説明

センサ素子及び充填検知装置

【課題】局所的な空気溜による不適切な充填判定を防止できるセンサ素子及び該センサ素子を用いた充填検知装置を得る。
【解決手段】充填検知装置10に用いられるセンサ素子4は、一方の面に圧電セラミックス41を取り付けた振動板42の他方の面が検知面42aとなる方向で台座43を介してケース44に取り付けられて、前記検知面42aで気泡が引っかかる凹状部分を形成されなくした。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、コンクリートやモルタル・グラウト等の充填物を施工する際の充填状況の検知に用いられるセンサ素子及び該センサ素子を用いた充填検知装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、コンクリートやモルタル・グラウト等の充填物を施工する際に振動を利用した充填確認が行われている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1には、振動板に特定の周波数帯(可聴波領域)の電圧を印加して該振動板の共振点を検出し、異なる物質が触れることによる共振点の変化から充填確認を行う充填検知装置が開示されている。因みに、コンクリートやモルタル・グラウトに接触した場合、振動板の可動領域が拘束されて共振点が無くなる。
【0003】
【特許文献1】特開2004−20387号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、従来の充填検知装置にあっては、センサ素子の一外面である検知面で形成された凹状部分があると、センサ素子をその検知面が真水平且つ真下に向くように取り付けた場合(この取り付け方法は「逆打ち」と呼ばれる)、コンクリート等の充填物中に存在する気泡が凹状部分に引っかかって、センサ素子の周りが充填物で充填されているにもかかわらず、空気と誤判定してしまう虞がある。
その様子を図示して説明すると、図9(a)に示すように、センサ素子100をその検知面101が真水平且つ真下に向く逆打ち状態にしてコンクリート200を打設した後、図9(b)に示すように、充填されたコンクリート200がバイブレータ300によって締め固められる。この際、コンクリート200を打設中にセンサ素子100の一外面である検知面101で形成された凹状部分に引っかかったコンクリート200中の気泡400が、バイブレータ300で振動をかけても取り除けないことがある。このとき、気泡400がセンサ素子100の検知面101の略全域を覆う大きさだと、センサ素子100の検知面101が空気と接することになるので、コンクリート200が充填されているにもかかわらず空気と誤判定してしまう。
【0005】
この発明は係る事情に鑑みてなされたものであり、センサ素子周りの局所的な気泡による不適切な充填判定をすることがないセンサ素子及び該センサ素子を用いた充填検知装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記目的は下記構成により達成される。
(1) 電気エネルギを機械エネルギに変換するセンサ素子であって、
圧電素子と、一方の面に前記圧電素子が設けられ他方の面が検知面となる振動板と、前記振動板に設けられた前記圧電素子の周囲に空間を形成すると共に、少なくとも前記振動板の検知面が最外面となるように該振動板を支持するケースと、を具備することを特徴とする。
【0007】
(2) 上記(1)に記載のセンサ素子において、前記振動板が、前記圧電素子を配置可能にした台座を介して前記ケースに取り付けられることを特徴とする。
【0008】
(3) 上記(1)に記載のセンサ素子において、前記振動板が、前記ケースの一側面を形成するように該ケースと一体に形成されたことを特徴とする。
【0009】
(4) 上記(1)〜(3)のいずれか1項に記載のセンサ素子と、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、前記周波数特性検出手段で検出された前記センサ素子の振動周波数特性に基づいて充填物の充填状況を判定する判定手段と、を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【0010】
上記(1)〜(3)に記載のセンサ素子は、検知面が最外面となるように振動板をケースに取り付けているので、振動板が真水平且つ真下に向くように取り付けられても、充填物中の気泡が引っかかることがない。
【0011】
また、上記(4)に記載の充填検知装置では、上記センサ素子を備えてセンサ素子の一外面である検知面は気泡が引っかかる凹状部分でないので、センサ素子の周りがコンクリート等で充填されているにもかかわらず、空気と誤判定する虞がない。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
以下、本発明を実施するため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、本発明の第1の実施の形態に係る充填検知装置の概略構成を示すブロック図である。
同図において、本実施の形態に係る充填検知装置10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、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とを備えている。
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、センサ素子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、本実施の形態では、同期信号発生器1、可変周波数発振器2及び増幅器3を含めて信号発生・印加手段と呼ぶ。また、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を含めて周波数特性検出手段と呼ぶ。また、判定部9を判定手段と呼ぶ。
【0013】
センサ素子4は、電気信号を機械信号に変換して出力するものである。
図2はセンサ素子4を示す平面図、図3は図2のA−A線断面図である。
図2及び図3において、センサ素子4は、圧電セラミックス(圧電素子)41と、一方の面に圧電セラミックス41を固定して、他方の面が検知面42aとされた振動板(金属板)42と、振動板42を後述のケース44に取り付けるための台座43と、圧電セラミックス41の周囲に空間を形成すると共に、少なくとも振動板42の検知面42aが最外面となるように、この振動板42を支持するケース44と、振動板42と台座43との間、及び台座43とケース44との間の夫々に介挿され、ケース44内へのコンクリート等の充填物の侵入を防止するシール材45と、圧電セラミックス41に接続するケーブル46とを備えて構成される。
【0014】
台座43は、丸孔43cを有するリング状に形成された端子部分43aと、この端子部分43aの一部分から半径外方向に延びるケーブル支持部分43bとからなる所謂、丸型端子と呼ばれるものであり、端子部分43aには、圧電セラミックス41を丸孔43cの中央部に位置するように配置した状態で、振動板42がシール材45を介して取り付けられている。
すなわち、圧電セラミックス41を丸孔43c内に配置した振動板42が、圧電セラミックス41を除いた周縁を台座43によって支持されており、台座43はシール材45を介してケース44に取り付けられる。
【0015】
このように、振動板42を台座43の外側、つまり、台座43のケース44に取り付ける側と反対側に取り付けて、振動板42の検知面42aをセンサの最外面とすることによって、振動板42の厚み分だけ台座43との間で段差が生じるものの、振動板42の厚みは非常に薄いものであるので、振動板42が真水平且つ真下に向くように取り付けられても、従来構造のように気泡が引っかかることがない。その様子を図4に示す。
図4(a)に示すように、センサ素子4をその振動板42の検知面42aが真水平且つ真下に向くように不図示の構造体に取り付けた状態でコンクリート200を打設した後、図4(b)に示すように、コンクリート200をバイブレータ300によって締め固めると、この振動によって、コンクリート200中の気泡400が移動する。このとき、従来構造のように、センサ素子4の一外面である検知面42aを底にして気泡400が引っかかるような凹状部分が形成されないので、気泡400はセンサ素子4の検知面42aを通過する。このように、センサ素子4は、その検知面42a側に気泡400が引っかかるような大きさの凹状部分を持たないので、センサ素子4の周りがコンクリート200で充填されているにもかかわらず、従来構造のように、気泡400の存在によってコンクリート200が未充填状態にあると誤判定する虞がない。すなわち、確実に充填物の有無を判定することができる。
【0016】
