(57)【要約】橋、高層建築物、汚染領域といったモニターされる媒介物に関連した構造的、化学的、環境的状態等様々な要因を同時にモニターするための多機能センサーシステムは、電力伝送と応答受信するインタロゲーションユニットにおいて上記媒介物に埋め込まれた少なくとも複数のワイヤレス多機能センサープラットフォームを含んだセンサーを備えている。それぞれのワイヤレス多機能センサープラットフォームは上記媒介物に関する要因を同時にモニターするため、複数のセンサータイプに適応する多数のチャンネルを含む。従って、意図した上記媒介物をモニターするのに適していると考えられるそれらのセンサータイプを含むために上記ワイヤレスセンサープラットフォームは作られた。
2004515757.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスのない媒介物と関連した複数のパラメーターをモニタリングするためのワイヤレスセンサープラットフォームであって、上記センサープラットフォームは、
内的容量をもったセンサー外被と、
上記内的容量内部に挿入するための、そして上記複数のパラメーターをモニタリングするための複数のセンサーと、
上記センサー外被内的容量で囲まれ、動作可能なように上記複数のセンサーと結合したセンシングエレクトロニクスとを備えており、
上記センシングエレクトロニクスは、少なくとも上記複数のセンサーから受信した上記複数のパラメーターのプロセシング手段と、上記プロセシングされたパラメーターの伝達手段とを備えているワイヤレスセンサープラットフォーム。
【請求項２】
上記外被がセラミック材から作製されている請求項１に記載のワイヤレスセンサープラットフォーム。
【請求項３】
上記ガスのない媒介物は、地面、アスファルト、合成物、プラスチック、コンクリート、セメントからなるグループから選択される請求項１に記載のワイヤレスセンサープラットフォーム。
【請求項４】
上記センシングエレクトロニクスは、さらに、外部から電力を供給されるための手段を備えている請求項１に記載のワイヤレスセンサープラットフォーム。
【請求項５】
上記複数のパラメーターは、温度、伝導性、ｐＨ、磁性、ノイズ、圧、衝撃、負荷、ストレス、振動からなるグループから選択される請求項１に記載のワイヤレスセンサープラットフォーム。
【請求項６】
上記センシングエレクトロニクスを搭載するための多層基質をさらに備えている請求項１に記載のワイヤレスセンサープラットフォーム。
【請求項７】
上記多層基質が低温同時焼成セラミック基質である請求項６のセンサーシステム。
【請求項８】
上記多層基質がテープ誘電材料と画面プリント厚膜コンダクターから構成されている請求項６のセンサーシステム。
【請求項９】
上記複数のパラメーターは、媒介物に関する構造的、化学的、および環境的状態を示す上記複数のパラメーターからなる、請求項１に記載のワイヤレスセンサープラットフォーム。
【請求項１０】
媒介物のモニタリングのためのセンサーシステムは
誘導電力領域を生産するためと応答を受けるためのインタロゲーションユニットと、
各々複数のセンサータイプを備えており、上記誘導領域によって電力を与えられる複数のワイヤレス内蔵センサープラットフォームとを備えており、上記プラットフォームは、上記媒介物の全体に渡って配置されており、上記複数のセンサータイプの各々は、上記センサータイプにおけるそれぞれの出力代表値を生み出すセンサーシステム。
【請求項１１】
上記センサープラットフォームは、セラミック材から作製されている請求項１０に記載のセンサーシステム。
【請求項１２】
上記センサープラットフォームのそれぞれが、
内的容量を規定するキャップ部とベース部とを有するセンサー外被と、
上記複数のセンサーと、
上記外被内的容量によって囲まれており、動作可能なように上記複数のセンサーと結合しているセンシングエレクトロニクスとを備えており、上記センシングエレクトロニクスは、
上記複数のセンサータイプから生み出される出力をモニタリングするのめの上記複数のセンサーと結合されたプロセッサーと、
上記センサータイプの上記出力代表値を伝達するための上記と結合した伝達回路とを備えている請求項９に記載のセンサーシステム。
【請求項１３】
さらに、上記複数のセンサーのアナログ出力をデジタル出力に変換するための意味をもったアナログ−デジタル変換手段を有する請求項９に記載のセンサーシステム。
【請求項１４】
さらに、上記センサシングエレクトロニクスを搭載するための多層基質を有する請求項１０に記載のセンサーシステム。
【請求項１５】
上記多層基質は低温同時焼成セラミック基質である請求項１４に記載のセンサーシステム。
【請求項１６】
上記多層基質の一層は、パターン化された伝達アンテナを規定する請求項９に記載のセンサーシステム。
【請求項１７】
上記複数のワイヤレス内蔵センサープラットフォームは、個々にアドレス可能である、請求項１０に記載のセンサーシステム。
【請求項１８】
媒介物モニタリングを提供する方法であって、
上記センサープラットフォームは内的容量を規定する外被を有するものを上記媒介物内に設けるとともに、
上記内的容量内に挿入するために、および上記媒介物に関する複数のパラメーターをモニタリングするために形成されたの複数のセンサーを設ける工程と、
モニターのために、上記媒介物の中に複数の内蔵ワイヤレスセンサープラットフォームを埋め込む工程とを含む媒介物モニタリングを提供する方法。
【請求項１９】
さらに、複数の内蔵ワイヤレスセンサープラットフォームに対する誘導電力領域を生み出す工程と、
上記複数の内蔵ワイヤレスセンサープラットフォームで上記電力領域を受信する工程と、
上記電力領域から上記複数の内蔵ワイヤレスセンサープラットフォームに電力を供給する工程と、
