(57)【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所定の範囲で周波数が時間的に変化する正弦波の加振用信号を印加して検出手段に充填物が接触することによる周波数特性の時間的変化を観測する充填物検知方法であって、並列接続した固有振動数の異なる複数の前記センサ素子に前記加振用信号を印加した状態で該検出手段に充填物が接触することによる周波数特性の時間的変化を観測することで前記充填物の充填完了とその後の凝結過程を検知することを特徴とする充填物検知方法。
【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を有する検出手段と、所定の範囲で周波数が時間的に変化する正弦波の電気信号を繰り返し発生させて加振用信号を生成する加振用信号生成手段と、前記検出手段に前記加振用信号が印加されたときの該検出手段の周波数特性を反映した受信信号を出力する周波数特性反映信号出力手段と、前記周波数特性反映信号出力手段からの受信信号と前記加振用信号生成手段からの加振用信号とを乗算する乗算手段とを具備し、前記検出手段は、並列接続された固有振動数の異なる複数のセンサ素子を有することを特徴とする充填物検知装置。
【請求項３】
前記加振用信号生成手段は、加振用信号の周波数を変化させる範囲を可変する周波数範囲可変手段を具備することを特徴とする請求項２記載の充填物検知装置。
【請求項４】
前記センサ素子は、圧電素子であることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の充填物検知装置。
【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物検知方法及び装置に関する。
【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、そこへ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】
例えば、現在商品化されている方法として、例えば特開平１０−１９７４６７号公報で開示されているものがある。
図９は、同公報で開示されたコンクリート充填確認装置の構成図である。この図において、間隔をおいて設けられた電極としての一対のゲージ端子１ａ、１ｂと、ゲージ端子１ａ、１ｂ間に接続された抵抗器２とを有して成り、コンクリートの打設空間に所定の間隔をおいて配設される３つの電気抵抗センサ１と、各電気センサ１のゲージ端子１ａ、１ｂ間に一定の電圧を印加する電池３と、多点切替スイッチ４、検出計５及びパソコン６を有して成り、各電気抵抗センサ１の出力を順次電圧に変換して、各電圧値を表示する検出装置７とを備えて構成される。
【０００４】
そして、打設空間にコンクリートが打設されて各電気抵抗センサ１の配置部にコンクリートが充満すると、各電気抵抗センサ１の一対のゲージ端子１ａ、１ｂがコンクリートに接して湿潤して導通状態となるため、このゲージ端子１ａ、１ｂ間の抵抗値が変化する。そして、このときのゲージ端子１ａ、１ｂ間の抵抗値の変化が検出装置７によって検出される。これにより、この検出結果に基づいてコンクリートの充填状態を把握することができる。
【０００５】
更に別な方法として、熱電対をプレキャストコンクリート型枠内に配置して、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。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来のコンクリート充填確認装置にあっては、次のような問題があった。
すなわち、特開平１０−１９７４６７号公報で開示されたものにあっては、電極にコンクリートが接触した際の抵抗値の変化は、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（リファレンス）をとる作業が必要となる。また、センサの特性上、一度コンクリートが接触して湿潤してしまうとその後コンクリートが移動して空洞ができてもそれを検知することができない。また、その後の凝固過程までは検知することができず、型枠の脱型時期を正確に把握することができない。
【０００７】
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方法にあっては、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。
【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正確、且つ、容易に検知することができる充填物検知方法及び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に係る発明の充填物検知方法は、電気エネルギを機械エネルギに変換するセンサ素子に所定の範囲で周波数が時間的に変化する正弦波の加振用信号を印加して検出手段に充填物が接触することによる周波数特性の時間的変化を観測する充填物検知方法であって、並列接続した固有振動数の異なる複数の前記センサ素子に前記加振用信号を印加した状態で該検出手段に充填物が接触することによる周波数特性の時間的変化を観測することで前記充填物の充填完了とその後の凝結過程を検知することを特徴とする。
【００１０】
