WO2023243612A1 - コンクリート構造体、コンクリート検査システム、およびｒｆｉｄデバイス - Google Patents

コンクリート構造体、コンクリート検査システム、およびｒｆｉｄデバイス Download PDF

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WO2023243612A1
WO2023243612A1 PCT/JP2023/021767 JP2023021767W WO2023243612A1 WO 2023243612 A1 WO2023243612 A1 WO 2023243612A1 JP 2023021767 W JP2023021767 W JP 2023021767W WO 2023243612 A1 WO2023243612 A1 WO 2023243612A1
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WO
WIPO (PCT)
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capsule
rfid tag
rfid
concrete structure
concrete
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/021767
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English (en)
French (fr)
Inventor
正道 安藤
紀行 植木
Original Assignee
株式会社村田製作所
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/38—Concrete; Lime; Mortar; Gypsum; Bricks; Ceramics; Glass

Definitions

  • the present disclosure relates to a concrete structure including an RFID device, a concrete inspection system that inspects a concrete structure using an RFID device, and an RFID device.
  • Patent Document 1 discloses a system that detects the state of a concrete structure using a plurality of sensors in order to periodically inspect the concrete structure. Thereby, periodic inspections of concrete structures can be carried out without the need for manual hammering sound diagnosis.
  • an object of the present disclosure is to perform periodic inspections of a concrete structure without installing sensors that require power supply and wiring for supplying power to the sensors in the concrete structure.
  • the RFID device comprises a capsule and an RFID tag disposed within the capsule that is activated upon receiving a predetermined paging signal and transmits a predetermined response signal;
  • the capsule is configured such that when an external force exceeding a predetermined force is applied, the RFID tag is destroyed to the outside of the capsule, and
  • a concrete structure is provided, wherein the RFID tag is configured to change into a state incapable of communication when it comes into contact with components in the atmosphere.
  • a concrete inspection system for inspecting a concrete structure, an RFID device included in the concrete of the concrete structure;
  • a communication device that performs wireless communication with the RFID device,
  • the RFID device is comprising a capsule, and an RFID tag disposed within the capsule, activated upon receiving a predetermined call signal from the communication device, and transmitting a predetermined response signal to the communication device;
  • the capsule is configured such that when an external force exceeding a predetermined force is applied, the RFID tag is destroyed to the outside of the capsule, and
  • a concrete inspection system is provided, wherein the RFID tag is configured to change to a state in which communication is disabled when it comes into contact with components in the atmosphere.
  • capsule and an RFID tag disposed within the capsule, activated upon receiving a predetermined call signal, and transmitting a predetermined response signal;
  • the capsule is configured such that when an external force exceeding a predetermined force is applied, the RFID tag is destroyed to the outside of the capsule, and
  • An RFID device is provided, wherein the RFID tag is configured to change to a state incapable of communication when it comes into contact with components in the atmosphere.
  • periodic inspections of concrete structures can be performed without installing sensors that require power supply and wiring for supplying power to the sensors in the concrete structure.
  • a perspective view of an RFID device according to Embodiment 1 of the present disclosure Cross-sectional view of the RFID device shown in Figure 1
  • Schematic diagram of a concrete inspection system according to Embodiment 1 of the present disclosure for inspecting a concrete structure Block diagram showing the configuration of the concrete inspection system
  • Cross-sectional view of a part of the concrete structure immediately after the abnormality occurred A cross-sectional view of a portion of a concrete structure some time after the abnormality occurred.
  • a perspective view of an RFID device according to Embodiment 2 of the present disclosure Cross-sectional view of the RFID device shown in Figure 7 Top view of an RFID tag according to another embodiment of the present disclosure
  • FIG. 1 is a perspective view of an RFID device according to Embodiment 1 of the present disclosure
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the RFID device shown in FIG. 1.
  • the XYZ coordinate system in the figures is for facilitating understanding of the present disclosure and is not intended to limit the present disclosure.
  • the RFID (Radio-Frequency IDentification) device 10 has a substantially cylindrical shape and includes an RFID tag 12 and a capsule 14 that accommodates the RFID tag 12. Contains. Although a substantially cylindrical shape is illustrated here, a polygonal pillar may also be used.
  • the RFID tag 12 is a device that performs wireless communication at a predetermined frequency.
  • the RFID tag 12 is a so-called passive device that does not have a power source.
  • the RFID tag 12 includes an IC chip 16 and two pole-shaped antenna members 18A and 18B.
  • the IC chip 16 is mounted on a substrate 20 such as a flexible substrate, and one end of each of the antenna members 18A and 18B is attached to the substrate 20. The other ends of each of the antenna members 18A and 18B are supported by the capsule 14.
  • the IC chip 16 and the antenna members 18A and 18B are electrically connected via conductor patterns 22A and 22B on the substrate 20.
  • input/output terminals 16a and 16b of IC chip 16 are electrically connected to antenna members 18A and 18B via conductor patterns 22A and 22B, respectively.
  • the IC chip 16 and the antenna members 18A and 18B may be connected in a direct current manner or may be capacitively coupled.
  • the end portions of the antenna members 18A and 18B are illustrated as being supported by the capsule 14, the present invention is not limited to this and may be in a form in which they are not fixed to the capsule. Alternatively, it may be partially filled with adhesive. This is a design matter selectively determined by the size of the capsule and internal devices.
  • the IC chip 16 is a chip-shaped electronic component in which various elements are built into a semiconductor substrate made of a semiconductor such as silicon.
  • the IC chip 16 is configured to output a corresponding response signal (corresponding current) when a predetermined call signal (corresponding current) is input.
  • the response signal includes identification information unique to the RFID tag.
  • the antenna members 18A and 18B are made of a corrosive material, such as iron or aluminum, for reasons that will be described later. Further, in the case of the first embodiment, the antenna members 18A and 18B are arranged on the same straight line and constitute a dipole antenna having an antenna length L0.
  • the antenna length L0 is set to be half the wavelength of a predetermined frequency. Note that the antenna members 18A and 18B constituting the dipole antenna do not have to be linear, and may have other shapes, such as a meandering shape, as long as the antenna length L0 is half of a predetermined frequency. Further, the antenna member may be formed integrally with the substrate 20. In this case, there are no antenna members 18A, 18B and the antenna is patterned on the substrate 20.
  • the antenna members 18A, 18B when the antenna members 18A, 18B receive radio waves of a predetermined frequency (ie, a calling signal), a current flows from the antenna members 18A, 18B toward the IC chip 16. The current causes the IC chip 16 to operate, and the IC chip 16 outputs a response signal (corresponding current) to the antenna members 18A, 18B. Then, the antenna members 18A and 18B transmit radio waves corresponding to the response signal.
  • a predetermined frequency ie, a calling signal
  • the capsule 14 has a cylindrical shape with a bottom and includes a closed space 14a that accommodates the RFID tag 12. For example, by accommodating the RFID tag 12 in a cylindrical member and sealing the internal space of the cylindrical member by melting both ends of the cylindrical member, a capsule 14 that hermetically accommodates the RFID tag 12 is produced.
  • the capsule 14 is made of a material through which the radio waves transmitted and received by the RFID tag 12 inside the capsule can pass through. Furthermore, the capsule 14 is made of a material that does not allow substances such as oxygen and moisture to penetrate into the closed space 14a that accommodates the RFID tag 12, which corrodes the antenna members 18A and 18B. Further, although the reason will be described later, the capsule 14 is configured such that when an external force exceeding a predetermined force is applied, the capsule 14 is broken, causing the closed space 14a to communicate with the outside. With these considerations in mind, capsule 14 is preferably made from a brittle material, more preferably made from glass that does not substantially age in the natural environment.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a concrete structure having an RFID device according to Embodiment 1 of the present disclosure.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a concrete inspection system according to Embodiment 1 of the present disclosure for inspecting a concrete structure.
  • FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the concrete inspection system.
  • FIGS. 3 and 4 An example concrete structure 30 having an RFID device 10 is shown in FIGS. 3 and 4.
  • the concrete structure 30 is a concrete building that constitutes the inner surface portion of the tunnel.
  • a plurality of RFID devices 10 are included randomly within the concrete structure 30.
  • the concrete structure 30 is a structure formed by hardening concrete 32 containing at least cement, water, and sand.
  • the concrete structure 30 may include reinforcing bars.
  • a plurality of RFID devices 10 are mixed into concrete 32 before it hardens or is cast. When the concrete 32 hardens and dries sufficiently, a concrete structure 30 including a plurality of RFID devices 10 randomly is produced.
  • the RFID device 10 is mixed with concrete and hardened, but it is also possible to drill a hole at a predetermined position after the concrete hardens, insert the RFID device 10, and seal it again with concrete or resin. Good too.
  • a concrete inspection system 50 for inspecting a concrete structure 30 uses a plurality of RFID devices 10 in the concrete structure 30 and response signals transmitted from the RFID devices 10. and an inspection device 52 that detects abnormalities in the concrete structure 30.
  • the inspection device 52 includes a communication device 54 that performs wireless communication with the RFID device 10 and a calculation device 56 that detects abnormalities in the concrete structure 30.
