JP2000002503A - 構造部材の健全性モニタリングセンサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐久性に優れ、低コストで、かつ簡易な構成
により構造部材の健全性を判定可能な構造部材の健全性
モニタリングセンサーを提供する。 【解決手段】 構造部材の健全性モニタリングセンサー
Ｍ₁を、インパルス状またはステップ状のパルス信号Ｓ
ｉまたはＳｓを発生するパルス信号発生器１と、基礎杭
１０内に埋設された導電性線材１２，１３と、導電性線
材１２，１３に沿って設けられた導体４とを備えた構成
とするとともに、パルス信号ＳｉまたはＳｓと、導電性
線材１２，１３の一端１２ａ，１３ａより出力される反
射信号Ｓｒｉ３，Ｓｒｉ３’または、Ｓｒｓ３，Ｓｒｓ
３’とに基づいて基礎杭１０の障害点１２ｂ近傍の損傷
状態を判定するオシロスコープ１５を備えた構成とし
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、構造部材に対して
設けられて、その構造部材の健全性を判断するために用
いられる構造部材の健全性モニタリングセンサーに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、橋梁、高架道、トンネ
ル、ビルなどの土木・建築高層物は、供用期間が長いこ
とから、地震、過荷重や疲労などによる損傷、腐食や、
過酷な環境などによる劣化の問題にさらされている。こ
のような問題に対しては、構造物あるいは構造部材の要
所要所にセンサーを配置して、随時健全性のモニタリン
グを行い、長期の耐久性を保証するという方法が有効で
ある。ここで、随時とは、常時あるいは定期的に、さら
には、地震や過荷重を受けた直後等をさす。

【０００３】このようなモニタリングが特に有効と考え
られるところを次に示す。 （ａ） 目視などによる検査能力が発揮できない場所や
位置にある部材・部位の調査 例えば、地下部分、仕上材、天井材、カバー（屋上にあ
る防水層やトンネルの覆工など）がある部材および部
位、他の設備や機器配管類により見えない部分、作業の
ため立ち入りできないほど狭い場所、密閉されている場
所など

【０００４】（ｂ） 簡単には人が立ち入ることができ
ない場所、部位や、立ち入りや作業に危険を伴う場所に
おける部材、部位の調査 例えば、高所作業を行い、かつ安全な作業足場を確保し
がたい場所、水・海水に接している構造物や、水中・海
中構造物、変電所設備などのような（超）高電圧の設備
機器がある場所、原子力施設や放射性廃棄物の処分場な
どのような放射性物質を取り扱う施設、人体に有害な気
体あるいは刺激臭のある場所、酸欠状態になりやすい場
所、交通車両が多いところ、できれば避けたい汚物、
光、騒音、振動、粉塵などのある場所、高温度、高湿度
の場所、などである。

【０００５】（ｃ） 新しい構造用の材料や新しい構工
法を適用した場合 新しい構造用の材料や新しい構工法の採用は、事前の実
験や検討等による多くの実績をもとに慎重に行われるも
のであり、多くの場合、長期の耐久性についても問題が
生じるようなことはない。しかしながら、土木・建築構
造物では、供用期間が長いことから、使用条件の変更や
環境の変化なども考慮に入れれば、不測の事故の回避や
長期の耐久性を保証するために、モニタリングの手段は
大いに有効となる場合がある。また、これにより、設計
・運用データの少なさからくる過剰設計が不要となると
同時に、信頼性も飛躍的に向上するなどの利点が期待で
きる。

【０００６】なお、建築構造物では、現在の許容応力度
設計法による設計体系から、限界状体設計法、さらには
基準により構造細部までを規定するのではなく性能自体
を規定することにより、設計者自らがその性能を保証す
るという新しい設計体系への展開も始まろうとしてい
る。このような新しい設計による場合、性能（機能）・
安全・コスト（経済性）のバランスをとることが、今以
上に重要な技術的な課題となる。このような際に、モニ
タリングの技術は、新しい設計を支援する、あるいはリ
スクを担保するための、基本的な技術の一つとなると考
えられる。

【０００７】ところで、モニタリングの技術には、日常
の目視点検から、供用後、永らく経過した構造物の建物
診断や震災後の被災度調査などのように、調査・診断の
ために、計器を搬入して実験・実測を行うもの等、種々
の健全性の調査・診断・評価の方法がある。

【０００８】これらのうち、計器等を利用したモニタリ
ングの技術については、以下の（Ａ）、（Ｂ）に大別す
ることができる。すなわち、（Ａ）信号を伝達するケー
ブルの先端にセンサを配置する、あるいは、センサ機能
を付与する方法、および、（Ｂ）信号を伝達するケーブ
ルそのものをセンサとして利用する方法、である。ここ
に、構造物あるいは構造部材のモニタリングでは、モニ
タリングの対象が広い、あるいは、多点となるために、
上記（Ａ）および（Ｂ）を比較した場合、（Ｂ）の方が
有利であるとされている。

【０００９】そこで、（Ｂ）の方法に着目して、従来の
技術について検討してみると、（Ｂ）に該当する方法と
して現在までに提案されている技術は、使用材料から見
て以下の２つがある。 （Ｂ−１）光ファイバを利用したもの （Ｂ−２）炭素繊維束などの導電性の線材を利用したも
の。 以下にこれらについて、若干の説明を加えておく

【００１０】（Ｂ−１）光ファイバを利用したものにつ
いて 光ファイバは、ガラスやプラスチックの細い線で、多少
曲げても光を損失なく伝送できる繊維である。ここで、
光ファイバの基本構造を、ガラス（グラス）ファイバを
例として説明すると次のようになる。中心部は直径数ミ
クロンから１０ミクロン、屈折率naからなる石英ガラス
材料からなり、コア領域と呼ばれる。その周りを屈折率
nbの別の組成からなる石英ガラス材料が取り囲んだ二重
構造である。外側の石英ガラス領域をクラッド領域とい
い、クラッド領域の直径は0.1ミリ程度、標準の場合125
ミクロンである。コアの屈折率は1.5程度で、クラッド
との屈折率差は0.2〜1.0%程度に作ってあり、この屈折
率の差により、コアに入射した光がコアとクラッドの境
界で全反射を繰り返して、極めて小さな伝播損失で伝播
するというのが光ファイバの要点である。さらに、光フ
ァイバの外周は、シリコンやウレタンなどで被覆されて
いるため、弾力性があり、強度的にもつよいものとなっ
ている。光ファイバ自体の破断伸びは１％程度である。

【００１１】炭素繊維やガラス繊維などの繊維強化プラ
スチック（ＦＲＰ）や、その複合材料のひび割れや亀裂
の進展をモニタリングする方法としては、光ファイバの
外周部の被覆を取り外し、ＦＲＰやその複合材料の中に
埋め込むことが行われている。これは、被覆された光フ
ァイバの強度が極めて大きく、これをそのまま埋め込む
あるいは接着剤で貼り付けても被覆の外周面においてハ
ガレを生じて、光ファイバ自体の損傷とはならないため
である。損傷の有無や、あるいは、その程度の判定に
は、光ファイバの導通試験、すなわち、光の透過（透過
光の損失）を計測あるいは目視する方法や、片端から光
を入射し、途中で引き返してくる微弱な反射光（後方散
乱光）を計測により行うことができる。

【００１２】さらに、光ファイバケーブルで生じた障害
点（損傷を受けた位置）を、光パルス試験機より破断面
において生じる反射パルス（フレネル反射）を計測する
ことから求めることができる。ただし、光ケーブルで
は、破断の状況によっては、反射パルスが生じない場合
がある。しかし、このような場合にも、次に述べる方法
により、前述の後方散乱光を手がかりに障害点を探査す
ることができる。すなわち、光ファイバには波長の単位
よりも小さな物質や密度・成分の不均一によるミクロな
屈折率のゆらぎがあり、これによりレイリー散乱という
散乱光が発生する。この長さ方向に分布する散乱光の一
部が光ファイバの導波モードとなって入射端にもどり、
この微弱な反射光（後方散乱波）のレベルを測定するこ
とにより、破断点を評定することができる。後方散乱光
のレベルは、伝播時間に対応し指数関数的に変化する。
単位長の損失はこのレベル差から、破断点は後方散乱光
の消滅から検出できる。

【００１３】（Ｂ−２） 炭素繊維束など導電性の線材
を利用したものについて このような導電性の線材を利用した場合のモニタリング
の原理は以下の通りである。すなわち、例えば、炭素繊
維ガラス繊維強化プラスチックス（ＣＦＧＦＲＰ）材料
中の炭素繊維糸は、極細の炭素の長繊維が千本単位で束
ねられたものであり導電性材料である。この炭素繊維材
料に、引張荷重が作用すると、炭素繊維がその伸びによ
って徐々に破断を開始し、所定の伸びでは多くの炭素繊
維糸はおおむね破断して、炭素繊維糸は電気抵抗値を急
激に上昇させる。さらに荷重が大きくなれば、炭素繊維
糸は完全に破断し、電気抵抗は極めて大きい値となる
（気中であればほぼ無限大になる）。また、荷重が取り
除かれれば、部材のたわみは小さくなり、炭素繊維材も
元の形状にもどるが、破断した繊維は元の状態にはもど
らないので、電気抵抗値は元の状態よりは大きい値を示
す。これより、あらかじめ、荷重−部材の伸び−電気抵
抗の残留値の関係を調べておけば、電気抵抗の残留値か
ら部材に作用した荷重、あるいは部材の伸びを容易に推
定することができ、結果として、部材の損傷の程度（ま
たは、健全性）をモニタリングすることができる。

【００１４】さらに、炭素繊維束は引張側で働くセンサ
であるが、この他にも、圧縮側の検知、さらにコンクリ
ート部材のひび割れ検知など、機能の拡充と感度や精度
などの向上を求めた新たな導電性線材（あるいは材料）
を用いたセンサが提案されている。例えば、新たな導電
性線材（あるいは材料）を用いたセンサとしては、 （ｉ） 絶縁性の高いプラスチックス（誘導体材料）に
より被覆された、幅が狭く、長手方向に延伸した（帯状
の）箔材（導電性を有する金属箔）。 （ｉｉ） 炭素繊維（ＣＦ）の補強剤とエポキシ樹脂と
からなる強化プラスチックス（ＲＰ）のうち、引き抜き
成形方法でロッド状に加工したもの（ＣＦＲＰ）。 （ｉｉｉ） 炭素繊維（ＣＦ）とガラス繊維（ＧＦ）が
それぞれ束ねられてなる繊維束の補強材と、エポキシ、
ビニルエステルなどの樹脂とからなる強化プラスチック
ス（ＲＰ）の成形体（ＣＦＧＦＲＰ）。断面形状とし
て、棒状、矩形、シート状、ネット状のものなど種々の
ものが考えられる。また、ガラス繊維はセラミックス繊
維やアラミド繊維、さらにはセルロース樹脂と置き換え
ることができる。 （ｉｖ） 導電性粉末を分散、硬化させることにより得
られる導電性の高いプラスチックスの成形体。ここで、
導電性粉末としては、例えば、炭素（カーボンブラック
や黒鉛の）粉末や、炭化チタンや窒化チタン等のセラミ
ックス粉末などをさす。 （ｖ） 導電性粉末を分散、硬化させることにより得ら
れる導電性の高いモルタルの形成体。ここで、導電性粉
末としては、（ｉｖ）と同様とする。 （ｖｉ） 導電性粉末を持つ短繊維（例えば炭素繊維の
短繊維）を分散、硬化させることによって得られる導電
性の高いプラスチックスの形成体、あるいはモルタルの
形成体、などが提案されている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の光フ
ァイバを用いた構造部材のモニタリング装置において
は、上で述べたように、損傷の部位が特定できるという
長所があるが、コンクリート造等の構造物あるいは構造
部材への適用を考えたときに、以下の（１）から（７）
に述べるような問題点がある。

【００１６】（１） 被覆をはいだ光ファイバの材料は
ガラスであるが、ガラスはコンクリートのアルカリ性に
弱いという弱点がある。このため、コンクリート躯体中
において被覆をはいだ光ファイバをセンサとして長期間
のモニタリングに使用することは問題がある。

