JP2018113902A

JP2018113902A - ｐＨセンサ及び監視システム

Info

Publication number: JP2018113902A
Application number: JP2017006697A
Authority: JP
Inventors: 嵐張; Arashi Cho; 健魯; Jian Lu; 浩尚岡田; Hironao Okada; 鐘蔵新井; Shozo Arai
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; National Agriculture and Food Research Organization
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; National Agriculture and Food Research Organization
Priority date: 2017-01-18
Filing date: 2017-01-18
Publication date: 2018-07-26
Anticipated expiration: 2037-01-18
Also published as: JP6846701B2

Abstract

【課題】ルーメン液のｐＨ値を検出するｐＨセンサ、又はそのｐＨセンサを用いた監視システムにおいて、ｐＨセンサの小型化、低消費電力化、及び耐衝撃性向上を図る。
【解決手段】ｐＨセンサ１０のセンサ部１１は、センシング電極１１１とリファレンス電極１１２とを備える。センシング電極１１１は、基板上に形成された電極をＩＴＯ膜で被覆し、さらにＩＴＯ膜の表面の少なくとも一部が露出するように第１の保護膜で被覆して形成される。リファレンス電極１１２は、基板上に形成された電極を、その表面の少なくとも一部が露出するように第２の保護膜で被覆して形成される。それらセンシング電極１１１とリファレンス電極１１２とは、牛のルーメン液中において第１の保護膜と第２の保護膜とが間隔を置いて対向するように配置される。
【選択図】図１

Description

本発明はｐＨセンサ及び監視システムに関し、特に牛の第１胃（ルーメン）内の液体のｐＨ値を検出するｐＨセンサ及びそれを用いた監視システムに関する。

近年、反芻動物、特に牛の飼養管理においてルーメン内の液体（以下、「ルーメン液」ともいう）のｐＨ値を検出することが注目されている。これは、牛のルーメン液のｐＨ値が所定値以下に低下した状態（所謂、ルーメンアシドーシスの状態）になると、その牛は代謝病、感染症、又は蹄病などの疾病を発症し易くなることが知られているためである。

一方、濃厚飼料を牛に給与することは、牛の成長促進、肉牛における肉質向上、又は乳牛における泌乳量増大などのために必要である。しかしながら、ルーメン液のｐＨ値は、図１４に示すように、大量の濃厚飼料の給与などにより低下し易い。よって、濃厚飼料の給与が過多になると、ルーメン液のｐＨ値が低下して、ルーメンアシドーシスの状態に陥る可能性がある。

したがって、牛の健康維持や適切な成長促進を図る上では、ルーメン液のｐＨ値を検出及び監視しつつ、飼料の給与量などを制御することが極めて重要である。

上記した要求に対し、従来では、ｐＨ値に相関する電気信号を出力するセンサ部と、センサ部から出力される電気信号からｐＨ値を検出する検出回路部と、を一つのカプセル状容器内に収容したｐＨセンサが提案されている（例えば、非特許文献１、特許文献１参照）。このようなｐＨセンサでは、前記カプセル状容器が経口により牛のルーメンに挿入される。そして、ルーメンに挿入されたカプセル状容器内のセンサ部がルーメン液と接触すると、該センサ部がルーメン液のｐＨ値に相関する電気信号を出力する。そして、検出回路部は、前記センサ部から出力された電気信号からルーメン液のｐＨ値を検出する。この種のｐＨセンサを用いる方法によれば、経口カテーテルを用いてルーメン液を採取する方法に比べ、ルーメン液内に唾液が混入し難いため、正確なルーメン液のｐＨ値を測定することができるという利点がある。

国際公開第２０１０／１４７１７５号

Toby Mottram et al.,"Technical note:A wireless telemetric method of monitoring clinical acidosis in dairy cows",COMPUTERS AND ELECTRONICS IN AGRICULTURE 64(2008),p.45-48

ところで、上記した従来のｐＨセンサでは、ガラス電極がセンサ部に用いられている。例えば、センサ部は、図１５に示すように、その先端が中空半球体状に形成されたガラス膜５０１の容器と、該容器内に充填されたＨＣｌなどの緩衝液５０２と、緩衝液５０２中に挿入されたＡgＣlなどのガラス電極５０３と、から構成されている。このように構成されたセンサ部では、ガラス膜５０１の外壁がルーメン液に接触すると、該ガラス膜５０１の外壁と内壁との間にルーメン液のｐＨ値に応じた起電力が発生する。よって、その起電
力に基づいてルーメン液のｐＨ値を検出することができる。

しかしながら、センサ部にガラス電極が用いられる従来のｐＨセンサは、センサ全体のサイズが大きくなり易いとともに、消費電力が多くなり易い。また、衝撃などによってガラス膜５０１が破損する可能性もある。

本発明は、上記したような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ルーメン液のｐＨ値を検出するｐＨセンサ、又はそのｐＨセンサを用いた監視システムにおいて、ｐＨセンサの小型化、低消費電力化、及び耐衝撃性向上を図ることにある。

本発明は、上記した課題を解決するために、以下のような手段を採用した。すなわち、本発明に係わるｐＨセンサは、第１の基板上に形成された第１の電極、前記第１の電極を被覆するＩＴＯ膜、及び前記ＩＴＯ膜の少なくとも一部が露出するように該ＩＴＯ膜を覆う膜であって、牛のルーメン液に対する耐性を有する第１の保護膜を具備するセンシング電極と、第２の基板上に形成された第２の電極、及び前記第２の電極の少なくとも一部が露出するように該第２の電極を覆う膜であって、前記ルーメン液に対する耐性を有する第２の保護膜とを具備するリファレンス電極と、前記センシング電極と電気的に接続されるイオン感応膜を有する電界効果トランジスタと、を備える。そして、前記センシング電極及び前記リファレンス電極を、前記第１の保護膜と前記第２の保護膜とが間隔を置いて対向するように牛のルーメン液中に配置した状態において、前記リファレンス電極に直流電圧が印加されたときの前記電界効果トランジスタのドレイン・ソース間の電流に基づいて、前記ルーメン液のｐＨ値を測定するようにした。