  • the inspection device 52 is mounted on a moving object M such as a vehicle or a drone.
  • the communication device 54 of the inspection device 52 performs wireless communication with each of the RFID devices 10 within the concrete structure 30.
  • the communication device 54 includes at least three communication antennas 58 installed at different positions in order to specify the three-dimensional position of each RFID device 10. Based on the output timing of the calling signal and the reception timing of the response signal from the RFID device 10 of each communication antenna 58, the distance between the RFID device 10 and each communication antenna 58 can be specified. Furthermore, the three-dimensional position of the RFID device 10 can be specified based on these specified distances and the respective installation positions of the communication antennas 58.
  • the arithmetic unit 56 of the inspection device 52 is, for example, a computer composed of a processor such as a CPU and a storage device that stores programs and the like. By operating the processor according to the program stored in the storage device, the arithmetic unit 56 can perform the following various operations.
  • the computing device 56 controls the communication device 54 and causes the communication device 54 to perform wireless communication with each of the plurality of RFID devices 10. Thereby, the communication device 54 transmits a paging signal of a predetermined frequency to each of the RFID devices 10, and each of the RFID devices 10 that received the paging signal transmits a response signal to the communication device 54.
  • the arithmetic device 56 After performing the wireless communication, acquires the response signal from each RFID device 10 and information on the reception timing of the response signal from the communication device 106. Based on this information acquired from the communication device 54 and information on the installation positions of the communication antennas 58 of the communication device 54 stored in advance, the calculation device 56 calculates the three-dimensional position of each of the RFID devices 10. . Note that since the response signals from each of the plurality of RFID devices 10 include different identification information, it is possible to calculate the three-dimensional position of each of the RFID devices 10.
  • the calculation device 56 After calculating the three-dimensional position of each RFID device 10, the calculation device 56 creates a distribution map of the plurality of RFID devices 10 based on the calculation result.
  • the calculation device 56 creates a three-dimensional distribution map of the plurality of RFID devices 10 within the concrete structure 30, for example, using 3D CAD data of the concrete structure 30 acquired in advance. That is, a distribution map of communicable RFID devices 10 is created.
  • the distribution map of the RFID devices 10 serving as a reference is created immediately after the concrete structure 30 is completed (that is, at a timing when no abnormality has occurred in the concrete structure 30).
  • a distribution map of the RFID devices 10 is also created when the concrete structure 30 is inspected periodically thereafter.
  • the concrete in which the RFID device 10 exists is An abnormality such as displacement or cracking has occurred in a portion of the structure 30. This will be explained in detail.
  • FIG. 6A is a cross-sectional view of a portion of the concrete structure before an abnormality occurs. Further, FIG. 6B is a cross-sectional view of a portion of the concrete structure immediately after the abnormality occurs. FIG. 6C is a cross-sectional view of a portion of the concrete structure some time after the abnormality has occurred.
  • the RFID device 10 in the concrete structure 30 is in a state where it can communicate wirelessly with the communication device 54 of the inspection device 52. That is, the antenna members 18A and 18B of the RFID tag 12 of the RFID device 10 maintain an antenna length L0 that allows them to receive a calling signal of a predetermined frequency from the communication device 54.
  • the capsule 14 of the RFID device 10 existing in the area where the abnormality occurs is destroyed.
  • external forces such as compressive force and shear force act on the capsule 14, and as a result, the capsule 14 is destroyed. Due to this destruction, the sealed space 14a of the capsule 14 communicates with the outside, and the RFID tag 12 is exposed to the outside of the capsule 14. As a result, oxygen, moisture W, etc. can enter into the capsule 14. Note that immediately after an abnormality occurs in the concrete structure 30, the RFID tag 12 is still in a communicable state.
  • the antenna members 18A and 18B Immediately after the capsule 14 is destroyed, oxygen, moisture W, etc. that have entered the capsule 14 begin to corrode at least a portion of the current path of the RFID tag 12, or in the case of the first embodiment, the antenna members 18A and 18B. When the corrosion progresses to a certain extent, the antenna members 18A and 18B are partially disconnected, as shown in FIG. 6C. As a result, the antenna lengths of the antenna members 18A and 18B become the antenna length L1, which is shorter than the antenna length L0 before corrosion starts. Alternatively, due to corrosion of the antenna members 18A and 18B, the conductivity is significantly deteriorated, and the performance as an antenna is significantly deteriorated.
  • the RFID device 10 will eventually become unable to communicate.
  • the position of the RFID device 10 that cannot communicate corresponds to the part of the concrete structure 30 where the abnormality occurs. Therefore, if the concrete structure 30 is periodically inspected by wirelessly communicating with a plurality of RFID devices 10 in the concrete structure 30 and thereby identifying the RFID device 10 that cannot communicate, abnormalities in the concrete structure 30 can be detected. can be detected.
  • RFID The tag 12 may become unable to communicate.
  • the input/output terminals 16a, 16b of the IC chip 16 may be short-circuited due to moisture W entering the broken capsule 14. Since such a phenomenon is also caused by the occurrence of an abnormality in the concrete structure 30, the abnormality in the concrete structure 30 can be detected. That is, the RFID tag 12 is configured so that when it comes into contact with components in the atmosphere, particularly oxygen and moisture W, the RFID tag 12 becomes unable to communicate.
  • the conductive patterns 22A and 22B on the substrate 20 may be made from a material that is easily corroded. Corrosion of the conductor patterns 22A, 22B breaks the electrical connection between the antenna members 18A, 18B and the IC chip 16, and the RFID tag 12 becomes unable to communicate.
  • the inspection device 52 of the concrete inspection system 50 may notify the inspector of the occurrence of an abnormality in the concrete structure 30 and the part where the abnormality has occurred via an output device such as a display.
  • the calculation device 56 of the inspection device 52 uses a reference distribution map showing the distribution of the communicable RFID devices 10 created immediately after the completion of the concrete structure 30 and a distribution of the communicable RFID devices 10 created during the periodic inspection.
  • the RFID device 10 that has transitioned from a communicable state to a communicable state is identified based on the distribution map showing the .
  • the position of the identified RFID device 10 is notified to the inspector via the output device as the part of the concrete structure 30 where the abnormality has occurred.
  • the antenna members 18A, 18B of the RFID tag 12 of the RFID device 10 must be made of a material that can be corroded by atmospheric components, in particular corroded by oxygen, moisture, etc. It is preferable to use materials such as iron, which is easy to corrode, or aluminum, which can be coated with a specific plating to accelerate corrosion. However, when the antenna members 18A and 18B are made from such a material, it may be necessary to perform plating to ensure desired high frequency characteristics. In this case, it is preferable to form a porous noble metal plating layer, such as a gold plating layer, on the surfaces of the antenna members 18A and 18B.
  • a porous noble metal plating layer such as a gold plating layer
  • iron corrodes rapidly in normal atmosphere. Furthermore, due to the formation of a stable oxide film in the normal atmosphere, even aluminum, which has high corrosion resistance, can be plated with a noble metal to accelerate corrosion.
  • a noble metal such as gold
  • a metal base material with a relatively high ionization tendency such as aluminum, zinc, or iron
  • the metal may be exposed through defects in the plating due to the difference in ionization tendency between them. Parts of the base metal are severely corroded by local cell action. This phenomenon progresses very markedly in the presence of oxygen and moisture. On the other hand, under extremely low moisture and oxygen concentrations, corrosion almost never occurs.
  • antenna members 18A and 18B When gold plating with a thickness of 0.5 ⁇ m or less is applied to the surfaces of antenna members 18A and 18B made of materials such as iron and aluminum, a porous gold plating layer is formed. As a result, the surfaces of the antenna members 18A, 18 are partially exposed to the outside, and the antenna members 18A, 18B are easily corroded through the exposed portions. Due to such a porous gold plating layer, the antenna members 18A and 18B have desired high frequency characteristics, but are easily corroded in the atmosphere. Note that another plating layer may be present between the gold plating layer and the surfaces of the antenna members 18A and 18B.
  • the antenna members 18A and 18B are made of aluminum and a gold plating layer is formed on the surface thereof, a nickel plating layer may be formed between them.
  • nickel plating is used to prevent corrosion due to local battery action, but when gold plating is applied to aluminum, the thickness of the nickel plating is usually 5 ⁇ m or more to prevent corrosion due to local battery action. Therefore, in consideration of the susceptibility to corrosion of the antenna members 18A and 18B, it is preferable that the nickel plating layer be thin.
  • the antenna members 18A and 18B are made of aluminum, they can be corroded if the thickness of the nickel plating layer is, for example, 5 ⁇ m or less.
  • Sulfur dioxide gas is also considered to be an atmospheric component that corrodes metals. In particular, when silver plating is used, sulfurization progresses and the electrical performance deteriorates.
  • the RFID tag 12 is designed so that the part that performs an electrical function actively loses its function when it comes into contact with oxygen or moisture in the atmosphere.
  • the capsule 14 of the RFID device 10 needs to have a strength that will not be destroyed by drying shrinkage of the concrete 32.
