(57)【要約】【課題】収穫された果実の総重量及び秀品率を向上させる。【解決手段】人工授粉装置１は、トランスデューサアレイ３０と、これを制御するＰＣ１０及び駆動回路２０とを含んでいる。トランスデューサアレイ３０は、複数の圧電振動子（超音波振動子）３１が配列されたもので、植物２の花から離隔して配置される。ＰＣ１０及び駆動回路２０は、複数の圧電振動子３１にこれらの位置関係によって定まる分だけ互いに位相が異なる超音波を発生させることによって、複数の圧電振動子３１で発生した超音波を花の位置に集束させると共に、花の位置における音響放射圧の大きさが超音波帯よりも小さい変調振動数（花弁２ａの固有振動数）で周期的に切り替わるように、トランスデューサアレイ３０を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
植物の花を振動させることによって人工授粉させるために用いられる人工授粉装置であって、
植物の花から離隔して配置される、複数の超音波振動子が配列されたトランスデューサアレイと、
前記複数の超音波振動子にこれらの位置関係によって定まる分だけ互いに位相が異なる超音波を発生させることによって、前記複数の超音波振動子で発生した超音波を花の位置に集束させると共に、花の位置における音響放射圧の大きさが超音波帯よりも小さい変調振動数で周期的に切り替わるように、前記トランスデューサアレイを制御する制御手段とを備えていることを特徴とする人工授粉装置。
【請求項２】
花の花弁の固有振動数を記憶する記憶手段をさらに備えており、
前記制御手段は、前記変調振動数が前記記憶手段に記憶された花の花弁の固有振動数となるように、前記トランスデューサアレイを制御することを特徴とする請求項１に記載の人工授粉装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記複数の超音波振動子が発生する超音波の位相差を制御することに基づいて、前記複数の超音波振動子で発生した超音波が集束する位置が移動するように、前記トランスデューサアレイを制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の人工授粉装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記複数の超音波振動子で発生した超音波が集束する位置が前記トランスデューサアレイから等距離にある平面内の一方向に沿って往復移動するように、前記トランスデューサアレイを制御することを特徴とする請求項３に記載の人工授粉装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記複数の超音波振動子で発生した超音波を花の位置に集束させると共に、前記複数の超音波振動子が前記変調振動数で周期的にオンオフするように、前記トランスデューサアレイを制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の人工授粉装置。
【請求項６】
複数の超音波振動子が配列されたトランスデューサアレイ及びこれを制御する制御手段を用いた人工授粉方法であって、
前記トランスデューサアレイを、植物の花から離隔して配置する第１ステップと、
前記複数の超音波振動子にこれらの位置関係によって定まる分だけ互いに位相が異なる超音波を発生させることによって、前記複数の超音波振動子で発生した超音波を花の位置に集束させると共に、花の位置における音響放射圧の大きさが超音波帯よりも小さい変調振動数で周期的に切り替わるように、前記制御手段を用いて前記トランスデューサアレイを制御する第２ステップとを備えていることを特徴とする人工授粉方法。
【請求項７】
前記第２ステップにおいて、前記変調振動数が花の花弁の固有振動数となるように、前記制御手段を用いて前記トランスデューサアレイを制御することを特徴とする請求項６に記載の人工授粉方法。
【請求項８】
前記第２ステップにおいて、前記複数の超音波振動子が発生する超音波の位相差を制御することに基づいて、前記複数の超音波振動子で発生した超音波が集束する位置が移動するように、前記制御手段を用いて前記トランスデューサアレイを制御することを特徴とする請求項６又は７に記載の人工授粉方法。
【請求項９】
前記第２ステップにおいて、前記複数の超音波振動子で発生した超音波が集束する位置が前記トランスデューサアレイから等距離にある平面内の一方向に沿って往復移動するように、前記制御手段を用いて前記トランスデューサアレイを制御すると共に、前記トランスデューサアレイを前記平面内で前記一方向と交差する方向に移動させることを特徴とする請求項８に記載の人工授粉方法。
【請求項１０】
前記第２ステップにおいて、前記複数の超音波振動子で発生した超音波を花の位置に集束させると共に、前記複数の超音波振動子が前記変調振動数で周期的にオンオフするように、前記制御手段を用いて前記トランスデューサアレイを制御することを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の人工授粉方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動子を用いた花の人工授粉装置及び人工授粉方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
