(57)【要約】【課題】ＬＥＤ光源との間隔や栽培領域の大きさに依存することなく、照射効率及び照射均斉度に優れるＬＥＤ照明装置を提供することを目的とする。【解決手段】ＬＥＤ照明装置１０は、光軸１１ａ，１１ｂが互いに逆向きとなるように配置されたＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂの組と、このＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂの組の光軸１１ａ，１１ｂと交わるように配置される一対のリフレクタ１５ａ，１５ｂと、これら一対のリフレクタ１５ａ，１５ｂの反射面を傾斜させて光軸１１ａ，１１ｂの入射角αを変化させるティルト機構部１６ａ，１６ｂと、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸が互いに逆向きとなるように配置されたＬＥＤ素子の組と、
前記ＬＥＤ素子の組の光軸と交わるように配置される一対のリフレクタと、
前記一対のリフレクタの反射面を傾斜させて前記光軸の入射角を変化させるティルト機構部と、を備えるＬＥＤ照明装置。
【請求項２】
請求項１に記載のＬＥＤ照明装置において、
前記一対のリフレクタの反射面を傾斜させる回動軸と平行方向に複数のＬＥＤ素子の組を配列させる一対の回路基板を備えるＬＥＤ照明装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のＬＥＤ照明装置において、
前記ＬＥＤ素子の組は、光軸の方向が互いに外側を向くように設定され、
前記一対のリフレクタは、互いの反射面が内側を向くように傾斜しているＬＥＤ照明装置。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載のＬＥＤ照明装置において、
前記ＬＥＤ素子の組は、光軸の方向が互いに内側を向くように設定され、
前記一対のリフレクタは、互いの反射面が外側を向くように傾斜しているＬＥＤ照明装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のＬＥＤ照明装置において、
前記一対のリフレクタの反射面を傾斜させる回動軸との直交面内において、前記反射面は湾曲しているＬＥＤ照明装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のＬＥＤ照明装置において、
αをリフレクタの反射面に対するＬＥＤ素子の光軸の入射角とし、βを光度が最も高くなる配光角として、関係式０．４≦（２α−９０°)／β≦１．５を満たすＬＥＤ照明装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のＬＥＤ照明装置と、
植物を載置する棚板と、
前記ＬＥＤ照明装置及び前記棚板を、互いが対向する位置において支持する支持部材と、を備えることを特徴とする植物栽培棚。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤ（発光ダイオード）を光源に持つ照明装置及び植物栽培棚に関する。
【背景技術】
【０００２】
農産物栽培手法として、光、温度、二酸化炭素濃度などの内部環境が制御された閉鎖的な空間で植物を栽培する植物工場が注目されている。この植物工場によれば、（ｉ）天候に左右されずに狭い土地で植物を大量生産できる、（ii）無農薬、新鮮、清潔といった高付加価値の植物を安定供給できる、（iii）食の安全・安心、健康志向に合致する、といった多くの利点がある。
【０００３】
植物栽培用の照明装置として、高圧ナトリウムランプ、メタルハライドランプ、蛍光灯等を光源として利用したものが周知である。一方において近年では、省電力化や環境対策の観点から、これら従来の光源に替わり、ＬＥＤ（発光ダイオード）が光源として採用されつつある。
【０００４】
ＬＥＤは、従来の光源と比較した場合、消費電力が１／２〜１／４程度となりそれ自身の寿命も大幅に延びるために、植物工場の運営上の経費削減に貢献する。さらにＬＥＤは、従来の光源と比較して熱放射が少ないため近接照明しても植物の葉焼けを回避することができ、多段栽培を可能とし単位面積当たりの収穫量の向上にも貢献する。
【０００５】
植物栽培用照明に要求される性能として、栽培領域に対する照射効率及び照射均斉度が挙げられる。前者の照射効率の性能が優れることにより、植物工場の運営上の経費削減に貢献することができる。また後者の照射均斉度の性能が優れることで、植物の発育のバラツキを回避することができ、品質を向上させることができる。
【０００６】
