(57)【要約】【課題】複雑な波形分析の必要がなく、安価に製造可能な土中水位検出装置を提供する。【解決手段】透水性を有する管状中空体の内部に移動可能な状態で浮水部を収容し、当該浮水部に超音波送信部を設置する。さらに管状中空体の蓋側には超音波受信部を設置することで、対向型の超音波送受信システムを構成する。土中に挿入された管状中空体内部への浸水時には、浮水部が浮くことにより超音波送信部が上昇し、超音波送受信の所要時間が変化する。すなわち土中水位に応じて超音波送受信の所要時間が変化するため、所要時間の測定に基づき土中水位を決定することが可能となる。【選択図】図１ａ
2017067554.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透水性を有する管状中空体と、
前記管状中空体の一端側に設置された超音波受信部と、
前記管状中空体の内部に移動可能に収容され、該管状中空体内部への浸水時には所定の向きで浮水するよう構成された浮水部、に設置された超音波送信部と
を備え、
前記管状中空体の他端を土中側に向けて該管状中空体の少なくとも一部を土中に挿入した状態で、前記超音波送信部から前記超音波受信部へと超音波を送信することにより、土中水位に応じた所要時間で超音波の送受信を行うよう構成された、
土中水位検出装置。
【請求項２】
前記浮水部は、水より小さい比重を有する浮水体の一端側に、該浮水体よりも大きい比重を有する質量体を設置してなり、該浮水体における該一端側とは逆の一端側に前記超音波送信部が設置された、請求項１に記載の土中水位検出装置。
【請求項３】
前記超音波送信部は無指向性の超音波を発信するよう構成された、請求項１又は２に記載の土中水位検出装置。
【請求項４】
前記管状中空体内部への土の流入を阻害する土流入阻害シートにより該管状中空体の側壁が覆われた、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の土中水位検出装置。
【請求項５】
前記管状中空体の前記一端側には超音波送受信制御部が設置され、
前記超音波送受信制御部は、
前記超音波送信部に対して超音波送信命令を送信し、
前記超音波受信部から超音波の受信を示す信号を受信する
よう構成された、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の土中水位検出装置。
【請求項６】
前記超音波送受信制御部はさらに、前記超音波送信命令を送信した時刻と、前記超音波の受信を示す信号を受信した時刻と、の時間間隔に基づいて前記土中水位を決定するよう構成された、請求項５に記載の土中水位検出装置。
【請求項７】
前記超音波送受信制御部に接続された通信装置を更に備え、前記決定された前記土中水位を該通信装置により外部へと送信するよう更に構成された、請求項６に記載の土中水位検出装置。
【請求項８】
前記超音波送受信制御部と前記超音波送信部とが前記管状中空体内部で有線接続される、請求項５乃至７のいずれか一項に記載の土中水位検出装置。
【請求項９】
前記管状中空体の外周部には、前記超音波送受信制御部と接続された一次コイルが巻回され、
前記浮水部の外周部には、前記超音波送信部と接続された二次コイルが巻回され、
前記超音波送受信制御部から該一次コイルに電流を流すことにより前記二次コイル内に誘導起電力を発生させ、該誘導起電力によって前記超音波送信部への前記超音波送信命令の送信が行われるよう構成された、
請求項５乃至７のいずれか一項に記載の土中水位検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、山肌、丘陵の斜面等、土中に溜まる水の水位を超音波により検出する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
