(57)【要約】      （修正有）【課題】従来の装置と比較して、栽培期間が短く、同等以上の収穫が出来る、水耕栽培装置及びその制御方法を提供する。【解決手段】水耕栽培装置は、下部にドーム型の形状の下向きの凹部２０の窪みをもち、上部に上面から窪みの天井部に達するスリット１４をもつ苗床１１と、複数の苗床を収容する栽培ボード１３と、栽培ボードが上端部に載置される断面が上向き凹型の栽培樋と、を有する複数の栽培棚からなり、栽培樋は給排水パイプにより連結されていて満水の状態と渇水状態を繰り返す。また、水耕栽培装置の制御方法は、照明装置の照明のＯＮ時間＋ＯＦＦ時間の和からなる周期を、最長２４時間まで制御し、且つ、最短３０分まで制御する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部にドーム型の形状の下向き凹型の窪みをもち、上部に上面から前記窪みの天井部に達するスリットをもつ苗床と、
複数の前記苗床を収容する栽培ボードと、
前記栽培ボードが上端部に載置される断面が上向き凹型の栽培樋と、を有する複数の栽培棚からなり、
前記栽培樋は給排水パイプにより連結されていて満水の状態と渇水の状態を繰り返すことができる、
ことを特徴とする水耕栽培装置。
【請求項２】
前記栽培棚は多段に重ねられて、前記給排水パイプは、前記栽培棚の栽培樋を上段から下段へ順次接続する、並列に設置されたサイフォンとオーバーフロー管とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の水耕栽培装置。
【請求項３】
前記各栽培棚は各棚の上方及び／又は側方に照明をもち、前記照明はＯＮ状態とＯＦＦ状態の間で制御可能であり、
前記照明のＯＮ時間とＯＦＦ時間の比が２：１乃至４：１であり、前記照明のＯＮ時間＋ＯＦＦ時間の和からなる周期は、最長２４時間まで制御でき、且つ、最短３０分まで制御できることを特徴とする、請求項１に記載の水耕栽培装置。
【請求項４】
各々複数の苗床を収容する栽培ボード、及び
前記栽培ボードが上端部に載置される断面が上向き凹型の栽培樋を有する複数の栽培棚と、
前記各栽培棚の上方及び／又は側方に設けられて、ＯＮ状態とＯＦＦ状態の間で制御可能である照明装置と、を備える水耕栽培装置において、
前記照明のＯＮ時間とＯＦＦ時間の比が２：１乃至４：１であり、前記照明のＯＮ時間＋ＯＦＦ時間の和からなる周期を、最長２４時間まで制御し、且つ、最短３０分まで制御する、ことを特徴とする水耕栽培装置の制御方法。
【請求項５】
前記照明のＯＮ時間とＯＦＦ時間の比を３：１とし、前記照明のＯＮ時間＋ＯＦＦ時間の和からなる周期を、１時間とするよう制御する、ことを特徴とする請求項４に記載の水耕栽培装置の制御方法。
【請求項６】
前記栽培樋は給排水パイプにより連結されていて満水の状態と渇水の状態を繰り返すように制御される、ことを特徴とする請求項４に記載の水耕栽培装置の制御方法。
【請求項７】
前記苗床は、下部にドーム型の形状の下向き凹型の窪みをもち、上部に上面から前記窪みの天井部に達するスリットをもつことを特徴とする請求項４に記載の水耕栽培装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、植物、特に野菜類を水耕栽培する装置及び水耕栽培方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、植物栽培において、植物苗に人工光を照射して育苗を促す技術が取り入れられている。植物の成長を促進することで、栽培期間を短縮して、同一場所での収穫回数を増やすことができる。また、同じ栽培期間であっても、植物をより大きく成長させることができれば、収穫量を増やすことができる。
【０００３】
人工光の照射を利用した植物栽培方法として、例えば特許文献１には、赤色光照明光と青色光照明光とを交互に照射するという手法によって、植物成長促進効果を得る手法が開示されている。この照射装置は、赤色光照明光及び青色光照明光を植物に照射する光照射部と、光照射部を制御して、赤色光照明光を前記植物に照射するステップと、青色光照明光を前記植物に照射するステップと、を一定期間内に別個独立に実行する制御部と、を備える植物栽培装置により植物の育成を図るものである。
【０００４】
なお、一定以上の収穫量を確保しようとして、光源の光量を上げ過ぎている場合が多く、その条件を継続すると葉焼け等の問題が発生してしまい収量を伸ばせないという問題があった。
特許文献１の技術では照度１０００ルクス（ｌｘ）の条件で赤色光と青色光を交互に照射することでこの問題を回避し、２１日のレタスの生育で６．８ｇの地上部新鮮重量を得ている。
