特開 2023-183009 農業用水位センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023183009

(43)【公開日】2023-12-27

(54)【発明の名称】農業用水位センサ

(51)【国際特許分類】

   G01F 23/263 20220101AFI20231220BHJP

【ＦＩ】

G01F23/263

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022096361

(22)【出願日】2022-06-15

(71)【出願人】

【識別番号】000110778

【氏名又は名称】ニシム電子工業株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】304036754

【氏名又は名称】国立大学法人山形大学

(74)【代理人】

【識別番号】100099634

【弁理士】

【氏名又は名称】平井 安雄

(72)【発明者】

【氏名】中村 浩幸

(72)【発明者】

【氏名】多田 宜泰

(72)【発明者】

【氏名】柳田 朋香

(72)【発明者】

【氏名】古川 忠宏

(72)【発明者】

【氏名】安部 雅則

(72)【発明者】

【氏名】河村 祐輝

(72)【発明者】

【氏名】高橋 辰宏

【テーマコード（参考）】

2F014

【Ｆターム（参考）】

2F014AB02

2F014AB03

2F014EA00

(57)【要約】

【課題】支柱の側面形状に沿ってシート状の電極を貼付することで、支柱内の洗浄等のメンテナンス性を向上すると共に、非接触での圃場の水位測定を可能とする農業用水位センサを提供することを目的とする。
【解決手段】測定対象となる圃場Ｄに立設される支柱２と、導電性パターンからなる複数の電極３が形成されたシート状のセンサ部４と、電極３間の静電容量の変化に基づいて圃場Ｄの水位を算出する演算部５とを備え、周方向に湾曲する湾曲面を有する中空の長尺物である支柱２の当該湾曲面に沿ってセンサ部４が貼着される。また、必要に応じて電極３の表面側、又は電極３との間にプラスチックシート６を挟んだ裏面側に熱を反射する反射パターン１０が形成されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定対象となる圃場に立設される支柱と、
導電性パターンからなる複数の電極が形成されたシート状のセンサ部と、
前記電極間の静電容量の変化に基づいて前記圃場の水位を算出する制御部とを備え、
前記支柱の側面形状に沿って前記センサ部が貼着されることを特徴とする農業用水位センサ。

【請求項2】

請求項１に記載の農業用水位センサにおいて、
前記支柱が周方向に湾曲する湾曲面を有する中空の長尺物であり、前記湾曲面に前記センサ部が貼着されることを特徴とする農業用水位センサ。

【請求項3】

請求項２に記載の農業用水位センサにおいて、
前記電極が前記支柱の周方向に対して平行ではないスリットを有することを特徴とする農業用水位センサ。

【請求項4】

請求項１ないし３のいずれかに記載の農業用水位センサにおいて、
前記電極の表面側、又は前記電極との間にシート体を挟んだ裏面側に熱を反射する反射パターンが形成されていることを特徴とする農業用水位センサ。

【請求項5】

請求項４に記載の農業用水位センサにおいて、
前記導電性パターンが銀ペーストを印刷して形成されることを特徴とする農業用水位センサ。

【請求項6】

請求項４に記載の農業用水位センサにおいて、
前記反射パターンが、前記支柱の周方向に対して所定の長さ以上のサイズを有する電極に対して形成されることを特徴とする農業用水位センサ。

【請求項7】

請求項４に記載の農業用水位センサにおいて、
前記反射パターンの範囲が少なくとも前記電極の範囲の全てを含むことを特徴とする農業用水位センサ。

【請求項8】

請求項１に記載の農業用水位センサにおいて、
前記センサ部はシート体の表面に電極が形成されており、
少なくとも前記支柱の内壁面と前記シート体との間に前記電極が防水されて配置される農業用水位センサ。

【請求項9】

請求項２に記載の農業用水位センサにおいて、
前記電極が前記支柱の内壁面に貼着されており、
前記支柱は前記圃場に立設している状態で中空が維持され、前記支柱の外側領域における水位が測定されることを特徴とする農業用水位センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、圃場の水位を測定する農業用水位センサに関する。

【背景技術】

【0002】

圃場などの水位を測定することが可能な技術として、例えば特許文献１、２に示す技術が開示されている。特許文献１に示す技術は、暫定水位計測部は、電極の重複する計測範囲に水位があるときに、電極ごとに計測された電荷量に基づいて暫定水位を計測し、重み決定部は、暫定水位と各電極との相対的な位置関係に基づいて各計測値に対する重み付けを決定し、重み付き平均値計算部は、電極ごとに得られる計測結果に前記重み値に基づく重み付き平均値を計算して総合水位とするものである。

