JP6562473B2 - 栽培中作物の生育状態測定装置に用いる生体保持構造体 - Google Patents

Description

本発明は、収穫前の生育段階にある栽培中作物の生育状態測定装置に用いる生体保持構造体に関する。

野菜栽培の自動制御に必要な情報である、温度・湿度・日射量・土中水分量などをリアルタイムで連続測定するセンサ装置には、既に様々な手段が提案され、製品化されてきた。
しかしながら、生育状況をリアルタイムに把握する為に必要な、作物内の栄養状態に関しては、栽培現場で測定する機器・手段が無く、サンプルを採集しての破壊試験ないしは、果実・野菜を収穫した後の結果測定に留まっていた。
そのため、栽培管理時の栄養状態の調整（灌水・追肥など）は、作業者の経験に頼った属人的な作業を余儀なくされてきた。
また、目的は異なるがサンプリングされた試料中の成分分析を、分光計測によって非接触・非破壊で実施する方法が提案されている（例えば特許文献１）。

特表２０１２−５２６２８９号公報

しかしながら、特許文献１の方法は室内での測定を前提としており、収穫前の生育段階にある栽培中作物に対して、非破壊で、植物の栄養状態を連続測定するものではない。

そこで本発明は、収穫前の生育段階にある栽培中作物に対して、非破壊で植物の栄養状態を連続測定できる、栽培中作物の生育状態測定装置に用いる生体保持構造体を提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明の栽培中作物の生育状態測定装置に用いる生体保持構造体は、植物１の測定部位１ａ、１ｂ、１ｃに対して照射光を照射し、前記測定部位１ａ、１ｂ、１ｃからの検出光を受光し、受光した前記検出光から、前記植物１の栄養状態を示す、硝酸態窒素量、炭水化物量、タンパク質量、ミネラル成分量、抗酸化物質量、及び水分量の少なくともいずれか一つの成分量を算出する栽培中作物の生育状態測定装置に用いる生体保持構造体であって、前記植物１が、収穫前の生育段階にある栽培中作物であり、前記測定部位１ａ、１ｂ、１ｃを、茎、果柄、及び葉柄のいずれかとし、前記茎、前記果柄、又は前記葉柄に装着し、第１Ｖ溝２１Ａを形成した第１構造体２２Ａと、第２Ｖ溝２１Ｂを形成した第２構造体２２Ｂと、前記第１構造体２２Ａと前記第２構造体２２Ｂとを連結する連結部材２３とを有し、前記第１Ｖ溝２１Ａ及び前記第２Ｖ溝２１Ｂに、前記茎、前記果柄、又は前記葉柄を配置することを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の栽培中作物の生育状態測定装置に用いる生体保持構造体において、前記照射光を導く投光ファイバ１７の端部１７ａを前記第１Ｖ溝２１Ａの頂部２１ｘに配置し、前記検出光を導く受光ファイバ１８の端部１８ａを前記第２Ｖ溝２１Ｂの頂部２１ｙに配置し、前記測定部位１ａ、１ｂ、１ｃを透過した前記照射光を、前記検出光とすることを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１に記載の栽培中作物の生育状態測定装置に用いる生体保持構造体において、前記照射光を導く投光ファイバ１７の端部１７ａ、及び前記検出光を導く受光ファイバ１８の端部１８ａを前記第１Ｖ溝２１Ａに配置し、前記測定部位１ａ、１ｂ、１ｃで反射した前記照射光を、前記検出光とすることを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１に記載の栽培中作物の生育状態測定装置に用いる生体保持構造体において、前記照射光を導く投光ファイバ１７の端部１７ａを、前記第１Ｖ溝２１Ａの頂部２１ｘに配置し、前記第１Ｖ溝２１ＡのＶ溝角度θｖを、前記投光ファイバ１７の最大出射角より大きくすることを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項４に記載の栽培中作物の生育状態測定装置に用いる生体保持構造体において、前記検出光を導く受光ファイバ１８の端部１８ａを、前記第２Ｖ溝２１Ｂの頂部２１ｙに配置し、前記第２Ｖ溝２１ＢのＶ溝角度θｖを、前記受光ファイバ１８の最大入射角θｍａｘより大きくすることを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項４に記載の栽培中作物の生育状態測定装置に用いる生体保持構造体において、前記検出光を導く受光ファイバ１８の端部１８ａを、前記第１Ｖ溝２１Ａの斜辺に配置することを特徴とする。

