JP6897643B2 - センサ素子及び包装体 - Google Patents

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Description

本発明は、センサ素子及び包装体に関する。
農業分野、漁業分野、鉱業分野、その他の各種分野において、地球表面又は地球表層における温度、湿度、気圧、その他の環境情報が必要になることがある。農業分野を例に挙げると、農作物が作成される土壌における水分量、温度、ｐＨ、日照量等の環境情報が必要になることがある。このような環境情報があれば、例えば水や農薬が不足している場所及び不足量を把握することができるため、水や農薬の使用量の最適化（必要となる場所に、必要な量だけ水や農薬を散布する）を実現することが可能である。
近年、農業分野においては、少人数の作業者で大量の農作物を安価に生産するために、農業の工業化及び大規模化が図られている。工業化及び大規模化が図られた大規模農場では、例えばスプリンクラーを用いて広大な農地に対する散水が行われ、飛行機やヘリコプターを用いて種まきや農薬散布が行われ、大型コンバインを用いて農作物（例えば、米、小麦、大豆、トウモロコシ等の穀物）の収穫が行われる。
このような大規模農場では、必要以上に水や農薬が使用されることが多く、環境問題が懸念されている。例えば、大量の水が使用されることから、水資源の枯渇による干ばつの可能性が懸念されている。また、大量の農薬が使用されることから、農薬に耐性を有する虫の大量発生による食害の可能性が懸念されている。このため、環境を保全しつつ持続可能な農業を実現するために、大規模農場においても、水分量、温度、ｐＨ、日照量等の環境情報を得て、水や農薬の使用量の最適化を実現することが望まれている。
以下の特許文献１には、農作業を支援するために圃場の状態を観測する圃場観測システムが開示されている。この圃場観測システムは、温度等を測定する各種センサが設けられたセンシング部及び通信部を有し、圃場に設置される圃場観測装置（子機）と、管理装置（親機）とを備えており、管理装置を携帯した作業者が圃場観測装置に近づいた場合に、管理装置から圃場観測装置に送信要求がなされて、圃場観測装置に記憶された測定結果が近距離無線通信等によって管理装置に送信されるものである。
特開２０１５−１４１５３７号公報
ところで、上述した特許文献１に開示された圃場観測システムでは、子機である圃場観測装置を複数設置することによって、環境情報の分布（例えば、土壌に含まれる水分量の二次元的な分布）を得ることが可能である。このため、例えば膨大な数の圃場観測装置を一定間隔で設置すれば、前述した大規模農場においても環境情報の分布を得ることができるとも考えられる。
しかながら、上述した特許文献１に開示された圃場観測システムで用いられる圃場観測装置は、バッテリで動作するものであるため、定期的にバッテリを交換する必要がある。大規模農場には広大な農地に膨大な数の圃場観測装置が設置されることから、全ての圃場観測装置のバッテリを交換するには、多大な労力と長時間が必要になり、少人数の作業者では対応することが困難であるという問題がある。
また、上述した特許文献１に開示された圃場観測システムにおいて、圃場観測装置に記憶された測定結果を得るには、管理装置を携帯した作業者が圃場観測装置に近付かなければならない。大規模農場には広大な農地に膨大な数の圃場観測装置が設置されることから、全ての圃場観測装置の測定結果を得るには、管理装置を携帯した作業者が広大な農地を歩き回って全ての圃場観測装置に近付かなければならず、多大な労力と長時間が必要になり、少人数の作業者では対応することが困難であるという問題がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、多大な労力を必要とすることなく、短時間且つ容易に地球表面又は地球表層における環境情報を得ることができる環境情報収集システムにおいて使用可能なセンサ素子、及び該センサ素子が包装資材により包装された包装体を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、以下（１）〜（１３）に示す、本発明の一態様によるセンサ素子、及び本発明の一態様による包装体を提供する。
（１）地球表面又は地球表層における環境情報の収集に使用され、前記環境情報の収集が行われる対象領域に散布されて使用されるものであり、
環境に応じて特定波長の電磁波に対する反射特性、透過特性、吸収特性、及びルミネッセンス特性、並びに発光特性の少なくとも１つの特性が変化するセンサ素子。
（２）前記環境情報が水分量、温度、及びｐＨの少なくとも１つである前記（１）に記載のセンサ素子。
（３）前記環境情報がｐＨであり、ｐＨの変化に応じて、特定波長の電磁波に対する反射特性、透過特性、吸収特性、及びルミネッセンス特性、並びに発光特性の少なくとも１つが変化する物質を含む前記（２）に記載のセンサ素子。
（４）前記環境情報が水分量及び温度の少なくとも１つであり、これらの少なくとも１つの変化に応じて形状が変化する前記（２）に記載のセンサ素子。
（５）前記環境情報が温度であり、第１基材及び第２基材を備え、前記第１基材の温度による熱膨張係数は、前記第２基材の温度による熱膨張係数と異なる前記（４）に記載のセンサ素子。
（６）前記環境情報が水分量であり、第３基材及び第４基材を備え、前記第３基材の含水による体積変化率は、前記第４基材の含水による体積変化率と異なる前記（４）に記載のセンサ素子。
（７）蛍光色素を含む前記（１）〜（６）のいずれか一つに記載のセンサ素子。