【0003】

また、特許文献２に示す技術は、電極選択部は、電極下端部に対応する水位の計測値が未登録の電極を選択し、ゲイン切換部は増幅器のゲインを調整し、下端部検知部は、水位が電極の下端部にあるか否かを最大ゲインで検知し、下端部電圧登録部は、水位が電極の下端部にあるときの電極の電荷量を通常ゲインで計測し、下端部水位代表値として登録し、隣接水位代表値登録部は、水位が電極の下端部にあるときの隣接電極の電荷量を通常ゲインで計測し、隣接水位代表値として登録し、補正係数等決定部は、隣接電極の各代表値に基づいて、隣接電極の計測値を較正するための補正係数や関数を求めるものである。

【0004】

これ以外にも水位センサに関する技術として、例えば特許文献３に示す技術が開示されている。特許文献３には、水と非接触の状態で静電容量を計測し、水位を測定することが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１７－２１５１６０号公報

【特許文献2】特開２０１７－２１５１５９号公報

【特許文献3】特開２０１７－１８１０８６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１、２に示す技術は、複数の電極が平板状の基板に形成されており、当該基板を円筒状の支柱内に固定して水位を測定する構造となっている。しかしながら、このような構造の場合、基板が水に浸漬されることで当該基板が水を吸湿してしまい、状況に応じて計測精度が低下してしまう場合がある。また、半年程度の長期間に亘り圃場に設置する場合は、圃場内の様々な成分により汚れが付着してしまうという問題がある。そのためシーズンオフの期間で支柱内を洗浄する必要があるが、支柱内に基板が固定されているため分解することが困難であり、またスポンジがブラシを通す空間もないことから、洗浄等のメンテナンス性が悪いという課題を有する。

【0007】

また、特許文献３に示す技術は、水に非接触の状態で水位を測定することが可能であるが、圃場のような場所の水位を測定することはできないという課題を有する。

【0008】

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、支柱の側面形状に沿ってシート状の電極を貼付することで、支柱内の洗浄等のメンテナンス性を向上すると共に、振動などの衝撃に対する耐性に良好で、非接触での圃場の水位測定を可能とする農業用水位センサを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明に係る農業用水位センサは、測定対象となる圃場に立設される支柱と、導電性パターンからなる複数の電極が形成されたシート状のセンサ部と、前記電極間の静電容量の変化に基づいて前記圃場の水位を算出する制御部とを備え、前記支柱の側面形状に沿って前記センサ部が貼着されるものである。

【0010】

このように、本発明に係る農業用水位センサにおいては、測定対象となる圃場に立設される支柱の側面形状に沿って、導電性パターンからなる複数の電極が形成されたシート状のセンサ部が貼着されるため、支柱内部を中空にすることで構造を簡素化できると共に、洗浄等のメンテナンス性を格段に向上させることができるという効果を奏する。

【0011】

また、支柱とセンサ部とが一体であるので、圃場に運ぶ際の振動や落下などの衝撃に対して非常に耐性が向上するという効果を奏する。さらに、センサ部と測定対象の水との間には厚みをもったシート又は支柱を介在させることで水によるセンサ部の劣化を防止することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】第１の実施形態に係る農業用水位センサの電極部分の内部構造を示す図である。

【図2】第１の実施形態に係る農業用水位センサの断面を示す図である。

【図3】第１の実施形態に係る農業用水位センサの断面を示す第２の図である。

【図4】第１の実施形態に係る農業用水位センサの電極パターンの一例を示す図である。

【図5】第２の実施形態に係る農業用水位センサの製造方法の一例を示すフローチャートである。

【図6】第２の実施形態に係る農業用水位センサにおいて反射パターンが印刷された状態の電極を示す図である。

【図7】第２の実施形態に係る農業用水位センサの三次元成形工程の一例を示す図である。

【図8】第２の実施形態に係る農業用水位センサの三次元成形工程において真空成形機による真空成形の各工程の一例を示す模式図である。

【図9】従来手法によりシートに電極を印刷して伸びに対する抵抗値の変化を調べた結果を示す図である。

【図10】反射パターンを用いて三次元成形した場合の電極の状態を示す図である。

【図11】水田において長期間使用した前後における水位に対する水位誤差の結果を示す図である。

【図12】本発明に係る農業用水位センサの試作品の一部の画像である。

【図13】本発明に係る農業用水位センサの試作品で実際に水位をセンシングした結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施の形態を説明する。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。

