(57)【要約】【課題】低ひずみ領域において高感度センシング可能な損傷センサを提供する。【解決手段】損傷センサ１を、脆性マトリックス４と、前記脆性マトリックス４中に分散される導電性粒子１４による導電経路と、前記脆性マトリックス４中に配され当該マトリックス４を強化する繊維２４とを備えるように構成する。脆性マトリックス２の脆性破壊的挙動を利用することにより、低ひずみ領域での高感度な損傷センシングが可能となる。【選択図】図１
2004301517.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
損傷検出センサであって、
脆性マトリックスと、
前記脆性マトリックス中に分散される導電性粒子による導電経路と、
前記脆性マトリックス中に配され当該マトリックスを強化する補強材料、
とを備える、センサ。
【請求項２】
前記補強材料は、前記脆性マトリックス中に二次元的あるいは三次元的に所定の方向性を有して配されている繊維である、請求項１記載のセンサ。
【請求項３】
前記補強材料は、前記脆性マトリックス中に無方向性的に分散状に配されている繊維である、請求項１記載のセンサ。
【請求項４】
前記脆性マトリックスと前記導電性粒子との重量の総和に対して、前記導電性粒子を２０ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下含有する、請求項１〜３のいずれかに記載のセンサ。
【請求項５】
前記脆性マトリックスは、ガラス質である、請求項１〜４のいずれかに記載のセンサ。
【請求項６】
前記ガラス質マトリックスは、以下の組成；
ＰｂＯ２１０ｗｔ％以上４５ｗｔ％以下、
Ｂ２Ｏ３１５ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下、
ＳｉＯ２２０ｗｔ％以上４０ｗｔ％以下及び
Ａｌ２Ｏ３５ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下
を有するガラスである、請求項５記載のセンサ。
【請求項７】
前記導電性粒子は、ＲｕＯ２、ＩｒＯ２、ＲｈＯ２、Ｂｉ２Ｒｕ２Ｏ７、Ｐｂ２Ｒｕ２Ｏ７、Ｐｂ２Ｒｕ２Ｏ６．５及びＩｎ２Ｏ−ＳｎＯ２からなる群から選択される１種あるいは２種以上である、請求項１〜６のいずれかに記載のセンサ。
【請求項８】
前記補強材料を、前記マトリックスと前記導電性粒子の総体積に対して５〜５０ｖｏｌ％含有する、請求項１〜７のいずれかに記載のセンサ。
【請求項９】
表面には樹脂を含む被覆相を備える、請求項１〜８のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１０】
前記導電経路の電気抵抗値の変化を測定することにより、前記センサを装着した構築物のひずみ量、変形量及び損傷度のうち少なくとも１つを検出可能である、請求項１〜９のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１１】
前記導電経路の電気抵抗の変化と残留電気抵抗を測定することにより、前記センサを装着した構築物の累積損傷を検出可能である、請求項１〜９のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１２】
構築物の損傷検知方法であって、
構築物の内部あるいは表面に備えられる請求項１〜１１のいずれかに記載のセンサの前記導電性相の導電性を測定する工程を備える、方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、社会基盤構造物の健全性を診断（ヘルスモニタリング）技術に応用することを目指し、、特に、導電性粒子を無機系材料に複合化することにより、自己診断機能材料としての用途を備える無機系複合材料の利用した損傷検出センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、社会基盤構造物の健全性を診断する技術への期待が高まっている。例えば、コンクリート構造物における急速な劣化が社会的問題として顕在化し、コンクリート部材に対する損傷診断技術が求められている。
構造材料や建築構造物においては、材料内部に発生した変形・歪み・損傷の検知（センサ機能）には、光ファイバーを用いることが知られている（特許文献１）。光ファイバーを用いた場合、そのアセンブリ・コスト及び検知用システムコストは高い。また、光ファイバー自身は、損傷を受けやすく、材料内部で損傷する可能性がある。この場合、変形・ひずみ・損傷の検知は不可能となる。また、ひずみゲージを構造物の表面に張り付けて、変形等を検知することもできる。しかし、当該ゲージでは構造物表面の状態しか検知できず、内部状態を検知することができない。
【０００３】