（８）生分解性材料からなる前記（１）〜（７）のいずれか一つに記載のセンサ素子。
（９）実質的に金属を含まない前記（１）〜（８）のいずれか一つに記載のセンサ素子。
（１０）電子部品を備えない前記（１）〜（９）のいずれか一つに記載のセンサ素子。
（１１）平均粒子径が０．１〜５ｍｍである前記（１）〜（１０）のいずれか一つに記載のセンサ素子。
（１２）前記（１）〜（１１）のいずれか一つに記載のセンサ素子が、包装資材により包装された包装体。
（１３）前記環境情報の収集が行われる対象領域に散布されて使用されるものであることの記載を含む前記（１２）に記載の包装体。
上記（１）〜（１３）に示す、本発明の一態様によるセンサ素子、及び本発明の一態様による包装体は、下記〔１〕〜〔１１〕に示す環境情報収集システム及び航空機に関する。
〔１〕地球表面又は地球表層における環境情報を収集する環境情報収集システムであって、
環境情報の収集が行われる対象領域に散布され、環境に応じて特定波長の電磁波に対する反射特性、透過特性、吸収特性、及びルミネッセンス特性、並びに発光特性の少なくとも１つの特性が変化するセンサ素子と、
前記センサ素子から得られる電磁波を受信して前記対象領域の環境情報を収集する航空機と、
を備える環境情報収集システム。
〔２〕前記航空機は、前記センサ素子から得られる電磁波を受信する受信部と、
前記受信部の受信結果を記録する記録部と、
を備える前記〔１〕記載の環境情報収集システム。
〔３〕前記航空機は、前記特定波長の電磁波を前記対象領域に送信する送信部を備える、前記〔１〕又は〔２〕記載の環境情報収集システム。
〔４〕前記特定波長の電磁波は、ミリ波、テラヘルツ波、赤外線、可視光線、紫外線、又はＸ線である、前記〔１〕〜〔３〕の何れか一つに記載の環境情報収集システム。
〔５〕前記センサ素子から得られる電磁波は、前記特定波長の電磁波とは波長が異なる電磁波である、前記〔１〕〜〔４〕の何れか一つに記載の環境情報収集システム。
〔６〕前記航空機は、複数の回転翼と、
予め設定された飛行経路を示す飛行経路情報に従って前記回転翼を制御し、前記航空機を前記飛行経路に沿って自律的に飛行させる飛行制御部と、
を備える前記〔１〕〜〔５〕の何れか一つに記載の環境情報収集システム。
〔７〕前記航空機は、前記センサ素子を、前記対象領域に散布する散布装置を備える、前記〔１〕〜〔６〕の何れか一つに記載の環境情報収集システム。
〔８〕前記センサ素子は、肥料成分を含む、前記〔１〕〜〔７〕の何れか一つに記載の環境情報収集システム。
〔９〕地球表面又は地球表層における環境情報を収集する航空機であって、
環境情報の収集が行われる対象領域に散布され、環境に応じて特定波長の電磁波に対する反射特性、透過特性、吸収特性、及びルミネッセンス特性、並びに発光特性の少なくとも１つの特性が変化するセンサ素子から得られる電磁波を受信する受信部と、
前記受信部の受信結果を記録する記録部と、
を備える航空機。
〔１０〕前記特定波長の電磁波を前記対象領域に送信する送信部を備える、前記〔９〕記載の航空機。
〔１１〕前記センサ素子を、前記対象領域に散布する散布装置を備える、前記〔９〕又は〔１０〕記載の航空機。
本発明によれば、多大な労力を必要とすることなく、短時間且つ容易に地球表面又は地球表層における環境情報を得ることができるという効果がある。
本発明の一実施形態による環境情報収集システムの概要を示す図である。 本発明の一実施形態による環境情報収集システムで用いられるセンサ素子の第１例を示す断面図である。 本発明の一実施形態による環境情報収集システムで用いられるセンサ素子の第２例を示す断面図である。 本発明の一実施形態による環境情報収集システムで用いられるセンサ素子の第３例を示す断面図である。 本発明の一実施形態による環境情報収集システムで用いられるセンサ素子の第４例を示す断面図である。 本発明の一実施形態による航空機としてのドローンの要部構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による環境情報収集システムを用いた環境情報収集方法を説明するための平面図である。 本発明の一実施形態において収集される環境情報の一例を示す図である。
以下、図面を参照して本発明の一実施形態による環境情報収集システム及び航空機について詳細に説明する。
〈環境情報収集システム〉
図１は、本発明の一実施形態による環境情報収集システムの概要を示す図である。図１に示す通り、本実施形態の環境情報収集システム１は、地表ＧＦに散布されたセンサ素子１０とドローン２０（航空機）とを備えており、センサ素子１０が散布された地表ＧＦに対してドローン２０が特定波長の電磁波Ｅ１を送信し、センサ素子１０から得られる電磁波Ｅ２をドローン２０が受信することで、地表ＧＦの環境情報（例えば、水分量、温度、ｐＨ、日照量等）を収集する。
センサ素子１０は、地表ＧＦ上の環境情報の収集が行われる領域（対象領域ＴＡ：図７参照）に散布され、周囲の環境に応じて特定波長の電磁波Ｅ１に対する反射特性、透過特性、吸収特性、及びルミネッセンス特性、並びに発光特性の少なくとも１つの特性が変化する素子である。例えば、地表ＧＦの温度に応じて電磁波Ｅ１に対する反射特性及び透過特性が変化する素子であり、地表ＧＦの水分量やｐＨに応じてセンサ素子１０から発せられる蛍光又は燐光の強度等が変化する素子（ルミネッセンス特性が変化する素子）であり、或いは地表ＧＦの温度に応じて化学（自家）発光の発光強度が変化する素子（発光特性が変化する素子）である。尚、発光特性が変化する素子として、ルシフェラーゼ等の発光酵素を含むものを用いることができる。