上記電動内蔵ワイヤレスセンサープラットフォームからモニターされる媒介物の複数の構造的、化学的、環境的状態を検出する工程とを含む請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
さらに、上記モニターされる環境の上記検出した複数の構造的、化学的、環境的状態を受信ユニットへ伝達する工程を含む請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
上記受信ユニットは、移動可能なインタロゲーションユニット、携帯可能なユニット、および静止ユニットの一つである、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
上記受信ユニットは、上記検出された複数の構造的、化学的、環境的状態を受信する一方、上記受信ユニットは、上記モニターされる媒介物の近傍に位置する請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
上記媒介物は、地面、アスファルト、合成物、プラスチック、コンクリート、セメントからなるグループから選択される請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
〔関連した出願のクロスリファレンス〕
この出願は２０００年１２月８日に記録された共出願したアメリカ仮出願シリアル番号６０／２５４，１１８と２００１年４月１６日に記録された６０／２８４，０１８の記録の利益を請求する。
【０００１】
〔発明の背景〕
〔１．  発明の属する技術分野〕
本発明はワイヤレス多機能センサープラットフォーム、該プラットフォームを有するシステム及びその使用方法を一般的に明らかにする。特に本発明は、物体内での複数のワイヤレス多機能センサープラットフォームを含んだ多機能センサーシステムについてもので、劣化の始まりを予想するために媒介物、例えばコンクリート、に関連した様々な要因を、そこにセンサーを埋め込むことによって長期間モニタリングし、その媒介物の整備、管理、修繕を計画する助けとなる。
【０００２】
〔２．  関連技術の説明〕
アメリカ合衆国においては何十億ドルもの額が幹線道路、高速道路、それに関係する高架道路、橋、建物の建設に費やされている。アメリカが直面している重大な問題のひとつとしては、どのようにしたら容認できる費用で道路や他の建造物のシステムの完全性を管理することができるかを決定することである。明らかにその技術専門家には、初期段階での構造的劣化の検出に対する初期警告システムという永続の利益をもたらすので有利である。
【０００３】
この科学技術の基本的な応用としては橋デッキ領域のモニタリングである。現在のところは橋デッキのモニタリングは個々のセンサーによる測定や訓練された職員による定期点検に基づいている。この方法では、橋デッキや基礎の劣化は進んだ状態になるまで見つけられない。この段階での修繕行為は、問題が早期に発見された時よりもより多額になってしまう。加えて、かなりの劣化は修復計画と橋にとってのサービスの質に影響する。
【０００４】
橋のモニタリングにおいての使用に対して今日のセンサーシステムに関連する問題がまだもうひとつある。それは、センサーが橋のデッキの至るところに配置されているのではないということである。それどころか、それらはほとんどが経済的に限界があるため個々の測定にのみ用いられている。さらに今日の科学技術を用いた測定にかかる費用は装置とモニタリング要求のために高いものである。
【０００５】
橋モニタリングに対する先行技術解決策に関連したさらなる問題は、最近の調査がストレスや負担や圧のような機械的なセンシングに集中しているということである。腐食に関連した劣化にあてて設計されたセンサーは、例えば塩化物、温度または伝導性のような物質特性の全体的な測定に限界を示している。
【０００６】
従って、上述したような範囲の様々な媒介物に対して多数のパラメーターの測定を行うセンサーを用いることは特に有利なことである。そのようなパラメーターはマグネシウム、騒音、ｐＨ、圧、衝撃、負荷、ストレス、振動といった媒介物と関連した構造的、化学的また環境的な条件に関連したものも含んでいるだろう。従って、劣化の始まりや程度をいち早く検出するため媒介物の複数のパラメーターの長期モニタリングを提供するための多機能センサーシステムに対して必要は存在している。こういうふうに、保持的な測定は媒介物が正確に管理されているかの確信はすぐに得られる。
【０００７】
〔発明の開示〕
本発明の対象は、本多機能センサーシステムの用いて測定できる劣化の始まりのような媒介物に関連した構造的、化学的、または環境的条件といった多数のパラメーターをモニタリングするための初期警告多機能センサーシステムの供給である。
【０００８】
さらに本発明は、初期警告多機能センサーシステムを例えばコンクリート建築物、橋、混合土壌のような媒介物に埋め込んで長期間モニタリングすることで、劣化の始まりを見つけ、さらなる劣化を防ぐための初期警告多機能センサーシステムの供給を対象としている。
【０００９】
また初期警告センサーシステムにおける使用のための複数のワイヤレス多機能センサープラットフォームの供給がさらなる対象である。このワイヤレス多機能センサープラットフォームはサイズが小さく、コストも比較的低く、遠隔で電力を供給することが可能なので長期間使用ができ、そのような多数のセンサーは例えば補強されたコンクリート橋に埋め込むといった単一のプロジェクトに用いられるだろう。センサープラットフォームはそれが埋め込まれた媒介物の複数のパラメーターを測定することにおいて使用の必要性があるごとに遠隔で電力を与え探求されるように設計される。
【００１０】
破壊しない方法で媒介物をモニタリングすることができる複数のワイヤレス多機能センサープラットフォームの供給がさらなる対象である。
【００１１】