ここで、前記第１の保護膜には、前記ＩＴＯ膜のコンタクト領域の一部を露出させるための単一又は複数の第１の開口部が形成されてもよい。同様に、前記第２の保護膜には、前記第２の電極のコンタクト領域の一部を露出させるための単一又は複数の第２の開口部が形成されてもよい。

なお、前記第１の開口部、及び前記第２の開口部は、ドット状に配置された複数の開口部により形成されてもよい。また、前記第１の開口部、及び前記第２の開口部は、ドット状に配置された保護膜の隙間に形成される格子状の開口部であってもよい。

次に、本発明に係わるｐＨセンサは、センサ部と検出回路部とを備えるように構成されてもよい。その場合のセンサ部は、第１の基板上に形成された第１の電極、前記第１の電極を被覆するＩＴＯ膜、及び前記ＩＴＯ膜の少なくとも一部が露出するように該ＩＴＯ膜を覆う膜であって、牛のルーメン液に対する耐性を有する第１の保護膜を具備するセンシング電極と、第２の基板上に形成された第２の電極、及び前記第２の電極の少なくとも一部が露出するように該第２の電極を覆う膜であって、前記ルーメン液に対する耐性を有する第２の保護膜を具備するリファレンス電極と、を備え、それらセンシング電極とリファレンス電極とを、前記第１の保護膜と前記第２の保護膜とが間隔を置いて対向する状態で牛のルーメン液中に配置するように構成されてもよい。一方、検出回路部は、前記センシング電極と電気的に接続されるイオン感応膜を具備する電界効果トランジスタと、前記リファレンス電極に直流電圧を印加することにより該リファレンス電極に陽イオンを生成させているときの前記電界効果トランジスタのドレイン・ソース間の電流から前記ルーメン液のｐＨ値を検出して、その検出されたｐＨ値を記憶する記憶部と、を備えるようにしてもよい。

また、本発明に係わるｐＨセンサは、センサ部と、電界効果トランジスタと、検出回路部と、無線回路部と、を備えるように構成されてもよい。その場合のセンサ部は、第１の
基板上に形成される第１の電極、前記第１の電極を被膜するＩＴＯ膜、及び前記ＩＴＯ膜の少なくとも一部が露出するように該ＩＴＯ膜を覆う膜であって、牛のルーメン液に対する耐性を有する第１の保護膜を具備するセンシング電極と、第２の基板上に形成された第２の電極、及び前記第２の電極の少なくとも一部が露出するように該第２の電極を覆う膜であって、前記ルーメン液に対する耐性を有する第２の保護膜を具備するリファレンス電極とを備え、それらセンシング電極とリファレンス電極とを、前記第１の保護膜及び前記第２の保護膜が間隔を置いて対向する状態で牛のルーメン液内に配置するように構成されてもよい。また、電界効果トランジスタは、前記センシング電極と電気的に接続されるイオン感応膜を具備するように構成されてもよい。さらに、検出回路部は、前記リファレンス電極に直流電圧を印加することにより該リファレンス電極に陽イオンを生成させているときの前記電界効果トランジスタのドレイン・ソース間の電流に応じて前記ルーメン液のｐＨ値を測定するように構成されてもよい。そして、無線回路部は、前記検出回路部の測定値を無線信号に変換して送信するように構成されてもよい。

ｐＨセンサがセンサ部と電界効果トランジスタと検出回路部と無線回路部とを備える構成においては、前記センサ部と前記検出回路部と前記無線回路部とは、牛のルーメン液に対する耐性を有し且つその両端が閉塞される筒状の筐体に収容されるようにしてもよい。その際、前記筐体の内部は、該筐体の一端側に配置され且つ前記センサ部を収容する第１の収容部と、該筐体の他端側に配置され且つ前記検出回路部及び前記無線回路部を収容する第２の収容部とに区画されるものとする。そして、前記第１の収容部は、該第１の収容部を包囲する前記筐体の周壁に穿設される貫通孔を介して、前記筐体の外部と連通するように構成される。一方、前記第２の収容部は、前記筐体の外部及び前記第１の収容部と液密に遮断されるように構成される。

なお、前記第１の収容部は、前記筐体の内径と同等の外径を有する有底筒状の電極ホルダを収容するように構成されてもよい。その場合、電極ホルダは、板状に形成される前記センシング電極と板状に形成される前記リファレンス電極とを、前記第１の保護膜と前記第２の保護膜とが間隔を置いて対向するように保持するように構成されてもよい。そして、前記電極ホルダの周壁における前記筐体の前記貫通孔に臨む部位には、該電極ホルダの内部と外部とを連通させる連通孔が形成されてもよい。

また、前記第１の収容部は、棒状に形成される前記センシング電極と棒状に形成される前記リファレンス電極とを、各電極の一端が前記筐体の一端側の端面に固定される状態で収容するように構成されてもよい。その際、前記筐体の貫通孔は、該貫通孔の軸線が前記筐体の径方向に対して斜めになるように形成されてもよい。

次に、本発明に係わる監視システムは、上記したように無線回路部を具備するｐＨセンサと、前記ｐＨセンサの無線回路部から無線送信されるｐＨ測定値を受信する受信器と、前記受信器から出力される前記ｐＨ測定値と牛の飼料に関する所定のデータとから監視データを生成して、その生成された監視データを表示する監視装置と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、ルーメン液のｐＨ値を検出するｐＨセンサ、又はそのｐＨセンサを用いた監視システムにおいて、ｐＨセンサの小型化、低消費電力化、及び耐衝撃性向上を図ることができる。

