JP2018091798A - 水分量検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】出力電圧の温度特性を従来よりも向上させる。【解決手段】検出電極と、該検出電極に所定の抵抗器を介して検出用入力信号を供給する信号供給手段と、検出電極から得られる検出信号と検出用入力信号との位相差を検出する位相検出手段と、検出用入力信号に応じた直流電圧を内部基準電圧として生成する基準電圧生成手段と、検出電圧と内部基準電圧とを差動増幅する増幅手段とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、水分量検出器に関する。

下記特許文献には、検出対象物の水分量を静電容量として検出する水分検出装置及び方法（MOISTURE DETECTION APPARATUS AND METHOD）が開示されている。すなわち、この水分検出装置及び方法は、検出対象物に接触する検出電極に抵抗器を介して所定周波数のクロック信号（基準信号）を入力し、水分量に依存して変化する検出対象物の静電容量の影響によって立上りが緩慢になった検出信号を上記検出電極から取得し、この検出信号と上記基準信号との位相差を検出することによって水分量を示す直流電圧（出力電圧）を生成するものである。

米国特許第６９０４７８９号明細書

ところで、上記背景技術では、周囲温度の影響によって上記出力電圧が変動し易いという問題がある。すなわち、上記背景技術では、出力電圧の温度特性が必ずしも十分ではない、つまり同一の水分量を異なる周囲温度で検出した場合に出力電圧の一致度が十分ではないという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、出力電圧の温度特性を従来よりも向上させることを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、水分量検出器に係る第１の解決手段として、検出電極と、該検出電極に所定の抵抗器を介して検出用入力信号を供給する信号供給手段と、前記検出電極から得られる検出信号と前記検出用入力信号との位相差を検出し、当該位相差を示す直流電圧を検出電圧として出力する位相検出手段と、前記検出用入力信号に応じた直流電圧を内部基準電圧として生成する基準電圧生成手段と、前記検出電圧と前記内部基準電圧とを差動増幅する増幅手段とを備える、という手段を採用する。

本発明では、水分量検出器に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記信号供給手段は、前記検出用入力信号を前記抵抗器に出力する駆動回路を備え、
前記位相検出手段の前段に前記駆動回路における遅延時間に相当する時間だけ前記検出用入力信号を遅延させる遅延回路をさらに備える、という手段を採用する。

本発明では、水分量検出器に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記信号供給手段は、前記検出用入力信号を発生させる基準信号発生器と、該基準信号発生器から入力された前記検出用入力信号を電流増幅して前記抵抗器に出力する第１の駆動回路とを備える、という手段を採用する。

本発明では、水分量検出器に係る第４の解決手段として、上記第３の解決手段において、前記基準電圧生成手段は、前記基準信号発生器から入力された前記検出用入力信号を電流増幅する第２の駆動回路と、該第２の駆動回路から入力された前記検出用入力信号を直流電圧に変換する電圧変換回路を備える、という手段を採用する。

本発明では、水分量検出器に係る第５の解決手段として、上記第４の解決手段において、前記電圧変換回路はローパスフィルタである、という手段を採用する。

本発明では、水分量検出器に係る第６の解決手段として、上記第３〜第５のいずれかの解決手段において、前記位相検出手段は、前記基準信号発生器から入力される前記検出用入力信号と前記検出信号とを位相比較する位相検出器と、該位相検出器の出力から直流成分を抽出し、前記検出電圧として出力する第２のローパスフィルタとを備える、という手段を採用する。

本発明によれば、基準電圧生成手段が検出用入力信号に応じた直流電圧を内部基準電圧として生成するので、当該内部基準電圧の温度特性は検出用入力信号の温度特性と同一傾向を示すものとなる。すなわち、増幅手段が差動増幅する内部基準電圧と検出電圧とは何れも温度特性において同一の傾向を有するものとなる。したがって、本発明によれば、増幅手段から出力される出力電圧の温度特性を従来よりも向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る水分量検出器の機能構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る水分量検出器の外観構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る水分量検出器の動作を示す波形図（ａ）及び出力特性を示すグラフ（ｂ）である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る水分量検出器は、各種の検出対象物の水分量を検出する装置であり、図１に示すように基準信号発生器１、駆動回路２（第１の駆動回路）、抵抗器３、一対の検出電極４ａ，４ｂ、遅延回路５、位相検出器６、ローパスフィルタ７（第２のローパスフィルタ）、バッファアンプ８、差動アンプ９、駆動回路１０（第２の駆動回路）、ローパスフィルタ１１（電圧変換回路）、バッファアンプ１２、バッファアンプ１３、５Ｖ電源回路１４、３．３Ｖ電源回路１５を備えている。なお、これら各構成要素のうち、一対の検出電極４ａ，４ｂを除く構成要素は主回路Ａを構成している。

