(57)【要約】【課題】ひずみセンサアレイシートの接着の出来による影響を殆ど受けることなく正確に構造物の亀裂、劣化を検出する。【解決手段】扁平な直方体形状の鋼材２０１の表面に、扁平な直方体形状の鋼材２０２の側端部が溶接によって接合された構造物において、ひずみセンサアレイシート１０１が鋼材２０１の表面の中央部付近で、かつ、鋼材２０２の一方の側の領域に接着剤で貼り付けられている。ひずみセンサアレイシート１０１は、複数のひずみセンサがアレイ状に配置された構成で、複数のひずみセンサのそれぞれから互いに独立して出力されるひずみ検出値の相対値に基づいて、図示しない測定装置によって第１の鋼材の亀裂進行方向２１１や亀裂発生位置を特定する。これにより、鋼材２０１とひずみセンサアレイシート１０１との接着に不具合があってもその悪影響を殆ど受けにくくできる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート部材に複数のひずみセンサがアレイ状に配置されたひずみセンサアレイシートと、
前記ひずみセンサアレイシートが貼り付けられた構造物のひずみに応じて、前記複数のひずみセンサからそれぞれ互いに独立して出力されるひずみ検出値を測定し、前記複数のひずみセンサのうち時間の経過とともに初期値に対して所定値または所定割合以上に変化したひずみ検出値を出力するひずみセンサの位置に基づいて前記構造物の亀裂発生位置を検出する測定装置と、
を備えることを特徴とする構造物の亀裂発生検出システム。
【請求項２】
前記測定装置は、前記複数のひずみセンサからそれぞれ互いに独立して出力される前記ひずみ検出値の絶対値を測定し、前記複数のひずみセンサのうち測定した前記絶対値が時間の経過に従い前記所定値または前記所定割合以上に変化したひずみセンサの位置に基づいて前記構造物の亀裂発生位置を検出することを特徴とする請求項１記載の構造物の亀裂発生検出システム。
【請求項３】
前記測定装置は、前記複数のひずみセンサからそれぞれ互いに独立して出力される前記ひずみ検出値の相対値を算出し、前記複数のひずみセンサのうち算出した前記相対値が時間の経過に従い前記所定値または前記所定割合以上に変化したひずみセンサの位置に基づいて前記構造物の亀裂発生位置を検出することを特徴とする請求項１記載の構造物の亀裂発生検出システム。
【請求項４】
シート部材上にアレイ状に配置された複数のひずみセンサのそれぞれが、
扁平な直方体状の基板の上の４辺の側縁部のうち、長手方向の相対向する２つの側縁部の中央の一部領域で、かつ、ひずみ測定対象箇所にそれぞれ配置された第１及び第２のピエゾ抵抗素子と、
前記４辺の側縁部のうち、短手方向の相対向する２つの側縁部の中央の一部領域で、かつ、ひずみ発生が微小である箇所にそれぞれ配置された第３及び第４のピエゾ抵抗素子とを有すると共に、
前記第１乃至第４のピエゾ抵抗素子の各抵抗はホイートストンブリッジ回路を構成しており、前記第１及び第２のピエゾ抵抗素子の各抵抗は前記ホイートストンブリッジ回路の４辺のうち対向する２辺の位置に配置され、前記第３及び第４のピエゾ抵抗素子の各抵抗は前記ホイートストンブリッジ回路の４辺のうち残りの対向する２辺の位置に配置された構成であることを特徴とする請求項１記載の構造物の亀裂発生検出システムに用いるひずみセンサ。
【請求項５】
シート部材上にアレイ状に配置された複数のひずみセンサのそれぞれが、
所定の機能を実現するための機能性素子、前記機能性素子の入力信号または出力信号用電極、及び前記電極用の電極パッドが積層された積層構造体と、
前記積層構造体が配線領域を除く表面上の所定領域に設けられた回路基板とよりなり、
前記回路基板を前記複数のひずみセンサに共通の前記シート部材として、前記シート部材が貼り付けられた構造物のひずみに応じて前記機能性素子により検出されたひずみ検出値を、前記電極パッドを通して出力することを特徴とする請求項１記載の構造物の亀裂発生検出システムに用いるひずみセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は構造物の亀裂発生検出システム及びそれに用いるひずみセンサに係り、特に鋼構造物、コンクリート構造物、橋梁などの構造物に発生した亀裂を検出する亀裂発生検出システム及びそれに用いるひずみセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼構造物、コンクリート構造物、橋梁などの構造物における劣化や亀裂の発生を検出するには、ひずみ分布を測定することが有効である。ひずみ分布を測定する方法としては、ひずみセンサを用いる方法（例えば、特許文献１、２参照）、光ファイバセンサを用いる方法（例えば、特許文献３、４参照）、画像解析を用いる方法（例えば、特許文献５参照）などが知られている。