上記特性の変化は、量的な変化であってもよく、質的な変化であってもよい。量的な変化としては、例えば、環境変化に応じて特定波長の電磁波Ｅ１に対する反射率、透過率、吸収率、及び電磁波Ｅ１の蛍光又は燐光への変換率、並びに発光強度の少なくとも１つの特性が変化することを例示できる。質的な変化としては、例えば、環境変化に応じて特定波長の電磁波Ｅ１に対する反射波長、透過波長、吸収波長、及びルミネッセンス放出波長、並びに発光波長の少なくとも１つの特性が変化することを例示できる。
センサ素子１０は、固形物であって、所定の形状を有することが好ましい。センサ素子１０の形状は特に限定されず、球状、板状、立方体状、円柱状、多角柱、円錐状、多角錐状、その他の任意の形状を取り得る。板状の場合としては、平面視形状が、円状、楕円状、多角形状、矩形状等の形状であるものを例示できる。尚、センサ素子の形状として上記の所定の形状を例示したが、センサ素子の形状は不定形であっても構わない。
地表ＧＦ上に散布されるセンサ素子１０の数は任意である。例えば、農業分野で用いられるセンサ素子１０は、１［ｍ２］当たり数百〜数十万個程度であっても良い。尚、ここで例示しているセンサ素子１０の数はあくまでも一例であって、例示した数より少なくても良く、例示した数より多くても良い点に注意されたい。
センサ素子１０は、生分解性を有するものであっても、生分解性を有さないものであっても良い。例えば、農業分野で使用されるセンサ素子１０は、広大な農地に散布されて使用され、回収が困難であることから生分解性を有するものが望ましい。このようなセンサ素子１０は、例えば農作物の種まきから農作物の収穫までの期間程度の期間を経過すると生分解により分解するのが望ましい。これに対し、例えば、ある程度限定された領域（例えば、道路等）の温度を長期に亘って測定するような用途に用いられるセンサ素子１０は、長期に亘って回収されることがなく、回収もさほど困難ではないと考えられることから、生分解性を有しないものが望ましい。尚、センサ素子１０の詳細については後述する。
ドローン２０は、複数（例えば、４つ）のブレード２１ａ（回転翼）を備えており、予め設定された飛行経路に沿って自律的に飛行することが可能である。尚、ドローン２０は、外部から送信されてくる制御信号を受信し、受信した制御信号に従って飛行するものであっても良い。ドローン２０は、特定波長の電磁波Ｅ１を地表ＧＦに対して送信する送信部２４ａと、センサ素子１０から得られる電磁波Ｅ２を受信する受信部２４ｂとを備える。尚、送信部２４ａ及び受信部２４ｂの数は、１つであっても良く、複数であっても良い。
送信部２４ａから送信される電磁波Ｅ１は、センサ素子１０が散布される地表ＧＦの状況やセンサ素子１０の特性等を考慮して適切な波長（周波数）のものが用いられる。この電磁波Ｅ１として、ミリ波、テラヘルツ波、赤外線、可視光線、紫外線、又はＸ線等を用いることができる。例えば、農業分野で用いられるセンサ素子１０は、肥料や農薬に混ぜて散布されることから、地中（例えば、地表ＧＦから数十［ｃｍ］程度の範囲）に存在する場合がある。このような場合には、例えば土壌に対してある程度の透過性を有する波長の電磁波Ｅ１が用いられる。
尚、センサ素子１０から得られる電磁波Ｅ２の波長は、センサ素子１０の特性に応じて、ドローン２０から送信される電磁波Ｅ１の波長と同じ波長になり、或いは異なる波長になる。例えば、センサ素子１０が、周囲の環境に応じて電磁波Ｅ１に対する反射特性及び透過特性が変化する特性を有するものである場合には、電磁波Ｅ２は電磁波Ｅ１と同じ波長になる。これに対し、センサ素子１０が、周囲の環境に応じて発する蛍光又は燐光の強度等が変化する特性を有するものである場合には、電磁波Ｅ２は電磁波Ｅ１と異なる波長になる。また、ドローン２０は、センサ素子１０を対象領域ＴＡ等に散布する散布装置２６を備える。尚、ドローン２０の詳細については後述する。
〈センサ素子〉
以下、本発明のセンサ素子の実施形態を説明する。
実施形態のセンサ素子は、地球表面又は地球表層における環境情報の収集に使用され、上記環境情報の収集が行われる対象領域に散布されて使用されるものであり、環境に応じて特定波長の電磁波に対する反射特性、透過特性、吸収特性、及びルミネッセンス特性、並びに発光特性の少なくとも１つの特性が変化するものである。
上記環境情報は、測定可能な項目であれば特に制限されるものではないが、水分量、温度、肥料等の栄養濃度、地中菌種構成比、及びｐＨの少なくとも１つであることが好ましい。
実施形態のセンサ素子は、上記環境情報が水分量及び温度の少なくとも一方であり、これらの少なくとも１つの変化に応じて形状が変化するものであってよい。
図２は、本発明の一実施形態による環境情報収集システムで用いられるセンサ素子の第１例を示す断面図である。図２に示すセンサ素子１１は、温度の変化に応じて形状が変化するものである。図２（ａ）に示す通り、センサ素子１１は、第１基材１１ａ及び第２基材１１ｂを備え、第１基材１１ａの温度による熱膨張係数は、第２基材１１ｂの温度による熱膨張係数と異なるものである。センサ素子の形状は、例えば長径が数［ｍｍ］程度であり、厚みが数百［μｍ］程度である円板状のものである。
例えば、第１基材１１ａの熱膨張係数よりも第２基材１１ｂの熱膨張係数の方が大きい場合には、周囲の温度が上昇すると、センサ素子１１は、図２（ｂ）に示す通り、湾曲して形状が変化する。このような形状変化が生ずることで、電磁波Ｅ１に対する反射特性及び透過特性が変化する。
