内の鉄筋102付近に埋設されている。なお、センサー装置1は、コンクリート構造物100を打設する際に、コンクリート101の打設前に鉄筋に固定して埋め込んでもよいし、打設後に硬化したコンクリート101に穿孔して埋め込んでもよい。
このセンサー装置1は、本体2と、その本体2上に設けられた第1の電極3および第2の電極4とを有する。また、図1では説明の便宜上図示を省略しているが、センサー装置1は、第1の電極3上に設けられた隙間形成体8を有する(図3参照)。
また、センサー装置1は、図2に示すように、第1の電極3および第2の電極4に電気的に接続された機能素子51と、電源52と、温度センサー53と、通信用回路54と、アンテナ55と、発振器56とを有し、これらが本体2内に収納されている。
(本体)
本体2は、第1の電極3、第2の電極4および機能素子51等を支持する機能を有する。
このような本体2は、図4および図5に示すように、第1の電極3、第2の電極4および機能素子51を支持する基板21を有する。なお、基板21は、電源52、温度センサー53、通信用回路54、アンテナ55および発振器56をも支持するが、図3〜5では、説明の便宜上、電源52、温度センサー53、通信用回路54、アンテナ55および発振器56の図示を省略している。
この基板21は、絶縁性を有する。基板21としては、特に限定されず、例えば、アルミナ基板、樹脂基板等を用いることができる。
この基板21上には、機能素子51(集積回路チップ)が保持され、機能素子51の導体部61、62(電極パッド)が第1の電極3および第2の電極4と接続されている。
特に、本体2は、機能素子51、電源52、温度センサー53、通信用回路54、アンテナ55および発振器56を液密的に収納するように構成されている。
具体的には、図4および図5に示すように、本体2は、封止部24を有する。この封止部24は、機能素子51、電源52、温度センサー53、通信用回路54、アンテナ55および発振器56を封止する機能を有する。これにより、センサー装置1を水分やコンクリートの存在下に設置した場合に、機能素子51、電源52、温度センサー53、通信用回路54、アンテナ55および発振器56の劣化を防止することができる。
封止部24の構成材料としては、例えば、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂、オレフィン系樹脂のような熱可塑性樹脂、エポキシ系樹脂、メラミン系樹脂、フェノール系樹脂のような熱硬化性樹脂等の各種樹脂材料等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
なお、封止部24は、必要に応じて設ければよく、省略することもできる。
第1の電極3および第2の電極4は、図4、5に示すように、それぞれ、前述した本体2の外表面上(より具体的には基板21上)に設けられている。特に、第1の電極3および第2の電極4は、同一平面上に設けられている。そのため、第1の電極3および第2の電極4の設置環境の差が生じるのを防止することができる。
また、第1の電極3および第2の電極4は、互いに電位の影響を受けない程度(例えば数mm)に離間している。
この凹部31は、例えば、凹部31の形成前の第1の電極3に隙間形成体8を接合した状態で、隙間形成体8をマスクとして用いてエッチング(特に、ウエットエッチング)することにより形成することができる。このようにして凹部31を形成することにより、第1の電極3と隙間形成体8との間に後述するような第1の電極3の塩化物イオンによる腐食を促進し得る隙間Gを簡単かつ確実に形成することができる。なお、凹部31の形成方法は、これに限定されるものではない。
また、凹部31の幅は、後述するような第1の電極3の隙間腐食を生じさせ得る隙間Gを形成することができれば、特に限定されない。
また、第2の電極4は、その少なくとも表面付近が多孔質体で構成されているのが好ましい。これにより、第2の電極4の表面には腐食の生じやすい部分として微細な多数の凹部が均一に分散して形成される。そのため、第2の電極4の表面は、塩化物イオンの存在下において、均一に腐食が生じ、局所的な腐食(孔食)が抑制される。
このようなことから、外部環境の湿度や温度の変化に伴ってコンクリート101内の相対湿度が変化しても、第2の電極4上の水分量の変動を防止することができる。その結果、外部環境の湿度や温度の変化によって第2の電極4の自然電位が変動するのを防止し、コンクリート101の測定対象部位の状態を高感度に測定することができる。
第1の電極3は、不動態膜(第1の不動態膜)を形成する第1の金属材料(以下、単に「第1の金属材料」とも言う)で構成されている。このように構成された第1の電極3は、pHの変化によって不動態膜が形成されたり破壊されたりする。このような第1の電極3は、不動態膜が形成された状態(不動態化した状態)では不活性(貴)であり、自然電位が高くなる(貴化する)。一方、第1の電極3は、不動態膜が破壊された状態(消失された状態)では活性(卑)である。そのため、第1の電極3の電位は、pH変化に伴う不動態膜の有無により急峻に変化する。
