JP2006029931A - Construction structure defect sensor - Google Patents

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JP2006029931A JP2004207998A JP2004207998A JP2006029931A JP 2006029931 A JP2006029931 A JP 2006029931A JP 2004207998 A JP2004207998 A JP 2004207998A JP 2004207998 A JP2004207998 A JP 2004207998A JP 2006029931 A JP2006029931 A JP 2006029931A
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Hiroyuki Ota
裕之 太田
Takashi Sumikawa
貴志 澄川
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Hitachi Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To easily sense defect position and defect degree after disaster such as an earthquake, in structure such as concrete. <P>SOLUTION: In concrete constituting a structure, a device having at least strain sensor, amplifier circuit, analog/digital converter, rectifier/detection/modulation/demodulation circuits, and communication controller is embedded or contacted in constitution. An electronic circuit of the device is operated by energy of electromagnetic wave emitted from external leaders to measure the strain and transmit the results to the leader with electromagnetic wave. By this manner, strain measurement can be conducted with non-contact without wiring and so the degree of defects can be grasped without largely affecting the design and construction of the structure. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、構造物の損傷の程度や位置を検知する検査システムに関する。
The present invention relates to an inspection system that detects the degree and position of damage to a structure.

建築や土木の分野においては、建築構造物に関して、地震等の災害後、あるいは老朽化にともなう損傷をモニタリングしようとする技術の開発が行われている。最も注目されているのが光ファイバーを用いたひずみのモニタリングである。この技術は、構造物の部材に光ファイバーを取り付け、光を透過させて、その光の微小な行路差を測定することで、
部材のひずみを測定する方法である。この方法では、行路差の変化を測定する装置が大掛かりで高価な物となり、多点、大面積の測定はコスト上、無理があった。また、その測定原理から結線式が必須であるので、ビル等の建造物の場合、見かけが悪くなる問題があった。またそれを回避しようとすると、そのために設計や施工を工夫する必要があった。また、構造部材には見かけの問題から内装や外壁材設置、塗装等を施される場合も多く、ひずみ測定の際には内装を外して、測定後に修復する必要も生じ、その実施上の大きな制約となっていた。
In the field of architecture and civil engineering, development of techniques for monitoring damages to building structures after disasters such as earthquakes or with aging has been carried out. Most noticeable is strain monitoring using optical fibers. This technology attaches an optical fiber to a member of a structure, transmits light, and measures a minute path difference of the light,
This is a method for measuring the strain of a member. In this method, the apparatus for measuring the change in the path difference is large and expensive, and it is difficult to measure multipoints and large areas because of cost. In addition, since the connection type is indispensable from the measurement principle, there is a problem that the appearance is deteriorated in the case of a building such as a building. In order to avoid it, it was necessary to devise design and construction for that purpose. In addition, structural members are often subjected to interior and exterior wall installation, painting, etc. due to apparent problems. When measuring strain, it is necessary to remove the interior and repair it after measurement. It was a restriction.

よって本発明は、前記課題の何れかを抑制することができる損傷検知装置を提供する。
Therefore, this invention provides the damage detection apparatus which can suppress either of the said subjects.

上記の課題を解決するために、例えば、電磁波の搬送波で送信される信号の変復調およびDC電源の生成を行うためのRFアナログ回路、チップ動作制御を行う論理回路、ひずみセンサ信号の増幅回路、ひずみセンサ回路、から構成される装置を、構造物内部もしくは表面に配する。   In order to solve the above problems, for example, an RF analog circuit for modulating / demodulating a signal transmitted by a carrier wave of electromagnetic waves and generating a DC power source, a logic circuit for controlling chip operation, an amplifier circuit for a strain sensor signal, a distortion A device composed of a sensor circuit is arranged inside or on the surface of the structure.

また、具体的には、以下の形態を備えることが好ましい。
(1)建築物構造物の内部もしくは表面に設置可能に形成され、基板と、前記基板の上に形成されたひずみ測定機能を持つ電子回路とを備え、
前記電子回路は前記電子回路外より照射された電磁波エネルギから電源を生成する電源回路を有することを特徴とする建築構造物の損傷検知装置である。
Specifically, it is preferable to have the following configuration.
(1) It is formed so that it can be installed inside or on the surface of a building structure, and includes a substrate and an electronic circuit having a strain measuring function formed on the substrate,
The electronic circuit has a power supply circuit that generates a power supply from electromagnetic energy irradiated from outside the electronic circuit.

例えば、建築物の構造材料にひずみ測定機能を持つ電子回路が設置してあり、該電子回路の一部に、外部から受けた電磁波エネルギからDC電源を生成する回路を含むことを特徴とする建築構造物の損傷検査装置である。一例としては、このRF給電で動くセンサはシリコン基板の上に形成されている形態である。
(2)建築物構造物の内部もしくは表面に設置可能に形成され、基板と、前記基板の上に形成されたひずみ測定機能を持つ電子回路とを備え、
前記電子回路は電磁波信号の変復調およびDC電源の生成を行うためのRFアナログ回路、チップ動作制御を行う論理回路、ひずみを測定するひずみセンサ回路、前記ひずみセンサ信号の増幅回路、を含むことを特徴とする構造物の損傷検知装置である。
(3)建築物構造物の内部もしくは表面に設置可能に形成され、基板と、前記基板の上に形成されたひずみセンサ回路と、前記基板外より照射された電磁波エネルギから電源を生成する電源回路と、を備えた電子回路とを有する建築構造物の損傷検知装置で測定したひずみ測定値に基く情報を無線で受信する受信部と、前記受信した情報を記録する記録部とを備えたことを特徴とする損傷検知リーダ。
(4)前記のいずれかにおいて、建築構造物と建築物の内装や外装や塗装との間に該電子回路が配置可能に形成されたことを特徴とする構造物の損傷検知装置である。
(5)前記のいずれかにおいて、前記基板はシリコン基板であり、前記回路は一つの前記基板上に形成されたことを特徴とする構造物の損傷検知装置である。
(6)前記のいずれかにおいて、前記電子回路に連絡するアンテナを備え、前記電子回路は一つの前記基板上に形成され、前記アンテナは前記基板の外に配置する領域を有することを特徴とする構造物の損傷検知装置である。
(7)前記のいずれかにおいて、前記基板は単結晶シリコン基板であり、前記基板が前記建築物構造材料の内部もしくは表面に配置可能に形成されたことを特徴とする構造物の損傷検知装置である。又、例えばそのシリコン基板表面に不純物拡散層を備えたひずみ測定回路が形成される。
(8)単結晶半導体基板の一主面上に、ひずみセンサ抵抗とダミー抵抗を構成する複数の抵抗層を備えたホイートストンブリッジ回路を備え、前記ひずみセンサ抵抗は前記半導体基板中形成されたP型の不純物拡散層であり、その長手方向は<110>方向と直交する方向より<110>方向に沿った方向に配置され、前記ダミー抵抗は前記半導体基板中に形成されたP型の不純物拡散層であり、その長手方向は<100>方向と直交する方向より<100>方向に沿った方向に配置されたことを特徴とする構造物の損傷検知装置である。
For example, an electronic circuit having a strain measurement function is installed in a structural material of a building, and a part of the electronic circuit includes a circuit that generates a DC power source from electromagnetic energy received from the outside. This is a structural damage inspection apparatus. As an example, the sensor that is moved by the RF power feeding is formed on a silicon substrate.
(2) It is formed so as to be installed inside or on the surface of a building structure, and includes a substrate, and an electronic circuit having a strain measuring function formed on the substrate,
The electronic circuit includes an RF analog circuit for modulating / demodulating an electromagnetic wave signal and generating a DC power source, a logic circuit for controlling chip operation, a strain sensor circuit for measuring strain, and an amplifier circuit for the strain sensor signal. This is a damage detection device for a structure.
(3) A power supply circuit which is formed so as to be installed inside or on the surface of a building structure, and generates a power source from a substrate, a strain sensor circuit formed on the substrate, and electromagnetic wave energy irradiated from outside the substrate. And a receiving unit that wirelessly receives information based on a strain measurement value measured by a damage detection apparatus for a building structure having an electronic circuit, and a recording unit that records the received information. Characteristic damage detection reader.
(4) In any one of the above, the structure damage detection device is characterized in that the electronic circuit is formed so as to be arranged between the building structure and the interior, exterior, or paint of the building.
(5) In any one of the above, the damage detection apparatus for a structure is characterized in that the substrate is a silicon substrate and the circuit is formed on one substrate.
(6) In any one of the above, the antenna includes an antenna that communicates with the electronic circuit, the electronic circuit is formed on one of the substrates, and the antenna has a region disposed outside the substrate. This is a structural damage detection device.
(7) In any one of the above, the substrate is a single crystal silicon substrate, and the substrate is formed so as to be disposed inside or on the surface of the building structure material. is there. Further, for example, a strain measurement circuit having an impurity diffusion layer on the surface of the silicon substrate is formed.
(8) A Wheatstone bridge circuit including a plurality of resistance layers constituting a strain sensor resistor and a dummy resistor is provided on one main surface of the single crystal semiconductor substrate, and the strain sensor resistor is a P-type formed in the semiconductor substrate. The impurity diffusion layer is arranged in a direction along the <110> direction from the direction orthogonal to the <110> direction, and the dummy resistor is a P-type impurity diffusion layer formed in the semiconductor substrate. The longitudinal direction of the structure is arranged in the direction along the <100> direction from the direction orthogonal to the <100> direction.

