JP6875672B2 - 構造物の歪センサ及び構造物歪検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、構造物の歪センサ及び構造物歪検出方法に関する。

従来、トンネル、橋梁、鉄塔、機械設備といった構造物の変形を確認する方法として、歪ゲージをセンサとして用いる方法が一般に知られている。例えば、コンクリート構造物の変形を確認する方法として、以下の特許文献１に記載された歪ゲージをセンサとして用いる方法が知られている。

特開２００６−２７５６９８号公報

しかし、歪ゲージを設置した箇所にひび割れが生じると弾性歪が生じていた場合と比較してひび割れ幅に対応する大きな変形が生じる。このため、特許文献１に記載された歪ゲージを用いたセンサは、ひび割れに対する変形に追従できず、検出することができなくなってしまう問題がある。

本発明は、構造物にひび割れが生じても、構造物の変形を検出することが可能な構造物の歪センサを提供することを目的とする。

第１の態様の歪センサは、構造物の表面の歪を検出する歪センサであって、基板面に沿う方向に伸縮性を有する伸縮基板と、導電性を有し、前記基板面に沿う方向に延びるように配線され、前記基板面に沿う方向に伸縮性を有する伸縮配線と、を備える。

本態様では、構造物に大きな歪が発生しても、伸縮基板及び伸縮配線が歪に対して伸縮するため、構造物にひび割れが生じても、構造物の変形を検出することが可能である。

第２の態様の歪センサは、前記伸縮基板に前記伸縮配線が複数配列された第１の態様の歪センサである。

本態様では、複数箇所の歪を別々に検出することができるため、構造物の表面における歪の分布を検出することができる。

第３の態様の歪センサは、伸縮配線が前記基板面に配置された印刷配線である第１又は第２の態様の歪センサである。

本態様では、加工された伸縮基板に対して伸縮配線を任意のパターンで設けることができるため、伸縮配線を簡単且つ安価に設けることができる。

第４の態様の歪センサは、前記伸縮基板及び前記伸縮配線が可撓性を有する第１から第３の態様のいずれかの歪センサである。

本態様では、歪センサを構造物の曲表面や凹凸表面に貼り付けることができる。

第５の態様の歪センサは、前記伸縮配線の電気抵抗を検出する歪検出部をさらに備える第１から第４の態様のいずれかの歪センサである。

本態様では、検出された電気抵抗から構造物の表面における歪を算出することができる。

第６の態様の歪センサは、前記歪検出部で検出した電気抵抗に基づく情報の無線送信を行う無線送信部をさらに備える第５の態様の歪センサである。

本態様では、遠隔における歪のモニタリングが可能となり、監視作業やメンテナンス作業の効率化を行うことができる。

第７の態様の歪センサは、少なくとも前記無線送信部に、電力を供給するバッテリをさらに備える第６の態様の歪センサである。

本態様では、無線送信部への電力の供給配線を設ける必要がないため、構造物に対して、歪センサを任意の場所に設置することができる。

第８の態様の構造物歪検出方法は、第１から第７のいずれかの態様の歪センサを構造物に設置する設置工程と、
前記伸縮配線の歪を検出する歪検出工程と、を実施する。

本態様では、構造物に大きな歪が発生しても、伸縮基板及び伸縮配線が歪に対して伸縮するため、構造物にひび割れが生じても、構造物の変形を検出することが可能である。

第９の態様の構造物歪検出方法は、前記検出した歪に基づく情報の無線送信を行う無線送信工程をさらに実施する第８の態様の構造物歪検出方法である。

本態様では、遠隔における歪のモニタリングが可能となり、監視作業やメンテナンス作業の効率化を行うことができる。

本発明の構造物の歪センサは、構造物にひび割れが生じても、構造物の変形を検出することできる。

本発明に係る第一実施形態における歪センサの設置状態を示す図である。 本発明に係る第一実施形態における歪センサの要部の断面図である。 本発明に係る第一実施形態における直線状のパターンの伸縮配線を示す図である。 本発明に係る第一実施形態の変形例におけるＵ字パターンの伸縮配線を示す図である。 本発明に係る第一実施形態の変形例におけるジグザグパターンの伸縮配線を示す図である。 本発明に係る第一実施形態の変形例におけるクロスパターンの伸縮配線を示す図である。 本発明に係る第二実施形態における歪センサの要部の断面図である。 本発明に係る第三実施形態における歪センサの要部の断面図である。 本発明に係る第三実施形態における歪センサの概要図である。 図８のＸ部の拡大図である。 本発明に係る第三実施形態の変形例における歪センサの要部の概要図である。 本発明に係る構造物歪検出方法の実施形態のフローチャートである。 検出されたコンクリート構造物の歪の時間変化を示すグラフである。

