JP2016189741A - 植物育成用照明装置並びに植物水耕栽培装置および植物水耕栽培方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1発光素子と、前記第1発光素子とは異なる発光ピーク波長を有する第2発光素子とにより構成される発光素子ユニット23が、一方向に沿って並ぶように複数配置されることによって発光素子列が形成され、発光素子ユニット23は、前記一方向に離間して配置された2個の第2発光素子と、2個の第2発光素子の間に配置された1個の第1発光素子とによって構成されている。互いに隣接する発光素子ユニット23の第1発光素子の間の距離は、発光素子列の中央部より端部が短い。発光素子ユニット23における2個の第2発光素子の間の距離は、中央部より端部が短い。
【選択図】図1
Description
具体的に、特許文献1には、発光波長が異なる2種類のLED素子を備え、植物の光合成に有効な波長660nm付近の赤色光と波長450nm付近の青色光とを放射する植物育成用照明装置が開示されている。この植物育成用照明装置においては、矩形状の領域に、2種類のLED素子(具体的には、赤色LED素子と白色LED素子)の多数が縦横に並ぶように配置されている。具体的には、複数の赤色LED素子が一方向に並ぶように配置された赤色LED素子列と、複数の白色LED素子が一方向に並ぶように配置された白色LED素子列とが、素子列を構成する複数のLED素子が並ぶ一方向に垂直な方向(以下、「素子列垂直方向」ともいう。)に沿って交互に等間隔で配列されている。すなわち、素子列垂直方向においては、赤色LED素子と白色LED素子とが、素子列垂直方向に沿って交互に等間隔で配置されている。
また、特許文献2には、発光波長が異なる2種類以上のLED素子(具体的には、例えば赤色LED素子と青色LED素子)を備え、複数のLED素子が一方向に沿って並ぶように等間隔で配置された棒状の植物育成用照明装置が開示されている。この照明装置において、複数のLED素子を直線状に配置する場合には、2種類のLED素子(赤色LED素子と青色LED素子)を交互に配置することが好ましく、そのようにすることにより、植物育成用照明装置の長手方向、すなわち複数のLED素子が並ぶ一方向の輝度分布が均一となるとされている。また、発光波長が異なる2種類以上のLED素子としては、赤色LED素子と青色LED素子との組み合わせに限らず、種々の波長域のLED素子の組み合わせで検証が行われている。
また、特許文献3には、複数のLED素子列が、素子列を構成する複数のLED素子が並ぶ一方向に垂直な方向に沿って配置される際に、前記LED素子列を等間隔に配置、又は端側での前記LED素子列の列数が多くなるよう配置したLED照明装置が開示されている。
具体的に説明すると、植物育成用照明装置の照明領域において、中央部の照度が、LED素子の配列方向における両端部の照度よりも大きくなり、当該配列方向の照度分布に十分な均一性が得られない、という問題がある。このような問題が生じることによれば、植物育成用照明装置を利用して育成した植物個々の育成にむらが発生する。
また、発光波長が異なる2種類のLED素子を交互に配置することによっては、特に発光素子列が長尺な場合に、植物育成用照明装置の照明領域の全域において、植物育成用照射装置からの放射光を、第1発光素子の光合成光量子束密度と第2発光素子の光合成光量子束密度との比が植物を育成するために好ましいとされる比率のものにすることが容易ではない、という問題がある。これらの問題に対して、特許文献1〜特許文献3に記載の照明装置では、発光波長の異なる2種類の発光素子を一方向に交互に配置した際の、各発光素子の照度分布や比率に応じた配置が考慮されていなかった。
また、本発明の他の目的は、広面積の栽培領域においても、植物を高い育成効率で育成することのできる植物水耕栽培装置および植物水耕栽培方法を提供することにある。
前記発光素子ユニットは、前記一方向に離間して配置された2個の第2発光素子と、当該2個の第2発光素子の間に配置された1個の第1発光素子とによって構成されており、
