JP2008181771A - 色変換器、これを用いた植物育成装置及び植物育成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 投入光の色の成分を変換および調整可能な色変換器を提供すること。
【解決手段】 本発明による色変換器は、表面または内部に蛍光体を有する透光体または反射体を備え、透光体または反射体は、短波長成分を有する投入光を受光し、蛍光体は、短波長成分を吸収し、短波長成分を長波長成分に変換し、放出することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、投入光の波長を変換して発光する色変換器、これを用いた植物育成装置及び植物育成方法に関する。

野菜、果物、花木などの植物の育成は屋外で行うのが一般的であるが、植物に適した環境を整えるために、温室やビニールハウスを用いた人工的な育成も行われている。この場合、植物に適した光の波長や量を制御する目的で、太陽光に替えて人工的な光が用いられることもある。人工的な光としては、白熱電球、蛍光ランプ、メタルハライドランプ、高圧ナトリウムランプなどの光源が用いられてきた。さらに、エネルギー効率に優れる発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた植物栽培方法が知られている（例えば、特許文献１）。ＬＥＤを用いた照明として、赤色発光ダイオードと青色発光ダイオードとを併せて用いることにより、育成を促進する手法が知られている（例えば、特許文献２、特許文献３）。
特開２００１−２８９４７号公報 特開２００２−２７８３１号公報 特開２００４−１１３１６０号公報

人工光源である白熱電球はエネルギー効率が悪く、投入電力の多くは熱となって温度が上昇する問題があった。蛍光ランプ、メタルハライドランプ、高圧ナトリウムランプは、光合成に必要な赤色（波長６．０×１０^２ｎｍから７．０×１０^２ｎｍ）と青色（波長４．５×１０^２ｎｍから５．０×１０^２ｎｍ）とのバランスが悪いため、植物の健全な育成に問題があった。赤色ＬＥＤと青色ＬＥＤとを組み合わせた人工光源では赤色と青色とのバランスの制御は容易であるが、他の光源に比べ素子を得るのが困難である問題があった。さらに、太陽光を用いた植物育成においても青色光と赤色光以外の緑色成分（波長５．０×１０^２ｎｍから５．８×１０^２ｎｍ）とは、植物には吸収されないため照射光のかなりの部分は育成には寄与していなかった。

このような事情により、植物育成に有用な光を効率よく得ることが困難であった。

本発明の目的は、このような困難な事情を打破し、投入光の色の成分を適正なものに変換および調整可能な色変換器を提供することである。

本発明の別の目的は、植物育成用の光として、赤色成分と青色成分とをバランス良く含む光を生成する実用性の高い植物育成装置およびその方法を提供することである。

本発明者は、上記課題を解決するために、太陽光あるいは安価な人工光源に含まれる短波長成分の光を蛍光体に用い、赤色を主体とする長波長成分に変換することにより、赤色成分と青色成分との比を制御できることを見出し、色変換器と、植物育成装置と、植物育成方法とに関する発明を完成させるに至った。

発明１の色変換器は、投入光の短波長成分を吸収して長波長成分に変換して発光する蛍光体よりなることを特徴とする。

発明２は、発明１の色変換器において、前記蛍光体は透光体の表面、内部又は裏面に保持され、前記投入光が透光体を透過する間に波長変換されることを特徴とする。

発明３は、発明２の色変換器において、前記透光体は、ガラス、ファイバ、レンズ、プリズム、樹脂、高分子フィルムおよび液体からなる群から選択されることを特徴とする。

発明４は、発明１の色変換器において、前記蛍光体は反射体の表面又は内面に保持され、前記投入光が前記反射体に反射される間に波長変換されることを特徴とする。

発明５は、発明４の色変換器において、前記反射体は、鏡、凹面鏡、凸面鏡および拡散反射物からなる群から選択されることを特徴とする。

発明６は、発明１から５のいずれかの色変換器において、前記投入光は、長波長成分をさらに有することを特徴とする。

発明７は、発明６の色変換器において、前記短波長成分の光は、４．５×１０^２ｎｍ以上５．８×１０^２ｎｍ未満の波長の可視光であり、前記長波長成分の光は、５．８×１０^２ｎｍ以上７．０×１０^２ｎｍ未満の波長の可視光であることを特徴とする。

発明８は、発明１から７いずれかの色変換器おいて、前記蛍光体は、Ｅｕ、ＳｉおよびＮの元素を含むことを特徴とする。

発明９は、発明８の色変換器において、前記蛍光体は、酸素をさらに含むことを特徴とする。

発明１０は、発明１から７いずれかの色変換器おいて、前記蛍光体は、Ｅｕを賦活したα型サイアロン、Ｅｕを賦活したＭＡｌＳｉＮ_３またはＭ_２Ｓｉ_５Ｎ_８（ただし、Ｍは、Ｍｇ、Ｃａ、ＳｒおよびＢａからなる群から少なくとも１種選択される元素）、および、これらの固溶体からなる群から選択されることを特徴とする。

発明１１は、発明１０の色変換器おいて、前記蛍光体は、前記ＭがＣａであるＥｕを賦活したＣａＡｌＳｉＮ_３またはこの固溶体であることを特徴とする。

発明１２は、発明１から１１のいずれかの色変換器おいて、前記投入光は、白熱電球、蛍光ランプ、メタルハライドランプ、高圧ナトリウムランプおよびＬＥＤランプからなる群から選択される人工光源からの光であることを特徴とする。

