JP2013106550A - 植物育成用照明装置 - Google Patents

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聡 駒田
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Abstract

【課題】効率的かつ低消費電力で植物の育成を可能とする照明装置を提供する。
【解決手段】光合成色素の吸収波長である３８０〜５００ｎｍにピーク発光波長を有し、且つピーク発光波長が互いに５ｎｍ以上異なる２種類以上の半導体発光素子と、少なくとも１種類の上記半導体発光素子の光により励起して６００〜７８０ｎｍにピーク発光波長を有した赤色の光を発する赤色蛍光体と、を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光合成を促し、植物を育成するための照明装置に関するものである。
近年、食用または鑑賞用の植物を季節に関係なく育成するための技術が発展してきた。そのような技術の一つとして、人工光を用いた光源がある。植物の光合成に関わる光合成色素の吸光スペクトルは主に青色領域および赤色領域にあり、これらの領域の光が植物育成に重要であると考えられている。そのため、これらの領域の光を生成する植物育成用の光源が広く知られている。
植物育成用の光源としては、波長を自由に調整できる発光ダイオード（以下、ＬＥＤという）が注目されている。例えば、特許文献１には、４００〜４８０ｎｍ（青色）および６５０〜７００ｎｍ（赤色）の光をそれぞれ生成するＬＥＤを用いた植物育成用ＬＥＤ光源が開示されている。また、特許文献２には、紫外ＬＥＤを用いて、青色光および赤色光を発光する蛍光体をそれぞれ励起することにより、植物の育成に必要な光を供給する、植物育成用の照明装置が開示されている。
特開２００２−２７８３１号公報（２００２年１月２９日公開） 特開２０１０−２９０９８号公報（２０１０年２月１２日公開）
植物の光合成色素には様々な種類があり、それぞれ吸光スペクトルが異なることから、青色領域および赤色領域のいずれも、ブロードなスペクトルを持つ発光スペクトルが有効である。しかし、特許文献１に記載の植物育成用ＬＥＤ光源のように、青色光および赤色光をＬＥＤで発光させた場合、発光スペクトルの半値幅が狭いことから効率的な植物の育成には効果的ではない。
また、特許文献２に記載の照明装置は、青色蛍光体および赤色光蛍光体をそれぞれ励起することでブロードな光を得ることが可能であるが、現状青色ＬＥＤに比べて紫外光ＬＥＤの発光効率が低いこと、ストークスシフトが大きくなることから蛍光体の光変換効率が低くなること、青色蛍光体の励起効率が低いことから、発光効率のよい光源を提供することが難しい。それゆえ、特許文献２に記載の照明装置は、必要な光束を得るためにより多くの動作電力を必要とする。
本発明は上記課題を鑑みなされたものであり、その目的は、効率的かつ低消費電力で植物の育成を可能とする照明装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明に係る植物育成用照明装置は、
３８０〜５００ｎｍにピーク発光波長を有し、且つピーク発光波長が互いに５ｎｍ以上異なる２種類以上の半導体発光素子と、
少なくとも１種類の上記半導体発光素子の光により励起して６００〜７８０ｎｍにピーク発光波長を有した赤色蛍光体と、を具備することを特徴としている。
上記構成によれば、本発明に係る植物育成用照明装置は、植物の光合成色素（クロロフィルａ、クロロフィルｂ、クロロフィルｃ等）が吸収しやすい青色領域（３８０〜５００ｎｍ）および赤色領域（６００〜７８０ｎｍ）にピーク発光波長を有する光を供給する。さらに、青色領域においては、ピーク発光波長が互いに５ｎｍ以上異なる２種類以上の半導体発光素子を具備しているため、供給できる波長の範囲が広くなっている。そのため、より多種類の光合成色素の吸収波長をカバーすることができる。したがって、効率的に植物を育成することが可能となる。また、青色蛍光体を紫外ＬＥＤで励起させて青色光を発光させる場合と比べて、青色の半導体発光素子の発光効率が良さなどから、消費電力を抑えることができる。
また、赤色領域の光は、上記半導体発光素子が生成する光で励起する赤色蛍光体により生成するため、赤色ＬＥＤで発光させる場合と比べて、半値幅が広く効率的に植物を育成することが可能となる。また、紫外ＬＥＤで励起させる場合と比べて、青色の半導体発光素子の発光効率が良いことなどから、消費電力を抑えることができる。
また、本発明に係る植物育成用照明装置の一形態は、上記の構成に加えて、
上記２種類以上の半導体発光素子は、クロロフィルａの吸収スペクトルのソーレー帯でのピーク値、ならびに、クロロフィルｂおよびクロロフィルｃのうちの少なくとも一方の吸収スペクトルのソーレー帯でのピーク値に対して、それぞれ±４０ｎｍ以内にピーク波長を有することが好ましい。
上記構成によれば、エネルギーを獲得するために機能する主要な光合成色素であるクロロフィルに効果的に光を照射することができ、光合成を促進することができる。
