JP2023063920A - 維管束液流速センサ、維管束液流速測定装置および維管束液流速測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機械的または熱的に植物に与える損傷が小さい維管束液流速センサ、維管束液流速測定装置および維管束液流速測定方法を提供する。【解決手段】維管束液流速センサ１は、植物に突き刺すプローブとして、第１温度センサ２１とヒータ２２とが設けられたヒータ付温度プローブ２０のみを有する。維管束液流速測定装置は、維管束液流速センサ１と、ヒータ２２に間欠的に電力を供給する電源と、第１温度センサ２１で測定されたヒータ２２の加熱による維管束液の上昇温度に基づき維管束液流速を求める演算部とを有する。植物に突き刺すプローブがヒータ付温度プローブ２０のみであるので、植物に与える機械的損傷を小さくできる。ヒータ２２による加熱が間欠的であるので、植物に与える熱的損傷を小さくできる。【選択図】図１

Description

本発明は、維管束液流速センサ、維管束液流速測定装置および維管束液流速測定方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、植物の新梢末端、果柄など、植物の細部を流れる維管束液の流速を測定するセンサ、装置および方法に関する。

作物、果樹の生産においては、生産性の観点から植物の生育状態に合わせて適切な時期に灌水と養分補給を行なうことが望まれる。しかし、多くの農業現場では、無降雨日数などに基づき、経験と勘によって灌水と養分補給を行なっているのが現状である。このような経験に依存した方法は、熟練が必要であり手間と時間がかかる。また、基準となる指標が個人的な経験であるため、誰もが簡便に実施することは難しい。

近年、スマートアグリなど、情報技術を農業に導入する動きが活発になっている。情報技術により、人に依存することなく、植物の生理的情報に基づいて、最適な生産が行なわれることが期待されている。

灌水管理に必要となる植物の生理的情報として維管束液流速がある。特に、作物、果樹の生産性および品質を向上させる上では、植物の新梢末端、果柄など、植物の細部における維管束液流速を測定することが重要である。植物の細部における維管束液流速を測定するセンサは既に提案されている（特許文献１）。

特開２０１５－１４５８１０号公報

特許文献１に開示されたセンサはグラニエ法により維管束液流速を測定するものである。グラニエ法では植物に２本のプローブを突き刺し、ヒータで常時維管束液を加熱する必要がある。そのため、機械的、熱的に植物に与える損傷が大きい。

維管束液流速を測定する方法としてグラニエ法のほかヒートパルス法も知られている。ヒートパルス法は熱を間欠的に与えるため、植物に与える熱的損傷が小さい。しかし、ヒートパルス法により維管束液流速を測定するには３本のプローブを植物に突き刺す必要があり、植物に与える機械的損傷がグラニエ法よりも大きくなる。

本発明は上記事情に鑑み、機械的または熱的に植物に与える損傷が小さい維管束液流速センサ、維管束液流速測定装置および維管束液流速測定方法を提供することを目的とする。

第１発明の維管束液流速センサは、植物に突き刺すプローブとして、第１温度センサとヒータとが設けられたヒータ付温度プローブのみを有することを特徴とする。
第２発明の維管束液流速センサは、第１発明において、外気温を測定する第２温度センサを有することを特徴とする。
第３発明の維管束液流速測定装置は、第１温度センサとヒータとが設けられたヒータ付温度プローブと、前記ヒータ付温度プローブを支持する支持部とを有する維管束液流速センサと、前記ヒータに間欠的に電力を供給する電源と、前記第１温度センサで測定された前記ヒータの加熱による維管束液の上昇温度に基づき維管束液流速を求める演算部と、を備えることを特徴とする。
第４発明の維管束液流速測定装置は、第３発明において、外気温を測定する第２温度センサを備えることを特徴とする。
第５発明の維管束液流速測定装置は、第３または第４発明において、前記維管束液流速センサは、所定の間隔を空けて配置された一対の電極からなる読出電極対と、前記一対の電極に架け渡された感水膜とが設けられた水分含有量プローブを有し、前記水分含有量プローブは前記ヒータ付温度プローブと平行に並んだ状態で前記支持部に支持されていることを特徴とする。
第６発明の維管束液流速測定装置は、第５発明において、前記維管束液流速センサは、所定の間隔を空けて配置された一対の電極からなる電気伝導率電極対が設けられた電気伝導率プローブを有し、前記電気伝導率プローブは前記水分含有量プローブと平行に並んだ状態で前記支持部に支持されていることを特徴とする。
第７発明の維管束液流速測定装置は、第３～第６発明のいずれかにおいて、前記維管束液流速センサは、第３温度センサが設けられた温度プローブを有し、前記温度プローブは前記ヒータ付温度プローブと平行に並んだ状態で前記支持部に支持されていることを特徴とする。
第８発明の維管束液流速測定方法は、第１温度センサとヒータとが設けられたヒータ付温度プローブを植物に突き刺し、前記ヒータに間欠的に電力を供給し、前記ヒータの加熱による維管束液の上昇温度を前記第１温度センサで測定し、前記上昇温度に基づき維管束液流速を求めることを特徴とする。
第９発明の維管束液流速測定方法は、第８発明において、所定の間隔を空けて配置された一対の電極からなる読出電極対と、前記一対の電極に架け渡された感水膜とが設けられた水分含有量プローブを前記植物に突き刺し、前記読出電極対を構成する前記一対の電極間のインピーダンスまたは静電容量を測定し、インピーダンス測定値または静電容量測定値から前記植物の水分含有量を求め、前記上昇温度および前記水分含有量に基づき維管束液流速を求めることを特徴とする。
第１０発明の維管束液流速測定方法は、第９発明において、所定の間隔を空けて配置された一対の電極からなる電気伝導率電極対が設けられた電気伝導率プローブを前記植物に突き刺し、前記電気伝導率電極対を構成する前記一対の電極間の電気抵抗から電気伝導率を求め、電気伝導率測定値を用いて水分含有量測定値を補償することを特徴とする。
第１１発明の維管束液流速測定方法は、第８～第１０発明のいずれかにおいて、前記植物の温度または外気温から自然温度勾配を求め、前記自然温度勾配を用いて前記上昇温度を補正することを特徴とする。