または、シリコン基板上にホイートストンブリッジを形成したひずみセンサを建築構造材に接触もしくは埋め込むように形成されている。   Alternatively, a strain sensor having a Wheatstone bridge formed on a silicon substrate is formed so as to be in contact with or embedded in a building structure material.

また、ホイートストンブリッジ回路からの信号に基いてデジタル信号に変換する変換回路と、該デジタル信号を前記半導体基板の外部に伝送する伝送回路と、電源回路と、を備える。
(9)単結晶半導体基板の一主面上に、ひずみセンサ抵抗とダミー抵抗を構成する複数の抵抗層を備えたホイートストンブリッジ回路を備え、前記ひずみセンサ抵抗は前記半導体基板中形成されたN型の不純物拡散層であり、その長手方向は<100>方向直交する方向より<100>方向に沿った方向に配置され、前記ダミー抵抗は前記半導体基板中に形成されたP型の不純物拡散層であり、その長手方向は<110>方向と直交する方向より<110>方向に沿った方向に配置されたことを特徴とする構造物の損傷検知装置である。
(10)前記いずれかにおいて、前記電子回路に連絡するアンテナを備え、前記アンテナの被測定物側に前記非測定対象物より高透磁性の部材が配置されたことを特徴とする構造物の損傷検知装置である。
(11)前記いずれかにおいて、前記電子回路に固有のID番号を有することを特徴とする構造物の損傷検知装置である。
(12)前記いずれかにおいて、前記電子回路は、温度測定回路を備えることを特徴とする構造物の損傷検知装置である。
(13)前記いずれかにおいて、前記電子回路を駆動する振動発電、太陽光発電、温度差発電、バッテリのいずれかの発電装置を設けたことを特徴とする構造物の損傷検知装置である。例えば、センシングは自己発電の電力を使い、送信をRFの電力で行うようにすることが好ましい。
In addition, a conversion circuit that converts a digital signal based on a signal from the Wheatstone bridge circuit, a transmission circuit that transmits the digital signal to the outside of the semiconductor substrate, and a power supply circuit are provided.
(9) A Wheatstone bridge circuit including a plurality of resistance layers constituting a strain sensor resistor and a dummy resistor is provided on one main surface of the single crystal semiconductor substrate, and the strain sensor resistor is an N-type formed in the semiconductor substrate. The longitudinal direction of the impurity diffusion layer is arranged in a direction along the <100> direction from the direction orthogonal to the <100> direction, and the dummy resistor is a P-type impurity diffusion layer formed in the semiconductor substrate. And the longitudinal direction of the structure is arranged in the direction along the <110> direction from the direction orthogonal to the <110> direction.
(10) The damage to the structure according to any one of the above, wherein the structure includes an antenna connected to the electronic circuit, and a member having higher permeability than the non-measurement object is disposed on the measurement object side of the antenna. It is a detection device.
(11) The damage detection device for a structure according to any one of the above, wherein the electronic circuit has an ID number unique to the electronic circuit.
(12) In any one of the above, the electronic circuit includes a temperature measurement circuit, and is a structural damage detection apparatus.
(13) The structure damage detection device according to any one of the above, wherein any one of vibration power generation, solar power generation, temperature difference power generation, and a battery that drives the electronic circuit is provided. For example, sensing preferably uses self-generated power, and transmission is performed with RF power.

データ送信時以外のセンサ駆動を該発電装置で行うことを特徴とする。
(14)前記いずれかにおいて、前記電子回路に、センサ校正データを内蔵できる不揮発メモリ回路が内蔵されていることを特徴とする構造物の損傷検知装置である。
The power generation device performs sensor driving other than during data transmission.
(14) In any one of the above, the electronic circuit includes a non-volatile memory circuit that can incorporate sensor calibration data.

本発明により、前記課題の何れかの解決に寄与しうる構造物の損傷検知装置を提供することができる。
According to the present invention, it is possible to provide a damage detection apparatus for a structure that can contribute to solving any of the above problems.

以下、本発明の第一の実施例を図1から図8を用いて説明する。図1には本発明の第一の実施例である測定システム1を示す。本実施例における測定システム1は、被測定物である構造部材2の表面に配される測定部3と、この測定部3へ電磁波を供給し、測定結果である電磁波を供給されるリーダー4と、リーダー4の結果を用いて損傷の程度を診断する診断部5から構成される。なお、ここで構造部材2とは建築構造物の荷重を分担して負担する部分であって、外見上の美観を保つ目的のみ設置されるものとは分けて考える。   A first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 shows a measurement system 1 according to a first embodiment of the present invention. The measurement system 1 in this embodiment includes a measurement unit 3 disposed on the surface of a structural member 2 that is an object to be measured, and a reader 4 that supplies electromagnetic waves to the measurement unit 3 and is supplied with electromagnetic waves that are measurement results. The diagnostic unit 5 diagnoses the degree of damage using the result of the reader 4. Here, the structural member 2 is a portion that shares and bears the load of the building structure, and is considered separately from the one that is installed only for the purpose of maintaining the appearance.

測定部3は、少なくとも、図2の回路ブロック構成に示すように、13.56MHz、2.45GHz、860〜960MHz等の搬送波で送信される信号の変復調およびDC電源の生成を行うRFアナログ回路部6、ひずみセンサ信号の増幅回路部7、A/D変換を行うセンサアナログ回路部8、ひずみセンサ部9、通信制御回路部10、アンテナ部11より構成される。第一の実施例では、測定部3は図3に示すようにアンテナ11を除いて全て1つのシリコン基板12の上に形成されている。このように1つのシリコン基板12上にアンテナ11を除く全ての回路が形成されることにより、数ミリ以下で測定部3が実現できるので、ごく小さいことから設置場所を選ばず測定部3を設置することができ、また建築物の美観を損なうことがないという利点がある。また簡単にチップを貼り付けるもしくは埋め込むことで測定が可能であり、測定部3を設置するための支持構造が不要となるという利点がある。また、半導体デバイスの製造プロセスで量産できることから大量に安価に生産できるという利点がある。
ひずみのアンテナ11を外付けとすると、アンテナの面積が稼げるため、その分通信距離を長くすることができるという利点がある。測定部3は、リーダー4から電磁波を供給されると、この電磁波のエネルギによって回路を動作させることができる。ひずみセンサ9で構造部材2のひずみを検知し、これを増幅回路7で増幅した後にセンサアナログ回路8でデジタルデータに変換される。さらに通信制御回路10とRFアナログ回路部6を用い、アンテナ11を通してその測定値をリーダー4に送信する。このように測定部3はリーダー4の電磁波を電源として動作することができるので、ワイヤレスで構造部材2のひずみ状態を簡単にモニターすることができる。図3ではループ型のアンテナの場合を示したが、使う周波数によっては図4のようなダイポールアンテナや八木宇田アンテナ、パッチアンテナを用いても良い。
The measurement unit 3 includes at least an RF analog circuit unit 6 that performs modulation / demodulation of a signal transmitted on a carrier wave such as 13.56 MHz, 2.45 GHz, 860 to 960 MHz, and generation of a DC power source, as shown in the circuit block configuration of FIG. It comprises a strain sensor signal amplification circuit section 7, a sensor analog circuit section 8 that performs A / D conversion, a strain sensor section 9, a communication control circuit section 10, and an antenna section 11. In the first embodiment, all of the measuring parts 3 are formed on one silicon substrate 12 except for the antenna 11 as shown in FIG. Since all the circuits except the antenna 11 are formed on one silicon substrate 12 in this way, the measurement unit 3 can be realized with a few millimeters or less, so the measurement unit 3 can be installed regardless of the installation location. It has the advantage that it can be done and does not detract from the aesthetics of the building. Further, it is possible to perform measurement by simply pasting or embedding a chip, and there is an advantage that a support structure for installing the measurement unit 3 is not required. Moreover, since it can be mass-produced by the manufacturing process of a semiconductor device, there is an advantage that it can be produced in large quantities at low cost.
If the distorted antenna 11 is externally attached, the area of the antenna can be increased, so that there is an advantage that the communication distance can be increased accordingly. When the electromagnetic wave is supplied from the reader 4, the measuring unit 3 can operate the circuit with the energy of the electromagnetic wave. The strain of the structural member 2 is detected by the strain sensor 9, amplified by the amplifier circuit 7, and then converted into digital data by the sensor analog circuit 8. Further, using the communication control circuit 10 and the RF analog circuit unit 6, the measured value is transmitted to the reader 4 through the antenna 11. As described above, since the measuring unit 3 can operate using the electromagnetic wave of the reader 4 as a power source, the strain state of the structural member 2 can be easily monitored wirelessly. Although FIG. 3 shows the case of a loop antenna, a dipole antenna, a Yagi-Uda antenna, or a patch antenna as shown in FIG. 4 may be used depending on the frequency used.