以下、本発明に係る各種実施形態について、図面を用いて説明する。

「第一実施形態」
以下、本発明に係る歪センサの第一実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。

図１に示すように、歪測定システム５は、歪センサ１０と、処理部９０とを備える。
歪センサ１０は、センサ本体部２０と、伸縮基板３０と、歪検出部６０とを備え、コンクリート構造物１の表面１ａに設置される。
センサ本体部２０は複数有しており、伸縮基板３０の一方の面に並べて配列されるとともに固定されている。
本実施形態では、複数のセンサ本体部２０が配置された伸縮基板３０が、トンネルに設置され、トンネルの内壁表面の歪を検出する。

図１に示すように、伸縮基板３０は、複数のセンサ本体部２０が配列された一方の面をコンクリート構造物１の表面１ａに対向するように貼り付けられる。よって、複数のセンサ本体部２０は、コンクリート構造物１の表面１ａに面状に配置されている。
なお、図１の下部に示した図は、複数のセンサ本体部２０を含む１枚の伸縮基板３０の一部分を拡大した図であって、コンクリート構造物１に向かって、伸縮基板３０を透視して複数のセンサ本体部２０を見た図を示している。
歪センサ１０は、後で詳しく示す歪検出部６０において、コンクリート構造物１の表面１ａにおけるセンサ本体部２０が設置された各点についての歪を検出する。

本実施形態では、各センサ本体部２０が固定された伸縮基板３０を複数枚設け、コンクリート構造物１の表面１ａの全体にわたって当該伸縮基板３０を並べて貼り付けている。よって、複数のセンサ本体部２０は、コンクリート構造物１の表面１ａの全体にわたって並べて配置されている。

歪検出部６０と処理部９０とは、通信可能なように電線や光ファイバー等で接続されており、検出された各点の歪に基づく情報は、歪センサ１０の歪検出部６０から処理部９０に出力される。
歪検出部６０から送られてきた各点の歪に基づく情報は、処理部９０において表示、印刷等によって出力され、作業者に提示される。処理部９０は、各点の歪をそのまま出力するものであってもよいが、次に示すようにマップデータで出力するものであってもよい。

処理部９０には、複数のセンサ本体部２０が設置された各点と各点の位置との関係が予め記憶されている。処理部９０は、当該記憶された当該関係から、検出された各点の歪に基づく情報とコンクリート構造物１の表面１ａの位置とを関連付ける。
したがって、処理部９０は、検出された各点の歪に基づく情報とコンクリート構造物１の表面１ａの位置とを関連付けることによって、コンクリート構造物１の表面１ａの歪のマップデータを作成することができる。
また、処理部９０は、時間と検出された各点の歪に基づく情報との関係から、歪の時間変化を示すグラフを作成することができる。
作成されたマップデータやグラフは、処理部９０において表示、印刷等によって出力され、作業者に提示される。作業者に提示されるマップデータは、歪と位置との関係を等高線やカラーマップで示すものであり、作業者に提示されるグラフは、時間と歪との関係を線グラフで示すものである。
歪と位置との関係を等高線やカラーマップで示すことで、作業者は、コンクリート構造物１の表面１ａに沿った歪の二次元分布を評価することができる。
また、時間と歪との関係を線グラフで示すことで、作業者は、コンクリート構造物１のひび割れの発生やひび割れの進展を評価することができる。
本実施形態では、作業者は、当該マップデータや当該グラフからコンクリート構造物１の表面１ａ又はコンクリート構造物１の内部のひび割れを判断し、ひび割れの発生やひび割れの進展の報告又はひび割れ箇所の補修や保守を行う。
本実施形態に用いる処理部９０は、ＣＰＵ、記憶部、Ｉ／Ｏ部等を有するコンピュータシステムであればどのようなものを用いてもよいが、電気回路や電子回路で構成してもよい。また、任意の場所で検出された歪に基づく情報を確認できるように、処理部９０としてノートパソコン、ＰＤＡ、タブレット等の携帯端末を用いてもよい。

本実施形態の伸縮基板３０の構造について説明する。
伸縮基板３０は、可撓性を有する薄いシート状であるとともに、基板面３０ａに沿う方向に伸縮性を有する。本実施形態では、伸縮基板３０として、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）を用いている。
伸縮基板３０を構成する伸縮性を有する材料としては、ポリフッ化ビニリデンの他に、ポリウレタン、シリコーンゴム、ポリ塩化ビニル、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、パリレン、スチレンブタジエンゴム、クロロプレンゴム、アクリルゴムが挙げられる。また、当該材料に比べて低伸縮ながら布やポリイミドを用いることも可能である。
例えばポリウレタンゴムは、伸び（破断伸度）は１０００％まで至り、シリコーンゴムでも伸び（破断伸度）は２００％まで至るように、非常によく伸びる材料である。

本実施形態のセンサ本体部２０の構造について説明する。
図２は、コンクリート構造物１のＸ−Ｚ平面における各センサ本体部２０の断面を示す。
各センサ本体部２０は、可撓性を有する伸縮配線４０を備える。