  • concrete 32 shrinks as it dries. Due to the contraction, a compressive force acts on the capsule 14 as an external force. Therefore, the capsule 14 will not be destroyed by compressive force due to dry shrinkage of the concrete 32, but must be destroyed if an external force exceeding a predetermined force equal to or slightly greater than the compressive force is applied.
  • the capsule 14 made of glass has strength (for example, wall thickness) that can withstand compressive force due to drying shrinkage of the concrete 32.
  • the capsule 14 may be made of a resin material that deforms elastically under an external force less than the compressive force due to drying shrinkage of the concrete 32, and deforms plastically under an external force greater than that.
  • periodic inspections of a concrete structure can be performed without installing sensors that require power supply and wiring for supplying power to the sensors in the concrete structure. Can be done.
  • FIG. 7 is a perspective view of an RFID device according to Embodiment 2 of the present disclosure. Further, FIG. 8 is a cross-sectional view of the RFID device shown in FIG. 7.
  • the capsule 114 of the RFID device 110 has a substantially cylindrical shape and includes a plurality of circumferential grooves 114b. Stress is concentrated in this circumferential groove 114b when an external force is applied to the capsule 114. That is, the circumferential groove 114b functions as a stress concentration part of the capsule 114. Such a circumferential groove 114b makes it easier for the capsule 114 to break in the circumferential groove 114b. Moreover, the breaking strength of the capsule 114 can be adjusted by adjusting the width and depth of the circumferential groove 114b. As a result, the capsule 114 can be destroyed at a desired portion and by a desired external force.
  • the RFID tag 112 housed in the sealed space 114a of the capsule 114 includes an IC chip 116 and a substrate 120 on which the IC chip 116 is mounted.
  • antenna patterns 118A and 118B and a matching circuit pattern 124 are formed as conductor patterns.
  • the matching circuit pattern 124 is a circuit that matches the impedance of the IC chip 116 and the impedance of the antenna patterns 118A and 118B at a predetermined frequency.
  • the antenna patterns 118A, 118B and the matching circuit pattern 124 are made of a corrodable material, such as iron or aluminum. Further, the substrate 120 is made of a material that has low strong alkaline resistance, that is, is easily decomposed by strong alkaline liquid, such as polyimide.
  • the antenna patterns 118A, 118B and the matching circuit pattern 124 corrode. If at least one of antenna patterns 118A, 118B and matching circuit pattern 124 is disconnected due to corrosion, RFID tag 112 becomes unable to communicate. Further, if at least one of the antenna patterns 118A, 118B and the matching circuit pattern 124 becomes locally thin due to corrosion (if the resistance value locally increases), impedance matching cannot be achieved at a predetermined frequency, and the RFID tag 112 is unable to communicate. becomes impossible. Further, if a short circuit due to moisture occurs in the matching circuit pattern 124, impedance matching at a predetermined frequency cannot be achieved, and the RFID tag 112 becomes unable to communicate.
  • the substrate 120 disassembles, causing the antenna patterns 118A, 118B and matching circuit pattern 124 on the substrate 120 to collapse, making it impossible for the RFID tag 112 to communicate.
  • the concrete has strong alkalinity with a pH of 12 to 13, for example, in order to suppress corrosion of the reinforcing bars.
  • strongly alkaline moisture that is, a calcium hydroxide aqueous solution enters into the capsule 114, and the entered calcium hydroxide aqueous solution decomposes the substrate 120.
  • the antenna patterns 118A, 118B and the matching circuit pattern 124 which are no longer supported by the substrate 120, are unable to maintain their shapes and lose their electrical function.
  • a specific liquid or a specific gas different from air may be enclosed in the capsule 114 together with the RFID tag 112.
  • an inert gas such as nitrogen gas may be filled.
  • the inert gas flows out at the same time as the capsule 114 is destroyed, and the corrosion of the RFID tag 112 rapidly progresses.
  • a specific liquid may be enclosed in the capsule 114. That is, a liquid capacitance is placed between the RFID tag 112 and the communication device. While the liquid is present, the RFID device 110 and the communication device can communicate at a predetermined resonant frequency (communication frequency), but when the capsule 114 is destroyed and the liquid flows out, the resonant frequency of the RFID device 110 changes. It becomes impossible to communicate with the communication device.
  • the second embodiment described above also performs hostile inspection of a concrete structure by connecting sensors that require power supply and wiring for supplying power to the sensor to the concrete structure. It can be executed without any installation.
  • the capsule 14 of the RFID device 10 is approximately cylindrical, but the shape of the capsule 14 is not limited to this.
  • Capsules can be of various shapes. However, in consideration of ease of fracture, a lumpy shape, particularly a spherical shape, which is less likely to cause stress concentration and is less likely to be compressed or sheared, is not very suitable as a capsule shape.
  • the shapes of the capsules of each of the plurality of RFID devices included in the concrete structure may be different so that the breaking strengths are different. This not only makes it possible to identify the location where a displacement or crack has occurred in the concrete structure, but also to estimate the extent of the displacement or crack.
  • the capsule 14 of the RFID device 10 has a hollow structure and includes a sealed space 14a.
  • the RFID tag 12 is housed within the sealed space 14a.
  • the embodiments of the present disclosure are not limited to this.
  • the capsule may be a solid structure and the RFID tag may be embedded within the capsule. That is, the RFID tag only needs to be placed inside the capsule.
  • the antenna members 18A and 18B of the RFID tag 12 of the RFID device 10 constitute a dipole antenna.
  • the embodiments of the present disclosure are not limited to this.
  • the antenna of the RFID tag may be of other shapes, such as a monopole antenna. That is, the RFID device according to the present disclosure can take various forms.
  • FIG. 9 is a top view of an RFID tag according to another embodiment of the present disclosure. Further, FIG. 10 is a cross-sectional view of an RFID device including an RFID tag according to another embodiment.
  • the RFID tag 212 includes an IC chip 216 and a substrate 220, such as a glass epoxy substrate.
  • the IC chip 216 is not directly mounted on the board 220, but is mounted on the board 220 via a flexible board 226.
  • the IC chip 216 is modularized by being mounted on a flexible substrate 226 on which a matching circuit and the like are formed.
  • a modularized IC chip 216 is mounted on a substrate 220. Note that the IC chip 216 may be directly mounted on the substrate 220 as long as impedance matching can be achieved between the IC chip 216 and the antenna patterns 218A and 218B without a matching circuit.
  • antenna patterns 218A and 218B having significantly different antenna lengths are formed on the substrate 220.
  • the antenna length of the latter is longer. Therefore, the antenna pattern 218B makes a greater contribution to determining the resonant frequency (communication frequency) of the RFID tag 212.
  • the RFID tag 212 is housed in a glass cylindrical member having a bottom portion 214a, and is encapsulated in the cylindrical member, that is, the capsule 214, by melting and closing the opening edge 214b of the cylindrical member with a laser beam.
  • the inner diameter ⁇ of the cylindrical member (that is, the capsule 214) is slightly larger than the width s1 of the RFID tag 212.
  • the depth D of the cylindrical member is sufficiently larger than the length s2 of the RFID tag 212.
  • the RFID tag 212 is fixed to the bottom 214a of the capsule 214 via an adhesive 228 such as silicone adhesive.
  • a portion of the antenna pattern 218A has entered the adhesive 228. That is, a portion of the antenna pattern 218A that does not significantly contribute to determining the resonant frequency of the RFID tag 212 is placed within the adhesive 228.
  • the RFID tag 212 can perform wireless communication at the resonant frequency determined by the antenna lengths of the antenna patterns 218A and 218B without being affected by the capacitance of the adhesive 228.
  • the RFID device according to the present disclosure can take various forms depending not only on usage conditions but also on manufacturing methods.
  • the RFID tag 12 of the RFID device 10 is configured to receive a predetermined call signal, operate, and transmit a predetermined response signal.
  • an RFID tag of an RFID device may be configured to store information transmitted from an external communication device. This allows the RFID tag to hold information such as the inspection date and inspector of the concrete structure, for example.
  • the concrete structure 30 is a concrete building and is the inner surface portion of a tunnel.
  • the concrete structure may be, for example, a concrete building such as a bridge pier or an embankment.
  • the concrete structure is not limited to a concrete building, but may be a building material such as a concrete block.
  • the RFID device 10 is used while being included in the concrete of the concrete structure 30.
  • the object containing the RFID device 10 is not limited to concrete.
  • the RFID device may be included in an object that transmits radio waves and causes local displacement.
  • multiple RFID devices may be buried in the soil of a slope. In this case, it can be seen that when the RFID device becomes unable to communicate, a displacement occurs in the soil area where the RFID device is located to the extent that an external force is generated that destroys the capsule. This makes it possible to detect signs of a landslide on a slope.
  • a first aspect includes concrete and an RFID device included in the concrete, the RFID device being disposed within the capsule and activated by receiving a predetermined paging signal; an RFID tag that transmits a predetermined response signal; the capsule is configured such that when an external force exceeding a predetermined force is applied to the capsule, the RFID tag is exposed to the outside of the capsule; It is a concrete structure that is constructed in such a way that it becomes unable to communicate when it comes into contact with atmospheric components.