【０００３】
すなわち、特許文献１には、橋梁の亀裂にひずみセンサを設置し、そのひずみセンサの測定値に基づいて亀裂の進展速度を推定し、進展速度が基準値よりも大きい亀裂を特定して、特定した亀裂に今度は亀裂進展センサを設置し、その測定値が基準値よりも大きい亀裂を補修の候補に決定する亀裂監視方法が開示されている。また、特許文献２には、無線機能付きチップを有するひずみゲージを橋梁等の構造物に複数個所備え付け、複数個所のひずみゲージからの構造体変形情報に基づいて、構造物のひずみ分布を測定して安全性確認や強度低下予測をする方法が開示されている。
【０００４】
しかしながら、特許文献１及び２記載のひずみセンサを用いる方法のうち、特許文献１記載の方法では構造物の亀裂発生箇所にひずみセンサを設置するものであり、亀裂の発生を検出するものではなく、また、ひずみセンサの測定値に基づいて進展速度が大きな亀裂に今度は亀裂進展センサを設置するもので、作業が面倒で監視が非効率で、更に施工にコストがかかるという問題もある。また、特許文献２記載の方法もひずみゲージを構造物の複数個所に備え付けるため、やはり施工にコストがかかるという問題がある。
【０００５】
また、光ファイバセンサによる検知に基づいて構造物のひずみを計測する特許文献３記載の方法や、橋梁の桁の全長にわたって敷設した光ファイバ中に発生させたブリルアン散乱光を基にして光ファイバに生ずる長さ方向のひずみをパルス試験器で計測して橋梁のひずみ分布を計測する特許文献４記載の方法では、光ファイバは極めて高価なため設置可能な構造物が限定されるという問題がある。また、構造物に生じた温度分布変動を赤外線カメラにより計測した熱画像と、赤外線カメラと計測視野を一致させた可視カメラにより撮影した可視画像とから構造物の応力変動を把握する特許文献５に記載の画像解析を用いる方法では、常時監視には不向きであるという問題がある。そこで、このような問題を解決するために、複数のひずみセンサをフレキシブルシート上に並べて配置した、ひずみセンサアレイシートデバイスが報告されている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−１４７８３４号公報
【特許文献２】特開２００５−２９１９９９号公報
【特許文献３】特開２０１１−１３２６８０号公報
【特許文献４】特開２００２−０９０２３３号公報
【特許文献５】特開２００８−２３２９９８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Yao Yao and Branko Glisic,“Detection of Steel Fatigue Cracks with Strain Sensing Sheets Based on Large Area Electronics”,Sensors vol.15.8088-8108,2015
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、非特許文献１のひずみセンサアレイシートデバイスを構造物に貼り付けてシート上に配置された複数のひずみセンサの出力に基づいて当該構造物の亀裂の発生を検出する場合は、ひずみセンサアレイシートデバイスの構造物に対する接着の出来によってひずみ感度がシートごとに異なるという問題（課題１）がある。
【０００９】
また、ひずみセンサとして、ピエゾ抵抗方式にした場合は、温度依存性を低減するための補償回路用のピエゾ抵抗をセンサ内のひずみが小さい箇所に配置しなければならないという問題（課題２）がある。
【００１０】
