JP2019184472A - 測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定精度の向上とともに、構成の簡素化、低消費電力化および低コスト化を達成できる測定装置を提供すること。【解決手段】本発明の一態様は、一対の電極パターンを有する検知部と、一対の電極パターン間の容量を含めて共振回路を構成する共振部と、共振部に供給する交流信号を発生させる信号発生部と、共振部の信号を検波して出力を検出する検出部と、検出部の検出結果に基づき測定値を演算する制御部と、を備える測定装置である。この測定装置において、信号発生部は、１メガヘルツ（ＭＨｚ）以下の帯域で周波数を変えながら交流信号を共振部に供給し、制御部は、共振回路の共振周波数に基づき対象物の水分量を演算すること、検出部の出力に基づき対象物の電気伝導度を演算することの少なくともいずれかを行う。【選択図】図１

Description

本発明は測定装置に関し、より詳しくは、土壌などの媒質の水分量や電気伝導度を検出する測定装置に関するものである。

土壌など水分量を測定する装置として、特許文献１には、媒質中に折り返し平行２線伝送路を配する構成が開示されている。この測定装置では、折り返し平行２線伝送路の信号入力端に供給した信号と、信号出力端での信号との位相の遅れを検出し、この位相の遅れに基づいて含水率を算出している。また、この測定装置では、入力信号と出力信号とのレベル差に基づき電気伝導度を算出している。

特許文献２には、測定対象となる物質中に埋設される伝送線路と、物質の誘電率を伝送線路の電気的変量として検出するセンサ回路と、電気的変量を物質の含水率に換算する演算部とを備えた含水率測定装置が開示される。この含水率測定装置では、誘電率の変化から共振周波数を読み取り、含水率を算出している。

特許文献３には、粉末、土壌等の含水率を測定する水分センサが開示される。この水分センサでは、先端内に検知コイルを設けたプローブハウジングの先端を、穀物内に差し込み、発振部から検知コイルを含む共振部に高周波信号を加え、穀物の含水率に応じた電磁場の変化を検知コイルで検知している。そして、変化の結果が共振部よりの反射波の変化として現れるので、反射波検出部で反射波を検出し、信号処理部で反射波レベルと穀物の重量から含水率を求めている。

特許文献４には、検知される水分の比誘電率に基づいて静電容量が変化する水分センサと、水分センサの静電容量の変化を周波数の変化に変換する発振器とを備え、水分センサと発振器との間にコンデンサを入れた水分検知装置が開示される。

特許文献５には、平面状に巻回する導電性部材であって測定対象物に取付けられ、水分量の変化により等価インダクタンスが変化するセンサ部を有し、センサ部の等価インダクタンス変化により測定対象物に含まれる水分量を検出する水分センサが開示される。

特開２００５−１５６２６３号公報 特開平０２−２３８３５３号公報 特開平０１−３０４７６４号公報 特開２００２−３５７５８２号公報 特開２０１６−２１７７９５号公報

土壌などの媒質を対象物として水分量を測定する装置において電気信号を利用する場合、数メガヘルツ（ＭＨｚ）から１００ＭＨｚやマイクロ波といった高い周波数の信号を用いている。このため、回路の複雑化や高周波対策が必要であり、コスト高になりやすく、消費電力も増加しやすい。また、対象物の水分量等を多点で測定したい場合には測定点の数だけ検知部が必要となる。このため、測定装置においては、高精度な測定とともに、構成を極力簡素化し、低消費電力化低およびコスト化を図ることが望まれる。

本発明は、測定精度の向上とともに、構成の簡素化、低消費電力化および低コスト化を達成できる測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様は、一対の電極パターンを有する検知部と、一対の電極パターン間の容量を含めて共振回路を構成する共振部と、共振部に供給する交流信号を発生させる信号発生部と、共振部の信号を検波して出力を検出する検出部と、検出部の検出結果に基づき測定値を演算する制御部と、を備える測定装置である。この測定装置において、信号発生部は、１メガヘルツ（ＭＨｚ）以下の帯域で周波数を変えながら交流信号を共振部に供給し、制御部は、共振回路の共振周波数に基づき対象物の水分量を演算すること、検出部の出力に基づき対象物の電気伝導度を演算することの少なくともいずれかを行う。

このような構成によれば、共振部に供給される交流信号が１ＭＨｚ以下の帯域の周波数であるため、回路構成が簡素化され、低消費電力化を図りやすくなる。
また、１ＭＨｚ以下の周波数における交流信号であっても、共振回路での共振周波数と水分量との対応関係に基づいて高精度に水分量を測定することができる。また、１ＭＨｚ以下の周波数における交流信号であっても、検出部の出力レベルと電気伝導度との対応関係に基づいて高精度に電気伝導度を測定することができる。

上記測定装置において、電気伝導度を測定する場合、検出部は、交流信号の所定の周波数における検波部の出力のレベルを検出し、制御部は、検出部で検出したレベルに基づき電気伝導度を演算してもよい。上記測定装置では、１ＭＨｚ以下といった比較的低い周波数の交流信号を用いているため、水分量に大きな影響を受けることなく電気伝導度を演算することができる。