  • a second aspect is the concrete structure of the first aspect, wherein at least a part of the current path of the RFID tag is made of a material that can be corroded by components in the atmosphere.
  • a third aspect is the concrete structure of the second aspect, in which the current path of the RFID tag includes a porous noble metal plating layer on its surface.
  • the RFID tag includes an IC chip as the current path and an antenna electrically connected to the IC chip, and the antenna is made of a material that can be corroded by components in the atmosphere.
  • the antenna is made of a material that can be corroded by components in the atmosphere.
  • the RFID tag includes a matching circuit that performs impedance matching between the IC chip and the antenna as the current path, and the matching circuit is made of a material that can be corroded by components in the atmosphere. It is the concrete structure of the 4th aspect which is produced.
  • a sixth aspect is the concrete structure according to any one of the first to fifth aspects, wherein the capsule of the RFID device is made of a material that breaks when an external force exceeding the predetermined force is applied. .
  • a seventh aspect is the concrete structure according to any one of the first to sixth aspects, wherein the capsule of the RFID device includes a stress concentration part where stress is concentrated.
  • An eighth aspect is the concrete structure of any one of the first to seventh aspects, wherein the capsule of the RFID device is made of glass.
  • a ninth aspect is a concrete inspection system for inspecting a concrete structure, the system including an RFID device included in concrete of the concrete structure, and a communication device that performs wireless communication with the RFID device,
  • the device includes a capsule, an RFID tag disposed within the capsule, activated upon receiving a predetermined paging signal from the communication device, and transmitting a predetermined response signal to the communication device;
  • an external force exceeding a predetermined force is applied, the RFID tag is destroyed to be exposed to the outside of the capsule, and when the RFID tag comes into contact with components in the atmosphere, it becomes unable to communicate.
  • This is a concrete inspection system configured as follows.
  • a tenth aspect includes a capsule, and an RFID tag disposed within the capsule that is activated upon receiving a predetermined paging signal and transmits a predetermined response signal, and the capsule receives a predetermined force.
  • the RFID tag is configured such that when an external force exceeding the capsule is applied, the RFID tag is destroyed to be exposed to the outside of the capsule, and the RFID tag is configured such that when it comes into contact with components in the atmosphere, it changes to a state in which communication is impossible. , an RFID device.
  • the present disclosure is applicable to inspection of objects such as concrete where it is necessary to detect local displacement.

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Abstract

コンクリート構造体は、コンクリートと、コンクリートに内含されるＲＦＩＤデバイスとを有する。ＲＦＩＤデバイスが、カプセルと、カプセル内に配置され、所定の呼び出し信号を受信して作動し、所定の応答信号を送信するＲＦＩＤタグとを備える。カプセルが、所定の力を超える外力が加わると、ＲＦＩＤタグがカプセルの外部に露出する破壊が生じるように構成されている。ＲＦＩＤタグが、大気中の成分に触れると通信不可能な状態に変化するように構成されている。

Description

コンクリート構造体、コンクリート検査システム、およびＲＦＩＤデバイス
　本開示は、ＲＦＩＤデバイスを備えるコンクリート構造体、ＲＦＩＤデバイスを用いてコンクリート構造体を検査するコンクリート検査システム、およびＲＦＩＤデバイスに関する。
　例えば、特許文献１には、コンクリート構造体を定期的に検査するために、複数のセンサを用いてコンクリート構造体の状態を検出するシステムが開示されている。これにより、人力による打音診断などを行うことなく、コンクリート構造体の定期的な検査を実行することができる。
特開２０１８－２２６８７号公報
　しかしながら、特許文献１に記載されたシステムの場合、コンクリート構造体を定期的に検査するために、コンクリート構造体に設置された複数のセンサに電力を供給する必要がある。また、センサに電力を供給する配線をコンクリート構造体に配設する必要が生じる。
　そこで、本開示は、コンクリート構造体の定期的な検査を、電力供給が必要なセンサおよびセンサに電力を供給する配線をコンクリート構造体に設置することなく、実行することを課題とする。
　上記技術的課題を解決するために、本開示の一態様によれば、
　コンクリートと、
　前記コンクリートに内含されるＲＦＩＤデバイスと、を有し、
　前記ＲＦＩＤデバイスが、カプセルと、前記カプセル内に配置され、所定の呼び出し信号を受信して作動し、所定の応答信号を送信するＲＦＩＤタグとを備え、
　前記カプセルが、所定の力を超える外力が加わると、前記ＲＦＩＤタグが前記カプセル外部に露出する破壊が生じるように構成され、
　前記ＲＦＩＤタグが、大気中の成分に触れると通信不可能な状態に変化するように構成されている、コンクリート構造体が提供される。
　また、本開示の別態様によれば、