本発明は以上の点に鑑みなされたもので、ひずみセンサアレイシートの接着の出来による影響を殆ど受けることなく正確に構造物の亀裂、劣化を検出できる構造物の亀裂発生検出システム及びそれに用いるひずみセンサを提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、ひずみセンサとしてピエゾ抵抗素子を用いた場合に、温度依存性を補償するためのピエゾ抵抗の配置位置を適切に配置して精度良く温度依存性を低減できる構造物の亀裂発生検出システム及びそれに用いるひずみセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するため、第１の発明の構造物の亀裂発生検出システムは、シート部材に複数のひずみセンサがアレイ状に配置されたひずみセンサアレイシートと、前記ひずみセンサアレイシートが貼り付けられた構造物のひずみに応じて、前記複数のひずみセンサからそれぞれ互いに独立して出力されるひずみ検出値を測定し、前記複数のひずみセンサのうち時間の経過とともに初期値に対して所定値または所定割合以上に変化したひずみ検出値を出力するひずみセンサの位置に基づいて前記構造物の亀裂発生位置を検出する測定装置とを備えることを特徴とする。
【００１２】
また、上記の目的を達成するため、第２の発明の構造物の亀裂発生検出システムは、第１の発明における測定装置が、前記複数のひずみセンサからそれぞれ互いに独立して出力される前記ひずみ検出値の絶対値を測定し、前記複数のひずみセンサのうち測定した前記絶対値が時間の経過に従い前記所定値または前記所定割合以上に変化したひずみセンサの位置に基づいて前記構造物の亀裂発生位置を検出することを特徴とする。
【００１３】
また、上記の目的を達成するため、第３の発明の構造物の亀裂発生検出システムは、第１の発明における測定装置が、前記複数のひずみセンサからそれぞれ互いに独立して出力される前記ひずみ検出値の相対値を算出し、前記複数のひずみセンサのうち算出した前記相対値が時間の経過に従い前記所定値または前記所定割合以上に変化したひずみセンサの位置に基づいて前記構造物の亀裂発生位置を検出することを特徴とする。
【００１４】
また、上記の目的を達成するため、第４の発明の構造物の亀裂発生検出システムに用いるひずみセンサは、シート部材上にアレイ状に配置された複数のひずみセンサのそれぞれが、扁平な直方体状の基板の上の４辺の側縁部のうち、長手方向の相対向する２つの側縁部の中央の一部領域で、かつ、ひずみ測定対象箇所にそれぞれ配置された第１及び第２のピエゾ抵抗素子と、前記４辺の側縁部のうち、短手方向の相対向する２つの側縁部の中央の一部領域で、かつ、ひずみ発生が微小である箇所にそれぞれ配置された第３及び第４のピエゾ抵抗素子とを有すると共に、前記第１乃至第４のピエゾ抵抗素子の各抵抗はホイートストンブリッジ回路を構成しており、前記第１及び第２のピエゾ抵抗素子の各抵抗は前記ホイートストンブリッジ回路の４辺のうち対向する２辺の位置に配置され、前記第３及び第４のピエゾ抵抗素子の各抵抗は前記ホイートストンブリッジ回路の４辺のうち残りの対向する２辺の位置に配置された構成であることを特徴とする。
【００１５】
また、上記の目的を達成するため、第５の発明の構造物の亀裂発生検出システムに用いるひずみセンサは、シート部材上にアレイ状に配置された複数のひずみセンサのそれぞれが、所定の機能を実現するための機能性素子、前記機能性素子の入力信号または出力信号用電極、及び前記電極用の電極パッドが積層された積層構造体と、前記積層構造体が配線領域を除く所定領域に設けられた回路基板とよりなり、前記回路基板を前記複数のひずみセンサに共通の前記シート部材として、前記シート部材が貼り付けられた構造物のひずみに応じて前記機能性素子により検出されたひずみ検出値を、前記電極パッドを通して出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、それぞれ互いに独立してひずみ検出値を出力する複数のひずみセンサのシート部材上の配置位置がアレイ状でかつ既知であるので、所定値または所定割合以上に変化したひずみ検出値を出力するひずみセンサの位置に基づいて前記構造物の亀裂発生位置を確実に検出することができる。
【００１７】