上記測定装置において、電気伝導度を演算する際に用いる交流信号の所定の周波数は、検出部で検出した共振周波数であってもよい。これにより、共振回路の信号を検波した際の出力のレベルが他の周波数の場合に比べて大きくなり、電気伝導度に応じたレベルの差を大きく捉えることができる。

上記測定装置において、複数の検知部で構成されるセンサ部と、複数の検知部のいずれかを選択するセレクタと、をさらに備え、共振部、信号発生部、検出部、制御部およびセレクタで１つの本体部が構成されていてもよい。この測定装置において、制御部は、セレクタを制御して複数の検知部のうちの１つを選択し、選択された検知部と本体部とを接続して測定値を演算する。これにより、複数の検知部のいずれかをセレクタで選択して測定点を切り替えることができる。複数の検知部に対して１つの本体部でよいため、多点測定のための装置構成が簡素化される。

上記測定装置において、センサ部は、本体部とリード線によって接続されていてもよい。上記測定装置では、１ＭＨｚ以下といった比較的低い周波数の交流信号を用いているため、高いレベルの高周波対策を施すことなく、センサ部と本体部との間をリード線で接続することができる。

上記測定装置において、センサ部は、一方向に延在する支持部を有し、複数の検知部は、支持部の一方向に所定の間隔で配置されていてもよい。これにより、支持部を対象物に埋め込むことで、埋め込んだ方向における多点（例えば、深さ方向の多点）での測定を行うことができる。

上記測定装置において、本体部は、支持部の一端側に配置されていてもよい。これにより、支持部は対象物に埋め込まれ、本体部は対象物から露出するように測定装置を埋設することができる。

上記測定装置において、センサ部は、複数本の列パターン、複数本の行パターンおよび共通パターンを備えていてもよい。複数本の列パターンは、第１方向に延在し、第１方向と直交する第２方向に所定の間隔で配置される。複数本の行パターンは、第２方向に延在し、複数本の列パターンのそれぞれと導通する。共通パターンは、複数本の行パターンのそれぞれの端部と一定の間隔で対向する対向部分を有する。これにより、各行パターンの端部と共通パターンの対向部分とで検知部の一対の電極パターンが構成される。このパターンレイアウトによって、複数の検知部を備えたセンサ部を容易かつ正確に構成することができる。

上記測定装置において、複数本の行パターンおよび共通パターンによってパターンブロックが構成され、複数のパターンブロックが第１方向に配置されていてもよい。これにより、第１方向に複数の検知部が容易かつ正確に配置されることになる。

本発明によれば、測定精度の向上とともに、構成の簡素化、低消費電力化および低コスト化を達成できる測定装置を提供することが可能になる。

第１実施形態に係る測定装置の構成を例示するブロック図である。 第１実施形態に係る測定装置の構成を例示する回路図である。 共振周波数と水分量との関係を例示する図である。 出力レベルと電気伝導度との関係を例示する図である。 参考例における電気伝導度と水分量との関係を例示する図である。 第２実施形態に係る測定装置の構成を例示するブロック図である。 ポール型の測定装置の例を示す斜視図である。 測定システムの構成例を示す模式図である。 センサ部の他の例を示す平面図（その１）である。 センサ部の他の例を示す平面図（その２）である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る測定装置の構成を例示するブロック図である。
図２は、第１実施形態に係る測定装置の構成を例示する回路図である。
図１に示すように、本実施形態に係る測定装置１は、対象物である例えば土壌１００に含まれる水分量および電気伝導度の少なくとものいずれかを測定する装置である。測定装置１は、センサ部１０と、本体部２０とを備える。

センサ部１０は、一対の電極パターン１１１、１１２を有する検知部１１を備える。一対の電極パターン１１１、１１２は絶縁性基板からなる支持部１５に形成される。支持部１５には一対の電極パターン１１１、１１２のそれぞれと導通する導通パターン１１５が形成されており、検知部１１と本体部２０とを電気的に接続している。

一対の電極パターン１１１、１１２を所定の間隔で対向配置することで一対の電極パターン１１１、１１２の間に容量Ｃ_ｘが構成される。測定の際、支持部１５の先端を土壌１００に埋め込み、検知部１１を土壌に接触または接近させる。一対の電極パターン１１１、１１２の間に土壌１００が接触または接近することとで容量Ｃ_ｘが変化する。また、一対の電極パターン１１１、１１２が土壌１００に接触することで、一対の電極パターン１１１、１１２の間に土壌の抵抗成分Ｒ_１が構成される。

本体部２０は、共振部２１、信号発生部２２、検出部２３および制御部２４を備える。本体部２０は、センサ部１０の支持部１５の一端（検知部１１とは反対側の端部）に配置される。これにより、支持部１５の検知部１１側の先端を土壌１００に埋設した際、本体部２０は土壌１００には埋設されずに露出する状態となる。なお、本体部２０はセンサ部１０と離間していてもよい。この場合、本体部２０はセンサ部１０とケーブルで接続される。