ここで、これら各構成要素のうち、基準信号発生器１、駆動回路２（第１の駆動回路）及び抵抗器３は本発明における信号供給手段を構成している。また、遅延回路５、位相検出器６及びローパスフィルタ７（第２のローパスフィルタ）は、本発明における位相検出手段を構成している。また、駆動回路１０（第２の駆動回路）、ローパスフィルタ１１及びバッファアンプ１２は、本発明における基準電圧生成手段を構成している。さらに、バッファアンプ８、差動アンプ９及びバッファアンプ１２は、本発明における増幅手段を構成している。

基準信号発生器１は、例えば所定周波数かつ所定デューティ比の方形波信号（クロック信号）を発生する発振器である。上記周波数は、例えば５０ＭＨｚであるが、検出対象物に応じて最適値が適宜設定される。また上記デューティ比は、例えば５０％であるが、これについても検出対象物に応じて最適値が適宜設定される。このような基準信号発生器１は、上記方形波信号を駆動回路２、遅延回路５及び駆動回路１０に出力する。駆動回路２は、一種の電流増幅回路であり、上記方形波信号を電流増幅して抵抗器３に出力する。なお、基準信号発生器１は、３．３Ｖ電源回路１５から供給される３．３Ｖ電源によって作動するので、方形波信号（クロック信号）の波高値（振幅）は３，３Ｖである。

抵抗器３は、所定の抵抗値を有する２端子の電子素子であり、上記駆動回路２と一方の検出電極４ａとの間に設けられている。すなわち、抵抗器３は、一端が駆動回路２の出力端に接続され、他端が一方の検出電極４ａに接続されている。このような抵抗器３は、一対の検出電極４ａ，４ｂと共に上記駆動回路２に対する負荷を構成している。また、この抵抗器３は水分量検出器の検出ダイナミックレンジを支配する構成要素であり、上記抵抗値は、この検出ダイナミックレンジが最大となるよう最適設定されている。

一対の検出電極４ａ，４ｂは、図２にも示すように、土壌等の検出対象物に接触される導電性部材であり、所定距離を隔てて対向配置されている。ここで、検出対象物は、水分量に応じた大きさの静電容量を有する誘電体である。すなわち、一対の検出電極４ａ，４ｂは、検出対象物と共に上記静電容量を有するコンデンサ（電子素子）を構成する。

また、このような一対の検出電極４ａ，４ｂは、上記コンデンサとして回路的に機能するので、上述した抵抗器３と共に電子回路におけるＣＲ回路Ｊ、つまりコンデンサの静電容量Ｃと抵抗器３の抵抗値Ｒとに基づく時定数τを有する受動回路を構成している。すなわち、上記ＣＲ回路Ｊにおける一方の検出電極４ａと抵抗器３との接点Ｐの電圧波形は、検出用入力信号として駆動回路２から入力された方形波信号が上記時定数τに基づいて積分処理されたものとなる。このようなＣＲ回路Ｊは、上記接点Ｐつまり一方の検出電極４ａから検出用入力信号（方形波信号）が積分処理された信号を検出信号として位相検出器６に出力する。

遅延回路５は、位相検出器６の前段に設けられ、基準信号発生器１から入力される方形波信号を駆動回路２における方形波信号の遅延時間に相当する時間（遅延時間τ）だけ遅延させる回路であり、当該遅延時間τだけ遅延させた方形波信号を位相検出器６に出力する。この遅延回路５は、例えば駆動回路２と全く同様な回路構成を備える。