センサープラットフォームが埋め込まれた媒介物に関連した特定のパラメーターのモニタリングに使用されるため、それぞれの用途に応じてプラットフォームに複数のセンサータイプをサポートするために付属ベースとして複数のワイヤレス多機能センサープラットフォームが提供されることを対象としている。
【００１２】
長い期間、例えば何十年の単位、に対してでも高い信頼性を示す複数のワイヤレス多機能センサープラットフォームが対象である。
【００１３】
本発明のこれまでの対象を保つことにおいて、初期警告多機能センサーシステムとその使用方法は、コスト効果、内蔵可能、遠隔で電力供給でき、超小型、頑丈な、そして塩、機械的また温度的なストレスのような不快な環境条件に耐える半永久的なワイヤレス多機能センサーのネットワークを含むものを供給する。該センサープラットフォームは不快な環境下においてパラメーターの長期間測定に特に適している。該センサープラットフォームは住宅建材から作られるのがよくそれは低コストでセラミック材のような標準的な自動機械しか必要としないからである。
【００１４】
従って該センサープラットフォームは、モニターされる媒介物に特異的で様々なパラメーターをモニターできる多数のセンサータイプ（温度、伝導性、圧、ｐＨなど）をもったプラットフォームを提供する多機能なものである。この特定の媒介物に依存した交換センサータイプの可能性は本発明のセンサーシステムを広い範囲におけるモニタリング状況に適応させている。だから、該プラットフォームがセンサーシステムに用いられた場合、センサープラットフォームは媒介物に関連する構造的、化学的、環境的データを直接得るために媒介物に分配されモニタリングする複数のセンサータイプを有している。よって該センサーシステムは媒介物の時宜を得た整備また修復の手助けとなるためにモニターする媒介物の現在状況の初期警告指示を与えるのに有効である。
【００１５】
本発明の一面では、センサーシステムのオペレーションはモニターされる媒介物において、それぞれ出力を生み出すセンサーが媒介物または領域に広がるワイヤレス多機能センサープラットフォームの複数またはネットワークを置くことを含んでいる。センサーデータはワイヤレス手段を介し、媒介物の健康を確かめるための分析に対して史的なデータと合わせて定期的に収集される。
【００１６】
データ収集は複数のセンサープラットフォームから応答をうけ、またそこに電力を供給することが操作できるインタロゲーションユニットによって行われる。これに関して、データはモニターしている媒介物に影響することなく不侵害な手段によって収集される。
【００１７】
ある模範的な応用において、発明の該システムは建設中または建設後の媒介物を通して約２メートル単位でワイヤレス多機能センサープラットフォームを配分されることを含んでいる。定期的に、フィールドデータ獲得システムはサブ表面環境を推測するためセンサーのネットワークを無視する。そうすると結果データは問題領域の可能性があると予想するために用いられ、時間を超え媒介物の構造的、化学的、環境的パラメーターの進行を測定する。そういうものとして、センサーシステムは媒介物の不利な構造的、化学的、環境的変化の可能性と進行の初期警告指示を与える。
【００１８】
本発明における他の目的と利益は、以下の発明のいくつかの実施例を説明しているより詳細な記述と添付した図からもより明らかになる。
【００１９】
〔実施形態の詳細な説明〕
本発明のセンサーシステムはモニタリングを必要とする様々な媒介物に対して有害環境の可能性を長期にモニタリングするものである。媒介物として、これらに限定されないが、建築物または橋のような構造物のアスファルト、合成物、プラスチック、セメント、コンクリートや、重機などの機械や、例えば貯蔵タンク、パイプライン、湾や河川といった汚染されている領域も含んでいる。加えて、有害環境の長期モニタリングの必要性において、どの媒介物にも一般的に適応性を示すことがわかった。しかし、適当な結果のために、媒介物は比較的電磁エネルギースペクトルの吸収性の無いもので、ワイヤレス内蔵センサープラットフォームを質問するために用いられるべきである。
【００２０】
従って、ここに発表したセンサーシステムを用いることによって、劣化の始まりや発生を予期するため媒介物の健康状態を何十年もの長時間にわたって、媒介物に関連した前述の構造的、化学的そして環境的状態の適切なパラメーターから評価することができる。だから、本発明は、劣化の後の段階での高額で時間消費する修復を負うのに比べて、時宜に適した手段によって整備や修復などを管理するために劣化の初期発見または警告能力を行うことができる。
【００２１】
例えば、橋のような構造物の場合に、本発明のシステムは時宜に適し、コスト効果のある手段で整備と修復作業を管理するため構造的な完全性に正確かつ適切な評価を決まってする権限が許される。さらに例を挙げると、汚染領域の場合、本発明はさらなる劣化を防ぎ、修繕処理の影響を評価する汚染領域の範囲と割合をモニタリングの能力をもつ権限をもつ。
【００２２】
媒介物内に該プラットフォームを戦略的かつ至るところに配置することによってモニターされるように媒介物に埋め込んだ超小型で頑丈な複数のワイヤレスプラットフォームを本発明のセンサーシステムは少なくとも含んでいる。ワイヤレスセンサープラットフォームは、意図的にモニターされた媒介物に関する測定されるパラメーターに対して多数のセンサータイプ（例えば圧、伝導性、ｐＨ、ストレス、負担など）、以下に説明されるように測定パラメーター、の挿入に対してサポート基盤を与える多機能なものである。例えば、ストレスや温度やｐＨの場合、特定のモニターされる媒介物に対して適切なパラメーターが考慮される。そして、ストレスセンサーや温度センサーやｐＨセンサーが構成ステージで３つの選ばれたセンサーを適応させるため３つのセンサーチャンネルをもったセンサープラットフォーム内で行なわれるのだろう。追加したセンサータイプの適応のために非常に多くのセンサーチャンネルを含んだセンサープラットフォームを作ることはこの発明の範囲である。