【０００５】
また、このような植物生産システムでは、人工照明や空調等を使用するため、通常の栽培よりもエネルギー消費量が大きいことが問題となっている。特に、このような閉鎖型の植物生産システムの場合には、電気エネルギーの供給が途絶えた段階で、内部環境を保つことができない。
そこで、例えば特許文献２には、植物生産システムへの恒常的な電力供給を行うことができるよう自家発電装置を備え、床、天井に熱交換パイプを設置することで温度分布を均一にし、均一な栽培ができる装置が提案されている。
【０００６】
特許文献２の技術では電気エネルギー、温度分布への配慮はされており、安定した収穫を得ることにはある一定の効果はでているが、植物生産システムにおいて光、空調を利用するのでランニングコストが従来の農業と比較して大きくなる。この点をクリアするために高い生産性が必要になる。
【０００７】
特許文献３においては、給排水を間欠して行なうことで根の一部を外気に触れさせ、その刺激で根の発育を促進する装置が、開示されている。
特許文献４においては、魚介類飼育システムと水耕栽培を統合したシステムで、ベル型サイフォンを使用して複数の栽培棚から飼育棚への排水を行ないつつ栽培養液を循環する装置が提案されている。
【０００８】
特許文献３の装置においては、間欠給水、即ち渇水状態を定期的に与えることで根の発育を促進し、成長ホルモンの自己分泌による急激な地上部（葉や茎）の成長を引き起こす効果が発見されており、栽培期間が３０日で２００ｇと大きな収穫量はできているものの採算性を考えると、栽培期間の一層の短縮化が必要であるという問題があった。
なお、特許文献４の装置においては、ベル型サイフォンを使用して各栽培棚からの排水をまとめて行なうことで強い水流を発生し、魚介類の飼育槽に供給する際に水流により空気を含ませることも目的としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開番号  ＷＯ２０１３／０２１９５２
【特許文献２】国際公開番号  ＷＯ２００７／０５８０６２
【特許文献３】特開  ２０１５−０２９４２３
【特許文献４】特開  ２０１７−１３９９８０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述のように水耕栽培には、室内環境で栽培を行うために日照り、冷害、水害をはじめとした天候の影響を受けない安定した生産が可能であり、虫害の影響を受けず農薬が不要という利点があるものの、栽培棚、空調、風量コントロール、水循環といった設備や温度、風量、光量、水量のコントロールやその運営に要する莫大なコストを削減し、且つ、従来農業の収穫量をはるかに上回る作高を短期間に確保しなければならないという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するためになされた本発明による水耕栽培装置は、
下部にドーム型の形状の下向き凹型の窪みをもち、上部に上面から前記窪みの天井部に達するスリットをもつ苗床と、複数の前記苗床を収容する栽培ボードと、前記栽培ボードが上端部に載置される断面が上向き凹型の栽培樋と、を有する複数の栽培棚からなり、
前記栽培樋は給排水パイプにより連結されていて満水の状態と渇水の状態を繰り返すことができる、ことを特徴とする。
【００１２】
上記の課題を解決するためになされた本発明による水耕栽培装置の制御方法は、
各々複数の苗床を収容する栽培ボード、及び前記栽培ボードが上端部に載置される断面が上向き凹型の栽培樋を有する複数の栽培棚と、前記各栽培棚の上方及び／又は側方に設けられて、ＯＮ状態とＯＦＦ状態の間で制御可能である照明装置と、を備える水耕栽培装置において、
前記照明のＯＮ時間とＯＦＦ時間の比が２：１乃至４：１であり、前記照明のＯＮ時間＋ＯＦＦ時間の和からなる周期を、最長２４時間まで制御し、且つ、最短３０分まで制御する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明による水耕栽培装置では、ドーム型の形状の下向き凹型の窪みをもつ苗床を備えているので苗の成長の早い段階から根が空気に触れるオープンな状態になることができ、且つ早い時期から、水の満水／渇水の切り替え時において水流により窪みの内部で根が良く揺動されることで根の発育が促進され、その結果成長ホルモンの自己分泌による地上部（葉や茎）の急激な成長開始を早めるという効果がある。
【００１４】
