(57)【要約】【課題】多孔質セラミックから水分を強制的に排出する機構を必ずしも備えなくても、応答性が良い水分センサを提供すること。【解決手段】水分センサは土壌中の水分量を測定する。水分センサは、土壌に接する多孔質セラミックと、前記多孔質セラミックに接する１対の電極と、を備える。前記多孔質セラミックの表面のうち、土壌に接する部分の少なくとも一部において水に対する接触角が９０°以上である。前記多孔質セラミックの表面のうち、少なくとも、土壌に接する部分における接触角が９０°以上であることが好ましい。前記多孔質セラミックの表面の任意の部分において接触角が９０°以上であることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
土壌中の水分量を測定する水分センサであって、
土壌に接する多孔質セラミックと、
前記多孔質セラミックに接する１対の電極と、
を備え、
前記多孔質セラミックの表面のうち、土壌に接する部分の少なくとも一部において水に対する接触角が９０°以上である水分センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の水分センサであって、
前記多孔質セラミックの表面の任意の部分において水に対する接触角が９０°以上である水分センサ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の水分センサであって、
前記多孔質セラミックの表面のうち、少なくとも一部は、水に対する接触角が９０°以上である疎水性膜を備える水分センサ。
【請求項４】
請求項３に記載の水分センサであって、
前記疎水性膜は、シリコン樹脂膜である水分センサ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の水分センサであって、
前記多孔質セラミック及び前記１対の電極を支持する基板をさらに備える水分センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は水分センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、土壌中の水分量を測定する水分センサが知られている（特許文献１参照）。水分センサは、多孔質セラミックと、その多孔質セラミックに接する１対の電極とを備える。多孔質セラミックを土壌中に埋めると、土壌中の水分は、多孔質セラミック中に移動する。この水分の移動は、土壌の保水力と多孔質セラミックの保水力とが平衡するまで続く。土壌中の水分量が多いほど、多孔質セラミック中の水分量は多くなる。１対の電極間の電位差は、多孔質セラミック中の水分量に応じて変化する。よって、１対の電極間の電位差は、土壌中の水分量に応じて変化する。そのため、１対の電極間の電位差を測定することにより、土壌中の水分量を測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２０１９２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
土壌中の水分量が多いとき、多孔質セラミック中の水分量は多くなる。その後、土壌中の水分量が減少しても、多孔質セラミックから水分が排出される速度は遅いため、多孔質セラミック中の水分量は多いままとなる。その結果、水分センサの測定値は、土壌中の水分量が減少した後でも、土壌中の水分量が多いときの測定値となってしまう。すなわち、水分センサの応答性が良くない。
【０００５】
その対策として、特許文献１記載の水分センサは、加圧機構により、多孔質セラミックから水分を強制的に排出する。しかしながら、特許文献１記載の水分センサのように加圧機構を設けると、装置が大型化したり、コストアップとなったりしてしまう。
【０００６】
本開示の一局面は、多孔質セラミックから水分を強制的に排出する機構を必ずしも備えなくても、応答性が良い水分センサを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の一局面は、土壌中の水分量を測定する水分センサであって、土壌に接する多孔質セラミックと、前記多孔質セラミックに接する１対の電極と、を備え、前記多孔質セラミックの表面のうち、土壌に接する部分の少なくとも一部において水に対する接触角が９０°以上である水分センサである。
【０００８】
本開示の一局面である水分センサでは、多孔質セラミックの表面のうち、土壌に接する部分の少なくとも一部において水に対する接触角が９０°以上である。そのため、多孔質セラミックから水分を強制的に排出する機構を必ずしも備えなくても、多孔質セラミックから水分が迅速に排出される。その結果、本開示の一局面である水分センサは応答性が良い。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】水分センサ１の構成を表す平面図である。
【図２】図１におけるII-II断面を表す断面図である。
【図３】水分センサ１の使用状態を表す説明図である。
【図４】水分センサ１及び水分センサＲによる水ポテンシャルの測定結果を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本開示の実施形態を説明する。
１．水分センサの構成
