センサー装置および測定方法
【課題】広いｐＨの範囲において、測定対象物のｐＨ変化を長期間測定することができるセンサー装置および測定方法を提供すること。
【解決手段】本発明のセンサー装置１は、不動態膜を形成する金属材料で構成された測定用電極３と、測定用電極３に対して離間して設けられた参照用電極４と、測定用電極３を覆うように設けられ、不動態膜と同一の材料で構成され、イオンに対する感応性を有する感応膜８と、参照用電極４を覆うように設けられ、イオンに対する感応性を実質的に有しない非感応膜９とを有し、ｐＨの変化に伴って測定用電極３と参照用電極４との電位差が変化する。
【解決手段】本発明のセンサー装置１は、不動態膜を形成する金属材料で構成された測定用電極３と、測定用電極３に対して離間して設けられた参照用電極４と、測定用電極３を覆うように設けられ、不動態膜と同一の材料で構成され、イオンに対する感応性を有する感応膜８と、参照用電極４を覆うように設けられ、イオンに対する感応性を実質的に有しない非感応膜９とを有し、ｐＨの変化に伴って測定用電極３と参照用電極４との電位差が変化する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサー装置および測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
センサー装置としては、例えば、コンクリート中の鉄筋の腐蝕状態を測定するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
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していくため、鉄筋が腐食することとなる。
【０００３】
そこで、例えば、特許文献１に係るセンサー装置では、コンクリート構造物中の鉄筋と同種材料からなる細線をコンクリート構造物中に埋設し、腐蝕による細線の断線の有無を検知することにより、コンクリート中の鉄筋の腐蝕状況を予測する。
しかし、特許文献１に係るセンサー装置では、細線が腐蝕し始めてから断線するまでの間のコンクリート構造物中の鉄筋やコンクリートの状態（より具体的には、例えばｐＨや塩化物イオン濃度）を知ることができない。また、細線が腐蝕し始めてから断線するまでの間に、コンクリート構造物中の鉄筋の腐食が進行してしまう。そのため、コンクリート構造物中の鉄筋の腐蝕を完全には回避することができないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１５３５６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に係るセンサー装置では、細線が切断されたタイミングにより、コンクリート構造物中の鉄筋の腐食が始まった時期を知ることは可能である。しかし、特許文献１に係るセンサー装置では、鉄筋が施工された後、腐食が始まるまでの期間、時間の経過とともに変化する鉄筋やコンクリートの状態を把握することはできないという課題があった。
本発明の目的は、鉄筋が施工された後、腐食が始まるまでの期間、測定対象物の状態変化を測定し、得られた情報をコンクリート構造物の計画的な保全に活用することができるセンサー装置および測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明のセンサー装置は、不動態膜を形成する金属材料で構成された測定用電極と、
前記測定用電極に対して離間して設けられた参照用電極と、
前記測定用電極を覆うように設けられ、前記不動態膜と同一の材料で構成され、イオンに対する感応性を有する感応膜と、
前記参照用電極を覆うように設けられ、イオンに対する感応性を実質的に有しない非感応膜とを有し、
ｐＨの変化に伴って前記測定用電極と前記参照用電極との電位差が変化することを特徴とする。
【０００７】
このような本発明のセンサー装置によれば、測定用電極と参照用電極との電位差に基づいて、ｐＨを測定することができる。
また、本発明では、感応膜が不動態膜と同一の材料で構成されているので、比較的広いｐＨの範囲において、化学的に安定である。そのため、比較的広いｐＨの範囲において安定的にｐＨを測定することができる。
【０００８】
本発明のセンサー装置では、前記参照用電極は、前記測定用電極と同一または近似した金属材料で構成された基部と、前記基部を覆うように設けられた不動態膜とを有することが好ましい。
これにより、測定用電極と参照用電極との電位差に基づいて、ｐＨをより高精度に測定することができる。
【０００９】
本発明のセンサー装置では、前記金属材料は、鉄系材料であることが好ましい。
鉄系材料は安価で入手が容易である。
本発明のセンサー装置では、前記鉄系材料は、Ａｌを含むことが好ましい。
Ａｌを含むＦｅ系合金は、比較的広いｐＨの範囲において不動態膜を安定的に形成する。そのため、測定用電極をコンクリート内のｐＨ変化に耐え得るものとすることができる。
【００１０】
本発明のセンサー装置では、前記感応膜は、ＦｅＡｌ２Ｏ４で構成されていることが好ましい。
これにより、感応膜を比較的広いｐＨの範囲（ｐＨ４〜１４）において安定的に存在させることができる。
本発明のセンサー装置では、前記非感応膜は、樹脂材料で構成されていることが好ましい。
これにより、簡単かつ確実に、非感応膜を形成することができる。
【００１１】
本発明のセンサー装置では、前記測定用電極および前記参照用電極に対してそれぞれ離間して設けられた比較用電極を有することが好ましい。
これにより、ｐＨをより高精度に測定することができる。
本発明のセンサー装置では、前記比較用電極は、貴金属で構成されていることが好ましい。
これにより、簡単かつ確実に、比較用電極を形成することができる。貴金属は化学的に安定であり、イオンに対する感応性が極めて低いとともに優れた導電性を有する。そのため、貴金属は比較用電極の構成材料として適している。
本発明のセンサー装置では、前記測定用電極と前記参照用電極との電位差を測定する機能を有する機能素子を有することが好ましい。
これにより、測定用電極と参照用電極との電位差に基づいて、ｐＨをより高精度に測定することができる。
【００１２】
本発明の測定方法は、本発明のセンサー装置の前記測定用電極および前記参照用電極を測定対象物内にそれぞれ埋設し、
前記測定用電極と前記参照用電極との電位差に基づいて、前記測定対象物の状態を測定することを特徴とする。
これにより、広いｐＨの範囲において、測定対象物のｐＨ変化に伴う状態変化を測定することができる。
本発明の測定方法では、前記測定対象物は、コンクリートであることが好ましい。
これにより、コンクリートのｐＨ変化に伴う状態変化を検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の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である。
【図２】図１に示すセンサー装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３】図２に示す測定用電極、参照用電極、比較用電極および機能素子を説明するための平面図である。
【図４】図２に示す測定用電極、参照用電極および比較用電極を説明するための断面図（図３中のＡ−Ａ線断面図）である。
【図５】図２に示す機能素子を説明するための断面図（図３中のＢ−Ｂ線断面図）である。
【図６】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である。
【図７】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である。
【図８】ＦｅＡｌのｐＨ−電位を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明のセンサー装置および測定方法の好適な実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
まず、本発明の第１実施形態を説明する。
