JP5946142B2 - 植物水分動態センサ - Google Patents
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Description
第2発明の植物水分動態センサは、第1発明において、前記電気抵抗測定用電極および前記温度センサは、前記植物への突き刺し方向に異なる位置に配置されており、前記電気抵抗測定用電極を前記植物の導管の位置に配置した状態において、前記温度センサが該植物の師管の位置に配置されることを特徴とする。
第3発明の植物水分動態センサは、第1発明において、前記温度センサおよび前記電気抵抗測定用電極は、前記植物への突き刺し方向に同位置に配置されていることを特徴とする。
第4発明の植物水分動態センサは、第1、第2または第3発明において、前記電気抵抗プローブが2つ備えられていることを特徴とする。
第5発明の植物水分動態センサは、第1、第2、第3または第4発明において、前記温度プローブが2つ備えられており、2つの前記温度プローブは、前記ヒータ付温度プローブを挟む位置に設けられていることを特徴とする。
第6発明の植物水分動態センサは、第1、第2、第3、第4または第5発明において、前記電気抵抗プローブは、前記ヒータ付温度プローブまたは前記温度プローブと一体のプローブとして形成されていることを特徴とする。
第7発明の植物水分動態センサは、第1、第2、第3、第4、第5または第6発明において、前記植物の樹液が流入する流路が形成された捕集プローブを備えることを特徴とする。
第8発明の植物水分動態センサは、第7発明において、前記捕集プローブは、前記ヒータ付温度プローブ、前記温度プローブ、または前記電気抵抗プローブと一体のプローブとして形成されていることを特徴とする。
第9発明の植物水分動態センサは、第1、第2、第3、第4、第5、第6、第7または第8発明において、前記ヒータ付温度プローブ、前記温度プローブ、前記電気抵抗プローブおよび前記支持部は、SOI基板で形成されており、前記ヒータ付温度プローブ、前記温度プローブおよび前記電気抵抗プローブは、前記支持部の縁に片持ち梁状に形成されていることを特徴とする。
第2発明によれば、プローブを植物に突き刺す際に、電気抵抗プローブが導管を検出する深さまで突き刺せば、温度センサを師管の位置に正確に配置することができる。そのため、植物水分動態センサの取り付け作業が容易であり、師管流の流量等を精度よく測定することができる。
第3発明によれば、プローブを植物に突き刺す際に、電気抵抗プローブが導管を検出する深さまで突き刺せば、温度センサを導管の位置に正確に配置することができる。そのため、植物水分動態センサの取り付け作業が容易であり、導管流の流量等を精度よく測定することができる。
第4発明によれば、プローブを植物に突き刺す際に、2つの電気抵抗プローブが導管を検出する深さまで突き刺せば、温度センサを師管または導管に沿って配置することができる。
第5発明によれば、2つの温度プローブで測定された温度を比較することで、樹液流の方向を特定できる。
第6発明によれば、プローブの本数を少なくできるので、植物水分動態センサを小型化することができる。また、プローブの本数を少なくできるので、植物に対するダメ−ジをより小さくできる。
第7発明によれば、捕集プローブにより樹液を捕集できるので、樹液に含まれる栄養物質の分析に用いることができる。
第8発明によれば、プローブの本数を少なくできるので、植物水分動態センサを小型化することができる。また、プローブの本数を少なくできるので、植物に対するダメ−ジをより小さくできる。
第9発明によれば、植物水分動態センサを小型化することができ、プローブを微細化できる。そのため、かかる植物水分動態センサを植物に設置しても植物に対するダメ−ジ(損傷)を小さくできるので、長期間設置させておくことができる。その結果、植物の水分動態を長期間に渡ってモニタリングすることができるので、植物の生育状態に合わせて適切な水分供給や養分補給(施肥)を行うことができる。
本発明に係る植物水分動態センサは、植物中の水分動態を測定するためのセンサであって、植物の新梢の末端(以下、単に新梢末端という)や果柄等の植物の細部にも容易に取り付けることができ、かかる細部における水分動態測定を行うことができるセンサである。
つぎに、本発明の第1実施形態に係る植物水分動態センサ1について説明する。
本実施形態に係る植物水分動態センサ1は、特に師管流の方向および流量(流速)を測定するのに適したセンサである。
支持部80は、プローブ10、20A、20B、30A、30Bを支持する部材である。支持部80は、平面視長方形の板材であり、片方の長辺部に全てのプローブ10、20A、20B、30A、30Bが支持されている。支持部80は、その長手方向の長さが全てのプローブ10、20A、20B、30A、30Bを後述の軸間距離Wで配置できる長さを有していればよく、短手方向の長さは特に限定されない。
