JP5008201B2 - 無線ｉｃタグ - Google Patents

Description

本発明は、コンクリート製品や構造物の品質管理システム等に用いられる無線ＩＣタグに関し、特に、セメント、骨材、水等を混練するセメント製品の製造工程で混入され、構造物に用いられたセメント製品についての製造時の情報等、種々の情報を無線交信で書き込み・読み取り可能なアンテナ部を備えた不揮発性メモリ素子（ＦｅＲＡＭ）を用いた無線ＩＣタグの構造に関するものである。

土木関連のコンクリート製品や、コンクリート構造物にあっては、補修時や地震等の災害時にコンクリートの強度や工事の履歴等の情報を検証する必要がある。このような情報は、これまで図面等とともに書面に記録して管理されていたが、この書面を紛失したり、情報が改ざんされたりする恐れがあった。また近年は、これらの情報を書面以外にも、コンピュータのデータベースに記録することも行われているが、これとても情報の紛失・改ざんの危険性はなくなることがなく、したがってこれら従来のコンクリート品質管理システムは、コンクリート構造物の所有者や利用者にとっては必ずしも信頼できるものではなかった。

また、建物の建材や壁面等に建材等の流通管理の情報を記録したＩＣタグを貼付する方法（例えば、特許文献１）や、硬化前のコンクリート内に無線ＩＣタグを埋設する方法（例えば、特許文献２及び３）も案出されている。さらに、セメント、骨材、水等を混練するセメント製品の製造工程で混入する無線ＩＣタグも案出している（特許文献４）。
特開２００４−１４１４８３号公報 特開２００５−３３０７２９号公報 特開２００６−１８３２５７号公報 特開２００８−６３９００号公報

しかしながら、上述した従来のようにＩＣタグを貼付したり埋設した場合にあっては、ＩＣタグが建材や壁面から露出して配置されていたり、情報が記録されてから構造物に配設されるまでの工程で人手を介していたりすることから、ＩＣタグが破損したり、紛失したりする恐れがあるとともに、ＩＣタグに記録された情報が改ざんされる恐れや、情報を改ざんしたＩＣタグに差し替えられるという疑念が生じる恐れもあった。また、従来のＩＣタグをコンクリート中に入れた場合には、その薄いシート状の形態では混練時や打設時に加わる多大な応力により破損してしまう恐れがあった。さらに、平板状の従来のＩＣタグにあっては、その表面に平面形状のアンテナが配設されていて、無線交信するアンテナの指向性としてはＩＣタグ表面に直交する方向をピークとして、そこから傾くほど感度が弱まっていき、ＩＣタグ表面と平行な方向では全く送受信することができなくなるというアンテナ感度の指向性の狭さが問題であった。

セメント、骨材、水等を混練するセメント製品の製造工程で混入される無線ＩＣタグが開発されてはいるが、セメント製品の製造工程で混入される無線ＩＣタグにあっては、無線ＩＣタグがセメント製品の内方へ集中してしまうと、情報の書き込み・読み取りを正確に行うことができず適切な無線交信を行うことができないという問題がある。無線交信距離を伸ばす解決策として例えばＵＨＦ帯や短波帯タグを用いた情報通信を行えば長距離の情報の書き込み・読み取りは可能であるもの、その場合ＩＣタグにおける情報記憶容量が低下する、指向性が強くなるという問題がある。したがって、無線ＩＣタグは、セメント製品中においてできるだけ均等に分散させるとともにできるだけ打設したセメント製品の表面付近に位置させる必要がある。

また、セメント製品の製造工程で混入される無線ＩＣタグにあっては、セメント製品の強度に無線ＩＣタグが及ぼす影響を極力少なくするためにセメント製品と無線ＩＣタグとの密着性を高める必要がある。さらに、無線ＩＣタグ自体には、セメント、骨材、水等との混練時の力や、打設されて加わる圧縮力に耐えうる程度の強度性、セメントのアルカリ性に耐えうる程度の抗アルカリ性、混練時の熱に耐えうる程度の耐熱性が求められる。

