JP6967242B2 - シート状システム、及び構造物運用支援システム - Google Patents

Description

本発明は、導電線を含むシート体である配線シートを含むシステム等に関する。

各地の現場で人手によって行われてきた構造物の維持管理作業の効率化、補修サイクルの長期化には、様々な工夫が従来なされてきた。

例えばトンネル等のコンクリート構造物では、完成後に年月が経過するとコンクリートの壁面にクラックが発生することがある。このクラックに雨水や地下水等の浸入する場所では、冬期にこの水が凍結してクラックをさらに広げることがある。そしてこのようなクラックは、壁面の剥落などの原因になり得、危険である。このような危険を防ぐために、壁面のクラックの補修の際に導電線を壁面内に配設し、照明配線からこの導電線に通電して発熱させることで凍結を防止する策が提案されている（特許文献１参照）。

従来は、上記のようなコンクリート構造物のクラック等の異常の有無は、現地で人手による打音診断等でなされていたが、このような人手による検査の作業に代替する装置等に関する技術の提案もある。例えば、定点設置された、又は走行車両に搭載されたカメラで得られた撮影画像の解析による構造物の検査のための技術が提案されている。

特公平０４−０２９８４０号公報

「ＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ、モノのインターネット）」と表現される社会の構築が進む今日では、上記のような構造物にセンサを直接取り付け、構造物の状態に関する情報をこのセンサから遠隔で収集する着想がある。センサからの情報を遠隔から通信によって取得することができれば、構造物の状態に関する情報を、検査員を定期的に現地に派遣するよりも高い頻度で、あるいは必要なときに随時取得できる。

また、コンクリート構造物の耐用年数に達する部分の施設全体に占める割合が増えつつある中で、人手による検査を安全の確保に必要な頻度で実施するには大きなコストがかかることが予想される。そこで、上記のようにセンサを用いることで、画像からは得られない物理量を測定によって得て構造物の状態を診断することができる。

しかしながら、構造物に設置するセンサを用いての情報収集の実現には、以下に挙げる問題点がある。

まず、そのようなセンサを用いた検査の要求が高い構造物は、センサへの電力供給やセンサとの通信のための配線にとって過酷な環境である場合がある。例えばコンクリートが劣化しやすいために信頼性の高い検査が比較的頻繁に必要な環境とは、塩化物の多い環境であったり酸性度が高い環境であったりして、給電や通信に一般に使われる金属配線も劣化しやすい。したがって、長期にわたり信頼できる配線を敷設するには、冗長性の確保や継続的な保守のコストがかかる。

また、検査が必要な構造物、中でも交通や通信等の社会基盤の施設には非常に大規模なものがある、例えば、ある通信会社の通信線用のトンネル（洞道）の総延長は６００ｋｍに及ぶと言われる。また、ある電力会社が管内に有する送電線用の洞道は、総延長２０００ｋｍ以上に達する。このような規模の構造物は、人が立ち入ることはできるが比較的細く、曲面が多い複雑な形状をしている。

つまり、構造物に直接取り付けたセンサを用いれば、このような洞道の定期的な検査は、確かにより迅速かつ容易に実施できる。しかしながら、これだけ大規模で複雑な形状の構造物の監視に必要な多数のセンサを含む検査システムを構築するに当たり、過酷な環境での長期間にわたる信頼性の確保とコストの抑制との両立の困難さの問題がある。

本発明はこれらの問題に鑑みてなされたものであり、設置される場所の形状や環境に幅広く対応可能で、且つ導入及び維持にかかるコストを抑えた配線シートを含むシート状システム等の提供を目的とする。

上記の目的を達成するために提供される、本発明の一態様に係るシート状システムが備える配線シートは各々が信号線又は電力供給線であり、炭素を主な材料とする導体で可撓性を有する１本以上の炭素配線と、前記１本以上の炭素配線の略全体を包む、電気絶縁体を主な材料として可撓性を有する絶縁シートとを備える。

これにより、耐環境性の高い配線を構造物の表面に沿わせて設置することができる。

また、上記の１本以上の炭素配線は、それぞれグラフェン、グラファイト、又はカーボンナノチューブを主な炭素材料とし、上記の絶縁シートは、樹脂、布、又は紙を主な材料としてもよい。

これにより、配線を含むシートとしては各設置場所での多様な外観の要求に応えながら、長期にわたり使用が可能な耐環境性の高い配線を設置することができる。また、炭素配線の材料は、コスト及び必要な性能（抵抗）を考慮して選択され得る。

なお、例えば、上記の絶縁シートは、ポリ塩化ビニル樹脂を主な材料としてもよい。

ポリ塩化ビニル樹脂は複雑な形状に対応可能な柔軟性を持たせて作ることができる。また、洞道内部のように湿度が高く、塩分を含み得る環境での耐久性が高い。それでいて、比較的安価に調達が可能であるため、例えば洞道内に設置する配線シートの導入及びその後の維持のコストを抑えることができる。

また、上記の材料を用いて得られる炭素配線の抵抗のより具体的な範囲として、例えば、長さ１ｃｍあたりの抵抗値が０．０１Ω以上１Ω以下である炭素配線が含まれてもよい。

また、上記の１本以上の炭素配線は上記の電力供給線を含み、当該電力供給線はグリッドを成していてもよい。

これにより得られる二次元的な形状の電気経路は、１本の線状の炭素配線を用いた一次元的な形状の経路よりも抵抗が低く、より効率的に電力を運ぶことができる。また、このような炭素配線を内包して二次元的に広がる配線シート上では、高い自由度で電力の取り出し場所を選ぶことができる。このような配線シートの構成は、例えば壁紙等に適用することができる。この壁紙で居室等の壁面を覆うことで、炭素配線を電源に接続すれば壁面のさまざまな場所で電力の取り出しが可能になる。また、このような壁紙は、大掛かりな工事をすることなく電気回路を含む負荷を取付できる場所を広範囲に提供することが可能であり、ＩｏＴ技術の導入を容易にする。

また、上記の絶縁シートは、その外部の導体と前記炭素配線とを電気的に接続するためのビアを備えてもよい。

これにより、耐環境性の高い配線に接続された複数の負荷を、構造物の表面に沿って配置可能なシステムが実現される。

また、上記の絶縁シートは、異方性導電ゴムからなる、当該絶縁シートの厚さ方向に導電可能であって、外部の導体と上記の炭素配線とを電気的に接続するためのコンタクトを備えてもよい。

これにより、例えば絶縁シート上に設置される上記の負荷の端子又はこの端子との電気的接続のための配線と絶縁シートが包む炭素配線とを、より確実に電気的に接続することができる。また、負荷を接続していないときには、絶縁シートで覆った箇所と同様に中の炭素配線を外部から絶縁することができる。

また、上記の１本以上の炭素配線は３本以上の炭素配線であり、上記の３本以上の炭素配線は、上記の電力供給線、上記の信号線、及び第１ＧＮＤ線を含んでもよい。

この配線シートが設置された場所では、耐環境性の高い電力供給線から電力の供給を受け、耐環境性の高い信号線に信号を出力するような負荷を設置することできる。

また、上記の絶縁シートにおいて、電力供給線、信号線、及び第１ＧＮＤ線は平行に延在し、信号線は、電力供給線と第１ＧＮＤ線との間に位置してもよい。

長尺の信号線は、搬送する信号の影響でアンテナのように作用して電波を飛び出させることがあり、この電波は周辺にある他の信号線にノイズを発生させたり、電子機器の誤動作等を引き起こしたりする等の電波障害の原因となり得る。上記の構成では、信号線と電力供給線との間、及び信号線と第１ＧＮＤ線との間の容量結合によって、信号線内の信号に含まれる電波障害の原因となる高調波成分が抑えられる。

また、本発明の一態様にかかるシート状システムは、上記の配線シートのいずれかと、その絶縁シートの外から中にある１本以上の炭素配線に電気的に接続される複数の負荷とを備え、上記の１本以上の炭素配線は上記の電力供給線を含み、上記の負荷は、この電力供給線から電力の供給を受けて蓄電する蓄電素子と、この蓄電素子から電力の供給を受けて間欠的に動作する電気回路とをそれぞれ含む。

これにより、例えば負荷が間欠的な動作として定時動作をするシステムを、抵抗が比較的大きいながらより安価な電力供給線を用いて実現することができる。このシステムでは、負荷の定時動作以外の時間は、供給される電力を用いて蓄電素子を充電することができる。つまり、蓄電素子の充電を、大きさを抑えた電流で実施することができる。したがって、抵抗損失を抑えることができる。