この方法によれば、電気信号を機械振動に変換するセンサ素子を正弦波の加振用信号によって加振するとともに、その周波数を任意の範囲で変化させることでセンサ素子の周波数特性を検出し、センサ素子にコンクリート等の充填物が接触することで周波数特性が変化することを利用して充填物を検知する。このセンサ素子の周波数特性の変化は、センサ素子の固有振動数付近で感度良く検出することができる。したがって、コンクリートの充填を検知するときと、コンクリートが凝結する過程を検出するときで固有振動数を変えた複数のセンサ素子によって空間内におけるコンクリート充填の検出とその凝結過程を検出することができる。
【００１１】
また、複数のセンサ素子を並列接続することから、これらのセンサ素子への配線が２本のみで済み、気温やコンクリートの温度、使用している水の硬度などに影響されることがなく、高精度にコンクリートの充填及び凝結過程を検知することができる。また、各センサ素子の振動特性は予め判っているので、現場での基準値の設定が不要である。また、センサ素子の振動周波数特性はセンサ素子に接している物質の比重や粘度などによって変化するので、この変化量を測定すれば、充填された物質が気体なのか、液体なのか、固体なのであるかを識別することが可能である。さらに、センサ素子に印加する加振用信号の周波数範囲をセンサ素子の固有振動数付近にすることで、物質の種類と状態変化を精度良く測定することができる。
【００１２】
請求項２に係る発明の充填物検知装置は、電気エネルギを機械エネルギに変換するセンサ素子を有する検出手段と、所定の範囲で周波数が時間的に変化する正弦波の電気信号を繰り返し発生させて加振用信号を生成する加振用信号生成手段と、前記検出手段に前記加振用信号が印加されたときの前記検出手段の周波数特性を反映した受信信号を出力する周波数特性反映信号出力手段と、前記周波数特性反映信号出力手段からの受信信号と前記加振用信号生成手段からの加振用信号とを乗算する乗算手段とを具備し、前記検出手段は、並列接続された固有振動数の異なる複数のセンサ素子を有することを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、固有振動数の異なる複数のセンサ素子を並列接続して成る検出手段に正弦波の加振用信号によって加振するとともに、その周波数を任意の範囲で変化させることでセンサ素子の周波数特性を検出し、センサ素子にコンクリート等の充填物が接触することで周波数特性が変化することを利用して充填物を検知する。このセンサ素子の周波数特性の変化は、センサ素子の固有振動数付近で感度良く検出することができる。また、加振用信号と受信信号を乗算することによって受信信号の振幅を精度良く検出できる。
したがって、コンクリートの充填を検知するときと、コンクリートが凝結する過程を検出するときで固有振動数を変えた複数のセンサ素子によって空間内におけるコンクリート充填の検出とその凝結過程を精度良く検出することができる。
【００１４】
請求項３に係る発明の充填物検知装置は、請求項２に係る発明の充填物検知装置において、前記加振用信号生成手段は、加振用信号の周波数を変化させる範囲を可変する周波数範囲可変手段を具備することを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、周波数範囲を可変できるので、１つの検出手段で様々な種類の充填物（空気、水、コンクリートなど）の識別が可能となる。
【００１６】
請求項４に係る発明の充填物検知装置は、請求項２から請求項３のいずれかに係る発明の充填物検知装置において、前記センサ素子は、圧電素子であることを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、センサ素子として圧電素子を利用することによって、安価な充填物検知装置を提供することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の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、本発明の実施の形態に係る充填物検知装置の構成図である。この図において、本実施の形態に係る充填物検知装置は、同期信号発生器１０と、可変周波数発振器１１と、増幅器１２と、抵抗１３と、圧電スピーカ（検出手段）１４と、差動増幅器１５と、４象限掛け算器１６と、ローパスフィルタ１７とを備えて構成される。この場合、同期信号発生器１０と可変周波数発振器１１と増幅器１２は加振用信号生成手段を構成する。また、抵抗１３と差動増幅器１５は周波数特性反映信号出力手段を構成する。また、４象限掛け算器１６は乗算手段に対応する。
【００１９】
同期信号発生器１０は、可変周波数発振器１１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１１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。すなわち、同期信号発生器１０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１２は、可変周波数発振器１１で発生された正弦波信号を、圧電スピーカ１４を駆動できるレベルまで増幅して出力（この出力を加振用信号Ｖｒと呼ぶ）する。
【００２０】
圧電スピーカ１４は圧電素子を使用して成るものであり、電気信号を機械信号に変換して出力する。ここで、図２は圧電スピーカ１４の構成図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は全体の斜視図、（ｃ）は圧電素子の側面図である。圧電スピーカ１４は、固有振動数の異なる２つの圧電素子（センサ素子）１４ａ、１４ｂと、発砲ゴム材などのダンピング材１４ｃとを有して構成され、２つの圧電素子１４ａ、１４ｂがダンピング材１４ｃを介して互いに背を向ける恰好で接合されている。