【0014】

（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係る農業用水位センサについて、図１ないし図４を用いて説明する。本実施形態に係る農業用水位センサは、水と空気との誘電率の差を利用して電極間の静電容量の変化に基づいて圃場の水位を測定する農業用水位センサであり、静電容量を形成するベタ電極が圃場に立設される支柱の側壁面に貼着されて形成されるものである。

【0015】

図１は、本実施形態に係る農業用水位センサの電極部分の内部構造を示す図、図２は、本実施形態に係る農業用水位センサの断面を示す図である。図２（Ａ）は農業用水位センサの内部の上面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）における破線の断面図である。農業用水位センサ１は、測定対象となる圃場Ｄに立設される支柱２と、支柱２の側壁面（図１においては支柱２の内壁面）に配設される複数の電極３を有するセンサ部４と、センサ部４の電極３で形成される静電容量に基づいて圃場の水位を演算する演算部５とを備える。

【0016】

支柱２は、中身が中空の円筒状に形成されており、その内側側壁面に後述するセンサ部４が貼着される。支柱２は、長手方向が水位方向Ｌとなるように圃場Ｄ内に立設され、圃場Ｄの水位と同水位の水が支柱２内に流入する。すなわち、圃場Ｄの水位に応じてセンサ部４の電極３間の誘電率（例えば、水の誘電率／空気の誘電率）に差が生じ、その差に応じて圃場Ｄの水位が計測される。

【0017】

センサ部４は、熱可塑性のプラスチックシート６に導電性ペーストを印刷して形成される複数の電極３を有しており、この電極３は、それぞれの電極間で静電容量を形成するために面積が広いベタ電極となっている。また、センサ部４は、水位方向Ｌに対して所定の間隔で離間して配設される第１電極部３ａと、当該第１電極部３ａに並列して配設され、第１電極部３ａの電極３の間隙が計測範囲となるように、水位方向Ｌに対して所定の間隔（第１電極部３ａにおける電極３が配設される間隔と同じ間隔）で離間して配設される第２電極部３ｂと、各電極３と演算部５とを電気的に接続するための配線パターン７とを有する構造となっている。このセンサ部４は、接着層８を介して支柱２の内側側壁面に貼着される。支柱２の側壁は周方向に湾曲しており、センサ部４もこの湾曲に沿った形状で貼着される。

【0018】

なお、電極３は支柱２に貼着された状態において、支柱２の長さ方向に対して周方向（湾曲している方向）に幅が狭くなっていることが望ましい。すなわち、電極３は支柱２の湾曲に沿って形成されるため、それに応じて伸びの応力が生じる。この応力が所定値よりも大きくなると電極３が亀裂、破断、断線、さらには剥がれ等の不具合を起こしてしまう場合もある。これは、湾曲する方向の電極３の幅が広いほど生じやすくなるため、湾曲方向には幅を狭く、湾曲しない支柱２の長手方向には幅を広くすることが望ましい。

【0019】

また、図１において第１電極部３ａの最下部に配設される電極３ｃはグランド電極である。すなわち、静電容量の測定は、電極３ｃを除く下方の電極３から第２電極部３ｂの最上部の電極３の間の水位に応じて行われる。

【0020】

演算部５は、センサ部４で検出された静電容量を電流量からパルスに変換し、このパルスカウント値に基づいて水位を演算する。なお、演算部５において、センサ部４で検出された静電容量から水位を演算する手法については、適宜公知の技術を用いることが可能であるため詳細な説明は省略するが、例えば特開２０１７－２１５１６０号公報や特開２０１７－２１５１５９号公報に示す手法を用いることが可能である。

【0021】

このように、本実施形態に係る農業用水位センサにおいては、導電性パターンからなる複数の電極３が形成された熱可塑性のシート状のセンサ部４が、支柱２の内側側壁面に沿って貼着されるため、支柱２の内部を中空にすることで構造を簡素化できると共に、洗浄等のメンテナンス性を格段に向上させることができる。また、支柱２とセンサ部４とが一体な構造となるため、圃場Ｄに運ぶ際の振動や落下などの衝撃に対して耐性を向上させることができる。さらに、センサ部４と水の間には厚みをもったシートが介在するため水によるセンサの劣化を防止することができる。

【0022】

また、電極３を形成する際に導電性ペースト（例えば、銀ペースト）を印刷することで、銅箔のような金属薄膜を用いた場合に比べて熱変形に柔軟に対応することが可能となり、３次元形状に成形された場合であっても電極３の亀裂等の発生を防止することができる。