また、上記の１本以上の炭素配線は上記の信号線を含み、上記の電気回路はセンサを含み、このセンサによって測定された物理量を上記の信号線を介して出力してもよい。

これにより、例えば洞道のような環境に長期間耐えうる電力供給線から電力の供給を受け、同環境に長期間耐えうる信号線に計測結果を示す信号を出力するようなセンサを含むシート状システムが実現される。

また、上記の１本以上の炭素配線は２本以上の炭素配線であり、この２本以上の炭素配線は、電流を実質的に流すことなく接地電位を取るために用いられる第２ＧＮＤ線を含んでもよい。

これにより、例えば、設置場所である構造物の表面電位をセンサでより正確に測定することができるシート状システムが実現される。

また、上記の１本以上の炭素配線は電力供給線を含み、上記の複数の負荷は、蓄電素子に蓄えられた電力を電力供給線に戻すための電気回路をそれぞれ備えてもよい。

上記のシート状システムでは、電力供給線の抵抗が比較的大きいために生じる電圧降下の影響により、一部の負荷で十分に充電できない場合が起こり得る。しかし、上記の構成では、シート状システム内で電力供給線を共用する近隣の負荷同士で、可能な場合には電力を融通しあうことができる。これにより、シート状システム全体で動作の安定性を高めることができる。

また、上記の１本以上の炭素配線は電力供給線を含み、当該シート状システムは、外部の電源からの電気が流れる電線と上記の電力供給線とを電気的に接続するゲートウェイとを備え、当該ゲートウェイは、複数の負荷のそれぞれに、電力供給線を介する電源からの電力の供給を受けるか否かを指示してもよい。

これにより、例えば一時に充電を実行する負荷の個数を制限することで電圧降下を抑制し、シート状システムの各負荷で充電が正常に実行される。

また、本発明の一態様にかかる構造物運用支援システムは、構造物の表面に敷設される複数の上記のシート状システムのいずれかと、上記の複数のシート状システムがそれぞれ備える上記の１本以上の炭素配線が接続される電線とを備える。

これにより、設置面である構造物の表面の形状に合わせて設置可能なシート状システムを、当該構造物の規模に合わせて複数備えることが可能であって、各シート状システム上の負荷の長期間にわたる安定的な運用が可能な構造物運用支援システムが実現される。

本発明によれば、設置される場所の形状や環境に幅広く対応可能で、且つ導入及び維持にかかるコストを抑えた配線シートを含むシート状システム等が提供される。

図１は、実施の形態に係る配線シートを用いて実現される構造物運用支援システムの設置例を示す図である。 図２は、上記の構造物運用支援システムを構造物の外側から透視した状態を示す模式図である。 図３は、上記の構造物運用支援システムにおける各構成要素間の接続形態の例を示す模式図である。 図４は、実施の形態に係るシート状システムが備える負荷の機能的な構成例を示すブロック図である。 図５は、実施の形態に係る配線シートの構成例を模式的に示す部分断面図である。 図６Ａは、実施の形態の変形例２における炭素配線の形状の例を示す模式図である。 図６Ｂは、実施の形態の変形例２における炭素配線の形状の他の例を示す模式図である。 図６Ｃは、実施の形態の変形例２に係る炭素配線を含む配線シートの模式的な部分断面図である。 図７は、実施の形態の変形例４における、異方性導電ゴムからなるコンタクトを用いて絶縁シート中の炭素配線と、外部の導体とを電気的に接続する配線シートの構成例を示す模式的な部分断面図である。 図８は、実施の形態の変形例５における第２ＧＮＤ線の接続例を示すブロック図である。 図９は、実施の形態の変形例７に係るシート状システムが備える負荷の機能的な構成を示すブロック図である。 図１０Ａは、実施の形態の変形例８に係るシート状システムの構成を説明するための模式図である。 図１０Ｂは、実施の形態の変形例８に係るシート状システムが備えるゲートウェイの機能的な構成例を示すブロック図である。 図１１は、実施の形態の変形例１０に係る配線シートにおける炭素配線の配置の例を説明するための模式図である。

（実施の形態）
以下、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。

なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的又は具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、以下の説明で参照される各図は模式図であり、各構成要素の形状や大小関係を正確に示すものではない。また、各図において共通の構成部材については同じ符号で示される。

［１．構成］
［１−１．概要］
図１は、本実施の形態に係る配線シートを用いて実現される構造物運用支援システムの設置例を示す図である。本図では、構造物の壁面に設置される構造物運用支援システム１０の様子が示されている。図２は、図１に示される構造物運用支援システム１０を構造物の外側から透視した様子を示す模式図である。

これらの図に示される構造物は、例えば、コンクリート材の壁面及び路面を有して地下に延在する洞道である。この洞道は、その内部の路面を少なくとも人が歩いて通行できる程度の大きさを有する略円管状であり、図１中のアーチ状の壁面はこの円管の内側面である。路面はこの円管の内部の下側に設けられる、通行者が歩行する面である。

なお、本図では説明のために洞道内の様子が簡略化して示されており、現実には、例えば通信会社の洞道であれば通信線、電力会社の洞道であれば送電線、及びこれらを支持する架台、作業員のための照明器具や通信線などが洞道内に複数存在する。そして洞道の壁面は一部がこれらの送電線等の陰になっている。そしてこのような洞道の検査は、例えば検査員が打診棒を用いて壁面を叩いたときの打音によって従来なされていた。つまり、人が行う打音による検査であっても、壁面全体で容易に実施できるわけではない。

構造物運用支援システム１０は、複数のシート状システム１００と、シート状システム１００が接続される電線５００とを備える。

洞道の壁面の周方向に沿うよう設置されているシート状システム１００は、配線シート１２０及び複数の負荷１４０をそれぞれ備える。配線シート１２０の大きさは、一例として長辺方向で約１０ｍである。また、同一の配線シート１２０にある負荷１４０同士の間隔は、一例として約１ｍである。また、配線シート１２０同士の間隔は、一例として約１０ｍである。

配線シート１２０は、炭素配線１０２及び絶縁シート１０４を備える。図１及び図２に示される例では、配線シート１２０はそれぞれが点線で示される３本の炭素配線１０２を含む。なお、配線シート１２０は炭素配線１０２の略全体を包んでおり、炭素配線１０２は外部との接続などのために必要な箇所を除いて基本的に配線シート１２０の外部には露出しない。ただし図１及び図２では、外部からは見えない炭素配線１０２の存在及び配置が便宜的に点線を用いて示されている。

各炭素配線１０２は、それぞれ構造物運用支援システム１０において信号線又は電源線として用いられる。なお、本実施の形態の説明において、電源線の語は、電力供給線、又は電力供給線とＧＮＤ（ＧＲＯＵＮＤ）線との組のいずれも指し得る語として用いられている。また、電源線の概念に含まれる、電力供給線と組で用いられるＧＮＤ線は、本願明細書等において第１ＧＮＤ線ともいう。

炭素配線１０２は炭素を主な材料とする導体であって可撓性を有する線である。この材料のより具体的な例としては、グラフェン、グラファイト、及び単層又は多層のカーボンナノチューブが挙げられる。

これらを主な材料として用いるのは、ひとつは炭素にはイオン化しにくい、すなわち腐食しにくい性質があるためである。したがって、これらを材料とする炭素配線１０２は、地下のように水分が多い場所、土壌の酸性度又はアルカリ度が高い場所、又は海岸に近い地域等の塩化物イオンの多い場所でもその構造及び電気的性質を長期間保つ配線として提供される。また、これらの材料は、電力供給や通信用の配線によく用いられる銅に比べると安定した供給が見込まれることから、導入時のコストをコントロールしやすい。その他、大きな構造物に適用するための生産及び加工が比較的容易である点、及び重量が比較的軽いので設置の作業負担が小さく、且つ、設置後も構造物の負担になりにくい点も上記の材料が用いられる理由である。

なお、上記の各材料を用いて作られた炭素配線１０２の抵抗率には差がある。具体的には、グラファイトを用いて作られた炭素配線１０２よりも単層カーボンナノチューブを用いて作られた炭素配線１０２の方が抵抗率は低く、グラフェン又は多層カーボンナノチューブを用いて作られた炭素配線１０２の抵抗率はその中間である。一方、価格はグラファイトが最も安く、単層カーボンナノチューブが最も高価で、グラフェン及び多層カーボンナノチューブはその中間である。したがって、上記の材料のいずれを用いるかは、例えば導入時のコスト及び負荷１４０の消費電力等を勘案して適宜選択され得る。なお、炭素配線１０２の材料には炭素以外の物質が含まれてもよく、例えばホウ素をドーピングした各材料を用いることで、より抵抗率の低い炭素配線１０２が得られる。また、必要に応じたバインダも含まれ得る。