図１は、本発明の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２に示す測定用電極、参照用電極、比較用電極および機能素子を説明するための平面図、図４は、図２に示す測定用電極、参照用電極および比較用電極を説明するための断面図（図３中のＡ−Ａ線断面図）、図５は、図２に示す機能素子を説明するための断面図（図３中のＢ−Ｂ線断面図）、図６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７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８は、ＦｅＡｌのｐＨ−電位を示す図である。
なお、以下では、本発明のセンサー装置および測定方法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。
【００１５】
図１に示すセンサー装置１は、コンクリート構造物１００の品質を測定するものである。
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（鉄筋１０２とコンクリート１０１の外表面との間）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の打設する際に、コンクリート１０１の導入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。
【００１６】
このセンサー装置１は、本体２と、その本体２上設けられた測定用電極３、参照用電極４および比較用電極７と、測定用電極３を覆う感応膜８と、参照用電極４を覆う非感応膜９とを有する。本実施形態では、測定用電極３、参照用電極４および比較用電極７は、コンクリート構造物１００の外表面からの距離が互いに等しくなるように設置されている。また、測定用電極３、参照用電極４および比較用電極７は、それぞれ、電極面がコンクリート構造物１００の外表面に平行または略平行となるように設置されている。そして、センサー装置１は、測定用電極３、参照用電極４および比較用電極７の電位に基づいて、ｐＨを測定し得るように構成されている。
また、センサー装置１は、図２に示すように、測定用電極３、参照用電極４および比較用電極７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。
【００１７】
以下、センサー装置１を構成する各部を順次説明する。
（本体）
本体２は、測定用電極３、参照用電極４、比較用電極７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、測定用電極３、参照用電極４、比較用電極７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。
【００１８】
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、樹脂基板等の実装基板を用いることができる。
この基板２１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２３が設けられている。そして、この絶縁膜２３を介して基板２１上には、測定用電極３、参照用電極４、比較用電極７および機能素子５１が実装されている。
【００１９】
また、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を収納する機能を有する。
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。
【００２０】
ここで、封止部２４は、開口部２４１を有する（図３および図４参照）。これにより、封止部２４が劣化を防止すべき部位を保護しつつ、センサー装置１が測定を行うことができる。
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。
【００２１】
（測定用電極、参照用電極）
測定用電極３および参照用電極４は、図４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、測定用電極３および参照用電極４は、同一平面上に設けられている。そのため、測定用電極３および参照用電極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、測定用電極３および参照用電極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。
【００２２】
本実施形態では、測定用電極３および参照用電極４は、それぞれ、薄膜状をなしている。
このような測定用電極３の構成材料としては、特に限定されないが、ＦｅまたはＦｅを含む合金（特に、Ａｌを０．１〜３．５ｗｔ％含むＦｅ系合金）、すなわち鉄系材料であるのが好ましい。鉄系材料は安価で入手が容易である。また、Ａｌを０．１〜３．５ｗｔ％含むＦｅ系合金は、比較的広いｐＨの範囲（ｐＨ４〜１４）において不動態膜（ＦｅＡｌ２Ｏ４）を安定的に形成する（図７参照）。そのため、測定用電極３上の感応膜８はコンクリート内のｐＨ変化に長時間耐え得るものとすることができる。
【００２３】
一方、参照用電極４は、図４に示すように、基部４１と、その基部４１を覆う不動態膜４２とを有する。
基部４１は、測定用電極３と同一または近似した金属材料で構成されている。また、不動態膜４２は、基部４１を構成する金属材料を不動態化した材料（金属酸化物）で構成されている。このような参照用電極４の表面には非感応膜９（ｐＨ非感応膜）が形成されている。これにより、参照用電極４の自然電位の挙動はｐＨに依存しない。従って、例えば、不動態膜４２をＦｅＡｌ２Ｏ４で構成した場合、コンクリートのｐＨが４から１４の広い範囲で、５８ｍＶ／ｐＨの良い感度を得ることができる。
このような参照用電極４は、前述した測定用電極３および感応膜８からなる構成と同じ構成を有する。そのため、測定用電極３と非感応膜９で覆われた参照用電極４との電位差に基づいて、ｐＨをより高精度に測定することができる。
【００２４】
このような測定用電極３および参照用電極４は、それぞれ、例えば、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ、レーザーＣＶＤのような化学蒸着法（ＣＶＤ）、真空蒸着、スパッタリング（低温スパッタリング）、イオンプレーティング等の乾式メッキ法、電解メッキ、浸漬メッキ、無電解メッキ等の湿式メッキ法、溶射法、ゾル・ゲル法、ＭＯＤ法、金属箔の接合等により形成することができる。
【００２５】
（比較用電極）
比較用電極７は、図４に示すように、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。また、比較用電極７は、前述した測定用電極３および参照用電極４と同一平面上に設けられている。
また、比較用電極７は、測定用電極３および参照用電極４に対して間隔を隔てて設けられている。また、比較用電極７は、測定用電極３との間の距離と、参照用電極４との間の距離が互いに等しくなるような形状をなしている。
このような比較用電極７の電位を基準として、測定用電極３および参照用電極４の電位を検知することができる。そして、その２つの電位の電位差により、測定用電極３と参照用電極４との電位差を検知することができる。これにより、ｐＨをより高精度に測定することができる。
【００２６】
本実施形態では、比較用電極７は、薄膜状をなしている。
このような比較用電極７は、化学的に安定で、かつ、導電性を有する材料で構成されている。かかる材料としては、特に限定されないが、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ等の金属材料（貴金属）を用いることができる。これにより、安定した基準電位を取得することができる。また、簡単かつ確実に、比較用電極７を形成することができる。貴金属は化学的に安定であり、イオンに対する感応性が極めて低いとともに優れた導電性を有する。そのため、貴金属は比較用電極７の構成材料として適している。
このような比較用電極７は、例えば、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ、レーザーＣＶＤのような化学蒸着法（ＣＶＤ）、真空蒸着、スパッタリング（低温スパッタリング）、イオンプレーティング等の乾式メッキ法、電解メッキ、浸漬メッキ、無電解メッキ等の湿式メッキ法、溶射法、ゾル・ゲル法、ＭＯＤ法、金属箔の接合等により形成することができる。
