JP5874060B2 - 植物育成照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、植物の育成を調節する植物育成照明装置に関する。

従来より人工光源からの光を植物に照射して、その植物の育成を調節する方法が知られている。例えば、赤色光と遠赤色光との混合光を植物の光周期における明期の開始期近傍及び終了期近傍のいずれか一方又は両方において植物に照射することで、その植物に短日処理を施す方法がある（例えば、特許文献１参照）。

また、ナス科植物（特に、トマト）に対して赤色光及び遠赤色光の少なくとも一方の光を日没後１〜３時間照射することで、その植物の果実糖度を高める方法がある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００９−１３６１５５号公報 特開２００７−２８２５４４号公報

しかしながら、上記特許文献１に示される方法は、主に植物の開花時期を早めるものであって必ずしも植物の成長を促進するものではない。また、上記特許文献２に示される方法は、果実糖度を高めるものであって必ずしも植物の成長を促進するものではなく、しかもナス科植物に限定された方法であるので他の植物に応用できない可能性がある。

本発明は、上記課題を解決するものであって、人工光源からの光を植物に照射することで植物の成長を促進することができる植物育成照明装置を提供することを目的とする。

本発明の植物育成照明装置は、植物に対して光を照射する光源を備え、波長域６１０〜６８０ｎｍの赤色光成分を含む光を照射する第１の光源と、波長域６８５〜７８０ｎｍの遠赤色光成分を含む光を照射する第２の光源と、前記第１の光源及び第２の光源の照射動作を制御する制御部と、前記制御部に対して前記第１の光源及び第２の光源を照射動作させる時間帯を設定する時間設定部と、を備え、前記時間設定部は、前記第１の光源が日没を挟んだ時間帯に０．００５Ｗ／ｍ^２以上の放射照度かつ０．０１５ｋＪ／ｍ^２以上の１日積算放射照度で照射動作し、その後、前記第２の光源が日出までの時間帯に３時間以上０．０２Ｗ／ｍ^２以上の放射照度かつ０．２１ｋＪ／ｍ^２以上の１日積算放射照度で照射動作するように設定されていることを特徴とする。

前記第１の光源が日没前の時間帯に照射する光の積算放射照度は、該第１の光源が日没後の時間帯に照射する光の積算放射照度よりも少なくなるように制御されていることが好ましい。

前記第１の光源が照射する光の積算放射照度は、前記第２の光源が照射する光の積算放射照度よりも少なくなるように制御されていることが好ましい。

前記第１の光源が照射する光の積算放射照度と前記第２の光源が照射する光の積算放射照度との比は、０．０５：９．９５〜４．５：５．５となるように制御されていることが好ましい。

本発明によれば、植物に対して日没を挟んだ時間帯に赤色光成分を含む光が照射され、その後、遠赤色光成分を含む光が照射されるので、植物の成長を促進することができる。

本発明の実施形態に係る植物育成照明装置の構成を示す図。 上記照明装置の光照射パターンを示す図。 上記照明装置を構成する第１の光源及び第２の光源が一つの筐体内に収容された状態を示す斜視図。 上記第１の光源を構成する赤色光フィルタ及び第２の光源を構成する遠赤色光フィルタの分光透過率を示す図。 上記第１の光源及び第２の光源から照射される光の分光特性を示す図。 上記第１の光源及び第２の光源の植物に対する配置を示す側面図。 上記第１の光源及び第２の光源の植物に対する配置を示す平面図。 実施例１における上記照明装置の光照射パターンを示す図。 比較例１における光照射パターンを示す図。 比較例２における上記照明装置の光照射パターンを示す図。 比較例３における上記照明装置の光照射パターンを示す図。 比較例４における上記照明装置の光照射パターンを示す図。 比較例５における上記照明装置の光照射パターンを示す図。 上記第１の光源が日没前に照射する光の積算放射照度と同光源が日没後に照射する光の積算放射照度との比と、キクの生育速度と、の関係を示す図。 上記第１の光源からの光の積算放射照度と第２の光源からの光の積算放射照度との比と、キクの生育速度と、の関係を示す図。 実施例２における上記照明装置の光照射パターンを示す図。 上記実施例２に対する比較例６における光照射パターンを示す図。 上記実施例２及び比較例６によるイチゴの収量を示す図。