　コンクリート構造体を検査するコンクリート検査システムであって、
　前記コンクリート構造体のコンクリートに内含されるＲＦＩＤデバイスと、
　前記ＲＦＩＤデバイスと無線通信を行う通信装置とを含み、
　前記ＲＦＩＤデバイスが、
　カプセルと、前記カプセル内に配置され、前記通信装置からの所定の呼び出し信号を受信して作動し、所定の応答信号を前記通信装置に送信するＲＦＩＤタグと、を有し、
　前記カプセルが、所定の力を超える外力が加わると、前記ＲＦＩＤタグが前記カプセル外部に露出する破壊が生じるように構成され、
　前記ＲＦＩＤタグが、大気中の成分に触れると通信不可能な状態に変化するように構成されている、コンクリート検査システムが提供される。
　また、本開示の異なる態様によれば、
　カプセルと、
　前記カプセル内に配置され、所定の呼び出し信号を受信して作動し、所定の応答信号を送信するＲＦＩＤタグと、を有し、
　前記カプセルが、所定の力を超える外力が加わると、前記ＲＦＩＤタグが前記カプセル外部に露出する破壊が生じるように構成され、
　前記ＲＦＩＤタグが、大気中の成分に触れると通信不可能な状態に変化するように構成されている、ＲＦＩＤデバイスが提供される。
　本開示によれば、コンクリート構造体の定期的な検査を、電力供給が必要なセンサおよびセンサに電力を供給する配線をコンクリート構造体に設置することなく、実行することができる。
本開示の実施の形態１に係るＲＦＩＤデバイスの斜視図 図１に示すＲＦＩＤデバイスの断面図 本開示の実施の形態１に係るＲＦＩＤデバイスを有するコンクリート構造体の一例を示す図 コンクリート構造体を検査するための本開示の実施の形態１に係るコンクリート検査システムの概略図 コンクリート検査システムの構成を示すブロック図 異常が発生する前のコンクリート構造体の一部分の断面図 異常が発生した直後のコンクリート構造体の一部分の断面図 異常が発生してしばらく経過した後のコンクリート構造体の一部分の断面図 本開示の実施の形態２に係るＲＦＩＤデバイスの斜視図 図７に示すＲＦＩＤデバイスの断面図 本開示の別の実施の形態に係るＲＦＩＤタグの上面図 別の実施の形態に係るＲＦＩＤタグを備えるＲＦＩＤデバイスの断面図
　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
　図１は、本開示の実施の形態１に係るＲＦＩＤデバイスの斜視図であって、図２は、図１に示すＲＦＩＤデバイスの断面図である。図中のＸ－Ｙ－Ｚ座標系は、本開示の理解を容易にするためのものであって、本開示を限定するものではない。
　図１および図２に示すように、本実施の形態１に係るＲＦＩＤ（Radio-Frequency IDentification）デバイス１０は、略円柱状であって、ＲＦＩＤタグ１２と、そのＲＦＩＤタグ１２を収容するカプセル１４とを含んでいる。ここでは略円柱状のものを例示したが、多角柱であっても構わない。
　ＲＦＩＤタグ１２は、所定の周波数で無線通信を実行するデバイスである。本実施の形態１の場合、ＲＦＩＤタグ１２は、電源を持たないいわゆるパッシブ型のデバイスである。
　図２に示すように、ＲＦＩＤタグ１２は、ＩＣチップ１６と、２本のポール状のアンテナ部材１８Ａ、１８Ｂとを備える。本実施の形態１の場合、ＩＣチップ１６がフレキシブル基板などの基板２０に実装され、アンテナ部材１８Ａ、１８Ｂそれぞれの一端が基板２０に取り付けられている。アンテナ部材１８Ａ、１８Ｂそれぞれの他端は、カプセル１４に支持されている。ＩＣチップ１６とアンテナ部材１８Ａ、１８Ｂは、基板２０上の導体パターン２２Ａ、２２Ｂを介して電気的に接続されている。具体的には、ＩＣチップ１６の入出力端子１６ａ、１６ｂそれぞれが、導体パターン２２Ａ、２２Ｂを介して、アンテナ部材１８Ａ、１８Ｂに電気的に接続されている。なお、ＩＣチップ１６とアンテナ部材１８Ａ、１８Ｂは直流的に接続されてもよいし、容量結合されてもよい。尚、ここではアンテナ部材１８Ａ、１８Ｂの端部がカプセル１４に支持されているように例示したが、この限りではなく、カプセルに固定されていない形態でもよい。あるいは、部分的に接着剤が充填されたような形態でもよい。これはカプセルや内部のデバイスのサイズによって選択的に決定される設計事項である。
　ＩＣチップ１６は、シリコン等の半導体を素材とする半導体基板に各種の素子を内蔵したチップ状の電子部品である。ICチップ１６は、所定の呼び出し信号（対応する電流）が入力されると対応する応答信号（対応する電流）を出力するように構成されている。本実施の形態１の場合、応答信号には、ＲＦＩＤタグ固有の識別情報が含まれている。
　本実施の形態１の場合、アンテナ部材１８Ａ、１８Ｂは、理由は後述するが、腐食可能な材料、例えば鉄やアルミニウムなどから作製されている。また、本実施の形態１の場合、アンテナ部材１８Ａ、１８Ｂは、同一直線上に配置され、アンテナ長Ｌ０を備えるダイポールアンテナを構成する。アンテナ長Ｌ０は、所定の周波数の波長の半分の長さにされている。なお、ダイポールアンテナを構成するアンテナ部材１８Ａ、１８Ｂは、直線状でなくてもよく、アンテナ長Ｌ０が所定の周波数の半分であれば、例えばミアンダ状などの他の形状であってもよい。また、アンテナ部材は基板２０に一体的に形成されていてもよい。この場合アンテナ部材１８A、１８Bは無く、アンテナは基板２０上にパターン形成される。
　このようなＲＦＩＤタグ１２によれば、アンテナ部材１８Ａ、１８Ｂが所定の周波数の電波（すなわち呼び出し信号）を受信すると、アンテナ部材１８Ａ、１８ＢからＩＣチップ１６に向かって流れる電流が発生する。その電流によってＩＣチップ１６は作動し、そしてＩＣチップ１６は応答信号（対応する電流）をアンテナ部材１８Ａ、１８Ｂに出力する。そして、アンテナ部材１８Ａ、１８Ｂが応答信号に対応する電波を送信する。
　カプセル１４は、図２に示すように、有底筒状であって、ＲＦＩＤタグ１２を収容する密閉空間１４ａを備える。例えば、筒状部材にＲＦＩＤタグ１２を収容し、その筒状部材の両端を溶融して筒状部材の内部空間を封止することにより、ＲＦＩＤタグ１２を密閉収容するカプセル１４が作製される。
　カプセル１４は、まず、その内部のＲＦＩＤタグ１２が送受信する電波が透過可能な材料から作製されている。また、カプセル１４は、ＲＦＩＤタグ１２を収容する密閉空間１４ａ内に向かってアンテナ部材１８Ａ、１８Ｂを腐食させる酸素および水分などの物質が透過しない材料から作製されている。さらに、理由は後述するが、カプセル１４は、所定の力を超える外力が加わると、密閉空間１４ａと外部が連通する破壊が生じるように構成されている。これらを考慮し、カプセル１４は、好ましくは脆性材料から作製され、さらに好ましくは自然環境下では実質的に経年劣化しないガラスから作製されている。
　図３は、本開示の実施の形態１に係るＲＦＩＤデバイスを有するコンクリート構造体の一例を示す図である。また、図４は、コンクリート構造体を検査するための本開示の実施の形態１に係るコンクリート検査システムの概略図である。そして、図５は、コンクリート検査システムの構成を示すブロック図である。
　図３および図４には、ＲＦＩＤデバイス１０を有する一例のコンクリート構造体３０が示されている。本実施の形態１の場合、コンクリート構造体３０は、トンネルの内側表面部分を構成するコンクリート建造物である。複数のＲＦＩＤデバイス１０が、コンクリート構造体３０内に、ランダムに内含されている。
　コンクリート構造体３０は、セメント、水、砂を少なくとも含むコンクリート３２を硬化させてなる構造体である。コンクリート構造体３０は、場合によっては鉄筋を含む。複数のＲＦＩＤデバイス１０が、硬化する前、すなわち打設前のコンクリート３２に混ぜられる。そのコンクリート３２が硬化して十分に乾燥することにより、複数のＲＦＩＤデバイス１０がランダムに内含するコンクリート構造体３０が作製される。尚、ここではＲＦＩＤデバイス１０をコンクリートに混合して硬化させる例を示したが、コンクリートの硬化後に所定の位置に穴をあけてＲＦＩＤデバイス１０を挿入し、改めてコンクリートや樹脂で封止する態様としてもよい。
　図４および図５に示すように、コンクリート構造体３０を検査するためのコンクリート検査システム５０は、コンクリート構造体３０内の複数のＲＦＩＤデバイス１０と、ＲＦＩＤデバイス１０から送信された応答信号に基づいてコンクリート構造体３０の異常を検出する検査装置５２とから構成される。検査装置５２は、ＲＦＩＤデバイス１０と無線通信を行う通信装置５４と、コンクリート構造体３０の異常を検出する演算装置５６とを含んでいる。なお、本実施の形態１の場合、コンクリート構造体３０がトンネルであるため、検査装置５２は、車両やドローンなどの移動体Ｍに搭載されている。
　検査装置５２の通信装置５４は、コンクリート構造体３０内のＲＦＩＤデバイス１０それぞれと無線通信を行う。本実施の形態１の場合、通信装置５４は、ＲＦＩＤデバイス１０それぞれの三次元位置を特定するために、異なる位置に設置された少なくとも３本の通信アンテナ５８を備える。呼び出し信号の出力タイミングと通信アンテナ５８それぞれのＲＦＩＤデバイス１０からの応答信号の受信タイミングとに基づいて、当該ＲＦＩＤデバイス１０と通信アンテナ５８それぞれとの間の距離を特定することができる。また、これらの特定した距離と通信アンテナ５８それぞれの設置位置とに基づいて、当該ＲＦＩＤデバイス１０の三次元位置を特定することができる。
