(57)【要約】【課題】目視等によって容易に確認できないプレキャストコンクリート型枠内へのコンクリートの充填状況を正確、且つ、容易に検知することができる充填検知装置を提供する。【解決手段】プレキャストコンクリート型枠内に充填されるコンクリートの構成物質の振動周波数特性を数値化した基準データを用意しておき、この基準データと実際にコンクリートを充填した際の振動周波数特性の数値化データとを比較し、その比較結果に基づいてプレキャストコンクリート型枠内におけるコンクリートの充填状況を判定する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気エネルギを機械エネルギに変換するセンサ素子に周波数が経時的に変化する電気信号を印加し、前記センサ素子を充填物に接触させた際の振動周波数特性の変化を検出する充填検知方法であって、充填物の構成物質の振動周波数特性を数値化した基準データと、実際に充填物を充填した際の振動周波数特性の数値化データとを比較し、その比較結果に基づいて充填物の充填状況を判定することを特徴とする充填検知方法。
【請求項２】
電気エネルギを機械エネルギに変換するセンサ素子と、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、充填物の構成物質の振動周波数特性を数値化した基準データを記憶した記憶手段と、実際に充填物を充填した際の振動周波数特性の数値化データと前記記憶手段の基準データとを比較し、その比較結果に基づいて前記充填物の充填状況を判定する判定手段と、前記判定手段の判定結果を表示する表示手段と、を具備することを特徴とする充填検知装置。
【請求項３】
前記センサ素子は、圧電スピーカであることを特徴とする請求項２記載の充填検知装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばプレキャストコンクリートで作られた型枠へのコンクリートの充填状況を検知する充填検知方法及び充填検知装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、建築物の構造体には、プレキャストコンクリートで作られた型枠（以下、プレキャストコンクリート型枠と呼ぶ）の内部に鉄筋を配し、コンクリートを充填する方法が採られている。
近年、デザインの多様化などからプレキャストコンクリート型枠の形状も複雑になり、その複雑な形状の末端部までコンクリートが正しく充填されているかどうかを非破壊検査で容易に検出することができる方法が望まれている。
【０００３】
従来、例えば特開平７−２６９１２０号公報、特開平１０−１９７４６７号公報又は特許第２８３６７９９号公報が開示されているが、いずれも２つの電極をプレキャストコンクリート型枠内に配置し、その２つの電極にコンクリートが接触した際に発生する電位を検出してコンクリートが充填されたことを検知するようにしたものがている。
【０００４】
また、前記の３つの方法とは別な方法として、熱電対をプレキャストコンクリート型枠内に配置し、空気とコンクリートの比熱の違いを利用して温度変化でコンクリートの充填の状態を見分けるようにしたものもある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のコンクリート充填検出方法にあっては、次のような問題があった。
すなわち、プレキャストコンクリート型枠内に設置した電極間の電位は、コンクリートに含まれる水の硬度や周囲温度の影響によって一定しないため、毎回現場で基準値をとる作業が必要となり、作業効率が良くない。
【０００６】
また、熱電対を用いて空気とコンクリートの比熱の違いを利用してコンクリートの充填状況を検出するものでは、コンクリートと気温の温度差が小さいとコンクリートの充填状況を正確に検出することができない。特に、海洋に埋設されたような建造物では内部が海水で満たされているため、温度差による検出は困難である。
【０００７】
また、モルタルと骨材の入ったコンクリートの違いを識別することができない。この理由は、現在商品化されているシステムは、両者ともモルタルの化学的物性を利用して充填を検知するものであり、コンクリートとモルタルの違いは骨材の有無であることから、骨材の存在を認識できなければコンクリートとモルタルの識別ができないからである。
【０００８】
本発明は係る事情に鑑みてなされたものであり、所定の空間例えば閉鎖空間及び開放空間であっても充填が目視等によって容易に確認できない空間内へのコンクリート等の充填物の充填状況を容易に且つ正確に検知することができる充填検知方法及び充填検知装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決する為の手段】
請求項１に係る発明の充填検知方法は、電気エネルギを機械エネルギに変換するセンサ素子に周波数が経時的に変化する電気信号を印加し、前記センサ素子を充填物に接触させた際の振動周波数特性の変化を検出する充填検知方法であって、充填物の構成物質の振動周波数特性を数値化した基準データと、実際に充填物を充填した際の振動周波数特性の数値化データとを比較し、その比較結果に基づいて充填物の充填状況を判定することを特徴とする。
【００１０】
この方法によれば、充填物の構成物質の振動周波数特性を数値化した基準データと実際に充填物を充填した際の振動周波数特性の数値化データとを比較し、その比較結果に基づいて充填物の充填状況を判定するので、例えば構造物の型枠内にコンクリートを充填する際に、コンクリートが充填されているのか、またはモルタルが充填されているのかを容易に且つ正確に識別することができる。
