JP6996738B2

JP6996738B2 - 測定装置

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Publication number: JP6996738B2
Application number: JP2017208553A
Authority: JP
Inventors: 敦彦岡田; 佳代子鬼塚
Original assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2017-10-27
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2022-01-17
Anticipated expiration: 2037-10-27
Also published as: CN109725024B; US10794854B2; CN109725024A; JP2019082338A; US20190128839A1

Description

本発明は、土壌などの測定対象の状態を検査する測定装置に関する。

作物の成長を促進するには、土壌の管理が必要となる。

その管理方法としては、土壌の状態が作物の生育に適した環境となるように管理する方法が挙げられ、土壌の水分量やイオン濃度やｐＨ値の測定を要する。

土壌の水分量やイオン濃度を測定する装置としては、対を成す電極によって土壌の電気伝導度を測定する水分状態特定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、土壌のｐＨ値を測定する装置としては、参照電極及びＩＳＦＥＴを用いた装置が知られているが（例えば、特許文献２参照）、水分量やイオン濃度やｐＨ値などを多角的に測定する測定装置は存在せず、このような測定装置が望まれていた。

国際公開２０１１／１５８８１２号特開２００９－３００２７２号公報

そこで、本願発明者らは、電気伝導度を測定する為の一対の電極と、ｐＨ値を測定する為の参照電極及びＩＳＦＥＴとを備えた測定器を案出するに至った。

しかしながら、この測定器では、基準電極を構成する参照電極が、一対の電極による電気伝導度の測定に影響を与え、測定精度が低下するという問題が発生した。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、参照電極が測定に与える影響を抑制しつつ、多角的な測定が行える測定装置を提供することを目的とする。

本発明に係る測定装置は、測定対象を介した通電経路を表側に形成し前記測定対象の電気伝導度を測定する為の第一電極及び第二電極と、前記測定対象のｐＨ値を測定する為の参照電極及びＩＳＦＥＴと、を備え、前記参照電極の基準電極が前記第一電極及び前記第二電極より裏側に配置されている。

本発明によれば、参照電極が測定に与える影響を抑制しつつ、多角的な測定を行うことができる。

一実施形態に係る測定装置を示す斜視図である。一実施形態に係る測定装置を図１と反対側から見た状態を示す斜視図である。一実施形態に係る測定装置を示す断面図である。一実施形態に係る測定装置の凹部底面を示す要部の断面図である。一実施形態に係る測定装置を示すブロック図である。一実施形態に係る測定装置のｐＨセンサを示す説明図である。一実施形態に係る測定装置の電気伝導度測定センサを示す説明図である。一実施形態に係る測定装置の使用状態を示す説明図である。

以下、一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係る測定装置１０を示す図であり、測定装置１０は、作物を育てる土壌や水耕栽培の養液等の測定対象ＳＴ（図５～図７参照）の状態を測定する際に用いられる。また、測定装置１０は、二種類のセンサを備えており、測定対象ＳＴの水分量やイオン濃度やｐＨ値などを多角的に測定できるように構成されている。

この測定装置１０の筐体１２は、一例として絶縁体である合成樹脂で形成されている。この筐体１２は、図１から図３に示すように、便宜上、前側を構成する前面１４と、後ろ側を構成する後面１６と、左側を構成する左面１８と、右側を構成する右面２０と、先端側を構成する先端面２２とを備えた角柱状に形成されている。

筐体１２の前面１４における図１中上側である先端部には、図１に示したように、先端へ向かうに従って後面１６側へ傾斜した前部傾斜面２４が形成されている。前部傾斜面２４には、矩形状に窪んだ凹部２６が形成されており、この凹部２６の底に平坦な一面の一例である凹部底面２６Ａが形成されている。

凹部底面２６Ａには、測定対象ＳＴの電気伝導度を測定する為の第一電極２８及び第二電極３０が互いに左右方向へ離間して並設されている。各電極２８、３０は、長方形の板状に形成されており、表面が前側を向くととともに裏面が凹部底面２６Ａに面接触した状態で固定されている。