なお、図3において、素子形成面と対向するシリコン基板12の裏面、すなわち図3の表面、が構造部材2と接触させるための主な接続面21であり、構造部材2のひずみが変化するとシリコン基板12の裏面を通してひずみセンサ9にひずみが伝わり、抵抗の変化として捉えられる。   In FIG. 3, the back surface of the silicon substrate 12 facing the element formation surface, that is, the front surface of FIG. 3, is a main connection surface 21 for contacting the structural member 2, and silicon changes when the strain of the structural member 2 changes. Strain is transmitted to the strain sensor 9 through the back surface of the substrate 12, and is regarded as a change in resistance.

なお、ひずみセンサ9は感度が高いことからピエゾ抵抗効果を用いた不純物拡散層抵抗であることが望ましいが、抵抗線式のひずみゲージに相当するものでも性能は劣るが精度の不要な目的では代用することができる。また本実施例のように1チップ内にホイートストンブリッジを設けることにより、構造部材2の温度が変化した場合でも精度の良い測定が行えるという利点が生まれる。図5にはホイートストンブリッジを有する測定部3を示す。ひずみセンサ9はシリコン基板12の<110>方向を長手とするようにP型不純物拡散層が形成され、ホイートストンブリッジにおけるダミー抵抗13はシリコン基板12の<100>方向を長手とするようにP型不純物拡散層が形成されている。このようにP型不純物拡散層を<100>方向が長手となるように形成することで、ひずみに対する感度をごく低くできる。よってダミー抵抗13にひずみセンサ9と同様なひずみが与えられた場合でも、抵抗値は不変であるためにダミー抵抗として用いることができる。よって、構造部材2の温度が変化し、これに追従して測定部3の温度が変化した場合においても、ホイートストンブリッジが測定部3に内蔵できているので精度の良い測定が可能となる。また、N型不純物拡散層を用いた場合には、ひずみセンサ9はシリコン基板12の<100>方向を長手とするようにN型不純物拡散層を形成し、ホイートストンブリッジにおけるダミー抵抗13はシリコン基板12の<110>方向を長手とするようにN型不純物拡散層を形成する。なお、図5ではひずみセンサ9はシリコン基板12の端部に配置されているが、中心に配した方がより精度の高い測定が可能となる。   The strain sensor 9 is preferably an impurity diffusion layer resistor using a piezoresistive effect because of its high sensitivity. However, even if it corresponds to a resistance wire type strain gauge, the performance is inferior, but it is substituted for a purpose that does not require accuracy. can do. Further, by providing a Wheatstone bridge in one chip as in this embodiment, there is an advantage that accurate measurement can be performed even when the temperature of the structural member 2 changes. FIG. 5 shows a measuring unit 3 having a Wheatstone bridge. The strain sensor 9 is formed with a P-type impurity diffusion layer extending in the <110> direction of the silicon substrate 12, and the dummy resistor 13 in the Wheatstone bridge has a P-type extending in the <100> direction of the silicon substrate 12. An impurity diffusion layer is formed. Thus, by forming the P-type impurity diffusion layer so that the <100> direction is long, the sensitivity to strain can be extremely reduced. Therefore, even when a strain similar to that of the strain sensor 9 is applied to the dummy resistor 13, the resistance value does not change and can be used as a dummy resistor. Therefore, even when the temperature of the structural member 2 changes and the temperature of the measurement unit 3 changes following this, the Wheatstone bridge can be built in the measurement unit 3, so that accurate measurement is possible. When the N-type impurity diffusion layer is used, the strain sensor 9 forms the N-type impurity diffusion layer so that the <100> direction of the silicon substrate 12 is the longitudinal direction, and the dummy resistor 13 in the Wheatstone bridge is the silicon substrate. An N-type impurity diffusion layer is formed so that the <110> direction of 12 is the longitudinal direction. In FIG. 5, the strain sensor 9 is disposed at the end of the silicon substrate 12. However, more accurate measurement is possible when the strain sensor 9 is disposed at the center.

また、図1と図6を用いて測定部3の設置方法を説明する。図1は構造部材2の表面に測定部3を配した場合である。測定部3のシリコン基板12の裏面は構造部材2に接続されており、構造部材2がひずんだ場合にはそのひずみがシリコン基板12に伝わるため、ひずみセンサ9でそのひずみを測定することができる。ここで裏面とはシリコン基板12の素子形成面に対向する面を示すが、素子形成面を構造部材2と接続しても、素子の信頼性は若干劣るものの、同様な効果を得ることができる。図1に示す設置方法の場合には設置が容易であるという利点を有する。また、図6に示すようにチップを埋め込んでもよい。構造部材2がセメントのような場合には、本発明の方法によれば、ワイヤレスであるために混ぜるだけで簡単に設置でき、また感度が高いという利点を有する。なお、上記の設置方法において、アンテナ11は構造部材2の表面に露出していたほうが通信距離が長くなるという利点を有するが、埋め込まれても通信は可能である。また、図示はしていないが測定部3が構造部材2に半分埋め込まれた状態でも良い。この場合には通信距離を長くできるとともに、埋め込まれているために接続信頼性に優れるという利点を有する。なお、アンテナは構造部材2の表面と平行となるように配した方が、リーダー4からの電磁波を効率よく受けることができるので望ましい。   Moreover, the installation method of the measurement part 3 is demonstrated using FIG. 1 and FIG. FIG. 1 shows a case where a measuring unit 3 is arranged on the surface of the structural member 2. The back surface of the silicon substrate 12 of the measuring unit 3 is connected to the structural member 2, and when the structural member 2 is distorted, the strain is transmitted to the silicon substrate 12, so that the strain sensor 9 can measure the strain. . Here, the back surface indicates a surface facing the element formation surface of the silicon substrate 12, but even if the element formation surface is connected to the structural member 2, the reliability of the element is slightly inferior, but the same effect can be obtained. . The installation method shown in FIG. 1 has an advantage that installation is easy. Further, a chip may be embedded as shown in FIG. In the case where the structural member 2 is cement, according to the method of the present invention, since it is wireless, it can be easily installed simply by mixing and has an advantage of high sensitivity. In the above installation method, the antenna 11 has an advantage that the communication distance becomes longer if it is exposed on the surface of the structural member 2, but communication is possible even if it is embedded. Although not shown, the measurement unit 3 may be half embedded in the structural member 2. In this case, there is an advantage that the communication distance can be increased and the connection reliability is excellent because it is embedded. Note that it is desirable to arrange the antenna so as to be parallel to the surface of the structural member 2 because the antenna can receive electromagnetic waves from the reader 4 efficiently.