図２（ａ）に示すセンサ素子１１が、図２（ｂ）に示す通り変形すると、平面視でのセンサ素子１１の大きさが小さくなる（面積が小さくなる）。センサ素子１１の平面視での大きさは、例えば周囲の温度が上昇するに比例して小さくなると考えられる。このため、例えば電磁波Ｅ１に対する反射率が高い物質をセンサ素子１１の表面に付着させておき（或いは、コーティングしておき）、センサ素子１１の大きさの変化に応じてセンサ素子１１の反射率が変わるようにしても良い。
第１基材１１ａ，第２基材１１ｂの材質は、電磁波Ｅ１に対する反射特性及び透過特性、センサ素子１１が散布される地表ＧＦの状況、熱膨張係数等を考慮して選定される。第１基材１１ａと第２基材１１ｂとの組み合わせとしては、例えば、熱膨張係数が１０未満のものと、熱膨張係数が１０以上のものとの組み合わせが挙げられる。熱膨張係数が１０未満の素材としては、ポリスチレン、ＡＳ樹脂、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等が挙げられる。熱膨張係数が１０以上の素材としては、ポリエチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンテレフタレート、セルロースアセテート等が挙げられる。
図３は、本発明の一実施形態による環境情報収集システムで用いられるセンサ素子の第２例を示す断面図である。図３に示すセンサ素子１２は、水分量の変化に応じて形状が変化するものである。図３（ａ）に示す通り、センサ素子１２は、第３基材１２ａ及び第４基材１２ｂを備え、第３基材１２ａの含水による体積変化率は、第４基材１２ｂの含水による体積変化率と異なるものである。センサ素子の形状は、例えば長径が数［ｍｍ］程度であり、厚みが数百［μｍ］程度である円板状のものである。
「体積変化率」は、下記式によって定義されるものとする。
体積変化率（％）＝（Ｖ１−Ｖ２）/Ｖ２×１００
（上記式において、Ｖ１：温度２５℃の水に１５分浸漬させた後の基材の体積。Ｖ２：製造後上記Ｖ１の処理を経る前の基材の体積。）
例えば、第３基材１２ａの含水による体積変化率よりも第４基材１２ｂの含水による体積変化率の方が大きい場合には、周囲の水分量が上昇すると、センサ素子１２は、図３（ｂ）に示す通り、湾曲して形状が変化する。このような形状変化が生ずることで、電磁波Ｅ１に対する反射特性及び透過特性が変化する。
図３（ａ）に示すセンサ素子１２が、図３（ｂ）に示す通り変形すると、平面視でのセンサ素子１２の大きさが小さくなる（面積が小さくなる）。センサ素子１２の平面視での大きさは、例えば周囲の水分量が上昇するに比例して小さくなると考えられる。このため、例えば電磁波Ｅ１に対する反射率が高い物質をセンサ素子１２の表面に付着させておき（或いは、コーティングしておき）、センサ素子１２の大きさの変化に応じてセンサ素子１２の反射率が変わるようにしても良い。
第３基材１２ａ，第４基材１２ｂの材質は、電磁波Ｅ１に対する反射特性及び透過特性、センサ素子１２が散布される地表ＧＦの状況、吸水性等を考慮して選定される。第３基材１２ａとしては、例えばセルロースフィルム等の高結晶性ポリマーの成型体を例示できる。第４基材１２ｂとしては、例えばペクチンフィルム等の複合多糖類の成型体を例示できる。
図４は、本発明の一実施形態による環境情報収集システムで用いられるセンサ素子の第３例を示す断面図である。図４に示すセンサ素子１３は、ｐＨの変化に応じて、特定波長の電磁波に対する反射特性、透過特性、吸収特性、ルミネッセンス特性、並びに発光特性の少なくとも１つが変化する物質を含むものである。図４に示す通り、センサ素子１３は、例えば透明な基材１３ａの内部に、色素１３ｂが設けられたものであって、例えば直径が数［ｍｍ］程度であり、厚みが数百［μｍ］程度である円板状のものである。尚、図４では、理解を容易にするために、色素１３ｂを粒状に図示しているが、色素１３ｂが粒状である必要は必ずしもない。
色素１３ｂは、ｐＨ応答性色素である。ｐＨ応答性色素は、ｐＨの変化に応じて、特定波長の電磁波に対する反射特性、透過特性、吸収特性、及びルミネッセンス特性、並びに発光特性の少なくとも１つの特性が変化するものである。
ｐＨ応答性色素としては、水素イオン濃度に応じて変色する色素が挙げられ、ｐＨ指示薬として利用されているものであってよく、例えば、リトマス、ブロモチモールブルー、ブロモフェノールブルー、ブロムクレゾールパープル、フェノールレッド、フェノールフタレイン、メチルオレンジ、メチルレッド、メチルイエロー、メチルバイオレット、チモールブルー、チモールフタレイン等が挙げられる。
ｐＨ応答性色素はｐＨ感受性蛍光色素であってもよい。ｐＨ感受性蛍光色素としては、水素イオン濃度に応じて蛍光色又は蛍光強度が変化する蛍光色素が挙げられ、例えば、ｐＨｒｏｄｏ（登録商標）、Ａｇｅｌａｄｉｎｅ Ａ、ＣｙｐＨｅｒ５等を例示できる。
センサ素子１３は、色素を１種単独で含んでいてよく、２種類以上を組合せて含んでいてもよい。
色素１３ｂがｐＨ感受性蛍光色素である場合、例えば、センサ素子１３に電磁波Ｅ１が照射されると、センサ素子１３内に設けられた色素１３ｂが励起され、これによりセンサ素子１３から蛍光又は燐光が発せられる。この蛍光又は燐光の強度等は、センサ素子１３の周囲のｐＨに応じて変化する。このように、色素１３ｂがｐＨ感受性蛍光色素である場合、図３に示すセンサ素子１３は、電磁波Ｅ１によって励起されて、周囲のｐＨに応じてルミネッセンス特性が変化するものである。
基材１３ａの材質及び色素１３ｂは、ルミネッセンス特性、センサ素子１３が散布される地表ＧＦの状況等を考慮して選定される。