また、各炭素配線１０２の形状及び大きさ等については、抵抗や可撓性を考慮して決定される。すなわち、断面積は、電力供給や信号送信のために抵抗が高くなりすぎない程度の大きさが必要である。その一方で、配線シート１２０が設置される構造物の表面に沿う形への変形が可能な程度の細さ又は薄さが必要である。これらを満たすうえで、各炭素配線１０２の形状の例として紐状又はリボン状が挙げられる。なお、例えば単層カーボンナノチューブを材料とする炭素配線１０２で、長さ１ｃｍあたりの抵抗値を０．０１Ω程度とすることができる。また、グラファイトを材料とする炭素配線１０２で１Ω程度とすることができる。このような抵抗の炭素配線１０２を信号線又は電源線として用いることで本実施の形態における構造物運用支援システム１０は実用的に動作させることができる。

絶縁シート１０４は、上述のとおり炭素配線１０２を包んで物理的な衝撃などからある程度保護し、扱いを容易にする。

また、絶縁シート１０４は電気絶縁体を主な材料とする。この絶縁性により、電源線や信号線としての役割を果たす炭素配線１０２を、外部からの電気的影響から保護する。また、内包する各炭素配線１０２同士を不必要に接触させないような位置関係で固定することで、相互の接触による影響を防ぐ。複数の炭素配線１０２の絶縁シート１０４内での配置等については後述する。

また、絶縁シート１０４は可撓性を有する。この性質により、絶縁シート１０４は、図１及び図２に示されるような曲面、又は屈曲部を有するような構造物の表面の形状に追従するように取り付けられる。

このような性質を有する絶縁シート１０４の材料の例としては、樹脂等の有機高分子体が挙げられる。

なお、樹脂の中でも例えばポリ塩化ビニル樹脂は水を通さず、耐酸性及び耐アルカリ性にも優れる。また、製造時に添加する可塑剤の量を調整して可撓性を持たせることもできる。このような性質を有するポリ塩化ビニル樹脂は、柔軟なシートに成形されて、洞道の壁面の継ぎ目を覆って地下水の浸入を防ぐシートとして従来用いられている。また、このようなポリ塩化ビニル樹脂のシートは、約６０℃を超えるような熱にも紫外線にも晒されないような場所であれば７０年程度の耐久性があるとされる。このような、ポリ塩化ビニル樹脂を主な材料とする絶縁シート１０４であれば、日光は入らず、耐熱服を着用していないで作業員が作業できる温度で安定した洞道において、内包する炭素配線１０２を周辺環境にある水分、塩化物イオン、酸性又はアルカリ性の物質から数十年の長期間にわたり保護することができる。また、このような絶縁シート１０４を用いた配線シート１２０であれば頻繁な交換の必要がないため、構造物運用支援システム１０の維持コストを抑えることができる。

さらに、ポリ塩化ビニル樹脂は樹脂類の中でも比較的安価である。また、上述のような浸水防止用のポリ塩化ビニル樹脂製シートの洞道の壁面への設置及び交換は、従来行われており、元々今後も予定されている作業である。したがって、浸水防止用のシートを今後は配線シート１２０で置き替えていくことで、洞道のような大規模な構造物への構造物運用支援システム１０の導入のコストを抑えることができる。

なお、１つの絶縁シート１０４を構成する材料は１種類に限定されない。例えば絶縁シート１０４は互いに材料の異なる複数の層で構成されてもよい。また、１つの絶縁シート１０４の構造は、全体が一様であってもよいし、場所による差異があってもよい。場所による差異とは、例えば、負荷１４０の取付位置では補強又は負荷１４０の固定のために多層構造であり、それ以外では単層構造であってもよい。

複数の負荷１４０は、このような配線シート１２０の表面に、炭素配線１０２に沿って所定の間隔で配置される。図１及び図２に示される例では、１０個の負荷１４０が、各配線シート１２０の洞道の壁面に接する側の表面に約１ｍおきに配置されている。

本実施の形態における各負荷１４０は、センサを含む電気回路を含み、この電気回路は、例えば絶縁シート１０４が備えるビアを介して炭素配線１０２と接続される。ビアは、炭素配線１０２と、絶縁シート１０４の外部の導体、ここでは例えば負荷１４０が有する電源端子又は信号端子とを電気的に接続するための構成の例である。この負荷１４０の詳細については例を用いて後述する。

電線５００には、複数のシート状システム１００がそれぞれ備える炭素配線１０２が接続されている。

本実施の形態における電線５００は、洞道内での作業時に用いられる照明灯６００に電力を供給するための電源線を含む。各シート状システム１００が備える炭素配線１０２のうちの電源線は、電線５００が含むこの電源線に接続される。これにより、各シート状システム１００が備える負荷１４０に、電源線である炭素配線１０２を介して電力が供給される。

また、本実施の形態における電線５００は、洞道内に居る作業員の連絡用に設置されている通信線をさらに含む。各シート状システム１００が備える炭素配線１０２のうちの信号線は、電線５００が含むこの通信線に接続される。これにより、各シート状システム１００が備える負荷１４０のセンサから出力される信号は、信号線である炭素配線１０２を介して出力され、電線５００が含む通信線によって搬送される。この信号は、例えば電子計算機を含むこの洞道の集中管理システムに送られて、この電子計算機によって、洞道の状態を把握するための、蓄積、解析、又は監視等の対象のデータとして扱われる。図３は、本実施の形態における構造物運用支援システム１０における、ここまでに説明した接続の形態の例を示す模式図である。

図３に示されるように、各シート状システム１００は、電線５００に接続される複数の炭素配線１０２を有する。

電線５００から供給される電力は、電源線である炭素配線１０２を介して各負荷１４０に届けられる。

また、信号線である炭素配線１０２は、各シート状システム１００において負荷１４０が共有するいわばバスであり、各負荷１４０はこのバスに接続されるノードである。各負荷１４０のセンサから出力された信号は、炭素配線１０２を介して電線５００に出力されて搬送される。電線５００によって搬送された信号は、例えばインターネット、イントラネット、又は専用回線などの通信ネットワークを経由して、この洞道の集中管理システムが備えるサーバ８００又は監視用端末装置７００に届けられる。そしてこの信号が示すデータは、サーバ８００に蓄積されたり、監視用端末装置７００のモニタ上に表示されたりする。

なお、上述の例のように、構造物運用支援システム１０が設置される構造物に従来備えられている照明灯等に電力を供給する電源線又は連絡用の通信線がある場合は、それぞれを電線５００が含む電源線又は通信線として利用してもよい。これにより、構造物運用支援システム１０の導入のコストを抑えることができる。

上記のような構成により、構造物運用支援システム１０は、構造物の表面に設置される多数のセンサを備え、各センサから構造物の状態を示す情報の集約が可能である。また、これらのセンサが同時刻に計測したデータを用いることで、従来の打音検査では不可能な、構造物を多点で捉えた空間的な状態の把握が可能である。

次に、これらのセンサをそれぞれ含む負荷１４０、及び複数の負荷１４０を接続し、且つ負荷１４０の構成と動作、及び電線５００とを長期間にわたって接続する配線シート１２０の構成について説明する。

［１−２．負荷の構成及び動作］
図４は、負荷１４０の機能的な構成例を示すブロック図である。

負荷１４０は、電源部１４１、通信部１４３、制御部１４４、信号処理部１４５、及びセンサ１４６を備える。

電源部１４１は電源回路であり、電力供給線である炭素配線１０２から供給される入力電力から、負荷１４０の各構成要素の動作に用いられる電力を生成する。また、本実施の形態における電源部１４１は、これらの構成要素に供給するための電力を蓄えるための蓄電素子１４２を備える。蓄電素子１４２は、キャパシタ又は蓄電池を用いて実現される。なお、蓄電素子１４２は耐久性の高いものが好適に用いられる。蓄電素子１４２の例としては、高耐久性のセラミックコンデンサ、及びカーボンナノチューブキャパシタが挙げられる。

本実施の形態におけるセンサ１４６は、構造物を構成するコンクリート等の建材の変質や変形等各種の変化を把握するために利用可能な物理量を計測するためのものであれば限定されない。例えば洞道の壁の中にある鉄筋の腐食を診断するために、壁面に存在する鉄イオンの量を計測するセンサでもよいし、壁面の変形の有無及び程度を調べるために変位を計測するセンサでもよい。その他、温度、湿度、振動、電流、磁気、電磁波、電気抵抗、特定の物質等、各種のセンサが単独で又は組み合わせて用いられ得る。

