(57)【要約】【課題】簡易な構成で容易に土中に設置でき、水分量を検出して送信することが可能な水分量計測装置を提供する。【解決手段】水分量計測装置は、可撓性を有する薄膜状であり、導電性材料により薄膜状に形成された第１部材と、導電性材料により薄膜状に形成されて第１部材と所定間隔をもって平面配置された第２部材と、を備える。そして、第１部材と第２部材との静電容量に基づいて水分量計測装置の設置位置における水分量を検出し、第１部材と第２部材とをアンテナとして用いて検出した水分量を送信する。静電容量を検出する電極対とアンテナとを個別に有するものに比して簡易な構成となり、可撓性を有する薄膜状出ることから、装置の設置を容易なものとすることができる。【選択図】図１
2020003258.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性を有する薄膜状の水分量計測装置であって、
導電性材料により薄膜状に形成された第１部材と、
導電性材料により薄膜状に形成されて前記第１部材と所定間隔をもって平面配置された第２部材と、
前記第１部材と前記第２部材との静電容量に基づいて水分量計測装置の設置位置における水分量を検出すると共に前記第１部材と前記第２部材とをアンテナとして用いて検出した水分量を送信する送信制御装置と、
を備える水分量計測装置。
【請求項２】
請求項１記載の水分量計測装置であって、
前記第１部材と前記第２部材は、同一形状となるように形成されていると共に線対称となるよう配置されている、
水分量計測装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の水分量計測装置であって、
前記送信制御装置は、検出した水分量に基づいて共振周波数を送信周波数に調整して水分量を送信する、
水分量計測装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のうちのいずれか１つの請求項に記載の水分量計測装置であって、
受電用コイルと、
蓄電装置と、
を備え、
前記送信制御装置は、前記受電用コイルにより受電した電力により前記蓄電装置を充電し、前記蓄電装置からの電力を用いて水分量の検出および送信を行なう、
水分量計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水分量計測装置に関し、詳しくは、可撓性を有する薄膜状の水分量計測装置する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の水分量計測装置としては、複数の電極対を絶縁シートに形成し、これを円柱形状としたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、円柱形状の一端に、電極対により検出される静電容量から水分量を演算したり、演算した水分量を送信したりする制御装置が取り付けられており、制御装置が地上に露出するように地中に埋め込んで土中の水分量を検出して送信している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１５１０４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
サッカーグラウンドなどの芝の維持管理には表面から５ｃｍ程度の土中の水分量や温度の管理を適正に行なうことが肝要である。上述の水分量計測装置では、土中の水分量を検出することができるものの、制御装置が地上に露出しているため、グラウンドの芝の維持管理に用いるには不向きである。また、水分量計測装置の設置は、芝に穴を掘って個別に行なうより芝の張り替えの際に行なう方が容易であるが、その際、水分量計測装置の設置のために穴掘り作業などを不要とすることが望まれる。
【０００５】
本発明の水分量計測装置は、簡易な構成で容易に土中に設置でき、水分量を検出して送信することが可能な水分量計測装置を提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の水分量計測装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の水分量計測装置は、
可撓性を有する薄膜状の水分量計測装置であって、
導電性材料により薄膜状に形成された第１部材と、
