JP2018198548A - 植物栽培用光源及び植物栽培装置並びに植物栽培工場 - Google Patents

Abstract

【課題】栽培される植物に適した発光波長に近づけることができることで、植物の成長を促進させることができる植物栽培用光源及び植物栽培装置並びに植物栽培工場を提供する。【解決手段】照明器具４０の植物栽培用光源であるランプ３０は、イネ科植物に照射して育成するためのものである。ランプ３０は、４０５ｎｍの紫色光を発光するＬＥＤ素子と、ＬＥＤ素子からの紫色光に励起され、赤色光を発光する蛍光体、緑色光を発光する蛍光体、青色光を発光する蛍光体、及び緑色光から赤色光までのピーク波長間の色を発光する蛍光体とを備えている。【選択図】図２

Description

本発明は、植物を栽培する植物栽培用光源及び植物栽培装置並びに植物栽培工場に関するものである。

植物栽培装置を用いた植物栽培工場は、作物を安定的に供給できる他、外界と遮断されることから農薬が不要なため衛生的である。
このような照明栽培用装置として、特許文献１に記載されたものが知られている。

この特許文献１に記載の植物栽培用照明装置は、赤色ＬＥＤ素子群と白色ＬＥＤ素子群とを備えている。赤色ＬＥＤ素子群は、６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の波長域にピーク波長を有する光を放射する。
白色ＬＥＤ素子群は、４００ｎｍ以上５００ｎｍ未満の波長域にピーク波長を有する光を放射する青色ＬＥＤ素子と、青色ＬＥＤ素子が放射した光を吸収して、５００ｎｍ以上６００ｎｍ未満の波長域にピーク波長を有する光を放射する蛍光体とを有する、又は、紫外線ＬＥＤ素子又は紫色ＬＥＤ素子と、青領域の光を放射する蛍光体と、緑領域の光を放射する蛍光体と、赤領域の光を放射する蛍光体とを有する。

特開２０１６−２０２１４８号公報

特許文献１に記載の植物栽培用照明装置では、紫外線ＬＥＤ素子又は紫色ＬＥＤ素子からの光に励起され、青領域、緑領域及び赤領域の光を放射する蛍光体を用いている。蛍光体からの光の発光波長は、山の裾野が拡がるように、ピーク波長から周囲の波長へ発光強度が低下しながら拡がる。そのため、ピーク波長間の発光強度は、発光強度が低下した部分の和となるので、それぞれの蛍光体を混合して、栽培される植物に適した発光波長とするために、発光強度が低下した部分の発光強度を高くしようとすると、ピーク波長の発光強度が更に高くなってしまうため、その調整が難しい。

そこで本発明は、栽培される植物に適した発光波長に近づけることができることで、植物の成長を促進させることができる植物栽培用光源及び植物栽培装置並びに植物栽培工場を提供することを目的とする。

本発明の植物栽培用光源は、植物に光を照射して育成するための植物栽培用光源において、紫外光又は紫色光を発光するＬＥＤ素子と、前記ＬＥＤ素子からの紫外光又は紫色光に励起され、赤色光を発光する蛍光体、緑色光を発光する蛍光体、青色光を発光する蛍光体、及び緑色光から赤色光までのピーク波長間の色を発光する蛍光体とを備えたことを特徴とする。

本発明の植物栽培用光源によれば、蛍光体として、赤色光、緑色光、青色光だけでなく、緑色光から赤色光までのピーク波長間の色を発光する蛍光体を備えている。そのため、赤色光及び緑色光だけでは比エネルギーが低くなってしまう領域を、緑色から赤色までの間の波長の色を発光する蛍光体により補うことができる。

前記緑色光から赤色光までのピーク波長間の色を発光する蛍光体は、橙色光を発光する蛍光体とすることが望ましい。緑色から赤色までのピーク波長間の色を発光する蛍光体を、緑色光と赤色光の中間となる橙色光を発光する蛍光体とすることで、緑色光から赤色光までのピーク波長間にできる低い比エネルギーの領域を、橙色光により、容易に、かつ確実に補うことができる。

前記赤色光を発光する蛍光体及び前記緑色光を発光する蛍光体のピーク波長は、光合成作用曲線における緑色領域及び赤色領域のピーク波長の比エネルギーの強度に合わせたものであることが望ましい。青色から緑色の領域における比エネルギーが光合成作用曲線と差があっても、比エネルギーが高い緑色領域及び赤色領域のピーク波長の比エネルギーを、光合成作用曲線に合わせているため、比エネルギーの差による全体の影響を抑えることができる。