第１発明によれば、植物に突き刺すプローブがヒータ付温度プローブのみであるので、植物に与える機械的損傷を小さくできる。
第２発明によれば、外気温から求めた自然温度勾配を考慮して維管束液流速を求めることで、外部環境に対するロバスト性を高めることができる。
第３発明によれば、ヒータによる加熱が間欠的であるので、植物に与える熱的損傷を小さくできる。また、ヒータ付温度プローブを植物に突き刺し、第１温度センサの測定値を取得することで、維管束液流速を測定できる。
第４発明によれば、外気温から求めた自然温度勾配を考慮して維管束液流速を求めることで、外部環境に対するロバスト性を高めることができる。
第５発明によれば、水分含有量プローブにより測定した水分含有量を考慮することで、維管束液流速を精度良く測定できる。
第６発明によれば、電気伝導率プローブにより測定した植物内の水分の電気伝導率に基づき水分含有量測定値を補償することで、植物の水分含有量を精度良く測定できる。
第７発明によれば、第３温度センサで測定した自然温度勾配を考慮して維管束液流速を求めることで、外部環境に対するロバスト性を高めることができる。
第８発明によれば、維管束液流速を求めることができる。
第９発明によれば、植物水分含有量を考慮することで、維管束液流速を精度良く求めることができる。
第１０発明によれば、電気伝導率プローブで測定した植物内の水分の電気伝導率に基づき水分含有量測定値を補償することで、植物の水分含有量を精度良く測定できる。
第１１発明によれば、植物の温度または外気温から求めた自然温度勾配を考慮して維管束液流速を求めることで、外部環境に対するロバスト性を高めることができる。

第１実施形態に係る維管束液流速センサの平面図である。 第１実施形態に係る維管束液流速センサの側面図である。 第１実施形態に係る維管束液流速センサの使用状態説明図である。 維管束液の温度変化を示すグラフである。 第１実施形態に係る維管束液流速測定装置の説明図である。 第２実施形態に係る維管束液流速センサの平面図である。 第３実施形態に係る維管束液流速センサの平面図である。 水分含有量プローブの縦断面図である。 図（Ａ）は解析モデルを示す図である。図（Ｂ）は温度分布図である。 熱解析により求められたヒートパルス速度と流速との関係を示すグラフである。 疑似植物試験により求められたヒートパルス速度と流速との関係を示すグラフである。 生育環境下のトマトの道管液流速の時間変化を示すグラフである。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態に係る維管束液流速センサ１は、植物の新梢末端、果柄など、植物の細部に取り付けることができる。維管束液流速センサ１は植物の細部における維管束液（道管液または師管液）の流速および流量を測定する機能を有する。

（維管束液流速センサ）
まず、維管束液流速センサ１の構成を説明する。
図１に示すように、維管束液流速センサ１は支持部１０を有する。支持部１０にはヒータ付温度プローブ２０が設けられている。ヒータ付温度プローブ２０を植物に突き刺すことで、植物に維管束液流速センサ１が取り付けられる。

支持部１０およびヒータ付温度プローブ２０は半導体基板を加工することで形成されている。半導体基板として、シリコン基板、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板などが挙げられる。半導体基板の加工には、フォトリソグラフィ、エッチングのほか、スパッタ法、蒸着法などの薄膜形成を用いたＭＥＭＳ技術が用いられる。なお、維管束液流速センサ１はＭＥＭＳ技術以外の方法で形成してもよいし、素材も半導体基板に限定されない。

・支持部
支持部１０はヒータ付温度プローブ２０を支持する部材である。支持部１０は、平面視矩形の板材であり、その一辺にヒータ付温度プローブ２０が支持されている。

・ヒータ付温度プローブ
ヒータ付温度プローブ２０は、棒状の部材であり、支持部１０の縁に片持ち梁状に設けられている。ヒータ付温度プローブ２０の先端部の形状は三角形など尖った形が好ましい。ヒータ付温度プローブ２０の先端部が尖った形であれば、植物の細部に突き刺すときの刺入抵抗を小さくできる。

ヒータ付温度プローブ２０は、植物の新梢末端、果柄など、茎径または軸径が数ｍｍ程度の植物の細部に突き刺して配置できる寸法に形成されている。ヒータ付温度プローブ２０の長さ（軸方向に基端から先端までの長さ）は、植物の細部に突き刺して設置した状態において、その先端部が植物の細部の道管または師管に配置され得る寸法に形成されている。ヒータ付温度プローブ２０の長さは、例えば、０．５～５ｍｍである。

ヒータ付温度プローブ２０の幅は、特に限定されないが、例えば、５０～５００μｍである。ヒータ付温度プローブ２０の幅が狭いほど、植物に与える機械的損傷を小さくできる。

図２に示すように、維管束液流速センサ１は全体的に薄い板状である。ヒータ付温度プローブ２０の厚さは植物の道管および師管の幅よりも薄く設定されている。ヒータ付温度プローブ２０の厚さは測定対象となる植物の種類および茎の太さによるが、例えば５０～３００μｍである。厚さが５０μｍ以上であれば強度が十分であり、ヒータ付温度プローブ２０を植物の茎などに挿抜する際に折れる恐れがない。また、植物の種類にもよるが道管および師管の太さは１００～４００μｍ程度であるため、厚さが３００μｍ以下であればヒータ付温度プローブ２０を道管または師管に刺してもそれらを塞ぐことを抑制できる。ヒータ付温度プローブ２０が薄いほど植物に与える機械的損傷を小さくできる。そのため、ヒータ付温度プローブ２０の厚さは１００μｍ以下とすることがより好ましい。なお、支持部１０の厚さは特に限定されず、ヒータ付温度プローブ２０と同じ厚さでもよいし、ヒータ付温度プローブ２０より厚くてもよい。

図１に示すように、ヒータ付温度プローブ２０の先端部には第１温度センサ２１が設けられている。第１温度センサ２１は、温度を感知する機能を有しており、ヒータ付温度プローブ２０の先端部に配設できる大きさのものであれば、特に限定されない。第１温度センサ２１として、測温抵抗体、ｐｎ接合ダイオード、熱電対などを採用できる。維管束液流速センサ１は屋外で使用されることが想定されるため、第１温度センサ２１として光依存性のない測温抵抗体を用いることが好ましい。また、支持部１０の上面には第１温度センサ２１に配線を介して接続された２つの電極パッド２１ｅ、２１ｅが配設されている。