ところで、ＬＥＤ素子の発光は指向性が高いため、ＬＥＤの光軸が交わる照射領域の中心部の照度が、その縁側部よりも局所的に大きくなってしまう。そこで、栽培領域に対する照射効率及び照射均斉度を向上させるために、リフレクタによる反射を利用することが考えらえる（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−０８０６０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、植物栽培棚では、０．６×１．２ｍ程度の栽培領域とＬＥＤ光源との間隔が、育成対象に応じて０．０５ｍ（５ｃｍ）〜１ｍと幅広く設定される。このような幅広い間隔設定の全てに対し、配光角が固定的に設定されたＬＥＤ光源では、要求される照射効率及び照射均斉度を、充分に満足させられない課題があった。
【０００９】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、ＬＥＤ光源との間隔や栽培領域の大きさに依存することなく、照射効率及び照射均斉度に優れるＬＥＤ照明装置及び植物栽培棚を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るＬＥＤ照明装置において、光軸が互いに逆向きとなるように配置されたＬＥＤ素子の組と、前記ＬＥＤ素子の組の光軸と交わるように配置される一対のリフレクタと、前記一対のリフレクタの反射面を傾斜させて前記光軸の入射角を変化させるティルト機構部と、を備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、ＬＥＤ光源との間隔や栽培領域の大きさに依存することなく、照射効率及び照射均斉度に優れるＬＥＤ照明装置及び植物栽培棚が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（Ａ）本発明の第１実施形態に係るＬＥＤ照明装置の斜視図、（Ｂ）第１実施形態に係るＬＥＤ照明装置においてリフレクタの傾斜角を狭く設定した場合の断面図、（Ｃ）第１実施形態に係るＬＥＤ照明装置においてリフレクタの傾斜角を広く設定した場合の断面図。
【図２】（Ａ）本発明の第２実施形態に係るＬＥＤ照明装置の斜視図、（Ｂ）第２実施形態に係るＬＥＤ照明装置においてリフレクタの傾斜角を狭く設定した場合の断面図、（Ｃ）第２実施形態に係るＬＥＤ照明装置においてリフレクタの傾斜角を広く設定した場合の断面図。
【図３】本発明の第実施形態に係る植物栽培棚の斜視図。
【図４】（Ａ）第１実施形態に係るＬＥＤ照明装置においてリフレクタの傾斜角を狭く設定した実施例１の断面図、（Ｂ）実施例１におけるＬＥＤ照明装置の配光角分布グラフ、（Ｃ）実施例１におけるＬＥＤ照明装置の配光画像。
【図５】（Ａ）第１実施形態に係るＬＥＤ照明装置においてリフレクタの傾斜角を広く設定した実施例２の断面図、（Ｂ）実施例２におけるＬＥＤ照明装置の配光角分布グラフ、（Ｃ）実施例２におけるＬＥＤ照明装置の配光画像。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１（Ａ）は本発明の第１実施形態に係るＬＥＤ照明装置１０Ａ（１０）の斜視図である。図１（Ｂ）は第１実施形態に係るＬＥＤ照明装置１０Ａにおいてリフレクタ１５ａ，１５ｂの傾斜角を狭く設定した場合の断面図である。図１（Ｃ）は第１実施形態に係るＬＥＤ照明装置１０Ａにおいてリフレクタ１５ａ，１５ｂの傾斜角を広く設定した場合の断面図である。
【００１４】
図１（Ｂ）（Ｃ）に示すように第１実施形態のＬＥＤ照明装置１０Ａは、光軸１１ａ，１１ｂが互いに逆向きとなるように配置されたＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂの組と、このＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂの組の光軸１１ａ，１１ｂと交わるように配置される一対のリフレクタ１５ａ，１５ｂと、これら一対のリフレクタ１５ａ，１５ｂの反射面を傾斜させて光軸１１ａ，１１ｂの入射角αを変化させるティルト機構部１６ａ，１６ｂと、を備えている。
【００１５】
そして第１実施形態のＬＥＤ照明装置１０ＡにおけるＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂの組は、光軸１１ａ，１１ｂの方向が互いに外側を向くように設定されている。そして、一対のリフレクタ１５ａ，１５ｂは、互いの反射面が内側を向くように傾斜している。さらに一対のリフレクタ１５ａ，１５ｂの反射面を傾斜させる回動軸１８ａ，１８ｂと平行方向に複数のＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂの組を配列させる一対の回路基板１７ａ，１７ｂを備えている。この一対の回路基板１７ａ，１７ｂは、ＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂの実装面を外側に向けて背中合わせに平行に配置されている。
【００１６】