共振部２１は、一対の電極パターン１１１、１１２の間の容量Ｃ_ｘを含めて共振回路を構成する。図２に示すように、共振部２１は、一対の電極パターン１１１、１１２の間に接続されたコンデンサ２１１と、このコンデンサ２１１と直列に接続されたコイル２１２と、電流制限用の抵抗２１３とを有する。ここで、コンデンサ２１１の容量Ｃ_１と、電極パターン１１１、１１２の間の固有の容量Ｃ_２との合成容量をＣ_ａとする。また、コンデンサ２１１の容量Ｃ_１と、電極パターン１１１、１１２の間の固有の容量Ｃ_２と、土壌１００によって変化する容量Ｃ_ｘとの合成容量をＣ_ｂとする。共振部２１は、合成容量Ｃ_ｂと、コイル２１２とによって直列のＬＣ共振回路を構成する。

信号発生部２２は、この共振部２１に交流信号を供給する。本実施形態に係る測定装置１においては、信号発生部２２は１メガヘルツ（ＭＨｚ）以下の帯域で周波数を変えながら共振部２１に交流信号を供給する。交流信号は正弦波であり、矩形波（パルス波）ではない。信号発生部２２で発生する交流信号は、１ＭＨｚ以下といった比較的低い周波数であるため、数十ＭＨｚ、数百ＭＨｚ以上といった高い周波数を取り扱う場合のような高周波対策は不要である。言い換えると、信号発生部２２は、高周波対策が不要な程度の低い周波数帯域の交流信号を発生させればよい。また、信号発生部２２からは低い周波数帯域の正弦波を発生させるため、矩形波（パルス波）に伴う高調波（３次、５次など）を外部に放射せずに済む。また、このような低い周波数かつ正弦波を取り扱うことから、ＥＭＩ（Electro Magnetic Interference）対策が不要であり、信号発生部２２の回路構成も簡素化される。さらに、ＬＮＡ（低ノイズ増幅デバイス）、５０Ωから１００Ωの同軸ケーブルおよび同軸コネクタ、低損失型基板など高価な部材が不要となり、装置のコストダウンを図ることができる。

検出部２３は、共振部２１の信号を検波して出力を検出する部分である。図２に示すように、検出部２３は、検波部２３１とレベル検出部２３２とを有する。検波部２３１は、共振部２１のコンデンサ２１１とコイル２１２との間の信号を入力して検波する。レベル検出部２３２は、検波部２３１で検波した信号のレベルを検出する。

制御部２４は、各部を制御するとともに、検出部２３の検出結果に基づき測定値を演算する処理を行う。本実施形態に係る測定装置１においては、制御部２４は信号発生部２２を制御し、信号発生部２２から１ＭＨｚ以下の帯域で周波数を変えた交流信号を発生させる。例えば、制御部２４は、信号発生部２２から１００ｋＨｚから１ＭＨｚまで周波数を可変した交流信号を発生させるよう制御する。

共振部２１によって構成される共振回路の共振周波数は、土壌１００による容量Ｃ_ｘによって変化する。したがって、信号発生部２２から共振部２１に例えば１００ｋＨｚから１ＭＨｚまで可変した周波数の交流信号が供給され、検出部２３から出力される信号のレベルを制御部２４に送り、制御部２４でレベルのピークに基づき共振周波数を求める。そして、制御部２４は、この共振周波数と水分量との関係から、対象物（例えば土壌１００）の水分量を演算する。

（水分量）
図３は、共振周波数と水分量との関係を例示する図である。
図３における横軸は信号発生部２２で発生する交流信号の周波数、縦軸は検出部２３の出力レベルを示す。図３では、３つの水分量（０％、５０％、１００％）についての出力レベルの周波数特性Ｇ１０、Ｇ１１およびＧ１２を示している。各周波数特性Ｇ１０、Ｇ１１およびＧ１２における出力レベルがピークとなる周波数が共振周波数ｆ０、ｆ１およびｆ２である。水分量０％の場合の周波数特性はＧ１０であり、共振周波数はｆ０である。水分量５０％の場合の周波数特性はＧ１１であり、共振周波数はｆ１である。水分量１００％の場合の周波数特性はＧ１２であり、共振周波数はｆ２である。

本実施形態では、信号発生部２２から共振部２１に正弦波を入力する。そして、この正弦波の周波数を変化させていく。例えば、検知部１１が空気中の場合（土壌１００の水分量０％に相当）、図３の周波数特性Ｇ１０を示す。周波数特性Ｇ１０では周波数ｆ０で共振する。

ここで、共振周波数は、図２に示すコイル２１２と容量成分とで決定される。ここでいう容量成分とは、図２に示すコンデンサ２１１の容量Ｃ_１と、一対の電極パターン１１１、１１２とその他の回路に含まれる容量Ｃ_２との合成容量Ｃ_ａである。