また、構造体内あるいは構造体に付与される成形体内に導電性粒子の相を形成し、構造体における変形等を導電性の変化として検知する自己診断材料が開示されている（特許文献２）。また、炭素粉末あるいは炭素繊維を含んだ強化プラスチックを含浸させたガラス繊維束を自己診断材料として用いることも開示されている（特許文献３）。これらの材料は、導電性粒子相等における構造変化による材料自身の電気抵抗変化を利用した損傷検出が可能である。しかしながら、これらの材料は建築構造物の損傷を診断する際、低ひずみ領域（０．２％）における高感度センシング及び累積損傷を診断するのに不十分な電気抵抗の変化特性を表していた。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２４９０３５号公報
【特許文献２】
特開平９−１００３５６号公報
【特許文献３】
特開２００１−４１７７４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、低ひずみ領域において高感度センシング可能な損傷センサを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記した課題を解決するべく、従来導電経路を保持するのに用いられてきた弾性変形性や靭性を備えるマトリックスに替えて、敢えて脆性的な破壊挙動を有するマトリックスに着目し、導電性粒子を脆性マトリックスに分散させ、さらに、このマトリックスに繊維を組み合わせることにより、低ひずみ領域から広い範囲にわたり高感度な損傷センサを構築可能であることを見出した。
これらの知見によれば、以下の手段が提供される。
【０００７】
（１）損傷検出センサであって、
脆性マトリックスと、
前記脆性マトリックス中に分散される導電性粒子による導電経路と、
前記脆性マトリックス中に配され当該マトリックスを強化する補強材料、
とを備える、センサ。
（２）前記補強材料は、前記脆性マトリックス中に二次元的あるいは三次元的に所定の方向性を有して配されている繊維である、（１）記載のセンサ。
（３）前記補強材料は、前記脆性マトリックス中に無方向性的に分散状に配されている繊維である、（１）記載のセンサ。
（４）前記脆性マトリックスと前記導電性粒子との重量の総和に対して、前記導電性粒子を２０ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下含有する、（１）〜（３）のいずれかに記載のセンサ。
（５）前記脆性マトリックスは、ガラス質である、（１）〜（４）のいずれかに記載のセンサ。
（６）前記ガラス質マトリックスは、以下の組成；
ＰｂＯ２１０ｗｔ％以上４５ｗｔ％以下、
Ｂ２Ｏ３１５ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下、
ＳｉＯ２２０ｗｔ％以上４０ｗｔ％以下及び
Ａｌ２Ｏ３５ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下
を有するガラスである、（５）記載のセンサ。
（７）前記導電性粒子は、ＲｕＯ２、ＩｒＯ２、ＲｈＯ２、Ｂｉ２Ｒｕ２Ｏ７、Ｐｂ２Ｒｕ２Ｏ７、Ｐｂ２Ｒｕ２Ｏ６．５及びＩｎ２Ｏ−ＳｎＯ２からなる群から選択される１種あるいは２種以上である、（１）〜（６）のいずれかに記載のセンサ。
（８）前記補強材料を、前記マトリックスと前記導電性粒子の総体積に対して５〜５０ｖｏｌ％含有する、（１）〜（７）のいずれかに記載のセンサ。
（９）表面には樹脂を含む被覆相を備える、（１）〜（８）のいずれかに記載のセンサ。
（１０）前記導電経路の電気抵抗値の変化を測定することにより、前記センサを装着した構築物のひずみ量、変形量及び損傷度のうち少なくとも１つを検出可能である、（１）〜（９）のいずれかに記載のセンサ。
（１１）前記導電経路の電気抵抗の変化と残留電気抵抗を測定することにより、前記センサを装着した構築物の累積損傷を検出可能である、（１）〜（９）のいずれかに記載のセンサ。
（１２）構築物の損傷検知方法であって、
構築物の内部あるいは表面に備えられる（１）〜（１１）のいずれかに記載のセンサの前記導電経路の導電性を測定する工程を備える、方法。
【０００８】
本発明のセンサは、脆性マトリックスと導電性粒子と繊維とを備えることにより、構築物の低ひずみ領域での高感度なセンシングを可能とし、しかも、構築物の損傷履歴並びに寿命予測が可能となる。
本発明のセンサの高度なセンシングは、例えば以下のメカニズムにより説明することができる。図１に、方向性を有するように配された繊維２４を有する複合相２の一形態を示しているが、脆性マトリックス４と導電性粒子１４とを有する複合相２にあっては、脆性マトリックス４を採用しているため低ひずみ領域においても微細クラック３４が発生しやくなっている。微細クラック３４は、導電性粒子１４同士の接触を低下させる。さらに破壊が進展すると微細クラック１４が増加し、導電性粒子１４の接触がさらに低下する他、当該粒子１４にも微細クラック３４を生じさせる。一方、本発明の複合形態によれば、繊維２４によりマトリックス４が強化されているため、微細クラック３４が発生し増加しても、クラック３４の存在を許容して本複合相２を維持することができる。本発明センサは、このようなメカニズムにより、低ひずみ領域で高感度なセンシングが可能である。