大雨が降る等して地表下の土中に水が溜まると、斜面での土砂崩れにより近隣に大きな被害をもたらす恐れがある。特に、砂状の層と粘土層のように、土中で水の浸透率に差ができる箇所に水は溜まりやすく、層間の界面から土砂崩れが発生することが多い。土砂崩れを予測し、未然に避難して被害を防ぐためには、土中の水分量や水位を検出することが有効である。
【０００３】
土中の水分量や水位を検出して斜面崩壊を予知するためのシステムとして、特許文献１に記載の斜面崩壊予知システムが挙げられる。このシステムにおいては、管状の超音波導波管の密封された一端側に超音波送受信素子を取り付けた土中水分水位検出装置が用いられている。超音波導波管の開口された他端を下に向けた状態で土中水分水位検出装置を土中に挿入し、超音波送受信素子から発信した超音波が他端の土表面又は水面で反射されてなる反射波を検出して波形分析等することにより、土中の水分量や水位が検出されている。
【０００４】
その他にも、超音波の反射を利用して土中水位、埋没物の長さ、マンホール内の水位等の検出を行う方式が多数提案されている（特許文献２〜６，非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−４７６７６号公報
【特許文献２】特開２００８−２５６３７５号公報
【特許文献３】特開２０１１−５８９９６号公報
【特許文献４】特開２０１３−１６０６８３号公報
【特許文献５】特開２０１５−５９３４６号公報
【特許文献６】特開２００２−３６５２０１号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】平岡伸隆、他６名、「超音波土中水分量測定における反射強度と体積含水率の相関性に関する研究」、歴史都市防災論文集、立命館大学  歴史都市防災研究所、２０１４年７月、vol.8、pp.131-138
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１等が開示する従来の土中水分水位検出方式は反射型の超音波送受信システムを用いているため、超音波送信素子より発信された超音波が土表面又は水面に到達する前に超音波導波管の内壁で反射し、その内壁反射波成分が、本来受信すべき土表面又は水面からの反射波成分よりも先に超音波受信素子へと到達することにより、土中水分や土中水位を決定するための波形分析が複雑化する恐れがある（特許文献１の導波管には空気排出孔が形成されているため、特にその恐れが高い。）。超音波導波管が重力方向に対して斜め向きで土中に挿入されている場合にも、超音波は土表面又は水面から斜め向きで反射されて内壁で反射するため同様の問題が起こる。
【０００８】
上記内壁反射を避けるためには、指向性に優れたビーム状の超音波を送信する超音波素子を用いることが有効であるようにも思えるが、ビーム状の超音波を用いた場合であっても、土表面又は水面からの反射波においては、土中の粒子径、粒子形状の不均一さや水に土粒子が混じっていること等に起因して波形に乱れが生じると考えられ（ビーム径が小さい場合、反射位置における土粒子の形状に応じて入射方向とは全く違う方向に超音波が反射される恐れもある。）、やはり波形分析は複雑化する恐れがある。
【０００９】
そこで本発明は、反射型の超音波送受信システムを用いることに起因する上記波形分析の複雑化という問題を起こすことなく動作可能な土中水位検出装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明は、透水性を有する管状中空体と、管状中空体の一端側に設置された超音波受信部と、管状中空体の内部に移動可能に収容され、管状中空体内部への浸水時には所定の向きで浮水するよう構成された浮水部、に設置された超音波送信部とを備え、管状中空体の他端を土中側に向けて管状中空体の少なくとも一部を土中に挿入した状態で、超音波送信部から超音波受信部へと超音波を送信することにより、土中水位に応じた所要時間で超音波の送受信を行うよう構成された、土中水位検出装置を提供する。
【００１１】