図５は、本発明の一実施形態による環境情報収集システムで用いられるセンサ素子の第４例を示す断面図である。図５に示すセンサ素子１４は、蛍光色素１４ｃを含むものである。蛍光色素１４ｃは、上記の環境に応じて上記特性の少なくとも一つが変化する色素に該当しなくともよい。図５に示す通り、センサ素子１４は、図２に示したセンサ素子の第１例において、第１基材１１ａ及び第２基材１１ｂの内部に、蛍光色素１４ｃが設けられたものである。センサ素子１４が蛍光色素１４ｃを含むことで、センサ素子から得られる波長とそれ以外の波長との区別が容易となり、情報収集の精度が向上する。
このような蛍光色素としては、アクリジンオレンジ、オーラミンＯ、カルコフロールホワイト、臭化エチジウム、フルオレセインイソチオシアネート、Ｈｏｅｃｈｓｔ ３３２５８、ローダミンＢ等が挙げられる。
実施形態のセンサ素子は、生分解性を有するものであっても、生分解性を有さないものであってもよいが、生分解性を有するものであることが好ましい。
したがって、実施形態のセンサ素子は、生分解性材料からなることが好ましい。実施形態のセンサ素子が、生分解性材料からなることで、環境情報の収集が行われる対象領域において分解されるため、センサ素子の回収を行わなくともよい。そのため、回収のためのコストを削減でき、環境負荷も低減される。
生分解性材料としては、微生物又は酵素により分解可能な材料であり、生分解性プラスチックが挙げられる。生分解性材料としては、例えば、ポリ乳酸、ポリカプロラクトン、ポリヒドロキシアルカノエート、ポリヒドロキシ酪酸、ポリグリコール酸、ポリビニルアルコール、カゼイン、デンプン、エステル化デンプン、セルロース、ペクチン、寒天、ゼラチン等が挙げられる。
また、環境負荷を低減させるとの観点から、実施形態のセンサ素子は、バイオマス由来の材料からなることが好ましい。また、実施形態のセンサ素子は、石油由来の材料を実質的に含まないことが好ましい。
実施形態のセンサ素子は、実質的に金属を含まないものであることが好ましい。従来の環境情報収集システムにおいては、観測装置が当然に電子回路等を有しているために、金属を含むことが必須であった。対して、実質的に金属を含まない実施形態のセンサ素子は、金属を含まずとも機能を果たすことが可能であるので、圃場等に散布しても金属類が圃場を汚染することがない。金属としては、銅、鉄、アルミニウム、亜鉛、水銀、金、銀、白金、リチウム、クロム、ニッケル、マンガン、バナジウム、ロジウム、パラジウム等が挙げられる。
同様に、実施形態のセンサ素子は、電子部品を備えないものであることが好ましい。電子部品は従来の環境情報収集システムにおいては、必須の構成であったが、実施形態のセンサ素子は、電子部品を備えずとも機能を果たすことが可能である。電子部品としては、半導体素子、基板、プリント基板、アンテナ、電池、電線、リード線等が挙げられる。
実施形態のセンサ素子は、それ自体に電磁波を発信する機能を有さないことが好ましい。
実施形態のセンサ素子の大きさや形態は、特に限定されるものではないが、一例として粒子状のものであって、平均粒子径が０．１〜５ｍｍであることが好ましく、０．３〜３ｍｍであることがより好ましく、１〜２ｍｍであることがさらに好ましい。ここで「粒子径」とは、センサ素子の投影像に外接する円の直径のことをいい、上記投影像は無作為に選出された方向から投影されたものとする。「平均粒子径」は、センサ素子の集合における上記粒子径の数平均値として取得したものとする。
〈センサ素子の製造方法〉
センサ素子の製造方法は、特に限定されるものではなく、例えば、上記に例示した材料を成型することで、センサ素子を製造できる。例えば、上記に例示した基材を備えるセンサ素子を製造する場合、まず基材の材料と溶媒とを混錬して原料組成物を得て、それを公知のシート成型法で成型した後、得られたシートをセンサ素子の形状に切断してセンサ素子を得ることができる。センサ素子が色素を含む場合、上記原料組成物に色素を添加すればよい。シート成型法としては、溶融押出成型法、溶液流延法、カレンダー法、共押出法、ラミネート法等が挙げられる。
〈包装体〉
本発明の一実施形態として、センサ素子が、包装資材により包装された包装体を提供できる。包装資材としては、農業用資材として通常用いられている物を使用でき、例えば、肥料、土、土壌改良剤等の包装資材を転用でき、ポリ塩化ビニルシート、ポリオレフィンシート等が挙げられる。包装体１つあたりに含まれるセンサ素子の個数としては、特に限定されるものではないが、一例として、包装体１つあたり１０００個以上であってよく、１,０００〜５,０００,０００,０００,０００個であってよく、１０,０００〜１,０００,０００,０００個であってよく、１００,０００〜１０,０００,０００個であってよい。
包装体１つあたりにセンサ素子が数多く含まれることで、センサ素子を１度に数多く使用して環境情報を取得できることにつがなり、例えば環境情報を高分解能且つ広範囲で収集できる。
実施形態の包装体は、上記環境情報の収集が行われる対象領域に散布されて使用されるものであることの記載を含むものであってよい。すなわち、実施形態の包装体はセンサ素子の使用方法の記載を含むものであってよい。センサ素子の使用方法については、後述する〈センサ素子の使用方法〉の内容を参照できる。
当該記載は、包装資材の表面に記載されていてもよく、別添の指示書に記載され、指示書とセンサ素子とがともに包装体に備えられていてもよい。
〈センサ素子の使用方法〉
本発明の一実施形態として、上記センサ素子を、上記環境情報の収集が行われる対象領域に散布する、センサ素子の使用方法を提供できる。散布後の、センサ素子から得られる電磁波の受信と、環境情報の取得については、〈環境情報収集システム〉、〈航空機〉、および〈環境情報収集方法〉の内容を参照されたい。