また、本発明のセンサは、微細クラックを複合相２中に維持することから、変化したままの導電性を保持することができる。したがって、本センサは、損傷履歴を記憶することができる。
以上のことから、本センサは、脆性マトリックス４を有する複合相２の脆性的な破壊挙動を利用するものということができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図２に本発明のセンサ１の一形態を参照しながら説明する。なお、図２に示す形態は、本センサの好ましい一形態ではあるが本センサは当該例示されるセンサに限定されるものではない。
本センサ１は、導電性粒子１４と脆性マトリックス４と繊維などの補強材料２４とを備える複合相２を有しており、この複合相２は、図１に示すように、外部から応力がかかると、まず脆性マトリックス４に微細クラック３４が生じ、応力の増加によりマトリックス４中の微細クラック３４が増大及び／又は増加するという破壊挙動を取り、さらに、高強度を持っている補強材料２４自体は損傷せず、補強材料２４が緻密に存在する領域のマトリックス４は大きく損傷するという破壊挙動を取るように構成されることが好ましい。すなわち、脆性マトリックス４の脆性破壊挙動を利用して高感度センシングを可能とするとともに、脆性マトリックス４を補強材料２４で補強して破壊進行を遅延化できる形態を採用することが望ましい。
【００１０】
本センサ１における導電経路は、図１に示すような導電性粒子１４の連続的な接触形態（以下、パーコレーション構造ともいう。）を有している。
導電経路自体の形態は、特に限定しない。例えば、線状、面状、チューブ状、あるいはデザインされた二次元あるいは三次元形状を取ることができる。また、これらの形態の導電経路が積層された形態も含むことができる。
検知しようとする、あるいは発生する可能性のある応力の種類、方向などに応じて適宜選択することができる。
導電経路を構成する導電性粒子１４は、導電性を有する粒子１４であれば特に限定しないで使用できる。例えば、炭素、導電性を持つ金属酸化物、金属窒化物等の導電性セラミックス、金属、導電性プラスチックを使用できる。導電性材料としては、３００Ｋにおける電気抵抗（ρ）（Ωｃｍ）が２．３×１０−２以下であることが好ましい。より好ましくは、１．５×１０−３以下である。
【００１１】
例えば、導電性セラミックスとしては、窒化チタンなどを挙げることができるが、好ましくは、ＲｕＯ２、ＩｒＯ２、ＲｈＯ２、Ｂｉ２Ｒｕ２Ｏ７、Ｐｂ２Ｒｕ２Ｏ７、Ｐｂ２Ｒｕ２Ｏ６．５及びＩｎ２Ｏ−ＳｎＯ２である。これらのセラミックスからなる導電性粒子１４は、応力を受ける際、粒子自体にも微細クラックが生じやすいので低い応力に対して、敏感な電気抵抗の変化を持っているからである。好ましくは、ＲｕＯ２を用い、さらに好ましくは、ＲｕＯ２のみを用いることもできる。なお、導電性粒子１４としては、１種あるいは２種以上を組み合わせて用いることができる。
【００１２】
導電性粒子１４の形態は特に問わない。粒子１４は、球状、フレーク状（薄片状）、ウィスカ状、ファイバー状、棒状等とすることができる。導電性粒子は、このような形態を有する粒子を１種あるいは２種以上を組み合わせて用いることができる。
導電性粒子のサイズも特に限定しないが、好ましくは、１０  ｎｍ〜０．５μｍである。
【００１３】
導電性粒子１４は、後述する脆性マトリックスと当該導電性粒子との重量の総和に対して、２０ｗｔ％以上５０ｗｔ％の範囲で含有されていることが好ましい。２０ｗｔ％未満であると、パーコレーション構造の形成が困難となり、導電性が低くなりすぎてセンサとしての機能が発揮されにくくなる。また、５０ｗｔ％を超えると、導電性は良好ではあるが、導電性粒子がマトリックス中において凝集して不均一な分散状態となるとともに、相対的に脆性相の割合が減少するため、不十分な脆性破壊が生じることになり、本発明において得ようとする脆性破壊挙動を発現しにくくなる。
【００１４】
導電性粒子１４のパーコレーション構造による導電経路は脆性マトリックス４に保持された状態で損傷検出センサとされている。さらに好ましくは、この脆性マトリックス４が、さらに後述する被覆相４４に被覆されている。
なお、マトリックス４は、導電性粒子１４を直接保持する媒体を意味するものとする。導電経路がマトリックス４に保持されている場合、導電経路は、脆性マトリックス４中に導電性相として存在することになる。
【００１５】
マトリックス４は、導電経路における電気抵抗の変化を検知できる程度に、導電性が低いことを要する。好ましくは、導電性粒子１４に比較して実質的に導電性がないか、あるいは絶縁性であることが好ましい。特に、絶縁性材料を使用することは、導電経路の精度を確保する上で重要である。