例えば、Feは、pHが9よりも大きいときに不動態膜を形成する。また、FeAl(Al0.8%)系炭素鋼は、pHが4よりも大きいときに不動態膜を形成する。また、Niは、pHが8〜14であるときに不動態膜を形成する。また、Mgは、pHが10.5よりも大きいときに不動態膜を形成する。また、Znは、pHが6〜12であるときに不動態膜を形成する。また、SUS304は、pHが2〜13であるときに不動態膜を形成する。
また、例えば、炭素鋼(SD345)は、塩化物イオン濃度が約1.2kg/m3を超えたときに不動態膜の破壊が始まる。
この第2の金属材料としては、第2の電極4が電極として機能し得るものであれば、特に限定されず、各種金属材料を用いることができる。
また、第2の金属材料は、前述した第1の金属材料と同種の材料(同一または近似した材料)で構成されていてもよいし、前述した第1の金属材料と異なる材料で構成されていてもよい。
また、第2の金属材料は、不動態膜を形成するものであってもよいし、不動態膜を形成しないものであってもよい。
すなわち、第1の電極3および第2の電極4の表面にそれぞれ不動態膜が形成された状態において、第1の電極3と第2の電極4との電位差が測定対象部位の塩化物イオン濃度に応じたものとなる。そのため、第1の電極3と第2の電極4との電位差に基づいて、測定対象部位に塩化物イオンが侵入したことをより高感度に検知することができる。
第1の金属材料および第2の金属材料の双方が不動態膜を形成する金属材料である場合、第1の金属材料が不動態膜を形成するpHの範囲の下限値を第1のpH(第1の不動態化pH)とし、第2の金属材料が不動態膜を形成するpHの範囲の下限値を第2のpH(第2の不動態化pH)としたとき、第1のpHおよび第2のpHが互いに異なるのが好ましい。すなわち、第1の金属材料は、第1のpHよりも大きいpHとなったときに不動態膜を形成し、第2の金属材料は、第1のpHとは異なる第2のpHよりも大きいpHとなったときに不動態膜を形成するのが好ましい。これにより、第1の電極3および第2の電極4が設置された環境のpHが第1のpH以下か否かおよび第2のpH以下か否かをそれぞれ正確に検知することができる。
この場合、第1の金属材料は、3以上5以下のpH、または、8以上10以下のpHよりも大きいpHとなったときに不動態膜を形成するものであるのが好ましい。3以上5以下のpH以下か否かを検知することにより、第1の電極3および第2の電極4の設置環境が酸性状態になってしまったことを知ることができる。また、8以上10以下のpH以下か否かを検知することにより、第1の電極3および第2の電極4の設置環境が中性状態に近付いていることを事前に知ることができる。
このような第1の電極3および第2の電極4の形成方法としては、それぞれ、特に限定されず、公知の成膜法を用いることができる。
隙間形成体8は、第1の電極3の表面の一部との間に隙間Gを形成して配置されている。この隙間Gは、第1の電極3の表面に対して局所的に形成され、隙間形成体8の後述する貫通溝81を介して外部に連通している。
このような隙間Gを形成することより、測定対象部位の塩化物イオン濃度が第2の電極4の腐食が生じない比較的低い状態であっても、第1の電極3を隙間腐食により腐食させることができる。そのため、測定対象部位の塩化物イオン濃度が比較的低い状態であっても、第1の電極3と第2の電極4との電位差が生じ、かかる電位差に基づいて塩化物イオンの侵入を高感度に検知することができる。
特に、隙間形成体8は、第1の電極3の長手方向(すなわちY軸方向)での一方の端部側の部分との間に隙間Gを形成している。
そのため、第1の領域側を第2の領域側よりもコンクリート構造物100の外表面側に位置するように、第1の電極3を設置することにより、第1の電極3の第1の領域側の塩化物イオン濃度が第2の領域側の塩化物イオン濃度よりも濃くなるように、塩化物イオン濃度の濃度勾配を生じさせることができる。その結果、第1の電極3の隙間腐食を促進させることができる。
本実施形態では、第2の領域の表面積は、第1の領域の表面積よりも大きい。これにより、後述するように、第1の電極3の隙間腐食を促進させることができる。
このようなことから、第1の電極3と第2の電極4との電位差に基づいて、測定対象部位に塩化物イオンが侵入したことを高感度に検知することができる。
第1の電極3が塩化物イオン(Cl−)の存在下にあるとき、隙間G内に侵入した塩化物イオンにより、第1の電極3の表面に形成された不動態膜の局所的な破壊が一旦生じると、第1の電極3を構成する第1の金属材料が金属イオン(Mnn+)として隙間G内に溶出する。
例えば、第1の金属材料が純鉄(Fe)である場合、
Fe→Fe2++2e
の反応により、隙間G内に金属イオンとしてFe2+が溶出する。