導電性材料により薄膜状に形成されて前記第１部材と所定間隔をもって平面配置された第２部材と、
前記第１部材と前記第２部材との静電容量に基づいて水分量計測装置の設置位置における水分量を検出すると共に前記第１部材と前記第２部材とをアンテナとして用いて検出した水分量を送信する送信制御装置と、
を備えることを要旨とする。
【０００８】
本発明の水分量計測装置では、導電性材料により薄膜状に形成された第１部材と導電性材料により薄膜状に形成されて第１部材と所定間隔をもって平面配置された第２部材との静電容量に基づいて水分量計測装置の設置位置における水分量（水分量計測装置を土中に設置した場合には土中の水分量）を検出する。そして、第１部材と第２部材とをダイポールアンテナとして用いて検出した水分量を送信する。第１部材と第２部材とを水分量を検出する電極対として用いると共にダイポールアンテナとして用いて検出した水分量を送信するから、電極対とアンテナとを個別に有するものに比して簡易な構成とすることができる。可撓性を有する薄膜状に形成されているから、容易に設置することができる。例えば、芝をビッグロール工法により張り替える場合には、ビッグロールを巻き上げる際に水分量計測装置を必要個数だけ貼り付け、その後、ビッグロールを展開するだけで、容易に必要個数の水分量計測装置を設置することができる。これらの結果、簡易な構成で容易に土中に設置でき、水分量を検出して送信することが可能な水分量計測装置とすることができる。
【０００９】
本発明の水分量計測装置において、前記第１部材と前記第２部材は、同一形状となるように形成されていると共に線対称となるよう配置されているものとしてもよい。この場合、前記第１部材と前記第２部材は、１０００ｐＦを含む所定範囲の静電容量となる大きさに形成されているものとしてもよい。
【００１０】
また、本発明の水分量計測装置において、前記送信制御装置は、検出した水分量に基づいて共振周波数を送信周波数に調整して水分量を送信するものとしてもよい。これは、土中に埋設した第１部材と第２部材とを水分量を検出する電極対として用いると共にダイポールアンテナとして用いる場合、水分量に応じて共振周波数が変動することを実験により確かめたことに基づく。例えば、土中に埋設した第１部材と第２部材とをダイポールアンテナとして用いたときの水分量と共振周波数（或いは共振周波数に関連するパラメータ）との関係を実験などにより予め求めておき、第１部材と第２部材とにより検出した水分量を予め求めた関係に適応して共振周波数（或いはパラメータ）を導出し、導出した共振周波数（或いはパラメータ）を用いて共振周波数を送信周波数にあわせるようにすればよい。この場合、送信周波数に共振周波数を合わせるチューナブル回路を備えるものとしてもよい。こうすれば、より適正に検出した水分量を送信することができる。
【００１１】
本発明の水分量計測装置において、受電用コイルと、蓄電装置と、を備え、前記送信制御装置は、前記受電用コイルにより受電した電力により前記蓄電装置を充電し、前記蓄電装置からの電力を用いて水分量の検出および送信を行なうものとしてもよい。こうすれば、水分量計測装置に対して非接触の状態で送電用コイルを用いて送電するだけで、水分量計測装置の蓄電装置を充電することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態の水分量計測装置２０の構成の概略を示す説明図である。
【図２】実施形態の水分量計測装置２０を機能ブロックで例示するブロック図である。
【図３】チューナブル回路５０の一例を示す回路図である。
【図４】実験結果としてのアンテナ・センサ兼用エレメント３０のアンテナ特性を示す説明図である。
【図５】制御装置４０により実行される検出送信ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、本発明を実施するための形態について説明する。図１は実施形態の水分量計測装置２０の構成の概略を示す説明図であり、図２は実施形態の水分量計測装置２０を機能ブロックで例示するブロック図である。実施形態の水分量計測装置２０は、図１に示すように、可撓性を有する薄膜２２の一方の面上に形成されたアンテナ・センサ兼用エレメント３０と、同じく薄膜２２の一方の面上に形成された受電コイル３２と、同じく薄膜２２の一方の面状に取り付けられてアンテナ・センサ兼用エレメント３０および受電コイル３２に接続された薄型の制御装置４０と、を備え、アンテナ・センサ兼用エレメント３０や受電コイル３２，制御装置４０の上面には絶縁性材料によってレジストされている。