そこで本発明は、これらの問題を解決すべく、セメント等と混練するための無線ＩＣタグであって、記録された情報が紛失したり改ざんされたりする恐れのない信頼性の高さで情報を記憶することができ、セメント等との混練や打設に耐えうる強度性、抗アルカリ性、耐熱性を有し、コンクリート中でも破損、溶解する恐れがなく且つアンテナ感度の指向性を広くすることができ、セメント製品中で無線交信に適した状態に分散するとともに、セメント等との密着性、親和性がよい、無線ＩＣタグを提供することを目的とする。

前記課題を達成するため、本発明のセメント、骨材、水等を混練するセメント製品の製造工程で混入されセメント製品中に分散される無線ＩＣタグは、無線交信で情報の書き込み・読み取り可能なアンテナ部を備えた無線ＩＣタグ本体と、抗アルカリ性樹脂材で形成され表面に複数の凹部を設け前記無線ＩＣタグ本体を内蔵してなる立体形状の保護体からなり、前記無線ＩＣタグの比重を、１．３〜１．９としてなることを特徴とするものである。

保護体表面に設けられる凹部は、保護体表面に複数施されてなる窪みをディンプル加工により形成してなることを特徴とする。

保護体は、抗強アルカリ性の熱可塑性樹脂材で形成してなることを特徴とする。

保護体は、ポリアミド樹脂材をガラス繊維、無機質フィラーにより強化した熱可塑性樹脂材で形成してなることを特徴とする。

保護体は、球状、楕円球体、多面体の立体形状としてなることを特徴とする。

保護体は、長手方向１７ｍｍ、短手方向１２ｍｍの俵型としてなることを特徴とする。

無線ＩＣタグ本体は、半導体材料よりなる不揮発性機能を有する半導体メモリ装置を備えるとともに電池を内蔵せずに受信した電波に共振して発電する電源部を備えてなることを特徴とする。

無線ＩＣタグ本体は、半導体が実装されてなる半導体基板を絶縁材料で覆ってなるチップ形状としたことを特徴とする。

アンテナ部は、曲面状に形成したことを特徴とする。

アンテナ部は、保護体の立体形状に倣った曲面状に形成したことを特徴とする。

上記構成によれば、本発明は、セメント、骨材、水等を混練するセメント製品の製造工程で混入されセメント製品中に分散される無線交信で情報の書き込み・読み取り可能なアンテナ部を備えた無線ＩＣタグを内蔵してなる保護体の表面には凹部を設けたことにより、保護体表面に設けた凹部にセメントが潜り込み、無線ＩＣタグとセメント製品との密着性が高まる。したがって、無線ＩＣタグが硬化後のセメント製品の強度に影響を与えることがなく、たとえば無線ＩＣタグが混入された個所からセメント製品が崩れる等の問題もない。また、無線ＩＣタグ自体の強度も高めることができ、内蔵される無線ＩＣタグが破損することもない。

保護体表面に設けられる凹部は、保護体表面に複数施されてなる窪みをディンプル加工により形成してなることにより、保護体表面に複数設けられた細かい凹部それぞれに、セメントが潜り込み無線ＩＣタグとセメント製品との密着性、親和性がより高まる。また、凹部をディンプル加工により形成することで、無線ＩＣタグの表面に均等に凹部を設けることが可能となり、例えば、無線ＩＣタグ本体を内蔵した保護体を射出成型して形成する際に同時に凹部を形成することも可能となる。

無線ＩＣタグは、比重１．３〜１．９に形成してなることにより、無線ＩＣタグがセメント製品中で底部に沈下したり、偏在したりすることなく均等に、且つ、セメント製品の表面近方に無線交信に適した状態に分散する。したがって、セメント製品硬化後においても、ＩＣタグ読み取り装置および書き込み装置による読み取り・書き込みを確実に行うことができる。

保護体は、長手方向１７ｍｍ、短手方向１２ｍｍの俵型としてなることにより、無線ＩＣタグが砂利等の骨材と一体に混練され、セメント製品中で底部に沈下したり、セメント製品中で偏在したりすることなくセメント製品の表面近方に均等に無線交信に適した状態に分散する。したがって、セメント製品硬化後においてＩＣタグ読み取り・書き込み装置による情報の読み取り・書き込みを確実に行うことができる。