また、図7にはアンテナ11をシリコン基板12上に形成した場合の測定部3を用いた場合を示す。アンテナ内蔵型の場合を示す。また1ボードの場合を示す。この場合には通信距離は伸びないものの、より小型化でき、またアンテナ11との接合部202が露出しないために信頼性が高いという利点がある。また、本実施例では、小型化でき、かつ安価に製造できる利点を生かした例としてシリコンチップにセンサと制御回路を全て載せたものを示したが、樹脂基板上に複数の部品をアセンブルして1ボードとすることによって、図7と同様な効果を持たせたものでもよい。基板上に拡散層を形成することによって疲労の発生を抑制した形態にできる。この場合には通常のひずみゲージを用いても、図5のセンサ部分のみを用いてもよく。この場合には測定部3のサイズが大きくなるという短所はあるものの、少量生産しやすいという利点がある。また上記、図7では、シリコンチップ上に全ての回路を搭載したが、2チップに分けても良い。   FIG. 7 shows a case where the measurement unit 3 in the case where the antenna 11 is formed on the silicon substrate 12 is used. The case with a built-in antenna is shown. Moreover, the case of 1 board is shown. In this case, although the communication distance does not increase, there is an advantage that the size can be further reduced and the reliability is high because the joint 202 with the antenna 11 is not exposed. Also, in this embodiment, an example in which all the sensors and control circuits are mounted on a silicon chip is shown as an example that takes advantage of being able to be downsized and manufactured at low cost. However, a plurality of components are assembled on a resin substrate. By using one board, the same effect as in FIG. 7 may be used. By forming the diffusion layer on the substrate, it is possible to suppress the occurrence of fatigue. In this case, a normal strain gauge may be used, or only the sensor portion of FIG. 5 may be used. In this case, although there is a disadvantage that the size of the measuring unit 3 is increased, there is an advantage that a small amount can be easily produced. In FIG. 7, all the circuits are mounted on the silicon chip, but may be divided into two chips.

また、図8には構造部材2が金属である場合に適した測定部3を示す。これは高透磁率材料がある場合を示す。構造部材2が金属である場合には、リーダー4から照射された磁束が構造部材2と平行方向に向きを変えるために、電磁波がアンテナ部11まで届き難くなるという問題が生じる。そこで本発明においては、図8に示すように外部アンテナと構造部材2の間に高透磁率材料204を配するが、シリコン基板12の裏面は構造部材2に接しているようにする。このように高透磁率材料204をアンテナ部11と構造部材2の間に配することによって電磁波が該高透磁率材料204の内部を通過しやすくなるために、その上部のアンテナ部11に電磁波が届きやすくなるという利点がある。一方、シリコン基板12は構造部材2に接しているので、構造部材2のひずみがシリコン基板12に伝わり、シリコン基板12の表面に形成された不純物拡散層抵抗の抵抗値変化でひずみを検知することが可能となる。また、高透磁率材料204と構造部材2の間にさらにアルミニウム等の金属材203の層が存在しても良い。この場合には電磁波の伝達特性は金属層203でほとんど決まるために、構造部材2の材料が変化した場合でも電磁波の伝達特性が不変となるという利点が生じる。   FIG. 8 shows a measurement unit 3 suitable when the structural member 2 is a metal. This shows the case where there is a high permeability material. When the structural member 2 is a metal, the magnetic flux irradiated from the reader 4 changes its direction in a direction parallel to the structural member 2, so that there is a problem that it is difficult for electromagnetic waves to reach the antenna unit 11. Therefore, in the present invention, as shown in FIG. 8, a high magnetic permeability material 204 is disposed between the external antenna and the structural member 2, but the back surface of the silicon substrate 12 is in contact with the structural member 2. By arranging the high magnetic permeability material 204 between the antenna part 11 and the structural member 2 in this way, the electromagnetic wave can easily pass through the high magnetic permeability material 204. There is an advantage that it is easy to reach. On the other hand, since the silicon substrate 12 is in contact with the structural member 2, the strain of the structural member 2 is transmitted to the silicon substrate 12, and the strain is detected by a change in resistance value of the impurity diffusion layer resistance formed on the surface of the silicon substrate 12. Is possible. Further, a layer of a metal material 203 such as aluminum may be present between the high magnetic permeability material 204 and the structural member 2. In this case, since the electromagnetic wave transmission characteristic is almost determined by the metal layer 203, there is an advantage that the electromagnetic wave transmission characteristic remains unchanged even when the material of the structural member 2 changes.

以上の本実施例における本特許の効果、利点をまとめて以下に示す。測定部3はリーダー4の電磁波を電源として動作することができるので、ワイヤレスで構造部材2のひずみ状態をモニターすることができる。よって測定のために結線する必要が無いため、構造部材に測定部3を配する場合においても、見かけを気にすることが無く、他の部材との位置的な干渉の問題が少ないため、設置場所の制限を受けることが無いという利点がある。また、測定部3はシリコンチップにアンテナ11が形成されただけの物であるため、非常に小さく、設置場所の制限を受けないという利点がある。また、ワイヤレスで測定値を得ることができるが、その電源がリーダ4からの電磁波であるため、電池等の電源が不要であり、電池等の電源を交換する必要が無いという利点を有する。また、図1に示すように通常、構造部材2は内外装14で覆われている場合が多く、従来は内外装14を除去した後に測定する必要があった。しかしながら本発明によれば、ワイヤレスの通信が可能となるため、内装を外すことなく測定が可能となる。すなわち、見かけの良い状態を保持したまま、工事の必要も無く、簡単に測定することが可能となる。すなわち、通常使っている状態において簡単に定期的な測定・診断が可能となるという大きな利点がある。   The effects and advantages of the present patent in this embodiment are summarized below. Since the measurement unit 3 can operate using the electromagnetic wave of the reader 4 as a power source, the strain state of the structural member 2 can be monitored wirelessly. Therefore, since there is no need to connect for measurement, even when the measuring unit 3 is arranged on the structural member, there is no concern about the appearance, and there are few problems of positional interference with other members. There is an advantage that there is no restriction on the place. In addition, since the measuring unit 3 is simply a silicon chip with the antenna 11 formed thereon, it is very small and has an advantage that it is not limited by the installation location. Moreover, although a measured value can be obtained wirelessly, since the power source is an electromagnetic wave from the reader 4, there is an advantage that a power source such as a battery is unnecessary, and it is not necessary to replace the power source such as a battery. In addition, as shown in FIG. 1, the structural member 2 is usually covered with an inner / outer casing 14 in many cases, and conventionally, it has been necessary to perform measurement after removing the inner / outer casing 14. However, according to the present invention, since wireless communication is possible, measurement can be performed without removing the interior. That is, it is possible to easily perform measurement while maintaining a good appearance without the need for construction. That is, there is a great advantage that regular measurement / diagnosis can be easily performed in a normal use state.

このように測定されたひずみ値は測定部からの情報をワイヤレスで受信する受信部を有するリーダー4に電磁波を介して取り込まれるが、リーダー4はその中に情報を記録する情報蓄積部を持つ。より好ましくは更に、データ収集後に回線、携帯電話機能を有し、フラッシュメモリカード等の電磁気記録媒体を介して診断部5に送られる。診断部5では過去に測定されたデータと比較され、損傷の程度が見積もられる。なお、好ましくは、情報が取り込まれたことを表示する表示部を有する。   The strain value measured in this way is taken in via the electromagnetic wave into a reader 4 having a receiving unit that wirelessly receives information from the measuring unit, and the reader 4 has an information storage unit for recording information therein. More preferably, it has a line and mobile phone function after data collection, and is sent to the diagnosis unit 5 via an electromagnetic recording medium such as a flash memory card. The diagnosis unit 5 compares the data measured in the past and estimates the degree of damage. In addition, Preferably, it has a display part which displays that information was taken in.

測定部3を構造部材2に設置後、リーダー4でセンシングデータを読み取り、その値を基準として記録媒体もしくは診断部5内部に持った状態で、常にセンシングデータとこの基準を比較し、定期診断や災害後の損傷診断に用いるのが望ましい。測定部3を構造部材2に設置した後では、実装に伴って残留応力が測定部3に発生することがあり、その場合においても精度の高い測定結果が得られるという利点がある。   After the measuring unit 3 is installed on the structural member 2, the sensing data is read by the reader 4, and the sensing data is constantly compared with this standard in the state where it is held in the recording medium or the diagnostic unit 5 with the value as a reference. It is desirable to use it for damage diagnosis after a disaster. After the measurement unit 3 is installed on the structural member 2, residual stress may be generated in the measurement unit 3 with mounting, and even in this case, there is an advantage that a highly accurate measurement result can be obtained.

しかしながら、必ずしも診断部5の無い状態でも、リーダー4から測定値を読み出す、あるいは表示させる機能があるだけでも同様な効果を有する場合も多い。すなわち、その数値を用いて測定者が比較検討を行うだけでも十分に損傷の程度を把握できる場合もある。   However, even if the diagnostic unit 5 is not necessarily provided, there are many cases where the same effect can be obtained even if there is a function of reading or displaying the measurement value from the reader 4. That is, there are cases where the measurer can sufficiently grasp the degree of damage even if the measurer only makes a comparative study using the numerical values.