位相検出器６は、このような遅延回路５から入力される方形波信号とＣＲ回路Ｊから入力される検出信号との位相差を比較する位相比較器である。位相比較器には、周知のように各種形式の回路が存在するが、位相検出器６は、検出信号と方形波信号とをデジタル信号として位相比較処理するデジタル型比較器である。このような位相検出器６は、検出信号と方形波信号との位相差を示す信号（位相差信号）をローパスフィルタ７に出力する。

ローパスフィルタ７は、所定の遮断周波数を有する受動フィルタ回路であり、位相差信号から直流成分を抽出することにより検出信号と方形波信号との位相差を示す直流電圧（検出電圧）をバッファアンプ８に出力する。上記遮断周波数は、例えば１６Ｈｚである。バッファアンプ８は、一種のインピーダンス変換器であり、上記検出電圧を低インピーダンス化して差動アンプ９に出力する。

差動アンプ９は、バッファアンプ８から入力される検出電圧と後述するバッファアンプ１２から入力される内部基準電圧とを所定の増幅度で差動増幅する差動増幅器である。上記検出電圧は、比較的低い電圧値、例えば数１００ｍＶオーダーなので、外部に出力するためには十分なＳ／Ｎ比を確保するために増幅する必要がある。この差動アンプ９は、このような検出電圧を内部基準電圧を用いて差動増幅し、当該差動増幅によって得られた信号（出力電圧）をバッファアンプ１３に出力する。

一方、駆動回路１０は、一種の電流増幅回路であり、基準信号発生器１から入力された方形波信号（クロック信号）を電流増幅してローパスフィルタ１１に出力する。ローパスフィルタ１１は、所定の遮断周波数を有する受動フィルタ回路であり、方形波信号を直流電圧である内部基準電圧に変換してバッファアンプ１２に出力する。このローパスフィルタ１１の遮断周波数は、例えば１６Ｈｚである。なお、方形波信号の波高値は３．３Ｖに設定されているので、上記内部基準電圧は、方形波信号の平均的な電圧（直流電圧）つまり１，６５Ｖとなる。

バッファアンプ１２は、一種のインピーダンス変換器であり、上記内部基準電圧を低インピーダンス化して差動アンプ９に出力する。バッファアンプ１３は、一種の電流増幅回路であり、差動アンプ９から入力された出力電圧を電流増幅して外部に出力する。５Ｖ電源回路１４は、外部から供給された外部電源（例えば１２Ｖ電源）を５Ｖ電源に電圧変換してバッファアンプ８、１２、１３及び差動アンプ９、また３．３Ｖ電源回路１５に供給する。３．３Ｖ電源回路１５は、５Ｖ電源回路１４から入力された５Ｖ電源を３，３Ｖ電源に電圧変換して基準信号発生器１、駆動回路２、１０及び位相検出器５に供給する。

このような電気的構成を備える水分量検出器は、図２に示すような機械的構成を備える。すなわち、この水分量検出器は、プリント基板Ｂ、接続ケーブルＤ及び樹脂モールドＥを備える。プリント基板Ｂは、図示するように並行対峙する２本の櫛歯部ｂ１、ｂ２を有する形状であり、当該櫛歯部ｂ１、ｂ２のうち、一方の櫛歯部ｂ１の表面には上述した一方の検出電極４ａが配線パターンの一部として形成され、他方の検出電極４ｂの表面には他方の検出電極４ｂが形成されている。また、上述した主回路Ａは、プリント基板Ｂにおいて櫛歯部ｂ１、ｂ２以外の領域、つまりボディ部ｂ３に形成されている。

接続ケーブルＤは、上述した外部電源及び出力電圧を伝送するための電線であり、複数の芯線と当該芯線を覆うシース（被覆部材）から構成されている。このような接続ケーブルＤは、半田付け等によってプリント基板Ｂに接続されている。この水分量検出器は、人がボディ部ｂ３を把持して一対の櫛歯部ｂ１、ｂ２を土壌等の検出対象物内に挿入することにより使用される。樹脂モールドＥは、主回路Ａが形成されたボディ部ｂ３を電気的かつ機械的に保護するためにボディ部ｂ３に被覆された絶縁性の樹脂材料である。

