JP2008032550A - 静電容量型の検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】周辺の物質の誘電率の変化に対する感度の高い静電容量型のセンサーを提供する。
【解決手段】第１の電極１１と第２の電極１２との間の静電容量Ｃｍの変化に基づく検出信号を出力するためのセンサー１０を提供する。センサー１０は、第１の電極１１および第２の電極１２を内部に含み、モールド樹脂１６により平板状に成形されたプレート部分１８を備えている。電極１１および１２はプレート部分１８の幅方向Ｗに並列に配置されている。さらに、第１の電極１１および第２の電極１２の間に第３の電極１３が配置され、第３の電極１３の幅Ｗｅ３は、第２の電極１２の幅Ｗｅ２よりも小さく、第３の電極１３と第２の電極１２との間隔Ｗｄ２は、第３の電極１３と第１の電極１１との間隔Ｗｄ１よりも狭い。
【選択図】図２

Description

本発明は、土壌の水分量などの誘電体の存否などを検出するための装置に関するものである。

特許文献１には、グランドプレート、センサープレート及びシールドプレートとを含み、検出されるべき物品が該プレートに接近した時、該物品と協働して該物品が接近するに従って変化するキャパシタンスを呈するように設けられた３つのプレートと、周波数が前記キャパシタンスの関数であるオッシレータと、その中央コンダクタンスが前記センサープレートに接続され、そのインナーシールドが前記シールドプレートに接続され、そのアウターシールドが前記グランドプレートに接続された１本の３重同軸ケーブルとを含むセンサシステムが記載されている。

特許文献１の図１および図２を参照すると、この発明のセンサはグランドプレート１、センシングプレート２と、シールドプレート３を有し、これらのプレートは積層され、センシングプレート２とシールドプレート３との間にガラスの層がある。シールドプレート３は、インナーシールド９を介してボルテージフォロワ１４により駆動される。

特許文献２には、被検出誘電体との間に非導電性隔壁を隔てて配置された検出電極に抵抗を介して矩形波電圧を印荷し、前記抵抗と被検出誘電体とを経由するＲＣ回路による前記検出電極での矩形波電圧の立ち上り立ち下がりの時間的遅れに基づいて検出信号を出力するようにした水分検出装置であって、前記検出電極に印荷される矩形波電圧と同位相且つ同周波数の矩形波電圧が印荷される第二電極を備えており、この第二電極の電位により、前記隔壁に沿って層状に存在する水などの誘電体を経由するＲＣ回路を遮断するようにした、水分検出装置が記載されている。この水分検出装置が、被検出物を収容するタンクに配設される場合は、タンク壁に対して適当距離を隔てて当該タンク内に接地電極が配置され、前記検出電極と接地電極との間に被検出物を経由する前記ＲＣ回路が形成されるようにすることが記載されている。

特許文献３には、基板検出位置に基板が存在するか否かを基板に非接触で検出するための基板検出装置であって、前記基板検出位置から間隔を開けた位置に非導電性隔壁を隔てて配置される検出電極、およびこの検出電極を取り囲んで配置され、前記非導電性隔壁を隔てて前記基板検出位置に対向し、前記非導電性隔壁の表面に沿う電界成分を排除するためのガード電極を備えた基板検出プローブと、前記検出電極に抵抗を介して矩形波電圧を印加するとともに、前記抵抗および前記検出電極を経由して対地間に形成されるＲＣ回路の時定数を検出することにより、前記基板検出位置における基板の有無を検出する基板検出回路と、前記ガード電極に、前記検出電極に印加される矩形波電圧と同位相かつ同電位の矩形波電圧を印加するガード電極用矩形波印加回路とを含むことを特徴とする基板検出装置が記載されている。
特表平８−５１００９３号公報 特開２０００−６５７７５号公報 特開２００１−６８５３４号公報

静電容量の変化により基板の有無あるいは水の有無を確認する程度の精度であれば、特許文献２あるいは３に記載されているような対地間に形成されるＲＣ回路の時定数を検出する程度の検出装置で良い。例えば、水の有無の代わりに、土壌の水分量を把握することなどを目的とする装置においては、静電容量の変化を精度良く検出する必要がある。そのためには、静電容量に関与する電極の面積は固定されていることが望ましい。そのような装置の一例は、静電容量を形成するための両方の電極が一体になっている検出部分を含む装置である。しかしながら、特許文献１に記載されているようなプレート状の電極を積層したタイプでは、静電容量のほとんどが積層されている部分で決まり、外界の影響により静電容量が変動する割合は少ない。したがって、外界の物体の誘電率の変化を精度良く検出することは難しい。