センサ素子の散布の程度は、特に限定されるものではないが、一例として、１ｍ２あたり１〜１００，０００個／ｍ２であってよく、１０〜１０，０００個／ｍ２であってよく、１００〜５，０００個／ｍ２であってよい。１ｍ２あたりのセンサ素子の散布の程度が上記範囲内にあることで、環境情報を高分解能で収集できる。
センサ素子の散布の時期は、例えば、対象領域で栽培される農作物の播種前、播種と同時、播種後１週間以内などの時期が挙げられ、農作物の播種から収穫までの期間中に対象領域に位置するよう散布することが好ましい。
センサ素子の散布位置は、農作物が栽培されている栽培地の表面が好ましいが、センサ素子からの電磁波が受信可能な程度に土壌混和されていてもよい。農作物を基準とした散布位置としては、農作物の主茎から１００ｃｍ以内が好ましく、１０ｃｍ以内がより好ましく、１ｃｍ以内がさらに好ましい。
〈航空機〉
図６は、本発明の一実施形態による航空機としてのドローンの要部構成を示すブロック図である。図６に示す通り、ドローン２０は、複数のロータ２１、複数のＥＳＣ（Electric Speed Controller）２２、フライトコントローラ２３（飛行制御部）、環境情報収集装置２４、バッテリ２５及び散布装置２６を備える。尚、図６に例示するドローン２０は、ロータ２１及びＥＳＣ２２を４対備えるものである。
各ロータ２１は、ブレード２１ａ及びモータ２１ｂを備える。ブレード２１ａは、所謂プロペラであり、ドローン２０の飛行に必要となる浮力を得るためのものである。ブレード２１ａは、モータ２１ｂの回転軸に連結されており、モータ２１ｂによって回転駆動される。ブレード２１ａは、例えばプラスチック、カーボン、ＡＢＳ樹脂等によって形成される。モータ２２ｂは、ＥＳＣ２２によって回転駆動されて、回転軸に連結されたブレード２１ａを回転させる。モータ２２としては、例えばブラシレスモータを用いることができる。
ＥＳＣ２２は、複数のロータ２１の各々に対応して複数設けられており、フライトコントローラ２３の制御の下で、対応するロータ２１に設けられたモータ２１ｂの回転速度を制御する。具体的に、ＥＳＣ２２は、フライトコントローラＦＣから指示された速度でモータ２１ｂを回転させる。尚、図６に示すドローン２０において、ＥＳＣ２２は、４つのロータ２１の各々に対応して４つ設けられており、フライトコントローラ２３によって個別に制御される。
フライトコントローラ２３は、飛行制御センサ群２３ａ、位置検出部２３ｂ、受信機２３ｃ、及び制御装置２３ｄを備えており、ドローン２０の飛行制御を行う。このフライトコントローラ２３は、ドローン２０を自律的に飛行させること（以下、「オートパイロット」という）も、ドローン２０を外部から送信されてくる制御信号に従って飛行させること（以下、「手動操縦」という）も可能である。尚、フライトコントローラ２３は、オートパイロットと手動操縦の何れか一方のみ可能であっても良い。
飛行制御センサ群２３ａは、ドローン２０の飛行制御を行うために必要なセンサ群である。この飛行制御センサ群２３ａには、例えば３軸加速度センサ、３軸角速度センサ、気圧センサ（高度センサ）、地磁気センサ（方位センサ）等の各種センサが含まれる。位置検出部２３ｂは、例えばＧＰＳ（Global Positioning System：全地球測位システム）等の測位機能を備えており、この測位機能を用いてドローン２０の位置情報を検出する。尚、ドローン２０の位置情報を検出する方法は、ＧＰＳの測位機能を用いる方法に制限されず、任意の測位方法を用いることができる。
受信機２３ｃは、外部から送信されてくるドローン２０の飛行を制御するための制御信号を受信する。例えば、受信機２３ｃは、不図示の操縦装置（ドローン２０を手動操縦するために用いられる装置）から無線信号として送信されてくる制御信号を受信する。尚、フライトコントローラ２３が、オートパイロットのみ可能である場合には、受信機２３ｃは省略される。
制御装置２３ｄは、飛行制御センサ群２３ａ及び位置検出部２３ｂの検出結果からドローン２０の飛行状態を示す情報を取得し、取得した情報を用いてドローン２０の飛行時における姿勢や基本的な飛行動作を制御する。制御装置２３ｄは、上記の飛行状態を示す情報として、ドローン２０の機体の傾き及び回転、飛行中の緯度経度、高度、及び機首の方位角、自機の位置情報等を取得することができる。制御装置２３ｄは、上記の飛行状態を示す情報を参照しつつ、ＥＳＣ２２を個別に制御してロータ２１の回転数を調節し、機体の姿勢や位置の乱れを補正しながらドローン２０を飛行させる。
また、制御装置２３ｄには、オートパイロットに必要となる飛行経路情報ＦＴを格納することができる。この飛行経路情報ＦＴは、飛行経路、速度、高度等を含む情報である。オートパイロット時において、制御装置２３ｄは、上記の飛行状態を示す情報及び飛行経路情報ＦＴを参照しつつ、ロータ２１の回転数を調節して、予め設定された飛行経路に沿ってドローン２０を自律的に飛行させる。これに対し、手動操縦時において、制御装置２３ｄは、上記の飛行状態を示す情報及び受信機２３ｃで受信された制御信号を参照しつつ、ロータ２１の回転数を調節して、外部からの指示に従ってドローン２０を飛行させる。
環境情報収集装置２４は、送信部２４ａ、受信部２４ｂ、記録部２４ｃ、及び出力部２４ｄを備えており、例えば地表ＧＦの環境情報を収集する。送信部２４ａは、前述の通り、特定波長の電磁波Ｅ１を地表ＧＦに対して送信するものであり、受信部２４ｂは、前述の通り、センサ素子１０から得られる電磁波Ｅ２を受信するものである（図１参照）。記録部２４ｃは、ＲＡＭ（読み書き可能なメモリ）等を備えており、受信部２４ｂの受信結果を記録する。ここで、記録部２４ｃは、受信部２４ｂの受信結果を、前述したドローン２０の飛行状態を示す情報（例えば、位置情報）とともに記録する。これにより、記録部２４ｃには、例えば受信部２４ｂの受信結果とドローン２０の位置情報とが対応付けて記録される。