センサ１４６が測定した物理量は、信号処理部１４５によって必要に応じた処理がなされて、信号として、通信部１４３から信号線である炭素配線１０２を介して電線５００に出力される。

信号処理部１４５は、例えばノイズを除去するためのフィルタ回路、信号を増幅するための増幅回路、及びアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ（Ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ）変換回路を含む。

通信部１４３は、信号処理部１４５による処理によって得られたデジタル信号を信号線に出力する出力ポートを含む通信モジュールである。

なお、本実施の形態におけるセンサ１４６による計測は、その計測対象及び計測結果の使用目的によっては常時実行される必要はなく、例えば一日の決まった時刻等、所定の間隔で間欠的に計測が実行されてもよい。例えば構造物の各部の変位や壁の中にある鉄筋の腐食は、通常であれば一日の間で急激には進行しにくい。そして日次の計測によって、日々の計測結果の蓄積されたデータから変化の傾向を捉えることができる。つまり、センサ１４６の計測のための動作は一日１回〜数回、数秒〜数分程度のごく短時間可能であればよい。

そしてこのような間欠的な計測であれば、例えば各負荷１４０の動作に必要な電力は、計測の実行機会の間に上記の蓄電素子１４２に蓄電すればよく、例えば小さな電流で常時給電してもよい。

このような構成の場合、蓄電は小さな電流を供給して長い時間をかけて行うことができるため、炭素配線１０２の抵抗値が比較的高くてもよい。したがって、より安価な炭素配線１０２を用いることができ、構造物運用支援システム１０の導入コストを抑えることができる。また、小さな電流が用いられるため、電流の大きさの２乗に比例する電力の抵抗損失が小さく、大きな電流を用いて短時間で蓄電するよりも、構造物運用支援システム１０としてのエネルギー効率はよい。

制御部１４４は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：中央演算処理装置）を用いて実現され、通信部１４３、信号処理部１４５、及びセンサ１４６の動作を制御する。このＣＰＵはタイマーを備え、例えば上記の計測のような間欠的な動作もこのタイマーによって計時される時間に基づいて実行される。なお、このＣＰＵも低消費電力のものが好適に用いられる。

なお、通信部１４３、制御部１４４、及び信号処理部１４５は、まとめて１つのワンチップマイコンとしても実現されてもよい。

また、負荷１４０では、回路の耐久性を高めるために、構造物のセンシングのために露出が必要なセンサの部分を除いてガラスエポキシ等で封止されてもよい。

このように、負荷１４０においては、センサ１４６による計測の対象及び計測結果の使用目的に応じて、電源部１４１以外の電気回路の動作（制御部１４４による制御下での通信部１４３、信号処理部１４５、及びセンサ１４６の各動作）は、蓄電素子１４２から電力の供給を受けて間欠的に実行されてもよい。これにより、センサによる計測等の必要な機能を発揮可能なシート状システム１００をより安価に実現することができ、さらには構造物運用支援システム１０の導入コスト及び運転コストを抑えることができる。

［１−３．配線シートの構成］
図５は、配線シート１２０の構成例を模式的に示す部分断面図である。より具体的には、配線シート１２０上で１個の負荷１４０が取り付けられる箇所の構成が示されている。配線シート１２０には、このような構成の箇所が複数ある。

図５に示されるように、配線シート１２０では、複数のリボン状の炭素配線１０２が絶縁シート１０４に内包されている。これにより、各炭素配線１０２は外部からの衝撃の影響を受けにくい。また、この絶縁シート１０４が上述のようにポリ塩化ビニル樹脂を主な材料とする場合、各炭素配線１０２はさらに水分、酸、アルカリ、電気等の影響を受けにくい。

また、これらの炭素配線１０２は互いに接触しないように配線シート１２０内で固定されているため、各炭素配線１０２は電力供給線、信号線、及びＧＮＤ線としての機能を安定して発揮し得る。なお、ここまでに例示された配線シート１２０は、ＧＮＤ線としての炭素配線１０２を１本のみ含んでいるが、シグナルグランドのＧＮＤ線である炭素配線１０２及びフレームグランドのＧＮＤ線である炭素配線１０２のように複数本を含んでもよい。

図５に示される構成例では、絶縁シート１０４は、表面から各炭素配線１０２に到達するビア１０３を複数備える。また、この例では、各ビア１０３は、炭素配線１０２と同じくグラフェン、グラファイト、及び単層又は多層のカーボンナノチューブ等を材料とし、絶縁シート１０４の表面で金属端子１０５と接合している。負荷１４０は絶縁シート１０４の表面でこの金属端子１０５と接続され、ビア１０３を介して各炭素配線１０２と電気的に接続される。

このような配線シート１２０は、例えば以下の方法で製造することができる。

まず、グラファイト等の炭素材料を高分子体材料のバインダと混ぜた溶液をプリンタのインクで所定の面を塗るように吐出することで所望の厚さのシート状に形成する。この炭素材料を含むシートが固まったら、所望の形状（例えばリボン状）にカットして複数の炭素配線１０２を得る。

次に、このようにして得られた複数の炭素配線１０２を重ならないように並べた状態でポリ塩化ビニル樹脂のシートで挟んでラミネート加工をすることで、炭素配線１０２を内包する絶縁シート１０４を形成する。

次に、形成された絶縁シート１０４上で、中に炭素配線１０２がある位置に、この炭素配線１０２に到達する孔を複数開ける。そして、上記の溶液を、各孔を塞ぐように、及び各孔の周辺に塗布してビア１０３を形成する。最後に塞がれた孔の上方にある炭素材料に金属端子１０５を接合して、図５に示されるような構成の配線シート１２０が得られる。

なお、上記の製造方法は一例であり、配線シート１２０はこの方法と一部、又は全く異なる方法を用いて製造されてもよい。例えば炭素材料のシートには、市販のグラファイト等のシート等が用いられてもよい。また、シート状の炭素材料を用いる代わりに、絶縁シート１０４に炭素配線１０２のパターンを印刷し、この印刷面が内側になるように絶縁シート１０４を折り曲げたり、又は他の絶縁シート１０４と重ねたりして封止してもよい。また、ビア１０３については、炭素配線１０２を内包する前の絶縁シート１０４に形成されていてもよい。この場合、このビア１０３に沿うように炭素配線１０２が配置される。

［２．変形例］
以上、本発明の一実施の形態に係る配線シート１２０、及び配線シート１２０を複数用いて実現される構造物運用支援システム１０について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されない。上記の実施の形態において、シート状システム１００の一部として用いられている配線シート１２０、及び電線５００に接続されて構造物運用支援システム１０を構成するシート状システム１００の個別での利用例も含めて、上記の実施の形態の変形例を以下に説明する。

［２−１．変形例１］
配線シート１２０の構成は、図１〜図３に示されるような、それぞれ電力供給線、信号線、ＧＮＤ線である３本の炭素配線１０２と、これらを各１本ずつ包む長尺状の絶縁シート１０４からなるものに限定されない。例えば壁紙のように壁面の上下左右に展開可能な形状であってもよい。また、絶縁シート１０４内に電源線及び信号線等の各種の炭素配線１０２が複数本ずつ含まれてもよいし、相互に絶縁されていれば各種の炭素配線１０２が立体的に交差してもよい。

［２−２．変形例２］
ここまでに説明した各炭素配線１０２は、いずれも線状の一次元的な形状の電気経路を提供するものであるが、二次元的な形状の電気経路を提供する物であってもよい。図６Ａおよび図６Ｂは、それぞれ変形例１における電源線である炭素配線１０２の形状の一例を示す模式図である。図６Ｃは、このような炭素配線１０２を含む配線シート１２０の模式的な部分断面図である。なお、図６Ａおよび図６Ｂにおける実線及び破線は、一部を除いて互いに重なりながら、前後又は上下に位置する２つの炭素配線１０２を区別して示すために用いられている。

電源線である炭素配線１０２は、例えば図６Ａに示されるように、グリッドを成してもよい。図６Ａ中の２つの炭素配線１０２は、一方が電力供給線であり、他方がＧＮＤ線である。配線シート１２０内では、これらの炭素配線１０２は、一方のグリッドの孔から他方が見え、かつ図６Ｃに示されるように絶縁シート１０４を隔てて離れる位置関係にある。このような位置関係にあることで、壁面に貼り付けられたときに露出する配線シート１２０の面で、広い範囲で両方の炭素配線１０２にアクセスすることができる。