【００２７】
（感応膜）
感応膜８は、測定用電極３を覆うように設けられている。そして、感応膜８は、イオンの変化（ｐＨの変化）に対する感応性を有する。これにより、測定用電極３の電位をｐＨ変化に伴って変化させることができる。
この感応膜８は、前述した測定用電極３を構成する金属材料が形成する不動態膜と同一の材料（不動態化した材料）で構成されている。
【００２８】
また、この感応膜８は、前述した参照用電極４の不動態膜４２を構成する材料と同一または近似した材料で構成されている。
このような材料で構成された感応膜８は、比較的広いｐＨの範囲において、化学的に安定である。そのため、比較的広いｐＨの範囲において安定的にｐＨを測定することができる。
【００２９】
また、感応膜８の厚さは、特に限定されないが、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下程度である。
このような感応膜８は、測定用電極３の表面を熱酸化処理や化学酸化処理等を施すことにより形成することができる。この場合、厚さ１００〜２００ｎｍでより均一な感応膜８を形成することができる。
また、感応膜８は、例えば、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ、レーザーＣＶＤのような化学蒸着法（ＣＶＤ）、真空蒸着、スパッタリング（低温スパッタリング）、イオンプレーティング等の乾式メッキ法、電解メッキ、浸漬メッキ、無電解メッキ等の湿式メッキ法、溶射法、ゾル・ゲル法、ＭＯＤ法、薄膜の接合等により形成することもできる。
【００３０】
（非感応膜）
非感応膜９は、参照用電極４を覆うように設けられている。そして、非感応膜９は、イオンの変化（ｐＨの変化）に対する感応性を実質的に有さない。これにより、イオンの変化に伴って参照用電極４の電位が変動するのを防止または抑制することができる。すなわち、非感応膜９はイオンの量が変化してもその影響を参照用電極４の電位に与えない。そのため、測定用電極３と参照用電極４との電位差は、ｐＨ変化に伴う測定用電極３の電位の変化量に応じたものとなる。ここで、「感応性を実質的に有さない」とは、感応性が全くないか、あるいは、感応性があったとしても、前述した感応膜８の感応性に対して著しく小さい（具体的には５％以下）ことを言う。
【００３１】
このような非感応膜９の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、樹脂材料を用いることができる。樹脂材料は、ｐＨ変化に対して安定である。そのため、比較的広いｐＨの範囲において安定的にｐＨを測定することができる。また、簡単かつ確実に、非感応膜９を形成することができる。
かかる樹脂材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）等のポリオレフィン、環状ポリオレフィン、変性ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリカーボネート、ポリ−（４−メチルペンテン−１）、アイオノマー、アクリル系樹脂、ポリメチルメタクリレート、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ樹脂）、アクリロニトリル−スチレン共重合体（ＡＳ樹脂）、ブタジエン−スチレン共重合体、ポリオキシメチレン、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、エチレン−ビニルアルコール共重合体（ＥＶＯＨ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリシクロヘキサンテレフタレート（ＰＣＴ）等のポリエステル、ポリエーテル、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリフェニレンオキシド、変性ポリフェニレンオキシド、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアリレート、芳香族ポリエステル（液晶ポリマー）、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、その他フッ素系樹脂、スチレン系、ポリオレフィン系、ポリ塩化ビニル系、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリブタジエン系、トランスポリイソプレン系、フッ素ゴム系、塩素化ポリエチレン系等の各種熱可塑性エラストマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル、シリコーン樹脂、ポリウレタン等、またはこれらを主とする共重合体、ブレンド体、ポリマーアロイ等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて（例えば２層以上の積層体として）用いることができる。
このような非感応膜９は、特に限定されないが、例えば、溶液を塗布乾燥する方法、モノマー溶液を塗布した後重合させる方法、薄膜の接合等により形成することができる。
【００３２】
（機能素子）
機能素子５１は、前述した本体２の内部に埋設されている。
この機能素子５１は、測定用電極３と参照用電極４との電位差を測定する機能を有する。これにより、参照用電極４の電位に対する測定用電極３の電位の変化を検知することができる。そのため、測定用電極３と参照用電極４との電位差に基づいて、ｐＨをより高精度に測定することができる。
また、機能素子５１は、測定用電極３、参照用電極４および比較用電極７の電位に基づいて、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を演算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変化に伴う状態変化を検知することができる。
【００３３】
このような機能素子５１は、例えば、集積回路である。より具体的には、機能素子５１は、例えば、ＭＣＵ（マイクロコントロールユニット）であり、図２に示すように、ＣＰＵ５１１と、Ａ／Ｄ変換回路５１２と、差動増幅回路５１４とを有する。
より具体的に説明すると、機能素子５１は、図５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、６３とを有する。
【００３４】
基板５１３は、例えばＳＯＩ基板であり、ＣＰＵ５１１およびＡ／Ｄ変換回路５１２が形成されている。基板５１３としてＳＯＩ基板を用いることにより、トランジスタ５１４ａ〜５１４ｃをＳＯＩ型ＭＯＳＦＥＴとすることができる。
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。
【００３５】
差動増幅回路５１４は、図６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。
また、差動増幅回路５１４は、図７に示すように、演算増幅器２０１、２０２と、演算増幅器２０３とを有する。
演算増幅器２０１は、比較用電極７を基準として測定用電極３の電位を検出する。また、演算増幅器２０２は、比較用電極７を基準として参照用電極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。
【００３６】
導体部５１６ａは、その一端がトランジスタ５１４ａのゲート電極に接続され、他端が前述した導体部５１６ｄに接続されている。導体部５１６ｄは、導体部６１を介して測定用電極３に電気的に接続されている。これにより、トランジスタ５１４ａのゲート電極と測定用電極３とが電気的に接続されている。そのため、測定用電極３の電位の変化に応じて、トランジスタ５１４ａのドレイン電流が変化する。
【００３７】
同様に、導体部５１６ｂは、その一端がトランジスタ５１４ｂのゲート電極に接続され、他端が前述した導体部５１６ｅに接続されている。導体部５１６ｅは、導体部６２を介して参照用電極４に電気的に接続されている。これにより、トランジスタ５１４ｂのゲート電極と測定用電極４とが電気的に接続されている。そのため、参照用電極４の電位の変化に応じて、トランジスタ５１４ｂのドレイン電流が変化する。
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に接続されている。