発明１３は、発明１から１１のいずれかの色変換器おいて、前記投入光は、太陽光であることを特徴とする。

発明１４は、発明１から１３のいずれかの色変換器を用いた植物育成装置であって、前記色変換器が投入光を受けるように、かつ、前記色変換器からの変換光が植物の育成場所を照射するように、前記色変換器が配置されてなることを特徴とする。

発明１５は、発明１４の植物育成装置であって、前記変換光における波長４．０×１０^２ｎｍから５．０×１０^２ｎｍの波長の青色光成分の光量子束（ＰＰＦ（Ｂ））と、波長６．０×１０^２ｎｍから７．０×１０^２ｎｍの波長の赤色成分の光量子束（ＰＰＦ（Ｒ））との比（ＰＰＦ（Ｂ）／ＰＰＦ（Ｒ））を所望の範囲になるように前記色変換器の蛍光体の量および／または種類が調整されてなることを特徴とする。

発明１６は、発明１４又は１５の植物育成装置であって、前記色変換器が人工光源からの光を投入光とする色変換器を用い、その光源が前記色変換器を照射するように配置されてなることを特徴とする。

発明１７は、植物を育成する方法であって、長短両波長成分を有する投入光を蛍光体に投入するステップと、前記蛍光体によって変換された変換光を育成植物に照射するステップとを包含し、前記変換光は、前記蛍光体が前記短波長成分を吸収し、前記長波長成分に変換、放出する光を含むことを特徴とする植物育成方法。

発明１８は、発明１７の方法において、前記照射するステップは、前記変換光における波長４．０×１０^２ｎｍから５．０×１０^２ｎｍの波長の青色光成分の光量子束（ＰＰＦ（Ｂ））と、波長６．０×１０^２ｎｍから７．０×１０^２ｎｍの波長の赤色成分の光量子束（ＰＰＦ（Ｒ））との比（ＰＰＦ（Ｂ）／ＰＰＦ（Ｒ））を所望の範囲になるように調整することを特徴とする。

本発明による色変換器は、表面または内部に蛍光体を有する透光体または反射体を備える。透光体または反射体は、短波長成分を有する投入光を受光し、蛍光体は、短波長成分を吸収し、長波長成分に変換し、放出する。これにより、投入光の色を変換することができる。蛍光体の量および種類を適宜選択することにより、変換・放出される長波長成分を調整することもできる。さらに、投入光に長波長成分が含まれる場合には、投入光における短波長成分を減少させるとともに投入光における長波長成分を増大させることができる。

本発明による植物育成装置は、短波長成分および長波長成分を有する投入光を発する光源と、表面または内部に蛍光体を有する透光体または反射体を備え、投入光を変換光に変換し、植物に照射する色変換器とを含む。光源として太陽光あるいは安価な人工光源を用いることができるので、コストを低減することができる。このような光源からの投入光に含まれる青色や緑色成分の光を赤色光に変換して赤色成分を富化することにより、青色と赤色との成分の割合を制御した変換光を生成できるので、植物の育成を促進できる。

本発明による植物育成方法は、短波長成分および長波長成分を有する投入光を蛍光体に投入するステップと、蛍光体によって変換された変換光を植物に照射するステップとを包含する。投入光に含まれる青色や緑色成分の光を赤色光に変換して赤色成分を富化することにより、青色と赤色の成分の割合を制御した変換光が植物に照射されるため、植物の育成を促進できる。

以下、本発明の実施の形態について詳しく説明する。同様の要素には同様の参照番号を付し、その説明を省略する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明による色変換器の模式図である。

本明細書においては、色変換器とは、あるスペクトルを持つ光を当てた場合にそのスペクトルの形状を変化させる機能を持つ光学素子を意図する。この働きにより色変換器から取り出される光は、そのスペクトル形状および色が投入光とは異なる。

図１（Ａ）および（Ｂ）に示される本発明の色変換器１００、１００’は、表面または内部に蛍光体１１０を有する透光体１２０を備える。色変換器１００、１００’は、投入光１３０を受光し、変換光１４０に変換する。後述するように、色変換器１００、１００’は、投入光における短波長成分（本明細書では、青色成分または緑色成分とも言う）を減少させるとともに投入光における長波長成分（本明細書では、赤色成分または黄色成分とも言う）を増大させる作用を持つ。即ち、太陽光や人工光源に含まれる光のうち、光合成への寄与が少ない緑色成分や過剰に含まれる青色成分の光を蛍光体で赤色に変換することにより、赤色成分に富む光に変換する作用を持つ。写真撮影などに使われるカラーフィルターは、特定の波長成分を減少させるが、波長成分を増加させる働きはないため、本発明の色変換器はカラーフィルターとは異なる。

透光体１２０は、蛍光体１１０を保持する働き、および、投入光１３０を受光し、蛍光体１１０に当てる働きをする。蛍光体１１０は、通常、粉末あるいは膜の形態であるので、これを保持することが好ましい。透光体１２０は、投入光１３０の損失を少なくするために、光透過率が高いほうが好ましい。