本発明によれば、収穫前の生育段階にある栽培中作物に対して、非破壊で植物の栄養状態を連続測定できる。

（ａ）本発明の一実施例による栽培中作物の生育状態測定装置を示すブロック図、（ｂ）同生育状態測定装置が測定対象とする植物の測定部位を示す図、（ｃ）同測定部位に装着する生体保持構造体を示す図 同生育状態測定装置における投光制御部での出力信号と、受光部での受光信号を示す図 受光部にフォトダイオードを用いた場合の同生育状態測定装置における投光制御部での出力信号と、受光部での受光信号を示す図 同生育状態測定装置に用いる生体保持構造体を示す構成図 同生育状態測定装置に用いる生体保持構造体の他の実施例を示す構成図 第１Ｖ溝のＶ溝角度と投光ファイバの最大出射角、及び第２Ｖ溝のＶ溝角度と受光ファイバの最大入射角との関係を示す説明図

本発明の第１の実施の形態による栽培中作物の生育状態測定装置に用いる生体保持構造体は、植物が、収穫前の生育段階にある栽培中作物であり、測定部位を、茎、果柄、及び葉柄のいずれかとし、茎、果柄、又は葉柄に装着し、第１Ｖ溝を形成した第１構造体と、第２Ｖ溝を形成した第２構造体と、第１構造体と第２構造体とを連結する連結部材とを有し、第１Ｖ溝及び第２Ｖ溝に、茎、果柄、又は葉柄を配置するものである。本実施の形態によれば、収穫前の生育段階にある栽培中作物に対して、非破壊で植物の栄養状態を連続測定できる。また、植物を傷つけることなく、茎、果柄、又は葉柄に装着することができる。

本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による栽培中作物の生育状態測定装置に用いる生体保持構造体において、照射光を導く投光ファイバの端部を第１Ｖ溝の頂部に配置し、検出光を導く受光ファイバの端部を第２Ｖ溝の頂部に配置し、測定部位を透過した照射光を、検出光とするものである。本実施の形態によれば、測定部位を透過した照射光を測定に用いることができる。

本発明の第３の実施の形態は、第１の実施の形態による栽培中作物の生育状態測定装置に用いる生体保持構造体において、照射光を導く投光ファイバの端部、及び検出光を導く受光ファイバの端部を第１Ｖ溝に配置し、測定部位で反射した照射光を、検出光とするものである。本実施の形態によれば、測定部位で反射した照射光を測定に用いることができる。

本発明の第４の実施の形態は、第１の実施の形態による栽培中作物の生育状態測定装置に用いる生体保持構造体において、照射光を導く投光ファイバの端部を、第１Ｖ溝の頂部に配置し、第１Ｖ溝のＶ溝角度を、投光ファイバの最大出射角より大きくするものである。本実施の形態によれば、投光ファイバからの照射光を全て植物の測定部位内に照射することができ、効果的な測定を行える。

本発明の第５の実施の形態は、第４の実施の形態による栽培中作物の生育状態測定装置に用いる生体保持構造体において、検出光を導く受光ファイバの端部を、第２Ｖ溝の頂部に配置し、第２Ｖ溝のＶ溝角度を、受光ファイバの最大入射角より大きくするものである。本実施の形態によれば、植物の測定部位を透過した参照光を効率よく受光し、同時に測定部位以外から回り込む外乱光の受光を極力避けることができ、効果的な測定を行える。

本発明の第６の実施の形態は、第４の実施の形態による栽培中作物の生育状態測定装置に用いる生体保持構造体において、検出光を導く受光ファイバの端部を、第１Ｖ溝の斜辺に配置するものである。本実施の形態によれば、植物の測定部位を反射した参照光を効率よく受光し、同時に測定部位以外から回り込む外乱光の受光を極力避けることができ、効果的な測定を行える。

以下に本発明の一実施例による栽培中作物の生育状態測定装置について説明する。
図１（ａ）は本発明の一実施例による栽培中作物の生育状態測定装置を示すブロック図、図１（ｂ）は同生育状態測定装置が測定対象とする植物の測定部位を示す図、図１（ｃ）は、同測定部位に装着する生体保持構造体を示す図である。