次に、このように構成された水分量検出器の動作について、図３をも参照して詳しく説明する。

この水分量検出器では、一対の櫛歯部ｂ１、ｂ２が土壌等の検出対象物内に挿入されることにより、一対の櫛歯部ｂ１、ｂ２に形成された一対の検出電極４ａ、４ｂが土壌等の検出対象物に接触する。この結果、一対の検出電極４ａ、４ｂは、検出対象物の水分量に応じた静電容量Ｃを有するコンデンサとして機能する。そして、このような一対の検出電極４ａ、４ｂと抵抗値Ｒを有する抵抗器３は、静電容量Ｃと抵抗値Ｒとによって規定される時定数τを有するＣＲ回路Ｊを形成する。

この水分量検出器では、基準信号発生器１で発振した方形波信号が駆動回路２を介してＣＲ回路Ｊに印加される。すなわち、ＣＲ回路Ｊにおいて、方形波信号は、抵抗器３を介して一方の検出電極４ａに検出用入力信号として入力される。そして、ＣＲ回路Ｊは、図３（ａ）に示すように、自身の時定数τ（つまり静電容量Ｃ）に応じて方形波信号の立ち上がりを遅延させた検出信号を位相検出器５に出力する。この検出信号の方形波信号に対する遅延時間、つまり方形波信号と検出信号との位相差θは、検出対象物の水分量を示している。

位相検出器６では、このようなＣＲ回路Ｊ（つまり一方の検出電極４ａ）から入力された検出信号と遅延回路５から入力された方形波信号との位相差θに応じた位相差信号が生成される。この位相差信号は、デューティ比が位相差θに応じて変化するパルス信号である。このような位相差信号は、ローパスフィルタ７によって高周波成分が除去されることにより、検出対象物の水分量を示す検出電圧（直流電圧）としてバッファアンプ８に入力される。そして、この検出電圧は、バッファアンプ８によって低インピーダンス化されて差動アンプ９の−入力端（反転入力端）に入力される。

この差動アンプ９で検出電圧を正常に増幅するためには、差動アンプ９の＋入力端（非反転入力端）に差動増幅の動作点を規定する内部基準電圧を入力する必要があるが、この水分量検出器では、基準信号発生器１から入力された方形波信号を駆動回路１０及びローパスフィルタ７で信号処理することによって上記内部基準電圧が生成される。

すなわち、内部基準電圧は、方形波信号が駆動回路１０で電流増幅された後にローパスフィルタ７で高周波成分が除去されることにより、方形波信号の波高値（３．３Ｖ）の平均直流電圧（１．６５Ｖ）として生成される。そして、このようにして生成された内部基準電圧は、電圧調整した後、バッファアンプ１２によって低インピーダンス化されて差動アンプ９の＋入力端（非反転入力端）に入力される。

ここで、差動アンプ９に入力される検出電圧及び内部基準電圧は何れも基準信号発生器１が出力する方形波信号に基づいて生成された直流電圧であり、よって温度特性として同一傾向を有する。すなわち、検出電圧及び内部基準電圧は、周囲温度の変化に対して同一傾向の変化を呈する。例えば、検出電圧が周囲温度が上昇すると上昇する温度特性を有している場合、内部基準電圧も、周囲温度が上昇すると上昇する温度特性を有する。

したがって、この水分量検出器によれば、検出電圧の温度特性と内部基準電圧の温度特性とが同一傾向を示すので、差動アンプ９による検出電圧の増幅処理において、従来よりも温度特性を改善することが出来る。

そして、上記検出電圧は、内部基準電圧を用いて差動アンプ９で電圧増幅され、さらにバッファアンプ１３で電流増幅され、水分量検出器の出力電圧として外部に出力される。この出力電圧は、図３（ｂ）に示すように、検出対象物の水分量（体積含水率）の変化に対して直線的に変化する特性を有する。なお、このような検出電圧は、上述した接続ケーブルＤによって後段の処理装置に入力され、水分量（体積含水率）に換算される。

また、この水分量検出器では、遅延回路５が設けられているので、位相検出器６における位相比較の誤差要因を解消することが可能である。すなわち、遅延回路５が設けられていない場合、位相検出器６に入力される方形波信号と検出信号とは駆動回路２が本来的に有する遅延時間だけズレた時間関係になるが、遅延回路５が設けられている場合には上記時間関係のズレが解消されるので、方形波信号と検出信号とをより精度よく位相比較することが可能となる。したがって、このような水分量検出器によれば、水分量をより精度よく検出することが可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、プリント基板Ｂに形成された櫛歯部ｂ１、ｂ２の表面に検出電極４ａ、４ｂを配線パターンとして形成したが、これは一対の検出電極４ａ、４ｂの間隔を固定化（安定化）するためのものである。すなわち、検出対象物の水分量によって変化する静電容量Ｃは、一対の検出電極４ａ、４ｂの間隔にも依存して変化するので、水分量をより正確に検出するためには、一対の検出電極４ａ、４ｂの間隔が固定されていることが重要である。