また、本発明によれば、個々のひずみセンサのひずみ検出値が、センサアレイシートの構造物との接着状態の不具合によって悪影響を受けたとしても、各ひずみ検出値の相対値を測定し、その相対値が所定値または所定割合以上に変化したひずみセンサの位置を検出することで、亀裂が発生しそうなあるいは発生した箇所を正確に特定することができる。
【００１８】
また、本発明によれば、２つのひずみ測定用ピエゾ抵抗素子の各抵抗と、２つの補償回路用ピエゾ抵抗素子の各抵抗とによりホイートストンブリッジ回路を構成すると共に、２つの補償回路用ピエゾ抵抗素子はひずみの発生が微小な基板位置に配設したため、ホイートストンブリッジ回路により精度良くピエゾ抵抗素子の温度依存性を低減してひずみの発生を正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る構造物の亀裂発生検出システムの一実施形態の概略構成図である。
【図２】図１中のひずみセンサアレイシートの一例の平面図である。
【図３】本発明に係る構造物の亀裂発生検出システムの動作説明のための応力分布シミュレーションの適用例を示す図である。
【図４】図２のひずみセンサアレイシート上の各ひずみセンサの検出ひずみ値の初期値を示す平面図である。
【図５】図２のひずみセンサアレイシートが貼り付けられた図３の構造物の印加荷重の変化に対する、ひずみセンサアレイシート上の特定のひずみセンサのひずみ値の変化を示す図である。
【図６】図２のひずみセンサアレイシートが貼り付けられた図３の構造物の亀裂発生前のひずみセンサアレイシート上の各ひずみセンサの検出ひずみ値の一例を示す平面図である。
【図７】図２のひずみセンサアレイシートが貼り付けられた図３の構造物の亀裂発生直後のひずみセンサアレイシート上の各ひずみセンサの検出ひずみ値の一例を示す平面図である。
【図８】構造物に対する接着状態が不十分であるときのひずみセンサアレイシート上の各ひずみセンサの検出ひずみ値の一例を示す平面図である。
【図９】ひずみセンサアレイシート上の各ひずみセンサの検出ひずみ値の相対値の一例を示す平面図である。
【図１０】本発明に係る構造物の亀裂発生検出システムに用いるひずみセンサの一実施形態の平面図である。
【図１１】図１０のひずみセンサにおける４つのピエゾ抵抗素子のひずみ伝達感度の各例を示す図である。
【図１２】図１０のひずみセンサで構成されるホイートストンブリッジ回路の一例を示す図である。
【図１３】本発明に係る構造物の亀裂発生検出システムに用いるひずみセンサの他の実施形態の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明に係る構造物の亀裂発生検出システムの一実施形態の概略構成図を示す。同図において、本実施形態の亀裂発生検出システム１００は、被検出対象の構造物２００に貼り付けられたひずみセンサアレイシート１０１と、ひずみセンサアレイシート１０１の複数のひずみセンサから出力される各検出信号の値を測定し、それらの測定値の絶対値、あるいは相対値の分布を求め、更にその分布の変化から構造物２００の亀裂発生の検出出力を得る測定装置１０２とから大略構成されている。構造物２００には橋梁などのコンクリート構造物、鋼構造物などがある。
【００２１】
図２は、ひずみセンサアレイシート１０１の一例の平面図を示す。同図において、ひずみセンサアレイシート１０１は、例えばフレキシブル基板からなるシート部材１１０の表面に、同一構成の１６個のひずみセンサ１〜１６が４行４列のアレイ状に配置された構成である。ひずみセンサ１〜１６は、一例として平面形状が長方形の極薄センサで、その短手方向に隣接する２つのひずみセンサ間の間隔は例えば１０ｍｍである。
【００２２】
ひずみセンサ１〜１６は、その配置位置で発生したひずみに対して圧電効果やピエゾ抵抗効果などに基づく電気的出力を互いに独立して発生する機能を有し、電気的出力を測定装置１０２にそれぞれ供給する。電気的出力の値は、発生したひずみの大きさに応じて変化する。したがって、図２に破線の矢印１５０で示す方向に構造物の亀裂が進展した場合は、進展する亀裂上に配置されているひずみセンサ１２の電気出力値が最も大きく、亀裂上に配置されていないひずみセンサ１〜４、６〜８、９、１０、１３〜１６の各電気出力値は所定の最小値である。なお、ひずみセンサ１〜１６の具体的な各例の構成は後述する。