本発明の実施形態に係る植物育成照明装置（以下、照明装置という）について、図１乃至図８を参照して説明する。本照明装置は、完全閉鎖型の植物苗生産システム、農業用のビニルハウス若しくはガラスハウス等の施設栽培、又は露地栽培等において植物（特に、花き類及び果菜類）の成長を促進するものである。

図１に示すように、照明装置１は、畝Ｆに植えられた植物Ｐに対して光を照射する光源として第１の光源２及び第２の光源３を備える。第１の光源２は波長域６１０〜６８０ｎｍの赤色光成分を含む光を照射し、第２の光源３は波長域６８５〜７８０ｎｍの遠赤色光成分を含む光を照射する。これら光源２、３は、植物Ｐの上方に配置される。光源２、３の照射動作は、制御部４により制御される。制御部４が動作する時間帯は、時間設定部５により設定される。光源２、３及び時間設定部５は、それぞれ配電線６により制御部４と電気的に接続される。

第１の光源２は、発光体２１と、発光体２１から発せられる光のうち主に赤色光成分を透過させる赤色光フィルタ２２と、を有する。発光体２１は、例えば、赤色光を発する赤色ＬＥＤや赤色蛍光灯や赤色ＥＬ素子、又は赤色光を含む光を発する白熱灯やＨＩＤランプ（高圧ナトリウムランプ、キセノンランプ等）により構成される。赤色光フィルタ２２は、例えば、カラー樹脂、カラーガラス又は光学多層膜処理を施した光学フィルタにより構成される。第１の光源２は、０．００５Ｗ／ｍ^２以上の放射照度で、かつ０．０１５ｋＪ／ｍ^２以上の１日積算放射照度で植物Ｐに対して光を照射する。放射照度は、Leica製ライトメータLi-250及びセンサLi-190SAを用いて測定される。なお、発光体２１が主に波長域６８５〜７８０ｎｍの光を直接に照射するように構成されている場合には、第１の光源２は、遠赤色光フィルタ２２を有さなくてもよい。

第２の光源３は、発光体３１と、発光体３１から発せられる光のうち主に遠赤色光成分を透過させる遠赤色光フィルタ３２と、を有する。発光体３１は、例えば、遠赤色光を発する遠赤色ＬＥＤや遠赤色蛍光灯や遠赤色ＥＬ素子、又は遠赤色光を含む光を発する白熱灯やＨＩＤランプ（高圧ナトリウムランプ、キセノンランプ等）により構成される。遠赤色光フィルタ３２は、例えば、カラー樹脂、カラーガラス又は光学多層膜処理を施した光学フィルタにより構成される。第２の光源３は、０．０２Ｗ／ｍ^２以上の放射照度で、かつ０．２１ｋＪ／ｍ^２以上の１日積算放射照度で植物Ｐに対して光を照射する。なお、発光体３１が主に波長域６８５〜７８０ｎｍの光を直接に照射するように構成されている場合には、第２の光源３は、遠赤色光フィルタ３２を有さなくてもよい。

制御部４は、マイコン、リレー及びスイッチ等により構成され、光源２、３から照射される光の放射照度を調節する調光装置を有する。調光装置は、例えば、ライトコントローラにより構成され、電気的に放射照度を調節する。

時間設定部５は、タイマやマイコン等により構成され、ユーザによって予め設定された時間に光源２、３を照射動作させる。図２に示すように、時間設定部５は、第１の光源２からの赤色光を含む光が日没を挟んだ時間帯に照射され、その後、第２の光源３からの遠赤色光を含む光が日出までの時間帯に３時間以上照射されるように設定される。第１の光源２からの赤色光照射と第２の光源３からの遠赤色光照射とは、通常、連続的に行われるが、短い時間（例えば、数分）であれば互いに重畳していたりブランクがあってもよい。

光源２、３がＬＥＤのような単体光量の少ない発光体により構成されている場合、十分量の光量を確保するため、図３に示すように、各々複数の光源２、３が一つの筐体７内にまとめて収容される。筐体７は、熱伝導率が高くて放熱性に優れると共に高い光反射性を有する材料、例えば、アルミニウムやステンレス等の金属により構成される。