【００１７】（２） 被覆された光ファイバは高強度で
あることから、これをそのまま構造部材に適用した場
合、光ファイバの損傷箇所と構造部材の損傷箇所との不
一致が生じたり、また、被覆と構造部材との間に剥がれ
が発生し、これによって測定精度の低下を生じる懸念が
ある。

【００１８】（３） 被覆した光ファイバを単なる光信
号の伝達ケーブルとして用いた場合、光ファイバの破断
伸びがわずか１％程度であることから、炭素繊維シート
等の高弾性で破断伸びの小さい補強材中に光ファイバを
配置する場合を除けば、保護管等により光ファイバを養
生する必要がある。

【００１９】（４） 光ファイバの口元自体が入射端面
とされていることから、この入射端面から所定点までの
間の部分が、計測不可能ないわゆるデッドゾーンとされ
る。従って、上記デットドーンに障害点が存在する場
合、この障害点を検出することができないという問題が
ある。また、このデットゾーンの距離は、光の波長や計
器機器の計測精度により異なるが、通常、シングルモー
ド光ファイバで８ｍ、マルチモード光ファイバで３ｍと
されている。さらに、このデッドゾーンの距離は、特定
の測定方法を用いた場合には１０〜２０ｍにもおよぶも
のとなる。

【００２０】（５） 引張荷重等による光ファイバの芯
材のひずみや変形が弾性域内であった場合には、引張荷
重が取り除かれた時点で光ファイバは引張荷重がかかる
前の状態に戻る。従って、この引張荷重が取り除かれた
状態で計測を行っても、引張荷重が加えられたという過
去の状態を知ることができない。（炭素繊維の場合に
は、引張（破断）伸び以前のひずみや変形に対しても、
フィラメントの一部が切断することにより、後で電気抵
抗値を計測することにより、最大ひずみや最大変形を予
測することが可能である。）

【００２１】（６） 光ファイバに曲率の小さい曲げを
与えることは、ひずみ計測や光のロスの観点から適当で
ない。そのため、急激に曲げを伴うような配線がしにく
い。 （７） 光ファイバの温度依存性について、結果の補正
が必要である。

【００２２】一方、従来の導電性線材（炭素繊維束やそ
れに代わる新たな導電性線材）を用いた構造部材のモニ
タリング装置においては、導電性線材の抵抗値の変化か
ら、構造部材のいずれかの位置において損傷が生じたこ
とが確認できるものの、この損傷が導電性線材上のどの
位置において発生したかを特定することは困難であっ
た。また、導電性線材をいくつかの範囲に分割して、両
端だけではなく、中間点にも複数の端子を設けておき、
その間の抵抗値を計測することにより、損傷を受けた部
位の範囲を特定することも提案されているが、この場合
においては、複数の端子と計測機器との間を接続する複
数の信号ケーブルが必要とされ、コスト面、施工の困難
性等を考慮すれば、実用的にはさらに工夫が必要であ
る。

【００２３】本発明は、上記のような問題点に鑑みなさ
れたものであり、耐久性に優れ、しかも低コストであ
り、なおかつ、簡易な構成で、構造部材中における損傷
の存否のみならず、損傷位置、損傷状況をも容易に把握
することができるような構造部材の健全性モニタリング
センサーを提供することを課題とする。

【００２４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明においては以下の手段を採用した。すなわち、
請求項１記載の構造部材の健全性モニタリングセンサー
は、構造部材の内部または表面に対して配設された導電
性を有する導線と、該導線に沿って近接配置された導電
性を有する導体と、前記導線の一端へパルス信号を供給
するパルス信号供給手段と、前記パルス信号および前記
導線の一端より出力される反射信号に基づいて、前記構
造部材の損傷位置を特定するとともに、前記構造部材の
損傷状態を判定する判定手段とを備えて構成されている
ことを特徴とする。

【００２５】請求項２記載の構造部材の健全性モニタリ
ングセンサーは、請求項１記載の構造部材の健全性モニ
タリングセンサーであって、前記構造部材には、少なく
とも一対の前記導線が、同方向に延在するように、なお
かつ、互いに近接するように配置され、前記パルス信号
供給手段は、前記一対の導線の少なくとも一方に対し
て、その端部より前記パルス信号を供給する構成とさ
れ、前記判定手段は、前記パルス信号、前記導線の一方
の端部より出力される第一の反射信号、および、前記導
線の他方の端部より出力される第二の反射信号に基づい
て、前記構造部材の損傷位置を特定するとともに、前記
構造部材の損傷状態を判定する構成とされていることを
特徴とする。

【００２６】請求項３記載の構造部材の健全性モニタリ
ングセンサーは、請求項１または２記載の構造部材の健
全性モニタリングセンサーであって、前記判定手段は、
前記パルス信号、前記導線の一端より出力される反射信
号、および前記導線の他端より出力される透過信号に基
づいて、前記構造部材の損傷位置を特定する構成とされ
ていることを特徴とする。

【００２７】これら請求項１から３の発明に係る構造部
材の健全性モニタリングセンサーは、いわゆるＴＤＲ
（Time Domain Reflectmetry）測定方法を構造物の健全
性の判定について応用するためのものである。ここにＴ
ＤＲ測定方法とは、インパルス状またはステップ状のパ
ルス信号を導電性の被測定物に入力した後、このパルス
信号（入射波）と被測定物により反射された反射信号
（反射波）とが重畳された反射信号の波形とに基づい
て、被測定物のインピーダンス特性やインピーダンスの
不連続性を距離の関数として測定する方法をいう。

【００２８】上述の構造部材の健全性モニタリングセン
サーは、構造部材中に導線をあらかじめ埋め込むか、あ
るいは、構造部材の表面に導線を敷設しておき、この導
線にパルス信号を入力することによって、導線上の各位
置においてインピーダンスを測定することが可能であ
り、構造部材が何らかの損傷を受けた際には、その損傷
位置近傍において導線のインピーダンスに変化が生じる
ことから、このインピーダンスの変化を観測することに
よって、構造部材の各所の損傷状態をモニタリングする
ことができる。

【００２９】また、この際、導線に沿って、導線に比べ
て力学的強度（破断伸び）が小であるような導体を近接
配置し、導線のインピーダンスがこの導体により影響を
受けるようにすれば、構造部材の損傷に伴って、導体に
破断、亀裂（ひび割れ）、あるいは、剥離等の変化が生
じた場合に、導線周辺のインピーダンスが変化すること
となり、この変化が導線に対するＴＤＲ測定により検知
される。さらに、導体だけでなく、導線自体に損傷が及
んだ場合には、導線自身の損傷と導体の損傷を合わせた
インピーダンスの変化が、導線のＴＤＲ計測により検知
されることとなる。

【００３０】この場合、導線に沿って配置された導体
は、導線のインピーダンスの変化の度合いを増幅させ、
これにより精度の高い測定を可能とするように作用す
る。すなわち、図１１（ａ）に示すように、構造部材１
００において、その表面１００ａ付近のコンクリートＣ
内に導線１０２を埋設し、さらに、導線１０２に沿って
導体１０３を配設したとする。この場合において、ひび
割れ１０５が、コンクリートＣと導体１０３とを貫通す
るように発生し、なおかつ、ひび割れ１０５による導線
１０２の損傷はなかったものとすると、導線１０２の長
手方向（図中ｐ方向）に見た導線１０２周囲の電気的特
性の変化は、図１２（ａ）に示すように、ひび割れ１０
５を挟んで、導体１０３→空気（ひび割れ１０５）
→導体１０３によって規定されることとなる。

【００３１】一方、図１１（ｂ）に示すように、単に構
造部材１００の表面付近に導線１０２のみを埋設した場
合（導体１０３を設けなかった場合）には、導線１０２
の長手方向（図中ｐ方向）に見た導線１０２周囲の電気
的特性の変化は、図１２（ｂ）に示すように、ひび割れ
１０５を挟んで、コンクリートＣ→空気（ひび割れ
１０５）→コンクリートＣによって規定されることと
なる。

【００３２】図１２において（ａ）および（ｂ）に示さ
れた場合を比較すると、空気の部分の電気的特性は、両
者において変わりはないが、導体１０３とコンクリート
Ｃとを比較した場合、空気に対するインピーダンスの変
化の度合いは、導体１０３の方が大きいため、導線１０
２に沿ったインピーダンスの変化の度合いは、導体１０
３を配置した場合の方が大きくなる。これにより、導体
１０３を導線１０２に沿って配置することにより、導体
１０３を配置しない場合に比較して、ひび割れの検知を
容易することができ、より精度の高い測定が可能とな
る。

【００３３】また、このような導体１０３を配置するこ
とによる効果は、ひび割れ１０５に水（地下水）が侵入
してきた場合に、より一層顕著なものとなる。すなわ
ち、水（地下水）は、空気と比べて電気をはるかによく
通すので、図１１、図１２に示したような状況におい
て、ひび割れ１０５に水（地下水）が侵入してきた場合
には、導線１０２に沿ったインピーダンスの変化は、水
の侵入がない場合に比較して小さなものとなってしまう
が、導体１０３を配置しておけば、上述のような作用に
よりインピーダンスの変化が増幅されることから、容易
にひび割れの存否を検出することが可能となる。

【００３４】なお、上述の説明は、導体の破断伸び等の
力学的強度が導線の力学的強度よりも小さい場合の例で
あるが、この逆の場合、すなわち、導体の力学的強度が
導線のそれよりも強い場合には、導線と導体がともに損
傷したときには、これらを合わせたインピーダンスの変
化が導線のＴＤＲ計測により検知されることとなり、上
記の例と同様にインピーダンスの変化が増幅されるとい
う作用が得られるが、導体に損傷が無く導線のみが損傷
したときは、導線のインピーダンスの変化のみが検知さ
れることとなり、この場合の計測の精度は、導体を配置
しなかった場合と同様となる。

【００３５】また、請求項４記載の構造部材の健全性モ
ニタリングセンサーは、構造部材の内部または表面に配
設された導電性を有する導線と、該導線に沿って近接配
置された導電性を有する導体と、該導線の一端へ高周波
信号を入力する高周波信号供給手段と、該高周波信号供
給手段、および該導線の一端より出力される反射信号に
基づいて、前記構造部材の損傷位置を特定するととも
に、前記構造部材の損傷状態を判定する判定手段とを備
えて構成されていることを特徴とする。

【００３６】請求項５記載の構造部材の健全性モニタリ
ングセンサーは、請求項４記載の構造部材の健全性モニ
タリングセンサーであって、前記構造部材には、少なく
とも一対の前記導線が、同方向に延在するように、なお
かつ、互いに近接するように配置され、前記高周波信号
供給手段は、前記一対の導線の少なくとも一方に対し
て、その端部より前記高周波信号を供給する構成とさ
れ、前記判定手段は、前記高周波信号、前記導線の一方
の端部より出力される第一の反射信号、および、前記導
線の他方の端部より出力される第二の反射信号に基づい
て、前記構造部材の損傷位置を特定するとともに、前記
構造部材の損傷状態を判定する構成とされていることを
特徴とする。

【００３７】請求項６記載の構造部材の健全性モニタリ
ングセンサーは、請求項４または５記載の構造部材の健
全性モニタリングセンサーであって、前記判定手段は、
前記高周波信号、前記導線の一端より出力される反射信
号、および前記導線の他端より出力される透過信号に基
づいて、前記構造部材の損傷位置を特定する構成とされ
ていることを特徴とする。

【００３８】これら請求項４から６に係る発明の構造部
材の健全性モニタリングセンサーは、いわゆるベクトル
・ネットワーク・アナライザ（Vector Network Analyse
r;ＶＮＡ）を構造物の健全性の判定について応用するた
めのものである。ＶＮＡは、任意の正弦波信号を出力し
て、被測定物への入射波と被測定物からの反射波の位相
特性と振幅測定を測定する装置であり、２ポート（出入
口）あるいは、それ以上のポートを用いることにより、
伝送路の損失や伝播の遅延時間などについて伝達特性を
調べることができるものである。ここでは、構造部材中
に埋設、あるいは構造部材表面に敷設等された導線に、
高周波信号を入力することより、導線から得られる反射
波等の位相特性および周波数領域における振幅特性を調
べるとともに、これらの情報を基に、判定手段におい
て、例えば逆フーリエ変換等の手段を用いて、反射波に
ついて時間軸の波形を得ることとし、これにより、導線
の各所に沿ってのインピーダンスの変化を調べる。