なお、ソーレー帯とは、紫〜青色領域の強い吸収帯のことを指す。
また、本発明に係る植物育成用照明装置の一形態は、上記の構成に加えて、
上記赤色蛍光体は、ピーク発光波長が互いに異なる２種類以上の赤色蛍光体からなることが好ましい。
上記構成によれば、赤色領域において供給できる波長の範囲がより広くなる。そのため、さらに多種類の光合成色素の吸収波長をカバーすることができる。したがって、さらに効率的に植物を育成することが可能となる。
また、本発明に係る植物育成用照明装置の一形態は、上記の構成に加えて、
上記赤色蛍光体は、一般式（Ａ）：（ＭＩＶ１−ＣＥｕＣ）ＭＶＳｉＮ３
（一般式（Ａ）中、ＭＩＶはＭｇ、Ｃａ、ＳｒおよびＢａから選ばれる少なくとも１種の元素を表し、ＭＶはＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、ＧｄおよびＬｕから選ばれる少なくとも１種の元素を表し、０．００１≦ｃ≦０．1５である）
で表される２価のユーロピウム付活窒化物蛍光体からなることが好ましい。
上記構成によれば、赤色蛍光体の半値幅は約１００ｎｍと広いため、当該植物育成用照明装置は、赤色領域においてより供給できる波長の範囲が広い。そのため、より多種類の光合成色素の吸収波長をカバーすることができる。したがって、より効率的に植物を育成することが可能となる。
また、一般式（Ａ）中のＭＩＶのＭｇ、ＣａおよびＳｒの各原子組成比、またはＭＩＶに対するＥｕの原子組成比を変えることによって、ピーク発光波長を変えることができる。したがって、植物育成用照明装置の製造において、所望のピーク発光波長を容易に細かく設定することができる。
また、本発明に係る植物育成用照明装置の一形態は、上記の構成に加えて、
上記２種類以上の赤色蛍光体は、上記一般式（Ａ）で表される２価のユーロピウム付活窒化物蛍光体であって、ＭＩＶのＭｇ、ＣａおよびＳｒの各原子組成比が互いに異なることが好ましい。
上記構成によれば、Ｃａに対するＳｒの原子組成比を上げることによって発光波長を短波長側にシフトできる。一方、Ｃａに対するＭｇの原子組成比を上げることによって長波長側にシフトできる。したがって、発光波長の異なる２種類以上の赤色蛍光体を容易に製造することができる。
また、本発明に係る植物育成用照明装置の一形態は、上記の構成に加えて、
上記２種類以上の赤色蛍光体は、上記一般式（Ａ）で表される２価のユーロピウム付活窒化物蛍光体であって、ＭＩＶに対するＥｕの原子組成比が互いに異なることが好ましい。
上記構成によれば、ＭＩＶに対するＥｕの組成を上げることによって発光波長を長波長側にシフトできる。したがって、発光波長の異なる２種類以上の赤色蛍光体を容易に製造することができる。
また、本発明に係る植物育成用照明装置の一形態は、上記の構成に加えて、
５００ｎｍより長く６００ｎｍ未満の緑色光を発する緑色発光体をさらに具備することが好ましい。
上記構成によれば、本発明に係る植物育成用照明装置は緑色領域（５００ｎｍより長く６００ｎｍ未満）の光も発する。緑色領域の光は光合成を引き起こすためのフォトンの能力を示すrelative quantum efficiency（ＲＱＥ）が高い。また、青色領域および赤色領域の光が届きにくい葉の裏側では、緑色領域の光も光合成に利用していることが知られている。したがって、上記構成を具備する植物育成用照明装置は、葉全体の光合成を促進することができ、さらに効率的に植物を育成することが可能となる。
また、緑色領域の光は、人体の視感度特性に優れる。そのため、作業性の向上もなし得る。
また、本発明に係る植物育成用照明装置の一形態は、上記の構成に加えて、
少なくとも１種類の上記半導体発光素子の光により励起して５００ｎｍより長く６００ｎｍ未満にピーク発光波長を有した緑色蛍光体をさらに具備することが好ましい。
上記構成によれば、本発明に係る植物育成用照明装置は、緑色領域（５００ｎｍより長く６００ｎｍ未満）の光も照射することができる。さらに、緑色蛍光体の発光はブロードであり、緑色領域広範囲の波長を照射することができる。光合成に関与する波長は上述のとおり緑色領域全体にもわたっている。そのため、本発明に係る植物育成用照明装置は、効率的に植物を育成することが可能となる。
また、本発明に係る植物育成用照明装置の一形態は、上記の構成に加えて、
上記緑色蛍光体は、（Ｌｕ１−ｘＣｅｘ）３Ａｌ５Ｏ１３（０．００１≦ｘ≦０．０５）であることが好ましい。
上記構成によれば、緑色蛍光体の半値幅は約１００ｎｍと広いため、本発明に係る植物育成用照明装置は、緑色領域において供給できる波長の範囲がより広くなる。そのため、より多種類の光合成色素の吸収波長をカバーすることができる。したがって、より効率的に植物を育成することが可能となる。
また、本発明に係る植物育成用照明装置の一形態は、上記の構成に加えて、
複数の上記半導体発光素子が直列に接続された半導体発光素子群が、２以上並列に接続されて構成されており、
且つ、並列に接続された各半導体発光素子群における、各種類の半導体発光素子の個数が半導体発光素子群同士で同一であることが好ましい。