図４に示すように、赤色光フィルタ２２の分光透過率は、例えば、波長が略５９０〜７１０ｎｍの光に対して高く、波長が略６６０ｎｍの光に対して最も高くなっている。また、遠赤色光フィルタ３２の分光透過率は、例えば、波長が略６９０ｎｍ以上の光に対して高くなっている。

図５に示すように、蛍光灯（発光体２１）と赤色光フィルタ２２とにより構成された第１の光源２から照射される光（実線で示す）は、例えば、略６６０ｎｍにピーク波長を有する。また、赤色ＬＥＤ（発光体２１）により構成された第１の光源２から照射される光（一点鎖線で示す）は、例えば、略６３０ｎｍにピーク波長を有する。

蛍光灯（発光体３１）と遠赤色光フィルタ３２とにより構成された第２の光源３から照射される光（破線で示す）は、例えば、略７４０ｎｍにピーク波長を有する。また、遠赤色ＬＥＤ（発光体３１）により構成された第２の光源３から照射される光（二点鎖線で示す）は、例えば、略７３５ｎｍにピーク波長を有する。

光源２、３は、通常、植物Ｐの上方に配置される。しかしながら、植物Ｐの背が高い場合や枝葉が多い場合には、上方に配置された光源２、３だけでは植物Ｐの下方や内部にまで十分量の光を照射することができない虞がある。そこで、図６に示すように、植物Ｐの上方に配置された上部第１の光源２ａ及び上部第２の光源３ａ（以下、上部光源２ａ、３ａという）に加え、植物Ｐの側方や下方にも光源２、３を配置してもよい。植物Ｐの側方には側部第１の光源２ｂ及び側部第２の光源３ｂ（以下、側部光源２ｂ、３ｂという）が配置され、植物Ｐの下方には下部第１の光源２ｃ及び下部第２の光源３ｃ（以下、下部光源２ｃ、３ｃという）が配置される。これにより、光源２、３からの光を植物Ｐ全体に十分量照射することができる。ここで、側部光源２ｂ、３ｂ及び下部光源２ｃ、３ｃは、任意の角度で植物Ｐに対して光を照射することができるように、それらの取り付け角度が調節可能となっている。

図７は、上方から見たときの植物Ｐに対する上部光源２ａ、３ａ、側部光源２ｂ、３ｂ及び下部光源２ｃ、３ｃの配置を示す。なお、ここでは図を簡単にするために光源２、３を一つの部材として示している。上部光源２ａ、３ａは、畝Ｆが伸びる方向（植物Ｐが連なる方向）と略平行に、互いに一定間隔を置いて複数配置される。側部光源２ｂ、３ｂは、シリンダ等で覆われることで防水加工が施され、畝Ｆが伸びる方向と略平行に、畝Ｆの間の領域に互いに一定間隔を置いて複数配置される。下部光源２ｃ、３ｃは、シリンダ等で覆われることで防水加工が施され、畝Ｆが伸びる方向と略平行に、畝Ｆの間の地面上に互いに一定間隔を置いて複数配置される。これにより、各光源２、３の光照射範囲に対して植物Ｐが広い範囲に亘って連なっている場合であっても、植物Ｐに対して十分量の光を照射することができる。なお、側部光源２ｂ、３ｂ及び下部光源２ｃ、３ｃは、ホローライトガイド方式の照明器具、光ファイバ、又は細長い形状に成形されたＥＬ器具等の連続光源により構成されてもよい。

上部光源２ａ、３ａ、側部光源２ｂ、３ｂ及び下部光源２ｃ、３ｃの配光及び光量は、植物Ｐの生育に応じて調節される。例えば、植物Ｐが初期の生育ステージにあってまだ小さい場合、植物Ｐから離れた上部光源２ａ、３ａは消灯され、植物Ｐに近い側部光源２ｂ、３ｂ及び下部光源２ｃ、３ｃは点灯される。このとき、側部光源２ｂ、３ｂ及び下部光源２ｃ、３ｃは、それらの取り付け角度等を調整することで配光が狭く設定され、植物Ｐに対して集中的に光を照射できるように調節される。また、初期の生育ステージにある植物Ｐは枝葉がまだ十分に発達していないので、植物Ｐに対して照射される光は光量が低くても植物Ｐ全体に行き渡る。そのため、側部光源２ｂ、３ｂ及び下部光源２ｃ、３ｃは、それぞれ照射する光の光量を下げることが好ましい。