【００３９】また、この際、導線に沿って、導線に比べ
て力学的強度（破断伸び）が小であるような導体を近接
配置し、導線のインピーダンスがこの導体により影響を
受けるようにすれば、構造部材の損傷に伴って、導体に
破断、亀裂（ひび割れ）、あるいは、剥離等の変化が生
じた場合に、導線周辺のインピーダンスが変化すること
となり、この変化が導線に対するＶＮＡ測定により検知
される。さらに、導体だけでなく、導線自体に損傷が及
んだ場合には、導線自身の損傷と導体の損傷を合わせた
インピーダンスの変化が、導線のＶＮＡ計測により検知
されることとなる。

【００４０】また、この場合、上述の請求項１から３に
係る発明と同様に、導線に沿って配置された導体は、導
線のインピーダンスの変化の度合いを増幅させ、これに
より精度の高い測定を可能とするように作用する。

【００４１】請求項７記載の構造部材の健全性モニタリ
ングセンサーは、請求項１から６のいずれかに記載の構
造部材の健全性モニタリングセンサーであって、前記導
体は、所定値以上の応力が作用した際に、その抵抗値が
変化する材料によって形成され、前記導体には、少なく
とも二以上の端子が接続され、該端子には、これら端子
間の抵抗値を測定する抵抗測定手段が接続されているこ
とを特徴とする。

【００４２】上記のような構成とされるために、この構
造部材の健全性モニタリングセンサーにおいては、パル
ス信号または高周波信号を用いた構造部材の健全性の判
定に加えて、構造部材に損傷が加わったときに導体に応
力が作用し、これによって導体の抵抗値が変化すること
を利用して、導体の抵抗値を観測することにより、構造
部材の健全性をモニタリングすることができる。

【００４３】請求項８記載の構造部材の健全性モニタリ
ングセンサーは、請求項１から７のいずれかに記載の構
造部材の健全性モニタリングセンサーであって、前記導
体の破断伸びは、前記導線の破断伸びよりも小とされて
いることを特徴とする。このような構成とされるため
に、この構造部材の健全性モニタリングセンサーにおい
ては、構造部材が損傷してひび割れ等が発生した場合
に、導体が、導線よりも先行して損傷し、これに伴い導
線周囲のインピーダンスに変化を及ぼすこととなる。こ
れにより、単に導線のみが構造部材中に配設されている
場合と異なり、導線の電気的特性に何ら変化を与えない
程度の微小なひび割れ等を、良好に検出することができ
る。

【００４４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を参照して説明する。図１は、本発明の構造部材の健
全性モニタリングセンサーＭの概略構成を示す図であ
る。この構造部材の健全性モニタリングセンサーＭは、
先に説明したようなＴＤＲを用いた測定方法を、構造部
材の健全性の判定に応用するためのものである。以下
に、その基本的な構成および測定原理についてを説明す
る。

【００４５】図１において、符号１はパルス信号発生
器、２は導電性線材、３はオシロスコープ、４は導電性
線材２に沿って配置された導体を示す。パルス信号発生
器１は、図２（ｃ）に示すパルス信号Ｓｉまたは図２
（ｄ）に示すステップ状のパルス信号Ｓｓを発生するこ
とができる。また、このパルス信号発生器１には、図示
しないプローブが接続されており、これらパルス信号Ｓ
ｉまたはパルス信号Ｓｓは、該プローブを介して出力さ
れる。さらに、このプローブの先端部からパルス信号発
生器１およびオシロスコープ３側を見たときの特性イン
ピーダンスは、Ｚｏ（５０Ωまたは７５Ω）とされてい
る。

【００４６】一方、導電性線材２は、破断伸びが導体４
よりも高い炭素繊維束により形成されており、その一端
２ａには、プローブを介してパルス信号Ｓｉまたはパル
ス信号Ｓｓが入力される。また、導電性線材２について
は、一端２ａにおいて反射が発生しないように、そのイ
ンピーダンスと特性インピーダンスＺｏとができるかぎ
り整合するように、長さおよび径、材料の抵抗率の設計
が行われる。

【００４７】また、導電性線材２の外周面は、プラスチ
ックスからなる被覆材（図示略）で被覆されている。こ
の被覆材としては、その破断伸びが、後述するより線や
中心導体と同程度かまたは小さいものが用いられてい
る。ここで、上記導電性線材２（より線）として銅線を
用いた場合には、引張荷重による引張（破断）伸びが数
パーセント以下のプラスチックスの被覆を用いることが
望ましい。これにより、コンクリート部材のひび割れや
亀裂の進展に伴い、被覆材であるプラスチックスに同じ
ようにひび割れ、または亀裂が入り、ひいては、被覆材
を含めた周辺のインピーダンスが変化し、この結果、そ
の損傷状況をより感度良くモニタリングすることができ
ることとなる。

【００４８】引張（破断）伸びが数パーセント以下のプ
ラスチックスとしては、例えば、ポリスチレンの標準グ
レード、またはビニルエステル系エポキシ樹脂の標準グ
レードのものが挙げられる。ここで、ポリスチレンの標
準グレードのものの引張（破断）伸びは、２％であり、
一方、ビニルエステル系エポキシ樹脂の標準グレードの
ものの引張（破断）は、３％である。

【００４９】また、オシロスコープ３は、反射信号Ｓｒ
ｉ３（図２（ｃ）参照）または反射信号Ｓｒｓ３（図２
（ｄ）参照）の波形を表示するものである。さらに、オ
シロスコープ３には、各種演算を行うＣＰＵ（中央処理
装置）（図示略）が内蔵されている。

【００５０】また、導体４は、例えば、炭素の長繊維を
束ねた炭素繊維束によって形成されており、これによ
り、引張荷重が作用した場合に、電気抵抗値に変化が見
られるようなものとされている。さらに、導体４には、
その両端に端子５，５が設けられており、これら端子
５，５は、プローブ６，６を介して、これら端子５，５
間の直流抵抗またはインピーダンスを測定するためのテ
スタ７に対して接続されている。

【００５１】上記構成において、今、図１に示す導電性
線材２の途中部分に引張荷重等による損傷部、すなわち
障害点２ｂが存在するものとする。これにより、導電性
線材２においては、障害点２ｂによりインピーダンスの
不整合が生じている。なお、導体４の破断伸びは、導電
性線材２のそれよりも小さいことから、導電性線材２の
障害点２ｂ近傍の導体４もまた損傷を受けているが、図
１中においては、それを省略している。

【００５２】この状態において、図２（ｂ）に示すパル
ス信号発生器１より、パルス信号Ｓｉ（図２（ｃ）参
照）が図２（ａ）に示す導電性線材２の一端２ａへプロ
ーブを介して出力されると、パルス信号Ｓｉは、導電性
線材２を伝搬する。そして、パルス信号Ｓｉの一部は、
障害点２ｂにより反射され、反射信号Ｓｒｉ１として、
一端２ａへ向けて伝搬する。一方、パルス信号Ｓｉの残
りは、他端２ｃにより反射され、反射信号Ｓｒｉ２とし
て一端２ａへ向けて伝搬する。

【００５３】これにより、導電性線材２の一端２ａから
は、上述した反射信号Ｓｒｉ１と反射信号Ｓｒｉ２とが
重畳された反射信号Ｓｒｉ３が出力される。この反射信
号Ｓｒｉ３は、オシロスコープ３に入力され、その結
果、オシロスコープ３には、図２（ｃ）に示す反射信号
Ｓｒｉ３の波形が表示される。この図において、部分Ａ
は、反射信号Ｓｒｉ１に対応する部分であり、部分Ｂ
は、反射信号Ｓｒｉ２に対応する部分である。

【００５４】従って、図２（ｃ）において、パルス信号
Ｓｉと部分Ａとの間の時間を求め、該時間に反射信号Ｓ
ｒｉ３の伝搬速度（≒光速ｃ）を乗算した結果を「２」
で除算することにより、図２（ａ）に示す一端２ａから
障害点２ｂまでの距離が求められる。すなわち、導電性
線材２における障害点２ｂの位置が特定される。

【００５５】また、図２（ｂ）に示すパルス信号発生器
１より、ステップ状のパルス信号Ｓｓ（図２（ｄ）参
照）が図２（ａ）に示す導電性線材２の一端２ａへプロ
ーブを介して出力されると、パルス信号Ｓｓの一部は、
障害点２ｂにより反射され、反射信号Ｓｒｓ１として、
一端２ａへ向けて伝搬する。一方、パルス信号Ｓｓの残
りは、他端２ｃにより反射され、反射信号Ｓｒｓ２とし
て一端２ａへ向けて伝搬する。

【００５６】これにより、導電性線材２の一端２ａから
は、上述した反射信号Ｓｒｓ１と反射信号Ｓｒｓ２とが
重畳された反射信号Ｓｒｓ３が出力される。そして、こ
の反射信号Ｓｒｓ３は、オシロスコープ３に入力され
る。その結果、オシロスコープ３には、図２（ｄ）に示
す反射信号Ｓｒｓ３の波形が表示される。この図におい
て、部分Ｃは、反射信号Ｓｒｓ１に対応する部分であ
り、部分Ｄは、反射信号Ｓｒｓ２に対応する部分であ
る。

【００５７】従って、図２（ｄ）において、パルス信号
Ｓｓの立ち上がりと部分Ｃとの間の時間を求め、該時間
に反射信号Ｓｒｓ３の伝搬速度（≒光速ｃ）を乗算した
結果を「２」で除算することにより、図２（ａ）に示す
一端２ａから障害点２ｂまでの距離が求められる。すな
わち、導電性線材２における障害点２ｂの位置が特定さ
れる。

【００５８】また、このとき、導体４は、導電性線材２
より低い強度（破断伸び）において損傷を受けることに
より、導電性線材２の周辺の長手方向ののインピーダン
スの変化を増幅させる役割を果たす。また、構造部材中
に発生したひび割れ等により、導体４に引張または圧縮
荷重が作用した際には、端子５，５間の抵抗値が変化す
るために、テスタ７により端子５，５間の抵抗値を観測
しておくことによって、導体４に何らかの応力が作用し
ていることをモニタリングすることができる。したがっ
て、パルス信号による導電性線材２における障害点２ｂ
の発見・特定に加えて、導体４の抵抗値を観測すること
によって、簡易なモニタリングができるとともに、モニ
タリングの精度をさらに向上させることができる。

【００５９】なお、以上の説明においては、導電性線材
２および導体４の双方が損傷を受けた場合の例を示した
が、その代わりに、導電性線材２に損傷箇所が無く、そ
れより破断伸びの小さい導体４のみに損傷が生じた場合
においても、導体４の損傷により損傷箇所近傍において
導電性線材２のインピーダンスの不整合が生じることか
ら、この損傷箇所を導電性線材２の障害点２ｂと見なし
て、上記説明における取り扱いと同様の取り扱いをする
ことができる。

【００６０】以上は、ＴＤＲ測定方法を応用した場合の
構造部材の健全性モニタリングセンサーＭの基本的な構
成であるが、この構造部材のモニタリングにＶＮＡ測定
方法を用いる場合には、上述のパルス信号発生器１およ
びオシロスコープ３に代えて、ベクトルネットワークア
ナライザ（図示せず）を用いるようにすればよい。そし
て、このベクトルネットワークアナライザから、任意の
正弦波信号を導電性線材２に対して入力し、この正弦波
信号と導電性線材２から得られる反射波との位相特性お
よび振幅特性を測定することにより、伝送路の損失や伝
搬遅延時間などについて伝達特性を調べれば、導電性線
材２に発生する障害点の２ｂの位置等を推定することが
できる。

【００６１】次に、ＴＤＲ測定方法を実際の構造物に適
用した場合の例を第一および第二の実施の形態として説
明する。 ［第一の実施の形態］図３に示すものは、本実施の形態
における構造部材の健全性モニタリングセンサーＭ
₁を、鉄筋コンクリート製の基礎杭１０に対して適用し
た場合の例を示す図である。このうち、図３（ａ）は、
基礎杭１０および構造部材の健全性モニタリングセンサ
ーＭ₁を示す立断面図であり、（ｂ）は、基礎杭１０の
平断面図を示している。なお、図３（ａ）および（ｂ）
において、図１、図２（ａ）および（ｂ）と共通の構成
については、同一の符号を付すこととし、その説明を省
略する。