出力部２４ｄは、記録部２４ｃに記録された情報を外部に出力する。例えば、出力部２４ｄは、外部の機器（例えば、パーソナルコンピュータ、スマートフォン、タブレット等）との間で通信（有線通信又は無線通信）を行って記録部２４ｃに記録された情報を外部に出力するものであっても良く、着脱可能な記録媒体（例えば、不揮発性メモリ）に対する各種情報の書き込みを行って記録部２４ｃに記録された情報を外部に出力するものであっても良い。
バッテリ２５は、ドローン２０が動作する上で必要となる電力を、ドローン２０の各ブロックに供給する。具体的に、バッテリ２５は、ロータ２１（モータ２１ｂ）、ＥＳＣ２２、フライトコントローラ２３、環境情報収集装置２４、及び散布装置２６に供給する。バッテリ２５は、例えばドローン２０の機体に対して着脱可能なリチウムイオン電池等を用いることができる。尚、図６では、１つのバッテリ２５を図示しているが、ドローン２０の飛行に必要となる電力を供給するバッテリと、環境情報の収集や散布装置２６の動作に必要となる電力を供給するバッテリとに分けてもよい。
散布装置２６は、センサ素子１０を内部に収容可能である。この散布装置２６は、内部に収容されているセンサ素子１０の散布を行う。例えば、散布装置２６は、対象領域ＴＡ等にセンサ素子１０を散布する。具体的に、散布装置２６は、外部から送信されてくる制御信号（受信機２３ｃで受信される散布を指示する制御信号）、又は制御装置２３ｄから出力される散布を指示する制御信号に基づいてセンサ素子１０の散布を行う。このような散布装置２６を備えることで、例えばセンサ素子１０が生分解性を有するものであった場合に、センサ素子１０を対象領域ＴＡに散布することで、生分解性によって失われたセンサ素子１０の機能を回復させることができる。
〈環境情報収集方法〉
図７は、本発明の一実施形態による環境情報収集システムを用いた環境情報収集方法を説明するための平面図である。尚、ここでは、ドローン２０をオートパイロットさせて環境情報を収集する方法を例に挙げて説明する。図７に示す矩形領域は、ドローン２０を用いた環境情報の収集が行われる対象領域ＴＡ（地表ＧＦ上に設定された領域）を示している。この対象領域ＴＡ内には、予めセンサ素子１０が散布されている。尚、図７では、図示の都合上、センサ素子１０は数を減じて図示している。
また、図７に示す通り、対象領域ＴＡは、複数のメッシュ状の小領域Ｒに区分される。この小領域Ｒは、環境情報を収集する単位を示すものである。この小領域Ｒの面積を小さく設定すれば分解能を向上させることができ、面積を大きく設定すれば分解能を低下させることができる。小領域Ｒの大きさは、環境情報収集装置２４に設けられた受信部２４ｂの特性やドローン２０の飛行高度等によって変わる。ここで、ドローン２０の飛行経路ＲＴは、図示の通り、ドローン２０が全ての小領域Ｒの上方を一筆書きで通過するように設定されている。尚、ここでは、説明を簡単にするために、ドローン２０の飛行経路ＲＴの高度は一定であるとする。
ドローン２０のオートパイロットは、例えばユーザがドローン２０に設けられた不図示の操作部を操作し、オートパイロットの開始を指示することにより開始される。オートパイロットが開始されると、ドローン２０のフライトコントローラ２３に設けられた制御装置２３ｄは、飛行制御センサ群２３ａ及び位置検出部２３ｂの検出結果からドローン２０の飛行状態を示す情報を取得し、取得した情報及び飛行経路情報ＦＴを参照しつつ、ロータ２１の回転数を調節する。これにより、ドローン２０は、図７に示す飛行経路ＲＴに沿って自律的に飛行する。
以上の動作と並行して、環境情報収集装置２４に設けられた送信部２４ａからは、対象領域ＴＡに向けて特定波長の電磁波Ｅ１が送信され、センサ素子１０から得られる電磁波Ｅ２が受信部２４ｂで受信される。受信部２４ｂの受信結果は、制御装置２３ｄで取得されたドローン２０の飛行状態を示す情報（例えば、位置情報）とともに記録される。このように、飛行経路ＲＴに沿ってドローン２０が自律的に飛行しつつ、センサ素子１０から得られる電磁波Ｅ２の受信結果が位置情報等とともに記録部２４ｃに記録される。
図８は、本発明の一実施形態において収集される環境情報の一例を示す図である。尚、図８に示す環境情報は、例えば周囲の温度に応じて電磁波Ｅ１に対する反射特性及び透過特性が変化するセンサ素子１０が対象領域ＴＡ内に散布されている場合に、ドローン２０が図７中の位置Ｐ１から位置Ｐ２まで飛行経路ＲＴに沿って飛行したときに得られたものである。ここで、対象領域ＴＡ内に散布されているセンサ素子１０は、周囲の温度に応じて電磁波Ｅ１に対する反射特性及び透過特性が変化するものであることから、電磁波Ｅ１の反射率（電磁波Ｅ１と電磁波Ｅ２の受信結果との比）が得られれば、センサ素子１０の周囲温度を得ることができる。つまり、電磁波Ｅ１の反射率を収集することは、センサ素子１０の周囲温度を収集することと同義である。
ドローン２０が、図７中の位置Ｐ１から位置Ｐ３まで飛行経路ＲＴに沿って飛行することで、飛行経路ＲＴの全長に亘る反射率（飛行経路ＲＴに沿った反射率）が得られる。図７に示す通り、飛行経路ＲＴは、全ての小領域Ｒの上方を一筆書きで通過するように設定されているため、全ての小領域Ｒにおける反射率（温度）を得ることができる。このようにして、地表ＧＦに設定された対象領域ＴＡ内における温度分布（面状の温度分布）を得ることができる。
