JP3139260U - 植物育成システム - Google Patents

Abstract

【課題】 省電力をより進めたLEDによって、簡易に、強さが十分な異なる波長の光を発光でき、さらに商用の植物の育成という特殊な用途にも適した植物育成システムを提供する。
【解決手段】 栽培植物３に光を照射することが可能な発光体モジュール９がアルミハウジング１５の底部１５ａに取り付けられた回路基板１６を介して配置される照明装置が育成装置５として用いられ、発光体モジュール９は、赤色の第１の波長域の光を発光する３つの面指向型LED発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃと、青色の第２の波長域の光を発光するLED発光素子１１ｄとを有し、面指向型LED発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは互いに隣接して配置されて互いに独立して制御され、予め定められたタイミングに、補光として植物に照射される。植物育成システムは、育成装置５のほか、支持機構６、コントローラも備える。
【選択図】 図３

Description

本考案は、植物育成システムに関し、特に施設内に列をなして栽培された植物に上方から自然光とは別に光を照射することが可能な複数の発光体モジュールを基板に配置した施設園芸用照明装置を備えた植物育成システムに関する。

特許文献１に記載のように植物の生育のために用いられる照明装置がある。特許文献１に具体的に記載されている照明装置には中心軸に対して放射状に２色以上の光を放射するように光源が配設された発光装置が備えられ、蛍光ランプのようなこの発光装置は中心軸を回転軸として回転し、植物という被照射物へ照射する光の波長の選択を行えるものとしている。特許文献１では、蛍光ランプの代わりにLEDを用いることも示されている。

また、本願の発明者は、図１５に示すような教育現場用或いは研究現場用の植物栽培LED照明器の他、図１６に示すような教育現場用或いは研究現場用のLEDインキュベータを創出している。図１５（Ｂ）及び図１６（Ｂ）には、それぞれコントローラも示している。

特開２００７−１８８７９９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の照明装置では、回転させて異なる波長の光を照射するとすれば回転機構が不可欠であり、構造上の制約があるばかりか、発光装置と被照射物との位置関係の制約も大きかった。

また、本願の発明者による植物栽培LED照明器とLEDインキュベータでは、教育用・研究用の装置なため商用や量産用のものではなかった。また商用や量産用という点からすれば、所謂砲弾型LEDを使用しており、まだ不十分な点もあった。すなわち、砲弾型LEDではチップからの少ない光をドームレンズで集光して指向性を持たせている。その結果、発光の強さが不十分なために指向性を狭くすれば高輝度化が可能な方向となるが、商用等のために装置を大型化して複数の砲弾型LEDを配置した場合には光のムラが顕在化してしまうという問題もあった。

ゆえに、本考案は、省電力をより進めたLEDによって、簡易に、強さが十分な異なる波長の光を発光でき、さらに商用の植物の育成という特殊な用途にも適した植物育成システムを提供することを目的とする。

請求項１に係る考案は、施設内に列をなして栽培された植物に上方から自然光とは別に光を照射することが可能な複数の発光体モジュールを基板に配置した施設園芸用照明装置を備えた植物育成システムであって、前記照明装置を前記施設内の所定位置に保持する保持機構を備え、前記各発光体モジュールは所定波長域の光を発光する面指向性LED発光素子を有し、前記基板は各列に対応して延びる金属ベース基板であってその断面が所定のテーパ角を有する略コの字状をしており、前記複数の発光体モジュールが当該金属ベース基板の底部に間隔をおいて配置されるとともに前記植物に対向している。

請求項２に係る考案は、施設内に列をなして栽培された植物に上方から自然光とは別に光を照射することが可能な複数の発光体モジュールを基板に配置した施設園芸用照明装置を備えた植物育成システムであって、前記照明装置を前記施設内の所定位置に保持する保持機構を備え、前記各発光体モジュールは、第１の波長域の光を発光する第１の面指向性LED発光素子と、第２の波長域の光を発光する第２の面指向性LED発光素子とを有し、前記第１の面指向性LED発光素子と前記第２の面指向性LED発光素子とは隣接して配置され、前記基板は各列に対応して延びる金属ベース基板であってその断面が所定のテーパ角を有する略コの字状をしており、前記複数の発光体モジュールが当該金属ベース基板の底部に間隔をおいて配置されるとともに前記植物に対向している。

LED発光素子が発光することによる光を植物に照射し、植物の光合成に加えて光形態形成を促進させて天然果実を生産でき、商用の植物育成における大きな効果を得ることができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る照明装置の利用例としての育成装置を説明するための図である。図２は、図１の一部を拡大した斜視図である。