第一電極２８の表面は、測定対象ＳＴに接する面を構成し、第一電極２８は、交流信号を出力する。また、第二電極３０の表面は、測定対象ＳＴに接する面を有し、第二電極３０には、第一電極２８から出力された交流信号が入力信号として入力される。

このように、各電極２８、３０は、表面が通電面とされており、測定装置１０を測定対象ＳＴに挿入する測定時において、測定対象ＳＴを介した通電経路３２（図７参照）を表側３４に形成するように構成されている。

このとき、図４に示すように、第一電極２８の表面と同一平面をなす第一仮想面２８Ｂ、及び第二電極３０の表面と同一平面をなす第二仮想面３０Ｂを想定した際に、両仮想面２８Ｂ、３０Ｂより表側３４の電気伝導度を測定できるように構成されている。なお、本実施形態では、一例として両仮想面２８Ｂ、３０Ｂが同一平面を構成する。

また、凹部底面２６Ａには、矩形状のＩＳＦＥＴ（Ion Sensitive Field Effect Transistor）３６が設けられている。ＩＳＦＥＴ３６は、後述する参照電極３８（図３参照）と共に用いて測定対象ＳＴのｐＨ値を測定する為のチップであり、ＩＳＦＥＴ３６の外形寸法は、第一電極２８及び第二電極３０と比較して小さい。

このＩＳＦＥＴ３６は、第一電極２８及び第二電極３０間の離間領域４０より先端側に配置されている。また、図４に示したように、ＩＳＦＥＴ３６の表面を構成する感応面３６Ａは、第一電極２８の表面を構成する第一頂面２８Ａ及び第二電極３０の表面を構成する第二頂面３０Ａより凹部底面２６Ａ側に位置する。

ここで、本実施形態では、ＩＳＦＥＴ３６を第一電極２８及び第二電極３０より薄肉とし、ＩＳＦＥＴ３６の感応面３６Ａが第一電極２８の第一頂面２８Ａ及び第二電極３０の第二頂面３０Ａより凹部底面２６Ａ側に位置するようにしたが、これに限定されない。

例えば、凹部底面２６Ａに窪みを形成し、この窪み内にＩＳＦＥＴ３６を設けることで、ＩＳＦＥＴ３６の感応面３６Ａを各電極２８、３０の各頂面２８Ａ、３０Ａより凹部底面２６Ａ側に位置するようにしても良い。

図２に示したように、筐体１２の後面１６には、先端へ向かうに従って前面１４側へ傾斜した後部傾斜面４２が図２中上側の先端部に形成されており、後部傾斜面４２は、平坦に形成されている。

前述した前部傾斜面２４は、図３に示すように、筐体１２の最も先端側に位置する頂点又は頂面の一例である先端面２２を通って筐体１２を縦断する仮想線ＣＳに対して、仮想線ＣＳと交差する交差方向Ｋの一方Ｉ側に設けられている。これにより、前部傾斜面２４に形成された凹部底面２６Ａは、仮想線ＣＳを境とした一方Ｉ側に設けられた第一面を構成する。また、後部傾斜面４２は、仮想線ＣＳと交差する交差方向Ｋの他方Ｔ側に設けられており、当該後部傾斜面４２は、交差方向Ｋの他方Ｔ側の第二面を構成する。

なお、本実施形態では、仮想線ＣＳが筐体１２を縦断する中心線で構成された場合を例に示している。また、例えば筐体１２の頂部が球面で構成された場合、この仮想線は２２、筐体１２で最も先端側に位置する頂点を通過する直線であってもよい。

この筐体１２内には、参照電極３８と制御ユニット４４とが設けられている。

参照電極３８は、容器状のタンク４６を備えており、タンク４６内には、内部液４８が充填されている。この内部液４８内には、内部電極５０が配置されており、内部電極５０の基端部は、タンク底面４６Ａより延出している。内部液４８としては、一例として塩化カリウム（ＫＣｌ）溶液が挙げられ、内部電極５０の素材としては、一例として銀／塩化銀（Ａｇ／ＡｇＣｌ）が挙げられる。