本発明に係るｐＨセンサの一実施形態における構成を示すブロック図である。図１中のセンシング電極及びリファレンス電極の各製造工程における断面図である。図２中のセンシング電極の製造工程時における平面図、及び保護膜の平面図である。保護膜の他の実施形態を示す平面図である。センシング電極の他の実施形態における断面図、平面図、及び部分拡大図である。図１中の検出回路部の一実施形態を示す回路構成図である。本発明に係るｐＨセンサの測定原理を説明するための回路図である。ｐＨセンサのパッケージ構造の一例を示す分解斜視図である。図８に示すパッケージ構造の外観斜視図である。ｐＨセンサのパッケージ構造の他の実施形態を示す縦断面図及び横断面図である。牛の胃の構造と本発明に係るｐＨセンサの収容位置とを説明するための図である。本発明に係る監視システムの一実施形態における構成を示すブロック図である。図１２中の監視装置の概略構成を示すブロック図である。飼料の給与とルーメン液のｐＨ値との相関の一例を示す図である。ガラス電極を用いた従来のｐＨセンサの一例を示す図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置などは、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、本発明に係るｐＨセンサの一実施形態における概略構成を示すブロック図である。本実施形態のｐＨセンサ１０は、センサ部１１、検出回路部１２、及び無線回路部１３を備える。センサ部１１は、ガラス電極の代わりに、後述する固形のセンシング電極１１１及びリファレンス電極１１２を備えている。それらのセンシング電極１１１とリファレンス電極１１２は、牛のルーメン液２０内において間隔を置いて対向するように配置される。

検出回路部１２は、電池及びＤＣ-ＤＣコンバータを含む電源ユニット１２１と、電界
効果トランジスタ（ＦＥＴ）１２２と、測定回路１２３と、備える。電源ユニット１２１は、ＦＥＴ１２２、測定回路１２３、及びリファレンス電極１１２に直流電圧を供給するものである。詳細には、電源ユニット１２１は、電池の直流電圧をＤＣ−ＤＣコンバータによって上記の各種機器に適した直流電圧に変圧し、変圧された直流電圧を上記の各種機器へ供給する。ＦＥＴ１２２は、そのゲートがセンシング電極１１１に接続され、且つそのドレイン及びソースが測定回路１２３に接続されており、測定回路１２３を利用してルーメン液２０のｐＨを測定させる、電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）である。また、測定回路１２３は、ルーメン
液２０のｐＨ測定値（以下、ｐＨ値ともいう）を無線回路部１３へ出力する。なお、測定回路１２３は、ｐＨ測定値を記憶するための記憶部を有していてもよい。

無線回路部１３は、無線回路１３１と、アンテナ１３２と、を備える。無線回路１３１は、測定回路１２３から出力されたＰＨ測定値を所定の無線周波数の無線信号に変換して、その無線信号をアンテナ１３２から外部回路へ無線送信する。ここでは、一例として無線回路部１３は、周波数４２９ＭＨｚ帯の周波数変調波（ＦＭ波）を無線送信する。

次に、本実施形態の特徴であるセンシング電極１１１及びリファレンス電極１１２の構造の各例について説明する。図２（Ａ）、（Ｂ）は、センシング電極の各製造工程の断面図を示す。図２（Ｃ）、（Ｄ）は、リファレンス電極の各製造工程の断面図を示す。まず、センシング電極は、図２（Ａ）に示すように、板状のシリコン基板４１上に白金（Ｐt
）や金（Ａu）などの金属からなる下部電極４２を公知の方法で形成し、その下部電極４
２を酸化インジウム錫（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）をフィルム状に成形した膜（以下、ＩＴＯ膜という）４３で被覆して形成される。さらに、本実施形態のセンシング電極１１１は、図２（Ｂ）に示すように、ＩＴＯ膜４３の表面とＩＴＯ膜４３が形成されていないシリコン基板４１の表面とを、牛のルーメン液に対する耐性を有する保護膜４４によって被覆している。その際、保護膜４４は、上記したＩＴＯ膜４３の表面の一部が露出するように形成されるものとする。なお、ここでいう保護膜４４は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（すなわち、テフロン（登録商標））等のフッ素樹脂からなる疏水性保護膜であり、本発明に係わる第１の保護膜に相当する。このように構成されるセンシング電極１１１は、図２（Ｂ）に示すように、平板状に形成される。

図３（Ａ）は、図２（Ａ）に示したセンシング電極１１１の製造工程時における平面図を示す。図３（Ａ）に示すように、ＩＴＯ膜４３は、例えば縦方向の長さが２０ｍｍ、且つ横方向の長さが１６ｍｍの矩形に形成されている。そして、ＩＴＯ膜４３は、矩形のコンタクト領域４３ａと、該コンタクト領域４３ａより小さな矩形のワイヤボンディング領域４３ｂとを有する。それらコンタクト領域４３ａとワイヤボンディング領域４３ｂとは、それらの中心がセンシング電極１１１の長手方向において同一直線上に位置するように配置される。そして、センシング電極１１１の保護膜４４には、図３（Ｂ）に示すように、例えば直径１０ｍｍの円形の開口部４４ａと、該開口部４４ａより面積の小さな矩形の開口部４４ｂとが穿設されている。なお、円形の開口部４４ａはコンタクト領域４３ａに対応した位置に形成され、且つ矩形の開口部４４ｂはワイヤボンディング領域４３ｂに対応した位置に形成されるものとする。その際、矩形の開口部４４ｂは、ＩＴＯ膜４３のワイヤボンディング領域４３ｂと同形状に形成されてもよい。図３（Ｂ）に示すように保護膜４４が構成されると、ＩＴＯ膜４３のコンタクト領域４３ａの大部分が保護膜４４の開口部４４ａを通して露出し、且つＩＴＯ膜４３のワイヤボンディング領域４３ｂが開口部４４ｂを通して露出することになる。

