JP2016077264A

JP2016077264A - 植物栽培装置

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Publication number: JP2016077264A
Application number: JP2014215139A
Authority: JP
Inventors: 智前田; Satoshi Maeda; 鈴木　宏一; Koichi Suzuki; 宏一鈴木; 善四郎岡井; Zenshiro Okai
Original assignee: TAIYO DENSHI KK
Current assignee: TAIYO DENSHI KK
Priority date: 2014-10-22
Filing date: 2014-10-22
Publication date: 2016-05-16

Abstract

【課題】本発明は、植物に対して簡単な構成で人工光源により効率的に光を照射することができる植物栽培装置を提供することを目的とするものである。【解決手段】植物栽培装置は、培地物質Ｍの上方に照射部３を備えており、照射部３は、レーザ光源を備えた光源３０と、光源３０から入射したレーザ光をライン状に拡げてレーザライン光を出射する光学部材３１と、光学部材３１から入射したレーザライン光を反射させる反射部材３２と、反射部材３２の反射面を変動させて反射されたレーザライン光が照射領域を走査して間欠的に照射するように動作させる駆動部とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、室内において植物に人工光源からの光を照射して栽培する植物栽培装置に関する。

近年、安全及び安心な食物への関心の高まりに伴い、農薬を使用せずに農作物等の植物の栽培を室内で行う植物工場が注目されてきている。植物工場では、人工光源を用いて植物に光を照射するとともに肥料を必要に応じて投与し、栽培室内の温度及び湿度等を制御して植物の生育に最適な環境を人工的に実現することで、害虫の影響を受けず天候にも左右されることなく安定した品質の植物を生育することができるようになる。

こうした植物栽培装置としては、例えば、特許文献１では、発光ダイオード等の人工光源を用いて植物に間欠的に光を照射する点が記載されており、間欠的に光を照射するために反射鏡を用いた例が記載されている。また、特許文献２では、植物育成用照射装置として、透明部材の端面から半導体レーザからなる光源の光を入射して照射するようにした点が記載されている。また、特許文献３では、光源２で生成されたコリメート光をマイクロミラーで１次元走査し、１次元走査された光を回転多面鏡により所望の方向に隙間なく連続的に走査させる照明装置が記載されている。

特開２００５−１７６７９８号公報特開２００７−２５９７９６号公報特開２００２−０６２４９８号公報

植物に対して人工光源を用いて光を照射する場合、自然光に比べて安定して光を照射できるものの、人工光源を発光させるのに必要な消費電力が発生するため、そのコスト負担が課題となっている。上述した特許文献１及び２では、人工光源として複数の発光ダイオードや半導体レーザを用いているため、消費電力が大きくなってコスト負担が増加するようになる。また、複数の光源を用いて照射する場合、各光源の照射領域が重複すると照射領域の光量分布が不均一となって、植物の生育にムラが生じるようになる。

特許文献３では、１つの光源を用いて照射領域全体に光を照射するようにしているが、マイクロミラー及び回転多面鏡を用いているので、その駆動のための消費電力がかかるようになり、さらにマイクロミラー及び回転多面鏡による複雑な走査制御が必要となって装置コスト及び維持コストの負担が増加する。

そこで、本発明は、植物に対して簡単な構成で人工光源により効率的に光を照射することができる植物栽培装置を提供することを目的とするものである。

本発明に係る植物栽培装置は、植物体が栽培される培地物質と、前記培地物質の表面に設定された所定の照射領域に上方から光を照射する照射部と、前記照射部を制御する制御部とを備えている植物栽培装置において、前記照射部は、レーザ光源を備えた光源と、前記光源から入射したレーザ光をライン状に拡げてレーザライン光を出射する光学部材と、前記光学部材から入射したレーザライン光を反射させる反射部材と、前記反射部材の反射面を変動させて反射されたレーザライン光が前記照射領域を走査して間欠的に照射するように動作させる駆動部とを備えており、前記制御部は、前記光源の発光制御及び前記駆動部の駆動制御を行って前記照射領域全体を照射するように制御する。さらに、前記光源は、前記レーザ光源として半導体レーザを備えており、前記光学部材は、円筒レンズからなり、前記反射部材は、表面に複数の前記反射面が形成された角柱形状に形成されている。さらに、前記駆動部は、前記反射部材を回転駆動して前記反射面を回動させることで前記レーザライン光が反射されて前記照射領域を走査するように間欠的に照射する。