すると、隙間G内での電気的中性を保つように、隙間G外から隙間G内へ塩化物イオンが泳動し、塩化物イオンが隙間G内に集中する。これにより、隙間G内での塩化物イオンの濃度も増加する。
そのため、隙間G外における塩化物イオンの濃度に比し、隙間G内における塩化物イオンの濃度が高くなる。
例えば、第1の金属材料が純鉄(Fe)である場合、
Fe2++2Cl−→FeCl2
FeCl2+2H2O→Fe(OH)2+HCl
の反応により、隙間G内の水素イオンの濃度が増加する。
以上のようなことから、隙間G外における塩化物イオンおよび水素イオンの濃度が比較的少なくても、隙間G内の塩化物イオン濃度および水素イオン濃度が高まり、第1の電極3の隙間腐食が進行することとなる。
例えば、第1の金属材料が純鉄(Fe)である場合、
第1の電極3のアノード領域では、Fe→Fe2++2eのアノード反応が生じ、
第1の電極3のカソード領域では、1/2O2+H2O+2e→2OH−のカソード反応が生じる。
このような貫通溝81を有する隙間形成体8と、凹部31を有する第1の電極3とを組み合わせることにより、第1の電極3の隙間腐食を生じさせ得る隙間Gを第1の電極3と隙間形成体8との間に簡単かつ確実に形成することができる。
この貫通溝81の幅は、前述したように隙間G内への塩化物イオンの侵入が可能であるとともに、第1の電極3の隙間腐食を生じさせ得る隙間Gを隙間形成体8と第1の電極3との間に形成することができれば、特に限定されない。
かかる絶縁性材料としては、特に限定されないが、例えば、SiO2、Si3N4等の絶縁性セラミックス材料、PSF(ポリサルフォン)、PAI(プリアミドイミド)、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)等の樹脂材料等が挙げられ、中でも、本実施形態では、前述したように隙間形成体8をマスクとして用いてエッチングにより第1の電極3の凹部31を形成できるという観点から、絶縁性セラミックス材料を用いるのが好ましい。
また、隙間形成体8は、耐アルカリ性を有するのが好ましい。これにより、測定対象部位がコンクリートである場合であっても、隙間形成体8の耐久性を優れたものとすることができる。そのため、コンクリートの状態を長期に亘り安定して測定することができる。
また、隙間Gにおける隙間形成体8と第1の電極3との間の距離(第1の電極3の厚さ方向での距離)は、1μm以上100μm以下であるのが好ましく、10μm以上80μm以下であるのがより好ましく、20μm以上60μm以下であるのがさらに好ましい。これにより、第1の電極3の隙間腐食を生じさせることができる。
機能素子51は、前述した本体2の内部に埋設されている。なお、機能素子51は、前述した本体2の基板21に対して第1の電極3および第2の電極4とは、同一面に設けても、反対側に設けても良い。
この機能素子51は、第1の電極3と第2の電極4との電位差を測定する機能を有する。これにより、第1の電極3と第2の電極4との電位差に基づいて、第1の電極3および第2の電極4の設置環境の塩化物イオン濃度が設定値以下か否かを検知することができる。
また、機能素子51は、第1の電極3と第2の電極4との電位差に基づいて、測定対象物であるコンクリート構造物100の測定対象部位のpHあるいは塩化物イオン濃度が設定値以下か否かを検知する機能をも有する。これにより、コンクリート構造物100のpH変化あるいは塩化物イオン濃度変化に伴う状態変化を検知することができる。
より具体的に説明すると、機能素子51は、図6に示すように、基板513と、基板513上に設けられた複数のトランジスタ514a、514b、514cと、トランジスタ514a、514b、514cを覆う層間絶縁膜515a、515bと、配線および導体ポストを構成する導体部516a、516b、516c、516d、516e、516fと、保護膜25と、電極パッドを構成する導体部61、62とを有する。
複数のトランジスタ514a、514b、514cは、それぞれ例えば電界効果トランジスタ(FET)であり、差動増幅回路514の一部を構成するものである。
差動増幅回路514は、図8に示すように、3つのトランジスタ514a〜514cと、カレントミラー回路514dとで構成されている。
演算増幅器201は、比較用電極7を基準として第1の電極3の電位を検出する。また、演算増幅器202は、比較用電極7を基準として第2の電極4の電位を検出する。また、演算増幅器203は、演算増幅器201の出力電位と演算増幅器202の出力電位との差を検出する。
また、導体部516cは、その一端がトランジスタ514cのゲート電極に接続され、他端が前述した導体部516fに接続され、回路の一部を構成している。
また、機能素子51は、温度センサー53の検知温度情報を取得し得るように構成されている。これにより、測定対象部位の温度に関する情報も得ることができる。このような温度に関する情報を用いることにより、測定対象部位の状態をより正確に測定したり、測定対象部位の変化を高感度に予想したりすることができる。