本発明における第二の実施例は、測定部3からリーダー4へ送られるデータが測定値だけでなく、各測定部3に固有のID番号をも送信することができる場合である。図9には本実施例における測定部3の回路ブロック構成を示す。図9に示すように、第一の実施例に加えて、少なくとも、固有のID番号を保持する機能とこれをセンシングデータとともに順次出力する機能を持つ回路が加わる。これらを図9ではID発行部15に含まれる状態で表示している。この測定部3を用いることによって、各測定部固有のID番号とセンシングデータを順次、リーダー4に送信することが可能となる。リーダー4および診断部5では対応する測定値とID番号とを組にして管理することができるので、履歴管理を行う場合には特に有用である。すなわち、災害前後のひずみの状態を比較しようとする場合に、ID番号で検索すればよいことから、大幅に手間が省けるという利点がある。また、測定部3を構造部材2に設置した後には設置に由来する残留ひずみが発生することがあるが、その残留ひずみを設置直後に測定し、校正値として保存しておく必要がある。本実施例によれば、このとき各測定部3が測定値と共にID番号を出力するので、それぞれの測定部3に対応した校正値を簡便に管理することができるという利点がある。また、ID番号管理とともに輻輳制御機能を測定部3内に設けることによって、近くに他の測定部3を配置した場合でも、それぞれ識別しながらリーダー4で読み取ることが可能となる。   The second embodiment of the present invention is a case where the data sent from the measuring unit 3 to the reader 4 can transmit not only the measured value but also a unique ID number to each measuring unit 3. FIG. 9 shows a circuit block configuration of the measurement unit 3 in this embodiment. As shown in FIG. 9, in addition to the first embodiment, at least a circuit having a function of holding a unique ID number and a function of sequentially outputting the ID number together with sensing data is added. These are displayed in a state included in the ID issuing unit 15 in FIG. By using the measurement unit 3, it is possible to sequentially transmit the ID number and sensing data unique to each measurement unit to the reader 4. Since the reader 4 and the diagnosis unit 5 can manage corresponding measurement values and ID numbers in pairs, it is particularly useful when performing history management. In other words, when comparing strain states before and after a disaster, it is only necessary to search by ID number, which has the advantage of greatly saving labor. Further, after the measurement unit 3 is installed on the structural member 2, residual strain resulting from the installation may occur. However, it is necessary to measure the residual strain immediately after installation and store it as a calibration value. According to the present embodiment, since each measurement unit 3 outputs an ID number together with the measurement value at this time, there is an advantage that the calibration value corresponding to each measurement unit 3 can be easily managed. Further, by providing a congestion control function in the measurement unit 3 together with ID number management, even if another measurement unit 3 is arranged nearby, it can be read by the reader 4 while being identified.

本発明における第三の実施例を図10に示す。本実施例は、測定部3内に不揮発メモリ16を有し、データを不揮発で内蔵することができる。不揮発メモリ16にはセンサの校正データを入れても良いし、過去のセンシングデータの履歴を蓄積しても良い。校正データを入れた場合には、校正データとともにセンシングデータを送信し、リーダー4でセンシングデータを校正し、精度の高い測定結果として得ることができる。校正データは個々の測定部3についてあらかじめ測定され、不揮発メモリ16に書き込まれているのが望ましい。個々の測定部について校正データを書き込む事によって、測定部のセンサの特性がばらついた場合においても、精度の高い測定が可能となるという利点がある。また、校正データは温度の関数であることが望ましい。   A third embodiment of the present invention is shown in FIG. In this embodiment, the measurement unit 3 has a nonvolatile memory 16 and can store data in a nonvolatile manner. The non-volatile memory 16 may contain sensor calibration data, or a past history of sensing data may be accumulated. When the calibration data is entered, the sensing data is transmitted together with the calibration data, and the sensing data is calibrated by the reader 4 and can be obtained as a highly accurate measurement result. The calibration data is preferably measured in advance for each measurement unit 3 and written in the nonvolatile memory 16. By writing calibration data for each measurement unit, there is an advantage that highly accurate measurement is possible even when the sensor characteristics of the measurement unit vary. The calibration data is preferably a function of temperature.

また、構造部材2に測定部3を設置した後に、その測定値を不揮発メモリ16に書き込む事も有効である。構造部材2へ測定部3を設置すると、その実装状態に応じて残留応力が負荷されるため、その実装後の残留応力を初期状態として把握し、記録する事によって精度の高い測定が可能となるという利点がある。また、災害発生前のデータを測定部3に書き込む事によって、災害発生後のデータとともにリーダ4に読み出すことで、その変化を簡単に捉えることが可能となる。   It is also effective to write the measured value in the nonvolatile memory 16 after installing the measuring unit 3 on the structural member 2. When the measuring unit 3 is installed on the structural member 2, a residual stress is applied according to the mounting state. Therefore, the residual stress after the mounting is grasped as an initial state and recorded, thereby enabling high-precision measurement. There is an advantage. In addition, by writing the data before the occurrence of the disaster into the measuring unit 3 and reading the data together with the data after the occurrence of the disaster to the reader 4, it is possible to easily grasp the change.

本発明における第四の実施例を図11に示す。本実施例は、測定部3内にひずみセンサとともに温度センサ17が内蔵され、ひずみとともに温度のセンシングデータを順次、リーダー4に送信することができる。温度センサ17は、その原理としてシリコン基板中に形成したダイオードの温度依存性を用いて測定できるものが望ましい。シリコン基板中に不純物イオン注入を行うことでダイオードを形成できるため、他の通信制御回路10等のトランジスタのイオン注入層と同時に形成できるために、工程が簡単になるという利点がある。   A fourth embodiment of the present invention is shown in FIG. In the present embodiment, a temperature sensor 17 is built in the measuring unit 3 together with a strain sensor, and temperature sensing data can be sequentially transmitted to the reader 4 along with the strain. The temperature sensor 17 is preferably one that can be measured using the temperature dependence of a diode formed in a silicon substrate as its principle. Since a diode can be formed by implanting impurity ions into a silicon substrate, it can be formed simultaneously with an ion implantation layer of a transistor such as another communication control circuit 10, which has the advantage of simplifying the process.

このように温度センサ17とひずみセンサを同時に内蔵し、順次センシングデータをリーダー4に送信することにより、温度データをもとにひずみセンサの特性をリーダー4もしくは診断部5の側で補正することができ、より精度の高い測定が可能となるという利点がある。また温度とひずみのデータを同時に管理できるという利点がある。またIDを発行する機能が追加されることで、さらにリーダー4と診断部5でのデータ管理が容易になるという利点がある。   As described above, the temperature sensor 17 and the strain sensor are built in at the same time, and the sensing data is sequentially transmitted to the reader 4 so that the characteristics of the strain sensor can be corrected on the side of the reader 4 or the diagnosis unit 5 based on the temperature data. There is an advantage that more accurate measurement is possible. There is also an advantage that temperature and strain data can be managed simultaneously. In addition, the addition of a function for issuing an ID has an advantage that data management by the reader 4 and the diagnosis unit 5 becomes easier.

また図12は本発明の第五の実施例の構成図を示すが、これは自己発電部18を有しており、リーダ/ライタによる電波照射時以外でもひずみの測定が可能となる。また不揮発性メモリ16を内蔵しており、ひずみの値を不揮発で記憶できることに特徴がある。予め設定した値以上の値であるときに記憶するようにすれば、大きな負荷の履歴のみを取り出して記憶出来る。これにより、必要なメモリ容量を少なくすることができ、小さい発電量でも動作可能となるという利点がある。またタイマー19を内蔵することにより、時刻と負荷とIDナンバーを同時に記憶することが出来るという利点が生まれる。また、不揮発性メモリ16に蓄えた測定値は電磁誘導もしくはマイクロ波による読み出しが可能となっていても良い。すなわち、測定値を電波で発信するには大きな電力量を必要とすることから、電波の発信のエネルギは電磁誘導もしくはマイクロ波で賄い、電力量を多量に必要としない測定は自己発電のエネルギで賄う事により、自己発電部18の発電量が少ない場合においてもエネルギが足りなくなることが無いという利点を有する。ここで、自己発電部18とは電池を含む、振動発電、太陽光発電、圧電素子を用いた発電、流体力による発電などが含まれる。このように本実施例では、自己発電部18の出力が小さいような適用例でも運用が可能となるという大きな利点がある。   FIG. 12 shows a configuration diagram of the fifth embodiment of the present invention, which has a self-power generation unit 18 and can measure strain even when the reader / writer is not irradiated with radio waves. In addition, a nonvolatile memory 16 is built in, and the strain value can be stored in a nonvolatile manner. If it is stored when the value is equal to or greater than a preset value, only a history of a large load can be extracted and stored. As a result, the necessary memory capacity can be reduced, and there is an advantage that it is possible to operate even with a small amount of power generation. The built-in timer 19 has the advantage that the time, load and ID number can be stored simultaneously. Further, the measurement value stored in the nonvolatile memory 16 may be readable by electromagnetic induction or microwave. In other words, since a large amount of power is required to transmit the measured value by radio waves, the energy for transmitting radio waves is covered by electromagnetic induction or microwaves, and measurements that do not require a large amount of power are self-generated energy. Covering it has the advantage that it will not run out of energy even when the power generation amount of the self-power generation unit 18 is small. Here, the self-power generation unit 18 includes a battery, vibration power generation, solar power generation, power generation using a piezoelectric element, power generation by fluid force, and the like. As described above, this embodiment has a great advantage that it can be operated even in an application example in which the output of the self-power generation unit 18 is small.