各プローブ10、20A、20B、30A、30Bは、薄板で形成された棒状の部材であり、支持部80の縁(長辺部)に片持ち梁状に形成されている。各プローブ10、20A、20B、30A、30Bは、活性層ALと、酸化膜層BLと、支持基板SBの上部とから構成されている。すなわち、支持基板SBの下部が除去されており、SOI基板の厚みより薄く形成されている。各プローブ10、20A、20B、30A、30Bの厚みは特に限定されないが、例えば、40〜200μmである。厚みが40μm以上であれば強度が十分であり、プローブ10、20A、20B、30A、30Bを植物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導管XYや師管PHの太さは100〜200μm程度であるため、厚みが200μm以下であればプローブ10、20A、20B、30A、30Bを導管XYや師管PH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10には、温度センサ11とヒータ12とが設けられている。ヒータ付温度プローブ10の寸法は、例えば、長さが300μm、幅が200μmである。
一対の温度プローブ20A、20Bには、それぞれ温度センサ21が設けられている。各温度プローブ20A、20Bの寸法は、ヒータ付温度プローブ10の寸法と同じとすればよく、例えば、長さが300μm、幅が200μmである。温度センサ21は、ヒータ付温度プローブ10の温度センサ11と同様のものを採用することができる。
一対の電気抵抗プローブ30A、30Bには、それぞれ一対の電気抵抗測定用電極33、33が設けられている。各電気抵抗プローブ30A、30Bの寸法は、長さが、ヒータ付温度プローブ10および温度プローブ20A、20Bの長さよりも長く形成されており、例えば、長さが400μm、幅が200μmである。
植物水分動態センサ1に設けられた温度センサ11、21、ヒータ12、および電気抵抗測定用電極33は、データロガーDRに接続され、電力の供給および各種データの収集が行われる。
前述のごとく、植物水分動態センサ1はMEMS技術を用いて、SOI基板を加工することで形成されている。以下では、各プローブ10、20A、20B、30A、30Bおよび支持部80をMEMS技術に用いて形成する方法について簡単に説明する。
(取り付け方法)
まず、測定対象となる植物の新梢末端に、植物水分動態センサ1を取り付ける。
具体的には、図6に示すように、植物水分動態センサ1の全てのプローブ10、20A、20B、30A、30Bを植物の細部に突き刺して取り付ける。このとき、上述したグラニエ法と同様に植物の細部中に流れる水分(液体)の流れ方向に沿って、すなわち導管XYおよび師管PHに沿って、プローブ10、20A、20B、30A、30Bを配置する。なお、温度プローブ20A、20Bのどちらを末端側または根本側にするかは問わない。
つぎに、植物に取り付けた植物水分動態センサ1を用いて植物の水分動態を測定する。
まず、ヒータ付温度プローブ10に設けられたヒータ12を作動させる。ヒータ12を作動すれば、ヒータ12から供給された熱エネルギは、ヒータ付温度プローブ10に供給される。ヒータ付温度プローブ10に供給された熱エネルギは、ヒータ付温度プローブ10の表面から師管PH内を流れる師管液に放出される。
つぎに、本発明の第2実施形態に係る植物水分動態センサ2について説明する。
本実施形態に係る植物水分動態センサ2は、特に導管流の方向および流量(流速)を測定するのに適したセンサである。
つぎに、本発明の第3実施形態に係る植物水分動態センサ3について説明する。
本実施形態に係る植物水分動態センサ3は、特に導管流の流量(流速)を測定するのに適したセンサである。
つぎに、本発明の第4実施形態に係る植物水分動態センサ4について説明する。
本実施形態に係る植物水分動態センサ4は、特に師管流の方向および流量(流速)を測定するのに適したセンサである。
つぎに、本発明の第5実施形態に係る植物水分動態センサ5について説明する。
本実施形態に係る植物水分動態センサ4は、特に導管流の方向および流量(流速)を測定するのに適したセンサである。
上記第4、第5実施形態では、電気抵抗プローブ30と温度プローブ20を一体のプローブとして形成したが、電気抵抗プローブ30とヒータ付温度プローブ10とを一体のプローブとして形成してもよい。
つぎに、本発明の第7実施形態に係る植物水分動態センサ7について説明する。
本実施形態に係る植物水分動態センサ7は、樹液の栄養物質を分析するのに適したセンサである。
第7実施形態では、捕集プローブ50を他のプローブ10、20、30とは独立のプローブとしたが、捕集プローブ50をヒータ付温度プローブ10、温度プローブ20、または電気抵抗プローブ30と一体のプローブとして形成してもよい。