伸縮配線４０は、コンクリート構造物１の表面１ａに対し、対向するように配置され、コンクリート構造物１の表面１ａに固定されている。本実施形態では、伸縮配線４０の全体をコンクリート構造物１の表面１ａに接着剤５０で固定している。
伸縮配線４０は、基板面３０aに配線されており、少なくとも基板面３０ａに沿う方向に伸縮性を有している。本実施形態では、伸縮配線４０として、ポリフッ化ビニデン系樹脂をバインダーとして、銀フレーク粒子、及び銀球状粒子を混ぜ合わせた複合材料を用いている。

伸縮配線４０を構成する伸縮性のある材料としては、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、銀フレーク及び銀球状粒子を混ぜ合わせた複合材料の他に、例えば、ポリフッ化ビニリデン系樹脂及び銀フレークを混ぜ合わせた複合材料が挙げられる。また、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、銀フレーク、銀球状粒子及びグラフェンを混ぜ合わせた複合材料も挙げられる。さらに、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、銀フレーク及びグラフェンを混ぜ合わせた複合材料、又はポリウレタン及び銀フレークを混ぜ合わせた複合材料が挙げられる。

伸縮配線４０は、導電性を有するパターンであって、固定されたコンクリート構造物１の表面１ａの歪の変化に応じてパターンが変形することで電気抵抗が変化する。
本実施形態において、伸縮配線４０は、図３に示すようなＸ方向に延び、両端に端部４０ａ及び４０ｂを有する直線状のパターンである。当該直線パターンとすることで、Ｘ方向の歪の変化を端部４０ａと４０ｂとの間の電気抵抗の変化として検出することができる。
変形例として、伸縮配線を、Ｘ方向に延びつつ、Ｘ方向に一回折り返されたＵ字パターン（図４）であって、当該Ｕ字パターンの両端に端部４０ａ′及び端部４０ｂ′を有する伸縮配線４０′としてもよい。当該Ｕ字パターンとすることで、直線状のパターンに比べて歪に対する端部４０ａ′と４０ｂ′と間の電気抵抗の変化を大きくすることができ、高感度な歪の検出が可能となる。
さらなる変形例として、伸縮配線を、Ｘ方向に複数回折り返したジグザグパターン（図５）であって、当該ジグザグパターンの両端に端部２４０ａ及び端部２４０ｂを有する伸縮配線２４０としてもよい。当該ジグザグパターンとすることで、歪に対する端部２４０ａと端部２４０ｂとの間の電気抵抗の変化をさらに大きくすることができる。
他の変形例として、伸縮配線を、Ｙ方向の折り返しとＸ方向の折り返しとを組み合わせたクロスパタ−ン（図６）であって、当該クロスパターンの両端に端部３４０ａ及び端部３４０ｂを有する伸縮配線３４０としてもよい。当該クロスパターンとすることで、Ｘ方向及びＹ方向の歪の変化を、端部３４０ａと端部３４０ｂとの間の電気抵抗の変化として検出することができる。

本実施形態では、伸縮配線４０は、伸縮基板３０の基板面３０ａにスクリーン印刷といった安価な方法によって成膜された印刷配線であるが、マスク印刷、インクジェット印刷、ディスペンサー印刷、グラビア印刷、フレキソ印刷、オフセット印刷等によって成膜された印刷パターンとしてもよい。さらに印刷に限らず、伸縮基板３０の基板面３０aに成膜できるなら、伸縮配線の信頼性向上のため、めっき、オーバーコートのような方法によって成膜してもよい。
伸縮配線４０と伸縮基板３０とが剥がれないようにするためには、以下の点に気を付ければよく、伸縮配線４０と伸縮基板３０との間の密着性を高くすることができる。
伸縮配線４０と伸縮基板３０との間に高い密着性を得るためには、化学的結合（水素結合）、物理的結合（ファンデルワールス力）、機械的結合（アンカー効果）が必要である。同系統の樹脂が伸縮配線４０と伸縮基板３０とに含まれる場合、両者の接着する際に加熱、加圧、溶解などの処理を行うことにより高い密着性が得られる。異種材料である場合、シランカップリング材やプライマー処理を施すことで高い密着性が得られる場合がある。
本実施形態では、伸縮配線４０に含まれるポリマーと同種のポリフッ化ビニリデン樹脂を伸縮基板３０へ使用した。よって、印刷時にはペースト中の溶剤が伸縮基板３０を溶解し、印刷ののち加熱処理を施すと、伸縮配線４０と伸縮基板３０との密着性を高いものとすることが可能となる。

接着剤５０は、伸縮基板３０や伸縮配線４０と同様に、可撓性を有するとともには、少なくとも基板面３０ａに沿う方向に伸縮性を有する。本実施形態では、シリコーン系材料からなる接着剤を用いているが、可撓性及び伸縮性を有する接着剤であれば、どのような接着剤であってもよい。

