JP2011045286A

JP2011045286A - 植物の成長制御装置およびその方法

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Publication number: JP2011045286A
Application number: JP2009196310A
Authority: JP
Inventors: Takanari Tanabe; 隆也田邉; Mitsuo Fukuda; 光男福田
Original assignee: Toyohashi University of Technology NUC; Institute of National Colleges of Technologies Japan
Current assignee: Toyohashi University of Technology NUC; Institute of National Colleges of Technologies Japan
Priority date: 2009-08-27
Filing date: 2009-08-27
Publication date: 2011-03-10

Abstract

【課題】植物の成長抑制と、商品化のための均一化を図るために、植物の成長を光で制御する植物の成長制御方法を提供する。
【解決手段】植物の一部に緑色光を照射する発光部１１〜１８と、この発光部１１〜１８の発光駆動部２および電源部３と、さらに植物の成長を観測する光学手段と、この光学手段からの植物の成長情報により発光部１１〜１８からの緑色光の照射を停止する制御装置を有する。また、植物の一部に緑色光を照射することにより植物の成長を抑制する。
【選択図】図１

Description

この発明は、植物を栽培する場合に植物の成長を光で制御する植物の成長制御装置に関する。また、この発明は、植物を栽培する場合に植物の成長を光で制御する植物の成長制御方法に関する。

近年、光照射装置及び光照射システムとしてＬＥＤを用いた光照射装置使用されるようになってきた。これは、植物育成に必要な青色光を高輝度で放射するＬＥＤが開発されたことを機に、多数のＬＥＤを集合させた植物育成用光源が開発されたことによる。これらの光源を使用することで、エネルギ効率問題、熱放射問題といった従来の白熱灯或いはナトリウムランプ光源等の不具合を解消できる植物育成には非常に有用なものとして注目が集まってきている。
例えば、植物に効率よく光を照射するためのスポット光照射が可能で、なおかつ植物の育成や種類に合わせてその光照射面積を変えられる簡単な構造の光照射装置を提供するものがある。ここでは、ＬＥＤを光源とする複数の光射出器と、これら光射出器を環状に配設した支持体と、前記各光射出器をそれぞれ所定回転軸Ｃ周りに回転可能に前記支持体に結合する回転結合機構とを備えてなり、前記光射出器から射出される射出光の光軸２ｃを、当該光射出器の回転軸Ｃに対し所定角度傾斜させたものがある。（例えば、特許文献１参照）

特許文献１によれば、このような構成をとることにより、各光射出器を所定の回転位置に設定することが可能で、スパイラル状に光が射出されるため、例えば円筒状をなすワークの側面に接線方向から光を照射し、その側面の欠陥検査などを行うことができる。特にこの光照射装置であれば、その光の角度を可変にできるため、種々の大きさのワークに対応できるというメリットがある。

植物育成用に用いた場合、植物の育成、種類に応じて、その光照射面積を変え、ほぼ植物のみに光を照射することができるうえ、斜め照射により葉の陰になる部分を減らすことができ、極めて効率のよい光照射が簡単な構成で提供することが出来る。

植物育成用ＬＥＤスタンドとして、育成に無駄なスペースを取らないようにすること、また、光源が目障りにならないようにすること、さらに、日照時間を植物にとって最適にして植物の育成環境を向上することであるとして、ＬＥＤ投光部とそのＬＥＤ投光部を立設するスタンド本体とからなり、前記ＬＥＤ投光部は、パイプの一端に自在継手（ボールジョイント）を介してＬＥＤを備えた発光部が設けられ、一方、パイプの他端には、スタンド本体との係合部が形成されるとともに、前記パイプの中空内には、パイプの一端の発光部と接続したコードが挿通されている構成を採用したものがある。（例えば、特許文献２参照）

特許文献２によれば、このようにすることによって、育成に無駄なスペースを取らないようにすること、また、光源が目障りにならないようにすること、さらに、日照時間を植物にとって最適にして植物の育成環境を向上することである。

