建造物品質モニタシステム、建造物品質モニタ方法、及びそれらに用いられる半導体集積回路装置
低コストで施工可能であると同時に永続的に建造物の品質をモニタできるシステム、モニタ方法、および、それ向けの半導体集積回路装置を提供するため、センサ（ＲＳ１、ＴＳ１、ＰＳ１）、マイクロプロセッサ（ＣＣＰＵ１）、メモリ（ＣＭＥＭ１）、無線インタフェース（ＣＲＦ１）、電源制御回路（ＰＣ１）、および、電力発生装置（ＢＣＨＩＰ１）を備えたモニタチップ（ＳＣ１）をコンクリートペースト作成時に混ぜ込む。モニタチップは、内蔵する電力発生装置を電源として、間欠的に、内蔵する温度センサ、電気抵抗センサ、圧力センサにて、コンクリートの養生時の温度管理は適切であったか、あるいは、コンクリートペーストの水分量、塩化物イオンの含有量は適切であったか、あるいは、コンクリート内部の応力状態に問題がないか、といった情報をモニタし、異常が観測された場合には、内蔵メモリＣＭＥＭ１に記憶する。収集された品質データは、外部の検査機ＲＣ１からのリクエストに応じて、無線にて送信される。検査機ＲＣ１は、送信されてきた品質データに基づいて、建造物の品質判定を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
本発明は、低コストで施工可能な建造物品質モニタ方法、モニタシステム、および、それらを実現するために必要なモニタシステム用半導体集積回路装置に関する。
【背景技術】
近年、トンネル等コンクリートで構成された建造物においてコンクリート剥落事故が問題となっており、コンクリート建造物の品質向上が強く求められてきている。このためには、低コストで建造物の品質診断を迅速に実現できる技術が必要不可欠である。このため、建造物の品質を非破壊で外部の検査機により半自動的に検査する方法が数多く提案されている。
一方、建造物作成時にあらかじめ各種センサを組み込んでおいて、センサにて常時、応力等の物理量を計測／監視して、建造物の品質をモニタする方法、あるいは、モニタするシステム装置も提案されている。これらのモニタシステムでは、原理的には、品質判定がほぼ自動的に行えるため、品質判定の手間の省力化が可能である。
これらのうち、例えば、非特許文献１（Ｐｒｏｃ．Ｓｅｃｏｎｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐｏｎ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｈｅａｌｔｈ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，１９９９，ｐｐ．５６〜６７）には、自身に加わる変形力を感知できる光ファイバセンサを建造物内に設置して、建造物をささえる鉄骨等に加わる応力等を常時モニタして、建造物の耐震性能の保証に活用しようとするアイデアが開示されている。
一方、特許文献１（特開２００２−３８７２３号公報）には、歪ゲージを鉄筋に敷設して、歪ゲージの電気抵抗を測定して、建造物の品質をリアルタイムにモニタするアイデアが開示されている。本文献の開示するところによれば、歪ゲージにより建造物内の応力を測定することが可能であり、モニタした結果をメンテナンス等に活用することが可能である。また、具体的な構成は記述されていないが、ｐＨセンサを具備することにより、建造物の劣化度合いの判定に利用する旨のアイデアも開示されている。
さらに、非特許文献２（日経エレクトロニクス２００２年６月１７日号、ｐｐ．３７）には、センサと無線をひとつの装置に一体化し、無線にて検知されたデータを外部の測定器その他に送信してモニタ可能なシステムが示されている。具体的には、低消費電力な小型無線モジュールと、加速度センサ等の振動を検知可能なセンサを一体化したモニタ装置にて、オフィスビル等の建造物の地震波に対する応答、すなわち、耐震性能を測定した例が紹介されている。
さらに、非特許文献３（ＩＥＥＥ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｊｕｌｙ ２０００，ｐｐ．４２〜４８）には、床、壁、人体等は微小ながらも常に振動しており、通常、〜ｍＷ／ｃｍ３のエネルギー密度を有している旨が開示されている。
また、非特許文献４（ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＶＥＲＹ ＬＡＲＧＥ ＳＣＡＬＥ ＩＮＴＥＧＲＡＴＵＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭＳ、ＶＯＬ．９、ＮＯ．１、ＦＥＢＲＵＡＲＹ ２００１、ｐｐ．６４〜ｐｐ．７５）には、非特許文献３で開示されている微小振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電力発生装置の構成が開示されている。
特許文献２（特開平１１−１２１７６６号公報）には、半導体プロセスで作成可能な圧力センサ（歪ゲージ抵抗式）の構成が開示されている。
さらに、特許文献３（特開２００１−９９７３４号公報）には、同様に半導体プロセスで作成可能な圧力センサ（静電容量式）の構成が開示されている。
さらに、非特許文献５（日経エレクトロニクス２００２年３月１１日号、ｐｐ．５５〜ｐｐ．６６）には、超広帯域な無線通信方式であるＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）技術について開示されている。本文献に開示されるように、ＵＷＢでは、超低消費電力で無線通信が可能である。また、高精度な位置検出や測距を実現可能である旨が開示されている。
さらに、非特許文献６（オーム社刊、「絵ときコンクリート」、ｐｐ．９５〜１１１）には、コンクリートの強度を決定する数々の要因が記載されている。特に、本文献には、コンクリート打ち込み後に水和反応が進行してコンクリートが強度発現するまでの管理期間（以下、「養生」と言う）がコンクリート強度に大きな影響を与えることが開示されている。具体的には、水和反応で生じる発熱が強度発現に悪影響を及ぼす旨の情報が開示されている。
また、非特許文献７（電力中央研究所１９９９年度年報、ｐｐ．９２〜９３）には、コンクリート中の鉄筋の腐食の進行度は、コンクリートで電気抵抗の値から推定できることが記されている。
さらに、非特許文献８（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｕａｔ．ａｃ．ｊｐ／〜ｍａｓａ／ｓｔｕｄｙ−ｊ．ｈｔｍｌ）には、コンクリートの電磁波の透過特性についての詳細が記述されている。
【特許文献１】 特開２００２−３８７２３号公報
【特許文献２】 特開平１１−１２１７６６号公報
【特許文献３】 特開２００１−９９７３４号公報
【非特許文献１】 Ｐｒｏｃ．Ｓｅｃｏｎｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐｏｎ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｈｅａｌｔｈ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，１９９９，ｐｐ．５６〜６７
【非特許文献２】 日経エレクトロニクス２００２年６月１７日号、ｐｐ．３７
【非特許文献３】 ＩＥＥＥ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｊｕｌｙ ２０００、ｐｐ．４２〜４８
【非特許文献４】 ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＶＥＲＹ ＬＡＲＧＥ ＳＣＡＬＥ ＩＮＴＥＧＲＡＴＵＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭＳ、ＶＯＬ．９、ＮＯ．１、ＦＥＢＲＵＡＲＹ ２００１、ｐｐ．６４〜ｐｐ．７５
【非特許文献５】 日経エレクトロニクス２００２年３月１１日号、ｐｐ．５５〜ｐｐ．６６
【非特許文献６】 オーム社刊、「絵ときコンクリート」、ｐｐ．９５〜１１１
【非特許文献７】 電力中央研究所１９９９年度年報、ｐｐ．９２〜９３
【非特許文献８】 ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｕａｔ．ａｃ．ｊｐ／〜ｍａｓａ／ｓｔｕｄｙ−ｊ．ｈｔｍｌ
【発明の開示】
非特許文献６に開示されるように、現代建造物の根幹をなすコンクリートの品質は、主に、▲１▼コンクリートペースト作成時のセメント／水混合比（水分が必要以上に多くないか）、▲２▼コンクリートペーストの骨材の品質（塩分を多く含んだ砂利を使用していないか）、▲３▼コンクリートペースト中の不純物（ゴミ等が混じってないか）、▲４▼施工品質（きちんと管理されて養生されているか）等で決定される。上述のトンネルコンクリート剥落事故では、塩分の多い海砂を大量に含み、しかも、コンクリート打ち込み時の効率を向上させるために、取り扱いが容易になるように水を大量に混合したコンクリートペーストを使用したことが一番の原因だと考えられている。つまり、不適切なコンクリートペーストが使用されたため、海砂に含まれる塩化物イオンが基礎の鉄骨を腐食させ、さらに、コンクリートペースト中の水分が抜けた部分が空隙となり、その結果、非常にもろい構造になってしまい、設計寿命よりも大幅に短い時間でコンクリートの崩落が始まったものと考えられている。
以上のように、コンクリート建造物は、コンクリート作成／打ち込み／養生時においてほぼその品質が決定されると言っても過言ではない。このため、コンクリート作成／打ち込み／養生時における品質管理／品質検査は非常に重要である。また、残念ながら不適切なコンクリートが使用されるケースが後を絶たない現状においては、コンクリートそのものの品質チェックも非常に重要である。
これに対して、特許文献１および非特許文献１〜２に開示されている建造物品質モニタシステムおよびモニタ方法では、基本的に建設済みの建造物に対してのモニタシステムあるいはモニタ方法であり、上記課題に対する有効な解決手段とはなり得ない。特に、不適切なコンクリートが打ち込まれたかどうかを、その場で直ちに検知することは不可能である。同様に、これらのモニタシステムあるいはモニタ方法では、応力や振動等が測定可能であるが、上記課題の▲１▼〜▲４▼については直接的に測定できない。このため、結局のところ、もし、不適切なコンクリートが建造時に使用されたとしても、それにより、例えば、建造時から１０年以上経過してしまってから、内部の鉄筋その他が極度に劣化して剥落や崩壊が始まってから、あるいは、始まる直前になってようやく不適切なコンクリート材料が使用されたことが検知できるに過ぎないという問題がある。
なお、特許文献１にはｐＨセンサを用いて建造物の品質を判定しようというアイデアも併記されている。本文献には具体的な構成の記述はないが、ｐＨセンサを使用すれば、基本的には上記課題の▲２▼を測定可能である。しかし、本文献のモニタシステムの場合、建造物が完成してから建造物に組み込んだセンサを測定器に接続してはじめて、測定ができるようになる。つまり、本文献に開示のモニタシステム及びモニタ方法も、コンクリート作成／打ち込み／養生時における品質管理／品質検査には用い得ないという問題がある。
さらに、これらのモニタシステムおよびモニタ方法では、非常に高価な光ファイバセンサ等のセンサが必要であるため、コストが高いという問題がある。また、建造物に敷設したセンサをケーブル（光ファイバあるいはメタルケーブル）で接続して設置する必要があるため、同様に施工コストが高くなるという問題がある。さらに、根本的な問題として、接続ケーブルが何らかの不注意などの原因で切断されてしまった場合には、モニタシステムが全く使用できなくなるという問題がある。
本発明の目的は、建造物の品質、寿命、劣化具合に最も大きな影響を与える、コンクリートペースト作成時からのコンクリート品質、言い換えると、不適切なコンクリートが使用されていないかをモニタして、建造物の品質その他を総合的にモニタする方法およびモニタシステムを提供することである。
さらに、本発明の他の目的は、上記モニタシステムを実現するために、電力発生装置、センサ、ＣＰＵ、メモリ、無線インタフェースを内蔵し、コンクリートペースト作成時からのコンクリートの品質を永続的にモニタすることが可能な半導体集積回路装置を提供することにある。
さらに、本発明の他の目的は、コンクリート作成、打ち込み、養生時における品質管理、品質検査が可能な建造物品質モニタシステム、建造物品質モニタ方法、及びそれらに用いられる半導体集積回路装置を提供することである。
さらに、本発明の他の目的は、光ファイバセンサ等の高価なセンサを用いることなく、コンクリート作成、打ち込み、養生時における品質管理、品質検査を安価に実現できる建造物品質モニタシステム、建造物品質モニタ方法、及びそれらに用いられる半導体集積回路装置を提供することである。
さらに、本発明の他の目的は、建造物にセンサを敷設し、それを光ファイバあるいはメタルケーブルなどのケーブルで接続する必要がなく、ケーブル切断による機能不全の心配のない建造物品質モニタシステム、建造物品質モニタ方法、及びそれらに用いられる半導体集積回路装置を提供することである。
本願によって開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。すなわち、半導体計測の対象となる物理量を検知するセンサ、典型的には、電気抵抗センサ（ＲＳ１）、温度センサ（ＴＳ１）、圧力センサ（ＰＳ１）および加速度センサ（ＡＳ１）と、前記センサにより検知した信号を増幅してディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路（ＡＤ１）と、前記ディジタル信号を処理するマイクロプロセッサ（ＣＣＰＵ１）と、前記センサにより得た情報を格納するメモリ（ＣＭＥＭ１）と、前記マイクロプロセッサにより処理した信号を外部へ無線にて送信する無線インタフェース回路（ＣＡＮＴ１）とアンテナ（ＣＡＮＴ１）、アンテナに接続された整流器（ＲＥＦ１）、および、前記センサ、前記Ａ／Ｄ変換回路、前記マイクロプロセッサ、前記メモリ、および、前記送信回路に電力を供給するかどうかを決定する電源制御回路（ＰＣ１）、電源制御回路のオンオフを決定する電荷監視回路（ＣＷ１）とタイマ回路（ＴＭ１）を搭載した第１の半導体集積回路（ＣＨＩＰ１）と、第１の半導体集積回路を搭載する第１の基板（ＢＯ１）に搭載されたコンデンサ（Ｃ１）、および、第１の電力発生用半導体集積回路（ＢＣＨＩＰ１）を具備する半導体集積回路装置（ＳＣ１）を、建造物（ＢＵＬ１）を構成するコンクリート（ＣＯＮ１）でできた壁／床等に、コンクリートペーストの段階から混ぜ込んで埋め込む。このようにして埋め込んだ半導体集積回路装置ＳＣ１により、内蔵する電力発生装置ＢＣＨＩＰ１が発電する微小な発電電力をコンデンサＣ１に蓄えて、あらかじめ設定された電荷量が蓄えられた時点で、内蔵するセンサ（ＲＳ１、ＴＳ１、ＰＳ１、ＡＳ１）、メモリＣＭＥＭ１、プロセッサＣＣＰＵ１、Ａ／Ｄ変換回路ＡＤ１を間欠的に起動して、コンクリート中の電気抵抗、温度、圧力等の物理量を検知する。さらに、プロセッサＣＣＰＵ１により、検知された信号の値が望ましい範囲内に収まっているかどうかを判断して、望ましくない場合には、メモリＣＭＥＭ１に記憶する。以上の検知動作をあらかじめ設定された適切な時間間隔で継続して、コンクリートの品質を監視する。このようにして測定された検知信号を、コンクリートの養生終了後に、無線通信にて検査機（ＲＣ１）にて読み出す。なお、この読み出し動作に先立って、検査機ＲＣ１内の無線インタフェース回路ＲＦ１から検査機ＲＣ１のアンテナＡＮＴ１を経由して、高周波にて、電力を前記半導体集積回路装置ＳＣ１に供給する。半導体集積回路装置ＳＣ１では、内蔵する整流器ＲＥＦ１にて、供給された高周波電力を直流電力に変換した後に、コンデンサＣ１に蓄えて、ＳＣ１内に搭載する無線インタフェース回路ＣＲＦ１を起動するための電源とする。このようにして、メモリＣＭＥＭ１内に記憶されているデータを、検査機に送信し、検査機にて品質判定プログラムＱＰＲ１により、建造物の品質を判定することを特徴とする建造物品質モニタシステムである。
本発明の建造物品質モニタ方法は、半導体集積回路装置ＳＣ１を建造物に組み込むステップと、半導体集積回路装置ＳＣ１に内蔵するセンサ（ＲＳ１、ＴＳ１、ＰＳ１、ＡＳ１）を動作させて検知動作を行うステップと、無線インタフェース回路ＣＲＦ１にてアンテナＣＡＮＴ１経由で検査機ＲＣ１に送信するステップと、検査機に送信された信号に基づき検査機によって建造物の品質判定を行うステップとを含むことを特徴とする。この建造物品質モニタ方法は、半導体集積回路装置ＳＣ１に設けられたメモリＣＭＥＭ１に検知信号を記憶するステップと、半導体集積回路装置ＳＣ１に設けられたメモリＣＭＥＭ１に保存された信号を取り出すステップとを更に含んでいてもよい。
また、本発明の半導体集積回路装置（ＳＣ１）は、電気抵抗センサ（ＲＳ１）、温度センサ（ＴＳ１）、圧力センサ（ＰＳ１）および加速度センサ（ＡＳ１）と、前記センサにより検知した信号を増幅してディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路（ＡＤ１）と、前記ディジタル信号を処理するマイクロプロセッサ（ＣＣＰＵ１）と、前記センサにより得た情報を格納するメモリ（ＣＭＥＭ１）と、前記マイクロプロセッサにより処理した信号を外部へ無線にて送信する無線インタフェース回路（ＣＡＮＴ１）とアンテナ（ＣＡＮＴ１）、アンテナに接続された整流器（ＲＥＦ１）、および、前記センサ、前記Ａ／Ｄ変換回路、前記マイクロプロセッサ、前記メモリ、および、前記送信回路に電力を供給するかどうかを決定する電源制御回路（ＰＣ１）、電源制御回路のオンオフを決定する電荷監視回路（ＣＷ１）とタイマ回路（ＴＭ１）を搭載した第１の半導体集積回路（ＣＨＩＰ１）と、第１の半導体集積回路を搭載する第１の基板（ＢＯ１）に搭載されたコンデンサ（Ｃ１）、および第１の電力発生用半導体集積回路（ＢＣＨＩＰ１）とを具備することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の建造物品質モニタシステムの望ましい一実施形態を示す図である。
図２は本発明の建造物品質モニタシステムにて使用するモニタチップの断面図である。
図３は本発明のモニタチップの詳細な構成を示した図である。
図４は本発明のモニタチップを組み込んだ建造物の作成方法および建造物品質モニタ方法を示した図である。
図５は本発明のモニタチップが搭載する電力発生用半導体集積回路の動作原理と、発電電力の回収回路の構成およびその動作を示した図である。
図６は本発明のモニタチップの一部をなす、電源制御回路、タイマ回路、電荷監視回路の構成図である。
図７は本発明の建造物品質モニタチップの動作の概要と送信されるデータの概略を示した図である。
図８は本発明のモニタチップの一部をなす、電気抵抗センサ、温度センサ、加速度センサ、圧力センサの構成を示した図である。
図９は本発明のモニタチップの一部をなす、選択機能付きＡ／Ｄ変換回路の構成図である。
図１０は本発明のモニタチップの一部をなす、無線インタフェース回路、整流回路の構成図である。
図１１はコンクリートの電磁波透過特性を示した図である。
図１２は、図１に示した本発明の建造物品質モニタシステム、モニタ方法において使用する品質検査機の動作の概要を示した図である。
図１３は、図１２の品質検査機にて内部処理に使用されるデータの構造の概略を示した図である。
図１４は、図１２に示した品質検査機の高周波送受信回路とそれによって実現されるモニタチップ位置の検出方法の原理を示した図である。
図１５は本発明のモニタシステムによるコンクリート内部の応力分布の算出方法とその原理を説明した図である。
図１６は実施例２で説明する、中継機による検知データの中継の概念と、中継機を利用した建造物品質モニタシステムの構成を示す図である。
図１７は本発明の第２の建造物品質モニタ方法を示した図である。
図１８は、図１７に示した本発明の第２の建造物品質モニタ方法に対応するモニタシステムの構成を示した図である。
図１９は実施例３で説明する、本発明のモニタチップの第２の構成例を示した図である。
図２０は実施例４で説明する、本発明の建造物品質モニタシステム、モニタ方法、および、モニタチップのその他の応用例を示した図である。
【発明を実施するための最良の形態】
以下、本発明の実施例につき、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図において、同一符号は同一または類似部分を示すものである。
【実施例１】
本発明の建造物品質モニタシステムの一実施例を図１に示す。図１に示すように、本発明の建造物品質モニタシステムは、本発明に特有な検査機（ＲＣ１）と、建造物（ＢＵＬ１）の壁や床を構成するコンクリート（ＣＯＮ１）に、後述するように、コンクリートペースト作成時に埋め込まれた、本発明に特有な半導体集積回路装置すなわちモニタチップ（ＳＣ１〜ＳＣ１０）から構成される。また、必要に応じて、建造物ＢＵＬ１内あるいはＢＵＬ１外部に設置された管理サーバー（ＳＶ１０）を併用することも可能である。なお、図１には１０個のモニタチップを使用する例を図示しているが、あくまでも説明のための例示であり、実使用時においてはこの限りではない。
本発明に特有な検査機（ＲＣ１）は、アンテナ（ＡＮＴ１）、無線通信インタフェース（ＲＦ１）、プロセッサ（ＣＰＵ１）、メモリ（ＭＥＭ１）、二次記憶装置（ＨＤＤ１）、表示装置（ＤＩＳＰ１）、ユーザーインタフェース装置（ＵＩ１）、および、ネットワークインタフェース（ＮＩ１）から構成される。このうち、二次記憶装置ＨＤＤ１は、典型的には、ハードディスク等で構成される。また、表示装置ＤＩＳＰ１はＣＲＴ等で、ユーザーインタフェース装置ＵＩ１は、キーボード／マウス等で構成される。
検査機ＲＣ１は、無線インタフェース／アンテナ経由で、コンクリートに埋め込まれたモニタチップと通信を行い、後述するように本発明のモニタチップ内のメモリに格納された、コンクリート品質に関する各種測定データを読み出す。検査機ＲＣ１では、受信した測定データを元に、二次記憶装置ＨＤＤ１あるいはメモリＭＥＭ１上に格納されている品質判定プログラム（ＱＰＲ１）に従って、コンクリート品質の判定を行う。本検査機では、ネットワークインタフェース（ＮＩ１）経由で、インターネット等に代表される広域ネットワーク網（ＷＡＮ１）を介して、管理サーバー（ＳＶ１０）と通信することが可能である。後述するように、品質判定の際に、ネットワーク経由で、管理サーバーＳＶ１０内のデータベースＤＢ１０に格納されている各種情報（例えば、検知されたデータとコンクリート品質との相関関係等）を参照して、より高精度な判定を行うことも可能である。
本発明に特有な管理サーバー（ＳＶ１０）は、ネットワークインタフェース（ＮＩ１０）、プロセッサ（ＣＰＵ１０）、メモリ（ＭＥＭ１０）、二次記憶装置等で構成されたデータベース（ＤＢ１０）から構成される。この管理サーバーＳＶ１０は、データベースＤＢ１０に、品質判定の際に必要となる各種情報（検知結果と品質との相関関係等）を保存しており、本発明の検査機ＲＣ１からのリクエストに応じて、ネットワーク経由で検査機に送信する。また、検査機から送られてきた検査結果をデータベースに保存／管理して、遠隔地にある建造物の品質状況を管理することも可能である。また、検査機ＲＣ１ではなく、本管理サーバー上のプロセッサＣＰＵ１０により、品質判定プログラムを走らせて、結果を検査機に送り返す、といったことも実現可能である。
図２に示すのは、本発明に特有なモニタチップ（ＳＣ１）の断面図である。さらに、図３の（ａ）に示すのは、本モニタチップＳＣ１の一方の主面（ＳＩＤＥ１）である。同様に、図３の（ｂ）に示すのは、図３の（ａ）とは逆の主面（ＳＩＤＥ２）である。これらの図に示されるように、本発明に特有なモニタチップ（ＳＣ１）は、第１の半導体集積回路（ＣＨＩＰ１）、第１の電力発生用半導体集積回路（ＢＣＨＩＰ１）、コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）、インダクタ（Ｌ１）、および、これらを搭載するための基板（ＢＯ１）から構成される。このうち、基板（ＢＯ１）には、これらの間を結線するための配線パターン、後述する無線インターフェース回路（ＣＲＦ１）で使用するアンテナ（ＣＡＮＴ１）パターン、および、後述する電気抵抗センサ回路（ＲＳ１）で使用する電気抵抗測定端子（ＲＴ１〜ＲＴ４、ＲＴ１Ａ〜ＲＴ４Ａ）のパターン等が、銅あるいは金等の金属で描かれている。これらについては、通常、ＭＣＰ（Ｍｕｌｔｉ Ｃｈｉｐ Ｐａｃｋａｇｅ）技術にて使用されているものと同様のもので構成されている。また、コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）および、インダクタ（Ｌ１）についても、通常のＭＣＰチップで使用されているものと同様のチップ形態のものが使用可能である。なお、コンデンサについては、図２に示すように、基板ＢＯ１を多層基板で形成して、そのうちのいくつかの層をペアで使用する、積層コンデンサ（Ｃ１Ａ、Ｃ２Ａ）を利用することも可能である。
さらに、図２に示されるように、第１の半導体集積回路（ＣＨＩＰ１）、および、第１の電力発生用半導体集積回路（ＢＣＨＩＰ１）は、本発明に特有な配置で基板（ＢＯ１）に搭載されている。すなわち、ＣＨＩＰ１、ＢＣＨＩＰ１は、基板上の同一面ではなく、それぞれ、第１の基版面（ＳＩＤＥ１）、および、第２の基版面（ＳＩＤＥ２）に搭載されている。
また、図２に示すように、これらの半導体集積回路、コンデンサ、インダクタ、および、基板は、エポキシ樹脂等のモールド材（ＭＯ１）で覆われており耐水性および耐久性を有する。これらのモールドは、通常のＭＣＰと同様のものが使用可能であるが、本発明のモニタチップでは、後述するようにコンクリートペーストに混ぜ込んで、最終的にはコンクリート壁あるいは床等に一体化して埋め込むため、通常の半導体集積回路作成時よりも厚くモールドする必要がある。さらに、モールド内部の、ＣＨＩＰ１の上面に、第１の半導体集積回路に搭載する圧力センサ（ＰＳ１）がコンクリート内部の加わっている圧力を検知できるようにするために、外部からの圧力を多少緩和しつつも内部に伝達可能な材質のモールド材ＢＦ１により、本発明に特有な圧力窓（ＰＷＩＮ１）を設置する点に特徴がある。
これらの半導体集積回路（ＣＨＩＰ１、ＢＣＨＩＰ１）から構成された本発明のモニタチップ（ＳＣ１）では、後述するように、電力発生装置、電気抵抗などの各種センサ、メモリ、ＣＰＵ、無線インタフェース回路を１チップに集積している。このため、コンクリートペースト作成時からのコンクリート品質を永続的にモニタすることが可能であり、これまで実現不可能であった、「コンクリート建造物の品質を決定する、コンクリートペースト作成時からのコンクリートの品質のモニタ」が可能となる。