【００２１】
ダンピング材１４ｃは、２つの圧電素子１４ａ、１４ｂの振動がお互いに影響しないようにするためのものである。圧電素子１４ａ、１４ｂは、それぞれ圧電セラミックス２０と振動板２１とから構成される。圧電素子１４ａは３ｋＨｚ〜５ｋＨｚの範囲に固有振動数を持つものであり、圧電素子１４ｂは１００Ｈｚ〜２ｋＨｚの範囲に固有振動数を持つものである。また、圧電スピーカ１４の装置本体への取り付けは図３に示すようにセンサ支持部材２２によって行われる。このセンサ支持部材２２には圧電スピーカ１４を支持する１つの支持部２２ａを有している。
【００２２】
なお、図２に示す圧電スピーカ１４は、圧電素子１４ａ、１４ｂがダンピング材１４ｃを介して互いに背を向ける恰好で接合された張り合わせた形のものであるが、図４に示すように、並列に配置させた形のものも考えられる。この場合のセンサ支持部材２３には、圧電素子１４ａ、１４ｂそれぞれを支持する支持部２３ａ、２３ｂを有している。
【００２３】
図１に戻り、抵抗１３は、増幅器１２と圧電スピーカ１４との間に直列に介挿され、その両端には圧電スピーカ１４に流れる電流に対応する電圧が発生する。圧電スピーカ１４に流れる電流の振幅と位相は周波数の変化に応じて変化するので、抵抗１３の両端に現れる電圧は圧電スピーカ１４の周波数特性を反映したものになる。差動増幅器１５は、抵抗１３の両端に発生する電圧を増幅して出力（この出力を受信信号Ｖｉと呼ぶ）する。４象限掛け算器１６は、増幅器１２から出力される加振用信号Ｖｒと差動増幅器１５から出力される受信信号Ｖｉを乗算することで、これらの信号に対するノイズの影響を除去する。
【００２４】
ローパスフィルタ１７は、４象限掛け算器１６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。この出力電圧Ｖｏは加振用信号Ｖｒの周波数変化に対する圧電スピーカ１４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１４の表面に何も接触していないと、図５に示すように圧電スピーカ１４を構成する圧電素子１４ａの持つ固有振動数付近の周波数（４．７ｋＨｚ）にピークを持った電圧が現れる。そして、この状態から圧電スピーカ１４の周りにコンクリートが充填されると、圧電スピーカ１４を構成する圧電素子１４ａ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が３．３ｋＨｚに変化するとともに、振幅が小さくなる。
【００２５】
一方、圧電スピーカ１４を構成する圧電素子１４ｂは、１００Ｈｚ〜２ｋＨｚの範囲に固有振動数を持つものであるので、コンクリート充填直後は、図７に示すように約３ｋＨｚにピークを持った電圧が現れ、コンクリート凝結終了時には図８に示すようにピーク電圧の位置が約１〜２ｋＨｚに変化するとともに、振幅が小さくなる。このように、ピーク電圧の変化から容易にコンクリートの充填の完了と、その後の凝結過程を検知することができる。
【００２６】
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）
【００２７】
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、ここに受信信号Ｖｉの振幅成分も含まれる。また、ｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）の部分は、元の加振用信号Ｖｒと受信信号Ｖｉの２倍の周波数を持つ信号である。必要とする周波数特性の情報は、受信信号Ｖｉの振幅（大きさ）であるので、式（１）のｃｏｓ（β−α）のみでよい。したがって、ローパスフィルタ１７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。
【００２８】
次に、上記構成の充填物検知装置の動作について説明する。
可変周波数発振器１１により任意の範囲で周波数の変化する正弦波を発生させる。発生した正弦波信号は、増幅器１２にて増幅されて加振用電圧Ｖｒとして圧電スピーカ１４に入力されて機械的振動が発生する。圧電スピーカ１４に機械的振動が発生すると、抵抗１３の両端には圧電スピーカ１４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１５で増幅されて受信信号Ｖｉが出力される。そして、この受信信号Ｖｉと増幅器１２から出力される加振用電圧Ｖｒとが４象限掛け算器１６にて掛け合わされ、その出力がローパスフィルタ１７にてｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）成分が除去されて出力電圧Ｖｏが得られる。
【００２９】
この出力信号Ｖｏは、加振用信号の周波数変化に対する圧電スピーカ１４の周波数特性（振幅と位相）を反映した信号になり、圧電スピーカ１４の表面にコンクリートが接触していないと、圧電スピーカ１４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（図５）。そして、この状態で圧電スピーカ１４の周りにコンクリートが充填されると、圧電スピーカ１４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（図６）。そして、コンクリートが凝結すると、圧電スピーカ１４の振動特性が変化してピーク電圧の位置と大きさが更に変化する（図８）。
