JP7416487B2 - センサシステム、センサ装置、及びセンシング方法 - Google Patents

センサシステム、センサ装置、及びセンシング方法 Download PDF

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Description

本発明は、自立した電源で稼働するセンサを備えるセンサシステムに関する。
ボルタ電池やダニエル電池のように、異なる二種類の金属を電極とし、電解液に浸すことで、それぞれの電極において、酸化反応又は還元反応を生じさせ、電子の流れる経路を作り出す装置（つまり、電池）がある。
電池の電解液として使用される液体は、化学やけどのおそれ、火災又は爆発のおそれ、あるいは有毒なガスの発生等、人体や環境に悪影響を与える可能性があり、電解液の取り扱いは非常に難しいものであった。加えて、製品化をする際において、液漏れを起こさないようにしなければならず、コストが増大するという課題があった。
ところで、近年は、可視光、熱、電波、あるいは微生物による有機物の分解処理等の微小なエネルギーを電力に変換するエネルギーハーヴェスティング技術が注目されており、エネルギーハーヴェスティング技術を利用して、自立電源を実用化する研究がなされている。さらに、ＩｏＴ分野では、センサと自立電源を組み合わせる事で、さまざまな環境において、いろいろな情報を得ることを可能とする手段として研究が進んでいる。
センサ等に使用される自立電源型の装置としては、太陽光発電を利用することが検討されているが（例えば、特許文献１参照）、時間帯や天候の影響を受けやすく、安定した電力供給ができないことがある。
特開２００７－１８１２７８号公報
本発明の少なくとも１つの目的は、自立した電源で稼働するセンサを備えるセンサシステムを提供することである。
本発明によれば、上記目的は、［１］～［１８］により解決することができる。
［１］異なる位置に設置された複数のセンサを備えるセンサシステムであって、センサのそれぞれが、第一導電部及び第二導電部と、媒体と、機能部とを備え、第一導電部及び機能部は接続されており、第二導電部及び機能部は接続されており、第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部が該媒体と接触し、第一導電部及び第二導電部は、互いに非接触であり、一のセンサの内部インピーダンスと他のセンサの内部インピーダンスが、所定の条件を満たすことを検知する、センサシステム；
［２］異なる位置に設置された複数のセンサを備えるセンサシステムであって、センサのそれぞれが、第一導電部及び第二導電部と、媒体と、機能部とを備え、第一導電部及び機能部は接続されており、第二導電部及び機能部は接続されており、第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部が該媒体と接触し、第一導電部及び第二導電部は、互いに非接触であり、一のセンサ内の所定の電圧と他のセンサ内の所定の電圧が、所定の条件を満たすことを検知する、センサシステム；
［３］複数のセンサを備えるセンサシステムであって、センサのそれぞれが、第一導電部及び第二導電部と、媒体と、機能部とを備え、第一導電部及び機能部は接続されており、第二導電部及び機能部は接続されており、第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部が該媒体と接触し、第一導電部及び第二導電部は、互いに非接触であり、一のセンサの第一導電部及び第二導電部の組み合わせと、他のセンサの第一導電部及び第二導電部の組み合わせとが異なるものであり、一のセンサの内部インピーダンスと他のセンサの内部インピーダンスが、所定の条件を満たすことを検知する、センサシステム；
［４］複数のセンサを備えるセンサシステムであって、センサのそれぞれが、第一導電部及び第二導電部と、媒体と、機能部とを備え、第一導電部及び機能部は接続されており、第二導電部及び機能部は接続されており、第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部が該媒体と接触し、第一導電部及び第二導電部は、互いに非接触であり、一のセンサの第一導電部及び第二導電部の組み合わせと、他のセンサの第一導電部及び第二導電部の組み合わせとが異なるものであり、一のセンサ内の所定の電圧と他のセンサ内の所定の電圧が、所定の条件を満たすことを検知する、センサシステム；
［５］機能部が、昇圧回路又は降圧回路を備える、前記［１］～［４］のいずれかに記載のセンサシステム；
［６］機能部が、昇圧回路又は降圧回路を備え、センサ内の所定の電圧が、昇圧回路又は降圧回路の入力電圧又は出力電圧である、前記［２］又は［４］に記載のセンサシステム；
［７］機能部が、出力インピーダンスを変換する変換機能を有する、前記［１］～［６］のいずれかに記載のセンサシステム；
［８］機能部が蓄電部を有し、第一導電部及び／又は第二導電部から供給される電荷を蓄電部が蓄積し、蓄積に要した時間よりも短い時間で、蓄積した電荷を放出する機能を有する、前記［１］～［７］のいずれかに記載のセンサシステム；
［９］機能部が出力電圧変換部を有する、前記［１］～［８］のいずれかに記載のセンサシステム；
［１０］機能部の入力インピーダンスが非線形な電流－電圧特性を有する、前記［１］～［９］のいずれかに記載のセンサシステム；
［１１］異なる位置に設置された複数のセンサを備えるセンサ装置であって、センサのそれぞれが、第一導電部及び第二導電部と、機能部とを備え、第一導電部及び機能部は接続されており、第二導電部及び機能部は接続されており、第一導電部及び第二導電部は、互いに非接触であり、第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部を媒体と接触させた場合における、一のセンサの内部インピーダンスと他のセンサの内部インピーダンスが、所定の条件を満たすことを検知する、センサ装置；
［１２］異なる位置に設置された複数のセンサを備えるセンサ装置であって、センサのそれぞれが、第一導電部及び第二導電部と、機能部とを備え、第一導電部及び機能部は接続されており、第二導電部及び機能部は接続されており、第一導電部及び第二導電部は、互いに非接触であり、第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部を媒体と接触させた場合における、一のセンサ内の所定の電圧と他のセンサ内の所定の電圧が、所定の条件を満たすことを検知する、センサ装置；
［１３］複数のセンサを備えるセンサ装置であって、センサのそれぞれが、第一導電部及び第二導電部と、機能部とを備え、第一導電部及び機能部は接続されており、第二導電部及び機能部は接続されており、第一導電部及び第二導電部は、互いに非接触であり、一のセンサの第一導電部及び第二導電部の組み合わせと、他のセンサの第一導電部及び第二導電部の組み合わせとが異なるものであり、第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部を媒体と接触させた場合における、一のセンサの内部インピーダンスと他のセンサの内部インピーダンスが、所定の条件を満たすことを検知する、センサ装置；
［１４］複数のセンサを備えるセンサ装置であって、センサのそれぞれが、第一導電部及び第二導電部と、機能部とを備え、第一導電部及び機能部は接続されており、第二導電部及び機能部は接続されており、第一導電部及び第二導電部は、互いに非接触であり、一のセンサの第一導電部及び第二導電部の組み合わせと、他のセンサの第一導電部及び第二導電部の組み合わせとが異なるものであり、第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部を媒体と接触させた場合における、一のセンサ内の所定の電圧と他のセンサ内の所定の電圧が、所定の条件を満たすことを検知する、センサ装置；
［１５］異なる位置に設置された複数のセンサを備えるセンサシステムにおいて実行されるセンシング方法であって、センサのそれぞれが、第一導電部及び第二導電部と、媒体と、機能部とを備え、第一導電部及び機能部は接続されており、第二導電部及び機能部は接続されており、第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部が該媒体と接触し、第一導電部及び第二導電部は、互いに非接触であり、センサシステムが、一のセンサの内部インピーダンスと他のセンサの内部インピーダンスが、所定の条件を満たすことを検知する、センシング方法；
［１６］異なる位置に設置された複数のセンサを備えるセンサシステムにおいて実行されるセンシング方法であって、センサのそれぞれが、第一導電部及び第二導電部と、媒体と、機能部とを備え、第一導電部及び機能部は接続されており、第二導電部及び機能部は接続されており、第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部が該媒体と接触し、第一導電部及び第二導電部は、互いに非接触であり、センサシステムが、一のセンサ内の所定の電圧と他のセンサ内の所定の電圧が、所定の条件を満たすことを検知する、センシング方法；