基本的な回路のインピーダンスＺｓａは、Ｚｓａ＝Ｒ＋ｊ（ωＬ−１／ωＣ_ａ）で表すことができる。共振周波数ｆ０は、ｆ０＝１／（２π√（ＬＣ_ａ））である。ここで、Ｒは共振回路の抵抗、Ｌは共振回路のインダクタンス、Ｃ_ａはコンデンサ２１１の容量Ｃ_１と、電極パターン１１１、１１２の間の固有の容量Ｃ_２との合成容量である。

検知部１１を水没させた場合（土壌１００の水分量１００％に相当）、図３の周波数特性Ｇ１２を示す。周波数特性Ｇ１２では周波数ｆ２で共振する。水の比誘電率Ｅｒ＝８０であるため、検知部１１に水が接触すると容量が増加し、共振点が低い周波数にシフトする。

共振回路における容量の増加は、一対の電極パターン１１１、１１２の面積および間隔に依存する。したがって、合成容量Ｃ_ａに水分量の相違によって変化する容量Ｃ_ｘを含めた合成容量をＣ_ｂとすると、インピーダンスＺｓｂは、Ｚｓｂ＝Ｒ＋ｊ（ωＬ−１／ωＣ_ｂ）になる。例えば、土壌１００の水分量により、この式の虚数成分が変化することになる。水分量が少ないと共振点の変化量が少なく（図３の共振周波数ｆ０からｆ１までの変化量）、水分量が多いと共振点の変化量は多くなる（図３の共振周波数ｆ０からｆ２までの変化量）。このように、水分量によって共振周波数が変わることが分かる。

この特性を利用して、共振周波数から土壌１００の水分量を特性することができる。例えば、水分量と共振周波数との関係を所定の関数やテーブルデータとして予め保持しておき、制御部２４で演算した共振周波数に基づき、この関数やテーブルデータを用いて水分量を求めるようにする。これにより、比較的低周波の信号を用いても高精度に水分量を測定することが可能となる。

本実施形態に係る測定装置１では、共振部２１に供給される交流信号が１ＭＨｚ以下の帯域の周波数であるため、高周波を取り扱う回路に比べて回路構成が簡素化される。また、比較的低周波を扱うことから、測定装置１の消費電力を低減することができる。一方、１ＭＨｚ以下の周波数における交流信号であっても、共振回路での共振周波数と水分量との対応関係に基づいて高精度に水分量を測定することができる。

（電気伝導度）
本実施形態に係る測定装置１においては、検出部２３で検出した出力のレベルに基づき対象物（例えば、土壌１００）の電気伝導度（ＥＣ値）を演算することができる。電気伝導度を測定するには、信号発生部２２から所定の周波数の交流信号を発生させ、検出部２３で出力のレベルを検出する。そして、制御部２４によって、検出部２３で検出したレベルに基づき対象物の電気伝導度を演算する。

水分中の電気伝導度は、直列共振回路のＱの変化と考えられる。これは共振回路の共振点の出力レベルを検出することにより算出することができる。一対の電極パターン１１１、１１２が電気伝導度の影響を受ける場合、共振回路のＱは、
Ｑ＝（（１／ωＣ_ｂ）Ｒ_１／（１／ωＣ_ｂ＋Ｒ_１））／Ｒで表すことができる。
ここで、Ｃ_ｂは、一対の電極パターン１１１、１１２を水没させた時の合成容量であり、Ｒ_１は、水中の電気伝導度成分である。ＥＣ＝０（蒸留水）の時、Ｒ_１は大きな抵抗値を持ち、Ｑは、（１／ωＣ_ｂ）／Ｒで決定される。そして、電気伝導度が大きくなるに従い、Ｒ_１の値は小さくなる。

図４は、出力レベルと電気伝導度との関係を例示する図である。
図４における横軸は信号発生部２２で発生する交流信号の周波数、縦軸は検出部２３の出力レベルを示す。図４では、同じ水分量（ここでは１００％）について、電気伝導度が異なる場合の出力レベルＶ０、Ｖ１およびＶ２の周波数特性Ｇ２０、Ｇ２１およびＧ２２を示している。

電気伝導度が最も高い７ミリジーメンス毎センチメートル（ｍＳ／ｃｍ）の場合の周波数特性はＧ２２であり、電気伝導度が最も低い１ｍＳ／ｃｍの場合の周波数特性はＧ２０であり、これらの間の電気伝導度である２ｍＳ／ｃｍの場合の周波数特性はＧ２１である。特定の周波数でみた場合（例えば、ピークの周波数）、電気伝導度が高いほど出力レベル（信号強度）が小さく（低く）、電気伝導度が低いほど出力レベル（信号強度）が大きく（高く）なる。したがって、出力レベルの大きさから電気伝導度を算出することができる。