【0023】

なお、上記説明においては支柱２の内部を圃場Ｄの水位と同水位にして計測するものとしたが、図３に示すように、支柱２の内部に水が流入しない構造とし、支柱２の側壁を隔てた外側の水位（＝圃場Ｄの水位）を計測するようにしてもよい。こうすることで、センサ部４の劣化をさらに低減し長寿命化することができる。

【0024】

また、本実施形態に係る農業用水位センサは、湾曲による電極３の亀裂等を防止するために、電極３が湾曲する方向とは異なる方向（例えば湾曲する方向に垂直な方向）に１つ又は複数のスリット９を有するようにしてもよい。センサ部４における電極３の領域は、当該電極３のパターンが熱変形による伸びに対する抵抗成分として働くため伸びが小さくなる。一方、電極３以外のパターンがない領域は熱変形による伸びが大きくなる。つまり、連続する電極３の間にパターンがないスリット９を形成することで、電極３の領域への熱変形による応力が緩和され、電極３の亀裂等を防止することが可能となる。

【0025】

図４は、電極３がスリット９を有する場合の形状の一例を示す図であり、図４（Ａ）は１つのスリット９を有する場合、図４（Ｂ）はスリット９が連続しておらず、スリット９の途中に接続部分を有する場合、図４（Ｃ）は複数のスリット９を有する場合、図４（Ｄ）は複数のスリット９が櫛歯状に形成される場合、図４（Ｅ）はスリット９の幅と当該スリット９で分割された電極の幅を同程度とした場合、図４（Ｆ）は図４（Ｅ）のスリット９の途中に接続部分を設けた場合の図である。いずれにおいても、スリット９が電極３が湾曲する方向と垂直な方向、すなわち支柱２の長手方向に沿って形成されている。スリット９の幅は支柱２が湾曲する方向に対して、１ｍｍ以下であることが望ましい。また、図４（Ｅ）、（Ｆ）に示すように、スリット９の幅とスリット９により分割された電極３の幅とが同程度であってもよい。なお、スリット９の方向は、必ずしも湾曲する方向に垂直な方向である必要はなく、湾曲する方向とは異なる方向であればよい。電極にこのようなスリット９が形成されることで、電極３の伸びの応力をプラスチックシート６で吸収することができ、電極３の亀裂等を防止することができる。

【0026】

さらに、上記説明においてはセンサ部４を支柱２の内側側壁面に沿って貼着する構成としたが、支柱２の外側側壁面に沿って貼着するようにしてもよい。

【0027】

さらにまた、支柱２は円筒状に限定されるものではなく、内部が中空の柱状であれば形状は問わない。すなわち、必ずしも湾曲部分を有する必要はない。

【0028】

（本発明の第２の実施形態）
本実施形態に係る農業用水位センサについて、図５ないし図８を用いて説明する。本実施形態に係る農業用水位センサは、３次元加工時に生じる電極３の熱変形を抑制するために、電極３の領域に反射パターンを形成したものである。なお、本実施形態において前記第１の実施形態と重複する説明は省略する。

【0029】

円筒状の支柱２にセンサ部４を貼着する場合、一般的には真空成形や真空圧空成形で三次元加工する。具体的には、熱により軟化したプラスチックシート６を、支柱２の側壁形状に応じて変形しながら所望の形状に成形する。このとき、熱変形するプラスチックシート６において、プラスチックシート６のみの部分と電極３が印刷された部分とでは、三次元加工時の伸びやすさに違いがある。すなわち、プラスチックシート６のみの部分よりも電極３が印刷された部分の方が、導電性ペーストの成分や厚みの影響により変形しづらい傾向がみられる。

【0030】

しかしながら、プラスチックシート６の熱変形に伴って電極３が印刷された部分も同様に変形した場合は、前記第１の実施形態において説明したように、プラスチックシート６に印刷された電極３、特に、ベタ電極のように面積の大きい電極３は、変形率（変形の大きさ）によっては亀裂、破断、断線、さらには剥がれ等の不具合が発生する。電極３の変形率ΔＬ（％）の大きさは、以下のように求めることができる。

【0031】

【数1】

【0032】

Ｌｉは熱変形前の電極３の寸法（ｍｍ）、Ｌｊは熱変形後電極３の寸法（ｍｍ）を示す。電極３においては、変形率が５０％を超えると上記亀裂等の不具合が発生する可能性が高いことが発明者らの実験で明らかとなっている。そのため、本実施形態においては、熱変形の抑制を行いたい電極３の範囲に対して熱を反射するための反射パターンを形成することで、電極３の熱変形を抑制し、上記亀裂等の不具合を防止しつつ、支柱２の側壁面に沿ってセンサ部４を貼着することを可能とする。