図４に示すのは、このようなコンクリートペースト作成時からの品質モニタリングを可能とする、本発明に特有な建造物建設方法および品質モニタ方法を示した図である。この図４に示されるように、本発明に特有な方法として、骨材ＡＧ１、セメントＣＥ１、水ＷＡ１で構成される通常のコンクリート原料の他に、本発明に特有なモニタチップＳＣを、コンクリート作成時Ｐ１００から混ぜ込む。後ほど詳細に説明するが、本発明のモニタチップでは、内蔵する電力発生装置、センサ（電気抵抗、温度他）、ＣＰＵ、メモリにより、外から電源を加えることなしに、例えば、電気抵抗センサにより、コンクリート中の水分量や、塩化物イオン量を測定して、あらかじめ設定されている許容値内であるかを永続的にモニタすることが可能である。さらに、内蔵する無線インタフェース回路を使用して、検査機ＲＣ１に無線通信で、モニタされた水分量、塩化物イオン等の値を送信可能である。
図４に示す本発明の建造物品質モニタ方法では、以上で説明したこれらの本発明のモニタチップに特有な機能を建造物品質モニタに活用する。すなわち、コンクリートペースト作成とリンクさせて、モニタチップでは、検知動作を開始し、測定された水分量その他の異常値をメモリに記憶する（Ｐ２１０）。さらに、モニタチップ内蔵の温度センサ（ＴＳ１）により、コンクリート養生時の温度変化が、あらかじめ設定した許容範囲内に収まっているかをモニタし、もし、許容範囲に収まっていない、異常な温度条件の場合には、同様にして異常値をモニタチップのメモリ（ＣＭＥＭ１）に記憶する。次に、養生終了後、検査機ＲＣ１にてコンクリートの品質検査（Ｐ１２０）を行う。この検査の際には、検査機からのリクエストに応じて、モニタチップのメモリ内のデータが読み出されて（Ｐ２２０）、コンクリート作成時の水分量や塩化物イオン濃度が適切であったか、あるいは、養生時の温度管理は適切であったか等の判定が行われる。この際に、もし不適切な品質のコンクリートが使われていたり、養生管理が不十分であったりした場合には、即座に検知可能であり、該当不具合箇所の補強工ことあるいは最悪の場合には部分的／全面的建て直し（Ｐ１２５）を、早期に行うことが可能である。つまり、トンネルコンクリート剥落事故で問題となったような、不適切なコンクリートの使用を、数１０年もの長い期間を放置したまま使用しなくとも、建築終了時の検査時に即座に検知可能である。このように、本発明に特有なモニタシステム、モニタ方法、および、モニタチップを使用することにより、従来には実現不可能であった、建造物作成時からの品質モニタが可能となり、その結果、高品質の建造物が実現される。
以上は、建造物作成時の品質モニタであったが、図４に示すように、本発明では、従来技術と同様に、建造物が完成してからの、いわゆる経年変化あるいは劣化をモニタすることも可能である。例えば、何年かの割合で、検査機ＲＣ１を建造物内に導入して、建設時と同様の検査を行う（Ｐ１４０）。建造物のコンクリート内部に埋め込まれたモニタチップは、この期間中も、後ほど詳しく説明するように内蔵する電力発生装置にて建造物の微小振動をエネルギー源として発電して、検知動作を続けており、例えば、コンクリートにひびが生じて内部雨水が浸透してきたか等を検知可能である。さらに、個々のモニタチップにより、内蔵する圧力センサで測定されたコンクリート内部の圧力を検査機にて集計することにより、建造物内の内部応力分布が検出可能であり、応力疲労していないか等の診断が可能となる。
本発明のモニタチップは、大量生産可能な半導体プロセスにて作成可能である。また、従来技術の項で説明したような高価な光ファイバセンサは不要である。さらに、本発明では、コンクリート作成時にて他の原料と同じように扱って混ぜ込んで施工することが可能である。このため、極めて安価な追加コストにて施工することが可能である。このように、従来技術では実現不可能であった品質モニタシステムが実現できるのみならず、従来のモニタシステム／方法でも実現可能なモニタ項目についても、非常に安価な代替手段を提供可能である。
以上が本発明のモニタシステム／モニタ方法／モニタチップの概要であるが、以下、本発明の根幹をなすモニタチップの詳細について説明する。図３に示されるように、第１の半導体集積回路（ＣＨＩＰ１）は、マイクロプロセッサ（ＣＣＰＵ１）、メモリ（ＣＭＥＭ１）、無線インタフェース回路（ＣＲＦ１）、アンテナ（ＣＡＮＴ１）、および、アンテナ経由で外部から照射された高周波電力を直流電力に変換する整流回路（ＲＥＦ１）、温度センサ（ＴＳ１）、加速度センサ（ＡＳ１）、圧力センサ（ＰＳ１）、電気抵抗センサ（ＲＳ１）等で構成されるセンサ回路、センサからのアナログ信号をディジタル量に変換するＡ／Ｄ変換回路（ＡＤ１）、上記ＣＣＰＵ１、ＣＭＥＭ１、ＣＲＦ１、ＴＳ１、ＡＳ１、ＰＳ１、ＲＳ１、ＡＤ１への電源供給を制御する電源制御回路（ＰＣ１）、ＰＣ１のオン／オフを制御するタイマ回路（ＴＭ１）、および、基板ＢＯ１上に設置されたコンデンサＣ１に蓄積された電荷量および外部から高周波電力が照射されているかを監視する電荷監視回路（ＣＷ１）から構成される。
マイクロプロセッサＣＣＰＵ１は、メモリＣＭＥＭ１上に格納されたプログラム（ＰＲ１）に従って、チップ上の各回路の動作モードを設定して制御して、各センサを駆動してコンクリートの品質をモニタする。また、後述するように、検知されたデータを圧縮する、あるいは、ＩＤ情報を付加する等の加工を行った後に、上記無線インタフェース回路ＣＲＦ１経由で、無線にて外部に送信する。
メモリＣＭＥＭ１は、プログラムＰＲ１の以外にも、例えば、センサからの異常なデータが取得された際のデータや、マイクロプロセッサＣＣＰＵ１における動作モードのパラメータ等の情報を保持する。メモリＣＭＥＭ１は、典型的には、低消費電力でデータ保持可能なＳＲＡＭや、電源供給オフ時でもメモリ内容が保持されるＮＯＲ型あるいはＡＮＤ型等のフラッシュメモリ等で構成される。しかし、低消費電力でメモリ内容が保持できれば、他のタイプのメモリも使用可能であることは言うまでもない。
第１の電力発生用半導体集積回路（ＢＣＨＩＰ１）は、微弱な外部振動を電気エネルギーに変換する小型の電力発生装置である。床、壁等の微小振動エネルギーを利用すれば、１０μＷ程度の発電が可能となる。以下、電力発生用半導体集積回路の動作を具体的に説明する。
電力発生用半導体集積回路ＢＣＨＩＰ１は、外部の振動により静電容量が変化する可変容量コンデンサ（ＣＭ１）、および、電力回収回路（ＰＣ２）から構成される。電力回収回路ＰＣ２は、可変容量コンデンサＣＭ１により外部振動の力学エネルギーから変換された電気エネルギーを回収して、基板ＢＯ１上のコンデンサＣ１を充電するように機能する。可変容量コンデンサＣＭ１は、通常、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）プロセスによりシリコンチップ上に微細構造で構成される。具体的には、図３（ｂ）に示すように、２つの固定電極（ＳＴ１、ＳＴ２）、および、可動電極（ＶＴ１）から構成される。このうち、可動電極（ＶＴ１）はアンカー（ＰＮ１〜４）以外のどこにも固定されておらず、ＢＣＨＩＰ１上に浮いている。このため、ＢＣＨＩＰ１がある加速度を持って振動等の運動をすると、これにより発生する慣性力により、２つの固定電極（ＳＴ１、ＳＴ２）間を振動する。この振動により、これらの電極間の距離が変わり、可変容量コンデンサＣＭ１の静電容量が変化する。
図５の（ａ）に示すのは、この可変容量コンデンサＣＭ１の電荷Ｑを一定にした時に、外部振動によりＣＭ１の静電容量がＣｍｉｎ→Ｃｍａｘと変化した場合の電圧Ｖと静電エネルギーの変化を示した図である。このように、外部振動により静電容量が変化する結果、蓄えられる静電エネルギーが増加する。そして、この静電エネルギーの増加分を回収することにより、小型の電力発生装置としての機能を発揮する。
ＢＣＨＩＰ１に形成する電力回収回路の一実施例を図５の（ｂ）に示す。電力発生装置は、従来のものと同様の構成を用いることができる。可変容量コンデンサＣＭ１の他に、コンデンサＣ２、インダクタＬ１、および、整流器Ｄ３、ＰＭＯＳトランジスタＴＰ１、ＮＭＯＳトランジスタＴＮ１、これらのトランジスタのオン／オフのタイミングを制御するドライブ回路（ＰＤＲ１）から構成された電力回収回路（ＰＣ２）から構成される。ドライブ回路ＰＤＲ１は、外部振動による可変容量ＣＭ１の静電容量の変化に応じて、図５の（ｃ）に示すタイミング（Ｔ１〜Ｔ５）で、ＴＮ１および、ＴＰ１のオン／オフを制御する。電力回収回路は本発明の特徴部分ではないため、ここでは説明を省略する。発生した電力については、最終的には、整流器Ｄ３を経て、ＶＤＤ１ラインに供給され、第１の半導体集積回路ＣＨＩＰ１の電源制御回路ＰＣ１に接続されたコンデンサＣ１に充電される。
可変容量コンデンサＣＭ１は、基本的には、半導体プロセスとコンパチブルなＭＥＭＳプロセスで作成可能である。このため、１つの半導体集積回路に混載することも可能である。しかし、図５の（ａ）に示されるように、取り出される電気エネルギーは、コンデンサＣＭ１の静電容量（最大容量Ｃｍａｘと最小容量Ｃｍｉｎの差）、および、初期電荷Ｑの２つの値に依存する。すなわち、コンデンサＣＭ１の静電容量が大きいほど、また、初期電荷Ｑが大きいほど、大きな電気エネルギーを取り出すことができる。このため、静電容量は大きいものの方が好適であり、通常、数１００ｐＦ程度のものが必要とされる。静電容量を大きくするには、図３の（ｂ）に示すＣＭ１の面積を大きくするほかに、櫛状に形成された電極間の溝の深さを深くする必要がある。このため、１ｃｍ×１ｃｍ×０．５ｍｍ（深さ）程度のサイズのものが必要とされる。
なお、この溝はエッチングにより形成されるが、通常の半導体集積回路では、０．５ｍｍエッチングは必要とされない。しかし、発電効率の点から考えると、溝は深ければ深いほど好ましい。一方、半導体集積回路を作成する際のコストを考えると、コンデンサＣＭ１の面積は小さければ小さいほうが好ましい。また、エッチングで削る溝も、それほど深くないほうがより好ましい。
この相反する問題を解決するため、本発明のモニタチップでは、図３に示すように、可変容量コンデンサＣＭ１および電力回収回路と、それ以外の回路を別々の半導体集積回路で構成する。このような２チップのセパレート構成により、それぞれのチップに特化した専用プロセスにて作成することが可能となり、溝の深さも任意に形成できる。さらに、本発明に特有な構成として、これらのチップを、ＭＣＰ構成で基板の裏表両面（ＳＩＤＥ１、ＳＩＤＥ２）に搭載する。このような構成により、可変容量コンデンサＣＭ１の面積を、センサチップと同程度のサイズにまで大きくすることができるため、大容量のものが実現可能となる。さらに、図３に示すように、基板ＢＯ１の他のエリアに電力回収回路として必須となる、コンデンサＣ２、インダクタＬ１、また、無線インタフェースに必要となるアンテナＣＡＮＴ１等を、基板上に搭載するか、または、配線パターンとして形成できる。つまり、本発明に特有な図３の構成により、ほぼ通常のＩＣチップサイズの大きさ（〜１ｃｍ角以下）に、電力発生装置、センサ、ＣＰＵ、ＲＦを集積したセンサシステムが実現可能となる。この結果、超小型な自律動作可能なモニタチップを実現することができる。
以上のように、本発明のモニタチップにおいては、自律的に電源を得ることが可能である。しかし、従来の技術では、１ｃｍ角程度のサイズでは、発電電力は１０μＷ程度に限られている。一方、ＣＭＯＳプロセスで作成された半導体集積回路では、マイクロプロセッサ、メモリ（特にＳＲＡＭ）は、クロック周波数を１００ＫＨｚ程度に下げることにより、消費電力を１０μＷ程度にまで押さえることが可能である。本実施例の場合、マイクロプロセッサが受け持つ一番重い処理は、データを圧縮してメモリに格納する程度の作業であり、１００ＫＨｚ程度のクロック周波数でも十分処理可能である。例えば、クロック周波数を１００ＫＨｚに設定したとしても、１秒間に１０万サイクル命令を実行可能であり、１ミリ秒間に限ってみても、１００命令程度を実行可能である。このため、上記発電チップにより電源を供給してプロセッサ、メモリその他を動作させることが可能である。
しかし、１０μＷ程度の発電電力では、ＣＨＩＰ１上の各種センサを同時に駆動することは難しい。さらに、無線で外部と通信を行うには、例えば、ＵＷＢなど超低消費電力無線インタフェースでも、１００μＷ程度の電力が必要とされている。
この問題を解決するために、本発明では、コンデンサＣ１、タイマＴＭ１、スイッチトランジスタＴＰ２、電荷監視回路ＣＷ１、整流回路ＲＥＦ１および、電源制御回路ＰＣ１から構成された低消費電力動作方式を採用する。この低消費電力動作方式をより具体的に示したのが、図６の（ａ）に示す図である。すなわち、通常は、電力発生用半導体集積回路ＢＣＨＩＰ１から発電される電力は、ＣＨＩＰ１の各回路には供給せず、その代わりにコンデンサＣ１に発電電力を蓄える。タイマＴＭ１により設定された時間間隔が経過したと判断された場合、あるいは、電荷監視回路ＣＷ１が十分な電力が蓄えられたと判断した場合のみに、電源制御回路ＰＣ１内のスイッチトランジスタＴＰ２を導通させ、オンチップのセンサ等の他の回路に電力を供給して間欠的に検知動作を行い、必要に応じて検知結果をメモリＣＭＥＭ１に格納する。
既に説明したように、本発明のモニタチップでは、検査機に無線にて検知されたデータを送信する必要があり、最低でも数１００μＷの電力が必要である。このため、本発明では、図３の（ａ）に図示されるように、アンテナＣＡＮＴ１にて検査機ＲＣ１から照射された高周波電力を受信して、整流器ＲＥＦ１にて直流電力に変換してコンデンサＣ１に蓄えて、検知されたデータの無線送信の電源とする。このように、
▲１▼ 検知動作は内蔵する発電装置からの電力にて賄う
▲２▼ 検知データの無線送信は、検査機から供給される高周波電力で賄う、
というハイブリット方式を採用することにより、外部からの電源供給なしに、永続的に建造物の品質をモニタして、検査機からのリクエストに応じてデータを送信することが可能となる。
図６の（ｂ）に示すのは、上記電源制御において使用する、本発明に特有な電源制御回路ＰＣ１、電荷監視回路ＣＷ１、および、タイマＴＭ１の具体的な構成例である。この図に示すように、電源制御回路ＰＣ１は、制御論理回路ＰＧ１〜ＰＧ３、スイッチトランジスタＴＰ２から構成される。電荷監視回路ＣＷ１あるいはタイマＴＭ１からの信号ＥＰ１、および、ＥＰ３がハイレベルの場合、あるいは、電荷監視回路からの検査機にて高周波電力が供給されていると判断された場合に、制御論理ＰＧ３の出力がローレベルとなり、スイッチトランジスタＴＰ２が導通状態となり、ＶＤＤ２ラインに電源が供給される。その結果、ＶＤＤ２から電源を供給されている、メモリＣＭＥＭ１、無線インタフェース回路ＣＲＦ１、Ａ／Ｄ変換回路ＡＤ１、センサその他の回路が起動する。なお、この図６の（ｂ）には、昇降圧レギュレータ（ＲＧ１）を記載しているが、本発明に独自のものではないので、ここでは説明は省略する。
電荷監視回路ＣＷ１は、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、基準電圧発生回路ＶＲＥＦ１、ＶＲＥＦ２、電圧比較回路ＣＯＭＰ１、ＣＯＭＰ２、および、バスＣＢＵ１経由にてＣＣＰＵ１に制御されるバスインタフェースＣＷＩ１から構成される。このうち、ＣＯＭＰ１、Ｒ１、Ｒ２、ＶＲＥＦ１にてコンデンサＣ１の電荷、つまり、第１の電源ラインＶＤＤ１の電圧が監視される。つまり、以下の式（１）で与えられるしきい値電圧Ｖｔ１と比較し、ＶＤＤ１＞Ｖｔ１の場合に、出力ＥＰ１をハイレベルにプルアップする。
Ｖｔ１ ＝ ＶＲ０・（１＋Ｒ１／Ｒ２） （１）
同様に、残りのＣＯＭＰ２、Ｒ３、Ｒ４、ＶＲＥＦ２において、整流回路（ＲＥＦ１）からの信号のＶＲＦを監視することにより、外部の検査機より高周波電力が照射されて検知データの送信がリクエストされているのかを判定する。すなわち、式（２）で与えられるしきい値電圧Ｖｔ２と比較し、ＶＲＦ＞Ｖｔ２の場合に、出力ＥＰ２をハイレベルにプルアップする。
Ｖｔ２ ＝ ＶＲ１・（１＋Ｒ３／Ｒ４） （２）
なお、基準電圧ＶＲ０、ＶＲ１の電圧値は、バスインタフェースＣＷＩＦ１経由で、ＣＣＰＵ１から変更することも可能である。また、ＣＷＩ１に内レジスタにはＶＲＦが設定値以上なったかどうかを格納して、ＣＣＰＵ１がバス経由でレジスタ内容を読み出すことにより、検査機ＲＣ１からリクエストがあったかどうかを確認することが可能である。
なお、ＶＲＥＦ１、ＶＲＥＦ２、ＣＯＭＰ１、ＣＯＭＰ２については、常時給電されるため、例えば、抵抗Ｒ１〜Ｒ４には、高抵抗（数１０ＭΩ以上）等で設計することが望ましい。これらについては、ＣＭＯＳプロセスで形成されるのが一般的である。
タイマＴＭ１は、発振回路ＯＳＣ１、プリセットカウンタＣＯＵＮＴ１、ＣＯＵＮＴ１のプリセット値を保持するレジスタＲＥＧ１、電荷監視回路ＣＷ１が規定電圧になるまでのカウント値を保持するレジスタＲＥＧ２、および、ＣＣＰＵ１とのバスインタフェースＴＩＦ１で構成される。プリセットカウンタＣＯＵＮＴ１は、レジスタＲＥＧ１に設定されたプリセット値までカウントアップし、出力ＥＰ３にハイレベルの信号を出力する。このレジスタＲＥＧ１、ＲＥＧ２の内容は、バスインタフェースＴＩＦ１経由で、ＣＣＰＵ１から書き込みあるいは読み出しが可能である。なお、これらのレジスタの値は、後述する図７に示すルーチンＰ３３０において設定される。これらの各回路は本発明特有なものではないので、ここでは詳細については説明を省略する。なお、このタイマ回路も常時通電されるため、低電力化が必要である。低電力化には、発振回路ＯＳＣ１の発振周波数を低く設定するのが好適である。典型的には、３２ＫＨｚ程度に設定することにより、タイマＴＭ１の消費電流を、１μＡ以下に抑えることができる。
以上のＰＣ１、ＣＷ１、ＴＭ１により、半導体集積回路ＣＨＩＰ１の他の大部分の回路は、通常は動作しておらず、短い時間のみ通電して間欠的に検知動作を行い、また、外部の検査機より高周波電力が送信された場合のみ、検査機にデータを送信するという、本発明に特有な動作方式が実現される。このような間欠動作により、前述した電力の問題も解決可能である。例えば、コンデンサＣ１には、典型的には１μＦ程度のものが使用可能であり、１Ｖまで充電したとすると、１μＣの電荷が蓄えることが可能である。言い換えると、このコンデンサを電源にして、１ｍＡを１秒間取り出せる。つまり、１ｍＷ程度の消費電力の回路を動作させることが可能である。一方、発電チップの発電電力を１０μＷ（〜電圧１Ｖ）とすると、１μＣの電荷を充電するには、以下の計算式（３）に基づく時間がかかる。
１μＣ／（０．０１／１ｍＡ）＝１０００ミリ秒 （３）
余裕を見て充電に２秒かかってとしても、１０秒間に５回程度、チップを駆動して、１ｍＷの消費電力でセンサ回路を駆動することが可能である。本実施例のように、建造物品質モニタに使用する場合は、モニタリングの時間間隔は、最短でも１時間に１回程度も取れれば充分である。コンクリートの養生に必要とされる時間は１ヶ月程度であることが知られている。このため、本発明のように数秒間隔で間欠的にモニタ動作を行ったとしても、実用上何の支障も来たさない。さらに、既にＩＣカード等において実用化されているように、外部から高周波を照射して、数ｍＷ程度の電力を持続的に供給できることが実証されている。このように、本発明のセンサチップでは、本発明に特有な電源制御回路により、ＭＥＭＳプロセスで作成された超小型電力発生装置から、あるいは、アンテナ経由で外部の検査機より高周波で給電する、というハイブリットな電力供給方式が可能であり、電池なしで自律的に建造物の品質モニタを行って検査機へと無線にて送信することが実現できる。
図７の（ａ）に示すのは、上記電力制御方式に従って実現される本発明のモニタチップの動作フロチャートである。この図に示されるように、ＣＣＰＵ１は常時スリープ状態Ｐ３１０にある。タイマＴＭ１あるいは電荷監視回路ＣＷ１からの割り込みによりＰ３２０以降の動作状態に遷移する。動作状態においては、メモリＣＭＥＭ１に格納されたプログラムあるいは動作パラメータに従って以降の動作を決定する。例えば、動作パラメータがデータの検知ならば、データ検知ルーチンＰ３４０を呼び出し、センサ駆動／サブルーチンＰ３４１、データ取り出し／加工（圧縮等）サブルーチンＰ３４２、データ判定サブルーチンＰ３４３を順次実行し、センサからデータを取得し、あらかじめ設定した範囲内のデータであるかないか等の判定を行い、異常値の場合には、メモリにデータを書き込む。一方、電荷監視回路ＣＷ１で外部の検査機から高周波電力が照射されていることが検出されて、検知データの送信がリクエストされているものと判断された場合には、データ送信ルーチンＰ３５０を呼び出し、データ読み出しサブルーチンＰ３５１によりメモリに格納されたデータを読み出し、必要に応じて、識別子生成サブルーチンＰ３５２、パケット生成サブルーチンＰ３５３、圧縮／変調サブルーチンＰ３５４、パケット送信サブルーチンＰ３５５を順次実行し、データを送信する。
送信されるデータは、図７の（ｂ）のａ行に示すように、識別子（ＰＳＩ１）＋データ（ＰＤＡ１）から構成されたパケット（ＳＰＡＴ１）形式で送信される。このように、送信データに識別子を付加することにより、例えば、本発明のモニタチップが、複数同時に使用された場合においても、検査機ＲＣ１側で、どのモニタチップから来たデータなのかの判別が可能になる。識別子ＰＳＩ１には、典型的には、半導体集積回路ＣＨＩＰ１の出荷時において、メモリＣＭＥＭ１の不揮発メモリ部分に書き込まれた固有のＩＤ等チップ固有の情報を使用可能である。さらに、図７の（ｂ）のｂ行に示すように、識別子ＰＳＩ１の他にも、例えば、この情報がモニタチップのどのセンサからの情報なのかの識別情報（センサ種別、ＰＳＩ２）を付加することも可能である。また、動作モード設定ルーチンＰ３２０においては、電荷監視回路ＣＷ１の充電状態を記録したレジスタＣＲ１の読み出し、あるいは、タイマＴＭ１の時間間隔設定レジスタＴＲ１の書き込みを行う。このようにすることにより、電力発生用半導体集積装置ＢＣＨＩＰ１の発電状況に合わせた動作設定が可能である。
図８に示すのは、本発明のモニタチップの第１の半導体集積回路上に作成される各種センサの構成である。以下、各センサの構成を説明する。
図８の（ａ）は、電気抵抗センサＲＳ１の構成例である。定電流源ＣＳ１、増幅器Ａ１により、外部に設けられた電極ＲＴ１、ＲＴ２、ＲＴ３、ＲＴ４間の電圧降下を測定する。定電流源ＣＳ１に設定されている電流値で測定された電圧降下を除算することにより、この２つの電極間の電気抵抗／インピーダンスを測定することが可能である。なお、この図に示しているのは、電気抵抗センサの構成の一例であり他の構成のセンサも使用可能であることは言うまでもない（以下のセンサでも同様）。
本電気抵抗センサにより、コンクリート中の電気抵抗が測定可能であり、これに基づきコンクリートの腐食度が測定可能である。さらに、コンクリート中の水分や塩分（塩化物イオン）は電気伝導性があるため、例えば、図４に示すフロチャートのＰ２１０以降において、コンクリートペースト作成時から本モニタチップを混ぜ込んで電気抵抗を測定することにより、コンクリートペーストの水分量が多すぎないか、あるいは、塩化物イオン等の不適切な材料が使用されていないか等が測定可能である。さらに上述した図７に示す本モニタチップの動作プログラムを適切に設定して、混ぜ込まれた時点からの異常値をメモリに記憶しておけば、後日、検査機にて読み取ることにより、作成時に不適切なコンクリートが使用されたかどうか検知可能である。
図８の（ｂ）に示すのは、本発明のモニタチップで使用される温度センサの構成例である。この図に示されるように、本温度センサは、ダイオードＤ４、Ｄ５、それぞれ違う電流値に設定された定電流回路ＣＳ２、ＣＳ３、増幅器Ａ２から構成される。この方式の温度センサは本発明に特有のものではないのでここでは詳細な説明は省略する。本センサチップは非常に小型（典型的には、５ｍｍ角以下）であり、チップ自身の熱容量は、例えばコンクリート壁や床と比べると無視できる値である。さらに、本センサチップは非常に低消費電力であるため、チップ自身の発熱は無視できる。このため、図１に示す形態でコンクリート中に埋め込めば、本温度センサにより、コンクリート温度を正確に測定することが可能である。
本温度センサにより、例えば、コンクリート打ち込み後の養生中の温度変化をモニタしてメモリ内に記憶することが可能となる。上述した電気抵抗センサと同様に、後日、検査機にて養生中の温度変化を読み取ることが可能である。つまり、これまでは実現不可能であったが、本モニタチップを使用することにより、コンクリートの強度発現には重要な役割を果たす養生期間中に不適切な管理がなされていなかったかどうか等が検出可能となる。
図８の（ｃ）に示すのは、加速度センサＡＳ１の構成例である。本加速度センサは、ＭＥＭＳプロセスで作成された可変容量コンデンサＣＡＳ１〜ＣＡＳ４、および、差動増幅器Ａ３から構成される。この可変容量コンデンサは、前述した電力発生用半導体集積回路ＢＣＨＩＰ１上に構成される発電用コンデンサＣＭ１と、基本的には同じ構造である。図３の（ｂ）に示すＣＭ１と同様に、加速度により生じた慣性力により、可動電極と固定電極間の距離が変わることによりＣＡＳ１〜ＣＡＳ４の静電容量が変化する。例えば、図８の（ｃ）で、紙面の上から下へ向かう方向で加速度が生じたとすると、可動電極ＶＴ２および、ＶＴ３は、紙面上方へ移動する。このため、ＣＡＳ１および、ＣＡＳ３の静電容量は増加し、ＣＡＳ２および、ＣＡＳ４の静電容量は減少する。したがって、Ｂ１の電位は上昇するが、逆に、Ｂ２の電位は下降することになる。この結果、差動増幅器Ａ２の出力電位は上昇し、加速度が加わったことが検出できる。このように、電力発生用半導体集積回路ＢＣＨＩＰ１で使用する可変容量コンデンサＣＭ１とは違い、本加速度センサでは容量の変化の相対値が重要であるので、大きな容量は必要とされない。このため、プロセッサその他の回路と同一の半導体集積回路上に集積可能である。なお、検出される電位差は、加えられた加速度に対して必ずしも線形とは限らない。このため、例えば、後述するＡ／Ｄ変換回路経由でマイクロプロセッサＣＣＰＵ１に読み込んだ後に、ＣＣＰＵ１でソフトウェア的に補正する必要がある。このような場合には、メモリＣＭＥＭ１に補正テーブルを格納しておくことが好適である。
本加速度センサを使用することにより、例えば、加速度のＤＣ成分をＣＣＰＵ１にて分離することにより、重力方向が検出可能である。さらに、９０度で直交する方向（ＸＹ方向）に２個使用して、さらに、チップの上下方向にも形成することにより、三次元の加速度がわかる。つまり、本モニタチップがどのような角度でコンクリート（壁、床）内部に設置されているかがを把握することが可能となる。これは、後述するようにコンクリート内部に加わる応力分布の算定の際に必要な情報である。
