センサ
【課題】コンクリート構造物等の内部の環境状態を簡易的に判断する技術を提供する。
【解決手段】外部注入型センサ１０ａが埋設されているコンクリート等の内部環境が、モルタル細孔内の水溶液がセロハン膜６０を介してゲル５０に取り込まれる。モルタル細孔内の水溶液がアルカリ性であれば、ゲル５０は赤紫色に呈色する。そして、ゲル５０の呈色状態を検出する際には、光源から照射用光ファイバ１１に光を取り込み、出射面１１ａからゲル５０へ向けて光が出力される。そして、検出用光ファイバ１２の入射面１２ａからゲル５０を透過した光が検出用光ファイバ１２に取り込まれ、検出器により分析される。
【解決手段】外部注入型センサ１０ａが埋設されているコンクリート等の内部環境が、モルタル細孔内の水溶液がセロハン膜６０を介してゲル５０に取り込まれる。モルタル細孔内の水溶液がアルカリ性であれば、ゲル５０は赤紫色に呈色する。そして、ゲル５０の呈色状態を検出する際には、光源から照射用光ファイバ１１に光を取り込み、出射面１１ａからゲル５０へ向けて光が出力される。そして、検出用光ファイバ１２の入射面１２ａからゲル５０を透過した光が検出用光ファイバ１２に取り込まれ、検出器により分析される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサに係り、例えば、指示薬を用いてセンサ周囲の化学的環境評価が可能なセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
コンクリートの中性化は大気中の二酸化炭素等によりコンクリートのアルカリ性が失われる現象である。その結果、鉄筋に対する機能が低下することで、さびの発生による膨張が起こり、コンクリートにひび割れを生じるため、建物の強度が低下してしまう。現在、この中性化の進行を測定するためには、構造物の一部を採取して、フェノールフタレインによる簡易測定法、熱分析法、Ｘ線回折法等の化学的方法が一般に用いられている。しかし、これらの方法は構造物を傷つけてしまうため望ましくない。そのため、非破壊でコンクリートの中性化を予測及び検知する手法の確立が求められている。コンクリートの中性化の進行を予測する研究は古くからなされており、中性化の進行を予測するための数学的手法が数多く提案されているが、その予測を実構造物へ適用するにはまだ課題がある。したがって、現実には、コンクリートの中性化を実際に測定する必要がある。
【０００３】
例えば、コンクリートの中性化を非破壊でモニタリングできるシステムの確立を目的として、ｐＨ指示薬を添加した親水ゲルと光ファイバを組み合わせたセンサの原理を考案し、コンクリート内部の中性化を非破壊でモニタリングする技術が提案されている（非特許文献１参照）。この技術では、ｐＨ指示薬を含ませた状態のゲルをセンサに設置し、コンクリート構造物に埋設する構成となっている。このような構成とすることで、ゲルが呈した色を光ファイバで検知することができ、コンクリート構造物内部のような環境であっても、センサの周囲のｐＨ変化を把握することができる。
【０００４】
また、ゾル・ゲル物質と光ファイバを組み合わせた環境センサが提案されている（特許文献１参照）。この技術では、所定の基板に溝を形成し、これらの溝に化学指示薬を含むゾル・ゲル物質を充填し、硬化させて基板に接着させる。そして、その溝は、光ファイバ・ケーブルのゾル・ゲル・センサ素子への光学的結合を容易とするように形成される。このとき、光は光ファイバ・ケーブルからゾル・ゲル・センサ素子に結合されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−５０１７６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】瀧澤、外３名、「コンクリート中性化検出用ｐＨセンサの検討」、「コンクリート構造物の補修、補強、アップグレード論文報告集 第7巻」、社団法人日本材料学会、p.391-396
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、非特許文献１に開示の技術にあっては、モルタル中へ埋設した後にゲルの乾燥や指示薬の溶出等をある程度は低減することができるが、コンクリート中のセンシングを長期にわたり所望の性能を維持して行うことについて改良の余地があり、別の技術を導入することが求められていた。また、特許文献１に開示の技術にあっても、長期にわたりセンシングを行うこと、さらに、コンクリートのような構造物に埋設されることは考慮されておらず、そのまま適用することが難しいという課題があった。
【０００８】
本発明は、このような状況に鑑みなされたものであって、上記の課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のある態様は、所定の物体内部の環境状態を測定するセンサに関する。このセンサは、試薬と液体とを収容可能な収容手段と、前記試薬からの光を受光する受光手段と、前記収容手段に液体を供給する供給手段と、を備え、前記収容手段と前記受光手段と前記供給手段は、一体に備わって構成されている。
また、当該センサは、所定の物体としてコンクリート構造物に埋設され、前記コンクリート構造物の内部環境の状態を測定してもよい。
また、前記収容手段と前記受光手段と前記供給手段とを一体に備えるプラスチック製の駆体を備え、前記収容手段は、前記駆体の一部に形成されたスリット及び前記スリットに配置され前記試薬を含有可能なゲル状体であってもよい。
また、前記収容手段の外部を覆い、かつ所定の物質を透過する特性を有する外覆手段を備えてもよい。
また、前記受光手段は、光ファイバであり、一方の端部で前記試薬からの光を受光し他方の端部へ出力してもよい。
また、前記収容手段に配置された前記試薬に対して光を照射する照射手段を備え、当該照射手段は、前記収容手段、前記受光手段、及び前記供給手段と一体に構成されてもよい。
また、前記照射手段は、光ファイバであり、一方の端部から光を取得し、他方の端部からその取得した光を前記収容手段に配置された前記試薬に対して照射してもよい。
また、前記受光手段は、光ファイバであり、一方の端部で前記試薬からの光を受光し他方の端部へ出力し、前記照射手段は、光ファイバであり、一方の端部から光を取得し、他方の端部からその取得した光を前記収容手段に配置された前記試薬に対して照射し、前記照射手段を構成する光ファイバの光の照射面と、前記受光手段を構成する前記光ファイバの光の受光面とは、略対向に配置されてもよい。
また、前記受光手段は、光ファイバであり、一方の端部で前記試薬からの光を受光し他方の端部へ出力し、前記照射手段は、光ファイバであり、一方の端部から光を取得し、他方の端部からその取得した光を前記収容手段に配置された前記試薬に対して照射し、前記照射手段を構成する光ファイバの光の照射面と、前記受光手段を構成する前記光ファイバの光の受光面とは、略隣接して同方向を向いて配置されてもよい。
また、前記収容手段の物質を外部に排出可能な排出手段を有してもよい。
また、前記排出手段は、前記収容手段に収容される物資を外部から供給可能であってもよい。
また、前記試薬は、酸性、アルカリ性、塩化物イオンまたは硫酸イオンの化学物質に反応して呈色してもよい。
また、前記試薬は、ｐＨ指示薬であり、前記供給手段によって供給される液体は、ｐＨ指示薬を含有する溶液であってもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、構造物等の物体内部の環境状態を簡易的に把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】前提技術における、センサの適用例を模式的に示した図である。
【図２】前提技術における、センサの概略構成を示した図である。
【図３】前提技術における、センサをモルタル片に埋設し塩酸に浸せきしたときの、透過光の可視スペクトル変化を示した図である。
【図４】前提技術における、センサをモルタル片に埋設し塩酸に浸せきしたときの、モルタル片内部の状態を示した図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る、センサに利用されるセロハン膜の特性に関して検証した結果を示した図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る、外部注入型センサを模式的に示した図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る、外部注入型センサにおけるモルタルへ埋設した後のスペクトル変化を示した図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る、外部注入型センサにおける埋設期間中の５５０ｎｍの透過率の経時変化を示した図である。