前記発光素子列の少なくとも一方の端部に位置する2個以上の発光素子ユニットにおける、互いに隣接する発光素子ユニットの第1発光素子の間の距離が、当該発光素子列の中央部に位置する2個以上の発光素子ユニットにおける、互いに隣接する発光素子ユニットの第1発光素子の間の距離よりも短く、
前記端部に位置する発光素子ユニットにおける2個の第2発光素子の間の距離が、前記中央部に位置する発光素子ユニットにおける2個の第2発光素子の間の距離より短いことを特徴とする。
従って、本発明の植物育成用照明装置によれば、発光素子列の配列方向における照度の均一性が高い照明領域を形成することができる。その結果、広面積の栽培領域においても、植物を高い育成効率で育成することができる。
従って、本発明の植物水耕栽培方法によれば、広面積の栽培領域においても、植物を高い育成効率で育成することができる。
図1は、本発明の植物育成用照明装置の一実施形態を示す説明用正面図である。
この植物育成用照明装置10は、矩形状の枠体(図示省略)の内部に、第1発光素子としての発光ピーク波長が500nm以下の青色発光素子23Aと、第2発光素子としての発光ピーク波長が600nm以上の赤色発光素子23Bとにより構成される発光素子ユニット23を複数(図の例においては22個であり、そのうちの8個が示されている。)備えたものである。そして、この植物育成用照明装置10においては、複数の発光素子ユニット23が、長尺な矩形状の基板21の一方向、具体的には長手方向に沿って並ぶように配置されている。このように、基板21上には、複数の発光素子ユニット23によって直線状の発光素子列が形成されており、この発光素子列によって発光領域が形成されている。
この図の例において、基板21の全長は、1107mmであり、発光領域の全長、すなわち発光素子列の全長は、1076mmである。
また、複数の発光素子ユニット23は、各々、1個の青色発光素子23Aと2個の赤色発光素子23Bとにより構成されている。これらの発光素子ユニット23において、2個の赤色発光素子23Bは、複数の発光素子ユニット23が並ぶ一方向、すなわち基板21の長手方向に互いに離間して配置されており、これらの2個の赤色発光素子23Bの間には青色発光素子23Aが配置されている。このようにして、基板21上には、個数比(赤色発光素子:青色発光素子)が2:1の割合で複数(図の例では44個であり、そのうちの16個が示されている。)の赤色発光素子23Bと複数(図1の例では22個であり、そのうちの8個が示されている。)の青色発光素子23Aとが、当該基板21の長手方向に並んで配置されている。ここに、図1おいては、青色発光素子23Aおよび赤色発光素子23Bのうちの青色発光素子23Aを斜線のハッチングを付して示している。
この図の例において、44個の赤色発光素子22Bは、11個の赤色発光素子22Bが直列接続された4つの赤色発光素子直列接続ユニットに分けられており、4つの赤色発光素子直列接続ユニットは並列接続された状態で電源に接続された点灯回路(図示省略)に電気的に接続されている。一方、22個の青色発光素子23Aは、11個の青色発光素子23Aが直列接続された2つの青色発光素子直列接続ユニットに分けられており、2つの青色発光素子直列接続ユニットは並列接続された状態で電源に接続された点灯回路(図示省略)に電気的に接続されている。
具体的に説明すると、発光素子列を構成する複数の発光素子ユニット23は、端部Eにおける青色発光素子間距離XEが、中央部Cにおける青色発光素子間距離XCよりも短くなるように配置されている。
この図の例において、2つの端部Eは、同一の構成を有しており、各々、2個の発光素子ユニット23が位置されている。また、2つの端部Eにおける複数の青色発光素子間距離XEは全て同一である。すなわち、2つの端部Eにおいては、全ての青色発光素子が等間隔で配置されている。
一方、中央部Cには、18個の発光素子ユニットが位置されており、そのうちの4個の発光素子ユニット23が図1に示されている。また、中央部Cにおける複数の青色発光素子間距離XCは全て同一である。すなわち、中央部Cにおいては、全ての青色発光素子23Aが等間隔で配置されている。