タンク４６の天面４６Ｂは、中央部に向かうに従って先端側へ傾斜しており、その頂部からは、円筒状の筒部５２が延出している。筒部５２内の連通穴５２Ａは、タンク４６内に連通しており、タンク４６内の内部液４８を筒部５２の先端から液絡部５４に供給できるように構成されている。

この筒部５２の先端には、円柱状の液絡部５４が設けられており、液絡部５４は、多孔質材で構成されている。液絡部５４の先端部は、斜めに切断された先細り形状とされており、その端面が後部傾斜面４２に露出している。そして、この端面が後部傾斜面４２と面一になるように当該参照電極３８が配置されている。

これにより、筐体１２を縦断する仮想線ＣＳと交差する交差方向Ｋの他方Ｔ側の後部傾斜面４２に参照電極３８が設けられている。また、交差方向Ｋの一方Ｉ側の凹部底面２６Ａに第一電極２８及び第二電極３０が設けられており、参照電極３８は、第一電極２８及び第二電極３０より裏側５６に配置されている。

言い換えると、参照電極３８は、第一電極２８の表面と同一平面をなす第一仮想面２８Ｂより第一電極２８の裏面側１２８、且つ第二電極３０の表面と同一平面をなす第二仮想面３０Ｂより第二電極３０の裏面側１３０に配置されている。

また、参照電極３８は、タンク４６内の内部液４８を筒部５２から液絡部５４へ供給し、液絡部５４は、内部液４８を端面から筐体１２の外側へ滲出する。後部傾斜面４２に露出した液絡部５４の端面は、測定対象ＳＴに基準電位を付与する基準電極５８を構成する。

この参照電極３８のタンク４６から延出した内部電極５０は、制御ユニット４４に接続されている。

制御ユニット４４は、図５に示すように、制御部６０を備えており、制御部６０は、例えばＲＯＭ及びＲＡＭを内蔵したマイコンを中心に構成されている。この制御部６０には、参照電極３８の内部電極５０と（図３参照）、参照電極３８と対を成すＩＳＦＥＴ３６とが接続されており、参照電極３８とＩＳＦＥＴ３６と制御部６０とによってｐＨセンサ６２が構成されている。

ＩＳＦＥＴ３６は、図６に示すように、ドレインＤに直流電源６４の正極が接続されており、ソースＳは、定電流回路６６を介してグランドラインＧに接地されるとともに、制御部６０（図５参照）を構成する例えばマイコンのＡＤ変換ポートに接続されている。ＩＳＦＥＴ３６のドレインＤとソースＳ間のゲート部分は、イオン感応膜３６Ｂで構成されており、イオン感応膜３６Ｂは、その感応面３６Ａが測定対象ＳＴに接するように構成されている。

この測定対象ＳＴに参照電極３８の基準電位を基準電極５８から印加すると、測定対象ＳＴ内の水素イオン（Ｈ^＋）がＩＳＦＥＴ３６の感応面３６Ａに集まる。すると、ＩＳＦＥＴ３６は、測定対象ＳＴとイオン感応膜３６Ｂ間の界面電位を検出して電流を流す。そして、制御部６０は、ＩＳＦＥＴ３６が検出した界面電位と参照電極３８との電位差を測定することで、測定対象ＳＴの水素イオン指数を示すｐＨ値を測定する。

また、図５に示したように、制御部６０には、受信部６８が接続されており、受信部６８には、発振部７０からの交流信号が供給される。発振部７０には、第一電極２８が接続されており、第一電極２８は、表面が測定対象ＳＴと接し、測定対象ＳＴに交流信号を出力する。

第一電極２８と対を成す第二電極３０も表面が測定対象ＳＴと接するように構成されており、第二電極３０は、受信部６８に接続されている。これより、第二電極３０は、第一電極２８から測定対象ＳＴに出力された交流信号を入力信号として入力する。

この第一電極２８、第二電極３０、発振部７０、及び受信部６８によって電気伝導度測定センサ７２が構成されており、電気伝導度測定センサ７２からの信号は、制御部６０に送られる。

電気伝導度測定センサ７２について等価回路を用いて詳説すると、電気伝導度測定センサ７２の発振部７０は、図７に示すように、所定の周波数の交流信号を出力する交流電源７４で構成されている。この交流電源７４は、交流信号を第一電極２８に印加する。