本実施例による栽培中作物の生育状態測定装置は、植物１の測定部位１ａ、１ｂ、１ｃに対する照射光を発生する光源１１と、光源１１の照射タイミングを制御する投光制御部１２と、測定部位１ａ、１ｂ、１ｃからの検出光を受光する受光部１３と、受光部１３の受光タイミングを制御する受光制御部１４と、受光部１３で受光した検出光から、植物１の栄養状態を示す成分量を算出する演算部１５と、演算部１５で算出した成分量を時刻情報とともに記憶する記憶部１６とを備えている。
また、本実施例による栽培中作物の生育状態測定装置は、植物１の測定部位１ａ、１ｂ、１ｃに装着する生体保持構造体２０と、光源１１で発生させた照射光を測定部位１ａ、１ｂ、１ｃに導く投光ファイバ１７と、測定部位１ａ、１ｂ、１ｃからの検出光を受光部１３に導く受光ファイバ１８とを備えている。

ここで、測定対象となる植物１は、収穫前の生育段階にある栽培中作物であり、測定部位１ａは茎、測定部位１ｂは果柄、測定部位１ｃは葉柄である。
光源１１には、ウォーミングアップ時間が無く、時間応答性の高い発光ダイオードを用いることが好ましく、波長の異なる複数の発光ダイオードを用いる。

受光部１３に分光器を用いる場合には、投光制御部１２では、複数の発光ダイオードの照射タイミングを同じとする。受光部１３に分光器を用い、複数の発光ダイオードの照射タイミングを同じとすることで、限られた時間で投光時受光信号を得ることができるため、環境光の変化の影響を受けにくい。
受光部１３にフォトダイオードを用いる場合には、投光制御部１２では、それぞれの発光ダイオードの照射タイミングを異ならせる。受光部１３に簡易なフォトダイオードを用いることで安価に装置を構成できる。

投光制御部１２での光源１１の照射時間（パルス幅）は、環境光の変動に対応するために十分に早い時間、例えば１／１０秒〜１／１０００秒の時間とすることが好ましい。さらに、一回の受光測定時間は、前述の照射時間で瞬時に完結するため、複数回の測定データを積算化、又は平均化することにより測定データの精度を向上できる。
非投光時受光信号の検出は、照射タイミングに限りなく近い時間が好ましいが、照射タイミングの直前は一つ前の照射時間の後、照射タイミングの直後は一つ後の照射時間の前であればよい。

植物１の栄養状態を示す成分量には、硝酸態窒素量、炭水化物量、タンパク質量、ミネラル成分量、抗酸化物質量、及び水分量の少なくともいずれか一つを含む。

演算部１５では、光源１１の照射タイミングでの検出光による投光時受光信号と、照射タイミングの直前又は直後での検出光による非投光時受光信号との差分を用いて演算処理する。このことで、特に栽培環境下で最も強いノイズである太陽光（直流光）の影響をキャンセルでき、環境光とのＳ／Ｎを向上させることができるので、収穫前の生育段階にある栽培中作物に対して、非接触・非破壊で、植物１の栄養状態を連続測定できる。

図２は、本実施例による生育状態測定装置における投光制御部での出力信号と、受光部での受光信号を示している。
図２（ａ）は投光制御部での出力信号、図２（ｂ）は外乱光によるノイズが影響する場合の受光部での受光信号、図２（ｃ）は昼間の太陽光が影響する場合の受光部での受光信号、図２（ｄ）は夜間の受光部での受光信号をそれぞれ示している。
演算部１５では、投光時受光信号から、照射タイミングの直前又は直後での非投光時受光信号を減算することで、外乱光や太陽光の影響をキャンセルできる。