【0033】

図５は、本実施形態に係る農業用水位センサの製造方法の一例を示すフローチャートである。図５において、農業用水位センサ１の製造方法は、熱可塑性を有するプラスチックシート６に電極３や配線パターン７（いずれも導電性ペースト）を印刷する電極印刷工程（ステップＳ１）と、三次元成形時の熱変形を抑制する範囲として規定したプラスチックシート６上の所定位置に反射パターン（反射ペースト）を印刷する反射パターン印刷工程（ステップＳ２）と、真空圧空成形機を使用してセンサ部４を三次元形状に成形することにより三次元成形物を得る三次元成形工程（ステップＳ３）とを含む。

【0034】

ステップＳ１の電極印刷工程では、プラスチックシート６に対して導電性ペーストを使用して電極３及び配線パターン７を印刷する。なお、本実施形態においては、導電性ペーストとして銀ペーストを用いるが、これに限るものではなく、他の導電性ペーストとして、例えば銅ペースト、カーボンペースト、導電性のその他のペースト（インキ）も使用可能である。このようなペーストやインキは、印刷方式及びプラスチックシート６の材料に応じて適宜選択可能とする。また、電極３は、静電容量を形成しやすくするために、配線パターン７より面積が大きくなっており、グランド用、センサ用等の電極として形成されるものである。

【0035】

プラスチックシート６は、三次元成形を可能とする熱可塑性のポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、アクリル－スチレンブタジエン共重合樹脂（ＡＢＳ）、薄グラス、ポリエンチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等を材料とする平面シートである。このプラスチックシート６には、水位センサとしての仕様及び製造条件等に応じて適切な他の材料（例えば他のプラスチック、シリコーン、ゴム等）を含ませることが可能である。極力支柱２と同材質が好ましい。プラスチックシート６の厚みは０．２ｍｍから１ｍｍであり、好ましくは０．３ｍｍから０．６ｍｍである。プラスチックシート６の厚みが薄いと３次元成型時に変形によりシート自体が切れてしまう。また、厚いと成形しにくくなるだけでなく、水位の検出感度が低下する。感度は低下しても水検出は可能であるが、よりノイズを拾いやすくなる。また、支柱２は耐環境性、加工しやすさの面からＰＶＣを用いるのが好ましい。厚さは４ｍｍから８ｍｍが好ましく、プラスチックシート６の厚さの１０倍以上とすることで支柱２の内側と外側の水位の切り分けを行うことが可能となる。

【0036】

次にステップＳ２の反射パターン印刷工程では、Ｓ１で印刷された電極３の印刷範囲を覆うように、プラスチックシート６の電極印刷面又はその裏面に対し、反射ペーストを使用して反射パターン１０を印刷する。具体的には、ステップＳ３の三次元形成工程においてＩＲヒーターで加熱する面、すなわち電極印刷面を加熱する場合は電極印刷面に、電極印刷面の裏面側を加熱する場合は電極印刷面の裏面に、電極３の印刷範囲を覆うように反射パターンを印刷する。

【0037】

図６は、反射パターン１０が印刷された状態の電極３を示す図であり、図６（Ａ）が電極３の印刷範囲と反射パターンの印刷範囲が略同一である場合、図６（Ｂ）が電極３の印刷範囲よりも若干大きい範囲で反射パターンを印刷した場合を示している。いずれの場合においても、反射パターン１０の印刷範囲は、電極３の印刷範囲全体が覆われ、且つ反射パターン１０を印刷していない部分のプラスチックシート６の熱変形により３次元成形により生じる応力が吸収できる範囲である。図６（Ａ）に示すように、反射パターン１０を電極３の形状に略一致する範囲とする場合は、ＩＲヒーターからの熱が反射パターン１０の外側から電極３の周縁部分にも多少なりとも伝わり、電極３部分の変形を抑制しつつ適度に変形させることができる。図６（Ｂ）に示すように、反射パターン１０を電極３全体を覆いつつ、当該電極３の形状よりも若干大きい範囲とする場合は、電極３の熱変形を最小限に抑えて電極３の亀裂等を確実に防止することができる。

【0038】

なお、反射パターン１０の印刷範囲が電極３の印刷範囲よりも小さい場合は、電極３の変形が大きくなってしまうため亀裂等が発生しやすくなり好ましくない。また、反射パターン１０の印刷範囲が電極３の印刷範囲よりも大き過ぎる場合は、この部分の熱変形（熱による軟化）が不十分になり三次元形状に追従できず、亀裂等が発生する原因となるため好ましくない。