本発明は、上記のような構成を備えることで、レーザ光源からレーザ光を光学部材に入射してライン状のレーザライン光を出射し、レーザライン光を反射させて照射領域を走査するようにしているので、レーザライン光が照射される走査ラインでは同時に光が照射するようになり、走査ライン毎に正確に光を間欠的に照射することができる。そのため、簡単な構成で植物の光合成に対応して効率的に光を照射することが可能となる。

本発明に係る実施形態に関する概略構成図である。照射部に関する概略構成図である。別の照射部に関する概略構成図である。さらに別の照射部に関する概略構成図である。制御部に関する概略ブロック構成図である。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて詳しく説明する。図１は、本発明に係る実施形態に関する概略構成図である。植物栽培装置は、食用又は観賞用の植物体Ｐを収容して栽培するための筺体１を備えている。植物体Ｐは、電気的に絶縁性の材料からなる筺体１内の下部に収容された培地物質Ｍに植栽されて成長するようになっている。培地物質Ｍは、水を含み植物体Ｐが根を張って持続的に成長可能な物質であればよく、例えば、培地物質として養分を含む土又は水を用いれば、公知の土耕栽培又は水耕栽培を行うことができる。培地物質Ｍに対しては、図示せぬ供給手段により水や養分が必要に応じて供給されるようになっている。

培地物質Ｍには電極体２が接触して電気的に導通状態となるように設置されている。電極体２は、銅、銀等の金属製材料又はこれらの金属をメッキした電気的に導通性を有する材料からなる。導通材料として銀を用いた場合には、培地物質Ｍの抗菌効果を得ることもできる。

電極体２は、格子状の開口が形成された網状に形成されており、培地物質Ｍの表面全体を覆うように接触して設置される。この例では、筺体１の内周面に設けられた支持突起１０に電極体２の周縁部を保持することで、電極体２を安定した状態で培地物質Ｍの表面に保持することができる。培地物質Ｍとして土を用いる場合には、電極体２を支持突起１０に設置した状態で土を筺体１内に投入して土の表面が電極体２の上面と同じレベルとなるように均せば、電極体２を培地物質Ｍに確実に接触させて導通状態に設定することができる。また、水耕栽培の場合には、植物体Ｐを保持するボードの下面に電極体２を張り付けておくことで培地物質Ｍである水に確実に接触させて導通状態に設定することができる。そして、水を含む培地物質Ｍに接触するように設置された電極体２は、水を介して培地物質Ｍと電気的に導通した状態に設定される。

筺体１内の上面には、照射部３が取り付けられている。照射部３は、レーザ光源を備えた光源３０と、光源３０から入射したレーザ光をライン状に拡げてレーザライン光を出射する光学部材３１と、入射したレーザライン光を反射させる反射部材３２と、反射部材３２の反射面を変動させて反射されたレーザライン光が培地物質Ｍの表面に設定された照射領域を走査して間欠的に照射するように動作させる駆動部３３とを備えている。

光源３０に使用するレーザ光源としては、半導体レーザ（Laser Diode；以下「ＬＤ」と略称する）が好適である。ＬＤは、赤色、青色、緑色、黄色、白色といった可視光を発光するものや近赤外線、紫外線といった可視光以外の光を発光するものが挙げられ、多くの異なる波長のＬＤが実用化されており、照射する植物体に合わせて選択することができる。植物の成長に作用する光の波長は、一般に６５０ｎｍ〜６７０ｎｍが有効であると言われており、光源としてＬＤを用いることで、低消費電力で有効な波長に対応した光を照射することができる。また、１つのＬＤから出力されるレーザ光をレーザライン光に拡げて走査することで、照射領域全体を照射することが可能となり、部品コストを軽減することができる。そして、ＬＤのレーザ出力を１Ｗ以上に設定することで、十分な光量を照射領域全体に照射することができる。また、レーザ光を複数のＬＤからのレーザ光で構成してもよく、例えば、照射領域を区分した部分領域にそれぞれレーザ光を同時に照射することもできる。