本発明の土中水位検出装置は、先行技術が用いていた反射型の超音波送受信システムではなく対向型の超音波送受信システムを利用している。この場合、浮水体に設置されたことにより土中水位に応じて位置（管状中空体の土中側に向けられた他端からの高さ）が変化する超音波送信部から送信された超音波が、仮に管状中空体の側壁内側で反射されるとしても、そのような内壁反射波成分が超音波受信部に到達するよりも先に、超音波送信部から超音波受信部への最短経路を反射されずに進行する非内壁反射波成分が超音波受信部へと到達する。したがって、超音波送信部による超音波送信から超音波受信部による最初の超音波受信までの所要時間に基づき、複雑な波形分析を行うことなく超音波送信部と超音波受信部との間の距離を決定し、これに対応する土中水位を決定することが可能となる。管状中空体の挿入される向きが、仮に重力方向から傾いていたとしても、上記最短経路を反射されずに超音波が進行することには変わりがなく、本発明の土中水位検出装置は実施可能である（傾きセンサによって傾きの大きさを検出し、上記決定された超音波送信部と超音波受信部との間の距離を重力方向の距離成分に変換する等、適宜補正を行う。）。
【００１２】
なお、本件明細書、特許請求の範囲等において「水」という用語が意味する範囲は純水に限られるわけではなく、泥水等、任意の不純物が混じったものも「水」の範囲に含まれることに留意されたい（「水位」、「浮水部」等、他の語と組み合わせて用いられる場合も同様。）。本件明細書、特許請求の範囲等において用いられる「土」という用語についても同様であり、丘陵、山、谷等、任意の地形表面を覆う、又は地形内部に含まれる任意の物質や砂等が「土」の範囲に含まれることに留意されたい（他の語と組み合わせて用いられる場合も同様。）。
【００１３】
上記本発明の土中水位検出装置においては、上記浮水部を、水より小さい比重を有する浮水体の一端側に、浮水体よりも大きい比重を有する質量体を設置してなるものとし、浮水体における上記一端側とは逆の一端側に超音波送信部を設置することができる。ただし、浮水部の構成、及び超音波送信部の設置態様はこれに限られるわけではなく、例えば質量密度がその内部で一方向に向かって増大するような素材から浮水体を作製し（単位体積当たりの孔の数が一方向に向かって減少するような多孔質素材等）、浮水体における質量密度が低い方の一端側に超音波送信部を設置すること等が可能である。
【００１４】
上記本発明の土中水位検出装置においては、超音波送信部を、無指向性の超音波を発信するよう構成することができる。既に述べたとおり、本発明の土中水位検出装置においては、超音波が管状中空体の内壁で反射する場合であっても、その影響を受けることなく土中水位を決定することが可能である。したがって、超音波送信部としては指向性に優れた超音波送信部を用いる必要がなく、無指向性（超音波送信部から見た方向によって超音波の強度が大きく変わらない）の超音波送信部を用いることさえ可能である。
【００１５】
上記本発明の土中水位検出装置においては、管状中空体内部への土の流入を阻害する土流入阻害シートにより管状中空体の側壁が覆うことが好ましい。透水性を有する管状中空体の一例としては、後に実施例を用いて説明するとおり浸水孔が側壁に開けられた管状中空体が用いられるが、浸水孔が大きい場合には土が管状中空体内部に流入する恐れがある。したがって、不織布等からなる土流入阻害シートによって管状中空体の側壁を覆い、土の流入を防ぐことが好ましい。浸水孔を管状中空体の底面にも開ける場合は、当該底面も土流入阻害シートで覆うことが好ましい。
【００１６】
上記本発明の土中水位検出装置においては、管状中空体の一端側に超音波送受信制御部を設置し、超音波送受信制御部が、超音波送信部に対して超音波送信命令を送信し、超音波受信部から超音波の受信を示す信号を受信するよう構成することができる。このような超音波送受信制御部によって超音波の送受信を制御することにより、超音波の送信時刻、受信時刻を一元的に管理して超音波送受信の所要時間及び土中水位を決定することが可能となる。ただし、超音波送信命令の送信と、超音波の受信を示す信号の受信を別個の回路で行って、それら回路から送信時刻、受信時刻をそれぞれ受信した任意の計算回路で超音波送受信の所要時間及び土中水位を決定する等、任意の別の構成によっても本発明の土中水位検出装置を実施可能である。