イチゴ等の果菜類を含む虫媒花は、自然界では虫（例えばミツバチ）が花粉を媒介することで良質の授粉が行われ、着実する。これら虫媒花の栽培を施設園芸で行うためには、外部から虫の侵入がない限り、人為的に授粉をさせる必要がある。トマト等一部の果菜類では、パラクロロフェノキシ酢酸等を花弁に散布するホルモン処理をすることで授粉させることができるが、イチゴ等はこの方法で授粉を促すことはできない。このため、イチゴの施設園芸においては、マルハナバチと呼ばれる人為的に育成されたミツバチの巣箱を施設内に設置し、授粉させることが広く行われている。
【０００３】
一方、昨今の施設園芸では、紫外線をカット可能な資材を用いた温室（グリーンハウス）及び太陽光を遮断した閉鎖環境下で野菜等の栽培を行う植物工場の普及が進んできており、そこでの新しい栽培作目として特にイチゴが注目を集めており、各所で栽培の取組みがなされている。
【０００４】
これら紫外線カット温室及び植物工場といった栽培施設でイチゴを栽培する場合、人工授粉が不可欠である。ところが、紫外線がない人工光の下では、ミツバチは正常の飛翔行動ができず、短期間に死んでしまう。そこで、小規模な栽培施設では人間が毛先の細かい筆などを直接花弁に接触させて授粉作業を行うことがあるが、着果・結実の良否が作業者の熟練度に大いに依存するという欠点があると共に、このような煩雑な作業を大規模の栽培施設で行うことは効率が悪く実用的ではない。また、ミツバチの代わりとして、人工的に育成させたハエを用いて授粉をさせる検討がなされているが、人間が直接生で口に入れるイチゴ等の授粉にハエを用いるのは実用的とはいえない。
【０００５】
特許文献１には、花弁に接触させることで直接花弁に振動を与え授粉を促す授粉振動装置が開示されている。この授粉振動装置は、モータを駆動源をする駆動本体と、駆動本体に取付けられて駆動源により振動する振動部材とを有しており、紫外線カット温室及び植物工場といった栽培施設でイチゴを栽培する場合において人工授粉に用いることが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−２８９１０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、本発明者らの研究によると、特許文献１に開示された授粉振動装置を用いてイチゴの授粉を行った場合、収穫された果実の総重量及び秀品率において十分な結果が得られないことが判明した。
【０００８】
本発明の目的は、収穫された果実の総重量及び秀品率に優れた人工授粉装置及び人工授粉方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の人工授粉装置は、植物の花を振動させることによって人工授粉させるために用いられる人工授粉装置であって、植物の花から離隔して配置される、複数の超音波振動子が配列されたトランスデューサアレイと、前記複数の超音波振動子にこれらの位置関係によって定まる分だけ互いに位相が異なる超音波を発生させることによって、前記複数の超音波振動子で発生した超音波を花の位置に集束させると共に、花の位置における音響放射圧の大きさが超音波帯よりも小さい変調振動数で周期的に切り替わるように、前記トランスデューサアレイを制御する制御手段とを備えている。
【００１０】
本発明の人工授粉方法は、複数の超音波振動子が配列されたトランスデューサアレイ及びこれを制御する制御手段を用いた人工授粉方法であって、前記トランスデューサアレイを、植物の花から離隔して配置する第１ステップと、前記複数の超音波振動子にこれらの位置関係によって定まる分だけ互いに位相が異なる超音波を発生させることによって、前記複数の超音波振動子で発生した超音波を花の位置に集束させると共に、花の位置における音響放射圧の大きさが超音波帯よりも小さい変調振動数で周期的に切り替わるように、前記制御手段を用いて前記トランスデューサアレイを制御する第２ステップとを備えている。
【００１１】
本発明によると、複数の超音波振動子からの超音波を花の位置に集束させると共に花の位置における音響放射圧の大きさが超音波帯よりも小さい変調振動数で周期的に切り替わるようにしているために、花弁を効果的に振動させることができる。そのため、収穫されたイチゴなどの果実の総重量及び秀品率を優れたものとすることができる。
【００１２】
本発明の人工授粉装置は、花の花弁の固有振動数を記憶する記憶手段をさらに備えており、前記制御手段は、前記変調振動数が前記記憶手段に記憶された花の花弁の固有振動数となるように、前記トランスデューサアレイを制御することが好ましい。本発明の人工授粉方法は、前記第２ステップにおいて、前記変調振動数が花の花弁の固有振動数となるように、前記制御手段を用いて前記トランスデューサアレイを制御するものであることが好ましい。これによると、花弁をさらに効果的に振動させることができるために、果実の総重量及び秀品率をより優れたものとすることができる。
【００１３】