図８の（ｄ）および（ｅ）に示すのは、圧力センサＰＳ１の構成例である。このうち、図８の（ｄ）に示すのは、静電容量式の圧力センサの構成例であり、基準電圧発生回路ＶＲ３、アナログスイッチＡＳＷ１、ＡＳＷ２、増幅器Ａ４、積分コンデンサＣＦ１、感圧コンデンサＣＳ１、および、基準コンデンサＣＲ１から構成される。感圧コンデンサＣＳ１は、図８の（ｄ）の右側に示されるように半導体集積回路基板ＳＢ１上に、ＭＥＭＳ等の微細加工技術により、内部に中空ギャップ（ＧＡＰ１）を形成された、圧力により撓むダイヤフラムＤＡ１、および、中空ギャップＧＡＰ１の両側に形成された対向電極ＥＬ１、ＥＬ２により形成される。本圧力センサは、従来のものと基本的には同じ構造であるため、ここでは、動作の詳細な説明は省略する。なお、このような回路構成により、原理的には、圧力に線形に比例した電圧が増幅器Ａ４の出力にて得られるようにすることが可能である。
一方、図８の（ｅ）に示すのは、半導体歪ゲージ式の圧力センサの構成例である。半導体集積回路の基板ＳＢ２そのものに、エッチングにより圧力で撓むダイヤフラム（ＤＡ２）を形成して、ＤＡ２上にポリシリコン等で形成される歪ゲージ抵抗（ＧＲ１〜ＧＲ４）を形成する。ダイヤフラムＤＡ２が圧力により撓むことで発生する、歪ゲージ抵抗の抵抗値の変化を、ＧＲ１〜ＧＲ４で形成されるブリッジ回路および増幅器Ａ５により検出し、圧力を測定する。本形式の圧力センサも、本発明に特有なものではないので、ここでは動作の説明は省略する。
前述したように、以上の圧力センサは、圧力窓ＰＷＩＮ１（図２参照）経由でモニタチップ外部に加わる圧力を測定可能である。以上の圧力センサと加速度センサ、後述する無線電波を利用した位置検出を併用し、さらに、コンクリート内部に多数埋め込まれたモニタチップからの検知された情報を集計することにより、コンクリート内部の応力分布を測定することが可能となる。
以上の各センサの出力はアナログ値であるため、プロセッサに取り込んで、異常値かどうかを判断してメモリに格納して、さらに、無線にて外部機器に送信するためには、ディジタル値に変換する必要がある。アナログ値からディジタル値への変換は、それぞれのセンサの出力に、Ａ／Ｄ変換器を接続すれば実現されるが、チップ面積や消費電力の点で、複数のＡ／Ｄ変換回路を設置するのは好ましくない。このため、以下の図９に示すＡ／Ｄ変換回路にて、一括してディジタル値への変換を行うほうがより好ましい。
図９に示すように、本発明のモニタチップ搭載のＡ／Ｄ変換回路（ＡＤ１）は、バスインタフェース回路ＡＤＩＦ１、Ａ／Ｄ変換回路本体であるＡＤＣ１、および、アナログスイッチＡＳＷ１０〜ＡＳＷ１２で構成される入力切り替えスイッチＡＳＷＧ１、プログラマブルゲインコントロール増幅器ＰＧＡ１、これらの回路の動作パラメータを設定するＡ／Ｄ変換制御回路ＡＤＣＯＮＴ１から構成される。入力切り替えスイッチＡＳＷＧ１、および、プログラマブルゲインコントロール増幅器ＰＧＡ１は、バスＣＢＵ１経由でＣＣＰＵ１から送信される制御コマンドに応じて、制御回路ＡＤＣＯＮＴ１にて動作パラメータを設定する。
例えば、電気抵抗を測定する場合には、測定に先立ち、ＣＣＰＵ１により、入力切り替えスイッチＡＳＷＧ１がＩ４を選択（ＡＳＷ１１：Ｄ０、ＡＳＷ１２：Ｄ０）し、プログラマブルゲインコントロール増幅器ＰＧＡ１の設定ゲインが電気抵抗センサに相応しいゲインになるように、バスＣＢＵ１経由で、ＡＤＣＯＮＴ１内の制御レジスタを設定する。このように設定することにより、電気抵抗センサＰＳ１の出力ＳＲをＰＧＡ１経由でＡ／Ｄ変換器に取り込んでディジタル値に変換し、バスインタフェースＡＤＩＦ１経由でＣＣＰＵ１に取り込む。同様に、他のセンサの出力を読み込みたい場合には、ＡＤＣＯＮＴ１内の制御レジスタに、目的のセンサに合わせたゲイン設定および、入力切り替えスイッチ設定を書き込んで、ＡＤＣ１を駆動する。このような構成により、半導体集積回路ＣＨＩＰ１の回路サイズを抑えることが可能になるだけではなく、消費電力の増加を抑えることも可能になる。なお、アナログスイッチＡＳＷ１０〜１２には、アナログ信号をロスなく通過させるができれば、一般的なものが使用可能である。また、本モニタチップでは、前述したようにモニタすべき情報は、コンクリート内部の温度や電気抵抗など、比較的ゆっくりとしか変化しないものに限られているため、Ａ／Ｄ変換回路ＡＤＣ１には、低速なタイプのもので十分である。
図１０の（ａ）、（ｂ）は、本発明のモニタチップの無線インタフェース回路ＣＲＦ１、アンテナＣＡＮＴ１、および、整流回路ＲＥＦ１の構成例と接続関係を示した図である。このうち、図１０の（ａ）は、超広帯域無線通信方式であるＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）を用いて構成した例である。アンテナ切り替えスイッチＲＷ１、バスインタフェースＲＦＩＦ１、送信に使用する変調回路ＭＯＤ１、パルス発生回路ＰＧＥＮ１、および、これらの回路の動作パラメータをＣＣＰＵ１によりバスインタフェースＲＦＩＦ１により設定された制御レジスタの内容に応じて制御する制御回路ＲＦＣＯＮＴ１から構成される。具体的には、アンテナ切り替えスイッチＲＷ１は、通常は、アンテナＣＡＮＴ１→ＲＥＦ１に接続されており、高周波送信は行えない状態に設定されている。この状態にて、外部の検査機ＲＣ１から読み出しリクエストがあり、高周波電力が照射された場合のみ、整流回路ＲＥＦ１内の整流器Ｄ１にて直流に変換されコンデンサＣ１に充電される。こうして、短時間にて充電が完了すると、電荷監視回路ＣＷ１から電源制御回路ＰＣ１に起動信号が出力され、半導体集積回路ＣＨＩＰ１の各回路が立ち上がる。同時に整流器Ｄ２に接続されたＶＲＦラインも、充電されて、電荷監視回路ＣＷ１より、外部検査機器より読み出しリクエストがあったことが検知される。以上の手順にて、図７のデータ送信ルーチンＰ３５０が起動される。なお、整流器ＲＥＦ１には、ＶＲＦライン用の平滑コンデンサＣ３を内蔵している。このコンデンサは、ＲＦの有無だけを検知できれば良いため、小容量のものが使用可能であり、第１の半導体集積回路ＣＨＩＰ１内に集積することが可能である。
なお、特に図示しないが、検査機ＲＣから照射される高周波電力を、例えば、ＡＳＫ（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）等で変調して、高周波電力に信号を載せて、モニタチップＳＣ１搭載の整流器にてＲＥＦ１にて復調して信号を取り出して受信する、といったことを行わせることも可能である。この仕組みを応用すれば、検査機ＲＣ１からモニタチップＳＣ１へと、制御信号を送信することが可能である。典型的には、モニタチップの検知動作の時間間隔を制御する、あるいは、その他の動作パラメータをコントロールすることが可能である。
データ送信ルーチンＰ３５０においては、ＣＣＰＵ１がバスＣＢＵ１経由で制御回路ＲＦＣＯＮＴ１内のレジスタを設定して、アンテナ切り替えスイッチＲＷ１を変調器ＭＯＤ１の出力につなぎ変えて、さらに、バスＣＢＵ１経由でデータを変調器ＭＯＤ１に順次送り込むことにより、データを送信する。なお、このアンテナ切り替えスイッチＲＷ１は、ＰＩＮダイオード等の半導体素子や、半導体チップ表面にＭＥＭＳプロセスによって作成された微細接点等により構成可能であり、ＰＩＮダイオードあるいはＭＥＭＳ微細接点のバイアス電圧を制御してＲＦ信号の接続先を切り替えることができる。これらについては、本発明に特有なものではないので、ここでは詳細な説明は省略することとする。
ＵＷＢでは、搬送波を一切使用せずに、高周波パルス信号そのものを変調してデータを送受信する。例えば、送信したいデータが“１”の時はパルスを送出し、“０”の時は、パルスを１００ｐｓ遅らせて送出する等により、パルス列を送信データにて変調する。このため、図１０の（ａ）に示すように、搬送波を発生するのに必要な発振器や増幅器が不要であり、高周波パルスを発生するパルスジェネレータＰＧＥＮ１と、そのパルスを送出するかどうかをコントロールする変調器ＭＯＤ１のみで構成可能である。すなわち、送信アンプ等が不要となり、高周波送信回路の回路規模を小さく抑えることが可能である。この結果、半導体集積回路ＣＨＩＰ１の製造コストを抑えられると同時に低消費電力化も実現できる。
さらに、ＵＷＢでは、比較的短い通信距離しか要求されない場合、ＲＦ送信電力を抑えることが可能である。本発明のモニタチップの用途では、例えば、コンクリート壁の内部に埋めたモニタチップから検査機までの距離（典型的には１ｍ程度）で十分である。このため、ＲＦ送信電力を、例えば、１０μＷ程度に設定することも可能である。このように、ＵＷＢでは超低消費電力な無線通信が実現可能であり、本発明の建造物品質モニタシステムに望ましい無線通信方式である。
さらに、本発明に特有なものとして、ＵＷＢパルスの周波数帯域を２ＧＨｚ程度に押さえる点が挙げられる。図１１に示すのは、コンクリートの電磁波透過特性の一例である。コンクリート中の電磁波透過特性は、▲１▼コンクリートの厚さ、▲２▼コンクリート内の鉄筋の有無などに支配されるが、基本的には、３ＧＨｚを超える高い周波数では、電磁波をほとんど透過しないという性質を有する。このため、データを取りこぼしせずに確実に無線通信を行うためには、無線通信で使う周波数帯域をコンクリートの物理的特性に適合させるのは実用上必要不可欠である。このように、使用周波数帯域をコンクリートの電波透過特性に適合させた本発明に特有なＵＷＢ送信回路を利用することにより、はじめて、コンクリート内部に埋め込んだモニタチップからデータの読み出しが可能となる。
以上のようにＵＷＢは本発明のモニタチップに最適な無線通信方式である。しかし、現状では、日本を含む多くの国において正式には認可されていないのが現状である。このため、将来的には認可される予定であるが、現状では、暫定的に他の無線通信方式を使用する必要がある。この目的で構成したのが、図１０の（ｂ）に示す、本発明のモニタチップ用の第２の無線インタフェース回路である。図に示すように、本無線インタフェース回路は、アンテナ切り替えスイッチＲＷ１、バスインタフェースＲＦＩＦ１、送信に使用する変調回路ＭＯＤ１、発振回路ＶＣＯ１、送信アンプＰＳＡ１、および、これらの回路の動作パラメータをＣＣＰＵ１によりインタフェースＲＦＩＦ１により設定された制御レジスタの内容に応じて制御する制御回路ＲＦＣＯＮＴ１から構成される。これらの各回路は特に本発明に特有なものではないので、ここでは詳細は説明しないが、前述した図１０の（ａ）の回路と同様に、データ送信のリクエストがあった場合に、ＣＣＰＵ１がＲＦＣＯＮＴ１内の制御レジスタを送信モードに設定し、バスインタフェース経由で変調器ＭＯＤ１に送信データを送る。ＭＯＤ１は送られてきたデータを元に発振回路ＶＣＯ１で生成された搬送波を変調する。変調方式には、ＰＳＫ（Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）、ＱＡＭ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）等の様々な方式が適用可能であるが、本発明に特有なものではないので、ここでは詳細な説明は省略する。以上のようにして、検知データは搬送波に載せられて、アンテナ切り替えスイッチＲＷ１経由で検査機へと送信される。
図１０（ｂ）に示すように、本方式の送信回路では、送信アンプや発振回路が必要となる。このため、図１０（ａ）のＵＷＢ方式の送信回路よりも回路規模が大きくなってしまう。さらに、送信電力も、例えば、１００μＷ程度必要となる。このため、ＵＷＢ方式の送信回路よりも消費電力が大きくなってしまう。しかし、既に述べたように、本発明のモニタチップでは、データの送信の電力は、外部の検査機ＲＣ１からの高周波電力で賄う。このため、検査機からの高周波電力を大きくすれば、モニタチップに大きな電力を供給できるため、実用上問題ない。さらに、本モニタチップに内蔵するコンデンサＣ１の容量を大きくして、データ送信間隔を長くする、つまり、充電時間を長く取れば、より多くの電力が蓄えられるため、送信回路の消費電力が増えたとしても正常に動作させることが可能となる。つまり、ＵＷＢではなく、狭帯域の無線通信方式を使用する、本方式の第２の無線インタフェース回路でも実用上問題なくコンクリート中からのデータ送信が行える。
以上が本発明のモニタチップの構成と動作の説明であるが、以下、モニタチップからデータを受信して品質判定を行う検査機ＲＣ１の動作について説明を行う。図１２に示すのは、本発明の検査機ＲＣ１に搭載する品質判定プログラム（ＱＰＲ１）の動作のフロチャートである。品質検査に先立ち、本検査機に特有な位置検出ルーチン（Ｐ４００）および、位置情報読み取りルーチン（Ｐ４１０〜４１４）にて、コンクリート中に埋め込まれたモニタチップがどこの埋まっているのか調べる。このように位置検出をした上で、モニタチップからデータを読みだす事により、建造物のどのあたりがどういう状態のコンクリートで施工されたのかが明らかになる。図１３に示すのが、この位置検出の動作原理、および、検査機ＲＣ１の無線インタフェース回路ＲＦ１の構成の詳細である。以下、図１２および図１３を参照して説明する。まず、図１３に示すように、互いに距離をおいて設置した検査機ＲＣ１のアンテナＡＮＴ１〜ＡＮＴ３から、無線インタフェース回路ＲＦ１内の送信アンプ兼発振回路ＲＰ１にて発生された搬送波のみの高周波信号（ＰＬ１〜ＰＬ３）を、モニタチップＳＣ１に向けて照射する（Ｐ４１１ルーチン）。モニタチップＳＣ１は、前述したように、照射された高周波電力により起動され、自身のチップＩＤ番号（識別子）をデータとする信号を無線電波にて送信する。このモニタチップからの送信電波を、無線接続（ＷＬ１〜ＷＬ３）経由で受信（Ｐ４１２ルーチン）する。受信信号（ＲＰＬ１〜ＰＲＬ３）は、検査機ＲＣ１の無線インタフェース回路ＲＦ１内のアンテナ切り替え回路ＲＲＳＷを経由して受信アンプ（ＲＲ１〜ＲＲ３）にて所定の信号レベルまで増幅される。最終的には、相関器（ＣＯＲ１〜ＣＯＲ３）にて、送信データが復調される（Ｐ４１３ルーチン）。相関器は、パルス発生器（ＰＧＥＮ１）から供給されるパルス列と、受信されたパルス列の相関をとる。具体的には、例えば、パルス列が１００ｐｓ遅れた位置にあるかを検出して、データを再生する働きをする回路である。この相関器には、一般には、複数のＡ／Ｄ変換器から構成される。データ復調と同時に、図１３のＲＷＦ１に示す、受信波それぞれの到達時間（ｄＴ１〜ｄＴ３）も検出する。これらの到達時間差（ｄＴ１〜ｄＴ３）と、アンテナ（ＡＮＴ１〜ＡＮＴ３）の設置場所の情報から、いわゆる３点測量の原理にてモニタチップの位置を算出（Ｐ４１４ルーチン）する。なお、この位置算出は、例えば、図１３に示すように、無線インタフェース回路ＲＦ１内の搭載した位置算出用の演算回路（ＲＣＡＬ１）にて実行可能であるが、検査機ＲＣ１内のプロセッサ（ＣＰＵ１）に、算出した到達時間差（ｄＴ１〜ｄＴ３）データを渡して、ＣＰＵ１でソフトウェア的に実行することも可能である。なお、以上の受信アンプ、相関器、位置算出用の演算回路、パルスジェネレータ他については、本発明に特有なものではないので、ここでは詳細な説明は省略する。データを送信しているモニタチップが複数あれば、復調されるモニタチップの識別子分だけ、位置情報の解析を繰り返し実行する。このようにして、本検査機ＲＣ１が検査対象とするモニタチップの識別子と位置情報を記述したファイル（ＰＤ４００）を作成する。本位置情報ファイルＰＤ４００のデータ構造の一例を図１４の（ａ）に示す。なお、以上の検査機の説明では、ＵＷＢで無線通信を行うことを仮定したが、相関器を通常の復調器に置き換えれば、ＱＰＳＫやＱＡＭ等の無線方式でも、同様の構成で検査機を構成することが可能である。
なお、以上の例では、３本のアンテナ（ＡＮＴ１〜ＡＮＴ３）により、位置を検出する例を示した。しかし、ＵＷＢでは搬送波なしでパルスにより信号を送信するため、１本のアンテナだけでも、モニタチップとの距離は測定可能である。すなわち、検査機ＲＣ１のアンテナに指向性を持たせて、さらに、アンテナ自体の方向を変えられるようにしておき、アンテナの方向を変えながらスイープすることによっても、モニタチップの位置を検出することが可能である。このような構成にすることで、検査機を小型化することが可能となる。
以上のようにして、位置情報読み取りルーチンＰ４１０にて、データを送信しているモニタチップの識別子とその位置情報が取得される。次に、データ読み取りルーチンにて、データ受信ルーチンＰ４６０が起動され、モニタチップからのデータ読み込みが開始される。データ受信ルーチンＰ４６０では、位置情報読み取りルーチンＰ４１０と同様に、まずＲＦ照射ルーチンＰ４６１にて、モニタチップにデータ送信のための電力供給を行う。次に、受信ルーチンＰ４６２および復調ルーチンＰ４６３にて、照射された高周波電力にて起動したモニタチップからのデータを受信し、前述した手順にてデータを復調する。復調されたデータより、モニタチップ識別子とデータ本体を分離して（Ｐ４６４ルーチン）、結果を検知データファイルＳＤ４００に書き込む。図１４の（ｂ）に、この検知データファイルＳＤ４００のデータ構造例を示す。以上の処理を、前述した位置検出ルーチンにて作成された位置情報ファイルＰＤ４００に記載されているチップ識別子を持つ、本検査機にて通信可能なすべてのモニタチップに対して処理を行い、検知データファイルＳＤ４００を完成させる。
次に、品質判定ルーチンＰ４７０にて、完成した検知データファイルＳＤ４００を元にコンクリートの品質を行う。この品質判断ルーチンは、検知データファイルＳＤ４００に収集された、各モニタチップがモニタした、例えば、電気抵抗値から、コンクリートペースト作成時の水分量あるいは塩化物イオン量が適切であったかの判断を行う。なお、Ｐ４９０ルーチンにて、本検査機ＲＣ１内蔵のネットワークインタフェースＮＩ１経由で、広域ネットワーク網ＷＡＮ１上に設置された管理サーバーＳＶ１０上のデータベースＤＢ１０にアクセスして、例えば、電気抵抗値とコンクリート品質との相関関係についてより詳細な情報を照会して、品質判定精度を高めることも可能である。以上のようにして、判定された結果を結果表示ルーチンＰ４８０にて表示して検査を終了する。
なお、この品質判定ルーチンＰ４７０では、上記の他にも、例えば、コンクリート中の応力分布を解析して、表示することも可能である。図１５に示すのは、この目的で使用可能な、本発明の応力分布解析ルーチンの構成例である。図１５のＰＦＩＧ１に示されるように、本発明のモニタシステムでは、応力定義式ＥＱ１０にそのまま従って、コンクリート内部の局所的な圧力から応力をもとめる。例えば、ＰＦＩＧ１の例だと、モニタチップＳＣ１〜ＳＣ４が受けている圧力ｄＰ１〜ｄＰ４を検知データファイルＳＤ４００から集計する（Ｐ４９１ルーチン）。この際に、位置情報ファイルＰＤ４００に記憶されている、各々のモニタチップの方位を、上記圧力情報ｄＰ１〜ｄＰ４に加味することにより、応力分布を算出する（Ｐ４９２ルーチン）。最後に、結果を表示する、あるいは、管理サーバーに送信して処理を終了する。なお、既に述べたように、各モニタチップの方位は、内蔵する加速度センサＡＳ１が検知した加速度信号のＤＣ成分から割り出した重力方向、および、位置検出ルーチンにて求めた検査機ＲＣ１のアンテナＡＮＴ１〜ＡＮＴ３に対する方向から割り出す。
以上が、本発明の建造物品質モニタ方法の概要であるが、本発明では複数のモニタチップからの情報を元にして、総合的に品質判定を行うことにより、検査精度を向上させている点に特徴がある。すなわち、コンクリート内部に多数のモニタチップを作成時に混ぜ込むことにより、品質を判定したい部分に複数のモニタチップが存在するようにあらかじめ設定しておく。検査時には、これら複数のモニタチップがモニタしてきたデータを余すところなく取得し、基本的には、多数決の原理にて、品質判断を行う。例えば、測定ポイントに３つのモニタチップが存在し、そのうちの２つのモニタチップが、「水分量は異常であった」と報告し、残りの１つが「水分量は正常であった」と報告した場合には、多数決により、「水分量は異常であった」と判定する。逆に、「水分量が正常であった」と報告するモニタチップの方が多い場合は、「水分量は正常であった」と判定する。このように、多数決の原理を品質判定に持ち込むことにより、一部のモニタチップが誤動作した場合、あるいは、ノイズ等でモニタチップからのデータ受信に誤りがあった場合等に、間違った品質判定を下す危険を回避可能である。前述したように本発明のモニタチップは大量生産すればするほど製造コストを下げられる半導体プロセスにて製作される。このため、きわめて安価に、大量にモニタチップをコンクリート中に設置可能であり、上記の本発明のモニタシステム／モニタ方法が有する、優れた特徴を最大限生かすことが可能である。これに対して、従来技術にて紹介したモニタシステム／モニタ方法では、センサは非常に高価であり、基本的に１つの測定ポイントには１つセンサしか配置されていない。このため、間違った判定を下してしまう危険性はかなり高いものと考えられる。さらに、センサが故障した場合には、システム全体が動作不能になってしまう恐れもあるものと考えられる。
なお、前述したように本発明のモニタチップでは送信電力が限られるため、検査機ＲＣ１で一度に検査できるのは、数ｍ程度の距離内に限られる。このため、建造物全体の品質をチェックするには、例えば検査機ＲＣ１に自走装置を具備させて建造物内を移動させて、上記Ｐ４００〜Ｐ４５０ルーチンを建造物全体に対して行う必要がある。検査機を複数台用意すれば、同時に処理できるため、実用上問題になることはないと思われるが、恒久的に建造物をモニタしたい場合などには問題になるものと予想される。この問題を解決するために考案したのが、図１６に示す、中継機付のモニタシステムである。
図１６の（ａ）に示されるように、本モニタシステムでは、検査機ＲＣ１の代りに、中継機ＲＰＴ２０〜ＲＰＴ２２を、建造物ＢＵＬ１内のコンクリートＣＯＮ１の壁／床等に近接させて分散して配置する。これらの中継機ＰＴ２０〜ＲＰＴ２２は、典型的には、図１６の（ｂ）に示すように、アンテナＡＮＴ２０、無線インタフェース回路ＲＦ１、プロセッサＣＰＵ１、メモリＭＥＭ１、ネットワークインタフェースＮＩ１から構成される。これらの回路の内部構成は、基本的には、検査機ＲＣ１に内蔵のものと同じである。これらの中継機ＲＰＴ２０〜ＲＰＴ２２は、ローカルネットワークインタＬＮ２０〜ＬＮ２３およびＬＡＮ２０にてゲートウェイＧＷ２０と相互に接続されている。また、ゲートウェイＧＷ２０経由で広域ネットワークＷＡＮ１に接続可能で、ＷＡＮ１上の管理サーバーＳＶ１０に接続可能である。
中継機ＲＰＴ２０〜ＲＰＴ２２は、管理サーバーＳＶ１０、あるいは、ゲートウェイＧＷ２０からのリクエストに従い、それぞれ自分の近隣のモニタチップ（ＳＣ１〜ＳＣ９）と無線通信（ＷＬ１〜ＷＬ３、ＷＬ４〜ＷＬ６、ＷＬ７〜ＷＬ８）を行って、モニタ結果をＧＷ２０経由で管理サーバーに報告する。なお、既に説明したように、このデータ送信のリクエストはそれほど頻繁に行う必要はなく、例えば、短くても１時間に１回程度の頻度で十分である。以上のように、図１６に示す中継機付のモニタシステムにて、建造物を恒久的にモニタすることが実現できる。
以上を補足すると、本発明は、建造物に組み込まれた、半導体計測の対象となる物理量を検知するセンサを搭載した半導体集積回路装置と、前記半導体集積回路装置にて検知した信号を受け取とり、受け取った検知信号に基づいて該建造物の品質を判定する検査機から構成されることを特徴とする建造物品質モニタシステムであって、前記半導体集積回路装置は搭載するメモリ内に固有のＩＤ番号を記憶し、検知した信号とともに、前記固有のＩＤ番号を付加して検査機へ送信することを特徴とし、さらに、前記半導体集積回路装置から検査機への検知信号の送信は無線にて送信することを特徴とする建造物品質モニタシステムであって、特に、前記半導体集積回路装置から検査機への無線送信の方式を、超広帯域無線通信方式である、ＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）により、パルス列を用いて送信することを特徴とする建造物品質モニタシステムである。
また、前記建造物品質モニタシステムにおいて、特に、前記半導体集積回路装置から検査機へ検知信号を送信する目的で使用する無線の周波数帯域として、２ＧＨｚ以下の周波数帯域を使用することを特徴とする建造物品質モニタシステムである。
さらに、本発明は、半導体計測の対象となる物理量を検知するセンサを搭載した半導体集積回路装置を建造物に組み込む第１のステップを具備し、前記半導体集積回路装置において、前記センサを動作させて建造物内のコンクリートの物理量を検知する第２のステップを具備し、前記半導体集積回路装置に搭載したメモリに検知信号を記憶する第３のステップを具備し、前記半導体集積回路装置に搭載した前記メモリに記憶された検知信号を読み出す第４のステップを具備し、読み出した検知信号を前記半導体集積回路装置の外部に設けられた検査機に送信する第５のステップを具備し、検査機にて送信されてきた検知信号に基づいて建造物の品質判定を行う第６のステップを具備することを特徴とする建造物品質モニタ方法であって、特に、前記第４のステップにて、前記半導体集積回路装置から検査機への検知信号の送信を無線にて行うことを特徴とする建造物品質モニタ方法である。
また、前記建造物品質モニタ方法において、特に、前記第５のステップにて、前記半導体集積回路装置から検査機へのデータ送信を使用周波数帯域が２ＧＨｚ以下の無線信号にて行うことを特徴とする建造物品質モニタ方法である。
また、前記建造物品質モニタ方法において、特に、前記第６のステップにおいて、前記建造物内に組み込まれた半導体集積回路装置の位置検出を行う、第７のステップを具備することを特徴とする建造物品質モニタ方法であって、特に、複数本のアンテナを具備する検査機により、前記建造物内に組み込まれた半導体集積回路装置からの無線電波信号を受信して、それらの無線電波信号の到達時間差に基づいて、前記半導体集積回路装置の位置検出を行う特徴とする建造物品質モニタ方法である。
さらに、本発明は、前記建造物品質モニタシステム、および、前記建造物品質モニタ方法において、前記半導体集積回路装置として、半導体計測の対象となる物理量を検知するセンサと、前記センサにより検知した信号を増幅してディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、前記ディジタル信号を処理するマイクロプロセッサと、前記センサにより得た情報を格納するメモリと、前記マイクロプロセッサにより処理した信号を外部へ送信する送信回路と、前記センサ、前記Ａ／Ｄ変換回路、前記マイクロプロセッサ、前記メモリ、および、前記送信回路に、電力を供給するための電力発生装置を具備する半導体集積回路装置を使用することを特徴とする、建造物品質モニタシステム、および、建造物品質モニタ方法である。