【0039】

さらに、プラスチックシート６に印刷した配線パターン７は、電極３に比べて面積が小さく、且つ支柱２の周方向における長さが短いことから熱変形による影響を受けにくいため、反射パターン１０の印刷は必須ではない。すなわち、反射パターン１０を印刷する対象範囲を、支柱２の周方向に対して所定の長さ以上のサイズを有する電極３の範囲とすることで、特に亀裂等が発生しやすい箇所の熱変形を最小限に抑えることができる。

【0040】

さらにまた、ステップＳ２の反射パターン印刷工程において使用する反射ペースト１０（インキ）は、ＩＲヒーターの赤外線を反射できるものであれば市販の一般的なものでよく、一例として、「十条ケミカル製 鏡面インキ：FUNCOATメタミラー」、「セイコーアドバンス製 真空成形用インキ（TSN（遅乾）series、2500series）」、「セイコーアドバンス製 鏡面インキ（各種series）」、「大日精化工業製 高輝度ＵＶメタリックインキ輝シリーズ」、「帝国インキ製 鏡面インキ（MIR41000ミラーシルバー、MIR41000ミラーシルバー、MIR41000ミラーシルバー）」等が使用可能である。また、反射ペースト１０は、絶縁性のものであることが望ましいが、必ずしも絶縁性である必要はない。

【0041】

さらにまた、電極３、配線パターン７及び反射パターン１０の印刷は、スクリーン印刷が好ましいが、例えばインクジェット印刷、グラビア印刷、フレキソ印刷、オフセット印刷等、電極を印刷可能であればどのような印刷方式であってもよい。また、反射パターン１０は、印刷以外の手段として、例えばエッチングや薄膜蒸着等の手法により形成されてもよい。

【0042】

さらにまた、図５のフローチャートにおいては、ステップＳ１で電極３を印刷した後に、ステップＳ２で反射パターン１０の印刷を行うようにしたが、反射パターン１０を電極印刷面の裏面側に形成する場合は、反射パターン１０を印刷してから電極３を印刷するようにしてもよい。

【0043】

次にステップＳ３の三次元成形工程では、真空圧空成形機を使用してセンサ部４を三次元形状に成形することで三次元成形物を得る。図７は、三次元成形工程の一例を示す図であり、例えば真空圧空成形機による真空圧空成形の各工程を示している。図７において、真空圧空成形機２０は、上下に駆動し互いに対面する開口を有する上ボックス２１および下ボックス２２と、プラスチックシート６に電極３及び配線パターン７が印刷されたセンサ部４を加熱するためのＩＲヒーター２３と、上下に駆動するテーブル２４と、上ボックス２１に接続され上ボックス２１内を減圧するための上通気口２５と、下ボックス２２に接続され下ボックス２２を減圧するための下通気口２６と、上ボックス２１に接続され上ボックス２１内を加圧するための加圧用通気口２７とを備える。

【0044】

また、テーブル２４には、支柱２を長さ方向に切断した半円筒形支柱１１がはめ込み治具１２に載置された状態で固定されている。なお、図７における半円筒形支柱１１の載置状態は、支柱２の内側側壁面にセンサ部４が貼着されるように、支柱２の切断面が上になるように載置されている。

【0045】

さらに、真空圧空成形機２０は、上ボックス２１と下ボックス２２とを閉じた状態でセンサ部４を境界として形成される上空間２８および下空間２９を有する。この上空間２８および下空間２９は、上ボックス２１と下ボックス２２が閉じた状態において気密性が確保されている。

【0046】

以下、本実施形態においては、一例として、反射ペースト１０を電極印刷面の裏面側に印刷し、センサ部４の電極印刷面の裏面側をＩＲヒーターで加熱する場合について説明する。

【0047】

真空圧空成形においては、まず、成形前の準備作業として、上ボックス２１と下ボックス２２とを開いた状態でテーブル２４上のはめ込み治具１２に半円筒形支柱１１を固定し、さらに、センサ部４の電極印刷面に接着層８（図７には図示しない）を塗布した状態で、下に向けて下ボックス２２の開口部に固定する。この接着層８は接着フィルムを使用してもよい。そして、この状態で上ボックス２１と下ボックス２２とを閉じることにより、センサ部４を境界として気密性を有する上空間２８および下空間２９を形成する（図７（Ａ）を参照）。