歪検出部６０と各センサ本体部２０とは、配線３ａ及び配線３ｂによって電気的に接続されている。
具体的には、配線３ａと伸縮配線４０の端部４０ａとが電気的に接続され、配線３ｂと伸縮配線４０の端部４０ｂとが電気的に接続されている。歪検出部６０は、配線３ａと配線３ｂとの間の電気抵抗を検出することによって、伸縮配線４０の端部４０ａと４０ｂとの間の電気抵抗を検出し、圧縮歪又は引張歪を測定する。
歪検出部６０における電気抵抗の検出方式は、二端子測定法、四端子測定法、ホイートストンブリッジ等どのような方式を用いたものでもよい。
本実施形態において、歪検出部６０は、トンネル内に設置されても、トンネル外に設置されてもどちらでも構わない。

本実施形態の歪センサ１０の作用、効果について説明する。
本実施形態では、伸縮基板３０及び伸縮配線４０が基板面３０ａに沿う方向に伸縮性を有する。よって、コンクリート構造物１の表面１ａに大きな歪が発生しても、伸縮基板３０や伸縮配線４０は伸縮するため、歪に対して耐性を有する。
本実施形態の歪センサ１０の歪の最大レンジは、圧縮側についてはコンクリートの圧壊歪相当する１００００μｍ程度、引張側については最大ひび割れ幅に相当する１〜２ｍｍ程度としている。
また、本実施形態の歪センサ１０の歪の分解能は、少なくとも圧縮側については１０μｍ程度、引張側についてはひび割れ幅に相当する０．１ｍｍ程度としている。
したがって、本実施形態の歪センサ１０は、大きな歪が発生した後も歪を検出することができるため、長期にわたって歪を検出し続けることが可能となり、検出の度に検出現場に赴く必要がなく、常時遠隔での測定も可能となる。

「第二実施形態」
以下、本発明に係る歪センサの第二実施形態について、図７を参照して説明する。

本実施形態の歪センサは、第一実施形態と基本的に同じであるが、センサ本体部の構造が異なっている。

本実施形態の歪測定システム１０５の歪センサ１１０は、複数のセンサ本体部１２０と、伸縮基板１３０と、歪検出部６０とを備え、コンクリート構造物１の表面１ａに設置される。複数のセンサ本体部１２０は、伸縮基板１３０の一方の面に並べて配列されるとともに固定されている。複数のセンサ本体部１２０のうちの一つを図７に示す。

本実施形態の伸縮基板１３０の構造について説明する。
伸縮基板１３０は、基板層１３１及び粘着層１３２を備え、合わせて５０μｍの厚さを有する。伸縮基板１３０は、可撓性を有するとともに、基板面１３０ａに沿う方向に伸縮性を有する。本実施形態では、基板層１３１、粘着層１３２にそれぞれ、ポリイミド、シリコーン系材料を用いている。本実施形態において、粘着層１３２は、基板層１３１全体に設けているが、粘着層１３２は、基板層１３１全体のうち、複数のセンサ本体部１２０が固定される位置だけに設けるものであってもよい。又は粘着層１３２は無くてもよく、その場合は基板層１３１と４１が同種又は密着性の高い材料で構成される。

伸縮基板１３０は、さらに、表裏面に貫通する２つの導通部１３４ａ、１３４ｂと、配線３ａに接続されるコンタクト部１３３ａと、配線３ｂに接続されるコンタクト部１３３ｂと、を備える。

導通部１３４ａ及びコンタクト部１３３ａは、後に示す伸縮配線４０の端部４０ａのＺ方向位置にそれぞれ配置され、配線３ａと伸縮配線４０の端部４０ａとを電気的に接続する。
同様に、導通部１３４ｂ及びコンタクト部１３３ｂは、伸縮配線４０の端部４０ｂにＺ方向位置にそれぞれ配置され、配線３ｂと伸縮配線４０の端部４０ｂとを電気的に接続する。
よって、配線３ａと配線３ｂとの間の電気抵抗を測定することで、伸縮配線４０の端部４０ａと４０ｂとの間の電気抵抗を検出することができる。

本実施形態のセンサ本体部１２０の構造について説明する。
図７は、コンクリート構造物１のＸ−Ｚ平面における一つのセンサ本体部１２０の断面を示す。

センサ本体部１２０は、端部４０ａ及び端部４０ｂを備える伸縮配線４０と、コーティング層４１と、Ｘ方向に互いに離れて配置された２つの脚部４２ａ及び脚部４２ｂと、を備える。伸縮配線４０は、コーティング層４１を合わせて５０μｍの厚さを有する。

伸縮配線４０は、コンクリート構造物１の表面１ａに対し対向するように配置され、コンクリート構造物１の表面１ａにコーティング層４１及び接着剤５０を介して固定されている。本実施形態では、伸縮配線４０は、脚部４２ａと脚部４２ｂとの間において、接着剤５０で固定されている。
本実施形態の場合、伸縮配線４０のうち、脚部４２ａの周辺及び脚部４２ｂの周辺部分は、後で説明するとおり、コンクリート構造物１の表面１ａに固定されないこととなり、歪を検出することができない。
しかし、伸縮配線４０のうち、脚部４２ａの周辺及び脚部４２ｂの周辺を除いた大部分は、コンクリート構造物１の表面１ａへ固定されているため、コンクリート構造物１の表面１ａの歪を当該大部分で検出することができる。