一方、植物Ｐが大きく成長した場合には、上部光源２ａ、３ａ、側部光源２ｂ、３ｂ及び下部光源２ｃ、３ｃのすべてが点灯される。このとき、側部光源２ｂ、３ｂ及び下部光源２ｃ、３ｃは、それらの取り付け角度等を調整することで配光が広く設定され、植物Ｐの広い範囲に対して光を照射できるように調節される。また、大きく成長した植物Ｐは多くの枝葉を持ち得るため、植物Ｐに対して照射される光は高い光量でないと植物Ｐの内部にまで行き渡らない。そのため、上部光源２ａ、３ａ、側部光源２ｂ、３ｂ及び下部光源２ｃ、３ｃは、それぞれ照射する光の光量を増加させることが好ましい。

上記のように構成された照明装置１が植物Ｐに与える成長促進効果を、実際に照明装置１を用いて花き類に属するキク（品種：セイプリンス）を栽培し、約８割のキクが茎丈８０ｃｍ以上となるのに要した平均日数を算出することで確認した。

（実施例１）
キクは、１１月初めに定植され、翌年の３月まで略３．５ヶ月間栽培された後に収穫された。定植後すぐに、キクの栄養生長を維持するために白熱灯点灯による深夜４時間の暗期中断を開始した。この暗期中断は、キクの草丈が２０ｃｍ以上となった定植開始略４５日後の１２月末まで継続された。その後、キクを生殖生長に移行させると同時に、照明装置１によるキクへの光照射を開始した。照明装置１による光照射は、キクが開花するまで継続された。

第１の光源２としては、上述の赤色ＬＥＤを用いた（図５参照）。第１の光源２は、５個／ｍ^２の密度でキクの上方に配置され、キクに対して０．００５Ｗ／ｍ^２の放射照度で赤色光を照射した。第２の光源３としては、上述の遠赤色ＬＥＤを用いた（図５参照）。第２の光源３は、２０個／ｍ^２の密度でキクの上方に配置され、キクに対して０．０２Ｗ／ｍ^２の放射照度で遠赤色光を照射した。

図８に示すように、第１の光源２からの赤色光は、日没の１５分前から日没の４５分後までの計１時間キクに対して照射された。第２の光源３からの遠赤色光は、日没の４５分後から３時間キクに対して照射された。すなわち、第１の光源２からの赤色光と第２の光源３からの遠赤色光とは、連続的にキクに対して照射された。その結果、本実施例によるキクは、表１に示すように、茎丈が８０ｃｍ以上となるのに平均９０日を要した。

これに対し、図９に示すように、比較例１では、光源２、３からの光は照射されず、太陽光のみがキクに対して照射された。その結果、比較例１によるキクは、表１に示すように、茎丈が８０ｃｍ以上となるのに平均１１１日を要した。この結果は、照明装置１がキクの成長を効率良く促進することを示している。

図１０に示すように、比較例２では、太陽光に加えて、第１の光源２からの赤色光のみが照射され、第２の光源３からの遠赤色光は照射されなかった。その結果、比較例２によるキクは、表１に示すように、茎丈が８０ｃｍ以上となるのに平均１１０日を要した。この結果は、キクの成長を顕著に促進するには、第２の光源３からの遠赤色光が必要であることを示している。

図１１に示すように、比較例３では、太陽光に加えて、第２の光源３からの遠赤色光のみが照射され、第１の光源２からの赤色光は照射されなかった。第２の光源３からの遠赤色光は、日没直後から３時間照射された。その結果、比較例３によるキクは、表１に示すように、茎丈が８０ｃｍ以上となるのに平均１０２日を要した。この結果は、キクの成長を顕著に促進するには、第１の光源２からの赤色光が必要であることを示している。

図１２に示すように、比較例４では、太陽光に加えて、第１の光源２からの赤色光が日没の１時間前から日没までの１時間照射され、第２の光源３からの遠赤色光が日没直後から３時間照射された。その結果、比較例４によるキクは、表１に示すように、茎丈が８０ｃｍ以上となるのに平均９７日を要した。この結果は、キクの成長を顕著に促進するには、第１の光源２からの赤色光が日没を挟んで照射されることが重要であることを示している。