【００１７】
上記超音波送受信制御部はさらに、超音波送信命令を送信した時刻と、超音波の受信を示す信号を受信した時刻と、の時間間隔に基づいて土中水位を決定するよう構成されたものとすることができる。このような構成は、超音波送受信制御部により、超音波送受信の制御だけでなく、送受信の所要時間に対応する土中水位の決定も行う実施態様に対応する。そのような構成の土中水位検出装置においては、超音波送受信制御部に接続された通信装置を更に備え、上記決定された土中水位を通信装置により外部へと送信するよう更に構成することができる。
【００１８】
超音波送受信制御部が設置される本発明の土中水位検出装置においては、当該超音波送受信制御部と超音波送信部とを管状中空体内部で有線接続することができる。一例においては、超音波送受信制御部から超音波送信部を構成する圧電素子（圧電セラミックス等）に対して有線で電気信号（超音波送信命令）を供給することで当該圧電素子に電圧を印加し、圧電効果により超音波を発生させることができる。ただし、このような有線接続は必須ではなく、例えば超音波送受信制御部と超音波送信部とを無線接続して超音波送受信制御部から超音波送信部へと超音波送信命令を無線送信し、これを受信した超音波送信部が、それに含まれる任意の制御回路等から圧電素子に電圧を印加して超音波を発生させる等の態様でも本発明を実施可能である。
【００１９】
超音波送受信制御部が設置される本発明の土中水位検出装置においては、管状中空体の外周部に、超音波送受信制御部と接続された一次コイルを巻回し、浮水部の外周部に、超音波送信部と接続された二次コイルを巻回し、超音波送受信制御部から一次コイルに電流を流すことにより二次コイル内に誘導起電力を発生させ、誘導起電力によって超音波送信部への超音波送信命令の送信が行われるよう構成することが可能である。このような電磁誘導方式によって超音波送信部の超音波素子（圧電セラミックス等）に電圧を印加し超音波を発生させる等の態様でも本発明を実施可能である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の教示する土中水位検出装置においては反射型ではなく対向型の超音波送受信システムを用いており、管状中空体の側壁内部における超音波の反射の有無にかかわらず、最初の超音波受信までの所要時間に基づき複雑な波形解析を要することなく土中水位を決定することができる。内壁反射を防止する必要がないため、本発明の土中水位検出装置に用いる超音波素子は指向性に優れている必要がなく、一例においては無指向性の超音波素子さえ用いることが可能である。従来のような制約を受けずに超音波素子を選択可能であることから、本発明の土中水位検出装置は従来の検出装置よりも安価に製造可能である。土中水位検出装置は斜面に数メートル間隔で埋め込んで用いることがあり、用いる検出装置が多数となることもあるが、そのような場合には特に大きなコスト削減効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１ａ】本発明の一実施態様である土中水位検出装置の構成図。
【図１ｂ】図１ａの土中水位検出装置中、蓋部内に配置される各種素子、回路間の、及びそれらと外部要素との間での命令等のやり取りを説明するための図。
【図２ａ】管状中空体に浸水がないときの、超音波送信素子と超音波受信素子との距離を示す図。
【図２ｂ】管状中空体に浸水があるときの、超音波送信素子と超音波受信素子との距離を示す図。
【図３ａ】本発明の土中水位検出装置に通信基板を接続し、決定された土中水位を外部へと送信するときの構成を表わす図。
【図３ｂ】通信基板内部の回路構成の概略図。
【図４ａ】本発明者が試作した土中水位検出装置の分解写真。