本発明の一態様は、第１の電極と第２の電極との間の静電容量の変化に基づく検出信号を出力するための装置であって、平坦な第１の電極および第２の電極を内部に含み、非導電性材により平板状に成形されたプレート部分であって、第１の電極および第２の電極の少なくとも一部が当該プレート部分の面に沿って並列に配置されているプレート部分と、プレート部分において並列に配置された第１の電極および第２の電極の間に配置された第３の電極とを有し、第３の電極の幅は、第２の電極の幅よりも小さく、第３の電極と第２の電極との間隔は、第３の電極と第１の電極との間隔よりも狭い装置である。

この装置においては、静電容量を形成するための平坦な第１および第２の電極は、非導電性材、例えば、樹脂あるいはガラスにより平板状に形成されたプレート部分の内部に、プレート部分の厚み方向に積層される代わりに、プレート部分の面に沿って、例えば、幅方向に並列に配置されている。すなわち、プレート部分の内部において、第１および第２の電極は、それぞれ平坦な面が対向しないように、それぞれの電極の平坦な面がプレート部分の平坦な面と平行するように、並列に配置されている。したがって、これらの電極の平坦な面に対して垂直な方向に出る電気力線はプレート部分の外側に延び、プレート部分の外側に存在する液体、気体、固体などを含む物質の誘電率の影響を受ける。このため、第１および第２の電極の間の静電容量は、プレート部分の周辺、すなわち、外側に存在する物質の誘電率の影響を受けて変動しやすい。

さらに、この装置は、プレート部分において並列に配置された第１の電極および第２の電極の間に配置された第３の電極を有する。この第３の電極は、第１の電極の一部との間に静電容量を形成し、第１および第２の電極の間の電気力線がプレート部分の内部を通過するのを阻害する。その結果、第１および第２の電極の間の静電容量は、プレート部分の周辺の影響を受け易くなり、静電容量の変化量（変化率）を大きくできる。

この装置においては、第１および第２の電極との間に、プレート部分の周辺を経由した静電容量を含めたＲＣ回路が形成され、周辺に存在する物質の誘電率の変化による静電容量の変化を検出するものである。したがって、第３の電極は、プレート部分の外側の物質を経由するＲＣ回路を遮断するためのものではなく、また、プレート部分の表面に沿った電界成分を排除するためのものでもない。そのため、第３の電極の幅は、第２の電極の幅よりも小さく、第３の電極と第２の電極との間隔は、第３の電極と第１の電極との間隔よりも狭い。すなわち、第１および第３の電極の間の電気力線の広がりは、第１および第２の電極の間の電気力線をプレート部分の外側に広げる程度のもので良く、第３の電極の幅（面積）を大きくすることは、グランド側となる第１の電極の有効幅（面積）を減らすことに繋がる。したがって、第３の電極の幅は、センサー側となる第２の電極の幅よりも小さくすることが好ましい。また、第３の電極を、第１および第２の電極の中央に配置するよりも、センサー側となる第２の電極に近づけて配置した方が、第１および第２の電極の間の電気力線をプレート部分の外側に広げる効果を得易い。

プレート部分の典型的な形態は短冊状のものであり、平坦な第１の電極および第２の電極の典型的な形態は、それぞれの電極が帯状であり、プレート部分の幅方向に並列に配置されているものである。プレート部分の外側の物質に起因する静電容量の変動を大きくするためには、第１および第２の電極の間の電気力線の長さが短いことが望ましく、さらに、第１および第２の電極の電極面積は大きいことが望ましい。短冊状のプレート部分と、帯状の電極は、それらの条件を満たす好適な形態の一例であり、また、地面に挿し易い形態なので、土壌の水分を検出するための装置に適している。