［１７］複数のセンサを備えるセンサシステムにおいて実行されるセンシング方法であって、センサのそれぞれが、第一導電部及び第二導電部と、媒体と、機能部とを備え、第一導電部及び機能部は接続されており、第二導電部及び機能部は接続されており、第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部が該媒体と接触し、第一導電部及び第二導電部は、互いに非接触であり、一のセンサの第一導電部及び第二導電部の組み合わせと、他のセンサの第一導電部及び第二導電部の組み合わせとが異なるものであり、センサシステムが、一のセンサの内部インピーダンスと他のセンサの内部インピーダンスが、所定の条件を満たすことを検知する、センシング方法；
［１８］複数のセンサを備えるセンサシステムにおいて実行されるセンシング方法であって、センサのそれぞれが、第一導電部及び第二導電部と、媒体と、機能部とを備え、第一導電部及び機能部は接続されており、第二導電部及び機能部は接続されており、第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部が該媒体と接触し、第一導電部及び第二導電部は、互いに非接触であり、一のセンサの第一導電部及び第二導電部の組み合わせと、他のセンサの第一導電部及び第二導電部の組み合わせとが異なるものであり、センサシステムが、一のセンサ内の所定の電圧と他のセンサ内の所定の電圧が、所定の条件を満たすことを検知する、センシング方法。
本発明によれば、自立した電源で稼働するセンサを備えるセンサシステムを提供することができる。
本発明の実施の形態にかかる、センサの構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態にかかる、電力変換部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態にかかる、センサを表す図である。 本発明の実施の形態にかかる、センサ内のトランジスタのＯＮ－ＯＦＦを切り替えた場合における、時間と電流Ｉの関係を示す図である。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。以下、効果に関する記載は、本発明の実施の形態の効果の一側面であり、ここに記載するものに限定されない。
［センサ］
図１は、本発明の実施の形態にかかる、センサの構成を示すブロック図である。図１（Ａ）～（Ｅ）に図示するように、センサは、第一導電部１と、第二導電部２と、機能部３と、媒体４とから構成される。第一導電部１及び機能部３、並びに、機能部３及び第二導電部２は、それぞれ電気的に接続されている。「電気的に接続」とは、例えば、導線等により通電可能に接続されることをいう。
第一導電部１及び第二導電部２の一部又は全部が、媒体４と接触している。第一導電部１及び第二導電部２は、互いに非接触である。「非接触」とは、例えば、第一導電部１と第二導電部２とが直接接触していない状態をいう。
第一導電部１が媒体４に接触する位置、及び、第二導電部２が媒体４に接触する位置の距離は、１ｃｍ以上離れていることが好ましく、１０ｃｍ以上離れていることがより好ましく、１００ｃｍ以上離れていることがさらに好ましく、１０００ｃｍ（１０ｍ）以上離れていることが特に好ましい。
第一導電部１及び第二導電部２は、いずれも導電性を有することが好ましい。ここで、第一導電部１及び第二導電部２の素材として、例えば、金属、導電性ポリマー、カーボン等が挙げられる。第一導電部１及び第二導電部２の形状は、特に限定されない。第一導電部１及び第二導電部２の形状は、直方体状、円柱状（棒状）、角錐状、円錐状、板状又は紐状であってもよく、形状を問わない。
第一導電部１及び第二導電部２に用いられる金属としては、例えば、銀、銅、金、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、ニッケル、白金、スズ、チタン、ステンレス、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、又は、その他上述の金属夫々の酸化物などから適宜選択して用いることができる。また、所定の金属に、所定の金属とは異なる他の金属や、他の導電性を有する材料が被膜されていてもよい。
第一導電部１と第二導電部２の素材は、異なる種類のものを用いてもよく、同じ種類のものを用いてもよい。例えば、第一導電部１に、ステンレス製の円柱状の棒材を用い、第二導電部２に亜鉛製の円柱状の棒材を用いることができる。この場合、第一導電部１及び第二導電部２は、機能部３または昇圧回路・降圧回路と導線により接続される。
交流インピーダンス法を用いて、第一導電部１及び第二導電部２の少なくとも一方に対して分極抵抗を測定した場合に、測定値が１００Ω以上であることが好ましい。
ここで、電流の起点となる導電部を第一導電部１として定義し、終点となる導電部を第二導電部２として定義する。いずれの導電部が第一導電部１として機能するかは、導電部の材質、又は、導電部を取り巻く環境（例えば、温度、湿度、気圧、ｐＨなど）により決定される。第一導電部１又は第二導電部２と媒体４の界面で、化学反応が行われ、導電部に自由電子が発生する。
例えば、第一導電部１と第二導電部２において異なる金属を用いた場合には、標準電極電位が低い金属を用いた方が第一導電部１に、標準電極電位が高い金属を用いた方が第二導電部２になる。この場合、第二導電部２から機能部３へ向かって電子が移動し、機能部３から第一導電部１へ向かって電子が移動する。すなわち、第一導電部１側から機能部３を介して第二導電部２側へ電流が生じる。例えば、第二導電部２では、導電部を構成する金属が媒体４中に陽イオンとして溶出して、自由電子が発生し、第一導電部１では、媒体４の水中の陽イオンが電子と反応し、電気的に中和される。
標準電極電位の高低は、物質同士の標準電極電位の相対的な値（相対値）を比較して定められるものであって、標準電極電位の絶対値を用いて比較するものではない。例えば、標準電極電位が－５Ｖの物質Ａと＋２Ｖの物質Ｂとを比較した場合に、物質Ａの標準電極電位は低く、物質Ｂの標準電極電位は高い。
一方、導電部に同一の金属を用いた場合でも、例えば、温度、湿度、気圧、ｐＨなど、導電部の周辺環境の条件により、いずれかの導電部が第一導電部１として、他方の導電部が第二導電部２として機能し、電流が生じる。よって、２つの導電部の周囲温度、湿度、気圧、ｐＨなどの条件が変われば、第一導電部として機能していたものが第二導電部として機能し、第二導電部として機能していたものが第一導電部として機能することもあり得る。
第一導電部１及び第二導電部２から生じる起電力は、０．９Ｖ以下であることが好ましく、０．３５Ｖ以下であることがより好ましく、０．２５Ｖ以下であることがさらに好ましい。また、第一導電部１及び第二導電部２から生じる起電力は、５ｍＶ以上であることが好ましい。
機能部３は、例えば、通電することで所定の機能を実行するものをいう。機能部３は、電力を消費して所定の機能を発揮する電力消費部、導電部にて発生した電気を蓄電する蓄電部、昇圧回路や降圧回路のように出力する電圧を変換する出力電圧変換部等、回路を制御するマイコン等の制御部、他の装置と無線による通信が可能な通信部等を含むことができる。
電力消費部としては、例えば、白熱電球や発光ダイオードなどの光源、熱を発する発熱体、音を発する発音体、又は、信号を発する発信体等のいずれかを採用することができる。蓄電部は、昇圧回路又は降圧回路に含まれていてもよい。マイコン等の制御部は、回路を制御して、蓄電部に蓄電した電気を所定の条件で放出させることができる。放出された電気は、電力消費部にて消費される。また、マイコン等の制御部においても、わずかではあるが電力が消費されるため、制御部を起動させるのに必要な電力を確保しつつ、蓄電した電気を放出するように制御することができる。
機能部３は、電力消費部、蓄電部、出力電圧変換部、通信部及び制御部のいずれか１つを備えていればよく、電力消費部、蓄電部、出力電圧変換部、通信部及び制御部のいずれか２つ以上を組み合わせて構成したものを機能部３としてもよい。また、機能部３は、電力消費部、蓄電部、出力電圧変換部、通信部及び制御部のいずれか２つ以上を一体に構成したものであってもよく、電力消費部、蓄電部、出力電圧変換部、通信部及び制御部のいずれかを、電気的に接続しつつ、それぞれ別々に構成したものであってもよい。
機能部３における入力インピーダンスは、１ｋΩ以上であることが好ましく、１０ｋΩ以上であることがより好ましい。また、機能部３の入力インピーダンスは、非線形な電流－電圧特性（Ｉ－Ｖ特性）を有することが好ましい。非線形な電流－電圧特性とは、例えば、機能部３に電流を流した際の電圧変化において、電流値が大きくなるに従って電圧値が高くなるが、電流値が大きくなるに従って、電流値を大きくするために必要となる電圧値の上がり幅が大きくなり、電圧が電流に比例しないような場合をいう。言い換えると、機能部３に加えた電圧値が高くなるに従って電流値が大きくなるが、電圧値が高くなるに従って、電圧値を高くすることで電流値が大きくなる度合が小さくなり、電流値が電圧値に比例しないような場合をいう。機能部３における入力インピーダンスが非線形な電流－電圧特性を有することで、第一導電部１と第二導電部２との間で生じた起電力が維持しやすくなる。
