JP2016052280A - 植物栽培装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで光の利用効率を向上させることが可能な植物栽培装置を提供することを目的とする。【解決手段】植物栽培装置１０１は、第１の光を出射する光源１０３と、第１の光の刺激により第２の光を放射する蛍光体１０６と、栽培対象の植物１０２に少なくとも水分を供給する栽培槽１０４と、を備え、栽培槽１０４は、栽培対象の植物１０２を保持し栽培対象の植物１０２との境界上に栽培面１０５を有し、光源１０３は、栽培対象の植物１０２と蛍光体１０６とに第１の光を照射し、蛍光体１０６は、栽培面１０５より上方に位置し、かつ栽培対象の植物１０２の先端部よりも下方に位置することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、人工的な照明により植物を栽培する植物栽培装置に関するものである。

植物を屋外で栽培する場合、その成長度は、気候などの自然環境に左右され易く、台風、大雨などの被害または病害虫による被害などのため収穫量が減少することがある。また、これらの植物の栽培において一定量の収穫を上げるためには、広い土地面積が必要となるため、狭い土地では十分な栽培面積を確保することが困難になる。

そこで、人工的な照明により植物を栽培する技術が開発され、植物工場として実用化されている。そのような植物栽培では、特に照明に要するコストは重要であり、工場全体の３０〜５０％と大きな割合を占めている。このため、近年は電球や蛍光灯に代えて、消費電力が小さい発光ダイオード（ＬＥＤ）の利用が進んでいる。

また、さらに消費電力が小さくなると期待される半導体レーザの利用も着目されている。

特開２００２−６２４９８号公報

しかしながら、光源に半導体レーザを用いるだけでは照明に要するコストを十分に削減することができない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、低コストで光の利用効率を向上させることが可能な植物栽培装置を提供することを目的とする。

本発明の主たる態様は、植物の成長を促す植物栽培装置に関する。本態様に係る植物栽培装置は、第１の光を出射する光源と、第１の光の刺激により第２の光を放射する蛍光体と、栽培対象の植物に少なくとも水分を供給する栽培槽と、を備える。栽培槽は、栽培対象の植物を保持し栽培対象の植物との境界上に栽培面を有し、光源は、栽培対象の植物と前記蛍光体とに第１の光を照射し、蛍光体は、栽培槽の栽培面より上方に位置し、かつ栽培対象の植物の先端部よりも下方に位置する。

本態様に係る植物栽培装置によれば、蛍光体を栽培槽の栽培面より上方に位置させ、かつ蛍光体を栽培対象の植物の先端部よりも下方に位置させるので、蛍光体を栽培対象の植物の近傍に配置できる。また、光源が栽培対象の植物と蛍光体とに第１の光を照射し、蛍光体が光源からの第１の光の刺激により第２の光を放射するので、栽培対象の植物は、光源からの第１の光を直接光、蛍光体からの第２の光を間接光として同時に受けることができる。その結果、低コストで、植物を栽培する際の光源の光の利用効率を高めることができる。

本態様に係る植物栽培装置において、光源からの第１の光は第１波長の光であり、蛍光体は、第１波長の光を第１波長とは異なる第２波長の光に変換して第２の光にするよう構成され得る。これにより、光源からの第１波長の光を直接光、蛍光体からの第２波長の光を間接光として植物に照射するので、植物の成長に必要な少なくとも２つの波長の光を照射することができ、植物の成長を早めることができる。また、光源から出射される１つの波長の光から２つの波長の光を生成するので、植物を栽培する際の光源の光の利用効率を高めることができる。

本態様に係る植物栽培装置において、第１波長の光は青色光であり、第２波長の光は赤色光であるよう構成され得る。これにより、光源からの第１波長の光を青色光とし、蛍光体からの第２波長の光を赤色光とし、第１波長の光と第２波長の光を植物の光合成に適した波長とするので、植物の光合成を促進することができる。