光学部材３１は、光源３０から入射したレーザ光をライン状に拡げてレーザライン光を出射する。この例では、断面円形の透明なガラス棒からなる円筒レンズを用いている。円筒レンズの中心軸に対して直交する方向からレーザ光を入射することで、中心軸に対して直交する方向にライン状に拡がるレーザライン光を出射するようになる。図２は、照射部３に関する概略構成図である。円筒レンズからなる光学部材３１を中心軸が鉛直方向に沿うように配置し、水平方向に沿ってレーザ光Ｌ１を入射することで、水平方向にライン状に拡がるレーザライン光Ｌ２を出射することができる。

光学部材３１としては、レーザライン光を出射可能であれば、円筒レンズ以外の光学部品を用いることも可能で、例えば、図３は、シリンドリカルレンズ３１’のような光学部品を用いた別の照射部に関する概略構成図である。シリンドリカルレンズ３１’の場合には、平面に形成された表面にレーザ光を入射することで、曲面に形成された表面からレーザライン光が出射するようになる。

光学部材３１に用いる材料としては、レーザ光の照射により生じる熱に対する耐熱性を備えるとともに光透過性の高い材料が好ましく、例えば、光透過性の高いガラス材料を用いるとよい。また、光学部材３１の入射側の表面に反射防止膜を形成して、レーザ光の反射を抑えて透過率を高めるようにすることもできる。

光学部材３１から出射されるレーザライン光は、全体として光量分布ができるだけ均一化していることが望ましい。そのため、必要に応じて出射側の表面に光透過率を調整するコーティング膜を形成することもできる。

反射部材３２は、光学部材３１から出射されたレーザライン光Ｌ２を反射させて、反射光Ｌ３を培地物質Ｍの表面に照射させる。そして、駆動部３３により反射部材３２の反射面を変動させて反射光Ｌ３が所定の照射領域を走査するように動作させる。この例では、反射部材３２は、断面が正六角形の角柱形状に形成されており、側面に６枚の矩形状の反射面が形成されている。なお、断面が正三角形や正方形の角柱形状に形成されていてもよく、複数の反射面が形成された角柱形状であればよい。

反射部材３２は、モータ等からなる駆動部３３により中心軸を中心に回転動作するようになっており、回転動作により反射面が回動するようになる。レーザライン光Ｌ２は、ラインの方向が反射部材３２の中心軸とほぼ平行となるように設定されており、反射面に入射したレーザライン光Ｌ２は、照射領域の方向に向かって反射されるようになる。そして、反射部材３２の回転によりレーザライン光Ｌ２の入射する反射面が回動して反射角度が連続的に変化するようになり、反射光Ｌ３は、反射部材３２の中心軸と直交する方向に走査される。そのため、図２に示す矩形状の照射領域Ｒ全体に反射光Ｌ３が満遍なく照射されるようになる。１つの反射面の回動により反射光Ｌ３が照射領域Ｒ全体を走査した後次の反射面が回動してレーザライン光Ｌ２を反射させて走査するようになり、反射部材３２の一方向の回転動作により反射光Ｌ３が照射領域Ｒを走査して培地物質Ｍの表面に光が間欠的に照射されるようになる。

反射部材３２としては、反射面を変動させてレーザライン光を走査することができる反射部品であればよく、例えば、板状体の反射部材を用いることもできる。図４は、板状体の反射部材を用いたさらに別の照射部に関する概略構成図である。板状体の反射部材３２’は、片面に形成された反射面を回動するように往復揺動動作させて、レーザライン光を反射させて走査させることもできる。こうした反射面の往復揺動動作は、図２に示す反射部材３２の１つの反射面を用いて往復揺動動作させて光照射することもできる。