【００２３】
本発明のセンサーシステムに対する特定の実施例は橋内のサブ表面における変化を感知するためである。連邦高速道路当局（ｔｈｅ Ｆｅｄｅｒａｌ Ｈｉｇｈｗａｙ  Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ）はほとんどがデッキ鉄筋腐食があり、１７０，０００もの橋をしっかりと修復する必要があった。橋、立体駐車場、大きな建造物の構造のようなのものに関連した問題のひとつに鉄筋の腐食状態と、関連する腐食数の測定に必要なものの正確で定量できる情報の欠落がある。本発明のセンサーシステムは、モニターする媒介物に影響を与えることなく時間を超えて劣化の進行を非侵入モニタリングする能力をもつ。
【００２４】
加えて適切な構造的、化学的、環境的データを収集することは本発明のセンサーシステムが複数あるワイヤレス内蔵センサープラットフォームの間での相互作用の結果、補足データを有効的に収集することができるということである。一つの例として、音響測定はコンクリートにおける裂け目の発見に適しているのではないかとされている。しかし、音響測定はコンクリートのような異種の混合物質では音響波長の伝播が乏しいため限界がある。しかし、埋め込まれ近接した２つのセンサープラットフォーム間の伝達の場合のような、送信と受信の間の距離が短くなった場合、このような測定は可能である。
【００２５】
優先実施例において、媒介物に関連した構造的、化学的、環境的状態に特異的なデータは、定期的に媒介物のサブ表面環境を推測するために、該プラットフォームを定期的に超える、例えばフィールドデータ獲得システムを用いてワイヤレス的にインタロゲーションワイヤレスプラットフォームを用いることによってワイヤレス内蔵センサープラットフォームのネットワークから定期的に収集される。そうすると結果データは問題があるのではないかと予想できる媒介物内での潜在的問題領域を予想するためと時宜に修復を必要とすることができるため優先インタロゲーションから得られた史的データと統合する。
【００２６】
本発明はまた経済的要因と同時に安全性要因も与え、橋、トンネル、地下道、高架道路に関連する輸送の安全性の劣化モニタリングに対する応用もある。また発明は環境モニタリング酸性雨状態や、それが構造物の劣化にあたえる影響、またはほかの産業的または都市誘導型問題に対する応用もある。だから、発明は、環境状況に関する情報を与える複数のワイヤレス内蔵センサープラットフォームを用いた物体内センサーシステムでもある。
【００２７】
与えられた構造物の構造的劣化の割合とモードは、低いまたは高いｐＨ、ストレス、温度、振動などの環境的状態に関係しているので、本発明のセンサーシステムは、電気的、化学的、構造的劣化の始まりを知らせる“初期警告”としてよく適している。従って、先述のパラメーターと他のパラメーターを同時にモニターするワイヤレス内蔵センサープラットフォームのネットワークが管理と安全情報の両方を与える。
【００２８】
特定基準がここでは内蔵センサーとされているけれども、それら（ｓｋｉｌｌｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｒｔ）は、ここで用いられた“内蔵”という言葉が例えばセンサーを媒介物の上や媒介物と統合したものに配置したものを含む最も広い意味で解釈されることを意味することを、容易に認識されるだろう。さらに該センサーは、媒介物から得られた情報を最適化するために媒介物に様々な方法によって分布されるだろうことは理解されることである。例を通って、コンクリートパイロンの場合においては、センサーはコンクリートパイロンの上部と底部、パイロンの上部ではストレスが高い、に異なる密度で分布するのが好ましい。他の応用においてコストセンサーの分布と密度の決定において運転因子となるだろう。
【００２９】
ワイヤレスセンサープラットフォームを媒介物に埋め込むと、該プラットフォームは構造メンバー、例えば補強または鉄筋、によって決まった場所にホルダーを用いて置かれたり、機械的にまたは該構造メンバーと機械接続することを通して接触される。それらはまた層構造内の層になった境界にも位置される。それらは建設の間または後に構造物に入れられることができる。該装置も媒介物の内部の壁の湿度と温度をモニターするために建設の間にシートロックの後部にエポキシ樹脂で接着される。
【００３０】
〔ワイヤレス内蔵センサープラットフォーム〕
本発明のセンサーシステムは複数のワイヤレス内蔵センサープラットフォームを戦略的また至るところにモニターするために媒介物の中に配置し、用いる。それぞれのセンサープラットフォームはモニターされる媒介物に関連した広い範囲の構造的、化学的、環境的状況を測定するための複数のセンサータイプをサポートしている。センサータイプは、以下に限ったものではないが、温度、伝導性、ｐＨ、電磁性、騒音、圧、衝撃、負担、ストレス、振動などを含むプラットフォームによってサポートすることができる。他のセンサータイプはここでははっきりとは説明しないが、本発明のセンサープラットフォームと接続して用いられるだろう。
【００３１】
ここで使われたセンサータイプの代表は付録Ａで述べられている。付録Ａで述べられているそれぞれのセンサータイプは、小さく、高価ではなく、少量の電力しか必要としない共通の特性を共有しており、センサープラットフォームと統合しやすい。付録Ａではそれぞれのセンサーの主要な働きとそれらがモニターする物理的価値について述べる。
【００３２】
以下には本発明のセンサーシステムに用いたワイヤレス内蔵センサープラットフォームの機械的、電気的特徴の全体像を述べる。
【００３３】
〔機械的全体像〕