また、互いに隣接する、中央部Cに位置する発光素子ユニット23と端部Eに位置する発光素子ユニット23とにおける青色発光素子間距離は、端部Eにおける青色発光素子間距離XEよりも長く、かつ中央部Cにおける青色発光素子間距離XCよりも短くなっている。
端部Eにおける発光素子ユニット23の間の距離ZEは、中央部Cにおける発光素子ユニット23の間の距離ZCの84%以下であることが好ましく、より好ましくは81%以下である。
この図の例において、2つの端部Eにおける発光素子ユニット23の間の距離ZEは同一である。また、中央部Cにおける複数の発光素子ユニット23の間の距離ZCは全て同一である。
また、互いに隣接する、中央部Cに位置する発光素子ユニット23と端部Eに位置する発光素子ユニット23との間の距離は、端部Eにおける発光素子ユニット23の間の距離ZEよりも長く、かつ中央部Cにおける発光素子ユニット23の間の距離ZCよりも短くなっている。
具体的には、端部Eに位置する発光素子ユニット23の赤色発光素子間距離YEが、中央部Cに位置する発光素子ユニット23の赤色発光素子間距離YCよりも短くなっている。
この図の例において、端部Eにおける複数の赤色発光素子間距離YEは、中央部C側の赤色発光素子間距離YEが20mmであり、基板21の端縁側の赤色発光素子間距離YEが22mmである。また、中央部Cにおける複数の赤色発光素子間距離YCは全て同一である。
また、各発光素子ユニット23における青色発光素子23Aおよび赤色発光素子23B,23Bは等間隔で配置されている。
この図の例において、青色発光素子23Aとしては、青色LED素子が用いられており、その青色LED素子には、表面を覆うように、透明性樹脂よりなり、光出射面がフラット面のレンズ層(図示省略)が設けられている。
この図の例において、赤色発光素子23Bとしては、赤色LED素子が用いられており、その赤色LED素子には、表面を覆うように、透明性樹脂よりなり、光出射面がフラット面のレンズ層(図示省略)が設けられている。
青色発光素子23Aと赤色発光素子23Bとの光量子束密度が同一であることによれば、植物育成用照明装置10からの放射光が植物を育成するための光として適正なものとなる。
具体的に説明すると、青色発光素子23Aと赤色発光素子23Bとの光量子束密度が同一であることによれば、これらの発光素子の個数比(赤色発光素子:青色発光素子)が2:1であることから、植物育成用照明装置10からの放射光における赤色光の光合成光量子束密度と青色光の光合成光量子束密度との比が2:1となる。
尚、赤色光の光合成光量子束密度と青色光の光合成光量子束密度との比は、植物を育成する上で好ましいとされる範囲があり、具体的な最適比について種々の植物で検証が進められている。一般的には、赤色光の光合成光量子束密度と青色光の光合成光量子束密度との比が3:2〜9:1であることが好ましい。
植物育成用照明装置10においては、端部Eにおける複数の青色発光素子間距離XEが、中央部Cにおける複数の青色発光素子間距離XCよりも短くなるよう配置されており、端部Eにおける複数の赤色発光素子間距離YEが、中央部Cにおける複数の赤色発光素子間距離YCよりも短くなるよう配置されている。そのため、前記制御部を設けることにより、植物育成用照射装置10の照明領域において、端部(端部Eに対応する部分)と中央部(中央部Cに対応する部分)とで照度分布の均一性が得られると共に、当該照明領域の全域において、赤色光の光合成光量子束密度と青色光の光合成光量子束密度との比を、好ましい比率に調整することが容易となる。
従って、植物育成用照明装置10によれば、発光素子列の配列方向における照度の均一性が高い照明領域を形成することができる。その結果、広面積の栽培領域においても、植物を高い育成効率で育成することができる。
具体的に、植物育成用照明装置10は、例えば当該植物育成用照明装置10と植物体との距離を15cm以内に維持した状態で使用すればよく、好ましくは10cm以内、より好ましくは5cm以内に維持して使用することができる。