また、本発明による水耕栽培方法は照明のＯＮ時間とＯＦＦ時間の比を２：１乃至４：１にすることができる電源制御部を備えており、特にＯＮ時間＋ＯＦＦ時間の周期を短縮した場合でも、栽培棚における葉の成長が６周期以降に促進される効果が表れ、発育期間が短縮される。収穫日数の短縮と、それに伴う電力の削減が可能になる。例えばＯＮ時間とＯＦＦ時間の比を３：１にした場合、消費電力を４分の３に削減をしても同等の発育を促進できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】サイフォンを用いた、水耕栽培装置の構造を示す図である。
【図２】水耕栽培装置で使用する、従来のスポンジ状の栽培パッドの形状を示す。
【図３】水耕栽培装置で使用する、本発明のスポンジ状栽培パッドの形状を示す。
【図４】栽培棚の渇水の水位を示す図である。
【図５】栽培棚の満水の水位を示す図である。
【図６】各栽培棚における水位の変化を示すグラフである。
【図７】従来の水耕栽培法による栽培物の重量変化を表したグラフであって、Ａは一般的な従来の方法による場合、Ｂは改良された従来の方法による場合である。
【図８】本発明による水耕栽培法による栽培物の重量変化を表したグラフであって、Ｂは改良された従来の方法、Ｃ，Ｄ，Ｅは本発明による場合である。
【図９】図８の左下部分の詳細拡大図である。
【図１０】従来の栽培パッドを使用した栽培法Ｂの根の伸長と、底面に下向きの凹部を設けた栽培パッドを使用した栽培法Ｃの根の伸長を比較した写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
［従来例Ａ］
図１を参照すると、サイフォンを用いた、水耕栽培装置の構造を示す図であって、上面視略長方形の栽培ボード１３（図示せず）と、栽培ボード１３の上方に設けられた光源（図示せず）と、栽培ボード１３の下方若しくは側方に設けられた（図では下方）オーバーフロー管１とサイフォン２からなる給排水路を備える栽培樋３からなる栽培棚５を２以上の段数積層した複数の栽培棚（図では、各々栽培樋３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを含む４段の栽培棚）からなる。
【００１７】
前記給排水路は栽培ボード１３の長辺に沿って栽培ボード１３の下方に設けられている。
【００１８】
本水耕栽培装置は、或る段の栽培樋３の排水がその下段の栽培樋３の給水として流れることの有無を制御する水量制御機構を備えている。
【００１９】
最上部の栽培樋３には最下部の栽培棚３から、あるいは外部に設置した養液保存タンクからポンプを用いて養液が補給される。
【００２０】
前記水量制御機構は、各段の栽培樋３に対して十分に給水した満水状態と、少量の水を供給した又は水を供給しない渇水状態との両方を具現できる。
【００２１】
前記光源は外部にコントロール電源（図示せず）を持ち、ＯＮ（明）状態とＯＦＦ（暗）状態との切り替えと、その周期をコントロールすることが可能である。
ここで、ＯＮ（明）状態が例えば５０００ｌルクス（ｌｘ）程度の照明状態を指すのに対して、ＯＦＦ（暗）は栽培植物が光合成を実質的にしない程度の照明状態を指し、例えば２５００ｌｘ程度の人間にとっては必ずしも暗闇ではない状態を含む。
【００２２】
種子は播種棚で４日間生育し、発芽した苗を第５日目に、水耕栽培装置の苗床１１に移植する。
【００２３】
苗１０は、苗床１１の上部にあるスリット１４により種子、茎部を保持し、根１２が下方に垂れ得る状態にする。
【００２４】
図２（ａ）に示すように、苗床１１は例えば上面視十字の切込みがなされており底面がフラットなスポンジで形成されている。
苗床１１は例えば３０ｍｍの厚さを有し、この厚さは例えば葉物野菜が大きく育ったときにも苗を安定して固定するために必要である。
【００２５】
図２（ｂ）に示すように、苗床１１は栽培ボード１３に設けられた孔に嵌め込まれ、
図４に示すように、苗床１１が嵌め込まれた栽培ボード１３は栽培樋５の開放された上端部に載置される。
【００２６】
［従来例Ｂ］
上記の従来例Ａでは、図５に示すように、養水は栽培樋３を全て満水にする満水レベル３１に到達するとそのまま維持される。
【００２７】
それに対して改良された従来例Ｂでは、同じく図５を参照すると、例えば最上部の栽培樋３の養水は、オーバーフロー管１の上限レベルに到達後に満水レベル３１になると、サイフォン２またはオーバーフロー管ト１により一つ下の栽培樋３に移動する。
【００２８】
そして図４を参照すると、養液は下限レベルである渇水レベル３０まで排水される。
【００２９】