本発明の人工授粉装置において、前記制御手段は、前記複数の超音波振動子が発生する超音波の位相差を制御することに基づいて、前記複数の超音波振動子で発生した超音波が集束する位置が移動するように、前記トランスデューサアレイを制御することが好ましい。本発明の人工授粉方法は、前記第２ステップにおいて、前記複数の超音波振動子が発生する超音波の位相差を制御することに基づいて、前記複数の超音波振動子で発生した超音波が集束する位置が移動するように、前記制御手段を用いて前記トランスデューサアレイを制御するものであることが好ましい。これによると、人工授粉装置の移動に関する自由度が制限された状況においても、広範囲の花に授粉を行うことが可能となる。
【００１４】
本発明の人工授粉装置において、前記制御手段は、前記複数の超音波振動子で発生した超音波が集束する位置が前記トランスデューサアレイから等距離にある平面内の一方向に沿って往復移動するように、前記トランスデューサアレイを制御することが好ましい。本発明の人工授粉方法は、前記第２ステップにおいて、前記複数の超音波振動子で発生した超音波が集束する位置が前記トランスデューサアレイから等距離にある平面内の一方向に沿って往復移動するように、前記制御手段を用いて前記トランスデューサアレイを制御すると共に、前記トランスデューサアレイを前記平面内で前記一方向と交差する方向に移動させるものであることが好ましい。これによると、前記一方向と交差する方向にのみ人工授粉装置を移動させることによって、広範囲の花に授粉を行うことが可能となる。
【００１５】
本発明の人工授粉装置において、前記制御手段は、前記複数の超音波振動子で発生した超音波を花の位置に集束させると共に、前記複数の超音波振動子が前記変調振動数で周期的にオンオフするように、前記トランスデューサアレイを制御することが好ましい。本発明の人工授粉方法は、前記第２ステップにおいて、前記複数の超音波振動子で発生した超音波を花の位置に集束させると共に、前記複数の超音波振動子が前記変調振動数で周期的にオンオフするように、前記制御手段を用いて前記トランスデューサアレイを制御するものであることが好ましい。これによると、超音波振動子をオフとしたときには花の位置における音響放射圧がほぼゼロとなる一方で超音波振動子をオンとしたときには花の位置における音響放射圧が極大値となるために、音響放射圧の変化量を大きくすることができる。したがって、花弁をさらに効果的に振動させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によると、花弁を効果的に振動させることができるので、収穫されたイチゴなどの果実の総重量及び秀品率を優れたものとすることができる。したがって、植物工場のような閉鎖環境において植物の授粉を好適に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施の形態に係る人工授粉装置の概略図である。
【図２】図１に描かれた人工授粉装置に用いられているトランスデューサアレイに含まれた超音波振動子の断面図及び平面図である。
【図３】トランスデューサアレイからの距離と超音波の集束点との関係を示す図である。
【図４】トランスデューサアレイに含まれる超音波振動子である圧電振動子に供給される駆動信号の一例を示す図である。
【図５】実施例と比較例における開花率及び着果率を示すグラフである。
【図６】実施例と比較例における果実の総重量、秀品数及び平均実重を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の一実施の形態に係る人工授粉装置を図１に示す。この人工授粉装置１は、パーソナルコンピュータ（以下「ＰＣ」と称する）１０と、駆動基板２０と、トランスデューサアレイ３０とから構成されている。ＰＣ１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１１、ＲＯＭ（Read-Only Memory）１２、ＲＡＭ（Random Access Memory）１３、及び、ＨＤＤ（Hard disk drive）１４などから構成されている。また、ＰＣ１０には、例えばキーボード、マウス、メモリスロット、ディスクドライブといった入力装置１５が含まれている。
【００１９】
駆動基板２０は、ＵＳＢケーブル４１を介してＰＣ１０のＵＳＢポートに接続されている。駆動基板２０には、ＰＣ１０との通信を行うＵＳＢインターフェイス２１、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）２２、複数のドライバＩＣ２３などを含む複数の回路要素が実装されている。本実施の形態においては、ＰＣ１０及び駆動基板２０上の複数の回路要素が組み合わされることによって、本発明の制御手段が構築されている。また、ＲＡＭ１３及び／又はＨＤＤ１４によって、本発明の記憶手段が構築されている。なお、図１においては駆動基板２０とトランスデューサアレイ３０とが別体として描かれているが、実際には両者は平面形状が同じで、互いに平面視において重なり合うように接合されており、一体物として取り扱うことが可能となっている。
【００２０】