保護体は、抗強アルカリ性の熱可塑性樹脂材で形成してなることにより、ＰＨ１２〜ＰＨ１３のアルカリ性のセメントに混練しても、無線ＩＣタグが溶解したり膨張したりすることがなく、無線ＩＣタグの破損、損傷の恐れがなく、セメント製品の強度に影響を与えることもない。

保護体は、ポリアミド樹脂材をガラス繊維、無機質フィラーにより強化した熱可塑性樹脂材で形成してなることにより強化した熱可塑性樹脂材で形成してなることにより、強アルカリ性のセメント中に混練しても、無線ＩＣタグが溶解したり膨張したりすることがなく、また、吸水による寸法変化や強度の低下が少なく、混練時の力や、打設されて加わる圧縮力に抗することができ、無線ＩＣタグの破損、損傷の恐れがなく、セメント製品の強度に影響を与えることもない。

保護体は、球状、楕円球体、多面体の立体形状としてなることにより、セメント、骨材、水等との混練時の力や、打設されて加わる圧縮力に抗することができ、破損、損傷の恐れがなくなる。

無線ＩＣタグ本体は、半導体材料よりなる不揮発性機能を有する半導体メモリ装置を備えるとともに電池を内蔵せずに受信した電波に共振して発電する電源部を備えてなる、いわゆるＦｅＲＡＭを用いることにより、従来のＥＥＰＲＯＭと比較して高速の読み書き、大容量の情報記録が可能で低電圧駆動、低消費電力とし、無線ＩＣタグ自体の寿命が長く、コンクリート打設後も長期に亘って情報の読み取り・書き込みを行うことができる。

無線ＩＣタグ本体は、半導体が実装されてなる半導体基板を絶縁材料で覆ってなるチップ形状としたことにより、保護体内において強度を保つことができる。

アンテナ部は、曲面状に形成したことにより、平面状のアンテナと比較してアンテナの指向性も拡がって無線交信が行いやすくなる。

アンテナ部は、保護体の立体形状に倣った曲面状に形成したことにより、さらにアンテナの指向性も拡がり無線交信が確実になる。

図１は、本発明の無線ＩＣタグの平面図、図２は、側面図、図３および図４は断面図、図５は、本発明の無線ＩＣタグを用いたコンクリート品質管理システム概念図である。

無線ＩＣタグ１は、チップ形状の無線ＩＣタグ本体４を球体、楕円体、多面体（例えば３２面体等）等の立体形状の保護体で被覆したおよそ数ミリメートルから数十ミリメートルまでの大きさのガラス玉のようなものであり、保護体の表面に凹部を形成してなるものである。

本発明の実施の形態の無線ＩＣタグ１は、チップ形状の無線ＩＣタグ本体４を、熱可塑性樹脂材からなる保護体２で覆うとともに、保護体２を立体形状、本実施の形態においては略楕円球体（俵型）に成形してなり、この保護体２の表面にディンプル加工を施すことにより複数の凹部３を設けてなる。

本発明の実施の形態の無線ＩＣタグ本体４は、強誘電体を利用した不揮発メモリであるＦｅＲＡＭと、駆動用に電池を内蔵する代わりに外部からの電波を受信しこれと共振して電流を発生する電源部と、所定の周波数帯域で無線交信するためのアンテナ部と、これらを制御する制御部を基板上に実装しこれを絶縁材料で覆ったチップ形状のＦｅＲＡＭタグである。したがって、無線ＩＣタグ本体４自身に大容量の情報を書き込み・読み取りすることができる。