【図９】本発明の第１の実施形態に係る、注入用チューブ１３からフェノールフタレイン溶液を注入した後のスペクトル変化を示した図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る、自己補給型センサを模式的に示した図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る、自己補給型センサをモルタルへ埋設した後のスペクトル変化を示した図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る、自己補給型センサにおける埋設期間中の５５０ｎｍの透過率の経時変化を示した図である。
【図１３】本発明の変形例に係る、自己補給型センサを模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
つぎに、本発明を実施するための形態（以下、単に「実施形態」という）を、図面を参照して具体的に説明する。以下では、まず、前提技術として、コンクリート内部のｐＨ状態の検知手法について説明し、つづいて、具体的な技術について説明する。
【００１３】
＜前提技術＞
図１は、前提技術におけるセンサ１００の適用例を模式的に示した図であり、後述する第１及び第２の実施形態でも同様である。コンクリート内ではセメントの水和に伴い、水酸化カルシウムが生成し、遊離した水酸化カルシウムがコンクリート中の空隙の水溶液に溶解する。このために、空隙中の水溶液は水酸化カルシウムの飽和水溶液となっている。そこで、ｐＨ指示薬を含有した高分子ゲル（以下、単に「ゲル」という）を備えるセンサ１００を、コンクリート内に埋設する。そして、空隙中の水溶液が溶解しているイオンとともにセンサのゲル内へ浸入し、ゲル内に保持されているｐＨ指示薬が反応して呈色する。つまり周囲のｐＨに応じてゲルの色が変化する。このｐＨによる色変化を、光ファイバ１１０を介して分光光度計（検出器）を用いて測定する。
【００１４】
ここで、ゲルには、ポリビニルアセトアミドを用いた。ｐＨ指示薬には、フェノールフタレインを用いた。また、フェノールフタレインは呈色域がｐＨ７．８（無色）−１０．０、（赤紫色）であり、発色も鮮やかで差が分かりやすいことから中性化の判定に適している。なお、ｐＨ指示薬としてフェノールフタレインに限る趣旨ではなく、例えば、ＢＴＢ（ブロモチモールブルー）、ＢＰＢ（ブロモフェノールブルー）、チモールフタレイン等を用いることができる。さらに、コンクリート内の状態を検出するために、ｐＨ指示薬以外に、例えばフルオレセイン、硝酸銀、塩化コバルト等の試薬を用いることもできる。それらの試薬は、複数を組み合わせて使用されてもよい。さらにまた、塩化物イオンまたは硫酸イオン等の化学物質に呈色する試薬が用いられてもよい。塩化物イオンや硫酸イオン等の化学物質は、コンクリートの劣化や鉄筋腐食に大きく影響するので、それら物質を検知することで、コンクリートの劣化等の検知することが可能である。
【００１５】
１％フェノールフタレインのエタノール溶液３０ｍｌに、乾燥している顆粒状ゲルを０．３ｇ加え、スターラーで撹拌しながら１０時間膨潤させる。膨潤したゲルを未中性化コンクリートの環境に相当するｐＨ１２．６の水酸化ナトリウム水溶液に浸せきすると、約５分でゲルの中心まで赤く呈色した。その後、これを水に浸せきすると約２時間で退色した。この結果から、上記ゲルは周囲のｐＨ変化に応じて可逆的に呈色し、コンクリート内部の中性化の検知が可能である。したがって、光ファイバの末端を、それぞれ可視光源および可視分光器に接続し、ゲルを透過した透過光の可視スペクトルをモニタリングすることで、センサの周囲のｐＨ変化を簡易的に把握することができる。
【００１６】
図２にｐＨセンサ（センサ１００）の概略構成を示し、具体的には、センサ１００の製造手順を簡単に示している。図２（ａ）に示すように、所定長（具体的には８０ｃｍ）の光ファイバ１１０を用意し、中央部６ｃｍをビニルエステル樹脂（プラスチック）製の駆体１２０で埋包する。光ファイバ１１０には、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）製ステップインデックス型マルチモード光ファイバであり、コア径／クラッド径は０．９８／１．０（ｍｍ）のものを用いた。そして、図２（ｂ）に示すように、高速精密切断機を用いて幅約１ｍｍのスリット１３０が形成される。その後、図２（ｃ）に示すように、スリット１３０にゲル１５０が配置され、セロハン膜（図示せず）でゲル１５０が固定される。さらに、光ファイバ１１０の両端には、コネクタが取り付けられ、そのコネクタに赤外可視分光光度計（Ocean Optics社製USB2000）がつなげられ、可視光領域の透過光によりゲル１５０の色変化が検出される。
【００１７】
図３に、このセンサ１００をモルタル片（１００×１００×２０ｍｍ）に埋設し５０℃、１０％の塩酸に浸せきして加速実験を行ったときの、センサ１００のゲル１５０を透過した透過光の可視スペクトル変化を示す。浸せき開始直後では、５６０ｎｍ付近に比較的大きな吸収ピークが認められることから、センサ１００のゲル１５０は赤紫色に呈色していることが分かる。これは、モルタル（セメント）内部の細孔水がもともとｐＨ１２〜１３程度になっているためである。この吸収ピークは、浸せき後およそ３２時間から徐々に小さくなり、３８時間後でほぼ消滅した。３８時間経過後のモルタル片を割裂し断面を観察したところ、図４に示すように、モルタル表面から浸入した塩酸がセンサ１００の埋設深さまで到達していることが分かった。すなわち、浸入してきた塩酸によりセンサ１００の周辺の細孔水が中和され、センサ１００のゲルが赤紫色から無色透明へと変化したものと考えられる。この結果により、このセンサ１００は劣化因子の浸入に伴うコンクリート細孔水のｐＨ変化の検知に適用できることが確認できた。
【００１８】
つぎに、セロハン膜を介してモルタル上のフェノールフタレイン溶液が呈色するかを確認するために以下の実験を行った。モルタルを６０ｍｍ×９０ｍｍの型に厚さ８ｍｍ程度打設しセロハン膜をモルタルの上に敷き０．０１ｇ／ｍｌ−ＥｔＯＨフェノールフタレイン溶液を水深２ｍｍ程度になるように注いだ。打設直後にセロハン膜を敷いたモルタルとその後１００時間養生させたモルタルにそれぞれフェノールフタレイン溶液を注いだ様子を確認した。打設直後のモルタルは非常に水分に富み、フェノールフタレイン溶液はすぐに呈色し、時間とともに赤紫色は濃くなった。一方１００時間養生させたモルタルのフェノールフタレイン溶液は、ゆっくりと色が変わり、その呈色も弱かった。また、セロハン膜のごく近傍は呈色しているが、フェノールフタレイン溶液全体は薄く色づく程度であった。打設直後、１００時間養生後ともに、フェノールフタレイン溶液を注入後１時間経過した以降は外観に目立った変化は見られなかった。
【００１９】
つぎに、上述のフェノールフタレイン溶液にゲルを入れないスリット付光ファイバセンサを浸せきし、このときのスペクトル変化の測定を行った。センサをフェノールフタレイン溶液に浸せきする前の透過光を基準値とした。
【００２０】
打設直後のモルタルを用いた結果を図５に示す。フェノールフタレイン溶液を加えて５分後には５５０ｎｍに吸収が見られ、１時間後には５５０ｎｍの透過率が０になっている。打設直後のモルタルを用いた場合には応答時間が早く、フェノールフタレインもはっきり呈色しているということが分かる。
【００２１】
打設１００時間後のモルタルを用いた結果を検証したところ、前述のように呈色はセロハン膜のごく近傍のフェノールフタレインからゆっくりと発生しており、時間の経過とともに呈色がセロハン近傍からフェノールフタレイン全体に広がっていた。このため透過光スペクトルの５５０ｎｍにはっきりとした吸収が見られるまで２時間ほどかかった。さらに、３時間後にはさらに吸収が大きくなっている。フェノールフタレイン溶液を注いだモルタルには乾燥防止のためラップで蓋をしていたが２時間、３時間経過する間にフェノールフタレイン溶液の溶媒であるエタノールの蒸発及びモルタルへの吸収が起こり、フェノールフタレイン濃度が増したことも発色が強くなった要因であると考えられる。
【００２２】
以上の結果よりセロハン膜を介してモルタル上のフェノールフタレイン溶液が呈色することが確認された。したがってスリット付光ファイバセンサのスリット部にフェノールフタレイン溶液を供給すれば、セロハン膜を介しモルタルのアルカリ性により呈色し、それを透過光として測定が可能であると考えられる。
【００２３】
そこで上記の前提技術をもとに長期間の使用を実現する技術を導入して、センサの改良を行った。以下に、第１の実施形態として外部からフェノールフタレインを注入する外部注入型センサ、第２の実施形態として自らスリット部に水分を補給する自己補給型センサについて説明する。
＜第１の実施形態＞
【００２４】
図６は、本実施形態に係る外部注入型センサ１０ａを模式的に示した図であり、図６（ａ）は、ゲル５０がスリット３０に配置された状態の外部注入型センサ１０ａで、図６（ｂ）は、ゲル５０及びセロハン膜６０を除いた状態の外部注入型センサ１０ａを示している。図示のように、外部注入型センサ１０ａは、スリット３０が形成されたビニルエステル樹脂製の駆体２０と、スリット３０に配置されるゲル５０に光を照射する照射用光ファイバ１１と、ゲル５０の色を取得するための検出用光ファイバ１２と、ゲル５０に必要に応じてフェノールフタレイン溶液を注入する注入用チューブ１３と、余剰のフェノールフタレイン溶液あるいは内部のエアを排出するための排出用チューブ１４とを備えている。