この育成装置５は施設としてのビニールハウス１内に用いられている。ビニールハウス１には、奥行き方向に列をなして延びる栽培植物３があり、その栽培植物３の各列に対応してその上方に必要な数の育成装置５が配置される。その配置のために育成装置５は支持機構６によって支持される。支持機構６には高さ調節部７があり、後述する発光体モジュールから１．５m離れた位置において８０Lux以上の明るさとなるように自然光とは別に補光される光の強さが調節される。植物育成システムとしては、育成装置５、支持機構６、及び、図示を省略した下記コントローラを備える。

図３は図１及び図２の育成装置の発光体モジュールの部分を下方から拡大した図であり、図４は図３のIV-IVライン断面図である。

図３に示すように発光体モジュール９には、４つの面指向型LED発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄが含まれている。この発光体モジュール９のサイズは約１cm四方である。面指向型LED発光素子１１ａ〜１１ｃは赤色の発光が可能であり、面指向型LED発光素子１１ｄは青色の発光が可能である。赤色の光の波長は通常は６６０nmに調整されており、青色の波長は通常は４７０nmに調整されている。なお、図示を省略したコントローラにより互いに独立に制御される。そして、赤色の波長の波長域は６２５nm〜６９０nmの範囲内が好ましく、さらには６４０ｎｍ〜６６０nmの範囲内がより好ましいが、ここでは６２５nm〜６６０nmの範囲で調整可能としている。青色の波長の波長域は４２０nm〜４９０nmの範囲内が好ましく、さらには４６０nm〜４７０nmの範囲内がより好ましく、ここでは４６０nm〜４７０nmの範囲で調整可能としている。各面指向型LED発光素子１１ａ〜１１ｄには、図４に示すように、指向性を調整するためのガラスによるレンズ１３ａ，１３ｂ（図４では１３ｃ，１３ｄの図示を省略）が装着されている。

ここで、発光体モジュール９の量子化率は３０％〜４０％なため放射機能をどのようにするかが重要である。そのため、金属ベース基板としての例えばアルミハウジング１５が用いられればよく、発光体モジュール９は回路基板１６を介してその底部１５ａに取り付けられている。このアルミハウジング１５は各面指向型LED発光素子１１ａ〜１１ｄから発せられる熱を放熱するだけでなく、反射板としての役割も果たす。そのため、アルミハウジング１５は、反射のための表面処理が施されるだけなく、αで示されるテーパ角が形成されるように側壁１５ｂが傾斜している。このテーパ角は、面指向型LED発光素子１１ａ〜１１ｄから発光される光の強さと栽培植物３までの距離他、栽培植物３の葉のなどの広がり具合、栽培植物３の位置において必要な光の強さなどから定められる。

なお、詳しい図示はしないが、面指向型LED発光素子にはヒートスラッグ部分があり、銅タングステン（CuW）、窒化アルミニウム（AlN）、ダイヤモンドなどが使われればよい。

また、面指向型LED発光素子（及びアルミ板のような反射板も含めて）の指向性にもよるが、指向幅が狭いものであれば、その下部に円柱のガラス棒を集光と反射用に用いる工夫が行われてもよい。

さらに、上記では、赤色の面指向型LED発光素子の青色の面指向型LED発光素子の数を３：１としたが、数ではなく、発光面の面積比を３：１とするようにしたものであってもよい。そのため、赤色の面指向型LED発光素子を正三角形の頂点位置に配置し、その重心位置に青色面指向型LED発光素子を配置するようにしてもよい。

さらに、上記では、赤色と青色の２色とし、その割合を上記のように３：１としたが、これに限られず、対象とする植物の種類や生育状況、その他気候といった時期等に応じて割合の比率の他、波長の選択も行えばよい。

さらに、２色として、赤と青を示したが、遠赤色、白色、パープル（赤色＋青色）のような他の色も含めた組み合わせにしてもよく、３色以上を発光できるものとしてもよい。

ところで、光と植物との関係は図５に示されるような関係がある。図５は植物の生活環調節における光の役割を示した図である。

「赤色光・遠赤色光」が有効な光となるのは「発芽誘導、発芽阻害、成長調節、茎伸張・葉面積拡大というような形態形成、発芽形成、色素合成」という作用であり、各作用と「発芽、栄養成長、生殖成長、老化」という各期が関係する。また、「青色」が有効な光となるのは「茎伸張・出葉速度・葉厚というような形態形成、光屈性、気孔開口、葉緑体の運動、花成というような花芽形成、既日リズムの同調、色素合成」という作用であり、各作用と前記した各期が関係する。さらに、これらの各期における各作用との関係では、「フィトクロム、クリプトクロム、フォトトロピン」の対応するものが関係する。