【００３０】
このように、本実施の形態の充填物検知装置によれば、固有振動数の異なる２つの圧電素子１４ａ、１４ｂを並列接続して成る圧電スピーカ１４に正弦波の加振用信号によって加振するとともに、その周波数を任意の範囲で変化させることで圧電素子１４ａ、１４ｂの周波数特性を検出し、圧電素子１４ａ、１４ｂにコンクリートが接触することで周波数特性が変化することを利用してコンクリートを検知する。圧電素子１４ａ、１４ｂの周波数特性の変化は、圧電素子１４ａ、１４ｂそれぞれの固有振動数付近で感度良く検出することができる。また、加振用信号Ｖｒと受信信号Ｖｉを乗算することによって受信信号Ｖｉの振幅を精度良く検出できる。
【００３１】
したがって、コンクリートの充填を検知するときと、コンクリートが凝結する過程を検出するときで固有振動数を変えた２つの圧電素子１４ａ、１４ｂによって空間内におけるコンクリート充填の検出とその凝結過程を精度良く検出することができる。
【００３２】
また、本実施の形態では、圧電スピーカ１４を構成する２つの圧電素子１４ａ、１４ｂを並列接続することから、これらの圧電素子１４ａ、１４ｂへの配線が２本のみで済み、気温やコンクリートの温度、使用している水の硬度などに影響されることがなく、高精度にコンクリートの充填及び凝結過程を検知することができる。また、圧電素子１４ａ、１４ｂそれぞれの振動特性は予め判っているので、現場での基準値の設定が不要である。また、圧電素子１４ａ、１４ｂは安価であり、また増幅器１２、１３や４象限掛け算器１６も安価であることから、装置のコストダウンが図れる。
【００３３】
また、圧電素子１４ａ、１４ｂの振動周波数特性はこれらに接している物質の比重や粘度などによって変化するので、この変化量を測定すれば、充填された物質が気体なのか、液体なのか、固体なのであるかを識別することが可能である。
さらに、圧電素子１４ａ、１４ｂに印加する加振用信号Ｖｒの周波数範囲を圧電素子１４ａ、１４ｂの固有振動数付近にすることで、物質の種類と状態変化を精度良く測定することができる。
【００３４】
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周波数範囲切替器（図示略、周波数範囲可変手段に対応する）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１１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。
【００３５】
また、上記実施の形態では、２つの圧電素子１４ａ、１４ｂを用いたが、この個数に限定されるものではなく、３個以上であっても良い。勿論、それぞれの固有振動数が異なることは述べるまでもない。
また、上記実施の形態では、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、他の木製型枠や鋼板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。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、固有振動数の異なる複数のセンサ素子を並列接続し、それぞれを正弦波の加振用信号によって加振するとともに、その周波数を任意の範囲で変化させてそれぞれの周波数特性を検出し、それぞれに充填物が接触することで周波数特性が変化することを利用して、コンクリート等の充填物を検知するようにしたので、空間内におけるコンクリート等の充填物の充填検出とその凝結過程を精度良く検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る充填物検知装置の構成図である。
【図２】図１の充填物検知装置に用いられる圧電スピーカの構成図である。
【図３】図１の充填物検知装置に用いられる圧電スピーカと圧電スピーカの装置本体への取り付けを行うセンサ支持部材を示す図である。
【図４】図１の充填物検知装置に用いられる圧電スピーカと圧電スピーカの装置本体への取り付けを行うセンサ支持部材の他の例を示す図である。
【図５】図１の充填物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６】図１の充填物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充填された場合の出力電圧波形図である。
【図７】図１の充填物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充填された直後の出力電圧波形図である。
【図８】図１の充填物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充填されたコンクリートの凝結終了後の出力電圧波形図である。
【図９】従来のコンクリート充填確認装置の構成図である。
【符号の説明】
１０  同期信号発生器
１１  可変周波数発振器
１２  増幅器
１３  抵抗
１４  圧電スピーカ（検出手段）
１４ａ、１４ｂ  圧電素子（センサ素子）
１４ｃ  ダンピング材
１５  差動増幅器
１６  ４象限掛け算器
１７  ローパスフィルタ
２０  圧電セラミックス
２１  振動板
２２、２３  センサ支持部材
【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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