ここに、植物育成用照明装置10を植物体の近傍に配置することのできる理由について具体的に説明する。人工光源(照明装置)から植物までの距離が離れると、単位面積当たりの有効光量子量が小さくなり、エネルギー効率が悪化する。しかし、人工光源(照明装置)から植物までの距離が近づきすぎると、植物体に対する熱負荷により、葉焼けなどの問題が生じやすい。而して、植物育成用照明装置10は、発光源としてLED素子などの発光素子が用いられていることから、当該植物育成用照明装置10の発光面からの発熱が小さいため、植物体との距離をより近づけて配置することが可能である。
この植物育成用照明装置30は、2つの端部Eに3個以上の発光素子ユニット23が位置しており、各端部Eにおける青色発光素子間距離および赤色発光素子間距離が全て異なること以外は、図1の植物育成用照明装置10と基本的に同様の構成を有するものである。
この植物育成用照明装置30において、複数の発光素子ユニット23の各々は、図1の植物育成用照明装置10の発光素子ユニット23と同様に、互いに離間して配置された2個の赤色発光素子23Bと、この2個の赤色発光素子の間に配置された青色発光素子23Aとによって構成されている。また、植物育成用照明装置30において、赤色発光素子23B、青色発光素子23Aおよび基板21は、図1の植物育成用照明装置10における赤色発光素子23B、青色発光素子23Aおよび基板21と同様である。
この図の例において、基板21上には、22個の発光素子ユニット23、すなわち44個の赤色発光素子23Bと22個の青色発光素子23Aとが、当該基板21の長手方向に並んで配置されている。そして、これらの複数の発光素子ユニット23よりなる発光素子列において、2つの端部Eは、同一の構成を有し、各々、3個の発光素子ユニット23が位置されている。ここに、図2には2つの端部Eのうちの一方が示されており、また青色発光素子23Aおよび赤色発光素子23Bのうちの青色発光素子23Aを斜線のハッチングを付して示している。また、中央部Cには16個の発光素子ユニット23が位置されており、そのうちの4個の発光素子ユニット23が図2に示されている。また、基板21の全長は、1165mmであり、発光領域の全長、すなわち発光素子列の全長は、1076mmである。
具体的に、図2においては、端部Eに位置する3個の発光素子ユニット23は、基板21の長手方向の一方(図2における左方)の端縁側の青色発光素子間距離XE2が、中央部C側の青色発光素子間距離XE1よりも短くなるように配置されている。
この図の例において、青色発光素子間距離XE1は46mmであり、青色発光素子間距離XE2は42mmである。
具体的に、図2においては、端部Eに位置する3個の発光素子ユニット23は、基板21の長手方向の一方(図2における左方)の端縁側の赤色発光素子間距離YE3が最も短く、中央部C側の赤色発光素子間距YE1が最も長くなっている。
この図の例において、赤色発光素子間距離YE1は24mmであり、赤色発光素子間距離YE2は22mmであり、赤色発光素子間距離YE3は20mmである。
端部Eにおいて、或る発光素子ユニット23とその発光素子ユニット23に隣接する2個の発光素子ユニット23の各々との間の距離(具体的には、例えば発光素子ユニットの間の距離ZE1と発光素子ユニットの間の距離ZE2)は、基板21の長手方向の一方(図2における左方)の端縁側の発光素子ユニット23の間の距離(具体的には、例えば発光素子ユニット23の間の距離ZE2)が、中央部C側の発光素子ユニット23の間の距離(具体的には、発光素子ユニット23の間の距離ZE1)の95%以下であることが好ましく、より好ましくは92%以下である。
この図の例において、発光素子ユニットの間の距離ZE1は23mmであり、発光素子ユニットの間の距離ZE2は21mmである。
端部Eにおける最も長い青色発光素子間距離(具体的には、青色発光素子間距離XE1)は、中央部Cにおける青色発光素子間距離XCの92%以下であることが好ましく、より好ましくは89%以下である。
この図の例において、中央部Cにおける青色発光素子間距離XCは52mmである。
また、互いに隣接する、中央部Cに位置する発光素子ユニット23と端部Eに位置する発光素子ユニット23とにおける青色発光素子間距離XBは、50mmであり、端部Eにおける最も長い青色発光素子間距離XE1(46mm)よりも長く、かつ中央部Cにおける青色発光素子間距離XC(52mm)よりも短くなっている。