【００１４】
薄膜２２は、絶縁性と可撓性を有する薄膜（例えば、ポリエチレンテレフタレートなどの樹脂やシリコンゴムなどによる厚さが１０μｍ〜１００μｍ程度の薄膜）として形成されている。
【００１５】
アンテナ・センサ兼用エレメント３０は、導電性を有する金属材料（例えば、銅など）により薄膜２２上に薄膜状（例えば、１μｍ〜１００μｍ程度の厚み）に同一形状となるように且つ線対称となるように僅かなギャップ（１ｍｍ〜５ｍｍ程度）の間隔をもって配置された第１部材３０ａおよび第２部材３０ｂにより構成されている。アンテナ・センサ兼用エレメント３０は、第１部材３０ａと第２部材３０ｂとを電極対としてその静電容量に基づいて水分量計測装置２０が設置された位置における水分量（体積含水率）を検出するセンサとして機能する。このため、第１部材３０ａと第２部材３０ｂは、水分量の検出のため１０００ｐＦ程度の静電容量を有する面積とするのが好ましい。また、アンテナ・センサ兼用エレメント３０は、第１部材３０ａと第２部材３０ｂとを２つのアンテナエレメントとして通信するためのダイポールアンテナとしても機能する。このため、第１部材３０ａと第２部材３０ｂは、送信周波数の電波の１／４波長程度の長さとするのが好ましい。
【００１６】
制御装置４０は、図２に示すように、制御マイコン４２を中心として構成されており、静電容量測定モジュール４３と、通信モジュール４４と、充電制御回路４５と、整流昇圧回路４６と、蓄電装置４７と、を備える。静電容量測定モジュール４３は、アンテナ・センサ兼用エレメント３０を水分量（体積含水率）を検出するセンサとして機能させて水分量を検出するためのモジュールである。通信モジュール４４は、アンテナ・センサ兼用エレメント３０をダイポールアンテナとして機能させて検出した水分量を送信するためのモジュールであり、チューナブル回路５０を備える。チューナブル回路５０については後述する。整流昇圧回路４６は、充電制御回路４５による制御により、受電コイル３２により受電した電力を直流電力に整流すると共に蓄電装置４７を充電可能な電圧まで昇圧する。
【００１７】
図３はチューナブル回路５０の一例を示す回路図である。チューナブル回路５０は、ダイポールアンテナと通常の通信モジュールとの間に構成され、例えばインピーダンスを調整することによりダイポールアンテナの共振周波数を送信周波数にあわせるために用いられる。図３に示すチューナブル回路５０は、アンテナ・センサ兼用エレメント３０から通信モジュール４４の方向を順方向としてアンテナ・センサ兼用エレメント３０にコンデンサ５２を介して接続されたバラクタダイオード５３と、このバラクタダイオード５３とは逆向きにバラクタダイオード５３に接続されたバラクタダイオード５４と、バラクタダイオード５３とバラクタダイオード５４との接点（アノード）に共振周波数を制御するためのチューニング電圧を印加するバラクタ制御電圧源５５と、一端がバラクタダイオード５４に接続されると共に他端がコンデンサ５８を介して通信モジュール側に接続されたコイル５６と、通信モジュール側の高周波回路との整合をとるために一端がコイル５６とコンデンサ５８の接点に接続されると共に他端がグランド接続されたコイル５７と、を備える。チューナブル回路５０の両端のコンデンサ５２，５８は、直流をカットするためのものである。バラクタダイオード５３，５４は、逆方向に印加する電圧を調整することによりその容量値を調整することができる可変容量コンデンサとして機能する。このため、バラクタダイオード５３，５４とコイル５６は直列のＬＣ共振回路を構成することになり、そのインピーダンスや共振周波数は、バラクタダイオード５３，５４の接点（アノード）に印加するチューニング電圧により調整することができる。
【００１８】