図１３に示すように、比較例５では、太陽光に加えて、第１の光源２からの赤色光が日没直後から１時間照射され、その後すぐに、第２の光源３からの遠赤色光が３時間照射された。その結果、比較例５によるキクは、表１に示すように、茎丈が８０ｃｍ以上となるのに平均９６日を要した。この結果も、上記比較例４と同様に、キクの成長を顕著に促進するには、第１の光源２からの赤色光が日没を挟んで照射されることが重要であることを示している。

本実施例においては、第１の光源２が日没前に照射する赤色光の積算放射照度Ｒ１と、第１の光源２が日没後に照射する赤色光の積算放射照度Ｒ２と、の比（Ｒ１／Ｒ２）は、０．３３となっている（１５（分）／４５（分）より算出）。図１４は、このＲ１／Ｒ２を種々に変化させた場合における、茎丈が８０ｃｍ以上となるのに要したキクの生育期間の変化を示す。Ｒ１がゼロの場合、すなわち、日没前に第１の光源２からの赤色光をキクに対して照射しなかった場合、キクは茎丈８０ｃｍ以上となるのに平均９６日を要した。この状態から、Ｒ１を増やしていくとキクの成長が促進されて、茎丈８０ｃｍ以上となるのに要する期間が短縮された。この成長促進効果は、Ｒ１／Ｒ２が０．０９〜０．７１の範囲で顕著で、Ｒ１／Ｒ２が１よりも大きくなると見られなかった。この結果は、キクの成長を効率良く促進するには、Ｒ１をＲ２よりも少なくすることが好ましいことを示している。

また、本実施例においては、第１の光源２からの光の積算放射照度Ｒ（＝Ｒ１＋Ｒ２）と、第２の光源３からの光の積算放射照度ＦＲと、の比（Ｒ／ＦＲ）は、０．０８３となっている（（０．００５Ｗ／ｍ^２ｘ１時間）／（０．０２Ｗ／ｍ^２ｘ３時間）より算出）。図１５は、このＲ／ＦＲを種々に変化させた場合における、茎丈が８０ｃｍ以上となるのに要したキクの生育期間の変化を示す。Ｒがゼロの場合、すなわち、第１の光源２からの赤色光をキクに対して照射しなかった場合、キクは茎丈８０ｃｍ以上となるのに平均１０２日を要した。この状態から、Ｒを増やしていくとキクの成長が促進されて、茎丈８０ｃｍ以上となるのに要する期間が短縮された。この成長促進効果は、Ｒ／ＦＲが０．００５〜０．８２の範囲で特に顕著であった。この結果は、キクの成長を効率良く促進するには、ＲをＦＲよりも少なくすることが好ましく、特に、Ｒ／ＦＲを０．００５（Ｒ：ＦＲ＝０．０５：９．９５に相当）〜０．８２（Ｒ：ＦＲ＝４．５：５．５に相当）に設定することが好ましいことを示している。

次に、照明装置１が植物Ｐに与える成長促進効果を、実際に照明装置１を用いて果菜類に属するイチゴ（品種：とちおとめ）を栽培し、イチゴの収量（１０株当たり）を算出することで確認した。

（実施例２）
イチゴは、９月末に定植され、翌年の３月まで略６ヶ月間栽培された後に収穫された。照明装置１によるイチゴへの光照射は、１１月中旬に開始され、イチゴを収穫するまで継続された。

光源２、３としては、実施例１と同一のものを用いた。また、光源２、３の設置場所及び設置個数も、実施例１と同一とした。第１の光源２は０．０１Ｗ／ｍ^２の放射照度で赤色光をイチゴに対して照射し、第２の光源３は０．０２Ｗ／ｍ^２の放射照度で遠赤色光をイチゴに対して照射した。

図１６に示すように、実施例２では、第１の光源２からの赤色光が日没の２０分前から日没の１００分後までの計２時間イチゴに対して照射され、第２の光源３からの遠赤色光が日没の１００分後から３時間イチゴに対して照射された。これに対し、図１７に示すように、比較例６では、光源２、３からの光は照射されず、太陽光に加えて日没直後より５時間白熱灯からの光がイチゴに対して照射された。