なお、フィトクロムについてさらに記載すると、植物工場研究所ＨＰにも記載されているが、フィトクロムという色素の働きを介して、種子発芽、花芽分化、開花、子葉の展開、葉緑素合成節間伸長などの植物の質的変化である光形態形成が弱光反応と強光反応によって誘起されると言われている。また、強光下における葉緑素合成は青色光によって促進され、赤色光よって阻害される傾向があると言われている。また、光合成に対しては６４０nm〜６９０nmの赤色光の効果がもっとも大きく、葉の正常な形態形成には４２０nm〜４７０nmの青色光が必要とされ、植物種や成長段階に応じて、赤色光と青色光の最適な割合（Ｒ／Ｂ）比があると考えられている。

本願の発明者は、このような考え方も踏まえつつ、下記の実験により、植物栽培用の基準とすべきＲ／Ｂ比は上記したように３：１にした。

以下、施設園芸栽培の対象として夏イチゴの高設栽培施設における補光用植物栽培LED照明器の原理試作器における実験について示す。ビニールハウスの奥行き６０メートルに対して、９０cm×４０cmのプランターにイチゴ苗を千鳥に１０個定植し、高設を３列に設置して栄養液を灌水チューブで供給している。イチゴ苗の品種はペチカでケーキ用イチゴとして出荷されるものである。実験地は旭川近郊の富良野で行い、期間は２００７年９月１８日〜１１月１６日までの約２ヶ月間である。ここで、９月から１１月までの３ヶ月の日照時間は東京と旭川ではかなり差があることを指摘しておく。すなわち、東京では月毎の日照時間変化は小さいが、旭川では９月、１０月と比較すると１１月にはそれらの約４割の日照時間にまで落ちてしまう。また、言うまでもないが、１１月以降ビニールハウスも積雪の影響を受けるために更に日照時間が短くなり、平均気温が低下して行く中でイチゴの株が休眠状態に移行して生産活動を終了することを防ぐために、自然光のみに頼らない補光には大きな意義がある。本実験における補光の効果が表れる地域として旭川近郊の富良野において実験を行ったことを付言する。

波長毎に比較するため７つの区（ＬＨ赤区、ＬＨ青区、ＬＨ白区、ＰＬＴ赤区、ＰＬＴ青区、ＰＬＴ白区、非処理区）に分けた。ここで、ＬＨ赤区〜ＬＨ白区における「赤」「青」「白」はLEDが発光する色の種類を表し、具体的な設置状況は図６に示す状況である。ＰＬＴ赤区〜ＰＬＴ白区における「赤」「青」「白」も発光する色の種類を表している。すなわち、波長の特徴を解析するために「赤」「青」「白」の単色光源を用いた。「ＬＨ」と「ＰＬＴ」の区別は、面指向型LED発光素子（及びアルミ板のような反射板も含めて）の指向性の違いから異なる照射機構を採用した。「ＰＬＴ」側は指向性が広いものであり、「ＬＨ」側は指向性が狭くその下部に円柱のガラス棒を集光と反射用に用いる工夫が行われている。補光は夜間と明け方に行った。そして、非処理区では補光は行われていないようにすべく他の６種類のLED照射区（ＬＨ赤区、ＬＨ青区、ＬＨ白区、ＰＬＴ赤区、ＰＬＴ青区、ＰＬＴ白区）から外乱影響を受けない距離としてそれぞれから５m隔てたエリアにしている。

なお、図７に、使用した赤色LEDと他の照明装置との相違点を示す。消費電力の少なさとＰＡＲ（光合成有効放射）効率を見れば、他の照明装置に比べて赤色LEDが植物栽培に適した照明装置に用いられると好ましいLED発光素子であることも理解できる。また、寿命は実験では５万時間の点灯も確認できており、他の光源と異なって球切れの恐れも少ないという効果もある。

図８は実験結果をまとめた表である。図９は図８の葉柄長についてのデータをグラフ化した図であり、図１０は図８の葉柄径（葉柄断面径）についてのデータをグラフ化した図であり、図１１は図８の葉身長についてのデータをグラフ化した図であり、図１２は図８の葉身幅についてのデータをグラフ化した図であり、図１３は図８の葉円周（葉の大きさ）についてのデータをグラフ化した図であり、図１４は図８の糖度についてデータをグラフ化した図である。