実施形態の水分量計測装置２０は、例えば芝が敷き詰められたグランドの芝下約５ｃｍの土中に水平に設置されて芝の維持管理のために使用されることが想定されている。発明者らの実験によれば、アンテナ・センサ兼用エレメント３０によるダイポールアンテナとしてのアンテナ特性は水分量によって変化する。実験では、アンテナ・センサ兼用エレメント３０として、ポリエチレンテレフタレートによる厚さ５０μｍの薄膜２２に、銅による厚さ３μｍ、長さ５６ｍｍ、幅２０ｍｍの第１部材３０ａおよび第２部材３０ｂをギャップ５ｍｍとなるように形成したものを用いた。実験結果としてのアンテナ・センサ兼用エレメント３０のアンテナ特性を図４に示す。図中、実線は空中にアンテナ・センサ兼用エレメント３０を設置したときのアンテナ特性であり、破線は芝下５ｃｍの土中にアンテナ・センサ兼用エレメント３０を設置したときにおける水分量（体積含水率）が１０％のときのアンテナ特性であり、一点鎖線は芝下５ｃｍの土中にアンテナ・センサ兼用エレメント３０を設置したときにおける水分量（体積含水率）が２０％のときのアンテナ特性であり、二点鎖線は芝下５ｃｍの土中にアンテナ・センサ兼用エレメント３０を設置したときにおける水分量（体積含水率）が３０％のときのアンテナ特性である。縦軸はｓ１１パラメータであり、反射損失を示す。図示するように、実験に用いたアンテナ・センサ兼用エレメント３０では、共振周波数は、空中では１０３０ＭＨｚ程度であるが、土中の水分量１０％では９１０ＭＨｚ程度となり、土中の水分量２０％では６８０ＭＨｚ程度となり、土中の水分量３０％では共振点を観測することができなかった。このことから、アンテナ・センサ兼用エレメント３０は、土中の水分量が０％から２０％を超える程度の範囲で水分量が大きくなるほど共振周波数が小さくなることが解る。このように水分量によってアンテナ・センサ兼用エレメント３０の共振周波数が異なるため、実施形態の水分量計測装置２０では共振周波数を送信周波数にあわせるためにチューナブル回路５０を通信モジュール４４に備えるのである。
【００１９】
次に、こうして構成された実施形態の水分量計測装置２０の動作、即ち、水分量を検出する際の動作および水分量を送信する際の動作について説明する。図５は、制御装置４０により実行される検出送信ルーチンの一例を示すフローチャートである。検出送信ルーチンが実行されると、制御装置４０は、まず、アンテナ・センサ兼用エレメント３０の第１部材３０ａと第２部材３０ｂの静電容量を測定し（ステップＳ１００）、測定した静電容量を水分量設定用マップに適用して水分量を検出する（ステップＳ１１０）。水分量設定用マップは、第１部材３０ａと第２部材３０ｂの静電容量と水分量との関係を実験などにより求めてマップとしたものであり、予め制御装置４０に記憶させておくものである。
【００２０】
続いて、検出した水分量をチューニング電圧設定用マップに適用して、チューナブル回路５０のバラクタ制御電圧源５５からバラクタダイオード５３，５４との接点（アノード）に印加するチューニング電圧を設定する（ステップＳ１２０）。チューニング電圧設定用マップは、水分量とアンテナ・センサ兼用エレメント３０の共振周波数を送信周波数にあわせるためのチューニング電圧との関係を実験などにより求めてマップとしたものであり、予め制御装置４０に記憶させておくものである。チューニング電圧設定用マップは、水分量と共振周波数との関係に、共振周波数を送信周波数にあわせるためのチューニング電圧と共振周波数との関係を適用したものと考えることができる。このため、チューニング電圧は、共振周波数を反映するパラメータということもできる。
【００２１】
こうしてチューニング電圧を設定すると、設定したチューニング電圧をチューナブル回路５０のバラクタ制御電圧源５５からバラクタダイオード５３，５４との接点（アノード）に印加し（ステップＳ１３０）、その状態で通信モジュール４４を介して検出した水分量を送信して（ステップＳ１４０）、本ルーチンを終了する。
【００２２】
次に、実施形態の水分量計測装置２０の設置について説明する。上述したように、実施形態の水分量計測装置２０は、例えば芝が敷き詰められたグランドの芝下約５ｃｍの土中に水平に設置されて芝の維持管理のために使用されることが想定されている。このため、芝を必要範囲だけ切り剥がして芝下５ｃｍに設置することができる。また、ビッグロール工法を用いて芝の張り替えを行なう場合、ビッグロールを巻き上げる際に実施形態の水分量計測装置２０を必要個数だけ貼り付け、その後、ビッグロールを展開することにより、必要個数の水分量計測装置２０を設置する。なお、実施形態の水分量計測装置２０は、芝下５ｃｍの土中に設置されることに限定されるものではなく、例えば屋外または屋内の植物の根の近傍の土中に設置するものとしてもよい。
【００２３】