【００６２】これら図中に示すように、基礎杭１０は、
その長手方向の距離がＬ1（例えば５０ｍ）とされたも
のであり、基礎杭１０の内部には、図３（ａ）に示す杭
頭１０ａから杭先端部１０ｂに至るように一対の導電性
線材１２および１３が埋設されている。これら導電性線
材１２および１３は、所定の間隔をおいて平行に配置さ
れている。また、導電性線材１２および１３の外周面
は、図示しない絶縁材料（例えば、プラスチックス）に
より被覆されている。また、導体４は、基礎杭１０の延
在方向がその長手方向となるように帯状に形成されたも
のであり、その材質は炭素繊維束からなるものとされて
いる。さらに、図３（ｂ）に示すように、導電性線材１
２，１３は、導体４の表面に沿って配置されている。さ
らに、ここでは、図１に示したオシロスコープ３に代え
て、オシロスコープ１５が設けられている。このオシロ
スコープ１５は、２つの波形を同時に表示する、いわゆ
る２現象式のものであり、第１現象の信号を入力するた
めの入力端子１５ａおよび第２現象の信号を入力するた
めの入力端子１５ｂを各々有している。また、このオシ
ロスコープ１５には、図示しないＣＰＵが内蔵されてお
り、このＣＰＵは、図１に示したオシロスコープ３に内
蔵されているＣＰＵと同様にして、各種演算を行う。

【００６３】導電性線材１２は、その一端１２ａが、プ
ローブを介して信号発生器１およびオシロスコープ１５
の入力端子１５ａに接続された構成とされ、また、導電
性線材１３は、その一端１３ａが、オシロスコープ１５
の入力端子１５ｂに接続されている。

【００６４】この構造部材の健全性モニタリングセンサ
ーＭ₁の動作は以下のようになる。今、図３（ｂ）に示
す導電性線材１２において、一端１２ａ（杭頭１０ａ）
より下方向へ距離Ｌ2（例えば３５ｍ）隔てた障害点１
２ｂで損傷が発生しているものとする。ここに、障害点
１２ｂにおける損傷は、基礎杭１０に対して引張荷重等
が加えられた結果、障害点１２ｂ近傍の基礎杭１０に亀
裂、ひび割れ、破損等の損傷Ｈが生じ、この損傷Ｈに伴
い発生したものである。

【００６５】この状態において、図３（ｂ）に示すパル
ス信号発生器１より、パルス信号Ｓｉ（図４（ｂ）参
照）が導電性線材１２の一端１２ａへプローブを介して
出力されると、パルス信号Ｓｉは、他端１２ｃ方向へ向
けて導電性線材１２を伝搬する。そして、パルス信号Ｓ
ｉの一部は、図４（ａ）に示す障害点１２ｂにより反射
され、反射信号Ｓｒｉ１（図２（ｂ）参照）として、一
端１２ａへ向けて伝搬する。一方、パルス信号Ｓｉの残
りは、他端１２ｃにより反射され、反射信号Ｓｒｉ２
（図２（ｂ）参照）として一端１２ａへ向けて伝搬す
る。

【００６６】これにより、導電性線材１２の一端１２ａ
からは、反射信号Ｓｒｉ１と反射信号Ｓｒｉ２とが重畳
された反射信号Ｓｒｉ３（図４（ｃ）参照）が出力され
る。なお、図４（ｃ）においては、反射信号Ｓｒｉ２に
対応する部分の図示が省略されている。そして、この反
射信号Ｓｒｉ３は、入力端子１５ａからオシロスコープ
１５に入力される。この結果、オシロスコープ１５に
は、図４（ｃ）に示す反射信号Ｓｒｉ３の波形が表示さ
れる。この図において、部分Ｅは、図４（ｂ）に示す反
射信号Ｓｒｉ１に対応する部分である。

【００６７】次に、オシロスコープ１５に内蔵されてい
るＣＰＵ（図示略）は、図４（ｃ）に示すパルス信号Ｓ
ｉと部分Ｅとの間の伝搬遅延時間ｔｄを求める。ここ
で、図４（ａ）に示す一端１２ａから障害点１２ｂまで
の距離Ｌ2は、上記伝搬遅延時間をｔ ｄ、導電性線材１
２における反射信号Ｓｒｉ１の伝搬速度をｖｐ（≒光速
ｃ）とすると次の（１）式で表される。 Ｌ2＝ｔｄ・ｖｐ／２ ・・・・・・・・・（１）

【００６８】次いで、ＣＰＵは、上記（１）式に先ほど
求めた伝搬遅延時間ｔｄ、および既値たる伝搬速度ｖｐ
を各々代入して、距離Ｌ2を求める。これにより、図３
（ａ）に示す導電性線材１２における障害点１２ｂの位
置が特定され、ひいては基礎杭１０に発生している亀
裂、ひび割れ、破損等の箇所が特定される。

【００６９】また、図３（ａ）に示すパルス信号発生器
１より、ステップ状のパルス信号Ｓｓ（図４（ｄ）参
照）が図４（ａ）に示す導電性線材１２の一端１２ａへ
プローブを介して出力されると、パルス信号Ｓｓの一部
は、障害点２ｂにより反射され、反射信号Ｓｒｓ１とし
て、一端２ａへ向けて伝搬する。一方、パルス信号Ｓｓ
の残りは、他端２ｃにより反射され、反射信号Ｓｒｓ２
（図２（ｂ）参照）として一端２ａへ向けて伝搬する。

【００７０】これにより、導電性線材１２の一端１２ａ
からは、上述した反射信号Ｓｒｓ１と反射信号Ｓｒｓ２
とが重畳された、図４（ｅ）に示す反射信号Ｓｒｓ３が
出力される。なお、図４（ｅ）においては、反射信号Ｓ
ｒｓ２に対応する部分の図示が省略されている。

【００７１】そして、この反射信号Ｓｒｓ３は、入力端
子１５ａからオシロスコープ１５に入力される。この結
果、オシロスコープ１５には、図４（ｅ）に示す反射信
号Ｓｒｓ３の波形が表示される。この図において、部分
Ｆは、図４（ｄ）に示すパルス信号Ｓｓの立ち上がり部
分に対応しており、部分Ｇは、反射信号Ｓｒｓ１に対応
する部分である。

【００７２】次いで、ＣＰＵは、図４（ｅ）に示す部分
Ｆの立ち上がりから部分Ｇの立ち上がりまでの伝搬遅延
時間ｔｄを求めた後、先に示した（１）式に該伝搬遅延
時間ｔｄ、および既値の伝搬速度ｖｐを各々代入して、
距離Ｌ2（図４（ａ）参照）を求める。

【００７３】次に、ＣＰＵは、図４（ｅ）に示す反射信
号Ｓｒｓ３の波形から得られる電圧ＥｒおよびＥｉに基
づいて、障害点１２ｂの状態を次の手順で判定する。す
なわち、ここで、障害点１２ｂにおける反射係数ρは、
パルス信号Ｓｓ（入射波）の電圧をＥｉ（図４（ｅ）参
照）、反射信号Ｓｒｓ１（反射波）の電圧をＥｒ（図４
（ｅ）参照）、障害点１２ｂから他端１２ｃ側をみた導
電性線材１２のインピーダンスをＺ１、障害点１２ｂが
存在しない場合において一端２ａから他端２ｃ側をみた
導電性線材２のインピーダンスをＺ０とすると、次の
（２）式で表される。 ρ＝Ｅｒ／Ｅｉ＝（Ｚ１−Ｚ０）／（Ｚ１＋Ｚ０）・・・・（２）

【００７４】まず、ＣＰＵは、図４（ｅ）に示す反射信
号Ｓｒｓ３における部分Ｆの立ち上がりの電圧Ｅｉ、お
よび部分Ｇの立ち上がりの電圧Ｅｒを各々求める。次い
で、ＣＰＵは、上記電圧Ｅｉおよび電圧Ｅｒを（２）式
に代入して、反射係数ρを求める。ここで、電圧Ｅｉ＝
電圧Ｅｒなる関係があるものとすると、反射係数ρは、
１である。従って、（２）式においては、（Ｚ１−Ｚ
０）／（Ｚ１＋Ｚ０）＝１なる関係が成立することか
ら、ＣＰＵは、インピーダンスＺ１が無限大、すなわ
ち、図３（ｂ）に示す障害点１２ｂが完全に断線してい
るものと判定する。

【００７５】一方、障害点１２ｂが他の導体と短絡して
いる場合や接地されている場合には、図４（ｅ）に示す
電圧Ｅｒは、マイナス符号であってかつ電圧Ｅｉと同レ
ベルとなる。従って、このような場合には、（２）式に
示す反射係数ρは、−１とされ、ＣＰＵは、障害点２ｂ
が完全に短絡しているものと判定する。

【００７６】さらに、図３（ｂ）に示す基礎杭１０の障
害点１２ｂ近傍の部分にひび割れ、亀裂等が発生して、
障害点１２ｂにおいて断線が発生した直後においては、
反射係数ρは、上述したように１をとる。すなわち、障
害点１２ｂは、空気中に存在していると推定される。

【００７７】そして、基礎杭１０のひび割れ、亀裂部分
に地下水が侵入して、障害点１２ｂが地下水で満たされ
ると、反射係数ρは、障害点２ｂのインピーダンスの変
化に伴って１から−１へと徐々に変化する。この反射係
数ρの変化により、ＣＰＵは、障害点１２ｂが空気中に
あるか、または地下水中にあるかを判定する。言い換え
れば、基礎杭１０の施工後、反射係数ρの変化をモニタ
リングすることにより、基礎杭１０のひび割れ部分、亀
裂部分がどのような状態にあるのかを知ることができる
のである。

【００７８】また、上記反射係数ρの変化により、基礎
杭１０の損傷箇所の状態を判定する場合には、実験等に
より反射係数ρの変化と基礎杭１０の損傷箇所の状態と
の関係を表すデータを図示しないメモリに記憶しておけ
ばよい。この場合、ＣＰＵは、実際に得られる反射係数
ρをメモリに記憶されているデータに適用することによ
り、基礎杭１０の損傷箇所の状態を判定する。

【００７９】さらに、この構造部材の健全性モニタリン
グセンサーＭ₁においては、障害Ｈによって導電性線材
１２と導電性線材１３とが短絡しているか否かの判断も
行うことができる。ここに、短絡とは、物理的な接触は
もとより、インピーダンスの不整合が生じていることを
いう。従って、導電性線材１２と導電性線材１３とが物
理的に接触していない場合であっても、インピーダンス
の不整合が発生しているときには、電磁誘導作用によ
り、導電性線材１２と導電性線材１３とが電気的に結合
される。以下、短絡の定義については、同様とする。

【００８０】今、導電性線材１２において障害点１２ｂ
が存在しており、なおかつ、導電性線材１２および１３
は、短絡していないものとする。この状態において、信
号発生器１より、パルス信号Ｓｉまたはパルス信号Ｓｓ
が出力されると、先に説明した動作と同様にして、オシ
ロスコープ１５の入力端子１５ａには、反射信号Ｓｒｉ
３または反射信号Ｓｒｓ３が入力される。このとき、オ
シロスコープ１５の入力端子１５ｂには、いずれの信号
も入力されない。

【００８１】これにより、オシロスコープ１５のＣＰＵ
は、前述した動作と同様にして、障害点１２ｂの位置を
特定するとともに、（２）式を用いて反射係数ρを求め
た後、障害点１２ｂの状態、すなわち基礎杭１０の損傷
状態を判定する。

【００８２】一方、基礎杭１０に発生した損傷が多大な
ものであり、図３に示す障害点Ｈにおいて導電性線材１
２と導電性線材１３とが短絡しているものとする。この
状態において、信号発生器１よりパルス信号Ｓｉが出力
されると、パルス信号Ｓｉは、導電性線材１２の一端１
２ａから他端１２ｃへ向けて伝搬する。そして、パルス
信号Ｓｉの一部は、障害点Ｈにより反射され、反射信号
Ｓｒｉ１（図２（ｂ）参照）として、一端１２ａへ向け
て伝搬するとともに、導電性線材１３の一端１３ａへ向
けて伝搬する。