測温抵抗体は、例えば、スパッタ法、蒸着法などにより半導体基板上にＡｕなどの測温抵抗体として適した金属の薄膜を堆積させることにより形成される。測温抵抗体は温度の上昇とともに電気抵抗が増加する。２つの電極パッド２１ｅ、２１ｅの間には定電流源が接続される。定電流源で測温抵抗体に定電流を供給し、電圧計で電圧を測定する。電圧計で測定した電圧から、温度を算出できる。

また、ヒータ付温度プローブ２０にはヒータ２２が設けられている。ヒータ２２はヒータ付温度プローブ２０に熱を供給できればよく、その位置は先端部に限定されない。ヒータ２２は、ヒータ付温度プローブ２０に配設できる大きさのものであれば、特に限定されない。例えば、Ａｕ（金）、Ｐｔ（白金）、Ｔｉ(チタン)、Ｃｒ（クロム）などの薄膜をスパッタ法、蒸着法などにより形成し、細い糸状に加工したマイクロヒータ（本明細書では「フィラメントヒータ」という）をヒータ２２として採用できる。また、酸化拡散炉を用いて形成したｐｎ接合ダイオードをヒータ２２として採用してもよい。

支持部１０の上面にはヒータ２２に配線を介して接続された２つの電極パッド２２ｅ、２２ｅが配設されている。２つの電極パッド２２ｅ、２２ｅの間には、直流定電源が接続される。ヒータ２２に電流を流すことで、熱を発することができる。

（維管束液流速測定方法）
つぎに、維管束液流速センサ１による維管束液流速の測定方法を説明する。

・取り付け
まず、測定対象となる植物の新梢末端、果柄などに、維管束液流速センサ１を取り付ける。具体的には、図３に示すように、維管束液流速センサ１のヒータ付温度プローブ２０を植物に突き刺して取り付ける。

ヒータ付温度プローブ２０を植物に突き刺していくと、ヒータ付温度プローブ２０の先端部は植物の皮層ＣＯを通り、師管ＰＨに達する。さらに、深く突き刺していくと、ヒータ付温度プローブ２０の先端部は、道管ＸＹに達し、つぎに髄ＰＩに達する。師管液の流速を測定する場合には、ヒータ付温度プローブ２０の先端部を師管ＰＨに配置する。道管液の流速を測定する場合には、ヒータ付温度プローブ２０の先端部を道管ＸＹに配置する。以下、道管液の流速を測定する場合を例に説明する。

ヒータ付温度プローブ２０を植物に突き刺した状態で、ヒータ２２に間欠的に電力を供給する。すなわち、ヒータ２２にパルス状の電流を流す。ヒータ２２に電力を供給する時間幅（パルス幅）は予め定められている。

ヒータ２２を間欠駆動させると、ヒータ２２が駆動している間だけ道管液が加熱される。この際、道管液の温度は図４に示すように時間変化する。すなわち、ヒータ２２により加熱されている間は道管液の温度が上昇し、加熱が終了すると道管液の温度が下がる。

ヒータ２２による加熱開始時ｔ₁における道管液の温度をＴ₁とする。また、ヒータ２２による加熱終了時ｔ₂における道管液の温度をＴ₂とする。ヒータ２２の加熱による道管液の上昇温度ΔＴは、Ｔ₂からＴ₁を減じることで求められる。ヒータ２２による加熱終了時から所定時間経過した時点ｔ₃における道管液の温度をＴ₃とする。ヒータ２２の加熱による道管液の上昇温度ΔＴは、Ｔ₂からＴ₃を減じて求めてもよい。なお、ｔ₂からｔ₃までの時間は道管液の温度が充分に下がる時間に設定される。いずれにせよ、道管液の温度は第１温度センサ２１で測定できるから、第１温度センサ２１の測定値から上昇温度ΔＴを求めることができる。

熱伝達滞留方程式を解くと、ヒートパルス速度Ｖ_hは以下の式（１）で表される。式（１）中、Ｄは道管の熱拡散率［ｍ²／ｓ］、ΔＴ_uは道管液の上昇温度［℃］、ΔＴ₀は流速が０のときの道管液の上昇温度［℃］、ｔは加熱時間［ｓ］である。上昇温度ΔＴ_uは測定値であり、第１温度センサ２１により得られる。熱拡散率Ｄおよび流速が０のときの道管液の上昇温度ΔＴ₀は、測定対象の植物に依存する定数であり、予め実験などにより定められる。加熱時間ｔは植物によって道管液流速の測定に最適な時間に設定される。加熱時間ｔは、例えば、２０～４０秒である。

ヒータ付温度プローブ２０を道管に挿入すると道管液の流れが乱れるため、この影響を補正してもよい。例えば、以下の式（２）に基づき、補正後のヒートパルス速度Ｖ_cを求めれば良い。式（２）中、ａ、ｂ、ｃは補正係数であり、予め実験などにより定められる。

道管液流速ｕはヒートパルス速度に比例する。すなわち、道管液流速ｕは式（３）で得られる。式（３）中、αは係数であり、予め実験などにより定められる。なお、Ｖは補正前のヒートパルス速度Ｖ_hまたは補正後のヒートパルス速度Ｖ_cである。

道管液の流速から流量を求めることができる。式（４）に示すように、道管液の流量Ｑは流速ｕ［ｍ／ｓ］に道管の断面積Ａ［ｍ²］を掛けることで得られる。

以上の原理に従い、第１温度センサ２１で測定された道管液の上昇温度ΔＴ_uに基づき道管液の流速ｕおよび流量Ｑを求めることができる。なお、ヒータ付温度プローブ２０の先端部を植物の師管ＰＨに配置すれば、師管液の流速および流量を求めることができる。また、維管束液流速を長期間モニタリングする場合には、所定間隔でヒータ２２を駆動させ、その都度維管束液流速を求める。ヒータ２２を駆動させる間隔は特に限定されない。間隔を短くすれば流速の時間分解能を高くできる。