さらに、本発明は、半導体計測の対象となる物理量を検知するセンサと、前記センサにより検知した信号を増幅してディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、前記ディジタル信号を処理するマイクロプロセッサと、前記センサにより得た情報を格納するメモリと、前記マイクロプロセッサにより処理した信号を外部へ送信する送信回路と、前記センサ、前記Ａ／Ｄ変換回路、前記マイクロプロセッサ、前記メモリ、および、前記送信回路に、電力を供給するための電力発生装置を具備する半導体集積回路装置であって、前記半導体集積回路装置は、力学振動による可変容量コンデンサの静電エネルギーの増加分を回収して電気エネルギーに変換する電力回収回路と、電源制御回路、および、コンデンサを有し、前記電源制御回路は、前記センサ、前記Ａ／Ｄ変換器、前記マイクロプロセッサ、前記メモリ、および、前記送信回路に対し、前記電力発生装置により発生した電力の供給または非供給を制御するように構成され、前記電力発生装置は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）プロセスにて形成された可変容量コンデンサを具備し、前記コンデンサは、前記電力発生装置により生じた電力を蓄えるように構成され、前記送信回路は、超広帯域無線通信方式であるＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）により、パルス列を用いて送信を行うように構成され、前記メモリには固有のＩＤ番号が格納され、前記センサとして少なくとも圧力センサを有し、前記センサ、前記Ａ／Ｄ変換回路、前記マイクロプロセッサ、前記メモリ、前記送受信回路、および、前記電源制御回路は、一つの半導体基板の上に形成されていることを特徴とする半導体集積回路装置を使用することを特徴とする前記建造物品質モニタシステム、および、前記建造物品質モニタ方法である。
また、本発明は、前記建造物品質モニタシステム、および、前記建造物品質モニタ方法おいて、特に前記半導体集積回路を複数個建造物内に埋め込み、そこから無線にて送信される複数の検知信号を元に、建造物の品質診断を行うことを特徴とする、前記建造物品質モニタシステム、および、前記建造物品質モニタ方法である。
以上のように、本発明のモニタチップを使用することにより、これまでは不可能であった、コンクリート作成時からのコンクリートの品質モニタシステムが実現できる。具体的には、本発明のモニタチップを使用すれば、内蔵する温度センサ、電気抵抗センサ、圧力センサにより、コンクリートの養生時の温度管理は適切であったか、あるいは、コンクリートペーストの水分量、塩化物イオンの含有量は適切であったか、あるいは、コンクリート内部の応力状態に問題がないか、といった情報をモニタすることが可能である。さらに、本発明のモニタチップを使用すれば、コンクリートペースト作成時に他のコンクリート材料と混ぜて、通常通りの建造物作成方法にてほぼ無視できる追加コストにて、品質モニタシステム内蔵の建造物が実現できる。また、半導体集積回路作成プロセスにて製作可能であるため、非常に安価な価格で建造物品質モニタシステムを提供することが可能となる。さらに、本発明のモニタチップでは、内蔵する電力発生装置および超低消費電力動作方式により永続的にコンクリート品質のモニタが可能である。
【実施例２】
実施例１では、図４に示す手順により、コンクリート作成時に本発明のモニタチップを混ぜ込むという方式でモニタシステムを構成する方法を説明した。これに対して、本実施例では、既存の建造物向けに本発明の建造物品質モニタシステム／モニタ方法／モニタチップを適用した例を説明する（図１７）。このような場合には、まず、モニタチップ設置ルーチンＰ１３５にて、本モニタチップを建造物に設置する。設置方法には様々なものが考えられるが、典型的には、図１８に示すように、コンクリートＣＯＮ１の壁あるいは床等に設置穴（ＨＬ１〜ＨＬ７）を開けて、モニタチップ（ＳＣ１〜ＳＣ７）を設置する。さらに、設置穴ＨＬ１〜ＨＬ７をエポキシ等の樹脂（ＲＥＳ１〜ＲＥＳ７）にて封止する。本モニタチップが誤って外部からの水分その他を検知してしまわないようにするためには、このように樹脂封止するのが望ましい。実施例１の場合と同様にして、モニタチップが発電を行い、センシング動作を開始（Ｐ２１０）する。適当な時間が経過した後に、図１の検査機ＲＣ１にて高周波を照射して、モニタチップを起動して、メモリに記憶されているデータを読み込み、品質判定その他を行う（Ｐ２２０、Ｐ１４０）。品質判定の結果、必要に応じてメンテナンス／補強工事を行う。
なお、このように建造物完成後に設置すると、前述したように、コンクリートの品質に最も影響を与えるコンクリートペースト作成時の品質がモニタできない。しかし、現実には、数多くのコンクリート建造物が既にあり、そのすべてを壊して、図４に示す方法でいちから建て直すのは現実的ではない。さらに、図１８に示す方法で設置したとしても、例えば、コンクリートの劣化が進んで、クラックが発生して、そこから水が進入したりした場合や、あるいは、コンクリートの腐食が進んで電気抵抗が変化した場合には、本実施例のモニタシステム／モニタ方法でも十分検出可能である。このように、建造物が完成してから設置したとしても、本発明のモニタシステム／モニタ方法／モニタチップは、十分に活用可能である。
【実施例３】
実施例１では、図３に示すように、内蔵する発電装置にて永続的に動作可能なモニタチップによりモニタシステムを構成する例を説明した。一方、既に何度も述べたように、コンクリートの品質に最も大きな影響を与えるのは、コンクリートペースト作成時の品質である。つまり、目的によっては、図４のＰ１００〜Ｐ１２０、Ｐ２１０〜Ｐ２２０の間だけモニタできれば問題ない場合も存在する。
図１９の（ａ）〜（ｃ）に示すのは、この目的に好適な、本発明の第２のモニタチップの構成例である。この図に示されるように、本モニタチップでは、図３の例とは違って、発電用半導体集積回路の代りにボタン電池ＢＡ１を搭載する。より詳細には、第１の半導体集積回路ＣＨＩＰ１は、基板ＢＯ１の上面（ＳＩＤＥ１）に設置し、ボタン電池ＢＡ１を基板ＢＯ１の逆の面（ＳＩＤＥ２）に設置し、図２と同様の構造でエポキシ樹脂にてモールドする。
ボタン電池ＢＡ１には一般販売されているだけでも様々なもの入手可能であるが、直径１ｃｍ以下のものでも、１００ｍＡＨ（ミリアンペ・アワー）程度の電池容量がある。すなわち、センシング動作に１回あたり１００μＷ／１秒間、データ送信動作に１回あたり１ｍＷ／１０秒間かかったとしても、
センシング： 〜１Ｅ−４ｍＡ・秒＝５．５Ｅ−８ｍＡＨ
データ送信： 〜１Ｅ−２ｍＡ・秒＝５．５Ｅ−６ｍＡＨ
であり、１回あたりの電力消費量は電池容量に比べて無視できる値である。
実際に電池を使用する際には、この他にも電池自体の寿命を考慮する必要がある。このため、たとえ１回あたりの電力消費が少ないとしても、結局は、電池寿命にて使える期間は制限されてしまう。しかし、一般的に、電池は数年の寿命を持つ。このため、本モニタチップを製造してから、実際に建造物に埋め込んで使用するまでの期間を考慮しても、図４のＰ１００〜Ｐ１２０、Ｐ２１０〜Ｐ２２０の間だけモニタチップを動作させて、コンクリートペースト作成時の品質をモニタすることは十分に実現可能である。このように、図１９に示す、本発明の第２のモニタチップを使用しても、優れた品質チェック機能を有する建造物品質モニタシステムを構成することが可能である。
さらに、特に図示しないが、本実施例の図１９と同様の構成で、ボタン電池を、充電可能な二次電池や数ファラッドの静電容量を実現可能な電気二重層コンデンサに置き換えて、適切な時間間隔で外部より高周波にて電力を供給して、アンテナＣＡＮＴ１、整流器ＲＥＦ１経由にて、二次電池あるいは電気二重層コンデンサに充電して、この充電電力によりセンサの駆動その他を行う、という構成も可能である。なお、二次電池はボタン電池と同程度の寿命しか持たないが、電気二重層コンデンサはそれよりもはるかに寿命が長い。このため、適切な時間間隔にて繰り返し充電して使用すれば、数年程度以上、建造物品質モニタに使用することが可能である。この目的で使用する場合には、図１６に示した中継機付のモニタシステムが好適である。
【実施例４】
本実施例では、本発明のモニタシステム／モニタ方法／モニタチップを、以上の実施例以外の建造物に応用した例について、図２０に従って説明する。
図２０の（ａ）は、橋脚（ＢＲ１００）の品質モニタに本発明を応用した例である。この図に示されるように、橋脚ＢＲ１００は、図４に示した手順にて作成される。すなわち、橋脚を構成するコンクリート中に、本発明のモニタチップ（ＳＣ１００〜ＳＣ１３２）が埋め込まれた状態で作成されており、実施例１で説明したように、コンクリートペースト作成時からのコンクリートの品質をモニタしており、異常値等をメモリに記憶している。コンクリートの養生が終った時点で、モニタチップ内のデータが、検査機ＲＣ１００〜ＲＣ１０１、ネットワークＮ１００〜Ｎ１０２、ＷＡＮ１００経由にて、管理サーバーＳＶ１００に読み出されて、橋脚ＢＲ１００の品質判定が行われる。なお、ＲＣ１００、ＲＣ１０１は検査機としたが、図１６で説明した中継機＋ゲートウェイの構成にして、永続的にモニタするようにすることも可能である。このように本発明のモニタシステムを橋脚に使用することにより、不適切なコンクリートが使用されたかどうかが一目瞭然にわかる。このため、不適切なコンクリートが使用されるのを防止することが可能となり、高品質なコンクリート製の橋脚が得られるようになる。なお、この図では説明のためにＳＣ１００〜ＳＣ１３３のモニタチップしか図示していないが、あくまでも説明のためであり、実使用時がこの形態に限定される訳ではない（以下の図でも同様）。
次に、図２０の（ｂ）に示すのは、トンネル（ＴＲ２００）の品質モニタに本発明を応用した例である。これまでと同様に、トンネルＴＲ２００は、図４に示した手順にて作成され、トンネルを構成するコンクリート中に、本発明のモニタチップ（ＳＣ２００〜ＳＣ２０７）が埋め込まれている。これらのモニタチップは、コンクリートペースト作成時から、コンクリートの品質をモニタしており、異常値等をメモリに記憶している。コンクリートの養生が終った時点で、モニタチップ内のデータが、検査機ＲＣ２００〜ＲＣ２０１、ネットワークＮ２００〜Ｎ２０２、ＷＡＮ２００経由にて、管理サーバーＳＶ２００に読み出されて、トンネルＴＲ２００の品質判定が行われる。なお、ＲＣ２００およびＲＣ２０１は検査機としたが、図２０の（ｂ）と同様に中継機＋ゲートウェイの構成にして、永続的にモニタするようにすることも可能である。
次に、図２０の（ｃ）に示すのは、崖（ＣＦ３００）に本発明のモニタチップを設置して、災害検知に使用した例である。これまでと同様に、崖ＣＦ３００のコンクリート施工部分に、図４に示した手順にて、本発明のモニタチップ（ＳＣ３００〜ＳＣ３０３）が埋め込まれる。なお、コンクリート施工されていない崖の場合には、図１８で示したものと同様の方式、すなわち、崖に穴を開けてモニタチップを埋め込むことにより設置される。このように設置されたモニタチップＳＣ３００〜ＳＣ３０３においては、電気抵抗センサにより崖中の土砂あるいはコンクリート施工部分の水分量がモニタされる。また、モニタチップ内蔵の加速度センサにより崖の振動をモニタ可能である。モニタ結果は、検査機ＲＣ３００（あるいは、中継機＋ゲートウェイ）により、定期的に読み出されて、ネットワークＮ３００〜Ｎ３０１、ＷＡＮ３００経由にて、管理サーバーＳＶ３００に送信される。このような監視システムにより、例えば、崖を構成する土砂が地すべりが起きるぐらい大量の水分を含んでいる、あるいは、大規模な地すべりが起きる直前の小規模な崩落に伴う振動を検出して、地すべりが起きる前に自動的に警報を出すシステムが構築可能になる。なお、このような警報システムでは、いかにして誤動作を少なくするかが求められる。実施例１で説明したように、本発明のモニタ方法では、モニタチップを測定ポイントに複数個ばらまいて、それらのチップで収集された情報を多数決することで、極力、間違った判定を下さいないようにすることが可能である。このため、本発明のモニタシステムにより、誤警報の少ない、優れた崖崩れ警報システムの構築が可能となる。
さらに、この警報システムを河川の堤防（ＢＮＫ４００）の監視システムに応用したのが、図２０の（ｄ）に示す例である。これまでと同様に堤防ＢＮＫ４００のコンクリート施工部分に、図４に示した手順にて、本発明のモニタチップ（ＳＣ４００〜ＳＣ４０４）が埋め込まれる。なお、コンクリート施工されていない部分については、上記の例と同様に、穴を開けてモニタチップを埋め込むことにより設置される。このように設置されたモニタチップＳＣ４００〜ＳＣ４０４においては、電気抵抗センサにより堤防中の土砂あるいはコンクリート施工部分の水分量がモニタされる。また、モニタチップ内蔵の加速度センサにより崖の振動をモニタされる。モニタ結果は、検査機ＲＣ４００（あるいは、中継機＋ゲートウェイ）により、定期的に読み出されて、ネットワークＮ４００〜Ｎ４０１、ＷＡＮ４００経由にて、管理サーバーＳＶ４００に送信されて監視される。このような監視システムにより、例えば、河川ＲＶ４００が増水して堤防内に水が浸水している状態、あるいは、大規模な決壊が起きる直前の小規模な堤防の崩落に伴う振動を検出して、自動的に警報を出すシステムが構築可能になる。なお、上記図２０の（ｃ）と同様に、モニタチップを測定ポイントに複数個ばらまいて、それらのチップで収集された情報を多数決することで、極力、間違った判定を下さいないようにすることが可能である。このように、本発明により、誤警報の少ない優れた堤防決壊警報システムの構築が可能となる。
さらに、図２０の（ｅ）に示すのは、ガス管／水道管／電力線等の地下埋設型インフラ構造物ＰＬ５００に本発明のセンサチップを使用した一実施例である。この図に示されるように、本発明のモニタチップ（ＳＣ５００〜ＳＣ５０６）は、地下埋設型インフラ構造物ＰＬ５００に接着剤等で付着させてから埋設する、あるいは、土中ＧＲ５００に埋設時する際にモニタチップも同時に埋設することにより、地下埋設型インフラ構造物インフラの近くの土中に設置される。本モニタチップは地面の微小振動、あるいは、地下インフラ構造物が発する微小振動（例えば、水道管中を流れる水の流動）により、内蔵する電力発生用半導体集積回路にて発電を行い、センサを駆動する。具体的には、地下インフラ構造物ＰＬ５００が水道管ならば、内蔵する電気抵抗センサにより、水道管周りの土中の電気抵抗を測定することにより、水道管が水漏れを起こしていないかをモニタする。また、ガス管の場合には、内蔵する加速度センサにより、もし、ガスが漏洩した場合には、ガス流出に伴う圧力の変化を検知することにより、ガス漏れが検知可能である。さらに、電力線の場合には、もれ電流の有無を電気抵抗センサにより検知する。これまでの実施例と同様に、モニタチップＳＣ５００〜ＳＣ５０６のメモリ内に格納されたモニタ結果は、検査機ＲＣ５００（あるいは、中継機＋ゲートウェイ）により、定期的に読み出されて、ネットワークＮ５００〜Ｎ５０１、ＷＡＮ５００経由にて、管理サーバーＳＶ５００に送信され、漏水／ガス漏れ／漏電箇所の有無が判定される。なお、以上の実施例と同様に、モニタチップを測定ポイントに複数個ばらまいて、それらのチップでモニタされた情報を多数決することで、極力、間違った判定を下さいないようにすることが可能である。このように、本発明のモニタシステムにより、誤警報の少ない優れた漏水／ガス漏れ／漏電警報システムの構築が可能となる。さらに、地下に埋設物が埋まっていないかどうかの判定に使用することも可能である。
以上の実施例によれば、内蔵する温度センサ、電気抵抗センサ、圧力センサにより、コンクリートの養生時の温度管理は適切であったか、あるいは、コンクリートペーストの水分量、塩化物イオンの含有量は適切であったか、あるいは、コンクリート内部の応力状態に問題がないか、といった情報をモニタすることが可能となる。
以上、本願発明者よりなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本願発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。例えば、本発明の建造物品質モニタシステム／モニタ方法／モニタチップは、建造物の品質モニタに限らず、崖崩れや堤防決壊等の災害検知システムや、あるいは、漏水／ガス漏れ／漏電等の警報システムにも応用可能である。このように、本発明は幅広い分野に応用することが可能であり、これまでに説明した実施例以外にも、同様のモニタシステム、監視システム、警報システム等に使用可能である。
【産業上の利用可能性】
本発明によれば、これまでは不可能であった、コンクリート作成時からの建造物のコンクリートの品質モニタシステムを実現できる。さらに、コンクリートペースト作成時にモニタチップを他のコンクリート材料と混ぜることができるため、通常通りの建造物作成方法を用いて低コストで品質モニタ内蔵の建造物を実現できる。また、本発明のモニタチップは半導体集積回路作成プロセスで製作可能であるため、非常に安価に建造物品質モニタシステムを提供することが可能となる。さらに、本発明のモニタチップは電力発生装置を内蔵し、超低消費電力動作方式を採用しているため、永続的に建造物のコンクリート品質のモニタが可能となる。
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２０】
【技術分野】
本発明は、低コストで施工可能な建造物品質モニタ方法、モニタシステム、および、それらを実現するために必要なモニタシステム用半導体集積回路装置に関する。
【背景技術】
近年、トンネル等コンクリートで構成された建造物においてコンクリート剥落事故が問題となっており、コンクリート建造物の品質向上が強く求められてきている。このためには、低コストで建造物の品質診断を迅速に実現できる技術が必要不可欠である。このため、建造物の品質を非破壊で外部の検査機により半自動的に検査する方法が数多く提案されている。
一方、建造物作成時にあらかじめ各種センサを組み込んでおいて、センサにて常時、応力等の物理量を計測／監視して、建造物の品質をモニタする方法、あるいは、モニタするシステム装置も提案されている。これらのモニタシステムでは、原理的には、品質判定がほぼ自動的に行えるため、品質判定の手間の省力化が可能である。
これらのうち、例えば、非特許文献１（Ｐｒｏｃ．Ｓｅｃｏｎｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐｏｎ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｈｅａｌｔｈ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，１９９９，ｐｐ．５６〜６７）には、自身に加わる変形力を感知できる光ファイバセンサを建造物内に設置して、建造物をささえる鉄骨等に加わる応力等を常時モニタして、建造物の耐震性能の保証に活用しようとするアイデアが開示されている。
一方、特許文献１（特開２００２−３８７２３号公報）には、歪ゲージを鉄筋に敷設して、歪ゲージの電気抵抗を測定して、建造物の品質をリアルタイムにモニタするアイデアが開示されている。本文献の開示するところによれば、歪ゲージにより建造物内の応力を測定することが可能であり、モニタした結果をメンテナンス等に活用することが可能である。また、具体的な構成は記述されていないが、ｐＨセンサを具備することにより、建造物の劣化度合いの判定に利用する旨のアイデアも開示されている。
さらに、非特許文献２（日経エレクトロニクス２００２年６月１７日号、ｐｐ．３７）には、センサと無線をひとつの装置に一体化し、無線にて検知されたデータを外部の測定器その他に送信してモニタ可能なシステムが示されている。具体的には、低消費電力な小型無線モジュールと、加速度センサ等の振動を検知可能なセンサを一体化したモニタ装置にて、オフィスビル等の建造物の地震波に対する応答、すなわち、耐震性能を測定した例が紹介されている。
さらに、非特許文献３（ＩＥＥＥ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｊｕｌｙ ２０００，ｐｐ．４２〜４８）には、床、壁、人体等は微小ながらも常に振動しており、通常、〜ｍＷ／ｃｍ３のエネルギー密度を有している旨が開示されている。
また、非特許文献４（ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＶＥＲＹ ＬＡＲＧＥ ＳＣＡＬＥ ＩＮＴＥＧＲＡＴＵＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭＳ、ＶＯＬ．９、ＮＯ．１、ＦＥＢＲＵＡＲＹ ２００１、ｐｐ．６４〜ｐｐ．７５）には、非特許文献３で開示されている微小振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電力発生装置の構成が開示されている。
特許文献２（特開平１１−１２１７６６号公報）には、半導体プロセスで作成可能な圧力センサ（歪ゲージ抵抗式）の構成が開示されている。
さらに、特許文献３（特開２００１−９９７３４号公報）には、同様に半導体プロセスで作成可能な圧力センサ（静電容量式）の構成が開示されている。
さらに、非特許文献５（日経エレクトロニクス２００２年３月１１日号、ｐｐ．５５〜ｐｐ．６６）には、超広帯域な無線通信方式であるＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）技術について開示されている。本文献に開示されるように、ＵＷＢでは、超低消費電力で無線通信が可能である。また、高精度な位置検出や測距を実現可能である旨が開示されている。
さらに、非特許文献６（オーム社刊、「絵ときコンクリート」、ｐｐ．９５〜１１１）には、コンクリートの強度を決定する数々の要因が記載されている。特に、本文献には、コンクリート打ち込み後に水和反応が進行してコンクリートが強度発現するまでの管理期間（以下、「養生」と言う）がコンクリート強度に大きな影響を与えることが開示されている。具体的には、水和反応で生じる発熱が強度発現に悪影響を及ぼす旨の情報が開示されている。
また、非特許文献７（電力中央研究所１９９９年度年報、ｐｐ．９２〜９３）には、コンクリート中の鉄筋の腐食の進行度は、コンクリートで電気抵抗の値から推定できることが記されている。
さらに、非特許文献８（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｕａｔ．ａｃ．ｊｐ／〜ｍａｓａ／ｓｔｕｄｙ−ｊ．ｈｔｍｌ）には、コンクリートの電磁波の透過特性についての詳細が記述されている。
【特許文献１】 特開２００２−３８７２３号公報
【特許文献２】 特開平１１−１２１７６６号公報
【特許文献３】 特開２００１−９９７３４号公報
【非特許文献１】 Ｐｒｏｃ．Ｓｅｃｏｎｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐｏｎ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｈｅａｌｔｈ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，１９９９，ｐｐ．５６〜６７
【非特許文献２】 日経エレクトロニクス２００２年６月１７日号、ｐｐ．３７
【非特許文献３】 ＩＥＥＥ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｊｕｌｙ ２０００、ｐｐ．４２〜４８
【非特許文献４】 ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＶＥＲＹ ＬＡＲＧＥ ＳＣＡＬＥ ＩＮＴＥＧＲＡＴＵＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭＳ、ＶＯＬ．９、ＮＯ．１、ＦＥＢＲＵＡＲＹ ２００１、ｐｐ．６４〜ｐｐ．７５
【非特許文献５】 日経エレクトロニクス２００２年３月１１日号、ｐｐ．５５〜ｐｐ．６６
【非特許文献６】 オーム社刊、「絵ときコンクリート」、ｐｐ．９５〜１１１
【非特許文献７】 電力中央研究所１９９９年度年報、ｐｐ．９２〜９３
【非特許文献８】 ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｕａｔ．ａｃ．ｊｐ／〜ｍａｓａ／ｓｔｕｄｙ−ｊ．ｈｔｍｌ
【発明の開示】
非特許文献６に開示されるように、現代建造物の根幹をなすコンクリートの品質は、主に、▲１▼コンクリートペースト作成時のセメント／水混合比（水分が必要以上に多くないか）、▲２▼コンクリートペーストの骨材の品質（塩分を多く含んだ砂利を使用していないか）、▲３▼コンクリートペースト中の不純物（ゴミ等が混じってないか）、▲４▼施工品質（きちんと管理されて養生されているか）等で決定される。上述のトンネルコンクリート剥落事故では、塩分の多い海砂を大量に含み、しかも、コンクリート打ち込み時の効率を向上させるために、取り扱いが容易になるように水を大量に混合したコンクリートペーストを使用したことが一番の原因だと考えられている。つまり、不適切なコンクリートペーストが使用されたため、海砂に含まれる塩化物イオンが基礎の鉄骨を腐食させ、さらに、コンクリートペースト中の水分が抜けた部分が空隙となり、その結果、非常にもろい構造になってしまい、設計寿命よりも大幅に短い時間でコンクリートの崩落が始まったものと考えられている。
以上のように、コンクリート建造物は、コンクリート作成／打ち込み／養生時においてほぼその品質が決定されると言っても過言ではない。このため、コンクリート作成／打ち込み／養生時における品質管理／品質検査は非常に重要である。また、残念ながら不適切なコンクリートが使用されるケースが後を絶たない現状においては、コンクリートそのものの品質チェックも非常に重要である。
これに対して、特許文献１および非特許文献１〜２に開示されている建造物品質モニタシステムおよびモニタ方法では、基本的に建設済みの建造物に対してのモニタシステムあるいはモニタ方法であり、上記課題に対する有効な解決手段とはなり得ない。特に、不適切なコンクリートが打ち込まれたかどうかを、その場で直ちに検知することは不可能である。同様に、これらのモニタシステムあるいはモニタ方法では、応力や振動等が測定可能であるが、上記課題の▲１▼〜▲４▼については直接的に測定できない。このため、結局のところ、もし、不適切なコンクリートが建造時に使用されたとしても、それにより、例えば、建造時から１０年以上経過してしまってから、内部の鉄筋その他が極度に劣化して剥落や崩壊が始まってから、あるいは、始まる直前になってようやく不適切なコンクリート材料が使用されたことが検知できるに過ぎないという問題がある。
なお、特許文献１にはｐＨセンサを用いて建造物の品質を判定しようというアイデアも併記されている。本文献には具体的な構成の記述はないが、ｐＨセンサを使用すれば、基本的には上記課題の▲２▼を測定可能である。しかし、本文献のモニタシステムの場合、建造物が完成してから建造物に組み込んだセンサを測定器に接続してはじめて、測定ができるようになる。つまり、本文献に開示のモニタシステム及びモニタ方法も、コンクリート作成／打ち込み／養生時における品質管理／品質検査には用い得ないという問題がある。