ここで図１のことについて述べると、本発明のワイヤレス内蔵センサープラットフォーム１００は少なくとも外被１２０と以下で説明する外被１２０に閉じ込められたセンサーエレクトロニクス１１８を含んでいる。一般的に外被１２０は従来の技術の中で既知の伝統的な物質から形成される。アルミナまたはマコールやそれに似たセラミック材、これに限定されないが、が使用するのに好まれる。従来の技術ではすでに知られており、外被１２０の面積や形は変わり、状況によって決定される。例えば外被１２０がディスクのような形をしているときは、ダイアメーター１“のようなものになる。本発明の熟考において、外被１２０は２．５  ｃｍ３（０．１５  ｉｎ３）よりも小さい梱包の大きさにするのがこれから先の実施例である。
【００３４】
一般的に、外被１２０はベース１１４とキャップ１１６を含むことができる。ベース１１４は図１に描写したようなディスク状の形のようなｔｈｅ  ｂａｓｅの形に習得した伝統的な機械処理によって決まる最初のステップと、第二ステップはベース１１４に高い機械的伸長に届くように焼成サイクルを定義する。第二ステップまたは焼成サイクルステップに続いて、外被材はセラミック鋳型材の生産と事実上一致する。
【００３５】
キャップ１１６は一般的にベース１１４のものと似た形で図１に示したような、丸い形の低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）キャップ１１６である。好ましくは、キャップ１１６はセラミックベース１１４にエポキシ樹脂により接着され搭載される。しかしここでは従来の技術として知られたキャップ１１６に（ｂａｓｅ  １１４）を決まった方法で据え付けるということを理解されたい。一つの実施例として、該キャップ部分１１６はいくつかの層１１９を含むように構成されている。その層は厚さを変えることもでき、同じものにもできる、例えば約０．００１”から０．１０”の範囲であればおよそ０．００５”の層が構造的に完全な層となり、０．０４０”が最終的な層の厚さに達する。セラミックキャップ１１６の層の一つはパターン化された伝達アンテナ機能として設計される。図２では図何層かの１１９のひとつとして構成されているパターン化された伝達アンテナの上からの図を示している。層１１９に含まれている他の層（示してはいないが）は従来の技術範囲であるスペーサー層であり、ルーティング層であり、電力ピックアップコイル層である。
【００３６】
好ましい実施例として、外被１２０は９６％アルミナの機械加工可能なグリーンビスクセラミックから作られている。そのグリーンビスク材は低コストの必要性に基づいて適した材料とされ、一般的な自動機械で対応でき、センサーエレクトロニクス１１８とグリーンビスパターン化されたアンテナ１１９がベース１１４にまとめて取り付けられるという上の基質として出された低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）キャップ１１６と物質的特性が似通っているものである。ベース１１４は機械または鋳型によって対応できる高価ではないセラミックのどのタイプのものからも作られる。しかし、ベース１１４は所期の応用に適性に基づいたマコールのような機械加工可能なセラミックから直接機械でつくられる。
【００３７】
上述したように、商業的ＩＣ梱包と、技術と材料の集まりをもちいたＬＴＣＣキャップ１１６に取り付けた多数のＩＣ構成からなるセンサーエレクトロニクス１１８のための集合プラットフォームとしてＬＴＣＣキャップ１１６は働く。特に、センサーエレクトロニクス１１８は、例えば金バイアスとメッキでＬＴＣＣキャップ１１６と付けられている。いったんまとめられたら、センサーエレクトロニクス１１８を含むＬＴＣＣキャップ１１６はセンサー外被１２０のベース１１４と付けられる。ＬＴＣＣキャップ１１６はセラミックセラミックエポキシ樹脂でベース１１４と付けるのが好ましい。
【００３８】
ＬＴＣＣキャップ１１６は画面プリント厚膜コンダクターでテープ絶縁材料の組み合わせとなる。例えば、望みどおりの幾何学にカットすることができ、バイアスは必要な場所で機械的に形成され、コンダクターはテープシート状にプリントされる。多くの層はそれから積み重ねられ、張り合わせられて、望みどおりの機能をもつために乾かして、焼かれて、しっかりした構造になる。これは、セラミックラミネートと、プリント回路板に似たように、伝導体の内部層とを生産する。
【００３９】
図３は、伝導性センサーを含む応用のためのキャップ１１６の後ろを示したものである。伝導性センサーが使用された場合に、伝導性測定をするために２つの電極３２と３４単一の伝導性センサーにまとめて含まれる。示したように、２つの電極３２と３４はキャップ１１６の背部の外に物理的に突き出ており、それによって媒介物（コンクリートなど）をモニターし、測定することができるようになる。伝導性センサー電極３２から出る電流で動き、媒介物の中を通って、もう一方の電極３４に戻ってくるように働く。電位は電流の力によって起きる。センサープラットフォーム１００の内部で電極を渡って起きた電位は測定され、媒介物の抵抗性の測定が行われる。電極３２と３４は測定電位が抵抗測定に直接変形するように間をあけられ、分けられる。電極３２と３４はパラジウム白金の構成をとっているだろう。なお、センサーの全てが不快な環境にさらされる必要はなく、またそれ自体センサー外被１２０に完全に含まれる。
【００４０】
〔電子的全体像〕
センサーエレクトロニクス／電気回路構成の２つの実施例は図４ａと４ｂに示す。どちらの実施例でも、マイクロ−パワープロセッサー４５と関連する電気回路構成は複数のセンサータイプにシステムコントロールを与えている。本発明の目立つ長所は、モニターされる媒介物の状態に関連した望みどおりのパラメーターを同時にモニターするセンサープラットフォーム１００に複数のセンサータイプが付けられていることである。さらにそれぞれのセンサープラットフォーム１００はモニターされる媒介物内の特定の位置で得たデータの修正のための取り付けの間に記録された独特の識別番号をもっている。それぞれの実施例において、電力はセンサープラットフォーム１００にデータをセンサープラットフォーム１００から空間取得ユニットにラジオ周波数（ＲＦ）リンクを経由して伝達されている間、近傍界誘導の方法を用いて遠隔的に供給されるというのが最初の実施例で、または２番目の実施例として吸収変調の方法によって供給するというのがある。どちらの実施例も以下に説明する。
