JP2015530073A - 植物のスペクトル感度に適合化された光源 - Google Patents

Abstract

個々の植物に合わせた色の光を供給する発光ダイオード（ＬＥＤ）などの照明素子のネットワークを有する照明アセンブリを設けるステップを含む、制御環境において植物成長を刺激する方法。照明アセンブリは、生成された光が植物により受光されるように植物に隣接して配置される。照明アセンブリはさらに、植物の連続的成長を刺激するために、所定の明と暗の期間を制御可能に提供するために照明素子を変調する駆動回路を含む制御アセンブリを有する。【選択図】図６

Description

関連出願の相互参照
本出願は２０１２年７月１０日出願の米国仮特許出願第６１／６６９，８２５号明細書、題名“Ｌｉｇｈｔ Ｓｏｕｒｃｅｓ Ａｄａｐｔｅｄ ｔｏ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ Ｐｌａｎｔ”の優先権を主張するとともにそれに基づく。参照のためその全体を本明細書に援用する。

本発明は植物成長に関する。より具体的には、本発明は光合成を強化するために植物に光を放射する方法およびアセンブリに関する。

光合成過程中に植物が様々な周波数の光を吸収して光合成を起こすということは当該技術分野ではよく知られている。特に、光合成有効放射（ＰＡＲ）は約４００ナノメートル（ｎｍ）〜７００ｎｍのスペクトル範囲内の放射である。また当該技術分野において知られているのは、クロロフィル（最も豊富であり植物代謝に責任を負う植物色素）が赤および青色光を捕捉することに最も効率的であるということである。

光合成中、植物内のクロロフィル色素は、代謝過程を駆動するために光子を吸収し光子中の他のエネルギーを消費する。同時に、赤／遠赤外および青色／ＵＶ−ＡおよびＵＶ−Ｂ光センサまたは光受容体である他の色素が植物の振る舞いと発育とを調整するように化学的に反応する。したがって、赤および青色スペクトラム光を提供することにより植物は速度が増加して成長するということが示された。

加えて、また当該技術分野において知られているのは、植物がターンオーバすなわち暗の時間を必要とするということである。特に、色素が光子を受容して代謝過程を経ると、色素は追加の光子を受容することができない。依然として、追加の光子が植物に降り注ぐと、色素は、新陳代謝を企て続け、したがって植物に負担をかけるまたは植物を疲労させることになる。したがって、暗時間は、色素に代謝過程を完了させ代謝過程を再開させるために必要である。したがって、人間が睡眠を必要とするのと全く同様に、植物は同様に、代謝過程を最適化するためにダウンタイムを必要とする。特に、植物のタイプに依存して、植物は光により生じる疲労また負担を最小化するために２４ミリ秒（ｍｓ）毎に約３．５〜１４．５ｍｓのターンオーバ時間を必要とする。

この現象の結果として、パルス幅変調（ＰＷＭ）により制御されるＤＣ（直流）照明が植物における成長特性を強化するために利用されてきた。人間の眼により検知可能でないバーストまたはフリッカのＰＷＭ照明を利用することにより当業者は光合成を最適化しようとしてきた。

依然として、ＤＣ照明の利用の結果として問題が存在する。具体的には、ＤＣ（直流）照明は、高価であり、信頼できないまたは使用するのが困難である可能性がある。加えて、これらの効果に関する研究は行われてきたが、使い易くかつ意味のある工業応用可能製品が依然として望まれている。したがって、頑強であり、製造および作動が低価格であり、かつ植物における成長特性を強化することができるＡＣ（交流）光源の必要性が当該技術分野において存在する。