本開示の水分センサは土壌中の水分量を測定する。本開示の水分センサは、土壌に接する多孔質セラミックと、前記多孔質セラミックに接する１対の電極と、を備える。
【００１１】
（１−１）多孔質セラミック
多孔質セラミックの種類は特に限定されず、例えば、アルミナ、ジルコニア、チタニア、シリカ等を含む多孔質セラミックが挙げられる。
【００１２】
多孔質セラミックの表面のうち、土壌に接する部分の少なくとも一部において水に対する接触角は９０°以上である。以下では、多孔質セラミックの表面のうち、水に対する接触角が９０°以上である部分を疎水性部とする。本開示の水分センサは、疎水性部を備えることにより、多孔質セラミックから水分を迅速に排出することができる。そのことにより、本開示の水分センサは応答性が良い。なお、以下では、特に断らない限り、接触角とは、水に対する接触角を意味する。
【００１３】
接触角の測定方法は、多孔質セラミックの表面に水滴を滴下し、その水滴と多孔質セラミックとの界面における接触角を測定する方法である。接触角の測定は、公知の接触角計を用いて行うことができる。
【００１４】
多孔質セラミックの表面における全体が疎水性部であってもよいし、多孔質セラミックの表面の一部が疎水性部であってもよい。多孔質セラミックの表面のうち、土壌に接する部分の少なくとも一部は疎水性部である。土壌に接する部分とは、本開示の水分センサを通常の方法で使用するときに土壌と接する部分を意味する。土壌に接する部分の全体が疎水性部であってもよいし、土壌に接する部分の一部が疎水性部であってもよい。多孔質セラミックの表面のうち、土壌に接する部分以外の部分は、疎水性部であってもよいし、疎水性部でなくてもよい。
【００１５】
疎水性部は、例えば、多孔質セラミックの表面に、水に対する接触角が９０°以上である疎水性膜を備える。多孔質セラミックの表面とは、多孔質セラミックの内部に存在する細孔の内壁を含む。すなわち、多孔質セラミックの表面は、多孔質セラミックの内部に侵入した水と接触しうる細孔の内壁を含む。
疎水性膜は、例えば、疎水性材料を含む。疎水性材料として、例えば、シリコン樹脂、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等が挙げられる。疎水性部が、疎水性膜として、シリコン樹脂を含むシリコン樹脂膜を備える場合、疎水性部における接触角は、９０°以上、１１０°以下が好ましい。この場合、多孔質セラミックから水分を一層迅速に排出することができる。疎水性部がＰＴＦＥを含む疎水性膜を備える場合、疎水性部における接触角は、１１０°以上、１１５°以下が好ましい。この場合、多孔質セラミックから水分を一層迅速に排出することができる。
【００１６】
疎水性膜を形成する方法として、例えば、疎水性材料を含む溶液と、未処理の多孔質セラミックとを接触させ、その後、溶液に含まれる溶媒を除去する方法が挙げられる。その方法の一例として、疎水性材料を含む溶液に未処理の多孔質セラミックを浸漬し、その後、溶液から多孔質セラミックを取り出し、溶液に含まれる溶媒を蒸発させる方法が挙げられる。なお、上記の未処理の多孔質セラミックとは、未だ疎水性材料を含む疎水性膜を形成していない多孔質セラミックを意味する。
【００１７】
（１−２）電極
電極の材料は特に限定されず、適宜選択した導電性材料を用いることができる。一対の電極は、それぞれ、多孔質セラミックと接している。電極は互いに離間している。本開示の水分センサを通常の方法で使用するとき、一対の電極の少なくとも一方は土壌に接しないことが好ましく、一対の電極の両方が土壌に接しないことがより好ましい。
【００１８】
（１−３）その他の構成
本開示の水分センサは、例えば、基板をさらに備えていてもよい。基板は、例えば、多孔質セラミック及び一対の電極を支持する。基板を備える場合、強度の点で優れる。基板の材質は絶縁性の材質であることが好ましい。
【００１９】
２．実施例
（２−１）水分センサ１の構成
図１、図２に基づき水分センサ１の構成を説明する。水分センサ１は、土壌中の水分量を測定するセンサである。水分センサ１は、多孔質セラミック３と、一対の電極５、７と、基板９と、を備える。
【００２０】
多孔質セラミック３は、アルミナ、ジルコニア、チタニア、シリカ等を主成分とする多孔質体である。多孔質セラミック３は直方体形状を有する。
一対の電極５、７は、それぞれ、金属から成る棒状部材である。多孔質セラミック３は、一方の側面３Ａから、多孔質セラミック３の奥側に向けて延びる一対の差込孔１１、１３を備える。電極５の一部は差込孔１１に差し込まれ、多孔質セラミック３と接している。電極５の残りの部分は多孔質セラミック３の外部にあり、絶縁被覆されている。同様に、電極７の一部は差込孔１３に差し込まれ、多孔質セラミック３と接している。電極７の残りの部分は多孔質セラミック３の外部にあり、絶縁被覆されている。電極５と電極７とは、多孔質セラミック３の内部及び外部のいずれにおいても、互いに離間している。一対の電極５、７は互いに平行である。
【００２１】
基板９は、アルミナ等のセラミックから成る板状部材である。多孔質セラミック３及び１対の電極５、７は、基板９における一方の面９Ａに取り付けられている。基板９は、多孔質セラミック３及び１対の電極５、７を支持する。
【００２２】
（２−２）水分センサ１の製造方法