温度センサー53は、測定対象物であるコンクリート構造物100の測定対象部位の温度を検知する機能を有する。このような温度センサー53としては、特に限定されず、例えば、サーミスター、熱電対等の公知の様々な種類の温度センサーを用いることができる。
この通信用回路54は、例えば、電磁波を送信するための送信回路、信号を変調する機能を有する変調回路等を有する。なお、通信用回路54は、信号の周波数を小さく変換する機能を有するダウンコンバータ回路、信号の周波数を大きく変換する機能を有するアップコンバータ回路、信号を増幅する機能を有する増幅回路、電磁波を受信するための受信回路、信号を復調する機能を有する復調回路等を有していてもよい。
また、機能素子51は、発振器56からのクロック信号を取得し得るように構成されている。これにより、各回路の同期をとったり、各種情報に時刻情報を付加したりすることができる。
発振器56は、特に限定されないが、例えば、水晶振動子を利用した発振回路で構成されている。
以上説明したように構成されたセンサー装置1を用いた測定方法は、第1の電極3および第2の電極4を測定対象物であるコンクリート構造物100内にそれぞれ埋設し、第1の電極3と第2の電極4との電位差に基づいて、コンクリート構造物100の状態を測定する。
特に、第1の電極3をコンクリート構造物100内に埋設する際に、第1の領域側を第2の領域側よりもコンクリート構造物100の外表面側(+Y方向側)に位置するように、第1の電極3を設置する。すなわち、第1の電極3の第1の領域側をコンクリート構造物100の外表面から浅い側、第1の電極3の第2の領域側をコンクリート構造物100の外表面から深い側に位置するように、第1の電極3を設置する。
これにより、上述したように、測定対象部位の塩化物イオン濃度が比較的低い状態であっても、第1の電極3と第2の電極4との電位差が生じ、かかる電位差に基づいて塩化物イオンの侵入を高感度に検知することができる。
打設直後のコンクリート構造物100において、通常、適切に打設されていれば、コンクリート101は強アルカリ性を呈する。そのため、このとき、測定対象部位に塩化物イオンが侵入していなければ、第1の電極3および第2の電極4は、それぞれ、安定な不動態膜を形成する。すなわち、図10(a)に示すように、第1の電極3は、その表面に不動態膜33が形成され、第2の電極4は、その表面に不動態膜43が形成される。これにより、第1の電極3および第2の電極4の自然電位がそれぞれ上がっている(貴化している)。そのため、コンクリートの打設直後における第1の電極3と第2の電極4との電位差は小さくなる。
このようなことから、測定対象部位へ塩化物イオンが侵入すると、第1の電極3と第2の電極4との電位差が大きくなる。そのため、第1の電極3と第2の電極4との電位差に基づいて、測定対象部位の塩化物イオン濃度変化を測定することができる。
そして、コンクリート101のpHが9程度にまで下がると、図10(c)に示すように、第1の電極3および第2の電極4は、不動態膜33、43がともに崩壊し始め、それぞれ自然電位が下がる(卑化する)。このとき、第1の電極3および第2の電極4は、ともに自然電位が下がっているので、第1の電極3と第2の電極4との電位差は、小さくなる。また、第1の電極3と比較用電極7との電位差、および、第2の電極4と比較用電極7との電位差がそれぞれ急峻に変化する。そのため、測定対象部位のpHが9程度となったことを高感度に検知することができる。なお、このとき、第1の電極3および第2の電極4の腐食がそれぞれ進む。
また、コンクリート構造物100の打設時に異常があった否かを判断することもできる。そのため、コンクリート構造物100の初期トラブルを防止し、コンクリート構造物100の品質を向上させることができる。
次に、本発明の第2実施形態を説明する。
図11は、本発明の第2実施形態に係るセンサー装置を示す図、図12は、図11に示す第1の電極および隙間形成体を説明するための拡大側面図である。
以下、第2実施形態について、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
第2実施形態のセンサー装置は、第1の電極、第2の電極および隙間形成体の構成が異なる以外は、第1実施形態のセンサー装置とほぼ同様である。なお、前述した実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
第1の電極3Aおよび第2の電極4Aは、図11に示すように、それぞれ、長尺状をなし、互いに平行となるように本体2A上に立設されている。
このような第1の電極3Aおよび第2の電極4Aは、それぞれ、Y軸方向に沿って延在するように設置される。すなわち、第1の電極3Aおよび第2の電極4Aは、それぞれ、先端側が基端側(本体2A側)よりも測定対象物の外表面側に位置するように設置される。