コーティング層４１は、伸縮配線４０を覆うように伸縮基板１３０の基板面１３０ａに配置されている。コーティング層４１は、可撓性を有するとともには、基板面１３０ａに沿う方向に伸縮性を有する。
本実施形態において、コーティング層４１は、シリコーンで形成されている。

脚部４２ａ及び脚部４２ｂは、コンクリート構造物１の表面１ａに対向するように、コーティング層４１に配置されている。脚部４２aは、導通部１３４aのＺ方向延長上に配置されている。同様に脚部４２ｂは、導通部１３４ｂのＺ方向延長上に配置されている。
本実施形態において、脚部４２ａ及び脚部４２ｂは、シリコーンで形成されている。

本実施形態の歪センサ１１０は、第一実施形態の作用、効果に加えて以下の作用、効果を有する。

まず、脚部４２a及び脚部４２ｂの作用効果について説明する。ここでは説明の簡略化のためにＺ方向を上下方向として説明する。
本実施形態では、脚部４２aを導通部１３４aの直下に配置し、脚部４２ｂを導通部１３４ｂの直下に配置している。
センサ本体部１２０のコンクリート構造物１の表面１ａと対向する部分のうち、脚部４２a及び脚部４２ｂの直下の部分は、接着剤５０で接着されておらず、コンクリート構造物１の表面１ａに固定されていない。
また、脚部４２ａ及び脚部４２ｂは、センサ本体部１２０のコンクリート構造物１の表面１ａと導通部１３４ａ及び導通部１３４ｂの間の物理的距離を、脚部４２a及び脚部４２ｂがない場合に比べて大きくする。
よって、脚部４２a及び脚部４２ｂにより、導通部１３４ａ及び導通部１３４ｂは、直下においてコンクリート構造物１の表面１ａに固定されず、加えて物理的距離も大きくなるため、コンクリート構造物１からの歪を直接受けにくい構造となっている。
したがって、歪検出時における導通部１３４ａとコンタクト部１３３ａとの間に発生する歪やコンタクト部１３３ａと配線３ａとの間に発生する歪を緩和できるため、コンタクト部１３３ａの劣化を抑制することができる。同様に、コンタクト部１３３ｂの劣化を抑制することもできる。
変形例として、導通部１３４a及び１３４ｂの直下にヤング率の高い材料をコーティング層４１の下方部に張り付け又は埋め込むことによって、歪を緩和してもよい。他の変形例として、コーティング層４１のヤング率が、上方向から下方向に向かって徐々に大きく又は儒所に小さく変化するように構成し、一層歪を緩和してもよい。
別の変形例として、導通部１３４a及び１３４ｂの周辺にヤング率の高い材料を埋め込み又は張り付けることで、導通部１３４a及び１３４ｂにかかる歪を最小限に抑える構造を設けてもよい。

また、本実施形態ではコーティング層４１を設けているため、伸縮配線４０の環境劣化を抑制することができる。

「第三実施形態」
以下、本発明に係る歪センサの第三実施形態について、図８〜図１０を参照して説明する。

本実施形態の歪センサは、第一実施形態及び第二実施形態と基本的に同じであるが、無線送信部を備える点が異なっている。

図８に示すように、歪測定システム４０５は、歪センサ４１０と、処理部４９０を備える。
歪センサ４１０は、複数のセンサ本体部４２０と、伸縮基板４３０と、複数の歪検出ユニット８０と、を備える。本実施形態では、図８に示すように、各センサ本体部４２０の隣に対応する歪検出ユニット８０が配置されている。

本実施形態では、伸縮基板４３０は、可撓性を有するとともに、基板面４３０ａに沿う方向に伸縮性を有するシートで形成されている。
図９に示すように、１つのセンサ本体部４２０及び１つの歪検出ユニット８０の複数の対は、伸縮基板４３０全体にわたって格子状に並ぶように、伸縮基板４３０の基板面４３０ａに設けられている。

各センサ本体部４２０は、コンクリート構造物１の表面１ａに接着剤５０によって固定される。
加えて、伸縮基板４３０を薄いシートで構成し、センサ本体部４２０及び歪検出ユニット８０を避けた位置において、伸縮基板４３０をコンクリート構造物１の表面１ａにピンやステープル等で固定することによって、センサ本体部４２０をコンクリート構造物１により安定に固定することができる。

各歪検出ユニット８０は、図１０に示すように、歪検出部４６０と、無線送信部８１と、バッテリ８２と、を備える。

第一実施形態と同様に、センサ本体部４２０は、可撓性を有する伸縮配線４０を備える。配線４０３ａ、配線４０３ｂは、伸縮配線４０の端部４０ａ、端部４０ｂにそれぞれ電気的に接続されている。
歪検出部４６０とセンサ本体部４２０とは、伸縮基板４３０内又は伸縮基板４３０の基板面４３０ａに配線された配線４０３ａ及び配線４０３ｂによって電気的に接続されて、伸縮配線４０の端部４０ａと端部４０ｂとの間の電気抵抗を検出する。