【図４ｂ】図４ａの土中水位検出装置中、蓋部内に収納される回路基板の写真。
【図５】図１ａの土中水位検出装置を用いて土中水位を検出する時の使用態様を表わす図。
【図６ａ】本発明の別の一実施態様である土中水位検出装置が利用する、電磁誘導方式を説明するための図。
【図６ｂ】電磁誘導方式を利用する土中水位検出装置の外部構成図。管状中空体内部の構成要素は示していない。
【図６ｃ】電磁誘導方式を利用する土中水位検出装置の内部構成図（浮水体９の近傍のみ）。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
これより図面を用いて、本発明に係る土中水位検出装置の構成、動作を説明する。ただし、本発明に係る土中水位検出装置の構成、動作は、各図面を用いて説明される特定の具体的構成へと限定されるわけではなく、本発明の範囲内で適宜変更可能である。例えば、図１ａ等に示される出力回路は、検出された土中水位を、通信基板等を介して外部送信しない場合は不要であるし、同じく図１ａ等に示される管状中空体２において、土中に挿入される側の端部は開口されていても閉じられていても構わない。蓋部内の各回路や通信基板の電源を何処から取るかも任意であり、例えば蓋部と通信基板の各々にバッテリを配置して各回路に接続すれば、通信基板から土中水位検出装置へと給電する必要もない。
【実施例１】
【００２３】
土中水位検出装置の構成
図１ａに、本発明の一実施態様である土中水位検出装置１の構成図を示す。なお図１ａでは、管状中空体２や蓋部３の内部の各要素も示しているが、これらは土中水位検出装置１の外からは通常不可視である。土中水位検出装置１においては、管状中空体２の一端が蓋部３で閉じられており、蓋部３内には超音波受信素子４，超音波送受信制御回路５，出力回路６が配置されている。出力回路６は通信線１１を介して外部の通信基板（後述の図３ａ中、通信基板１３）と接続されており、土中水位検出装置１により決定された、土中水位を示すデータを外部送信するよう構成されている。管状中空体２及び蓋部３はプラスチックや金属等、任意の素材から形成することができ、管状中空体２の側壁には、透水性を得るために浸水孔２ａが開けられている。土の流入を防ぎつつ十分な透水性を確保するためには、小さな浸水孔２ａを複数設けることが好ましい。浸水孔２ａは空気孔の役割も果たす。また蓋部３内の各要素が水に濡れることを防ぐべく、発泡スチロール等の防水材１２によって蓋部３の底面（管状中空体２内部に面した側の底面）を覆うことが好ましい。
【００２４】
管状中空体２の内部は空洞となっており、水よりも比重の小さい発泡スチロール等からなる浮水体９が収容されている。浮水体９は管状中空体２の内部に固定されておらず、管状中空体２内部への浸水時には浸水した水に浮くよう構成されている。特に、浮水体９の一端側に浮水体９よりも大きい比重を有する質量体１０（金属等、任意の素材から形成される。）を設置することにより（図１ａの例では質量体１０が浮水体９内部に埋め込まれている。）、管状中空体２内部への浸水時には、質量体１０とは逆側の一端が蓋３の方向を向いて浮水するよう、浮水体９が構成されている。
【００２５】
浮水体９における、質量体１０とは逆の一端側には、超音波送信素子８が設置されている。超音波送信素子８は超音波送受信制御回路５と配線７により接続されており（電圧を印加する導線であり、プラス・マイナス極性に対応する２本からなる。）、超音波送受信制御回路５から送信された超音波送信命令に応答して超音波を発生させる。超音波送信素子８は、圧電セラミックス等の圧電素子に電極を取り付け、また任意で振動制御用の素子や指向性制御用の素子等を取り付けてなり、超音波送信命令（本実施例においては超音波送受信制御回路５から供給される交流電圧）により圧電素子に交流電圧が印加されることで超音波が発生する。超音波受信素子４も同様に圧電素子、電極等を含んで構成され、超音波送信素子８から発生した超音波により圧電素子が振動することで電圧信号を発生させる。この電圧信号が、超音波の受信を示す信号として超音波送受信制御回路５により受信される。