上記構成によれば、並列されている各列の半導体発光素子群は、順方向電圧が同一となる。そのため、各列の電流値をばらつかせることなく駆動することができ、場所による色味（波長）の違いを小さくすることができる。したがって、均一に合成された青色光を植物に供給することができる。
また、本発明に係る植物育成用照明装置の一形態は、上記の構成に加えて、
上記２種類以上の半導体発光素子において、ピーク発光波長が同じ半導体発光素子が互いに隣り合わないように配置されていることが好ましい。
上記構成によれば、ピーク発光波長が互いに異なる半導体発光素子が隣り合うため、均一に合成された青色光を植物に供給することができる。
また、本発明に係る植物育成用照明装置の一形態は、上記の構成に加えて、
上記半導体発光素子は窒化物半導体からなることが好ましい。
上記構成によれば、窒化物半導体は、幅広い波長の制御が可能であり、且つ、３８０〜５００ｎｍにおける発光効率が高い。
また、本発明には、光合成色素の吸収波長である３８０〜５００ｎｍにピーク発光波長を有し、且つピーク発光波長が互いに５ｎｍ以上異なる２種類以上の半導体発光素子を具備することを特徴とする青色光照明装置も含まれる。
上記の青色光照明装置の構成によれば、本発明に係る植物育成用照明装置は、植物の光合成色素（クロロフィルａ、クロロフィルｂ、クロロフィルｃ等）が吸収しやすい青色領域（３８０〜５００ｎｍ）にピーク発光波長を有する光を供給し、ピーク発光波長が互いに５ｎｍ以上異なる２種類以上の半導体発光素子を具備しているため、供給できる波長の範囲が広くなっている。そのため、より多種類の光合成色素の吸収波長をカバーすることができる。したがって、効率的に植物を育成することが可能となる。また、青色蛍光体を紫外ＬＥＤで励起させて青色光を発光させる場合と比べて、青色の半導体発光素子の発光効率が良さなどから、消費電力を抑えることができる。
本発明の植物育成用照明装置は、効率的かつ低消費電力で植物の育成が可能であるという効果を奏する。
本発明の第１実施形態に係る植物育成用照明装置に具備されるＬＥＤパッケージの断面図である。 図１に示すＬＥＤパッケージの青色発光領域を構成する青色ＬＥＤの配置の一例を示す図である。 本発明に係る植物育成用照明装置における、植物への照射の一例を示す図である。 クロロフィルａおよびクロロフィルｂの吸収スペクトルを示す図である。 フィトクロムの吸収スペクトルを示す図である。 各波長における相対量子効率を示す図である。 本発明に係る植物育成用照明装置における、赤色蛍光体の配置の他の例を示す図である。 本発明に係る植物育成用照明装置における、青色ＬＥＤの配置の他の例を示す図である。 実施例における、各波長の光量子束の測定結果を示す図である。 実施例における、各波長の光量子束とクロロフィルの吸光係数との積を示す図である。
〔第１実施形態〕
本発明に係る植物育成用照明装置の一実施形態（第１実施形態）について、図２、６、８を参照しつつ説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る植物育成用照明装置に具備されるＬＥＤパッケージの断面図である。また、図２は、図１に示すＬＥＤパッケージの青色発光領域を構成する青色ＬＥＤの配置の一例を示す図である。図３は、本発明の第１実施形態に係る植物育成用照明装置における、植物への照射の一例を示す図である。
第１実施形態に係る植物育成用照明装置においては、図２に示す青色ＬＥＤが、青色の光を発して、この光によって、赤色の蛍光を生じる赤色蛍光体が励起されて、赤色光を生じる構成となっている。
図１に示すＬＥＤパッケージの青色発光領域を構成する部分の構成は、図２に示すように、基板８上に、３種類のＬＥＤ素子（半導体発光素子）が配列している。ＬＥＤ素子同士は、配線４によって、接続されている。配線４はカソード電極６とアノード電極７に接続されているが、金５によって中継している。カソード電極６はパッド電極９に接続され、アノード電極７はパッド電極１０に接続されている。カソード電極６、アノード電極７、パッド電極９、およびパッド電極１０は、いずれも基板８上に設けられている。
上述のようにＬＥＤ素子は３種類から構成されている。そこで、以下では、種類に分けて第１ＬＥＤ素子１、第２ＬＥＤ素子２、第３ＬＥＤ素子３と記載する。第１ＬＥＤ素子１と、第２ＬＥＤ素子２と、第３ＬＥＤ素子３とは、この順で配線４に接続されており、アノード電極７と金５との間に配された１本の配線４に、１つの第１ＬＥＤ素子１と、１つの第２ＬＥＤ素子２と、１つの第３ＬＥＤ素子３とがこの順で直列に接続されており、この列がアノード電極７と金５との間に５つ並列に接続されている。また、金５とカソード電極６との間に配された１本の配線４にも、１つの第１ＬＥＤ素子１と、１つの第２ＬＥＤ素子２と、１つの第３ＬＥＤ素子３とがこの順で直列に接続されており、この列が金５とカソード電極６との間に５つ並列に接続されている。