【００４１】
図４ａと図４ｂにおいて、３つのセンサー５１、５２、５３が示されている。センサー５１−５３ は、近傍界誘導を経由しインタロゲーションから電力が与えられるときにセンシング機能を行う。それぞれのセンサー５１−５３ は、マイクロプロセッサー４５の専用チャンネルにアナログ信号の出力として働く。マイクロプロセッサー４５はマイクロプロセッサー、マイクロ−コントローラー、プログラム化できるアレーロジック、ゲートアレーロジックまたは他のチップまたはここでいうロジックとコントロール機能示す能力のある電気回路構成だろう。マイクロ−コントローラーのひとつのタイプはＭＩＣＲＯＣＨＩＰ  ＰＩＣ１２Ｃ５０９（Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ， Ｃｈａｎｄｌｅｒ， Ａｒｉｚ．）だけれども他の類似したマイクロ−コントローラーはそれらの従来の技術によって適応できる。
【００４２】
センサー５１−５３のいずれかからの出力として得られたアナログ信号は該マイクロプロセッサー４５の内部Ａ−Ｄ変換を経由してデジタル信号フォーマットに変換される。交互の実施例において、アナログからデジタル変換Ａ−Ｄ変換機能はマイクロプロセッサー４５に示した（Ｅｘｔｅｒｎａｌ ＡＤＣ４７参照）に働くことができる。アナログからデジタル変換Ａ−Ｄ変換機能の働きに加えてマイクロプロセッサー４５タイミング、同定、ローカルデータ保存、通信プロトコル実行そして伝達ＶＣＯ回路（図４ａ参照）またモジュレーター４９（図４ｂ参照）にデジタル信号を出力する機能がある。
【００４３】
図４ａと図４ｂはセンサープラットフォーム１００から受信された伝達データのために空間取得ユニットへの伝達されたデータに対しての代替の実施例を示している。特定の実施例の選択はセンサープラットフォームの１００位置と周辺環境に依存している。
【００４４】
最初の実施例において、図４ａについて最初に言及すると、センサープラットフォームのセンサーエレクトロニクス４００は示されている。最初の実施例において、データじゃセンサープラットフォーム１００からＲＦリンクを経由して空間取得ユニット（示されていない）へ伝達される。これはよく知られている。ＲＦリンクを用いる方法に応じて、伝達ＶＣＯ回路４９は発振器が図２のパターン化された伝達アンテナ１１９の実行を制御するＲＦ電圧または電流として具体化される。この場合、マイクロプロセッサー４５のセンサーデータ出力は知られているようにＦＳＫ（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｈｉｆｔ ｋｅｙｉｎｇ）を用いて伝達ＶＣＯ回路４９を変調する。伝達ＶＣＯ回路４９を動かす該マイクロプロセッサーはそれから適応された調節に依存した２つの出力頻度のひとつを出力する。
【００４５】
図４ｂについて言及すると、図４ｂのセンサーエレクトロニクスは以下の例外で図４ａとほとんどの個所が類似している。２番目の実施例において、データはセンサープラットフォーム１００から吸収変調を経由して空間取得ユニットへ伝達され、これは技術としてよく知られている。この方法に従ってモジュレーター回路４９はトランジスタＭＯＳＦＥＴまたはスイッチングに相当する性質をもつ類似装置に影響する金属酸化物半導体として具体化される。マイクロプロセッサー４５からバイナリ−“１”に対応しているデータ信号は、センサープラットフォームの１００ピックアップコイル４６へ適応されるために余剰または付加装填をおこすようなＦＥＴをオンにする。この付加装填は、外部インタロゲーションユニットの電力フィールド発生器に関連したセンサープラットフォーム１００の装填特性を変化する。ＦＥＴがオンになったとき、電圧の小さな振幅調整におけるこの結果はインタロゲーションユニットの発生コイルを渡る。結果として振幅調整信号は伝達データを回復するためにインタロゲーションユニットで処理される。この場合、送信アンテナは必要ない。データはインタロゲーションユニットすなわちトランスミッターで電圧の小さい振幅調整を検出することによって簡単に回復される。
【００４６】
なお、上で述べたセンサーエレクトロニクスの、ＬＴＣＣ抵抗に埋もれた板の集合体上のチップのマルチ−チップモジュール集合体への移動はサイズとコストを減らすことを可能にする。
【００４７】
小型オフボード発信器４３の使用を含む本発明から期待できるさらなる適応は、図に示したマイクロコントローラー４５オンボード発信器４３の代わりにさらなる電力消費を削減することである。
【００４８】
本発明の重要な技術利点はインタロゲーションユニットによって送られ、誘導フィールドによって電力を供給されるであろうセンサープラットフォーム１００の電気回路構成である。だから、センサープラットフォーム１００はバッテリーやほかの電力源または蓄電力はいらないのである。バッテリーがいらないのだからセンサープラットフォーム１００と電気回路構成関係はモニターされる構造物に配置でき、のちのセンサープラットフォーム１００の整備もほとんどいらないのである。
【００４９】