本態様に係る植物栽培装置は、蛍光体が、栽培槽の栽培面から栽培対象の植物側に所定距離離れて位置するよう構成され得る。これにより、少なくとも水分を供給する栽培槽から蛍光体を所定距離離れて位置させるので、蛍光体は水分の影響を受けにくくなり、所期の性能を維持し続けることができる。

本態様に係る植物栽培装置は、蛍光体からの光を反射する反射体を備え、反射体は、蛍光体より栽培槽の栽培面側に位置するよう構成され得る。これにより、蛍光体からの光を反射する反射体を、蛍光体より栽培槽の栽培面側に位置させるので、光を全方向に放射する蛍光体が栽培槽の栽培面に向けて放射する光の一部を反射して栽培対象の植物に向かわせることができ、植物を栽培する際の光源の光の利用効率をさらに高めることができる。

本態様に係る植物栽培装置は、前記蛍光体を移動可能に支持する蛍光体支持部を備え、前記蛍光体支持部は、前記蛍光体と前記栽培槽の栽培面との距離を変化させるよう構成され得る。これにより、蛍光体支持部が蛍光体と栽培槽の栽培面との距離を変化させるので、栽培対象の植物に対する蛍光体の位置を調整でき、栽培する植物の成長特性に合った最適位置に蛍光体を移動させることができる。

以上のとおり、本発明によれば、低コストで光の利用効率を向上させることが可能な植物栽培装置を提供することができる。

第１の実施の形態に係る植物栽培装置を示す斜視図 第１の実施の形態に係る光源の内部構造を示す図 第１の実施の形態に係る光源に含まれる走査部の構成を示す図 第１の実施の形態に係る植物栽培装置の照射状態を示す図 クロロフィルの吸収スペクトルを示す図 変更例に係る植物栽培装置の照射状態を示す図 他の変更例に係る植物栽培装置を示す斜視図 他の変更例に係る蛍光体支持部の移動手段の構成例を示す図

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における植物栽培装置について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る植物栽培装置を示す斜視図である。

同図に示す植物栽培装置１０１は、植物を栽培するためのものとして構成された人工的な照明を利用する完全制御型の植物栽培装置である。植物栽培装置１０１は、光源１０３、栽培槽１０４および蛍光体１０６を備える。

栽培対象の植物１０２に関しては、一般的に人工光での育成がしやすいと言われているレタス、レッドキャベツなどの葉物野菜、果実種であり緑黄色野菜の一種であるトマトなどがある。また、近年では穀物類であるイネなども、植物工場で栽培検討されている。

栽培槽１０４は、植物１０２を育成するための培養液で満たされており（水耕および土耕のどちらでも可）、一定の間隔で植物１０２が植え付けられており、栽培槽１０４の植物１０２が植え付けてある側の面を栽培面１０５という。

光源１０３は植物１０２の上方に位置し、図示省略した支持部材で植物栽培装置１０１に取り付けられる。蛍光体１０６は格子状に穴が設けてあり、植物１０２の下方に位置するように蛍光体支持部１１０で取り付けられている。

図２は光源の内部構造を示す図である。

光源１０３内には、半導体レーザ１１１、コリメートレンズ１１２、走査部１３１を備える。半導体レーザ１１１から出射された光はコリメートレンズ１１２で略平行の光に変換され、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）方式の走査部１３１により偏向されて、光は２次元に走査される。