水分センサ１を以下のように製造できる。未処理の多孔質セラミック３を用意する。未処理の多孔質セラミック３の全体を、シリコン樹脂を含む溶液に浸漬する。溶液におけるシリコン樹脂の濃度は５０質量％である。溶液における溶媒は、キシレンやトルエン等の芳香族系の溶媒である。浸漬時間は０．１時間である。
【００２３】
次に、多孔質セラミック３を溶液から取り出し、室温で１時間乾燥させる。このとき、多孔質セラミック３の表面にシリコン樹脂から成るシリコン樹脂膜が形成される。シリコン樹脂から成るシリコン樹脂膜は、多孔質セラミック３の内部に存在する細孔の内壁にも形成される。多孔質セラミック３の全体が疎水性部となる。シリコン樹脂膜は疎水性膜に対応する。
【００２４】
次に、多孔質セラミック３に差込孔１１、１３を形成する。差込孔１１に電極５を差し込み、差込孔１３に電極７を差し込む。次に、多孔質セラミック３及び一対の電極５、７を基板９に取り付ける。以上の工程により、水分センサ１が完成する。なお、工程の順番は適宜変更してもよい。例えば、差込孔１１、１３を形成してから、多孔質セラミック３を溶液に浸漬してもよい。
【００２５】
完成した水分センサ１において多孔質セラミック３の接触角を測定すると、９０°以上であった。
（２−３）水分センサ１の使用方法
水分センサ１は、例えば、図３に示す状態で使用できる。多孔質セラミック３の表面のうち、少なくとも一部は、土壌１５と接する。多孔質セラミック３の全体が疎水性部であるから、多孔質セラミック３の表面のうち、土壌１５と接する部分の全体が疎水性部である。土壌１５は、水分量を測定する対象である。土壌１５中の水分は、多孔質セラミック３中に移動することができる。また、多孔質セラミック３中の水分は、土壌１５中に移動することができる。多孔質セラミック３中の水分量は、土壌１５の保水力と多孔質セラミック３の保水力とが平衡する量となる。
【００２６】
電極５、７のうち、多孔質セラミック３の外部にある部分は、土壌１５と接していない。基板９は、土壌１５と接していてもよいし、接していなくてもよい。
図３に示す使用状態において、一対の電極５、７を、図示しない外部の測定器に接続する。そして、その測定器を用いて、一対の電極５、７間の電位差を測定する。一対の電極５、７間の電位差と、土壌１５中の水分量とは相関を有するから、測定した電位差を、土壌１５中の水分量に換算することができる。  
（２−４）水分センサ１の応答性の評価
水分センサ１を、まず、水を多量に含む土壌中に設置した。その後、水分センサ１を乾燥した土壌中に設置した。水分センサ１を乾燥した土壌中に設置した時点以降の水ポテンシャルを繰り返し測定した。水ポテンシャルとは、一対の電極５、７間の電位差を換算した値である。多孔質セラミック３中の水分量が少ないほど、水ポテンシャルの絶対値は大きくなる。測定結果を図４に示す。
【００２７】
また、比較例の水分センサＲについても、同様の測定を行った。その測定結果を図４に示す。水分センサＲは、基本的には水分センサ１と同様の構成を有するが、多孔質セラミックの表面がシリコン樹脂膜を備えていない。水分センサＲの多孔質セラミックにおける接触角は９０°未満である。
【００２８】
水分センサ１では、水分センサＲに比べて、水ポテンシャルの絶対値が早期に増加した。すなわち、水分センサ１では、水分センサＲに比べて、多孔質セラミック３中の水分量が早期に減少した。
【００２９】
この測定結果から、水分センサ１は、多孔質セラミック３から水分を迅速に排出することができ、応答性が良いことが確認できた。
３．他の実施形態
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。
【００３０】
（１）水分センサ１は、電極５、７間の電位差に基づき、誘電率、電気抵抗等を算出してもよい。
（２）多孔質セラミック３の表面の一部は、疎水性部でなくてもよい。例えば、多孔質セラミック３の外周側を疎水性部とし、多孔質セラミック３の中心付近は疎水性部でなくてもよい。この場合、多孔質セラミック３の中心付近に保持されていた水は、外周側の疎水性部を通り、容易に排出される。
【００３１】
（３）上記各実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分担させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に発揮させたりしてもよい。また、上記各実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記各実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。
【００３２】
（４）上述した水分センサの他、当該水分センサを構成要素とするシステム、水分量の測定方法、マトリックスポテンシャルの測定方法、誘電率の測定方法等、種々の形態で本開示を実現することもできる。
【符号の説明】
【００３３】
１…水分センサ、３…多孔質セラミック、３Ａ…側面、５、７…電極、９…基板、９Ａ…面、１１、１３…差込孔、１５…土壌
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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