【００２６】
図１ａの土中水位検出装置１中、蓋部３内に配置される各種素子、回路間の、及びそれらと外部要素との間での命令等のやり取りを図１ｂに概念的に示す。超音波送信部制御回路５は、超音波送信素子８に対して交流電圧を出力する（交流電圧の出力制御は、例えば超音波送受信制御回路５自体に予め記憶されたプログラムに従って所定時間間隔で出力を行うという制御であってもよいし、あるいは外部から交流電圧出力命令を受信し、これに応答して超音波送受信制御回路５が交流電圧を出力するという制御であってもよい。）。既に述べたとおり、超音波送信素子８は、この交流電圧に応答して超音波を発生させる。発生した超音波により超音波受信素子４の圧電素子が振動することで電圧信号が発生し、この電圧信号が超音波送受信制御回路５により受信される。
【００２７】
超音波送受信制御回路５は、超音波送信素子８が超音波を発生させた時刻（例えば、超音波送受信制御回路５が超音波送信素子８に対して交流電圧の出力を開始した時刻。配線７を伝達することによる遅延や、超音波送信素子８の応答速度等に応じて種々の補正を加えてもよい。この時刻は超音波送受信制御回路５内のメモリに記憶される。）と、超音波受信素子４が超音波を受信した時刻（例えば、超音波送受信制御回路５が超音波受信素子４から最初に電圧信号を受信した時刻。超音波受信素子４と超音波送受信制御回路５の間での信号伝達の遅延や、超音波受信素子４の応答速度等に応じて種々の補正を加えてもよい。この時刻も超音波送受信制御回路５内のメモリに記憶される。）と、から超音波の送信と受信との間の時間間隔を決定し、この時間間隔から土中水位を決定する。一例においては、
（１ａ）図２ａに示すとおり管状中空体２への浸水がなく、質量体１０とは逆側の一端が蓋３の方向を向いた状態で浮水体９が管状中空体２の底に位置する時の、超音波受信素子４と超音波送信素子８との間の距離をＬ1とする（予め計測しておく。）。
（２ａ）図２ｂに示すとおり管状中空体２への浸水が起こっている状態で、超音波送受信制御回路５が超音波送信素子８に対して交流電圧の出力を開始した時刻ｔ1と、超音波送受信制御回路５が超音波受信素子４から最初に電圧信号を受信した時刻ｔ2と、の間の時間間隔（ｔ2−ｔ1）に空気中の超音波速度の大きさＶｓを乗じて得られる（ｔ2−ｔ1）Ｖｓを、超音波受信素子４と超音波送信素子８との間の距離Ｌ2とする。
（３ａ）浮水体９を水に浮かべた時に水面下に位置する高さ（予め計測しておく。）をＬ0とする。
（４ａ）土中水位＝Ｌ1−Ｌ2＋Ｌ0により土中水位を決定する。
という手順で土中水位を決定する。
【００２８】
なお、防水材１２が発泡スチロール等で構成される場合には防水材１２内での超音波速度の大きさが空気中の超音波速度Ｖｓの大きさとは異なる場合があるので、手順（２ａ）においては超音波速度の大きさの差に起因して生じる超音波送受信の所要時間の短縮又は遅延による影響を（ｔ2−ｔ1）から差し引いた上でＶｓを乗じることにより距離Ｌ2を得ることが好ましい。
【００２９】
上記（１ａ）〜（４ａ）とは異なる手順で土中水位を決定する方法としては、
（１ｂ）図２ａに示すとおり管状中空体２への浸水がなく、質量体１０とは逆側の一端が蓋３の方向を向いた状態で浮水体９が管状中空体２の底に位置する状態で、超音波送受信制御回路５が超音波送信素子８に対して交流電圧の出力を開始した時刻ｔ1と、超音波送受信制御回路５が超音波受信素子４から最初に電圧信号を受信した時刻ｔ2と、の間の時間間隔（ｔ2−ｔ1）を第１の所要時間Ｔ1とする（予め計測しておく。）。
（２ｂ）図２ｂに示すとおり管状中空体２への浸水が起こっている状態で、超音波送受信制御回路５が超音波送信素子８に対して交流電圧の出力を開始した時刻ｔ3と、超音波送受信制御回路５が超音波受信素子４から最初に電圧信号を受信した時刻ｔ4と、の間の時間間隔（ｔ4−ｔ3）を第２の所要時間Ｔ2とする。