負荷１４０は、例えば図６Ｃに示されるように導体の針状の端子を備え、この面の適切な位置で突き刺して両方の炭素配線１０２に接続させてもよい。また、各炭素配線１０２に接続するための針状の端子は、３本以上を図６Ｃのように互いの近くに配置することで炭素配線１０２を介して圧力をかけあい炭素配線１０２との良好な接触を得ることができる。

このような炭素配線１０２を用いた二次元的な形状の電気経路は、１本の線状の炭素配線１０２を用いた一次元的な形状の経路よりも抵抗が低い。したがって、電源線として用いることでより効率的に電力を運ぶことができる。また、このような炭素配線１０２を内包して二次元的に広がる配線シート１２０上では、高い自由度で電力の取り出し場所を選ぶことができる。このような配線シート１２０の構成は、例えば壁紙等に適用することができる。この壁紙で居室等の壁面を覆い、炭素配線１０２を電源に接続すれば、壁面のさまざまな場所で電力の取り出しが可能になる。また、このような壁紙は、壁材を何箇所も穿孔するような工事をすることなく電気回路を含む負荷を取付できる場所を広範囲に提供することが可能であり、多くの場所に多数の物をネットワークに接続するＩｏＴ技術の導入を容易にする。その他、このような配線シート１２０の構成は、壁紙より小規模で面状に広げて用いられる物、例えばテーブル敷きに適用することができる。

また、２つの炭素配線１０２のうち、図６Ｂに示されるように電力供給線として用いる方を面状にすることで、抵抗はより低く、負荷の取付位置の自由度はより高い配線シート１２０が得られる。

なお、ここまで炭素配線１０２を電源線としてのみ用いる場合を例に本変形例を説明した。このような配線シート１２０に取り付けられた負荷１４０からの通信は、例えば無線で行われてもよい。また、本変形例における炭素配線１０２は、信号線として用いることも可能である。信号線と電源線との併存が困難な事情がある場合には、各負荷１４０が太陽電池等の環境発電素子を備える構成でもよい。

［２−３．変形例３］
配線シート１２０は、実施の形態で例示したようなセンサ等の設置のためのみならず、電力供給又は信号伝送を目的として多様な用途に用いることができる。

例えば住宅やビル等の建物、又は地下街等の施設等内において、配線シート１２０を電力供給又は信号伝送のための線を設置するために部屋の壁の一部又は全体に壁紙のように貼り付けられてもよい。この場合、例えば電源線である炭素配線１０２は商用電源に接続され、信号線である炭素配線１０２は電話回線又は放送受信用アンテナに接続されてもよい。そしてビア１０３には、各炭素配線１０２から電力又は信号を取得して利用する機器との接続端子が取り付けられてもよい。このような配線シート１２０が設置されている場所では電気、又は通信回線若しくは放送波受信用のアンテナからの信号を取り出す場所の自由度が高い。つまり、電気機器の配置の自由度が高く、また、延長用のケーブル類の必要性を抑えることができる。

なお、配線シート１２０がこのように使われる場合、可撓性がある電気絶縁体である絶縁シート１０４の材料として、例えば、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリオレフィン等の樹脂類、布、紙、又はガラス繊維等が用いられてもよい。これにより、設置場所での外観の要求にも応えることができる。

［２−４．変形例４］
ビア１０３は、絶縁シート１０４にあらかじめ設けられるのではなく、例えば絶縁シート１０４で電気や信号を取り出す必要がある場所にのみ、その都度孔が開けられてもよい。例えば一端が針状の導電体で絶縁シート１０４に孔を開けて炭素配線１０２電力の入力を受ける、又は信号のやりとりをする負荷１４０である電気機器とが電気的に接続されてもよい。特に、壁掛けして用いられる電気機器では、配置の自由度の向上と、電源等からの配線の簡略化の効果が高い。または、炭素配線１０２に到達するような孔のみ複数が設けられて、各孔を塞ぐ脱着可能な栓がされていてもよい。この場合、設置後に、電気や信号を取り出す必要がある場所にある孔の栓を外し、露出する炭素配線１０２と電気機器とが接続されてもよい。

このような配線シート１２０により、各設置場所での多様な外観の要求に応えながら、長期にわたって使用が可能な電力供給又は信号伝送用の配線が提供される。また、電気製品の配置の自由度の向上、及び電気機器と電源等の間の配線の簡略化が実現される。

また、絶縁シート１０４の中の炭素配線１０２と、外部の負荷１４０との電気的な接続は、絶縁シート１０４の素材又は配線シート１２０の設置場所等によっては、上記のビア１０３のように硬質な物を介しては必要な確実性を得られない場合がある。この接続の確実性を向上させるために、異方性導電ゴムからなるコンタクトを用いて絶縁シート１０４の外部の導体と炭素配線とを電気的に接続してもよい。図７は、異方性導電ゴムからなるコンタクトを用いて絶縁シート１０４の中の炭素配線１０２と、外部の導体とを電気的に接続する配線シート１２０の構成例を示す模式的な部分断面図である。なお、絶縁シート１０４は、全面がこのような構成である必要はなく、負荷１４０の接地される場所のみでこのように構成されればよい。

本変形例においては、絶縁シート１０４は、炭素配線１０２と外部の配線とを接続する、コンタクト１０６を備える。コンタクト１０６は、板状又は筒状で、一方の面（又は端面）は絶縁シート１０４の表面に露出し、他方の面（又は端面）は炭素配線１０２と電気的に接続されている。

コンタクト１０６の材料は、上述のとおり異方性導電ゴムである。異方性導電ゴムはゴムの中に所定の密度で導体のピン又は粒子を含み、所定の方向に圧力を受けたときのみ通電する。本変形例におけるコンタクト１０６は、絶縁シート１０４の厚さ方向の圧力を受けたときのみ通電する。なお、図７の例では炭素配線１０２とコンタクト１０６との間に炭素性のビア１０３がある。コンタクト１０６とビア１０３とはこのように併用されてもよいし、一方のみが用いられてもよい。

絶縁シート１０４はさらに、絶縁シート第１層１０４Ａと絶縁シート第２層１０４Ｂとを含む。図７の例では、絶縁シート第１層１０４Ａの厚さは、炭素配線１０２と炭素ビアとを合わせた厚さと略等しい。ただし、絶縁シート第１層１０４Ａはさらに厚く、炭素配線１０２の図７における下側の面を覆っていてもよい。

一方、絶縁シート第１層１０４Ａに重なる絶縁シート第２層１０４Ｂは、コンタクト１０６よりもやや薄いのが好適である。これは、コンタクト１０６の一部を絶縁シート第２層１０４Ｂから突出させることで、通電させるために必要な絶縁シート１０４の厚さ方向の圧力をコンタクト１０６にかけやすくするためである。

絶縁シート第１層１０４Ａ及び絶縁シート第２層１０４Ｂは、いずれも例えば絶縁体である有機高分子体の材料からなる。ただし、絶縁シート第２層１０４Ｂは、絶縁シート第１層１０４Ａよりもいくらか硬質である。これは、圧力を受けているコンタクト１０６がずれにくいように支えるためである。

例えば底面に端子を備え、壁面などにネジ止めするための孔を備える負荷１４０を想定する。壁面に貼付された配線シート１２０において上述の構成を有する部分で、この端子をコンタクト１０６に接触させた状態で負荷１４０を配線シート１２０越しに壁面に押し付けるようにネジ止めする。これにより、コンタクト１０６に圧力が加わって通電し、この負荷１４０の端子と配線シート１２０の中の炭素配線１０２とが、コンタクト１０６を介して電気的に接続される。

コンタクト１０６は、異方性導電ゴムの弾性によって、この端子とより広い面積で接触しやすいため、より確実に端子と配線シート１２０とを電気的に接続することができる。さらに、異方性導電ゴム製のコンタクト１０６を用いることで、負荷を接続していないときには、絶縁シートで覆った箇所と同様に中の炭素配線１０２を外部から絶縁することができるという効果も得られる。

なお、図７の例では、上記とはさらに異なる構成で絶縁シート１０４の外部の導体でコンタクト１０６に通電させるための圧力を加えてこの導体と絶縁シート１０４の中の炭素配線１０２とを電気的に接続している。

