DNP 大日本印刷

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ニュースリリース

2017年04月11日

 

国立研究開発法人 産業技術総合研究所
大日本印刷株式会社

加工技術

橋梁のひずみ分布をモニタリングできるセンサーシートを開発

貼るだけで橋梁の劣化状態を把握できるフレキシブル面パターンセンサー

 

■ ポイント ■

  • 圧電MEMS技術で作製した極薄PZT/Siひずみセンサーをフレキシブル基板上に集積化
  • 接着フィルムで橋梁構造体表面に貼り付けるだけの簡易施工を実現
  • ひずみ分布常時モニタリングセンサーネットワークの実証試験を阪神高速道路で開始

■ 概 要 ■

国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】(以下「産総研」という)集積マイクロシステム研究センター【研究センター長 廣島 洋】社会実装化センサシステム研究チーム 小林 健 研究チーム長、同センター ウエアラブルIoT研究チーム 山下 崇博 研究員は、大日本印刷株式会社【社長 北島 義俊】(以下「DNP」という)と共同で、橋梁のひずみ分布をモニタリングするセンサーシートを開発した。
近年、橋梁の劣化状態を把握するためにセンサーでひずみ分布をモニタリングする方法が検討されているが、光ファイバー式は敷設コストが高価であり、また、箔ひずみゲージでは消費電力が大きい、フレキシブル基板や接着材の屋外耐久性が低い、施工方法が煩雑、などの課題がある。
今回、MEMS技術により極薄化したシリコンセンサーや回路チップをフレキシブル基板上に集積化する技術を開発し、圧電MEMS技術で作製した極薄PZT/Siひずみセンサー(長さ5 mm、幅1 mm、厚さ3 μm)をフレキシブル基板上に配置して、保護フィルム、接着フィルムと一体化したフレキシブル面パターンセンサーを作製した。また、このフレキシブル面パターンセンサーを高速道路橋に複数枚貼り付けると、車両通過に伴う橋梁の動ひずみ分布をモニタリングできた。
この成果の詳細は、2017年4月12日にコクヨホール(東京都港区)で開催されるFLEX Japan 2017のMEMS and Sensor Sessionにて報告される。

 

(a)開発したセンサーの全体像と拡大図、(b)(c)センサーを用いた鋼橋溶接部付近のひずみ分布測定の様子

■ 開発の社会的背景 ■

橋梁の点検は専門の作業員による直接目視を基本とし、亀裂が発見された場合は渦流探傷などによる精密点検を行った後に補修・補強をして経過観察を行う。しかしながら、近年の老朽化橋梁数の増大に伴い専門作業員が不足し、点検やその後の経過観察が十分にできないという問題が生じている。そこで、近年では効率的なインフラ維持管理のために、インフラの劣化・損傷状態を常時モニタリングし、モニタリングデータを元に、健全性評価やインフラの状態に対応した点検を実施するための技術のニーズが増している。
このような背景から、橋梁などの道路インフラ構造体を維持管理するために、センサーを活用した構造ヘルスモニタリングの導入が進みつつある。その中でも最も基本的な手法が、ひずみセンサーを用いたひずみ分布のモニタリングである。しかし、光ファイバー式のひずみセンサーは敷設コストが高く、有線ひずみセンサーでは、多数のセンサーを貼り付けるため施工性や配線の取り回しに難点があった。

■ 研究の経緯 ■

産総研 集積マイクロシステム研究センターでは、無線MEMSセンサーを用いて鶏の健康や消費電力をモニタリングするシステムの研究開発を端緒に、土砂災害、インフラ、空調設備、畜産動物、バイタルサインなどさまざまな場面に応じたモニタリングシステムを開発している。
今回、太陽電池パネル用バックシートやコンクリート応急補修シートといった機能性フィルム事業を展開するDNPと共同で、屋外環境での耐久性を備え施工の容易な、橋梁のひずみ分布をモニタリングするセンサーシートの開発に取り組んだ。
なお、国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構「インフラ維持管理・更新等の社会課題対応システム開発プロジェクト①インフラ状態モニタリング用センサシステム開発」(平成26〜30年度)の事業を技術研究組合NMEMS技術研究機構が受託し、それに参画する産総研とDNPはサブテーマ「フレキシブル面パターンセンサによる橋梁センシングシステムの開発」の一環として今回の研究開発を行った。