なお、センシング電極１１１に適用される保護膜の構成は、図３（Ｂ）に示した構成に限定されるものではなく、例えば、図４に示すように、直径８ｍｍの円形の開口部４４ｃと矩形の開口部４４ｂとが形成された保護膜４４１、直径６ｍｍの円形の開口部４４ｄと矩形の開口部４４ｂとが形成された保護膜４４２、直径４ｍｍの円形の開口部４４ｅと矩形の開口部４４ｂとが形成された保護膜４４３、４つの円形の孔が２行２列に配置された開口部４４ｆと矩形の開口部４４ｂとが形成された保護膜４４４、又は６つの円形の孔が３行３列に配置された開口部４４ｇと矩形の開口部４４ｂとが形成された保護膜４４５など、種々の構成の保護膜を適用することできる。なお、図４に示した保護膜の例において、開口部４４ｃ〜４４ｇは、コンタクト領域４３ａに対応した位置に形成されるものとする。

次に、リファレンス電極１１２は、図２（Ｃ）の断面図に示すように、シリコン基板５１上に銀（Ａｇ＋）などの金属からなる電極５２を形成する。さらに、本実施形態のリファレンス電極１１２は、図２（Ｄ）に示すように、上記した電極５２の表面を、保護膜５３によって被覆している。その際、保護膜５３は、電極５２の表面の一部が露出するように形成されるものとする。なお、ここでいう保護膜５３は、センシング電極１１１の保護膜４４と同様に、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂からなる疏水性保護膜であり、本発明に係わる第２の保護膜に相当する。このように構成されるリファレンス電極１１２は、センシング電極１１１と同様の平板状の電極であるが、上部電極となるＩＴＯ膜
は形成されない。ここで、センシング電極１１１とリファレンス電極１１２とは、同一のシリコン基板上の別々の位置に形成して、それぞれの製造プロセスが完了した後に、カッターなどで分離される方法によって製造されてもよい。

次に、センシング電極の他の実施形態について説明する。図５（Ａ）と図５（Ｂ）は、他の実施形態におけるセンシング電極の断面図と平面図を各々示し、図５（Ｃ）は、図５（Ｂ）の部分拡大図を示す。なお、図５中において、図２と同一の構成要素には同一符号を付してある。図５に示すセンシング電極１１１は、同図（Ａ）に示すように、下部電極４２を被覆しているＩＴＯ膜４３の表面、及びＩＴＯ膜４３の存在しない部分のシリコン基板４１の表面を、保護膜４５によって被覆している。そして、保護膜４５は、図５（Ｂ）に示すように、ＩＴＯ膜４３のコンタクト領域に対応する位置に設定される円形の領域内に、多数の孔を穿設して形成されるドット状の開口部４５ａを有する。さらに、保護膜４５は、ＩＴＯ膜４３の矩形のワイヤボンディング領域に対応する位置に形成される矩形の開口部４５ｂを有する。ここで、図５（Ｂ）中の領域Ｉの拡大図を図５（Ｃ）に示す。図５（Ｃ）に示すように、開口部４５ａは、例えば、直径が４０μｍ且つ高さが４μｍの孔４５ａ１〜４５ａ４をドット状に穿設して構成される。なお、ＩＴＯ膜４３のコンタクト領域に対応する位置に設定される円形の領域内において、開口部と疎水性保護膜との位置関係を逆にしてもよい。すなわち、上記した円形の領域内において、ドット状に配置される複数の円形の疎水性保護膜と、それら疎水性保護膜の隙間に形成される開口部と、を備えるように疎水性保護膜を形成してもよい。上記したようにセンシング電極１１１の保護膜が形成される場合は、該センシング電極１１１に対向して配置されるリファレンス電極の保護膜も、該センシング電極１１１の開口部と同形状の開口部を備えるようにしてもよい。

ところで、センシング電極は、ルーメン液と接触する面積が大きいほどｐＨ測定感度が大きくなる傾向がある。そのため、上記したコンタクト領域を露出させるための開口部が大きくなるほど、ｐＨ測定感度が大きくなると言える。例えば、図４において、比較的大きな開口部４４ｃを有する保護膜４４１によって被覆されるセンシング電極は、それより小さな開口部４４ｄ、４４ｅを有する保護膜４４２、４４３によって被覆されるセンシング電極に比べ、ｐＨ測定感度が大きくなる。しかしながら、牛のルーメン内には、ルーメン液以外に藁や草などの固形物が存在する可能性がある。よって、センシング電極の疎水性保護膜の開口部が大きくなると、上記の固形物がセンシング電極のコンタクト領域に接触し易くなるため、センシング電極を含むｐＨセンサの寿命が短くなる可能性がある。一方、図４中の保護膜４４４、４４５や、図５に示した保護膜４５で被覆されたセンシング電極は、コンタクト領域を露出させるための開口部の面積が小さいため、ルーメン内の固形物がセンシング電極のコンタクト領域に接触し難くなる。その結果、センシング電極を含むｐＨセンサの寿命が短くなり難い。ただし、ルーメン液と接触する面積が小さくなるため、ｐＨ測定感度が小さくなり易い。よって、疎水性保護膜の開口部の形状は、ｐＨ測定感度と寿命とのバランスを考慮して、適宜に選択すればよい。