図３は、光源に含まれる走査部の構成を示す図である。

走査部１３１は、単結晶シリコン基板１３７で可動板１３２、梁１３３、コイル１３４を形成しており、さらに可動板１３２の表面には、出射した光を植物１０２に照射するための反射ミラー１３５やコイル１３４が形成されている。また、単結晶シリコン基板１３７の周縁部に永久磁石１３６が配置されて、コイル１３４と共に磁気回路が構成されている。可動板１３２の外周部に形成したコイル１３４に電流を流すと、永久磁石１３６による磁界との相互作用でローレンツ力が発生する。その結果、梁１３３の復元力と均衡する角度まで可動板１３２を傾けることができ、同時に反射ミラー１３５も傾く。ローレンツ力はコイル１３４に流れる電流に比例するため、その値を変化させることで可動板１３２の傾き、すなわち光走査の角度を定格の範囲内で自在に変えることができる。この動きを２軸で動作する機能を備えることにより、半導体レーザ１１１から出射された光を２次元に走査できる。

光走査の範囲を決める反射ミラー１３５の角度を検出する方法としては、磁界中で揺動するコイル１３４に発生する逆起電力を検出する方法、梁１３３にピエゾ抵抗素子を備え、揺動で発生する梁１３３の応力をピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化を電気的に検出する方法、反射ミラー１３５から反射された光を光センサで検出し、反射光の通過時間から振れ角を検出する方法などがある。

また、反射ミラー１３５を傾かせる方式としては、前記した磁気回路を利用する方式以外にも、圧電素子や静電力を利用した方式もある。また、前記したＭＥＭＳ方式以外に、ガルバノミラーやポリゴンミラーを用いた方式でも良い。

図４は、本発明の第１の実施の形態に係る植物栽培装置の照射状態を示す図である。

植物１０２は、光源１０３から２次元に走査された第１の光１０８の一部を受けて、また栽培槽１０４から水分を取り入れて育成する。

植物栽培装置１０１は、蛍光体１０６を栽培面１０５より上方に位置させ、かつ蛍光体１０６を植物１０２の先端部よりも下方に位置させることを特徴する。光源１０３から照射された第１の光１０８において、植物１０２に当たらなかった一部の光は蛍光体１０６に当たる。

蛍光体１０６は材料がサイアロンで構成されており、第１の光１０８の刺激により、そのエネルギーを吸収して長波長の第２の光１０９を発する。蛍光体１０６は植物１０２の近傍に配置されているため、第２の光１０９の一部が植物１０２に当たる。植物１０２は、光源１０３からの第１の光１０８を直接光、蛍光体１０６からの第２の光１０９を間接光として同時に受けることができる。その結果、植物１０２を栽培する際の光源１０３の光の利用効率を高めることができる。また、植物の成長に必要な少なくとも２つの波長の光を照射することができ、植物の成長を早めることができる。光源から出射される１つの波長の光から２つの波長の光を生成するので、植物を栽培する際の光源の光の利用効率を高めることができる。本実施の形態では、安価な蛍光体１０６を用いて第２の光１０９が生成されるため、植物栽培装置１０１のコスト上昇を抑えることができる。

なお、蛍光体１０６の材料としてはサイアロン系以外に、ＹＡＧ系、ＴＡＧ系、ＢＯＳ系などでも構成可能である。

また、蛍光体１０６は、栽培面１０５から植物１０２側に所定距離離れて位置した方が良い。栽培槽１０４から蛍光体１０６を所定距離離れて位置させるので、蛍光体１０６は栽培槽１０４の水分の影響を受けにくくなり、所期の性能を維持し続けることができる。

植物栽培装置１０１は、光を反射する反射体１０７を蛍光体１０６より栽培面１０５側に設けても良い。蛍光体１０６からの光を反射する反射体１０７を、蛍光体１０６より栽培槽の栽培面１０５側に位置させるので、光を全方向に放射する蛍光体１０６が栽培面１０５に向けて放射する光の一部を反射して植物１０２に向かわせることができ、植物１０２を栽培する際の光源１０３の光の利用効率をさらに高めることができる。

光源からの第１波長の光は青色光とし、蛍光体からの第２波長の光は赤色光とした方が良い。好ましくは、第１波長の光の波長は４００〜５００ｎｍ、第２波長の光の波長は６００〜７００ｎｍが良い。