【００２５】
そして、外部注入型センサ１０ａが埋設されているコンクリート（モルタル）等の内部環境が、つまりモルタル細孔内の水溶液がセロハン膜６０を介してゲル５０に取り込まれる。モルタル細孔内の水溶液がアルカリ性であれば、ゲル５０は赤紫色に呈色する。ゲル５０の呈色状態を検出する際には、光源から照射用光ファイバ１１に光を取り込み、出射面１１ａからゲル５０へ向けて光が出力される。そして、検出用光ファイバ１２の入射面１２ａからゲル５０を透過した光が検出用光ファイバ１２に取り込まれ、検出器により分析される。
【００２６】
そして、フェノールフタレイン溶液のコンクリートへの流出によって、ゲル５０が乾燥していると想定される場合には、注入用チューブ１３を介して、ゲル５０へフェノールフタレイン溶液が補充される。また、補充の際に余剰となったフェノールフタレイン溶液は、排出用チューブ１４から外部へ排出される。このように、注入用チューブ１３と排出用チューブ１４との両方を備えることで、余剰溶液の排出のみでなく、スリット３０内（ゲル５０）を適正な状態に保つための物質の入れ替えやメンテナンスを効果的に行うことができる。具体的には、ゲル５０、つまり、照射用光ファイバ１１によって供給された光が波長吸収を行う部分に気泡が入ることでセンシング能力が低下することが想定される。そのような場合、排出用チューブ１４をいわゆるエアヌキ手段として機能させることができる。また、例えば、スリット３０内の洗浄や、場合によってはゲル５０の再充てんを行うこともできる。
【００２７】
外部注入型センサ１０ａの作製方法及び使用材料は図２で示したものと同様である。具体的には、内径／外径が１．０／２．０（ｍｍ）のプラスチックの光ファイバを所望の長さ用意し、また、ポリエチレンチューブを所望の長さだけ用意する。この二つの中心６ｃｍをビニルエステル樹脂製の駆体２０で埋包し、その後高速切断機を用いて幅約２ｍｍのスリット３０を形成する。スリット３０の形成に伴い、光ファイバ及びポリエチレンチューブも切断される。これによって、光ファイバは、照射用光ファイバ１１と検出用光ファイバ１２とに分割される。同様に、ポリエチレンチューブは、注入用チューブ１３と排出用チューブ１４に分割される。なお、スリット３０の幅は、スリット３０に配置されるゲル５０の大きさ及び透過光の検出特性等を考慮して設定される。
【００２８】
その後、照射用光ファイバ１１及び検出用光ファイバ１２の駆体２０から延出している各端部において、ポリエチレンジャケットを１．５ｃｍ程度剥がし、分光器用のコネクタ（図示せず）を取り付け、端面はホットプレート処理が施される。作製した外部注入型センサ１０ａのスリット３０には、スリット３０を覆うようにセロハン膜６０が取り付けられる。
【００２９】
この外部注入型センサ１０ａを１００ｍｍ×１００ｍｍ×２０ｍｍのモルタルに埋設し、打設１００時間後に０．０１ｇ／ｍｌ−ＥｔＯＨフェノールフタレイン溶液を注入しスペクトル変化を測定した結果を以下に説明する。
【００３０】
モルタルへ埋設した後３６２時間後までのスペクトル変化を図７に示す。また、埋設期間中の５５０ｎｍにおける透過率の経時変化を図８に示す。埋設１時間後からゲル５０の呈色により５５０ｎｍの透過率が低下し始め、やがて０となった。その後ゲル５０が十分乾燥するまで時間をおいた。３６２時間後のスペクトルをみると５５０ｎｍの吸収が見られなくなったことから、この時点でゲル５０は乾燥して光路から外れたものと考えられる。
【００３１】
そこで、注入用チューブ１３の片側から０．０１ｇ／ｍｌ−ＥｔＯＨフェノールフタレイン溶液を排出用チューブ１４からフェノールフタレイン溶液が出てくるまでシリンダで注入した。注入後のスペクトル変化を図９に示し、図８における４００時間付近の変化を示している。ここでは、フェノールフタレイン溶液を注入した時間を０分とした。フェノールフタレイン溶液を注入するとすぐに５５０ｎｍ近傍の透過率が低下し３０分後には０になった。
【００３２】
これはスリット３０内のゲル５０が膨潤し、再び光路上に乗ったためと思われる。その後も外部注入型センサ１０ａの埋設を継続し、スペクトル変化の検出を続けると、図８に示すように透過率が低下してから１１８時間後（埋設５２７時間後）に再び透過率が上昇した。そして、フェノールフタレイン溶液を注入してから２時間程度で０まで低下した。その後５７４時間までスペクトルに変化が見られなかった。そこで、このときのゲル５０の様子観察するためモルタルを割裂し、ゲル５０を取り出してその状態を確認した。このとき、モルタルへ埋設後フェノールフタレインを供給せず乾燥し光路から外れてしまったゲルと比較したところ、外部注入型センサ１０ａから取り出したゲル５０は水分を保ち、発色していることが確認できた。
【００３３】
以上の結果より、フェノールフタレイン溶液を供給するとゲル５０が再度膨潤し透過率が低下するということが確認できた。この外部注入型センサ１０ａはフェノールフタレイン溶液がスリット３０中に常時存在するわけではなく、測定毎にフェノールフタレインを注入するので、常時モニタリングよりも定期的なモニタリングに好適である。特に、数十年オーダーの長期間における定期的なモニタリングには、常にフェノールフタレイン溶液が供給されているよりも、測定毎にフェノールフタレイン溶液を注入し応答を待つのが現実的であり、そのような長期にわたるモニタリングに非常に好適である。
【００３４】
つぎに、ゲル５０を取り除いた状態の外部注入型センサ１０ａを１００ｍｍ×１００ｍｍ×２０ｍｍのモルタルに埋設し、打設１００時間後に０．０１ｇ／ｍｌ−ＥｔＯＨフェノールフタレイン溶液を注入しスペクトル変化を測定した結果を以下に説明する。
【００３５】
打設１００時間後にシリンジを用いて注入用チューブ１３を介してフェノールフタレイン溶液をスリット３０に約０．６ｍｌ注入した。注入していくとスリット３０を通過したフェノールフタレイン溶液が、逆側に配置された排出用チューブ１４から出てきた。このことから、スリット３０にはフェノールフタレイン溶液が充満したことが確認できた。
【００３６】
そこでスリット３０の周囲のモルタルが乾燥しているためアルカリ性になるまでに長時間を要することから、モルタル細孔中のアルカリ溶液がセロハン膜を透過しやすくなるように、供試体全体を水に浸せきしてスペクトル変化を観察した。すると水に浸せきして１１６時間後に５５０ｎｍの透過率がわずかに低下した。その後スペクトルに変化はなくスリット内部に入っていたフェノールフタレインを抜き出すと呈色していることが確認できた。
＜第２の実施形態＞
本実施の形態では、スリット３０のゲル５０が乾燥した場合に、自らフェノールフタレイン溶液を補給する自己補給型センサ１０ｂについて説明する。
【００３７】
図１０は、本実施形態に係る自己補給型センサ１０ｂの概略構成を示しており、図１０（ａ）は、ゲル５０がスリット３０に配置されセロハン膜６０に覆われた状態を示しており、図１０（ｂ）は、ゲル５０及びセロハン膜６０を取り除いた状態を示している。本実施形態の自己補給型センサ１０ｂは、第１の実施形態で説明した外部注入型センサ１０ａと類似の構成であり、同一構成部分については同一符号を付して説明を適宜省略している。
【００３８】
図示のように、本実施形態の自己補給型センサ１０ｂは、外部注入型センサ１０ａと異なり排出用チューブ１４が取り除かれた構成となっている。つまり、スリット３０には片側だけに注入用チューブ１３が埋包されており、注入用チューブ１３の中は常にフェノールフタレイン溶液で満たされている。スリット３０中のゲル５０が乾燥すると注入用チューブ１３からゲル５０へフェノールフタレイン溶液が補給される。
【００３９】
この自己補給型センサ１０ｂを第１の実施形態と同様の条件でモルタルに埋設しスペクトル変化を測定した。スリット３０にゲル５０を詰める段階で、注入用チューブ１３はフェノールフタレイン溶液で満たされている。また、注入用チューブ１３の延出している側（スリット３０と反対側）の先端は、０．０１ｇ／ｍｌ−ＥｔＯＨフェノールフタレイン溶液の入ったシリンジにつながっており、ゲルが乾燥するとシリンジからフェノールフタレインが供給される。
【００４０】
自己補給型センサ１０ｂをモルタルへ埋設した後６４９時間後までのスペクトル変化を図１１に示す。また、埋設期間中の５５０ｎｍにおける透過率の経時変化を図１２に示す。埋設１時間後からゲル５０の呈色により５５０ｎｍの透過率が低下し始め、やがて０となり６５０時間が経過しても０を保ち続けた。なお、水分をモルタル外側から補給しない場合９６時間で透過率が上昇をはじめることが分かっており、その結果と比較すると自己補給型センサ１０ｂにおいてゲル５０が長期的に呈色していることが分かる。
【００４１】