本発明の透光体１２０は、ガラス、光ファイバ、レンズ、プリズム、樹脂、高分子フィルムおよび液体からなる群から選択される。ガラスやアクリル樹脂は光透過率が高いので望ましい。ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニルなどの高分子フィルムは、安価なので温室などの大規模育成装置に適している。光源と照射物とが離れている場合は、光ファイバを用いるとよい。光源の光を集光、屈折あるいは拡散させる場合は、レンズやプリズムを用いるとよい。蛍光体１１０を分散させた液体を２枚のガラス板などの間に入れたてもよい。この場合、蛍光体１１０の濃度を変えることができるので、色変換の程度を制御する場合に適している。

本発明の一つの形態として、透光体の替わりに反射体（図示せず）を用いることができる。反射体もまた、透光体１２０と同様に蛍光体１１０を保持する働き、および、投入光１３０を受光し、蛍光体１１０に当てる働きを有する。反射体の表面に蛍光体１１０を塗布すると、色変換された変換光１４０が投入光１３０とは異なる方向へ照射される。植物の設置場所と投入光１３０との位置関係で照射方向を変える場合、反射体を用いるとよい。

本発明の反射体は、鏡、凹面鏡、凸面鏡および拡散反射物からなる群から選択される。正反射させる場合は平面鏡を用いるとよい。集光させる場合は凹面鏡を、拡散させる場合は凸面鏡または拡散反射物を用いるとよい。また、鏡が太陽の方向を追随するようにコンピュータ制御する方法を併用すれば、効率よく太陽光を植物に照射することができる。

本発明の蛍光体１１０は、短波長成分の光を吸収し、短波長成分の光を長波長成分の光に変換、放出する機能を有する。詳細には、蛍光体１１０は、４．５×１０^２ｎｍから５．５×１０^２ｎｍの短波長成分の可視光で励起され、励起光よりも長波長成分の光を放出する蛍光体を用いる。望ましくは、４．５×１０^２ｎｍ以上５．８×１０^２ｎｍ未満の短波長成分の青色光または緑色光成分で励起され、５．８×１０^２ｎｍ以上７．０×１０^２ｎｍ未満の長波長成分の黄色光または赤色光を放出する蛍光体を用いるとよい。太陽光や可視光照明器具を光源として用い、その赤色成分を富化することを目的としており、上記の励起発光特性が望ましい。

本発明の蛍光体１１０は、Ｅｕ、ＳｉおよびＮの元素を含む窒化物または酸窒化物蛍光体である。このような蛍光体は、Ｅｕを賦活したα型サイアロン、Ｅｕを賦活したＭＡｌＳｉＮ_３またはＭ_２Ｓｉ_５Ｎ_８（ただし、ＭはＭｇ、Ｃａ、ＳｒおよびＢａからなる群から少なくとも１種選択される元素）、および、これらの固溶体結晶からなる群から選択される。これらの蛍光体は、青色および緑色の光（励起光）を吸収し、励起光より長波長の光を発光する。Ｅｕを賦活したα型サイアロンは、青色の光を吸収し、５．６×１０^２ｎｍから６．０×１０^２ｎｍに発光のピーク波長を持つ蛍光体である。Ｅｕを賦活したＣａＡｌＳｉＮ_３は、青色および緑色を吸収し、６．５×１０^２ｎｍ近辺に発光のピーク波長を持つ蛍光体である。Ｅｕを賦活したＳｒＡｌＳｉＮ_３およびＥｕを賦活したＢａＡｌＳｉＮ_３も、青色および緑色を吸収し、橙色や赤色を発光する蛍光体である。Ｅｕを賦活したＣａ_２Ｓｉ_５Ｎ_８、Ｅｕを賦活したＳｒ_２Ｓｉ_５Ｎ_８、Ｅｕを賦活したＢａ_２Ｓｉ_５Ｎ_８およびこれらの固溶体は、青色および緑色を吸収して、６．０×１０^２ｎｍから６．８×１０^２ｎｍの間の波長に発光ピークを持つ蛍光体である。

上記の蛍光体の中で、緑色の吸収に優れるＥｕを賦活したＣａＡｌＳｉＮ_３を用いると赤色富化効率に優れるので特に良い。選択される蛍光体１１０の種類および量によっても、赤色富化効率を制御できる。このような制御は、例えば、投入光１３０と変換光１４０とのスペクトル形状を比較して行われる。

本発明で用いられる投入光１３０は、少なくとも５．８×１０^２ｎｍ未満の短波長成分を有する。これにより、色変換器１００、１００’の蛍光体１１０において、短波長成分から長波長成分に変換できる。これにより投入光の色変換を達成する。より好ましくは、投入光１３０は、５．８×１０^２ｎｍ未満の短波長成分と、５．８×１０^２ｎｍ以上の長波長成分とを含む。これにより、色変換器１００、１００’の蛍光体１１０において、短波長成分は長波長成分に変換され、投入光の長波長成分はそのまま色変換器１００、１００’を透過し得るので、全体として長波長成分を増大させることができる。

特に、投入光１３０として、４．５×１０^２ｎｍ以上７．０×１０^２ｎｍ以下の波長成分の可視光は、植物の育成に適している。より好ましくは、投入光１３０は、４．５×１０^２ｎｍ以上５．８×１０^２ｎｍ未満の短波長成分と、５．８×１０^２ｎｍ以上７．０×１０^２ｎｍ以下の長波長成分との両方の成分を含有する光が良い。このような投入光１３０を本発明の色変換器１００、１００’に投入すると、４．５×１０^２ｎｍ以上５．８×１０^２ｎｍ未満の短波長成分が、５．８×１０^２ｎｍ以上７．０×１０^２ｎｍ以下の長波長成分に変換されて、赤色成分に富む光となる。