本実施形態の維管束液流速センサ１は植物に突き刺すプローブがヒータ付温度プローブ２０のみである。複数本のプローブを植物に突き刺す必要がないため、植物に与える機械的損傷を小さくできる。また、ヒータ２２による加熱が間欠的であるため、常時加熱に比べて植物に与える熱的損傷を小さくできる。さらに、ヒータ２２が間欠駆動であるため維管束液流速センサ１の消費電力を低くできる。例えば、植物の栽培期間である数ヶ月から半年の間、維管束液流速センサ１を電池で連続駆動できる。

（維管束液流速測定装置）
つぎに、維管束液流速測定装置ＡＡを説明する。
図５に示すように、維管束液流速測定装置ＡＡは維管束液流速センサ１を有する。例えば、農業現場の複数の植物に対して、複数の維管束液流速センサ１が取り付けられる。維管束液流速センサ１は、一の植物の複数箇所に取り付けてもよいし、複数の植物の全てに、または一部の標本に取り付けてもよい。また、維管束液流速センサ１を１つのみとしてもよい。

維管束液流速センサ１には、データロガーＤＲが接続されており、電力の供給および測定値の収集が行なわれる。データロガーＤＲがヒータ２２に間欠的に電力を供給する。したがって、データロガーＤＲは特許請求の範囲に記載の「電源」に相当する。また、データロガーＤＲには無線通信機が内蔵されている。

農業現場に隣接した建屋内などにサーバ装置ＳＶが設けられる。サーバ装置ＳＶには無線通信機が接続されており、データロガーＤＲと無線通信できるよう構成されている。

データロガーＤＲは、維管束液流速センサ１の測定データを、無線通信機を介してサーバ装置ＳＶに送信する。サーバ装置ＳＶは受信した測定データを分析し、維管束液流速を求める。その詳細は前述のとおりである。したがって、サーバ装置ＳＶは特許請求の範囲に記載の「演算部」に相当する。

なお、データロガーＤＲとサーバ装置ＳＶとの接続は無線に限られず有線でもよい。データロガーＤＲに蓄積されたデータを記憶媒体に保存し、その記憶媒体をサーバ装置ＳＶに読み込ませてもよい。電源はヒータ２２に電力を供給できればよくデータロガーＤＲに限定されない。演算部も維管束液流速を求めることができればよくサーバ装置ＳＶに限定されない。

〔第２実施形態〕
つぎに、本発明の第２実施形態に係る維管束液流速センサ２を説明する。
図６に示すように、維管束液流速センサ２は第１実施形態と同様にヒータ付温度プローブ２０と支持部１０とを有する。第１実施形態と同様の部材には同一符号を付して説明を省略する。

支持部１０には第２温度センサ１１が設けられている。第２温度センサ１１として第１温度センサ２１と同様のものを採用できる。支持部１０の上面には第２温度センサ１１に配線を介して接続された２つの電極パッド１１ｅ、１１ｅが配設されている。第１温度センサ２１と同様の方法で、第２温度センサ１１により温度を測定できる。

第２温度センサ１１は植物の周囲の外気温を測定するためのものである。ヒータ２２の熱が第２温度センサ１１に伝わりにくくするため、ヒータ付温度プローブ２０と第２温度センサ１１との間は断熱されている。

例えば、維管束液流速センサ２を支持基板（Ｓｉ）、酸化膜層（ＳｉＯ₂）および活性層（Ｓｉ）からなるＳＯＩ基板を加工して形成する。第１温度センサ２１、ヒータ２２および第２温度センサ１１を活性層の表面に形成する。そして、ヒータ付温度プローブ２０と第２温度センサ１１との間の活性層を除去し、それらの間に酸化膜層が介在した状態とする。これにより、ヒータ付温度プローブ２０と第２温度センサ１１との間を断熱できる。

（自然温度勾配補正）
植物を栽培するハウス内で暖房機が作動したり、植物の周囲の日射、風などが変化したりすると自然温度勾配が生じる。自然温度勾配が第１温度センサ２１の測定値に影響を及ぼし維管束液流速の測定精度が悪くなる。そこで、本実施形態では第２温度センサ１１で測定した外気温を用いて自然温度勾配の影響を補正する。

前述のごとく、維管束液流速を測定する際にはヒータ２２を間欠的に駆動する。そして、第１温度センサ２１によりヒータ２２の加熱による維管束液の上昇温度ΔＴ₁を測定する。これと同時に、第２温度センサ１１により自然温度勾配ΔＴ₂を測定する。上昇温度ΔＴ₁をｔ₁－ｔ₂間の第１温度センサ２１の測定値の差分とするならば、自然温度勾配ΔＴ₂はｔ₁－ｔ₂間の第２温度センサ１１の測定値の差分として求められる。上昇温度ΔＴ₁をｔ₂－ｔ₃間の第１温度センサ２１の測定値の差分とするならば、自然温度勾配ΔＴ₂はｔ₂－ｔ₃間の第２温度センサ１１の測定値の差分として求められる。

そして、式（５）に示すように、自然温度勾配ΔＴ₂を用いて上昇温度ΔＴ₁を補正する。

補正後の上昇温度ΔＴ_uを用いて、式（１）に従いヒートパルス速度Ｖ_hを求めれば、自然温度勾配の影響を除去して維管束液流速を求めることができる。このように、外気温から求めた自然温度勾配を考慮して維管束液流速を求めることで、外部環境に対するロバスト性を高めることができる。

なお、第２温度センサ１１を支持部１０に設けなくてもよい。すなわち、ヒータ付温度プローブ２０とは物理的に独立した温度センサを第２温度センサ１１として用いてもよい。したがって、第２温度センサは維管束液流速センサとは別の部材としてもよい。

〔第３実施形態〕
つぎに、本発明の第３実施形態に係る維管束液流速センサ３を説明する。
図７に示すように、維管束液流速センサ３は第１実施形態の維管束液流速センサ１に水分含有量プローブ３０、電気伝導率プローブ４０および温度プローブ５０を追加したものである。その余の構成は第１実施形態と同様であるので、同一部材に同一符号を付して説明を省略する。