端部Eにおける最も長い発光素子ユニット23の間の距離(具体的には、発光素子ユニットの間の距離ZE1)は、中央部Cにおける発光素子ユニット23の間の距離ZCの92%以下であることが好ましく、より好ましくは89%以下である。
この図の例において、中央部Cにおける発光素子ユニット23の間の距離ZCは、26mmである。
また、互いに隣接する、中央部Cに位置する発光素子ユニット23と端部Eに位置する発光素子ユニット23との間の距離ZBは、25mmであり、端部Eにおける最も長い発光素子ユニット23の間の距離ZE1(23mm)よりも長く、かつ中央部Cにおける発光素子ユニット23の間の距離ZC(26mm)よりも短くなっている。
端部Eにおける最も長い赤色発光素子間距離(具体的には、赤色発光素子間距離YE1)は、中央部Cにおける赤色発光素子間距離YCの96%以下であることが好ましく、より好ましくは93%以下である。
この図の例において、中央部Cにおける赤色発光素子間距離YCは26mmである。
また、各発光素子ユニット23中の青色発光素子23Aと2つの赤色発光素子23Bとは等間隔で配置されている。
従って、植物育成用照明装置30によれば、発光素子列の並列方向における照度の均一性が高い照明領域を形成することができる。その結果、幅が960mmの広面積の栽培領域においても、植物を高い育成効率で育成することができる。
具体的に、植物育成用照明装置10は、例えば、当該植物育成用照明装置10と植物体との距離を15cm以内に維持した状態で使用すればよく、好ましくは10cm以内、より好ましくは5cm以内に維持して使用することができる。
そして、本発明の植物育成用照明装置を用いた本発明の植物水耕栽培装置によれば、当該植物育成用照明装置によって発光素子列の配列方向における照度の均一性が高い照明領域を形成することができるため、広面積の栽培領域においても、植物を高い育成効率で育成することができる。
ここに、本発明の植物水耕栽培装置の構成の一例としては、植物を栽培するための栽培水槽の上方に、複数の本発明の植物育成用照明装置が、当該植物育成用照明装置の長手方向(発光素子列の配列方向)に垂直な方向に並設されてなるものが挙げられる(図3参照)。
従って、本発明の植物水耕栽培方法によれば、広面積の栽培領域においても、植物を高い育成効率で育成することができる。
例えば、植物育成用照明装置を構成する発光素子としては、必要に応じて発光波長の異なる発光素子を用いることもできる。具体的には、第1発光素子および第2発光素子は、発光ピーク波長が500nm以下の青色発光素子と発光ピーク波長が600nm以上の赤色発光素子との組み合わせに限定されるものではない。
また、植物育成用照明装置において、青色発光素子と赤色発光素子とは、発光密度(光量子束密度)が異なるものであってもよい。
また、植物育成用照明装置において、発光素子列の並列方向における照度の均一性の観点からは、発光素子列の両方の端部において、青色発光素子間距離および赤色発光素子間距離が、中央部における青色発光素子間距離および赤色発光素子間距離よりも短いことが好ましいが、一方の端部のみが前記の条件を満たすものであってもよい。
図2の構成に従って、植物育成用照明装置(以下、「照明装置(1)」ともいう。)を複数作製した。
作製した複数の照明装置(1)においては、青色発光素子(23A)としてピーク波長が420〜470nmの青色LED素子を用い、赤色発光素子(23B)としてピーク波長が640〜680nmの赤色LED素子を用いた。また、これらの青色LED素子と赤色LED素子とは光量子束密度が同一のものである。
作製した複数の比較用照明装置(1)において、発光領域の全長(発光素子列の全長)は、照明装置(1)と同様に1076mmである。
水耕栽培装置(1)および比較用水耕栽培装置(1)は、各々、図3に示されているように、幅(短辺45Aの長さ)が960mmの長尺な栽培水槽45の上方に、複数の照明装置41が、栽培水槽45の短辺45Aに対して平行に等間隔で並設されたものである。水耕栽培装置(1)および比較用水耕栽培装置(1)において、複数の照明装置41は、栽培水槽45からの高さが調節できるように配置されている。