機能部３は、出力インピーダンスを変換する機能を有することが好ましい。これにより、機能部３の入力信号に与える影響を制御することができる。
また、機能部３は、蓄電部を有し、第一導電部及び／又は第二導電部から供給される電荷を蓄積する。制御部は、電荷を蓄積するのに要した時間よりも短い時間で、蓄積した電荷を放出するように制御する。
機能部３の動作電圧の下限値は、０．９Ｖ以下で動作することが好ましい。０．３５Ｖ以下で動作することがより好ましく、２０ｍＶ以下で動作することがさらに好ましい。
媒体４は、気体、液体、及び固体のうちいずれの形態であってもよい。媒体４は、ゾル又はゲル状のものであってもよい。媒体４は、第一導電部１又は第二導電部２との界面で、化学反応を起こし得るものであれば、特に限定されない。媒体４は、電解質を含むものであることとしてもよい。媒体４としては、導電性を有しないものを用いることが好ましい。気体としては、本センサを構成する際に気体であれば特に限定されないが、例えば、酸素、二酸化炭素、窒素、水素、メタン等が挙げられる。媒体４として気体を用いる場合は、単一の種類の気体のみを用いてもよいが、これらの気体の複数種類を混合したものを用いてもよい。
媒体４として用いられる液体も、本センサを構成する際に液体であれば特に限定されないが、例えば、水だけでなく、極性の高い有機溶剤や極性の低い有機溶剤、或いは、非極性の有機溶剤を用いることができる。また、媒体４として用いられる液体は、水と極性の高い有機溶剤との混合物や、異なる２種以上の有機溶剤の混合物や、エマルションなども用いることができる。水は純水だけでなく、電解質を含むものを用いることができる。
水に含まれる電解質のうち、陽イオンの濃度は、１ｍｏｌ／Ｌ以下であってもよく、０．６ｍｏｌ／Ｌ以下であってもよく、０．１ｍｏｌ／Ｌ以下であってもよく、０．０１ｍｏｌ／Ｌ以下であってもよく、さらには、０．００１ｍｏｌ／Ｌ以下であってもよい。媒体４は電池で用いられる電解液でなくても、問題がない。
極性の高い有機溶剤としては、例えば、メタノールやエタノールなどの低級アルコール、蟻酸や酢酸などの低級カルボン酸、アセトン、テトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシドなどを用いることができる。また、極性の低い有機溶剤としては、ヘキサノールやオクタノールなどの高級アルコール、ヘキサン酸やオクタン酸などの高級カルボン酸などを用いることができる。非極性の有機溶剤としては、例えば、ヘキサン、オクタン、ノナンなどの脂肪族炭化水素、ベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族化合物があげられる。媒体４として液体を用いる場合は、単一の種類の液体のみを用いてもよいが、これらの液体の複数種類を混合したものを用いてもよい。
媒体４として用いられる固体も、本センサを構成する際に固体であれば特に限定されないが、例えば、木材、プラスチック、金属、セラミックス、コンクリートなどであってもよい。なお、媒体４として用いられる固体としては、これらの他、例えば、砂や土などの粉体状又は粒状の固体を用いることができ、さらに、複数の石や岩を重ねたものを用いることもできる。砂や土、石や岩を重ねたものを媒体４として用いた場合、媒体４中に微細な空隙が発生するが、このような空隙があったとしても、媒体４が物理的に接続されていればよい。
媒体４は、異なる組成や特性を有するものが物理的に接続して、１つの媒体４を構成することができる。例えば、第一導電部１にプラスチックが接しており、第二導電部２に木材が接しているような場合に、プラスチックと木材が接することで、プラスチックと木材が媒体４として機能する。
媒体４の第一導電部１と第二導電部２間の抵抗値は、１ｋΩ以上であることが好ましく、１０ｋΩ以上であることがより好ましい。
媒体４は、絶縁体であってもよい。絶縁体とは、例えば、不導体をいい、電気あるいは熱を通しにくい性質をもつ物質をいう。絶縁体の電気伝導率は、１０－５Ｓ／ｍ以下であることが好ましく、１０－８Ｓ／ｍであることがより好ましく、１０－１１Ｓ／ｍであることがさらに好ましい。
媒体４は、水分を含むことが好ましい。砂や土などの媒体４の含水率は、１質量％以上であることが好ましく、５質量％以上であることがより好ましく、１０質量％以上であることがさらに好ましい。また、媒体４の含水率は、２００質量％以下であることが好ましい。ここで、含水率とは、水分の重量を水分及び固形分の重量の和で除したものをいう。
本発明の実施の形態にかかるセンサは、図１（Ａ）に示すように、第一導電部１と、第二導電部２と、機能部３と、媒体４とから構成される。媒体４は、第一導電部１と第二導電部のいずれにも接触しており、機能部３は、第一導電部１と第二導電部２と電気的に接続されている。
本発明の実施の形態にかかるセンサは、図１（Ｂ）に示すように、媒体４に代えて、媒体４ａ及び媒体４ｂを用いるようにしてもよい。媒体４ａ及び媒体４ｂは、互いに異なる種類の媒体であってもよいし、同じ種類の媒体であってもよい。図１（Ｂ）では、媒体４ａと媒体４ｂはそれぞれ異なる容器に収容されており、非接触の状態である。
本発明の実施の形態にかかるセンサは、図１（Ｃ）に示すように、媒体４を使用せず、第一導電部１及び第二導電部２を電気的に接続するようにしてもよい。
本発明の実施の形態にかかるセンサは、図１（Ｄ）に示すように、複数の第一導電部１ａ、１ｂ・・・１ｎ（ｎは、２以上の整数）を並列に、電気的に接続するようにしてもよい。また、複数の第二導電部２ａ、２ｂ、・・・２ｍ（ｍは、２以上の整数）を並列に、電気的に接続するようにしてもよい。なお、複数の第一導電部１ａ、１ｂ・・・１ｎを直列に、電気的に接続するようにしてもよい。さらに、複数の第二導電部２ａ、２ｂ、・・・２ｍを直列に、電気的に接続するようにしてもよい。
本発明の実施の形態の少なくとも１つは、図１（Ｅ）に示すように、第一導電部１の一部又は全部が絶縁部５ａにより覆われ、かつ、第二導電部２の一部又は全部が絶縁部５ｂにより覆われていてもよい。絶縁部５ａ及び５ｂを互いに接触させることで、絶縁部５ａ及び５ｂが媒体４として機能する。ここで、絶縁部５ａ及び５ｂは、互いに異なる絶縁体により構成されていてもよいし、同一の組成又は性質を有する絶縁体により構成されていてもよい。
図１（Ａ）～（Ｅ）に示した構成をそれぞれ組み合わせて構成してもよい。本発明の効果を奏する態様であれば、組み合わせを限定するものではない。
図２は、本発明の実施の形態にかかる、電力変換部の構成を示すブロック図である。図２（Ａ）は、本発明の実施の形態にかかる、昇圧回路の回路図である。昇圧回路又は降圧回路は、機能部３の一例であり、蓄電部を備えている。
図示するように、インダクタＬ、ダイオードＤ、トランジスタＴｒ、及びコンデンサＣが電気的に接続されている。例えば、入力端子Ａ１は、第一導電部１と接続され、入力端子Ａ２は、第二導電部２と接続されている。出力端子Ｂ１及び出力端子Ｂ２は、電力消費部や制御部等と接続されている。なお、制御部は、昇圧回路と、第一導電部１及び第二導電部２との間で、昇圧回路と並列になるように接続されていてもよい。
トランジスタＴｒがＯＮである場合に、入力電圧ＶＩＮが印加されると、インダクタＬに電気エネルギーが蓄電される。入力電圧ＶＩＮは、接続点Ｐ１と接続点Ｐ２の電位差である。トランジスタＴｒがＯＦＦである場合に、入力電圧ＶＩＮに由来する電気エネルギーに、インダクタＬに蓄電されたエネルギーが加算され、ダイオードＤを介して出力される。その結果、入力電圧ＶＩＮよりも接続点Ｐ３と接続点Ｐ４の電位差である出力電圧ＶＯＵＴの方が高い電圧となる。昇圧回路は、入力電圧ＶＩＮが所定の電圧よりも低い電圧であることを前提にするもので、所定の電圧よりも高い電圧では昇圧制御が実行されないようなものであってもよい。昇圧回路の入力電圧ＶＩＮは、５ｍＶ以上であることが好ましい。なお、トランジスタＴｒのＯＮ／ＯＦＦは、制御部により制御される。
図２（Ｂ）は、本発明の実施の形態にかかる、降圧回路の回路図である。図示するように、トランジスタＴｒ、インダクタＬ、ダイオードＤ、及びコンデンサＣが電気的に接続される。例えば、入力端子Ａ１は、第一導電部１と接続され、入力端子Ａ２は、第二導電部２と接続されている。出力端子Ｂ１及び出力端子Ｂ２は、電力消費部や制御部等と接続されている。なお、制御部は、降圧回路と、第一導電部１及び第二導電部２との間で、降圧回路と並列になるように接続されていてもよい。
トランジスタＴｒがＯＮの場合には、インダクタＬに電気エネルギーが蓄電される。入力電圧ＶＩＮは、接続点Ｐ１１と接続点Ｐ１２の電位差であり、出力電圧ＶＯＵＴは、接続点Ｐ１３と接続点Ｐ１４の電位差である。この場合、入力電圧ＶＩＮは、出力電圧ＶＯＵＴとほぼ等しくなる。トランジスタＴｒがＯＦＦとなると、インダクタＬの左端にある接続点Ｐ１５の電位が接続点Ｐ１４の電位よりも低くなるため、出力電圧ＶＯＵＴの方が低い電圧となる。降圧回路は、入力電圧ＶＩＮが所定の電圧よりも高い電圧であることを前提にするもので、所定の電圧よりも低い電圧では降圧制御が実行されないようなものであってもよい。なお、トランジスタＴｒのＯＮ／ＯＦＦは、制御部により制御される。