図３は、受光部にフォトダイオードを用いた場合の本実施例による生育状態測定装置における投光制御部での出力信号と、受光部での受光信号を示している。
投光制御部１２では、それぞれの発光ダイオードの照射タイミングを異ならせることで、それぞれの発光ダイオードによる投光時受光信号を得ることができる。この場合にも、演算部１５では、発光ダイオードａによるＬＥＤａ投光時受光信号から、ＬＥＤａ投光時受光信号の直前での非投光時受光信号を減算し、発光ダイオードｂによるＬＥＤｂ投光時受光信号から、ＬＥＤｂ投光時受光信号の直前での非投光時受光信号を減算し、発光ダイオードｃによるＬＥＤｃ投光時受光信号から、ＬＥＤｃ投光時受光信号の直前での非投光時受光信号を減算することで、外乱光や太陽光の影響をキャンセルできる。

図４は、本実施例による生育状態測定装置に用いる生体保持構造体を示す構成図である。
図４（ａ）は、細い茎、果柄、又は葉柄を配置した状態、図４（ｂ）は、太い茎、果柄、又は葉柄を配置した状態を示している。
生体保持構造体２０は、第１Ｖ溝２１Ａを形成した第１構造体２２Ａと、第２Ｖ溝２１Ｂを形成した第２構造体２２Ｂと、第１構造体２２Ａと第２構造体２２Ｂとを連結する連結部材２３とを有し、照射光を導く投光ファイバ１７の端部１７ａを第１Ｖ溝２１Ａの頂部２１ｘに配置し、検出光を導く受光ファイバ１８の端部１８ａを第２Ｖ溝２１Ｂの頂部２１ｙに配置している。
測定部位１ａ、１ｂ、１ｃである茎、果柄、又は葉柄は、第１Ｖ溝２１Ａ及び第２Ｖ溝２１Ｂに配置する。

第１構造体２２Ａと第２構造体２２Ｂとは、連結部材２３によって、図４（ａ）に示すように当接させることも、また図４（ｂ）に示すように、離間させることもできる。
このように、投光ファイバ１７の端部１７ａを第１Ｖ溝２１Ａの頂部２１ｘに配置し、受光ファイバ１８の端部１８ａを第２Ｖ溝２１Ｂの頂部２１ｙに配置することで、測定部位１ａ、１ｂ、１ｃを透過した照射光を、検出光として測定に用いることができる。

図５は、本実施例による生育状態測定装置に用いる生体保持構造体の他の実施例を示す構成図である。
図５に示す実施例では、照射光を導く投光ファイバ１７の端部１７ａを第１Ｖ溝２１Ａの頂部２１ｘに配置し、検出光を導く受光ファイバ１８の端部１８ａを第１Ｖ溝２１Ａの斜辺に配置し、測定部位１ａ、１ｂ、１ｃで反射した照射光を、検出光としている。本実施例によれば、測定部位１ａ、１ｂ、１ｃで反射した照射光を測定に用いることができる。
なお、特に本実施例では、第１Ｖ溝２１Ａを４５°にすることが好ましい。第１Ｖ溝２１Ａを４５°とすることで、投光ファイバ１７からの照射光に対して、４５°の角度で検出光を受光ファイバ１８で受けることができる。

図６は、第１Ｖ溝のＶ溝角度と投光ファイバの最大出射角、及び第２Ｖ溝のＶ溝角度と受光ファイバの最大入射角との関係を示す説明図である。
図６（ａ）は、投光ファイバ１７の最大出射角θｍａｘ又は受光ファイバ１８の最大入射角θｍａｘと、光の広がりＷとの関係を示している。
なお、投光ファイバ１７又は受光ファイバ１８のＮＡと最大出射角θｍａｘ又は最大入射角θｍａｘとの関係は、ＮＡ＝ｓｉｎθｍａｘである。
図６（ｂ）に示すように、測定部位１ａ、１ｂ、１ｃである茎、果柄、又は葉柄の直径をＤとすると、光の広がりＷが直径Ｄより小さい場合には、投光ファイバ１７からの照射光を全て植物１の測定部位１ａ、１ｂ、１ｃ内に照射することができ、また植物１の測定部位１ａ、１ｂ、１ｃを透過ないしは反射した参照光を効率よく受光し、同時に測定部位以外から回り込む外乱光の受光を極力避けることができる。
従って、図６（ｃ）に示すように、第１Ｖ溝２１ＡのＶ溝角度θｖを、投光ファイバ１７の最大出射角θｍａｘより大きくし、又は検出光を導く受光ファイバ１８の端部１８ａを第２Ｖ溝２１Ｂの頂部２１ｙに配置する場合には、第２Ｖ溝２１ＢのＶ溝角度θｖを、受光ファイバ１８の最大入射角θｍａｘより大きくすることで、効果的な測定を行える。
なお、第１Ｖ溝２１ＡのＶ溝角度θｖ、及び第２Ｖ溝２１ＢのＶ溝角度θｖを４５°とした場合には、投光ファイバ１７の最大出射角θｍａｘ、及び受光ファイバ１８の最大入射角θｍａｘを４５°より小さくする。