また、マトリックス４は、導電経路による損傷検知能を確保する観点から、導電性に影響を及ぼす成分、特に、水などの導電性成分が非浸透性であることが好ましい。特に、構造体のコンクリートやモルタルなどのセメント系材料部位に本センサを設置する場合には、水非浸透性の樹脂などのマトリックス４中に埋設状に導電経路を備えるようにするか、あるいはこれに替えてもしくはこれに併用して導電経路を水非浸透性材料で被覆するようにすることができる。
【００１６】
脆性マトリックス４は、保持された導電経路が構造体の損傷センサ１として機能することを許容する材料で構成されている。
本発明においては、脆性とは、外力の作用により、破壊に至るまでの変形能力の乏しい材料の性質をいうものとする。したがって、脆性マトリックスを構成する材料は、通常、ガラス質材料やセラミックス材料である。
本発明においては、脆性マトリックス４としては、ガラス質であることが好ましい。ガラスは、組成や成分の調整により焼成温度を容易にコントロールでき、低温度で焼成することが出来るので，導電性粒子とガラスとの界面で熱応力がほぼ存在せず，しかも、本センサの固有の電気抵抗の調整や抵抗温度係数を低く（例えば、ゼロに近く）することも可能であるからである。なお、抵抗温度係数をゼロに近くすることにより、構築物へ本センサ１を適用するのにあたり、温度の影響を排除することができることになる。また、ガラスは焼成時においてセラミックス繊維や導電性粒子に対する濡れ性が高いという製造上及び複合形態構成上の利点もある。
【００１７】
ガラス質材料としては、特に限定しないものの、１０００℃以下で焼成可能な組成であることが好ましい。１０００℃を超えると、セラミックス繊維の酸化による劣化可能性が大きくなるからである。当該観点からは、好ましくは、ＰｂＯ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２系ガラスを用いることができる。また、より好ましくは、ＰｂＯ２１０ｗｔ％以上４５ｗｔ％以下、Ｂ２Ｏ３１５ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下、ＳｉＯ２２０ｗｔ％以上４０ｗｔ％以下及びＡｌ２Ｏ３５ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下の組成とすることが好ましい。当該組成範囲外においては、ガラス生成温度が１０００℃を超えてしまうからである。また、特にＰｂＯ２が１０ｗｔ％未満の場合、ＲｕＯ２の分散性が低下してしまうからである。
【００１８】
本複合相２には、脆性マトリックス４と導電性粒子１４との他、マトリックス４あるいは複合相２を補強できるような補強材料２４を含んでいる。
材質としては、ガラス、セラミックス、プラスチックなどであるが、導電経路の電気的特性を妨げない材質、配合比率および配合形態であることを要する。好ましくはガラス及びセラミックス絶縁性材料を用いる。例えば、アルミナやムライトの繊維を用いることができる。
このような補強材料２４としては、不定形、球状、薄片上、ウイスカー等の粒子状でもよいが、好ましくは、連続繊維（一方向繊維）、長繊維、短繊維などの繊維状体である。より好ましくは、センサの大きさにおおよそ匹敵する程度の長さの連続繊維である。
【００１９】
繊維の形態は、単繊維形態でもよいが、繊維束となっていてもよいし、線状体の他、適当な長さの繊維が交絡されるか、織物、あるいは編物などとしてシート状体あるいは細長いテープ状体であってもよい。さらには、繊維束あるいは単繊維によって二次元あるいは三次元状のネット状骨格体、交絡体、および織物を形成していてもよい。繊維が複合化などされて二次元あるいは三次元形態を有している場合には、このような形態であれば、それ自体で検出材の形態を決定することができる。すなわち、センサ１に対して所望の形状を付与できるという機能も備えている。
【００２０】
補強材料２４のマトリックス４における存在形態は特に限定しないが、マトリックス４中に均一に存在させることもできるし、マトリックス４中に局在させることもできる。好ましくは、繊維材料２４は、マトリックス４中に局在させる。当該局在形態によれば、外部から応力がかかるとまず脆性マトリックス４に微細クラック３４が生じ、応力の増加により徐々に微細クラック３４が増大し、その後、補強材料２４あるいは補強材料２４の密度が高いマトリックス４の領域が損傷するという破壊挙動を容易に得ることができる。当該破壊挙動が得られれば、高感度な損傷センシングが可能となる。あるいは、マトリックス４において補強材料２４の局在領域と存在しない領域とにおいて同時的に微細クラック３４が生じるという破壊挙動も生じ得て、センシング機能は向上すると考えられる。
【００２１】
また、補強材料２４は、マトリックス４中に方向性を持って存在させることが好ましい。好ましくは、外部応力におおよそ沿った方向に、連続する形態の補強材料を配置する。当該形態によれば、外部応力に対して一定の抵抗性を付与しつつ脆性破壊挙動を実現できる。
【００２２】