屋内植物栽培方法として、植物体の成長に不足する光量を発光体によって補いながら屋内で植物を栽培する屋内植物栽培方法において、発光体として光半導体を用いて植物と発光体の間隔を必要に応じて自在に変更しながら植物を栽培するものがある。（例えば、特許文献３参照）

特許文献３によれば、使用する発光体としては、発光波長が、６００〜７５０ｎｍの範囲の赤色系光半導体を使用したものが好ましいとされ、これらの赤色系の光は植物の光合成、花成及び形態形成に利用されている。したがって、この波長範囲の光量が不足すると殆ど植物の生育を維持できなくなるからである。発光波長が４００〜５００ｎｍの範囲の青色光も多くの植物に必要である。この波長範囲の光量が不足すると、多くの植物では、植物体が徒長ぎみとなるので、その形態が鑑賞上好ましくなくなる場合が多いとされている。したがって、この波長範囲の光半導体を使用した発光体を用いるのが好ましいことが知られている。

赤色発光ダイオードと青色発光ダイオードとを比率良く混合し、必要に応じて緑色発光ダイオードを用いて太陽光にできるだけ接近させ植物による吸収率をあげ、水や成長剤溶液を撒布し易くして植物の生育を促すものがある。（例えば、特許文献４参照）

特許文献４によれば、光合成作用に効果のあるＬＥＤ光源を有効利用するため、３ｃｄ赤色発光ダイオードと１ｃｄ青色発光ダイオードとを比率良く混合し、必要に応じて緑色発光ダイオードを用いて太陽光にできるだけ接近させて光合成に必要な光を植物に吸収させると共に水や成長剤溶液を撒布し易くして植物の生育を促し、さらには発光ダイオードの発光による室内装飾効果をも有することができる。

特許公開２００５−０５６６５７号公報特許公開２００７−１６６９９８号公報特許公開平０８−０３７９３０号公報特許公開２００４−１１３１６０号公報

植物の成長を抑圧するためには、成長を抑圧・抑制（以下、抑圧と総称する。）する農薬を散布するか、塗りつける必要があり、農薬による害を避けられなかった。

しかしながら、上記従来技術においては、植物をの成長を促すための照明に関する提案ばかりであり、植物の成長を抑圧することに関する照明技術の検討はなく、どのようにすれば成長を抑圧できるかという課題があった。

さらに、植物は、全体的に一様に成長するのではなく、成長が促進される部分と成長が遅れる部分ができてしまい、植物の商品化のために好都合な、成長の均一化が難しいという課題があった。

本発明の目的は、植物の一部に緑色の光（以下、緑色光という。）を照射することにより、植物の成長の均一化を促すことを可能とする植物の成長制御装置およびその制御方法を提供するにある。

上記課題を解決し目的を達成するために、この発明の植物の成長制御装置およびその制御方法は、以下のように構成されている。

植物の成長制御装置において、電源部および発光駆動部、とともに植物の一部の周囲に緑色の光を照射する発光部を持つことを特徴とする。

また、植物の成長制御装置において、植物成長を観測する第1の手段と、植物の一部に光を照射する第2の手段と、第２の手段の光照射を停止する第３の手段を持つことを特徴とする。

植物の成長制御方法において、植物の一部の周囲に緑色の光を照射する第１の工程と、第１の工程の光照射時間を測定して、光の照射を停止する第２の工程を持つことを特徴とする。

また、植物の成長制御方法において、植物成長を観測する第1の工程と、植物の一部に光を照射する第２の工程と、第２の工程の光照射を停止する第３の工程を持つことを特徴とする。

本発明によれば、従来の赤色光、青色光や自然光に近い光を照射して成長させるということではなく、植物の一部に緑色の光を連続的に照射して、植物の成長を抑圧し、成長を制御することにより、より均一な植物の生産を可能とする。また、従来のように農薬による植物汚染がないので、より安心できる作物を供給できる。したがって、植物栽培時に植物の成長に応じて成長速度を補償できるようになり、均一で付加価値の高い植物を生産できる。また、植物の成長を抑えることにより、生産調整が簡単になり、出荷時期に合わせた生産調整が実現できる。また、植物栽培システムにおいて、光を照射して成長を促進するとともに、植物の状態をカメラに取り込むことにより、植物の成長状態を分析して、成長の早い部分には、緑色光を当てることによって、成長を抑圧し、全体の植物を均一に成長させることができて、安定な植物成長管理システムを実現する。