なお、図3において、ケーブル46は、その先端側が台座43のケーブル支持部分43bで支持された状態で、ケース44の開口部に介挿したシール材45を通ってケース44内に導入される。そして、ケーブル46の2本の電極線47は、その一方が圧電セラミックス41の一方の電極に接続され、他方が振動板42を通して圧電セラミックス41の他方の電極に接続される。
ケース44は、圧電セラミックス41の周囲に空間を保てる大きさに形成されている。センサ素子4に圧電セラミックス41を使用することで装置を安価にできるとともに精度の高い検査が可能となる。
【0017】
図1に戻り、抵抗5は、増幅器3とセンサ素子4との間に直列に介挿され、その両端にはセンサ素子4に流れる電流に応じた電圧が発生する。センサ素子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センサ素子4の周波数特性を反映したものになる。
差動増幅器6は、抵抗5に発生する電圧を増幅して電圧Viを出力する。4象限掛け算器7は、増幅器3からの加振用信号Vrと差動増幅器6からの電圧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。
【0018】
判定部9は、図示せぬCPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、A/D(Analog/Digital)変換器、LCD(Liquid Crystal Display)等の表示器を備えて構成される。判定部9は、センサ素子4にコンクリートを接触させないときの固有の振動周波数特性を基準として、ローパスフィルタ8を通過した信号から、センサ素子4に対するコンクリートの接触・非接触を判定するとともに、センサ素子4に接触した物質を判定し、それらの結果を上述した表示器上に表示する。因みに、センサ素子4の固有の振動周波数特性を一度設定しておくことで、以後メンテナンス時以外、再設定する必要はなくなる。なお、センサ素子4の固有の振動周波数特性は上記したRAMに記憶される。また、上記したCPUを制御するためのプログラムは上記したROMに記憶されている。
【0019】
次に、本実施の形態の充填検知装置の動作を説明する。
可変周波数発振器2にて発生した正弦波信号が増幅器3で増幅されて加振用電圧Vrとしてセンサ素子4と4象限掛け算器7とに入力される。センサ素子4に加振用電圧Vrが入力されることでセンサ素子4から機械的振動が発生する。また、抵抗5の両端にはセンサ素子4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6にて増幅されて電圧Viが出力される。差動増幅器6からの電圧Viと増幅器3からの加振用電圧Vrとが4象限掛け算器7にて乗算され、その出力がローパスフィルタ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。
【0020】
ローパスフィルタ8からの出力電圧Voは加振用信号の周波数変化に対するセンサ素子4の周波数特性(振幅と位相)を反映した信号になる。このときセンサ素子4の表面に何も接触していなければ、図5に示すように、センサ素子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。そして、センサ素子4の周りにコンクリートが充填された場合には、センサ素子4の振動特性が変化して、図6に示すように、ピーク電圧の位置と大きさが変化する。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、その結果を表示器上に表示する。このように、センサ素子4にコンクリートが接触すると、ピークの周波数とレベルが変化することで、コンクリートを検知することができ、ユーザは容易にコンクリートの充填状況を把握することができる。
【0021】
ここで、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。
この場合、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)
【0022】
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。
【0023】
このように、本実施の形態の充填検知装置によれば、振動板42を台座43を介してケース44に取り付けた構造として、振動板42に配置したセンサ素子4の一外面である検知面42aを底にして気泡が引っかかる凹状部分が形成されないようにしたので、センサ素子の局所的な気泡による不適切な充填判定を防止することができる。
【0024】
図7は、本発明の第2の実施の形態に係る充填検知装置のセンサ素子を示す平面図である。また、図8は図7のB−B線断面図である。なお、図7及び図8において、前述した図2及び図3と共通する部分には同一の符号を付ける。 なお、本実施の形態の充填検知装置のセンサ素子14において、圧電セラミックス41と、圧電セラミックス41を固定する振動板(金属板)42とは、先の実施の形態と同じ構成である。しかし、この実施の形態では、先の実施の形態における台座43が省略されて、圧電セラミックス41を取り付けた振動板42は、ケース144に直接取り付けられた構造となっている。言い換えれば、振動板42はケース144の一側面を形成するように、モールド成形によりケース144と一体に形成されてケース144の一方の開口面を塞ぐ。また、ケース144の他方の開口面はケース蓋144aによりシール部材45を介して塞がれる。この構成により、本実施の形態のセンサ素子14では、振動板42の面とケース144端面との高さ一致が図られている。この結果、センサ素子14の一外面である検知面を底にして形成される凹状部分がなくなり、小さな気泡が引っかかることもない。
また、先の第1の実施形態での台座43が省略されているため、ケーブル46の先端部分はケース144とケース蓋144aで支持されるようになっている。そして、ケーブル蓋144aの開口部に介挿したシール部材45を通ってケース144内に導入されたケーブル46の2本の電極線47は、一方の電極線47が圧電セラミックス41の一方の電極に接続され、他方が振動板42を通して圧電セラミックス41の他方の電極に接続されている。
【0025】
このように、本実施の形態の充填検知装置によれば、振動板42をケース144に直付けする構造とし、振動板42の面とケース144端面との高さ一致を図って一外面である検知面を底にして気泡が引っかかる凹状部分を形成されなくしたセンサ素子14を備えるので、センサ素子の局所的な気泡による不適切な充填判定を防止することができる。
【0026】
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不図示の周波数範囲切替器を設けて、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良い。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。
【産業上の利用可能性】
【0027】
センサ素子周りの局所的な気泡による不適切な充填判定を回避することができるといった効果を有して、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の充填状況を検出する充填検知装置への適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る充填検知装置の概略構成を示すブロック図である。
【図2】図1の充填検知装置に用いられるセンサ素子の平面図である。
【図3】図2のA−A線断面図である。
【図4】本発明に係るセンサ素子を使用した場合のコンクリート内を流動する気泡の様子を示す図で、(a)はコンクリートの打設初期状態、(b)はコンクリートが打ち上がり状態を示す。
【図5】充填検知装置での測定結果の一例を示す図で、コンクリート充填前の出力電圧波形図である。
【図6】充填検知装置での測定結果の一例を示す図で、コンクリート充填後の出力電圧波形図である。
【図7】本発明の第2の実施の形態に係る充填検知装置のセンサ素子の平面図である。
【図8】図7のB−B線断面図である。
【図9】従来のセンサ素子を使用した場合のコンクリート内を流動する気泡の様子を示す図で、、(a)はコンクリートの打設初期状態、(b)はコンクリートが打ち上がり状態を示す。
【符号の説明】
【0029】
1 同期信号発生器
2 可変周波数発振器
3 増幅器
4、14 センサ素子
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
41 圧電セラミックス
42、142 振動板
43 台座
43a 端子部分
43b ケーブル支持部分
44、144 ケース
45 シール材
46 ケーブル
47 電極線
200 コンクリート
300 バイブレータ
400 気泡