さらに、これらのモニタシステムおよびモニタ方法では、非常に高価な光ファイバセンサ等のセンサが必要であるため、コストが高いという問題がある。また、建造物に敷設したセンサをケーブル（光ファイバあるいはメタルケーブル）で接続して設置する必要があるため、同様に施工コストが高くなるという問題がある。さらに、根本的な問題として、接続ケーブルが何らかの不注意などの原因で切断されてしまった場合には、モニタシステムが全く使用できなくなるという問題がある。
本発明の目的は、建造物の品質、寿命、劣化具合に最も大きな影響を与える、コンクリートペースト作成時からのコンクリート品質、言い換えると、不適切なコンクリートが使用されていないかをモニタして、建造物の品質その他を総合的にモニタする方法およびモニタシステムを提供することである。
さらに、本発明の他の目的は、上記モニタシステムを実現するために、電力発生装置、センサ、ＣＰＵ、メモリ、無線インタフェースを内蔵し、コンクリートペースト作成時からのコンクリートの品質を永続的にモニタすることが可能な半導体集積回路装置を提供することにある。
さらに、本発明の他の目的は、コンクリート作成、打ち込み、養生時における品質管理、品質検査が可能な建造物品質モニタシステム、建造物品質モニタ方法、及びそれらに用いられる半導体集積回路装置を提供することである。
さらに、本発明の他の目的は、光ファイバセンサ等の高価なセンサを用いることなく、コンクリート作成、打ち込み、養生時における品質管理、品質検査を安価に実現できる建造物品質モニタシステム、建造物品質モニタ方法、及びそれらに用いられる半導体集積回路装置を提供することである。
さらに、本発明の他の目的は、建造物にセンサを敷設し、それを光ファイバあるいはメタルケーブルなどのケーブルで接続する必要がなく、ケーブル切断による機能不全の心配のない建造物品質モニタシステム、建造物品質モニタ方法、及びそれらに用いられる半導体集積回路装置を提供することである。
本願によって開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。すなわち、半導体計測の対象となる物理量を検知するセンサ、典型的には、電気抵抗センサ（ＲＳ１）、温度センサ（ＴＳ１）、圧力センサ（ＰＳ１）および加速度センサ（ＡＳ１）と、前記センサにより検知した信号を増幅してディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路（ＡＤ１）と、前記ディジタル信号を処理するマイクロプロセッサ（ＣＣＰＵ１）と、前記センサにより得た情報を格納するメモリ（ＣＭＥＭ１）と、前記マイクロプロセッサにより処理した信号を外部へ無線にて送信する無線インタフェース回路（ＣＡＮＴ１）とアンテナ（ＣＡＮＴ１）、アンテナに接続された整流器（ＲＥＦ１）、および、前記センサ、前記Ａ／Ｄ変換回路、前記マイクロプロセッサ、前記メモリ、および、前記送信回路に電力を供給するかどうかを決定する電源制御回路（ＰＣ１）、電源制御回路のオンオフを決定する電荷監視回路（ＣＷ１）とタイマ回路（ＴＭ１）を搭載した第１の半導体集積回路（ＣＨＩＰ１）と、第１の半導体集積回路を搭載する第１の基板（ＢＯ１）に搭載されたコンデンサ（Ｃ１）、および、第１の電力発生用半導体集積回路（ＢＣＨＩＰ１）を具備する半導体集積回路装置（ＳＣ１）を、建造物（ＢＵＬ１）を構成するコンクリート（ＣＯＮ１）でできた壁／床等に、コンクリートペーストの段階から混ぜ込んで埋め込む。このようにして埋め込んだ半導体集積回路装置ＳＣ１により、内蔵する電力発生装置ＢＣＨＩＰ１が発電する微小な発電電力をコンデンサＣ１に蓄えて、あらかじめ設定された電荷量が蓄えられた時点で、内蔵するセンサ（ＲＳ１、ＴＳ１、ＰＳ１、ＡＳ１）、メモリＣＭＥＭ１、プロセッサＣＣＰＵ１、Ａ／Ｄ変換回路ＡＤ１を間欠的に起動して、コンクリート中の電気抵抗、温度、圧力等の物理量を検知する。さらに、プロセッサＣＣＰＵ１により、検知された信号の値が望ましい範囲内に収まっているかどうかを判断して、望ましくない場合には、メモリＣＭＥＭ１に記憶する。以上の検知動作をあらかじめ設定された適切な時間間隔で継続して、コンクリートの品質を監視する。このようにして測定された検知信号を、コンクリートの養生終了後に、無線通信にて検査機（ＲＣ１）にて読み出す。なお、この読み出し動作に先立って、検査機ＲＣ１内の無線インタフェース回路ＲＦ１から検査機ＲＣ１のアンテナＡＮＴ１を経由して、高周波にて、電力を前記半導体集積回路装置ＳＣ１に供給する。半導体集積回路装置ＳＣ１では、内蔵する整流器ＲＥＦ１にて、供給された高周波電力を直流電力に変換した後に、コンデンサＣ１に蓄えて、ＳＣ１内に搭載する無線インタフェース回路ＣＲＦ１を起動するための電源とする。このようにして、メモリＣＭＥＭ１内に記憶されているデータを、検査機に送信し、検査機にて品質判定プログラムＱＰＲ１により、建造物の品質を判定することを特徴とする建造物品質モニタシステムである。
本発明の建造物品質モニタ方法は、半導体集積回路装置ＳＣ１を建造物に組み込むステップと、半導体集積回路装置ＳＣ１に内蔵するセンサ（ＲＳ１、ＴＳ１、ＰＳ１、ＡＳ１）を動作させて検知動作を行うステップと、無線インタフェース回路ＣＲＦ１にてアンテナＣＡＮＴ１経由で検査機ＲＣ１に送信するステップと、検査機に送信された信号に基づき検査機によって建造物の品質判定を行うステップとを含むことを特徴とする。この建造物品質モニタ方法は、半導体集積回路装置ＳＣ１に設けられたメモリＣＭＥＭ１に検知信号を記憶するステップと、半導体集積回路装置ＳＣ１に設けられたメモリＣＭＥＭ１に保存された信号を取り出すステップとを更に含んでいてもよい。
また、本発明の半導体集積回路装置（ＳＣ１）は、電気抵抗センサ（ＲＳ１）、温度センサ（ＴＳ１）、圧力センサ（ＰＳ１）および加速度センサ（ＡＳ１）と、前記センサにより検知した信号を増幅してディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路（ＡＤ１）と、前記ディジタル信号を処理するマイクロプロセッサ（ＣＣＰＵ１）と、前記センサにより得た情報を格納するメモリ（ＣＭＥＭ１）と、前記マイクロプロセッサにより処理した信号を外部へ無線にて送信する無線インタフェース回路（ＣＡＮＴ１）とアンテナ（ＣＡＮＴ１）、アンテナに接続された整流器（ＲＥＦ１）、および、前記センサ、前記Ａ／Ｄ変換回路、前記マイクロプロセッサ、前記メモリ、および、前記送信回路に電力を供給するかどうかを決定する電源制御回路（ＰＣ１）、電源制御回路のオンオフを決定する電荷監視回路（ＣＷ１）とタイマ回路（ＴＭ１）を搭載した第１の半導体集積回路（ＣＨＩＰ１）と、第１の半導体集積回路を搭載する第１の基板（ＢＯ１）に搭載されたコンデンサ（Ｃ１）、および第１の電力発生用半導体集積回路（ＢＣＨＩＰ１）とを具備することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の建造物品質モニタシステムの望ましい一実施形態を示す図である。
図２は本発明の建造物品質モニタシステムにて使用するモニタチップの断面図である。
図３は本発明のモニタチップの詳細な構成を示した図である。
図４は本発明のモニタチップを組み込んだ建造物の作成方法および建造物品質モニタ方法を示した図である。
図５は本発明のモニタチップが搭載する電力発生用半導体集積回路の動作原理と、発電電力の回収回路の構成およびその動作を示した図である。
図６は本発明のモニタチップの一部をなす、電源制御回路、タイマ回路、電荷監視回路の構成図である。
図７は本発明の建造物品質モニタチップの動作の概要と送信されるデータの概略を示した図である。
図８は本発明のモニタチップの一部をなす、電気抵抗センサ、温度センサ、加速度センサ、圧力センサの構成を示した図である。
図９は本発明のモニタチップの一部をなす、選択機能付きＡ／Ｄ変換回路の構成図である。
図１０は本発明のモニタチップの一部をなす、無線インタフェース回路、整流回路の構成図である。
図１１はコンクリートの電磁波透過特性を示した図である。
図１２は、図１に示した本発明の建造物品質モニタシステム、モニタ方法において使用する品質検査機の動作の概要を示した図である。
図１３は、図１２の品質検査機にて内部処理に使用されるデータの構造の概略を示した図である。
図１４は、図１２に示した品質検査機の高周波送受信回路とそれによって実現されるモニタチップ位置の検出方法の原理を示した図である。
図１５は本発明のモニタシステムによるコンクリート内部の応力分布の算出方法とその原理を説明した図である。
図１６は実施例２で説明する、中継機による検知データの中継の概念と、中継機を利用した建造物品質モニタシステムの構成を示す図である。
図１７は本発明の第２の建造物品質モニタ方法を示した図である。
図１８は、図１７に示した本発明の第２の建造物品質モニタ方法に対応するモニタシステムの構成を示した図である。
図１９は実施例３で説明する、本発明のモニタチップの第２の構成例を示した図である。
図２０は実施例４で説明する、本発明の建造物品質モニタシステム、モニタ方法、および、モニタチップのその他の応用例を示した図である。
【発明を実施するための最良の形態】
以下、本発明の実施例につき、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図において、同一符号は同一または類似部分を示すものである。
【実施例１】
本発明の建造物品質モニタシステムの一実施例を図１に示す。図１に示すように、本発明の建造物品質モニタシステムは、本発明に特有な検査機（ＲＣ１）と、建造物（ＢＵＬ１）の壁や床を構成するコンクリート（ＣＯＮ１）に、後述するように、コンクリートペースト作成時に埋め込まれた、本発明に特有な半導体集積回路装置すなわちモニタチップ（ＳＣ１〜ＳＣ１０）から構成される。また、必要に応じて、建造物ＢＵＬ１内あるいはＢＵＬ１外部に設置された管理サーバー（ＳＶ１０）を併用することも可能である。なお、図１には１０個のモニタチップを使用する例を図示しているが、あくまでも説明のための例示であり、実使用時においてはこの限りではない。
本発明に特有な検査機（ＲＣ１）は、アンテナ（ＡＮＴ１）、無線通信インタフェース（ＲＦ１）、プロセッサ（ＣＰＵ１）、メモリ（ＭＥＭ１）、二次記憶装置（ＨＤＤ１）、表示装置（ＤＩＳＰ１）、ユーザーインタフェース装置（ＵＩ１）、および、ネットワークインタフェース（ＮＩ１）から構成される。このうち、二次記憶装置ＨＤＤ１は、典型的には、ハードディスク等で構成される。また、表示装置ＤＩＳＰ１はＣＲＴ等で、ユーザーインタフェース装置ＵＩ１は、キーボード／マウス等で構成される。
検査機ＲＣ１は、無線インタフェース／アンテナ経由で、コンクリートに埋め込まれたモニタチップと通信を行い、後述するように本発明のモニタチップ内のメモリに格納された、コンクリート品質に関する各種測定データを読み出す。検査機ＲＣ１では、受信した測定データを元に、二次記憶装置ＨＤＤ１あるいはメモリＭＥＭ１上に格納されている品質判定プログラム（ＱＰＲ１）に従って、コンクリート品質の判定を行う。本検査機では、ネットワークインタフェース（ＮＩ１）経由で、インターネット等に代表される広域ネットワーク網（ＷＡＮ１）を介して、管理サーバー（ＳＶ１０）と通信することが可能である。後述するように、品質判定の際に、ネットワーク経由で、管理サーバーＳＶ１０内のデータベースＤＢ１０に格納されている各種情報（例えば、検知されたデータとコンクリート品質との相関関係等）を参照して、より高精度な判定を行うことも可能である。
本発明に特有な管理サーバー（ＳＶ１０）は、ネットワークインタフェース（ＮＩ１０）、プロセッサ（ＣＰＵ１０）、メモリ（ＭＥＭ１０）、二次記憶装置等で構成されたデータベース（ＤＢ１０）から構成される。この管理サーバーＳＶ１０は、データベースＤＢ１０に、品質判定の際に必要となる各種情報（検知結果と品質との相関関係等）を保存しており、本発明の検査機ＲＣ１からのリクエストに応じて、ネットワーク経由で検査機に送信する。また、検査機から送られてきた検査結果をデータベースに保存／管理して、遠隔地にある建造物の品質状況を管理することも可能である。また、検査機ＲＣ１ではなく、本管理サーバー上のプロセッサＣＰＵ１０により、品質判定プログラムを走らせて、結果を検査機に送り返す、といったことも実現可能である。
図２に示すのは、本発明に特有なモニタチップ（ＳＣ１）の断面図である。さらに、図３の（ａ）に示すのは、本モニタチップＳＣ１の一方の主面（ＳＩＤＥ１）である。同様に、図３の（ｂ）に示すのは、図３の（ａ）とは逆の主面（ＳＩＤＥ２）である。これらの図に示されるように、本発明に特有なモニタチップ（ＳＣ１）は、第１の半導体集積回路（ＣＨＩＰ１）、第１の電力発生用半導体集積回路（ＢＣＨＩＰ１）、コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）、インダクタ（Ｌ１）、および、これらを搭載するための基板（ＢＯ１）から構成される。このうち、基板（ＢＯ１）には、これらの間を結線するための配線パターン、後述する無線インターフェース回路（ＣＲＦ１）で使用するアンテナ（ＣＡＮＴ１）パターン、および、後述する電気抵抗センサ回路（ＲＳ１）で使用する電気抵抗測定端子（ＲＴ１〜ＲＴ４、ＲＴ１Ａ〜ＲＴ４Ａ）のパターン等が、銅あるいは金等の金属で描かれている。これらについては、通常、ＭＣＰ（Ｍｕｌｔｉ Ｃｈｉｐ Ｐａｃｋａｇｅ）技術にて使用されているものと同様のもので構成されている。また、コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）および、インダクタ（Ｌ１）についても、通常のＭＣＰチップで使用されているものと同様のチップ形態のものが使用可能である。なお、コンデンサについては、図２に示すように、基板ＢＯ１を多層基板で形成して、そのうちのいくつかの層をペアで使用する、積層コンデンサ（Ｃ１Ａ、Ｃ２Ａ）を利用することも可能である。
さらに、図２に示されるように、第１の半導体集積回路（ＣＨＩＰ１）、および、第１の電力発生用半導体集積回路（ＢＣＨＩＰ１）は、本発明に特有な配置で基板（ＢＯ１）に搭載されている。すなわち、ＣＨＩＰ１、ＢＣＨＩＰ１は、基板上の同一面ではなく、それぞれ、第１の基版面（ＳＩＤＥ１）、および、第２の基版面（ＳＩＤＥ２）に搭載されている。
また、図２に示すように、これらの半導体集積回路、コンデンサ、インダクタ、および、基板は、エポキシ樹脂等のモールド材（ＭＯ１）で覆われており耐水性および耐久性を有する。これらのモールドは、通常のＭＣＰと同様のものが使用可能であるが、本発明のモニタチップでは、後述するようにコンクリートペーストに混ぜ込んで、最終的にはコンクリート壁あるいは床等に一体化して埋め込むため、通常の半導体集積回路作成時よりも厚くモールドする必要がある。さらに、モールド内部の、ＣＨＩＰ１の上面に、第１の半導体集積回路に搭載する圧力センサ（ＰＳ１）がコンクリート内部の加わっている圧力を検知できるようにするために、外部からの圧力を多少緩和しつつも内部に伝達可能な材質のモールド材ＢＦ１により、本発明に特有な圧力窓（ＰＷＩＮ１）を設置する点に特徴がある。
これらの半導体集積回路（ＣＨＩＰ１、ＢＣＨＩＰ１）から構成された本発明のモニタチップ（ＳＣ１）では、後述するように、電力発生装置、電気抵抗などの各種センサ、メモリ、ＣＰＵ、無線インタフェース回路を１チップに集積している。このため、コンクリートペースト作成時からのコンクリート品質を永続的にモニタすることが可能であり、これまで実現不可能であった、「コンクリート建造物の品質を決定する、コンクリートペースト作成時からのコンクリートの品質のモニタ」が可能となる。
図４に示すのは、このようなコンクリートペースト作成時からの品質モニタリングを可能とする、本発明に特有な建造物建設方法および品質モニタ方法を示した図である。この図４に示されるように、本発明に特有な方法として、骨材ＡＧ１、セメントＣＥ１、水ＷＡ１で構成される通常のコンクリート原料の他に、本発明に特有なモニタチップＳＣを、コンクリート作成時Ｐ１００から混ぜ込む。後ほど詳細に説明するが、本発明のモニタチップでは、内蔵する電力発生装置、センサ（電気抵抗、温度他）、ＣＰＵ、メモリにより、外から電源を加えることなしに、例えば、電気抵抗センサにより、コンクリート中の水分量や、塩化物イオン量を測定して、あらかじめ設定されている許容値内であるかを永続的にモニタすることが可能である。さらに、内蔵する無線インタフェース回路を使用して、検査機ＲＣ１に無線通信で、モニタされた水分量、塩化物イオン等の値を送信可能である。
図４に示す本発明の建造物品質モニタ方法では、以上で説明したこれらの本発明のモニタチップに特有な機能を建造物品質モニタに活用する。すなわち、コンクリートペースト作成とリンクさせて、モニタチップでは、検知動作を開始し、測定された水分量その他の異常値をメモリに記憶する（Ｐ２１０）。さらに、モニタチップ内蔵の温度センサ（ＴＳ１）により、コンクリート養生時の温度変化が、あらかじめ設定した許容範囲内に収まっているかをモニタし、もし、許容範囲に収まっていない、異常な温度条件の場合には、同様にして異常値をモニタチップのメモリ（ＣＭＥＭ１）に記憶する。次に、養生終了後、検査機ＲＣ１にてコンクリートの品質検査（Ｐ１２０）を行う。この検査の際には、検査機からのリクエストに応じて、モニタチップのメモリ内のデータが読み出されて（Ｐ２２０）、コンクリート作成時の水分量や塩化物イオン濃度が適切であったか、あるいは、養生時の温度管理は適切であったか等の判定が行われる。この際に、もし不適切な品質のコンクリートが使われていたり、養生管理が不十分であったりした場合には、即座に検知可能であり、該当不具合箇所の補強工ことあるいは最悪の場合には部分的／全面的建て直し（Ｐ１２５）を、早期に行うことが可能である。つまり、トンネルコンクリート剥落事故で問題となったような、不適切なコンクリートの使用を、数１０年もの長い期間を放置したまま使用しなくとも、建築終了時の検査時に即座に検知可能である。このように、本発明に特有なモニタシステム、モニタ方法、および、モニタチップを使用することにより、従来には実現不可能であった、建造物作成時からの品質モニタが可能となり、その結果、高品質の建造物が実現される。
以上は、建造物作成時の品質モニタであったが、図４に示すように、本発明では、従来技術と同様に、建造物が完成してからの、いわゆる経年変化あるいは劣化をモニタすることも可能である。例えば、何年かの割合で、検査機ＲＣ１を建造物内に導入して、建設時と同様の検査を行う（Ｐ１４０）。建造物のコンクリート内部に埋め込まれたモニタチップは、この期間中も、後ほど詳しく説明するように内蔵する電力発生装置にて建造物の微小振動をエネルギー源として発電して、検知動作を続けており、例えば、コンクリートにひびが生じて内部雨水が浸透してきたか等を検知可能である。さらに、個々のモニタチップにより、内蔵する圧力センサで測定されたコンクリート内部の圧力を検査機にて集計することにより、建造物内の内部応力分布が検出可能であり、応力疲労していないか等の診断が可能となる。
本発明のモニタチップは、大量生産可能な半導体プロセスにて作成可能である。また、従来技術の項で説明したような高価な光ファイバセンサは不要である。さらに、本発明では、コンクリート作成時にて他の原料と同じように扱って混ぜ込んで施工することが可能である。このため、極めて安価な追加コストにて施工することが可能である。このように、従来技術では実現不可能であった品質モニタシステムが実現できるのみならず、従来のモニタシステム／方法でも実現可能なモニタ項目についても、非常に安価な代替手段を提供可能である。
以上が本発明のモニタシステム／モニタ方法／モニタチップの概要であるが、以下、本発明の根幹をなすモニタチップの詳細について説明する。図３に示されるように、第１の半導体集積回路（ＣＨＩＰ１）は、マイクロプロセッサ（ＣＣＰＵ１）、メモリ（ＣＭＥＭ１）、無線インタフェース回路（ＣＲＦ１）、アンテナ（ＣＡＮＴ１）、および、アンテナ経由で外部から照射された高周波電力を直流電力に変換する整流回路（ＲＥＦ１）、温度センサ（ＴＳ１）、加速度センサ（ＡＳ１）、圧力センサ（ＰＳ１）、電気抵抗センサ（ＲＳ１）等で構成されるセンサ回路、センサからのアナログ信号をディジタル量に変換するＡ／Ｄ変換回路（ＡＤ１）、上記ＣＣＰＵ１、ＣＭＥＭ１、ＣＲＦ１、ＴＳ１、ＡＳ１、ＰＳ１、ＲＳ１、ＡＤ１への電源供給を制御する電源制御回路（ＰＣ１）、ＰＣ１のオン／オフを制御するタイマ回路（ＴＭ１）、および、基板ＢＯ１上に設置されたコンデンサＣ１に蓄積された電荷量および外部から高周波電力が照射されているかを監視する電荷監視回路（ＣＷ１）から構成される。
マイクロプロセッサＣＣＰＵ１は、メモリＣＭＥＭ１上に格納されたプログラム（ＰＲ１）に従って、チップ上の各回路の動作モードを設定して制御して、各センサを駆動してコンクリートの品質をモニタする。また、後述するように、検知されたデータを圧縮する、あるいは、ＩＤ情報を付加する等の加工を行った後に、上記無線インタフェース回路ＣＲＦ１経由で、無線にて外部に送信する。
メモリＣＭＥＭ１は、プログラムＰＲ１の以外にも、例えば、センサからの異常なデータが取得された際のデータや、マイクロプロセッサＣＣＰＵ１における動作モードのパラメータ等の情報を保持する。メモリＣＭＥＭ１は、典型的には、低消費電力でデータ保持可能なＳＲＡＭや、電源供給オフ時でもメモリ内容が保持されるＮＯＲ型あるいはＡＮＤ型等のフラッシュメモリ等で構成される。しかし、低消費電力でメモリ内容が保持できれば、他のタイプのメモリも使用可能であることは言うまでもない。
第１の電力発生用半導体集積回路（ＢＣＨＩＰ１）は、微弱な外部振動を電気エネルギーに変換する小型の電力発生装置である。床、壁等の微小振動エネルギーを利用すれば、１０μＷ程度の発電が可能となる。以下、電力発生用半導体集積回路の動作を具体的に説明する。
電力発生用半導体集積回路ＢＣＨＩＰ１は、外部の振動により静電容量が変化する可変容量コンデンサ（ＣＭ１）、および、電力回収回路（ＰＣ２）から構成される。電力回収回路ＰＣ２は、可変容量コンデンサＣＭ１により外部振動の力学エネルギーから変換された電気エネルギーを回収して、基板ＢＯ１上のコンデンサＣ１を充電するように機能する。可変容量コンデンサＣＭ１は、通常、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）プロセスによりシリコンチップ上に微細構造で構成される。具体的には、図３（ｂ）に示すように、２つの固定電極（ＳＴ１、ＳＴ２）、および、可動電極（ＶＴ１）から構成される。このうち、可動電極（ＶＴ１）はアンカー（ＰＮ１〜４）以外のどこにも固定されておらず、ＢＣＨＩＰ１上に浮いている。このため、ＢＣＨＩＰ１がある加速度を持って振動等の運動をすると、これにより発生する慣性力により、２つの固定電極（ＳＴ１、ＳＴ２）間を振動する。この振動により、これらの電極間の距離が変わり、可変容量コンデンサＣＭ１の静電容量が変化する。
図５の（ａ）に示すのは、この可変容量コンデンサＣＭ１の電荷Ｑを一定にした時に、外部振動によりＣＭ１の静電容量がＣｍｉｎ→Ｃｍａｘと変化した場合の電圧Ｖと静電エネルギーの変化を示した図である。このように、外部振動により静電容量が変化する結果、蓄えられる静電エネルギーが増加する。そして、この静電エネルギーの増加分を回収することにより、小型の電力発生装置としての機能を発揮する。
ＢＣＨＩＰ１に形成する電力回収回路の一実施例を図５の（ｂ）に示す。電力発生装置は、従来のものと同様の構成を用いることができる。可変容量コンデンサＣＭ１の他に、コンデンサＣ２、インダクタＬ１、および、整流器Ｄ３、ＰＭＯＳトランジスタＴＰ１、ＮＭＯＳトランジスタＴＮ１、これらのトランジスタのオン／オフのタイミングを制御するドライブ回路（ＰＤＲ１）から構成された電力回収回路（ＰＣ２）から構成される。ドライブ回路ＰＤＲ１は、外部振動による可変容量ＣＭ１の静電容量の変化に応じて、図５の（ｃ）に示すタイミング（Ｔ１〜Ｔ５）で、ＴＮ１および、ＴＰ１のオン／オフを制御する。電力回収回路は本発明の特徴部分ではないため、ここでは説明を省略する。発生した電力については、最終的には、整流器Ｄ３を経て、ＶＤＤ１ラインに供給され、第１の半導体集積回路ＣＨＩＰ１の電源制御回路ＰＣ１に接続されたコンデンサＣ１に充電される。
可変容量コンデンサＣＭ１は、基本的には、半導体プロセスとコンパチブルなＭＥＭＳプロセスで作成可能である。このため、１つの半導体集積回路に混載することも可能である。しかし、図５の（ａ）に示されるように、取り出される電気エネルギーは、コンデンサＣＭ１の静電容量（最大容量Ｃｍａｘと最小容量Ｃｍｉｎの差）、および、初期電荷Ｑの２つの値に依存する。すなわち、コンデンサＣＭ１の静電容量が大きいほど、また、初期電荷Ｑが大きいほど、大きな電気エネルギーを取り出すことができる。このため、静電容量は大きいものの方が好適であり、通常、数１００ｐＦ程度のものが必要とされる。静電容量を大きくするには、図３の（ｂ）に示すＣＭ１の面積を大きくするほかに、櫛状に形成された電極間の溝の深さを深くする必要がある。このため、１ｃｍ×１ｃｍ×０．５ｍｍ（深さ）程度のサイズのものが必要とされる。
なお、この溝はエッチングにより形成されるが、通常の半導体集積回路では、０．５ｍｍエッチングは必要とされない。しかし、発電効率の点から考えると、溝は深ければ深いほど好ましい。一方、半導体集積回路を作成する際のコストを考えると、コンデンサＣＭ１の面積は小さければ小さいほうが好ましい。また、エッチングで削る溝も、それほど深くないほうがより好ましい。
この相反する問題を解決するため、本発明のモニタチップでは、図３に示すように、可変容量コンデンサＣＭ１および電力回収回路と、それ以外の回路を別々の半導体集積回路で構成する。このような２チップのセパレート構成により、それぞれのチップに特化した専用プロセスにて作成することが可能となり、溝の深さも任意に形成できる。さらに、本発明に特有な構成として、これらのチップを、ＭＣＰ構成で基板の裏表両面（ＳＩＤＥ１、ＳＩＤＥ２）に搭載する。このような構成により、可変容量コンデンサＣＭ１の面積を、センサチップと同程度のサイズにまで大きくすることができるため、大容量のものが実現可能となる。さらに、図３に示すように、基板ＢＯ１の他のエリアに電力回収回路として必須となる、コンデンサＣ２、インダクタＬ１、また、無線インタフェースに必要となるアンテナＣＡＮＴ１等を、基板上に搭載するか、または、配線パターンとして形成できる。つまり、本発明に特有な図３の構成により、ほぼ通常のＩＣチップサイズの大きさ（〜１ｃｍ角以下）に、電力発生装置、センサ、ＣＰＵ、ＲＦを集積したセンサシステムが実現可能となる。この結果、超小型な自律動作可能なモニタチップを実現することができる。