■ 研究の内容 ■

今回、新たに極薄シリコン・フレキシブル基板実装技術と、保護フィルムと接着フィルムとの一体化技術を開発し、現場で簡便に貼り付けられるフレキシブル面パターンセンサーを開発した。これを貼り付けた橋梁上を車両が通過すると、フレキシブル面パターンセンサーが橋梁と一体となってひずみ、極薄PZT/Siひずみセンサーがひずみに比例した電圧を出力するため、動ひずみ分布を高感度で計測できる。橋梁に亀裂などの欠陥があると、車両通過時のひずみ分布に異常が現れることを利用して、橋梁の劣化状態をモニタリングできる。
図1(a)に今回開発したフレキシブル面パターンセンサーの作製プロセスを示す。あらかじめフレキシブル回路基板と保護フィルムを接合しておく。圧電MEMS技術により極薄PZT/Siひずみセンサー(長さ5 mm、幅1 mm、厚さ3 μm)を作製し、特殊なコレットを装備したチップマウンターによってフレキシブル回路基板上に繰り返し転写した後、銀ペーストをスクリーン印刷して一括で配線する。これに接着フィルムをラミネートして、フレキシブル面パターンセンサーを作製する。センサー部分と接着部分が一体化しているので、プライマーを塗った橋梁構造体の表面に貼り付けるだけで簡便にセンサーを取り付けることができる。
橋梁構造体に貼り付けたフレキシブル面パターンセンサー(図1(b))、アンプ・通信モジュールや受信機でセンサーネットワークシステム(図1(c))を構成して、橋梁の劣化状態を常時モニタリングする。なお、今回は圧電薄膜にPZT薄膜を用いているが、有害物質を含まないAlN、ScAlNなどの圧電薄膜も、同様に使用できる。


図1 (a)フレキシブル面パターンセンサーの作製プロセス、(b)亀裂の入ったステンレス板試験体に貼り付けたフレキシブル面パターンセンサー、(c)アンプ・通信モジュール、受信機まで含めたシステムの全体像

図1(c)に示すように、ステンレス板の試験体を自由振動や上げ下げによって曲げた場合の極薄PZT/Siセンサーからの出力電圧は、亀裂の有無で3〜5倍程度異なる(図2(a))。そのため、各センサーの出力電圧をマッピングして、ひずみの面パターンとして表示すると、貼り付け箇所に亀裂などの異常が発生したかどうかを把握できる(図2(b))。
今回、阪神高速道路株式会社の協力を得て、実際の高速道路橋にフレキシブル面パターンセンサーを複数枚施工し(図2(c))、アンプ・通信モジュールを接続して測定したところ、車両通過に伴う橋梁の変形をひずみ分布としてモニタリングできた(図2(d))。今回の実証実験のように、橋梁の動ひずみ分布を継続してかつ常時モニタリングできれば、橋梁の劣化状態を把握でき、橋梁の健全性評価や効率的な点検を行うことができるようになる。

図2 フレキシブル面パターンセンサーを貼り付けた試験体を変形させた場合の(a)亀裂上(赤)、平滑面上(黒)のセンサーからの出力電圧波形、(b)出力電圧のピーク値のマッピング(色は数値で示したひずみの相対値の大きさを表す)、(c) 接着フィルムによる簡易施工、(d)高速道路橋に貼り付けたフレキシブル面パターンセンサーによる鋼橋溶接部付近のひずみ分布測定の様子