図５に移ると、図５はセンサープラットフォーム１００に電力を与え、そこからデータを受けるための、インタロゲーションユニット５００の機能的ブロックダイアグラムである。インタロゲーションユニット５００の基本機能は時間変化磁場である。すなわち交流電流（ＡＣ）誘導フィールドがモニターされる媒介物に配置した複数の内蔵センサープラットフォーム１００に電力を与える。この時間変化磁場は一巻コイル内に流れるＡＣ電流によって生産されるインタロゲーションユニット５００上のこのコイルはセンサーが埋め込まれたところをまっすぐ越えて位置されることを許す方法として搭載される。一巻コイル内に流れるＡＣ電流は、クリスタルコントロールを経由して電力空間発電機に安定な動作周波数を供給する発振器１５２によって生産される。該発振器の出力は一巻コイルを動かす電力空間発電機５０４によって増幅される。電力空間発電機５０４によって作られた時間変化磁場はセンサープラットフォーム１００の中に位置するパワーピックアップコイル４６でＡＣ電圧を導く。導かれたＡＣ電圧はセンサープラットフォーム１００でセンサープラットフォーム１００の電圧調節器（示していない）に入力となるＤＣ電圧を作るために整流される。センサープラットフォーム１００の内部に向かって、ツェナーダイオードが調節器のＤＣ入力電圧を安全なレベルまで締める。電圧調節器の出力はその後センサーエレクトロニクスのままのセンサープラットフォームの１００に電力を与える。
【００５０】
図５の続きとして、センサープラットフォーム１００がそれらのデータを。インタロゲーションユニット５００にＲＦリンクを経由して送ったときに使われる受信アンテナ５０７を示す。この場合、ＲＦ受信機５０９はＲＦ信号を増幅しフィルターするために用いられる。示したように、発振器５０２は信号を処理する部分としてＲＦ受信機５０９へ入力信号をあたえる。
【００５１】
センサープラットフォーム１００がデータを、吸収変調を経由してインタロゲーションユニット５００に伝えるところで吸着受信機５１１が使われる。受信方法が用いられるかどうかに関係なく、データかいふくモジュール５１３が最終信号を与えるのに用いられる。ローカルコンピューター５１５への調節とインターフェイスに用いられる。
【００５２】
以下は本発明による多機能センサーシステムの限界の無い例の説明である。
【００５３】
〔実施例〕
本発明の多機能センサーシステムの操作上のコンセプトは、複数のワイヤレス内蔵センサープラットフォーム６４を含む橋構造６２を描いた図６において示す。この特定の応用に対して、センサープラットフォーム６４は該橋６２の構造的要因に渡って約２メートル毎に配置される。センサープラットフォーム６４の位置と密度はモニターされる特定の構造物によるものである。
【００５４】
下で述べるように、センサープラットフォーム６４からの情報はインタロゲーションの間に伝達される。インタロゲーションは輸送体６８に乗ったインタロゲーションユニット５００で示される。インタロゲーションユニット５００は、輸送体６８がセンサープラットフォーム６４に近いところを通過するときにセンサープラットフォーム６４からデータを記録する。インタロゲーションユニット５００は輸送体６８に運ばれる必要はなく、モニターされる構造体近くに手づかみまたは永久に取り付けられるのだろう。
【００５５】
センサープラットフォーム６４は近傍界誘導（すなわち、電力伝達器／読み取り機）６９によって電力を与えられる。知っている通り、センサープラットフォーム６４は、高周波（“ＲＦ”）または誘導電力領域の吸収変調の使用を通してインタロゲーションユニット５００と伝達できる。このアプローチはセンサープラットフォーム６４のワイヤレスで、接触しない読み取りが果たせる。センサープラットフォーム６２の読み取りが簡便で迅速に表すことができるだろうから、そのような伝達は本発明の重要な技術的利点を与える。
【００５６】
インタロゲーションユニット５００内の電気回路構成はＡＣ磁場を生み、センサープラットフォーム６４に電力を与え、インタロゲーションユニット５００内のローカルコンピューターに保存するためセンサープラットフォーム６２からデータを受ける。
【００５７】
複数のセンサープラットフォーム６４のそれぞれは取り込まれる間に記録された独特の識別番号をもつ。個々のＩＤ番号で、記録のなかで特定のセンサーの位置は整備されて、それらのセンサーからのデータはその後それらの位置に修正されることができる。
【００５８】
図７は、図６の描写した橋モデリング例における本発明システムを用いての生産物の生産の地図の模式的な図である。図７に示したように、階調図は橋構造の抵抗値の種類を示したものである。本模式的応用において、センサープラットフォーム６４の抵抗センサーを用いることによってまた、抵抗センサーからデータを記録されることによって得られる。そのような地図はモニターされ、また（は）修復される必要があると思われる場所を限定する。
【００５９】
多種の調節がここで明らかにした実施例とされるのだろう。従って、上述は限定されるべきではない。しかし、単なる好ましい実施例と解釈すべきだ。例えば、上述した機能と本発明の作用として最適なモードとして実施した機能は描画目的だけである。他のアレンジや方法は、この発明の範囲と信念からはずれることなく、それら（ｓｋｉｌｌｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｒｔ）によって実施されるだろう。さらにはそれら（ｓｋｉｌｌｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｒｔ）はこれより先に付加した請求項の範囲と信念とで他の実施例を考えることができるだろう。
【００６０】
〔付録Ａ〕
〔抵抗センサー〕
コンクリートの透磁率は、湿度、酸素や塩化物イオンをコンクリート内の鉄面へコンクリートの中を通って移す能力に関連する。いくつかの研究によって知られているように、１２０，０００ ｏｈｍ−ｃｍの電気抵抗をもつコンクリートは低い透磁率と低い腐食率を有し、１００，０００ ｏｈｍ−ｃｍまたはそれ以下の電気抵抗をもつコンクリートは高い透磁率と高い腐食率を有している。従って、コンクリートの電気抵抗は電位腐食剤に対する透磁率の良い標識となる。抵抗の範囲は約３ｋから約１２０ｋ ｃｍ−ｃｍと予想される。