以上のように、本発明のモニタチップにおいては、自律的に電源を得ることが可能である。しかし、従来の技術では、１ｃｍ角程度のサイズでは、発電電力は１０μＷ程度に限られている。一方、ＣＭＯＳプロセスで作成された半導体集積回路では、マイクロプロセッサ、メモリ（特にＳＲＡＭ）は、クロック周波数を１００ＫＨｚ程度に下げることにより、消費電力を１０μＷ程度にまで押さえることが可能である。本実施例の場合、マイクロプロセッサが受け持つ一番重い処理は、データを圧縮してメモリに格納する程度の作業であり、１００ＫＨｚ程度のクロック周波数でも十分処理可能である。例えば、クロック周波数を１００ＫＨｚに設定したとしても、１秒間に１０万サイクル命令を実行可能であり、１ミリ秒間に限ってみても、１００命令程度を実行可能である。このため、上記発電チップにより電源を供給してプロセッサ、メモリその他を動作させることが可能である。
しかし、１０μＷ程度の発電電力では、ＣＨＩＰ１上の各種センサを同時に駆動することは難しい。さらに、無線で外部と通信を行うには、例えば、ＵＷＢなど超低消費電力無線インタフェースでも、１００μＷ程度の電力が必要とされている。
この問題を解決するために、本発明では、コンデンサＣ１、タイマＴＭ１、スイッチトランジスタＴＰ２、電荷監視回路ＣＷ１、整流回路ＲＥＦ１および、電源制御回路ＰＣ１から構成された低消費電力動作方式を採用する。この低消費電力動作方式をより具体的に示したのが、図６の（ａ）に示す図である。すなわち、通常は、電力発生用半導体集積回路ＢＣＨＩＰ１から発電される電力は、ＣＨＩＰ１の各回路には供給せず、その代わりにコンデンサＣ１に発電電力を蓄える。タイマＴＭ１により設定された時間間隔が経過したと判断された場合、あるいは、電荷監視回路ＣＷ１が十分な電力が蓄えられたと判断した場合のみに、電源制御回路ＰＣ１内のスイッチトランジスタＴＰ２を導通させ、オンチップのセンサ等の他の回路に電力を供給して間欠的に検知動作を行い、必要に応じて検知結果をメモリＣＭＥＭ１に格納する。
既に説明したように、本発明のモニタチップでは、検査機に無線にて検知されたデータを送信する必要があり、最低でも数１００μＷの電力が必要である。このため、本発明では、図３の（ａ）に図示されるように、アンテナＣＡＮＴ１にて検査機ＲＣ１から照射された高周波電力を受信して、整流器ＲＥＦ１にて直流電力に変換してコンデンサＣ１に蓄えて、検知されたデータの無線送信の電源とする。このように、
▲１▼ 検知動作は内蔵する発電装置からの電力にて賄う
▲２▼ 検知データの無線送信は、検査機から供給される高周波電力で賄う、
というハイブリット方式を採用することにより、外部からの電源供給なしに、永続的に建造物の品質をモニタして、検査機からのリクエストに応じてデータを送信することが可能となる。
図６の（ｂ）に示すのは、上記電源制御において使用する、本発明に特有な電源制御回路ＰＣ１、電荷監視回路ＣＷ１、および、タイマＴＭ１の具体的な構成例である。この図に示すように、電源制御回路ＰＣ１は、制御論理回路ＰＧ１〜ＰＧ３、スイッチトランジスタＴＰ２から構成される。電荷監視回路ＣＷ１あるいはタイマＴＭ１からの信号ＥＰ１、および、ＥＰ３がハイレベルの場合、あるいは、電荷監視回路からの検査機にて高周波電力が供給されていると判断された場合に、制御論理ＰＧ３の出力がローレベルとなり、スイッチトランジスタＴＰ２が導通状態となり、ＶＤＤ２ラインに電源が供給される。その結果、ＶＤＤ２から電源を供給されている、メモリＣＭＥＭ１、無線インタフェース回路ＣＲＦ１、Ａ／Ｄ変換回路ＡＤ１、センサその他の回路が起動する。なお、この図６の（ｂ）には、昇降圧レギュレータ（ＲＧ１）を記載しているが、本発明に独自のものではないので、ここでは説明は省略する。
電荷監視回路ＣＷ１は、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、基準電圧発生回路ＶＲＥＦ１、ＶＲＥＦ２、電圧比較回路ＣＯＭＰ１、ＣＯＭＰ２、および、バスＣＢＵ１経由にてＣＣＰＵ１に制御されるバスインタフェースＣＷＩ１から構成される。このうち、ＣＯＭＰ１、Ｒ１、Ｒ２、ＶＲＥＦ１にてコンデンサＣ１の電荷、つまり、第１の電源ラインＶＤＤ１の電圧が監視される。つまり、以下の式（１）で与えられるしきい値電圧Ｖｔ１と比較し、ＶＤＤ１＞Ｖｔ１の場合に、出力ＥＰ１をハイレベルにプルアップする。
Ｖｔ１ ＝ ＶＲ０・（１＋Ｒ１／Ｒ２） （１）
同様に、残りのＣＯＭＰ２、Ｒ３、Ｒ４、ＶＲＥＦ２において、整流回路（ＲＥＦ１）からの信号のＶＲＦを監視することにより、外部の検査機より高周波電力が照射されて検知データの送信がリクエストされているのかを判定する。すなわち、式（２）で与えられるしきい値電圧Ｖｔ２と比較し、ＶＲＦ＞Ｖｔ２の場合に、出力ＥＰ２をハイレベルにプルアップする。
Ｖｔ２ ＝ ＶＲ１・（１＋Ｒ３／Ｒ４） （２）
なお、基準電圧ＶＲ０、ＶＲ１の電圧値は、バスインタフェースＣＷＩＦ１経由で、ＣＣＰＵ１から変更することも可能である。また、ＣＷＩ１に内レジスタにはＶＲＦが設定値以上なったかどうかを格納して、ＣＣＰＵ１がバス経由でレジスタ内容を読み出すことにより、検査機ＲＣ１からリクエストがあったかどうかを確認することが可能である。
なお、ＶＲＥＦ１、ＶＲＥＦ２、ＣＯＭＰ１、ＣＯＭＰ２については、常時給電されるため、例えば、抵抗Ｒ１〜Ｒ４には、高抵抗（数１０ＭΩ以上）等で設計することが望ましい。これらについては、ＣＭＯＳプロセスで形成されるのが一般的である。
タイマＴＭ１は、発振回路ＯＳＣ１、プリセットカウンタＣＯＵＮＴ１、ＣＯＵＮＴ１のプリセット値を保持するレジスタＲＥＧ１、電荷監視回路ＣＷ１が規定電圧になるまでのカウント値を保持するレジスタＲＥＧ２、および、ＣＣＰＵ１とのバスインタフェースＴＩＦ１で構成される。プリセットカウンタＣＯＵＮＴ１は、レジスタＲＥＧ１に設定されたプリセット値までカウントアップし、出力ＥＰ３にハイレベルの信号を出力する。このレジスタＲＥＧ１、ＲＥＧ２の内容は、バスインタフェースＴＩＦ１経由で、ＣＣＰＵ１から書き込みあるいは読み出しが可能である。なお、これらのレジスタの値は、後述する図７に示すルーチンＰ３３０において設定される。これらの各回路は本発明特有なものではないので、ここでは詳細については説明を省略する。なお、このタイマ回路も常時通電されるため、低電力化が必要である。低電力化には、発振回路ＯＳＣ１の発振周波数を低く設定するのが好適である。典型的には、３２ＫＨｚ程度に設定することにより、タイマＴＭ１の消費電流を、１μＡ以下に抑えることができる。
以上のＰＣ１、ＣＷ１、ＴＭ１により、半導体集積回路ＣＨＩＰ１の他の大部分の回路は、通常は動作しておらず、短い時間のみ通電して間欠的に検知動作を行い、また、外部の検査機より高周波電力が送信された場合のみ、検査機にデータを送信するという、本発明に特有な動作方式が実現される。このような間欠動作により、前述した電力の問題も解決可能である。例えば、コンデンサＣ１には、典型的には１μＦ程度のものが使用可能であり、１Ｖまで充電したとすると、１μＣの電荷が蓄えることが可能である。言い換えると、このコンデンサを電源にして、１ｍＡを１秒間取り出せる。つまり、１ｍＷ程度の消費電力の回路を動作させることが可能である。一方、発電チップの発電電力を１０μＷ（〜電圧１Ｖ）とすると、１μＣの電荷を充電するには、以下の計算式（３）に基づく時間がかかる。
１μＣ／（０．０１／１ｍＡ）＝１０００ミリ秒 （３）
余裕を見て充電に２秒かかってとしても、１０秒間に５回程度、チップを駆動して、１ｍＷの消費電力でセンサ回路を駆動することが可能である。本実施例のように、建造物品質モニタに使用する場合は、モニタリングの時間間隔は、最短でも１時間に１回程度も取れれば充分である。コンクリートの養生に必要とされる時間は１ヶ月程度であることが知られている。このため、本発明のように数秒間隔で間欠的にモニタ動作を行ったとしても、実用上何の支障も来たさない。さらに、既にＩＣカード等において実用化されているように、外部から高周波を照射して、数ｍＷ程度の電力を持続的に供給できることが実証されている。このように、本発明のセンサチップでは、本発明に特有な電源制御回路により、ＭＥＭＳプロセスで作成された超小型電力発生装置から、あるいは、アンテナ経由で外部の検査機より高周波で給電する、というハイブリットな電力供給方式が可能であり、電池なしで自律的に建造物の品質モニタを行って検査機へと無線にて送信することが実現できる。
図７の（ａ）に示すのは、上記電力制御方式に従って実現される本発明のモニタチップの動作フロチャートである。この図に示されるように、ＣＣＰＵ１は常時スリープ状態Ｐ３１０にある。タイマＴＭ１あるいは電荷監視回路ＣＷ１からの割り込みによりＰ３２０以降の動作状態に遷移する。動作状態においては、メモリＣＭＥＭ１に格納されたプログラムあるいは動作パラメータに従って以降の動作を決定する。例えば、動作パラメータがデータの検知ならば、データ検知ルーチンＰ３４０を呼び出し、センサ駆動／サブルーチンＰ３４１、データ取り出し／加工（圧縮等）サブルーチンＰ３４２、データ判定サブルーチンＰ３４３を順次実行し、センサからデータを取得し、あらかじめ設定した範囲内のデータであるかないか等の判定を行い、異常値の場合には、メモリにデータを書き込む。一方、電荷監視回路ＣＷ１で外部の検査機から高周波電力が照射されていることが検出されて、検知データの送信がリクエストされているものと判断された場合には、データ送信ルーチンＰ３５０を呼び出し、データ読み出しサブルーチンＰ３５１によりメモリに格納されたデータを読み出し、必要に応じて、識別子生成サブルーチンＰ３５２、パケット生成サブルーチンＰ３５３、圧縮／変調サブルーチンＰ３５４、パケット送信サブルーチンＰ３５５を順次実行し、データを送信する。
送信されるデータは、図７の（ｂ）のａ行に示すように、識別子（ＰＳＩ１）＋データ（ＰＤＡ１）から構成されたパケット（ＳＰＡＴ１）形式で送信される。このように、送信データに識別子を付加することにより、例えば、本発明のモニタチップが、複数同時に使用された場合においても、検査機ＲＣ１側で、どのモニタチップから来たデータなのかの判別が可能になる。識別子ＰＳＩ１には、典型的には、半導体集積回路ＣＨＩＰ１の出荷時において、メモリＣＭＥＭ１の不揮発メモリ部分に書き込まれた固有のＩＤ等チップ固有の情報を使用可能である。さらに、図７の（ｂ）のｂ行に示すように、識別子ＰＳＩ１の他にも、例えば、この情報がモニタチップのどのセンサからの情報なのかの識別情報（センサ種別、ＰＳＩ２）を付加することも可能である。また、動作モード設定ルーチンＰ３２０においては、電荷監視回路ＣＷ１の充電状態を記録したレジスタＣＲ１の読み出し、あるいは、タイマＴＭ１の時間間隔設定レジスタＴＲ１の書き込みを行う。このようにすることにより、電力発生用半導体集積装置ＢＣＨＩＰ１の発電状況に合わせた動作設定が可能である。
図８に示すのは、本発明のモニタチップの第１の半導体集積回路上に作成される各種センサの構成である。以下、各センサの構成を説明する。
図８の（ａ）は、電気抵抗センサＲＳ１の構成例である。定電流源ＣＳ１、増幅器Ａ１により、外部に設けられた電極ＲＴ１、ＲＴ２、ＲＴ３、ＲＴ４間の電圧降下を測定する。定電流源ＣＳ１に設定されている電流値で測定された電圧降下を除算することにより、この２つの電極間の電気抵抗／インピーダンスを測定することが可能である。なお、この図に示しているのは、電気抵抗センサの構成の一例であり他の構成のセンサも使用可能であることは言うまでもない（以下のセンサでも同様）。
本電気抵抗センサにより、コンクリート中の電気抵抗が測定可能であり、これに基づきコンクリートの腐食度が測定可能である。さらに、コンクリート中の水分や塩分（塩化物イオン）は電気伝導性があるため、例えば、図４に示すフロチャートのＰ２１０以降において、コンクリートペースト作成時から本モニタチップを混ぜ込んで電気抵抗を測定することにより、コンクリートペーストの水分量が多すぎないか、あるいは、塩化物イオン等の不適切な材料が使用されていないか等が測定可能である。さらに上述した図７に示す本モニタチップの動作プログラムを適切に設定して、混ぜ込まれた時点からの異常値をメモリに記憶しておけば、後日、検査機にて読み取ることにより、作成時に不適切なコンクリートが使用されたかどうか検知可能である。
図８の（ｂ）に示すのは、本発明のモニタチップで使用される温度センサの構成例である。この図に示されるように、本温度センサは、ダイオードＤ４、Ｄ５、それぞれ違う電流値に設定された定電流回路ＣＳ２、ＣＳ３、増幅器Ａ２から構成される。この方式の温度センサは本発明に特有のものではないのでここでは詳細な説明は省略する。本センサチップは非常に小型（典型的には、５ｍｍ角以下）であり、チップ自身の熱容量は、例えばコンクリート壁や床と比べると無視できる値である。さらに、本センサチップは非常に低消費電力であるため、チップ自身の発熱は無視できる。このため、図１に示す形態でコンクリート中に埋め込めば、本温度センサにより、コンクリート温度を正確に測定することが可能である。
本温度センサにより、例えば、コンクリート打ち込み後の養生中の温度変化をモニタしてメモリ内に記憶することが可能となる。上述した電気抵抗センサと同様に、後日、検査機にて養生中の温度変化を読み取ることが可能である。つまり、これまでは実現不可能であったが、本モニタチップを使用することにより、コンクリートの強度発現には重要な役割を果たす養生期間中に不適切な管理がなされていなかったかどうか等が検出可能となる。
図８の（ｃ）に示すのは、加速度センサＡＳ１の構成例である。本加速度センサは、ＭＥＭＳプロセスで作成された可変容量コンデンサＣＡＳ１〜ＣＡＳ４、および、差動増幅器Ａ３から構成される。この可変容量コンデンサは、前述した電力発生用半導体集積回路ＢＣＨＩＰ１上に構成される発電用コンデンサＣＭ１と、基本的には同じ構造である。図３の（ｂ）に示すＣＭ１と同様に、加速度により生じた慣性力により、可動電極と固定電極間の距離が変わることによりＣＡＳ１〜ＣＡＳ４の静電容量が変化する。例えば、図８の（ｃ）で、紙面の上から下へ向かう方向で加速度が生じたとすると、可動電極ＶＴ２および、ＶＴ３は、紙面上方へ移動する。このため、ＣＡＳ１および、ＣＡＳ３の静電容量は増加し、ＣＡＳ２および、ＣＡＳ４の静電容量は減少する。したがって、Ｂ１の電位は上昇するが、逆に、Ｂ２の電位は下降することになる。この結果、差動増幅器Ａ２の出力電位は上昇し、加速度が加わったことが検出できる。このように、電力発生用半導体集積回路ＢＣＨＩＰ１で使用する可変容量コンデンサＣＭ１とは違い、本加速度センサでは容量の変化の相対値が重要であるので、大きな容量は必要とされない。このため、プロセッサその他の回路と同一の半導体集積回路上に集積可能である。なお、検出される電位差は、加えられた加速度に対して必ずしも線形とは限らない。このため、例えば、後述するＡ／Ｄ変換回路経由でマイクロプロセッサＣＣＰＵ１に読み込んだ後に、ＣＣＰＵ１でソフトウェア的に補正する必要がある。このような場合には、メモリＣＭＥＭ１に補正テーブルを格納しておくことが好適である。
本加速度センサを使用することにより、例えば、加速度のＤＣ成分をＣＣＰＵ１にて分離することにより、重力方向が検出可能である。さらに、９０度で直交する方向（ＸＹ方向）に２個使用して、さらに、チップの上下方向にも形成することにより、三次元の加速度がわかる。つまり、本モニタチップがどのような角度でコンクリート（壁、床）内部に設置されているかがを把握することが可能となる。これは、後述するようにコンクリート内部に加わる応力分布の算定の際に必要な情報である。
図８の（ｄ）および（ｅ）に示すのは、圧力センサＰＳ１の構成例である。このうち、図８の（ｄ）に示すのは、静電容量式の圧力センサの構成例であり、基準電圧発生回路ＶＲ３、アナログスイッチＡＳＷ１、ＡＳＷ２、増幅器Ａ４、積分コンデンサＣＦ１、感圧コンデンサＣＳ１、および、基準コンデンサＣＲ１から構成される。感圧コンデンサＣＳ１は、図８の（ｄ）の右側に示されるように半導体集積回路基板ＳＢ１上に、ＭＥＭＳ等の微細加工技術により、内部に中空ギャップ（ＧＡＰ１）を形成された、圧力により撓むダイヤフラムＤＡ１、および、中空ギャップＧＡＰ１の両側に形成された対向電極ＥＬ１、ＥＬ２により形成される。本圧力センサは、従来のものと基本的には同じ構造であるため、ここでは、動作の詳細な説明は省略する。なお、このような回路構成により、原理的には、圧力に線形に比例した電圧が増幅器Ａ４の出力にて得られるようにすることが可能である。
一方、図８の（ｅ）に示すのは、半導体歪ゲージ式の圧力センサの構成例である。半導体集積回路の基板ＳＢ２そのものに、エッチングにより圧力で撓むダイヤフラム（ＤＡ２）を形成して、ＤＡ２上にポリシリコン等で形成される歪ゲージ抵抗（ＧＲ１〜ＧＲ４）を形成する。ダイヤフラムＤＡ２が圧力により撓むことで発生する、歪ゲージ抵抗の抵抗値の変化を、ＧＲ１〜ＧＲ４で形成されるブリッジ回路および増幅器Ａ５により検出し、圧力を測定する。本形式の圧力センサも、本発明に特有なものではないので、ここでは動作の説明は省略する。
前述したように、以上の圧力センサは、圧力窓ＰＷＩＮ１（図２参照）経由でモニタチップ外部に加わる圧力を測定可能である。以上の圧力センサと加速度センサ、後述する無線電波を利用した位置検出を併用し、さらに、コンクリート内部に多数埋め込まれたモニタチップからの検知された情報を集計することにより、コンクリート内部の応力分布を測定することが可能となる。
以上の各センサの出力はアナログ値であるため、プロセッサに取り込んで、異常値かどうかを判断してメモリに格納して、さらに、無線にて外部機器に送信するためには、ディジタル値に変換する必要がある。アナログ値からディジタル値への変換は、それぞれのセンサの出力に、Ａ／Ｄ変換器を接続すれば実現されるが、チップ面積や消費電力の点で、複数のＡ／Ｄ変換回路を設置するのは好ましくない。このため、以下の図９に示すＡ／Ｄ変換回路にて、一括してディジタル値への変換を行うほうがより好ましい。
図９に示すように、本発明のモニタチップ搭載のＡ／Ｄ変換回路（ＡＤ１）は、バスインタフェース回路ＡＤＩＦ１、Ａ／Ｄ変換回路本体であるＡＤＣ１、および、アナログスイッチＡＳＷ１０〜ＡＳＷ１２で構成される入力切り替えスイッチＡＳＷＧ１、プログラマブルゲインコントロール増幅器ＰＧＡ１、これらの回路の動作パラメータを設定するＡ／Ｄ変換制御回路ＡＤＣＯＮＴ１から構成される。入力切り替えスイッチＡＳＷＧ１、および、プログラマブルゲインコントロール増幅器ＰＧＡ１は、バスＣＢＵ１経由でＣＣＰＵ１から送信される制御コマンドに応じて、制御回路ＡＤＣＯＮＴ１にて動作パラメータを設定する。
例えば、電気抵抗を測定する場合には、測定に先立ち、ＣＣＰＵ１により、入力切り替えスイッチＡＳＷＧ１がＩ４を選択（ＡＳＷ１１：Ｄ０、ＡＳＷ１２：Ｄ０）し、プログラマブルゲインコントロール増幅器ＰＧＡ１の設定ゲインが電気抵抗センサに相応しいゲインになるように、バスＣＢＵ１経由で、ＡＤＣＯＮＴ１内の制御レジスタを設定する。このように設定することにより、電気抵抗センサＰＳ１の出力ＳＲをＰＧＡ１経由でＡ／Ｄ変換器に取り込んでディジタル値に変換し、バスインタフェースＡＤＩＦ１経由でＣＣＰＵ１に取り込む。同様に、他のセンサの出力を読み込みたい場合には、ＡＤＣＯＮＴ１内の制御レジスタに、目的のセンサに合わせたゲイン設定および、入力切り替えスイッチ設定を書き込んで、ＡＤＣ１を駆動する。このような構成により、半導体集積回路ＣＨＩＰ１の回路サイズを抑えることが可能になるだけではなく、消費電力の増加を抑えることも可能になる。なお、アナログスイッチＡＳＷ１０〜１２には、アナログ信号をロスなく通過させるができれば、一般的なものが使用可能である。また、本モニタチップでは、前述したようにモニタすべき情報は、コンクリート内部の温度や電気抵抗など、比較的ゆっくりとしか変化しないものに限られているため、Ａ／Ｄ変換回路ＡＤＣ１には、低速なタイプのもので十分である。
図１０の（ａ）、（ｂ）は、本発明のモニタチップの無線インタフェース回路ＣＲＦ１、アンテナＣＡＮＴ１、および、整流回路ＲＥＦ１の構成例と接続関係を示した図である。このうち、図１０の（ａ）は、超広帯域無線通信方式であるＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）を用いて構成した例である。アンテナ切り替えスイッチＲＷ１、バスインタフェースＲＦＩＦ１、送信に使用する変調回路ＭＯＤ１、パルス発生回路ＰＧＥＮ１、および、これらの回路の動作パラメータをＣＣＰＵ１によりバスインタフェースＲＦＩＦ１により設定された制御レジスタの内容に応じて制御する制御回路ＲＦＣＯＮＴ１から構成される。具体的には、アンテナ切り替えスイッチＲＷ１は、通常は、アンテナＣＡＮＴ１→ＲＥＦ１に接続されており、高周波送信は行えない状態に設定されている。この状態にて、外部の検査機ＲＣ１から読み出しリクエストがあり、高周波電力が照射された場合のみ、整流回路ＲＥＦ１内の整流器Ｄ１にて直流に変換されコンデンサＣ１に充電される。こうして、短時間にて充電が完了すると、電荷監視回路ＣＷ１から電源制御回路ＰＣ１に起動信号が出力され、半導体集積回路ＣＨＩＰ１の各回路が立ち上がる。同時に整流器Ｄ２に接続されたＶＲＦラインも、充電されて、電荷監視回路ＣＷ１より、外部検査機器より読み出しリクエストがあったことが検知される。以上の手順にて、図７のデータ送信ルーチンＰ３５０が起動される。なお、整流器ＲＥＦ１には、ＶＲＦライン用の平滑コンデンサＣ３を内蔵している。このコンデンサは、ＲＦの有無だけを検知できれば良いため、小容量のものが使用可能であり、第１の半導体集積回路ＣＨＩＰ１内に集積することが可能である。
なお、特に図示しないが、検査機ＲＣから照射される高周波電力を、例えば、ＡＳＫ（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）等で変調して、高周波電力に信号を載せて、モニタチップＳＣ１搭載の整流器にてＲＥＦ１にて復調して信号を取り出して受信する、といったことを行わせることも可能である。この仕組みを応用すれば、検査機ＲＣ１からモニタチップＳＣ１へと、制御信号を送信することが可能である。典型的には、モニタチップの検知動作の時間間隔を制御する、あるいは、その他の動作パラメータをコントロールすることが可能である。
データ送信ルーチンＰ３５０においては、ＣＣＰＵ１がバスＣＢＵ１経由で制御回路ＲＦＣＯＮＴ１内のレジスタを設定して、アンテナ切り替えスイッチＲＷ１を変調器ＭＯＤ１の出力につなぎ変えて、さらに、バスＣＢＵ１経由でデータを変調器ＭＯＤ１に順次送り込むことにより、データを送信する。なお、このアンテナ切り替えスイッチＲＷ１は、ＰＩＮダイオード等の半導体素子や、半導体チップ表面にＭＥＭＳプロセスによって作成された微細接点等により構成可能であり、ＰＩＮダイオードあるいはＭＥＭＳ微細接点のバイアス電圧を制御してＲＦ信号の接続先を切り替えることができる。これらについては、本発明に特有なものではないので、ここでは詳細な説明は省略することとする。
ＵＷＢでは、搬送波を一切使用せずに、高周波パルス信号そのものを変調してデータを送受信する。例えば、送信したいデータが“１”の時はパルスを送出し、“０”の時は、パルスを１００ｐｓ遅らせて送出する等により、パルス列を送信データにて変調する。このため、図１０の（ａ）に示すように、搬送波を発生するのに必要な発振器や増幅器が不要であり、高周波パルスを発生するパルスジェネレータＰＧＥＮ１と、そのパルスを送出するかどうかをコントロールする変調器ＭＯＤ１のみで構成可能である。すなわち、送信アンプ等が不要となり、高周波送信回路の回路規模を小さく抑えることが可能である。この結果、半導体集積回路ＣＨＩＰ１の製造コストを抑えられると同時に低消費電力化も実現できる。
さらに、ＵＷＢでは、比較的短い通信距離しか要求されない場合、ＲＦ送信電力を抑えることが可能である。本発明のモニタチップの用途では、例えば、コンクリート壁の内部に埋めたモニタチップから検査機までの距離（典型的には１ｍ程度）で十分である。このため、ＲＦ送信電力を、例えば、１０μＷ程度に設定することも可能である。このように、ＵＷＢでは超低消費電力な無線通信が実現可能であり、本発明の建造物品質モニタシステムに望ましい無線通信方式である。
さらに、本発明に特有なものとして、ＵＷＢパルスの周波数帯域を２ＧＨｚ程度に押さえる点が挙げられる。図１１に示すのは、コンクリートの電磁波透過特性の一例である。コンクリート中の電磁波透過特性は、▲１▼コンクリートの厚さ、▲２▼コンクリート内の鉄筋の有無などに支配されるが、基本的には、３ＧＨｚを超える高い周波数では、電磁波をほとんど透過しないという性質を有する。このため、データを取りこぼしせずに確実に無線通信を行うためには、無線通信で使う周波数帯域をコンクリートの物理的特性に適合させるのは実用上必要不可欠である。このように、使用周波数帯域をコンクリートの電波透過特性に適合させた本発明に特有なＵＷＢ送信回路を利用することにより、はじめて、コンクリート内部に埋め込んだモニタチップからデータの読み出しが可能となる。
以上のようにＵＷＢは本発明のモニタチップに最適な無線通信方式である。しかし、現状では、日本を含む多くの国において正式には認可されていないのが現状である。このため、将来的には認可される予定であるが、現状では、暫定的に他の無線通信方式を使用する必要がある。この目的で構成したのが、図１０の（ｂ）に示す、本発明のモニタチップ用の第２の無線インタフェース回路である。図に示すように、本無線インタフェース回路は、アンテナ切り替えスイッチＲＷ１、バスインタフェースＲＦＩＦ１、送信に使用する変調回路ＭＯＤ１、発振回路ＶＣＯ１、送信アンプＰＳＡ１、および、これらの回路の動作パラメータをＣＣＰＵ１によりインタフェースＲＦＩＦ１により設定された制御レジスタの内容に応じて制御する制御回路ＲＦＣＯＮＴ１から構成される。これらの各回路は特に本発明に特有なものではないので、ここでは詳細は説明しないが、前述した図１０の（ａ）の回路と同様に、データ送信のリクエストがあった場合に、ＣＣＰＵ１がＲＦＣＯＮＴ１内の制御レジスタを送信モードに設定し、バスインタフェース経由で変調器ＭＯＤ１に送信データを送る。ＭＯＤ１は送られてきたデータを元に発振回路ＶＣＯ１で生成された搬送波を変調する。変調方式には、ＰＳＫ（Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）、ＱＡＭ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）等の様々な方式が適用可能であるが、本発明に特有なものではないので、ここでは詳細な説明は省略する。以上のようにして、検知データは搬送波に載せられて、アンテナ切り替えスイッチＲＷ１経由で検査機へと送信される。