補強材料２４の好ましい一存在形態として、それ自体が最終的には外部応力を受けやすい形態（例えば、連続繊維状体）のものを方向性（例えば、応力の方向に沿って）を持って、脆性マトリックス４に配置する形態を挙げることができる。すなわち、本センサ１において補強材料２４の好ましい存在形態の１つは、マトリックス４中に二次元的あるいは三次元的に所定の方向性を有して配置されている形態である。当該形態は、図１及び図２に例示されている。これらの形態では、補強材料２４として、連続繊維の束状体が、線状に、すなわち、二次元的にマトリックス中に配されている。なお、三次元的に配置されている形態には、このような線状体が三次元ネットワーク状に配置されている形態が含まれる。
このように方向性を持って繊維が配されていることにより、その方向に沿った外力によるひずみを高感度に検知することが可能となる。後述するように、二次元的あるいは三次元的に補強材料を配した構造体を用いる場合、当該繊維に付随して複合相２を容易に形成することができる。したがって、繊維の配置状態により、二次元的あるいは三次的に設計した導電経路及び本複合相２を得ることができる。
【００２３】
補強材料２４の他の存在形態は、それ自体が応力を受けにくいあるいは受けても損傷しにくいような形態（例えば、短繊維状体）のものを、ランダムな配向で存在させる形態であって、このような補強材料２４の脆性マトリックス４における分布を異ならせる。すなわち、当該補強材料２４の密度が高い部分と低い部分とをマトリックス４中に形成する。この形態でも、本複合相２における好ましい脆性破壊挙動形態を形成することができる。
【００２４】
なお、本センサは、繊維材料２４をマトリックス４中に有することを本質とするが、繊維材料２４をマトリックス４中に局在させた結果、補強材料２４を含まないで、導電性粒子１４と脆性マトリックス４とを備える第２の相３を備えることにもなる。既に述べたように、このような第２の相３により、センシングレベル等を調整することができる。
例えば、第２の相３は、図２に示す形態のセンサ１においては、繊維束状体の外周側となる。かかる場合、繊維束状体２４の輪郭内部領域及び輪郭外部近傍領域においては本発明の複合相２が存在し、輪郭から離間した外部領域においては、前記第２の相３を備える構成を取っているということができる。
第２の相３は、補強材料を含まないため、脆性破壊的挙動を生じやすく、本発明の複合相２との組み合わせによれば、第２の相３の存在により、低ひずみ領域での損傷や変形を一層高度に検出できるようになる。すなわち、第２の相３において、まず導電性が低下し、次いで、本複合相において導電性が低下するというような順次的な脆性破壊挙動も生じ得るし、あるいは、第２の相と本複合相との複合的（同時的な場合を含む）な脆性破壊挙動も生じ得るため、センシング機能は向上すると考えられる。
【００２５】
本センサ１においては、方向性を有する補強材料存在形態と無方向性の補強材料存在形態とを組み合わせて用いることもできる。
かかる補強材料２４は、脆性マトリックス４と導電性粒子１４との総体積に対して５ｖｏｌ％以上４０ｖｏｌ％以下で付与されていることが好ましい。５ｖｏｌ％未満であると、脆性マトリックスの強化特性の発現が難しく、４０ｖｏｌ％を超えると、導電性粒子の分散度が低下するとともに、強化特性が高すぎて低ひずみ領域での安定的な脆性破壊が起こりにくくなるからである。好ましくは、１０ｖｏｌ％以上３０ｖｏｌ％以下とする。
【００２６】
本センサ１の備える形態は、特に限定しない。必要に応じて、シート状、棒状、繊維状、細長いテープ状の他、任意の三次元形状とすることができる。検出材の形態は、マトリックス材料自体の外形形態であってもよい。マトリックス材料自体の外形形態を本センサの形態とする場合には、マトリックス材料に当該材料の成形方法によって形態を付与することができる。前述したようにマトリックス４に含有される補強材料によって構築される構造体の形態に準じた形態であってもよい。
【００２７】
本センサの大きさは、適用する構築物あるいはその適用箇所に対応させることができる。適用しようとする構築物の立設方向の長さ全体あるいはその一部に対応する長さとすることもできる。
【００２８】
このようなセンサは、脆性マトリックス材料の種類に応じて、あるいはマトリックスに含有させる繊維などの種類や形態に応じて、従来公知の各種成形方法を用いることにより取得することができる。
通常、脆性マトリックス材料と導電性粒子とを配合した組成物を成形することにより本検出材を得ることができる。成形方法としては、従来公知の脆性材料の成形方法を採用することができる。また、脆性材料と他の成分との複合化技術を利用することにより、本センサを得ることもできる。
【００２９】