これにより、複数のＬＥＤ素子１２ａ（１２ｂ）の配列方向とその光軸１１ａ（１１ｂ）の方向とは、直角関係を有している。そして、ＬＥＤ素子１２ａ（１２ｂ）から直進する光軸１１ａ（１１ｂ）は、全てにおいて、リフレクタ１５ａ（１５ｂ）の反射面に対し、同じ値の入射角αで入射する。そして、入射角αで入射した発光は、リフレクタ１５ａ（１５ｂ）の反射面から同値の反射角で反射され、栽培領域（図示略）を照らす。
【００１７】
ＬＥＤ素子１２（１２ａ，１２ｂ）は、植物の葉緑素（クロロフィル）における光合成に必要な波長領域の光を発光するものである。栽培対象の植物にあわせて、最適な波長を発光するＬＥＤ素子１２が選択される。この場合、光の３原色を混色させた白色ＬＥＤ素子１２を単独で回路基板１７ａ，１７ｂの表面に配置させる場合の他に、赤、緑、青の原色をそれぞれ単色発光するＬＥＤ素子１２を組み合わせて回路基板１７ａ，１７ｂの表面に配置させる場合がある。
【００１８】
ＬＥＤ素子１２の光度は、クロロフィルが吸収できる４００ｎｍから７００ｎｍまでの波長領域だけの光量子束密度で定義される光合成光量子束密度（ＰＰＦＤ；photosynthetic photon flux density）が、照明領域において最適値となるように設定される。
【００１９】
回路基板１７ａ，１７ｂは、長尺状の平板からなる電子回路基板であって、表面側には複数のＬＥＤ素子１２が実装されている。また、ＬＥＤ素子１２と干渉しない位置に、このＬＥＤ素子１２に所定の電流を流すための電子回路（図示略）が配設されている。回路基板１７ａ，１７ｂに設けられた電子回路は、複数の電子部品とこれらを接続する配線とから構成されている。この電子部品等を介して回路基板１７ａ，１７ｂに電力が供給され、回路基板１７ａ，１７ｂ上に実装されたＬＥＤ素子１２に給電して発光させる。
【００２０】
ティルト機構部１６ａ，１６ｂは、回動軸１８ａ，１８ｂを回動させてリフレクタ１５ａ，１５ｂの反射面を傾斜させるものである。なおティルト機構部１６ａ，１６ｂは、回動軸１８ａ，１８ｂを回動させるだけでなく、並進運動させる機能を備えていてもよい。またティルト機構部１６ａ，１６ｂは、それぞれのリフレクタ１５ａ，１５ｂの反射面を同じ傾斜角に設定することもできるし、別々の傾斜角に設定することもできる。また、図示されるティルト機構部１６ａ，１６ｂの構成は一例であって、リフレクタ１５ａ，１５ｂに対し、所望する傾斜角を付与するものであれば適宜採用される。
【００２１】
またリフレクタ１５ａ，１５ｂの反射面は、回動軸１８ａ，１８ｂとの平行断面においては直線であるが、直交断面においては湾曲している。そしてリフレクタ１５ａ，１５ｂの反射面は、ＬＥＤ素子１２の発光が高効率に反射されるように、鏡面仕上げされたりコーティングしたりする等の周知の表面処理が施されている。これにより反射面における反射率は、メンテナンスフリーで、１００％に近い値を維持できる。
【００２２】
ＬＥＤ照明装置１０は、ＬＥＤ素子１２を実装させた回路基板１７ａ，１７ｂ、及びリフレクタ１５ａ，１５ｂを透明な円筒に収容し、口金形状や長さ等をそろえることにより、従来の直管蛍光灯と構造的に互換性をもたせることができる。
【００２３】
（第２実施形態）
次に図２を参照して本発明における第２実施形態について説明する。図２（Ａ）は本発明の第２実施形態に係るＬＥＤ照明装置１０Ｂの斜視図である。図２（Ｂ）は第２実施形態に係るＬＥＤ照明装置１０Ｂにおいてリフレクタ１５ａ，１５ｂの傾斜角を狭く設定した場合の断面図である。図２（Ｃ）は第２実施形態に係るＬＥＤ照明装置１０Ｂにおいてリフレクタ１５ａ，１５ｂの傾斜角を広く設定した場合の断面図である。なお、図２において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
【００２４】
図２（Ｂ）（Ｃ）に示すように第２実施形態のＬＥＤ照明装置１０Ｂは、光軸１１ａ，１１ｂが互いに逆向きとなるように配置されたＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂの組と、このＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂの組の光軸１１ａ，１１ｂと交わるように配置される一対のリフレクタ１５ａ，１５ｂと、これら一対のリフレクタ１５ａ，１５ｂの反射面を傾斜させて光軸１１ａ，１１ｂの入射角αを変化させるティルト機構部１６ａ，１６ｂと、を備えている。
【００２５】
そして第２実施形態のＬＥＤ照明装置１０ＢにおけるＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂの組は、光軸１１ａ，１１ｂの方向が互いに内側を向くように設定されている。そして、一対のリフレクタ１５ａ，１５ｂは、互いの反射面が外側を向くように傾斜している。さらに一対のリフレクタ１５ａ，１５ｂの反射面を傾斜させる回動軸１８ａ，１８ｂと平行方向に複数のＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂの組を配列させる一対の回路基板１７ａ，１７ｂを備えている。この一対の回路基板１７ａ，１７ｂは、ＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂの実装面を内側に向けて向い合わせに平行に配置されている。