反射部材３２としては、レーザライン光の照射により発生する熱に対する耐熱性を備えた材料を用いることが好ましく、例えば、アルミニウム等の金属材料を成形加工して表面を鏡面研磨することで、反射部材として使用することができる。アルミニウム等の金属材料を用いることで、表面の反射率が劣化した場合でも表面を研磨して再利用することが可能となり、また高出力のレーザ光に対しても十分な耐久性を備えることができる。

照射部３は、制御部８の本体制御部８０に接続されており、後述するように、本体制御部８０より光源３０の発光強度が制御されるとともに駆動部３３の駆動制御が行われて、植物体Ｐに照射される光量が調整される。

また、本体制御部８０は、電極体２にも接続されており、後述するように、電極体２に負電圧を印加して負電位状態にする。筺体１内の培地物質Ｍには、水分検知用電極体６が挿し込まれており、水分検知用電極体６も本体制御部８０に接続されている。水分検知用電極体６は、培地物質Ｍと接触していればよく、板状、棒状又は針状に形成して培地物質Ｍに挿し込むようにすればよい。また、水分検知用電極体６を電極体２の設置位置近傍に配置することで、電極体２と培地物質Ｍとの間の導通状態を併せて検知することができる。

さらに、電極体２を水分検知用に用いることもできる。例えば、水分検知用の電極体を筺体１内の底面に設置して電極体２に対向配置しておき、電極体２と水分検知用の電極体との間の導通状態をチェックすることで、培地物質Ｍ内の水分の有無や分布状態を検知するとともに電極体２が培地物質Ｍとの間で電気的に導通状態となっているかチェックすることができる。この場合、培地物質Ｍの底面及び表面に電極体が配置されているので、培地物質Ｍ内の水分の分布状態に応じて電極体の間に３次元的に流れる電流の変化を把握しやすくなり、培地物質Ｍ内の水分の状態を検知することもできる。

筺体１内の側面には、気温調整部４及び湿度調整部５が取り付けられている。気温調整部４は、気温制御部８１により制御される。気温制御部８１は、筺体１内の側面に取り付けられて筺体１内の空気の温度を検知する気温検知センサ４０からの検知信号に基づいて気温調整部４を駆動して筺体１内の気温を設定温度に維持するように制御する。気温調整部４としては、ペルチェ素子等を用いた駆動機構が挙げられる。

湿度調整部５は、湿度制御部８２により制御される。湿度制御部８２は、筺体１内の側面に取り付けられた湿度検知センサ５０からの検知信号に基づいて湿度調整部５を駆動して筺体１内の湿度を設定湿度に維持するように制御する。湿度調整部５としては、加湿器及び除湿器を組み合せて用いればよい。

植物栽培装置は、筺体１内の培地物質Ｍに水を供給するポンプ７、ポンプ７から供給される水を筺体１内に送給する供給管に設けられたヒータ７０を備えており、筺体１内の底部には培地物質Ｍの温度を検知する培地温度検知センサ７１が取り付けられている。

本体制御部８０は、電極体２と水分検知用電極体６との間の導通状態に基づいて水が基準量よりも少なくなった場合にはポンプ７を駆動制御して筺体１内の培地物質Ｍに水を供給するように制御する。また、培地温度検知センサ７１からの検知信号に基づいて培地温度が基準温度よりも低くなった場合には、ヒータ７０を加熱制御して供給する水を加熱して培地温度を上昇させるように制御する。

図５は、本体制御部８０に関する概略ブロック構成図である。本体制御部８０は、駆動制御部８０１及び電源供給部８０２を備えており、駆動制御部８０１は、マイコン等の情報処理装置を用いて外部からの検知信号や設定情報に基づいて駆動制御を行う。電源供給部８０２は、電源８０３に接続されており、駆動制御部８０１からの制御信号に基づいて電極体２及び照射部３の光源３０に電源を供給する。

駆動制御部８０１は、光源３０に供給する電流を制御して光量調整を行うとともに駆動部３３の駆動制御を行う照射制御回路８０１ａ、電極体２に印加する負電圧を制御して植物体の負電位状態を調整する負電位制御回路８０１ｂ、筺体１内の水分状態に応じてポンプ７を駆動制御するとともに供給する水の加熱制御を行う水供給制御回路８０１ｃを備えている。