ここで、出力レベルを参照する特定の周波数は、共振周波数であることが好ましい。図４に示す周波数特性のように、電気伝導度の違いによって出力レベルの差が最も大きくなる周波数は周波数特性のピーク、すなわち共振周波数である。したがって、共振周波数での出力レベルと電気伝導度との関係を所定の関数やテーブルデータとして予め保持しておき、制御部２４で演算した共振周波数と出力レベルとに基づき、この関数やテーブルデータを用いて電気伝導度を求めるようにすればよい。
これにより、電気伝導度の違いによる出力レベルの差が最も大きく現れ、出力レベルから高精度に電気伝導度を求めることができる。

また、いずれの電気伝導度であっても、出力レベルＶ０、Ｖ１およびＶ２のピークとなる周波数はほぼ一定である。図４に示す例では、各周波数特性のピーク（共振周波数）が数ｋＨｚの範囲に収まっている。

このことから、電気伝導度は出力レベルに依存し、共振周波数には依存しないことが分かる。共振周波数は水分量と対応することから、どのような水分量であっても、電気伝導度は共振周波数での出力レベルから算出できることになる。したがって、本実施形態に係る測定装置１では、共振周波数での検出部２３からの出力のレベルによって、水分量に依存せず、電気伝導度を正確に算出することができる。

また、測定装置１によって土壌１００における見掛けの電気伝導度（バルクＥＣ値：Ｅ_ｃａ）を正確に測定できるため、バルクＥＣ値（Ｅ_ｃａ）から土壌溶液の電気伝導度である真の電気伝導度（真ＥＣ値：Ｅ_ｃｗ）を下記の変換式で算出することができる。
Ｅ_ｃｗ＝Ｅ_ｃａ／（Ａ・φ^２＋Ｂ・φ）
ここで、φは水分量、ＡおよびＢは回路固有の係数である。

本実施形態に係る測定装置１の回路構成では、コイル２１２の定数もしくは、共振回路の容量の定数を大きくすることにより共振点を数百ｋＨｚにして動作させることができる。したがって、高周波信号で測定する装置と比べてＥＭＩ（Electro Magnetic Interference）に対して有利である。なお、容量を大きくするためには、コイル２１２の定数を大きくすることが好ましい。電極パターン１１１、１１２の面積を大きくしなくてすむためである。

また、図３から読み取れる様に、周波数の選択性がある。これは、ＥＭＳ（Electro Magnetic Susceptibility）の中の放射無線周波電磁界イミュニティに強いことを表す。さらに、この特性は、信号発生部２２から共振部２１への入力信号に矩形波など高調波歪があっても問題なく動作させることができる。すなわち、本実施形態に係る測定装置１は外来ノイズに対して強い。

また、本実施形態に係る測定装置１の回路構成はコイル２１２で昇圧されるため、電源電圧よりもダイナミックレンジを大きくとることができる。また、コイル２１２で昇圧することで測定感度が上がり、電極パターン１１１、１１２を小さくすることが可能になる。したがって、本実施形態に係る測定装置１では、高周波信号を用いる従来の測定装置に比べて部品点数を削減できるとともに、従来の測定装置に比べて数十分の一程度の消費電力で動作可能となる。一例として、高周波信号を用いる従来の測定装置の消費電流が数十ｍＡであるのに対し、本実施形態に係る測定装置１の消費電流は数ｍＡ以下である。これにより、駆動源として電池を用いた場合、１０倍以上の電池寿命を得ることができる。

（参考例）
図５は、参考例における電気伝導度と水分量との関係を例示する図である。
図５における横軸は電気伝導度（ＥＣ値）、縦軸は水分量の測定誤差を示す。図５には、参考例に係る測定装置で測定した電気伝導度と水分量の測定誤差との関係を示している。参考例に係る測定装置は、ＴＤＴ（Time Domain Transfer）方式による測定装置である。ここでは、水分量１００％の場合の水分量の測定値と電気伝導度との関係を求めた。水分量の測定値は５つの測定装置をサンプルとした平均値である。

参考例に係る測定装置では、電気伝導度の値によって水分量の測定値に誤差が生じていることが分かる。すなわち、この測定では電気伝導度の値に関わらず水分量の測定値は１００％であることが望まれる。しかし、参考例に係る測定装置においては、例えば、電気伝導度が３ｍＳ／ｃｍの場合、水分量の測定値が約１０２％、電気伝導度が７ｍＳ／ｃｍの場合、水分量が約１１５％となっている。

ＴＤＴ方式による測定装置では、信号の立ち上がりで位相差を検出しているが、電気伝導度によって信号の立ち上がりが鈍ることがある。このため、同じ水分量であっても電気伝導度の違いによって信号の立ち上がりの鈍りが変わり、位相差による水分量の測定値に誤差が生じてしまう。

一方、本実施形態に係る測定装置１においては、出力レベルのピーク（共振周波数）を検出するため、誤差が生じにくい。また、先に説明したように、電気伝導度が変わっても共振周波数はほぼ一定であり（図４参照）、水分量の測定値にはほとんど影響しない。実験の結果、本実施形態に係る測定装置１では、電気伝導度の変化による水分量の測定誤差が１％以下となっている。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る測定装置について説明する。
図６は、第２実施形態に係る測定装置の構成を例示するブロック図である。
第２実施形態に係る測定装置１は、複数の検知部１１（１１−１、１１−２、１１−３、…、１１−ｎ）で構成されるセンサ部１０と、複数の検知部１１（１１−１、１１−２、１１−３、…、１１−ｎ）のいずれかを選択するセレクタ２５とをさらに備えている。