水分含有量プローブ３０は植物の水分含有量測定に用いられる。測定された水分含有量は維管束液流速測定値の補償に用いられる。水分含有量による補償の必要がない場合には、維管束液流速センサ３に水分含有量プローブ３０を設けなくてもよい。電気伝導率プローブ４０は植物内の水分の電気伝導率測定に用いられる。測定された電気伝導率は水分含有量測定値の補償に用いられる。電気伝導率による補償の必要がない場合には、維管束液流速センサ３に電気伝導率プローブ４０を設けなくてもよい。温度プローブ５０は植物の温度測定に用いられる。測定された温度は維管束液流速測定値、水分含有量測定値および電気伝導率測定値のうちの一部または全部の補償に用いられる。温度による補償の必要がない場合には、維管束液流速センサ３に温度プローブ５０を設けなくてもよい。

プローブ２０、３０、４０、５０は、それらを同一平面内で平行に並べた状態で、その基端が支持部１０の一辺に支持されている。プローブ２０、３０、４０、５０の並び順は特に限定されない。ただし、温度プローブ５０はヒータ付温度プローブ２０と離れた位置に配置することが好ましい。そうすれは、温度プローブ５０にヒータ２２の熱が伝わりにくくなり、自然温度勾配を正確に測定できる。例えば、ヒータ付温度プローブ２０、水分含有量プローブ３０、電気伝導率プローブ４０、温度プローブ５０の順に配置することが好ましい。

・水分含有量プローブ
水分含有量プローブ３０の先端部には読出電極対３１が設けられている。読出電極対３１は所定の間隔を空けて配置された一対の電極３２、３２からなる。支持部１０の上面には２つの電極３２、３２に配線を介して接続された２つの電極パッド３２ｅ、３２ｅが配設されている。また、水分含有量プローブ３０には感水膜３３が設けられている。

水分含有量プローブ３０を植物に突き刺すと、植物内の水分が感水膜３３に吸収される。感水膜３３に吸収された水分の量を電極３２、３２間のインピーダンスまたは静電容量として読み出す。これにより、植物の水分含有量を測定できる。

図８に示すように、水分含有量プローブ３０を構成する半導体基板ＳＳの表面に一対の電極３２、３２が形成されている。電極３２は水分含有量プローブ３０の先端部に配設できる大きさのものであれば、特に限定されない。電極３２は、例えば、スパッタ法、蒸着法などにより半導体基板ＳＳ上にＡｕ、Ａｌなどの金属薄膜を堆積させることにより形成される。

感水膜３３は一対の電極３２、３２の上に、それらに架け渡されるよう形成されている。感水膜３３は水分を吸収する機能を有し、水よりも比誘電率が低い素材で形成されている。本明細書において「感水膜」とは、水分を吸収する機能を有し、水よりも比誘電率が低い素材で形成された膜を意味する。温度２０℃における水の比誘電率は約８０であるから、感水膜３３の比誘電率は８０よりも小さければよい。ただし、感水膜３３の比誘電率と水の比誘電率との差が大きいほど水分含有量の測定精度が高くなることから、感水膜３３の比誘電率は１～３が好ましい。

感水膜３３の素材は、水に不溶であり、熱的・化学的に安定であることが好ましい。感水膜３３の素材として、塩化リチウム、金属酸化物、セラミックス、高分子材料などを用いることができる。ただし、塩化リチウムは植物に対する毒性があることから、植物への適用性に優れているとはいえない。金属酸化物、セラミックスとして酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）が挙げられる。金属酸化物およびセラミックスは水に不溶である。ただし、金属酸化物およびセラミックスは材質が硬く、製作工程時に高温の熱処理が必要である。これに対して、高分子材料は植物への適用性に優れ、また材質が柔らかい。高分子材料としてポリイミド、ポリビニルアルコールなどが挙げられる。これらの中でも、半導体Ｓｉ基板上への搭載のしやすさの観点から、ポリイミドが好ましい。また、ポリイミドは水に溶けにくいため、植物内の水分の長期測定に適している。そのため、感水膜３３をポリイミドで形成すれば、感水膜３３が植物内の水分に溶解しにくく、長期間の測定が可能である。

高分子材料で感水膜３３を形成する場合、感水膜３３の表面を親水化処理してもよい。そうすれば、感水膜３３に植物内の水分が吸収されやすくなり、水分含有量測定の応答速度が速くなる。例えば、ポリイミドで感水膜３３を形成する場合、感水膜３３の表面を酸素プラズマ処理すればよい。ポリイミドの表面を酸素プラズマ処理すると、カルボニル基が導入されポリイミドの表面が親水化される。また、ポリイミドの表面積が増加するという効果もある。感水膜３３が親水化されるとともに表面積が増加するので、感水膜３３に植物内の水分が吸収されやすくなり、水分含有量測定の応答速度が速くなる。

・電気伝導率プローブ
図７に示すように、電気伝導率プローブ４０の先端部には電気伝導率電極対４１が設けられている。電気伝導率電極対４１は所定の間隔を空けて配置された一対の電極４２、４２からなる。電気伝導率電極対４１は電極４２、４２間に存在する水分（維管束液など）の電気伝導率を測定するためのものである。電極４２は電気伝導率プローブ４０の先端部に配設できる大きさのものであれば、特に限定されない。電極４２は、例えば、スパッタ法、蒸着法などにより半導体基板ＳＳ上にＡｕ、Ａｌなどの金属薄膜を堆積させることにより形成される。

支持部１０の上面には２つの電極４２、４２に配線を介して接続された２つの電極パッド４２ｅ、４２ｅが配設されている。電気伝導率は交流二電極法により測定できる。すなわち、一対の電極４２、４２に対応する一対の電極パッド４２ｅ、４２ｅの間には、交流電源と電流計とが直列に接続される。交流電源で電極４２、４２間に電流を供給し、電流計で電極４２、４２間に流れる電流を測定する。オームの法則の基づき、電流計で測定した電流から、電極４２、４２間の電気抵抗を算出し、電気抵抗から電気伝導率を求める。

植物内の水分の電気伝導率を測定するには、電気伝導率の測定レンジが少なくとも０～１０ｍＳ／ｃｍであることが好ましい。交流二電極法による電気伝導率の測定レンジは、電極対のセル定数Ｋに依存する。ここで、セル定数Ｋは電極間距離Ｌを電極表面積Ｓで除して求められる。すなわち、電気伝導率の測定レンジは電極４２の形状に依存する。電極４２の形状は、立体電極、櫛歯電極、平面電極など、種々の形状から選択できる。