特に、隙間形成体8Aは、第1の電極3Aの長手方向(すなわちY軸方向)での一方の端部側(先端側)の部分との間に隙間G1を形成している。
ここで、第1の電極3Aの表面は、隙間G1を介して隙間形成体8Aに覆われた第1の領域と、隙間形成体8Aに覆われずに外部に露出した第2の領域とを有している。
そして、この第1の領域は、第1の電極3Aの一方向(長手方向)での一方側に偏在し、この第2の領域は、第1の電極3の前記一方向での他方側に偏在している。
また、本実施形態では、第1の電極3Aおよび隙間形成体8Aは、それぞれ、板状またはシート状をなし、互いに重ねられた状態で隙間形成体8Aが第1の電極3Aに対して固定部材10により固定されている。これにより、第1の電極3Aの隙間腐食を生じさせ得る隙間G1を第1の電極3Aと隙間形成体8Aとの間に簡単かつ確実に形成することができる。
より具体的に説明すると、固定部材10は、ボルト10aと、ワッシャー10b、10cと、ナット10dとを有している。
このようなボルト10aおよびナット10dは、隙間形成体8Aを局所的に第1の電極3Aに対して圧着させるので、隙間形成体8Aの圧着された部分以外の部分が第1の電極3Aに対して若干浮き上がり、隙間G1が形成される。なお、ワッシャー10b、10cは、省略してもよい。
また、隙間形成体8Aの構成材料としては、前述した第1実施形態の隙間形成体8の構成材料と同様のものを用いることができ、絶縁材材料、または、第1の電極3Aを構成する金属材料と同種の金属材料を用いるのが好ましい。
以上説明したような第2実施形態のセンサー装置1Aによっても、コンクリート構造物100のコンクリート101中の塩化物イオン濃度変化をコンクリート101のpH変化と区別して測定し、その測定情報をコンクリート構造物100の計画的な保全に活用することができる。
次に、本発明の第3実施形態を説明する。
図13は、本発明の第3実施形態に係るセンサー装置の使用状態の一例を示す図、図14は、図13に示すセンサー装置の概略構成を示すブロック図、図15は、図13に示すセンサー装置を示す平面図、図16は、図15中のD−D線断面図である。
以下、第3実施形態について、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。なお、前述した実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
また、センサー装置1Bは、図14に示すように、電気抵抗体9に電気的に接続された機能素子51Bと、電源52Bと、温度センサー53Bと、通信用回路54Bと、アンテナ55Bと、発振器56Bとを有し、これらが本体2B内に収納されている。
(本体)
本体2Bは、電気抵抗体9および機能素子51B等を支持する機能を有する。
このような本体2Bは、図15および図16に示すように、電気抵抗体9および機能素子51Bを支持する基板21Bを有する。なお、基板21Bは、電源52B、温度センサー53B、通信用回路54B、アンテナ55Bおよび発振器56Bをも支持するが、図15および図16では、説明の便宜上、電源52B、温度センサー53B、通信用回路54B、アンテナ55Bおよび発振器56Bの図示を省略している。
この基板21B上には、例えばソルダーレジストのような絶縁性の樹脂組成物で構成された絶縁層23Bが設けられている。そして、この絶縁層23Bを介して基板21B上には、電気抵抗体9および機能素子51Bが実装されている。
また、図15および図16に示すように、本体2Bは、封止部24Bを有する。この封止部24Bは、機能素子51B、電源52B、温度センサー53B、通信用回路54B、アンテナ55Bおよび発振器56Bを封止する機能を有する。
このような封止部24Bの構成材料としては、前述した第1実施形態の封止部24の構成材料と同様のものを用いることができる。
なお、封止部24Bは、必要に応じて設ければよく、省略することもできる。
電気抵抗体9は、図15および図16に示すように、前述した本体2Bの外表面上(より具体的には基板21B上)に設けられている。
この電気抵抗体9は、酸または塩化物イオンにより腐食するものである。そのため、電気抵抗体9は、酸または塩化物イオンの環境下で、腐食により切断される。
第1の部分91、92は、Y軸方向(一方向)に沿って延在し、Y軸方向に対して垂直な方向(X軸方向)に間隔を隔てて並んで設けられている。
また、第1の部分91、92は、それぞれ、板状またはシート状をなし、平面視にて四角形をなしている。
この第2の部分93の平面視での面積は、第1の部分91の平面視での面積、および、第1の部分92の平面視での面積よりも小さくなっている。すなわち、第1の部分91の平面視での面積、および、第1の部分92の平面視での面積は、それぞれ、第2の部分93の平面視での面積よりも大きくなっている。これにより、電気抵抗体9の隙間腐食時にカソード反応を生じる部分の表面積を大きくすることができる。また、電気抵抗体9の隙間腐食時にアノード反応を生じる部分の横断面(電流が流れる方向に直交する断面)の面積を小さくし、電気抵抗体9が隙間腐食により切断されやすくすることができる。