【００３８】
また、機能素子５１は、導体部６３を介して比較用電極７に電気的に接続されている。
また、機能素子５１は、電源５２からの通電により作動する。電源５２は、機能素子５１を動作可能な電力を供給できるものであれば、特に限定されず、例えば、ボタン型電池のような電池であってもよいし、圧電素子のような発電機能を有する素子を用いた電源ものであってもよい。
【００３９】
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、測定部位の状態をより正確に測定したり、測定部位の変化を高精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。
【００４０】
また、機能素子５１は、通信用回路５４を駆動制御する機能をも有する。例えば、機能素子５１は、測定用電極３と参照用電極４との電位差に関する情報（以下、単に「電位差情報」ともいう）と、測定部位のｐＨに関する情報（以下、単に「ｐＨ情報」ともいう）とをそれぞれ通信用回路５４に入力する。また、機能素子５１は、温度センサー５３によって検知された温度に関する情報（以下、単に「温度情報」ともいう）も併せて通信用回路５４に入力する。
【００４１】
通信用回路５４は、アンテナ５５に給電する機能（送信機能）を有する。これにより、通信用回路５４は、入力された情報をアンテナ５５を介して無線送信することができる。送信された情報は、コンクリート構造物１００の外部に設けられた受信機（リーダー）で受信される。
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。
【００４２】
また、アンテナ５５は、特に限定されないが、例えば、金属材料、カーボン等で構成され、巻線、薄膜等の形態をなす。
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。
【００４３】
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（本発明の測定方法の一例）は、センサー装置１を測定対象物であるコンクリート構造物１００内に埋設し、測定用電極３、参照用電極４および比較用電極７の電位に基づいて、コンクリート構造物１００の状態を測定する。
これにより、感応膜８がイオンの量（水素イオン濃度）に応じて測定用電極３の電位を変化させる。一方、非感応膜９はイオンの量（水素イオン濃度）が変化してもその影響を参照用電極４の電位に与えない。そのため、測定用電極３と参照用電極４との電位差は、ｐＨ変化に伴う測定用電極３の電位の変化量に応じたものとなる。よって、測定用電極３と参照用電極４との電位差に基づいて、ｐＨを測定することができる。
また、本発明では、感応膜が不動態膜と同一の材料で構成されているので、比較的広いｐＨの範囲において、化学的に安定である。そのため、比較的広いｐＨの範囲において安定的にｐＨを測定することができる。例えば、感応膜８をＦｅＡｌ２Ｏ４で構成した場合にはｐＨ４からｐＨ１４の広範囲で、長期間、ｐＨを安定して測定できる。
【００４４】
以上、本発明のセンサー装置および測定方法を、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
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、例えば、本発明の測定方法では、任意の目的の工程が１または２以上追加されてもよい。
【００４５】
また、前述した実施形態では測定用電極および参照用電極がそれぞれ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、測定用電極および参照用電極は、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用電極および参照用電極がそれぞれ薄膜状をなす場合を例に説明したが、これに限定されず、測定用電極および参照用電極の形状は、それぞれ、例えば、ブロック状、線状等をなしていてもよい。また、前述した実施形態では測定用電極および参照用電極をそれぞれセンサー装置の本体の外表面に沿って設けているが、測定用電極および参照用電極をそれぞれセンサー装置の本体の外表面から突出させてもよい。
【００４６】
また、前述した実施形態では機能素子がＣＰＵ、Ａ／Ｄ変換回路および差動増幅回路を有する場合を例に説明したが、これに限定されず、例えば、機能素子には、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種駆動回路等の他の回路が組み込まれていてもよい。
また、前述した実施形態では測定用電極と参照用電極との電位差に関する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。
【００４７】
また、前述した実施形態では機能素子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を本体２内に収納し、これらを測定用電極３および参照用電極４とともに測定対処物であるコンクリート構造物１００内に埋設する場合を例に説明したが、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を測定対象物の外部に設けてもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１‥‥センサー装置 ２‥‥本体 ３‥‥測定用電極 ４‥‥参照用電極 ７‥‥比較用電極 ８‥‥感応膜 ９‥‥非感応膜 ２１‥‥基板 ２２ｂ‥‥導体部 ２２ｃ‥‥導体部 ２３‥‥絶縁層 ２４‥‥封止部 ４１‥‥基部 ４２‥‥不動態膜 ４３‥‥電極 ５１‥‥機能素子 ５２‥‥電源 ５３‥‥温度センサー ５４‥‥通信用回路 ５５‥‥アンテナ ５６‥‥発振器 ６１‥‥導体部 ６２‥‥導体部 ６３‥‥導体部 １００‥‥コンクリート構造物 １０１‥‥コンクリート １０２‥‥鉄筋 ２０１、２０２、２０３‥‥演算増幅器 ２４１‥‥開口部 ５１１‥‥ＣＰＵ ５１２‥‥変換回路 ５１３‥‥基板 ５１４‥‥差動増幅回路 ５１４ａ‥‥トランジスタ ５１４ｂ‥‥トランジスタ ５１４ｃ‥‥トランジスタ ５１４ｄ‥‥カレントミラー回路 ５１５ａ、５１５ｂ‥‥層間絶縁膜 ５１６ａ‥‥導体部 ５１６ｂ‥‥導体部 ５１６ｃ‥‥導体部 ５１６ｄ‥‥導体部 ５１６ｅ‥‥導体部 ５１６ｆ‥‥導体部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサー装置および測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
センサー装置としては、例えば、コンクリート中の鉄筋の腐蝕状態を測定するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
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していくため、鉄筋が腐食することとなる。
【０００３】
そこで、例えば、特許文献１に係るセンサー装置では、コンクリート構造物中の鉄筋と同種材料からなる細線をコンクリート構造物中に埋設し、腐蝕による細線の断線の有無を検知することにより、コンクリート中の鉄筋の腐蝕状況を予測する。
しかし、特許文献１に係るセンサー装置では、細線が腐蝕し始めてから断線するまでの間のコンクリート構造物中の鉄筋やコンクリートの状態（より具体的には、例えばｐＨや塩化物イオン濃度）を知ることができない。また、細線が腐蝕し始めてから断線するまでの間に、コンクリート構造物中の鉄筋の腐食が進行してしまう。そのため、コンクリート構造物中の鉄筋の腐蝕を完全には回避することができないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１５３５６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に係るセンサー装置では、細線が切断されたタイミングにより、コンクリート構造物中の鉄筋の腐食が始まった時期を知ることは可能である。しかし、特許文献１に係るセンサー装置では、鉄筋が施工された後、腐食が始まるまでの期間、時間の経過とともに変化する鉄筋やコンクリートの状態を把握することはできないという課題があった。