本実施形態では、センサ部１０は一方向（第１方向Ｄ１）に延在する支持部１５を有している。この支持部１５の延在する方向に複数の検知部１１が所定の間隔で配置される。図示する例では、第１検知部１１−１、第２検知部１１−２、第３検知部１１−３、…、第ｎ検知部１１−ｎ（ｎは自然数）がこの順に第１方向Ｄ１に配置される。支持部１５は、対象物である例えば土壌１００に第１方向Ｄ１に埋め込まれる。したがって、複数の検知部１１である第１検知部１１−１、第２検知部１１−２、第３検知部１１−３、…、第ｎ検知部１１−ｎは、土壌１００の深さと対応して位置することになる。

セレクタ２５は、本体部２０に設けられる。セレクタ２５は、複数の検知部１１（第１検知部１１−１、第２検知部１１−２、第３検知部１１−３、…、第ｎ検知部１１−ｎ）のいずれかを選択する機能を有する。

本体部２０には、外部とのデータ通信（無線通信または有線通信）を行う通信部２８が設けられていてもよい。通信部２８はインターネット等のネットワークを介して外部とデータ通信を行ってもよい。また、本体部２０には蓄電池や太陽光発電機などの電源２９が設けられていてもよい。

センサ部１０と本体部２０とはリード線３０によって接続される。具体的には、複数の検知部１１（第１検知部１１−１、第２検知部１１−２、第３検知部１１−３、…、第ｎ検知部１１−ｎ）のそれぞれと、セレクタ２５とがリード線３０によって接続される。これにより、制御部２４からの指示に基づき、セレクタ２５は複数の検知部１１（第１検知部１１−１、第２検知部１１−２、第３検知部１１−３、…、第ｎ検知部１１−ｎ）のうちのいずれか１つを選択して本体部２０と導通させる。

このように、セレクタ２５によって複数の検知部１１（第１検知部１１−１、第２検知部１１−２、第３検知部１１−３、…、第ｎ検知部１１−ｎ）のうちのいずれか１つを選択することで、１つの本体部２０であっても複数の検知部１１を用いた水分量等の測定を行うことができる。

例えば、セレクタ２５により所定のタイミングで第１検知部１１−１、第２検知部１１−２、第３検知部１１−３、…、第ｎ検知部１１−ｎを順番に選択していく。制御部２４は、第１検知部１１−１、第２検知部１１−２、第３検知部１１−３、…、第ｎ検知部１１−ｎの選択のサイクルを繰り返す。そして、制御部２４は、選択のタイミングに合わせて得られる検出部２３からの出力に基づき、複数の検知部１１のそれぞれでの水分量等の測定値を得る。複数の検知部１１が土壌１００の深さに対応して位置していれば、土壌１００の深さに対応した水分量等の測定値を得ることができる。

本実施形態の測定装置１では、複数の検知部１１に対して１つの本体部２０でよいため、多点測定のための装置構成が簡素化される。また、本実施形態の測定装置１では、１ＭＨｚ以下といった比較的低い周波数の交流信号を用いているため、センサ部１０と本体部２０とを接続するリード線３０について、高いレベルでの高周波対策を施す必要はなく、同軸ケーブルも必要としない。

また、測定に用いる交流信号が比較的低い周波数であることから、リード線３０を長く引き回しても伝送ロスが少ない。したがって、センサ部１０と本体部２０とが離間していても、リード線３０によってロスなく信号伝送することができる。さらに、センサ部１０の支持部１５には検知部１１（電極パターン１１１、１１２）だけを設けておけばよいため、センサ部１０の構成が簡素化され、電極パターン１１１、１１２のレイアウトの自由度も高い。

例えば、従来の測定装置のように高周波信号を用いる構成では、高周波対策や伝送ロスを抑制するため、検知部と本体部との距離をなるべく短くしている。このため、検知部と本体部とを一体化して各測定点に埋設している。したがって、測定点の数だけ検知部および本体部が必要となる。

一方、本実施形態に係る測定装置１では、複数の検知部１１に対して１つの本体部２０で済む。測定点には検知部１１だけを埋設し、各測定点の検知部１１と１つの本体部２０とをリード線３０で接続すればよい。本実施形態に係る測定装置１では、従来の測定装置で必要な高周波対策やインピーダンスマッチングが不要であり、リード線３０を長距離にわたり引き回しても、実用上問題となるようなレベル損失の低下は発生しない。