尚、小領域Ｒの反射率は、例えば、飛行経路ＲＴに沿って連続的に得られた反射率のうち、各々の小領域Ｒの上方を通過する間に得られた反射率に対して所定の演算（例えば、平均演算）を行って得ても良い。或いは、飛行経路ＲＴに沿って連続的に反射率を得るのではなく、各々の小領域Ｒの上方で一度だけ反射率を取得する（離散的に反射率を取得する）ことで得ても良い。
前述の通り、電磁波Ｅ１の反射率を収集することは、センサ素子１０の周囲温度を収集することと同義であるが、電磁波Ｅ１の反射率からセンサ素子１０の周囲温度を求める処理は、ドローン２０の内部で行っても良く、ドローン２０の外部で行っても良い。ドローン２０の内部で行う場合には、例えば受信部２４ｂの受信結果（電磁波Ｅ１の反射率を示すもの）を温度に変換する演算部を環境情報収集装置２４に設ければ良い。この場合には、演算部で求められた温度が位置情報等とともに記録部２４ｃに記録されることとなる。ドローン２０の外部で行う場合には、記録部２４ｃに記録された情報を、出力部２４ｄから外部の機器（例えば、パーソナルコンピュータ）に出力し、外部の機器で温度を求めることになる。
以上の通り、本実施形態においては、センサ素子１０が散布された地表ＧＦの対象領域ＴＡに対してドローン２０から（環境情報収集装置２４の送信部２４ａから）特定波長の電磁波Ｅ１を送信し、センサ素子１０から得られる電磁波Ｅ２をドローン２０で（環境情報収集装置２４の受信部２４ｂで）受信して、地表ＧＦの環境情報（例えば、水分量、温度、ｐＨ、日照量等）を収集するようにしている。このため、従来のように多大な労力を必要とすることなく、短時間且つ容易に地球表面又は地球表層における環境情報を得ることができる。
以上、本発明の一実施形態による環境情報収集システム及び航空機について説明したが、本発明は上述した実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、航空機として、無人航空機としてのドローン２０を例に挙げたが、航空機が無人航空機に限定される訳ではなく、有人航空機であっても良い。尚、無人航空機は、飛行機、回転翼航空機、滑空機、飛行船その他の機器であって構造上人がのることができないもののうち、遠隔操作又は自動操縦により飛行させることができる任意の機器であって良い。
また、上記実施形態では、地表ＧＦにセンサ素子１０を散布して地表ＧＦの環境情報を収集する例について説明した。しかしながら、海面、湖面、川面等にセンサ素子１０を散布して海面、湖面、川面等の環境情報を収集するようにしても良い。また、電磁波Ｅ１，Ｅ２の送受信が可能であれば、地中、水中、海中等にセンサ素子１０を散布して地中、水中、海中等の環境情報を収集するようにしても良い。つまり、本発明の環境情報収集システムは、地球表面又は地球表層における環境情報を収集することが可能である。
また、上記実施形態では、ドローン２０が、特定波長の電磁波Ｅ１を送信する送信部２４ａを備える例について説明した。しかしながら、特定波長の電磁波Ｅ１が太陽光から得られるものである場合には、送信部２４ａを省略することができる。また、センサ素子１０が、周囲の環境に応じて発光特性が変化する素子である場合には、受信部２４ｂで受信される電磁波Ｅ２は、センサ素子１０から発せられる自家発光であるため、特定波長の電磁波Ｅ１を送信する送信部２４ａを省略することができる。尚、センサ素子１０を散布する必要が無い場合には、散布装置２６を省略することもできる。
また、上記実施形態では、農業分野で用いられるセンサ素子１０として、肥料や農薬に混ぜて散布されるものを例に挙げて説明した。しかしながら、農業分野で用いられるセンサ素子１０として、例えば内部に肥料成分等を含ませたものを用いることも可能である。このようなセンサ素子１０が農地に散布された場合には、内部に含まれている肥料成分が外部に放出されて農地土壌に浸透することになるが、肥料成分が放出されたセンサ素子１０は、センサ素子としての機能が失われる訳ではない。
１ 環境情報収集システム
１０ センサ素子
１１ センサ素子
１２ センサ素子
１３ センサ素子
１４ センサ素子
２０ 航空機
２１ａ ブレード
２３ フライトコントローラ
２４ａ 送信部
２４ｂ 受信部
２４ｃ 記録部
２６ 散布装置
Ｅ１ 電磁波
Ｅ２ 電磁波
ＦＴ 飛行経路情報
ＲＴ 飛行経路
ＴＡ 対象領域

Claims (8)

  1. 地球表面又は地球表層における環境情報の収集に使用され、前記環境情報の収集が行われる対象領域に散布されて使用されるものであり、
    温度による熱膨張係数又は含水による体積変化率が異なる２つの基材が積層され、温度又は水分量の変化に応じて形状が変化することにより、特定波長の電磁波に対する反射特性、透過特性、吸収特性、及びルミネッセンス特性、並びに発光特性の少なくとも１つの特性が変化するセンサ素子。
  2. 蛍光色素を含む請求項１に記載のセンサ素子。
  3. 生分解性材料からなる請求項１又は２に記載のセンサ素子。
  4. 実質的に金属を含まない請求項１〜３のいずれか一項に記載のセンサ素子。
  5. 電子部品を備えない請求項１〜４のいずれか一項に記載のセンサ素子。
  6. 平均粒子径が０．１〜５ｍｍである請求項１〜５のいずれか一項に記載のセンサ素子。
  7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のセンサ素子が、包装資材により包装された包装体。
  8. 前記環境情報の収集が行われる対象領域に散布されて使用されるものであることの記載を含む請求項７に記載の包装体。
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