次に、本発明のセンサの内部インピーダンスの測定方法について説明をする。図３は、本発明の実施の形態にかかる、センサを表す図である。第一導電部１及び第二導電部２の電位差をＶ１ ＩＮと定義し、接続点Ｐ１と接続点Ｐ２の電位差をＶ２ ＩＮと定義することができる。接続点Ｐ５と接続点Ｐ６の電位差をＶ１ ＯＵＴと定義し、接続点Ｐ３と接続点Ｐ４の電位差をＶ２ ＯＵＴと定義することができる。本発明のセンサにより発電が行われると、第一導電部１と第二導電部２との間で、起電力Ｖ１ ＩＮにより電流Ｉが接続点Ｐ１と接続点Ｐ５の方向に流れる。
図３に図示するように、第一導電部１は接続点Ｐ１にて、第二導電部２は接続点Ｐ２にて昇圧回路と接続されている。昇圧回路は、インダクタＬ、ダイオードＤ、トランジスタＴｒ、及びコンデンサＣが電気的に接続されている。
図４は、本発明の実施の形態にかかる、センサ内のトランジスタのＯＮ－ＯＦＦを切り替えた場合における、時間と電流Ｉの関係を示す図である。ここで、Ｖ１ ＯＵＴとＶ２ ＩＮの関係は、インダクタＬに流れる電流ＩとインダクタンスＬ１を用いて、式（１）：Ｖ１ ＯＵＴ－Ｖ２ ＩＮ＝－Ｌ１×ｄＩ／ｄｔで表すことができる。トランジスタＴｒがＯＮの場合は、Ｖ１ ＯＵＴ＝０なので、式（２）：Ｖ２ ＩＮ＝Ｌ１×ｄＩ／ｄｔを導き出すことができる。この場合、ｄＩ／ｄｔは正の値であり、時間と共に電流Ｉは増加する。一方で、トランジスタＴｒがＯＦＦの場合は、Ｖ１ ＯＵＴ＞Ｖ２ ＩＮとなるから、式（１）：Ｖ１ ＯＵＴ－Ｖ２ ＩＮ＝－Ｌ１×ｄＩ／ｄｔから、ｄＩ／ｄｔは負の値となることが分かる。この場合、時間と共に電流Ｉは減少する。トランジスタＴｒのＯＮとＯＦＦは定期的に繰り返される。
ここで、第一導電部１、第二導電部２及び媒体４を１種の電池として捉えると、起電力Ｖ１ ＩＮにより電流Ｉが流れると考えることができる。この場合に、媒体４により起因する内部インピーダンスをＺと定義すると、入力電圧と内部インピーダンスとの関係は、式（３）：Ｖ１ ＩＮ＝Ｚ×Ｉ＋Ｖ２ ＩＮで表すことができる。
また、トランジスタＴｒがＯＦＦとなっている間（以下、ＴＯＦＦ期間という）、電流ＩによってコンデンサＣに電荷Ｑがチャージされる。ＴＯＦＦ期間中に、接続点Ｐ３において上昇した電圧をΔＶとし、コンデンサＣのコンデンサ容量をＣ１とすると、式（４）：Ｑ＝∫Ｉｄｔ＝Ｃ１×ΔＶが成立する。
式（２）と式（３）から、Ｖ１ ＩＮ＝Ｌ１×ｄＩ／ｄｔ＋Ｚ×Ｉが導きだされる。この方程式を解くと、Ａを積分定数として、式（５）：Ｉ（ｔ）＝Ｖ１ ＩＮ／Ｚ＋Ａ×ｅ（－Ｚ／Ｌ１×ｔ）が導き出される。トランジスタＴｒがＯＦＦからＯＮに切り替わった時間をｔ＝０とした場合、図４から明らかなように、ｔ＝０の時、電流Ｉはゼロである。そこで、ｔ＝０、Ｉ＝０を式（５）に代入すると、Ａ＝－Ｖ１ ＩＮ／Ｚの関係が成立することが分かる。このＡ＝－Ｖ１ ＩＮ／Ｚを式（５）に代入すると、式（６）：Ｉ（ｔ）＝Ｖ１ ＩＮ／Ｚ×（１－ｅ（－Ｚ／Ｌ１×ｔ））を導きだすことができる。トランジスタＴｒがＯＮとなっている間（以下、Ｔｏｎ期間という）の電流Ｉは、式（６）より算出できる。トランジスタＴｒがＯＮになっている時間を十分にとると、電流Ｉの最大値はＶ１ ＩＮ／Ｚとなる。
Ｔｏｎ期間が終了し、Ｔｏｆｆ期間が開始した時（つまり、トランジスタＴｒがＯＦＦからＯＮに切り替わってから時間Ｔ１が経過した時）における電流Ｉは、式（６）にｔ＝Ｔ１を代入することにより算出することができる。これは、図４からもわかるように、電流Ｉには、連続性があるためである。（１－ｅ（－Ｚ／Ｌ１×Ｔ１））＝Ｋ（定数）と置き換えると、ｔ＝Ｔ１における電流Ｉは、Ｉ（Ｔ１）＝Ｖ１ ＩＮ／Ｚ×（１－ｅ（－Ｚ／Ｌ１×Ｔ１））＝Ｋ×Ｖ１ ＩＮ／Ｚで表すことができる。なお、Ｋは０≦Ｋ＜１の関係を満たし、Ｚ／Ｌ１×Ｔ１の値が十分に大きくなると、Ｋは１に近似することができる。
次に、式（１）と式（３）により、式（７）：Ｌ１×ｄＩ／ｄｔ＋Ｚ×Ｉ＝Ｖ１ ＩＮ－Ｖ１ ＯＵＴを導きだすことができる。さらに、式（４）より、Ｖ２ ＯＵＴは、∫Ｉｄｔ／Ｃ１＋Ｖｓｔａｒｔで表すことができる。ここで、Ｖｓｔａｒｔは、Ｔｏｆｆ期間の開始時（ｔ＝Ｔ１）のコンデンサＣの電圧であり、定数である。ダイオードＤの閾値電圧をＶｆとすれば、式（８）：Ｖ１ ＯＵＴ＝Ｖ２ ＯＵＴ＋Ｖｆ＝∫Ｉｄｔ／Ｃ１＋Ｖｓｔａｒｔ＋Ｖｆ＝∫Ｉｄｔ／Ｃ１＋Ｖ´ｏｕｔを導きだすことができる。なお、ここでＶ´ｏｕｔ＝Ｖｓｔａｒｔ＋Ｖｆは定数である。
さらに、式（７）及び式（８）から、式（９）：∫Ｉｄｔ／Ｃ１＋Ｚ×Ｉ＋Ｌ１×ｄＩ／ｄｔ＝Ｖ１ ＩＮ－Ｖ´ｏｕｔを導きだすことができる。式（９）の微分方程式を解くことで、Ｔｏｆｆ期間の電流Ｉを時間ｔ、コンデンサ容量Ｃ１、内部インピーダンスＺ、インダクタンスＬ１、Ｖ１ ＩＮ、Ｖ´ｏｕｔ、Ｋの関数で表すことができる。Ｔｏｆｆ期間の開始時間をｔ＝０とした場合に、その時の電流Ｉの初期値Ｉ（０）はＩ（０）＝Ｋ×Ｖ１ ＩＮ／Ｚである。Ｔｏｆｆ期間が終了した時（つまり、トランジスタＴｒがＯＮからＯＦＦに切り替わってから時間Ｔ２が経過し、電流Ｉがゼロとなった時）、Ｉ（Ｔ２）＝０である。コンデンサ容量Ｃ１、インダクタンスＬ１、Ｖ´ｏｕｔは定数であり、Ｉ（０）、Ｔ２を測定すれば、Ｖ１ ＩＮとＺの値をそれぞれ算出することができる。
Ｚについては、上で述べた方法と異なり、簡易的に求めることも可能である。Ｔｏｆｆ期間中、Ｖ１ ＯＵＴは、Ｖ２ ＩＮに比べて１０倍ほど大きい電圧であるため、ｄＩ／ｄｔも大きな値となる。この場合、式（４）における∫Ｉｄｔは、図４において三角形Ｓの面積に相当する。従って、式（４）より式（９）：∫Ｉｄｔ＝Ｋ×Ｖ１ ＩＮ／Ｚ×Ｔ２／２＝Ｃ１×ΔＶが導きさせる。ここで、Ｔｏｎ時間を十分に長くとればＫ≒１と近似できるから、式（９）にＫ＝１を代入すると、式（１０）：Ｖ１ ＩＮ／Ｚ×Ｔ２／２＝Ｃ１×ΔＶが導き出される。Ｃ１は定数であり、Ｔｏｆｆ期間を十分に長くとった時点（電流Ｉが最小値となった時点）でのΔＶ、Ｔｏｆｆ期間を十分に長くとった時点（電流Ｉが最小値となった時点）でのＶ１ ＩＮ、Ｔ２（Ｖ１ ＯＵＴがＶ２ ＩＮと等しくなったときの時間）から、Ｚを算出することができる。なお、Ｔｏｆｆ期間を十分に長くとった時点（電流Ｉが消費された時点）では、Ｖ１ ＩＮ＝Ｖ２ ＩＮであるため、Ｖ２ ＩＮを測定することで、Ｖ１ ＩＮを特定することができる。
なお、内部インピーダンスＺの算出は、制御部により実行される。
［センサシステム］
本発明の実施の形態にかかるセンサシステムは、上記センサを活用したセンサシステムである。センサの第一導電部１及び第二導電部２が媒体４に接触することで、電力を得ることができ、センサの制御部により、該センサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴが測定される。つまり、センサの第一導電部１及び第二導電部２が媒体４に接触すると、該センサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴが測定される。
測定される入力電圧ＶＩＮは、例えば、Ｔｏｆｆ期間を十分に長くとり、電流Ｉがゼロになった時点での入力電圧Ｖ２ ＩＮであり、センサによって測定される出力電圧ＶＯＵＴは、例えば、Ｔｏｆｆ期間を十分に長くとり、電流Ｉがゼロになった時点での出力電圧Ｖ２ ＯＵＴであってもよい。また、センサによって測定される入力電圧ＶＩＮは、例えば、Ｔｏｆｆ期間を開始した時点での入力電圧Ｖ２ ＩＮであり、センサによって測定される出力電圧ＶＯＵＴは、例えば、Ｔｏｆｆ期間を開始した時点での出力電圧Ｖ２ ＯＵＴであってもよい。Ｔｏｆｆ期間が開始した時の入力電圧Ｖ２ ＩＮは、式（３）から明らかなように、インピーダンスＺに依存した値となる。逆に言えば、この入力電圧Ｖ２ ＩＮを測定することで、インピーダンスＺを含めた入力電圧の変動を把握することができる。よって、Ｔｏｆｆ期間が開始した時の入力電圧Ｖ２ ＩＮは、測定データとして有効である。
測定された、センサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴに関する情報は、センサの通信部から、他のコンピュータ装置へ送信される。
ここで、他のコンピュータ装置は、通信部、及び制御部を有するコンピュータ装置であれば特に限定されないが、例えば、サーバ装置、他のセンサが備えるマイコン、デスクトップ型・ノート型のパーソナルコンピュータ、タブレット型端末、スマートフォン、従来型の携帯電話などが挙げられる。他のコンピュータ装置が、デスクトップ型・ノート型のパーソナルコンピュータ、タブレット型端末、スマートフォン、従来型の携帯電話など（以下、端末装置という）の場合は、本発明のセンサシステムを利用するための専用のアプリケーションがインストールされていることが好ましい。