【００２３】
図３は、本発明に係る構造物の亀裂発生検出システムの動作説明のための応力分布シミュレーションの適用例を示す。同図中、図１と同一構成部分には同一符号を付してある。図３において、構造物は例えば長さが３００ｍｍ、幅が１４０ｍｍである扁平な直方体形状の第１の鋼材２０１の表面の上半分の領域の長手方向中心位置に、長さが第１の鋼材２０１の半分程度の扁平な直方体形状の第２の鋼材２０２の側端部が溶接によって接合された構造である。また、第１の鋼材２０１の表面の中央部付近で、かつ、第２の鋼材２０２の一方の側の領域に、ひずみセンサアレイシート１０１が接着剤で貼り付けられている。ひずみセンサアレイシート１０１のひずみセンサ１〜１６の各ひずみ検出値は、それぞれ図示しない測定装置へ出力され、後述する所定の処理により第１の鋼材２０１の亀裂進展方向や亀裂発生位置が検出される。
【００２４】
ここで、接着剤が硬化した状態のひずみセンサアレイシート１０１の各ひずみセンサ１〜１６で検出されたひずみ値が図４の平面図に示すように、それぞれ１０×１０-6であったものとする。続いて、上記の第１の鋼材２０１及び第２の鋼材２０２からなる接合構造の接合側端部２０１ａ及び２０２ａを固定した状態で、第１の鋼材２０１の接合側端部２０１ａと反対側の先端部２０１ｂを矢印３００で示す下方向へ時間の経過と共に徐々に大なる値となる荷重を印加したものとする。この荷重の印加により図３に示す第２の鋼材２０２の先端の第１の鋼材２０１との接合部分２１０に応力が集中し、また破線の矢印２１１で示す方向に亀裂が進展したものとする。また、亀裂進展方向２１１の真上にひずみセンサ１２が位置するものとする。
【００２５】
図５は、上記印加荷重に対するひずみセンサ１２のひずみ値の変化の一例を示す。同図に示すように、第１及び第２の鋼材２０１及び２０２からなる接合構造に対する印加荷重が、６５Ｎ程度までは印加荷重に比例してひずみセンサ１２の検出ひずみ値が増大していき、７０×１０-6までに達する。そして、印加荷重が６５Ｎを越えた時に上記接合構造に亀裂が発生したものとすると、この時ひずみセンサ１２の検出ひずみ値は図５に示すように６５０×１０-6まで急峻に増大する。
【００２６】
図６及び図７は上記の亀裂発生前後のひずみセンサアレイシート１０１における各ひずみセンサの検出ひずみ値を示す。図６及び図７に示すように、亀裂進展方向２１１に対してある距離以上離れた位置にあるひずみセンサ１〜４、７〜９、１３〜１６の各検出ひずみ値は図４に示した接着剤硬化時の初期値と同じ１０×１０-6で変化はない。これに対し、亀裂進展方向２１１に近接した位置にあるひずみセンサ５、６、１０及び１１の検出ひずみ値は初期値より大なる値を示す。また、亀裂進展方向２１１の真上に位置するひずみセンサ１２の検出ひずみ値は、図６に示す亀裂通過前は７０×１０-6で、ひずみセンサ５、６、１０及び１１の検出ひずみ値より大なる値を示し、亀裂通過後は図７に示すように初期値の数十倍程度の６５０×１０-6と極めて大なる値に急峻に変化する。なお、図６及び図７に示すように、ひずみセンサ５、６、１０及び１１のうち、亀裂進展方向に近い方のひずみセンサ５及び１１のひずみ検出値は６０×１０-6で、遠い方のひずみセンサ６及び１０のひずみ検出値３０×１０-6よりも大であるが、これらのひずみ検出値は亀裂発生前後で変化はない。
【００２７】
したがって、亀裂の発生を検出するには、ひずみセンサ１〜１６のうち、ひずみ検出値が初期値の数倍程度、あるいは数十倍程度にまで増大したひずみセンサを見出せばよいことになる。もし、ひずみセンサがアレイ化されておらず、ひずみセンサ１〜４、１３〜１６しか存在していない場合は、上記の亀裂進展方向２１１に進展する亀裂は検出できないことになる。したがって、本実施形態のようにひずみセンサをアレイ化することは、亀裂の発生を確実に検知するのに有効である。
【００２８】