【００２６】
これにより、複数のＬＥＤ素子１２ａ（１２ｂ）の配列方向とその光軸１１ａ（１１ｂ）の方向とは、直角関係を有している。そして、ＬＥＤ素子１２ａ（１２ｂ）から直進する光軸１１ａ（１１ｂ）は、全てにおいて、リフレクタ１５ａ（１５ｂ）の反射面に対し、同じ値の入射角αで入射する。そして、入射角αで入射した発光は、リフレクタ１５ａ（１５ｂ）の反射面から同値の反射角で反射され、栽培領域（図示略）を照らす。
【００２７】
図３は本発明の実施形態に係る植物栽培棚２０の斜視図である。植物栽培棚２０は、ＬＥＤ照明装置１０と、植物を載置する棚板２３と、ＬＥＤ照明装置１０及び棚板２３を互いが対向する位置において支持する支持部材２２と、を備える。
【００２８】
間隔を設けて水平方向に設置された複数段（図示は３段）の棚板２３は、少なくとも四隅に設けられた支柱（支持部材２２）により支持されている。それぞれの棚板２３の上面には、栽培容器を介して植物（図示略）が載置され、栽培領域２４が形成される。そして、下段の棚板２３の上面に対向する上段の棚板２３の裏面には、ＬＥＤ照明装置１０が設けられている。また図示を省略しているが、栽培領域２４に水を供給するための給水装置が設けられる場合もある。また、床面に接する支持部材２２の箇所には、台車（図示略）が取り付けられており、植物栽培棚２０全体を容易に移動させることができる構成となっている。
【実施例】
【００２９】
以下、実施例により本発明の実施形態を更に具体的に説明する。図４（Ａ）は第１実施形態に係るＬＥＤ照明装置においてリフレクタの傾斜角を狭く設定した実施例１の断面図である。図４（Ｂ）は実施例１におけるＬＥＤ照明装置の配光角分布グラフである。図４（Ｃ）は実施例１におけるＬＥＤ照明装置の配光画像である。
【００３０】
図４（Ｃ）から明らかなように、照射領域は全体的に、植物栽培に十分な程度で照射均斉度が保たれているといえる。さらに照射領域の両端は明暗の境界が極めて鮮明である。これにより、植物栽培棚の栽培領域と照射領域とを一致させることにより、照射光の漏洩を抑制して照射効率の要求を満たすことができる。
【００３１】
ここで、αをリフレクタの反射面に対するＬＥＤ素子の光軸の入射角とし、βを光度が最も高くなる配光角として、次式（１）を得る。そして、実施例１においてα1＝５５°、β1＝２７．５°を代入すると式（１）＝０．７３の値を得る。なお光軸の入射角αは、光軸との交点における反射面の接線の傾斜角と幾何学的に一致しているので、リフレクタの傾斜角を計測して得ることができる。
（２α−９０°)／β      （１）
【００３２】
図５（Ａ）は第１実施形態に係るＬＥＤ照明装置においてリフレクタの傾斜角を広く設定した実施例２の断面図である。図５（Ｂ）は実施例２におけるＬＥＤ照明装置の配光角分布グラフである。図５（Ｃ）は実施例２におけるＬＥＤ照明装置の配光画像である。
【００３３】
図５（Ｃ）から明らかなように、照射領域は全体的に、植物栽培に十分な程度で照射均斉度が保たれているといえる。さらにリフレクタの傾斜角を広く設定しても、照射領域の両端における明暗の境界は、鮮明なまま拡幅されることが分かる。これにより、リフレクタの傾斜角を変化させることで、任意サイズの栽培領域に対し照射領域を一致させることができることが分かる。また、栽培領域のサイズを変えずにＬＥＤ照明装置との距離を変える場合であっても、栽培領域と照射領域とを一致させることができる。これにより、照射光の漏洩を抑制して照射効率の要求を満たすことができる。
【００３４】
そして、実施例２においてα2＝６６°、β2＝５０．５°を代入すると式（１）＝０．８３の値を得る。これら光軸の入射角αと最大光度配光角βとの組み合わせを数多くシミュレーションし鋭意検討した結果、次の関係式（２）を満たす場合に、照射領域の両端における明暗の境界が鮮明でかつ植物栽培において適切な照射均斉度が得られることを見出した。
０．４≦（２α−９０°)／β≦１．５      （２）
【符号の説明】
【００３５】
１０（１０Ａ，１０Ｂ）…ＬＥＤ照明装置、１１（１１ａ，１１ｂ）…光軸、１２（１２ａ，１２ｂ）…ＬＥＤ素子、１５（１５ａ，１５ｂ）…リフレクタ、１６（１６ａ，１６ｂ）…ティルト機構部、１７（１７ａ，１７ｂ）…回路基板、１８（１８ａ，１８ｂ）…回動軸、２０…植物栽培棚、２２…支持部材、２３…棚板、２４…栽培領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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