次に、実施形態の水分量計測装置２０で受電する際の動作について説明する。いま、複数個の水分量計測装置２０が適度に分布した状態でグランドの芝下５ｃｍの土中に設置されており、芝刈り機の底部にマルチホップ給電システムが取り付けられている場合を考える。グランドの芝を芝刈り機で刈る際、マルチホップ給電システムにより水分量計測装置２０の受電コイル３２を検出すると、マルチホップ給電システムにおける受電コイル３２と整合する送電コイルから受電コイル３２への送電を行なう。芝刈り機の移動によって受電コイル３２と整合する送電コイルも移り変わるが、各送電コイルは受電コイル３２と整合する際に送電するから、水分量計測装置２０への送電は比較的効率よく行なうことができる。
【００２４】
以上説明した実施形態の水分量計測装置２０では、アンテナ・センサ兼用エレメント３０の第１部材３０ａと第２部材３０ｂとを水分量を検出する電極対として用いると共にダイポールアンテナとして用いて検出した水分量を送信するから、電極対とアンテナとを個別に有するものに比して簡易な構成とすることができる。また、可撓性を有する薄膜状に形成されているから、容易に芝下などの土中に設置することができる。
【００２５】
実施形態の水分量計測装置２０では、水分量に応じてアンテナ・センサ兼用エレメント３０の共振周波数を送信周波数にあわせるチューナブル回路５０を備えるから、水分量に応じて予め定めた送信周波数帯で水分量を送信することができる。
【００２６】
実施形態の水分量計測装置２０では、受電コイル３２や充電制御回路４５，整流昇圧回路４６を備えるから、芝などの土中に設置した状態で送電することができ、受電コイル３２などの受電装置を備えず、電池交換を必要とするものに比して、装置への電力供給を容易に行なうことができる。
【００２７】
実施形態の水分量計測装置２０では、アンテナ・センサ兼用エレメント３０の第１部材３０ａと第２部材３０ｂは同一形状で線対称に配置するものとしたが、同一形状に形成しないものとしてもよく、線対称に配置しないものとしても構わない。また、第１部材３０ａと第２部材３０ｂは矩形形状でなくても構わない。
【００２８】
実施形態の水分量計測装置２０では、アンテナ・センサ兼用エレメント３０を送信用のダイポールアンテナとして機能させるものとしたが、受信用のダイポールアンテナとして機能させるものとしてもよい。この場合、チューナブル回路５０により水分量に応じてアンテナ・センサ兼用エレメント３０の共振周波数を送信周波数にあわせて受信するものとしてもよい。
【００２９】
実施形態の水分量計測装置２０では、マルチホップ給電システムを用いて給電するものとしたが、マルチホップ給電システムに限定されるものではなく、複数の送電コイルを個別に制御することにより給電するものとしたり、単一の送電コイルにより給電するものとしてもよい。
【００３０】
実施形態の水分量計測装置２０では、受電コイル３２や充電制御回路４５，整流昇圧回路４６を備えるものとしたが、十分な期間に亘って水分量の検出や水分量の送信を行なうことができるバッテリを備えるなど、他の電力供給源を有するときには、受電コイル３２や充電制御回路４５，整流昇圧回路４６などを備えないものとしてもよい。
【００３１】
実施例の水分量計測装置２０では、水分量を検出して送信するものとして構成したが、他のセンサ（例えば温度センサなど）を備え、検出値を水分量と共に送信するものとしてもよい。
【００３２】
以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、水分量計測装置の製造産業などに利用可能である。
【符号の説明】
【００３４】
２０  水分量計測装置、２２  薄膜、３０  アンテナ・センサ兼用エレメント、３０ａ  第１部材、３０ｂ  第２部材、３２  受電コイル、４０  制御装置、４２  制御マイコン、４３  静電容量測定モジュール、４４  通信モジュール、４５  充電制御回路、４６  整流昇圧回路、４７  蓄電装置、５０  チューナブル回路、５２，５８  コンデンサ、５３，５４  バラクタダイオード、５５  バラクタ制御電圧源、５６，５７  コイル。
【図１】
2020003258.tif 000003
【図２】
2020003258.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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