図７に示される絶縁シート１０４はさらに、絶縁シート第１層１０４Ａと絶縁シート第２層１０４Ｂとを挟んで層をなす配線基板１０４Ｃと支持材１０４Ｄとを備える。配線基板１０４Ｃ及び支持材１０４Ｄは、ともに絶縁シート第１層１０４Ａよりは硬質な絶縁体である。

配線基板１０４Ｃには貫通孔があり、絶縁シート第２層１０４Ｂから突出するコンタクト１０６の一部分は、さらにこの貫通孔を貫通して露出している。コンタクト１０６のこの露出した部分は、配線基板１０４Ｃ上を走る絶縁シート１０４の外部の配線１６０に接触する。なお、配線１６０は実際には配線基板１０４Ｃに固定されて一体であるが、ここでは説明の便宜上、絶縁シート１０４の外部にあるものとする。このような配線１６０は、例えば負荷１４０の複数の端子の差し渡し幅と、複数の炭素配線１０２の差し渡し幅との違いを吸収して接続するために設けられることがある。配線１６０は、配線シート１２０に取り付けられる負荷１４０の端子の差し渡し幅に合わせて配線基板１０４Ｃごと交換可能であってもよい。

支持材１０４Ｄは、絶縁シート１０４の中の炭素配線１０２から見て配線基板１０４Ｃとは反対側から炭素配線１０２を直接又は絶縁シート第１層１０４Ａ越しに支持する。

外部の導体、この例では配線１６０を取り付けるときには、図７のように配線基板１０４Ｃから支持材１０４Ｄまでを貫通する加圧機構１８０を用いて絶縁シート１０４の厚さ方向の力でかしめる。

これにより、コンタクト１０６に通電させるための圧力が配線１６０から加わり、配線１６０と絶縁シート１０４の中の炭素配線１０２とがコンタクト１０６を介して電気的に接続される。図７に示される加圧機構１８０はボルト及びナットであるが、加圧機構１８０は絶縁シート１０４を厚さ方向の力でかしめるために用い得る物であればよく、例えばグロメット、カシメ、リベット、ステープラー等で代替可能である。

このような構成でも、上述した本変形例の効果が得られる。

［２−５．変形例５］
実施の形態及びその変形例の一部における配線シート１２０は、それぞれが電力供給線、信号線、ＧＮＤ線である複数の炭素配線１０２を備えるが、配線シート１２０の使用環境や用途によっては、これらの炭素配線１０２の一部を備えなくてもよい。すなわち、配線シート１２０は電力供給線を備えず、その設置場所に信号線のみを提供するために用いられてもよい。また、逆に配線シート１２０は信号線を備えず、その設置場所に電力供給線のみを提供するために用いられてもよい。

その他、１つの配線シート１２０が備える炭素配線１０２の用途及び各用途の炭素配線１０２の本数は実施の形態及びその各変形例に限定されない。例えば１つの配線シート１２０が複数の信号線を備えてもよく、各信号線の用途が、クロック信号を運ぶ信号線とデータ信号を運ぶ信号とで分けられていてもよい。クロック信号は、例えば後述のゲートウェイ又は親機から送信される。

また、上記の炭素配線１０２はいずれも電線５００に接続されるが、シート状システム１００は、電流を実質的に流すことなく接地電位を取るための、いわばケルビングラウンドとして用いられる炭素配線１０２をさらに備えてもよい。本願明細書等においては、このケルビングラウンドの線を、電流が流れる上記の第１ＧＮＤ線と区別して、第２ＧＮＤ線ともいう。

例えば、シート状システム１００の設置場所である構造物の表面電位を、負荷１４０が備えるセンサ１４６で計測するにあたり、第１ＧＮＤ線から接地電位を取ると、炭素配線１０２の、銅製などの一般的な導電線と比較して大きな抵抗に起因する電圧降下の影響により、正確な表面電位が得られないという問題がある。

この問題は、負荷１４０において、ケルビングラウンドで取った接地電位を、センサ１４６を用いた測定のリファレンス電位として使用する構成を用いることで解消することができる。図８は、このような構成を備えるシート状システム１００における第２ＧＮＤ線の接続例を示すブロック図である。

図８に示される例では、シート状システム１００は５本の炭素配線１０２を備える。これらの炭素配線１０２のうちの１本が第２ＧＮＤ線である。第２ＧＮＤ線は、電力を供給するための電線５００には接続されず、電源に一切接続されていない接地線５５０に接続され、接地線５５０を介して接地される。例えば接地線５５０は、シート状システム１００が設置される構造物の壁材に含まれる鉄筋に所々で接続してもよい。一方で、第２ＧＮＤ線はセンサ１４６と接続される。これにより、負荷１４０では、センサ１４６が感知した電位と第２ＧＮＤ線の電位との差分を取って計測対象物の表面電位として計測することができる。

［２−６．変形例６］
上記の実施の形態におけるシート状システム１００の負荷１４０にはセンサが含まれるが、シート状システム１００の用途に応じて、センサに加えて、又はセンサに替えて他の電気的負荷が含まれてもよい。

例えば負荷１４０には発光ダイオード等の光源が含まれて、センサでの検知結果に応じて、又はセンサでの検知のために必要な光を得るために点灯されてもよい。あるいは、光源を含む負荷１４０を備えるシート状システム１００が照明器具として用いられてもよい。その他、負荷１４０が含むものは電力で動作するものであれば限定されず、モータ又はアクチュエータ等の駆動装置、ブザーなどの発音装置、発熱装置等であってもよい。

そして、このようなシート状システム１００を含む構造物運用支援システム１０は、構造物の保守以外に、構造物の照明若しくは装飾のためのシステムとしても利用することができる。その他構造物の各種の運用の支援、例えば構造物の中に所定の目的の環境、例えば実験、植物の栽培、又は動物の飼育等のための環境を構築するシステムとして利用することができる。この場合も、構造物運用支援システム１０は、導入又は維持のためのコストを抑え、また、信頼性の高さと耐久性の高さで、構造物の所定の目的のための施設としての稼働率の向上に資する。

なお、負荷１４０の電気回路の動作に必要な電力が炭素配線１０２から随時供給できる場合、実施の形態及びその各変形例において、負荷１４０は蓄電素子１４２を含まなくてもよい。

［２−７．変形例７］
実施の形態においては、シート状システム１００における配線シート１２０の大きさの一例として、長辺方向で約１０ｍを挙げている。また、炭素配線１０２の抵抗の一例として、長さ１ｃｍあたり１Ω程度を挙げている。

このような規模のシート状システム１００を図２に示されるような態様で運用する場合、シート状システム１００と電線５００の接続部分から炭素配線１０２の端部までは約５ｍであり、この間の抵抗は５００Ωになる。ここで、例えば負荷１４０のピーク電流が２０ｍＡとすると、この接続部分と炭素配線１０２の端部との間では１０Ｖの電圧降下が生じる。このように、電力供給線である炭素配線１０２の抵抗が大きいために生じる電圧降下の影響により、一部の負荷１４０、特に炭素配線１０２の端部に近いものでは、必要な量の充電が間欠的な動作の間にできないという問題が起こり得る。

このような問題を解消するために、シート状システム１００を、電力供給線を共用する近隣の負荷１４０同士で可能な場合には電力を融通しあうことができるよう構成してもよい。図９は、このようなシート状システム１００が備える負荷の機能的な構成を示すブロック図である。以下、図４に示される実施の形態の機能ブロック図との差異を中心に説明する。

本変形例における負荷１４０は、電源部１４１の構成が実施の形態と異なる。本変形例における負荷１４０は、電源部１４１に、第１電源回路１４７と第２電源回路１４８との２つの機能的に異なる電源回路を備える。

第１電源回路１４７は、炭素配線１０２から電気を得るための電源回路である。第１電源回路１４７は、ＤＣ−ＤＣコンバータ、充電制御回路、電流コントローラ、及びスイッチを含む。

ＤＣ−ＤＣコンバータは、負荷１４０の内外の電圧差を調整する。充電制御回路は、蓄電素子１４２への充電を制御し、過充電を防止する。電流コントローラ及びスイッチは、炭素配線１０２からの電流を、蓄電素子１４２に流すか、又はセンサ等の負荷回路に流すか、及び蓄電素子１４２からの電流を負荷回路に流すかを制御する。

第２電源回路１４８は、炭素配線１０２に電気を戻すための電源回路である。第２電源回路は、ＤＣ−ＤＣコンバータ、放電制御回路、電圧モニタ回路、電流コントローラ、及びスイッチを含む。