【００８３】これにより、導電性線材１２の一端１２ａ
からは、反射信号Ｓｒｉ３がオシロスコープ１５の入力
端子１５ａへ出力されるとともに、導電性線材１３の一
端１３ａからは、反射信号Ｓｒｉ３’が、オシロスコー
プ１５の入力端子１５ｂへ出力される。

【００８４】この結果、オシロスコープ１５には、反射
信号Ｓｒｉ３および反射信号Ｓｒｉ３’の各波形が表示
される。また、オシロスコープ１５のＣＰＵは、上述し
た動作と同様にして、障害点Ｈの位置を特定するととも
に、反射信号Ｓｒｉ３’が入力されていることから、障
害点Ｈにおいて短絡（インピーダンスの不整合）が発生
しているものと判定する。

【００８５】また、パルス信号発生器１より、ステップ
状のパルス信号Ｓｓ（図４（ｄ）参照）が導電性線材１
２の一端１２ａへプローブを介して出力されると、パル
ス信号Ｓｓの一部は、障害点Ｈにより反射される。これ
により、入力端子１５ａおよび入力端子１５ｂには、反
射信号Ｓｒｓ３および反射信号Ｓｒｓ３’が各々入力さ
れ、オシロスコープ１５には、上記反射信号Ｓｒｓ３お
よび反射信号Ｓｒｓ３’の各波形が表示される。

【００８６】次いで、ＣＰＵは、反射信号Ｓｒｓ３より
得られる電圧Ｅｉおよび電圧Ｅｒ（図４（ｅ）参照）お
よび（２）式に基づいて、前述した手順により反射係数
ρを求めるとともに、障害点Ｈの位置を特定する。ここ
で、今の場合、障害点Ｈにおいて短絡（インピーダンス
の不整合）が発生しているため、上記電圧Ｅｒの符号
は、マイナスである。従って、反射係数ρは、−１であ
る。

【００８７】さらに、以上説明したような、パルス信号
ＳｉおよびＳｓによる障害点１２ｂの位置の特定、また
は、障害点１２ｂにおけるひび割れ状況の把握を行うに
際して、導体４は、導電性線材１２，１３のインピーダ
ンスの変化を増幅させるように作用することから、例え
ば、導電性線材１２，１３に直接損傷が生じなくとも、
導電性線材１２，１３近傍にひび割れ等が生じれば、こ
れが導電性線材１２および１３におけるインピーダンス
の不整合として観測されることとなり、これにより、ひ
び割れ等の観測範囲の広域化が図れられることとなる。
また、微小なひび割れ等によっても、導電性線材１２お
よび１３におけるインピーダンスの不整合が観測されや
すくなることから、モニタリングの精度の向上を図るこ
とができる。

【００８８】さらに、導電性線材１２，１３に沿って導
体４を配置することにより、導体４を配置しない場合に
比べて、導電性線材１２，１３間のインピーダンスに対
するコンクリートの影響を相対的に減少させることがで
きる。したがって、基礎杭１０を構成するコンクリート
中の水分量の違いにより導電性線材１２，１３間におい
て測定されるインピーダンスが受ける影響を低減するこ
とができる。また、導体４により、基礎杭１０中に配置
された鉄筋等から導電性線材１２，１３間のインピーダ
ンスが受ける影響を相対的に減少させることができ、よ
り精度の高いモニタリングが可能となる。

【００８９】また、このような、パルス信号Ｓｉおよび
Ｓｓによる障害点１２ｂの位置の特定、または、障害点
１２ｂにおけるひび割れ状況の把握に加えて、テスタ７
において観測される導体４の抵抗値の変化を参照して、
測定精度を向上させることができる。すなわち、導体４
に圧縮荷重、引張荷重が作用した際の抵抗値の変化をあ
らかじめ調べておき、実際にテスタ７において導体４の
抵抗値の変化が観測された際には、これを参照して導体
４に引張あるいは圧縮荷重のいずれかが作用しているか
を判断することができ、これにより、例えば、導電性線
材１２における障害点１２ｂが、引張あるいは圧縮によ
って生じたものであるか等を判断することもできる。

【００９０】以上図面を参照して本発明の第一の実施の
形態における構造部材の健全性モニタリングセンサーＭ
₁について詳述してきたが、本発明は、この実施の形態
に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない
範囲で、設計の一部等について、他の構成を採用するよ
うにしてもよい。

【００９１】例えば、上述した構造部材の健全性モニタ
リングセンサーＭ₁においては、導電性線材１２および
１３の形状は、図５（ａ）に示すように互いに平行に所
定の間隔をおいて配置された構成とされていたが、これ
らを（ｂ）に示すように、より線としたものを用いるよ
うにしてもよい。また、上述の構造部材の健全性モニタ
リングセンサーＭ₁においては、図６（ａ）に示すよう
に、導電性線材１２，１３が導体４の表面に沿って配置
された構成とされていたが、その代わりに、例えば、導
電性線材１２，１３を同軸ケーブル状に配置する、さら
には、図６（ｂ）に示すように、これら導電性線材１
２，１３および導体４を同軸ケーブル状に形成すること
により、導体４の内部に導電性線材１２，１３が配置さ
れるような構成としてもよい。また、それとは逆に、図
６（ｃ）に示すように、導体４の外部に対して導電性線
材１２，１３が巻き付くような構成とするようにしても
よい。さらに、導電性線材１２，１３を一つの組とし
て、導体４の断面が比較的大きいときには、これら導電
性線材１２，１３を複数組配置するようにしてもよい。

【００９２】さらに、導電性線材１２および１３として
は、次に列挙するものを用いてもよい。 （ａ） より線あるいは極細線の集合体を中心導体とし
た単線状のもので、絶縁性の高いプラスチックス（誘電
体材料）により被覆されたもの。例えば、絶縁された銅
などの導電性を有する金属のより線の外周縁部を絶縁し
たものなど。

【００９３】（ｂ） 絶縁性の高いプラスチックス（誘
電体材料）により被覆された口径０．２mm以下の単線、
例えば、径がおおむね0.05〜0.1mmで、かつ、ポリエチ
レンやウレタン等で被覆された銅の金属細線など。

【００９４】（ｃ） 絶縁性の高いプラスチックス（誘
電体材料）により被覆された幅が狭く、長手方向に延伸
した（帯状の）箔材。例えば、絶縁された銅などの導電
性を有する金属の箔。

【００９５】また、導体４としては、次に列挙するもの
を用いることができる。 （ｄ） 炭素の長繊維を束ねたもの（炭素繊維束）。ま
た、炭素繊維束を中心導体として絶縁性の高いプラスチ
ックス（誘電体材料）で被覆したもの。 （ｅ） 炭素繊維（ＣＦ）の補強材とエポキシ樹脂とか
らなる強化プラスチックス（ＲＰ）のうち、引き抜き成
形方法でロッド状に加工したもの（ＣＦＲＰ）。 （ｆ） 炭素繊維（ＣＦ）とガラス繊維（ＧＦ）とがそ
れぞれ束ねられてなる繊維束の補強材と、エポキシ、ビ
ニルエステルなどの樹脂とからなる強化プラスチックス
（ＲＰ）の成形体（ＣＦＧＦＲＰ）。 （ｇ） 導電性粉末を分散、硬化させることにより得ら
れる導電性の高いプラスチックスの形成体。ここで、導
電性粉末としては、例えば、炭素（カーボンブラックや
黒鉛の）粉末や、炭化チタンや窒化チタン等のセラミッ
ク粉末が用いられる。 （ｈ） 導電性粉末を分散、硬化させることにより得ら
れる導電性の高いモルタルの形成体。ここで、導電性粉
末としては、（ｇ）と同様とする。

【００９６】さらに、上記実施の形態において、導電性
線材１２，１３のいずれか一方と導体４との間におい
て、短絡が生じているか否かの測定を行うようにしても
よい。これにより、モニタリングの精度をより向上させ
ることが可能である。

【００９７】［第二の実施の形態］図７に示すものは、
本発明の第二の実施の形態における構造部材の健全性モ
ニタリングセンサーＭ₂の概要を示す図である。なお、
この図において、図３において示したものと同様の構成
については、同一の符号を付すこととし、その説明を省
略する。

【００９８】この実施の形態においては、図３における
導電性線材１２，１３の代わりに、導電性線材１８が設
けられている。導電性線材１８は、図中に示すように、
その中央部が折り曲げられた略Ｕ字状に形成されてお
り、その一端１８ａおよび他端１８ｂが基礎杭１０の杭
頭１０ａ側に配置されるとともに、中央部が杭先端部１
０ｂに至るように配置されている。また、導体４は、帯
状に形成されて導電性線材１８に沿うように設けられ、
なおかつ、基礎杭１０の杭頭１０ａから杭先端部１０ｂ
までに至るように配置されている。また、導電性線材１
８は、その一端１８ａがプローブを介して信号発生器１
およびオシロスコープ１５の入力端子１５ａに接続され
ており、他端１８ｂは、オシロスコープ１５の入力端子
１５ｂに接続されている。

【００９９】上記構成において、今、基礎杭１０（導電
性線材１８）に損傷等が発生していないものとする。こ
の状態において、信号発生器１よりパルス信号Ｓｉまた
はパルス信号Ｓｓが出力されると、該パルス信号Ｓｉま
たはパルス信号Ｓｓは、導電性線材１８を伝搬した後、
オシロスコープ１５の入力端子１５ｂに入力される。一
方、入力端子１５ａにも、パルス信号Ｓｉまたはパルス
信号Ｓｓが入力される。

【０１００】これにより、オシロスコープ１５には、同
一波形たるパルス信号Ｓｉまたはパルス信号Ｓｓが２現
象分表示される。この結果、ＣＰＵは、同一波形がわず
かな時間遅れをもってオシロスコープ１５に表示されて
いるため、基礎杭１０（導電性線材１８）に損傷等が発
生していないものと判定する。

【０１０１】一方、今、導電性線材１８において、基礎
杭１０の損傷により障害点１８ｃが存在しているものと
する。この状態において、信号発生器１よりパルス信号
Ｓｉまたはパルス信号Ｓｓが出力されると、該パルス信
号Ｓｉまたはパルス信号Ｓｓは、導電性線材１８の一端
１８ａから他端１８ｂへ向けて伝搬する。そして、パル
ス信号Ｓｉまたはパルス信号Ｓｓの一部は、障害点１８
ｃにより、反射信号Ｓｒｉ１または反射信号Ｓｒｓ１と
してオシロスコープ１５の入力端子１５ａに入力され
る。

【０１０２】他方、パルス信号Ｓｉまたはパルス信号Ｓ
ｓの残りは、導電性線材１８の障害点１８ｃを透過し
て、透過信号Ｓｔｉ１または透過信号Ｓｔｓ１として、
他端１８ｂを介してオシロスコープ１５の入力端子１５
ｂに入力される。

【０１０３】この結果、オシロスコープ１５には、反射
信号Ｓｒｉ１または反射信号Ｓｒｓ１、および透過信号
Ｓｔｉ１または透過信号Ｓｔｓ１の各波形が表示され
る。これにより、ＣＰＵは、反射信号Ｓｒｉ１（または
反射信号Ｓｒｓ１）と透過信号Ｓｔｉ１（または透過信
号Ｓｔｓ１）とのレベル比より、障害点１８ｃ（基礎杭
１０）の状態を判定する。

【０１０４】すなわち、ＣＰＵは、透過信号Ｓｔｉ１
（または透過信号Ｓｔｓ１）がゼロである場合、障害点
１８ｃが完全に断線しているものと判定する。一方、Ｃ
ＰＵは、反射信号Ｓｒｉ１（または反射信号Ｓｒｓ１）
のレベルが、透過信号Ｓｔｉ１（または透過信号Ｓｔｓ
１）のレベルより大きい場合、障害点１８ｃの損傷等が
大きいものと判定し、また、この逆の場合、障害点１８
ｃの損傷が小さいものと判定する。