・温度プローブ
温度プローブ５０の先端部には第３温度センサ５１が設けられている。第３温度センサ５１として第１温度センサ２１と同様のものを採用できる。支持部１０の上面には第３温度センサ５１に配線を介して接続された２つの電極パッド５１ｅ、５１ｅが配設されている。第１温度センサ２１と同様の方法で、第３温度センサ５１により温度を測定できる。

なお、水分含有量プローブ３０、電気伝導率プローブ４０、温度プローブ５０をそれぞれ別のプローブとして構成してもよいし、それらの一部または全部を単一のプローブとして構成してもよい。例えば、一本のプローブに電気伝導率電極対４１と第３温度センサ５１とを搭載して、電気伝導率プローブ４０と温度プローブ５０とを一体化してもよい。

（維管束液流速測定方法）
つぎに、維管束液流速センサ３による維管束液流速の測定方法を説明する。

・取り付け
まず、測定対象となる植物の新梢末端、果柄などに、維管束液流速センサ３を取り付ける。具体的には、図７に示すように、維管束液流速センサ３の全てのプローブ２０、３０、４０、５０を植物に突き刺して取り付ける。このとき、植物の道管ＸＹおよび師管ＰＨに沿って、プローブ２０、３０、４０、５０を配置する。師管液の流速を測定する場合には、プローブ２０、３０、４０、５０の先端部を師管ＰＨに配置する。道管液の流速を測定する場合には、プローブ２０、３０、４０、５０の先端部を道管ＸＹに配置する。以下、道管液の流速を測定する場合を例に説明する。

ところで、感水膜３３は少なくとも読出電極対３１を覆う領域に形成されていればよい。ただし、感水膜３３は読出電極対３１の配置部から水分含有量プローブ３０の基端部にわたって設けることが好ましい。また、感水膜３３は水分含有量プローブ３０の基端部からさらに支持部１０上面の一部領域を覆うように設けることがより好ましい。このようにすれば、感水膜３３の一部が植物の外側に配置される。

感水膜３３は植物内の水分量に応じて水分を吸収する。植物内の水分の減少を捉えるには、感水膜３３が吸収していた水分を脱水する必要がある。感水膜３３の一部が植物の外側に配置されていれば、この外気に触れる部分から脱水が促進される。感水膜３３からの脱水がスムーズに行なわれるため、水分含有量が減少する際の応答速度が速くなる。

・水分含有量測定（インピーダンスによる方法）
水分含有量プローブ３０を植物に突き刺すと、植物内の水分が感水膜３３に吸収される。植物内の水分量に応じて感水膜３３に吸収される水分量が変化する。また、感水膜３３に吸収される水分量に応じて読出電極対３１を構成する電極３２、３２間のインピーダンスが変化する。

電極３２、３２間のインピーダンスＺ［ｋΩ］と植物の水分含有量ＷＣ［％］との関係は式（６）で表される。式（６）中、Ｚ₀は感水膜３３が水分を吸収していない場合のインピーダンス［ｋΩ］、Ｂはセンサの感度を表す係数である。

Ｚ₀およびＢは予め試験により求められる。植物の水分含有量の測定時には電極３２、３２間のインピーダンスＺを測定する。そして、式（６）に基づいて、インピーダンス測定値Ｚから植物の水分含有量ＷＣを求める。

・水分含有量測定（静電容量による方法）
感水膜３３に吸収される水分量が増加すると、読出電極対３１を構成する電極３２、３２間の静電容量が増加するという関係がある。特に、感水膜３３の素材を適切に選択すれば、感水膜３３に吸収される水分量と電極３２、３２間の静電容量とは線形関係となる。この関係を予め試験により求めておく。植物の水分含有量の測定時には電極３２、３２間の静電容量Ｃを測定する。そして、静電容量と水分含有量との関係に基づいて、静電容量測定値Ｃから植物の水分含有量ＷＣを求める。

以上のように、水分含有量プローブ３０を植物に突き刺し、読出電極対３１からインピーダンスまたは静電容量を読み出すことで、植物の水分含有量を測定できる。

・電気伝導率補償
水分含有量プローブ３０により得られた水分含有量測定値は、植物内の水分の電気伝導率に依存する。そのため、水分含有量測定値を電気伝導率で補償することが好ましい。植物内の水分（主に道管液）の電気伝導率は電気伝導率プローブ４０の電気伝導率電極対４１により測定できる。電気伝導率プローブ４０により測定した電気伝導率に基づき水分含有量測定値を補償する。これにより、植物の水分含有量を精度良く測定できる。

例えば、水分含有量を電極３２、３２間のインピーダンスから求める場合、予め種々の電気伝導率の溶液を用いて式（６）中のセンサ感度係数Ｂを求めておく。植物の水分含有量の測定時には、これと同時に植物内の水分の電気伝導率を測定する。測定された電気伝導率に対応するセンサ感度係数Ｂを適用した式（６）に基づき、インピーダンスＺから植物の水分含有量ＷＣを求める。このように、電気伝導率測定値からセンサ感度係数Ｂを求めることで、水分含有量測定値を補償できる。

また、センサ感度係数Ｂは電気伝導率σに線形依存する。したがって、予め種々の電気伝導率σの溶液を用いて水分含有量プローブ３０によりインピーダンスＺを測定し、式（６）中のセンサ感度係数Ｂを求めておき、電気伝導率σとセンサ感度係数Ｂとの関係を一次関数でフィッティングする。つまり、以下の式（７）で表される電気伝導率σとセンサ感度係数Ｂとの関係式のうち係数ａおよびｂを求めておく。

植物の水分含有量の測定時には、水分含有量プローブ３０によりインピーダンスＺを測定するとともに、電気伝導率プローブ４０で電気伝導率σを測定する。式（７）に基づいて、電気伝導率測定値σからセンサ感度係数Ｂを求める。求めたセンサ感度係数Ｂを適用した式（６）に基づき、インピーダンスＺから植物の水分含有量ＷＣを求める。

水分含有量を電極３２、３２間の静電容量から求める場合も同様に、予め種々の電気伝導率の溶液を用いて、感水膜３３に吸収される水分量と電極３２、３２間の静電容量との関係を求めておく。植物の水分含有量の測定時には、これと同時に植物の水分の電気伝導率を測定する。測定された電気伝導率に対応する水分量－静電容量の関係に基づき、静電容量Ｃから植物の水分含有量ＷＣを求める。