このように、渇水／満水の水量レベルを周期的に制御できる栽培樋３を使用している結果、図６を参照すると、栽培樋３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの各々の満水／渇水レベルは、４０、４１、４２、４３のように順番に推移していく。
【００３０】
栽培樋３の渇水レベル３０は例えば２０ｍｍであり、満水レベルは７０ｍｍである。
また、その満水レベル時間は例えば５分であって、満水レベルの繰り返し周期は例えば３０分である。
【００３１】
特許文献３によれば、根の発育はこのような満水状態と渇水状態を繰り返すことで、根に酸素が供給され、満水状態を継続するよりも、根腐れを発生することがなく、安定して成長することができる。
【００３２】
特に渇水状態から満水状態への切り替え時の養水の供給による波動により、根も揺動されて酸素が十分供給される。
【００３３】
従来例Ａでも保守上の水の交換や循環は行われているが、満水レベル３１を周期的に渇水レベル３０にするような大きい水位の変化を与えるような制御はなされていなかった。
【００３４】
図７を参照すると、従来例Ａと改良された従来例Ｂの一株当たりの重量を比較したグラフである。横軸は播種日を第１日とし、第５日目に栽培棚に移動されるものとする。
【００３５】
栽培環境は適切な量の二酸化炭素量、適切な量の液体肥料が施されている。
上記の満水／渇水サイクルの有無以外の、照明条件、二酸化炭素量、液体肥料を含む養液などの条件は、全て、従来例Ａと同一である。
【００３６】
図７を参照すると、従来例Ｂと従来例Ａを比較しているが、渇水−満水のサイクルを繰り返すことで、根１２の成長が促進された結果として、大きな収穫物が早期に得られるようになっていることを表している。
【００３７】
［実施例Ｃ］
図３を参照すると、本実施例Ｃでは、上記の従来例Ａ，及び改良された従来例Ｂと異なり苗床１１にはドーム状の下向きの凹部２０があり、凹部２０の上部にあるスリット１４で芽１０の種子、茎部を保持し、根１２が凹部２０内に垂れる状態にする。
本実施例Ｃでは、具体的には図５で示すように、底面にドーム状の下向きの凹部２０を有する３０ｍｍの厚さのスポンジの苗床１１を使用した。スリットの垂直方向の長さは、例えば１０ｍｍである。
【００３８】
渇水レベル３０は２７ｍｍに設定した。渇水レベルはサイフォン２の設定位置で変えることが可能であるが、根の成長に合わせて自動的に高さを変えることも可能である。
【００３９】
照明、二酸化炭素の条件、養液の条件、などはそのほかの条件は全て、従来例Ｂと同じ条件を使用した。
【００４０】
葉物の茎・葉が苗床１１の上面で育つためには発芽した苗を苗床１１の上面にセットする必要があるが、本実施例Ｃの場合、ドーム型の下向きの凹部２０がある苗床１１では、根１２が例えば１０ｍｍ長のスリット１４を通して成長するだけで、速やかに苗床１１の下方に出られる。
これに対して、改良された従来例Ｂの場合は、根１２が例えば苗床１１の厚さに相当する３０ｍｍ長のスリット１４を通して成長し苗床１１の下方に出るまでには時間がかかる。
図８を参照すると、実施例Ｃは従来例Ｂよりも一株当たり２００ｇを収穫できる日数は２日ほど短縮できる。
【００４１】
この理由は、実施例Ｃの場合、
（ｉ）渇水状態での根への酸素の供給や、満水状態での根の揺動という満水／渇水サイクルの効果が実施例Ｂの場合よりも速やかに得られる、ことに加えて、
（ｉｉ）ドーム型の凹部２０の内部で根が揺動されることで刺激を受け、根の組織が活性化され根の発育が促進されることで、成長ホルモンの自己分泌がより早くなり、成長ホルモンの分泌による地上部（葉や茎）の急激な成長のスタートが早まることにある。
【００４２】
図８を詳細に見ると、実施例Ｃにおいては従来例Ｂにおけるよりも地上部（葉や茎）の急激な成長スタートが早くなっており、且つ成長曲線の傾きが大きくなっていることがわかる。これにより、ドーム型の凹部２０を有する苗床１１を使用することが、根１２の成長の早くし、根１２のその後の全体重量の増加に効果的であることが分かる。
【００４３】
図９を参照すると、従来例Ｂと実施例Ｃにおいて根の成長がどれだけ違うかを比較した写真である。凹部２０のある苗床１１を使用することで、１週間の栽培期間では実施例Ｃの方が約２０％だけ根の成長が良かった。この速い根の成長が速い地上部（葉や茎）の成長に寄与していると考えられる。
【００４４】
［実施例Ｄ］
以上の従来例Ａ、改良された従来例Ｂ、及び本願実施例Ｃを通じて、照明は蛍光灯を使用し、常時ＯＮ（明）し、光量としては５，５００ルクス（ｌｘ）を使用した。
本実施例Ｄでは、上述のように実施例Ｃにおいては照明が常時ＯＮであったのに対して、ＯＮ（明）／ＯＦＦ（暗）サイクルを導入した。