次に、検出回路部１２の具体的な構成について説明する。図６は、検出回路部１２の回路構成の一例を示す図である。図６中において、図１と同一の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。図６において、ＦＥＴ１２２は、イオン感応膜により被覆されたゲート電極を有するＭＯＳＦＥＴであり、そのゲート電極により構成されるゲートＧはセンシング電極１１１に接続されている。なお、センシング電極１１１に接続されるゲートＧは、ゲート電極とは別途に設けられたイオン感応膜により構成されてもよい。また、ＦＥＴ１２２のドレインＤは、抵抗Ｒを介して電源ユニット１２１のＤＣーＤＣコンバータに接続されている。そして、ＦＥＴ１２２のソースＳは、グランドに接続されている。次に、測定回路１２３は、入力された信号をＡＤ変換するＡＤコンバータ（ＡＤＣ）１２３１と、ＡＤＣ１２３１からの信号を外部へ出力するＩ²Ｃなどのインタフェース回路１
２３２とから構成される。電源ユニット１２１の電池は、３Ｖの定格電圧を有する電池である。電源ユニット１２１のＤＣ―ＤＣコンバータは、電池の直流電圧を３．５Ｖの基準電圧Ｖ_ｒｅｆに変圧して、リファレンス電極１１２に印加する。また、ＤＣ−ＤＣコンバータは、電池の直流電圧を所定の直流電圧Ｖ_ddに変圧してＦＥＴ１２２及びインタフェース回路１２３２に印加する。さらに、ＤＣ−ＤＣコンバータは、電池の直流電圧を０.３
Ｖの直流電圧Ｖ_dsに変圧してＦＥＴ１２２のドレイン・ソースに印加する。

次に、本実施形態のｐＨの測定原理について説明する。図７は、本発明に係るｐＨセンサの測定原理を説明するための図である。同図中、図１及び図６と同一構成部分には同一符号を付してある。図７において、センシング電極１１１とリファレンス電極１１２とは、それらの疎水性保護膜が間隔を置いて対向するように、ルーメン液２０内に配置される。リファレンス電極１１２には、図１及び図６の電源ユニット１２１から直流電圧Ｖ_R（
図６のＶ_ref）が印加されている。一方、ＦＥＴ１２２には、図１及び図６の電源ユニッ
ト１２１から動作電圧（図６のＶ_dd）が印加されている。そして、ＦＥＴ１２２のゲートＧがセンシング電極１１１に接続されて、ドレイン・ソース間の直流電圧Ｖ_DSが出力される。

ＦＥＴ１２２は、ルーメン液２０内にあるリファレンス電極１１２に直流電圧Ｖ_Rが印
加された状態において、ゲートＧのイオン感応膜でルーメン液２０中の水素イオンＨ⁺を
検出して、その検出した水素イオンＨ⁺の量に応じた値の電位をドレイン・ソース間に発
生させる。よって、ＦＥＴ１２２のドレイン・ソース間の直流電圧Ｖ_DSがルーメン液２０のｐＨの値に応じて変化すると、ドレイン・ソース間の電流変化に対応した電圧上昇や電圧降下が抵抗Ｒに生じて、その変化量がＡＤＣ１２３１によってデジタルデータに変換される。ＡＤＣ１２３１によってデジタルデータに変換されたデータは、インタフェース回路１２３２によってＩ²Ｃ通信方式でＦＥＴ１２２の閾値シフトとして出力される。イン
タフェース回路１２３２から出力されたデータは、無線回路部１３によって外部回路へ無線送信される。その結果、外部回路において、ルーメン液２０のｐＨ測定値を取得することが可能となる。

次に、本発明に係るｐＨセンサを牛のルーメン内に投入して使用する場合におけるｐＨセンサのパッケージ構造について説明する。図８、９は、ｐＨセンサのパッケージ構造の一実施形態を示す図である。図８は、ｐＨセンサのパッケージ構造の分解斜視図であり、図９は、ｐＨセンサのパッケージ構造の外観斜視図である。なお、図８、９中において、図１と同一の構成要素には同一の符号を付している。ｐＨセンサを含むパッケージ２００は、電極ホルダ２０２、検出回路基板２０６、及び無線回路基板２０７を筐体２０１内に収容して構成される。筐体２０１は、一端が閉塞された円筒状に形成される。筐体２０１内の一端側には、該筐体２０１の内径と同等の外径を有する、有底円筒状の電極ホルダ２０２が収容される。筐体２０１内の他端側には、検出回路基板２０６と無線回路基板２０７とが収容されている。そして、筐体２０１の他端は、キャップ２０８により液密に封止される。このように、筐体２０１の内部は、電極ホルダ２０２の底部２０５によって２つの収容部に区画され、その一端側の収容部（本発明の第１の収容部に相当）には、電極ホルダ２０２によって保持されたセンシング電極１１１とリファレンス電極１１２が収容される。また、上記した２つの収容部のうち、筐体２０１の他端側の収容部（本発明の第２の収容部に相当）には、検出回路基板２０６と無線回路基板２０７が収容される。そして、第１の収容部と第２の収容部とは、電極ホルダ２０２の底部２０５によって液密に遮断される。さらに、第２の収容部は、キャップ２０８によって筐体２０１の外部とも液密に遮断される。ここで、筐体２０１、電極ホルダ２０２、及びキャップ２０８は、ルーメン液に対して分解しない耐性を有する材質（例えば、ポリテトラフルオロエチレンなど）により形成されるものとする。

また、筐体２０１の周壁における第１の収容部を包囲する部位には、該周壁を貫通する複数の貫通孔２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃが穿設されており、それら貫通孔２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃを介して第１の収容部と筐体の外部とが連通可能になっている。電極ホルダ２０２は、その周壁の内面における互いに対向する部位にセンシング電極１１１とリファレンス電極１１２とを保持する。その際、センシング電極１１１とリファレンス電極１１２とは、それぞれの疎水性保護膜が間隔を置いて対向するように保持されるものとする。また、電極ホルダ２０２の周壁のうち、センシング電極１１１とリファレンス電極１１２とが設けられていない部分には、該電極ホルダ２０２の先端側から底部２０５にかけて切り込み２０４が設けられている。また、電極ホルダ２０２の周壁における、前記筐体２０１の貫通孔２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃの少なくとも１つに臨む部位には、該周壁の内側と外側とを連通させるための連通孔２０３が穿設されている。図８、９に示す例では、前記連通孔２０３は、前記貫通孔２０１ａに臨む部位に設けられているが、前記貫通孔２０１ｂ又は前記貫通孔２０１ｃに臨む部位に設けられてもよい。