受信部６８（図５参照）は、交流電源７４から第一電極２８に供給する交流信号と、第二電極３０に入力された交流信号である入力信号とを比較する比較回路７６で構成されている。具体的に説明すると、第一電極２８に印加した交流電圧と測定対象ＳＴを介して第二電極３０に入力された交流電圧の振幅及び位相差を、両電極２８、３０間の電気伝導度及びインピーダンスとして取得して制御部６０に出力する。これにより、第一電極２８に交流信号を印加するとともに、第一電極から出力された交流信号と測定対象ＳＴを介して第二電極に入力する入力信号との位相差を測定して測定対象ＳＴの電気伝導度を取得する取得手段が構成されている。

この電気伝導度測定センサ７２の動作を説明すると、測定装置１０を測定対象ＳＴに挿入し、両電極２８、３０に測定対象ＳＴを接触させる。そして、第一電極２８に所定の周波数の交流信号を印加し、測定対象ＳＴを介して第二電極３０に入力する入力信号を測定し、測定対象ＳＴの抵抗成分Ｒに応じて変化する交流電圧の振幅の大きさから電気伝導度を取得する。また、測定対象ＳＴの電気容量Ｃに応じて変化する第一電極から出力した交流電圧と測定対象ＳＴを介して第二電極に入力された交流電圧との位相差からインピーダンスを取得する。

そして、取得した電気伝導度及びインピーダンスから測定対象ＳＴに含まれる空気量や水分量を把握できるので、これらの測定結果を制御部６０に予め記憶されたデータベースと照合して、測定対象ＳＴの水分量及びイオン濃度を取得する。また、データベースを利用して取得した水分量及びイオン濃度から測定対象ＳＴに含まれる養分を推定する。

なお、このデータベースには、第一電極２８及び第二電極３０の近傍に配置されるＩＳＦＥＴ３６が電気伝導度測定センサ７２による測定結果に与える影響を排除するためのキャンセルデータが記憶されている。そして、制御部６０は、このキャンセルデータを用いて電気伝導度測定センサ７２による測定結果を補正する。

（作用・効果）
次に、本実施形態の作用について説明する。

作物を育てる土壌や水耕栽培の養液等の測定対象ＳＴの状態を測定する際には、図８に示すように、測定装置１０の先端部を測定対象ＳＴに挿入し、ｐＨセンサ６２でｐＨ値を測定するとともに、電気伝導度測定センサ７２で水分量及びイオン濃度を測定する。

このとき、ｐＨセンサ６２を構成する参照電極３８における基準電極５８は、筐体１２の後部傾斜面４２に設けられており、基準電極５８からは、内部液４８が測定対象ＳＴに滲出するとともに測定対象ＳＴに基準電位を付与する。この基準電位が付与された測定対象ＳＴ内の水素イオン（Ｈ^＋）は、前部傾斜面２４の凹部底面２６Ａに設けられたＩＳＦＥＴ３６の感応面３６Ａに集まり、これに応じてＩＳＦＥＴ３６に電流が流れる。これにより、ＩＳＦＥＴ３６のソースＳの出力電圧を測定することで、測定対象ＳＴの水素イオン量を把握でき、測定対象ＳＴのｐＨ値を取得することができる。

一方、電気伝導度測定センサ７２の第一電極２８及び第二電極３０は、前部傾斜面２４の凹部底面２６Ａに設けられており、両電極２８、３０に印加した交流信号の入出力波形の変化から水分量及びイオン濃度を取得して測定対象ＳＴに含まれる養分を推定する。

ここで、ｐＨセンサ６２の参照電極３８は、第一電極２８の表面と同一平面をなす第一仮想面２８Ｂより第一電極２８の裏面側１２８、且つ第二電極３０の表面と同一平面をなす第二仮想面３０Ｂより第二電極３０の裏面側１３０に配置されている。これにより、両仮想面２８Ｂ、３０Ｂより表側３４の電気伝導度を測定するように構成されている電気伝導度測定センサ７２の通電経路３２が参照電極３８の基準電極５８を横切ることは無い。