本発明の実施の形態にかかるセンサシステムは、上記センサを少なくとも２つ以上備えるものであり、それぞれのセンサは、上記の構成を備えるものである。
（センサシステムの第一の実施の形態）
本発明の第一の実施の形態にかかるセンサシステムは、異なる位置に設置された、少なくとも２つ以上のセンサを備えるものである。センサの数は２つに限定されず、用途に応じて適宜設計することができる。ここで、異なる位置に設置された、とは、所定の距離を置いて設置された、ということを表す。所定の距離は、数メートルでも、数百メートルでも、数キロメートルでもよく、適宜設計可能である。
異なる位置に設置された少なくとも２つ以上のセンサは、それぞれ、上記構成を備えるものである。そして、センサの第一導電部１及び第二導電部２が媒体４に接触すると、電力が発生し、該センサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴが測定される。そして、少なくとも１のセンサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴと、該１のセンサとは異なる他のセンサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴとが、所定の条件を満たすかが検知される。
各センサにおいて測定された内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴに関する情報は、該センサの通信部から、他のコンピュータ装置へ送信される。そして、他のコンピュータ装置によって、所定の条件を満たすか否かの判定が行われる。ここで、他のコンピュータ装置は、通信部、及び制御部を有するコンピュータ装置であれば特に限定されないが、例えば、サーバ装置、他のセンサが備えるマイコン、端末装置が挙げられる。他のコンピュータ装置は、専用アプリケーションがインストールされていることが好ましい。
また、他のコンピュータ装置がサーバ装置である場合であって、サーバ装置によって少なくとも２つ以上のセンサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴが、所定の条件を満たすことが検知されたときには、サーバ装置の通信部から、端末装置に、所定の条件を満たしたことなどを通知する旨の情報が送信されることとしてもよい。そして、所定の条件を満たしたことなどを通知する旨の情報は、端末装置の表示画面に表示され、あるいは、端末装置の音声出力部から音声として出力されることとしてもよい。
また、一のセンサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴを、他のセンサに送信し、他のセンサが備えるマイコンにて、一のセンサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴと、他のセンサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴとが、所定の条件を満たすか否かを判定することができる。
例えば、センサシステムが備える少なくとも２つ以上のセンサのうちの一つをマスタセンサとし、他の全てのセンサをサブセンサとしてもよい。この場合、サブセンサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴに関する情報はマスタセンサに送信され、マスタセンサのマイコンによって、少なくとも２つ以上のセンサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴが所定の条件を満たすかが検知される。また、この場合、マスタセンサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴに関する情報は、他のセンサに送信されず、マスタセンサの備えるマイコンによって、少なくとも２つ以上のセンサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴが所定の条件を満たすかが検知される際に利用される。
そして、マスタセンサのマイコンによって、少なくとも２つ以上のセンサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴが所定の条件を満たすことが検知された場合には、マスタセンサの通信部から、サーバ装置、又は端末装置に、所定の条件を満たしたことなどを通知する旨の情報が送信されることとしてもよい。サーバ装置に所定の条件を満たしたことなどを通知する旨の情報が送信された場合は、サーバ装置の通信部から、さらに、端末装置に、所定の条件を満たしたことなどを通知する旨の情報が送信されることとしてもよい。そして、所定の条件を満たしたことなどを通知する旨の情報は、端末装置の表示画面に表示され、あるいは、端末装置の音声出力部から音声として出力されることとしてもよい。
所定の条件を満たす、とは、少なくとも２つ以上のセンサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴの関係が、所定の条件を満たすことでもよい。例えば、あるセンサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴと、あるセンサとは異なる他のセンサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴとの大小関係が、所定の条件を満たすことでもよい。
あるいは、所定の条件を満たす、とは、少なくとも２つ以上のセンサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴが、それぞれ、所定の条件を満たすことでもよい。例えば、あるセンサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴと、あるセンサとは異なる他のセンサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴとが、それぞれ、所定の閾値を超える、所定の閾値以上となる、所定の閾値より小さくなる、又は、所定の閾値以下となる等の条件を満たすことでもよい。
例えば、本発明の第一の実施の形態にかかるセンサシステムは、上記センサを、山の山頂部と該山の山麓部の地面に設置することで、該山の土砂災害の危険性を予測するために利用することができる。この場合、センサの第一導電部１及び第二導電部２の長手方向が、地面に対して垂直になるように、そして、センサの第一導電部１及び第二導電部２の少なくとも一部が、地面の土に接するように、あるいは、地中に埋まるように、センサを設置することが好ましい。
この場合、センサが利用する媒体４は、山の地面の土と、土が含有する水となる。そして、土が含有する水の量の割合、すなわち、土の含水率によって、センサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴ（以下、センサにおける内部インピーダンスＺ等、という）は変化する。センサにおける内部インピーダンスＺ等と土の含水率の関係（例えば、センサにおける内部インピーダンスＺが何ｋΩのときに、土の含水率は何質量％であるか、などの関係）は、予め測定され、サーバ装置などの、記憶部を有する他のコンピュータ装置に記憶されていることが好ましい。
ここでは、センサによって測定された、センサにおける内部インピーダンスＺ等に関する情報は、該センサの通信部から、サーバ装置へ送信されることとする。そして、サーバ装置には、センサにおける内部インピーダンスＺ等と土の含水率の関係が記憶されていることとする。
例えば、雨などにより山の地面の土の含水率が高くなると、センサにおける内部インピーダンスＺ等は変化する。そして、サーバ装置によって、山の山麓部に設置したセンサにおける内部インピーダンスＺ等と、該山の山頂部に設置したセンサにおける内部インピーダンスＺ等が所定の条件を満たすことが検知された場合、サーバ装置の通信部から、端末装置に、所定の条件を満たしたことなどを通知する旨の情報が送信される。
そして、所定の条件を満たしたことなどを通知する旨の情報は、端末装置の表示画面に表示され、あるいは、端末装置の音声出力部から音声として出力される。このとき、端末装置において、山の山麓部と該山の山頂部の地面の土の含水率に関する情報も確認できることが好ましい。山の山麓部と該山の山頂部の地面の土の含水率に関する情報が確認できることで、該山の土砂災害の危険性がどの程度高くなっているのかが把握しやすくなる。
なお、このときの所定の条件を満たした場合とは、例えば、山の山麓部に設置したセンサにおける内部インピーダンスＺ等が、該山の山頂部に設置したセンサにおける内部インピーダンスＺ等の２倍よりも大きくなった場合など、所定の不等式で示される条件を満たす場合が挙げられる。所定の条件を満たすことで、例えば、該山の山麓部の地面の土の含水率は、該山の山頂部の地面の土の含水率よりも高くなっており、該山の山麓部の土砂災害の危険性が高くなっていることが分かる。