また、検出回路基板２０６は、図１に示した検出回路部１２を構成する、電源ユニット１２１、ＦＥＴ１２２、及び測定回路１２３の各部品を実装した基板である。無線回路基板２０７は、図１に示した無線回路部１３を構成する、無線回路１３１及びアンテナ１３２の各部品を実装した基板である。これら検出回路基板２０６及び無線回路基板２０７は、上記した第２の収容部に収容され、且つ図示しない支持部材により支持固定される。なお、検出回路基板２０６は、電極ホルダ２０２の底部２０５に穿設された小径の孔を通してセンシング電極１１１のワイヤボンディング領域とボンディングワイヤで接続される。その際、ボンディングワイヤが通る孔は、液密にシールされるものとする。これにより、筐体２０１の貫通孔２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、及び電極ホルダ２０２の連通孔２０３を介して第１の収容部へ流入したルーメン液が第２の収容部へ侵入することが抑制される。つまり、上記したパッケージ２００がルーメン液中に配置された場合に、ルーメン液が貫通孔２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃや、連通孔２０３を通して筐体２０１内の第１の収容部に流入するものの、第２の収容部に流入することは抑制される。

次に、本発明に係るｐＨセンサのパッケージ構造の他の実施形態について図１０に基づいて説明する。図１０（Ａ）はパッケージ構造の縦断面図を示し、図１０（Ｂ）はパッケージ構造の横断面図を示す。図１０（Ａ）、（Ｂ）において、本発明に係るｐＨセンサのパッケージ２５０は、一端が閉塞された円筒状の筐体２５１内に、棒状のセンシング電極２５３と、棒状のリファレンス電極２５４と、回路基板２５６と、を収容して、該筐体２５１の他端をキャップ２５７により封止した構造である。筐体２５１及びキャップ２５７は、図８、９に示した筐体２０１及びキャップ２０８と同様に、ルーメン液に対して分解・腐食しない耐性を有する材質で形成されている。

棒状のセンシング電極２５３及び棒状のリファレンス電極２５４は、それぞれの一端が筐体２５１の一端側の端面２５５の中心近傍に間隔を置いて固定されている。また、棒状のセンシング電極２５３及び棒状のリファレンス電極２５４のそれぞれの他端は、回路基板２５６に接続されている。ここで、センシング電極２５３は、棒状のＩＴＯ電極で形成されている。一方、リファレンス電極２５４は、棒状の金属電極、例えば銀（Ａｇ＋）で形成されている。

筐体２５１の周壁において、該筐体２５１の軸方向における一端寄りの部位（図１０（Ａ）中の上側の部位）には、複数の貫通孔２５２ａ〜２５２ｆが穿設されている。なお、貫通孔２５２ａ〜２５２ｆは、図１０（Ｂ）に示すように、その軸線Ｌ１が筐体２５１の径方向Ｌ２に対して斜めになるように穿設されるものとする。言い換えると、貫通孔２５２ａ〜２５２ｆは、その軸線Ｌ１が筐体２５１の軸心付近に配置されたセンシング電極２５３及びリファレンス電極２５４からオフセットした位置を通るように穿設される。この
ように貫通孔２５２ａ〜２５２ｆが構成されると、筐体２５１の外部から貫通孔２５２ａ〜２５２ｆを介して筐体２５１の内部へ侵入した藁や草などの固形物が、センシング電極２５３やリファレンス電極２５４に接触し難くなるため、それらの電極２５３、２５４の寿命が短くなり難い。また、筐体２５１の内部において、該筐体２５１の軸方向における基端寄りの空間には、回路基板２５６が収容されており、その回路基板２５６の周囲にはゲルなどの防水・固定用充填物２５８が充填されている。このような構成によれば、筐体２５１の外部から貫通孔２５２ａ〜２５２ｆを介して筐体２５１の内部へ流入したルーメン液は、防水・固定用充填物２５８に遮られて回路基板２５６に接触しなくなる。

回路基板２５６は、図８に示した検出回路基板２０６及び無線回路基板２０７と同様の部品を実装しており、そのうちの検出回路基板に相当する部品がセンシング電極２５３及びリファレンス電極２５４のそれぞれの他端に接続されている。

次に、本発明に係るｐＨセンサの動作について説明する。本発明に係るｐＨセンサは、図８、９に示したパッケージ２００、又は図１０に示したパッケージ２５０の形態で牛の口内に投入される。牛の口内に投入されたパッケージ２００、２５０は、牛の食道を通ってルーメンに至り、ルーメン内に収容される。ここで、牛の胃の構造を図１１に示す。牛の胃３００は、図１１に示すように、第１胃（ルーメン）３０１、第２胃３０２、第３胃３０３、及び第４胃３０４の計４つの胃を備えることが周知である。そして、牛が給与された餌は口内で若干すりつぶされた後、食道を通ってルーメン３０１に至り、そこでバクテリアや微生物の働きで分解されて栄養素として利用できる形に変えられる。第２胃３０２は、ルーメン３０１から送り出された餌を、食道を介して口内へ押し戻す機能を有しており、それにより口内に押し戻された餌が再びすりつぶされることになる。また、第２胃３０２は、口内ですりつぶされた餌を、第３胃３０３を介して第４胃３０４へ送る機能も有する。第４胃３０４は、消化液による餌の分解を行う。第４胃３０４で分解された餌は、十二指腸へ送り出される。