そして、図１を用いて後述するように、上述のように配列した第１〜３ＬＥＤ素子１〜３は、赤色蛍光体１２が混ぜ合わされた封止樹脂１１で１つに封止されており、この封止された構造と、基板８、パッド電極９、およびパッド電極１０とによって図３に示すＬＥＤパッケージ１６を形成している。
以下、図２に示した構成について詳述する。
（半導体発光素子）
第１〜３ＬＥＤ素子１〜３は、光合成色素の吸収波長である３８０〜５００ｎｍにピーク発光波長を有する点では共通しているが、ピーク発光波長が互いに５ｎｍ以上異なっている点で異なっている。
ここで、自然界には多くの光合成色素が存在しており、例えばクロロフィル、カロテノイド、フィコビリンなどがある。クロロフィルの中にもクロロフィルａ、クロロフィルｂ、クロロフィルｃ、クロロフィルｄなどがあり、さらにクロロフィルａの中にも多数の分子種がある。
これら光合成色素の吸収スペクトルは様々であるが、光合成色素の多く（特にクロロフィル）は、可視光の短波長領域においては、３８０ｎｍ〜５００ｎｍ（青色領域）に吸収スペクトルピークを有する。したがって、第１実施形態に係る植物育成用照明装置では、これら光合成色素が吸収しやすい青色領域に光を発光する。
また、ＬＥＤの発光スペクトルの半値幅は、せいぜい広くても３０ｎｍ程度であるため、１種類のＬＥＤで光合成色素の多くの吸収波長をカバーするのは難しい。しかし、第１実施形態に係る植物育成用照明装置では、ピーク波長が５ｎｍ以上の波長の異なるＬＥＤ素子（第１〜第３ＬＥＤ素子）を複数（第１実施形態では３つ）設けることにより、より多種類の光合成色素の吸収波長をカバーしている。なお、この５ｎｍ以上の差は、ＬＥＤの製造公差などで生じる通常のばらつき範囲を超えたものである。
このようにピーク波長が５ｎｍ以上の波長の異なるＬＥＤ素子を複数設けることで、効率的に植物を育成することが可能である。また、青色蛍光体を紫外ＬＥＤで励起させて青色光を発光させる場合と比べて、青色の半導体発光素子の発光効率が良さなどから、消費電力を抑えることができる。
緑色植物（高等植物、緑藻）等は、エネルギーを獲得するための光合成色素として、クロロフィルａおよびクロロフィルｂを主に利用する。換言すれば、光合成色素のなかでクロロフィルはエネルギーを獲得するために機能するため、とりわけ重要性が高い。
ここで、クロロフィルａおよびクロロフィルｂの吸収スペクトルを図４に示す。ソーレー帯（Ｂ帯）において、クロロフィルａ（図中のＣｈｌ ａ）は、４２８ｎｍがピーク吸収波長であり、３９０ｎｍまでピークに対して１／３以上の吸光係数を有する。一方、クロロフィルｂ（図中のＣｈｌ ｂ）は、４５２ｎｍがピーク吸収波長であり、４２０ｎｍまでピークに対して１／４以上の吸光係数を有する。したがって、第１〜第３ＬＥＤ素子１〜３は、３９０ｎｍ〜４６０ｎｍ付近にピーク発光波長を有することが好ましい。例えば、第１〜第３ＬＥＤ素子１〜３はそれぞれ４１０ｎｍ、４３０ｎｍ、４５０ｎｍにピーク発光波長を有する構成が挙げられる。あるいは、クロロフィルのピーク吸収波長だけに合わせるならば、後述する第３実施形態のように４３０ｎｍ、４５０ｎｍにピーク発光波長をもつ２種類のＬＥＤ素子から構成することもできる。
また、珪藻、褐藻等は、エネルギーを獲得するための光合成色素として、クロロフィルａおよびクロロフィルｃを主に利用する。クロロフィルｃは４４６、４４５、４５２ｎｍがピーク吸収波長であり、クロロフィルｂのピーク吸収波長に近い。したがって、上述の構成と同じものを用いることができる。
上述のようにクロロフィルは吸収波長に幅をもっているため、第１〜第３ＬＥＤ素子１〜３はクロロフィルのピーク吸収波長の±４０ｎｍ以内にピーク発光波長があるように構成されている。
特に、第１〜第３ＬＥＤ素子１〜３は、多くの生物種に分布するクロロフィルａ、クロロフィルｂおよびクロロフィルｃのうち、少なくとも２つのクロロフィルの吸収スペクトルのソーレー帯でのピーク値に対して、それぞれ±４０ｎｍ以内にピーク波長を有することが好ましい。特に、緑色植物、珪藻、褐藻等が共通してもつクロロフィルａ、ならびに緑色植物がもつクロロフィルｂおよび珪藻、褐藻等がもつクロロフィルｃのうちの少なくとも一方、の吸収スペクトルのソーレー帯でのピーク値に対して、それぞれ±４０ｎｍ以内にピーク波長を有することがより好ましい。一例としては、（１）４２８ｎｍの±４０ｎｍ以内；（２）４５２ｎｍの±４０ｎｍ以内；（３）４４６ｎｍ、４４５ｎｍまたは４５２ｎｍの±４０ｎｍ以内；から選ばれる２つまたは３つにピーク発光波長を有するＬＥＤ素子群から第１〜第３ＬＥＤ素子１〜３が構成されていることが好ましい。
また、光合成色素の一つであるカロテノイドは、抗酸化作用をもち細胞を保護するため必須の色素である。陸上植物の葉緑体にほぼ共通して存在する、β−カロテンは４４９ｎｍ、４７５ｎｍ、ルテインは４４３ｎｍ、４７０ｎｍ、ビオラキサンチンは４３６ｎｍ、４６６ｎｍ、α−カロテンは４４２ｎｍ、４７１ｎｍ、ゼアキサンチンは４４８ｎｍ、４７５ｎｍに吸収ピーク波長を有している。それぞれの短波長側の吸収ピーク波長はクロロフィルのピーク吸光波長に近いため、第１〜第３ＬＥＤ素子１〜３で作用させることが出来る。さらに第１〜第３ＬＥＤ素子１〜３の何れかが４６０ｎｍ〜４８０ｎｍのピーク発光波長を有している場合には、上記カロテノイドの長波長側の吸収ピーク波長もカバーすることができる。