このＦｅＲＡＭタグは、従来のＩＣタグに用いられていたＥＥＰＲＯＭと比較して書き換え回数が、ＥＥＰＲＯＭが１０の５乗回程度であるのに対し、ＦｅＲＡＭは１０の１３乗回以上と優れた性能を備えている。また、書き込み電圧は従来のＥＥＰＲＯＭが１２Ｖであるのに対して、ＦｅＲＡＭはＤＣ１．１Ｖ〜３Ｖと極めて低い電圧で書き込みを行うことができ、無線ＩＣタグ内部に電池を内蔵することなく、外部からの電波に共振して発電する電源部を備えたパッシブタイプでも十分足りるとともに、従来のＩＣタグに用いられていたＥＥＰＲＯＭと比較して５０００倍もの書き込み速度を有している。データの保存期間が１０年以上と長い。さらに、書き換えのアクセスにあっても、従来のＥＥＰＲＯＭやフラッシュメモリーではほとんどがブロック単位の書き込みであったのに対し、ＦｅＲＡＭはワード単位でランダムに書き込みを行えるという利点がある。ＦｅＲＡＭへの書き込みを制御する制御部は、一旦書き込まれた情報が改ざんされることがないように、追記はできるものの、上書きをできない設定とするものであり、データの書き込み・読み取りは暗号化したプロトコルを用いて行うことがよい。よって、約８ＫＢのメモリ容量中に、セメント製品に関する情報の他、構造物の情報、その他各種情報を、その都度、現場で、書き込み・読み取り装置の無線通信により、書き込み・読み取りができる。

この無線ＩＣタグ１において、無線交信する電波の帯域は特に限定されるものではなく、ＬＦ帯からＵＨＦ帯までを用いることができるが、本実施の形態においては、後述するように、無線ＩＣタグ１がセメント製品の表面に浮いてくる比重・形状に形成しているため、指向性が弱く、水や埃、金属の影響も比較的受けにくい長波帯の無線通信にも適したものである。無線ＩＣタグ１との間で情報の書き込み・読み取りをするリーダーライター装置は、コイル間で起こる電磁誘導を用いて情報の書き込み・読み取りを行う書き込み・読み取り装置である。

保護体２の表面には、凹部３が加工されている。この凹部は保護体２表面に設けられた複数の細かな凹部がディンプル加工形成されていて、この凹部にセメント製品が潜り込み、無線ＩＣタグ１とセメント製品との密着性、親和性が得られる。また、凹部３を形成することにより無線ＩＣタグの強度を高めることもできる。本実施の形態においては、射出成型時にディンプル加工を施すべく、無線ＩＣタグの両面に各２５個所、計５０個所のディンプル加工を施しているが、全面に施してもよいし、一部に施してもよい。また、本実施の形態の凹部の深さは、０．２〜０．５ｍｍ程度であるがこれに限られるものではない。凹部はディンプル加工に限られるものではなく、保護体２の表面に凹穴を形成したり、保護体２を湾曲させたり、保護体２を凹レンズ状に形成して凹部を設けてもよい。

無線ＩＣタグ１の比重は、１．３〜１．９の範囲であることが望ましく、本実施の形態においては、比重１．５に形成されている。無線ＩＣタグ１のコンクリート中での分散試験によれば１．３以下の比重で形成すると無線ＩＣタグ１はセメント製品中で浮いてしまいセメント製品表面に露出するおそれがある、１．９以上の比重で形成すると無線ＩＣタグ１はセメント製品中に分散することなく沈んだり偏在したりしてしまう。比重１．５付近で形成した無線ＩＣタグ１が最も均等にセメント製品の表面付近で分散することが確認されている。すなわち、骨材、セメント、水等を混練するセメント製品製造工程において、１立方メートルのセメント製品中に比重１．５の無線ＩＣタグ１を複数個投入したところ、セメント製品の表面からは平均９．３センチメートルの位置に無線ＩＣタグが位置し、標準偏差３．８２６、中央値８．００、最小値４．１７、最大値１１．８３が得られた。したがって、無線通信による書き込み・読み取り距離が１０センチメートル程度の無線ＩＣタグ１にあっても、確実に情報の書き込み・読み取りを行うことができる（表１）。

無線ＩＣタグ１の大きさは、骨材と同程度の大きさとすることが望ましく、本実施の形態においては、長手方向１７ｍｍ、短手方向１２ｍｍの略楕円球体（俵型）に形成し、セメント製品との親和性を高め、セメント製品中で沈下しないようにしている。