【００１１】
請求項２に係る発明の充填検知装置は、電気エネルギを機械エネルギに変換するセンサ素子と、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、充填物の構成物質の振動周波数特性を数値化した基準データを記憶した記憶手段と、実際に充填物を充填した際の振動周波数特性の数値化データと前記記憶手段の基準データとを比較し、その比較結果に基づいて前記充填物の充填状況を判定する判定手段と、前記判定手段の判定結果を表示する表示手段と、を具備することを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、充填物の構成物質の振動周波数特性を数値化した基準データと実際にの充填物を充填した際の振動周波数特性の数値化データとを比較し、その比較結果に基づいて充填物の充填状況を判定するので、例えば構造物の型枠内にコンクリートを充填する際に、コンクリートが充填されているのか、またはモルタルが充填されているのか等を容易に且つ正確に識別することができる。
【００１３】
請求項３に係る発明の充填検知装置は、請求項２に係る発明の充填検知装置において、前記センサ素子は、圧電スピーカであることを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、センサ素子として圧電スピーカを利用することによって、安価な充填検知装置を実現することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明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、本発明の一実施の形態に係る充填検知装置の構成を示すブロック図である。
【００１６】
この図において、本実施の形態の充填検知装置は、同期信号発生器１と、可変周波数発振器２と、増幅器３と、圧電スピーカ（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、表示部１０とを備えて構成される。
【００１７】
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、圧電スピーカ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、同期信号発生器１、可変周波数発振器２及び増幅器３は信号発生・印加手段２０を構成する。
【００１８】
圧電スピーカ４は、圧電素子を使用したものであり、電気信号を機械信号に変換して出力する。抵抗５は、増幅器３と圧電スピーカ４との間に直列に介挿され、その両端には圧電スピーカ４に流れる電流に対応する電圧が発生する。圧電スピーカ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圧電スピーカ４の周波数特性を反映したものになる。
【００１９】
差動増幅器６は、抵抗５の両端の電圧を増幅して電圧Ｖｉを出力する。４象限掛け算器７は、加振用信号Ｖｒと電圧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。なお、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は周波数特性検出手段３０を構成する。
【００２０】
判定部９は、ローパスフィルタ８から出力される信号から、圧電スピーカ４に対するプレキャストコンクリート型枠内における充填物の充填状況を判定し、その結果（良否）を表示部１０に表示する。
【００２１】
ここで、判定部９の機能の詳細を説明する前に装置の動作について説明する。さて、可変周波数発振器２にて発生した正弦波信号は増幅器３にて増幅された後、加振用電圧Ｖｒとして圧電スピーカ４に印加される。加振用電圧Ｖｒが圧電スピーカ４に印加されることによって圧電スピーカ４に機械的振動が発生し、圧電スピーカ４に流れる電流に対応する電圧が抵抗５に発生する。
【００２２】
この電圧が差動増幅器６にて増幅されて電圧Ｖｉが得られ、その電圧Ｖｉが４象限掛け算器７に入力される。一方、４象限掛け算器７には加振用電圧Ｖｒも入力されるので、この加振用電圧Ｖｒと差動増幅器６からの電圧Ｖｉとが乗算されて、これらの電圧に対するノイズが除去される。ノイズが除去された４象限掛け算器７からの出力信号は、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。
【００２３】
この出力信号Ｖｏは、加振用電圧Ｖｒの周波数変化に対する圧電スピーカ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、圧電スピーカ４の表面に充填物が接触していないと、図２に示すように、圧電スピーカ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（９．７ｋＨｚ，６．５Ｖのピーク点）。これに対して、圧電スピーカ４の周囲に例えばコンクリートが充填されると、図３に示すように、圧電スピーカ４の振動特性が変化してピーク電圧の位置と大きさが変化する（３．４ｋＨｚ，２．３Ｖのピーク点）。すなわち、ピーク電圧が殆ど無い状態になる。
【００２４】