図７は、ポール型の測定装置の例を示す斜視図である。
ポール型の測定装置１は、第２実施形態の適用例の一つである。ポール状の支持部１５を備えている。ポール状の支持部１５には複数の検知部１１がポールの延びる方向に所定の間隔で配置されている。図示する例では、ポールの周回りに帯状に一対の電極パターン１１１、１１２が設けられている。ポール状の支持部１５の先端は土壌１００に差し込みやすいように尖っている。支持部１５の端部（上端）には本体部２０が設けられる。

このようなポール型の測定装置１を土壌１００に差し込むことで、土壌１００の深さに応じた水分量や電気伝導度が測定され、通信部２８を介して測定値を外部機器へ送信できるようになる。ポール型の支持部１５に複数の検知部１１が設けられているため、支持部１５を土壌１００に差し込むだけで、土壌１００の深さに応じた検知部１１の埋設が可能となる。

本実施形態では、支持部１５に複数の検知部１１（電極パターン１１１、１１２）を設け、本体部２０を構成する共振部２１、信号発生部２２、検出部２３および制御部２４は１つで済むことから、複数の検知部１１を備えていても構成が簡素化され、コスト低減を図ることができる。

図８は、測定システムの構成例を示す模式図である。
図８に示す測定システムは、土壌１００の測定ポイントに埋設された複数のポール型の測定装置１と、ネットワークＮに接続されたサーバＳＶとを備える。土壌１００の複数の測定ポイントには、本実施形態に係るポール型の測定装置１が差し込まれる。各測定装置１には通信部２８および電源２９が設けられているため、各測定装置１は独立してその測定ポイントでの水分量や電気伝導度を測定し、データをネットワークＮからサーバＳＶへ無線通信で送信することができる。

各測定装置１に識別符号を設けておき、測定装置１から送信されるデータに識別符号を含めておく。これにより、サーバＳＶに送られたデータに基づき、土壌１００の各測定ポイントでの水分量や電気伝導度を監視および集計することができる。各測定装置１で土壌１００の深さに応じた水分量や電気伝導度を測定すれば、土壌１００の３次元的な位置における水分量や電気伝導度を把握することが可能となる。

（センサ部の他の例）
図９は、センサ部の他の例を示す平面図（その１）である。
図９に示すセンサ部１０は、支持部１５の表面に沿って設けられた複数本の列パターン５０１と、複数本の行パターン５０２と、共通パターン５０３とを備える。

複数本の列パターン５０１は、第１方向Ｄ１に延在し、第１方向Ｄ１と直交する第２方向Ｄ２に所定の間隔で配置される。図示する例では、第１方向Ｄ１に延在し、第２方向Ｄ２に所定の間隔で１０本の列パターン５０１が設けられる。

複数本の行パターン５０２は、第２方向Ｄ２に延在し、複数本の列パターン５０１のそれぞれと導通する。図示する例では、列パターン５０１に対応して１０本の行パターン５０２が設けられる。１０本の列パターン５０１のそれぞれに、１０本の行パターン５０２のそれぞれが導通している。

共通パターン５０３は、複数本の行パターン５０２のそれぞれの端部と一定の間隔で対向する対向部分を有する。図示する例では、共通パターン５０３と導通する複数の対向パターン５０３ａが対向部分として設けられ、各対向パターン５０３ａの端部と、各行パターン５０２の端部とが一定の間隔で対向配置されている。この行パターン５０２と対向パターン５０３ａとの対向配置によって一対の電極パターン１１１、１１２が構成される。

平面視で交差するパターン構成のため、例えば複数の列パターン５０１および共通パターン５０３は支持部１５の表面の第１層に形成され、複数の行パターン５０２および複数の対向パターン５０３ａは支持部１５の表面の第２層に形成される。第１層と第２層との間には絶縁層が介在し、第１層のパターンと第２層のパターンとの必要箇所での導通をスルーホールなどによって行われる。

この複数本の行パターン５０２および共通パターン５０３によって１つのパターンブロックＰＢが構成される。図９に示す例では、第１方向Ｄ１に複数のパターンブロックＰＢが配置される。

１つのパターンブロックＰＢには、第１方向Ｄ１に１０個の行パターン５０２と対向パターン５０３ａとの組（一対の電極パターン１１１、１１２）が構成される。例えば、複数の行パターン５０２を第１方向Ｄ１に１ｍｍピッチで配置すれば、１つのパターンブロックＰＢでは、１０ｍｍ分の測定を分解能１ｍｍで行う検知部１１が構成される。図示する例では、第１方向Ｄ１に１０個のパターンブロックＰＢが配置されているため、１００ｍｍ分の測定を分解能１ｍｍで行うことが可能となる。

複数の列パターン５０１は各パターンブロックＰＢで共用となっている。したがって、セレクタ２５による選択で共通パターン５０３を選択することで、任意のパターンブロックＰＢを選択することができる。セレクタ２５による選択を順番に繰り返すことで、高い分解能で水分量や電気伝導度を測定することが可能となる。