（３ｂ）超音波送受信の所要時間差である（Ｔ1−Ｔ2）に空気中の超音波速度の大きさＶｓを乗じて得られる（Ｔ1−Ｔ2）Ｖｓだけ、浸水により浮水体９が上昇したとみなし、浮水体９を水に浮かべた時に水面下に位置する高さ（予め計測しておく。）Ｌ0を加えて、
土中水位＝（Ｔ1−Ｔ2）Ｖｓ＋Ｌ0と決定する。
という手順でも土中水位を決定できる。
【００３０】
決定された土中水位を示すデータは、超音波送受信制御回路５から出力回路６へと送信され、適宜出力回路内のメモリに保存される等する。図３ａ，図３ｂに示すとおり、出力回路６は、その通信インタフェース（不図示）から通信基板１３へと、通信線１１を介して土中水位データを送信する。通信基板１３は防水箱内に設置されており、通信インタフェース１５を介して受信した土中水位データを、通信回路１６において適切なデータ形式へと変換しＺｉｇＢｅｅ（登録商標）等の通信規格に従ってアンテナ１７から外部計算機１４へと送信する。外部計算機１４は、各々が別個の土中水位検出装置に接続された複数の通信基板から土中水位データを受信し、各土中水位検出装置からの土中水位データを、自己のメモリやハードディスク等、任意の記憶装置に蓄積する。超音波送受信制御回路５が通信基板１３から電力供給を受ける態様においては、図３ｂに示すとおり通信基板１３の電源系回路１８から通信インタフェース１５を介して出力回路６へと、通信線１１を介して電力が供給され（ＰＬＣ：電力線通信）、出力回路６に備えられた電源系回路（不図示）から超音波送受信制御回路５へと電力が供給される。なお、超音波受信素子４，超音波送受信制御回路５，出力回路６間における各種送受信は、蓋３内の回路基盤上に形成された配線を通じて行われる（後述の図４ｂ参照）。
【００３１】
図４ａに、本発明者が試作した土中水位検出装置１の分解写真を示す。管状中空体２は全長約５００ｍｍ、円形の底面直径が約６０ｍｍであり、浮水体９は高さ約５０ｍｍ，円形の底面直径は約４０ｍｍであり、蓋部３内には約５０ｍｍ四方の回路基板（図４ｂ）が収納されている。なお、管状中空体２の周囲は透水性を有する不織布からなる土流入阻害シート１９で覆われており、これにより管状中空体２内部への土の流入を防止する。
【００３２】
図４ａの土中水位検出装置中、蓋部３内に収納される回路基板の写真を図４ｂに示す。基板の中央に超音波受信素子４が配置され、その周囲に配置される、プロセッサや、プログラムを記録したメモリ等の回路素子により超音波送受信制御回路５，出力回路６が構成されている。配線７は電圧を印加するための導線であり、超音波送信素子８に交流電圧を出力することで超音波を発生させる。通信基板１３との通信は通信線１１を介して行う。
【００３３】
土中水位検出装置の動作
次に、土中水位検出装置１による土中水位の検出動作を説明する。図５に示すとおり、斜面等、任意の地形を構成する土２０を掘削して土中水位検出装置１を挿入する。土中水位検出装置１の全体を挿入し、蓋部３の上面に穴を開ける等して通信線１１を土中から引き出すことも可能ではあるが、通常は図５のとおり土中水位検出装置１の一部のみが土中に位置するよう部分的な挿入とする。
【００３４】
雨の影響等により地下水が土中に溜まると、浸水孔２ａを介して管状中空体２内部への浸水が起こる。土中水位面２１と同じ水位まで、管状中空体２内部には水２２が溜まる。浮水体９は、超音波送信素子８を蓋３側へと向けた状態で水２２に浮く。
【００３５】
既に述べたとおり、超音波送受信制御回路５が、それ自体に予め記憶されたプログラムに従って、あるいは外部から交流電圧出力命令を受信して、超音波送信素子８へと交流電圧を出力する。これに応答して超音波送信素子８は超音波２３を発生させ、超音波受信素子４がこの超音波２３を受信し、圧電効果により電圧を発生させる。この電圧信号が超音波送受信制御回路５によって受信される。
【００３６】