前記青色光を発光する蛍光体のピーク波長は、光合成作用曲線における青色領域の比エネルギーより高いことが望ましい。青色光を発光する蛍光体のピーク波長が光合成作用曲線における青色領域の比エネルギーより高いと、青色光を受けた植物は、青色光受容体であり、伸長成長抑制につながるクリプトクロム(光受容体)が関与して、稈長の成長が抑制される。従って、植物が栽培される栽培棚を多段に設置したときに、全体の高さを抑えることができる。

本発明の植物栽培装置は、本発明の植物栽培用光源と、植物が栽培される水耕栽培棚と、前記水耕栽培棚に栄養分を溶け込ませた水を給水する水供給装置とを備えたことを特徴とする。

本発明の植物栽培装置によれば、植物が栽培される水耕栽培棚に、水供給装置により栄養分を溶け込ませた水を給水し、植物栽培用光源によって植物に照射して育成することにより植物を水耕栽培により育成させることができる。

本発明の植物栽培工場は、本発明の植物栽培装置と、前記植物栽培装置が設置される閉鎖空間を形成する建屋と、前記閉鎖空間の温度を調整する空気調整器とを備えたことを特徴とする。

本発明の植物栽培工場によれば、建屋により形成された閉鎖空間に、植物栽培装置が設置され、空気調整器により閉鎖空間の温度を調整することにより、天候に左右されることなく、農薬不使用で作物を周年安定生産が可能である。

本発明によれば、赤色光及び緑色光だけでは比エネルギーが低くなってしまう領域を、緑色から赤色までの間の波長の色を発光する蛍光体により補うことができるので、栽培される植物に適した発光波長に近づけることができることで、植物の成長を促進させることができる。

本発明の実施の形態に係る植物栽培工場を示す図である 図１に示す植物栽培工場に設置された植物栽培装置の図である。 図２に示す植物栽培装置の植物栽培用光源として機能する直管型のランプを備えた照明器具の斜視図である。 図３に示すランプの分解した状態の斜視図である。 図４に示すランプの発光素子の断面図である。 図３に示す照明器具の点灯回路の図である。 光合成作用曲線と、発光素子及び蛍光体の発光波長との関係を示すグラフである。

本発明の実施の形態に係る植物栽培装置及び植物栽培装置を用いた植物栽培工場を図面に基づいて説明する。本実施の形態に係る植物栽培工場は、植物として、品種改良によりジベレリンの生成を抑制した、極早生で、稈長が極短のイネ科植物を栽培する閉鎖型植物工場である。

図１に示す植物栽培工場１０は、閉鎖空間Ｓを形成する建屋１１に、植物栽培装置２０が設置されている。建屋１１には、閉鎖空間Ｓ内の温度を調整する空気調整器１２が設置されている。
図２に示す植物栽培装置２０は、栄養分を溶け込ませた水を給水する水供給装置（図示せず）と、水供給装置から水が流れる水耕栽培棚２１と、水耕栽培棚２１にて育成される作物の一例であるイネ科植物Ｐの上方に配置され、イネ科植物Ｐに直上から光を照射して育成するための植物栽培用光源であるランプ３０を有する照明器具４０とを備えている。

図３に示す照明器具４０は、ランプ３０を直管型としたものである。図４に示すランプ３０は、発光素子３１が実装されたプリント配線基板３２と、プリント配線基板３２を収納するチューブ３３とを備えている。

発光素子３１は、ＳＭＤ型のものが使用できる。ＳＭＤ型の発光素子３１とした場合には、封止樹脂内に蛍光体を含有させることができる。
例えば、図５に示す発光素子３１は、ＬＥＤ素子３１ａと、ＬＥＤ素子３１ａが収納される凹部３１ｍが形成されたパッケージ部３１ｂと、凹部３１ｍに充填された樹脂封止部３１ｃと、樹脂封止部３１ｃに含有された蛍光体３１ｄと、ＬＥＤ素子３１ａに通電するための一対の端子部３１ｅとを備えている。
ＬＥＤ素子３１ａは、シリコンや窒化ガリウムなどの導電性基板に、ｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層を積層した半導体層が形成されている。図５に示すＬＥＤ素子３１ａは、導電性基板に発光層を含む半導体層を積層したものとしているが、サファイアなどの絶縁性基板に発光層を含む半導体層を積層したものとしてもよい。
なお、発光素子３１はＣＯＢ型のものとしてもよい。