本発明の目的は、鉄筋が施工された後、腐食が始まるまでの期間、測定対象物の状態変化を測定し、得られた情報をコンクリート構造物の計画的な保全に活用することができるセンサー装置および測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明のセンサー装置は、不動態膜を形成する金属材料で構成された測定用電極と、
前記測定用電極に対して離間して設けられた参照用電極と、
前記測定用電極を覆うように設けられ、前記不動態膜と同一の材料で構成され、イオンに対する感応性を有する感応膜と、
前記参照用電極を覆うように設けられ、イオンに対する感応性を実質的に有しない非感応膜とを有し、
ｐＨの変化に伴って前記測定用電極と前記参照用電極との電位差が変化することを特徴とする。
【０００７】
このような本発明のセンサー装置によれば、測定用電極と参照用電極との電位差に基づいて、ｐＨを測定することができる。
また、本発明では、感応膜が不動態膜と同一の材料で構成されているので、比較的広いｐＨの範囲において、化学的に安定である。そのため、比較的広いｐＨの範囲において安定的にｐＨを測定することができる。
【０００８】
本発明のセンサー装置では、前記参照用電極は、前記測定用電極と同一または近似した金属材料で構成された基部と、前記基部を覆うように設けられた不動態膜とを有することが好ましい。
これにより、測定用電極と参照用電極との電位差に基づいて、ｐＨをより高精度に測定することができる。
【０００９】
本発明のセンサー装置では、前記金属材料は、鉄系材料であることが好ましい。
鉄系材料は安価で入手が容易である。
本発明のセンサー装置では、前記鉄系材料は、Ａｌを含むことが好ましい。
Ａｌを含むＦｅ系合金は、比較的広いｐＨの範囲において不動態膜を安定的に形成する。そのため、測定用電極をコンクリート内のｐＨ変化に耐え得るものとすることができる。
【００１０】
本発明のセンサー装置では、前記感応膜は、ＦｅＡｌ２Ｏ４で構成されていることが好ましい。
これにより、感応膜を比較的広いｐＨの範囲（ｐＨ４〜１４）において安定的に存在させることができる。
本発明のセンサー装置では、前記非感応膜は、樹脂材料で構成されていることが好ましい。
これにより、簡単かつ確実に、非感応膜を形成することができる。
【００１１】
本発明のセンサー装置では、前記測定用電極および前記参照用電極に対してそれぞれ離間して設けられた比較用電極を有することが好ましい。
これにより、ｐＨをより高精度に測定することができる。
本発明のセンサー装置では、前記比較用電極は、貴金属で構成されていることが好ましい。
これにより、簡単かつ確実に、比較用電極を形成することができる。貴金属は化学的に安定であり、イオンに対する感応性が極めて低いとともに優れた導電性を有する。そのため、貴金属は比較用電極の構成材料として適している。
本発明のセンサー装置では、前記測定用電極と前記参照用電極との電位差を測定する機能を有する機能素子を有することが好ましい。
これにより、測定用電極と参照用電極との電位差に基づいて、ｐＨをより高精度に測定することができる。
【００１２】
本発明の測定方法は、本発明のセンサー装置の前記測定用電極および前記参照用電極を測定対象物内にそれぞれ埋設し、
前記測定用電極と前記参照用電極との電位差に基づいて、前記測定対象物の状態を測定することを特徴とする。
これにより、広いｐＨの範囲において、測定対象物のｐＨ変化に伴う状態変化を測定することができる。
本発明の測定方法では、前記測定対象物は、コンクリートであることが好ましい。
これにより、コンクリートのｐＨ変化に伴う状態変化を検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の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である。
【図２】図１に示すセンサー装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３】図２に示す測定用電極、参照用電極、比較用電極および機能素子を説明するための平面図である。
【図４】図２に示す測定用電極、参照用電極および比較用電極を説明するための断面図（図３中のＡ−Ａ線断面図）である。
【図５】図２に示す機能素子を説明するための断面図（図３中のＢ−Ｂ線断面図）である。
【図６】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である。
【図７】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である。
【図８】ＦｅＡｌのｐＨ−電位を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明のセンサー装置および測定方法の好適な実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
まず、本発明の第１実施形態を説明する。
図１は、本発明の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２に示す測定用電極、参照用電極、比較用電極および機能素子を説明するための平面図、図４は、図２に示す測定用電極、参照用電極および比較用電極を説明するための断面図（図３中のＡ−Ａ線断面図）、図５は、図２に示す機能素子を説明するための断面図（図３中のＢ−Ｂ線断面図）、図６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７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８は、ＦｅＡｌのｐＨ−電位を示す図である。
なお、以下では、本発明のセンサー装置および測定方法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。
【００１５】
図１に示すセンサー装置１は、コンクリート構造物１００の品質を測定するものである。
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（鉄筋１０２とコンクリート１０１の外表面との間）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の打設する際に、コンクリート１０１の導入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。
【００１６】
このセンサー装置１は、本体２と、その本体２上設けられた測定用電極３、参照用電極４および比較用電極７と、測定用電極３を覆う感応膜８と、参照用電極４を覆う非感応膜９とを有する。本実施形態では、測定用電極３、参照用電極４および比較用電極７は、コンクリート構造物１００の外表面からの距離が互いに等しくなるように設置されている。また、測定用電極３、参照用電極４および比較用電極７は、それぞれ、電極面がコンクリート構造物１００の外表面に平行または略平行となるように設置されている。そして、センサー装置１は、測定用電極３、参照用電極４および比較用電極７の電位に基づいて、ｐＨを測定し得るように構成されている。
また、センサー装置１は、図２に示すように、測定用電極３、参照用電極４および比較用電極７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。
【００１７】
以下、センサー装置１を構成する各部を順次説明する。
（本体）
本体２は、測定用電極３、参照用電極４、比較用電極７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、測定用電極３、参照用電極４、比較用電極７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。
【００１８】
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、樹脂基板等の実装基板を用いることができる。
この基板２１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２３が設けられている。そして、この絶縁膜２３を介して基板２１上には、測定用電極３、参照用電極４、比較用電極７および機能素子５１が実装されている。