超音波送受信制御回路５は、上述の（１ａ）〜（４ａ）や（１ｂ）〜（３ｂ）の手順で、超音波送信素子８へと交流電圧を出力した時刻と超音波受信素子４から電圧信号を受信した時刻を用いる等して土中水位を決定する。決定された土中水位を示すデータは超音波送受信制御回路５から出力回路６へと送信され、通信基板１３へと送信される。通信基板１３は適切なデータ形式、通信規格に従って土中水位データを外部計算機１４へと送信する。
【実施例２】
【００３７】
超音波送受信制御回路５から超音波送信素子８への、超音波送信命令の送信は、上述の配線７を介した交流電圧出力によるもの以外の態様でも行うことが可能である。一例として、非接触の電磁誘導方式による超音波送信命令の送信を図６ａに示す回路方式で行うことができる。超音波送受信制御回路５と超音波送信素子８は、それぞれ一次コイル２４と二次コイル２５に接続されている。超音波送受信制御回路５から一次コイル２４に交流電流を流すと相互誘導により二次コイル２５に誘導起電力が発生する。
【００３８】
図６ｂに、電磁誘導方式を利用する場合の土中水位検出装置１の外部構成図を示す。超音波送受信制御回路５は、図１ａ等に示す配線７ではなく一次コイル２４に接続されており、一次コイル２４は管状中空体２の外周部で巻回されている。また図６ｃに、電磁誘導方式を利用する場合の土中水位検出装置１の内部構成図（浮水体９の近傍のみ）を示す。超音波送信素子８は、配線７ではなく、二次コイル２５に接続されており、二次コイル２５は浮水体９の外周部で巻回されている。超音波送受信制御回路５から一次コイル２４に交流電流を流すことで管状中空体２内部、すなわち二次コイル２５内に磁場が発生し、磁場の時間変化に応答して二次コイル２５に誘導起電力が発生し、これにより超音波送信素子８に交流電圧が印加されることで超音波が発生する。図６ｂ，図６ｃに示す土中水位検出装置１における、配線７の代わりに一次コイル２４，二次コイル２５を用いる以外の構成は、実施例１で説明した図１ａ等に示す土中水位検出装置１の構成と同様であってよく、図６ｂ，図６ｃに示す土中水位検出装置も、電磁誘導方式を用いる点以外は実施例１で説明した動作と同様の原理で動作可能である（超音波の送信時刻としては、超音波送受信制御回路５から一次コイル２４に対して交流電流の出力を開始した時刻（適宜遅延に対する補正を行ってよい。）を用いることができ、超音波の受信時刻としては、実施例１と同様に、超音波送受信制御回路５が超音波受信素子４から最初に電圧信号を受信した時刻（適宜遅延に対する補正を行ってよい。）を用いることができる。）。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は防災分野において、特に土中に水が溜まって土砂崩れの危険があることを検出し、被害を未然に防ぐために利用可能である。また本発明は、純粋な地中調査として等、任意の目的で土中水位を検出するために利用可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１          土中水位検出装置
２          管状中空体
２ａ        浸水孔
３          蓋部
４          超音波受信素子
５          超音波送受信制御回路
６          出力回路
７          配線
８          超音波送信素子
９          浮水体
１０        質量体
１１        通信線
１２        防水材
１３        通信基板
１４        外部計算機
１５        通信インタフェース
１６        通信回路
１７        アンテナ
１８        電源系回路
１９        土流入阻害シート
２０        土
２１        土中水位面
２２        水
２３        超音波
２４        一次コイル
２５        二次コイル
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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