本発明で用いられる投入光１３０は、白熱電球、蛍光ランプ、メタルハライドランプ、高圧ナトリウムランプおよびＬＥＤランプからなる群から選択される人工光源からの光である。これらの光源は、４．５×１０^２ｎｍから７．０×１０^２ｎｍの波長成分の可視光を含有しており、比較的安価に入手することができるため好ましい。

投入光１３０は、人工光源からの光の他に、太陽光であり得る。太陽光は人工的なエネルギーを消費することなく入手できる光源であり、経済性に優れる。太陽光は３．８×１０^２ｎｍ以上７．８×１０^２ｎｍ以下の範囲の可視光を万遍なく含んでいるが、光合成に有効な赤色成分の光の量は限られている。本発明の色変換器１００、１００’を用いることにより、外部から人工的なエネルギーを付加することなく、太陽光の短波長成分を赤色成分に変換することにより、赤色成分に富む光とすることができる。なお、本明細書では、太陽光は太陽光由来の光も含むものとする。太陽光由来の光とは、太陽光を直接用いるのではなく、例えば、太陽光をフィルタリングした光等の太陽光を加工した光である。

また、投入光１３０は、上述の人工光源からの光と、太陽光との組み合わせであってもよい。

本発明の色変換器１００、１００’は、植物育成に最適であるものとして説明してきたが、これに限定されない。色変換器１００、１００’は、投入光１３０を色変換する任意の用途に使用され得る。例えば、ステンドグラスに用いると鮮やかな発色の装飾が得られる。また、室内照明やディスプレイ用のカラーフィルターとして用いると特定の色を強調した光が得られ、装飾性にすぐれた光となる。

（第２の実施の形態）
図２は、本発明による植物育成装置の模式図である。

植物育成装置２００は、短波長成分と長波長成分とを有する投入光２１０を発する光源２２０と、色変換器１００、１００’とを含む。色変換器１００、１００’は、投入光２１０を変換光２３０に変換し、植物２４０に照射する。色変換器１００、１００’は、実施の形態１で詳述した色変換器と同一である。
投入光２１０は、５．８×１０^２ｎｍ未満の短波長成分と、５．８×１０^２ｎｍ以上の長波長成分とを有する。さらに、投入光２１０は、５．８×１０^２ｎｍ以上７．０×１０^２ｎｍ以下の光である。この範囲の光が、植物の育成に適している。これにより、実施の形態１で説明した蛍光体１１０が、短波長成分を長波長成分に変換するので、投入光２１０における短波長成分が減少し、かつ、長波長成分を富化した変換光２３０を植物２４０に照射できる。より好ましくは、短波長成分の光は、４．５×１０^２ｎｍ以上５．８×１０^２ｎｍ未満の波長の可視光であり、長波長成分の光は、５．８×１０^２ｎｍ以上７．０×１０^２ｎｍ以下の可視光である。このような投入光２１０の場合に、植物の育成効率を向上させることができる。

このような投入光２１０を発する光源２２０は、白熱電球、蛍光ランプ、メタルハライドランプ、高圧ナトリウムランプおよびＬＥＤランプからなる群から選択される人工光源を含む。これらの人工光源から発生される投入光２１０は、いずれも４．５×１０^２ｎｍ以上７．０×１０^２ｎｍ以下の波長成分の可視光であり、比較的安価に入手できるため好ましい。

光源２２０はまた、これら人工光源以外に、または、これら人工光源に加えて、太陽光を含み得る。太陽光もまた、３．８×１０^２ｎｍ〜７．８×１０^２ｎｍの範囲の可視光を万遍なく含み、短波長成分と長波長成分とを有しているが、植物の光合成に有効な赤色成分の光の量は限られる。光源２２０として、外部からの人工的なエネルギーを付加することなく、このような太陽光を用いることができるので、経済性に優れる。例えば、天候が悪く、太陽光の照射が不十分な場合には、人工光源による投入光２１０を併用し、天候が良く、太陽光の照射が十分な場合には、太陽光のみを採用してもよい。

色変換器１００、１００’は、実施の形態１と同様であり、表面または内部に蛍光体１１０を有する透光体または反射体１２０を備える。蛍光体１１０および透光体または反射体１２０は、実施の形態１と同様であるため説明を省略する。

色変換器１００、１１０’に用いられる蛍光体１５０の量および／または種類は、好ましくは、変換光２３０における波長４．５×１０^２ｎｍ〜５．０×１０^２ｎｍの波長の青色成分の光量子束（ＰＰＦ（Ｂ））と、波長６．０×１０^２ｎｍ〜７．０×１０^２ｎｍの波長の赤色成分の光量子束（ＰＰＦ（Ｒ））との比（ＰＰＦ（Ｂ）／ＰＰＦ（Ｒ））が、所望の範囲の値となるように調整され得る。特に、０．０５以上０．４以下の間の値となるように調整されれば、植物の育成効率がよい。