あるいは、このときの所定の条件を満たした場合とは、例えば、山の山麓部に設置したセンサにおける内部インピーダンスＺ等と、該山の山頂部に設置したセンサにおける内部インピーダンスＺ等のそれぞれが、平常時の各部に設置したセンサにおける内部インピーダンスＺ等（平均的な雨量の一年間、あるいは特定の季節における、センサにおける内部インピーダンスＺ等の平均的な値）の２倍よりも大きくなった場合などが挙げられる。所定の条件を満たすことで、例えば、該山の山麓部の地面の土の含水率、及び、該山の山頂部の地面の土の含水率は、ともに平常時よりも高くなっており、該山全体の土砂災害の危険性が高くなっていることが分かる。
第一の実施の形態では、センサシステムにより、センサを設置した地面の土の含水率の変化を検知する構成としたが、例えば、センサを設置した地面の土の性質（ｐＨや組成）に変化があった場合でも、センサにおける内部インピーダンスＺ等をもとに、この変化を検知することが可能である。また、第一の実施の形態では、地面の土と、土が含有する水を媒体として利用することについて述べたが、本発明のセンサは、土や水とは異なるもの、例えば、木材などを媒体として利用することができる。
（センサシステムの第二の実施の形態）
本発明の第二の実施の形態にかかるセンサシステムは、同じ位置に設置された、少なくとも２つ以上のセンサを備えるものであり、一のセンサにおける第一導電部及び第二導電部の組み合わせと、該一のセンサとは異なる他のセンサにおける第一導電部及び第二導電部の組み合わせが異なるものである。ここで、同じ位置に設置された、とは、所定の距離以内に設置された、ということを表す。所定の距離は、数メートルでも、数十センチメートルでも、数センチメートルでもよく、適宜設計可能である。
同じ位置に設置された、少なくとも２つ以上のセンサは、それぞれ、上記構成を備えている。そして、センサの第一導電部１及び第二導電部２が媒体４に接触すると、該センサによって、該センサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴが測定される。
ただし、一のセンサにおける第一導電部及び第二導電部の組み合わせと、該一のセンサとは異なる他のセンサにおける第一導電部及び第二導電部の組み合わせが異なるものであるため、同じ位置に設置されていても、つまり、同じ媒体に接触していても、一のセンサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴと、該一のセンサとは異なる他のセンサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴは、異なるものとなる。一のセンサにおける第一導電部及び第二導電部の組み合わせと、該一のセンサとは異なる他のセンサにおける第一導電部及び第二導電部の組み合わせが異なるものであるとは、一のセンサにおける第一導電部及び第二導電部の素材の組み合わせと、該一のセンサとは異なる他のセンサにおける第一導電部及び第二導電部の素材の組み合わせが異なるものであるということを表す。具体的には、例えば、一のセンサにおける第一導電部及び第二導電部の素材には、亜鉛とステンレスが用いられ、該一のセンサとは異なる他のセンサにおける第一導電部及び第二導電部の素材には、亜鉛と白金が用いられるようなことである。
測定された、センサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴに関する情報は、センサの通信部から、他のコンピュータ装置へ送信される。そして、他のコンピュータ装置によって、少なくとも２つ以上のセンサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴが、所定の条件を満たすかが検知される。
ここで、他のコンピュータ装置は、通信部、及び制御部を有するコンピュータ装置であれば特に限定されないが、例えば、サーバ装置、他のセンサが備えるマイコン、端末装置が挙げられる。他のコンピュータ装置が、端末装置の場合は、専用アプリケーションがインストールされていることが好ましい。
また、他のコンピュータ装置がサーバ装置である場合であって、サーバ装置によって少なくとも２つ以上のセンサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴが、所定の条件を満たすことが検知されたときには、サーバ装置の通信部から、端末装置に、所定の条件を満たしたことなどを通知する旨の情報が送信されることとしてもよい。そして、所定の条件を満たしたことなどを通知する旨の情報は、端末装置の表示画面に表示され、あるいは、端末装置の音声出力部から音声として出力されることとしてもよい。
他のコンピュータ装置が他のセンサが備えるマイコンである場合には、例えば、センサシステムが備える少なくとも２つ以上のセンサのうちの一つをマスタセンサとし、他の全てのセンサをサブセンサとしてもよい。この場合、サブセンサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴに関する情報はマスタセンサに送信され、マスタセンサのマイコンによって、少なくとも２つ以上のセンサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴが所定の条件を満たすかが検知される。また、この場合、マスタセンサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴに関する情報は、他のセンサが備えるマイコンに送信されず、マスタセンサのマイコンによって、少なくとも２つ以上のセンサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴが所定の条件を満たすかが検知される際に利用される。
そして、マスタセンサのマイコンによって、少なくとも２つ以上のセンサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴが所定の条件を満たすことが検知された場合には、マスタセンサの通信部から、サーバ装置、又は端末装置に、所定の条件を満たしたことなどを通知する旨の情報が送信されることとしてもよい。サーバ装置に所定の条件を満たしたことなどを通知する旨の情報が送信された場合は、サーバ装置の通信部から、さらに、端末装置に、所定の条件を満たしたことなどを通知する旨の情報が送信されることとしてもよい。そして、所定の条件を満たしたことなどを通知する旨の情報は、端末装置の表示画面に表示され、あるいは、音声出力部から音声として出力されることとしてもよい。
所定の条件を満たす、とは、少なくとも２つ以上のセンサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴの関係が、所定の条件を満たすことでもよい。例えば、あるセンサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴと、あるセンサとは異なる他のセンサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴとの大小関係が、所定の条件を満たすことでもよい。
あるいは、所定の条件を満たす、とは、少なくとも２つ以上のセンサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴが、それぞれ、所定の条件を満たすことでもよい。例えば、あるセンサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴと、あるセンサとは異なる他のセンサにおける内部インピーダンスＺ、又は、昇圧回路若しくは降圧回路における入力電圧ＶＩＮ若しくは出力電圧ＶＯＵＴとが、それぞれ、所定の閾値を超える、所定の閾値以上となる、所定の閾値より小さくなる、又は、所定の閾値以下となる等の条件を満たすことでもよい。
本発明の実施の形態にかかるセンサシステムは、センサが自立した電源を備えているため、センサを駆動するための外部電源の確保や電池の交換等の手間が省け、センサ、及びセンサシステムの長期的な利用が容易となる。
本発明の実施の形態において、「導電部」とは、例えば、通電可能部材であればよく、材質を問わない。「機能部」とは、例えば、電流を流すことで所定の機能を実行するものをいう。機能は、電気を光や熱等のエネルギーに変換するもの、回路を制御するものであってもよい。
本発明の実施の形態において、「昇圧回路」とは、例えば、入力電圧を昇圧して出力する回路をいう。「降圧回路」とは、例えば、入力電圧を降圧して出力する回路をいう。「導電性ポリマー」とは、例えば、電気伝導性を持つ高分子化合物をいう。「カーボン」とは、例えば、導電性を有する炭素繊維をいう。「一体的に構成」とは、例えば、異なる物体同士を接合させることをいい、より具体的には、接着剤による接着、他の部材を使用した機械的接合、溶接、圧着等、化学的及び／又は物理的な力により接合させることが挙げられる。
［参考例］
以下、本発明の実施の形態にかかる参考例を記載する。本発明はこれらの参考例により何ら限定されるものではない。
（参考例１）