また、埋設から８４５時間が経過すると５５０ｎｍの透過率が上昇し３０％程度になった。そこでシリンジを用いて注入用チューブ１３からフェノールフタレイン溶液を注入した。なお、自己補給型センサ１０ｂは、外部注入型センサ１０ａとは異なり排出用チューブ１４がないことからシリンジによるフェノールフタレイン溶液の注入が難しいことも想定されたが、多少の反力（押し戻す抵抗）はあるもののシリンジを押しフェノールフタレインをスリット３０へ注入することができた。スリット３０ヘフェノールフタレイン溶液を注入すると再び透過率は低下し０に戻った。このことから、ゲル５０の乾燥に補給が追いつかず、乾燥しかけていたところへ外部からフェノールフタレイン溶液を注入し、再びゲル５０が膨潤したためと思われる。その後も埋設を続けると１１０２時間で再び透過率が上昇したため、１１５０時間後に再度フェノールフタレイン溶液を注入した。フェノールフタレインを注入すると再び透過率は０まで低下した。このときのゲル５０の様子を観察するためモルタルを割裂し、ゲル５０を取り出したところ、ゲル５０は水分を保ち膨潤していることが確認できた。
【００４２】
なお、外部注入型センサ１０ａから採取したゲル５０のほうが自己補給型センサ１０ｂから採取したゲル５０より発色が弱いことが確認できた。これは、外部注入型センサ１０ａではフェノールフタレインの供給が常時行われておらず、スリット３０内が完全に乾燥するため、モルタル細孔内のアルカリ溶液が注入されたフェノールフタレインに取り込まれにくくなっているためであると思われる。
【００４３】
これらの結果から自己補給型センサ１０ｂはモルタル内で長期間にわたり水分を保持することが可能であり、５５０ｎｍの透過率が一時的に上昇してもフェノールフタレインを注入することにより再び低下することが確認できた。ゲル５０の乾燥に自己補給が追いつかず光路から外れかけたところで外部から注入されたフェノールフタレイン溶液により再び膨潤しているものと考えられる。
【００４４】
以上、本実施形態によると、以下の効果が得られる。
現行行われている構造物の外観調査と上記センサ（外部注入型センサ１０ａ、自己補給型センサ１０ｂセンサ）によるモニタリングとを併用することで、構造物の性能低下（鋼材の腐食等）の時期を予測する精度が向上し、最適な時期に的確な補修及び解体等を行うことができる。
日常点検、定期点検は次回点検までデータの収集が停止するが自己補給型センサ１０ｂを用いて常時モニタリングすることにより点検情報の見逃しが減少する。
外部注入型センサ１０ａは、測定時のみフェノールフタレインを注入すれば利用可能であり、維持費を抑えることができる。
自己補給型センサ１０ｂを用いることにより、アクセス困難で足場を組まなければならない高所や放射線及び毒性雰囲気のように人間が立ち入り困難な箇所でのモニタリングを簡単に行うことができる。
外観観察の不可能な隘路等に使用することができる。
【００４５】
以上、本発明を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素及びその組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下に、そのような変形例を示す。
【００４６】
図１３は、変形例に係る自己補給型センサ１０ｃの概略構成を示す図である。図示のように、照射用光ファイバ１１、検出用光ファイバ１２及び注入用チューブ１３がスリット３０に対して同じ側に略隣接して配置される。ゲル５０は、照射用光ファイバ１１から出力された光を受けると、アルカリ性の場合は、赤紫色に呈色するが、このときゲル５０の内部で拡散された光は、検出用光ファイバ１２側にも出力される。したがって、照射用光ファイバ１１と検出用光ファイバ１２がスリット３０に対して同じ側に配置されていても、ゲル５０の呈色状態を検知することができる。この構成の自己補給型センサ１０ｃによると、駆体２０から延出している部材が、一方側のみであるので、自己補給型センサ１０ｃを構造物内に埋設する際の自由度が向上する。
【００４７】
また、図示はしないが、別な変形例として、ゲル５０へ光を照射する手段として、照射用光ファイバ１１の代わりに、ＬＥＤライトの様な光源が、スリット３０の壁面等に取り付けられ、その近傍に配置される電源により電力が供給される構成であってもよい。近年、非接触による電力供給技術及び省電力技術が進歩しており、その技術を用いることで、比較的長期にわたってゲル５０へ光を照射できる。なお、検出用光ファイバ１２の代わりにゲル５０の呈色状態を検知する検出手段が使用され、取得した情報を無線等により出力する構成としてもよい。さらに、ゲル５０に含有される指示薬が、自発光する特性を有する場合には、ゲル５０へ光を照射する手段は不要となる。なお、上述の実施形態では、アルカリ性を検知することでコンクリートの内部の劣化状態等を判断したが、当然、測定する環境に応じて指示薬が異なってもよい。さらに、可視光に限らず紫外線や赤外線を検知する構成であってもよい。また、ゲル５０をスリット３０にとどめる為に、セロハン膜６０を用いたが、これに限る趣旨ではない。外部注入型センサ１０ａ等の外部からセロハン膜６０を介してスリット３０へ、周囲環境の特性を示す物質が透過でき、かつ、指示薬の媒体となる物質（例えばゲル５０）を適正にスリット３０にとどめ置くことができれば適宜選択することができる。さらに、試薬を含む溶液が、適当にスリット３０内に留まり、色の変化が検出可能に呈色する特性を有しておれば、ゲル５０がない構成であってもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１０ａ 外部注入型センサ
１０ｂ、１０ｃ 自己補給型センサ
１１ 照射用光ファイバ
１２ 検出用光ファイバ
１３ 注入用チューブ
１４ 排出用チューブ
２０ 駆体
３０ スリット
５０ ゲル
６０ セロハン膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサに係り、例えば、指示薬を用いてセンサ周囲の化学的環境評価が可能なセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
コンクリートの中性化は大気中の二酸化炭素等によりコンクリートのアルカリ性が失われる現象である。その結果、鉄筋に対する機能が低下することで、さびの発生による膨張が起こり、コンクリートにひび割れを生じるため、建物の強度が低下してしまう。現在、この中性化の進行を測定するためには、構造物の一部を採取して、フェノールフタレインによる簡易測定法、熱分析法、Ｘ線回折法等の化学的方法が一般に用いられている。しかし、これらの方法は構造物を傷つけてしまうため望ましくない。そのため、非破壊でコンクリートの中性化を予測及び検知する手法の確立が求められている。コンクリートの中性化の進行を予測する研究は古くからなされており、中性化の進行を予測するための数学的手法が数多く提案されているが、その予測を実構造物へ適用するにはまだ課題がある。したがって、現実には、コンクリートの中性化を実際に測定する必要がある。
【０００３】
例えば、コンクリートの中性化を非破壊でモニタリングできるシステムの確立を目的として、ｐＨ指示薬を添加した親水ゲルと光ファイバを組み合わせたセンサの原理を考案し、コンクリート内部の中性化を非破壊でモニタリングする技術が提案されている（非特許文献１参照）。この技術では、ｐＨ指示薬を含ませた状態のゲルをセンサに設置し、コンクリート構造物に埋設する構成となっている。このような構成とすることで、ゲルが呈した色を光ファイバで検知することができ、コンクリート構造物内部のような環境であっても、センサの周囲のｐＨ変化を把握することができる。
【０００４】
また、ゾル・ゲル物質と光ファイバを組み合わせた環境センサが提案されている（特許文献１参照）。この技術では、所定の基板に溝を形成し、これらの溝に化学指示薬を含むゾル・ゲル物質を充填し、硬化させて基板に接着させる。そして、その溝は、光ファイバ・ケーブルのゾル・ゲル・センサ素子への光学的結合を容易とするように形成される。このとき、光は光ファイバ・ケーブルからゾル・ゲル・センサ素子に結合されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−５０１７６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】瀧澤、外３名、「コンクリート中性化検出用ｐＨセンサの検討」、「コンクリート構造物の補修、補強、アップグレード論文報告集 第7巻」、社団法人日本材料学会、p.391-396
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、非特許文献１に開示の技術にあっては、モルタル中へ埋設した後にゲルの乾燥や指示薬の溶出等をある程度は低減することができるが、コンクリート中のセンシングを長期にわたり所望の性能を維持して行うことについて改良の余地があり、別の技術を導入することが求められていた。また、特許文献１に開示の技術にあっても、長期にわたりセンシングを行うこと、さらに、コンクリートのような構造物に埋設されることは考慮されておらず、そのまま適用することが難しいという課題があった。
【０００８】