■ 今後の予定 ■

今後は、高速道路橋にフレキシブル面パターンセンサーを貼り付けて、ひずみ分布測定と屋外耐久性評価を行うとともに、補修・補強した橋梁の経過観察の実証試験を行う。また、今回開発した極薄シリコン・フレキシブル基板実装技術を、アンプやマイコンなどの回路チップにも適用し、信号処理・通信モジュールをフレキシブル基板上に集積化するハイブリッドエレクトロニクス技術の開発を推進する。さらに、大判の基板を用いることによる低コスト化についても検討を進める。


【用語の説明】


◆箔ひずみゲージ
ジグザグ状の金属箔をプラスチックフィルムで挟んだ構造のひずみセンサー。ひずみによる金属箔の電気抵抗変化をひずみに換算する。
◆圧電MEMS
シリコンウエハーを微細加工する半導体製造プロセスを用いて作製されたセンサーなどの微小電気機械システムをMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)と総称する。MEMSに圧電薄膜を集積化したものを圧電MEMSという。
◆フレキシブル面パターンセンサー
フレキシブル基板上にセンサーを集積化し、出力をマッピングすることで、貼り付け対象の状態を面的に把握できるようにしたセンサー。今回は極薄PZT/Siセンサーをアレイ化して、出力電圧を面的に把握して、ひずみ分布の異常をモニタリングしている。
◆渦流探傷
誘起される渦電流がヒビなどの欠陥によって変化する性質を利用して鋼材の欠陥を検出する検査方法。
◆構造ヘルスモニタリング
構造物に設置したセンサーからの情報に基づいてその構造の健全性を診断する方法。今回開発したフレキシブル面パターンセンサーは、ひずみセンサーアレイを橋梁の構造物に貼り付けて、ひずみ分布から橋梁の健全性を診断するものである。
◆無線MEMSセンサー
MEMSデバイスとアナログ回路、マイコン、無線などを回路基板上に集積化したセンサー端末。無線MEMSセンサーを用いたセンサーネットワークによりビッグデータを収集し、AIで解析して対象のモニタリングや制御に役立てるというコンセプト全体がIoTの基本的な考え方となる。
◆極薄シリコン・フレキシブル基板実装技術
MEMS技術を活用して極薄化したシリコンセンサーや回路チップを、フレキシブル基板上に集積化する技術。シリコンデバイスとフレキシブル基板を集積化するハイブリッドエレクトロニクス技術の基盤技術の一つである。
◆チップマウンター、コレット
超小型のチップ抵抗器、コンデンサー、インダクターなどの電子部品を回路基板上に実装する装置。電子部品をつかむ先端部をコレットという。今回の開発では数?mの厚さの極薄シリコンを扱えるような特殊なコレットを開発した。
◆スクリーン印刷
ポリエステルやステンレス製のスクリーンメッシュの版を用いる印刷方法。エレクロニクス分野では、超微細配線を印刷するための開発が進んでいる。
◆プライマー
構造物にシートを貼り付ける際に、密着性をよくするために塗布する下地。
◆センサーネットワーク
複数のセンサーとデータ収集装置からなるシステム。近年のIoTの発展と普及は、MEMS技術によるセンサーの低コスト化、半導体技術による回路チップの低消費電力化により、MEMSデバイスを用いた無線センサー端末の低コスト、低消費電力化が実現されたことによる。センサーネットワークによりビッグデータを収集し、人工知能(AI)で解析して対象のモニタリングや制御に役立てるというコンセプト全体がIoTの基本的な考え方となる。
◆圧電薄膜
電圧を加えることで変形し、逆に変形により電圧を発生する材料を圧電材料という。これを厚さ10 µm以下に薄くしたものが圧電薄膜。代表的な圧電薄膜としてチタン酸ジルコン酸鉛(PZT, Pb(Zr,Ti)O3)、窒化アルミニウム(AlN)が挙げられる。


※ニュースリリースに記載された製品の価格、仕様、サービス内容などは発表日現在のものです。その後予告なしに変更されることがありますので、あらかじめご了承下さい。 
 
 
 

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