・温度補償
電気伝導率プローブ４０により得られた電気伝導率測定値は温度に依存する。一般に、電気伝導率測定値は１℃ごとに１～３％変化する。そのため、電気伝導率測定値を温度補償することが好ましい。植物内の水分（主に道管液）の温度は温度プローブ５０の第３温度センサ５１により測定できる。温度プローブ５０により測定した温度に基づき電気伝導率測定値を補償する。これにより、植物内の水分の電気伝導率を精度良く求めることができる。温度補償後の電気伝導率を用いて水分含有量測定をさらに補償することで、水分含有量を精度良く求めることができる。

電気伝導率測定値の温度補償は、例えば、以下の手順で行なう。すなわち、式（８）に基づき、電気伝導率測定値を基準温度２５℃での電気伝導率σ₂₅［Ｓ／ｍ］に変換する。ここで、βは温度係数、Ｔは測定対象液の温度［℃］、σは電気伝導率測定値［Ｓ／ｍ］である。

温度係数βは式（９）から求められる。ここで、Ｔ₁は２５℃およびＴ₂以外の温度［℃］、Ｔ₂は２５℃およびＴ₁以外の温度［℃］、σ₁はＴ₁での電気伝導率測定値［Ｓ／ｍ］、σ₂はＴ₂での電気伝導率測定値［Ｓ／ｍ］である。

感水膜３３をポリイミドで形成した場合、水分含有量プローブ３０で測定される水分含有量測定値は温度に依存しない。しかし、感水膜３３を他の素材で形成した場合、水分含有量測定値が温度に依存することがある。このような場合には、水分含有量測定値を温度補償してもよい。すなわち、温度プローブ５０により測定した温度に基づき水分含有量測定値を直接補償する。これにより、水分含有量を精度良く測定できる。

・道管液流速測定
道管液流速の測定は、基本的には、第１実施形態と同様である。すなわち、ヒータ付温度プローブ２０のヒータ２２に間欠的に電力を供給し、ヒータ２２の加熱による道管液の上昇温度ΔＴ_uを第１温度センサ２１で測定する。そして、式（１）、（２）、（３）に従い、上昇温度ΔＴ_uから道管液流速ｕを求める。

ここで、道管液流速ｕとヒートパルス速度Ｖ_hとの間には、式（１０）で示される関係がある。式（１０）中、ρ_bは道管の乾燥時の密度［ｇ／ｃｍ³］、ρ_sは道管液の密度［ｇ／ｃｍ³］、ＷＣは水分含有量［％］、ｃ_sは道管の乾燥時の比熱容量［Ｊ／ｇＫ］、ｃ_dwは道管液の比熱容量［Ｊ／ｇＫ］である。ρ_b、ρ_s、ｃ_s、ｃ_dwは、測定対象の植物に依存する定数であり、予め実験などにより定められる。

すなわち、式（３）中の係数αは式（１１）で示されるように、水分含有量ＷＣに異存する。

そこで、式（１１）に基づき、測定により得られた水分含有量ＷＣから係数αを求める。このαの値を用いて、式（３）に基づき、道管液流速ｕを求める。すなわち、ヒータ付温度プローブ２０で測定された上昇温度ΔＴ_uに加えて、水分含有量プローブ３０で測定された水分含有量ＷＣに基づき、維管束液流速ｕを求める。このように、水分含有量を考慮することで、維管束液流速ｕを精度良く測定できる。

・自然温度勾配補正
温度プローブ５０の第３温度センサ５１により自然温度勾配を測定することができる。すなわち、第３温度センサ５１の測定値(植物の温度)から自然温度勾配ΔＴ₂を求める。自然温度勾配ΔＴ₂を用いて上昇温度ΔＴ₁を補正する。この詳細は第２実施形態と同様である。植物の温度から求めた自然温度勾配を考慮して維管束液流速を求めることで、外部環境に対するロバスト性を高めることができる。

（熱解析）
モデリングソフトウエアＡＮＳＹＳを用いて、維管束液流速センサの熱解析を行なった。図９（Ａ）に解析モデルを示す。維管束液流速センサのプローブはヒータ付温度プローブのみである。ヒータ付温度プローブには抵抗値１３０Ωのフィラメントヒータを搭載した。ヒータ付温度プローブの先端部を、植物を模した直径３ｍｍのチューブに突き刺した。チューブには水を流した。

フィラメントヒータに４５．２ｍＷの電力を３０秒間供給した後、１５０秒間電力供給を停止した。図９（Ｂ）にフィラメントヒータに電力を供給した際の温度分布を示す。ヒータによる加熱開始時の水温と加熱終了時の水温との差分から上昇温度ΔＴ_uを求め、式（１）に従いヒートパルス速度Ｖ_hを求めた。ここで、熱拡散率Ｄは水の値である１．４７×１０^-7ｍ²／ｓとした。

チューブに流れる水の流速を０～４ｍｍ／ｓの範囲で変化させつつ、上記の手順でヒートパルス速度Ｖ_hを求めた。求められたヒートパルス速度Ｖ_hを解析し、式（２）の補正係数を定めた。その結果、式（２）の補正係数は、ａ＝０．７８×１０²、ｂ＝－１．４７×１０³、ｃ＝７．８４×１０³とした。

図１０に補正後のヒートパルス速度Ｖ_cと流速との関係を示す。図１０より、維管束液流速センサは０～４ｍｍ／ｓの範囲で流速の変化を測定できることが確認できた。

（センサの製作）
つぎに、図１に示す構成の維管束液流速センサを製作した。まず、湿式酸化処理を２時間行ない、シリコンウエハの表面に酸化膜を形成して絶縁層とした。つぎに、絶縁層の上に接着層として厚さ０．０４μｍのＣｒ層を設け、接着層の上に厚さ０．２μｍの耐腐食性Ａｕ層をスパッタリングで形成した。つぎに、測温抵抗体と抵抗値１３０Ωのフィラメントヒータをパターニングし、配線の保護膜としてフォトレジスト（ＳＵ－８ ３００５）をパターニングした。最後に、レジスト（ＰＭＥＲ）をマスクにして、ドライエッチングで針状のプローブを作製した。