電源供給部８０２は、電源８０３から供給される電流又は電圧を整流する整流回路８０２ａ、整流回路８０２ａから供給された電圧に基づいて４倍電圧といった高電圧の負電圧（−４００Ｖ〜−１００Ｖ）にして電極体２に印加する高電圧回路８０２ｂ、整流回路８０２ａから供給された電圧に基づいて駆動制御部８０１に一定電圧を供給する定電圧回路８０２ｃ、定電圧回路８０２ｃから供給される一定電圧に基づいて一定電流を光源３０に供給する定電流回路８０２ｄを備えている。

照射制御回路８０１ａは、定電流回路８０２ｄを制御して光源３０に入力される電流を調整して発光制御して光量調整を行う。例えば、リニアに電流値を調整して光量調整したり、パルス状の電流を印加しそのデューティ比を変化させて光量調整を行う。また、照射制御回路８０１ａは、駆動部３３の駆動制御を行って反射部材３２の反射面を変動させることで、レーザライン光を反射させて走査制御を行う。

植物の光合成は、光化学反応及び炭酸固定反応からなっており、光化学反応は、物質が光を受けて化学反応を起こす現象で、一般には、色素分子が光エネルギーを吸収し、励起された電子が飛び出して物質の酸化還元反応を引き起こす現象である。また、炭酸固定反応は、生物が炭酸を有機化合物の一部に変換する現象である。光化学反応の反応時間は１０ナノ秒であり、炭酸固定反応の反応時間は１ミリ秒〜１００ミリ秒であることが知られている。光化学反応には光の照射が必要となるが、炭酸固定反応には光の照射は不要となるため、光化学反応に合わせて光を照射することで効率的な光照射を行うことができる。具体的には、光を２０００Ｈｚ〜３０００Ｈｚの周波数で間欠的に照射することで、効率的な光照射を行うことが可能となるが、レーザ光源を備えた光源３０を用いて反射部材３２による走査制御を行うことで、こうしたレーザ光の間欠的な照射制御を正確かつ容易に行うことができる。すなわち、レーザ光を光学部材３１に入射してライン状のレーザライン光を出射し、レーザライン光を反射させて照射領域を走査するようにしているので、レーザライン光が照射される走査ラインでは同時に光が照射するようになり、走査ライン毎に正確に光を間欠的に照射することができる。

そのため、上述した植物の光合成のリズムに同期するように光の間欠的な照射を行うことができ、反射部材の反射面からの照射距離及び照射範囲に合わせた照射制御を容易に行うことが可能となる。例えば、照射領域の範囲が走査方向に拡がった場合又は反射面からの照射距離が長くなった場合でも、反射面の形状等を変更することなく照射領域に対応して間欠的な光照射を行うことができる。また、照射領域における必要な光量に応じて反射面の変動動作を制御することで、きめ細かく照射制御を行うことが可能となる。例えば、図２に示す例では、照射領域の範囲が走査方向に拡がった場合には、反射部材の一方向への回動動作から１つの反射面の周期的な往復揺動動作に切り換えることで、照射する光量を容易に増加させることができる。こうした照射制御を行うことで、照射部の光源、光学部材及び反射部材に小型で共通の光学部品を用いて、様々な植物栽培装置のサイズ、照射距離及び照射範囲に対応することができる。

上述した断面六角形の角柱状の反射部材を用いた場合、断面六角形の一辺の長さを２０ｍｍとすると、回転数を２５００回／分に設定して回転駆動することで、光化学反応に合わせた周波数の光を照射領域全体に容易に照射することができる。この例では、反射部材を培地表面の１ｍ上方に配置し、反射部材の回転軸方向に沿う辺の長さが１ｍで回転軸方向に直交する方向の辺の長さが３ｍの矩形状の照射領域に照射した場合、照射領域全体に２５００Ｈｚのパルス状の光を照射することが確認できた。また、照射領域の中央部及び走査方向の両端部において照射される光量を比較したところ、両端部では中央部の９０％の光量で照射されており、植物体の光合成に影響を与えない程度に照射領域全体に光が満遍なく照射されていることが確認できた。