本発明は、このような状況に鑑みなされたものであって、上記の課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のある態様は、所定の物体内部の環境状態を測定するセンサに関する。このセンサは、試薬と液体とを収容可能な収容手段と、前記試薬からの光を受光する受光手段と、前記収容手段に液体を供給する供給手段と、を備え、前記収容手段と前記受光手段と前記供給手段は、一体に備わって構成されている。
また、当該センサは、所定の物体としてコンクリート構造物に埋設され、前記コンクリート構造物の内部環境の状態を測定してもよい。
また、前記収容手段と前記受光手段と前記供給手段とを一体に備えるプラスチック製の駆体を備え、前記収容手段は、前記駆体の一部に形成されたスリット及び前記スリットに配置され前記試薬を含有可能なゲル状体であってもよい。
また、前記収容手段の外部を覆い、かつ所定の物質を透過する特性を有する外覆手段を備えてもよい。
また、前記受光手段は、光ファイバであり、一方の端部で前記試薬からの光を受光し他方の端部へ出力してもよい。
また、前記収容手段に配置された前記試薬に対して光を照射する照射手段を備え、当該照射手段は、前記収容手段、前記受光手段、及び前記供給手段と一体に構成されてもよい。
また、前記照射手段は、光ファイバであり、一方の端部から光を取得し、他方の端部からその取得した光を前記収容手段に配置された前記試薬に対して照射してもよい。
また、前記受光手段は、光ファイバであり、一方の端部で前記試薬からの光を受光し他方の端部へ出力し、前記照射手段は、光ファイバであり、一方の端部から光を取得し、他方の端部からその取得した光を前記収容手段に配置された前記試薬に対して照射し、前記照射手段を構成する光ファイバの光の照射面と、前記受光手段を構成する前記光ファイバの光の受光面とは、略対向に配置されてもよい。
また、前記受光手段は、光ファイバであり、一方の端部で前記試薬からの光を受光し他方の端部へ出力し、前記照射手段は、光ファイバであり、一方の端部から光を取得し、他方の端部からその取得した光を前記収容手段に配置された前記試薬に対して照射し、前記照射手段を構成する光ファイバの光の照射面と、前記受光手段を構成する前記光ファイバの光の受光面とは、略隣接して同方向を向いて配置されてもよい。
また、前記収容手段の物質を外部に排出可能な排出手段を有してもよい。
また、前記排出手段は、前記収容手段に収容される物資を外部から供給可能であってもよい。
また、前記試薬は、酸性、アルカリ性、塩化物イオンまたは硫酸イオンの化学物質に反応して呈色してもよい。
また、前記試薬は、ｐＨ指示薬であり、前記供給手段によって供給される液体は、ｐＨ指示薬を含有する溶液であってもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、構造物等の物体内部の環境状態を簡易的に把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】前提技術における、センサの適用例を模式的に示した図である。
【図２】前提技術における、センサの概略構成を示した図である。
【図３】前提技術における、センサをモルタル片に埋設し塩酸に浸せきしたときの、透過光の可視スペクトル変化を示した図である。
【図４】前提技術における、センサをモルタル片に埋設し塩酸に浸せきしたときの、モルタル片内部の状態を示した図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る、センサに利用されるセロハン膜の特性に関して検証した結果を示した図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る、外部注入型センサを模式的に示した図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る、外部注入型センサにおけるモルタルへ埋設した後のスペクトル変化を示した図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る、外部注入型センサにおける埋設期間中の５５０ｎｍの透過率の経時変化を示した図である。
【図９】本発明の第１の実施形態に係る、注入用チューブ１３からフェノールフタレイン溶液を注入した後のスペクトル変化を示した図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る、自己補給型センサを模式的に示した図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る、自己補給型センサをモルタルへ埋設した後のスペクトル変化を示した図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る、自己補給型センサにおける埋設期間中の５５０ｎｍの透過率の経時変化を示した図である。
【図１３】本発明の変形例に係る、自己補給型センサを模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
つぎに、本発明を実施するための形態（以下、単に「実施形態」という）を、図面を参照して具体的に説明する。以下では、まず、前提技術として、コンクリート内部のｐＨ状態の検知手法について説明し、つづいて、具体的な技術について説明する。
【００１３】
＜前提技術＞
図１は、前提技術におけるセンサ１００の適用例を模式的に示した図であり、後述する第１及び第２の実施形態でも同様である。コンクリート内ではセメントの水和に伴い、水酸化カルシウムが生成し、遊離した水酸化カルシウムがコンクリート中の空隙の水溶液に溶解する。このために、空隙中の水溶液は水酸化カルシウムの飽和水溶液となっている。そこで、ｐＨ指示薬を含有した高分子ゲル（以下、単に「ゲル」という）を備えるセンサ１００を、コンクリート内に埋設する。そして、空隙中の水溶液が溶解しているイオンとともにセンサのゲル内へ浸入し、ゲル内に保持されているｐＨ指示薬が反応して呈色する。つまり周囲のｐＨに応じてゲルの色が変化する。このｐＨによる色変化を、光ファイバ１１０を介して分光光度計（検出器）を用いて測定する。
【００１４】
ここで、ゲルには、ポリビニルアセトアミドを用いた。ｐＨ指示薬には、フェノールフタレインを用いた。また、フェノールフタレインは呈色域がｐＨ７．８（無色）−１０．０、（赤紫色）であり、発色も鮮やかで差が分かりやすいことから中性化の判定に適している。なお、ｐＨ指示薬としてフェノールフタレインに限る趣旨ではなく、例えば、ＢＴＢ（ブロモチモールブルー）、ＢＰＢ（ブロモフェノールブルー）、チモールフタレイン等を用いることができる。さらに、コンクリート内の状態を検出するために、ｐＨ指示薬以外に、例えばフルオレセイン、硝酸銀、塩化コバルト等の試薬を用いることもできる。それらの試薬は、複数を組み合わせて使用されてもよい。さらにまた、塩化物イオンまたは硫酸イオン等の化学物質に呈色する試薬が用いられてもよい。塩化物イオンや硫酸イオン等の化学物質は、コンクリートの劣化や鉄筋腐食に大きく影響するので、それら物質を検知することで、コンクリートの劣化等の検知することが可能である。
【００１５】
１％フェノールフタレインのエタノール溶液３０ｍｌに、乾燥している顆粒状ゲルを０．３ｇ加え、スターラーで撹拌しながら１０時間膨潤させる。膨潤したゲルを未中性化コンクリートの環境に相当するｐＨ１２．６の水酸化ナトリウム水溶液に浸せきすると、約５分でゲルの中心まで赤く呈色した。その後、これを水に浸せきすると約２時間で退色した。この結果から、上記ゲルは周囲のｐＨ変化に応じて可逆的に呈色し、コンクリート内部の中性化の検知が可能である。したがって、光ファイバの末端を、それぞれ可視光源および可視分光器に接続し、ゲルを透過した透過光の可視スペクトルをモニタリングすることで、センサの周囲のｐＨ変化を簡易的に把握することができる。
【００１６】
図２にｐＨセンサ（センサ１００）の概略構成を示し、具体的には、センサ１００の製造手順を簡単に示している。図２（ａ）に示すように、所定長（具体的には８０ｃｍ）の光ファイバ１１０を用意し、中央部６ｃｍをビニルエステル樹脂（プラスチック）製の駆体１２０で埋包する。光ファイバ１１０には、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）製ステップインデックス型マルチモード光ファイバであり、コア径／クラッド径は０．９８／１．０（ｍｍ）のものを用いた。そして、図２（ｂ）に示すように、高速精密切断機を用いて幅約１ｍｍのスリット１３０が形成される。その後、図２（ｃ）に示すように、スリット１３０にゲル１５０が配置され、セロハン膜（図示せず）でゲル１５０が固定される。さらに、光ファイバ１１０の両端には、コネクタが取り付けられ、そのコネクタに赤外可視分光光度計（Ocean Optics社製USB2000）がつなげられ、可視光領域の透過光によりゲル１５０の色変化が検出される。
【００１７】