【０１０５】さらに、この際、導電性線材１８に沿って
導体４が配置されるために、パルス信号ＳｉおよびＳｓ
による障害点１８ｃの位置の特定、または、障害点１８
ｃにおけるひび割れ状況の把握を行うに際して、導体４
により上記第一の実施の形態と同様の作用・効果が得ら
れることとなり、これにより、精度の高いモニタリング
が可能となる。

【０１０６】また、それに加えて、テスタ７において観
測される導体４の抵抗値の変化により、導体４に引張あ
るいは圧縮荷重のいずれかが作用しているかを判断する
こととすれば、より精度の高い計測が可能となる。

【０１０７】なお、この第二の実施の形態における導電
性線材１８および導体４としては、上記第一の実施の形
態において（ａ）ないし（ｃ）項および（ｄ）ないし
（ｈ）項に示したものと同様のものを用いることができ
る。また、この第二の実施の形態において、導電性線材
１８には、図５（ｃ）に示すような形状のものが用いら
れているが、その代わりに、（ｄ）に示すような、より
線状のものを用いるようにしても構わない。さらに、こ
の第二の実施の形態においては、図６（ａ）に示すよう
に、導電性線材１８が導体４の表面に沿って配置された
構成とされていたが、その代わりに、例えば、図６
（ｂ）に示すように、これら導電性線材１８および導体
４を同軸ケーブル状に形成することにより、導体４の内
部に導電性線材１８が配置される構成としてもよい。ま
た、それとは逆に、図６（ｃ）に示すように、導体４に
対して導電性線材１８が巻き付くような構成とするよう
にしてもよい。さらに、導電性線材１８に比較して導体
４の断面が大きいときには、これら導電性線材１８を複
数配置するようにしてもよい。

【０１０８】また、この第二の実施の形態において、導
電性線材１８と導体４との間において短絡が生じている
か否かの測定を、第一の実施の形態において示した方法
と同様の手順で行うようにしてもよい。これにより、モ
ニタリングの精度をさらに向上させることが可能であ
る。

【０１０９】以上説明したように、上述した第一および
第二の実施の形態による構造部材の健全性モニタリング
センサーＭ₁，Ｍ₂においては、基礎杭１０が弾性ひずみ
をわずかに上回る範囲内で引張荷重等を受けた後、元の
状態に戻ったとしても、上記のひずみを受けた時点で導
電性線材１２，１３または１８の炭素繊維束の一部に破
断が生じる。従って、第一および第二の実施の形態によ
る構造部材の健全性モニタリングセンサーＭ₁，Ｍ₂によ
れば、上述のような場合であっても、過去の基礎杭に対
して引張荷重等が加えられたか否かを判定することがで
きる。言い換えれば、第一および第二の実施の形態によ
る構造部材の健全性モニタリングセンサーＭ₁，Ｍ₂によ
れば、基礎杭１０の損傷状況を連続的にモニタリングす
ることができるという効果を得ることができる。また、
これら第一および第二の実施の形態による構造部材の健
全性モニタリングセンサーＭ₁，Ｍ₂によれば、従来の光
ファイバに代えて、導電性線材１２，１３または１８を
用いているため、基礎杭１０がコンクリートである場合
にも耐久性を有するものとなる。また、これら第一およ
び第二の実施の形態による構造部材の健全性モニタリン
グセンサーＭ₁，Ｍ₂によれば、従来のもののように、導
電性線材の中間点に複数の端子を設けることなく、低コ
ストでかつ簡易な構成により基礎杭１０の損傷箇所を特
定することができる。

【０１１０】以上は、ＴＤＲ測定方法を応用した場合の
構造部材の健全性モニタリングセンサーの概要であった
が、次に、ＶＮＡ（Vector Network Analyser）測定方
法の原理を応用して構造部材の健全性のモニタリングを
行う場合の例を、第三ないし第五の実施の形態として説
明する。

【０１１１】［第三の実施の形態］次に、本発明の第三
の実施の形態による構造部材の健全性モニタリングセン
サーＭ₃の概要について図８を参照して説明する。な
お、この図において、図３の各部と同一の構成について
は、同一の符号を付しその説明を省略することとする。
図８において示す構造部材の健全性モニタリングセン
サーＭ₃においては、図３（ａ）に示す信号発生器１お
よびオシロスコープ１５に代えて、ネットワークアナラ
イザ３０、パワースプリッタ３１が設けられている。

【０１１２】図８において、ネットワークアナライザ３
０は、５Ｈｚ〜数十ＧＨｚの信号解析が可能な測定機器
であり、後述する高周波信号Ｓｈを出力するとともに、
入力される高周波信号Ｓｈ１および反射信号Ｓｒ，Ｓ
ｒ’に基づいて、導電性線材１２，１３（基礎杭４）の
状態を判定する機能等を有している。具体的には、ネッ
トワークアナライザ３０は、高周波信号Ｓｈ１および反
射信号Ｓｒ，Ｓｒ’の位相特性および周波数領域におけ
る振幅特性を求め、これらに基づいて、伝送路の損失や
信号の伝搬遅延時間等を求める等の機能を有している。

【０１１３】このネットワークアナライザ３０は、１つ
の出力端子３０ａ、３つの入力端子３０ｂ、３０ｃおよ
び３０ｄを有している。出力端子３０ａからは、高周波
信号Ｓｈが出力される。また、入力端子３０ｂには、高
周波信号Ｓｈ１および反射信号Ｓｒが入力される。さら
に、入力端子３０ｃは、導電性線材１３の一端１３ａに
対して接続されており、導電性線材１３からの反射波Ｓ
ｒ’が入力される。なお、この実施の形態において、ネ
ットワークアナライザ３０の入力端子３０ｄには、いず
れも信号も入力されない。また、ネットワークアナライ
ザ３０の動作の詳細については、後述する。

【０１１４】パワースプリッタ３１は、入力される高周
波信号Ｓｈを高周波信号Ｓｈ１と高周波信号Ｓｈ２とに
分流するものであり、分流抵抗Ｒ１およびＲ２から構成
されている。すなわち、分流抵抗Ｒ１およびＲ２の各一
端は、ネットワークアナライザ３０の出力端子３０ａに
接続されており、分流抵抗Ｒ１の他端は、ネットワーク
アナライザ３０の入力端子３０ｂに接続されている。ま
た、分流抵抗Ｒ２の他端は導電性線材１２に接続されて
いる。

【０１１５】次に、本実施の形態における構造部材の健
全性モニタリングセンサーＭ₃の動作について説明す
る。図８において、今、導電性線材１２の途中に障害点
１２ｂが存在しているものとする。この状態において、
ネットワークアナライザ３０の出力端子３０ａより高周
波信号Ｓｈが出力されると、該高周波信号Ｓｈは、パワ
ースプリッタ３１により高周波信号Ｓｈ１と高周波信号
Ｓｈ２とに分流され、このうち高周波信号Ｓｈ１は、ネ
ットワークアナライザ３０の入力端子３０ｂに入力され
る。ここで、上記高周波信号Ｓｈ２は、正弦波状のもの
である。

【０１１６】一方、高周波信号Ｓｈ２は、パワースプリ
ッタ３１の分流抵抗Ｒ２を介して、導電性線材１２の一
端１２ａへ入力される。さらに、高周波信号Ｓｈ２は、
障害点１２ｂにより反射されて、反射信号Ｓｒとして、
一端１２ａ方向へ伝搬する。そして、この反射信号Ｓｒ
は、パワースプリッタ３１を介して、ネットワークアナ
ライザ３０の入力端子３０ｂに入力される。

【０１１７】これにより、ネットワークアナライザ３０
は、高周波信号Ｓｈ２の周波数を次々と変更して入力さ
れた高周波信号Ｓｈ１および反射信号Ｓｒの周波数領域
における位相特性および振幅特性を求める。次いで、ネ
ットワークアナライザ３０は、上記位相特性および振幅
特性の各情報に対して、逆フーリエ変換を行い、図４
（ｃ）または図４（ｅ）に示す反射信号Ｓｒｉ３または
反射信号Ｓｒｓ３と同様な時間軸の波形を得る。

【０１１８】すなわち、ネットワークアナライザ３０
は、パルス状の信号を入力する代わりに、所定の周波数
領域における高周波信号Ｓｈ２を用いて、伝達経路の位
相ならびに振幅特性を求め、周波数領域の情報を時間軸
領域の情報に変換してパルス状の信号を入力したときの
波形を得るものである（パルス状の信号入力は理論的に
は全周波数領域の位相と振幅特性より求めることができ
る。ここで、このような面倒な方法によるのは伝達経路
の状態をより詳細に調べることができる等の利点がある
ためである。）。さて、これらの手順により、図４
（ｃ）に示す波形と同様のものを得た後、該波形より伝
搬遅延時間ｔｄを求める。次いで、ネットワークアナラ
イザ３０は、上記伝搬遅延時間ｔｄと前述した（１）式
とから、図８に示す導電性線材１２の一端１２ａから障
害点１２ｂまでの距離Ｌ₂を求めることにより、障害点
１２ｂの位置を特定する。

【０１１９】また、ネットワークアナライザ３０は、上
述した逆フーリエ変換を行うとき、ノイズ成分をカット
したものに対して逆フーリエ変換を行う。これにより、
逆フーリエ変換された結果は、ノイズによる影響を受け
ないものとなる。

【０１２０】なお、ネットワークアナライザ３０の分解
能は、高周波信号Ｓｈの周波数に比例して向上する。例
えば、高周波信号Ｓｈの周波数を１１０ＧＨｚとした場
合には、導電性線材１２を覆う被覆材の影響を受けて、
２．７ｍｍ（１波長）の６０％〜９０％が分解能とな
る。

【０１２１】また、この構造部材の健全性モニタリング
センサーＭ₃によれば、導電性線材１２および１３間に
短絡（インピーダンスの不整合）が発生しているか否か
を判断することも可能である。今、導電性線材１２と１
３との間に短絡（インピーダンスの不整合）が生じてお
らず、かつ導電性線材１２において基礎杭１０の損傷等
による障害点１２ｂが存在しているものとする。この状
態において、ネットワークアナライザ３０の出力端子３
０ａより高周波信号Ｓｈが出力されると、ネットワーク
アナライザ３０の入力端子３０ｂには、高周波信号Ｓｈ
１および導電性線材１２からの反射信号Ｓｒが入力さ
れ、また、入力端子３０ｃには、信号が何ら入力されな
いため、ネットワークアナライザ３０は、これに基づき
導電性線材１２および１３間に短絡が生じていないとの
判断を行うとともに、高周波信号Ｓｈ１および反射信号
Ｓｒの位相特性および振幅特性から障害点１２ｂまでの
距離を求める。

【０１２２】一方、今、基礎杭１０に多大な損傷が発生
したか、または基礎杭１０にひび割れ等が発生して、同
図に示す障害点Ｈにおいて導電性線材１２、１３との間
に短絡（インピーダンスの不整合）が生じているものと
する。この状態において、ネットワークアナライザ３０
の出力端子３０ａより高周波信号Ｓｈが出力されると、
上述した動作を経て高周波信号Ｓｈ２の一部は、障害点
Ｈにより反射され、反射信号Ｓｒとして、一端２ａへ向
けて伝搬する。これと同時に、高周波信号Ｓｈ２の残り
は、反射信号Ｓｒ’として導電性線材１３の一端１３ａ
へ向けて伝搬する。

【０１２３】これにより、導電性線材１２の一端１２ａ
からは、パワースプリッタ３１を介して反射信号Ｓｒが
ネットワークアナライザ３０の入力端子３０ｂへ出力さ
れるとともに、導電性線材１３の一端１３ａからは、ネ
ットワークアナライザ３０の入力端子３０ｃへ反射信号
Ｓｒ’が出力される。

【０１２４】このとき、ネットワークアナライザ３０
は、上述した動作と同様にして、反射信号Ｓｒおよび反
射信号Ｓｒ’の波形を得た後、該波形に基づいて、障害
点Ｈの位置を特定するとともに、反射信号Ｓｒ’が入力
されていることから、障害点Ｈにおいて短絡（インピー
ダンスの不整合）が発生しているとの判定を行う。な
お、障害点Ｈを特定する手順は、前述した第一の実施の
形態による構造部材のモニタリングセンサーＭ₁におけ
る手順と同様である。