　検査装置５２の演算装置５６は、例えば、ＣＰＵなどのプロセッサと、プラグラムなどを記憶する記憶デバイスとから構成されているコンピュータである。記憶デバイスに記憶されているプログラムにしたがってプロセッサが動作することにより、演算装置５６は、以下の様々な動作を実行することができる。
　まず、演算装置５６は、通信装置５４を制御し、通信装置５４に複数のＲＦＩＤデバイス１０それぞれとの無線通信を実行させる。これにより、通信装置５４が所定の周波数の呼び出し信号をＲＦＩＤデバイス１０それぞれに送信し、その呼び出し信号を受信したＲＦＩＤデバイス１０それぞれが応答信号を通信装置５４に送信する。
　無線通信の実行後、演算装置５６は、ＲＦＩＤデバイス１０それぞれからの応答信号とその応答信号の受信タイミングの情報を通信装置１０６から取得する。通信装置５４から取得したこれらの情報と、予め記憶されている通信装置５４の通信アンテナ５８それぞれの設置位置の情報とに基づいて、演算装置５６は、ＲＦＩＤデバイス１０それぞれの三次元位置を算出する。なお、複数のＲＦＩＤデバイス１０それぞれからの応答信号には異なる識別情報が含まれているので、ＲＦＩＤデバイス１０それぞれの三次元位置を算出することができる。
　ＲＦＩＤデバイス１０それぞれの三次元位置を算出した後、演算装置５６は、その算出結果に基づいて、複数のＲＦＩＤデバイス１０の分布マップを作成する。演算装置５６は、例えば、予め取得したコンクリート構造体３０の３ＤＣＡＤデータを用いて、コンクリート構造体３０内の複数のＲＦＩＤデバイス１０の３次元分布マップを作成する。すなわち、通信可能なＲＦＩＤデバイス１０の分布マップが作成される。
　このようなＲＦＩＤデバイス１０の分布マップを用いることにより、コンクリート構造体３０の異常の検出が可能になる。
　具体的には、コンクリート構造体３０が完成した直後（すなわちコンクリート構造体３０に異常が発生していないタイミング）に、基準となるＲＦＩＤデバイス１０の分布マップが作成される。その後に定期的に実行されるコンクリート構造体３０の検査時にも、ＲＦＩＤデバイス１０の分布マップが作成される。基準の分布マップと検査時に作成した分布マップとを比較した結果、基準の分布マップには存在するが検査時に作成した分布マップに存在しないＲＦＩＤデバイス１０があれば、そのＲＦＩＤデバイス１０が存在するコンクリート構造体３０の部分に、変位やき裂の発生などの異常が生じている。このことについて、詳細に説明する。
　図６Ａは、異常が発生する前のコンクリート構造体の一部分の断面図である。また、図６Ｂは、異常が発生した直後のコンクリート構造体の一部分の断面図である。そして、図６Ｃは、異常が発生してしばらく経過した後のコンクリート構造体の一部分の断面図である。
　図６Ａに示すように、変位やき裂の発生などの異常が生じていない場合、コンクリート構造体３０内のＲＦＩＤデバイス１０は、検査装置５２の通信装置５４と無線通信可能な状態である。すなわち、ＲＦＩＤデバイス１０のＲＦＩＤタグ１２のアンテナ部材１８Ａ、１８Ｂが、通信装置５４からの所定の周波数の呼び出し信号を受信できるアンテナ長Ｌ０を維持している。
　図６Ｂに示すように、コンクリート構造体３０内において局所的に変位Ｄやき裂Ｃの発生などの異常が生じると、その発生部分に存在するＲＦＩＤデバイス１０のカプセル１４が破壊される。具体的には、コンクリート構造体３０の異常の発生により、カプセル１４に対して圧縮力、せん断力などの外力が作用し、その結果としてカプセル１４が破壊される。この破壊により、カプセル１４の密閉空間１４ａが外部と連通し、ＲＦＩＤタグ１２がカプセル１４の外部に露出する。その結果、酸素や水分Ｗなどがカプセル１４内に侵入可能になる。なお、コンクリート構造体３０に異常が発生した直後においては、ＲＦＩＤタグ１２はまだ通信可能な状態である。
　カプセル１４の破壊直後からカプセル１４内に侵入した酸素や水分Ｗなどにより、ＲＦＩＤタグ１２の電流経路の少なくとも一部、本実施の形態１の場合にはアンテナ部材１８Ａ、１８Ｂの腐食が始まる。腐食がある程度進行すると、図６Ｃに示すように、アンテナ部材１８Ａ、１８Ｂは、部分的に断線する。その結果、アンテナ部材１８Ａ、１８Ｂのアンテナ長は、腐食が始まる前のアンテナ長Ｌ０に比べて短いアンテナ長Ｌ１になる。あるいはアンテナ部材１８Ａ、１８Ｂの腐食により導電率が著しく悪化しアンテナとしての性能が著しく劣化する。そのため、通信装置５４からの所定の周波数の電波（呼び出し信号）がアンテナ部材１８Ａ、１８Ｂに到達しても、アンテナ部材１８Ａ、１８ＢからＩＣチップ１６に向かう電流が発生せず、ＩＣチップ１６が作動しない。その結果、ＲＦＩＤタグ１２は、通信装置５４からの呼び出し信号に応答することができない（応答信号を送信することができない）。
　このようにコンクリート構造体３０の異常の発生によってカプセル１４が破壊すると、そのＲＦＩＤデバイス１０は最終的には通信不可能になる。言い換えると、通信不可能なＲＦＩＤデバイス１０の位置が、コンクリート構造体３０の異常の発生部分に対応する。したがって、コンクリート構造体３０の定期的な検査としてコンクリート構造体３０内の複数のＲＦＩＤデバイス１０と無線通信を行い、それにより通信不可能なＲＦＩＤデバイス１０を特定すれば、コンクリート構造体３０の異常を検出することができる。
　なお、本実施の形態１の場合、アンテナ部材１８Ａ、１８Ｂのアンテナ長が腐食によって短くなる、あるいはアンテナそのものが腐食して導電率が劣化しアンテナとしての機能を果たさなくなること以外の現象でも、ＲＦＩＤタグ１２は通信不可能な状態になりうる。例えば、破壊されたカプセル１４内に侵入した水分Ｗにより、ＩＣチップ１６の入出力端子１６ａ、１６ｂが互いに短絡しうる。このような現象もコンクリート構造体３０の異常の発生を原因とするので、コンクリート構造体３０の異常を検出することができる。すなわち、ＲＦＩＤタグ１２は、大気中の成分、特に酸素や水分Ｗなどに触れると通信不可能な状態に変化するように構成されている。なお、アンテナ部材１８Ａ、１８Ｂを腐食しやすい材料から作製することに加えてまたは代わって、基板２０上の導体パターン２２Ａ、２２Ｂを腐食しやすい材料から作製してもよい。導体パターン２２Ａ、２２Ｂが腐食することにより、アンテナ部材１８Ａ、１８ＢとＩＣチップ１６との間の電気的な接続が切れ、ＲＦＩＤタグ１２は通信不可能な状態になる。
　また、コンクリート検査システム５０の検査装置５２が、ディスプレイなどの出力デバイスを介して、コンクリート構造体３０の異常の発生およびその発生部分を、検査者に通知してもよい。この場合、検査装置５２の演算装置５６が、コンクリート構造体３０の完成直後に作成した通信可能なＲＦＩＤデバイス１０の分布を示す基準の分布マップと定期検査時に作成した通信可能なＲＦＩＤデバイス１０の分布を示す分布マップとに基づいて、通信可能な状態から通信不可能な状態に移行したＲＦＩＤデバイス１０を特定する。その特定したＲＦＩＤデバイス１０の位置を、異常が発生したコンクリート構造体３０の部分として、出力デバイスを介して検査者に通知する。
　さらに、このようなコンクリート構造体３０の検査を実行するためには、ＲＦＩＤデバイス１０のＲＦＩＤタグ１２のアンテナ部材１８Ａ、１８Ｂは、大気中の成分によって腐食可能な材料、特に酸素や水分などによって腐食しやすい鉄や、特定のメッキを施すことで腐食を促進させることができるアルミニウムなどの材料で作製するのが好ましい。ただし、このような材料からアンテナ部材１８Ａ、１８Ｂを作製した場合、所望の高周波特性を確保するためにメッキを施す必要が生じる場合がある。この場合、ポーラス状の貴金属メッキ層、例えば金メッキ層をアンテナ部材１８Ａ、１８Ｂの表面に形成するのが好ましい。
　一般的に、鉄は通常の大気中で腐食が進む。さらに通常の大気中では安定酸化膜の形成により、耐腐食性が高いアルミニウムであっても貴金属系のメッキを施すことにより腐食を促進させることができる。アルミニウム、亜鉛、鉄などのイオン化傾向が比較的高い金属母材に対して金など貴金属系のメッキを施した場合、それらの間のイオン化傾向の違いにより、メッキの欠陥箇所を介して露出する金属母材の部分が局部電池作用によって著しく腐食される。この現象は酸素や水分がある状態では非常に顕著に進行する。逆に水分濃度や酸素濃度が極端に低い状態では、腐食はほぼ起こらない。０．５μｍ以下の厚さの金メッキを鉄やアルミニウムなどの材料から作製されたアンテナ部材１８Ａ、１８Ｂの表面に施すと、ポーラス状の金メッキ層が形成される。その結果、アンテナ部材１８Ａ、１８の表面が部分的に外部に露出し、その露出した部分を介してアンテナ部材１８Ａ、１８Ｂは腐食しやすくなる。このようなポーラス状の金メッキ層により、アンテナ部材１８Ａ、１８Ｂは、所望の高周波特性を備えつつ、大気中では腐食しやすくなる。なお、金メッキ層とアンテナ部材１８Ａ、１８Ｂの表面との間に、他のメッキ層があってもよい。例えば、アンテナ部材１８Ａ、１８Ｂがアルミニウムで作製され、その表面に金メッキ層が形成される場合、これらの間にニッケルメッキ層が形成されてもよい。通常は局部電池作用による腐食を防ぐためのニッケルメッキであるが、アルミニウムに対する金メッキに対しては局部電池作用による腐食を防ぐためにニッケルメッキの厚みを５μｍ以上とするのが通例である。よって、アンテナ部材１８Ａ、１８Ｂの腐食しやすさを考慮すると、ニッケルメッキ層は薄い方が好ましい。アンテナ部材１８Ａ、１８Ｂは、アルミニウムから作製されている場合、ニッケルメッキ層の厚さが例えば５μｍ以下であれば、腐食させることができる。金属を腐食させる大気成分としては亜硫酸ガスも考えられる。銀メッキを用いた場合には特に硫化が進行し、その電気的性能が低下する。このように電気的な機能を果たす部分が、大気中の酸素や水分に触れると、積極的に機能を失うように、ＲＦＩＤタグ１２が設計されている。