このように、第１実施形態に係る植物育成用照明装置では、第１〜第３ＬＥＤ素子１〜３が３８０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲でピーク発光波長を有するため、光合成色素が効率よく光吸収を行うことができる。
第１〜第３ＬＥＤ素子１〜３としては、公知のＬＥＤ素子を用いることができるが、例えば、第１のＬＥＤ１が４３０ｎｍでピーク発光波長を有し、第２のＬＥＤ２が４５０ｎｍでピーク発光波長を有し、第３のＬＥＤ３が４７０ｎｍでピーク発光波長を有する窒化物半導体からなることが好ましい。その理由は、窒化物半導体の活性層のＩｎ組成を変更することでこれらの波長を容易に実現することができるからである。また、窒化物半導体は、発光効率が高いため好ましい。
第１実施形態に係る植物育成用照明装置において、第１ＬＥＤ素子１〜３は基板８上で配線４によって直列に接続されている。図２のように１つの第１ＬＥＤ素子１と１つの第２ＬＥＤ素子２と１つの第３ＬＥＤ素子３とがこの順で１つの周期を構成すると仮定した場合、この周期が１周期以上直列に接続されて、且つ、この直列接続されたＬＥＤの合計の順方向電圧をそろえた上で２つ以上並列接続させることで、各列の電流値をばらつかせることなく、駆動することができ、よって、場所による色味の違いを小さくすることができる。このとき各列のＬＥＤは必ずしも、第１、第２、第３ＬＥＤ素子の順番である上記周期を繰り返した構成になっている必要はなく、第１〜３ＬＥＤ素子１〜３それぞれの個数が列同士で一致していればよい。
なお、基板８の材料としては、セラミック、シリコン、ガラス等が挙げられる。また、本実施形態では半導体発光素子としてＬＥＤ素子を用いているが、これに限られず、半導体レーザを用いることもできる。また、複数の半導体発光素子を具備する場合、ＬＥＤ素子と半導体レーザとを組み合わせて用いてもよい。
（赤色蛍光体）
図１に示す赤色蛍光体１２は、少なくとも１種類のＬＥＤ素子１〜３の光により励起する、６００〜７８０ｎｍにピーク発光波長を有した蛍光体である。
図４に示すように、Ｑ帯（可視光の長波長領域）において、クロロフィルａは６００ｎｍがピーク吸収波長であり、クロロフィルｂは６４２ｎｍがピーク吸収波長である。第１実施形態に係る植物育成用照明装置では、これら光合成色素が吸収しやすい赤色領域の光を発する。
また、植物の生育に深く関わる色素の１つとしてフィトクロムがある。フィトクロムは植物の花成促進などに関わっている。フィトクロムの吸収スペクトルを図５に示す。フィトクロムには６６６ｎｍおよび７３０ｎｍの二つの吸光波長ピークがあり、それらの波長の光を吸収することで発芽、開花の調整をしている。第１実施形態に係る植物育成用照明装置では、フィトクロムが吸収しやすい赤色領域の光を発光する。
赤色蛍光体１２は、半値幅が５０ｎｍ以上のブロードな赤色光(６００〜７８０ｎｍ)を発する蛍光体を使用する。このような赤色蛍光体１２を使用すれば、赤色発光するＬＥＤと比べて半値幅が広いため、効率的に植物を育成することが可能となる。また、紫外ＬＥＤを用いて赤色蛍光体を励起させる場合と比べて、青色の半導体発光素子（第１〜第３ＬＥＤ素子１〜３）の発光効率が良いことなどから、照明装置全体として消費電力を抑えることができる。
具体的には、赤色蛍光体１２は、上記クロロフィルａおよびクロロフィルｂのピーク吸収波長にあわせて、例えば６５０ｎｍにピーク発光波長を持つ赤色蛍光体を使用することができる。
例えば、赤色蛍光体１２としては、一般式（Ａ）：（ＭＩＶ１−ＣＥｕＣ）ＭＶＳｉＮ３（一般式（Ａ）中、ＭＩＶはＭｇ、Ｃａ、ＳｒおよびＢａから選ばれる少なくとも１種の元素を表し、ＭＶはＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、ＧｄおよびＬｕから選ばれる少なくとも１種の元素を表し、０．００１≦ｃ≦０．1５である）で（実質的に）表される２価のユーロピウム付活窒化物蛍光体が好ましい。当該２価のユーロピウム付活窒化物蛍光体の半値幅は約１００ｎｍと広いため、赤色領域においてより供給できる波長の範囲が広い。そのため、より多種類の光合成色素の吸収波長をカバーすることができ、より効率的に植物を育成することが可能となる当該２価のユーロピウム付活窒化物蛍光体を用いる場合、ピーク発光波長は６００〜７１０ｎｍ程度に合わせればよい。
さらに、赤色蛍光体１２は、ピーク発光波長が互いに異なる２種類以上の赤色蛍光体からなることが好ましい。赤色領域において供給できる波長の範囲がより広くなり、さらに多種類の光合成色素の吸収波長をカバーできるからである。２種類以上の赤色蛍光体は、例えば、一般式（Ａ）において、ＭＩＶのＭｇ、ＣａおよびＳｒの各原子組成比を変えることによって実現することができる。Ｃａに対するＳｒの原子組成比を上げると短波長側にシフトし、Ｃａに対するＭｇの原子組成比を上げると長波長側にシフトする。また、２種類以上の赤色蛍光体は、一般式（Ａ）において、ＭＩＶに対するＥｕの原子組成比を変えることによっても実現することができる。ＭＩＶに対するＥｕの原子組成比を上げると長波長側にシフトする。