保護体２は、熱可塑性樹脂材により形成され、保護体２の中央に無線ＩＣタグ本体３が位置するように被覆している。具体的に保護体２は、ＰＨ１２．０〜１３．０のセメントの強アルカリ性に抗することができ、骨材、水、セメントの混練時にかかる温度約１００℃に耐えうる、抗アルカリ性の樹脂材を用いる。本発明の実施の形態においては、ポリアミド系樹脂を用い、特に、ポリアミドＭＸＤ６系複合樹脂を保護体２の材料として用いた場合には、広い温度範囲にわたり優れた機械的強度、弾性率を示し、また、吸水率が低く、骨材、水、セメント等と混練したときに吸水による寸法変化や機械的強度の低下が低いことが確認された。尚、ポリアミドＭＸＤ６を非透磁性のガラス繊維、無機質フィラー等で強化したレニー材（三菱エンジニアリングプラスチックス株式会社製）を保護体２として用い、この保護体２で無線ＩＣタグ本体を被覆し射出成形した。この場合、無線ＩＣタグ１は、強度は長手方向からの荷重では平均１９７ｋｇｆ、短手方向からの荷重では少なくとも平均１４８ｋｇｆに耐えうることが確認されている。さらに、アルカリ骨材反応の促進法によるタグの膨張試験によれば、骨材、水、セメント等を混練するセメント製品の製造工程で無線ＩＣタグ１を投入したところ、平均膨張率は０．４９パーセントであり、硬化後のセメント製品への影響がない程の膨張率であった。また、非透磁性のガラスファイバーを含有しているが、フェライト等の磁性を有する物質は含有しないため、無線通信に影響も及ぼさない。尚、保護体２に用いる熱可塑性樹脂材は、ポリアミド系樹脂の他、ウレタン樹脂、塩化ビニル樹脂、スチレン系樹脂、オレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂であってもよい。

また、本発明の第二の実施の形態として、無線ＩＣタグ５は、強誘電体を利用した不揮発メモリであるＦｅＲＡＭ５１と、駆動用に電池を内蔵する代わりに外部からの電波を受信しこれと共振して電流を発生する電源部５２とで無線交信するためのアンテナ部５３と、これらを制御する制御部５４を、立体形状からなる無線ＩＣタグの曲面上（折曲面上でも可）にその曲面に倣って３次元的に形成していて、そして、これらを保護すべく凹部を施した被覆体６が全体を覆う形状としてもよい。アンテナ部５３を曲面上に形成することで確実に情報の書き込み・読み取りを行うことができる。

このような構成からなる無線ＩＣタグ１は、例えば、コンクリート品質管理システムにおいて用いられる。始めに、生コン会社において、初期状態の無線ＩＣタグ１を多数用意し、これをセメント、砂利等の骨材、水、セメント等を混練するセメント製品の製造工程において、例えばセメント製品１立方メートルにつき１個程度の割合で混入する。そして、セメント製品の測定工程に配置された自動測定装置がセメント製品の水／セメント比、セメント混和剤、温度等の製品特性値を測定するとともに、自動測定装置と連結したＩＣタグ書き込み装置が、無線ＩＣタグ１の混入時に、自動測定装置により測定した製品特性値および製造年月日等からなる製造情報を自動的に書き込む。さらに、この無線ＩＣタグ１に書き込まれた製造情報は、必要に応じてコンクリート品質管理システムを集中管理する集中管理サーバー７にも記録してもよく、データの連携を図ってもよい。

この無線ＩＣタグ１を混入したセメント製品をミキサー車９に載せ、運搬年月日等の運搬情報を運搬担当者等が、ＰＤＡ（携帯情報端末）に組み込まれ、予め暗号化された信号で無線交信するように設定されているＩＣタグ書き込み装置によりミキサー車９でセメント製品に混入している無線ＩＣタグ１に書き込む。