上記したような働きをする牛の胃３００において、牛の口内へ投入されたパッケージ２００、２５０は、図１１中の一点鎖線２１０で示す範囲に至る。ここで、パッケージ２００及び２５０の重さは、ルーメン３０１から第２胃３０２へ移動しない所定の重さに設定されている。また、パッケージ２００、２５０の各部は、前述したように、ルーメン液に対して耐性を有する材質で形成されているため、ルーメン３０１内に至ったパッケージ２００、２５０は、ルーメン液により分解・腐食されることなくルーメン３０１内に留まることになる。

ここで、図８、９に示したパッケージ２００がルーメン３０１内に投入されている場合は、ルーメン３０１内のルーメン液は、筐体２０１の貫通孔２０１ａ〜２０１ｃや連通孔２０３を介して第１の収容部に流入してセンシング電極１１１及びリファレンス電極１１２と接触することになる。また、図１０に示したパッケージ２５０がルーメン３０１内に投入されている場合は、ルーメン３０１内のルーメン液は、筐体２５１の貫通孔２５２ａ〜２５２ｆを介して、センシング電極２５３及びリファレンス電極２５４の収容空間に流入して、それらの電極２５３、２５４と接触することになる。このようにしてルーメン液がセンシング電極１１１、２５３及びリファレンス電極１１２、２５４と接触すると、前述の図７の説明で述べた原理に基づいて、ルーメン液のｐＨ値が測定され、そのｐＨ測定値が外部回路へ向けて無線送信されることになる。

以上述べた各実施形態のｐＨセンサは、半導体基板上に形成された固形のセンシング電極及びリファレンス電極を用いて、ルーメン液のｐＨ値を測定するように構成されるため、ガラス電極を用いた従来のｐＨセンサに比べて、小型化や低消費電力化を図ることができるとともに、耐衝撃性を向上させることもできる。

次に、本発明に係るｐＨセンサを用いた監視システムについて説明する。図１２は、本発明に係る監視システムの一実施形態における概略構成を示すブロック図である。図１２中において、前述の図１と同一の構成要素には、同一の符号を付している。本実施形態における監視システム４００は、図１に示したように構成されるｐＨセンサ１０に加え、受信器４０１と監視装置４０２とを備える。なお、受信器４０１と監視装置４０２との間におけるデータの授受は、有線又は無線で行われるものとする。

ｐＨセンサ１０は、前述したように、ルーメン液２０のｐＨ値をリアルタイムで測定し、そのｐＨ測定値を無線信号に変換して無線送信する。そして、受信器４０１は、ｐＨセンサ１０から無線送信された信号を受信してｐＨ測定値に復調し、その復調したｐＨ測定値を監視装置４０２へ送る。このような監視システムによれば、監視装置４０２へ送られたｐＨ測定値に基づいて、飼料の給与量などを制御することが可能になる。

ここで、図１２中の監視装置４０２の一例を図１３に示す。図１３は、監視装置４０２の一実施形態における概略構成を示すブロック図である。図１３において、監視装置４０２は、インタフェース回路４０２１と、該監視装置４０２の各部を統括的に制御するための中央処理装置(ＣＰＵ：Central Processing Unit)４０２２と、各種情報を入力するた
めの入力部４０２３と、ＣＰＵ４０２２で処理された各種情報を表示するための表示部４０２４と、各種データを記憶するための記憶部４０２５と、を備える。なお、記憶部４０２５は、ＣＰＵ４０２２の動作用プログラムを記憶するための記憶領域や、ＣＰＵ４０２２による演算の作業領域として用いられる記憶領域などを含む。

図１３に例示した監視装置４０２では、受信器４０１により受信されたｐＨ値のリアルタイムの測定データと、入力部４０２３により入力されたデータ（例えば、飼料の成分、飼料の給与量、飼料の給与日時などのデータ）と、に基づいて、ＣＰＵ４０２２が所定の演算処理を行う。そして、ＣＰＵ４０２２の処理結果が表示部４０２４によって表示される。つまり、監視装置４０２は、飼料の成分、飼料の給与量、飼料の給与日時などの入力データに関連づけて、牛のルーメン液のｐＨ測定値をリアルタイムに表示させることができる。その結果、牛がルーメンアシドーシスの状態にならないように、飼料の給与タイミング、飼料の成分、飼料の給与量、飼料の給与タイミングなどを調整することが可能になる。よって、牛の健康の維持や成長促進を適切に行うことが可能になる。

なお、本発明に係わるｐＨセンサは、上記した実施形態に限定されるものではない。例えば、ｐＨセンサは、図１に示したような無線回路部１３を備えていなくともよい。ただし、その場合は、測定回路１２３は、ルーメン液のｐＨ値を測定する機能と、ｐＨ測定値を記憶する機能と、を有する回路構成とすればよい。そして、ｐＨセンサのパッケージを牛のルーメンから適宜に取り出すための構成（例えば、パッケージの外部に鎖の先端を取付け、且つパッケージがルーメンに達した状態で鎖の他端が牛の口からはみ出るように鎖の長さを設定するなど）が必要となる。このような構成によると、ルーメン液のｐＨ値を監視するために、パッケージをルーメンから取り出すという手間がかかるものの、ｐＨセンサの小型化、低消費電力化、及び耐衝撃性向上をより確実に図ることが可能になる。

１０ｐＨセンサ
１１センサ部
１２検出回路部
１３無線回路部
４３ＩＴＯ膜
４４保護膜
４５保護膜
１１１センシング電極
１１２リファレンス電極
１２２ＦＥＴ
２００、２５０パッケージ
２０１筐体
２０１ａ〜２０１ｃ貫通孔
２０２電極ホルダ
２０３連通孔
２５２ａ〜２５２ｆ貫通孔
４００監視システム
４０１受信器
４０２監視装置