２種類以上の赤色蛍光体は、上記一般式（Ａ）で表される２価のユーロピウム付活窒化物蛍光体であって、ＭＩＶのＭｇ、ＣａおよびＳｒの各原子組成比が互いに異なることが好ましい。また、上記２種類以上の赤色蛍光体は、上記一般式（Ａ）で表される２価のユーロピウム付活窒化物蛍光体であって、ＭＩＶに対するＥｕの原子組成比が互いに異なることが好ましい。
また、フィトクロムの７３０ｎｍの吸収ピークに対応する蛍光体として、Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２：Ｃｒ蛍光体をさらに付加してもよい。Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２：Ｃｒは、半導体発光素子の光の波長（青色領域）をよく吸収して励起し、近赤外光(７３０ｎｍ付近にピークを有する)を発光する。
２種類以上の赤色蛍光体は樹脂に同時に混ぜ合わせてもよいし、２種類以上の赤色蛍光体をＬＥＤ素子側から順に別々に混ぜ合わせてもよい。
（緑色発光体）
第１実施形態に係る植物育成用照明装置は、５００ｎｍより長く６００ｎｍ未満の波長を有する緑色光を発する緑色発光体をさらに具備することが好ましい。
光合成を引き起こすためのフォトンの能力を示す相対量子効率（ＲＱＥ：relative quantum efficiency）と波長との関係を図６に示す。図６からわかるように、緑色領域（５００〜６００ｎｍ）におけるＲＱＥは高く、光合成に関与すると考えられる。現に、青色領域および赤色領域の光が届きにくい葉の裏側では、緑色領域の光も光合成に利用していることが知られている。したがって、本実施形態の照明装置が緑色蛍光体をさらに具備している場合には、葉全体の光合成を促進することができ、さらに効率的に植物を育成することが可能となる。また、緑色領域の光は、人体の視感度特性に優れるため、作業性の向上も期待できる。
緑色発光体としては、５００ｎｍより長く６００ｎｍ未満の緑色光を発するＬＥＤ、蛍光体等が挙げられる。緑色発光体はピーク発光波長が互いに異なる２種類以上の緑色発光体からなってもよく、２種類以上の緑色発光体はＬＥＤと蛍光体との組み合わせでもよい。また、緑色光を発するＬＥＤは、第１〜第３ＬＥＤ素子１〜３とは別の電源により駆動させてもよいし、第１〜第３ＬＥＤ素子１〜３と直列または並列に接続してもよい。
第１実施形態に係る植物育成用照明装置はまた、第１〜第３ＬＥＤ素子１〜３の少なくとも１つの光により励起して４８０〜６００ｎｍにピーク発光波長を有した緑色蛍光体を具備することが好ましい。緑色蛍光体の発光はブロードであり、緑色領域広範囲の波長を照射することができるからである。光合成に関与する波長は上述のとおり緑色領域全体にもわたっている。そのため、第１実施形態に係る植物育成用照明装置は、効率的に植物を育成することが可能となる。
このような緑色蛍光体としては、（Ｌｕ１−ｘＣｅｘ）３Ａｌ５Ｏ１３（０．００１≦ｘ≦０．０５）が好ましい。この緑色蛍光体の半値幅は約１００ｎｍと広いため、緑色領域において供給できる波長の範囲がより広くなるからである。そのため、より多種類の光合成色素の吸収波長をカバーすることができる。したがって、より効率的に植物を育成することが可能となる。
また、緑色蛍光体はピーク発光波長が互いに異なる２種類以上の緑色蛍光体からなってもよい。また、緑色蛍光体は発光スペクトルが互いに異なる２種類以上の緑色蛍光体からなってもよい。
２種類以上の緑色蛍光体は樹脂に同時に混ぜ合わせてもよいし、２種類以上の緑色蛍光体をＬＥＤ素子側から順に別々に混ぜ合わせてもよい。また、緑色蛍光体は赤色蛍光体１２と同時に混ぜ合わせてもよいし、ＬＥＤ素子側から順に別々に混ぜ合わせてもよい。
（照射例）
第１実施形態に係る植物育成用照明装置は、例えば、図３に示すように、天板１５に取り付けられ、アルミフレーム１７で覆われた状態で、鉢１９中の土２０に植えられている任意の植物１８に向けて光を照射することができる。これにより植物の生育（発芽、開花などを含む）を促進することができる。なお、図３のような植物１８に限らず、水中で生育する植物または藻類に照射して、育成を促進することもできる。
なお、各種類のＬＥＤ素子ごとに個別の電源回路を用意し、種類ごとに独立に制御することによって、スペクトルを自在に操ることもできる。これにより植物の種類または生育段階に応じてより好ましい波長の光を供給することができる。
〔第２実施形態〕
本発明に係る植物育成用照明装置の他の実施形態（第２実施形態）について、図７を参照しつつ説明する。図７は、本発明の第２実施形態に係る植物育成用照明装置を示す図である。