その結果、表２に示すように、実施例２によるイチゴの総収量は１４２２２グラムとなり、比較例６によるイチゴの総収量は実施例２のものよりも略２割少ない１１６５３グラムとなった。また、実施例２及び比較例６におけるイチゴの１２月〜３月までの月毎の収量及び総収量は、図１８に示す通りとなった。比較例６によるイチゴの収量は、いずれの月においても実施例２のものよりも少なかった。この結果は、照明装置１がイチゴの成長を促進することを示している。

上記のように、本実施形態の照明装置１によれば、植物Ｐに対して日没を挟んだ時間帯に赤色光成分を含む光が照射され、その後、遠赤色光成分を含む光が照射される。これにより、赤色光成分と遠赤色光成分とが混在した太陽光が照射される場合に比べて、植物ＰにおいてＰｒ型フィトクロムからＰｆｒ型フィトクロムへの変換にメリハリをつけることができるので、植物Ｐの成長が促進される。従って、植物Ｐの栽培サイクルを短くしたり、植物Ｐの収量を増加することができる。

また、Ｒ１をＲ２よりも少なくすると共に、ＲをＦＲよりも少なくする（好ましくは、Ｒ／ＦＲ＝０．００５〜０．８２とする）ことで、より一層Ｐｒ型フィトクロムからＰｆｒ型フィトクロムへの変換にメリハリをつけることができる。これにより、更に、植物Ｐの成長を促進することができる。

照明装置１は、太陽光が届かない完全閉鎖系の植物生産工場等に設置されてもよい。この場合、第１の光源２及び第２の光源３は、例えば、植物Ｐの育成に用いられる人工光源の明期／暗期スケジュールを基準にしてオン／オフ制御される。また、照明装置１は、通年に亘って利用可能であるが、特に、太陽光が減少する秋から春先にかけての短日期に有効である。

なお、本発明に係る植物育成照明装置は、上記実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、第１の光源及び第２の光源は、１種類の光源から照射される光の波長を制御することで実現されてもよい。これは、例えば、光源としてあらゆる波長の可視光を発する白熱灯を用い、この白熱灯と赤色光フィルタ又は遠赤色光フィルタとを適宜組み合わせることで実現することができる。

１ 植物育成照明装置
２ 第１の光源
３ 第２の光源
４ 制御部
５ 時間設定部
Ｐ 植物
Ｒ１ 第１の光源が日没前の時間帯に照射する光の積算放射照度
Ｒ２ 第１の光源が日没後の時間帯に照射する光の積算放射照度
Ｒ 第１の光源が照射する光の積算放射照度
ＦＲ 第２の光源が照射する光の積算放射照度

Claims (4)

1. 植物に対して光を照射する光源を備えた植物育成照明装置であって、
   波長域６１０〜６８０ｎｍの赤色光成分を含む光を照射する第１の光源と、
   波長域６８５〜７８０ｎｍの遠赤色光成分を含む光を照射する第２の光源と、
   前記第１の光源及び第２の光源の照射動作を制御する制御部と、
   前記制御部に対して前記第１の光源及び第２の光源を照射動作させる時間帯を設定する時間設定部と、を備え、
   前記時間設定部は、前記第１の光源が日没を挟んだ時間帯に０．００５Ｗ／ｍ^２以上の放射照度かつ０．０１５ｋＪ／ｍ^２以上の１日積算放射照度で照射動作し、その後、前記第２の光源が日出までの時間帯に３時間以上０．０２Ｗ／ｍ^２以上の放射照度かつ０．２１ｋＪ／ｍ^２以上の１日積算放射照度で照射動作するように設定されていることを特徴とする植物育成照明装置。
2. 前記第１の光源が日没前の時間帯に照射する光の積算放射照度は、該第１の光源が日没後の時間帯に照射する光の積算放射照度よりも少なくなるように制御されていることを特徴とする請求項１に記載の植物育成照明装置。
3. 前記第１の光源が照射する光の積算放射照度は、前記第２の光源が照射する光の積算放射照度よりも少なくなるように制御されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の植物育成照明装置。
4. 前記第１の光源が照射する光の積算放射照度と前記第２の光源が照射する光の積算放射照度との比は、０．０５：９．９５〜４．５：５．５となるように制御されていることを特徴とする請求項３に記載の植物育成照明装置。