第１および第２の電極の間の静電容量の変化を検出するための好適な方法はＲＣ回路を形成し、その時定数により変化する信号を得ることである。すなわち、この装置は、第１の電極と第２の電極との間の静電容量とＲＣ回路を形成するための第１の抵抗成分と、ＲＣ回路に周波数成分を含む電力を供給するための駆動回路と、ＲＣ回路の時定数の変化に基づき検出信号を生成するための回路とをさらに有することが望ましい。この装置において、第２の電極を検出用の抵抗である第１の抵抗成分を介して駆動回路に接続し、第３の電極を駆動回路に接続することにより、グランド側となる第１の電極と第３の電極の間に、第１の電極とセンサー側となる第２の電極の間の電気力線（検出用の電場）をプレート部分の外側に広げるのに適した電気力線（補助の電場）を形成できる。

第３の電極は、センサー側となる第２の電極の近傍に配置される。このため、第２の電極と第３の電極との間の静電容量の影響を小さくするためには、第３の電極と駆動回路との間に第２の抵抗成分を接続し、第３の電極に印加される駆動電圧を制御することが望ましい。

検出信号を生成するための回路の一形態は、第１の抵抗成分の両端の信号の排他的論理和を演算するためのＥＸＯＲ回路と、このＥＸＯＲ回路の出力を平滑するための回路とを含む回路である。第１の抵抗成分の両端の電圧信号を検出する場合、プレート部分の外側に、水分などの誘電率の高い物質が増加すると、両端の電圧信号の変動の時間差（位相差）によりＥＸＯＲ回路の出力のパルス幅が増加し、平滑回路により平滑された信号の電圧が増加する。したがって、測定対象が水分量であれば、プレート部分の外側の水分量に伴い電圧が増減する検出信号を出力できる。このため、検出信号を出力する装置と、検出信号に基づきプレート部分が接している部分の水分量を適当な関数などにより推定する機能を含む装置とを有するシステムにより、水分量を出力したり、水分量に対応する処理、例えば散水を自動的に行うことが可能となる。

さらに、プレート部分に配置された温度測定用のサーミスタを有することが好ましい。物質の誘電率は温度により変動することがある。また、プレート部分を構成する非導電性材の誘電率などの計測側の条件も温度により変動することがある。したがって、静電容量の変動と共に、温度を測定することにより、静電容量の変動から得ようとしている物理量、例えば、水分量をより正確に算出することが可能となる。

さらに、プレート部分の外側に配置された液体を吸収するための層をさらに有することが望ましい。例えば、プレート部分の外側に配置された多孔質の層をさらに有することが望ましい。土壌にプレート部分を差し込んだり、埋めた場合、土壌とプレート部分との間に隙間が生ずると、土壌の水分による静電容量の変動は小さくなり、水分量の測定精度が低下する要因となる。液体を吸収するための層、または多孔質の層をプレート部分の外側に配置し、プレート部分の外面に水分を含む層を形成することにより測定精度の低下を抑制できる。

図１に、本発明の一実施形態の散水システムの概略構成を示している。この散水システム１は、植物２が植えられた土壌３に差し込まれたセンサー１０と、このセンサー１０からの信号を受けて水分量を求める機能を含む測定装置５と、測定装置５からの信号により散水を開始するスプリンクラー９とを含む。

図２に、センサー１０の概略構成を示している。図２（ａ）はセンサー１０の平面図であり、図２（ｂ）はセンサー１０の側面図である。また、図２（ｃ）はセンサー１０のプレート部分１８の周囲の面に吸水用の層１９を設けたタイプを示している。このセンサー１０は、第１の電極１１と第２の電極１２との間の静電容量Ｃｍの変化に基づく検出信号Ｓｄを出力するための装置である。センサー１０は、平坦な帯状の第１の電極１１および第２の電極１２が表面に形成されたプリント基板１５と、このプリント基板１５を内部に含むように、非導電性材のモールド樹脂１６により平板状に成形されたプレート部分１８とを含む。短冊状のプリント基板１５を樹脂１６によりモールドしたプレート部分１８の全体形状は短冊状であり、先端１８ａは土壌３に差し込みやすいように若干細くなっている。