ここで、ひずみセンサアレイシート１０１の第１の鋼材２０１への接着の仕方が悪かったり、あるいは経年変化により接着剤が劣化してくると、ひずみセンサ１〜１６へのひずみの伝達が不十分になり、図８に示すように、亀裂進展方向２１２に沿った位置にあるひずみセンサ５、６、１０、１１、１２の各検出ひずみ値は他のひずみセンサ１〜４、７〜９、１３〜１６の各検出ひずみ値よりも大となったとしても、亀裂通過位置にあるひずみセンサ１２の検出ひずみ値以外はいずれも本来の初期値程度あるいはそれ以下となることが懸念される。このような状況ではひずみ検出値の絶対値からは、亀裂の発生が必ずしも検知できない危険性がある。
【００２９】
そこで、本実施形態では測定装置１０２がひずみセンサ１〜１６の各検出ひずみ値の相対値を算出し、その相対値が最低値の数倍になったひずみセンサの付近を亀裂が通過し、その相対値が最低値の数十倍になったひずみセンサの真下を亀裂が通過したと判定する。ここで、「相対値」は、例えば各ひずみセンサの検出ひずみ値の絶対値と初期値との比、あるいは上記絶対値と全ひずみセンサの検出ひずみ値の平均値との比である。また、例えば全ひずみセンサの相対値の最低値を「１」に正規化した値であってもよい。ただし、相対値の算出方法はこれらに限定されるものではない。
【００３０】
図９は、ひずみセンサ１〜１６の各検出ひずみ値の相対値の一例の平面図を示す。図９に示すように、ひずみセンサアレイシート１０１に対して亀裂進展方向２１３に亀裂が進行した場合、検出ひずみ値の相対値が「６」であるひずみセンサ５及び１１、検出ひずみ値の相対値が「３」であるひずみセンサ６及び１０は、相対値の最低値「１」より若干大であるのでそのセンサの付近を亀裂が進行したと判定する。これに対し、ひずみセンサ１２の検出ひずみ値の相対値は「６５」であり、相対値が最低値「１」の数十倍になっており、よってひずみセンサ１２の真下を亀裂が通過したと判定する。このようにして、本実施形態によれば、ひずみセンサアレイシート１０１の第１の鋼材２０１への接着の状態によらず、亀裂の発生方向及び発生位置を正確に検知することができる。
【００３１】
次に、本発明に係る構造物の亀裂発生検出システムに用いるひずみセンサの実施形態について説明する。
図１０は、ひずみセンサの一実施形態の平面図を示す。同図に示す本実施形態のひずみセンサ４００は、ひずみセンサ１〜１６のうち任意の一つのひずみセンサを構成している。図１０において、扁平な直方体形状の極薄のシリコン基板４１０の表面の４辺の側縁部のうち、長手方向の相対向する２つの側縁部の中央の一部領域にそれぞれピエゾ抵抗素子４０１及び４０３が配置され、また短手方向の相対向する２つの側縁部の中央の一部領域にそれぞれピエゾ抵抗素子４０２及び４０４が配置されている。また、ピエゾ抵抗素子４０１と４０４との間は端子４１１ａを介して配線４１２で接続され、ピエゾ抵抗素子４０１と４０２との間は端子４１１ｂを介して配線４１３で接続されている。また、ピエゾ抵抗素子４０３と４０２との間は端子４１１ｃを介して配線４１４で接続され、ピエゾ抵抗素子４０３と４０４との間は端子４１１ｄを介して配線４１５で接続されている。配線４１２〜４１５は側縁部に沿って形成されている。ピエゾ抵抗素子４０１〜４０４は、周知のように、加えられた応力によって、その抵抗率（電気導電率）が変化する素子である。
【００３２】
ここで、実際のひずみセンサ４００においては、４つのピエゾ抵抗素子４０１、４０２、４０３及び４０４により後述のホイートストンブリッジ回路を構成してひずみ検出する場合、２つのピエゾ抵抗素子をひずみ測定対象箇所に配置し、残りの２つのピエゾ抵抗素子をひずみ発生が微小である箇所に配置する必要がある。構造物に接着剤によってピエゾ抵抗方式のひずみセンサ４００を貼り付けた場合の、４つのピエゾ抵抗素子４０１〜４０４の配置位置を決定するため、非特許文献（J.Sirohi and I.Chopra,“Fundamental Understanding of Piezoelectric Strain Sensors”,Journal of Intelligent Material Systems and Structures,Vol.11,p.246-257,April,2000）に記載の理論計算により、ひずみセンサ上のひずみ分布を調べた。
【００３３】