以下の試験は、常温、常圧で行った。図１（Ａ）に示す、第一導電部１、第二導電部２、機能部３及び媒体４を備える回路を用いた。第一導電部１として、ステンレス製（オーステナイト、ＳＵＳ３０４系）の板状部材（０．５ｍｍ厚、１０ｃｍ×１５ｃｍ）を用い、第二導電部２として、亜鉛メッキ鋼板（鉄）製の板状部材（０．５ｍｍ厚、１０ｃｍ×１５ｃｍ）を用い、第一導電部１、第二導電部２及び機能部３を、それぞれ銅製の導線で接続した。機能部３は、電力消費部、出力電圧変換部、通信部及び制御部を備えている。また、その入力インピーダンスは１ｋΩ以上であり、非線形な電流－電圧特性を有するものを用いた。電力消費部には、２ｍＡ以上の電流が流れると点灯するＬＥＤ電球を用いた。出力電圧変換部には図２（Ａ）に示す昇圧回路を用い、図３のようなセンサを構成した。
第一導電部１を、出力電圧変換部の昇圧回路の入力端子Ａ１に接続し、また、昇圧回路の出力端子Ｂ１をＬＥＤ電球に接続した。さらに、第二導電部２を、昇圧回路の入力端子Ａ２に接続し、また、昇圧回路の出力端子Ｂ２を、ＬＥＤ電球の出力端子Ｂ１と接続されている端子とは反対側の端子に接続した。
アクリル製容器（外径１５ｃｍ×１５ｃｍ×１５ｃｍの立方体、内径１４．５ｃｍ）に高さ７．５ｃｍまで、純水（古河薬品工業株式会社製、高純度精製水、温度２５度：媒体４）を入れ、第一導電部１及び第二導電部２を浸してセンサを構築した。第一導電部１及び第二導電部２は非接触であり、第一導電部１及び第二導電部２の距離は１２ｃｍであり、第一導電部１と第二導電部２の板状の平面が平行になるように設置した。
センサの第一導電部１及び第二導電部２との間の電圧を測定した（測定１）。測定には、Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製の３４４０１Ａマルチメーターを使用した。結果を表１に示す。参考例１に示したセンサでは、ＬＥＤ電球は２７０～３３０秒おきに点滅を繰り返した。すなわち、第一導電部１及び／又は第二導電部２から、起電していることを確認できた。
次に、アクリル製容器（外径１５ｃｍ×１５ｃｍ×１５ｃｍの立方体、内径１４．５ｃｍ）に高さ７．５ｃｍまで、純水（古河薬品工業株式会社製、高純度精製水、温度２５度：媒体４）を入れ、第一導電部１及び第二導電部２を浸した。第一導電部１及び第二導電部２は非接触であり、第一導電部１及び第二導電部２の距離は１２ｃｍであり、第一導電部１と第二導電部２の板状の平面は、平行になるように設置した。また、第一導電部１及び第二導電部２が、電気的に接続されていない状態とした。そして、３４４０１Ａマルチメーターを用いて、第一導電部１及び第二導電部２との間の電圧を測定した（測定２）。さらに、この状態において、第一導電部１と第二導電部２との間の媒体４の抵抗値を測定した（測定３）。
（参考例２）
媒体４を、土（株式会社プロトリーフ製、観葉植物の土）に変更したこと以外は、参考例１と同様にして、測定１～３を実施した。結果を表１に示す。参考例２に示したセンサでは、ＬＥＤ電球は２１～２３秒おきに、略等間隔に点滅を繰り返した。すなわち、第一導電部１及び／又は第二導電部２から、起電していることを確認できた。
（参考例３）
純水（参考例１のものと同じ）５０ｇに塩（伯方塩業株式会社製、伯方の塩）５ｇを溶かした水溶液に浸したウエスを、媒体４と接触する第一導電部１及び第二導電部２の面に貼り付け、媒体４を砂（トーヨーマテラン株式会社製、粒度ピーク（重量比）が、約０．９ｍｍの珪砂）に変更したこと以外は、参考例１と同様にして、測定１～３を実施した。結果を表１に示す。参考例２に示したセンサでは、ＬＥＤ電球は８０～１００秒おきに点滅を繰り返した。すなわち、第一導電部１及び／又は第二導電部２から、起電していることを確認できた。
Figure 0007416487000001
（参考例４）
参考例１において、アクリル製容器に、高さ７．５ｃｍまで純水を入れていたところ、高さ１０ｃｍまで純水を追加した。純水を追加することで、前述したセンサの内部インピーダンスの変化を確認できた。また、純水を追加することで、Ｔｏｆｆ期間が開始した時の入力電圧Ｖ２ ＩＮの変化を確認できた。なお、内部インピーダンスは、上述した算定方法により算定した。
（参考例５）
参考例２において、土に水を加え、含水率を高くしたところ、前述したセンサの内部インピーダンスの変化を確認できた。また、水を追加することで、Ｔｏｆｆ期間が開始した時の入力電圧Ｖ２ ＩＮの変化を確認できた。なお、内部インピーダンスは、上述した算定方法により算定した。
１ 第一導電部、２ 第二導電部、３ 機能部、４ 媒体、５ 絶縁部

Claims (19)

  1. 異なる位置に設置された複数のセンサを備えるセンサシステムであって、
    センサのそれぞれが、
    第一導電部及び第二導電部と、
    媒体と、
    機能部と
    を備え、
    第一導電部及び機能部は接続されており、
    第二導電部及び機能部は接続されており、
    第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部が該媒体と接触し、
    第一導電部及び第二導電部は、互いに非接触であり、
    第一導電部及び第二導電部が異なる素材からなるものであり、
    第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部が該媒体と接触することによって、発電するものであり、
    一のセンサの内部インピーダンスと他のセンサの内部インピーダンスが、所定の条件を満たすことを検知する、センサシステム。
  2. 異なる位置に設置された複数のセンサを備えるセンサシステムであって、
    センサのそれぞれが、
    第一導電部及び第二導電部と、
    媒体と、
    機能部と
    を備え、
    第一導電部及び機能部は接続されており、
    第二導電部及び機能部は接続されており、
    第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部が該媒体と接触し、
    第一導電部及び第二導電部は、互いに非接触であり、
    第一導電部及び第二導電部が異なる素材からなるものであり、
    第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部が該媒体と接触することによって、発電するものであり、
    一のセンサ内の所定の電圧と他のセンサ内の所定の電圧が、所定の条件を満たすことを検知する、センサシステム。
  3. 複数のセンサを備えるセンサシステムであって、
    センサのそれぞれが、
    第一導電部及び第二導電部と、
    媒体と、
    機能部と
    を備え、
    第一導電部及び機能部は接続されており、
    第二導電部及び機能部は接続されており、
    第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部が該媒体と接触し、
    第一導電部及び第二導電部は、互いに非接触であり、
    第一導電部及び第二導電部が異なる素材からなるものであり、
    第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部が該媒体と接触することによって、発電するものであり、
    一のセンサの第一導電部及び第二導電部の組み合わせと、他のセンサの第一導電部及び第二導電部の組み合わせとが異なるものであり、
    一のセンサの内部インピーダンスと他のセンサの内部インピーダンスが、所定の条件を満たすことを検知する、センサシステム。
  4. 複数のセンサを備えるセンサシステムであって、
    センサのそれぞれが、
    第一導電部及び第二導電部と、
    媒体と、
    機能部と
    を備え、
    第一導電部及び機能部は接続されており、
    第二導電部及び機能部は接続されており、
    第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部が該媒体と接触し、
    第一導電部及び第二導電部は、互いに非接触であり、
    第一導電部及び第二導電部が異なる素材からなるものであり、
    第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部が該媒体と接触することによって、発電するものであり、
    一のセンサの第一導電部及び第二導電部の組み合わせと、他のセンサの第一導電部及び第二導電部の組み合わせとが異なるものであり、
    一のセンサ内の所定の電圧と他のセンサ内の所定の電圧が、所定の条件を満たすことを検知する、センサシステム。
  5. 機能部が、昇圧回路又は降圧回路を備える、請求項１～４のいずれかに記載のセンサシステム。
  6. 機能部が、昇圧回路又は降圧回路を備え、
    センサ内の所定の電圧が、昇圧回路又は降圧回路の入力電圧又は出力電圧である、請求項２又は４に記載のセンサシステム。
  7. 機能部が、出力インピーダンスを変換する変換機能を有する、請求項１～６のいずれかに記載のセンサシステム。