プレート部分１８の基板１５には、帯状の第１の電極１１および第２の電極１２がプレート部分１８の幅方向Ｗに並列に、長手方向Ｌに延びるように配置されている。さらに具体的には、基板１５の表面中央に、長手方向Ｌに略一直線に延びるように第２の電極１２が配置され、基板１５の表面の周囲に沿って、長手方向Ｌに長いＵ字形の第１の電極１１が、基板中央の第２の電極１２を囲むように配置されている。基板１５の一例は、ガラスエポキシ（ガラエポ）製であり、テフロン（登録商標）などの他の材料であっても良い。モールド樹脂１６の一例は吸水性の小さなポリオレフィンである。プレート部分１８はガラスなどの他の非導電性の材料により成形しても良い。

プレート部分１８の基板１５には、さらに、並列に配置された第１の電極１１および第２の電極１２の間に第３の電極１３が配置されている。第３の電極１３も帯状であり、その幅（面積）は、第２の電極の幅（面積）よりも小さく、第３の電極１３は、基板１５の長手方向Ｌに長いＵ字形であり、第２の電極１２の近傍に、第２の電極１２を囲むように配置されている。したがって、第３の電極１３と第２の電極１２との間隔Ｗｄ２は、第３の電極１３と第１の電極１１との間隔Ｗｄ１よりも狭い。第１の電極１１の幅Ｗｅ１と、第２の電極１２の幅Ｗｅ２と、第３の電極１３の幅Ｗｅ３との比は、例えば、２．５：２．０：０．３である。また、第１の電極１１と第３の電極１３との間隔Ｗｄ１と、第２の電極１２と第３の電極１３との間隔Ｗｄ２との比は、２．２：１である。

基板１５の他方の端には波形発生・検出回路２０が搭載され、モールド樹脂１６によりプレート部分１８と一体に覆われている。第１の電極１１、第２の電極１２および第３の電極１３は波形発生・検出回路２０に接続され、これらの電極１１、１２および１３により得られた電流または／および電圧信号は波形発生・検出回路２０により処理され、検出信号Ｓｄがケーブル２９を介して測定装置５に出力される。さらに、基板１５には、センサー１０の周囲の温度を計測できるサーミスタ３１が搭載されている。

図３に、センサー１０の回路構成を示している。波形発生・検出回路２０は、第１の電極１１および第２の電極１２の間の静電容量Ｃｍの変化を検出するためのＲＣ回路を形成し、その時定数により変化する信号Ｓｄを出力する。波形発生・検出回路２０は、第１の電極１１と第２の電極１２との間の静電容量ＣｍとＲＣ回路を形成するための第１の抵抗成分Ｒ１と、ＲＣ回路に周波数成分を含む電力を供給するための駆動回路２１と、ＲＣ回路の時定数の変化に基づき検出信号Ｓｄを生成するための信号生成回路２２と、検出信号Ｓｄを温度補正するための回路２３とを含む。信号生成回路２２は、第１の抵抗成分Ｒ１の両端の電圧信号Ｓｎ１およびＳｎ２との排他的論理和を演算するためのＥＸＯＲ回路２５と、このＥＸＯＲ回路２５の出力を平滑するための平滑回路２６とを含む。

図４に、各信号の波形の概要を示している。駆動回路２１は、第１の抵抗成分Ｒ１を介して第２の電極１２に接続され、センサー側となる第２の電極１２に対し数ＭＨｚの矩形波の信号Ｓｎ１を供給する。第１の電極１１はコモン（グランド）に接続される。第１の電極１１および第２の電極１２はコンデンサとして働き、その容量Ｃｍにより抵抗成分Ｒ１を介して得られる入力信号Ｓｎ２の波形は鈍る（遅れる）。したがって、遅れた波形となる入力信号Ｓｎ２と、元の矩形波の入力信号Ｓｎ１とのずれ（時間差、位相差）をＥＸＯＲ回路２５により検出することにより、第１の電極１１および第２の電極１２の間の静電容量Ｃｍを検出することができる。駆動回路２１は、ＲＣ回路に周波数成分を含む電力を供給するための回路であり、第２の電極１２に供給される信号Ｓｎ１は矩形波に限られない。しかしながら、時間差を検出するために駆動する波形として矩形波は適当なものの１つである。