ＬＥＤ素子３１ａは、発光ピーク波長が近紫外線から可視光の短波長領域である２４０ｎｍ〜５００ｎｍ付近、好ましくは４００ｎｍ〜４７０ｎｍにある発光スペクトルを有することが望ましい。特に、発光ピーク波長が４０５ｎｍで発光する発光素子であれば、青色光より発光効率が高い紫色光を発光するＬＥＤとして大量に市場に流通しており、廉価に準備できるため、コストの面から好適である。本実施の形態では、発光ピーク波長が４０５ｎｍの紫色光を発光する発光素子３１を採用している。

プリント配線基板３２は、長尺状に形成され、発光素子３１がプリント配線基板３２の長さ方向に沿って並べて配置されている。

チューブ３３は、保護カバーとなる円筒状の透明部材により形成されている。透明部材は、ポリカーボネートやアクリルなどの透明樹脂や、その他の熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、又はガラスなど、透明であれば使用することができる。ここで、透明とは、光透過率が厚さ２ｍｍで９０％以上のものを指す。

蛍光体３１ｄは、ＬＥＤ素子３１ａが発光する紫色光により励起され、赤色光、緑色光、青色光及び橙色光を発光する４色の蛍光体を混合したものである。
赤色光を発光する蛍光体は、４０５ｎｍで発光する発光素子３１により励起されたときにピーク波長が６６０ｎｍとなるものである。赤色光を発光する蛍光体は、０．５ＭｇＦ₂・３．５ＭｇＯ・ＧｅＯ₂：Ｍｎとすることができる。
緑色光を発光する蛍光体は、ピーク波長が５８０ｎｍとなるものである。緑色光を発光する蛍光体は、（Ｂａ，Ｓｒ）₂ＳｉＯ₄：Ｅｕとすることができる。
青色光を発光する蛍光体は、ピーク波長が４５０ｎｍとなるものである。青色光を発光する蛍光体（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）₁₀（ＰＯ₄）₆Ｃｌ₂：Ｅｕとすることができる。
橙色光を発光する蛍光体は、ピーク波長が６００ｎｍとなるものである。橙色光を発光する蛍光体は、（Ｂａ，Ｓｒ）₃ＳｉＯ₅：Ｅｕ，Ｙｂとすることができる。

なお、本実施の形態では、蛍光体３１ｄがＬＥＤ素子３１ａからの４０５ｎｍの紫色光により励起され、発光するものとしているが、ＬＥＤ素子として紫外光を発光するものとすることができ、蛍光体として紫外光により励起され、発光するものとすることができる。

樹脂封止部３１ｃは、ビニル樹脂、シリコーン樹脂、ロジン樹脂、テルペン樹脂又はフェノール樹脂などの透明なバインダーにより形成され、硬化したときの状態が透明に形成されている。

図３に示す照明器具４０は、図６に示す点灯回路４１が内蔵されている。
点灯回路４１は、整流部４１１と、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）制御部４１２と、降圧チョッパ部４１３とを備えている。
整流部４１１は、電灯線からの交流１００Ｖを全波整流するダイオードブリッジ４１１ａと、全波整流された脈流を平滑な直流とするコンデンサ４１１ｂとを備えている。

ＰＷＭ制御部４１２は、発光素子３１に流れる電流を検出する電流検出部４１２ａと、電流検出部４１２ａからの信号に応じて定電流となるように、発光素子３１を点灯させるタイミングのパルス幅を調整するＰＷＭ制御素子４１２ｂと、ＰＷＭ制御素子４１２ｂからのタイミング信号により、整流部４１１からの電流を通電したり遮断したりするＦＥＴによるスイッチング素子４１２ｃとを備えている。

降圧チョッパ部４１３は、ＰＷＭ制御部４１２からの電圧を一定にしたり、還流させたりするツェナーダイオード４１３ａと、電圧の変動及び電流の突入を抑制するコイル４１３ｂと、平滑化するコンデンサ４１３ｃとを備えている。

以上のように構成された本発明の実施の形態に係る植物栽培工場１０の動作及び使用状態を図面に基づいて説明する。
建屋１１内の温度・風力は空気調整器１２により、水耕栽培棚２１への水量・温度は水供給装置により、苗期、分げつ期、幼穂育成期、穂ばらみ期、出穂期及び登熟期の各期間にごとに調整される。