本発明の植物の成長制御装置の構成を示す図別の植物の成長制御装置の構成を示す図別の植物の成長制御装置の構成を示す図別の植物の成長制御装置の構成を示す図緑色LED光の菊茎への照射による成長特性を示す図本発明の植物の成長制御方法の構成を示す図本発明の別の植物の成長制御装置の構成を示す図本発明の別の植物の成長制御方法の構成を示す図別の植物の成長制御方法の構成を示す図

植物の成長制御装置において、電源部および発光駆動部、とともに植物の一部の周囲に緑色の光を照射する発光部を持つことを特徴とする。また、植物の成長制御装置において、植物成長を観測する第1の手段と、植物の一部に光を照射する第2の手段と、第２の手段の光照射を停止する第３の手段を持つことを特徴とし、成長を抑圧し、全体の植物を均一に成長させることができて、安定な植物成長管理システムを実現する。

図１は、本発明による植物成長制御装置の第１の実施例の構成を示す。本発明による植物成長制御装置は、植物の光照射の対象部分の形状、大きさ（長さ、太さ）に合わせて変形可能なフレキシブル接続部に複数の発光体（発光ダイオードＬＥＤ11〜ＬＥＤ１８）が取り付けられている。植物の茎４の周りに設置されたLED１１〜LED１８からなる発光部は、電源回路３からの電力をもとに駆動回路２によりLED１１からLED18を駆動制御されて、緑色光を植物の茎４に照射するようになっている。発光部は、茎の周りに設置されることから、先端が球形をした光を集光できる小型のLEDが好ましい。また、複数のLEDをフレキシブルなもので２方向に分けており、伸ばしたものを茎の周りに丸めて配置することで、安定して植物の茎４に緑色光を照射することができる。電源回路３は、電池あるいは充電池を用いることが好ましい。そのほか、配線が必要になるが、１００Vあるいは２００Vの商用電源を用いて直流化しても良く、適切な緑色光を出力できる機能があれば、交流電源であっても差し支えない。駆動回路２では、電源回路３の電圧をLEDに加えるスイッチを備え、必要に応じて緑色光の照射をＯＮ／ＯＦＦ調整できるのが好ましい。また、駆動回路２２と複数のLEDは直列に接続すれば、同一電流を用いて多くのLEDを発光することができる。LEDは、２個から１５個までをフレキシブ接続部1に接続するが、緑色光としては５００nmから６００nmの波長の光成分を含んだものが好ましい。

本発明が主な対象とする植物の成長を抑圧するための装置と動作を説明する。植物の成長状態を観察し、成長を抑圧したい部分が存在した場合に、図１に示す装置を植物の成長抑圧したい部分の植物の茎４にフレキシブル接続を伸ばした状態で近づけ、図１に示すようにLEDを茎の周りを取り囲むように設置する。図１の装置を設置するには、天井から吊るした紐あるいは棒に取り付けてもよい。また、地上から伸ばした棒に取り付けてもよい。当然、天井から地上に張った紐あるいは棒に取り付けてもよいことは言うまでもない。また、設置した後に、駆動回路のスイッチを入れて、LED１１からLED18を発光させる。LEDの発光は直流で行ってもよいし、パルス駆動によって、LEDの発光効率を高めて発光してもよい。このようにすると、低消費電力で長時間の照射が出来る。ここでは、LEDを使用した例を示したが、緑色のレーザでもよい。レーザの場合には遠くまで届かせることが出来る特徴があり、遠くから照射することが出来る。さらに、緑色光の照射部分（位置）まで、遠方に設置した発光部から光ファイバーを配置し、緑色光を伝送することも可能である。このようにすれば、１個の発光部から複数の光ファイバーで、多くの照射対象部に緑色光を対応させることが出来る。また、透明なパイプの中にLEDを設置し、回路を防水容器内に設置するなどの防水構造とすることで、植物に散水しても問題ない構造とすることが出来る。