【００１９】
また、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を収納する機能を有する。
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。
【００２０】
ここで、封止部２４は、開口部２４１を有する（図３および図４参照）。これにより、封止部２４が劣化を防止すべき部位を保護しつつ、センサー装置１が測定を行うことができる。
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。
【００２１】
（測定用電極、参照用電極）
測定用電極３および参照用電極４は、図４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、測定用電極３および参照用電極４は、同一平面上に設けられている。そのため、測定用電極３および参照用電極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、測定用電極３および参照用電極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。
【００２２】
本実施形態では、測定用電極３および参照用電極４は、それぞれ、薄膜状をなしている。
このような測定用電極３の構成材料としては、特に限定されないが、ＦｅまたはＦｅを含む合金（特に、Ａｌを０．１〜３．５ｗｔ％含むＦｅ系合金）、すなわち鉄系材料であるのが好ましい。鉄系材料は安価で入手が容易である。また、Ａｌを０．１〜３．５ｗｔ％含むＦｅ系合金は、比較的広いｐＨの範囲（ｐＨ４〜１４）において不動態膜（ＦｅＡｌ２Ｏ４）を安定的に形成する（図７参照）。そのため、測定用電極３上の感応膜８はコンクリート内のｐＨ変化に長時間耐え得るものとすることができる。
【００２３】
一方、参照用電極４は、図４に示すように、基部４１と、その基部４１を覆う不動態膜４２とを有する。
基部４１は、測定用電極３と同一または近似した金属材料で構成されている。また、不動態膜４２は、基部４１を構成する金属材料を不動態化した材料（金属酸化物）で構成されている。このような参照用電極４の表面には非感応膜９（ｐＨ非感応膜）が形成されている。これにより、参照用電極４の自然電位の挙動はｐＨに依存しない。従って、例えば、不動態膜４２をＦｅＡｌ２Ｏ４で構成した場合、コンクリートのｐＨが４から１４の広い範囲で、５８ｍＶ／ｐＨの良い感度を得ることができる。
このような参照用電極４は、前述した測定用電極３および感応膜８からなる構成と同じ構成を有する。そのため、測定用電極３と非感応膜９で覆われた参照用電極４との電位差に基づいて、ｐＨをより高精度に測定することができる。
【００２４】
このような測定用電極３および参照用電極４は、それぞれ、例えば、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ、レーザーＣＶＤのような化学蒸着法（ＣＶＤ）、真空蒸着、スパッタリング（低温スパッタリング）、イオンプレーティング等の乾式メッキ法、電解メッキ、浸漬メッキ、無電解メッキ等の湿式メッキ法、溶射法、ゾル・ゲル法、ＭＯＤ法、金属箔の接合等により形成することができる。
【００２５】
（比較用電極）
比較用電極７は、図４に示すように、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。また、比較用電極７は、前述した測定用電極３および参照用電極４と同一平面上に設けられている。
また、比較用電極７は、測定用電極３および参照用電極４に対して間隔を隔てて設けられている。また、比較用電極７は、測定用電極３との間の距離と、参照用電極４との間の距離が互いに等しくなるような形状をなしている。
このような比較用電極７の電位を基準として、測定用電極３および参照用電極４の電位を検知することができる。そして、その２つの電位の電位差により、測定用電極３と参照用電極４との電位差を検知することができる。これにより、ｐＨをより高精度に測定することができる。
【００２６】
本実施形態では、比較用電極７は、薄膜状をなしている。
このような比較用電極７は、化学的に安定で、かつ、導電性を有する材料で構成されている。かかる材料としては、特に限定されないが、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ等の金属材料（貴金属）を用いることができる。これにより、安定した基準電位を取得することができる。また、簡単かつ確実に、比較用電極７を形成することができる。貴金属は化学的に安定であり、イオンに対する感応性が極めて低いとともに優れた導電性を有する。そのため、貴金属は比較用電極７の構成材料として適している。
このような比較用電極７は、例えば、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ、レーザーＣＶＤのような化学蒸着法（ＣＶＤ）、真空蒸着、スパッタリング（低温スパッタリング）、イオンプレーティング等の乾式メッキ法、電解メッキ、浸漬メッキ、無電解メッキ等の湿式メッキ法、溶射法、ゾル・ゲル法、ＭＯＤ法、金属箔の接合等により形成することができる。
【００２７】
（感応膜）
感応膜８は、測定用電極３を覆うように設けられている。そして、感応膜８は、イオンの変化（ｐＨの変化）に対する感応性を有する。これにより、測定用電極３の電位をｐＨ変化に伴って変化させることができる。
この感応膜８は、前述した測定用電極３を構成する金属材料が形成する不動態膜と同一の材料（不動態化した材料）で構成されている。
【００２８】
また、この感応膜８は、前述した参照用電極４の不動態膜４２を構成する材料と同一または近似した材料で構成されている。
このような材料で構成された感応膜８は、比較的広いｐＨの範囲において、化学的に安定である。そのため、比較的広いｐＨの範囲において安定的にｐＨを測定することができる。
【００２９】
また、感応膜８の厚さは、特に限定されないが、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下程度である。
このような感応膜８は、測定用電極３の表面を熱酸化処理や化学酸化処理等を施すことにより形成することができる。この場合、厚さ１００〜２００ｎｍでより均一な感応膜８を形成することができる。
また、感応膜８は、例えば、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ、レーザーＣＶＤのような化学蒸着法（ＣＶＤ）、真空蒸着、スパッタリング（低温スパッタリング）、イオンプレーティング等の乾式メッキ法、電解メッキ、浸漬メッキ、無電解メッキ等の湿式メッキ法、溶射法、ゾル・ゲル法、ＭＯＤ法、薄膜の接合等により形成することもできる。
【００３０】
（非感応膜）
非感応膜９は、参照用電極４を覆うように設けられている。そして、非感応膜９は、イオンの変化（ｐＨの変化）に対する感応性を実質的に有さない。これにより、イオンの変化に伴って参照用電極４の電位が変動するのを防止または抑制することができる。すなわち、非感応膜９はイオンの量が変化してもその影響を参照用電極４の電位に与えない。そのため、測定用電極３と参照用電極４との電位差は、ｐＨ変化に伴う測定用電極３の電位の変化量に応じたものとなる。ここで、「感応性を実質的に有さない」とは、感応性が全くないか、あるいは、感応性があったとしても、前述した感応膜８の感応性に対して著しく小さい（具体的には５％以下）ことを言う。
【００３１】
このような非感応膜９の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、樹脂材料を用いることができる。樹脂材料は、ｐＨ変化に対して安定である。そのため、比較的広いｐＨの範囲において安定的にｐＨを測定することができる。また、簡単かつ確実に、非感応膜９を形成することができる。