　さらにまた、このようなコンクリート構造体３０の検査を実行するためには、ＲＦＩＤデバイス１０のカプセル１４は、コンクリート３２の乾燥収縮によって破壊しない強度を備える必要がある。具体的には、コンクリート３２は、乾燥するときに収縮する。その収縮によってカプセル１４には外力として圧縮力が作用する。したがって、カプセル１４は、コンクリート３２の乾燥収縮による圧縮力では破壊はしないが、その圧縮力と同一またはわずかに大きい所定の力を超える外力が加わると破壊する必要がある。例えば、本実施の形態１の場合、ガラスから作製されているカプセル１４は、コンクリート３２の乾燥収縮による圧縮力に耐えうる強度（例えば肉厚）を備える。これに代わって、カプセル１４は、コンクリート３２の乾燥収縮による圧縮力以下の外力では弾性変形し、それ以上の外力では塑性変形する樹脂材料から作製されてもよい。
　なお、コンクリート３２の乾燥収縮によって複数のＲＦＩＤデバイス１０の中のいくつかのカプセル１４が破壊することについてはあまり問題にならない。なぜなら、コンクリート３２が乾燥してコンクリート構造体３０が完成した直後において破壊されていない通信可能なＲＦＩＤデバイス１０が、コンクリート構造体３０の検査に使用されるからである。
　以上のような本実施の形態１によれば、コンクリート構造体の定期的な検査を、電力供給が必要なセンサおよびセンサに電力を供給する配線をコンクリート構造体に設置することなく、実行することができる。
（実施の形態２）
　本実施の形態２は、ＲＦＩＤデバイスについて上述の実施の形態１と異なる。
　図７は、本開示の実施の形態２に係るＲＦＩＤデバイスの斜視図である。また、図８は、図７に示すＲＦＩＤデバイスの断面図である。
　図７および図８に示すように、ＲＦＩＤデバイス１１０のカプセル１１４は、略筒状であって、複数の周回溝１１４ｂを備える。この周回溝１１４ｂには、カプセル１１４に外力が作用したときに応力が集中する。すなわち周回溝１１４ｂは、カプセル１１４の応力集中部として機能する。このような周回溝１１４ｂにより、カプセル１１４は周回溝１１４ｂで破壊しやくなる。また、周回溝１１４ｂの幅や深さを調節することにより、カプセル１１４の破壊強度を調節することができる。その結果、カプセル１１４は、所望の部分で破壊することができるとともに、所望の外力で破壊することができる。
　本実施の形態２の場合、カプセル１１４の密閉空間１１４ａに収容されているＲＦＩＤタグ１１２は、ＩＣチップ１１６と、ＩＣチップ１１６が実装された基板１２０とを備える。基板１２０上には、導体パターンとして、アンテナパターン１１８Ａ、１１８Ｂと整合回路パターン１２４とが形成されている。整合回路パターン１２４は、ＩＣチップ１１６のインピーダンスとアンテナパターン１１８Ａ、１１８Ｂのインピーダンスを所定の周波数で整合する回路である。
　アンテナパターン１１８Ａ、１１８Ｂおよび整合回路パターン１２４は、腐食可能な材料、例えば鉄やアルミニウムなどから作製されている。また、基板１２０は、強アルカリ耐性が低い、すなわち強アルカリ性の液体によって分解しやすい材料、例えばポリイミドから作製されている。
　このような本実施の形態２のＲＦＩＤデバイス１１０によれば、カプセル１１４が破壊すると、アンテナパターン１１８Ａ、１１８Ｂおよび整合回路パターン１２４が腐食する。アンテナパターン１１８Ａ、１１８Ｂ、および整合回路パターン１２４の少なくとも１つが腐食によって断線すると、ＲＦＩＤタグ１１２は通信不可能になる。また、アンテナパターン１１８Ａ、１１８Ｂ、および整合回路パターン１２４の少なくとも１つが腐食によって局所的に細くなると（局所的に抵抗値が増加すると）、所定の周波数でインピーダンス整合がとれなくなり、ＲＦＩＤタグ１１２は通信不可能になる。さらに、整合回路パターン１２４内において水分による短絡が発生すると、所定の周波数でのインピーダンス整合がとれなくなり、ＲＦＩＤタグ１１２は通信不可能になる。
　また、コンクリート構造体内に鉄筋が存在する場合、基板１２０が分解することにより、基板１２０上のアンテナパターン１１８Ａ、１１８Ｂ、および整合回路パターン１２４が崩壊し、RFIDタグ１１２が通信不可能になる。
　具体的に説明すると、コンクリート構造体内に鉄筋が存在する場合、そのコンクリートは、鉄筋の腐食を抑制するために、例えばｐＨ１２～１３の強アルカリ性を備える。これは、コンクリートの構成材とコンクリートを作成するときに使用する水分とが水和反応することによって水酸化カルシウムが生成されているからである。カプセル１１４が破壊されると、強アルカリ性の水分、すなわち水酸化カルシウム水溶液がカプセル１１４内に侵入し、その侵入した水酸化カルシウム水溶液が基板１２０を分解する。基板１２０が分解すると、基板１２０による支持を失ったアンテナパターン１１８Ａ、１１８Ｂ、および整合回路パターン１２４が形状を維持することができず、その電気的な機能が失われる。
　なお、カプセル１１４の中に、ＲＦＩＤタグ１１２とともに、特定の液体または空気と異なる特定の気体を封入してもよい。例えば、窒素ガスなどの不活性ガスを封入してもよい。この場合、カプセル１１４の破壊と同時に不活性ガスが外部に流出し、ＲＦＩＤタグ１１２の腐食が急激に進む。また例えば、特定の液体をカプセル１１４に封入してもよい。すなわち、RFIDタグ１１２と通信装置との間に液体のキャパシタンスを配置する。液体が存在する間はＲＦＩＤデバイス１１０と通信装置は所定の共振周波数（通信周波数）で通信可能であるが、カプセル１１４が破壊して液体が外部に流出すると、RFIDデバイス１１０の共振周波数が変化して通信装置と通信不可能な状態になる。
　以上のような本実施の形態２も、上述の実施の形態１と同様に、コンクリート構造体の敵的な検査を、電力供給が必要なセンサおよびセンサに電力を供給する配線をコンクリート構造体に設置することなく、実行することができる。
　以上、上述の実施の形態を挙げて本開示を説明したが、本開示の実施の形態はこれに限らない。
　例えば、上述の実施の形態１の場合、図１に示すように、ＲＦＩＤデバイス１０のカプセル１４は略円柱状であるが、カプセル１４の形状はこれに限らない。カプセルは様々な形状が可能である。ただし、破壊のしやすさを考慮すると、応力集中が発生しにくく、且つ圧縮破壊およびせん断破壊しにくい塊状、特に球形状は、カプセルの形状としてあまり適さない。
　ＲＦＩＤデバイスのカプセルの破壊強度に関して、コンクリート構造体に内含される複数のＲＦＩＤデバイスそれぞれのカプセル形状は、破壊強度が異なるように異なる形状であってもよい。これにより、コンクリート構造体に生じた変位やき裂の発生部分を特定できるだけでなく、その変位やき裂の程度を推測することができる。
　また、上述の実施の形態１の場合、図２に示すように、ＲＦＩＤデバイス１０のカプセル１４は、中空構造であって、密閉空間１４ａを備える。その密閉空間１４ａ内にＲＦＩＤタグ１２が収容されている。しかしながら、本開示の実施の形態はこれに限らない。例えば、カプセルが中実構造であって、ＲＦＩＤタグがカプセル内に埋設されてもよい。すなわち、ＲＦＩＤタグは、カプセル内に配置されていればよい。
　さらに、上述の実施の形態１の場合、図２に示すように、ＲＦＩＤデバイス１０のＲＦＩＤタグ１２のアンテナ部材１８Ａ、１８Ｂは、ダイポールアンテナを構成している。しかしながら、本開示の実施の形態はこれに限らない。ＲＦＩＤタグのアンテナは、モノポールアンテナなどの他の形状のアンテナであってもよい。すなわち、本開示に係るＲＦＩＤデバイスは、様々な形態をとることが可能である。
　図９は、本開示の別の実施の形態に係るＲＦＩＤタグの上面図である。また、図１０は、別の実施の形態に係るＲＦＩＤタグを備えるＲＦＩＤデバイスの断面図である。
　図９および図１０に示すように、ＲＦＩＤタグ２１２は、ＩＣチップ２１６と、例えばガラスエポキシ基板などの基板２２０とを備える。ＩＣチップ２１６は、直接的に基板２２０に実装されておらず、フレキシブル基板２２６を介して基板２２０に実装されている。具体的には、ＩＣチップ２１６は、整合回路などが形成されたフレキシブル基板２２６に実装されてモジュール化されている。モジュール化された状態のＩＣチップ２１６が、基板２２０に実装されている。なお、整合回路がなくてもＩＣチップ２１６とアンテナパターン２１８Ａ、２１８Ｂとの間でインピーダンス整合がとれるのであれば、ＩＣチップ２１６を直接的に基板２２０に実装してもよい。
　また、基板２２０には、アンテナ長が大きく異なるアンテナパターン２１８Ａ、２１８Ｂが形成されている。アンテナ長は、後者の方が長い。したがって、アンテナパターン２１８Ｂの方が、ＲＦＩＤタグ２１２の共振周波数（通信周波数）の決定に大きく寄与している。
　ＲＦＩＤタグ２１２は、底部２１４ａを備えるガラス製の筒状部材に収容され、筒状部材の開口縁部２１４ｂをレーザ光によって溶融して閉じることにより、筒状部材、すなわちカプセル２１４に封入される。筒状部材（すなわちカプセル２１４）の内径φは、ＲＦＩＤタグ２１２の幅ｓ１に比べてわずかに大きい。また、筒状部材の深さＤは、ＲＦＩＤタグ２１２の長さｓ２に比べて十分に大きい。これにより、開口縁部２１４ｂをレーザ光によって溶融して閉じるとき、ＲＦＩＤタグ２１２は、熱の影響を受けないように、その溶融する開口縁部２１４ｂから十分に離れることができる。