実験結果によると、データ全体からすれば、以下のことが言える。第一に、赤色・青色照射区では葉の緑色が濃くなっていた。そのため、光合成が活発化したと言える。第二に、赤色光は花房の上がりが早かった。第三に、赤色光は果実の着色が早かった。第四に、赤色光は果粒が大きく充実した果実が得られた。第五に、青色光は株が低くどっしりした状態になった。第六に、全ての照射区で糖度が上昇した。第七に、株疲れの防止に効果が得られた。

まとめると、図８の非処理区を見ると分かるように自然光のみで行った場合には、展葉は休眠状態になり、株疲れが起こり、１０月頃には収穫が終了して休眠状態になるのに対し、補光を行った各区では非処理区に比べて光合成が活発になる結果が得られ（特にＰＬＴ赤区という赤色照射区では草型が盛り上がり、株の勢いを感じられる結果が得られ）、１１月以降にまで収穫が可能になった。つまり、LEDによる光を照射することにより株疲れが起こりにくくなり、収穫期間を延ばすことができた。また、収穫期間が延びたことによる収穫量が多くなっただけでなく、光合成速度の加速により収穫までの期間を短縮化でき、花芽形成時期の調節というようなことも可能になり、形態形成による成長がよいことから株のエネルギーが増して摘花が減り収穫果数が増加し、同一期間でも収穫量が多くなった。さらに、光合成が促進されることから二酸化炭素と水から糖類の量も多くなり、収穫されるイチゴの糖度も高くなった。

以上のような実験結果に基づく植物栽培の育成のための補光用LED照明器によって自然光のみでは栽培が困難な状況下においても栽培が可能になる上に、収穫量の増加に加えて糖度上昇のような新たな効果を奏させることもできる。

なお、上記の実施の形態における実験ではイチゴについて説明したが、装置自体が小型なため防除作業の邪魔にならず、キク、バラ、トルコキキョウなどの他の高設栽培にも適しているばかりか、適用範囲は高設栽培以外の他の施設園芸に用いられてもよい。

本発明の実施の形態に係る照明装置の利用例としての育成装置を説明するための図である。 図１の一部を拡大した斜視図である。 図１及び図２の育成装置の発光体モジュールの部分を下方から拡大した図である。 図３のIV-IVライン断面図である。 植物の生活環調節における光の役割を示した図である。 補光用植物栽培LED照明器の原理試作器を示した図である。 使用した赤色LEDと他の照明装置との相違点を示した図である。 実験結果をまとめた表を示した図である。 図８の葉柄長についてのデータをグラフ化した図である。 図８の葉柄径（葉柄断面径）についてのデータをグラフ化した図である。 図８の葉身長についてのデータをグラフ化した図である。 図８の葉身幅についてのデータをグラフ化した図である。 図８の葉円周（葉の大きさ）についてのデータをグラフ化した図である。 図８の糖度についてデータをグラフ化した図である。 発明者によって提案されている教育現場用或いは研究現場用の植物栽培LED照明器を示した図である。 発明者によって提案されている教育現場用或いは研究現場用のLEDインキュベータを示した図である。

符号の説明

５ 育成装置
６ 支持機構

Claims (2)

1. 施設内に列をなして栽培された植物に上方から自然光とは別に光を照射することが可能な複数の発光体モジュールを基板に配置した施設園芸用照明装置を備えた植物育成システムであって、
   前記照明装置を前記施設内の所定位置に保持する保持機構を備え、
   前記各発光体モジュールは所定波長域の光を発光する面指向性LED発光素子を有し、
   前記基板は各列に対応して延びる金属ベース基板であってその断面が所定のテーパ角を有する略コの字状をしており、
   前記複数の発光体モジュールが当該金属ベース基板の底部に間隔をおいて配置されるとともに前記植物に対向している、植物育成システム。
2. 施設内に列をなして栽培された植物に上方から自然光とは別に光を照射することが可能な複数の発光体モジュールを基板に配置した施設園芸用照明装置を備えた植物育成システムであって、
   前記照明装置を前記施設内の所定位置に保持する保持機構を備え、
   前記各発光体モジュールは、第１の波長域の光を発光する第１の面指向性LED発光素子と、第２の波長域の光を発光する第２の面指向性LED発光素子とを有し、前記第１の面指向性LED発光素子と前記第２の面指向性LED発光素子とは隣接して配置され、
   前記基板は各列に対応して延びる金属ベース基板であってその断面が所定のテーパ角を有する略コの字状をしており、
   前記複数の発光体モジュールが当該金属ベース基板の底部に間隔をおいて配置されるとともに前記植物に対向している、植物育成システム。