上述したように、本発明による植物育成装置２００は、短波長成分と長波長成分とを有する透入光２１０を発する光源２２０と、色変換器１００、１００’とを備える。これにより、投入光２１０における短波長成分は、色変換器１００、１００’における蛍光体１１０によって長波長成分に変換され、投入光２１０における長波長成分は、色変換器１００、１００’を透過する。その結果、色変換器１００、１００’から出射される変換光２３０は、投入光２１０に含まれる長波長成分に加えて、変換された長波長成分を有するため、赤色成分が富化され得る。このような変換光２３０を植物育成に用いるので、植物の育成が促進され得る。さらに、投入光２１０を発する光源２２０は、新規の人工光源を開発することなく従来の既存の人工光源を用いることができるので、経済的である。また光源２２０には、太陽光を用いることができるので、経済的かつ環境に優しい。

植物育成装置２００は、色変換器１００、１００’の透光体または反射体１２０が、太陽等の可動する光源２２０の方向を追随するようにコンピュータ制御部（図示せず）を設けてもよい。また、投入光２１０と変換光２３０との色成分の変化は、それぞれのスペクトルの形状の変化として観察できるので、分光器（図示せず）を設け、所望のＰＰＦ（Ｂ）／ＰＰＦ（Ｒ）値となるように制御してもよい。

（第３の実施の形態）
次に本発明の植物育成方法を説明する。

図３は、本発明の植物育成方法のフローチャートである。ステップごとに説明する。

ステップＳ３１０：投入光を蛍光体に投入する。これにより、蛍光体は投入光の波長成分が変換された変換光を生成する。投入光は、５．８×１０^２ｎｍ未満の短波長成分と、５．８×１０^２ｎｍ以上の長波長成分とを有し、特に、４．５×１０^２ｎｍ〜７．０×１０^２ｎｍの波長成分の可視光を含む。この範囲の光が、植物の育成に適している。これにより、後述する蛍光体が短波長成分を長波長成分に変換するので、投入光における短波長成分が減少し、かつ、長波長成分を富化した変換光を植物に照射する。より好ましくは、短波長成分の光は、４．５×１０^２ｎｍ以上５．８×１０^２ｎｍ未満の波長の可視光であり、長波長成分の光は、５．８×１０^２ｎｍ以上７．０×１０^２ｎｍ以下の可視光である。このような投入光の場合に、植物の育成効率を向上させることができる。

なお、このような投入光は、図２を参照して説明した光源２２０（図２）を用いて得られる。特に、太陽光を用いる方法は、経済性に優れるため好ましい。この場合、太陽光に含まれる赤色成分が富化することにより、植物の育成が促進される。また、太陽光と人工光源による光とを併用する方法では、天候が悪く太陽光の照射が不十分な時は人工光源を併用し、天候が良い場合は太陽光だけで育成することができる。

投入光が投入される蛍光体は、投入光に含まれる短波長成分を長波長成分に変換するので、投入光における短波長成分を低減するとともに、投入光における長波長成分を増大するように機能する。さらに詳細には、蛍光体は、投入光のうち光合成への寄与が少ない緑色成分および過剰に含まれる青色成分の光を赤色成分に変換することにより、赤色成分に富む変換光を生成する作用を持つ。これによって、植物育成に効果的な長波長成分に富む変換光が生成され得る。このような蛍光体には、図１を参照して説明した蛍光体１１０（図１）が用いられ得る。

ステップＳ３２０：変換光を植物に照射する。変換光は、長波長成分が富化されているので、このような変換光を植物に照射することによって、植物の育成が促進される。変換光の照射は、変換光におけるＰＰＦ（Ｂ）／ＰＰＦ（Ｒ）の値が、所望の範囲の値となるように調整され得る。特に、０．０５以上０．４以下となるように行われれば、植物の育成効率がよい。

次に本発明を以下に示す実施例によってさらに詳しく説明するが、これはあくまでも本発明を容易に理解するための一助として開示したものであって、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。

＜実施例１〜２３＞
先ず、赤色蛍光体を作製した。原料粉末は、平均粒径０．５μｍ、酸素含有量０．９３重量％、α型含有量９２％の窒化ケイ素粉末、比表面積３．３ｍ^２／ｇ、酸素含有量０．７９重量％の窒化アルミニウム粉末、窒化カルシウム粉末、純度９９．９％の酸化ユーロピウム粉末を用いた。組成式Ｅｕ_{０．０２５}Ｃａ_{０．９７５}ＡｌＳｉＮ_３で示される化合物を得るべく、窒化ケイ素粉末と窒化アルミニウム粉末と窒化カルシウム粉末と酸化ユーロピウム粉末とを、各々３３．３１９重量％、２９．２０９重量％、３４．３４重量％、３．１４重量％となるように秤量し、メノウ乳棒と乳鉢とで１０分間混合を行なった。なお、粉末の秤量、混合、成形の各工程は全て、水分１ｐｐｍ以下酸素１ｐｐｍ以下の窒素雰囲気を保持することができるグローブボックス中で操作を行った。この混合粉末を窒化ホウ素製のるつぼに入れて黒鉛抵抗加熱方式の電気炉にセットした。焼成の操作は、まず、拡散ポンプにより焼成雰囲気を真空とし、室温から８×１０^２℃まで毎時５×１０^２℃の速度で加熱し、８×１０^２℃で純度が９９．９９９体積％の窒素を導入して圧力を１ＭＰａとし、毎時５×１０^２℃で１８×１０^２℃まで昇温し、１８×１０^２℃で２時間保持して行った。