図１０（ｂ）に示すように、本方式の送信回路では、送信アンプや発振回路が必要となる。このため、図１０（ａ）のＵＷＢ方式の送信回路よりも回路規模が大きくなってしまう。さらに、送信電力も、例えば、１００μＷ程度必要となる。このため、ＵＷＢ方式の送信回路よりも消費電力が大きくなってしまう。しかし、既に述べたように、本発明のモニタチップでは、データの送信の電力は、外部の検査機ＲＣ１からの高周波電力で賄う。このため、検査機からの高周波電力を大きくすれば、モニタチップに大きな電力を供給できるため、実用上問題ない。さらに、本モニタチップに内蔵するコンデンサＣ１の容量を大きくして、データ送信間隔を長くする、つまり、充電時間を長く取れば、より多くの電力が蓄えられるため、送信回路の消費電力が増えたとしても正常に動作させることが可能となる。つまり、ＵＷＢではなく、狭帯域の無線通信方式を使用する、本方式の第２の無線インタフェース回路でも実用上問題なくコンクリート中からのデータ送信が行える。
以上が本発明のモニタチップの構成と動作の説明であるが、以下、モニタチップからデータを受信して品質判定を行う検査機ＲＣ１の動作について説明を行う。図１２に示すのは、本発明の検査機ＲＣ１に搭載する品質判定プログラム（ＱＰＲ１）の動作のフロチャートである。品質検査に先立ち、本検査機に特有な位置検出ルーチン（Ｐ４００）および、位置情報読み取りルーチン（Ｐ４１０〜４１４）にて、コンクリート中に埋め込まれたモニタチップがどこの埋まっているのか調べる。このように位置検出をした上で、モニタチップからデータを読みだす事により、建造物のどのあたりがどういう状態のコンクリートで施工されたのかが明らかになる。図１３に示すのが、この位置検出の動作原理、および、検査機ＲＣ１の無線インタフェース回路ＲＦ１の構成の詳細である。以下、図１２および図１３を参照して説明する。まず、図１３に示すように、互いに距離をおいて設置した検査機ＲＣ１のアンテナＡＮＴ１〜ＡＮＴ３から、無線インタフェース回路ＲＦ１内の送信アンプ兼発振回路ＲＰ１にて発生された搬送波のみの高周波信号（ＰＬ１〜ＰＬ３）を、モニタチップＳＣ１に向けて照射する（Ｐ４１１ルーチン）。モニタチップＳＣ１は、前述したように、照射された高周波電力により起動され、自身のチップＩＤ番号（識別子）をデータとする信号を無線電波にて送信する。このモニタチップからの送信電波を、無線接続（ＷＬ１〜ＷＬ３）経由で受信（Ｐ４１２ルーチン）する。受信信号（ＲＰＬ１〜ＰＲＬ３）は、検査機ＲＣ１の無線インタフェース回路ＲＦ１内のアンテナ切り替え回路ＲＲＳＷを経由して受信アンプ（ＲＲ１〜ＲＲ３）にて所定の信号レベルまで増幅される。最終的には、相関器（ＣＯＲ１〜ＣＯＲ３）にて、送信データが復調される（Ｐ４１３ルーチン）。相関器は、パルス発生器（ＰＧＥＮ１）から供給されるパルス列と、受信されたパルス列の相関をとる。具体的には、例えば、パルス列が１００ｐｓ遅れた位置にあるかを検出して、データを再生する働きをする回路である。この相関器には、一般には、複数のＡ／Ｄ変換器から構成される。データ復調と同時に、図１３のＲＷＦ１に示す、受信波それぞれの到達時間（ｄＴ１〜ｄＴ３）も検出する。これらの到達時間差（ｄＴ１〜ｄＴ３）と、アンテナ（ＡＮＴ１〜ＡＮＴ３）の設置場所の情報から、いわゆる３点測量の原理にてモニタチップの位置を算出（Ｐ４１４ルーチン）する。なお、この位置算出は、例えば、図１３に示すように、無線インタフェース回路ＲＦ１内の搭載した位置算出用の演算回路（ＲＣＡＬ１）にて実行可能であるが、検査機ＲＣ１内のプロセッサ（ＣＰＵ１）に、算出した到達時間差（ｄＴ１〜ｄＴ３）データを渡して、ＣＰＵ１でソフトウェア的に実行することも可能である。なお、以上の受信アンプ、相関器、位置算出用の演算回路、パルスジェネレータ他については、本発明に特有なものではないので、ここでは詳細な説明は省略する。データを送信しているモニタチップが複数あれば、復調されるモニタチップの識別子分だけ、位置情報の解析を繰り返し実行する。このようにして、本検査機ＲＣ１が検査対象とするモニタチップの識別子と位置情報を記述したファイル（ＰＤ４００）を作成する。本位置情報ファイルＰＤ４００のデータ構造の一例を図１４の（ａ）に示す。なお、以上の検査機の説明では、ＵＷＢで無線通信を行うことを仮定したが、相関器を通常の復調器に置き換えれば、ＱＰＳＫやＱＡＭ等の無線方式でも、同様の構成で検査機を構成することが可能である。
なお、以上の例では、３本のアンテナ（ＡＮＴ１〜ＡＮＴ３）により、位置を検出する例を示した。しかし、ＵＷＢでは搬送波なしでパルスにより信号を送信するため、１本のアンテナだけでも、モニタチップとの距離は測定可能である。すなわち、検査機ＲＣ１のアンテナに指向性を持たせて、さらに、アンテナ自体の方向を変えられるようにしておき、アンテナの方向を変えながらスイープすることによっても、モニタチップの位置を検出することが可能である。このような構成にすることで、検査機を小型化することが可能となる。
以上のようにして、位置情報読み取りルーチンＰ４１０にて、データを送信しているモニタチップの識別子とその位置情報が取得される。次に、データ読み取りルーチンにて、データ受信ルーチンＰ４６０が起動され、モニタチップからのデータ読み込みが開始される。データ受信ルーチンＰ４６０では、位置情報読み取りルーチンＰ４１０と同様に、まずＲＦ照射ルーチンＰ４６１にて、モニタチップにデータ送信のための電力供給を行う。次に、受信ルーチンＰ４６２および復調ルーチンＰ４６３にて、照射された高周波電力にて起動したモニタチップからのデータを受信し、前述した手順にてデータを復調する。復調されたデータより、モニタチップ識別子とデータ本体を分離して（Ｐ４６４ルーチン）、結果を検知データファイルＳＤ４００に書き込む。図１４の（ｂ）に、この検知データファイルＳＤ４００のデータ構造例を示す。以上の処理を、前述した位置検出ルーチンにて作成された位置情報ファイルＰＤ４００に記載されているチップ識別子を持つ、本検査機にて通信可能なすべてのモニタチップに対して処理を行い、検知データファイルＳＤ４００を完成させる。
次に、品質判定ルーチンＰ４７０にて、完成した検知データファイルＳＤ４００を元にコンクリートの品質を行う。この品質判断ルーチンは、検知データファイルＳＤ４００に収集された、各モニタチップがモニタした、例えば、電気抵抗値から、コンクリートペースト作成時の水分量あるいは塩化物イオン量が適切であったかの判断を行う。なお、Ｐ４９０ルーチンにて、本検査機ＲＣ１内蔵のネットワークインタフェースＮＩ１経由で、広域ネットワーク網ＷＡＮ１上に設置された管理サーバーＳＶ１０上のデータベースＤＢ１０にアクセスして、例えば、電気抵抗値とコンクリート品質との相関関係についてより詳細な情報を照会して、品質判定精度を高めることも可能である。以上のようにして、判定された結果を結果表示ルーチンＰ４８０にて表示して検査を終了する。
なお、この品質判定ルーチンＰ４７０では、上記の他にも、例えば、コンクリート中の応力分布を解析して、表示することも可能である。図１５に示すのは、この目的で使用可能な、本発明の応力分布解析ルーチンの構成例である。図１５のＰＦＩＧ１に示されるように、本発明のモニタシステムでは、応力定義式ＥＱ１０にそのまま従って、コンクリート内部の局所的な圧力から応力をもとめる。例えば、ＰＦＩＧ１の例だと、モニタチップＳＣ１〜ＳＣ４が受けている圧力ｄＰ１〜ｄＰ４を検知データファイルＳＤ４００から集計する（Ｐ４９１ルーチン）。この際に、位置情報ファイルＰＤ４００に記憶されている、各々のモニタチップの方位を、上記圧力情報ｄＰ１〜ｄＰ４に加味することにより、応力分布を算出する（Ｐ４９２ルーチン）。最後に、結果を表示する、あるいは、管理サーバーに送信して処理を終了する。なお、既に述べたように、各モニタチップの方位は、内蔵する加速度センサＡＳ１が検知した加速度信号のＤＣ成分から割り出した重力方向、および、位置検出ルーチンにて求めた検査機ＲＣ１のアンテナＡＮＴ１〜ＡＮＴ３に対する方向から割り出す。
以上が、本発明の建造物品質モニタ方法の概要であるが、本発明では複数のモニタチップからの情報を元にして、総合的に品質判定を行うことにより、検査精度を向上させている点に特徴がある。すなわち、コンクリート内部に多数のモニタチップを作成時に混ぜ込むことにより、品質を判定したい部分に複数のモニタチップが存在するようにあらかじめ設定しておく。検査時には、これら複数のモニタチップがモニタしてきたデータを余すところなく取得し、基本的には、多数決の原理にて、品質判断を行う。例えば、測定ポイントに３つのモニタチップが存在し、そのうちの２つのモニタチップが、「水分量は異常であった」と報告し、残りの１つが「水分量は正常であった」と報告した場合には、多数決により、「水分量は異常であった」と判定する。逆に、「水分量が正常であった」と報告するモニタチップの方が多い場合は、「水分量は正常であった」と判定する。このように、多数決の原理を品質判定に持ち込むことにより、一部のモニタチップが誤動作した場合、あるいは、ノイズ等でモニタチップからのデータ受信に誤りがあった場合等に、間違った品質判定を下す危険を回避可能である。前述したように本発明のモニタチップは大量生産すればするほど製造コストを下げられる半導体プロセスにて製作される。このため、きわめて安価に、大量にモニタチップをコンクリート中に設置可能であり、上記の本発明のモニタシステム／モニタ方法が有する、優れた特徴を最大限生かすことが可能である。これに対して、従来技術にて紹介したモニタシステム／モニタ方法では、センサは非常に高価であり、基本的に１つの測定ポイントには１つセンサしか配置されていない。このため、間違った判定を下してしまう危険性はかなり高いものと考えられる。さらに、センサが故障した場合には、システム全体が動作不能になってしまう恐れもあるものと考えられる。
なお、前述したように本発明のモニタチップでは送信電力が限られるため、検査機ＲＣ１で一度に検査できるのは、数ｍ程度の距離内に限られる。このため、建造物全体の品質をチェックするには、例えば検査機ＲＣ１に自走装置を具備させて建造物内を移動させて、上記Ｐ４００〜Ｐ４５０ルーチンを建造物全体に対して行う必要がある。検査機を複数台用意すれば、同時に処理できるため、実用上問題になることはないと思われるが、恒久的に建造物をモニタしたい場合などには問題になるものと予想される。この問題を解決するために考案したのが、図１６に示す、中継機付のモニタシステムである。
図１６の（ａ）に示されるように、本モニタシステムでは、検査機ＲＣ１の代りに、中継機ＲＰＴ２０〜ＲＰＴ２２を、建造物ＢＵＬ１内のコンクリートＣＯＮ１の壁／床等に近接させて分散して配置する。これらの中継機ＰＴ２０〜ＲＰＴ２２は、典型的には、図１６の（ｂ）に示すように、アンテナＡＮＴ２０、無線インタフェース回路ＲＦ１、プロセッサＣＰＵ１、メモリＭＥＭ１、ネットワークインタフェースＮＩ１から構成される。これらの回路の内部構成は、基本的には、検査機ＲＣ１に内蔵のものと同じである。これらの中継機ＲＰＴ２０〜ＲＰＴ２２は、ローカルネットワークインタＬＮ２０〜ＬＮ２３およびＬＡＮ２０にてゲートウェイＧＷ２０と相互に接続されている。また、ゲートウェイＧＷ２０経由で広域ネットワークＷＡＮ１に接続可能で、ＷＡＮ１上の管理サーバーＳＶ１０に接続可能である。
中継機ＲＰＴ２０〜ＲＰＴ２２は、管理サーバーＳＶ１０、あるいは、ゲートウェイＧＷ２０からのリクエストに従い、それぞれ自分の近隣のモニタチップ（ＳＣ１〜ＳＣ９）と無線通信（ＷＬ１〜ＷＬ３、ＷＬ４〜ＷＬ６、ＷＬ７〜ＷＬ８）を行って、モニタ結果をＧＷ２０経由で管理サーバーに報告する。なお、既に説明したように、このデータ送信のリクエストはそれほど頻繁に行う必要はなく、例えば、短くても１時間に１回程度の頻度で十分である。以上のように、図１６に示す中継機付のモニタシステムにて、建造物を恒久的にモニタすることが実現できる。
以上を補足すると、本発明は、建造物に組み込まれた、半導体計測の対象となる物理量を検知するセンサを搭載した半導体集積回路装置と、前記半導体集積回路装置にて検知した信号を受け取とり、受け取った検知信号に基づいて該建造物の品質を判定する検査機から構成されることを特徴とする建造物品質モニタシステムであって、前記半導体集積回路装置は搭載するメモリ内に固有のＩＤ番号を記憶し、検知した信号とともに、前記固有のＩＤ番号を付加して検査機へ送信することを特徴とし、さらに、前記半導体集積回路装置から検査機への検知信号の送信は無線にて送信することを特徴とする建造物品質モニタシステムであって、特に、前記半導体集積回路装置から検査機への無線送信の方式を、超広帯域無線通信方式である、ＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）により、パルス列を用いて送信することを特徴とする建造物品質モニタシステムである。
また、前記建造物品質モニタシステムにおいて、特に、前記半導体集積回路装置から検査機へ検知信号を送信する目的で使用する無線の周波数帯域として、２ＧＨｚ以下の周波数帯域を使用することを特徴とする建造物品質モニタシステムである。
さらに、本発明は、半導体計測の対象となる物理量を検知するセンサを搭載した半導体集積回路装置を建造物に組み込む第１のステップを具備し、前記半導体集積回路装置において、前記センサを動作させて建造物内のコンクリートの物理量を検知する第２のステップを具備し、前記半導体集積回路装置に搭載したメモリに検知信号を記憶する第３のステップを具備し、前記半導体集積回路装置に搭載した前記メモリに記憶された検知信号を読み出す第４のステップを具備し、読み出した検知信号を前記半導体集積回路装置の外部に設けられた検査機に送信する第５のステップを具備し、検査機にて送信されてきた検知信号に基づいて建造物の品質判定を行う第６のステップを具備することを特徴とする建造物品質モニタ方法であって、特に、前記第４のステップにて、前記半導体集積回路装置から検査機への検知信号の送信を無線にて行うことを特徴とする建造物品質モニタ方法である。
また、前記建造物品質モニタ方法において、特に、前記第５のステップにて、前記半導体集積回路装置から検査機へのデータ送信を使用周波数帯域が２ＧＨｚ以下の無線信号にて行うことを特徴とする建造物品質モニタ方法である。
また、前記建造物品質モニタ方法において、特に、前記第６のステップにおいて、前記建造物内に組み込まれた半導体集積回路装置の位置検出を行う、第７のステップを具備することを特徴とする建造物品質モニタ方法であって、特に、複数本のアンテナを具備する検査機により、前記建造物内に組み込まれた半導体集積回路装置からの無線電波信号を受信して、それらの無線電波信号の到達時間差に基づいて、前記半導体集積回路装置の位置検出を行う特徴とする建造物品質モニタ方法である。
さらに、本発明は、前記建造物品質モニタシステム、および、前記建造物品質モニタ方法において、前記半導体集積回路装置として、半導体計測の対象となる物理量を検知するセンサと、前記センサにより検知した信号を増幅してディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、前記ディジタル信号を処理するマイクロプロセッサと、前記センサにより得た情報を格納するメモリと、前記マイクロプロセッサにより処理した信号を外部へ送信する送信回路と、前記センサ、前記Ａ／Ｄ変換回路、前記マイクロプロセッサ、前記メモリ、および、前記送信回路に、電力を供給するための電力発生装置を具備する半導体集積回路装置を使用することを特徴とする、建造物品質モニタシステム、および、建造物品質モニタ方法である。
さらに、本発明は、半導体計測の対象となる物理量を検知するセンサと、前記センサにより検知した信号を増幅してディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、前記ディジタル信号を処理するマイクロプロセッサと、前記センサにより得た情報を格納するメモリと、前記マイクロプロセッサにより処理した信号を外部へ送信する送信回路と、前記センサ、前記Ａ／Ｄ変換回路、前記マイクロプロセッサ、前記メモリ、および、前記送信回路に、電力を供給するための電力発生装置を具備する半導体集積回路装置であって、前記半導体集積回路装置は、力学振動による可変容量コンデンサの静電エネルギーの増加分を回収して電気エネルギーに変換する電力回収回路と、電源制御回路、および、コンデンサを有し、前記電源制御回路は、前記センサ、前記Ａ／Ｄ変換器、前記マイクロプロセッサ、前記メモリ、および、前記送信回路に対し、前記電力発生装置により発生した電力の供給または非供給を制御するように構成され、前記電力発生装置は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）プロセスにて形成された可変容量コンデンサを具備し、前記コンデンサは、前記電力発生装置により生じた電力を蓄えるように構成され、前記送信回路は、超広帯域無線通信方式であるＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）により、パルス列を用いて送信を行うように構成され、前記メモリには固有のＩＤ番号が格納され、前記センサとして少なくとも圧力センサを有し、前記センサ、前記Ａ／Ｄ変換回路、前記マイクロプロセッサ、前記メモリ、前記送受信回路、および、前記電源制御回路は、一つの半導体基板の上に形成されていることを特徴とする半導体集積回路装置を使用することを特徴とする前記建造物品質モニタシステム、および、前記建造物品質モニタ方法である。
また、本発明は、前記建造物品質モニタシステム、および、前記建造物品質モニタ方法おいて、特に前記半導体集積回路を複数個建造物内に埋め込み、そこから無線にて送信される複数の検知信号を元に、建造物の品質診断を行うことを特徴とする、前記建造物品質モニタシステム、および、前記建造物品質モニタ方法である。
以上のように、本発明のモニタチップを使用することにより、これまでは不可能であった、コンクリート作成時からのコンクリートの品質モニタシステムが実現できる。具体的には、本発明のモニタチップを使用すれば、内蔵する温度センサ、電気抵抗センサ、圧力センサにより、コンクリートの養生時の温度管理は適切であったか、あるいは、コンクリートペーストの水分量、塩化物イオンの含有量は適切であったか、あるいは、コンクリート内部の応力状態に問題がないか、といった情報をモニタすることが可能である。さらに、本発明のモニタチップを使用すれば、コンクリートペースト作成時に他のコンクリート材料と混ぜて、通常通りの建造物作成方法にてほぼ無視できる追加コストにて、品質モニタシステム内蔵の建造物が実現できる。また、半導体集積回路作成プロセスにて製作可能であるため、非常に安価な価格で建造物品質モニタシステムを提供することが可能となる。さらに、本発明のモニタチップでは、内蔵する電力発生装置および超低消費電力動作方式により永続的にコンクリート品質のモニタが可能である。
【実施例２】
実施例１では、図４に示す手順により、コンクリート作成時に本発明のモニタチップを混ぜ込むという方式でモニタシステムを構成する方法を説明した。これに対して、本実施例では、既存の建造物向けに本発明の建造物品質モニタシステム／モニタ方法／モニタチップを適用した例を説明する（図１７）。このような場合には、まず、モニタチップ設置ルーチンＰ１３５にて、本モニタチップを建造物に設置する。設置方法には様々なものが考えられるが、典型的には、図１８に示すように、コンクリートＣＯＮ１の壁あるいは床等に設置穴（ＨＬ１〜ＨＬ７）を開けて、モニタチップ（ＳＣ１〜ＳＣ７）を設置する。さらに、設置穴ＨＬ１〜ＨＬ７をエポキシ等の樹脂（ＲＥＳ１〜ＲＥＳ７）にて封止する。本モニタチップが誤って外部からの水分その他を検知してしまわないようにするためには、このように樹脂封止するのが望ましい。実施例１の場合と同様にして、モニタチップが発電を行い、センシング動作を開始（Ｐ２１０）する。適当な時間が経過した後に、図１の検査機ＲＣ１にて高周波を照射して、モニタチップを起動して、メモリに記憶されているデータを読み込み、品質判定その他を行う（Ｐ２２０、Ｐ１４０）。品質判定の結果、必要に応じてメンテナンス／補強工事を行う。
なお、このように建造物完成後に設置すると、前述したように、コンクリートの品質に最も影響を与えるコンクリートペースト作成時の品質がモニタできない。しかし、現実には、数多くのコンクリート建造物が既にあり、そのすべてを壊して、図４に示す方法でいちから建て直すのは現実的ではない。さらに、図１８に示す方法で設置したとしても、例えば、コンクリートの劣化が進んで、クラックが発生して、そこから水が進入したりした場合や、あるいは、コンクリートの腐食が進んで電気抵抗が変化した場合には、本実施例のモニタシステム／モニタ方法でも十分検出可能である。このように、建造物が完成してから設置したとしても、本発明のモニタシステム／モニタ方法／モニタチップは、十分に活用可能である。
【実施例３】
実施例１では、図３に示すように、内蔵する発電装置にて永続的に動作可能なモニタチップによりモニタシステムを構成する例を説明した。一方、既に何度も述べたように、コンクリートの品質に最も大きな影響を与えるのは、コンクリートペースト作成時の品質である。つまり、目的によっては、図４のＰ１００〜Ｐ１２０、Ｐ２１０〜Ｐ２２０の間だけモニタできれば問題ない場合も存在する。
図１９の（ａ）〜（ｃ）に示すのは、この目的に好適な、本発明の第２のモニタチップの構成例である。この図に示されるように、本モニタチップでは、図３の例とは違って、発電用半導体集積回路の代りにボタン電池ＢＡ１を搭載する。より詳細には、第１の半導体集積回路ＣＨＩＰ１は、基板ＢＯ１の上面（ＳＩＤＥ１）に設置し、ボタン電池ＢＡ１を基板ＢＯ１の逆の面（ＳＩＤＥ２）に設置し、図２と同様の構造でエポキシ樹脂にてモールドする。
ボタン電池ＢＡ１には一般販売されているだけでも様々なもの入手可能であるが、直径１ｃｍ以下のものでも、１００ｍＡＨ（ミリアンペ・アワー）程度の電池容量がある。すなわち、センシング動作に１回あたり１００μＷ／１秒間、データ送信動作に１回あたり１ｍＷ／１０秒間かかったとしても、
センシング： 〜１Ｅ−４ｍＡ・秒＝５．５Ｅ−８ｍＡＨ
データ送信： 〜１Ｅ−２ｍＡ・秒＝５．５Ｅ−６ｍＡＨ
であり、１回あたりの電力消費量は電池容量に比べて無視できる値である。
実際に電池を使用する際には、この他にも電池自体の寿命を考慮する必要がある。このため、たとえ１回あたりの電力消費が少ないとしても、結局は、電池寿命にて使える期間は制限されてしまう。しかし、一般的に、電池は数年の寿命を持つ。このため、本モニタチップを製造してから、実際に建造物に埋め込んで使用するまでの期間を考慮しても、図４のＰ１００〜Ｐ１２０、Ｐ２１０〜Ｐ２２０の間だけモニタチップを動作させて、コンクリートペースト作成時の品質をモニタすることは十分に実現可能である。このように、図１９に示す、本発明の第２のモニタチップを使用しても、優れた品質チェック機能を有する建造物品質モニタシステムを構成することが可能である。
さらに、特に図示しないが、本実施例の図１９と同様の構成で、ボタン電池を、充電可能な二次電池や数ファラッドの静電容量を実現可能な電気二重層コンデンサに置き換えて、適切な時間間隔で外部より高周波にて電力を供給して、アンテナＣＡＮＴ１、整流器ＲＥＦ１経由にて、二次電池あるいは電気二重層コンデンサに充電して、この充電電力によりセンサの駆動その他を行う、という構成も可能である。なお、二次電池はボタン電池と同程度の寿命しか持たないが、電気二重層コンデンサはそれよりもはるかに寿命が長い。このため、適切な時間間隔にて繰り返し充電して使用すれば、数年程度以上、建造物品質モニタに使用することが可能である。この目的で使用する場合には、図１６に示した中継機付のモニタシステムが好適である。
【実施例４】
本実施例では、本発明のモニタシステム／モニタ方法／モニタチップを、以上の実施例以外の建造物に応用した例について、図２０に従って説明する。
図２０の（ａ）は、橋脚（ＢＲ１００）の品質モニタに本発明を応用した例である。この図に示されるように、橋脚ＢＲ１００は、図４に示した手順にて作成される。すなわち、橋脚を構成するコンクリート中に、本発明のモニタチップ（ＳＣ１００〜ＳＣ１３２）が埋め込まれた状態で作成されており、実施例１で説明したように、コンクリートペースト作成時からのコンクリートの品質をモニタしており、異常値等をメモリに記憶している。コンクリートの養生が終った時点で、モニタチップ内のデータが、検査機ＲＣ１００〜ＲＣ１０１、ネットワークＮ１００〜Ｎ１０２、ＷＡＮ１００経由にて、管理サーバーＳＶ１００に読み出されて、橋脚ＢＲ１００の品質判定が行われる。なお、ＲＣ１００、ＲＣ１０１は検査機としたが、図１６で説明した中継機＋ゲートウェイの構成にして、永続的にモニタするようにすることも可能である。このように本発明のモニタシステムを橋脚に使用することにより、不適切なコンクリートが使用されたかどうかが一目瞭然にわかる。このため、不適切なコンクリートが使用されるのを防止することが可能となり、高品質なコンクリート製の橋脚が得られるようになる。なお、この図では説明のためにＳＣ１００〜ＳＣ１３３のモニタチップしか図示していないが、あくまでも説明のためであり、実使用時がこの形態に限定される訳ではない（以下の図でも同様）。
次に、図２０の（ｂ）に示すのは、トンネル（ＴＲ２００）の品質モニタに本発明を応用した例である。これまでと同様に、トンネルＴＲ２００は、図４に示した手順にて作成され、トンネルを構成するコンクリート中に、本発明のモニタチップ（ＳＣ２００〜ＳＣ２０７）が埋め込まれている。これらのモニタチップは、コンクリートペースト作成時から、コンクリートの品質をモニタしており、異常値等をメモリに記憶している。コンクリートの養生が終った時点で、モニタチップ内のデータが、検査機ＲＣ２００〜ＲＣ２０１、ネットワークＮ２００〜Ｎ２０２、ＷＡＮ２００経由にて、管理サーバーＳＶ２００に読み出されて、トンネルＴＲ２００の品質判定が行われる。なお、ＲＣ２００およびＲＣ２０１は検査機としたが、図２０の（ｂ）と同様に中継機＋ゲートウェイの構成にして、永続的にモニタするようにすることも可能である。
次に、図２０の（ｃ）に示すのは、崖（ＣＦ３００）に本発明のモニタチップを設置して、災害検知に使用した例である。これまでと同様に、崖ＣＦ３００のコンクリート施工部分に、図４に示した手順にて、本発明のモニタチップ（ＳＣ３００〜ＳＣ３０３）が埋め込まれる。なお、コンクリート施工されていない崖の場合には、図１８で示したものと同様の方式、すなわち、崖に穴を開けてモニタチップを埋め込むことにより設置される。このように設置されたモニタチップＳＣ３００〜ＳＣ３０３においては、電気抵抗センサにより崖中の土砂あるいはコンクリート施工部分の水分量がモニタされる。また、モニタチップ内蔵の加速度センサにより崖の振動をモニタ可能である。モニタ結果は、検査機ＲＣ３００（あるいは、中継機＋ゲートウェイ）により、定期的に読み出されて、ネットワークＮ３００〜Ｎ３０１、ＷＡＮ３００経由にて、管理サーバーＳＶ３００に送信される。このような監視システムにより、例えば、崖を構成する土砂が地すべりが起きるぐらい大量の水分を含んでいる、あるいは、大規模な地すべりが起きる直前の小規模な崩落に伴う振動を検出して、地すべりが起きる前に自動的に警報を出すシステムが構築可能になる。なお、このような警報システムでは、いかにして誤動作を少なくするかが求められる。実施例１で説明したように、本発明のモニタ方法では、モニタチップを測定ポイントに複数個ばらまいて、それらのチップで収集された情報を多数決することで、極力、間違った判定を下さいないようにすることが可能である。このため、本発明のモニタシステムにより、誤警報の少ない、優れた崖崩れ警報システムの構築が可能となる。