また図13は本発明の第六の実施例の構成図を示すものである。本実施例ではシリコン基板12上に形成された拡散抵抗層をひずみセンサ9、ダミー抵抗13として、ひずみの検知に用いている。ひずみセンサ9はシリコン基板12の<110>方向を長手とするように不純物拡散層が形成され、ホイートストンブリッジにおけるダミー抵抗13はシリコン基板12の<100>方向を長手とするように不純物拡散層が形成されている。このように拡散層を配置することによって、構造部材2の温度が変化し、これに追従して測定部3の温度が変化した場合においても、ホイートストンブリッジが測定部3に内蔵できているので精度の良い測定が可能となる。このシリコン基板12の素子形成面に対抗する面を構造部材2に接するように配し、ひずみを拡散層の抵抗値の変化で検知する。この抵抗値の変化はシリコン基板12内に形成されたホイートストンブリッジによって電圧の変化としてとらえられ、シリコン基板12外へ配線によって引き出されて、デジタル化電送回路206によってデジタル化された後に電波で受信機205へ電送される。これらの回路を動作させるための電力は自己発電部18によって賄われる。本実施例によれば、ひずみをシリコン基板12内に形成した拡散抵抗の抵抗値変化で読み取るため、従来の薄膜を利用したひずみゲージに比べて繰り返し負荷に強く、疲労することがないという利点がある。よって一定時間後にセンサが疲労するために取り出す工事を行うということがなく、メインテナンスが容易であるという利点がある。また、ホイートストンブリッジがシリコン基板12上に1チップに収められており、従来の外付けのホイートストンブリッジに比較して非常に小型にできるという利点がある。よって、見かけを気にすることが無く、他の部材との位置的な干渉の問題が少ないため、設置場所の制限を受けることが無いという利点がある。さらにひずみセンサは半導体製造工程を応用して作られたものであるので、細線の加工が精度よく行え、このため高抵抗で消費電力を従来のひずみセンサの数百分の1にすることが可能となる。よってワイヤレスで測定値を電送する場合でも、自己発電部18の消費を気にすることなく測定が可能で、自己発電部としてバッテリを用いた場合でも長期間の測定がバッテリの交換なしで可能となるという利点を有する。   FIG. 13 is a block diagram of the sixth embodiment of the present invention. In this embodiment, the diffusion resistance layer formed on the silicon substrate 12 is used as a strain sensor 9 and a dummy resistor 13 for detecting strain. The strain sensor 9 is formed with an impurity diffusion layer extending in the <110> direction of the silicon substrate 12, and the dummy resistor 13 in the Wheatstone bridge has an impurity diffusion layer extending in the <100> direction of the silicon substrate 12. Is formed. By arranging the diffusion layer in this way, even when the temperature of the structural member 2 changes and the temperature of the measurement unit 3 changes following this, the Wheatstone bridge can be built in the measurement unit 3 so that the accuracy is high. It is possible to measure well. The surface of the silicon substrate 12 that opposes the element formation surface is disposed so as to be in contact with the structural member 2, and the strain is detected by a change in the resistance value of the diffusion layer. This change in resistance value is captured as a change in voltage by the Wheatstone bridge formed in the silicon substrate 12, pulled out by the wiring out of the silicon substrate 12, and digitized by the digitized power transmission circuit 206. It is sent to 205. Electric power for operating these circuits is provided by the self-power generation unit 18. According to the present embodiment, because the strain is read by the change in the resistance value of the diffusion resistance formed in the silicon substrate 12, it has an advantage that it is more resistant to repeated loads than a strain gauge using a conventional thin film and does not fatigue. is there. Therefore, there is an advantage that maintenance is easy without performing a work to be taken out because the sensor is fatigued after a certain time. Further, the Wheatstone bridge is housed in one chip on the silicon substrate 12, and there is an advantage that it can be made very small as compared with the conventional external Wheatstone bridge. Therefore, there is an advantage that there is no restriction on the installation place because there is no concern about appearance and there are few problems of positional interference with other members. Furthermore, since the strain sensor is made by applying the semiconductor manufacturing process, fine lines can be processed with high accuracy, and this makes it possible to reduce power consumption to one-hundredth that of a conventional strain sensor with high resistance. It becomes. Therefore, even when the measured value is transmitted wirelessly, it is possible to measure without worrying about consumption of the self-power generation unit 18, and even when a battery is used as the self-power generation unit, long-term measurement can be performed without battery replacement Has the advantage of becoming.

また、本実施例ではひずみセンサ部をシリコン基板12上に形成してあるが、これのみを構造部材2に接触させ、その他の部分を構造部材より離して配しても良い。特にアンテナ11を構造部材2より離すことによって、構造部材2が金属である場合には通信距離が伸びるという利点が生じる。また、シリコン基板12と他の部分を分けて設置することにより、設置の自由度が増し、他の部材との干渉を回避できるという利点が生じる。   Further, in this embodiment, the strain sensor portion is formed on the silicon substrate 12, but only this may be placed in contact with the structural member 2 and other portions may be arranged away from the structural member. In particular, by separating the antenna 11 from the structural member 2, there is an advantage that the communication distance is increased when the structural member 2 is a metal. Further, by separately installing the silicon substrate 12 and other parts, there are advantages that the degree of freedom of installation is increased and interference with other members can be avoided.

図14から図18には本発明を用いた場合の構造物モニタリングおよび損傷検知システムを示す。図14はビルや一般家屋など一般建築物に本発明を適用した場合である。一般建築物においてひずみの集中が予想される柱20に測定部3が付着あるいは埋め込まれている。その柱20および測定部3は内外装14で覆われていても良い。内外装14の外側の見える部分に配線が露出することが無く、見かけは測定部3が無い場合と同等の外観で、リーダー4を測定部3に近づけるだけでひずみ状態のモニタリングが可能となる。このようにして得られたセンシング情報は診断部5において損傷の程度が診断され、これをもとに構造体の修復、補強の場所が特定される。このように本発明によれば、外観を損なうことなく測定部3を設置し、センシングできるという大きな利点が生まれる。なお、図14では測定部3を柱に取り付ける場合について示したが、ひずみの集中しやすい箇所や災害後にひずみの集中が予想される箇所であれば、壁や梁、ヒンジ、接合部、窓ガラス、窓部、喚起部その他の部材に取り付けても同様な効果が生まれる。   14 to 18 show a structure monitoring and damage detection system when the present invention is used. FIG. 14 shows a case where the present invention is applied to a general building such as a building or a general house. The measuring unit 3 is attached or embedded in a column 20 where strain concentration is expected in a general building. The column 20 and the measuring unit 3 may be covered with an inner / outer casing 14. The wiring is not exposed to the visible portion outside the inner / outer casing 14, and the appearance is the same as when the measuring unit 3 is not provided, and the strain state can be monitored simply by bringing the reader 4 closer to the measuring unit 3. The degree of damage is diagnosed in the diagnostic information 5 thus obtained by the diagnosis unit 5, and the location for repairing and reinforcing the structure is specified based on this. As described above, according to the present invention, a great advantage that the measuring unit 3 can be installed and sensed without deteriorating the appearance is produced. 14 shows the case where the measuring unit 3 is attached to a column. However, if the strain is likely to concentrate or a portion where strain is expected to be concentrated after a disaster, the wall, beam, hinge, joint, window glass A similar effect can be obtained by attaching to a window, arousing part or other members.