図２は、本発明による植物成長制御装置の第１の実施例の別の構成を示す。本発明による植物成長制御装置は、植物の茎の周りに設置できるように、発光部がフレキシブル接続部２０１で接続されていて、複数のLEDをフレキシブルなもので１方向に伸ばしたものを茎の周りに丸めることで、安定して植物の茎に緑色の光を照射することができる特徴がある。これによって、いろいろの太さの茎に対応して設置できる。

図３は、本発明による植物成長制御装置の第１の実施例のさらに別の構成を示す。本発明による植物成長制御装置は、植物の茎の周りに設置できるように、発光部がフレキシブル接続部３０１で接続され、フレキシブル部が上下に補強されている。この実施例によれば、発光部を植物に対して角度を変えて、かつ安定して植物の茎に緑色光を照射することにより、必要な方向に緑色光を安定して照射することができる。

図４は、本発明による植物成長制御装置の第１の実施例のさらに別の構成を示す。本発明による植物成長制御装置は、植物の茎の周りに設置できるように、発光部がフレキシブル接続部４０１で接続されていて、フレキシブル部の上側に発光部が設けられており、発光部を植物に対して角度を変えてかつ安定して植物の茎に緑色の光をあてることができる特徴がある。これによって、光の照射角度を一つ一つの発光部で独立に合わせることができる。

図５は、緑色のLEDを１２個用いて植物（例えば、菊）の茎に照射した場合の植物の成長状態の観測（測定）結果を示す。各LEDには電流２０mＡを流し、光度は１８cd（カンデラ）である。植物の成長状態については、菊の横方向からの写真を撮り、葉っぱの部分の断面積の大きさで成長を評価している。同図中、縦軸は植物成長の相対値を示し、横軸は日数（日）を示す。No.１〜No.５は、植物（菊）の苗を試料植物とした場合の試料番号である。試料番号No.1〜No.5の菊には上から赤色と青色のLED光を照射している。試料番号No.４,No.５はLEDからの緑色光を照射していないものであり、着実に菊が成長していることがわかる。試料番号No.１は菊の根元に近い茎に緑色光を照射した場合の結果である。４日以降は、菊の成長が止まり、葉っぱの断面積が減少しており、成長が抑圧されていることがわかる。試料番号No.２は菊の先端と根元の中間付近の茎に緑色光を照射した場合の結果である。７日以降は、菊の成長が止まっていることが分かる。No,３は菊の先端の茎に緑色光を照射した場合の結果である。４日以降は、菊の成長が止まっていることが分かるとともに１３日程度まで変化なく保たれることが分かる。図５より、緑色光を照射することが菊の成長を止めることに有効であり、また一定時間光を照射しておくことが重要であることがわかる。また、菊の茎のどこでも成長の抑圧効果があるが、菊の芽と根元に緑色光を照射することが好ましい。菊の芽に緑色光を照射すると抑圧効果が早く現れる特徴がある。菊の根元に緑色光を照射すると抑圧効果が長く続く特徴がある。

図５では、光源として光度：１８cd、放射角度が１５度のLEDを使用している。LEDの光の強さは植物に４０LUX（ルクス）から１００００LUX（ルクス）の照度の光を照射することが好ましい。菊のような花木、洋ラン、野菜、観葉植物においては、育成に必要な４０００LUXの光と同様な緑色光の照度として、４００LUXから８０００LUXがより適している。また、光の強さは、LEDに流す直流電流で制御することも出来るが、パルス幅で制御するPWM制御を用いて発光させることにより、より安定した照射光の制御を行うことが出来る。図５では、菊に対する効果を示したが、その他の植物に対しても本発明による成長制御装置を適用できることは言うまでもない。また、緑色の光を一方向から当てることで、当てた部分の成長を抑圧し、植物の成長方向を制御することも出来る。