合成した試料をメノウの乳鉢を用いて粉砕し、ＣｕのＫα線を用いた粉末Ｘ線回折測定を行った結果、ＣａＡｌＳｉＮ_３相であると判定された。この粉末に、波長３６５ｎｍの光を発するランプで照射した結果、赤色に発光することを確認した。この粉末の発光スペクトルおよび励起スペクトルを、蛍光分光光度計を用いて測定した結果、励起および発光スペクトルのピーク波長は４４８ｎｍに励起スペクトルのピークがあり４４８ｎｍの励起による発光スペクトルにおいて、６６３ｎｍの赤色光にピークがある蛍光体であることが分かった（図４）。なお、図中３２５ｎｍ付近のシャープなピークは、測定上生じるピークであり実際の発光ではない。

製造した蛍光体を用いて、太陽光中の赤色成分を増加させる色変換器を作製した。先ず、信越化学工業製ＬＥＤポッティング用シリコーン樹脂約１０ｇに対して表１に示す量の蛍光体を添加して、攪拌および脱泡を行い、均一な混合物を得た。次に、幅２８ｍｍ長さ４８ｍｍ厚さ１．３ｍｍのガラス板（ソーダライムガラス）にこの混合物を塗布したものをオーブンに入れ、大気中、０．９×１０^２℃で３０分間加熱することにより硬化させた。硬化後の樹脂の厚さは約５ｍｍであった。

製造した色変換器を通過した太陽光のスペクトルを次の様に測定した。大塚電子製マルチチャンネル分光器ＭＣＰＤ−７０００を用い、光ファイバの先端の光入力部を色変換器のガラス面に置き、色変換器を通った太陽光が分光器に取り込まれる様に設置した。図５に実施例２３の色変換器を通った光のスペクトルを示す。比較のために色変換器を通さない太陽光のスペクトルも同時に示す。色変換器を通すことにより、太陽光の３．０×１０^２ｎｍ〜５．８×１０^２ｎｍの波長成分の光が減少し、６．０×１０^２ｎｍ以上の波長成分の光の量が増加した。このように、蛍光体を含有する樹脂を通すことにより、短波長成分の光が減少し長波長成分の光が増加した。

図６に実施例８、１３、１８の色変換器を通った光のスペクトルを示す。比較のために色変換器を通さない太陽光のスペクトルも同時に示す。色変換器を通すことにより、太陽光の３．０×１０^２ｎｍ〜５．８×１０^２ｎｍの波長成分の光が減少し、６．０×１０^２ｎｍ以上の波長成分の光の量が増加した。

表１に実施例１〜２３で作製した色変換器を通った光の青色成分、赤色成分、および青色成分と赤色成分の比（Ｂ／Ｒ）を示す。ここで、青色成分とは、上記のマルチチャンネル分光器で計測された４．０×１０^２ｎｍ〜５．０×１０^２ｎｍの波長成分のフォトン数（単位は１０の２５乗個）であり、赤色成分とは、上記のマルチチャンネル分光器で計測された６．０×１０^２ｎｍ〜７．０×１０^２ｎｍの波長成分のフォトン数（単位は１０の２５乗個）である。なお、比較のために同一条件で測定した太陽光の値は、青色成分は２．７２、赤色成分は１．９４であった。蛍光体の添加量が増加するに従って、青色成分は減少し、赤色成分が増加することが確認された。これに伴い、Ｂ／Ｒ比は太陽光の１．４から実施例２３の０．０６まで低下した。この様に、蛍光体の量を変えることにより、青色成分と赤色成分およびＢ／Ｒ比を変化させることができるので、それぞれの植物に適した条件を選択すると良い。

＜実施例２４＞
先ず、黄色蛍光体を作製した。原料粉末は、平均粒径０．５μｍ、酸素含有量０．９３重量％、α型含有量９２％の窒化ケイ素粉末、比表面積３．３ｍ^２／ｇ、酸素含有量０．７９％の窒化アルミニウム粉末、炭酸カルシウム粉末、純度９９．９％の酸化ユーロピウム粉末を用いた。組成式Ｅｕ_０．０６Ｃａ_０．９４Ｓｉ_９Ａｌ_３Ｏ_１Ｎ_１５で示される化合物を得るべく、窒化ケイ素粉末と窒化アルミニウム粉末と炭酸カルシウム粉末と酸化ユーロピウム粉末とを、各々６４．８９７重量％、１８．９６５重量％、１４．５１重量％、１．６２８重量％となるように秤量し、窒化ケイ素製乳棒と乳鉢とで１０分間混合を行なった。この混合粉末を窒化ホウ素製のるつぼに入れて黒鉛抵抗加熱方式の電気炉にセットした。焼成の操作は、まず、拡散ポンプにより焼成雰囲気を真空とし、室温から８×１０^２℃まで毎時５×１０^２℃の速度で加熱し、８×１０^２℃で純度が９９．９９９体積％の窒素を導入して圧力を１ＭＰａとし、毎時５×１０^２℃で１７×１０^２℃まで昇温し、１７×１０^２℃で４時間保持して行った。