ＤＣ−ＤＣコンバータは、負荷１４０の内外の電圧差を調整する。放電制御回路は、蓄電素子１４２からの放電を制御し、過放電を防止する。電圧モニタ回路は炭素配線１０２の電圧をモニタする。電流コントローラ及びスイッチは、蓄電素子１４２からの電流を炭素配線１０２に流すか否かを所定の条件が満たされたかに基づいて制御する。

例えば上記の電線５００の接続部分から炭素配線１０２の端部までは約５ｍであるシート状システム１００において、電力供給線を共用する負荷１４０が１ｍおきに配置されている場合を想定する。この場合に、ある負荷１４０から、１０ｍＡの電流が１ｍ離れた隣の負荷１４０に融通されると、電圧降下は１０ｍＡ×１００Ω＝１Ｖに抑えられる。電流の融通を受けた負荷１４０では、センサの動作又は蓄電素子１４２の充電を行うことができる。

これにより、シート状システム１００全体で動作の安定性を高めることができる。また、より全長が長く抵抗の高い炭素配線１０２を備えるシート状システム１００、または同規模であってもより廉価であるが抵抗の高い炭素配線１０２を用いてのシート状システム１００での各負荷１４０への電力供給の問題が解消し、実用的な運用が可能になる。

［２−８．変形例８］
変形例７では、抵抗の高い炭素配線１０２を用いることによる電圧降下に関する問題を挙げ、その問題を解消するための構成を説明した。本変形例もまた、起こり得る電圧降下に関する問題を解消するものである。

変形例７で例として想定したシート状システム１００を再び例に用いて説明する。このシート状システム１００が、図２に示されるように１０個の負荷１４０を含むとする。すべての負荷１４０で一時に１ｍＡの電流で充電が行われると、１０個×１ｍＡ×５００Ω＝５Ｖの電圧降下が生じる。この電圧降下により、変形例７と同じく充電不足又は不能の問題が起こり得る。

このような問題を解消するために、シート状システム１００を、一時に充電等の電力消費を実行する負荷１４０の個数が制限できるよう構成してもよい。図１０Ａは、このようなシート状システム１００の構成を説明するための模式図である。また、図１０Ｂは、このようなシート状システム１００が備えるゲートウェイ６５０の機能的な構成を示すブロック図である。

本変形例に係るシート状システム１００は、ゲートウェイ６５０を備える。

ゲートウェイ６５０では、シート状システム１００の外部の電源からの電気が流れる電線５００と電力供給線である炭素配線１０２とを電気的に接続されている。また、ゲートウェイ６５０は、図１０Ｂに示されるように、制御部６５１を備える。制御部６５１は例えばＣＰＵ、メモリ、タイマー、及び入出力部を備えるマイクロコントローラを用いて実現され、入出力部を介して信号線である炭素配線１０２と接続する。

この構成により、ゲートウェイ６５０は各負荷１４０に電力の供給に関する指示を送信する。より具体的には、シート状システム１００の負荷１４０のそれぞれに、電力供給線を介する外部の電源からの電力の供給を受けるか否かを指示する。指示を受け取った各負荷１４０は、その指示に従って給電を受けるのを開始又は停止する。

ゲートウェイ６５０は、１つのシート状システム１００が備える負荷１４０に、例えば一定の時間が経過するごとに交代で電力の供給を受けさせてもよい。あるいは、変形例７の説明で述べた電圧降下を考慮して、炭素配線１０２の末端により近い負荷１４０により長い時間電力の供給を受けさせてもよい。また、ゲートウェイ６５０は各負荷１４０から蓄電素子１４２の充電状態の通知を受け、残量の少ない負荷１４０から優先的に電力の供給を受けさせてもよい。

このような指示は、一時に電力の供給を受ける負荷１４０の個数が制限されるように出される。例えばゲートウェイ６５０は、電圧降下による各負荷１４０での充電への影響が過大にならないように、電圧降下が電源電圧から所定の範囲に収まるよう電力の供給を受ける負荷１４０の個数を制限する。これにより、シート状システム１００の各負荷１４０で充電が正常に実行され、又は正常な動作が可能になる。また、シート状システム１００全体で動作の安定性を高めることができる。

なお、ゲートウェイ６５０と各負荷１４０との通信は、信号線を介する有線の通信には限定されず、無線の通信であってもよい。

［２−９．変形例９］
ここまでに、各シート状システム１００に含まれる複数の負荷１４０の間の差異の有無について言及していないが、すべてが機能的に同等でなくてもよい。例えば複数の負荷１４０のうち１つが親機としての役割を果たして、子機である残りの負荷１４０の検知結果を収集して電線５００へ出力してもよい。

［２−１０．変形例１０］
実施の形態においては、シート状システム１００における配線シート１２０同士の間隔の一例として約１０ｍを挙げている。ただし、シート状システム１００の使用場所又は使用目的によって、配線シート１２０同士の間隔はより短くてもよい。

しかしながら、信号線として用いられる炭素配線１０２は、長尺になると、搬送する信号の影響でアンテナのように作用して電波を飛び出させやすくなる。そしてこの電波は、近くにある他のシート状システム１００が備える信号線にノイズを発生させたり電子機器の誤動作等を起こしたりする等の電波障害の原因となり得る。特に、方形波等に含まれるような信号の繰り返し速度より高い高調波成分は、この問題を生じさせやすい。

この問題を解消するために、配線シート１２０が電力供給線、信号線、及び第１ＧＮＤ線を含む３本以上の炭素配線１０２を備える場合、絶縁シート１０４において、電力供給線、信号線、及び第１ＧＮＤ線は平行に延在し、この信号線は、電力供給線と第１ＧＮＤ線との間に位置するよう配置してもよい。

これにより、信号線と電力供給線との間、及び信号線と第１ＧＮＤ線との間の容量結合によって、信号線内の信号に含まれる電波障害の原因となる高調波成分が抑えられる。

図１１は、このような炭素配線１０２の配置の例を説明するための模式図である。この例では、配線シート１２０は４本の炭素配線１０２を備え、うち１本は電力供給線、１本はＧＮＤ線、残る２本はそれぞれデータ信号、クロック信号を搬送する信号線である。信号線である２本の炭素配線１０２は、配線シート１２０において平行に延在し、他の２本の炭素配線１０２の間に挟まれる。図１１内の他の配線シート１２０も共通の構成であり、近くのシート状システム１００間で相互に電波障害の発生が抑制される。

なお、配線シート１２０が備える炭素配線１０２のいずれも電力供給線として用いられていない、又は炭素配線１０２を平行に配置することができない場合には、駆動波形をなまらせるなどの手法によっても高調波成分を抑えることができる。

［２−１１．変形例１１］
上記で例示した使用環境である洞道には、電気が通る多数のケーブル等に起因してノイズが多く存在する。このような環境に設置されるシート状システム１００又は構造物運用支援システム１０に含まれるセンサ１４６の検出結果を示す信号は、信号線である炭素配線１０２によって有線で伝送されるのが好ましい。

しかし、ノイズが少ない環境、また、通信相手との距離が数ｍ程度の限られた環境で用いられる場合、通信部１４３が無線通信の機能を備えて無線で伝送されてもよい。この場合において、蓄電素子１４２が負荷１４０の電気回路の動作の電源であれば、通信部１４３は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標） Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ等の、より小さい消費電力で通信を行う通信モジュールで実現されるのが好ましい。また、例えば各シート状システム１００において、２−９に記載した親機である負荷１４０が、子機である残りの負荷１４０の検知結果を無線通信で受信して収集し、収集した結果を電線５００へ出力して遠方の集中管理システムに送信してもよい。

また、上記の実施の形態の説明では、各負荷１４０は信号を送信する場合のみが示されているが、各負荷１４０は信号を受信してもよい。例えば洞道の集中管理システム等から電線５００及び信号線である炭素配線１０２を介して動作試験又は臨時の動作等のための信号を受信してもよい。また、例えば洞道内で作業員が所持する情報端末装置と無線による双方向の通信をして、作業員の操作に応じた計測の実行とその結果の送信をしてもよい。

［２−１２．その他の変形例］
上記の２−１〜２−１１に上記の実施の形態の主な変形例を挙げたが、その他にも上記で具体的には例示していない種々の変形が可能である。

例えば、上述したシート状システム１００はいずれも複数の負荷を備えるが、シート状システム１００が備える負荷の個数は１個であってもよい。

また、絶縁シート１０４の材料には、典型的な絶縁体である天然樹脂のゴムが用いられてもよい。

また、ビア１０３の材料はグラファイト等の炭素材料に限定されず、設置場所の環境に長期に耐え得る導電体であればよい。

また、構造物運用支援システム１０の設置場所である構造物には、上記の洞道、住居、ビル、商用施設等の建築物の他に、電柱、鉄塔、ダム、橋梁、道路、堤防、防波堤、船舶が例としてさらに挙げられる。また、シート状システム１００が設置される構造物の材質はコンクリートに限定されず、モルタル、金属、ガラス、樹脂、タイル、煉瓦が例としてさらに挙げられる。または工事や発掘調査等の現場において土や岩石の表面に設置されてもよい。