図15には、本発明を斜張橋、吊橋、鉄橋等のトラス構造物に適用した場合を示す。同様にひずみの集中が予想される箇所に測定部3を設置する。例えば溶接箇所やボルト締結箇所、ヒンジなどの部分に設置しても良い。また図16は本発明を橋に設置した場合であり、図17は本発明を吊り橋に適用した場合、図18はトンネルに設置した場合である。
従来、このような場所のセンシングを行う場合には、測定箇所に設置したセンサから測定者の手元まで配線を長く伸ばす必要があり、設置自由度が制限されてきたという問題があった。しかし本実施例の場合には、手の届きにくい場所のセンシングを行う場合でも、リーダー4を近づけるだけでセンシングが可能となるので、設置位置の自由度を拡大できるという利点がある。
また、従来このような場所のセンシングを行う場合に、測定箇所に設置したセンサから測定者の手元まで配線を長く伸ばす必要があり、この場合に災害時の過大な外力や火災による高温曝露により、長く張巡らせた配線のいずれかの箇所が損傷する可能性が高く、災害後の測定に対する信頼性が著しく損なわれる場合が多かった。しかしながら本発明によれば、配線を長く伸ばす必要が無いため、配線の断線を気にすることが無く、信頼性の高い測定が可能となるという利点がある。
また、従来は測定者の手元に置かれた計測器に対応した個数のセンサしか設置できず、コストを考慮すると測定点の個数に大きな制限があった。しかしながら本実施例によれば、多数の測定部3の測定値をそれぞれリーダー4を近づけるだけで取得できることから、少数のリーダー4を用いるだけで無数の測定部3からのセンシング情報を得ることができる。すなわち本実施例によれば多数の測定部3の設置が、コストを気にすることなく実現することができるという利点が生まれる。
FIG. 15 shows a case where the present invention is applied to a truss structure such as a cable-stayed bridge, a suspension bridge, and an iron bridge. Similarly, the measurement unit 3 is installed at a location where strain concentration is expected. For example, you may install in parts, such as a welding location, a bolt fastening location, and a hinge. FIG. 16 shows the case where the present invention is installed on a bridge, FIG. 17 shows the case where the present invention is applied to a suspension bridge, and FIG. 18 shows the case where it is installed on a tunnel.
Conventionally, when sensing such a place, it has been necessary to extend the wiring from the sensor installed at the measurement location to the hand of the measurer, and there has been a problem that the degree of freedom of installation has been limited. However, in the case of this embodiment, even when sensing a place where it is difficult to reach, sensing can be performed only by bringing the reader 4 close to it, so that there is an advantage that the degree of freedom of the installation position can be expanded.
Conventionally, when sensing such a place, it is necessary to extend the wiring from the sensor installed at the measurement place to the hand of the measurer.In this case, due to excessive external force at the time of disaster or high temperature exposure due to fire, There is a high possibility that any part of the wiring that has been stretched for a long time will be damaged, and the reliability of measurement after a disaster is often significantly impaired. However, according to the present invention, since there is no need to extend the wiring for a long time, there is an advantage that highly reliable measurement is possible without worrying about disconnection of the wiring.
Further, conventionally, only the number of sensors corresponding to the measuring instrument placed at the hand of the measurer can be installed, and the number of measurement points is greatly limited considering the cost. However, according to the present embodiment, the measurement values of a large number of measurement units 3 can be obtained by simply bringing the readers 4 close to each other, and therefore, countless sensing information from the measurement units 3 can be obtained using only a small number of readers 4. . That is, according to this embodiment, there is an advantage that installation of a large number of measuring units 3 can be realized without worrying about cost.

これまで述べた形態によって、以下の作用効果を有することができる。   According to the embodiment described so far, the following operational effects can be obtained.

本形態によれば、構造物のモニタリングを行う際に、電磁波でセンシング情報を伝達するので、被測定物に付着させた測定部3からのセンシング情報を結線して外に取り出す必要が無い。すなわち内装や外装を外したり、その一部から配線を出したりする必要が無いため、外観を損なうことがない。このように内装や外装に特殊な工事や設計が不要であり、簡便に設置できるという利点がある。   According to this embodiment, when monitoring a structure, sensing information is transmitted by electromagnetic waves. Therefore, it is not necessary to connect the sensing information from the measurement unit 3 attached to the object to be measured and take it out. That is, there is no need to remove the interior or exterior, or to provide wiring from a part of the interior, so that the appearance is not impaired. Thus, there is an advantage that no special construction or design is required for the interior or exterior, and it can be easily installed.

また本形態によれば、被測定物に付着させた測定部3の電源は、リーダー4と結線することなく電磁波で供給される。被測定物である構造部材が内装や外装に覆われていた場合でも、これを外すことなく電源供給できる。すなわち内装や外装を外して結線して計測を行う必要が無く、一旦測定部3を設置してしまえば、リーダー4を設置場所に近づけるだけで測定が可能となるという利点がある。また、電池を用いたワイヤレス計測システムのように電源が消耗して、内装や外装を外して交換する手間がないという利点がある。   Moreover, according to this form, the power supply of the measurement part 3 attached to the to-be-measured object is supplied with electromagnetic waves, without connecting with the reader 4. FIG. Even when the structural member that is the object to be measured is covered with the interior or exterior, the power can be supplied without removing it. In other words, there is no need to perform measurement by removing the interior or exterior, and once the measurement unit 3 is installed, there is an advantage that measurement can be performed simply by bringing the reader 4 close to the installation location. In addition, there is an advantage that the power supply is consumed unlike the wireless measurement system using a battery, and there is no need to remove and replace the interior and exterior.

また本形態によれば、被測定物に付着させた測定部3からのセンシング情報を結線して外に取り出す必要が無いため、震災や火災等の災害時に長く張り巡らせた配線が断線して使えなくなるということが無く、信頼性のある測定が可能となる。   In addition, according to this embodiment, since there is no need to connect the sensing information from the measuring unit 3 attached to the object to be measured and take it out, the wiring stretched for a long time in the event of a disaster such as an earthquake or a fire is disconnected. Reliable measurement is possible without being unusable.

また、本形態によれば、繰り返し負荷に強く、疲労しないため、長期に使用した場合でも信頼性ある測定が可能となるという利点がある。
In addition, according to this embodiment, there is an advantage that reliable measurement is possible even when used for a long time because it is resistant to repeated loads and does not fatigue.

本発明の第一実施例の測定システムを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the measurement system of the 1st Example of this invention. 本発明の第一実施例における測定部の回路ダイヤグラムである。It is a circuit diagram of the measurement part in the 1st example of the present invention. 本発明の第一実施例における測定部を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the measurement part in the 1st Example of this invention. 本発明の第一実施例における測定部を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the measurement part in the 1st Example of this invention. 本発明の第一実施例における測定部を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the measurement part in the 1st Example of this invention. 本発明の第一実施例における測定部の取付け方法を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the attachment method of the measurement part in the 1st Example of this invention. 本発明の第一実施例における測定部を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the measurement part in the 1st Example of this invention. 本発明の第一実施例における測定部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the measurement part in the 1st Example of this invention. 本発明の第二実施例の測定システムを示す回路ダイヤグラムである。It is a circuit diagram which shows the measurement system of 2nd Example of this invention. 本発明の第三実施例における測定部の回路ダイヤグラムである。It is a circuit diagram of the measurement part in the 3rd example of the present invention. 本発明の第四実施例における測定部の回路ダイヤグラムである。It is a circuit diagram of the measurement part in 4th Example of this invention. 本発明の第五実施例における測定部の回路ダイヤグラムである。It is a circuit diagram of the measurement part in 5th Example of this invention. 本発明の第六実施例における測定部の回路ダイヤグラムである。It is a circuit diagram of the measurement part in the 6th example of the present invention. 本発明を一般建築物に適用した場合の実施例である。It is an Example at the time of applying this invention to a general building. 本発明をトラス構造物に適用した場合の実施例である。It is an Example at the time of applying this invention to a truss structure. 本発明を橋に適用した場合の実施例である。It is an Example at the time of applying this invention to a bridge. 本発明を吊り橋に適用した場合の実施例である。It is an Example at the time of applying this invention to a suspension bridge. 本発明をトンネルに適用した場合の実施例である。It is an Example at the time of applying this invention to a tunnel.