これは、コンクリートがモルタル（セメント＋砂＋水）と粗骨材を混ぜたものであり、圧電スピーカ４に粗骨材が接触した場合にピーク電圧の無いフラットな波形になる。また、粗骨材の無いモルタルに接触した場合には、図４に示すようにピーク電圧が低周波数領域にずれ込み、またその値も低くなる（４．７ｋＨｚ，３．７Ｖのピーク点）。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、その結果を表示部１０に表示する。これにより、ユーザはコンクリートの充填を容易に判別することができる。なお、図５はプレキャストコンクリート型枠内等の空間内におけるコンクリートの充填状態を示すもので、符号４０は粗骨材、４１はモルタル、４２はコンパネである。
【００２５】
次に、上記作動原理を、数式を用いて説明する。
ここで、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）
【００２６】
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。
【００２７】
図２及び図３で示したように、プレキャストコンクリート型枠内等の空間内にコンクリートが充填されると、ピークの周波数とレベルが変化することで、その状況を検知することができる。
【００２８】
次に、判定部９の詳細について説明する。
図６は判定部９の構成を示すブロック図である。この図に示すように、判定部９は、Ａ／Ｄ（Ａｎａｌｏｇ　ｔｏ　Ｄｉｇｉｔａｌ）変換部１１と、制御部１３と、演算部１２と、記憶部１４と、判定出力部１５とを備えて構成される。Ａ／Ｄ変換部１１は、ローパスフィルタ８からの出力電圧Ｖｏをディジタル変換する。制御部１３は、信号発生・印加手段２０の可変周波数発振器２の周波数を制御する制御信号を出力する。
【００２９】
演算部１２は、制御部１３から出力される制御信号の変化タイミング（周波数変化（スイープ））に同期して周波数特性検出手段３０から出力されＡ／Ｄ変換部１１でディジタル変換された出力電圧Ｖｏを取り込み、記憶部１４に蓄積する。これにより、充填物の周波数特性を表す出力電圧Ｖｏがディジタルデータとして得られる。この場合、記憶部１４に蓄積したデータはそのままではノイズ成分を含むため、演算部１２はデータ系列内で移動平均を求めてノイズ分の除去を行い、ピーク点の誤検出を防止する。
【００３０】
また、演算部１２は、記憶部１４に蓄積された出力電圧Ｖｏのデータ系列内でピーク電圧を求める。ピーク電圧値の周波数位置は、ピーク電圧値の蓄積位置（アドレス）から得ることができる。また、ピーク電圧値を求めるに際して、判定に有効なデータ探索範囲を絞るようにしている。すなわちウィンドウ処理を行っている。この処理を行うことにより、不要データによる影響を避けることができるとともに処理速度の向上が図れる。また、ピーク点の探索方法としては、単純な大小比較ではなく、前後値の微分から傾きが正から負へ転換する点を検出し、その値を比較するようにしている。この微分処理を行うことで、高い精度でピーク点の検出ができる。
【００３１】
判定出力部１５は、演算部１２で検出されたピーク点の数値データを図７に示すピーク点の基準データと前記基準データマッピング領域のピーク電圧値範囲及びその周波数範囲で比較することで、接触する充填物を定量的に判定する。図７は各物質毎にピーク電圧値と、ピーク電圧値の周波数位置を周波数特性上でマッピングしたもので（基準データ）ある。コンクリートの場合は、ピーク電圧値は０〜２．５Ｖで、ピーク電圧値の周波数位置は３〜１３．０ｋＨｚである。モルタルの場合は、ピーク電圧値は３．０〜７．０Ｖで、ピーク電圧値の周波数位置は４．５〜５．５ｋＨｚである。水の場合は、ピーク電圧値は３．０〜９．０Ｖで、ピーク電圧値の周波数位置は５．６〜６．５ｋＨｚである。空気の場合は、ピーク電圧値は３．０〜９．０Ｖで、ピーク電圧値の周波数位置は９．０〜１１．０ｋＨｚである。
【００３２】
充填構成物質毎の周波数特性を示す数値マップ（基準データ）は、記憶部１４のメモリ１４Ａにて記憶されている。判定結果は表示部１０に入力されて、ＬＣＤ（液晶表示器）等の表示器上に視覚的に表示される。なお、メモリ１４Ａとして、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ　ａｎｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　ＲＯＭ）などの半導体メモリが挙げられる。また、外部から基準データを読み込むようにしても良い。例えばＦＤ（Ｆｌｏｐｐｙ　Ｄｉｓｋ）やＣＤＲＯＭが挙げられる。さらに、基準データをインターネット等の電気通信回線を介して読み込むようにしても良い。
【００３３】
次に、上記構成の充填検知装置の動作について、図８及び図９で示すフローチャートを参照しながら説明する。
（充填判定処理）
まず、データの取得を行い（ステップ１０）、次にノイズの除去処理（移動平均処理）を行う（ステップ１２）。ノイズの除去を行った後、ピーク電圧値及びピーク電圧値の周波数位置を検出する微分処理を行う（ステップ１４）。ピーク電圧値及びピーク電圧値の周波数位置を検出した後、充填判定処理（マッピング比較処理）を行う（ステップ１６）。
【００３４】
（マッピング比較処理）
マッピング比較処理に移行すると、まずセンサ（圧電スピーカ４）の接続の有無を判定する（ステップ３０）。この判定において、センサが接続されていない場合は、センサ未接続としてマッピング比較処理を中止して本処理を抜ける（ステップ３２）。これに対して、センサが接続されている場合は、ステップ３４に移行し、現時点で検出したピーク電圧値がコンクリート判定領域内かどうかを判定する。
【００３５】