図１１（Ａ）は、同図（Ｂ）の平面図に示す極薄のひずみセンサ４００の各位置におけるひずみ伝達感度（前記理論計算に基づくひずみ分布）を示す。図１１（Ａ）において、実線Iは長さ５ｍｍ、厚さ５μｍのひずみセンサのひずみ伝達感度、点線IIは長さ５ｍｍ、厚さ０.３μｍのひずみセンサのひずみ伝達感度を示し、いずれも長手方向（長さ方向）の中央部の感度が最大で、端部の感度がほぼゼロであることが分かる。そこで、本実施形態の図１０及び図１１（Ｂ）に示すひずみセンサ４００においては、シリコン基板４１０の長手方向の中央部のピエゾ抵抗素子４０１及び４０３をひずみ測定対象箇所に配置し、端部のピエゾ抵抗素子４０２及び４０４をひずみ発生が微小な箇所に配置する。ピエゾ抵抗素子４０２及び４０４は、ひずみ検出用のピエゾ抵抗素子４０１及び４０３の温度依存性を低減する補償回路用のピエゾ抵抗素子である。
【００３４】
上記の４つのピエゾ抵抗素子４０１〜４０４は、同一構成で図１２に示すようなホイートストンブリッジ回路（以下、ブリッジ回路）を構成している。図１２において、Ｒg1、Ｒg2、Ｒg3、Ｒg4は、それぞれピエゾ抵抗素子４０１、４０２、４０３、４０４の抵抗を示し、それぞれ初期状態では同一抵抗値である。また、図１２に示すブリッジ回路の端子ａ、ｂ、ｃ、ｄは、図１０に示したひずみセンサ４００の端子４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃ、４１１ｄに相当する。ブリッジ回路の抵抗Ｒg1及びＲg4の接続端子ａと抵抗Ｒg2及びＲg3の接続端子ｃとの間に電圧Ｅを印加した場合に、抵抗Ｒg1及びＲg2の接続端子ｂと抵抗Ｒg3及びＲg4の接続端子ｄとの間に出力されるブリッジ電圧ｅ0は、ひずみε、ピエゾ抵抗のゲージ率Ｋsを用いて次式
ｅ0＝Ｅ*Ｋs*ε／２
で表される。
【００３５】
ここで、ひずみεが発生すると、ひずみ測定対象箇所に配置されたピエゾ抵抗素子４０１及び４０３の各抵抗Ｒg1及びＲg3の値が初期値から変化するが、ピエゾ抵抗素子４０２及び４０４はひずみ発生が微小な箇所に配置されているので、抵抗Ｒg2及びＲg4の値は初期値と殆ど変化しない。これにより、ひずみεの大きさに応じてブリッジ電圧ｅ0が変化する。ゲージ率Ｋsは材料固有の値であり、ピエゾ抵抗素子の場合は５０程度である。
【００３６】
したがって、上式のうち入力電圧Ｅ及びゲージ率Ｋsは既知であるので、ひずみ測定対象箇所に配置されたピエゾ抵抗素子４０１（抵抗Ｒg1）及び４０３（抵抗Ｒg3）の各一方の端子４１１ａ、４１１ｃ間に電圧Ｅを印加したときに、ピエゾ抵抗素子４０１（抵抗Ｒg1）及び４０３（抵抗Ｒg3）の各他方の端子４１１ｂ、４１１ｄの間に出力されるブリッジ電圧ｅ0を測定することにより、上式に基づいてひずみεを測定することができる。また、ひずみ発生が微小な箇所に配置されたピエゾ抵抗素子４０２及び４０４を補償回路として用いてブリッジ回路を構成しているため、それらによりピエゾ抵抗素子４０１及び４０３の温度依存性が相殺される。
【００３７】
次に、本発明に係る構造物の亀裂発生検出システムに用いるひずみセンサの他の実施形態について説明する。
図１３は、ひずみセンサの他の実施形態の断面図を示す。同図において、ひずみセンサ５００を製造するため、まずＳＯＩ(Silicon On Insulator)基板のシリコン膜の上の表面シリコン層５０１の上に下部電極５０２、圧電薄膜５０３、上部電極５０４がこの順で積層されるとともに、下部電極５０２の所定位置と上部電極５０４の所定位置に電極パッド５０５、５０６が形成された積層構造体５１０が形成される。続いて、転写工程により、積層構造体５１０がＳＯＩ基板のシリコン膜から剥離されて、フレキシブル回路基板５１１の表面の配線５１２及び５１３が形成されていないスペースに接着層５１４により接着される。接着層５１４は例えばエポキシ樹脂をスクリーン印刷したものである。なお、一例として、フレキシブル回路基板５１１は５０μｍの厚さであり、接着層５１４は３０μｍの厚さであり、配線５１２及び５１３は１８μｍの厚さである。したがって、上記の構造全体は積層構造体５１０が極薄であるので、全体構造も極薄である。
【００３８】