これにより、測定対象部位のpHが所定値以上である場合に、電気抵抗体9の表面に不動態膜が形成される。
また、電気抵抗体9は、前述したような金属材料からなる緻密質体で構成されているのが好ましい。これにより、電気抵抗体9の後述する隙間腐食を生じさせやすくすることができる。
このような電気抵抗体9は、特に限定されず、成膜法を用いて形成することができる。
また、電気抵抗体9の厚さは、特に限定されないが、腐食による電気抵抗の変化が大きく、コンクリート強度に影響を及ぼさないためには、10nm以上5mm以下であるのが好ましい。
隙間形成体8Bは、電気抵抗体9の表面の一部との間に隙間G2を形成して配置されている。
このような隙間G2を形成することより、測定対象部位の塩化物イオン濃度が比較的低い状態であっても、電気抵抗体9を隙間腐食により腐食させることができる。
特に、隙間形成体8Bは、電気抵抗体9の第2の部分93との間に隙間G2を形成している。
そして、この第1の領域は、電気抵抗体9の一方向(Y軸方向)での一方側に偏在し、この第2の領域は、電気抵抗体9の前記一方向での他方側に偏在している。なお、本実施形態では、第1の領域は、第2の部分93に設けられ、第2の領域は、主に第1の部分91、92に設けられている。
そのため、第1の領域側を第2の領域側よりもコンクリート構造物100の外表面側に位置するように、電気抵抗体9を設置することにより、電気抵抗体9の第1の領域側の塩化物イオン濃度が第2の領域側の塩化物イオン濃度よりも濃くなるように、塩化物イオン濃度の濃度勾配を生じさせることができる。その結果、電気抵抗体9の隙間腐食を促進させることができる。
本実施形態では、隙間形成体8Bは、電気抵抗体9の第2の部分93の表面との間に間隔G2を形成している。そのために、電気抵抗体9は、隙間形成体8Bに覆われていない部分の表面積が、隙間G2を介して隙間形成体8Bに覆われている部分の表面積よりも大きい。すなわち、電気抵抗体9の隙間腐食時に、カソード反応を生じる部分の表面積が、アノード反応を生じる部分の表面積よりも大きい。これにより、電気抵抗体9の隙間腐食を促進することができる。
このような隙間形成体8Bは、例えば、電気抵抗体9上にアルミニウムのような金属を電解メッキにより成膜して犠牲層を形成した後、その犠牲層上に隙間形成体8Bを公知の成膜法により形成し、犠牲層を強アルカリ液により溶解して除去することにより形成することができる。
隙間形成体8Bが絶縁性材料で構成されている場合、隙間形成体8Bが電気抵抗体9の一部として機能してしまうのを防止することができる。そのため、電気抵抗体9および隙間形成体8Bの設計が容易となる。
また、隙間形成体8Bが電気抵抗体9を構成する金属材料と同種の金属材料で構成されている場合、隙間形成体8Bと電気抵抗体9とが接触しても、その接触による電気抵抗体9の腐食を防止することができる。
また、隙間G2における隙間形成体8Bと電気抵抗体9との間の距離は、1μm以上100μm以下であるのが好ましく、10μm以上80μm以下であるのがより好ましく、20μm以上60μm以下であるのがさらに好ましい。これにより、電気抵抗体9の隙間腐食を生じさせることができる。
機能素子51Bは、前述した本体2Bの内部に埋設されている。なお、機能素子51Bは、前述した本体2Bの基板21Bに対して電気抵抗体9とは、同一面に設けても、反対側に設けても良い。
この機能素子51Bは、電気抵抗体9の抵抗値を測定する機能を有する。これにより、電気抵抗体9の抵抗値に基づいて、測定対象部位の状態を測定することができる。
このような機能素子51Bは、例えば、集積回路である。より具体的には、機能素子51Bは、例えば、MCU(マイクロコントロールユニット)であり、図14に示すように、CPU511Bと、A/D変換回路512Bと、測定回路514Bとを有する。
また、機能素子51Bは、温度センサー53Bの検知温度情報を取得し得るように構成されている。これにより、測定対象部位の温度に関する情報も得ることができる。
温度センサー53Bは、測定対象物であるコンクリート構造物100の測定対象部位の温度を検知する機能を有する。このような温度センサー53Bとしては、前述した第1実施形態の温度センサー53と同様のものを用いることができる。
この通信用回路54Bは、前述した第1実施形態の通信用回路54と同様に構成されている。
また、アンテナ55Bは、前述した第1実施形態のアンテナ55と同様に構成されている。
また、機能素子51Bは、発振器56Bからのクロック信号を取得し得るように構成されている。
発振器56Bは、前述した第1実施形態の発振器56Bと同様に構成されている。
ここで、センサー装置1Bの設置方法は、センサー装置1Bを用意し、電気抵抗体9をコンクリート構造物100内に埋設する。