合成した試料をメノウの乳鉢を用いて粉砕し、ＣｕのＫα線を用いた粉末Ｘ線回折測定を行った結果、αサイアロン相であると判定された。この粉末に、波長３６５ｎｍの光を発するランプで照射した結果、黄色に発光することを確認した。この粉末の発光スペクトルおよび励起スペクトルを、蛍光分光光度計を用いて測定した結果、励起および発光スペクトルのピーク波長は３７２ｎｍに励起スペクトルのピークがあり３７２ｎｍの励起による発光スペクトルにおいて、５．８×１０^２ｎｍの黄色光にピークがある蛍光体であることが分かった（図７）。なお、図中２．９×１０^２ｎｍおよび６．３×１０^２ｎｍ付近のシャープなピークは測定上生じるものであり、実際の蛍光ではない。

製造した蛍光体を用いて、太陽光中の赤色成分を増加させる色変換器を作製した。先ず、信越化学工業製ＬＥＤポッティング用シリコーン樹脂約１０ｇに対して蛍光体を２０質量％添加して、攪拌および脱泡を行い、均一な混合物を得た。次に、型に流し入れて、大気中、０．９×１０^２℃で３０分間加熱することにより硬化させた。硬化後の樹脂の厚さは約１０ｍｍであった。このようにして、樹脂に蛍光体が分散した色変換器を作製した。

製造した色変換器を通過した太陽光のスペクトルを実施例２３と同様の手法で測定した。図８に色変換器を通った光のスペクトルを示す。比較のために色変換器を通さない太陽光のスペクトルも同時に示す。色変換器を通すことにより、太陽光の３．０×１０^２ｎｍ〜５．５×１０^２ｎｍの波長成分の光が減少し、５．５×１０^２ｎｍ以上の波長成分の光の量が増加した。このように、蛍光体を含有する樹脂を通すことにより、短波長成分の光が減少し長波長成分の光が増加した。

＜実施例２５＞
色変換器を具備する植物育成装置の設計例および植物の育成方法について説明する。図９は太陽光を光源とする植物育成装置を用いて植物を育成する様子を示す模式図である。植物１１、１２、１３が支持台１４に置かれている。支持台１４はガラス１６、１７、１８により取り囲まれており、温室を形成している。ガラス１６、１７、１８の内側には、Ｅｕを賦活したＣａＡｌＳｉＮ_３蛍光体を樹脂に分散させたもの（色変換器）１８、１９、２０が塗布してある。屋外に置かれた温室は、昼間太陽光が当たり、太陽光２１はガラスを通った後に色変換器１８、１９、２０を通過する。蛍光体は太陽光中の青色および緑色の成分を吸収して赤色成分の光に変換する。これにより、赤色成分が富化した光２２が植物１１、１２、１３に照射される。赤色成分に富む光は、光合成を活性化させて植物の育成を促進する。

＜実施例２６＞
別の植物育成装置の設計例および植物の育成方法について説明する。図１０は人工光を光源とする植物育成装置を用いて植物を育成する様子を示す模式図である。植物１１、１２、１３が支持台２４に置かれている。支持台２４は光を透過するプラスチックで作られている。支持台２４の上部に蓋２３があり、蓋２３は、Ｅｕを賦活したＣａＡｌＳｉＮ_３蛍光体を樹脂に分散させたものでできている。即ち、蓋は、色変換器である。温室の上部に設置されたメタルハライドランプ２５の光は色変換器２３を通過する。蛍光体は人工光源中の青色および緑色の成分を吸収して赤色成分の光に変換する。これにより、赤色成分が富化した光２６が植物１１、１２、１３に照射される。赤色成分に富む光は、光合成を活性化させて植物の育成を促進する。

＜実施例２７＞
さらに別の植物育成装置の設計例および植物の育成方法について説明する。図１１は太陽光を光源とする別の植物育成装置を用いて植物を育成する様子を示す模式図である。植物１１、１２、１３が支持台２７に置かれている。支持台２７には支柱２８が接続されており、支柱２８の上部には平面鏡３０が設置してある。平面鏡３０と支柱２８とは、３次元の任意の角度に固定できる接続部２９を介して接続されており、接続部２９は手動により任意の方向に平面鏡３０を設置できる。さらに、コンピュータ制御（図示せず）により平面鏡３０が常に太陽の方向を向くように制御することもできる。平面鏡３０の表面には実施例２３で用いた赤色蛍光体をシリコーン樹脂に分散させた樹脂層３１が塗布してある。蛍光体は太陽光中の青色および緑色の成分を吸収して赤色成分の光に変換する。これにより、赤色成分が富化した光３３が植物１１、１２、１３に照射される。赤色成分に富む光は、光合成を活性化させて植物の育成を促進する。

本発明の色変換器は、投入光中の短波長成分の光を赤色の長波長成分に変換する。特に、投入光が短波長成分および長波長成分を有する場合には、投入光中の赤色成分を富化した光が生成されるので、植物の育成に好適である。本発明は、園芸植物、果樹、野菜、穀物などの収穫増収効果があるため、幅広い農業の発展に寄与することが期待できる。

本発明による色変換器の模式図。 本発明による植物育成装置の模式図。 本発明の植物育成方法のフローチャート。 Ｅｕを賦活したＣａＡｌＳｉＮ_３赤色蛍光体の励起スペクトルと発光スペクトル。 実施例２３の色変換器透過後のスペクトル。 実施例８、１３、１８の４の色変換器透過後のスペクトル。 Ｅｕを賦活したαサイアロン黄色蛍光体の励起スペクトルと発光スペクトル。 実施例２４の色変換器透過後のスペクトル。 太陽光を光源とする植物育成装置を用いて植物を育成する様子を示す模式図。 人工光を光源とする植物育成装置を用いて植物を育成する様子を示す模式図。 太陽光を光源とする別の植物育成装置を用いて植物を育成する様子を示す模式図。