図１０は、センサ部の他の例を示す平面図（その２）である。
図１０に示すセンサ部１０は、第１方向Ｄ１に延在する共通パターン５０３の側辺（対向部分）５０３ｂと、複数の行パターン５０２のそれぞれの端部とを対向させている。このようなパターンでは、共通パターン５０３に対向パターン５０３ａを設ける必要なく、各行パターン５０２の端部と、共通パターン５０３の側辺５０３ｂとの対向配置によって、一対の電極パターン１１１、１１２が構成される。

図９および図１０に示すセンサ部１０は、水位を測定する測定装置１に適している。例えば、農業分野における水田事業（稲作）において、測定装置１を水位センサとして活用することができる。水田の水位を測定する場合、図９および図１０に示すセンサ部１０を水田に差し込んでおく。これにより、ｍｍ単位での水位の変化を検出することが可能となる。また、複数の行パターン５０２の間隔やパターンブロックＰＢの数を適宜設定することで、所望の長さ（深さ）および分解能で測定できるセンサ部１０を容易に構成することができる。

以上説明したように、実施形態に係る測定装置１によれば、測定精度の向上とともに、構成の簡素化、低消費電力化および低コスト化を達成することが可能となる。

なお、上記に本実施形態およびその変形例を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、複数の検知部１１を備える構成において、複数の検知部１１は、支持部１５に２次元的または３次元的に配置されていてもよい。また、前述の各実施形態またはその適用例に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、各実施形態の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に包含される。

本発明は、測定の対象物として、土壌１００のほか、食品（パン生地など）、粘土、コンクリート、肌、紙（コピー機）などへの適用が可能である。また、本発明は、測定装置１は、農業分野のほか、土砂災害分野における土中に埋設して使用される土壌水分センサとしても適用可能である。

１…測定装置
１０…センサ部
１１…検知部
１１−１…第１検知部
１１−２…第２検知部
１１−３…第３検知部
１１−ｎ…第ｎ検知部
１５…支持部
２０…本体部
２１…共振部
２２…信号発生部
２３…検出部
２４…制御部
２５…セレクタ
２８…通信部
２９…電源
３０…リード線
１００…土壌
１１１…電極パターン
１１２…電極パターン
１１５…導通パターン
２１１…コンデンサ
２１２…コイル
２１３…抵抗
２３１…検波部
２３２…レベル検出部
５０１…列パターン
５０２…行パターン
５０３…共通パターン
５０３ａ…対向パターン
５０３ｂ…側辺
Ｄ１…第１方向
Ｄ２…第２方向
Ｎ…ネットワーク
ＰＢ…パターンブロック
ＳＶ…サーバ

Claims (9)

1. 一対の電極パターンを有する検知部と、
   前記一対の電極パターン間の容量を含めて共振回路を構成する共振部と、
   前記共振部に供給する交流信号を発生させる信号発生部と、
   前記共振部の信号を検波して出力を検出する検出部と、
   前記検出部の検出結果に基づき測定値を演算する制御部と、
   を備え、
   前記信号発生部は、１メガヘルツ以下の帯域で周波数を変えながら交流信号を前記共振部に供給し、
   前記制御部は、前記共振回路の共振周波数に基づき対象物の水分量を演算すること、前記検出部の出力に基づき前記対象物の電気伝導度を演算することの少なくともいずれかを行う、測定装置。
2. 前記電気伝導度を測定する場合、
   前記検出部は、前記交流信号の所定の周波数における検波出力のレベルを検出し、
   前記制御部は、前記検出部で検出した前記レベルに基づき前記電気伝導度を演算する、請求項１記載の測定装置。
3. 前記所定の周波数は、前記検出部で検出した前記共振周波数である、請求項２記載の測定装置。
4. 複数の前記検知部で構成されるセンサ部と、
   前記複数の検知部のいずれかを選択するセレクタと、をさらに備え、
   前記共振部、前記信号発生部、前記検出部、前記制御部および前記セレクタで１つの本体部が構成され、
   前記制御部は、前記セレクタを制御して前記複数の検知部のうちの１つを選択し、選択された前記検知部と前記本体部とを接続して前記測定値を演算する、請求項１から３のいずれか１項に記載の測定装置。
5. 前記センサ部は、前記本体部とリード線によって接続された、請求項４記載の測定装置。
6. 前記センサ部は、一方向に延在する支持部を有し、
   前記複数の検知部は、前記支持部の前記一方向に所定の間隔で配置された、請求項４または５に記載の測定装置。
7. 前記本体部は、前記支持部の一端側に配置された、請求項６記載の測定装置。
8. 前記センサ部は、
   第１方向に延在し、前記第１方向と直交する第２方向に所定の間隔で配置された複数本の列パターンと、
   前記第２方向に延在し、前記複数本の列パターンのそれぞれと導通する複数本の行パターンと、
   前記複数本の行パターンのそれぞれの端部と一定の間隔で対向する対向部分を有する共通パターンと、
   を備えた、請求項４から７のいずれか１項に記載の測定装置。
9. 前記複数本の行パターンおよび前記共通パターンによってパターンブロックが構成され、
   複数の前記パターンブロックが前記第１方向に配置された、請求項８記載の測定装置。
   

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