歪検出部４６０は、歪を常時検出してもよいし、必要な時だけ検出してもよい。

無線送信部８１は、歪検出部４６０と通信可能なように電線や光ファイバー等で接続されており、歪検出部４６０で検出された歪に相当する信号を受け取る。歪検出部４６０で検出された歪に基づく情報を処理部４９０に無線で送信する。本実施形態では、無線送信部８１は、歪検出部４６０で検出された歪に相当する信号を受け取り、当該歪に相当する信号Ｓｄに変換する。変換された信号Ｓｄは、無線送信部８１によって、処理部４９０に送信される。送信される信号Ｓｄは、検出された歪に相関した信号であればどのような信号でもよく、アナログ方式でも、デジタル方式でも、どちらの方式でもよい。また、送信形態は光、電波、電磁波等どのような通信形態でもよい。
このとき、検出された歪に基づく情報がどの歪検出ユニット８０からの情報かを識別できるように、各無線送信部８１は、自身が設けられている歪検出ユニット８０の識別情報を、検出された歪に基づく情報と併せて処理部４９０に送る。

バッテリ８２は、無線送信部８１及び歪検出部４６０に必要な電力を供給する。バッテリ８２によって無線送信部８１や歪検出部４６０に必要な電力を供給すれば、電力の供給配線を設ける必要がないため、コンクリート構造物１の表面１ａに対して歪センサ４１０を任意の場所に設置することができる。
本実施形態では各歪検出ユニット８０がバッテリ８２を備えているが、変形例として各歪検出ユニット８０にバッテリ８２を設けずに、いくつかの歪検出ユニット８０毎にバッテリを設け、一つのバッテリからいくつかの歪検出ユニット８０に電力を供給してもよい。
電力の供給配線の敷設に困難がない場合は、バッテリではなく電力の供給配線によって、複数の歪検出ユニット８０に電力を供給してもよい。

処理部４９０は、各歪検出ユニット８０から送られてきた検出された歪に基づく情報及び歪検出ユニット８０の識別情報を取集し、作業者に提供する。
本実施形態では、処理部４９０には、歪検出ユニット８０の識別情報と各歪検出ユニット８０が設置された位置との関係がデータとして予め記憶されている。処理部４９０は、当該記憶された関係から、歪検出ユニット８０の識別情報を用いて、検出された歪に基づく情報とコンクリート構造物１の表面１ａの位置とを関連付ける。
したがって、検出された歪に基づく情報とコンクリート構造物１の表面１ａの位置とを関連付けることによって、処理部４９０は、各歪検出ユニット８０から送られてきた情報から、コンクリート構造物１の表面１ａの歪のマップデータを作成する。
作成されたマップデータは、処理部４９０によって、表示、印刷等によって出力され、作業者に提示される。作業者に提示されるマップデータは、歪と位置との関係を等高線やカラーマップで示される。
本実施形態では、作業者は、当該マップデータからコンクリート構造物１の表面１ａ又は内部の歪を把握し、ひび割れの補修や保守を行うことができる。
本実施形態において、任意の場所で検出された歪に基づく情報を確認できるように、処理部４９０としてノートパソコン、ＰＤＡ、タブレット等の携帯端末を用いている。

本実施形態の歪センサ４１０のさらなる作用、効果について説明する。
本実施形態では、１つのセンサ本体部４２０及び１つの歪検出ユニット８０の複数の対を伸縮基板４３０全体にわたって格子状に並べているので、センサ本体部４２０は、コンクリート構造物１の表面１ａにおける格子状の各点についての歪を検出することができる。したがって、コンクリート構造物１の表面１ａに沿って、歪の二次元分布を測定することができる。
また、本実施形態では、伸縮基板４３０及び伸縮配線４０を用いることによって、コンクリート構造物１の表面１ａに大きな歪が発生した後も、歪に対して耐性を有するため、コンクリート構造物１の表面１ａの歪の長期的な監視が可能である。加えて、無線による歪の情報取得が可能であるため、処理部４９０さえ近くにあれば、作業者は、長期にわたって検出現場に赴くことなく、コンクリート構造物１の表面１ａの歪や当該歪のマップデータを、任意の場所で監視することができる。
また、処理部４９０を携帯端末とすれば、処理部４９０で歪箇所を確認しながら、ひび割れの発生ありと判断された現場やひび割れの進展ありと判断された現場へ向かうことができるため、ひび割れの補修や保守の作業効率が高まる。