本実施例による生体保持構造体２０によれば、植物１を傷つけることなく、測定部位１ａ、１ｂ、１ｃである茎、果柄、又は葉柄に装着することができ、収穫前の生育段階にある栽培中作物に対して、非破壊で植物１の栄養状態を連続測定できる。

本発明による栽培中作物の生育状態測定装置は、露地栽培やハウス栽培での植物を、昼夜を問わず、栽培期間中継続して生育状態を測定することができる。

１ 植物
１ａ、１ｂ、１ｃ 測定部位
１１ 光源
１２ 投光制御部
１３ 受光部
１４ 受光制御部
１５ 演算部
１６ 記憶部
１７ 投光ファイバ
１７ａ 端部
１８ 受光ファイバ
１８ａ 端部
２０ 生体保持構造体
２１Ａ 第１Ｖ溝
２１Ｂ 第２Ｖ溝
２１ｘ 頂部
２１ｙ 頂部
２２Ａ 第１構造体
２２Ｂ 第２構造体
２３ 連結部材
θｖ Ｖ溝角度
θｍａｘ 最大入射角、最大出射角

Claims (6)

1. 植物の測定部位に対して照射光を照射し、前記測定部位からの検出光を受光し、受光した前記検出光から、前記植物の栄養状態を示す、硝酸態窒素量、炭水化物量、タンパク質量、ミネラル成分量、抗酸化物質量、及び水分量の少なくともいずれか一つの成分量を算出する栽培中作物の生育状態測定装置に用いる生体保持構造体であって、
   前記植物が、収穫前の生育段階にある栽培中作物であり、
   前記測定部位を、茎、果柄、及び葉柄のいずれかとし、
   前記茎、前記果柄、又は前記葉柄に装着し、
   第１Ｖ溝を形成した第１構造体と、
   第２Ｖ溝を形成した第２構造体と、
   前記第１構造体と前記第２構造体とを連結する連結部材と
   を有し、
   前記第１Ｖ溝及び前記第２Ｖ溝に、前記茎、前記果柄、又は前記葉柄を配置する
   ことを特徴とする栽培中作物の生育状態測定装置に用いる生体保持構造体。
2. 前記照射光を導く投光ファイバの端部を前記第１Ｖ溝の頂部に配置し、
   前記検出光を導く受光ファイバの端部を前記第２Ｖ溝の頂部に配置し、
   前記測定部位を透過した前記照射光を、前記検出光とする
   ことを特徴とする請求項１に記載の栽培中作物の生育状態測定装置に用いる生体保持構造体。
3. 前記照射光を導く投光ファイバの端部、及び前記検出光を導く受光ファイバの端部を前記第１Ｖ溝に配置し、
   前記測定部位で反射した前記照射光を、前記検出光とする
   ことを特徴とする請求項１に記載の栽培中作物の生育状態測定装置に用いる生体保持構造体。
4. 前記照射光を導く投光ファイバの端部を、前記第１Ｖ溝の頂部に配置し、
   前記第１Ｖ溝のＶ溝角度を、前記投光ファイバの最大出射角より大きくする
   ことを特徴とする請求項１に記載の栽培中作物の生育状態測定装置に用いる生体保持構造体。
5. 前記検出光を導く受光ファイバの端部を、前記第２Ｖ溝の頂部に配置し、
   前記第２Ｖ溝のＶ溝角度を、前記受光ファイバの最大入射角より大きくする
   ことを特徴とする請求項４に記載の栽培中作物の生育状態測定装置に用いる生体保持構造体。
6. 前記検出光を導く受光ファイバの端部を、前記第１Ｖ溝の斜辺に配置する
   ことを特徴とする請求項４に記載の栽培中作物の生育状態測定装置に用いる生体保持構造体。