この判定において、ピーク電圧値がコンクリート判定領域内であれば、ステップ３６でコンクリートと判定してその旨を表示部１０に表示し、コンクリート判定領域内でなければステップ３８に進み、モルタル判定領域内かどうかを判定する。この判定において、モルタル判定領域内であれば、ステップ４０でモルタルと判定してその旨を表示部１０に表示し、モルタル判定領域内でなければステップ４２に進み、水判定領域内かどうかを判定する。
【００３６】
この判定において、水判定領域内であれば、ステップ４４で水と判定してその旨を表示部１０に表示し、水判定領域内でなければステップ４６に進み、空気判定領域内かどうかを判定する。この判定において、空気判定領域内であれば、ステップ４８で空気と判定してその旨を表示部１０に表示し、空気判定領域内でなければステップ５０に進み、判定外を判定してその旨を表示部１０に表示する。ステップ４８又はステップ５０の処理を行った後、本処理を抜ける。
【００３７】
このように、本実施の形態によれば、プレキャストコンクリート型枠内に充填される充填物の構成物質の振動周波数特性を数値化した基準データを用意しておき、この基準データと実際に充填した際の振動周波数特性の数値化データとを比較し、その比較結果に基づいてプレキャストコンクリート型枠内における充填物の充填状況を判定するようにしたので、プレキャストコンクリート型枠内にコンクリートを充填する際に、コンクリートが充填されているのか、またはモルタルが充填されているのか等を容易に且つ正確に識別することができる。
また、センサ素子として圧電スピーカ４を利用することによって、安価な充填検知装置を実現することができる。
【００３８】
なお、上記実施の形態では、センサ素子を１個用いた場合であったが、これを複数個用いて同時に複数の物質を判定できるようにしても良い。
また、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周波数範囲切替器（図示略）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よい。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。
【００３９】
また、上記各実施の形態では、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への充填状況の検出について述べたが、他の木製型枠や鋼材で作られた型枠内への充填状況の検出等に使用できることは述べるまでもない。
【００４０】
【発明の効果】
請求項１に係る発明の充填検知方法によれば、充填物の構成物質の振動周波数特性を数値化した基準データと実際に充填物の充填した際の振動周波数特性の数値化データとを比較し、その比較結果に基づいて充填物の充填状況を判定するので、例えば構造物の型枠内にコンクリートを充填する際に、コンクリートが充填されているのか、またはモルタルが充填されているのか等を容易に且つ正確に識別することができる。
【００４１】
請求項２に係る発明の充填検知装置によれば、充填物の構成物質の振動周波数特性を数値化した基準データをメモリ等に記憶させておき、この基準データと実際に充填物を充填した際の振動周波数特性の数値化データとを比較し、その比較結果に基づいて所定空間内における充填物の充填状況を判定するので、例えば構造物の型枠内にコンクリートを充填する際に、コンクリートが充填されているのか、またはモルタルが充填されているのか等を容易に且つ正確に識別することができる。
【００４２】
請求項３に係る発明の充填検知装置によれば、センサ素子として圧電スピーカを利用したので、安価な充填検知装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る充填検知装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の充填検知装置での測定結果の一例を示す図で、プレキャストコンクリート型枠内にコンクリートが無い場合の出力電圧波形図である。
【図３】図１の充填検知装置での測定結果の一例を示す図で、プレキャストコンクリート型枠内にコンクリートが有る場合の出力電圧波形図である。
【図４】図１の充填検知装置での測定結果の一例を示す図で、プレキャストコンクリート型枠内にモルタルが有る場合の出力電圧波形図である。
【図５】プレキャストコンクリート型枠内のコンクリートの充填状況を示す図で、圧電スピーカに粗骨材が接触していない場合の図である。
【図６】図１の充填検知装置の判定部の構成を示すブロック図である。
【図７】図６の判定部で用いられるディジタルデータの一例を示す図である。
【図８】図１の充填検知装置の充填判定処理を示すフローチャートである。
【図９】図８の充填判定処理中のマッピング比較処理を示すフローチャートである。
【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　圧電スピーカ
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
１０　表示部
１１　Ａ／Ｄ変換部
１２　演算部
１３　制御部
１４　記憶部
１４Ａ　メモリ
１５　判定出力部
１５Ａ　メモリ
２０　信号発生・印加手段
３０　周波数特性検出手段
４０　粗骨材
４１　モルタル
４２　コンパネ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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