これにより、上述したように、測定対象部位の塩化物イオン濃度が比較的低い状態であっても、電気抵抗体9の抵抗値が変化し、かかる変化に基づいて塩化物イオンの侵入を高感度に検知することができる。
打設直後のコンクリート構造物100において、通常、適切に打設されていれば、コンクリート101は強アルカリ性を呈する。そのため、このとき、電気抵抗体9は、安定な不動態膜を形成する。
その後、コンクリート構造物100は、二酸化炭素、酸性雨、排気ガス等の影響により、コンクリート101のpHが徐々に酸性側に変化していく。
また、コンクリート構造物100のコンクリート101の測定対象部位に塩化物イオンが侵入していなくても、コンクリート101のpHが9程度にまで下がると、電気抵抗体9が腐食し、電気抵抗体9の抵抗値がともに大きくなる。
このような電気抵抗体9の抵抗値に基づいて、測定対象部位のpHが9程度になったことを検知することができる。
そのため、測定対象部位の塩化物イオン濃度が比較的低い状態であっても、電気抵抗体9の抵抗値が変化し、かかる変化に基づいて塩化物イオンの侵入を高感度に検知することができる。
次に、本発明の第4実施形態を説明する。
図17は、本発明の第4実施形態に係るセンサー装置を示す平面図、図18は、図17中のD−D線断面図である。
以下、第4実施形態について、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
第4実施形態のセンサー装置は、隙間形成体の構成が異なる以外は、第3実施形態のセンサー装置とほぼ同様である。なお、前述した実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
隙間形成体8Cは、電気抵抗体9の第2の部分93の両側面との間に隙間G3を形成して設けられている。本実施形態では、隙間形成体8Cは、図18に示すように、シート状または板状をなし、基板21B上に設けられている。
この隙間形成体8Cの構成材料としては、隙間形成体8Cが電気抵抗体9の一部として機能してしまうのを防止する観点から、絶縁材料を用いるのが好ましい。
このような隙間形成体8Cは、公知の成膜法により形成することができる。
以上説明したような第4実施形態に係るセンサー装置1Cによっても、コンクリート101の品質劣化を防止しつつ、測定対象物の状態を測定し、その測定結果に基づく情報を鉄筋102の腐食前の計画的または予防的な保全に活用することができる
次に、本発明の第5実施形態を説明する。
図19は、本発明の第5実施形態に係るセンサー装置を示す図である。
以下、第5実施形態について、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
第5実施形態のセンサー装置は、電気抵抗体および隙間形成体の構成が異なる以外は、第3実施形態のセンサー装置とほぼ同様である。なお、前述した実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
電気抵抗体9Dは、互いに離間して設けられたブロック状の導体94、95(第1の導体)と、導体94と導体95とを電気的に接続する長尺状の導体96(第2の導体)とを有する。
導体94、95は、Y軸方向(一方向)に沿って延在し、Y軸方向に対して垂直な方向(X軸方向)に間隔を隔てて並んで設けられている。
この導体94、95の構成材料としては、導電性を有するものであれば、特に限定されないが、導体96の構成材料と同様のものを用いるのが好ましい。
隙間形成体8Dは、一端が導体94に固着され、他端が導体95に固着されている。この固着の方法としては、特に限定されず、例えば、接着剤による固着、嵌合による固着などが挙げられる。
また、隙間形成体8Dは、四角柱状をなしている。
導体96は、1対の導体94、95の一端部(先端部)同士の間に設けられ、1対の導体94、95同士を電気的に接続している。
この導体96は、一端部が導体94に半田等により固定され、他端部が導体95に半田等により固定されている。
また、導体96にその長手方向に沿って引っ張り応力を生じさせることができる。特に、前述したように隙間形成体8Dの横断面が四角形をなしているので、隙間形成体8Dに巻回された導体96は、隙間形成体8Dの角部に対応する部分に生じる引っ張り応力を大きくすることができる。
以上説明したような第5実施形態に係るセンサー装置1Dによっても、コンクリート101の品質劣化を防止しつつ、測定対象物の状態を測定し、その測定結果に基づく情報を鉄筋102の腐食前の計画的または予防的な保全に活用することができる。
例えば、本発明のセンサー装置では、各部の構成は、同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。