さらに、本実施形態の歪センサ４１０は、処理部４９０とは無線である。また、伸縮基板４３０は、可撓性を有するシートで構成されている。
したがって、例えばトンネルの内壁表面に歪センサ４１０を設置する場合、トンネル内に図９のような歪センサ４１０だけを持っていき、トンネル内壁に接着剤、ピン、又はステープルで貼り付けるだけで、歪センサ４１０の設置が完了するため、歪センサ４１０の設置が簡単である。

変形例として、図１１に示す歪センサ５１０のように、複数のセンサ本体部５２０に対して１つの無線送信部５８１を備えるものとしてもよい。
この場合、無線送信部５８１は、各歪検出部５６０と通信可能なように電線や光ファイバー等の通信経路５８３で接続され、各歪検出部５６０から検出された歪に相当する信号を受け取る。本変形例では、図１１に示すように、バッテリ８２を複数の歪検出部５６０及び無線送信部５８１に対しそれぞれ設け、複数の歪検出部５６０及び無線送信部５８１に電力を供給している。さらなる変形例として無線送信部５８１だけにバッテリ８２を設けて、無線送信部５８１から各歪検出部５６０に電力を供給するものであってもよい。
また、図１１のように、複数のセンサ本体部５２０を、予想されるひび割れの発生間隔で、隙間なく敷き詰めれば、ひび割れＣｒを極力漏れないように検出することも可能である。

「構造物歪検出方法」
以下、本発明の構造物歪検出方法の実施形態について、図１２を参照して説明する。
本実施形態は、図１２に示す各工程が実施される。本実施形態の歪センサのいずれかを、コンクリート構造物１に適用することによって、実施される。

まず、歪センサをコンクリート構造物１の表面１ａに設置する（Ｓ１：設置工程）。
次に、伸縮配線の歪を検出する（Ｓ２：歪検出工程）。
検出した歪は、歪検出部においてそのまま表示、印刷等によって出力され、作業者に提示されてもよいが、本実施形態では、さらに、検出された歪に基づく情報を処理部に無線送信する工程を設けている（Ｓ３：無線送信工程）。
検出された歪に基づく情報は、処理部において表示、印刷等によって出力され、作業者に提示される。

「歪の検出結果」
図１３に本実施形態によって検出された歪の検出結果を示す。
図１３は、横軸に時間Ｔ、縦軸に歪センサで検出されたコンクリート構造物１の表面１ａの歪εを示す。
時間Ｔ＝０において、歪ε＝０であった歪が、時間とともに連続的に大きくなっていることが分かる。そして、不連続点Ｑｃにおいて、歪εが急に大きくなっている。
このような不連続点Ｑｃは、コンクリート構造物１の表面又は内部のひび割れの発生や進展により発生するものである。
したがって、不連続点Ｑｃを検出することによって、ひび割れの発生やひび割れの進展を判断できる。不連続点は、歪の時間微分値をとり、当該時間微分値をしきい値で検出することによって判定することができる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成は上記実施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も含まれる。

伸縮配線を構成する材料としては、上記以外の材料を使用することが可能である。具体的には、導電性材料として、金属系粒子、金属酸化物系粒子、導電性高分子、カーボン系粒子、イオン液体の１種類又は複数種類を用いて伸縮配線を構成することも可能である。粒子形状には、球、フレーク、ロッド、ワイヤ、ファイバー、ナノチューブなどが挙げられる。カーボン系粒子には、カーボンナノチューブ、カーボンファイバー、グラファイト、グラフェン、フラーレン、カーボンブラック等が挙げられる。使用できる金属としては、金、銀、銅、パラジウム、白金、ニッケルなどの、1種類または複数の金属が挙げられる。
導電性材料をポリフッ化ビニリデン、ポリウレタン、シリコーン、スチレンブタジエンゴム、クロロプレンゴム、アクリルゴム、エポキシなどの１種類又は複数種類の樹脂をバインダー材料と混ぜ合わせた複合材料として伸縮配線形成を構成することも可能である。
伸縮基板を構成する伸縮性を有する材料には、ポリフッ化ビニリデン、ポリウレタン、シリコーン、スチレンブタジエンゴム、クロロプレンゴム、アクリルゴム、エポキシ、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリ塩化ビニル、テキスタイル等が挙げられる。

第二実施形態では、コーティング層４１／伸縮配線４０／基板層１３１（シリコーン／銀ナノワイヤを含む複合材／ポリイミド）の３層構造としているが、変形例としてコーティング層を設けず、配線層／基板層／基板層、例えば、銀ナノワイヤを含む複合材／ポリウレタン／布としてもよい。さらなる変形例として、コーティング層／配線層／基板層／基板層、例えばシリコーン／銀ナノワイヤを含む複合材／シリコーン／布としてもよい。さらに銀ナノワイヤを含む複合材に代えて、カーボンナノワイヤを含む複合材、又は銀ナノワイヤ及びカーボンナノワイヤを含む複合材を用いてもよい。