このため、参照電極３８が、電気伝導度測定センサ７２の測定に与える影響を抑制しつつ、多角的な測定を行うことができる。

また、ｐＨセンサ６２の参照電極３８は、第一電極２８及び第二電極３０の裏側５６に配置されている。このため、参照電極３８の基準電極５８は、第一電極２８及び第二電極３０の裏側５６に露出する。

このとき、筐体１２の電気伝導度センサ７２の電極２８、３０が配置されている側に参照電極３８を配置した場合、参照電極３８の液絡部５４を介して測定対象物ＳＴ中に拡散した参照電極３８の内容液４８により電気伝導度の測定値が影響を受けてしまう。

そこで、本実施形態にあっては、電気伝導度センサ７２の電極２８、３０と反対側に参照電極３８を配置したので、参照電極３８の液絡部５４から拡散した内容液４８が電気伝導度測定センサ７２の測定に与える影響を抑制することができる。

また、参照電極３８の基準電極５８は、ＩＳＦＥＴ３６と比較して、測定対象ＳＴへの接触面積が大きい。このため、第一電極２８及び第二電極３０による通電経路３２側に参照電極３８の基準電極５８が配置された場合と比較して、第一電極２８及び第二電極３０による電気伝導度の測定に与える影響を抑制することができる。

したがって、測定対象ＳＴの状態を精度よく多角的に測定することができる。

ここで、測定対象ＳＴ中の水分量やイオン濃度の測定値が実際と異なる値として測定され、これに基づいて測定対象ＳＴを管理すると、測定対象ＳＴに水分や養分を過剰に供給したり、供給不足を生じたりすることが生じ得る。この場合、農作物の成長に影響を与える虞がある。

そこで、本実施形態に係る測定装置１０においては、測定対象ＳＴの状態を精度よく多角的に測定することができるので、農作物の成長に適した環境を形成することができる。

このとき、ｐＨセンサ６２を構成するＩＳＦＥＴ３６は、図８に示すように、電気伝導度測定センサ７２の第一電極２８及び第二電極３０より先端側に配置されている。これにより、電気伝導度測定センサ７２による測定領域ＳＲ１と、ｐＨセンサ６２による測定領域ＳＲ２との重畳が抑制される。

また、図３に示したように、参照電極３８の基準電極５８からの内部液４８は、第一電極２８及び第二電極３０間に形成される通電経路３２と反対側に滲出される。このため、内部液４８が電気伝導度測定センサ７２の測定結果に与える影響、特に内部液４８が広がる過程で生じ得る影響度の変化を抑制することができる。

これらによっても測定精度の向上に寄与することができる。

また、筐体１２の頂点又は頂面の一例である先端面２２を通って筐体１２を縦断する仮想線ＣＳに対して、仮想線ＣＳと交差する交差方向Ｋの一方Ｉ側の第一面である凹部底面２６Ａに第一電極２８及び第二電極３０が設けられている。また、交差方向Ｋの他方Ｔ側の第二面である後部傾斜面４２に参照電極３８における基準電極５８が設けられている。

これにより、参照電極３８を、第一電極２８及び第二電極３０の裏側に配置することができるので、構成の簡素化を図ることができる。

そして、本実施形態では、電気伝導度測定センサ７２の第一電極２８及び第二電極３０が設けられた第一面である凹部底面２６ＡにｐＨセンサ６２のＩＳＦＥＴ３６が設けられている。

このため、ＩＳＦＥＴ３６によるｐＨ値の測定を、電気伝導度測定センサ７２による測定領域ＳＲ１に近い位置で行うことができる。これにより、測定対象ＳＴのｐＨ値と、水分量及びイオン濃度とが測定装置１０の反対側で測定される場合と比較して、測定結果を反映した管理による効果を高めることができる。