かかる樹脂材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）等のポリオレフィン、環状ポリオレフィン、変性ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリカーボネート、ポリ−（４−メチルペンテン−１）、アイオノマー、アクリル系樹脂、ポリメチルメタクリレート、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ樹脂）、アクリロニトリル−スチレン共重合体（ＡＳ樹脂）、ブタジエン−スチレン共重合体、ポリオキシメチレン、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、エチレン−ビニルアルコール共重合体（ＥＶＯＨ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリシクロヘキサンテレフタレート（ＰＣＴ）等のポリエステル、ポリエーテル、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリフェニレンオキシド、変性ポリフェニレンオキシド、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアリレート、芳香族ポリエステル（液晶ポリマー）、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、その他フッ素系樹脂、スチレン系、ポリオレフィン系、ポリ塩化ビニル系、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリブタジエン系、トランスポリイソプレン系、フッ素ゴム系、塩素化ポリエチレン系等の各種熱可塑性エラストマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル、シリコーン樹脂、ポリウレタン等、またはこれらを主とする共重合体、ブレンド体、ポリマーアロイ等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて（例えば２層以上の積層体として）用いることができる。
このような非感応膜９は、特に限定されないが、例えば、溶液を塗布乾燥する方法、モノマー溶液を塗布した後重合させる方法、薄膜の接合等により形成することができる。
【００３２】
（機能素子）
機能素子５１は、前述した本体２の内部に埋設されている。
この機能素子５１は、測定用電極３と参照用電極４との電位差を測定する機能を有する。これにより、参照用電極４の電位に対する測定用電極３の電位の変化を検知することができる。そのため、測定用電極３と参照用電極４との電位差に基づいて、ｐＨをより高精度に測定することができる。
また、機能素子５１は、測定用電極３、参照用電極４および比較用電極７の電位に基づいて、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を演算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変化に伴う状態変化を検知することができる。
【００３３】
このような機能素子５１は、例えば、集積回路である。より具体的には、機能素子５１は、例えば、ＭＣＵ（マイクロコントロールユニット）であり、図２に示すように、ＣＰＵ５１１と、Ａ／Ｄ変換回路５１２と、差動増幅回路５１４とを有する。
より具体的に説明すると、機能素子５１は、図５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、６３とを有する。
【００３４】
基板５１３は、例えばＳＯＩ基板であり、ＣＰＵ５１１およびＡ／Ｄ変換回路５１２が形成されている。基板５１３としてＳＯＩ基板を用いることにより、トランジスタ５１４ａ〜５１４ｃをＳＯＩ型ＭＯＳＦＥＴとすることができる。
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。
【００３５】
差動増幅回路５１４は、図６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。
また、差動増幅回路５１４は、図７に示すように、演算増幅器２０１、２０２と、演算増幅器２０３とを有する。
演算増幅器２０１は、比較用電極７を基準として測定用電極３の電位を検出する。また、演算増幅器２０２は、比較用電極７を基準として参照用電極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。
【００３６】
導体部５１６ａは、その一端がトランジスタ５１４ａのゲート電極に接続され、他端が前述した導体部５１６ｄに接続されている。導体部５１６ｄは、導体部６１を介して測定用電極３に電気的に接続されている。これにより、トランジスタ５１４ａのゲート電極と測定用電極３とが電気的に接続されている。そのため、測定用電極３の電位の変化に応じて、トランジスタ５１４ａのドレイン電流が変化する。
【００３７】
同様に、導体部５１６ｂは、その一端がトランジスタ５１４ｂのゲート電極に接続され、他端が前述した導体部５１６ｅに接続されている。導体部５１６ｅは、導体部６２を介して参照用電極４に電気的に接続されている。これにより、トランジスタ５１４ｂのゲート電極と測定用電極４とが電気的に接続されている。そのため、参照用電極４の電位の変化に応じて、トランジスタ５１４ｂのドレイン電流が変化する。
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に接続されている。
【００３８】
また、機能素子５１は、導体部６３を介して比較用電極７に電気的に接続されている。
また、機能素子５１は、電源５２からの通電により作動する。電源５２は、機能素子５１を動作可能な電力を供給できるものであれば、特に限定されず、例えば、ボタン型電池のような電池であってもよいし、圧電素子のような発電機能を有する素子を用いた電源ものであってもよい。
【００３９】
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、測定部位の状態をより正確に測定したり、測定部位の変化を高精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。
【００４０】
また、機能素子５１は、通信用回路５４を駆動制御する機能をも有する。例えば、機能素子５１は、測定用電極３と参照用電極４との電位差に関する情報（以下、単に「電位差情報」ともいう）と、測定部位のｐＨに関する情報（以下、単に「ｐＨ情報」ともいう）とをそれぞれ通信用回路５４に入力する。また、機能素子５１は、温度センサー５３によって検知された温度に関する情報（以下、単に「温度情報」ともいう）も併せて通信用回路５４に入力する。
【００４１】
通信用回路５４は、アンテナ５５に給電する機能（送信機能）を有する。これにより、通信用回路５４は、入力された情報をアンテナ５５を介して無線送信することができる。送信された情報は、コンクリート構造物１００の外部に設けられた受信機（リーダー）で受信される。
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。
【００４２】
また、アンテナ５５は、特に限定されないが、例えば、金属材料、カーボン等で構成され、巻線、薄膜等の形態をなす。
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。
【００４３】
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（本発明の測定方法の一例）は、センサー装置１を測定対象物であるコンクリート構造物１００内に埋設し、測定用電極３、参照用電極４および比較用電極７の電位に基づいて、コンクリート構造物１００の状態を測定する。
これにより、感応膜８がイオンの量（水素イオン濃度）に応じて測定用電極３の電位を変化させる。一方、非感応膜９はイオンの量（水素イオン濃度）が変化してもその影響を参照用電極４の電位に与えない。そのため、測定用電極３と参照用電極４との電位差は、ｐＨ変化に伴う測定用電極３の電位の変化量に応じたものとなる。よって、測定用電極３と参照用電極４との電位差に基づいて、ｐＨを測定することができる。