図６は、本発明による第２の実施例で、植物の成長を抑圧する植物の成長制御方法を示す。植物の成長を抑圧させるために、発光時間を設定する工程６２と、スイッチによりLEDを発光させる工程６３とLED発光後の経過時間を測定する工程６４と、所定（一定）時間経過後にLED発光を停止させる工程６５を含んだことを特徴とする植物の成長制御方法である。経過時間を測定では、図5の結果より、発光時間は4日間以上行うことが適切であり、１日から１０日間程度のタイマーを設置しておき所定（一定）時間経過後に発光を停止させることが好ましい。また、４日間から９日間のタイマーを設置しておき一定時間経過後に発光を停止させることが最も好ましい。この方法により、成長を抑圧させたい部分に緑色光を所定（一定）時間照射して、停止することができる。したがって、タイマーを設定すれば、その後は自動的に抑圧期間を設定でき、植物の育成作業の省力化が実現できる。

図７は、本発明による第３の実施例で、植物の成長を抑圧する全体の植物の成長制御装置の構成を示す。植物７１に対して、全体照明機器７２等で光の照射を行う。この光は、植物の成長に必要な赤色および青色の光を含んだ光を照射する。植物成長を測定する装置であるカメラ７３を用いて植物の状態を撮影する。カメラ７３は、植物の上方あるいは斜め、真横に設置したり、移動したりして、植物７１の各部分ごとの映像を取り込む。取り込んだ画像を画像処理７４に送り込み、色分解したデジタル画像から、植物の葉の面積および茎の成長長さを抽出する。この作業には、従来から知られている画像処理ソフトが有効である。なお、色分解して演算することが、緑色の葉および茎を検出することに対して好ましい。植物の葉の面積および茎の成長長さを成長判断７５に送り、植物のどの部分で成長が早すぎるのかを判断する。早すぎる部分が検出された場合には、早く成長している部分の情報を発光制御７６に送る。発光制御７６では、送られてきた情報を基に駆動装置７７および７８を操作して、アーム７７１および７７２を動かして、LED１４および１５を成長抑圧に必要な場所に移動させ、緑色光の照射を行う。

図７では、LED１４、１５と2つ使用する例を示したが、1つでもよくまた、複数個あったほうが制御を行い易い。また、駆動装置７７はカメラと連動して、必要な植物の茎の部分まで移動するのが好ましい。さらに、画像を見ながら、図３、図４に示すフレキシブル部材に変形機構を取付け、その変形機構を駆動して茎に巻きつくように設定することも出来る。

成長判断７５では、成長の良い部分だけ判断したが、成長の遅い場合には、全体照明機器７２に赤色光や青色光照射する信号を送って、成長を促すように制御しても良い。また、ここでは示していないが、光のほかに、温度、水の管理制御機構を設けることも出来る。

図８は、本発明による第４の実施例で、植物の成長を抑圧する植物の成長制御方法を示す。植物の成長を抑圧させるために、カメラより植物画像を取り込む工程８２と、画像処理により植物の成長である葉の大きさ、茎の長さ（太さ）および両者をもとに、画像処理により植物の成長を測定する工程８３と、測定した情報をから、植物の成長の促進されている部分を判断する工程８４を有する。工程８４において、成長促進された部分がないと判断した場合には、所定（一定）の時間経過の測定の工程８４１を経て、カメラより植物画像を取り込む工程８２に戻る。工程８４において、成長促進された部分があると判断した場合には、緑色の発光を行うLEDを植物の茎に照射するために、LEDを促進部分に向けるように駆動する工程８５により、駆動部分につけたアームで先端につけたLEDを所望の位置まで移動させる。移動が完了したら、LEDの発光工程８６により、LEDの発光を開始し、緑色光を植物の茎に照射する。さらに、時間経過の測定工程８７でLEDの発光時間を観測し、所定（一定）時間が経過の後に、LED発光の停止工程８８により、LEDの発光を停止する。また、スタートへ戻る工程８９で、カメラより画像の取り込みを行う。