【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であって、
圧電素子と、一方の面に前記圧電素子が設けられ他方の面が検知面となる振動板と、前記振動板に設けられた前記圧電素子の周囲に空間を形成すると共に、少なくとも前記振動板の検知面が最外面となるように該振動板を支持するケースと、を具備することを特徴とするセンサ素子。
【請求項2】
前記振動板が、前記圧電素子を配置可能にした台座を介して前記ケースに取り付けられることを特徴とする請求項1に記載のセンサ素子。
【請求項3】
前記振動板が、前記ケースの一側面を形成するように該ケースと一体に形成されたことを特徴とする請求項1に記載のセンサ素子。
【請求項4】
請求項1〜3のいずれか1項に記載のセンサ素子と、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、前記周波数特性検出手段で検出された前記センサ素子の振動周波数特性に基づいて充填物の充填状況を判定する判定手段と、を具備することを特徴とする充填検知装置。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate

【図5】
image rotate

【図6】
image rotate

【図7】
image rotate

【図8】
image rotate

【図9】
image rotate


【公開番号】特開2008−51707(P2008−51707A)
【公開日】平成20年3月6日(2008.3.6)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−229550(P2006−229550)
【出願日】平成18年8月25日(2006.8.25)
【出願人】(000000516)曙ブレーキ工業株式会社 (621)
【Fターム(参考)】