この波形発生・検出回路２０において、図４に破線で示すように、静電容量Ｃｍが増加すると、入力信号Ｓｎ２のずれは大きくなり、入力信号Ｓｎ１との時間差によりＥＸＯＲ回路２５から出力されるパルス状の信号Ｓｎ３の幅が増加する。したがって、出力信号Ｓｎ３を、抵抗およびコンデンサを用いた平滑回路２６により平滑した検出信号Ｓｄの電圧Ｖｄは増加する。このため、センサー１０の測定対象が水分量であれば、プレート部分１８の外側の水分量に伴い電圧が増減する検出信号Ｓｄを出力できる。

すなわち、静電容量Ｃｍは、センサー１０のプレート部分１８の外側にある物質５０の誘電率により変動する。このため、センサー１０の周囲の状況の変化を静電容量Ｃｍの変動として検出できる。例えば、センサー１０が土壌３に埋設されていると、水の誘電率が高いので、土壌３の水分量により静電容量Ｃｍが増加し、検出信号Ｓｄの電圧が上昇する。したがって、測定装置５は、検出信号Ｓｄの電圧を適当な関数あるいはルックアップテーブルを用いて水分量に変換し、表示したり、スプリンクラー９を制御したりすることができる。

水の誘電率は温度により変動する。したがって、水分量の変化がないのに、センサー１０の周囲（土壌）の温度の変化により検出信号Ｓｄが変動する可能性がある。センサー１０においては、プレート部分１８にサーミスタ３１を配置している。そして、温度補正回路２３では、検出信号Ｓｄの出力にサーミスタ３１の抵抗値を入れて分圧することにより、周辺の温度の変化により検出信号Ｓｄが変動するのを抑制している。

さらに、静電容量Ｃｍは、プレート部分１８の周囲の土壌の水分により大きく変動することが望ましい。したがって、第３の電極１３を駆動回路２１に接続することにより、矩形波の信号Ｓｎ１により駆動し、グランド側となる第１の電極１１と第３の電極１３の間に、第１の電極１１とセンサー側となる第２の電極１２の間の電気力線（検出用の電場）をプレート部分１８の外側に広げるのに適した電気力線（補助の電場）を形成するようにしている。

図５に、本発明の実施形態と比較するためのセンサー９０の概略構成を示している。このセンサー９０は、第１の電極１１と第２の電極１２とが並列に配置されたプレート部分１８を備えている。したがって、このセンサー９０は、外界の状態を検出するための静電容量を形成するための平坦な第１の電極１１および第２の電極１２が、プレート部分１８の内部において、それぞれの電極１１および１２の平坦な面が対向しないように、すなわち、それぞれの電極１１および１２の平坦な面がプレート部分１８の平坦な面と平行するように、並列に配置されている点は、センサー１０と共通する。これらの電極１１および１２が、樹脂あるいはガラスなどの非導電性材により成形されたプレート部分の厚方向に積層される代わりに、プレート部分の幅方向に並列に配置されている。このため、これらの電極１１および１２の平坦な面に対して垂直な方向に出る電気力線による電場７１はプレート部分１８の外側に延び、プレート部分１８の外側に存在する物質５０の誘電率の影響を受けやすくなる。このため、第１の電極１１および第２の電極１２の間の静電容量Ｃｍは、プレート部分１８の周辺、すなわち、プレート部分１８の外側に存在する物質５０の誘電率の影響を受けて変動しやすい。

このような電極配置を備えたセンサー９０において、電極１１および１２は、ほぼ同じ大きさで良く、さらに、電極１１および１２は、面積の大きい方が周辺の水分などの物質５０による静電容量Ｃｍの変化は大きい。さらに、電極１１および１２は、なるべく近い方が、周辺の物質５０による静電容量Ｃｍの変化は大きい。しかしながら、電極１１および１２が近いと、静電容量Ｃｍの変化が大きくなるはずであるが、プレート部分１８の内部、すなわち、モールド樹脂１６により影響を受ける静電容量が増大する傾向になる。このため、センサーを小さくするために、電極１１および１２が近すぎると、周辺の物質５０により静電容量Ｃｍが変化する割合は小さくなる。