照明器具４０については、図６に示す点灯回路４１に通電されると、整流部４１１により整流された電流は、ＰＷＭ制御部４１２により所定のパルスとなって降圧チョッパ部４１３へ流れ、降圧チョッパ部４１３により所定の定電流となってランプ３０の発光素子３１（図４参照）を点灯させる。

図６に示す点灯回路４１が、発光素子３１をＰＷＭ信号によって駆動している。例えば、発光素子を連続発振により駆動する場合と比較すると、ランプ３０の寿命はそのパルスのデューティー比に従って延びる。一例として、パルスのオン時間１μｓ、パルスのオフ時間１ｍｓにて、発光素子がＰＷＭ駆動される場合、ランプ３０の寿命は、連続発振により駆動する場合のおよそ１０００倍とすることが可能である。但し、パルスのオン時間及びオフ時間はこれに限定されず、例えば人間の目から見てランプ３０による照光が継続的に行われていると認識できるか（すなわち、人間の目に点灯しているように見えないか）否かに応じて、オン時間及びオフ時間を適宜調整すればよい。

ＬＥＤ素子３１ａからの紫色光は、まず、図５に示す樹脂封止部３１ｃに入射する。樹脂封止部３１ｃに含有された蛍光体３１ｄは、紫色光により励起されて波長変換することで、赤色光、緑色光、青色光及び橙色光を発光する。

樹脂封止部３１ｃにて、蛍光体３１ｄにより発光した、赤色光と、緑色光と青色光と、橙色光とが混色して白色となった光は、チューブ３３に入射する。保護カバーであるチューブ３３が透明部材であるため、白色光は小さい減衰で、ランプ３０の外側へ出射させることができる。

ここで、植物栽培用光源であるランプ３０の蛍光体３１ｄによる発光波長について、図面に基づいて説明する。

蛍光体３１ｄによる発光波長は、植物の光合成作用曲線に合致することが望ましい。例えば、図７に示す光合成作用曲線Ｃでは、比エネルギーが、３８０ｎｍの紫外線の領域から徐々に高くなり、４００ｎｍで一旦下降するが、４７０ｎｍからピークとなる６７０ｎｍまで高くなり、６７０ｎｍのピークから一気に低くなる曲線を描く。
一方、蛍光体の発光波長ごとの比エネルギーを光合成作用曲線Ｃに合致させることは、複数種類の蛍光体の発光強度の組み合わせに基づいて混合させることになるため調整が難しい。

この光合成作用曲線Ｃに沿って蛍光体３１ｄによる発光波長による発光強度を近づけることができれば、イネ科植物だけでなく、植物全般の成長を効率よく促すことができる。すなわち、それぞれの発光波長で、光合成作用曲線Ｃの座標（Ｘ_i，Ｙ_i）と蛍光体の発光による座標（Ｘ’_i，Ｙ’_i）との差が小さいことが望ましい。

例えば、樹脂封止部３１ｃ（図５参照）に含有される蛍光体が、赤色光、緑色光及び青色光を発光する蛍光体だけの場合、光合成作用曲線Ｃにおいては緑色から赤色までの間の領域においては、他の領域に比べ高い比エネルギーを要求されるが、蛍光体による赤色光及び緑色光だけでは、その間の領域の比エネルギーが低くなってしまう。

本実施の形態に係る蛍光体３１ｄでは、三原色である赤色光、緑色光及び青色光を発光する蛍光体だけでなく、緑色光から赤色光までのピーク波長間の色により発光する蛍光体を混合させた蛍光体３１ｄとしている。そのため、三原色（赤色光、緑色光、青色光）だけでは比エネルギーが低くなってしまう領域を、緑色光から赤色光までのピーク波長間の色により発光する蛍光体により補うことができる。
特に、緑色光から赤色光までのピーク波長間の色により発光する蛍光体として、緑色光と赤色光の中間となる橙色光を発光する蛍光体を、蛍光体３１ｄに含有させているため、緑色光から赤色光までのピーク波長間にできる低い比エネルギーの領域を、容易に、かつ確実に橙色光により補うことができる。

従って、赤色光及び緑色光を発光する蛍光体だけを混合して、緑色領域と赤色領域とのピーク波長間の発光領域を光合成作用曲線Ｃに近づけるより、橙色光を発光する蛍光体を混合した蛍光体３１ｄとすることで、植物に適した発光波長に容易に近づけることができるので、植物の成長を促すことができる。
また、蛍光体３１ｄでは、図７に示すように、青色から緑色の領域における比エネルギーが光合成作用曲線Ｃと差があっても、比エネルギーが青色領域から緑色領域より高い、緑色領域及び赤色領域のピーク波長（５８０ｎｍ，６６０ｎｍ）の比エネルギーを、光合成作用曲線Ｃに合わせているため、比エネルギーの差による全体の影響を抑えることができる。
なお、図７に示すグラフでは、青色光、緑色光、 橙色光、赤色光の混合比を、７０：３：７：２０としたときの発光波長を示している。