したがって、本発明の主目的はＡＣ電源を利用することにより植物における成長特性を強化することである。

本発明の別の目的は植物成長を強化する費用効率の高い照明を提供することである。

本発明のさらに別の目的は複数の植物に使用される照明アセンブリを提供することである。

本発明の別の目的は、ＤＣ電源の使用に代わって、植物に提供される光を変調する代替方法を提供することである。

これらおよび他の目的、特徴、および利点は本明細書の残りの部分から明らかになる。

花を含む植物の生育のための園芸アセンブリは、植物に隣接され植物のスペクトル感度に適合化されたＡＣ電源光源アセンブリを含む。調光可能であり、かつ光がアセンブリにより放射されていない期間を提供するために位相分割によりアセンブリ内のＬＥＤに行く電流を停止することができる光エンジンアセンブリが提供される。さらに、光エンジンアセンブリは、位相分割により赤および青色発光を制御できるように赤および青色発光ダイオード（ＬＥＤ）の両方を直列に提供するチップ素子を含む。

図１は、植物を生育するための制御環境内の照明アセンブリの側面図である。 図２は、植物を生育するための照明アセンブリの概略図である。 図３は、植物を生育するための照明アセンブリ内の回路の概略図である。 図４Ａは、植物を生育するための筒状体の側面図である。 図４Ｂは、植物を生育するための筒状体の側面図である。 図５は、植物を生育するための照明アセンブリの一定期間にわたる電圧と電流を示すグラフである。 図６は、植物を生育するための照明アセンブリの一定期間にわたる電圧と電流を示すグラフである。

図１に示すように、園芸アセンブリ１０は、屋外、温室内、屋内などを含む任意の場所に存在し得る。アセンブリ１０は、通常は並んで植えられる植物１４が配置された容器または空間１２を含む。並んで植えられると説明したが、単一植物、または互いに任意の関係で植えられる複数の植物が考えられ、これらは本開示から外れるものではない。生育過程を支援するために植物１４まで水を運ぶ一連の水路１６を好適には含む給水系統１５がまた設けられる。

植物に隣接して配置されるのは、ＡＣ源により電力を供給される複数の光源アセンブリ１８である。これらのアセンブリ１８は、少なくとも１つの植物がアセンブリ１８から放射された放射光を受光するように、水路系１４の水路１６に搭載または固定されてもよい、またはそうでなければ二次水路系上に配置されてもよい、またはそうでなければ植物１４に隣接して配置または搭載されてもよい。

アセンブリ１８は、調光可能であり、本明細書にその両方が援用されるＧｒａｊｃａｒの米国特許出願第１２／８２４，２１５号明細書および／またはＧｒａｊｃａｒの米国特許出願第１２／９１４，５７５号明細書に記載のように構築される。ＡＣ電流、またはＡＣ入力を供給するために励起電圧に応答して流れる等しい大きさで反対極性の電流を受信できるように周期的励起電圧を受信するようにされた一対の入力端子２０を有する一例としてのこのようなアセンブリの１つを図２に示す。次に、ＡＣ電流は、金属酸化物バレジスタ（ＭＯＶ：ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｖａｒｅｓｉｓｔｏｒ）２４と、好ましい実施形態では複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）２６で形成されるブリッジ整流器である整流装置２５とを任意選択的に含む回路２２を駆動することにより調整される。

発光ダイオード（ＬＥＤ）２６などの複数の照明素子２７が第１のネットワーク２８内に配置され、第１のネットワーク２８は第１のネットワーク２８に関連する少なくとも１つの順方向閾値電圧を越える励起電圧に応答して電流を導くように構成される。任意選択的に、駆動回路２２に依存して、第１のネットワーク２８に到着する前に電流を調整するために抵抗器３０または複数の抵抗器が使用され得る。第１のネットワーク２８のＬＥＤ２６は任意のタイプまたは色であり得る。一実施形態では、第１のネットワーク２８のＬＥＤ２６は約６００〜７５０ナノメートル（ｎｍ）の波長を有する光を生成する赤色ＬＥＤである。別の実施形態では、第１のＬＥＤのネットワークは約３５０〜５００ｎｍの波長を有する光を生成する青色ＬＥＤである。または赤および青色ＬＥＤの両方を一緒に設けることができる。または、緑色などの他の色のＬＥＤが同様に本開示の範囲から外れることなく使用され得る。