経過時間の測定に関しては、図５に示された結果より、発光時間は４日間以上行うことが適切であり、２日間から10日間程度のタイマーを設置しておき所定（一定）時間経過後に発光を停止させることが好ましいと記載した。しかしながら、第４の実施例においては、連続的に制御するので、1日以下の８時間程度から制御しても良い。このようにすると、８時間毎に判断するのみで、連続的に植物に緑色光を照射することが出来る。この方法により、成長を抑圧させたい部分に緑色光を必要な時間照射して、その後照射を停止することができるので、タイマーを設定すればあとは自動的に抑圧期間を設定でき、植物の育成作業の省力化が実現できる。

図９は、緑色光を照射しながら植物成長の抑圧状態を検出するようにした植物の成長制御方法の例を示す。以下の説明では、図８と同じ部分（９２〜９７は、図８の８２〜８７に対応する。）の説明は省略する。カメラより植物画像を取り込む工程９８１と、植物の葉の大きさ、茎の長さ（太さ）および両者をもとに、画像処理により植物の成長を測定する工程９８２と、測定した情報を基に、植物の成長の促進されている部分の成長または抑圧を判断する工程９８３と、工程９８３において、促進された部分の成長抑圧がないと判断した場合には、所定（一定）時間の経過を測定する工程９８４を経て、カメラより植物画像を取り込む工程９８１に戻る。工程９８３において、促進された部分の成長抑圧があると判断した場合には、LED発光の停止工程９９により、LEDの発光を停止する。また、スタートへ戻る工程９９１で、カメラより画像の取り込みを行う。このようにすることで、植物成長の抑圧が確認できるまで連続して緑色光を照射することが出来るので、植物栽培の作業の効率化を図ることが出来る。

なお、本願発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階では要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適当な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

この発明によれば、下記の植物の成長制御方法および装置を提供できる。

（１）植物の一部分の成長を抑圧できるようになり、より安定な植物の栽培が実現できることが可能な植物の成長制御方法。

（２）植物の栽培を行いながら、植物の一部分の成長を抑圧できるようになり、より安定で、均一な植物の栽培が実現できることが可能な植物の成長制御方法。

（３）植物の一部分の成長を抑圧できるようになり、より安定な植物の栽培が実現できることが可能な植物の成長制御装置。

（４）植物の栽培を行いながら、植物の一部分の成長を抑圧できるようになり、より安定で、均一な植物の栽培が実現できることが可能な植物の成長制御装置。

１フレキシブル接続部
２駆動回路
３電源回路
１１ LED
７１植物
７２全体照明機器
７３カメラ
７４画像処理
７５成長判断
７６発光制御
７７駆動装置

Claims

植物の一部に緑色光を照射する発光部と、この発光部の発光駆動部および電源部とを有することを特徴とする植物の成長制御装置。
植物の一部の周囲に緑色光を照射する発光部と、この発光部の発光駆動部および電源部と、前記植物の成長を観測する光学手段と、この光学手段からの植物の成長情報により前記発光部からの緑色光の照射を停止する制御装置を有することを特徴とする請求項１記載の植物の成長制御装置。
植物に緑色光を照射することにより植物の成長を抑制するようにしたことを特徴とする植物の成長制御方法。
植物の一部に緑色光を照射することにより植物の成長を抑制するようにしたことを特徴とする請求項３記載の植物の成長制御方法。
植物の一部の周囲に緑色光を照射する第１の工程と、この第１の工程における緑色光照射時間を測定し、所定時間の後前記緑色光の照射を停止する第２の工程を有することを特徴とする請求項４記載の植物の成長制御方法。
植物成長を光学的に観測し、観測の結果により判明する当該植物の成長情報に応じて、その植物の一部に所定時間緑色光を照射することにより、植物の成長を抑制することを特徴とする請求項５記載の植物の成長制御方法。