図７に示すように、青色光を発光する蛍光体３１ｄのピーク波長は、光合成作用曲線Ｃにおける青色領域の比エネルギーより高い。
一方、直上から強い光が照射される環境は、植物にとって、周囲に背丈が高い植物が無い環境と同じとなることから、植物は、それ以上高く成長する必要が無い。
従って、強い青色光を受けた植物は、青色光受容体であり、伸長成長抑制につながるクリプトクロム(光受容体)が関与することで、それ以上高く成長せず、伸長成長をやめて肥大成長する。これにより、植物は、稈長の成長が抑制されるため、植物が栽培される水耕栽培棚２１（図２参照）を多段に設置したときに、全体の高さを抑えることができる。

閉鎖型植物工場とした植物栽培工場１０は、天候に左右されることなく、農薬不使用で作物を周年安定生産が可能なことから重要な食料生産技術である。しかし，その生産過程において、屋内で作物が栽培されることから人工光が必要である。そのため、人工光の電力コストの大きさが課題となる。植物栽培装置２０では、発光効率の高いランプ３０を採用することにより、イネ科植物の生産に必要な光量を、十分な低電力で供給することができる。

なお、本実施の形態に植物栽培工場１０では、鑑賞用イネを品種改良したイネ科植物を栽培していたが、イネ（米）、コムギ（小麦）、オオムギ、ライムギ、トウモロコシなどのイネ科植物も栽培することができる。更に、植物栽培工場１０は、イネ科植物以外に、レタスなどの葉物野菜、人参などの根菜野菜、実がなる果実なども栽培することができる。

本発明は、植物の人工栽培に好適である。

１０ 植物栽培工場
１１ 建屋
１２ 空気調整器
２０ 植物栽培装置
２１ 水耕栽培棚
３０ ランプ
３１ 発光素子
３１ａ ＬＥＤ素子
３１ｂ パッケージ部
３１ｃ 樹脂封止部
３１ｄ 蛍光体
３１ｅ 端子部
３１ｍ 凹部
３２ プリント配線基板
３３ チューブ
４０ 照明器具
４１ 点灯回路
４１１ 整流部
４１１ａ ダイオードブリッジ
４１１ｂ コンデンサ
４１２ ＰＷＭ制御部
４１２ａ 電流検出部
４１２ｂ ＰＷＭ制御素子
４１２ｃ スイッチング素子
４１３ 降圧チョッパ部
４１３ａ ツェナーダイオード
４１３ｂ コイル
４１３ｃ コンデンサ
Ｃ 光合成作用曲線
Ｐ イネ科植物
Ｓ 閉鎖空間

Claims (6)

1. 植物に光を照射して育成するための植物栽培用光源において、
   紫外光又は紫色光を発光するＬＥＤ素子と、
   前記ＬＥＤ素子からの紫外光又は紫色光に励起され、赤色光を発光する蛍光体、緑色光を発光する蛍光体、青色光を発光する蛍光体、及び緑色光から赤色光までのピーク波長間の色を発光する蛍光体とを備えた植物栽培用光源。
2. 前記緑色光から赤色光までのピーク波長間の色を発光する蛍光体は、橙色光を発光する蛍光体である請求項１記載の植物栽培用光源。
3. 前記赤色光を発光する蛍光体及び前記緑色光を発光する蛍光体のピーク波長は、光合成作用曲線における緑色領域及び赤色領域のピーク波長の比エネルギーの強度に合わせたものである請求項１又は２記載の植物栽培用光源。
4. 前記青色光を発光する蛍光体のピーク波長は、光合成作用曲線における青色領域の比エネルギーより高い請求項３記載の植物栽培用光源。
5. 請求項１から４のいずれかの項に記載の植物栽培用光源と、植物が栽培される水耕栽培棚と、前記水耕栽培棚に栄養分を溶け込ませた水を給水する水供給装置とを備えた植物栽培装置。
6. 請求項５記載の植物栽培装置と、前記植物栽培装置が設置される閉鎖空間を形成する建屋と、前記閉鎖空間の温度を調整する空気調整器とを備えた植物栽培工場。