複数のＬＥＤ２６などの照明素子２７を有する第２のネットワーク３２が第１のネットワーク２８と直列にさらに設けられる。第２のネットワーク３２のＬＥＤ２６は任意のタイプまたは色であり得る。一実施形態では、第２のネットワーク３２のＬＥＤ２６は約６００〜７５０ナノメートル（ｎｍ）の波長を有する光を生成する赤色ＬＥＤである。別の実施形態では、第２のＬＥＤのネットワークは約３５０〜５００ｎｍの波長を有する光を生成する青色ＬＥＤである。または赤および青色ＬＥＤの両方を一緒に設けることができる。または緑色などの他の色のＬＥＤが同様に本開示の範囲から外れることなく使用され得る。

第１のネットワーク２８と直列関係にあり第２のネットワーク３２と並列関係にあるバイパス経路３４がアセンブリ１８内に設けられる。またバイパス経路３４内には、例えば一実施形態ではデプレッションＭＯＳＦＥＴであるトランジスタ３６だけであり得る制御インピーダンスを提供する素子群が存在する。バイパス経路３４から第２のネットワーク３２への滑らかで連続的な遷移を実現するために電流を調整する追加のトランジスタ、抵抗器などがバイパス経路３４内で使用され得る。

したがって、入力励起波形に応じた色温度シフトは、ＬＥＤ群またはネットワーク２８、３２の適切な選択と、選択されたＬＥＤネットワーク２８、３２周囲のバイパス電流を変調する１または複数の選択的電流ダイバージョン調整回路の構成とに基づき、実施または設計され得るということが本明細書の開示から理解される。各群内のダイオードの数、励起電圧、位相制御範囲、ダイオード色、およびピーク強度パラメータの選択は、一連の照明アプリケーションのための電気的および／または光学的出力性能の改善をもたらすために操作され得る。

図３、４Ａ、４Ｂに、ＤＣ電源の利用を必要としない光の変調が提供されるやり方を示す。一実施形態では、図３に示すように、制御アセンブリ３８が設けられる。制御アセンブリ３８は、電力前縁および後縁位相分割素子を利用する調光装置であり得る。一例として、トライアック調光器が前縁の位相分割を実現し、ＩＧＢＴ調光器が後縁の位相分割を実現する。この実施形態では、前縁および後縁位相分割の両方を有する調光装置が駆動回路２２と電気的に通信する。このようにして、制御アセンブリ３８内で両方を利用することにより、電流の無い所定期間が設けられる。したがって、制御アセンブリ３８に関連する制御装置４０は、電流の無い期間したがって暗の期間を決定するために使用され得る。

一実施形態では制御アセンブリ３８は所定期間の間供給電流を切るために利用される第１および第２のＳＣＲを含み、別の実施形態では制御アセンブリ３８は少なくとも１つのＳＣＲシリコン制御整流器を含む）。この切断は、０位相角またはそうでなければある角度で発生し得る。したがって、ＳＣＲを利用することにより、制御アセンブリ３８は照明アセンブリ１８の制御可能オン／オフスイッチとしても機能する。具体的には、一実施形態では、所定の明暗の期間を０〜３０分の任意の所定期間で設定できるように、制御ノブなどの制御装置４０が第１および第２のＳＣＲと通信する。

図４Ａと図４Ｂに示すような別の実施形態では、光の変調は電気的に制御されない。逆に、照明アセンブリ１８自体または植物１４のいずれかが明と暗の期間を発生させるように相対的に動く。一実施形態では、複数の植物１４は植物１４に隣接する筒状体４４の周囲４６を弧状に囲む複数の照明素子２７を有する樽である回転筒状体４４内に配置される。一実施形態では、約１８０°にわたる照明素子群２７が筒状体を弧状に囲む。別の実施形態では、９０°にわたる照明素群子２７だけが設けられる。このようにして、明と暗の期間を生成するために、筒状体４４が回転、照明素子２７が回転、またはその両方が回転し得る。特に、照明素子は低拡散速度を有し、したがって暗期間が発生することを保証する直射光だけを供給することができる。したがって、明と暗の期間の長さを、照明素子２７と筒状体４４内の植物１４との相対回転速度により制御することができる。または、光を再び阻止して暗い期間を発生させるために遮蔽４６を設けることができる。