図３に、このセンサ１００をモルタル片（１００×１００×２０ｍｍ）に埋設し５０℃、１０％の塩酸に浸せきして加速実験を行ったときの、センサ１００のゲル１５０を透過した透過光の可視スペクトル変化を示す。浸せき開始直後では、５６０ｎｍ付近に比較的大きな吸収ピークが認められることから、センサ１００のゲル１５０は赤紫色に呈色していることが分かる。これは、モルタル（セメント）内部の細孔水がもともとｐＨ１２〜１３程度になっているためである。この吸収ピークは、浸せき後およそ３２時間から徐々に小さくなり、３８時間後でほぼ消滅した。３８時間経過後のモルタル片を割裂し断面を観察したところ、図４に示すように、モルタル表面から浸入した塩酸がセンサ１００の埋設深さまで到達していることが分かった。すなわち、浸入してきた塩酸によりセンサ１００の周辺の細孔水が中和され、センサ１００のゲルが赤紫色から無色透明へと変化したものと考えられる。この結果により、このセンサ１００は劣化因子の浸入に伴うコンクリート細孔水のｐＨ変化の検知に適用できることが確認できた。
【００１８】
つぎに、セロハン膜を介してモルタル上のフェノールフタレイン溶液が呈色するかを確認するために以下の実験を行った。モルタルを６０ｍｍ×９０ｍｍの型に厚さ８ｍｍ程度打設しセロハン膜をモルタルの上に敷き０．０１ｇ／ｍｌ−ＥｔＯＨフェノールフタレイン溶液を水深２ｍｍ程度になるように注いだ。打設直後にセロハン膜を敷いたモルタルとその後１００時間養生させたモルタルにそれぞれフェノールフタレイン溶液を注いだ様子を確認した。打設直後のモルタルは非常に水分に富み、フェノールフタレイン溶液はすぐに呈色し、時間とともに赤紫色は濃くなった。一方１００時間養生させたモルタルのフェノールフタレイン溶液は、ゆっくりと色が変わり、その呈色も弱かった。また、セロハン膜のごく近傍は呈色しているが、フェノールフタレイン溶液全体は薄く色づく程度であった。打設直後、１００時間養生後ともに、フェノールフタレイン溶液を注入後１時間経過した以降は外観に目立った変化は見られなかった。
【００１９】
つぎに、上述のフェノールフタレイン溶液にゲルを入れないスリット付光ファイバセンサを浸せきし、このときのスペクトル変化の測定を行った。センサをフェノールフタレイン溶液に浸せきする前の透過光を基準値とした。
【００２０】
打設直後のモルタルを用いた結果を図５に示す。フェノールフタレイン溶液を加えて５分後には５５０ｎｍに吸収が見られ、１時間後には５５０ｎｍの透過率が０になっている。打設直後のモルタルを用いた場合には応答時間が早く、フェノールフタレインもはっきり呈色しているということが分かる。
【００２１】
打設１００時間後のモルタルを用いた結果を検証したところ、前述のように呈色はセロハン膜のごく近傍のフェノールフタレインからゆっくりと発生しており、時間の経過とともに呈色がセロハン近傍からフェノールフタレイン全体に広がっていた。このため透過光スペクトルの５５０ｎｍにはっきりとした吸収が見られるまで２時間ほどかかった。さらに、３時間後にはさらに吸収が大きくなっている。フェノールフタレイン溶液を注いだモルタルには乾燥防止のためラップで蓋をしていたが２時間、３時間経過する間にフェノールフタレイン溶液の溶媒であるエタノールの蒸発及びモルタルへの吸収が起こり、フェノールフタレイン濃度が増したことも発色が強くなった要因であると考えられる。
【００２２】
以上の結果よりセロハン膜を介してモルタル上のフェノールフタレイン溶液が呈色することが確認された。したがってスリット付光ファイバセンサのスリット部にフェノールフタレイン溶液を供給すれば、セロハン膜を介しモルタルのアルカリ性により呈色し、それを透過光として測定が可能であると考えられる。
【００２３】
そこで上記の前提技術をもとに長期間の使用を実現する技術を導入して、センサの改良を行った。以下に、第１の実施形態として外部からフェノールフタレインを注入する外部注入型センサ、第２の実施形態として自らスリット部に水分を補給する自己補給型センサについて説明する。
＜第１の実施形態＞
【００２４】
図６は、本実施形態に係る外部注入型センサ１０ａを模式的に示した図であり、図６（ａ）は、ゲル５０がスリット３０に配置された状態の外部注入型センサ１０ａで、図６（ｂ）は、ゲル５０及びセロハン膜６０を除いた状態の外部注入型センサ１０ａを示している。図示のように、外部注入型センサ１０ａは、スリット３０が形成されたビニルエステル樹脂製の駆体２０と、スリット３０に配置されるゲル５０に光を照射する照射用光ファイバ１１と、ゲル５０の色を取得するための検出用光ファイバ１２と、ゲル５０に必要に応じてフェノールフタレイン溶液を注入する注入用チューブ１３と、余剰のフェノールフタレイン溶液あるいは内部のエアを排出するための排出用チューブ１４とを備えている。
【００２５】
そして、外部注入型センサ１０ａが埋設されているコンクリート（モルタル）等の内部環境が、つまりモルタル細孔内の水溶液がセロハン膜６０を介してゲル５０に取り込まれる。モルタル細孔内の水溶液がアルカリ性であれば、ゲル５０は赤紫色に呈色する。ゲル５０の呈色状態を検出する際には、光源から照射用光ファイバ１１に光を取り込み、出射面１１ａからゲル５０へ向けて光が出力される。そして、検出用光ファイバ１２の入射面１２ａからゲル５０を透過した光が検出用光ファイバ１２に取り込まれ、検出器により分析される。
【００２６】
そして、フェノールフタレイン溶液のコンクリートへの流出によって、ゲル５０が乾燥していると想定される場合には、注入用チューブ１３を介して、ゲル５０へフェノールフタレイン溶液が補充される。また、補充の際に余剰となったフェノールフタレイン溶液は、排出用チューブ１４から外部へ排出される。このように、注入用チューブ１３と排出用チューブ１４との両方を備えることで、余剰溶液の排出のみでなく、スリット３０内（ゲル５０）を適正な状態に保つための物質の入れ替えやメンテナンスを効果的に行うことができる。具体的には、ゲル５０、つまり、照射用光ファイバ１１によって供給された光が波長吸収を行う部分に気泡が入ることでセンシング能力が低下することが想定される。そのような場合、排出用チューブ１４をいわゆるエアヌキ手段として機能させることができる。また、例えば、スリット３０内の洗浄や、場合によってはゲル５０の再充てんを行うこともできる。
【００２７】
外部注入型センサ１０ａの作製方法及び使用材料は図２で示したものと同様である。具体的には、内径／外径が１．０／２．０（ｍｍ）のプラスチックの光ファイバを所望の長さ用意し、また、ポリエチレンチューブを所望の長さだけ用意する。この二つの中心６ｃｍをビニルエステル樹脂製の駆体２０で埋包し、その後高速切断機を用いて幅約２ｍｍのスリット３０を形成する。スリット３０の形成に伴い、光ファイバ及びポリエチレンチューブも切断される。これによって、光ファイバは、照射用光ファイバ１１と検出用光ファイバ１２とに分割される。同様に、ポリエチレンチューブは、注入用チューブ１３と排出用チューブ１４に分割される。なお、スリット３０の幅は、スリット３０に配置されるゲル５０の大きさ及び透過光の検出特性等を考慮して設定される。
【００２８】
その後、照射用光ファイバ１１及び検出用光ファイバ１２の駆体２０から延出している各端部において、ポリエチレンジャケットを１．５ｃｍ程度剥がし、分光器用のコネクタ（図示せず）を取り付け、端面はホットプレート処理が施される。作製した外部注入型センサ１０ａのスリット３０には、スリット３０を覆うようにセロハン膜６０が取り付けられる。
【００２９】
この外部注入型センサ１０ａを１００ｍｍ×１００ｍｍ×２０ｍｍのモルタルに埋設し、打設１００時間後に０．０１ｇ／ｍｌ−ＥｔＯＨフェノールフタレイン溶液を注入しスペクトル変化を測定した結果を以下に説明する。
【００３０】
モルタルへ埋設した後３６２時間後までのスペクトル変化を図７に示す。また、埋設期間中の５５０ｎｍにおける透過率の経時変化を図８に示す。埋設１時間後からゲル５０の呈色により５５０ｎｍの透過率が低下し始め、やがて０となった。その後ゲル５０が十分乾燥するまで時間をおいた。３６２時間後のスペクトルをみると５５０ｎｍの吸収が見られなくなったことから、この時点でゲル５０は乾燥して光路から外れたものと考えられる。
【００３１】
そこで、注入用チューブ１３の片側から０．０１ｇ／ｍｌ−ＥｔＯＨフェノールフタレイン溶液を排出用チューブ１４からフェノールフタレイン溶液が出てくるまでシリンダで注入した。注入後のスペクトル変化を図９に示し、図８における４００時間付近の変化を示している。ここでは、フェノールフタレイン溶液を注入した時間を０分とした。フェノールフタレイン溶液を注入するとすぐに５５０ｎｍ近傍の透過率が低下し３０分後には０になった。
【００３２】
これはスリット３０内のゲル５０が膨潤し、再び光路上に乗ったためと思われる。その後も外部注入型センサ１０ａの埋設を継続し、スペクトル変化の検出を続けると、図８に示すように透過率が低下してから１１８時間後（埋設５２７時間後）に再び透過率が上昇した。そして、フェノールフタレイン溶液を注入してから２時間程度で０まで低下した。その後５７４時間までスペクトルに変化が見られなかった。そこで、このときのゲル５０の様子観察するためモルタルを割裂し、ゲル５０を取り出してその状態を確認した。このとき、モルタルへ埋設後フェノールフタレインを供給せず乾燥し光路から外れてしまったゲルと比較したところ、外部注入型センサ１０ａから取り出したゲル５０は水分を保ち、発色していることが確認できた。