  8. 機能部が蓄電部を有し、
    第一導電部及び／又は第二導電部から供給される電荷を蓄電部が蓄積し、
    蓄積に要した時間よりも短い時間で、蓄積した電荷を放出する機能を有する、請求項１～７のいずれかに記載のセンサシステム。
  9. 機能部が出力電圧変換部を有する、請求項１～８のいずれかに記載のセンサシステム。
  10. 機能部の入力インピーダンスが非線形な電流－電圧特性を有する、請求項１～９のいずれかに記載のセンサシステム。
  11. 媒体が水分を含有する土を含むものである、請求項１～１０のいずれかに記載のセンサシステム。
  12. 異なる位置に設置された複数のセンサを備えるセンサ装置であって、
    センサのそれぞれが、
    第一導電部及び第二導電部と、
    機能部と
    を備え、
    第一導電部及び機能部は接続されており、
    第二導電部及び機能部は接続されており、
    第一導電部及び第二導電部は、互いに非接触であり、
    第一導電部及び第二導電部が異なる素材からなるものであり、
    第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部が媒体と接触することによって、発電するものであり、
    第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部を媒体と接触させた場合における、一のセンサの内部インピーダンスと他のセンサの内部インピーダンスが、所定の条件を満たすことを検知する、センサ装置。
  13. 異なる位置に設置された複数のセンサを備えるセンサ装置であって、
    センサのそれぞれが、
    第一導電部及び第二導電部と、
    機能部と
    を備え、
    第一導電部及び機能部は接続されており、
    第二導電部及び機能部は接続されており、
    第一導電部及び第二導電部は、互いに非接触であり、
    第一導電部及び第二導電部が異なる素材からなるものであり、
    第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部が媒体と接触することによって、発電するものであり、
    第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部を媒体と接触させた場合における、一のセンサ内の所定の電圧と他のセンサ内の所定の電圧が、所定の条件を満たすことを検知する、センサ装置。
  14. 複数のセンサを備えるセンサ装置であって、
    センサのそれぞれが、
    第一導電部及び第二導電部と、
    機能部と
    を備え、
    第一導電部及び機能部は接続されており、
    第二導電部及び機能部は接続されており、
    第一導電部及び第二導電部は、互いに非接触であり、
    第一導電部及び第二導電部が異なる素材からなるものであり、
    第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部が媒体と接触することによって、発電するものであり、
    一のセンサの第一導電部及び第二導電部の組み合わせと、他のセンサの第一導電部及び第二導電部の組み合わせとが異なるものであり、
    第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部を媒体と接触させた場合における、一のセンサの内部インピーダンスと他のセンサの内部インピーダンスが、所定の条件を満たすことを検知する、センサ装置。
  15. 複数のセンサを備えるセンサ装置であって、
    センサのそれぞれが、
    第一導電部及び第二導電部と、
    機能部と
    を備え、
    第一導電部及び機能部は接続されており、
    第二導電部及び機能部は接続されており、
    第一導電部及び第二導電部は、互いに非接触であり、
    第一導電部及び第二導電部が異なる素材からなるものであり、
    第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部が媒体と接触することによって、発電するものであり、
    一のセンサの第一導電部及び第二導電部の組み合わせと、他のセンサの第一導電部及び第二導電部の組み合わせとが異なるものであり、
    第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部を媒体と接触させた場合における、一のセンサ内の所定の電圧と他のセンサ内の所定の電圧が、所定の条件を満たすことを検知する、センサ装置。
  16. 異なる位置に設置された複数のセンサを備えるセンサシステムにおいて実行されるセンシング方法であって、
    センサのそれぞれが、
    第一導電部及び第二導電部と、
    媒体と、
    機能部と
    を備え、
    第一導電部及び機能部は接続されており、
    第二導電部及び機能部は接続されており、
    第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部が該媒体と接触し、
    第一導電部及び第二導電部は、互いに非接触であり、
    第一導電部及び第二導電部が異なる素材からなるものであり、
    第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部が該媒体と接触することによって、発電するものであり、
    センサシステムが、
    一のセンサの内部インピーダンスと他のセンサの内部インピーダンスが、所定の条件を満たすことを検知する、センシング方法。
  17. 異なる位置に設置された複数のセンサを備えるセンサシステムにおいて実行されるセンシング方法であって、
    センサのそれぞれが、
    第一導電部及び第二導電部と、
    媒体と、
    機能部と
    を備え、
    第一導電部及び機能部は接続されており、
    第二導電部及び機能部は接続されており、
    第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部が該媒体と接触し、
    第一導電部及び第二導電部は、互いに非接触であり、
    第一導電部及び第二導電部が異なる素材からなるものであり、
    第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部が該媒体と接触することによって、発電するものであり、
    センサシステムが、
    一のセンサ内の所定の電圧と他のセンサ内の所定の電圧が、所定の条件を満たすことを検知する、センシング方法。
  18. 複数のセンサを備えるセンサシステムにおいて実行されるセンシング方法であって、
    センサのそれぞれが、
    第一導電部及び第二導電部と、
    媒体と、
    機能部と
    を備え、
    第一導電部及び機能部は接続されており、
    第二導電部及び機能部は接続されており、
    第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部が該媒体と接触し、
    第一導電部及び第二導電部は、互いに非接触であり、
    第一導電部及び第二導電部が異なる素材からなるものであり、
    第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部が該媒体と接触することによって、発電するものであり、
    一のセンサの第一導電部及び第二導電部の組み合わせと、他のセンサの第一導電部及び第二導電部の組み合わせとが異なるものであり、
    センサシステムが、
    一のセンサの内部インピーダンスと他のセンサの内部インピーダンスが、所定の条件を満たすことを検知する、センシング方法。
  19. 複数のセンサを備えるセンサシステムにおいて実行されるセンシング方法であって、
    センサのそれぞれが、
    第一導電部及び第二導電部と、
    媒体と、
    機能部と
    を備え、
    第一導電部及び機能部は接続されており、
    第二導電部及び機能部は接続されており、
    第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部が該媒体と接触し、
    第一導電部及び第二導電部は、互いに非接触であり、
    第一導電部及び第二導電部が異なる素材からなるものであり、
    第一導電部及び第二導電部の少なくとも一部が該媒体と接触することによって、発電するものであり、
    一のセンサの第一導電部及び第二導電部の組み合わせと、他のセンサの第一導電部及び第二導電部の組み合わせとが異なるものであり、
    センサシステムが、
    一のセンサ内の所定の電圧と他のセンサ内の所定の電圧が、所定の条件を満たすことを検知する、センシング方法。
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