【０１２５】さらに、このとき、導電性線材１２，１３
に沿って配置された導体４は、上述の第一の実施の形態
における導体４と同様の作用・効果を有するものとして
機能し、これにより、導体４が配置されない場合に比較
して、モニタリングの精度が向上させられることとな
る。

【０１２６】なお、この実施の形態による構造部材の健
全性モニタリングセンサーＭ₃においては、導電性線材
１２、１３として、上述の第一の実施の形態における
（ａ）ないし（ｃ）項に示すものを用いるようにしても
よい。また、導体４としては、上述の第一の実施の形態
における（ｄ）ないし（ｈ）項に示すものを用いるよう
にしてもよい。さらに、導電性線材１２、１３の形状
は、図５（ａ）または（ｂ）に示した形状のいずれであ
ってもよい。また、導電性線材１２，１３と導体４の配
置は、図６（ａ）から（ｃ）に示すもののいずれであっ
てもよい。

【０１２７】また、上述したような基礎杭１０の健全性
の判定方法に加えて、テスタ７において観測される導体
４の抵抗値の変化により、導体４に引張あるいは圧縮荷
重のいずれかが作用しているかを判断するようにしても
よく、この場合には、より精度の高い計測が可能とな
る。また、この第三の実施の形態において、導電性線材
１２、１３のいずれか一方と導体４との間において短絡
が生じているか否かの測定を、上述の導電性線材１２，
１３間において短絡が生じているかを判定する場合と同
様の手順で行うようにしてもよい。これにより、モニタ
リングの精度をさらに向上させることが可能である。

【０１２８】［第四の実施の形態］図９は、本発明の第
四の実施の形態による構造部材の健全性モニタリングセ
ンサーＭ₄の概略構成を示す図である。この図におい
て、図８の各部に対応する部分には同一の符号を付し、
その説明を省略する。図９においては、図８に示すパワ
ースプリッタ３１に代えて、方向性結合器３２が設けら
れている。

【０１２９】方向性結合器３２は、端子３２ａ、３２ｂ
および３２ｃを有しており、端子３２ａに入力される高
周波信号Ｓｈを、高周波信号Ｓｈ１と高周波信号Ｓｈ２
とに分岐するという機能を有している。すなわち、方向
性結合器３２は、高周波信号Ｓｈ１を端子３２ｃから出
力するとともに、高周波信号Ｓｈ２を端子３２ｂから出
力する。また、方向性結合器３２の端子３２ａは、ネッ
トワークアナライザ３０の出力端子３０ａに接続されて
いる。さらに、端子３２ｂは、導電性線材１２の一端１
２ａに接続されており、端子３２ｃは、ネットワークア
ナライザ３０の入力端子３０ｂに接続されている。

【０１３０】次に、この構造部材の健全性モニタリング
センサーＭ₄の動作について説明する。図９において、
今、基礎杭１０に多大なる損傷が発生したか、または基
礎杭１０にひび割れ等が発生して、同図に示す障害点Ｈ
において導電性線材１２と導電性線材１３との間に短絡
（インピーダンスの不整合）が生じているものとする。

【０１３１】この状態において、ネットワークアナライ
ザ３０の出力端子３０ａより高周波信号Ｓｈが出力され
ると、該高周波信号Ｓｈは、方向性結合器３２により高
周波信号Ｓｈ１と高周波信号Ｓｈ２とに分岐される。そ
して、高周波信号Ｓｈ１がネットワークアナライザ３０
の入力端子３０ｂに入力されるとともに、高周波信号Ｓ
ｈ２は、導電性線材１２の一端１２ａに入力された後、
導電性線材１２を伝搬する。

【０１３２】そして、高周波信号Ｓｈ２は、障害点Ｈに
おいて反射され、反射信号Ｓｒとして導電性線材１３を
伝搬した後、ネットワークアナライザ３０の入力端子３
０ｃに入力される。これにより、ネットワークアナライ
ザ３０は、上述した動作と同様にして、高周波信号Ｓｈ
１および反射信号Ｓｒの波形を得た後、該波形に基づい
て、障害点Ｈの位置を特定するとともに、反射信号Ｓｒ
が入力されていることから、障害点Ｈにおいて短絡（イ
ンピーダンスの不整合）が発生しているものと判定す
る。ここに、障害点Ｈを特定する手順は、上述の第三の
実施の形態による構造部材の健全性モニタリングセンサ
ーＭ₃における手順と同様である。

【０１３３】なお、この実施の形態による構造部材の健
全性モニタリングセンサーＭ₄においては、導電性線材
１２、１３として、上述の第一の実施の形態における
（ａ）ないし（ｃ）項に示すものを用いるようにしても
よい。また、導体４としては、上述の第一の実施の形態
における（ｄ）ないし（ｈ）に示すものを用いるように
してもよい。さらに、導電性線材１２、１３の形状は、
図５（ａ）または（ｂ）に示した形状のいずれであって
もよい。また、導電性線材１２，１３と導体４の配置
は、図６（ａ）から（ｃ）に示すもののいずれであって
もよい。

【０１３４】また、上述したような基礎杭１０の健全性
の判定方法に加えて、テスタ７において観測される導体
４の抵抗値の変化により、導体４に引張あるいは圧縮荷
重のいずれかが作用しているかを判断するようにしても
よく、この場合には、より精度の高い計測が可能とな
る。また、この第四の実施の形態において、導電性線材
１２、１３のいずれか一方と導体４との間において短絡
が生じているか否かの測定を、上述の導電性線材１２，
１３間において短絡が生じているかを判定する場合と同
様の手順で行うようにしてもよい。これにより、モニタ
リングの精度をさらに向上させることが可能である。

【０１３５】［第五の実施の形態］図１０に示すもの
は、本発明の第五の実施の形態における構造部材の健全
性モニタリングセンサーＭ₅を示すものである。この構
造部材の健全性モニタリングセンサーＭ₅においては、
先に示した第三の実施の形態の構造部材の健全性モニタ
リングセンサーＭ₃において、導電性線材１２，１３に
代えて、スイッチ３３、方向性結合器３４、方向性結合
器３５および導電性線材１８が設けられた構成とされて
いる。

【０１３６】スイッチ３３は、高周波信号Ｓｈ２を方向
性結合器３４または方向性結合器３５のいずれかへ出力
するための切り替えスイッチである。このスイッチ３３
の可動片３３ｅおよび可動片３３ｆは、図示しない制御
装置または手動によって、端子３３ｂおよび端子３３ｄ
側、または端子３３ａ側および端子３３ｃ側のいずれか
に切り換えられる。また、端子３３ｂおよび端子３３ｃ
は、パワースプリッタ３１の分流抵抗Ｒ２の他端に接続
されている。

【０１３７】方向性結合器３４は、図９に示す方向性結
合器３２と同一構成とされており、その端子３４ａが可
動片３３ｅに、その端子３４ｂが導電性線材１８の一端
１８ａに、その端子３４ｃがネットワークアナライザ３
０の入力端子３０ｃに各々接続されている。この方向性
結合器３４は、端子３４ａに入力される高周波信号Ｓｈ
２を端子３４ｂへ出力するとともに、端子３４ｂに入力
される反射信号Ｓｒ（または透過信号Ｓｔ）を端子３４
ｃへ出力するという機能を有している。

【０１３８】導電性線材１８は、図中に示すように、そ
の中央部が折り曲げられた略Ｕ字状に形成されており、
その一端１８ａおよび他端１８ｂが基礎杭１０の杭頭１
０ａ側に配置されるとともに、中央部が杭先端部１０ｂ
に至るように配置されている。また、導体４は、帯状に
形成されて導電性線材１８に沿うように設けられ、なお
かつ、基礎杭１０の杭頭１０ａから杭先端部１０ｂまで
に至るように配置されている。

【０１３９】また、方向性結合器３５は、方向性結合器
３４と同一構成とされており、その端子３５ａが可動片
３３ｆに、その端子３５ｂが導電性線材１８の他端１８
ｂに、その端子３５ｃがネットワークアナライザ３０の
入力端子３０ｄに各々接続されている。

【０１４０】上記方向性結合器３５は、端子３５ａに入
力される高周波信号Ｓｈ２を端子３５ｂへ出力するとと
もに、端子３５ｂに入力される透過信号Ｓｔ（または反
射信号Ｓｒ）を端子３５ｃへ出力するという機能を有し
ている。

【０１４１】次に、この構造部材の健全性モニタリング
センサーＭ₅の動作について説明する。図１０におい
て、今、導電性線材１８に障害点１８ｃが存在してお
り、かつスイッチ３３の可動片３３ｅおよび可動片３３
ｆが端子３３ｂ側および端子３３ｄ側に各々切り換えら
れているものとする。

【０１４２】この状態において、ネットワークアナライ
ザ３０の出力端子３０ａより高周波信号Ｓｈが出力され
ると、この高周波信号Ｓｈは、パワースプリッタ３１に
より高周波信号Ｓｈ１と高周波信号Ｓｈ２とに分流され
る。そして、高周波信号Ｓｈ１がネットワークアナライ
ザ３０の入力端子３０ｂに入力される一方、高周波信号
Ｓｈ２は、分流抵抗Ｒ２、スイッチ３３および方向性結
合器３４を介して、導電性線材１８の一端１８ａに入力
された後、導電性線材１８を伝搬する。

【０１４３】そして、高周波信号Ｓｈ２の一部は、障害
点１８ｃにより反射されて、反射信号Ｓｒとして、方向
性結合器３４を介してネットワークアナライザ３０の入
力端子３０ｃに入力される。一方、高周波信号Ｓｈ２の
残りは、障害点１８ｃを透過して透過信号Ｓｔとして方
向性結合器３５を介してネットワークアナライザ３０の
入力端子３０ｄに入力される。

【０１４４】これにより、ネットワークアナライザ３０
は、第四の実施の形態の構造部材の健全性モニタリング
センサーＭ₄の動作と同様にして、高周波信号Ｓｈ１、
反射信号Ｓｒおよび透過信号Ｓｔの各位相特性および振
幅特性を得る。次に、ネットワークアナライザ３０は、
高周波信号Ｓｈ１および反射信号Ｓｒの位相特性および
振幅特性に対して逆フーリエ変換を行い、図４（ｃ）ま
たは図４（ｅ）に示すものと同様の波形から、前述した
動作と同様にして、伝搬遅延時間ｔｄを求め、これに基
づいて、図９に示す導電性線材１８の一端１８ａから障
害点１８ｃまでの距離を求める。

【０１４５】また、ネットワークアナライザ３０は、反
射信号Ｓｒと透過信号Ｓｔとのレベル比より、障害点１
８ｃ（基礎杭１０）の状態を判定する。すなわち、ＣＰ
Ｕは、透過信号Ｓｔのレベルがゼロである場合、障害点
１８ｃが完全に断線しているものと判定する。一方、ネ
ットワークアナライザ３０は、反射信号Ｓｒのレベル
が、透過信号Ｓｔのレベルより大きい場合、障害点１８
ｃの損傷等が大きいものと判定し、他方、この逆の場
合、障害点１８ｃの損傷が小さいものと判定する。

【０１４６】また、今、スイッチ３３の可動片３３ｅお
よび可動片３３ｆが、制御装置または手動により、同図
に示す状態から、端子３３ａおよび端子３３ｃ側に切り
替えられたものとする。この状態において、ネットワー
クアナライザ３０の出力端子３０ａより高周波信号Ｓｈ
が出力されると、高周波信号Ｓｈは上述した動作と同様
にして、パワースプリッタ３１により高周波信号Ｓｈ１
と高周波信号Ｓｈ２とに分流される。そして、この高周
波信号Ｓｈ２は、分流抵抗Ｒ２、スイッチ３３および方
向性結合器３５を介して、導電性線材１８の他端１８ｂ
に入力された後、導電性線材１８を伝搬する。