【0048】

なお、接着層８は、アクリル、エポキシ、シリコーン等を用いることができ、圃場Ｄの水位を検出する水位センサとしては、防水及び耐久性の観点からシリコーンを用いるのが好ましい。

【0049】

次に、上ボックス２１内のＩＲヒーター２３により上からセンサ部４を加熱し、プラスチックシート６を軟化させる。このとき、プラスチックシート６を介して電極３の裏面側の領域には反射ペースト１０が印刷されているため、電極３の部分への加熱を抑えることができる。また、上通気口２５から上空間２８を減圧し、下通気口２６から下空間２９を減圧することにより、上空間２８および下空間２９を真空状態にする（図７（Ｂ）を参照）。

【0050】

この状態でテーブル２４を上昇させ、軟化されたセンサ部４に接着層８を介して半円筒形支柱１１を押し込むことにより、センサ部４は三次元形状である半円筒形支柱１１の形状に変形し、支柱２の内側側壁面に貼着されていく（図７（Ｃ）を参照）。そして、加圧通気口２７から上空間２８に空気を導入して加圧することにより、軟化されたセンサ部４を半円筒形支柱１１にさらに密着させる（図７（Ｄ）を参照）。これにより、センサ部４は、半円筒形支柱１１の形状を正確に再現した形状、すなわち支柱２の内側側壁面に沿って貼着された三次元成形物となる。なお、前記第１の実施形態において説明したように、電極３にスリット９が形成されてもよい。

【0051】

また、本実施形態においては、一例として、真空圧空成形機による真空圧空成形により三次元成形物を得ることとしたが、これに限るものではなく、真空成形機による真空成形により三次元成形物を得ることとしてもよい。

【0052】

図８は、真空成形機による真空成形の各工程の一例を示す模式図である。真空成形機３０による真空成形においては、ボックス３１上部の開口部にセットされたセンサ部４（電極印刷面に接着層８（図８には図示しない）を塗布（又は接着フィルムを貼付）した状態で当該電極印刷面を下に向けて固定）をＩＲヒーター３２で上から加熱してプラスチックシート６を軟化させる（図８（Ａ）を参照）。このとき、プラスチックシート６を介して電極３の裏面側には反射ペースト１０が印刷されているため、電極３の部分への加熱を抑えることができる。そして、通気口３３から空間３４を減圧することにより空間３４を真空状態にするとともに、テーブル３５を上昇させ、軟化されたセンサ部４に、はめ込み治具１２に載置された半円筒形支柱１１を押し込むことにより、センサ部４は、三次元形状である半円筒形支柱１１の形状に変形する（図８（Ｂ）を参照）。これにより、センサ部４は、半円筒形支柱１１の形状を再現した形状、すなわち、所望の三次元成形物となる。このとき、半円筒形支柱１１のセンサ部４と重ならない部分に真空穴をあけておくことで、センサ部４をより良く変形及び貼着することが可能となる。

【0053】

このように、本実施形態に係る農業用水位センサにおいては、電極３の表面側、又は電極３との間にプラスチックシート６を挟んだ裏面側に熱を反射する反射ペースト１０が形成されているため、電極３の熱変形を最小限に抑えて亀裂等の発生を防止しつつ、所望の３次元形状に成形することができる。

【実施例0054】

本発明に係る農業用水位センサについて、以下の実験を行った。

【0055】

（１）電極の伸びと抵抗値の変化
従来手法によりシートに電極を印刷して伸びに対する抵抗値の変化を調べた。その結果を図９に示す。図９において、シートの伸びに伴い電極の抵抗値が上昇していくが、５０～６０％あたりから抵抗値が急激に上昇している。配線を詳細に観察すると元々配線にある凹み部分が急激な抵抗値上昇領域からピンホールになり、これが拡大して断線に至ることがわかった。元々の凹み部分は印刷時の泡によるものと考えられるため、スクリーン版、ペースト粘度を調整することで断線状況が改善された。しかしながら、急激な抵抗値の上昇は５０～６０％から始まっており、三次元加工時にはこれ以下の伸びに抑えるのが賢明であることが明確となった。

【0056】

上記の実験から、電極の伸びを３０％程度に止めるために、第２の実施形態で説明した手法により実際に三次元加工を行った。その結果を図１０に示す。図１０（Ａ）が反射ペーストを用いずに三次元加工した場合の結果であり、図１０（Ｂ）が反射ペーストを用いて三次元加工した場合の結果である。図１０（Ａ）では電極が６０％程度伸びて明らかに断線が確認され、図１０（Ｂ）では３０％程度の伸びに抑えることができ断線を防止することができた。