図５と図６に、赤および青の照明素子２７と光の変調を制御するための制御アセンブリ３８とを利用する可能な実施形態における電圧と電流のグラフを示す。この実施形態では、駆動回路２２は入力電圧４８に応じて全体電流５０を調整する。このようにして、青色照明素子電流５２は、赤色照明素子電流５４が増加し次にまた増加する前に減少する間に着実に増加し、次に減少する。ユーザの要件によっては、電流５０は、所望により電流を零まで減少させるために、そして上に詳しく論述されたように暗の期間を生成するために前縁５６と後縁５８において任意選択的に切られ得る。したがって、駆動回路２２と、照明素子２７に関連して使用されるような照明素子２７の選択とに依存して、照明アセンブリ１８の色出力は、所与の植物の最適照明が判断されるとアセンブリ１８がこの最適結果を提供できるように制御され得る。このようにして、光の最適スペクトルと変調の両方を提供することができる。

動作中、成長、収率など植物の特性を最適化する植物の所定の光波長または色と共に、特定の植物のための所定の明暗期間を調べ判断することができる。次に、照明アセンブリ１８は所定の光波長を与えるように製造され、制御アセンブリ３８は最適成長のための最適所定明暗期間を提供するように調整され得る。

光アセンブリ１８は、照明素子２７へ供給される調整電流の変調に依存して所定時間の位相を与えるように構成される。好ましい実施形態では、位相は２４ｍｓである。この位相中、位相分割の結果として、トライアックまたは他の部品による前縁および／またはＩＧＢＴなどのトランジスタによる後縁にかかわらず、電流は、所定時間または期間（３．５〜１４．５ｍｓの暗またはターンオーバ期間を生成するために各２４ｍｓ位相中に好適には３．５〜１４．５ｍｓ）ＬＥＤへ供給されない。この３．５〜１４．５ｍｓの間、植物１４は、光合成過程を最適化するためにターンオーバ時間を経験する。具体的には、これにより、植物の連続的成長を刺激する所定の明と暗の期間が提供される。本出願の文脈で使用される場合、所定の明と暗の期間は、明または暗が人間により感知されなくても、植物１４により感知され得るものと、照明素子２７により照射される光の無い期間を表すものとにより測定または判断される。したがって、フリッカと人間により感知されない感知不可フリッカが、本開示の文脈内では、所定の明暗期間を提供すると考えられる。

第１および第２のＳＣＲが利用される実施形態では、ＳＣＲは照明アセンブリ１８の制御可能オン／オフスイッチとして機能する。このような機能は所定の明の期間と所定の暗の期間を可能にする。一実施形態では、所定の明暗両方の期間は約３０分である。具体的には、制御アセンブリ３８は、所定の明暗期間を０〜３０分の任意の所定期間に設定できるように第１および第２のＳＣＲと通信する。このようにして、特定の植物の最適要件に整合する所定の明と暗の継続時間を制御することができる。

こうして、複数の植物１４を照明するための方法とアセンブリ１０が提供される。アセンブリ１０は、植物の所定の暗の量またはターンオーバ時間を含む照明サイクルまたは位相を位相分割により提供するＡＣ電力照明アセンブリ１８を含む。その結果、植物１４は、新陳代謝過程の完了中の植物のストレスと負担を軽減するために必要な休養を取る。この時点で、植物１４は、光合成過程中の新陳代謝を続けるためにより多くの光を吸収する準備ができる。

その一方で、赤色ダイオードと青色ダイオードを有することにより、新陳代謝と光合成の効果は最大化される。具体的には、赤色ＬＥＤと青色ＬＥＤは、特定の植物１４の理想ＰＡＲに従って植物１４により受光される光を最適化するために、間欠的青色光および赤色光を生成する様々なＬＥＤのネットワーク２８および３２を含むことができる。その結果、２４時間一定光成長サイクルだけでなく、加えて、最大化された植物の成長を得ることができる。結果は植物の早い成熟と高い収率である。