また、本実施形態では、伸縮配線の両端部の間の電気抵抗を検出しているが、伸縮配線のコンダクタンスを検出するものであってもよい。

本実施形態では、各伸縮基板に複数のセンサ本体部を並べて配列しているが、伸縮基板の基板面のサイズを各センサ本体部の大きさとし、各伸縮基板にセンサ本体部を一つだけ設けるようにしてもよい。

本実施形態の歪センサは、コンクリート構造物に限らず、構造物であればどのようなものでも適用可能である。鋼構造物、セラミック構造物、ガラス構造物などに適用することも可能である。
また、本実施形態の歪センサは、トンネルに限らず、例えば、橋梁、橋脚、ダム、鉄塔、機械設備（発電所、変電所等）など、あらゆる構造物に適用することも可能である。

１：コンクリート構造物
１ａ：表面
３ａ：配線
３ｂ：配線
５：歪測定システム
１０：歪センサ
２０：センサ本体部
３０：伸縮基板
３０ａ：基板面
４０：伸縮配線
４０ａ：端部
４０ｂ：端部
４０′：伸縮配線
４０ａ′：端部
４０ｂ′：端部
４１：コーティング層
４２ａ：脚部
４２ｂ：脚部
５０：接着剤
６０：歪検出部
８０：歪検出ユニット
８１：無線送信部
８２：バッテリ
９０：処理部
１０５：歪測定システム
１１０：歪センサ
１２０：センサ本体部
１３０：伸縮基板
１３０ａ：基板面
１３１：基板層
１３２：粘着層
１３３ａ：コンタクト部
１３３ｂ：コンタクト部
１３４ａ：導通部
１３４ｂ：導通部
２４０：伸縮配線
２４０ａ：端部
２４０ｂ：端部
３４０：伸縮配線
３４０ａ：端部
３４０ｂ：端部
４０３ａ：配線
４０３ｂ：配線
４０５：歪測定システム
４１０：歪センサ
４２０：センサ本体部
４３０：伸縮基板
４３０ａ：基板面
４６０：歪検出部
４９０：処理部
５１０：歪センサ
５２０：センサ本体部
５６０：歪検出部
５８１：無線送信部
５８３：通信経路
Ｓｄ：信号

Claims (9)

1. 構造物の表面の歪を検出する歪センサであって、
   基板面に沿う方向に伸縮性を有する伸縮基板と、
   導電性を有し、前記基板面に沿う方向に延びるように配線され、前記基板面に沿う方向に伸縮性を有する伸縮配線と、
   前記伸縮配線が延びる方向に離れて配置される一対の脚部と、を備え、
   前記伸縮基板に前記伸縮配線が複数配列され、
   前記各伸縮配線の端部と端部との間の電気抵抗又はコンダクタンスを検出する歪検出部をさらに備え、
   前記伸縮基板のうち、前記伸縮配線が配置された前記基板面が前記表面に対向するように配置されており、
   前記伸縮配線が前記一対の脚部の間で前記表面に固定されている歪センサ。
2. 前記伸縮配線が前記基板面に配置された印刷配線である請求項１に記載の歪センサ。
3. 前記伸縮基板及び前記伸縮配線が可撓性を有する請求項１又は２に記載の歪センサ。
4. 前記歪検出部で検出した前記電気抵抗又は前記コンダクタンスに基づく情報の無線送信を行う無線送信部をさらに備える請求項１から３のいずれか一項に記載の歪センサ。
5. 少なくとも前記無線送信部に、電力を供給するバッテリをさらに備える請求項４に記載の歪センサ。
6. 構造物の表面の歪を検出する歪センサであって、
   基板面に沿う方向に伸縮性を有する伸縮基板と、
   導電性を有し、前記基板面に沿う方向に延びるように配線され、前記基板面に沿う方向に伸縮性を有する伸縮配線と、
   前記伸縮配線が延びる方向に離れて配置される一対の脚部と、を備え、
   前記歪センサの歪の最大レンジが、圧縮側についてはコンクリートの圧壊歪に相当する１００００μｍであって、引張側については前記コンクリートの最大ひび割れ幅に相当する１〜２ｍｍであり、
   前記歪センサの歪の分解能が、少なくとも圧縮側については１０μｍであって、引張側については、前記コンクリートのひび割れ幅に相当する０．１ｍｍであり、
   前記伸縮基板のうち、前記伸縮配線が配置された前記基板面が前記表面に対向するように配置されており、
   前記伸縮配線が前記一対の脚部の間で前記表面に固定されている歪センサ。
7. 前記伸縮配線を覆うように前記伸縮基板の前記基板面に配置され、前記基板面に沿う方向に伸縮性を有するコーティング層をさらに備える請求項１から６のいずれか一項に記載の歪センサ。
8. 構造物歪検出方法であって、
   請求項１から７のいずれかに記載の歪センサを構造物に設置する設置工程と、
   前記伸縮配線の歪を検出する歪検出工程と、を実施する構造物歪検出方法。
9. 前記検出した歪に基づく情報の無線送信を行う無線送信工程をさらに実施する請求項８に記載の構造物歪検出方法。

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