しかしながら、本発明は、プリント基板Ｂに一対の検出電極４ａ、４ｂを一体的に設けることに限定されない。例えば、プリント基板Ｂとは別体として設けられ、かつプリント基板Ｂに電線等を用いて電気的に接続された一対の導電性部材を検出電極４ａ、４ｂとしてもよい。ただし、この場合には、絶縁性のサポート部材によって上記一対の導電性部材の間隔を固定する必要がある。

（２）上記実施形態では、基準信号発生器１、駆動回路２、位相検出器５及び駆動回路１０を３．３Ｖ電源回路１５が生成した３．３Ｖ電源で駆動し、バッファアンプ８、差動アンプ９、バッファアンプ１２及びバッファアンプ１３を５Ｖ電源回路１４が生成した５Ｖ電源で駆動したが、本発明はこれに限定されない。消費電力の低減を考慮する必要がない場合には、全ての回路を５Ｖ電源で駆動してもよい。また、外部に出力する出力電圧のダイナミックレンジを多少犠牲にしても良いのであれば、全ての回路を３．３Ｖ電源で駆動してもよい。

（３）上記実施形態では、基準信号発生器１で方形波信号を発生させたが、本発明はこれに限定されない。方形波信号に変えて、例えば台形波信号を発生させても良い。

１ 基準信号発生器
２ 駆動回路（第１の駆動回路）
３ 抵抗器
４ａ，４ｂ 検出電極
５ 遅延回路
６ 位相検出器
７ ローパスフィルタ（第２のローパスフィルタ）
８ バッファアンプ
９ 差動アンプ
１０ 駆動回路（第２の駆動回路）
１１ ローパスフィルタ（電圧変換回路）
１２ バッファアンプ
１３ バッファアンプ
１４ ５Ｖ電源回路
１５ ３．３Ｖ電源回路
Ａ 主回路
Ｂ プリント基板
ｂ１、ｂ２ 櫛歯部
ｂ３ ボディ部
Ｄ 接続ケーブル
Ｅ 樹脂モールド

Claims (6)

1. 検出電極と、
   該検出電極に所定の抵抗器を介して検出用入力信号を供給する信号供給手段と、
   前記検出電極から得られる検出信号と前記検出用入力信号との位相差を検出する位相検出手段と、
   前記検出用入力信号に応じた直流電圧を内部基準電圧として生成する基準電圧生成手段と、
   前記検出電圧と前記内部基準電圧とを差動増幅する増幅手段と
   を備えることを特徴とする水分量検出器。
2. 前記信号供給手段は、前記検出用入力信号を前記抵抗器に出力する駆動回路を備え、
   前記位相検出手段の前段に前記駆動回路における遅延時間に相当する時間だけ前記検出用入力信号を遅延させる遅延回路をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の水分量検出器。
3. 前記信号供給手段は、前記検出用入力信号を発生させる基準信号発生器と、該基準信号発生器から入力された前記検出用入力信号を電流増幅して前記抵抗器に出力する第１の駆動回路とを備える
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の水分量検出器。
4. 前記基準電圧生成手段は、前記基準信号発生器から入力された前記検出用入力信号を電流増幅する第２の駆動回路と、該第２の駆動回路から入力された前記検出用入力信号を直流電圧に変換する電圧変換回路を備える
   ことを特徴とする請求項３に記載の水分量検出器。
5. 前記電圧変換回路は、ローパスフィルタであることを特徴とする請求項４に記載の水分量検出器。
6. 前記位相検出手段は、前記基準信号発生器から入力される前記検出用入力信号と前記検出信号とを位相比較する位相検出器と、該位相検出器の出力から直流成分を抽出し、前記検出電圧として出力する第２のローパスフィルタとを備えることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の水分量検出器。
   

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