加えて、制御アセンブリ３８は、個人に特定の植物１４の光の変調を制御できるようにする。したがって、最適生育条件が３．５ｍｓの明と３．５ｍｓの暗の期間を提供することであれば、制御アセンブリ３８はこの変調を提供するように調整され得る。その代りに３０分の期間が最大植物成長と光合成の強化とに必要であれば、制御装置４２は調整されアセンブリ１８は必要な変調を提供することができる。このようにして、アセンブリ１８は異なるアセンブリを製造する必要無しに無数の種類の植物１４に使用され得、したがって最先端技術を改善し得る。

加えて、照明アセンブリは容易に製造され、水路１６に搭載または取り付けるまたはそうでなければ植物１４近傍に搭載することにより新規および既存園芸アセンブリに組み込まれる。最後に、電流はＡＣ入力から調整され、利用され、パルス幅変調が削除されるので、照明アセンブリ１８に伴うコストは著しく低減される。したがって、最低限でも、上述の目的のすべてが満足された。

Claims (14)

1. 制御環境において植物成長を刺激する方法であって、
   等しい大きさで反対極性の電流であってＡＣ入力を供給するために周期的励起電圧に応答して流れる電流を受信するように前記励起電圧を受信するようにされた一対の入力端子を設けるステップと、
   前記ＡＣ入力を受信し前記電流を調整する駆動回路を有する照明アセンブリを設けるステップと、
   前記調整電流に応答して所定波長における光を生成する照明素子のネットワークを設けるステップと、
   前記生成光が植物により受光されるように前記照明アセンブリを前記植物に隣接して配置するステップと、
   前記植物の連続的成長を刺激するために所定の明と暗の期間を制御可能に提供するために制御アセンブリにより前記照明素子の前記調整電流を変調するステップとを含む方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記照明素子のネットワークは発光ダイオード（ＬＥＤ）であることを特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の方法において、前記ネットワークの前記所定波長は３５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内であることを特徴とする方法。
4. 請求項３に記載の方法において、前記照明アセンブリは、所定波長における光を生成する、前記第１の照明素子のネットワークと直列のＬＥＤである第２の照明素子のネットワークを有することを特徴とする方法。
5. 請求項４に記載の方法において、前記第２の照明素子のネットワークの前記所定波長は６００〜７５０ｎｍの範囲内であることを特徴とする方法。
6. 請求項２に記載の方法において、前記ネットワークの前記所定波長は６００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の範囲内であることを特徴とする方法。
7. 請求項１に記載の方法において、前記所定の明と暗の期間は０〜３０分の範囲内であることを特徴とする方法。
8. 請求項７に記載の方法において、前記所定の明と暗の期間は３．５ｍｓ〜１４．５ｍｓの範囲内であることを特徴とする方法。
9. 請求項１に記載の方法において、前記制御アセンブリはＡＣ入力からの電流を調整する駆動回路へ電気的に接続された調光装置を含むことを特徴とする方法。
10. 請求項９に記載の方法において、前記駆動回路は少なくとも１つのシリコン制御整流器（ＳＣＲ）を含むことを特徴とする方法。
11. 請求項１０に記載の方法において、前記所定の明と暗の期間の継続時間を制御可能に決定するために前記少なくとも１つのＳＣＲにより、前記ＬＥＤへ流れる電流を位相分割するステップをさらに含む方法。
12. 請求項１１に記載の方法において、前記調光装置はトライアックを内蔵することを特徴とする方法。
13. 請求項１１に記載の方法において、前記調光装置はＩＧＢＴを内蔵することを特徴とする方法。
14. 制御環境において植物成長を刺激する方法であって、
    少なくとも１つの植物がその中に配置された筒状体を設けるステップと、
    前記植物により受光される光を提供するために前記筒状体の周囲に所定波長における光を部分的に弧状に生成する照明素子のネットワークを配置するステップと、
    前記植物の連続的成長を刺激するために所定の明と暗の期間を制御可能に提供するために前記筒状体を前記照明素子に対して所定速度で回転するステップとを含む、方法。

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