【００３３】
以上の結果より、フェノールフタレイン溶液を供給するとゲル５０が再度膨潤し透過率が低下するということが確認できた。この外部注入型センサ１０ａはフェノールフタレイン溶液がスリット３０中に常時存在するわけではなく、測定毎にフェノールフタレインを注入するので、常時モニタリングよりも定期的なモニタリングに好適である。特に、数十年オーダーの長期間における定期的なモニタリングには、常にフェノールフタレイン溶液が供給されているよりも、測定毎にフェノールフタレイン溶液を注入し応答を待つのが現実的であり、そのような長期にわたるモニタリングに非常に好適である。
【００３４】
つぎに、ゲル５０を取り除いた状態の外部注入型センサ１０ａを１００ｍｍ×１００ｍｍ×２０ｍｍのモルタルに埋設し、打設１００時間後に０．０１ｇ／ｍｌ−ＥｔＯＨフェノールフタレイン溶液を注入しスペクトル変化を測定した結果を以下に説明する。
【００３５】
打設１００時間後にシリンジを用いて注入用チューブ１３を介してフェノールフタレイン溶液をスリット３０に約０．６ｍｌ注入した。注入していくとスリット３０を通過したフェノールフタレイン溶液が、逆側に配置された排出用チューブ１４から出てきた。このことから、スリット３０にはフェノールフタレイン溶液が充満したことが確認できた。
【００３６】
そこでスリット３０の周囲のモルタルが乾燥しているためアルカリ性になるまでに長時間を要することから、モルタル細孔中のアルカリ溶液がセロハン膜を透過しやすくなるように、供試体全体を水に浸せきしてスペクトル変化を観察した。すると水に浸せきして１１６時間後に５５０ｎｍの透過率がわずかに低下した。その後スペクトルに変化はなくスリット内部に入っていたフェノールフタレインを抜き出すと呈色していることが確認できた。
＜第２の実施形態＞
本実施の形態では、スリット３０のゲル５０が乾燥した場合に、自らフェノールフタレイン溶液を補給する自己補給型センサ１０ｂについて説明する。
【００３７】
図１０は、本実施形態に係る自己補給型センサ１０ｂの概略構成を示しており、図１０（ａ）は、ゲル５０がスリット３０に配置されセロハン膜６０に覆われた状態を示しており、図１０（ｂ）は、ゲル５０及びセロハン膜６０を取り除いた状態を示している。本実施形態の自己補給型センサ１０ｂは、第１の実施形態で説明した外部注入型センサ１０ａと類似の構成であり、同一構成部分については同一符号を付して説明を適宜省略している。
【００３８】
図示のように、本実施形態の自己補給型センサ１０ｂは、外部注入型センサ１０ａと異なり排出用チューブ１４が取り除かれた構成となっている。つまり、スリット３０には片側だけに注入用チューブ１３が埋包されており、注入用チューブ１３の中は常にフェノールフタレイン溶液で満たされている。スリット３０中のゲル５０が乾燥すると注入用チューブ１３からゲル５０へフェノールフタレイン溶液が補給される。
【００３９】
この自己補給型センサ１０ｂを第１の実施形態と同様の条件でモルタルに埋設しスペクトル変化を測定した。スリット３０にゲル５０を詰める段階で、注入用チューブ１３はフェノールフタレイン溶液で満たされている。また、注入用チューブ１３の延出している側（スリット３０と反対側）の先端は、０．０１ｇ／ｍｌ−ＥｔＯＨフェノールフタレイン溶液の入ったシリンジにつながっており、ゲルが乾燥するとシリンジからフェノールフタレインが供給される。
【００４０】
自己補給型センサ１０ｂをモルタルへ埋設した後６４９時間後までのスペクトル変化を図１１に示す。また、埋設期間中の５５０ｎｍにおける透過率の経時変化を図１２に示す。埋設１時間後からゲル５０の呈色により５５０ｎｍの透過率が低下し始め、やがて０となり６５０時間が経過しても０を保ち続けた。なお、水分をモルタル外側から補給しない場合９６時間で透過率が上昇をはじめることが分かっており、その結果と比較すると自己補給型センサ１０ｂにおいてゲル５０が長期的に呈色していることが分かる。
【００４１】
また、埋設から８４５時間が経過すると５５０ｎｍの透過率が上昇し３０％程度になった。そこでシリンジを用いて注入用チューブ１３からフェノールフタレイン溶液を注入した。なお、自己補給型センサ１０ｂは、外部注入型センサ１０ａとは異なり排出用チューブ１４がないことからシリンジによるフェノールフタレイン溶液の注入が難しいことも想定されたが、多少の反力（押し戻す抵抗）はあるもののシリンジを押しフェノールフタレインをスリット３０へ注入することができた。スリット３０ヘフェノールフタレイン溶液を注入すると再び透過率は低下し０に戻った。このことから、ゲル５０の乾燥に補給が追いつかず、乾燥しかけていたところへ外部からフェノールフタレイン溶液を注入し、再びゲル５０が膨潤したためと思われる。その後も埋設を続けると１１０２時間で再び透過率が上昇したため、１１５０時間後に再度フェノールフタレイン溶液を注入した。フェノールフタレインを注入すると再び透過率は０まで低下した。このときのゲル５０の様子を観察するためモルタルを割裂し、ゲル５０を取り出したところ、ゲル５０は水分を保ち膨潤していることが確認できた。
【００４２】
なお、外部注入型センサ１０ａから採取したゲル５０のほうが自己補給型センサ１０ｂから採取したゲル５０より発色が弱いことが確認できた。これは、外部注入型センサ１０ａではフェノールフタレインの供給が常時行われておらず、スリット３０内が完全に乾燥するため、モルタル細孔内のアルカリ溶液が注入されたフェノールフタレインに取り込まれにくくなっているためであると思われる。
【００４３】
これらの結果から自己補給型センサ１０ｂはモルタル内で長期間にわたり水分を保持することが可能であり、５５０ｎｍの透過率が一時的に上昇してもフェノールフタレインを注入することにより再び低下することが確認できた。ゲル５０の乾燥に自己補給が追いつかず光路から外れかけたところで外部から注入されたフェノールフタレイン溶液により再び膨潤しているものと考えられる。
【００４４】
以上、本実施形態によると、以下の効果が得られる。
現行行われている構造物の外観調査と上記センサ（外部注入型センサ１０ａ、自己補給型センサ１０ｂセンサ）によるモニタリングとを併用することで、構造物の性能低下（鋼材の腐食等）の時期を予測する精度が向上し、最適な時期に的確な補修及び解体等を行うことができる。
日常点検、定期点検は次回点検までデータの収集が停止するが自己補給型センサ１０ｂを用いて常時モニタリングすることにより点検情報の見逃しが減少する。
外部注入型センサ１０ａは、測定時のみフェノールフタレインを注入すれば利用可能であり、維持費を抑えることができる。
自己補給型センサ１０ｂを用いることにより、アクセス困難で足場を組まなければならない高所や放射線及び毒性雰囲気のように人間が立ち入り困難な箇所でのモニタリングを簡単に行うことができる。
外観観察の不可能な隘路等に使用することができる。
【００４５】
以上、本発明を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素及びその組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下に、そのような変形例を示す。
【００４６】
図１３は、変形例に係る自己補給型センサ１０ｃの概略構成を示す図である。図示のように、照射用光ファイバ１１、検出用光ファイバ１２及び注入用チューブ１３がスリット３０に対して同じ側に略隣接して配置される。ゲル５０は、照射用光ファイバ１１から出力された光を受けると、アルカリ性の場合は、赤紫色に呈色するが、このときゲル５０の内部で拡散された光は、検出用光ファイバ１２側にも出力される。したがって、照射用光ファイバ１１と検出用光ファイバ１２がスリット３０に対して同じ側に配置されていても、ゲル５０の呈色状態を検知することができる。この構成の自己補給型センサ１０ｃによると、駆体２０から延出している部材が、一方側のみであるので、自己補給型センサ１０ｃを構造物内に埋設する際の自由度が向上する。
【００４７】
また、図示はしないが、別な変形例として、ゲル５０へ光を照射する手段として、照射用光ファイバ１１の代わりに、ＬＥＤライトの様な光源が、スリット３０の壁面等に取り付けられ、その近傍に配置される電源により電力が供給される構成であってもよい。近年、非接触による電力供給技術及び省電力技術が進歩しており、その技術を用いることで、比較的長期にわたってゲル５０へ光を照射できる。なお、検出用光ファイバ１２の代わりにゲル５０の呈色状態を検知する検出手段が使用され、取得した情報を無線等により出力する構成としてもよい。さらに、ゲル５０に含有される指示薬が、自発光する特性を有する場合には、ゲル５０へ光を照射する手段は不要となる。なお、上述の実施形態では、アルカリ性を検知することでコンクリートの内部の劣化状態等を判断したが、当然、測定する環境に応じて指示薬が異なってもよい。さらに、可視光に限らず紫外線や赤外線を検知する構成であってもよい。また、ゲル５０をスリット３０にとどめる為に、セロハン膜６０を用いたが、これに限る趣旨ではない。外部注入型センサ１０ａ等の外部からセロハン膜６０を介してスリット３０へ、周囲環境の特性を示す物質が透過でき、かつ、指示薬の媒体となる物質（例えばゲル５０）を適正にスリット３０にとどめ置くことができれば適宜選択することができる。さらに、試薬を含む溶液が、適当にスリット３０内に留まり、色の変化が検出可能に呈色する特性を有しておれば、ゲル５０がない構成であってもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１０ａ 外部注入型センサ