室内環境は適切な量の二酸化炭素量、養液は適切な量の液体肥料が施されており、使用する苗床１１の形状、渇水レベル３０など、そのほかの条件は全て、実施例Ｃと同じである。
【００４５】
点灯時間のデューティは３：１で固定し、照明光源は同様に蛍光灯を使用したが、光量は検討の結果、若干増加して６，０００ルクス（ｌｘ）とするのが最適であることが判明した。この光量でもＯＮデューティを考慮すると、消費電力は実施例Ｃにおける消費電力よりも低減されている。
【００４６】
ＯＮ時間＋ＯＦＦ時間全体の周期を２４時間、即ち１日とした場合、常時ＯＮの場合に比べ葉の成長への促進効果があることが判明した。例えば、コリアンレタスの播種後１５日における苗高の平均値が、実施例Ｃによる場合、１０ｃｍであるのに対して、本実施例Ｄでは１２．５ｃｍであった。
その成長曲線の詳細を調べると、６日目から、即ち６サイクル目から、照明の点滅による成長促進の効果が現われることが分かった。即ち、ＯＮ時間とＯＦＦ時間のサイクルを与えることが葉の成長が促進されるスタートポイントには重要である、という知見を得た。
【００４７】
図８における実施例Ｄの成長曲線を参照すると、その効果は、栽培棚に移動後第６日目、即ち播種後第１１日目以降に顕著になり、一株当たり２００ｇを収穫できる日数は実施例Ｃのそれよりも少なくとも１日ほど前倒しされる。
【００４８】
［実施例Ｅ］
次に短周期であっても明暗サイクルを与えることで成長を促進することができれば、より早い栽培日数から栽培促進効果が得られるのではと考え、他の条件を変えずに照射周期を１時間に短縮したところ、やはり６サイクル目、即ち、６時間目に重量の増加が大きくなっていた。この結果から、一定（６回）のサイクル数の点滅を与えるならば、周期に関係なく明暗サイクルの効果があり、短い周期で光を照射することで葉の成長が促進されるスタートポイントを短縮化できることがわかった。
図８における実施例Ｅの成長曲線を参照すると、その効果は、栽培棚に移動後第１日目から、即ち播種後第６日目以降から顕著になり、一株当たり２００ｇを収穫できる日数で見て実施例Ｄのそれよりも少なくとも３日ほど前倒しされる。
【００４９】
図９を参照すると、図８における左下部分の詳細拡大図であって、常時ＯＮ（実施例Ｃ）の場合に比べて、ＯＮ＋ＯＦＦの周期が１日の場合（Ｄ）、播種後第１０日目、即ち栽培棚への移動後６日目（明暗サイクルが６サイクル）以降に重量増加が顕著になるのに対して、ＯＮ＋ＯＦＦの周期が１時間の場合（Ｅ）、播種後第６日目、即ち栽培棚への移動後１日目（明暗サイクルは、６サイクルしか費やしていない）以降に早くも重量増加が顕著になることが分かる。
【００５０】
なお、より短い３０分以下の周期の場合は、６サイクル目の重量増加は安定しなかったため、周期の最小値は３０分になるが、１時間周期（ＯＮ時間４５分、ＯＦＦ時間が１５分）が最も実際的且つ効果的な光の照射手段と考えられる。一方、１昼夜で６サイクルの効果を得るには、周期は４時間程度必要になり、その結果、周期の最大値は５時間になる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明に係る水耕栽培装置は、小規模生産から、大規模生産まで全ての規模で生産が可能である。大規模生産は安定した生産を高効率で行うことができ、採算性が高く、好適であり、小規模生産は試験生産だけでなく、消費現地、レストラン、家庭、販売現場、での直接利用に好適である。また、大小規模を組み合わせにより、効率的な流通を確保しつつ劣化しやすい野菜その他の植物を，新鮮な状態でエンドユーザーに提供することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１    オーバーフロー管
２    サイフォン
３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ    栽培樋
５    栽培棚
１０  芽
１１  苗床
１２  根
１３  栽培ボード
１４  スリット
２０  凹部
３０  渇水レベル（水位）
３１  満水レベル（水位）
４０  第１段（最上位段）の栽培樋の水位変化
４１  第２段の栽培樋の水位変化
４２  第３段の栽培樋の水位変化
４３  第４段（最下位段）の栽培樋の水位変化
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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