また、脆性マトリックスに繊維などの補強材料を含有させるには、例えば、無方向的に配する場合には、マトリックス材料と導電性粒子とを含む組成物に均一に配合して成形することができる。また、連続繊維や二次元あるいは三次元形態を有する繊維構造体の場合には、これらの繊維構造体をマトリックス材料組成物中に埋め込んだり、あるいはこれらの繊維構造体をマトリックス材料と導電性粒子とを含む組成物のスラリーにディッピングすることにより形状を付与することができる。このような手法によると、繊維構造体あるいは繊維材料間にこの組成物が浸透して、本複合相が繊維材料の近傍に形成されることになる。
また、方向性を持って連続する繊維あるいは繊維構造体部分に沿ってマトリックス材料組成物を付与することにより、繊維方向あるいは繊維構造体部分に沿う方向性を有する導電経路を形成できる。
なお、脆性マトリックス材料がガラス質あるいはセラミックスの場合、最終的には焼成により本複合相を得る。補強材料がセラミックス繊維である場合には、当該補強材料の劣化を考慮して１０００℃以下で焼成することが好ましい。また、ガラス質材料をマトリックスに採用する場合には、焼成温度は７００℃以上であることが好ましい。７００℃未満では、十分な焼成状態を得ることが困難であり，ガラスの材料が得られないだからである。
なお、ガラス質マトリックスを採用する場合には、ガラス組成のスラリーの中に繊維構造体をディッピングによる手法が有効である。
【００３０】
マトリックス材料としてセラミックス材料を用いる場合には、従来公知の各種セラミックスの成形加工方法を適用することにより、本センサを得ることができる。導電性粒子、あるいは補強材料の複合化に関しても、これらの材料を複合化する従来公知の手法を適用することができる。
【００３１】
なお、上記した製造方法は単なる例示であり、本センサの製法はこれに限定するものではなく、これらの材料の種類や形態に応じて、当業者に公知の方法を１種あるいは２種以上を組み合わせて適用することができる。
【００３２】
本センサは、それが適用される構造体において有効に損傷検出機能を発揮するためには、含有する導電経路の電気的特性が構造体由来あるいはそれ以外に由来する原因によって妨げられないように防護されていることが好ましい。このような原因としては、水分、アルカリ、酸などを挙げることができるが、特に、水分の侵入が回避されていることが好ましい。また、コンクリート構造部分に適用する場合には、耐アルカリ性が確保されていることが好ましい。
したがって、本センサにおいては、マトリックスの外側にこのような各種原因から検出材を保護する担体（被覆相ともいう。）を備えていることが好ましい。被覆相は、例えば、絶縁性および／または水分の非浸透性との双方を備えていることが好ましい。もっとも好ましくはこれらの双方を備えていることが好ましい。具体的には、加工性に優れる絶縁性樹脂である、ビニルエステル樹脂、耐アルカリ性に優れる絶縁性樹脂であるエポキシ樹脂などを挙げることができる。
【００３３】
被覆相は、マトリックスの周囲に１層または２層以上の層状の被覆相として形成することが好ましいが、その形態を層状に限定するものではない。なお、このような被覆相においても、マトリックスに含有させることのできる上記したガラス長繊維などの補強材料を配合することができる。これにより、検出材および／または構造体を補強することもできる。
【００３４】
さらに、検出材には、構造体に適用する場合において、構造体中の所定の位置に安定して保持されること、構造体の変形に対してすべりを生じさせないなどの機能を有する材料および／または形態を備える定着材などを付加することができる。かかる定着材としては、絶縁性を有する高分子系材料であることが好ましく、また、ビニロン、アラミド、ガラスなどの絶縁性の繊維（連続繊維、長繊維あるいは短繊維）を含むものであることが好ましい。一例としては、連続繊維あるいは繊維束とビニルエステルなどの絶縁性樹脂とからなる線状体を、検出材の外周の少なくとも一部に凸状に備えるようにすることができる。例えば、細長い棒状体の検出材に対しては、このような線状体を検出材の外周にラセン状に巻きつけることにより、コンクリート相との界面での滑りを防止することができる。
【００３５】
本センサの導電経路の端部などには、端子やリード線などを有することができる。このような端子やリード線を介して導電経路における電気抵抗値などの変化を検出することができるようになる。端子などは、導電経路を含有するマトリックスの成形後であって被覆相の形成前に装着加工することができる。
電気抵抗値などの計測方法は、その種類を問わないで用いることができる。電気抵抗値の計測方法として、定電流電圧計測法、低電圧電流計測法、さらにはブリッジ回路を用いる方法などがあるが、本発明ではその種類を限定しない。また、損傷を診断するにあたり、この電気抵抗値の計測方法として、連続計測および定期計測が挙げられる。これらの計測において計測時間、間隔、頻度などは、構造体の形態・規模や推定される損傷の形態・規模に応じて任意に選択できる。
【００３６】
本センサを適用する構築物は、特に限定しない。各種構築物に適用することができる。建物、橋、ダム、高架物などの地上あるいは水上構築物、各種地下構築物にも適用することができる。