符号の説明

１１、１２、１３、２４０ 植物。
１４、２４、２７ 支持台。
１５、１６、１７ ガラス板。
１８、１９、２０、２３、１００、１００’ 色変換器。
２１、３２ 太陽光。
２２、２６、３３ 色変換器で赤色成分が富化された光。
２５ 人工光源。
２８ 支持棒。
２９ 方向可変接続部。
３０ 平面鏡。
３１ 蛍光体を含む樹脂層。
１２０ 透光体
１３０、２１０ 投入光
１４０、２３０ 変換光
２００ 植物育成装置
２２０ 光源

Claims (18)

1. 投入光の波長を変換して発光する色変換器であって、
   投入光の短波長成分を吸収して長波長成分に変換して発光する蛍光体よりなることを特徴とする色変換器。
2. 請求項１に記載の色変換器において、前記蛍光体は透光体の表面、内部又は裏面に保持され、前記投入光が透光体を透過する間に波長変換されることを特徴とする色変換器。
3. 前記透光体は、ガラス、ファイバ、レンズ、プリズム、樹脂、高分子フィルムおよび液体からなる群から選択されることを特徴とする請求項２に記載の色変換器
4. 請求項１に記載の色変換器において、前記蛍光体は反射体の表面又は内面に保持され、前記投入光が前記反射体に反射される間に波長変換されることを特徴とする色変換器。
5. 前記反射体は、鏡、凹面鏡、凸面鏡および拡散反射物からなる群から選択されることを特徴とする、請求項４に記載の色変換器。
6. 前記投入光は、長波長成分をさらに有することを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の色変換器。
7. 前記短波長成分の光は、４．５×１０^２ｎｍ以上５．８×１０^２ｎｍ未満の波長の可視光であり、
   前記長波長成分の光は、５．８×１０^２ｎｍ以上７．０×１０^２ｎｍ未満の波長の可視光であることを特徴とする、請求項６に記載の色変換器。
8. 前記蛍光体は、Ｅｕ、ＳｉおよびＮの元素を含むことを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の色変換器。
9. 前記蛍光体は、酸素をさらに含むことを特徴とする、請求項８に記載の色変換器。
10. 前記蛍光体は、Ｅｕを賦活したα型サイアロン、Ｅｕを賦活したＭＡｌＳｉＮ_３またはＭ_２Ｓｉ_５Ｎ_８（ただし、Ｍは、Ｍｇ、Ｃａ、ＳｒおよびＢａからなる群から少なくとも１種選択される元素）、および、これらの固溶体からなる群から選択されることを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の色変換器。
11. 前記蛍光体は、前記ＭがＣａであるＥｕを賦活したＣａＡｌＳｉＮ_３またはこの固溶体であることを特徴とする、請求項１０に記載の色変換器。
12. 前記投入光は、白熱電球、蛍光ランプ、メタルハライドランプ、高圧ナトリウムランプおよびＬＥＤランプからなる群から選択される人工光源からの光であることを特徴とする、請求項１に記載の色変換器。
13. 前記投入光は、太陽光であることを特徴とする、請求項１に記載の色変換器。
14. 請求項１から１３のいずれかに記載の色変換器を用いた植物育成装置であって、前記色変換器が投入光を受けるように、かつ、前記色変換器からの変換光が植物の育成場所を照射するように、前記色変換器が配置されてなることを特徴とする植物育成装置。
15. 前記変換光における波長４．０×１０^２ｎｍから５．０×１０^２ｎｍの波長の青色光成分の光量子束（ＰＰＦ（Ｂ））と、波長６．０×１０^２ｎｍから７．０×１０^２ｎｍの波長の赤色成分の光量子束（ＰＰＦ（Ｒ））との比（ＰＰＦ（Ｂ）／ＰＰＦ（Ｒ））を所望の範囲になるように前記色変換器の蛍光体の量および／または種類が調整されてなることを特徴とする、請求項１４に記載の植物育成装置。
16. 請求項１４又は１５に記載の植物育成装置であって、前記色変換器が人工光源からの光を投入光とする色変換器を用い、その光源が前記色変換器を照射するように配置されてなることを特徴とする植物育成装置。
17. 植物を育成する方法であって、
    長短両波長成分を有する投入光を蛍光体に投入するステップと、
    前記蛍光体によって変換された変換光を育成植物に照射するステップと
    を包含し、
    前記変換光は、前記蛍光体が前記短波長成分を吸収し、前記長波長成分に変換、放出する光を含むことを特徴とする植物育成方法。
18. 前記照射するステップは、前記変換光における波長４．０×１０^２ｎｍから５．０×１０^２ｎｍの波長の青色光成分の光量子束（ＰＰＦ（Ｂ））と、波長６．０×１０^２ｎｍから７．０×１０^２ｎｍの波長の赤色成分の光量子束（ＰＰＦ（Ｒ））との比（ＰＰＦ（Ｂ）／ＰＰＦ（Ｒ））を所望の範囲になるように調整することを特徴とする、請求項１７に記載の方法。