電極１１および１２が並列に配置されたセンサー９０は、測定用の電場７１がプレート部分１８の外側に広がるので、電極１１および１２の間の静電容量Ｃｍは、プレート部分１８の周囲の物質５０による影響を受け易く、周辺の物質５０、例えば、水分量の測定には適している。しかしながら、電極１１および１２の間隔が小さく、これらの電極の間の静電容量Ｃｍに占めるモールド樹脂１６の容量の割合が大きいと、プレート部分１８の周囲に水分などの誘電率の大きな物質が少ない場合でも、入力信号Ｓｎ１とＳｎ２との時間差（位相のずれ）が大きくなりＥＸＯＲ回路２５の出力Ｓｎ３が飽和する可能性がある。検出用の抵抗成分Ｒ１の値を下げることにより出力の飽和を抑制できる。また、抵抗成分Ｒ１と並列に適当な容量Ｃを接続することにより位相のずれを小さくでき、出力の飽和を抑制できる。しかしながら、これらの方法では、周辺の物質５０による静電容量Ｃｍの変化の割合を増やし、静電容量型のセンサーの感度をさらに向上することは難しい。

図６に、センサー９０のプレート部分１８の周囲の面に吸水性がある層１９を設けたタイプを示している。吸水層１９は、例えば、セラミック層であり、周囲の物質５０と同等の水分吸収力を備えていることが望ましい。例えば、センサー９０の周囲の物質５０が土であれば、吸水層１９は、土と同程度の水分吸収力を備えていることが望ましい。そのような材質は、吸水性のある布、紙、樹脂、セラミックなどを含む。センサー９０の測定対象が水分である場合は、モールド樹脂１６の外側で、計測用の電場７１の電気力線の密度が最も高い場所に吸水性の層１９を配置することにより、容量Ｃｍは周囲の水分量の影響を受けて変動し易くなる。したがって、センサー９０の感度を向上できる。吸水層１９は、プレート部分１８の表面１８ｓに、適当な吸水性の材料をコーティングしたり、貼り付けたりすることにより形成できる。また、吸水性の材料を鞘あるいはカバーのようにしてプレート部分１８に被せても良い。

図７に、上記とさらに異なるセンサー９２の概略構成を示している。このセンサー９２は、第１の電極１１と第２の電極１２とが並列に配置され、さらにそれらの電極１１および１２の中間に小さな第３の電極１３が配置されたプレート部分１８を備えている。このように２つの電極１１および１２の間に、第３の電極１３を入れて、電極１１および１３との間にサブの電場７２を形成することにより、電極１１と電極１２との間の電場７１の電気力線がモールド樹脂１６の内部を通過することを抑制できる。このサブの電場７２は、プレート部分１８の外側の物質５０を経由する電場（電界）７１を遮断したり排除したりするものではなく、電極１１および１２により形成される電界７１の内で、プレート部分１８の内部を通過する電界成分をできるだけ少なくするためのものである。すなわち、狭い間隔で置かれた電極１１および１２の間に、電極１３を入れると、電極１１および１２を結ぶ電気力線は、電極１１および１２を直線的に結ぶ代わりに、電極１３の外側に広がり、プレート部分１８の外側の物質５０を通過する割合が増加する。

さらに、図３に示すように、電極１１と電極１３との間隔を広げ、電極１２と電極１３との間隔を狭めることにより、電極１１および１３の間の電気力線が狭い範囲に集中するのを避けることができ、サブの電場７２の広がりを大きくできる。このため、電極１１および１２を結ぶ電気力線の広がりがさらに大きくなり、モールド樹脂１６の内部を通る電気力線を減らすことができ、同時に、メインの電場７１をモールド樹脂１６の外側へいっそう広げることができる。このため、電極１１および１２の間の静電容量Ｃｍが、プレート部分１８の外側の物質５０により変動する割合を大きくすることができる。

このように、ガード用のサブの電場７２を形成することにより、静電容量Ｃｍの感度を向上できる。サブの電場７２の電気力線の集中を抑制するためには、第１の電極１１と第３の電極１３との間隔Ｗｄ１と、第２の電極１２と第３の電極１３との間隔Ｗｄ２との比は、１：１より間隔Ｗｄ２の方が狭く、間隔Ｗｄ１の方が広いことが望ましい。間隔Ｗｄ２に対して間隔Ｗｄ１が広すぎると、電極１１および１２の間が開きすぎたり、電極１３および１２の間が狭すぎたりすることにより静電容量Ｃｍの感度を向上することに影響がでる可能性がある。したがって、間隔Ｗｄ１と間隔Ｗｄ２との比は、１：１より大きく、１０：１よりも小さい範囲が好ましく、１．５：１から４：１の範囲であることがさらに好ましい。図３に示したセンサー１０では、間隔Ｗｄ１とＷｄ２との比は２．２：１にセットしている。