【0057】

（２）プラスチックシートと接着層の組み合わせ
プラスチックシートと接着層との組み合わせについて、長期間（実際には１シーズン）水田に浸漬した場合のセンサの誤差を確認する実験を行った。実際の水位は１００ｍｍ程度であったため、センサの０～１００ｍｍの領域が１シーズン水に浸漬された領域となる。図１１は、水田に浸漬する試験前の状態と試験後の状態における水位に対する水位誤差の結果を示す図である。図１１（Ａ）はエポキシガラス基板の水位センサをＰＶＣ（０．２ｍｍ）－アクリル系（５０μｍ）で挟み込んだ場合、図１１（Ｂ）はエポキシガラス基板の水位センサをＰＶＣ（０．２ｍｍ）－シリコーン系（１２５μｍ）で挟み込んだ場合、図１１（Ｃ）はエポキシガラス基板の水位センサを薄膜ガラス（１００μｍ）－ＯＬＥＤ用（２５μｍ）で挟み込んだ場合、図１１（Ｄ）は樹脂シートで挟み込みなどを行わずエポキシガラス基板そのままの場合の水位に対する水位誤差を示すグラフである。

【0058】

図１１（Ａ）、（Ｃ）、（Ｄ）においては、水田で水に浸かっていた領域での誤差が大きく出ている。また、図１１（Ａ）、（Ｃ）、（Ｄ）は、センサが水に浸かっていた０～１００ｍｍにおける水位誤差と１００ｍｍ以上における水位誤差との差が大きくなっている。すなわち、１シーズン水に浸かったことで０～１００ｍｍの領域におけるセンサ部分が劣化したと判断することができる。これに対して、図１１（Ｂ）においては、水に浸かっていた領域の誤差が最も小さく、また０～１００ｍｍにおける水位誤差と１００ｍｍ以上における水位誤差との差があまりない。すなわち、１シーズン水に浸かったことが原因でセンサの劣化が起こりにくいことが明らかとなった。以上の結果から、プラスチックシートとしてＰＶＣを使用し、接着層としてシリコーンを使用するのが望ましいことが明確となった。

【0059】

（３）試作品によるセンシング結果
ＰＶＣの筒（円筒状の支柱を長手方向に半分に切断したもの）に印刷電極を形成したＰＶＣをＴＯＭ成型機で３Ｄ加工しながら円筒状に貼り合わせた支柱が、水位検出が可能かどうか確認した。使用した配線パターンは図１に示すものを用いた。ここでは図３に示したような支柱の外側のみでの水位検出を試みた。そのため支柱内部に水が入らないよう支柱の底面はビニルシートを貼ることで内部を中空の状態に維持して水がセンサに一切接触しないように防水した。上部には静電容量値を取得、換算するためのＣＰＵ基板を接続した。図１２に試作した農業用水位センサの一部の画像を示す。図１２（Ａ）が試作品の側面画像、図１２（Ｂ）が試作品の底面画像、図１２（Ｃ）が演算部との接続部の画像である。

【0060】

上記試作品を用いて２ｍｍ間隔で水位を変化させたときの、水位対静電容量値（静電容量を電流量からパルスに変換したパルスカウンタ値）のグラフを図１３に示す。各グラフは、それぞれの水位の位置に設置された電極ごとの測定結果を示している。この結果から、静電容量から計算されたカウント値を水位レベルに落とし込めば水位検出が可能であることが確認された。

【0061】

以上の実験結果から、本発明に係る農業用水位センサが長期間に亘って高精度なセンシングを行うことが可能であり、且つ中空の円筒状の支柱を用いることでメンテナンス性を向上させ、内部に水が浸水しない状態でも正確なセンシングが可能であることが明確となった。

【符号の説明】

【0062】

１ 農業用水位センサ
２ 支柱
３ 電極
３ａ 第１電極部
３ｂ 第２電極部
３ｃ グランド電極
４ センサ部
５ 演算部
６ プラスチックシート
７ 配線パターン
８ 接着層
９ スリット
１０ 反射パターン
１１ 半円筒形支柱
２０ 真空圧空成形機
２１ 上ボックス
２２ 下ボックス
２３ ＩＲヒーター
２４ テーブル
２５ 上通気口
２６ 下通気口
２７ 加圧用通気口
２８ 上空間
２９ 下空間
３０ 真空成型機
３１ ボックス
３２ ＩＲヒーター
３３ 通気口
３４ 空間
３５ テーブル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】