上述の第１実施形態では、第１〜第３ＬＥＤ素子１〜３が複数列直列に接続され、且つ、複数列並列に接続されており、それを全体的に１つの封止樹脂（蛍光体含有封止樹脂）で封止した構造である。これに対して、第２実施形態に係る植物育成用照明装置は、図７に示すように、基板８上に、ＬＥＤ素子ごとに封止樹脂で封止した構造となっており、封止したパッケージが６つほど配線４によって直列に接続され、且つ、その列が４列ほど並列に接続された構成となっており、配線４は電源１４に接続されている。また、各ＬＥＤ素子を封止する封止樹脂は、第１実施形態の樹脂と同様に、少なくとも赤色蛍光体１２が混ぜ合わされた蛍光体含有封止樹脂１３である。
各ＬＥＤ素子１〜３の材料は第１実施形態と同様である。第２実施形態に係る植物育成用照明装置は、第１実施形態と同様に、直列接続されたＬＥＤ素子の合計の順方向電圧が、並列されたＬＥＤ素子群同士でそろっている。そのため、各列の電流値をばらつかせることなく駆動でき、場所による色味（波長）の違いを小さくすることができる。
赤色蛍光体１２の材料は第１実施形態と同様である。赤色蛍光体１２が２種類以上からなる場合、各ＬＥＤ素子を封止する蛍光体含有封止樹脂１３に全種類の赤色蛍光体１２が混ぜ合わされている必要はない。例えば、ＬＥＤ素子１の光をよく吸収する赤色蛍光体１２をＬＥＤ素子１のみに設け、ＬＥＤ素子２の光をよく吸収する赤色蛍光体１２をＬＥＤ素子２のみに設けるような形態でもよい。この場合、効率よく赤色蛍光体を励起することができる。
本実施形態においても、緑色発光体を含んでよい。緑色発光体については、第１実施形態と同様である。
〔第３実施形態〕
本発明に係る植物育成用照明装置の他の実施形態（第３実施形態）について、図８を参照しつつ説明する。図８は、本発明の第３実施形態に係る植物育成用照明装置（青色光照明装置）における、青色発光領域を構成するＬＥＤ群の配置の一例を示す図である。
上述の第１実施形態では、３種類の青色ＬＥＤ素子（第１〜第３ＬＥＤ素子）を用いている。これに対して、第３実施形態では、クロロフィルのピーク吸収波長だけに合わせて４３０ｎｍ、４５０ｎｍにピーク発光波長をもつ２種類のＬＥＤ素子（半導体発光素子）から青色発光領域を構成するＬＥＤ群を構成している。
そして、第１ＬＥＤ素子１および第２ＬＥＤ素子２は配線４によって直列に接続されている。さらにそのＬＥＤ素子群が７つ並列に接続されている。ここで、本実施形態では、図８に示すように、ピーク発光波長が同じＬＥＤ素子が互いに隣り合わないように網目状に配置されている。つまり、各ＬＥＤ素子群において、ＬＥＤ素子１とＬＥＤ素子２とが交互に直列に接続され、さらに各ＬＥＤ素子群はＬＥＤ素子１とＬＥＤ素子２とが隣り合わないように並列に接続されている。したがって、第３実施形態に係る植物育成用照明装置は、均一に合成された青色光を植物に供給することができる。
本実施形態では、２種類のＬＥＤ素子を具備しているが、３種類以上のＬＥＤ素子を具備して、それらが互いに隣り合わない配置としてもよい。当該配置パターンは多数あるが、具備している全種類のＬＥＤ素子が全体に均等に配置されていることが好ましい。例えば、３種類のＬＥＤ素子（ＬＥＤ素子１〜３）がある場合において、あるＬＥＤ素子群ではＬＥＤ素子１、２、３の順番に繰り返し並べられ、その隣のＬＥＤ素子群ではＬＥＤ素子２、３、１の順番に繰り返し並べられ、さらにその隣のＬＥＤ素子群ではＬＥＤ素子３、１、２の順番に繰り返し並べられ、さらにその隣のＬＥＤ素子群ではまたＬＥＤ素子１、２、３の順番に繰り返し並べられ、同じように順に並列させることによって、３種類のＬＥＤ素子１〜３が全体に均等に配置することができる。
なお、本実施形態においても、赤色蛍光体および緑色発光体については、第１実施形態および第２実施形態と同様に適用することができる。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
以下に、本発明の植物育成用照明装置の一実施例を説明する。本実施例では、図８に示す構成の一実施例を説明する。
本実施例の植物育成用照明装置は、４３０ｎｍにピーク発光波長を有するＬＥＤチップと、４５０ｎｍにピーク発光波長を有するＬＥＤチップとをそれぞれ複数個準備し、図８のように１つのセラミック基板上に網目状に当該ＬＥＤチップを配列して、それぞれをシリコン樹脂によりペーストして青色発光領域の構成を作製した。
その後、ＬＥＤチップからの発光の光量子束と、赤色蛍光体からの発光の光量子束とが１：１になるように赤色蛍光体の量を調節し、シリコン樹脂を混ぜ合わせ、ＬＥＤチップを封止して、２波長ＬＥＤの照明装置を作成した（実施例）。
比較対象として、実施例の構成のうち、４３０ｎｍのＬＥＤチップを４５０ｎｍに置き換えた構成の１波長ＬＥＤの照明装置を作成した（比較例）。
実施例および比較例の発光スペクトルを分光放射計（大塚電子株式会社、LE3x00シリーズ）によりそれぞれ測定した。その結果を図９に示す。図９は、各波長の光放射束に相当するスペクトルを表す。
この各スペクトルに対するクロロフィルへの影響を評価するために、クロロフィル吸光係数と各波長の光放射束とを掛け合わせ、積分強度を比較した。その結果を図１０に示す。吸光係数×光放射束の積分値は、２波長ＬＥＤ（実施例）では３０８７９７であり、１波長ＬＥＤ（比較例）では２９８５０４であり、約１００００の改善が見られた。したがって、４３０ｎｍおよび４５０ｎｍにピーク発光波長を有する２波長ＬＥＤ・赤色蛍光体（実施例）の照明装置の方がクロロフィルを活性化させ、植物の生育を促進すると考えられる。