　また、ＲＦＩＤタグ２１２は、例えばシリコン接着剤などの接着剤２２８を介してカプセル２１４の底部２１４ａに固定されている。接着剤２２８には、アンテナパターン２１８Ａの一部が進入している。すなわち、ＲＦＩＤタグ２１２の共振周波数の決定に大きく寄与していないアンテナパターン２１８Ａの一部が接着剤２２８内に配置されている。その結果、接着剤２２８のキャパシタンスの影響をほとんど受けることなく、ＲＦＩＤタグ２１２は、アンテナパターン２１８Ａ、２１８Ｂのアンテナ長で決まる共振周波数で無線通信を行うことができる。
　この別の実施の形態に係るＲＦＩＤデバイス２１０のように、本開示に係るＲＦＩＤデバイスは、使用条件のみならず、製造方法に応じても、様々な形態をとることが可能である。
　さらにまた、上述の実施の形態１の場合、ＲＦＩＤデバイス１０のＲＦＩＤタグ１２は、所定の呼び出し信号を受信して作動し、所定の応答信号を送信するように構成されている。しかしながら、本開示の実施の形態はこれに限らない。例えば、ＲＦＩＤデバイスのＲＦＩＤタグは、外部の通信装置から送信された情報を記憶するように構成されてもよい。これにより、例えばコンクリート構造体の検査日や検査者などの情報を、ＲＦＩＤタグは保持することができる。
　加えて、上述の実施の形態１の場合、図３および図４に示すように、コンクリート構造体３０は、コンクリート建造物であって、トンネルの内側表面部分である。しかしながら、本開示の実施の形態はこれに限らない。コンクリート構造体は、例えば橋脚、堤防などのコンクリート建造物であってもよい。また、コンクリート構造体は、コンクリート建造物に限らず、コンクリートブロックなどの建材であってもよい。
　加えてまた、上述の実施の形態１の場合、図４に示すように、ＲＦＩＤデバイス１０は、コンクリート構造体３０のコンクリートに内含されて使用される。ＲＦＩＤデバイス１０が内含される物体は、コンクリートに限定されない。ＲＦＩＤデバイスは、電波を透過し、局所的に変位が生じる物体に内含されればよい。例えば、複数のＲＦＩＤデバイスが傾斜地の土壌内に埋設されてもよい。この場合、ＲＦＩＤデバイスが通信不可能になると、カプセルを破壊する外力が発生する程度の変位が、そのＲＦＩＤデバイスが存在する土壌部分に発生していることが分かる。これにより、傾斜地の地すべりの前兆を検出することができる。
　すなわち、本開示の様々な態様は、以下の通りである。
　第１の態様は、コンクリートと、前記コンクリートに内含されるＲＦＩＤデバイスと、を有し、前記ＲＦＩＤデバイスが、カプセルと、前記カプセル内に配置され、所定の呼び出し信号を受信して作動し、所定の応答信号を送信するＲＦＩＤタグとを備え、前記カプセルが、所定の力を超える外力が加わると、前記ＲＦＩＤタグが前記カプセル外部に露出する破壊が生じるように構成され、前記ＲＦＩＤタグが、大気中の成分に触れると通信不可能な状態に変化するように構成されている、コンクリート構造体である。
　第２の態様は、前記ＲＦＩＤタグの電流経路の少なくとも一部が、大気中の成分によって腐食可能な材料から作製されている、第１の態様のコンクリート構造体である。
　第３の態様は、前記ＲＦＩＤタグの前記電流経路が、その表面にポーラス状の貴金属メッキ層を備える、第２の態様のコンクリート構造体である。
　第４の態様は、前記ＲＦＩＤタグが、前記電流経路として、ＩＣチップと、前記ＩＣチップに電気的に接続されたアンテナとを含み、前記アンテナが、大気中の成分によって腐食可能な材料から作製されている、第２または第３の態様のコンクリート構造体である。
　第５の態様は、前記ＲＦＩＤタグが、前記電流経路として、前記ＩＣチップと前記アンテナとの間でインピーダンス整合をとる整合回路を含み、前記整合回路が、大気中の成分によって腐食可能な材料から作製されている、第４の態様のコンクリート構造体である。
　第６の態様は、前記ＲＦＩＤデバイスの前記カプセルが、前記所定の力を超える外力が加わると破壊する材料から作製されている、第１から第５の態様のいずれか一つのコンクリート構造体である。
　第７の態様は、前記ＲＦＩＤデバイスの前記カプセルが、応力が集中する応力集中部を備える、第１から第６の態様のいずれか一つのコンクリート構造体である。
　第８の態様は、前記ＲＦＩＤデバイスの前記カプセルが、ガラスから作製されている、第１から第７の態様のいずれか一つのコンクリート構造体である。
　第９の態様は、コンクリート構造体を検査するコンクリート検査システムであって、前記コンクリート構造体のコンクリートに内含されるＲＦＩＤデバイスと、前記ＲＦＩＤデバイスと無線通信を行う通信装置とを含み、前記ＲＦＩＤデバイスが、カプセルと、前記カプセル内に配置され、前記通信装置からの所定の呼び出し信号を受信して作動し、所定の応答信号を前記通信装置に送信するＲＦＩＤタグと、を有し、前記カプセルが、所定の力を超える外力が加わると、前記ＲＦＩＤタグが前記カプセル外部に露出する破壊が生じるように構成され、前記ＲＦＩＤタグが、大気中の成分に触れると通信不可能な状態に変化するように構成されている、コンクリート検査システムである。
　第１０の態様は、カプセルと、前記カプセル内に配置され、所定の呼び出し信号を受信して作動し、所定の応答信号を送信するＲＦＩＤタグと、を有し、前記カプセルが、所定の力を超える外力が加わると、前記ＲＦＩＤタグが前記カプセル外部に露出する破壊が生じるように構成され、前記ＲＦＩＤタグが、大気中の成分に触れると通信不可能な状態に変化するように構成されている、ＲＦＩＤデバイスである。
　本開示は、局所的な変位を検出することが必要なコンクリートなどの物体の検査に適用可能である。

Claims (10)

  1. 　コンクリートと、
    　前記コンクリートに内含されるＲＦＩＤデバイスと、を有し、
    　前記ＲＦＩＤデバイスが、カプセルと、前記カプセル内に配置され、所定の呼び出し信号を受信して作動し、所定の応答信号を送信するＲＦＩＤタグとを備え、
    　前記カプセルが、所定の力を超える外力が加わると、前記ＲＦＩＤタグが前記カプセル外部に露出する破壊が生じるように構成され、
    　前記ＲＦＩＤタグが、大気中の成分に触れると通信不可能な状態に変化するように構成されている、コンクリート構造体。
  2. 　前記ＲＦＩＤタグの電流経路の少なくとも一部が、大気中の成分によって腐食可能な材料から作製されている、請求項１に記載のコンクリート構造体。
  3. 　前記ＲＦＩＤタグの前記電流経路が、その表面にポーラス状の貴金属メッキ層を備える、請求項２に記載のコンクリート構造体。
  4. 　前記ＲＦＩＤタグが、前記電流経路として、ＩＣチップと、前記ＩＣチップに電気的に接続されたアンテナとを含み、
    　前記アンテナが、大気中の成分によって腐食可能な材料から作製されている、請求項２または３に記載のコンクリート構造体。
  5. 　前記ＲＦＩＤタグが、前記電流経路として、前記ＩＣチップと前記アンテナとの間でインピーダンス整合をとる整合回路を含み、
    　前記整合回路が、大気中の成分によって腐食可能な材料から作製されている、請求項４に記載のコンクリート構造体。
  6. 　前記ＲＦＩＤデバイスの前記カプセルが、前記所定の力を超える外力が加わると破壊する材料から作製されている、請求項１から５のいずれか一項に記載のコンクリート構造体。
  7. 　前記ＲＦＩＤデバイスの前記カプセルが、応力が集中する応力集中部を備える、請求項１から６のいずれか一項に記載のコンクリート構造体。
  8. 　前記ＲＦＩＤデバイスの前記カプセルが、ガラスから作製されている、請求項１から７のいずれか一項に記載のコンクリート構造体。
  9. 　コンクリート構造体を検査するコンクリート検査システムであって、
    　前記コンクリート構造体のコンクリートに内含されるＲＦＩＤデバイスと、
    　前記ＲＦＩＤデバイスと無線通信を行う通信装置とを含み、
    　前記ＲＦＩＤデバイスが、
    　カプセルと、前記カプセル内に配置され、前記通信装置からの所定の呼び出し信号を受信して作動し、所定の応答信号を前記通信装置に送信するＲＦＩＤタグと、を有し、
    　前記カプセルが、所定の力を超える外力が加わると、前記ＲＦＩＤタグが前記カプセル外部に露出する破壊が生じるように構成され、
    　前記ＲＦＩＤタグが、大気中の成分に触れると通信不可能な状態に変化するように構成されている、コンクリート検査システム。
  10. 　カプセルと、
    　前記カプセル内に配置され、所定の呼び出し信号を受信して作動し、所定の応答信号を送信するＲＦＩＤタグと、を有し、
    　前記カプセルが、所定の力を超える外力が加わると、前記ＲＦＩＤタグが前記カプセル外部に露出する破壊が生じるように構成され、
    　前記ＲＦＩＤタグが、大気中の成分に触れると通信不可能な状態に変化するように構成されている、ＲＦＩＤデバイス。
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JP2003262556A (ja) * 2002-03-11 2003-09-19 Railway Technical Res Inst 構造物外力検知装置、及び構造物の外力検知方法
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