サブの電界７２は、メインの電界７１をプレート部分１８の外側に広げることを目的としており、静電容量Ｃｓは小さいことが望ましい。また、グランド側の電極１１の面積のうち、第３の電極１３と対になり、サブの電界７２を形成するために割かれる割合を小さくすることが望ましい。したがって、第３の電極１３の面積（幅）は小さいことが望ましく、センサー側の第２の電極１２の面積（幅）より少なくとも小さいことが望ましい。第２の電極１２の幅Ｗｅ２と、第３の電極１３の幅Ｗｅ３との比は、例えば、２：１から２０：１の範囲が好ましく、４：１から１０：１の範囲であることがさらに好ましい。図３に示したセンサー１０では、電極の幅Ｗｅ２とＷｅ３との比は２０：３にセットしている。

電極１３の面積が小さくても、電極１２と電極１３とが近づくことにより、電極１２に発生する信号が、電極１３に印加される信号の影響を大きく受けてしまう場合がある。このため、図３に示すように、電極１３と駆動回路２１との間に抵抗成分Ｒ２を入れて、第３の電極１３へ供給される信号強度を適当な値に抑えることが望ましい。例えば、これらの電極１１、１２および１３をモールドし、プレート部分１８を形成する樹脂１６の厚みは測定対象によって変わることがある。その場合、モールド樹脂１６の厚みに対応して、電極１２と電極１３との間隔を調整すれば効率的に電場７１を外側に広げて電気力線が測定対象の物質を効果的に通過するようにできる。そして、ガード用のサブの電場７２の強度は、第２の抵抗成分Ｒ２により制御できる。

図８および図９は、波形発生・検出回路２０の異なる例をそれぞれ示している。なお、これらの例でも、ＲＣ回路を駆動するための駆動回路２１およびＲＣ回路を構成するための検出用の抵抗Ｒ１は含まれているが、図面には省略している。これらの回路２０は、サーミスタ３１の信号を、そのまま測定装置５に供給することにより、測定装置５においてプレート部分１８の温度を表示したり、プレート部分１８の温度を用いて検出信号Ｓｄを補正し、水分量などに変換できるようにしている。図８に示した回路２０は、静電容量Ｃｍの変化に基づく検出信号Ｓｄと、サーミスタ３１の信号とを４線で出力するタイプである。図９に示した回路２０は、検出信号Ｓｄと、サーミスタ３１の信号とを３線で出力するタイプであり、ダイオードＤ１およびＤ２を備えている。この回路２０は、電源の投入方向を変えることにより、静電容量Ｃｍの測定と、サーミスタ３１による温度の測定とを切り換えることができる。

このように、第１の電極１１と、第２の電極１２と、それらの間の第２の電極１２の側に配置された第３の電極１３とを備えたセンサー１０は、プレート部分１８の外側に測定用の電場７１を効率よく広げることができる。このため、センサー１０は、プレート部分１８の周辺の空間あるいは物質５０の誘電率の変化を静電容量の変動として精度良く検出することができる。したがって、この静電容量型のセンサー１０は、種々の用途に使用できる。特に、このセンサー１０は、周辺の物質５０の誘電率の変化に対する感度が高いので、誘電率の異なる物体の有無だけではなく、誘電率の異なる物体あるいは物質の密度あるいは濃度およびそれらの変動を検出する目的に適している。

図１および図２に示した例は、土壌３の水分量（水分濃度）を検出するためのセンサーであり、水分量の増加および減少を測定装置５で測定したり、予め設定された水分量によりスプリンクラー９を作動させることができる。スプリンクラー９を作動させるための水分量の設定値は、土壌３に植えられた植物２により変えることも可能である。センサー１０の感度をさらに向上するためには、プレート部分１８の周囲に隙間があるよりは、土壌３に密着していたり、あるいは少なくとも土壌３の水分濃度に対応する水分がプレート部分１８の表面１８ｓに存在することが好ましい。