本発明の植物育成用照明装置により、効率的かつ低消費電力で植物を育成することが可能となる。また、医療の分野で応用することも可能である。例えば、クロロフィルは癌細胞に吸着しやすいため、光で励起して一重項酸素分子を作らせることで癌細胞を選択的に破壊する方法が知られている。この際、本発明の植物育成用照明装置を用いれば、クロロフィルをより効率的に励起させることができる。
１ ＬＥＤ素子（半導体発光素子）
２ ＬＥＤ素子（半導体発光素子）
３ ＬＥＤ素子（半導体発光素子）
４ 配線
５ 金
６ カソード電極
７ アノード電極
８ 基板
９ パッド電極（カソード）
１０ パッド電極（アノード）
１１ 封止樹脂
１２ 赤色蛍光体
１３ 蛍光体含有封止樹脂
１４ 電源
１５ 天板
１６ ＬＥＤパッケージ
１７ アルミフレーム
１８ 植物
１９ 鉢
２０ 土

Claims (13)

  1. ３８０〜５００ｎｍにピーク発光波長を有し、且つピーク発光波長が互いに５ｎｍ以上異なる２種類以上の半導体発光素子と、
    少なくとも１種類の上記半導体発光素子の光により励起して６００〜７８０ｎｍにピーク発光波長を有した赤色蛍光体と、
    を具備することを特徴とする植物育成用照明装置。
  2. 上記２種類以上の半導体発光素子は、クロロフィルａの吸収スペクトルのソーレー帯でのピーク値、ならびに、クロロフィルｂおよびクロロフィルｃのうちの少なくとも一方の吸収スペクトルのソーレー帯でのピーク値に対して、それぞれ±４０ｎｍ以内にピーク波長を有することを特徴とする請求項１に記載の植物育成用照明装置。
  3. 上記赤色蛍光体は、ピーク発光波長が互いに異なる２種類以上の赤色蛍光体からなることを特徴とする請求項１または２に記載の植物育成用照明装置。
  4. 上記赤色蛍光体は、一般式（Ａ）：（ＭＩＶ１−ＣＥｕＣ）ＭＶＳｉＮ３
    （一般式（Ａ）中、ＭＩＶはＭｇ、Ｃａ、ＳｒおよびＢａから選ばれる少なくとも１種の元素を表し、ＭＶはＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、ＧｄおよびＬｕから選ばれる少なくとも１種の元素を表し、０．００１≦ｃ≦０．1５である）
    で表される２価のユーロピウム付活窒化物蛍光体からなることを特徴とする請求項１から３までの何れか１項に記載の植物育成用照明装置。
  5. 上記赤色蛍光体は、ピーク発光波長が互いに異なる２種類以上の赤色蛍光体からなり、
    上記２種類以上の赤色蛍光体は、上記一般式（Ａ）で表される２価のユーロピウム付活窒化物蛍光体であって、ＭＩＶのＭｇ、ＣａおよびＳｒの各原子組成比が互いに異なることを特徴とする請求項４に記載の植物育成用照明装置。
  6. 上記赤色蛍光体は、ピーク発光波長が互いに異なる２種類以上の赤色蛍光体からなり、
    上記２種類以上の赤色蛍光体は、上記一般式（Ａ）で表される２価のユーロピウム付活窒化物蛍光体であって、ＭＩＶに対するＥｕの原子組成比が互いに異なることを特徴とする請求項４に記載の植物育成用照明装置。
  7. ５００ｎｍより長く６００ｎｍ未満の緑色光を発する緑色発光体をさらに具備することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の植物育成用照明装置。
  8. 少なくとも１種類の上記半導体発光素子の光により励起して４８０〜６００ｎｍにピーク発光波長を有した緑色蛍光体をさらに具備することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の植物育成用照明装置。
  9. 上記緑色蛍光体は、（Ｌｕ１−ｘＣｅｘ）３Ａｌ５Ｏ１３（０．００１≦ｘ≦０．０５）であることを特徴とする請求項８に記載の植物育成用照明装置。
  10. 複数の上記半導体発光素子が直列に接続された半導体発光素子群が、２以上並列に接続されて構成されており、
    且つ、並列に接続された各半導体発光素子群における、各種類の半導体発光素子の個数が半導体発光素子群同士で同一であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の植物育成用照明装置。
  11. 上記２種類以上の半導体発光素子において、ピーク発光波長が同じ半導体発光素子が互いに隣り合わないように配置されていることを特徴する請求項１〜１０のいずれか１項に記載の植物育成用照明装置。
  12. 上記半導体発光素子は窒化物半導体からなることを特徴する請求項１〜１１のいずれか１項に記載の植物育成用照明装置。
  13. 光合成色素の吸収波長である３８０〜５００ｎｍにピーク発光波長を有し、且つピーク発光波長が互いに５ｎｍ以上異なる２種類以上の半導体発光素子を具備することを特徴とする青色光照明装置。
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