【００３７】
本センサを構築物に適用するにあたっては、構築物の少なくとも一部に本センサを備えるようにすればよい。コンクリート構造体の場合、埋め込みしてもよいし、表面に設置してもよい。好ましくは、吹付けコンクリート、覆工コンクリート，鉄筋コンクリートの金属部品（例，金属ボルト）の部位である。また、補修などのためのセメント系材料適用部位（モルタル部分およびコンクリート部分）に適用することも好ましい。
【００３８】
表面に設置する場合には、例えば、エポキシ樹脂系接着剤などの有機系接着剤によりこれらの表面に設置することもできるし、また、接着剤の使用に替えてあるいはこれとともにモルタルやコンクリートなどのセメント系材料で被覆して定着固定することでこれらの表面に設置することができる。さらに、これらの表面に設置する方法では、セメント系材料の吹付け工法などの応用が可能である。
なお、表面に設置する方法は、主に既設の構築物を対象とした方法である。
【００３９】
また、コンクリート部分あるいはセメント系材料の適用部位の内部に埋設する場合には、例えば、コンクリートとの定着をとるために検出材の周囲を凹凸形状として、コンクリート打設前の型枠等に固定し、コンクリートの硬化により定着固定する。この方法は、新設構築物に対して有効な方法となる。また、既設構築物のコンクリートに対して補修をする際に、コンクリートの再打設時においても同様の方法により埋設することができる。
さらに、既設構築物のコンクリートに対して補修をする場合以外にも、そのコンクリート表面に線状の溝を形成し、その溝の中に検出材を設置した後にその溝をセメント系材料もしくは樹脂系材料を用いて埋めることにより設置することもできる。
内部に埋設する方法は、主に新設の構築物もしくは補修を要する既設構築物を対象とした方法である。内部埋設の典型的形態は、例えば、検出材を捧形状としてトンネル構造体の進行方向もしくはアーチ方向に対して十分な長さをもつ連続体として埋設する形態である。補強材料を含有する検出材を適用する場合、表面に設置する方法に比べ、内部に埋設する方法においてその効果が高いという特徴がある。
【００４０】
構築物における本検出材の配置位置、配置方向、配置数およびその配置間隔等は、自由に設計・施工することができ、構築物の形態もしくは推定される損傷の形態に応じて最適設計が可能である。
【００４１】
本センサは、以上の構成を備えるため、ひずみ、変形及び損傷等の外部応力が負荷された場合において、前記導電経路の導電性（電気抵抗値）が変化する。外部応力の大きさと電気抵抗値の変化量とは一定関係にあるため、測定した電気抵抗値からセンサに負荷された外部応力量を知ることができる。
特に、本センサは、導電性粒子の連続的な接触形態が補強材料により補強された脆性マトリックス中に備えられることにより、高感度なセンシング、例えば、鉄筋の変形の検出が可能である０．２％以下の低ひずみ領域でのセンシングが可能となる。
【００４２】
さらに、本センサは、変形が作用した際の電気抵抗値変化が除荷後にも初期値に戻らず残留するという不可逆的な変化を示すことができる。この残留抵抗値の評価より過去に与えられた最大変形や損傷履歴を診断することが可能となる。これにより、このセンサを適用した構築物においては、地震などの災害発生後の電気抵抗値変化の計測をもとに災害時の最大損傷を診断できたり、残留抵抗値から損傷履歴を診断することとなり、常時モニタリングではなく定期的なモニタリングでの診断が可能となる。こういった観点から、本センサは、損傷履歴を記憶できるセンサであるといえる。
なお、モニタリングを通信回線などによる利用して行うことができる。例えば、本検出材を利用して計測した電気抵抗値などの関連情報を、遠隔地にある出力装置に通信手段を介して伝達し、出力することにより、遠隔地においても、容易に損傷の検出及びモニタリングが可能となる。
【００４３】
本発明によれば、構築物への本センサの適用ならびにその電気抵抗値の計測により、簡便かつ迅速に構築物における劣化・変形の状況を高精度に診断できるだけでなく、複数の検出材の二次元的配置により異常個所の推定も可能とし、さらには電気抵抗変化の不可逆性を応用することにより損傷（最大損傷を含む）の履歴診断を可能となる。
【００４４】
【実施例】
以下、本発明を具現化した実施例について、図２〜図６に基づいて説明する。なお、これらの実施例は、本発明を具体的に説明することを意図するものであって、これらの実施例によって本願発明を限定するものでは決してない。
【００４５】
（実施例１：センサの作製）
本実施例では、図２に示す形態のセンサを作製した。センサ作製の工程を図３に示す。
ＲｕＯ２粉末（平均粒径０．０２〜０．１μｍ）と２０ｗｔ％ＰｂＯ２−４０ｗｔ％Ｂ２Ｏ３−５ｗｔ％Ａｌ２Ｏ３−３５ｗｔ％ＳｉＯ２ガラス（具体的なガラス組成を教えてください）とテルピネオールなどの有機溶剤とを混合して、ＲｕＯ２とガラスと樹脂の重量比が３０ｗｔ％：４０ｗｔ％：３０ｗｔ％である均一なガラススラリーを調製した。