その後、図１３に示すように、上部電極５０４に接続された電極パッド５０６の上面の一部、上部電極５０４の端部、圧電薄膜５０３の端部、下部電極５０２の端部、表面シリコン層５０１の端部、接着層５１４の端部及びフレキシブル回路基板５１１の表面の一部をそれぞれ覆うように、絶縁ペースト６０１が印刷・塗布されて電極パッド５０６の側面を保護する。続いて、電極パッド５０６の上面から絶縁ペースト６０１の表面を経由して配線５１２の一部に至るまでの範囲を被覆するように導電性ペースト６０２を印刷・塗布すると共に、下部電極５０２に接続された電極バッド５０５の端部から配線５１３までの範囲を被覆するように導電性ペースト６０３を印刷・塗布する。これにより、上部電極５０４と下部電極５０２とのショートを発生させることなく、上部電極５０４と配線５１２とを電気的に接続できると共に、下部電極５０２と配線５１３とを電気的に接続できる。このようにしてひずみセンサ５００が製造される。ひずみセンサ５００は、ひずみセンサ１〜１６のうち任意の一つのひずみセンサを構成している。
【００３９】
ひずみセンサ５００は、全体形状が扁平な直方体形状であり、長手方向上の両端の一方に電極パッド５０５側、他方に電極パッド５０６側がそれぞれ位置している。そして、ひずみセンサ５００に印加される、ひずみ発生に基づく応力がフレキシブル回路基板５１１を通して圧電薄膜５０３に伝搬し、その圧電薄膜５０３の圧電効果により印加応力に応じた電圧が発生し、電極パッド５０５及び５０６間の出力電圧の値が変化する。これにより、ひずみセンサ５００によりひずみ検出電圧が得られる。
【００４０】
なお、表面に複数個のひずみセンサ５００がアレイ状に形成されたひずみセンサアレイシートを製造するためには、例えば大面積で配線済みのフレキシブル回路基板５１１の上に、まず極薄の複数個の積層構造体５１０をそれぞれアレイ状に規則的に転写する。続いて、それら複数個の積層構造体５１０のそれぞれに対して、前述した絶縁ペースト６０１の印刷・塗布を一括して行う工程を経て、前述した導電性ペースト６０２及び６０３の印刷・塗布を一括して行う。このようにして、同じフレキシブル回路基板５１１上にアレイ状に配設された複数個のひずみセンサ５００からなるひずみセンサアレイシートが製造される。
【００４１】
その後、このひずみセンサアレイシートのフレキシブル回路基板５１１の裏面を被検出対象の構造物に貼り付け、複数個のひずみセンサ５００の各電極パッド５０５及び５０６間の出力電圧の値を測定することにより、構造物のひずみ分布を検出することができ、また前述したように複数のひずみ検出値の相対値に基づいて、ひずみセンサアレイシートの構造物への接着の状態によらず、亀裂の発生を正確に検知することができる。
【００４２】
なお、本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、例えば図１３のひずみセンサ５００では圧電薄膜５０３を有しているが、圧電薄膜５０３に代えて、磁性薄膜、ホール素子、熱電変換材料、あるいは赤外線検出素子などの他の機能性素子を設けてもよい。また、フレキシブル回路基板５１１に代えてフレキシブルでない回路基板を用いてもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１〜１６、４００、５００  ひずみセンサ
１００  亀裂発生検出システム
１０１  ひずみセンサアレイシート
１０２  測定装置
１１０  シート部材
１５０、２１１、２１２、２１３  亀裂進展方向
２００  構造物
２０１  第１の鋼材
２０１ａ  接合側端部
２０２  第２の鋼材
２０２ａ  接合側端部
２１０  接合部分
３００  荷重印加方向
４０１、４０２、４０３、４０４  ピエゾ抵抗素子
４１０  シリコン基板
４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃ、４１１ｄ  端子
４１２、４１３、４１４、４１５  配線
５０１  表面シリコン層
５０２  下部電極
５０３  圧電薄膜
５０４  上部電極
５０５、５０６  電極パッド
５１０  積層構造体
５１１  フレキシブル回路基板
５１２、５１３  配線
５１４  接着層
６０１  絶縁ペースト
６０２、６０３  導電性ペースト
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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