図２（ｃ）に示したセンサー１０においては、プレート部分１８の表面１８ｓにセラミックの層１９を形成している。セラミック層１９は、部分的に土壌３に接していれば、土壌３の水分を吸水する。このため、プレート部分１８の表面１８ｓの全体が土壌３に接していなくても、プレート部分１８の表面１８ｓの多くの部分に土壌３の水分量に対応した水分が存在することになり、センサー１０の感度をさらに向上できる。セラミック層１９は、多孔質で吸水性があり、強度および耐久性も高く、センサー１０のプレート部分１８の表面１８ｓをコーティングする材質として適している。セラミック層１９の代わりに、吸水性のある布、紙、樹脂などをプレート部分１８の表面１８ｓに貼り付けたり、塗布したり、成形しても良い。

センサー１０は、土壌に限らず、他の粉体あるいは粒体に含まれる水分量を検出したり、誘電率の異なる物体の有無を検出したりするなどの用途にも用いることができる。また、図２に示した電極のセンサーの形状および電極の配置は一例であり、これに限られない。例えば、電極は直線的に延ばしても良く、ジグザグに配置したり、螺旋状などの他の湾曲した形状になるように配置しても良い。

散水システムの概略構成を示す図。 センサーの概略構成を示す図であり、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は側面図、図２（ｃ）はセラミック層をさらに備えたセンサーの側面図。 センサーの回路構成を示す図。 センサーの回路の各信号を示す図。 センサー（比較例）の回路構成を示す図。 吸水層を設けた例を示す図。 異なるセンサーの回路構成を示す図。 波形発生・検出回路の異なる例を示す図。 波形発生・検出回路のさらに異なる例を示す図。

符号の説明

１ 散水システム、 ３ 土壌、 ５ 測定装置、 ９ スプリンクラー
１０ センサー、 １１ 第１の電極、 １２ 第２の電極、 １３ 第３の電極
１５ 基板、 １６ モールド樹脂、 １８ プレート部分
２０ 波形発生・検出回路、 ２１ 駆動回路、 ２２ 信号生成回路

Claims (9)

1. 第１の電極と第２の電極との間の静電容量の変化に基づく検出信号を出力するための装置であって、
   平坦な前記第１の電極および前記第２の電極を内部に含み、非導電性材により平板状に成形されたプレート部分であって、前記第１の電極および前記第２の電極の少なくとも一部が当該プレート部分の面に沿って並列に配置されているプレート部分と、
   前記プレート部分において並列に配置された前記第１の電極および前記第２の電極の間に配置された第３の電極とを有し、
   前記第３の電極の幅は、前記第２の電極の幅よりも小さく、前記第３の電極と前記第２の電極との間隔は、前記第３の電極と前記第１の電極との間隔よりも狭い、装置。
2. 請求項１において、前記プレート部分は短冊状であり、前記第１の電極および前記第２の電極は帯状であり、前記プレート部分の幅方向に並列に配置されている、装置。
3. 請求項１において、前記第１の電極と前記第２の電極との間の静電容量とＲＣ回路を形成するための第１の抵抗成分と、
   前記ＲＣ回路に周波数成分を含む電力を供給するための駆動回路と、
   前記ＲＣ回路の時定数の変化に基づき前記検出信号を生成するための回路とをさらに有し、
   前記第２の電極は前記第１の抵抗成分を介して前記駆動回路に接続され、前記第３の電極は前記駆動回路に接続されている、装置。
4. 請求項３において、前記第３の電極と前記駆動回路とを接続するための第２の抵抗成分をさらに有する、装置。
5. 請求項３において、前記生成するための回路は、前記第１の抵抗成分の両端の信号の排他的論理和を演算するためのＥＸＯＲ回路と、このＥＸＯＲ回路の出力を平滑するための回路とを含む、装置。
6. 請求項１において、前記プレート部分に配置された温度測定用のサーミスタをさらに有する、装置。
7. 請求項１において、前記プレート部分の外側に配置された液体を吸収するための層をさらに有する、装置。
8. 請求項１において、前記プレート部分の外側に配置された多孔質の層をさらに有する、装置。
9. 請求項１に記載の装置と、
   前記検出信号に基づき前記プレート部分が接している部分の水分量を推定する機能を含む装置とを有するシステム。