【０１４７】そして、高周波信号Ｓｈ２の一部は、障害
点１８ｃにより反射されて、反射信号Ｓｒとして、方向
性結合器３５を介してネットワークアナライザ３０の入
力端子３０ｄに入力される。一方、高周波信号Ｓｈ２の
残りは、障害点１８ｃを透過して透過信号Ｓｔとして方
向性結合器３４を介してネットワークアナライザ３０の
入力端子３０ｃに入力される。これにより、ネットワー
クアナライザ３０は、上述した動作と同様にして、他端
１８ｂから障害点１８ｃまでの距離を求めるとともに、
障害点１８ｃ（基礎杭１０）の状態を判定する。

【０１４８】また、この際、導電性線材１８に沿って導
体４が配置されるために、パルス信号ＳｉおよびＳｓに
よる障害点１８ｃの位置の特定、または、障害点１８ｃ
におけるひび割れ状況の把握を行うに際して、導体４に
より上記第一ないし第四のの実施の形態と同様の作用・
効果が得られることとなり、これにより、精度の高いモ
ニタリングが可能となる。

【０１４９】また、それに加えて、テスタ７において観
測される導体４の抵抗値の変化により、導体４に引張あ
るいは圧縮荷重のいずれかが作用しているかを判断する
こととすれば、より精度の高い計測が可能となる。

【０１５０】なお、この実施の形態による構造部材の健
全性モニタリングセンサーＭ₅においては、導電性線材
１８として、上述の第一の実施の形態における（ａ）な
いし（ｃ）項に示すものを用いるようにしてもよい。ま
た、導体４としては、上述の第一の実施の形態における
（ｄ）ないし（ｈ）項に示すものを用いるようにしても
よい。さらに、導電性線材１８の形状は、図５（ｃ）ま
たは（ｄ）に示した形状のいずれであってもよい。ま
た、導電性線材１８と導体４の配置は、図６（ａ）から
（ｃ）に示すもののいずれであってもよい。

【０１５１】また、上述したような基礎杭１０の健全性
の判定方法に加えて、テスタ７において観測される導体
４の抵抗値の変化により、導体４に引張あるいは圧縮荷
重のいずれかが作用しているかを判断するようにしても
よく、この場合には、より精度の高い計測が可能とな
る。

【０１５２】また、この第五の実施の形態において、導
電性線材１８と導体４との間において短絡が生じている
か否かの測定を、第一または第三の実施の形態において
導電性線材１２，１３間において短絡が生じているかを
判定する場合と同様の手順で行うようにしてもよい。こ
れにより、モニタリングの精度をさらに向上させること
が可能である。

【０１５３】以上、本発明の第一から第五の実施の形態
を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれ
ら第一から第五の実施の形態に限られるものではなく、
本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても
本発明に含まれる。

【０１５４】例えば、第一から第五の実施の形態におい
ては、基礎杭１０に対してモニタリングを行う例につい
て説明したが、これに限定されることなく、モニタリン
グの対象は、他の構造物あるいは構造部材であってもよ
い。これらのうち、構造物については、ＲＣ造、ＳＲＣ
造等を含めたコンクリート構造物の全てに適用可能であ
り、また、部材については、柱、梁、壁、スラブ等の
版、階段、杭などの基礎等、構造物の種々の部材や部位
に対して適用可能である。

【０１５５】また、導線１２，１３，１８や導体４は、
必ずしも構造部材中に埋設されている必要はなく、構造
部材の表面に添付されたものであっても構わない。この
場合には、必要に応じて、樹脂や塗料を塗布するかある
いはプラスチックス等のシートを貼り付けるなどして、
センサを保護する。このような使用方法は、炭素繊維シ
ートによる既存構造物および構造部材の耐震補強が広く
行われるようになってきたので、その性能保証や性能確
認のためのモニタリング法として、非常に有効である。

【０１５６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
構造部材が弾性ひずみの範囲内で引張荷重等を受けた
後、元の状態に戻ったとしても、上記弾性ひずみを受け
た時点で導線の繊維束の一部に破断が生じる。従って、
本発明によれば、このような場合に、過去の構造部材に
対して引張荷重等が加えられたということを判定するこ
とができるという効果が得られる。言い換えれば、本発
明によれば、構造部材の損傷状況を連続的にモニタリン
グ可能であるという効果が得られることとなる。また、
本発明によれば、センサとして従来の光ファイバに代え
て、導線を用いているため、構造部材がコンクリートか
らなるものであっても、耐久性が高い。また、本発明に
よれば、従来のもののように、導電性線材の中間点に複
数の端子を設けることなく、低コストでかつ簡易な構成
により構造部材の損傷箇所を特定することができる。そ
して、本発明においては、導線に沿って導体が配置され
るために、導線の伝達特性の把握が容易となるととも
に、導線に対する外部からの電気的な影響等を低減する
ことができ、精度の高いモニタリングが可能となる。さ
らに、請求項４から６に記載の発明によれば、高周波信
号を用いているため、この高周波信号の周波数に比例し
てモニタリングの分解能を向上させることができるとい
う効果が得られる。また、請求項７に記載の発明によれ
ば、導線による計測に加えて、導体自体の電気抵抗を測
定することで、より一層精度の高いモニタリングを実現
することができる。さらに、請求項８に記載の発明によ
れば、構造部材が損傷してひび割れ等が発生した場合
に、導体が、導線よりも先行して損傷し、これに伴い導
線周囲のインピーダンスに変化を及ぼすこととなる。こ
れにより、単に導線のみが構造部材中に配設されている
場合と異なり、導線の電気的特性に何ら変化を与えない
程度の微小なひび割れ等を、良好に検出することがで
き、精度の高いモニタリングが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の構造部材の健全性モニタリングセン
サーの基本的な構成を模式的に示す図である。

【図２】 図１に示す構造部材の健全性モニタリングセ
ンサーの動作を説明する図である。

【図３】 本発明の第一の実施の形態による構造部材の
健全性モニタリングセンサーの具体的構成を示す図であ
る。

【図４】 図３に示す構造部材の健全性モニタリングセ
ンサーの動作を説明する図である。

【図５】 本発明の第一ないし第五の構造部材の健全性
モニタリングセンサーにおいて用いられる導電性線材の
形状の例を示すための図である。

【図６】 本発明の第一ないし第五の構造部材の健全性
モニタリングセンサーにおいて用いられる導電性線材お
よび導体の配置例を示すための図である。

【図７】 本発明の第二の実施の形態による構造部材の
健全性モニタリングセンサーの具体的構成を示す図であ
る。

【図８】 本発明の第三の実施の形態による構造部材の
健全性モニタリングセンサーの具体的構成を示す図であ
る。

【図９】 本発明の第四の実施の形態による構造部材の
健全性モニタリングセンサーの具体的構成を示す図であ
る。

【図１０】 本発明の第五の実施の形態による構造部材
の健全性モニタリングセンサーの具体的構成を示す図で
ある。

【図１１】 本発明における課題を解決するための手段
を示すための図であって、（ａ）は、導線とこれに沿っ
て配設された導体とが埋設された構造部材を示す断面
図、（ｂ）は、導線のみが埋設された構造部材を示す断
面図である。

【図１２】 本発明における課題を解決するための手段
を示すための図であって、（ａ）、（ｂ）は、それぞ
れ、図１１（ａ）、（ｂ）に示した導線の周囲において
ひび割れ近傍の電気的特性が何によって規定されている
かを示した図である。

【符号の説明】

Ｍ，Ｍ₁，Ｍ₂，Ｍ₃，Ｍ₄，Ｍ₅ 構造部材の健全性モニ
タリングセンサー １ パルス信号発生器 Ｓｉ，Ｓｓ パルス信号 Ｓｒｉ３，Ｓｒｓ３ Ｓｒｉ３’，Ｓｒｓ３’Ｓｒ，Ｓ
ｒ’反射信号 ２，１２，１３，１８ 導電性線材 ２ａ，１２ａ，１３ａ，１８ａ 一端 ２ｃ，１２ｃ，１３ｂ，１８ｂ 他端 １２ｂ，１８ｃ 障害点 ４ 導体 ７ テスタ ３，１５ オシロスコープ Ｓｔｉ１，Ｓｔｓ１，Ｓｔ 透過信号 １０ 基礎杭（構造部材） ３０ ネットワークアナライザ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石井 清 東京都港区芝浦一丁目２番３号 清水建設 株式会社内 (72)発明者 稲田 裕 東京都港区芝浦一丁目２番３号 清水建設 株式会社内 (72)発明者 杉田 稔 東京都港区芝浦一丁目２番３号 清水建設 株式会社内 Ｆターム(参考） 2F063 AA01 AA30 BA14 BD07 CA13 DA02 DA05 DD08 FA00 FA14 FA18 FA20 PA01

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 構造部材の内部または表面に対して配設
   された導電性を有する導線と、 該導線に沿って近接配置された導電性を有する導体と、 前記導線の一端へパルス信号を供給するパルス信号供給
   手段と、 前記パルス信号および前記導線の一端より出力される反
   射信号に基づいて、前記構造部材の損傷位置を特定する
   とともに、前記構造部材の損傷状態を判定する判定手段
   とを備えて構成されていることを特徴とする構造部材の
   健全性モニタリングセンサー。
2. 【請求項２】 請求項１記載の構造部材の健全性モニタ
   リングセンサーであって、 前記構造部材には、少なくとも一対の前記導線が、同方
   向に延在するように、なおかつ、互いに近接するように
   配置され、 前記パルス信号供給手段は、前記一対の導線の少なくと
   も一方に対して、その端部より前記パルス信号を供給す
   る構成とされ、 前記判定手段は、前記パルス信号、前記導線の一方の端
   部より出力される第一の反射信号、および、前記導線の
   他方の端部より出力される第二の反射信号に基づいて、
   前記構造部材の損傷位置を特定するとともに、前記構造
   部材の損傷状態を判定する構成とされていることを特徴
   とする構造部材の健全性モニタリングセンサー。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の構造部材の健全
   性モニタリングセンサーであって、 前記判定手段は、前記パルス信号、前記導線の一端より
   出力される反射信号、および前記導線の他端より出力さ
   れる透過信号に基づいて、前記構造部材の損傷位置を特
   定する構成とされていることを特徴とする構造部材の健
   全性モニタリングセンサー。
4. 【請求項４】 構造部材の内部または表面に配設された
   導電性を有する導線と、 該導線に沿って近接配置された導電性を有する導体と、 該導線の一端へ高周波信号を入力する高周波信号供給手
   段と、 該高周波信号供給手段、および該導線の一端より出力さ
   れる反射信号に基づいて、前記構造部材の損傷位置を特
   定するとともに、前記構造部材の損傷状態を判定する判
   定手段とを備えて構成されていることを特徴とする構造
   部材の健全性モニタリングセンサー。
5. 【請求項５】 請求項４記載の構造部材の健全性モニタ
   リングセンサーであって、 前記構造部材には、少なくとも一対の前記導線が、同方
   向に延在するように、なおかつ、互いに近接するように
   配置され、 前記高周波信号供給手段は、前記一対の導線の少なくと
   も一方に対して、その端部より前記高周波信号を供給す
   る構成とされ、 前記判定手段は、前記高周波信号、前記導線の一方の端
   部より出力される第一の反射信号、および、前記導線の
   他方の端部より出力される第二の反射信号に基づいて、
   前記構造部材の損傷位置を特定するとともに、前記構造
   部材の損傷状態を判定する構成とされていることを特徴
   とする構造部材の健全性モニタリングセンサー。
6. 【請求項６】 請求項４または５記載の構造部材の健全
   性モニタリングセンサーであって、 前記判定手段は、前記高周波信号、前記導線の一端より
   出力される反射信号、および前記導線の他端より出力さ
   れる透過信号に基づいて、前記構造部材の損傷位置を特
   定する構成とされていることを特徴とする構造部材の健
   全性モニタリングセンサー。
7. 【請求項７】 請求項１から６のいずれかに記載の構造
   部材の健全性モニタリングセンサーであって、 前記導体には、少なくとも二以上の端子が接続され、 該端子には、これら端子間の抵抗値を測定する抵抗測定
   手段が接続されていることを特徴とする構造部材の健全
   性モニタリングセンサー。
8. 【請求項８】 請求項１から７のいずれかに記載の構造
   部材の健全性モニタリングセンサーであって、 前記導体の破断伸びは、前記導線の破断伸びよりも小と
   されていることを特徴とする構造部材の健全性モニタリ
   ングセンサー。