照射領域は、反射部材の回転軸方向の長さ及び反射面の形状を変更することで、様々なサイズに設定することが可能で、例えば、矩形状の栽培棚で植物を栽培する場合において、栽培棚のサイズに合わせて照射領域を設定することもできる。

負電位制御回路８０１ｂは、水分検知用電極体６の導通状態を検知する水分検知回路８０４からの検知信号に基づいて電極体２に印加する負電圧を制御する。例えば、水分検知回路８０４が水分が無いことを検知した場合には、高電圧回路８０２ｂから電極体２に負電圧が印加されないように制御する。また、水分検知回路８０４の検知信号は照射制御回路８０１ａにも入力されて水分が検知されない場合には、光源３０をオフにするとともに駆動部３３の駆動を停止するように制御する。

そして、水分検知回路８０４の検知信号は水供給制御回路８０１ｃにも入力されて水分が検知されない場合には、ポンプ７が駆動開始され筺体１内に水が供給されるようになる。供給された水が培地物質Ｍ内を行き渡って水分検知用電極体６の周囲に水が到達すると、水分検知回路８０４が水分があることを検知するようになり、照射制御回路８０１ａが光源３０をオンするとともに駆動部３３を駆動して照射制御し、負電位制御回路８０１ｂが電極体２に負電圧を印加するように制御する。

また、培地温度検知センサ７１からの検知信号により培地温度を検知する培地温度検知回路８０５から送信される培地温度データが水供給制御回路８０１ｃに入力されて、培地温度が低い場合にはヒータ７０の加熱制御が行われるようになる。

電源８０３としては、商用の交流電源を使用してもよいが、バッテリ、太陽電池等の直流電源を使用することもできる。また、太陽光発電、太陽熱発電、風力発電、振動発電等の環境負荷の少ない電気エネルギーをバッテリに蓄電して電源として使用してもよい。

以上説明したように、植物体に対する光照射をレーザ光源を備えた光源を用いて簡単な構成で行うことができる。そして、反射部材の反射面の変動制御により植物体の光合成に合わせて正確で効率的な光照射を行うことが可能となる。また、簡単な構成により光照射を行うことができるので、装置コストが大幅に削減されるとともに消費電力を格段に低下させることが可能となる。

本発明は、サラダ菜、わさび、レタス、もやし、かいわれだいこん、いちご、ハーブ類等の食用植物、菊、パンジー等の観賞用植物を栽培する植物栽培装置に好適である。

１・・・筺体、２・・・電極体、３・・・照射部、４・・・温度調整部、５・・・湿度調整部、６・・・水分検知用電極体、７・・・ポンプ、８・・・制御部、３０・・・光源、３１・・・光学部材、３２・・・反射部材、３３・・・駆動部

Claims

植物体が栽培される培地物質と、前記培地物質の表面に設定された所定の照射領域に上方から光を照射する照射部と、前記照射部を制御する制御部とを備えている植物栽培装置において、前記照射部は、レーザ光源を備えた光源と、前記光源から入射したレーザ光をライン状に拡げてレーザライン光を出射する光学部材と、前記光学部材から入射したレーザライン光を反射させる反射部材と、前記反射部材の反射面を変動させて反射されたレーザライン光が前記照射領域を走査して間欠的に照射するように動作させる駆動部とを備えており、前記制御部は、前記光源の発光制御及び前記駆動部の駆動制御を行って前記照射領域全体を照射するように制御する植物栽培装置。
前記光源は、前記レーザ光源として半導体レーザを備えており、前記光学部材は、円筒レンズからなり、前記反射部材は、表面に複数の前記反射面が形成された角柱形状に形成されている請求項１に記載の植物栽培装置。
前記駆動部は、前記反射部材を回転駆動して前記反射面を回動させることで前記レーザライン光が反射されて前記照射領域を走査するように間欠的に照射する請求項１又は２に記載の植物栽培装置。