図５はクロロフィルの吸収スペクトルを示す図であり、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は光吸収率である。

第１波長の光と第２波長の光はクロロフィルの吸収ピークに近い波長としている。第１波長の光と第２波長の光を植物の光合成に適した波長とするので、植物の光合成を促進することができる。

（変更例）
図６は、第１の実施の形態の変更例に係る植物栽培装置の照射状態を示す図である。

上記第１の実施形態では、図４に示すように、反射体１０７と蛍光体１０６を別体としたが、図６の変更例では、反射体１０７と蛍光体１０６を一体としている。図６の場合も図４と同様の効果が得られる。

図７は、第１の実施の形態の他の変更例に係る植物栽培装置を示す斜視図であり、図８は、当該変更例における蛍光体支持部の移動手段の構成例を示す図である。

蛍光体支持部１１０は、蛍光体１０６と栽培面１０５との距離を変化させるように移動可能されている。蛍光体支持部１１０を支える４本の支柱１１３には複数の開口部１１４が設けられ、フック１１５を介して蛍光体支持部１１０の四隅を支持する構成である。蛍光体支持部１１０はフック１１５と開口部１１４の係合位置を変えることで移動可能となっている。このように、蛍光体支持部１１０が蛍光体１０６と栽培面１０５との距離を変化させることができるように保持されるので、植物１０２に対する蛍光体１０６の位置を調整できる。その結果、栽培する植物１０２の成長特性に合った最適位置に蛍光体１０６を移動させることができる。

本発明は、低コストで光の利用効率を向上させることができるので、人工的な照明により植物を栽培する植物栽培装置などに適応可能である。

１０１ 植物栽培装置
１０２ 植物
１０３ 光源
１０４ 栽培槽
１０５ 栽培面
１０６ 蛍光体
１０７ 反射体
１０８ 第１の光
１０９ 第２の光
１１０ 蛍光体支持部
１１１ 半導体レーザ
１１２ コリメートレンズ
１１３ 支柱
１１４ 開口部
１１５ フック
１３１ 走査部
１３２ 可動板
１３３ 梁
１３４ コイル
１３５ 反射ミラー
１３６ 永久磁石
１３７ 単結晶シリコン基板

Claims (6)

1. 植物の成長を促す植物栽培装置であって、
   第１の光を出射する光源と、
   前記第１の光の刺激により第２の光を放射する蛍光体と、
   栽培対象の植物に少なくとも水分を供給する栽培槽と、を備え、
   前記栽培槽は、前記栽培対象の植物を保持し前記栽培対象の植物との境界上に栽培面を有し、
   前記光源は、前記栽培対象の植物と前記蛍光体とに前記第１の光を照射し、
   前記蛍光体は、前記栽培槽の栽培面より上方に位置し、かつ前記栽培対象の植物の先端部よりも下方に位置することを特徴とする植物栽培装置。
2. 前記光源からの第１の光は第１波長の光であり、
   前記蛍光体は、前記第１波長の光を前記第１波長とは異なる第２波長の光に変換して第２の光にすることを特徴とする請求項１に記載の植物栽培装置。
3. 前記第１波長の光は青色光であり、
   前記第２波長の光は赤色光であることを特徴とする請求項２に記載の植物栽培装置。
4. 前記蛍光体は、前記栽培槽の栽培面から前記栽培対象の植物側に所定距離離れて位置することを特徴とする請求項１ないし３の何れか一項に記載の植物栽培装置。
5. 前記蛍光体からの光を反射する反射体を備え、
   前記反射体は、前記蛍光体より前記栽培槽の栽培面側に位置することを特徴とする請求項４に記載の植物栽培装置。
6. 前記蛍光体を移動可能に支持する蛍光体支持部を備え、
   前記蛍光体支持部は、前記蛍光体と前記栽培槽の栽培面との距離を変化させることを特徴とする請求項５に記載の植物栽培装置。

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