符号の説明Explanation of symbols

1.測定システム
2.構造部材
3.測定部
4リーダー
5.診断部
6.RFアナログ回路部
7.増幅回路部
8.センサアナログ回路部
9.ひずみセンサ部
10.通信制御回路部
11.アンテナ部
12.シリコン基板
13.ダミー抵抗
14.内外装
15.ID発行部
16.不揮発メモリ
17.温度センサ部
18.自己発電部
19.タイマー
20.柱
21.主接着面
22.素子形成層
23.梁
24.橋脚
25.橋げた
26.吊り部材
27.トンネル
28.トンネル内装
201.フィルム
202.接合部
203.金属材
204.高透磁率材料
205.受信機
206.デジタル化電送回路
1.Measurement system
2.Structural members
3.Measurement part
4 reader
5.Diagnostic Department
6.RF analog circuit
7.Amplification circuit
8.Sensor analog circuit
9.Strain sensor
10.Communication control circuit
11.Antenna
12.Silicon substrate
13.Dummy resistor
14.Interior and exterior
15.ID issuing department
16.Non-volatile memory
17.Temperature sensor
18. Self-power generation unit
19.Timer
20.Pillar
21.Main adhesive surface
22.Element formation layer
23. Beam
24. Pier
25. Bridged
26. Hanging members
27. Tunnel
28. Tunnel interior
201.Film
202.Junction
203.Metal
204.High permeability material
205. Receiver
206 Digitized transmission circuit

Claims (14)

建築物構造物の内部もしくは表面に設置可能に形成され、基板と、前記基板の上に形成されたひずみ測定機能を持つ電子回路とを備え、
前記電子回路は前記電子回路外より照射された電磁波エネルギから電源を生成する電源回路を有することを特徴とする建築構造物の損傷検知装置。
It is formed so as to be installed inside or on the surface of a building structure, and includes a substrate and an electronic circuit having a strain measuring function formed on the substrate,
The damage detection device for a building structure, wherein the electronic circuit includes a power supply circuit that generates power from electromagnetic energy irradiated from outside the electronic circuit.
建築物構造物の内部もしくは表面に設置可能に形成され、基板と、前記基板の上に形成されたひずみ測定機能を持つ電子回路とを備え、
前記電子回路は電磁波信号の変復調およびDC電源の生成を行うためのRFアナログ回路、チップ動作制御を行う論理回路、ひずみを測定するひずみセンサ回路、前記ひずみセンサ信号の増幅回路、を含むことを特徴とする構造物の損傷検知装置。
It is formed so as to be installed inside or on the surface of a building structure, and includes a substrate and an electronic circuit having a strain measuring function formed on the substrate,
The electronic circuit includes an RF analog circuit for modulating / demodulating an electromagnetic wave signal and generating a DC power source, a logic circuit for controlling chip operation, a strain sensor circuit for measuring strain, and an amplifier circuit for the strain sensor signal. Damage detection device for structures.
建築物構造物の内部もしくは表面に設置可能に形成され、基板と、前記基板の上に形成されたひずみセンサ回路と、前記基板外より照射された電磁波エネルギから電源を生成する電源回路と、を備えた電子回路を有する建築構造物の損傷検知装置で、測定したひずみ測定値に基く情報を無線で受信する受信部と、前記受信した情報を記録する記録部と、を備えたことを特徴とする損傷検知リーダ。 A substrate, a strain sensor circuit formed on the substrate, and a power supply circuit that generates power from electromagnetic energy irradiated from outside the substrate; A damage detection apparatus for a building structure having an electronic circuit, comprising: a receiving unit that wirelessly receives information based on a measured strain measurement value; and a recording unit that records the received information. Damage detection reader. 請求項1或は2において、建築構造物と建築物の内装や外装や塗装との間に該電子回路が配置可能に形成されたことを特徴とする構造物の損傷検知装置。 3. The damage detection apparatus for a structure according to claim 1 or 2, wherein the electronic circuit is formed so as to be disposed between the building structure and the interior, exterior, or paint of the building. 請求項1或は2において、前記基板はシリコン基板であり、前記回路は一つの前記基板上に形成されたことを特徴とする構造物の損傷検知装置。 3. The damage detection apparatus for a structure according to claim 1, wherein the substrate is a silicon substrate, and the circuit is formed on one substrate. 請求項1、2、4、5の何れかにおいて、前記電子回路に連絡するアンテナを備え、前記電子回路は一つの前記基板上に形成され、前記アンテナは前記基板の外に配置する領域を有することを特徴とする構造物の損傷検知装置。 6. The antenna according to claim 1, further comprising an antenna that communicates with the electronic circuit, wherein the electronic circuit is formed on one of the substrates, and the antenna has a region arranged outside the substrate. A structural damage detection apparatus characterized by the above. 請求項1、2、4、5、6の何れかにおいて、前記基板は単結晶シリコン基板であり、前記基板が前記建築物構造材料の内部もしくは表面に配置可能に形成されたことを特徴とする構造物の損傷検知装置。 7. The substrate according to claim 1, wherein the substrate is a single crystal silicon substrate, and the substrate is formed so as to be disposed inside or on the surface of the building structural material. Structure damage detection device. 単結晶半導体基板の一主面上に、ひずみセンサ抵抗とダミー抵抗を構成する複数の抵抗層を備えたホイートストンブリッジ回路を備え、
前記ひずみセンサ抵抗は前記半導体基板中形成されたP型の不純物拡散層であり、その長手方向は<110>方向と直交する方向より<110>方向に沿った方向に配置され、前記ダミー抵抗は前記半導体基板中に形成されたP型の不純物拡散層であり、その長手方向は<100>方向と直交する方向より<100>方向に沿った方向に配置されたことを特徴とする構造物の損傷検知装置。
On one main surface of the single crystal semiconductor substrate, a Wheatstone bridge circuit including a plurality of resistance layers constituting a strain sensor resistance and a dummy resistance is provided.
The strain sensor resistance is a P-type impurity diffusion layer formed in the semiconductor substrate, and its longitudinal direction is arranged in a direction along the <110> direction from a direction orthogonal to the <110> direction, and the dummy resistance is A P-type impurity diffusion layer formed in the semiconductor substrate, the longitudinal direction of which is arranged in the direction along the <100> direction from the direction orthogonal to the <100> direction. Damage detection device.
単結晶半導体基板の一主面上に、ひずみセンサ抵抗とダミー抵抗を構成する複数の抵抗層を備えたホイートストンブリッジ回路を備え、
前記ひずみセンサ抵抗は前記半導体基板中形成されたN型の不純物拡散層であり、その長手方向は<100>方向直交する方向より<100>方向に沿った方向に配置され、前記ダミー抵抗は前記半導体基板中に形成されたP型の不純物拡散層であり、その長手方向は<110>方向と直交する方向より<110>方向に沿った方向に配置されたことを特徴とする構造物の損傷検知装置。
On one main surface of the single crystal semiconductor substrate, a Wheatstone bridge circuit including a plurality of resistance layers constituting a strain sensor resistance and a dummy resistance is provided.
The strain sensor resistance is an N-type impurity diffusion layer formed in the semiconductor substrate, the longitudinal direction of which is arranged in the direction along the <100> direction from the direction orthogonal to the <100> direction, and the dummy resistance is Damage to a structure characterized in that it is a P-type impurity diffusion layer formed in a semiconductor substrate, and its longitudinal direction is arranged in a direction along the <110> direction from a direction orthogonal to the <110> direction Detection device.
請求項1、2,4から9の何れかにおいて、前記電子回路に連絡するアンテナを備え、前記アンテナの被測定物側に前記非測定対象物より高透磁性の部材が配置されたことを特徴とする構造物の損傷検知装置。 The antenna according to any one of claims 1, 2, 4 to 9, further comprising an antenna that communicates with the electronic circuit, wherein a member that is more permeable than the non-measurement object is disposed on the measurement object side of the antenna. Damage detection device for structures. 請求項1、2、4から10のいずれかにおいて、前記電子回路に固有のID番号を有することを特徴とする構造物の損傷検知装置。 11. The structure damage detection device according to claim 1, wherein the electronic circuit has an ID number unique to the electronic circuit. 請求項1、2、4から11のいずれかにおいて、前記電子回路は、温度測定回路を備えることを特徴とする構造物の損傷検知装置。 12. The structure damage detection device according to claim 1, wherein the electronic circuit includes a temperature measurement circuit. 請求項1、2、4から12のいずれかにおいて、前記電子回路を駆動する振動発電、太陽光発電、温度差発電、バッテリのいずれかの発電装置を設けたことを特徴とする構造物の損傷検知装置。 13. Damage to a structure according to any one of claims 1, 2, 4 to 12, characterized by comprising any one of vibration power generation, solar power generation, temperature difference power generation, and battery driving the electronic circuit. Detection device. 請求項1、2、4から13のいずれかにおいて、前記電子回路に、センサ校正データを内蔵できる不揮発メモリ回路が内蔵されていることを特徴とする構造物の損傷検知装置。

14. The structural damage detection device according to claim 1, wherein a non-volatile memory circuit capable of incorporating sensor calibration data is incorporated in the electronic circuit.

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