また、前述した実施形態では、第1の電極および第2の電極、または、電気抵抗体が基板上に設けられた場合を例に説明したが、これに限定されず、例えば、第1の電極および第2の電極、または、電気抵抗体は、例えば、センサー装置の本体の封止樹脂で構成された部分の外表面上に設けてもよい。
また、前述した実施形態では測定情報をアクティブタグ通信により無線送信によりセンサー装置外部へ送信する場合を例に説明したが、これに限定されず、例えば、パッシブタグ通信を用いて情報をセンサー装置の外部へ送信してもよいし、有線により情報をセンサー装置の外部へ送信してもよい。
Claims (19)
- 第1の金属材料で構成された第1の電極と、
前記第1の電極に対して離間して設けられ、第2の金属材料で構成された第2の電極と、
前記第1の電極の表面の一部との間に前記第1の電極の隙間腐食を生じさせ得る隙間を形成して配置された隙間形成体と、
前記第1の電極と前記第2の電極との電位差を測定する機能を有する機能素子とを備え、
前記第1の電極の表面は、前記隙間を介して前記隙間形成体に覆われた第1の領域と、前記隙間形成体に覆われていない第2の領域とを有しており、
前記第1の領域は、前記第1の電極の一方向での一方側に偏在し、前記第2の領域は、前記第1の電極の前記一方向での他方側に偏在していることを特徴とするセンサー装置。 - 前記第2の領域の表面積は、前記第1の領域の表面積よりも大きい請求項1に記載のセンサー装置。
- 前記第1の電極は、前記一方向に沿って延在する長手形状をなす請求項1または2に記載のセンサー装置。
- 前記第1の電極および前記隙間形成体は、それぞれ、板状またはシート状をなし、互いに重ねられた状態で前記隙間形成体が前記第1の電極に対して固定されている請求項1ないし3のいずれかに記載のセンサー装置。
- 前記隙間形成体は、前記第1の金属材料と同種の金属材料で構成されている請求項1ないし4のいずれかに記載のセンサー装置。
- 前記隙間形成体は、絶縁性材料で構成されている請求項1ないし4のいずれかに記載のセンサー装置。
- 前記隙間形成体は、耐アルカリ性を有する請求項1ないし6のいずれかに記載のセンサー装置。
- 前記第1の金属材料は、前記測定部位の環境変化に伴って表面に不動態膜を形成するか、または、表面に存在した不動態膜を消失させる金属材料である請求項1ないし7のいずれかに記載のセンサー装置。
- 前記第1の金属材料は、鉄または鉄系材料である請求項8に記載のセンサー装置。
- 金属材料で構成された電気抵抗体と、
前記電気抵抗体の表面の一部との間に前記電気抵抗体の隙間腐食を生じさせ得る隙間を形成して設けられた隙間形成体と、
前記電気抵抗体の抵抗値を測定する機能を有する機能素子とを有し、
前記電気抵抗体の表面は、前記隙間を介して前記隙間形成体に覆われた第1の領域と、前記隙間形成体に覆われていない第2の領域とを有し、
前記第1の領域は、前記電気抵抗体の一方向での一方側に偏在し、前記第2の領域は、前記電気抵抗体の前記一方向での他方側に偏在していることを特徴とするセンサー装置。 - 前記第2の領域の表面積は、前記第1の領域の表面積よりも大きい請求項10に記載のセンサー装置。
- 前記電気抵抗体は、前記一方向に沿って延在し、前記一方向に対して垂直な方向に間隔を隔てて並んで設けられた1対の第1の導体と、前記1対の第1の導体の一端部同士の間に設けられ、前記1対の第1の導体同士を電気的に接続する第2の導体とを有し、
前記第1の領域は、前記第2の導体に設けられている請求項10または11に記載のセンサー装置。 - 前記隙間形成体は、前記金属材料と同種の金属材料で構成されている請求項10ないし12のいずれかに記載のセンサー装置。
- 前記隙間形成体は、絶縁性材料で構成されている請求項10ないし12のいずれかに記載のセンサー装置。
- 前記隙間形成体は、耐アルカリ性を有する請求項10ないし14のいずれかに記載のセンサー装置。
- 前記金属材料は、前記測定部位の環境変化に伴って表面に不動態膜を形成するか、または、表面に存在した不動態膜を消失させる金属材料である請求項10ないし15のいずれかに記載のセンサー装置。
- 前記金属材料は、鉄または鉄系材料である請求項16に記載のセンサー装置。
- 請求項1ないし9のいずれかに記載のセンサー装置の前記第1の電極および前記第2の電極を測定対象物内に埋設するセンサー装置の設置方法であって、
前記第1の電極を前記測定対象物内に埋設する際に、前記第1の領域側を前記第2の領域側よりも前記測定対象物の外表面側に位置するように、前記第1の電極を設置することを特徴とするセンサー装置の設置方法。 - 請求項10ないし17のいずれかに記載のセンサー装置の前記電気抵抗体を測定対象物内に埋設するセンサー装置の設置方法であって、
前記電気抵抗体を前記測定対象物内に埋設する際に、前記第1の領域側を前記第2の領域側よりも前記測定対象物の外表面側に位置するように、前記電気抵抗体を設置することを特徴とするセンサー装置の設置方法。
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