１０ｂ、１０ｃ 自己補給型センサ
１１ 照射用光ファイバ
１２ 検出用光ファイバ
１３ 注入用チューブ
１４ 排出用チューブ
２０ 駆体
３０ スリット
５０ ゲル
６０ セロハン膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の物体内部の環境状態を測定するセンサであって、
試薬と液体とを収容可能な収容手段と、
前記試薬からの光を受光する受光手段と、
前記収容手段に液体を供給する供給手段と、
を備え、
前記収容手段と前記受光手段と前記供給手段は、一体に備わって構成されていることを特徴とするセンサ。
【請求項２】
当該センサは、所定の物体としてコンクリート構造物に埋設され、前記コンクリート構造物の内部環境の状態を測定することを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記収容手段と前記受光手段と前記供給手段とを一体に備えるプラスチック製の駆体を備え、
前記収容手段は、前記駆体の一部に形成されたスリット及び前記スリットに配置され前記試薬を含有可能なゲル状体であることを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記収容手段の外部を覆い、かつ所定の物質を透過する特性を有する外覆手段を備えることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載のセンサ。
【請求項５】
前記受光手段は、光ファイバであり、一方の端部で前記試薬からの光を受光し他方の端部へ出力することを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載のセンサ。
【請求項６】
前記収容手段に配置された前記試薬に対して光を照射する照射手段を備え、
当該照射手段は、前記収容手段、前記受光手段及び前記供給手段と一体に構成されていることを特徴とする請求項１から５までのいずれかに記載のセンサ。
【請求項７】
前記光照射手段は、光ファイバであり、一方の端部から光を取得し、他方の端部からその取得した光を前記収容手段に配置された前記試薬に対して照射することを特徴とする請求項６に記載のセンサ。
【請求項８】
前記受光手段は、光ファイバであり、一方の端部で前記試薬からの光を受光し他方の端部へ出力し、
前記光照射手段は、光ファイバであり、一方の端部から光を取得し、他方の端部からその取得した光を前記収容手段に配置された前記試薬に対して照射し、
前記光照射手段を構成する光ファイバの光の照射面と、前記受光手段を構成する前記光ファイバの光の受光面とは、略対向に配置されていることを特徴とする請求項６に記載のセンサ。
【請求項９】
前記受光手段は、光ファイバであり、一方の端部で前記試薬からの光を受光し他方の端部へ出力し、
前記照射手段は、光ファイバであり、一方の端部から光を取得し、他方の端部からその取得した光を前記収容手段に配置された前記試薬に対して照射し、
前記照射手段を構成する光ファイバの光の照射面と、前記受光手段を構成する前記光ファイバの光の受光面とは、略隣接して同方向を向いて配置されていることを特徴とする請求項６に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記収容手段の物質を外部に排出可能な排出手段を有することを特徴とする請求項１から９までのいずれかに記載のセンサ。
【請求項１１】
前記排出手段は、前記収容手段に収容される物資を外部から供給可能であることを特徴とする請求項１０に記載のセンサ。
【請求項１２】
前記試薬は、酸性、アルカリ性、塩化物イオンまたは硫酸イオンの化学物質に反応して呈色することを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１３】
前記試薬は、ｐＨ指示薬であり、
前記供給手段によって供給される液体は、ｐＨ指示薬を含有する溶液であることを特徴とする請求項１２に記載のセンサ。
【請求項１】
所定の物体内部の環境状態を測定するセンサであって、
試薬と液体とを収容可能な収容手段と、
前記試薬からの光を受光する受光手段と、
前記収容手段に液体を供給する供給手段と、
を備え、
前記収容手段と前記受光手段と前記供給手段は、一体に備わって構成されていることを特徴とするセンサ。
【請求項２】
当該センサは、所定の物体としてコンクリート構造物に埋設され、前記コンクリート構造物の内部環境の状態を測定することを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記収容手段と前記受光手段と前記供給手段とを一体に備えるプラスチック製の駆体を備え、
前記収容手段は、前記駆体の一部に形成されたスリット及び前記スリットに配置され前記試薬を含有可能なゲル状体であることを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記収容手段の外部を覆い、かつ所定の物質を透過する特性を有する外覆手段を備えることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載のセンサ。
【請求項５】
前記受光手段は、光ファイバであり、一方の端部で前記試薬からの光を受光し他方の端部へ出力することを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載のセンサ。
【請求項６】
前記収容手段に配置された前記試薬に対して光を照射する照射手段を備え、
当該照射手段は、前記収容手段、前記受光手段及び前記供給手段と一体に構成されていることを特徴とする請求項１から５までのいずれかに記載のセンサ。
【請求項７】
前記光照射手段は、光ファイバであり、一方の端部から光を取得し、他方の端部からその取得した光を前記収容手段に配置された前記試薬に対して照射することを特徴とする請求項６に記載のセンサ。
【請求項８】
前記受光手段は、光ファイバであり、一方の端部で前記試薬からの光を受光し他方の端部へ出力し、
前記光照射手段は、光ファイバであり、一方の端部から光を取得し、他方の端部からその取得した光を前記収容手段に配置された前記試薬に対して照射し、
前記光照射手段を構成する光ファイバの光の照射面と、前記受光手段を構成する前記光ファイバの光の受光面とは、略対向に配置されていることを特徴とする請求項６に記載のセンサ。
【請求項９】
前記受光手段は、光ファイバであり、一方の端部で前記試薬からの光を受光し他方の端部へ出力し、
前記照射手段は、光ファイバであり、一方の端部から光を取得し、他方の端部からその取得した光を前記収容手段に配置された前記試薬に対して照射し、
前記照射手段を構成する光ファイバの光の照射面と、前記受光手段を構成する前記光ファイバの光の受光面とは、略隣接して同方向を向いて配置されていることを特徴とする請求項６に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記収容手段の物質を外部に排出可能な排出手段を有することを特徴とする請求項１から９までのいずれかに記載のセンサ。
【請求項１１】
前記排出手段は、前記収容手段に収容される物資を外部から供給可能であることを特徴とする請求項１０に記載のセンサ。
【請求項１２】
前記試薬は、酸性、アルカリ性、塩化物イオンまたは硫酸イオンの化学物質に反応して呈色することを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１３】
前記試薬は、ｐＨ指示薬であり、
前記供給手段によって供給される液体は、ｐＨ指示薬を含有する溶液であることを特徴とする請求項１２に記載のセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−２７１１２１（Ｐ２０１０−２７１１２１Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２２００３（Ｐ２００９−１２２００３）
【出願日】平成２１年５月２０日（２００９．５．２０）
【出願人】（３０１０３１３９２）独立行政法人土木研究所 (107)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月２０日（２００９．５．２０）
【出願人】（３０１０３１３９２）独立行政法人土木研究所 (107)
【Ｆターム（参考）】
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