また、本発明では、感応膜が不動態膜と同一の材料で構成されているので、比較的広いｐＨの範囲において、化学的に安定である。そのため、比較的広いｐＨの範囲において安定的にｐＨを測定することができる。例えば、感応膜８をＦｅＡｌ２Ｏ４で構成した場合にはｐＨ４からｐＨ１４の広範囲で、長期間、ｐＨを安定して測定できる。
【００４４】
以上、本発明のセンサー装置および測定方法を、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
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、例えば、本発明の測定方法では、任意の目的の工程が１または２以上追加されてもよい。
【００４５】
また、前述した実施形態では測定用電極および参照用電極がそれぞれ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、測定用電極および参照用電極は、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用電極および参照用電極がそれぞれ薄膜状をなす場合を例に説明したが、これに限定されず、測定用電極および参照用電極の形状は、それぞれ、例えば、ブロック状、線状等をなしていてもよい。また、前述した実施形態では測定用電極および参照用電極をそれぞれセンサー装置の本体の外表面に沿って設けているが、測定用電極および参照用電極をそれぞれセンサー装置の本体の外表面から突出させてもよい。
【００４６】
また、前述した実施形態では機能素子がＣＰＵ、Ａ／Ｄ変換回路および差動増幅回路を有する場合を例に説明したが、これに限定されず、例えば、機能素子には、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種駆動回路等の他の回路が組み込まれていてもよい。
また、前述した実施形態では測定用電極と参照用電極との電位差に関する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。
【００４７】
また、前述した実施形態では機能素子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を本体２内に収納し、これらを測定用電極３および参照用電極４とともに測定対処物であるコンクリート構造物１００内に埋設する場合を例に説明したが、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を測定対象物の外部に設けてもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１‥‥センサー装置 ２‥‥本体 ３‥‥測定用電極 ４‥‥参照用電極 ７‥‥比較用電極 ８‥‥感応膜 ９‥‥非感応膜 ２１‥‥基板 ２２ｂ‥‥導体部 ２２ｃ‥‥導体部 ２３‥‥絶縁層 ２４‥‥封止部 ４１‥‥基部 ４２‥‥不動態膜 ４３‥‥電極 ５１‥‥機能素子 ５２‥‥電源 ５３‥‥温度センサー ５４‥‥通信用回路 ５５‥‥アンテナ ５６‥‥発振器 ６１‥‥導体部 ６２‥‥導体部 ６３‥‥導体部 １００‥‥コンクリート構造物 １０１‥‥コンクリート １０２‥‥鉄筋 ２０１、２０２、２０３‥‥演算増幅器 ２４１‥‥開口部 ５１１‥‥ＣＰＵ ５１２‥‥変換回路 ５１３‥‥基板 ５１４‥‥差動増幅回路 ５１４ａ‥‥トランジスタ ５１４ｂ‥‥トランジスタ ５１４ｃ‥‥トランジスタ ５１４ｄ‥‥カレントミラー回路 ５１５ａ、５１５ｂ‥‥層間絶縁膜 ５１６ａ‥‥導体部 ５１６ｂ‥‥導体部 ５１６ｃ‥‥導体部 ５１６ｄ‥‥導体部 ５１６ｅ‥‥導体部 ５１６ｆ‥‥導体部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
不動態膜を形成する金属材料で構成された測定用電極と、
前記測定用電極に対して離間して設けられた参照用電極と、
前記測定用電極を覆うように設けられ、前記不動態膜と同一の材料で構成され、イオンに対する感応性を有する感応膜と、
前記参照用電極を覆うように設けられ、イオンに対する感応性を実質的に有しない非感応膜とを有し、
ｐＨの変化に伴って前記測定用電極と前記参照用電極との電位差が変化することを特徴とするセンサー装置。
【請求項２】
前記参照用電極は、前記測定用電極と同一または近似した金属材料で構成された基部と、前記基部を覆うように設けられた不動態膜とを有する請求項１に記載のセンサー装置。
【請求項３】
前記金属材料は、鉄系材料である請求項１または２に記載のセンサー装置。
【請求項４】
前記鉄系材料は、Ａｌを含む請求項３に記載のセンサー装置。
【請求項５】
前記感応膜は、ＦｅＡｌ２Ｏ４で構成されている請求項４に記載のセンサー装置。
【請求項６】
前記非感応膜は、樹脂材料で構成されている請求項１ないし５のいずれかに記載のセンサー装置。
【請求項７】
前記測定用電極および前記参照用電極に対してそれぞれ離間して設けられた比較用電極を有する請求項１ないし６のいずれかに記載のセンサー装置。
【請求項８】
前記比較用電極は、貴金属で構成されている請求項７に記載のセンサー装置。
【請求項９】
前記測定用電極と前記参照用電極との電位差を測定する機能を有する機能素子を有する請求項１ないし８のいずれかに記載のセンサー装置。
【請求項１０】
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測定用電極および前記参照用電極を測定対象物内にそれぞれ埋設し、
前記測定用電極と前記参照用電極との電位差に基づいて、前記測定対象物の状態を測定することを特徴とする測定方法。
【請求項１１】
前記測定対象物は、コンクリートである請求項１０に記載の測定方法。
【請求項１】
不動態膜を形成する金属材料で構成された測定用電極と、
前記測定用電極に対して離間して設けられた参照用電極と、
前記測定用電極を覆うように設けられ、前記不動態膜と同一の材料で構成され、イオンに対する感応性を有する感応膜と、
前記参照用電極を覆うように設けられ、イオンに対する感応性を実質的に有しない非感応膜とを有し、
ｐＨの変化に伴って前記測定用電極と前記参照用電極との電位差が変化することを特徴とするセンサー装置。
【請求項２】
前記参照用電極は、前記測定用電極と同一または近似した金属材料で構成された基部と、前記基部を覆うように設けられた不動態膜とを有する請求項１に記載のセンサー装置。
【請求項３】
前記金属材料は、鉄系材料である請求項１または２に記載のセンサー装置。
【請求項４】
前記鉄系材料は、Ａｌを含む請求項３に記載のセンサー装置。
【請求項５】
前記感応膜は、ＦｅＡｌ２Ｏ４で構成されている請求項４に記載のセンサー装置。
【請求項６】
前記非感応膜は、樹脂材料で構成されている請求項１ないし５のいずれかに記載のセンサー装置。
【請求項７】
前記測定用電極および前記参照用電極に対してそれぞれ離間して設けられた比較用電極を有する請求項１ないし６のいずれかに記載のセンサー装置。
【請求項８】
前記比較用電極は、貴金属で構成されている請求項７に記載のセンサー装置。
【請求項９】
前記測定用電極と前記参照用電極との電位差を測定する機能を有する機能素子を有する請求項１ないし８のいずれかに記載のセンサー装置。
【請求項１０】
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測定用電極および前記参照用電極を測定対象物内にそれぞれ埋設し、
前記測定用電極と前記参照用電極との電位差に基づいて、前記測定対象物の状態を測定することを特徴とする測定方法。
【請求項１１】
前記測定対象物は、コンクリートである請求項１０に記載の測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１９８１２２（Ｐ２０１２−１９８１２２Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６２７６５（Ｐ２０１１−６２７６５）
【出願日】平成２３年３月２２日（２０１１．３．２２）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２２日（２０１１．３．２２）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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