また、水耕栽培装置(1)および比較用水耕栽培装置(1)には、各々、図3に示されているように、栽培水槽45に、短辺45Aおよび長辺45Bに沿って縦横寸法480mm×480mmの栽培パネル48を配置した。
そして、図4に示すように、栽培パネル48内に、別途育苗床にて均一に発芽させたレタスの苗S12株を、長辺45Bに沿って縦4列×横3列の等間隔で植え、照明装置41の栽培パネル48からの高さを15cmに設定し、発光素子を一斉に点灯してレタスの栽培を開始した。栽培21日後には照明装置41の栽培パネル48からの高さを20cmに変更し、栽培36日で収穫した。36日間の栽培期間中における栽培条件としては、照射時間は明期14時間/暗期10時間のサイクルとした。栽培室温は20℃とし、室内の二酸化炭素濃度は1000〜1500ppmとした。栽培水耕液としては、下記の表1に示す成分組成の養液を、電気伝導度ECが1.8mS/cmとなるように濃度調整した水溶液を用いた。
ここに、水耕栽培装置(1)においては4反復で栽培を行い、比較用水耕栽培装置(1)においては反復なしで栽培を行った。
従って、本発明の植物育成用照明装置によれば、赤色光の光合成光量子束密度と青色光の光合成光量子束密度との比率の悪影響を受けず、照明領域の端部においても、赤色光の光合成光量子束密度と青色光の光合成光量子束密度との比が植物を育成するために好ましいとされる比率とされ、照明領域の中央部と同等の育成効率が得られることが確認された。
21 基板
23 発光素子ユニット
23A 青色発光素子
23B 赤色発光素子
30 植物育成用照明装置
41 植物育成用照明装置
45 栽培水槽
45A 短辺
45B 長辺
48 栽培パネル
S レタスの苗
Claims (6)
- 第1発光素子と、前記第1発光素子とは異なる発光ピーク波長を有する第2発光素子とにより構成される発光素子ユニットが、一方向に沿って並ぶように複数配置されることによって発光素子列が形成されてなる植物育成用照明装置において、
前記発光素子ユニットは、前記一方向に離間して配置された2個の第2発光素子と、当該2個の第2発光素子の間に配置された1個の第1発光素子とによって構成されており、
前記発光素子列の少なくとも一方の端部に位置する2個以上の発光素子ユニットにおける、互いに隣接する発光素子ユニットの第1発光素子の間の距離が、当該発光素子列の中央部に位置する2個以上の発光素子ユニットにおける、互いに隣接する発光素子ユニットの第1発光素子の間の距離よりも短く、
前記端部に位置する発光素子ユニットにおける2個の第2発光素子の間の距離が、前記中央部に位置する発光素子ユニットにおける2個の第2発光素子の間の距離より短いことを特徴とする植物育成用照明装置。 - 前記発光素子列の少なくとも一方の端部に3個以上の発光素子ユニットが位置されており、これらの3個以上の発光素子ユニットにおいて、前記中央部から離間するに従って、互いに隣接する発光素子ユニットの第1発光素子の間の距離が短くな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。
- 前記発光素子列の少なくとも一方の端部に3個以上の発光素子ユニットが位置されており、これらの3個以上の発光素子ユニットにおいて、前記中央部から離間するに従って、2個の第2発光素子の間の距離が短くなることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の植物育成用照明装置。
- 前記発光素子ユニットを構成する前記第1発光素子の光合成光量子束密度と当該発光素子ユニットを構成する前記第2発光素子の光合成光量子束密度とを個別に調光するための制御部が設けられていることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の植物育成用照明装置。
- 請求項1〜請求項4のいずれかに記載の植物育成用照明装置を用いたことを特徴とする植物水耕栽培装置。
- 請求項5に記載の植物水耕栽培装置において、植物体を、前記植物育成用照明装置と当該植物体との距離を15cm以内に近付けた状態で栽培することを特徴とする植物水耕栽培方法。
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