次に、長さ４００ｍｍのアルミナ連続繊維の繊維束（フィラメント径１０μｍ、約１０００本のモノフィラメントの束状体）を準備し、この連続繊維束の中央部分の約２５ｃｍを、調製したスラリー中に浸漬し、連続繊維束の表面および束状体内部にスラリーを浸透させた。
【００４６】
ディッピング後の繊維束を、１００℃で乾燥後、９００℃で４０分間焼成した。これにより、ディッピング部分において本発明の複合相が形成された。この複合相は、繊維束内部とその周囲にガラス質マトリックスとこのマトリックス中に分散されるＲｕＯ２粒子を含んでいた。
さらに、この焼成体部分に対してその両端に電気抵抗測定用の電極端子を取り付けた。電極加工後に、ビニルエステル樹脂材料とガラス繊維とを含む硬化性組成物中にデッピィングし、１３０℃で加熱して、ビニルエステル樹脂の被覆相をセンサ表面に形成した。
なお、引張り試験による評価のために試験器による保持用のリングを端部に設けた。
【００４７】
（実施例２：引張り試験）
実施例１で作製したセンサを用いて、引張り試験を実施した。
引張り試験においては、荷重を徐々に増加させ、最終破壊までの応力と電気抵抗の変化を検出した。この結果を図４に示す。
さらに、約０．２％ひずみとなる５００Ｎの一定な荷重を１０００サイクル繰り返し負荷した場合（１サイクル５０秒）時間に対して電気抵抗の変化の測定結果を図５に示す。また、このときの残留電気抵抗の変化を図６に示す。
【００４８】
図４に示すように、最終破壊まで荷重の増加につれて電気抵抗は徐々に増加した。図４からは、０．１３％以下の低ひずみ領域でも６００％以上の大きな電気抵抗変化を表し、実施例１で作製したセンサは、高感度なセンシングが可能であることがわかった。また、０．１％ひずみ領域での電気抵抗の激しい増加は、マトリックス中での脆性破壊により、導電性粒子の接触を妨げる大きな損傷が起こっていることを意味している。
以上の結果は、複合相における微細クラックの発現と増加を支持し、とくに、約０．１％ひずみ領域での電気抵抗の大きな変化は、導電性粒子間の微細クラックが一挙に増加ないし増大したことを支持している。
【００４９】
また、図５に示すように、一定荷重（５００Ｎ）の繰り返し負荷に対して電気抵抗は徐々に大きくなっている。これらのことから、実施例１で作製したセンサには、残留電気抵抗現象の可能性が示唆された。
図６に示すように、残留電気抵抗は、サイクル数の増加とともに増大した。この結果から、実施例１で作製したセンサは、残留電気抵抗値を利用して損傷履歴を記憶できることがわかった。この現象を利用することにより，過去に受けた損傷の履歴に関する情報をこの複合材料の残留電気抵抗値を利用して記憶出来る可能性がある．このような残留電気抵抗の変化より構造物の疲労現象（累積損傷及び／又は疲労損傷）のモニタリングおよび寿命予測が出来る。
【００５０】
以上の結果より導電性粒子の酸化ルテニウムを分散させたガラス基複合材料は脆性破壊特性による電気抵抗の増加現象を利用することから，従来の炭素繊維や炭素粒子を導電相として用いたＧＦＲＰに比べ，より低ひずみ領域（０．２％以下）での高感度な損傷検知が可能である．また，残留電気抵抗を発生することから，構造物の疲労現象のモニタリングおよび寿命予測のための自己診断材料として使われる．すなわち，社会基盤構造物の健全性診断（ヘルスモニタリング）技術に本材料を利用することが可能である。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、低ひずみ領域において高感度センシング可能な損傷センサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセンサにおける複合相の作用の概要を示す図である。
【図２】本発明のセンサの一実施形態を示す図であり、図２（ａ）は破断図であり、図２（ｂ）は長さ方向に直交する面での断面図である、図２（ｃ）は長さ方向に沿った断面図である。
【図３】本発明のセンサの作製工程の概略を示す図である。
【図４】実施例１で作製したセンサの引張り試験時の電気抵抗の変化とひずみとを示すグラフ図である。
【図５】実施例１で作製したセンサに対して繰り返し荷重負荷（５００Ｎ、１サイクル５０秒）時の電気抵抗の変化とひずみとを示すグラフ図である。
【図６】実施例１で作製したセンサに対して繰り返し荷重負荷（５００Ｎ、１サイクル５０秒）時の残留電気抵抗の変化を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１  センサ
２  複合相
３  第２の複合相
４  脆性マトリックス
１４  導電性粒子
２４  補強材料
３４  クラック
４４  被覆相
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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