このミキサー車が現場に到着すると、現場の担当者は同じくＰＤＡに組み込まれたＩＣタグ書き込み装置を用いて、受け入れ日時、試験結果、混入確認等の受入情報を暗号化された信号で無線ＩＣタグ１に書き込み、それと同時に必要に応じて集中管理サーバー８にも記録する。そして、この無線ＩＣタグ１を混入したセメント製品が打設され、コンクリート構造物が形成される。現場の工事を担当するゼネコンにあっても、コンクリート構造物の工区ごと、部位ごとに、そこに位置する無線ＩＣタグ１に対してＩＣタグ書き込み装置１０を用いて配筋データ等の構造物情報を随時追記で記録し、読み取ることができる。

このようにしてコンクリート構造物が完成した後は、予め暗号化された信号で無線交信するように設定されているＰＤＡに組み込んだＩＣタグ読み込み装置１１を用いて、コンクリート構造物中の無線ＩＣタグ１に記録されている各種情報を読み取ることができる。

また、上述した集中管理サーバー７は、多数の現場における無線ＩＣタグ１に書き込まれた情報を統括するもので、必要に応じて現場の施工業者、施工依頼主、利用者、各種業界団体等にそれらの情報を提供するものである。さらに、セメント製品に関する情報を書き込んだ上で余剰のメモリ領域は、構造物の配線情報、地域情報等種々の情報をその後必要に応じて書き込んでもよい。

本発明の無線ＩＣタグの平面図である。 図１に示す無線ＩＣタグの側面図である。 図１に示す無線ＩＣタグのＡ−Ａ断面図である。 図１に示す無線ＩＣタグのＢ−Ｂ断面図である。 本発明の第二の実施の形態の無線ＩＣタグの説明図である。 本発明の第二の実施の形態の無線ＩＣタグの説明図である。 本発明の無線ＩＣタグを用いたコンクリート品質管理システムの説明図である。

１ 無線ＩＣタグ
２ 保護体
３ 凹部
４ 無線ＩＣタグ本体
５ 無線ＩＣタグ
５１ＦｅＲＡＭ
５２電源部
５３アンテナ部
５４制御部
６ 被覆体
７ コンクリート品質管理システム
８ 集中管理サーバー
９ ミキサー車
１０ ＩＣタグ書き込み装置
１１ ＩＣタグ読み込み装置

Claims (10)

1. セメント、骨材、水等を混練するセメント製品の製造工程で混入されセメント製品中に分散される無線ＩＣタグは、無線交信で情報の書き込み・読み取り可能なアンテナ部を備えた無線ＩＣタグ本体と、抗アルカリ性樹脂材で形成され表面に複数の凹部を設け前記無線ＩＣタグ本体を内蔵してなる立体形状の保護体からなり、前記無線ＩＣタグの比重を、１．３〜１．９としてなることを特徴とする無線ＩＣタグ。
2. 保護体表面に設けられる凹部は、保護体表面に複数施されてなる窪みをディンプル加工により形成してなることを特徴とする請求項１に記載の無線ＩＣタグ。
3. 保護体は、抗強アルカリ性の熱可塑性樹脂材で形成してなることを特徴とする請求項１または２に記載の無線ＩＣタグ。
4. 保護体は、ポリアミド樹脂材をガラス繊維、無機質フィラーにより強化した熱可塑性樹脂材で形成してなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の無線ＩＣタグ。
5. 保護体は、球状、楕円球体、多面体の立体形状としてなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の無線ＩＣタグ。
6. 保護体は、長手方向１７ｍｍ、短手方向１２ｍｍの俵型としてなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の無線ＩＣタグ。
7. 無線ＩＣタグ本体は、半導体材料よりなる不揮発性機能を有する半導体メモリ装置を備えるとともに電池を内蔵せずに受信した電波に共振して発電する電源部を備えてなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の無線ＩＣタグ。
8. 無線ＩＣタグ本体は、半導体が実装されてなる半導体基板を絶縁材料で覆ってなるチップ形状としたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の無線ＩＣタグ。
9. アンテナ部は、曲面状に形成したことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の無線ＩＣタグ。
10. アンテナ部は、保護体の立体形状に倣った曲面状に形成したことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の無線ＩＣタグ。

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