また、構造物運用支援システム１０が設置される場所の環境によっては環境発電が負荷１４０に電力を供給するために用いられてもよい。例えば安定的に光を受ける場所であれば、各負荷１４０又は構造物運用支援システム１０内に太陽電池等の環境発電素子を付加して補助的な電源として用いてもよい。例えば安定的に風を受ける場所であれば風力発電機が付加されてもよいし、振動が多い場所では圧電素子が付加されてもよい。

上述の実施の形態及びその変形例は、本発明の技術内容を説明することを目的とする例示として記載されたものであり、本願に係る発明の技術的範囲をこの記載の内容に限定する趣旨ではない。本願に係る発明の技術的範囲は、明細書、図面、及び特許請求の範囲又はこれに均等の範囲において当業者が想到可能な限り、変更、置き換え、付加、省略されたものも含む。

［３．効果］
配線シート１２０が備える炭素配線１０２は、その主な材料である炭素が持つきわめて腐食しにくい性質に因って高い耐環境性を有する。これにより炭素配線１０２は、配線の材料として従来用いられている金属類に比べてより長期にわたって信頼性のある配線としての使用が可能である。金属類でもよく配線の材料に用いられている銅との比較でさらに言えば、まず、安定した供給が見込まれることから、導入時のコストの面でも長期的に有利である。また、軽量である点、繰り返しの屈曲に耐え得る点、加工性の良さ、及び大きな面積への展開のための生産性の良さも、複雑な表面形状の構造物や、大規模な構造物への適用を容易にする。

また、炭素配線１０２をポリ塩化ビニル樹脂等の耐環境性の高い材料の絶縁シート１０４に包めば扱いが容易になり、且つ、より高い耐久性を得て、長期間の使用が可能な配線として使用することができる。

このような高い耐環境性を持つ配線シート１２０は、例えばセンサを含む電気回線を備える、複数の負荷１４０を炭素配線１０２と接続するよう取り付けて組み合わせることでシート状の検査システム（シート状システム１００の例）に利用可能である。このようなシート状システム１００は、従来の金属配線では劣化しやすい環境にある構造物の表面に取り付けても長期にわたり利用することが可能である。

また、大規模な構造物であれば、シート状システム１００を当該構造物に巡らされた電源線や通信線等に接続して多数設置してもよい。これにより、従来の検査員による検査では現実的に不可能な、多点でのほぼ同時の物理量計測による検査が可能な構造物運用支援システム１０を実現することができる。

なお、計測の対象や目的によっては、センサを常時動作させてデータを収集する必要はなく、例えば毎日決まった時刻に短時間計測する等、間欠的な計測で得たデータで異常の発見に利用可能なものもある。このような場合は、例えば抵抗率は高いが、より安価な炭素配線１０２を用いて電力を負荷１４０に供給し、負荷１４０ではキャパシタ等の蓄電素子に蓄電してもよい。そして、この蓄電素子からの電力で所定の時刻にのみセンサを含む電気回線を動作させて、計測から計測結果の送信までが実行されてもよい。

この計測結果のデータは例えば構造物の集中管理システムに集約され、監視や解析の対象として利用される。このデータを用いて、例えば構造物全体の状態を空間的に、又は構造物全体の状態の変化を時系列に沿って把握することができる。

また、従来は全体から一度にはデータを収集できなかった構造物であれば、このデータを用いることで、従来とは異なるアプローチでこの構造物の状態の把握や異常の早期発見に役立てられる可能性がある。

また、配線シート１２０としては、高い耐環境性が要求されない場所では、ポリ塩化ビニル以外の樹脂や布や紙などの電気絶縁性と可撓性を有する材料を主な材料とする絶縁シート１０４を用いることで、例えば要求された外観を呈し、かつ電気や信号を取り出す場所の自由度の高い壁紙としての利用が可能である。

さらに本発明の効果として、省資源及び省エネルギーへの貢献が見込まれる。

まず上記のとおり、炭素配線１０２は、配線に従来利用されている銅等の金属に比べて豊富で安定的な供給が見込まれる資源である炭素を主な材料とするものである。また、炭素配線１０２を用いることで従来のエレクトロニクス分野でよく言われる製品寿命である１０年を超える長期の耐久性を実現する。これにより、補修や交換の頻度を抑えることで省資源及び省エネルギーに貢献する。

また、炭素配線１０２の製法として、上述の印刷による方法が採用される場合は、加工や製造で産生する熱が比較的小さい点でも省エネルギーに貢献し得る。

そして、配線シート１２０を含む構造物運用支援システム１０を用いることで、従来は取得が不可能だったデータに基づく構造物を空間的にとらえた異常診断が実現し、構造物の耐用寿命を延ばすことができる。これにより、構造物の建設の頻度が下がれば、その分、この建設に伴う建材、建設機器、及び物流も含めた消費エネルギーや発生するＣＯ_２の削減につながる。また、人手による点検作業で必要な物流や照明等のエネルギーも減らすことができる。

特に洞道等の大規模で複雑な構造物では、建設、点検、全体的な改修で消費される資源及びエネルギーは大量である。このような構造物にも適用可能な本発明に係る構造物運用支援システム１０がもたらす省資源及び省エネルギーの効果は大きい。

本発明は、配線シートとして、この配線シートに複数の負荷を組み合わせたシート状システムとして、また、このシート状システムを複数含む、構造物運用支援システムとして利用可能である。

１０ 構造物運用支援システム
１００ シート状システム
１０２ 炭素配線
１０３ ビア
１０４ 絶縁シート
１０４Ａ 絶縁シート第１層
１０４Ｂ 絶縁シート第２層
１０４Ｃ 配線基板
１０４Ｄ 支持材
１０５ 金属端子
１０６ コンタクト
１２０ 配線シート
１４０ 負荷
１４１ 電源部
１４２ 蓄電素子
１４３ 通信部
１４４ 制御部
１４５ 信号処理部
１４６ センサ
１４７ 第１電源回路
１４８ 第２電源回路
１６０ 配線
１８０ 加圧機構
５００ 電線
５５０ 接地線
６００ 照明灯
６５１ 制御部
７００ 監視用端末装置
８００ サーバ

Claims (5)

1. 各々が信号線又は電力供給線であり、炭素を主な材料とする導体で可撓性を有する１本以上の炭素配線と、前記１本以上の炭素配線の略全体を包む、電気絶縁体を主な材料として可撓性を有する絶縁シートとを備える配線シートと、
   前記絶縁シートの外から前記１本以上の炭素配線に電気的に接続される複数の負荷とを備え、
   前記１本以上の炭素配線は前記電力供給線を含み、
   前記複数の負荷は、
   前記電力供給線から電力の供給を受けて蓄電する蓄電素子と、
   前記蓄電素子から電力の供給を受けて間欠的に動作する電気回路と、
   前記蓄電素子に蓄えられた電力を前記電力供給線に戻すための電気回路とをそれぞれ含む
   シート状システム。
2. 前記１本以上の炭素配線は前記信号線を含み、
   前記電気回路はセンサを含み、前記信号線を介して前記センサによって測定された物理量を出力する
   請求項１に記載のシート状システム。
3. 前記１本以上の炭素配線は２本以上の炭素配線であり、
   前記２本以上の炭素配線は、電流を実質的に流すことなく接地電位を取るために用いられる第２ＧＮＤ線を含む
   請求項２に記載のシート状システム。
4. 前記１本以上の炭素配線は前記電力供給線を含み、
   当該シート状システムの外部の電源からの電気が流れる電線と前記電力供給線とを電気的に接続するゲートウェイとを備え、
   前記ゲートウェイは、
   前記複数の負荷のそれぞれに、前記電力供給線を介する前記電源からの電力の供給を受けるか否かを指示する
   請求項１〜３のいずれか１項に記載のシート状システム。
5. 構造物の表面に敷設される、複数の請求項１〜４のいずれか１項に記載のシート状システムと、
   前記複数のシート状システムがそれぞれ備える前記１本以上の炭素配線が接続される電線とを備える
   構造物運用支援システム。

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