上記実施形態では、プローブを平板状の支持部80の表面に平行な片持ち梁状に形成しているが、これに代えて、プローブを平板状の支持部80の表面に垂直に立設するよう形成してもよい。このようなプローブは、例えば以下の方法で形成できる。まず、Si基板上にプローブの形状の型となるレジストマスクを形成した後、結晶異方性エッチングにより円錐形状加工を行う。その後、垂直方向性エッチングにより円筒形状を形成する。最後に、不要となるマスク材料を除去することによって、プローブを形成する。
上述の植物水分動態センサ1〜8(以下、単に植物水分動態センサ1とする。)は、植物の新梢末端等の細部内を流れる水分(液体)の流量(流速)等の測定データを配線や無線通信機等を介してサーバ装置等に送信し、集中管理することで、植物に水分供給や養分補給(施肥)等を行うのに役立てることができる。
まず、温度センサの温度特性実験を行った。
その結果、温度センサは、16.6〜75.7℃の範囲において、感度-5.6mv/℃で測定可能であることが確認できた。
つぎに、ヒータの温度上昇実験を行った。
その結果、ヒータは、310mWの直流電圧を印加することで、常温〜67℃まで昇温できることが確認できた。
つぎに、電気抵抗による位置検出の実験を行った。
図17に示す実験装置を作成した。実験装置は、一対の針状電極と、マイクロメータと、マルチメータとを備えている。針状電極の直径は0.55mmである。一対の針状電極をマルチメータで植物に突き刺し、針状電極間の電気抵抗をマルチメータで測定した。
つぎに、樹液流の方向、流量測定実験を行った。
図19に示す疑似植物実験系を用いて実験を行った。この疑似植物実験系では、シリコンチューブ(直径1mm、厚さ0.2mm)の中に、マイクロシリンジポンプで水を流し込むことで疑似的な維管束を形成した。この疑似的な維管束に、上記第1実施形態に係る植物水分動態センサ1のプローブを突き刺した。シリコンチューブ内の流量はマイクロシリンジポンプにより精密に制御することができる。植物水分動態センサには、温度センサのための定電流源、ヒータのための直流電源、およびデータ取得のためのデータロガーを接続した。
10 ヒータ付温度プローブ
11 温度センサ
12 ヒータ
20 温度プローブ
21 温度センサ
30 電気抵抗プローブ
33 電気抵抗測定用電極
40 電気抵抗兼温度プローブ
50 捕集プローブ
51 流路
52 貫通孔
60 捕集兼温度プローブ
80 支持部
Claims (9)
- 植物中の水分動態を測定するためのセンサであって、
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、
温度センサが設けられた温度プローブと、
電気抵抗測定用電極が設けられた電気抵抗プローブと、
前記ヒータ付温度プローブ、前記温度プローブおよび前記電気抵抗プローブを平行に並べた状態で支持する支持部と、を備える
ことを特徴とする植物水分動態センサ。 - 前記電気抵抗測定用電極および前記温度センサは、前記植物への突き刺し方向に異なる位置に配置されており、
前記電気抵抗測定用電極を前記植物の導管の位置に配置した状態において、前記温度センサが該植物の師管の位置に配置される
ことを特徴とする請求項1記載の植物水分動態センサ。 - 前記温度センサおよび前記電気抵抗測定用電極は、前記植物への突き刺し方向に同位置に配置されている
ことを特徴とする請求項1記載の植物水分動態センサ - 前記電気抵抗プローブが2つ備えられている
ことを特徴とする請求項1、2または3記載の植物水分動態センサ。 - 前記温度プローブが2つ備えられており、
2つの前記温度プローブは、前記ヒータ付温度プローブを挟む位置に設けられている
ことを特徴とする請求項1、2、3または4記載の植物水分動態センサ。 - 前記電気抵抗プローブは、前記ヒータ付温度プローブまたは前記温度プローブと一体のプローブとして形成されている
ことを特徴とする請求項1、2、3、4または5記載の植物水分動態センサ。 - 前記植物の樹液が流入する流路が形成された捕集プローブを備える
ことを特徴とする請求項1、2、3、4、5または6記載の植物水分動態センサ。 - 前記捕集プローブは、前記ヒータ付温度プローブ、前記温度プローブ、または前記電気抵抗プローブと一体のプローブとして形成されている
ことを特徴とする請求項7記載の植物水分動態センサ。 - 前記ヒータ付温度プローブ、前記温度プローブ、前記電気抵抗プローブおよび前記支持部は、SOI基板で形成されており、
前記ヒータ付温度プローブ、前記温度プローブおよび前記電気抵抗プローブは、前記支持部の縁に片持ち梁状に形成されている
ことを特徴とする請求項1、2、3、4、5、6、7または8記載の植物水分動態センサ。
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