Claims

第１の基板上に形成された第１の電極、前記第１の電極を被覆するＩＴＯ膜、及び前記ＩＴＯ膜の少なくとも一部が露出するように該ＩＴＯ膜を覆う膜であって、牛のルーメン液に対する耐性を有する第１の保護膜を具備するセンシング電極と、
第２の基板上に形成された第２の電極、及び前記第２の電極の少なくとも一部が露出するように該第２の電極を覆う膜であって、前記ルーメン液に対する耐性を有する第２の保護膜を具備するリファレンス電極と、
前記センシング電極と電気的に接続されるイオン感応膜を有する電界効果トランジスタと、
を備え、
前記センシング電極及び前記リファレンス電極を、前記第１の保護膜と前記第２の保護膜とが間隔を置いて対向するように牛のルーメン液中に配置した状態において、前記リファレンス電極に直流電圧が印加されたときの前記電界効果トランジスタのドレイン・ソース間の電流に基づいて、前記ルーメン液のｐＨ値を測定することを特徴とするｐＨセンサ。
前記第１の保護膜には、前記ＩＴＯ膜のコンタクト領域の一部を露出させるための単一又は複数の第１の開口部が形成されており、
前記第２の保護膜には、前記第２の電極のコンタクト領域の一部を露出させるための単一又は複数の第２の開口部が形成されていることを特徴とする請求項１記載のｐＨセンサ。
前記第１の開口部、及び前記第２の開口部は、ドット状に配置された複数の開口部により形成されることを特徴とする請求項２記載のｐＨセンサ。
前記第１の開口部、及び前記第２の開口部は、格子状に配置された開口部により形成されることを特徴とする請求項２記載のｐＨセンサ。
第１の基板上に形成された第１の電極、前記第１の電極を被覆するＩＴＯ膜、及び前記ＩＴＯ膜の少なくとも一部が露出するように該ＩＴＯ膜を覆う膜であって、牛のルーメン液に対する耐性を有する第１の保護膜を具備するセンシング電極と、第２の基板上に形成された第２の電極、及び前記第２の電極の少なくとも一部が露出するように該第２の電極を覆う膜であって、前記ルーメン液に対する耐性を有する第２の保護膜を具備するリファレンス電極と、を備え、それらセンシング電極とリファレンス電極とを、前記第１の保護膜と前記第２の保護膜とが間隔を置いて対向する状態で牛のルーメン液中に配置するセンサ部と、
前記センシング電極と電気的に接続されるイオン感応膜を具備する電界効果トランジスタ、及び前記リファレンス電極に直流電圧を印加することにより該リファレンス電極に陽イオンを生成させているときの前記電界効果トランジスタのドレイン・ソース間の電流から前記ルーメン液のｐＨ値を検出して、その検出されたｐＨ値を記憶する記憶部を備える検出回路部と
を備えることを特徴とするｐＨセンサ。
第１の基板上に形成される第１の電極、前記第１の電極を被膜するＩＴＯ膜、及び前記ＩＴＯ膜の少なくとも一部が露出するように該ＩＴＯ膜を覆う膜であって、牛のルーメン液に対する耐性を有する第１の保護膜を具備するセンシング電極と、第２の基板上に形成された第２の電極、及び前記第２の電極の少なくとも一部が露出するように該第２の電極を覆う膜であって、前記ルーメン液に対する耐性を有する第２の保護膜を具備するリファレンス電極とを備え、それらセンシング電極とリファレンス電極とを、前記第１の保護膜
及び前記第２の保護膜が間隔を置いて対向する状態で牛のルーメン液内に配置するセンサ部と、
前記センシング電極と電気的に接続されるイオン感応膜を具備する電界効果トランジスタと、
前記リファレンス電極に直流電圧を印加することにより該リファレンス電極に陽イオンを生成させているときの、前記電界効果トランジスタのドレイン・ソース間の電流に応じて前記ルーメン液のｐＨ値を測定する検出回路部と、
前記検出回路部の測定値を無線信号に変換して送信するための無線回路部と
を備えることを特徴とするｐＨセンサ。
前記センサ部と前記検出回路部と前記無線回路部とは、牛のルーメン液に対する耐性を有し且つその両端が閉塞される筒状の筐体に収容されており、
前記筐体の内部は、該筐体の一端側に配置され且つ前記センサ部を収容する第１の収容部と、該筐体の他端側に配置され且つ前記検出回路部及び前記無線回路部を収容する第２の収容部とに区画されており、
前記第１の収容部は、該第１の収容部を包囲する前記筐体の周壁に穿設される貫通孔を介して、前記筐体の外部と連通しており、
前記第２の収容部は、前記筐体の外部及び前記第１の収容部と液密に遮断されることを特徴とする請求項６記載のｐＨセンサ。
前記第１の収容部は、前記筐体の内径と同等の外径を有する有底筒状の電極ホルダを収容しており、
前記電極ホルダは、板状に形成される前記センシング電極と板状に形成される前記リファレンス電極とを、前記第１の保護膜と前記第２の保護膜とが間隔を置いて対向するように保持するものであり、
前記電極ホルダの周壁における前記筐体の前記貫通孔に臨む部位には、該電極ホルダの内部と外部とを連通させる連通孔が形成されることを特徴とする請求項７記載のｐＨセンサ。
前記第１の収容部は、棒状に形成される前記センシング電極と棒状に形成される前記リファレンス電極とを、各電極の一端が前記筐体の一端側の端面に固定される状態で収容することを特徴とする請求項７記載のｐＨセンサ。
前記貫通孔は、該貫通孔の軸線が前記筐体の径方向に対して斜めになるように形成されることを特徴とする請求項９記載のｐＨセンサ。
請求項６に記載のｐＨセンサと、
前記ｐＨセンサの無線回路部から無線送信されるｐＨ測定値を受信する受信器と、
前記受信器から出力される前記ｐＨ測定値と牛の飼料に関する所定のデータとから監視データを生成して、その生成された監視データを表示する監視装置と
を備えることを特徴とする監視システム。