また、このＩＳＦＥＴ３６の感応面３６Ａは、第一電極２８の第一頂面２８Ａ及び第二電極３０の第二頂面３０Ａより一面である凹部底面２６Ａ側に位置する。

これにより、第一電極２８の第一頂面２８Ａと第二電極３０の第二頂面３０Ａとの間を流れる交流信号の通電経路３２をＩＳＦＥＴ３６の感応面３６Ａから表側３４に離すことができる。このため、両電極２８、３０間を流れる交流信号がＩＳＦＥＴ３６に与える影響を抑制することができ、ｐＨセンサ６２による測定精度の向上に寄与することができる。

そして、第一電極２８に交流信号を印加するとともに、測定対象ＳＴを介して第二電極３０に入力する交流信号の位相差を測定して測定対象ＳＴの電気伝導度を取得する。

これにより、測定対象ＳＴの水分量及びイオン濃度を取得するとともに、これらから測定対象ＳＴに含まれる養分を推定することができる。

なお、本実施形態では、先細り形状に形成された筐体１２の前部傾斜面２４側に第一電極２８及び第二電極３０を設け、後部傾斜面４２側に参照電極３８の基準電極５８を設けた場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではない。

例えば、筐体１２の先端部が球面状に形成された場合には、筐体１２を縦断する仮想線ＣＳと交差する交差方向Ｋの一方Ｉ側の面に第一電極２８及び第二電極３０を設け、交差方向Ｋの他方Ｔ側の面に参照電極３８の基準電極５８を設けても良い。

また、球面状の筐体１２に形成された平坦面に第一電極２８及び第二電極３０が設けられている場合、平坦面と異なる面に参照電極３８の基準電極５８を設けても良い。このとき、筐体１２を縦断する仮想平面の一方Ｉ側に第一電極２８及び第二電極３０を設け、他方Ｔ側に参照電極３８の基準電極５８を設けても良い。

１０測定装置
１２筐体
２２先端面
２４前部傾斜面
２６Ａ凹部底面
２８第一電極
２８Ａ第一頂面
３０第二電極
３０Ａ第二頂面
３２通電経路
３４表側
３６ＩＳＦＥＴ
３６Ａ感応面
３８参照電極
４２後部傾斜面
５６裏側
５８基準電極
６０制御部
６８受信部
７０発振部
ＣＳ中心線
Ｉ一方
Ｋ交差方向
ＳＴ測定対象
Ｔ他方

Claims

測定対象を介した通電経路を表側に形成し前記測定対象の電気伝導度を測定する為の第一電極及び第二電極と、
前記測定対象のｐＨ値を測定する為の参照電極及びＩＳＦＥＴと、
を備え、
前記参照電極の基準電極が筐体における前記第一電極及び前記第二電極とは反対側に配置されている測定装置。
前記筐体の頂点又は頂面を通って前記筐体を縦断する仮想線に対して、該仮想線と交差する交差方向の一方側の第一面に前記第一電極及び前記第二電極が設けられ、前記交差方向の他方側の第二面に前記参照電極の前記基準電極が設けられている請求項１記載の測定装置。
前記第一面に前記ＩＳＦＥＴが設けられている請求項２記載の測定装置。
前記ＩＳＦＥＴの感応面は、前記第一電極の頂面及び前記第二電極の頂面より前記第一面側に位置する請求項３記載の測定装置。
前記第一電極に交流信号を印加するとともに、前記測定対象を介して前記第二電極に入力する交流信号の位相差を測定して前記測定対象の電気伝導度を取得する取得手段をさらに備えた請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の測定装置。
測定対象に接する表面を有し、交流信号を出力する第一電極と、
前記測定対象に接する表面を有し、前記第一電極から出力された前記交流信号が入力信号として入力される第二電極と、
前記第一電極の表面と同一平面をなす第一仮想面より前記第一電極の裏面側、且つ、前記第二電極の表面と同一平面をなす第二仮想面より前記第二電極の裏面側に配置された、前記測定対象のｐＨ値測定用の参照電極と、
を備えることを特徴とする測定装置。
前記参照電極の基準電極が、前記第一電極の表面と同一平面をなす第一仮想面より前記第一電極の裏面側、且つ、前記第二電極の表面と同一平面をなす第二仮想面より前記第二電極の裏面側に配置されることを特徴とする請求項６に記載の測定装置。