【００６１】
抵抗センサーは決まった４プローブ技術に基づいている。２プローブは電流の挿入のために、もう２プローブは電位をモニターするためのものである。一般的なアレンジメントにおいて、４プローブの全ては２つの電流挿入プローブの間と２つの電位プローブの間に均等な空間がある。この抵抗は、見積もられた透磁率からＯｈｍｓ Ｌａｗの修飾型を用いて計算される。印加電流は１Ｖより少なく１０ ｍＡの単位となるだろう、そして必要電力の合計は約１０ ｍＷとなるだろう。
【００６２】
〔ｐＨセンサー〕
ｐＨ、加えて塩化物イオン濃度と温度を測定するのに推奨されるのは、コンクリート環境の腐食の良い概算を得ることだ。商業上のｐＨメーターは信頼性と大きさということからこの仕事には適さない。フォトダイオード検出器とＬＥＤ光源をもちいた輝度ｐＨセンサーというのが開発中のセンサーである。測定ｐＨを１１から１４の範囲に変更し、キャリブレーションを必要としない。センサーの必要電力の合計は数ミリワットの単位であろう。ワイヤレス多機能センサープラットフォームはこのセンサーの調節として設計される。
【００６３】
〔塩化物センサー〕
塩化物センサーは少なくとも２つの銀／塩化銀ワイヤーを含んでおり、一つはコンクリート内に自由にプロジェクトされ、もうひとつは塩化カリウム（ＫＣｌ）で飽和されたセラミック膜を通ってコンクリートとインターフェイスする。どちらのワイヤーも長さが１ ｃｍで直径が２から５ ｍｍである。塩化物センサーは製作後、計算されるだろうがより後の時間には計算は必要なくなるだろう。コンクリート内の塩化物の確かなレベルを測定できるだろう。そして動くのに非常に少量の電力を必要とする。
【００６４】
〔温度センサー〕
このセンサーは半導体基盤のセンサーである。一般的にコンクリート内部において予測される緩やかな温度変化のために、ワイヤレス多機能センサープラットフォームは隣接するコンクリート温度とつりあっていなくてはいけない。だから、ほとんどのマイクロコントローラーに作られた温度センサーは局所的なコンクリート温度を感知するために用いられることができる。
【００６５】
〔磁気計センサー〕
このセンサーは小型のセンサーで１０−９から１０＋１アンペアの範囲の電流によって作られた磁場に感受性をもつ。動くのに数ミリワットが必要である。該磁気計センサーは孔食腐食活性によって作られた電気的ノイズを感知するために用いられ、またコンクリート構造物の迷走電流または陰極保護（ＣＰ）電流の測定にも使用できる。
【００６６】
孔食腐食は、上記金属表面上の保護酸化膜（受動膜）の破壊によって起こる。そのフィルムが破壊された場合（すなわち、非不動態化された場合）、金属の表面は腐食するだろう。腐食産物はさらなる腐食を防ぐために表面上の酸化金属をさらに生み出すことになる。腐食反応は金属／コンクリート内面に渡って電流を生み出す。孔食の間、非不動態化−腐食−再不動態化処理は不定期に繰り返され、腐食電流内で（ａ ｔｅｍｐｏｒａｌ ｖａｒｉａｔｉｏｎ）を生産する。これらの変動は、低周波（＞１ Ｈｚ）で、電気器機ノイズまたはホワイトノイズと同じ範囲内で起こる。孔食腐食に関連したノイズは、しかしながら、いくつかの独特な特徴をもつ。電気またホワイトノイズのほとんどの形態は単一の時間の分布を有している。電気化学ノイズは腐食によるもので、一方、二峰性分布を有している。電力スペクトルプロットの勾配はまた孔食腐食に対しても特徴的でその存在を示すために用いられる。
【００６７】
出願によって把握された磁気センサーは劇的に広い範囲をもつ。地球の磁場の存在下で、迷走電流（〜１０ マイクロアンプ；１００ ナノテスラ（ｎａｎｏ Ｔｅｓｌａ））：腐食電流（１０ マイクロアンプ，１００ ナノテスラ（ｎａｎｏ Ｔｅｓｌａ））；ＣＰ電流（１ ミリアンプ；１０，０００ ナノテスラ（ｎａｎｏ Ｔｅｓｌａ））を測定することができる。
【００６８】
なお迷走電流電気分解は産業エリア内のコンクリートの腐食要素である。鉄筋はアースと接触したコンクリートに埋められて、鉄は迷走電流の簡易輸送体になる。もし迷走電流が数Ｈｚ以下で周波数構成をもっていたら、上記酸化被膜をすぐに破壊し孔食腐食を起こすことができる。そのような低周波迷走電流は光レールシステム、高電力産業、そして重電気工学工程から起こすことができる。だから、迷走電流が共通な都市や産業的環境において、コンクリート橋は塩化物イオンの欠乏していても腐食するだろう。磁気計センサーは迷走電流ノイズの存在を同定し、その頻度と振幅の特性を解析し、迷走注入と放電のポイントさえ明らかにするだろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、本発明に係るワイヤレス内蔵センサープラットフォームを示す模式図である。
【図２】
図２は、図１の斜線部で示したセンサープラットフォームのセラミックキャップである内蔵式の伝送アンテナ１１９の上から見た模式図である。
【図３】
図３は図１のセンサープラットフォームのセラミックキャップの背部または外部の模式図である。
【図４ａ】
図４ａは図１のセンサープラットフォームに含まれるセンサーエレクトロニクスまたは回路の第１の実施例である。
【図４ｂ】
図４ｂは図１のセンサープラットフォームに含まれるセンサーエレクトロニクスまたは回路の第２の実施例である。
【図５】
図５は本発明のシステムに応じて用いたインタロゲーションユニットのブロック図である。
【図６】
図６は橋のモニタリングに関する本発明の模範的応用の模式図である。
【図７】
図７は図６の橋−モデル例の模式図に対して、本発明のシステムを用い生産物として生産された地図の模式図である。
【図２】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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