維管束液流速センサの支持部の寸法は５ｍｍ×４ｍｍである。ヒータ付温度プローブは長さが３ｍｍ、幅が４８０μｍである。ヒータ付温度プローブの先端の角度は６０°である。また、使用時の外部温度変化の影響を軽減するために、支持部を絶縁材料でパッケージした。

（センサの校正）
つぎに、製作した維管束液流速センサの校正を行なった。直径３ｍｍのチューブにヒータ付温度プローブの先端部を突き刺し、シリンジポンプを用いて水を注入した。フィラメントヒータに４５．２ｍＷの電力を３０秒間供給した後、１５０秒間電力供給を停止した。加熱開始時における測温抵抗体の測定値と加熱終了時における測温抵抗体の測定値との差分から上昇温度ΔＴ_uを求め、式（１）に従いヒートパルス速度Ｖ_hを求めた。ここで、熱拡散率Ｄは水の値である１．４７×１０^-7ｍ²／ｓとした。

チューブに流れる水の流速を０～４ｍｍ／ｓの範囲で変化させつつ、上記の手順でヒートパルス速度Ｖ_hを求めた。求められたヒートパルス速度Ｖ_hを解析し、式（２）の補正係数を定めた。その結果、式（２）の補正係数は、ａ＝１．１０×１０²、ｂ＝－３．１０×１０³、ｃ＝２．３５×１０⁴とした。

図１１に補正後のヒートパルス速度Ｖ_cと流速との関係を示す。図１１より、維管束液流速センサは０～４ｍｍ／ｓの範囲で流速の変化を測定できることが確認できた。

（生育環境下での測定）
つぎに、生育環境下のトマト（Solanum lycopersicum L.）を用いて水分含有量の測定を行なった。培養土(４２００３６、ＤＣＭホールディングス株式会社)に播種し、人工気象器（ＮＣ－４１０ＨＣ、株式会社日本医化器械製作所）で生育したトマトの茎に維管束液流速センサを取り付けた。ここで、維管束液流速センサの取り付け位置を土壌表面から１５０ｍｍの位置とした。人工気象器内の環境を温度２５℃、湿度５０％、二酸化炭素濃度５００ｐｐｍに設定した。実時刻に合わせて人工気象器内の光量を変化させた。

維管束液流速センサで測定した道管液流速の時間変化を図１２に示す。図１２より、光量に依存して道管液流速が変化することが確認された。これは、光量の増減（蒸散の促進／抑制）により培養土から水分を吸い上げる状態が変わり、道管液流速が変化したものと考えられる。これより、維管束液流速センサは非破壊で植物の維管束液流速をリアルタイムで測定できることが確認された。

１、２、３ 維管束液流速センサ
１０ 支持部
１１ 第２温度センサ
２０ ヒータ付温度プローブ
２１ 第１温度センサ
２２ ヒータ
３０ 水分含有量プローブ
３１ 読出電極対
３３ 感水膜
４０ 電気伝導率プローブ
４１ 電気伝導率電極対
５０ 温度プローブ
５１ 第３温度センサ

Claims (11)

1. 植物に突き刺すプローブとして、第１温度センサとヒータとが設けられたヒータ付温度プローブのみを有する
   ことを特徴とする維管束液流速センサ。
2. 外気温を測定する第２温度センサを有する
   ことを特徴とする請求項１記載の維管束液流速センサ。
3. 第１温度センサとヒータとが設けられたヒータ付温度プローブと、前記ヒータ付温度プローブを支持する支持部とを有する維管束液流速センサと、
   前記ヒータに間欠的に電力を供給する電源と、
   前記第１温度センサで測定された前記ヒータの加熱による維管束液の上昇温度に基づき維管束液流速を求める演算部と、を備える
   ことを特徴とする維管束液流速測定装置。
4. 外気温を測定する第２温度センサを備える
   ことを特徴とする請求項３記載の維管束液流速測定装置。
5. 前記維管束液流速センサは、所定の間隔を空けて配置された一対の電極からなる読出電極対と、前記一対の電極に架け渡された感水膜とが設けられた水分含有量プローブを有し、
   前記水分含有量プローブは前記ヒータ付温度プローブと平行に並んだ状態で前記支持部に支持されている
   ことを特徴とする請求項３または４記載の維管束液流速測定装置。
6. 前記維管束液流速センサは、所定の間隔を空けて配置された一対の電極からなる電気伝導率電極対が設けられた電気伝導率プローブを有し、
   前記電気伝導率プローブは前記水分含有量プローブと平行に並んだ状態で前記支持部に支持されている
   ことを特徴とする請求項５記載の維管束液流速測定装置。
7. 前記維管束液流速センサは、第３温度センサが設けられた温度プローブを有し、
   前記温度プローブは前記ヒータ付温度プローブと平行に並んだ状態で前記支持部に支持されている
   ことを特徴とする請求項３～６のいずれかに記載の維管束液流速測定装置。
8. 第１温度センサとヒータとが設けられたヒータ付温度プローブを植物に突き刺し、
   前記ヒータに間欠的に電力を供給し、
   前記ヒータの加熱による維管束液の上昇温度を前記第１温度センサで測定し、
   前記上昇温度に基づき維管束液流速を求める
   ことを特徴とする維管束液流速測定方法。
9. 所定の間隔を空けて配置された一対の電極からなる読出電極対と、前記一対の電極に架け渡された感水膜とが設けられた水分含有量プローブを前記植物に突き刺し、
   前記読出電極対を構成する前記一対の電極間のインピーダンスまたは静電容量を測定し、
   インピーダンス測定値または静電容量測定値から前記植物の水分含有量を求め、
   前記上昇温度および前記水分含有量に基づき維管束液流速を求める
   ことを特徴とする請求項８記載の維管束液流速測定方法。
10. 所定の間隔を空けて配置された一対の電極からなる電気伝導率電極対が設けられた電気伝導率プローブを前記植物に突き刺し、
    前記電気伝導率電極対を構成する前記一対の電極間の電気抵抗から電気伝導率を求め、
    電気伝導率測定値を用いて水分含有量測定値を補償する
    ことを特徴とする請求項９記載の維管束液流速測定方法。
11. 前記植物の温度または外気温から自然温度勾配を求め、
    前記自然温度勾配を用いて前記上昇温度を補正する
    ことを特徴とする請求項８～１０のいずれかに記載の維管束液流速測定方法。

Images