さらに、この警報システムを河川の堤防（ＢＮＫ４００）の監視システムに応用したのが、図２０の（ｄ）に示す例である。これまでと同様に堤防ＢＮＫ４００のコンクリート施工部分に、図４に示した手順にて、本発明のモニタチップ（ＳＣ４００〜ＳＣ４０４）が埋め込まれる。なお、コンクリート施工されていない部分については、上記の例と同様に、穴を開けてモニタチップを埋め込むことにより設置される。このように設置されたモニタチップＳＣ４００〜ＳＣ４０４においては、電気抵抗センサにより堤防中の土砂あるいはコンクリート施工部分の水分量がモニタされる。また、モニタチップ内蔵の加速度センサにより崖の振動をモニタされる。モニタ結果は、検査機ＲＣ４００（あるいは、中継機＋ゲートウェイ）により、定期的に読み出されて、ネットワークＮ４００〜Ｎ４０１、ＷＡＮ４００経由にて、管理サーバーＳＶ４００に送信されて監視される。このような監視システムにより、例えば、河川ＲＶ４００が増水して堤防内に水が浸水している状態、あるいは、大規模な決壊が起きる直前の小規模な堤防の崩落に伴う振動を検出して、自動的に警報を出すシステムが構築可能になる。なお、上記図２０の（ｃ）と同様に、モニタチップを測定ポイントに複数個ばらまいて、それらのチップで収集された情報を多数決することで、極力、間違った判定を下さいないようにすることが可能である。このように、本発明により、誤警報の少ない優れた堤防決壊警報システムの構築が可能となる。
さらに、図２０の（ｅ）に示すのは、ガス管／水道管／電力線等の地下埋設型インフラ構造物ＰＬ５００に本発明のセンサチップを使用した一実施例である。この図に示されるように、本発明のモニタチップ（ＳＣ５００〜ＳＣ５０６）は、地下埋設型インフラ構造物ＰＬ５００に接着剤等で付着させてから埋設する、あるいは、土中ＧＲ５００に埋設時する際にモニタチップも同時に埋設することにより、地下埋設型インフラ構造物インフラの近くの土中に設置される。本モニタチップは地面の微小振動、あるいは、地下インフラ構造物が発する微小振動（例えば、水道管中を流れる水の流動）により、内蔵する電力発生用半導体集積回路にて発電を行い、センサを駆動する。具体的には、地下インフラ構造物ＰＬ５００が水道管ならば、内蔵する電気抵抗センサにより、水道管周りの土中の電気抵抗を測定することにより、水道管が水漏れを起こしていないかをモニタする。また、ガス管の場合には、内蔵する加速度センサにより、もし、ガスが漏洩した場合には、ガス流出に伴う圧力の変化を検知することにより、ガス漏れが検知可能である。さらに、電力線の場合には、もれ電流の有無を電気抵抗センサにより検知する。これまでの実施例と同様に、モニタチップＳＣ５００〜ＳＣ５０６のメモリ内に格納されたモニタ結果は、検査機ＲＣ５００（あるいは、中継機＋ゲートウェイ）により、定期的に読み出されて、ネットワークＮ５００〜Ｎ５０１、ＷＡＮ５００経由にて、管理サーバーＳＶ５００に送信され、漏水／ガス漏れ／漏電箇所の有無が判定される。なお、以上の実施例と同様に、モニタチップを測定ポイントに複数個ばらまいて、それらのチップでモニタされた情報を多数決することで、極力、間違った判定を下さいないようにすることが可能である。このように、本発明のモニタシステムにより、誤警報の少ない優れた漏水／ガス漏れ／漏電警報システムの構築が可能となる。さらに、地下に埋設物が埋まっていないかどうかの判定に使用することも可能である。
以上の実施例によれば、内蔵する温度センサ、電気抵抗センサ、圧力センサにより、コンクリートの養生時の温度管理は適切であったか、あるいは、コンクリートペーストの水分量、塩化物イオンの含有量は適切であったか、あるいは、コンクリート内部の応力状態に問題がないか、といった情報をモニタすることが可能となる。
以上、本願発明者よりなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本願発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。例えば、本発明の建造物品質モニタシステム／モニタ方法／モニタチップは、建造物の品質モニタに限らず、崖崩れや堤防決壊等の災害検知システムや、あるいは、漏水／ガス漏れ／漏電等の警報システムにも応用可能である。このように、本発明は幅広い分野に応用することが可能であり、これまでに説明した実施例以外にも、同様のモニタシステム、監視システム、警報システム等に使用可能である。
【産業上の利用可能性】
本発明によれば、これまでは不可能であった、コンクリート作成時からの建造物のコンクリートの品質モニタシステムを実現できる。さらに、コンクリートペースト作成時にモニタチップを他のコンクリート材料と混ぜることができるため、通常通りの建造物作成方法を用いて低コストで品質モニタ内蔵の建造物を実現できる。また、本発明のモニタチップは半導体集積回路作成プロセスで製作可能であるため、非常に安価に建造物品質モニタシステムを提供することが可能となる。さらに、本発明のモニタチップは電力発生装置を内蔵し、超低消費電力動作方式を採用しているため、永続的に建造物のコンクリート品質のモニタが可能となる。
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２０】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
建造物に組み込まれ、該建造物の性質に係る物理量を検知するセンサを搭載した半導体集積回路装置と、
前記半導体集積回路装置にて検知された物理量に基づき生成された検知信号を受け取り、受け取った検知信号に基づいて前記建造物の品質を判定する検査機とを具備して成ることを特徴とする建造物品質モニタシステム。
【請求項２】
請求項１記載の建造物品質モニタシステムにおいて、
前記半導体集積回路装置はメモリを具備し、前記メモリは前記半導体集積回路装置に固有のＩＤ番号を記憶し、前記半導体集積回路装置は前記検知信号と共に前記ＩＤ番号を検査機へ送信することを特徴とする建造物品質モニタシステム。
【請求項３】
請求項１記載の建造物品質モニタシステムにおいて、
前記半導体集積回路装置はメモリを具備し、前記メモリは検知された前記物理量に対応する検知信号を記憶し、前記半導体集積回路装置は前記検査機からの要求に応じて前記メモリから前記検知信号を読み出して前記検査機へ送信することを特徴とする建造物品質モニタシステム。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の建造物品質モニタシステムにおいて、
前記検知信号は前記半導体集積回路装置から前記検査機へ無線で送信されることを特徴とする建造物品質モニタシステム。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の建造物品質モニタシステムにおいて、
前記建造物はコンクリートを主たる要素として構成され、前記半導体集積回路装置は前記コンクリートが固化する前のペースト状態の時から前記建造物に組み込まれており、前記ペースト状態のコンクリートの物理量を検知して前記検知信号を前記検査機に送信することを特徴とする建造物品質モニタシステム。
【請求項６】
建造物の性質に係る物理量を検知して該物理量に対応する検知信号を生成するセンサを搭載した半導体集積回路装置を前記建造物に組み込むステップと、
前記センサを動作させて前記建造物の性質に係る前記物理量を検知して該物理量に対応する前記検知信号を生成するステップと、
前記検知信号を前記半導体集積回路装置の外部に設けられた検査機に送信するステップと、
前記検査機で受信した前記検知信号に基づいて前記建造物の品質判定を行うステップとを含んで成ることを特徴とする建造物品質モニタ方法。
【請求項７】
請求項６記載の建造物品質モニタ方法において、
前記半導体集積回路装置は更にメモリを搭載しており、
前記センサにて生成された前記検知信号を前記メモリに記憶するステップと、
前記メモリに記憶された前記検知信号を読み出すステップとを更に含んで成ることを特徴とする建造物品質モニタ方法。
【請求項８】
請求項７記載の建造物品質モニタ方法において、
前記検知信号を読み出すステップは前記検査機からの要求に応じて前記メモリに記憶された前記検知信号を読み出すステップであることを特徴とする建造物品質モニタ方法。
【請求項９】
請求項７または８のいずれかに記載の建造物品質モニタ方法において、
前記検知信号を前記半導体集積回路装置の外部に設けられた検査機に送信するステップは、前記検知信号と共に前記メモリに記憶された前記半導体集積回路装置に固有のＩＤ番号を送信するステップであり、
前記品質判定を行うステップは、前記半導体集積回路装置から前記検知信号と共に送信された前記ＩＤ番号に基づいて、前記検知信号を送信した半導体集積回路装置を特定して前記建造物の品質判定を行うステップであることを特徴とする建造物品質モニタ方法。
【請求項１０】
請求項９記載の建造物品質モニタ方法において、
前記検知信号を送信した半導体集積回路装置を特定して前記建造物の品質判定を行うステップは、前記半導体集積回路装置の前記建造物内における位置を検出して前記建造物の品質判定を行うするステップであることを特徴とする建造物品質モニタ方法。
【請求項１１】
請求項６乃至１０のいずれかに記載の建造物品質モニタ方法において、
前記検知信号を前記半導体集積回路装置の外部に設けられた検査機に送信するステップは、前記検知信号を前記半導体集積回路装置から前記検査機へ無線で送信するステップであることを特徴とする建造物品質モニタ方法。
【請求項１２】
請求項６乃至１１のいずれかに記載の建造物品質モニタ方法において、
前記建造物はコンクリートを主たる要素として構成され、
前記半導体集積回路装置を前記建造物に組み込むステップは、前記コンクリートが固化する前のペースト状態の時に前記半導体集積回路装置を前記建造物に組み込むステップであり、
前記検知信号を生成するステップは、前記コンクリートが固化する前のペースト状態の時に前記センサを動作させて前記建造物の性質に係る前記物理量を検知して該物理量に対応する前記検知信号を生成するステップであり、
前記検知信号を前記半導体集積回路装置の外部に設けられた検査機に送信するステップは、前記コンクリートが固化した後に前記検知信号を前記検査機に送信するステップであることを特徴とする建造物品質モニタ方法。
【請求項１３】
請求項６乃至１２のいずれかに記載の建造物品質モニタ方法において、
前記センサは、電気抵抗センサ、温度センサ、圧力センサ、または加速度センサのうちの少なくとも１つを含んで成ることを特徴とする建造物品質モニタ方法。
【請求項１４】
半導体により計測可能な物理量であって建造物の性質に係る物理量を検知するセンサと、
前記センサにより検知された信号を増幅してディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、
前記ディジタル信号を処理するマイクロプロセッサと、
前記マイクロプロセッサにより処理された信号を外部へ送信する送信回路と、
前記センサ、前記Ａ／Ｄ変換回路、前記マイクロプロセッサ、および前記送信回路のうちの少なくとも１つに電力を供給するよう構成された電力発生装置と、
前記センサ、前記Ａ／Ｄ変換器、前記マイクロプロセッサ、および前記送信回路のうちの少なくとも１つに対し、前記電力発生装置により発生した電力を供給するか非供給とするかを制御するよう構成された電源制御回路と、
前記電力発生装置により発生した電力を蓄えるよう構成されたコンデンサとを具備して成ることを特徴とする半導体集積回路装置。
【請求項１５】
請求項１４記載の半導体集積回路装置において、
前記センサにより得た情報を格納するメモリを更に具備して成ることを特徴とする半導体集積回路装置。
【請求項１６】
請求項１５記載の半導体集積回路装置において、
前記メモリは、該メモリを搭載する半導体集積回路装置に固有のＩＤ番号を格納することを特徴とする半導体集積回路装置。
【請求項１７】
請求項１４乃至１６のいずれかに記載の半導体集積回路装置において、
前記センサは、圧力センサを含んで成ることを特徴とする半導体集積回路装置。
【請求項１８】
請求項１４乃至１６のいずれかに記載の半導体集積回路装置において、
前記送信回路は、超広帯域無線通信方式であるＵＷＢにより、パルス列を用いて送信を行うよう構成されていることを特徴とする半導体集積回路装置。
【請求項１９】
請求項１４乃至１８のいずれかに記載の半導体集積回路装置において、
前記電力発生装置は、ＭＥＭＳプロセスにて形成された可変容量コンデンサと、前記建造物の力学振動による前記可変容量コンデンサの静電エネルギーの増加分を回収して電気エネルギーに変換する電力回収回路とを具備して成ることを特徴とする半導体集積回路装置。
【請求項２０】
請求項１４乃至１９のいずれかに記載の半導体集積回路装置において、
前記センサ、前記Ａ／Ｄ変換回路、前記マイクロプロセッサ、前記送信回路、および前記電源制御回路が１つの半導体基板の上に形成されて成ることを特徴とする半導体集積回路装置。
【請求項２１】
請求項１４乃至２０のいずれかに記載の半導体集積回路装置において、
前記電力発生装置は、前記センサ、前記Ａ／Ｄ変換回路、前記マイクロプロセッサ、前記送信回路、および前記電源制御回路が形成された第１の半導体チップとは別の第２の半導体チップ上に形成されて成り、前記第１の半導体チップと前記第２の半導体チップとは共通の基板の互いに反対の面に搭載されて成ることを特徴とする半導体集積回路装置。
【請求項２２】
請求項１４乃至２１のいずれかに記載の半導体集積回路装置が埋め込まれて成る建造物であって、
請求項１乃至５のいずれかに記載の建造物品質モニタシステムによって品質判定可能であることを特徴とする建造物。
【請求項２３】
請求項１４乃至２１のいずれかに記載の半導体集積回路装置が埋め込まれて成る建造物であって、
請求項６乃至１３のいずれかに記載の建造物品質モニタ方法によって品質判定可能であることを特徴とする建造物。
【請求項２４】
建造物の性質に係る物理量を検知するセンサを具備した半導体集積回路装置が埋め込まれ、
前記半導体集積回路装置にて検知された物理量に対応する検知信号に基づいて検査機により品質判定が可能であることを特徴とする建造物。
【請求項２５】
請求項２４記載の建造物において、
前記半導体集積回路装置は、更に、
前記センサにより検知された信号を増幅してディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、
前記ディジタル信号を処理するマイクロプロセッサと、
前記マイクロプロセッサにより処理された信号を外部へ送信する送信回路と、
前記センサ、前記Ａ／Ｄ変換回路、前記マイクロプロセッサ、および前記送信回路のうちの少なくとも１つに電力を供給するよう構成された電力発生装置と、
前記センサ、前記Ａ／Ｄ変換器、前記マイクロプロセッサ、および前記送信回路のうちの少なくとも１つに対し、前記電力発生装置により発生した電力を供給するか非供給とするかを制御するよう構成された電源制御回路と、
前記電力発生装置により発生した電力を蓄えるよう構成されたコンデンサと
を具備することを特徴とする建造物。
【請求項１】
建造物に組み込まれ、該建造物の性質に係る物理量を検知するセンサを搭載した半導体集積回路装置と、
前記半導体集積回路装置にて検知された物理量に基づき生成された検知信号を受け取り、受け取った検知信号に基づいて前記建造物の品質を判定する検査機とを具備して成ることを特徴とする建造物品質モニタシステム。
【請求項２】
請求項１記載の建造物品質モニタシステムにおいて、
前記半導体集積回路装置はメモリを具備し、前記メモリは前記半導体集積回路装置に固有のＩＤ番号を記憶し、前記半導体集積回路装置は前記検知信号と共に前記ＩＤ番号を検査機へ送信することを特徴とする建造物品質モニタシステム。
【請求項３】
請求項１記載の建造物品質モニタシステムにおいて、
前記半導体集積回路装置はメモリを具備し、前記メモリは検知された前記物理量に対応する検知信号を記憶し、前記半導体集積回路装置は前記検査機からの要求に応じて前記メモリから前記検知信号を読み出して前記検査機へ送信することを特徴とする建造物品質モニタシステム。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の建造物品質モニタシステムにおいて、
前記検知信号は前記半導体集積回路装置から前記検査機へ無線で送信されることを特徴とする建造物品質モニタシステム。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の建造物品質モニタシステムにおいて、
前記建造物はコンクリートを主たる要素として構成され、前記半導体集積回路装置は前記コンクリートが固化する前のペースト状態の時から前記建造物に組み込まれており、前記ペースト状態のコンクリートの物理量を検知して前記検知信号を前記検査機に送信することを特徴とする建造物品質モニタシステム。
【請求項６】
建造物の性質に係る物理量を検知して該物理量に対応する検知信号を生成するセンサを搭載した半導体集積回路装置を前記建造物に組み込むステップと、
前記センサを動作させて前記建造物の性質に係る前記物理量を検知して該物理量に対応する前記検知信号を生成するステップと、
前記検知信号を前記半導体集積回路装置の外部に設けられた検査機に送信するステップと、
前記検査機で受信した前記検知信号に基づいて前記建造物の品質判定を行うステップとを含んで成ることを特徴とする建造物品質モニタ方法。
【請求項７】
請求項６記載の建造物品質モニタ方法において、
前記半導体集積回路装置は更にメモリを搭載しており、
前記センサにて生成された前記検知信号を前記メモリに記憶するステップと、
前記メモリに記憶された前記検知信号を読み出すステップとを更に含んで成ることを特徴とする建造物品質モニタ方法。
【請求項８】
請求項７記載の建造物品質モニタ方法において、
前記検知信号を読み出すステップは前記検査機からの要求に応じて前記メモリに記憶された前記検知信号を読み出すステップであることを特徴とする建造物品質モニタ方法。
【請求項９】
請求項７または８のいずれかに記載の建造物品質モニタ方法において、
前記検知信号を前記半導体集積回路装置の外部に設けられた検査機に送信するステップは、前記検知信号と共に前記メモリに記憶された前記半導体集積回路装置に固有のＩＤ番号を送信するステップであり、
前記品質判定を行うステップは、前記半導体集積回路装置から前記検知信号と共に送信された前記ＩＤ番号に基づいて、前記検知信号を送信した半導体集積回路装置を特定して前記建造物の品質判定を行うステップであることを特徴とする建造物品質モニタ方法。
【請求項１０】
請求項９記載の建造物品質モニタ方法において、
前記検知信号を送信した半導体集積回路装置を特定して前記建造物の品質判定を行うステップは、前記半導体集積回路装置の前記建造物内における位置を検出して前記建造物の品質判定を行うするステップであることを特徴とする建造物品質モニタ方法。
【請求項１１】
請求項６乃至１０のいずれかに記載の建造物品質モニタ方法において、
前記検知信号を前記半導体集積回路装置の外部に設けられた検査機に送信するステップは、前記検知信号を前記半導体集積回路装置から前記検査機へ無線で送信するステップであることを特徴とする建造物品質モニタ方法。
【請求項１２】
請求項６乃至１１のいずれかに記載の建造物品質モニタ方法において、
前記建造物はコンクリートを主たる要素として構成され、
前記半導体集積回路装置を前記建造物に組み込むステップは、前記コンクリートが固化する前のペースト状態の時に前記半導体集積回路装置を前記建造物に組み込むステップであり、
前記検知信号を生成するステップは、前記コンクリートが固化する前のペースト状態の時に前記センサを動作させて前記建造物の性質に係る前記物理量を検知して該物理量に対応する前記検知信号を生成するステップであり、
前記検知信号を前記半導体集積回路装置の外部に設けられた検査機に送信するステップは、前記コンクリートが固化した後に前記検知信号を前記検査機に送信するステップであることを特徴とする建造物品質モニタ方法。
【請求項１３】
請求項６乃至１２のいずれかに記載の建造物品質モニタ方法において、
前記センサは、電気抵抗センサ、温度センサ、圧力センサ、または加速度センサのうちの少なくとも１つを含んで成ることを特徴とする建造物品質モニタ方法。
【請求項１４】
半導体により計測可能な物理量であって建造物の性質に係る物理量を検知するセンサと、
前記センサにより検知された信号を増幅してディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、
前記ディジタル信号を処理するマイクロプロセッサと、
前記マイクロプロセッサにより処理された信号を外部へ送信する送信回路と、
前記センサ、前記Ａ／Ｄ変換回路、前記マイクロプロセッサ、および前記送信回路のうちの少なくとも１つに電力を供給するよう構成された電力発生装置と、
前記センサ、前記Ａ／Ｄ変換器、前記マイクロプロセッサ、および前記送信回路のうちの少なくとも１つに対し、前記電力発生装置により発生した電力を供給するか非供給とするかを制御するよう構成された電源制御回路と、
前記電力発生装置により発生した電力を蓄えるよう構成されたコンデンサとを具備して成ることを特徴とする半導体集積回路装置。
【請求項１５】
請求項１４記載の半導体集積回路装置において、
前記センサにより得た情報を格納するメモリを更に具備して成ることを特徴とする半導体集積回路装置。
【請求項１６】
請求項１５記載の半導体集積回路装置において、
前記メモリは、該メモリを搭載する半導体集積回路装置に固有のＩＤ番号を格納することを特徴とする半導体集積回路装置。
【請求項１７】
請求項１４乃至１６のいずれかに記載の半導体集積回路装置において、
前記センサは、圧力センサを含んで成ることを特徴とする半導体集積回路装置。
【請求項１８】
請求項１４乃至１６のいずれかに記載の半導体集積回路装置において、
前記送信回路は、超広帯域無線通信方式であるＵＷＢにより、パルス列を用いて送信を行うよう構成されていることを特徴とする半導体集積回路装置。
【請求項１９】
請求項１４乃至１８のいずれかに記載の半導体集積回路装置において、
前記電力発生装置は、ＭＥＭＳプロセスにて形成された可変容量コンデンサと、前記建造物の力学振動による前記可変容量コンデンサの静電エネルギーの増加分を回収して電気エネルギーに変換する電力回収回路とを具備して成ることを特徴とする半導体集積回路装置。
【請求項２０】
請求項１４乃至１９のいずれかに記載の半導体集積回路装置において、
前記センサ、前記Ａ／Ｄ変換回路、前記マイクロプロセッサ、前記送信回路、および前記電源制御回路が１つの半導体基板の上に形成されて成ることを特徴とする半導体集積回路装置。
【請求項２１】
請求項１４乃至２０のいずれかに記載の半導体集積回路装置において、
前記電力発生装置は、前記センサ、前記Ａ／Ｄ変換回路、前記マイクロプロセッサ、前記送信回路、および前記電源制御回路が形成された第１の半導体チップとは別の第２の半導体チップ上に形成されて成り、前記第１の半導体チップと前記第２の半導体チップとは共通の基板の互いに反対の面に搭載されて成ることを特徴とする半導体集積回路装置。
【請求項２２】
請求項１４乃至２１のいずれかに記載の半導体集積回路装置が埋め込まれて成る建造物であって、
請求項１乃至５のいずれかに記載の建造物品質モニタシステムによって品質判定可能であることを特徴とする建造物。
【請求項２３】
請求項１４乃至２１のいずれかに記載の半導体集積回路装置が埋め込まれて成る建造物であって、
請求項６乃至１３のいずれかに記載の建造物品質モニタ方法によって品質判定可能であることを特徴とする建造物。
【請求項２４】
建造物の性質に係る物理量を検知するセンサを具備した半導体集積回路装置が埋め込まれ、
前記半導体集積回路装置にて検知された物理量に対応する検知信号に基づいて検査機により品質判定が可能であることを特徴とする建造物。
【請求項２５】
請求項２４記載の建造物において、
前記半導体集積回路装置は、更に、
前記センサにより検知された信号を増幅してディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、
前記ディジタル信号を処理するマイクロプロセッサと、
前記マイクロプロセッサにより処理された信号を外部へ送信する送信回路と、
前記センサ、前記Ａ／Ｄ変換回路、前記マイクロプロセッサ、および前記送信回路のうちの少なくとも１つに電力を供給するよう構成された電力発生装置と、
前記センサ、前記Ａ／Ｄ変換器、前記マイクロプロセッサ、および前記送信回路のうちの少なくとも１つに対し、前記電力発生装置により発生した電力を供給するか非供給とするかを制御するよう構成された電源制御回路と、
前記電力発生装置により発生した電力を蓄えるよう構成されたコンデンサと
を具備することを特徴とする建造物。
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０４６７０４
【国際公開日】平成１６年６月３日（２００４．６．３）
【発行日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−５５３１７４（Ｐ２００４−５５３１７４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００３／０１４５４４
【国際出願日】平成１５年１１月１４日（２００３．１１．１４）
【出願人】（５０３１２１１０３）株式会社ルネサステクノロジ (4,790)
【Ｆターム（参考）】
【国際公開日】平成１６年６月３日（２００４．６．３）
【発行日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【国際特許分類】
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００３／０１４５４４
【国際出願日】平成１５年１１月１４日（２００３．１１．１４）
【出願人】（５０３１２１１０３）株式会社ルネサステクノロジ (4,790)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]