トランスデューサアレイ３０は、縦１７個で横１７個＝２８９個−４個（四隅）の合計２８５個の超音波振動子である圧電振動子３１が格子状に２次元配列されたものである。各圧電振動子３１は平面視において直径１０ｍｍの円形であり、隣接する圧電振動子３１同士は互いに密着している。トランスデューサアレイ３０の前方には、複数の花弁２ａを有する花の咲いた植物２がトランスデューサアレイ３０から１００ｍｍ〜３００ｍｍ程度離隔して配置される。
【００２１】
ここで、圧電振動子３１の構造について、図２（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。本実施の形態において、圧電振動子３１として、例えば日本セラミック株式会社製の開放型超音波センサＴ４０１０Ａ１を用いることができる。参考までに、超音波センサＴ４０１０Ａ１は、共振周波数４０ｋＨｚ、半減半角５０ｄｅｇ、距離３０ｃｍにおける音圧１２１．５ｄＢ  ＳＰＬという特性を有している。
【００２２】
圧電振動子３１は、直径１０ｍｍ、高さ７ｍｍの円筒形プラスチックケース３１１の内部に圧電セラミック板３１２が配置されたものである。圧電セラミック板３１２は、その上側に電極としての金属板３１４（直径８ｍｍ）が配置されたユニモルフ構造を有している。金属板３１４の上面には、上方に向かって開放した漏斗型の共振子３１５が配置されている。圧電セラミック板３１２及び金属板３１４は、リード線を介して、プラスチックケース３１１の外部に延びた線状の端子３１６、３１７にそれぞれ接続されている。端子３１６、３１７は、ピンコネクタ４２（図１参照）を介して駆動基板２０の対応するドライバＩＣ２３に接続されている。プラスチックケース３１１の上面には、複数の貫通孔３１８が同心状に設けられている。
【００２３】
圧電振動子３１を駆動するには、一例として、圧電セラミック板３１２に０Ｖを与えると共に、金属板３１４に振動数４０ｋＨｚで＋１２Ｖと−１２Ｖを繰り返す駆動信号（パルス列信号）を駆動基板２０から与える。その結果、圧電振動子３１はユニモルフ振動し、それによって生じた超音波振動が複数の貫通孔３１８を介して外部へと放出される。
【００２４】
ここで、複数の超音波振動子が配列されたトランスデューサアレイを用いた超音波集束について、補足的に説明する。
【００２５】
特開２００３−２９８９８号公報には、１次元又は２次元的に配列された複数の超音波振動子に供給する信号の位相を制御することで、超音波を一点に集束させることによって、皮膚に触感を与えられることが開示されている。
【００２６】
また、『「小型超音波集束装置の理論と実装」、星貴之著、電気学会知覚情報研究会資料、ＰＩ−１３巻５−７号１−６ページ、２０１３年２月２７日発行』には、トランスデューサアレイにおける超音波集束について、以下の事項が開示されている。
・数１００個の超音波振動子を用いることで、数１０ｍＮ程度の力を発生させることができる。
・位相制御によって集束点（焦点）の位置を３次元空間の任意の位置に変更することができる。
・図１に描かれたような正方形のトランスデューサアレイを用いたとき、焦点面に生じる超音波の音圧分布がほぼｓｉｎｃ関数に従う。これは、各超音波振動子から位相差をもつ球面波が放射されたと仮定したときに解析的に得られた結果である。
・正方形のトランスデューサアレイの一辺の長さをＤ、超音波の波長をλ、焦点距離をＲとしたとき、集束点の径ｗは２λＲ／Ｄに等しい（図３参照）。
・超音波振動子に供給される矩形波のパルス幅制御（ＰＷＭ）によって、集束点における音響放射圧の強度を制御することができる。
【００２７】
図１に戻って、ＰＣ１０には、トランスデューサアレイ３０を制御するためのプログラムがインストールされている。通常、当該プログラムはＨＤＤ１４に記憶されている。後述するように、このプログラムをＣＰＵ１１が実行することに基づいてトランスデューサアレイ３０を駆動することによって、複数の圧電振動子３１で発生した超音波をトランスデューサアレイ３０の前方に集束させることができる。その結果、当該集束点において大きな音響放射圧を得ることができる。なお、ここで超音波の集束とは、各圧電振動子３１で発生した超音波の波の頂点を一個所に集中させることを意味している。
【００２８】
加えて、当該プログラムを用いることによって、当該集束点における音響放射圧の大きさが超音波帯よりも小さい変調振動数（本実施の形態では、花の花弁の固有振動数）で周期的に切り替わる（本実施の形態では、音響放射圧が極大値とゼロとを繰り返す）ように、しかも当該集束点がトランスデューサアレイ３０から等距離にある平面内の一方向（本実施の形態では、鉛直方向）に沿って往復移動するように、トランスデューサアレイ３０を制御することができる。
【００２９】
さらに、ＨＤＤ１４は、トランスデューサアレイ３０に含まれる複数の圧電振動子３１の位置関係に関するデータを記憶している。本実施の形態において、複数の圧電振動子３１の位置関係とは、これら複数の圧電振動子３１が配列されたＸＹ平面内の特定の１点を原点としたときの、各圧電振動子３１の中心位置のＸＹ座標である。当該位置関係に関するデータは、プログラムに当初から含まれていてもよいし、入力装置１５を用いて入力することもできる。
【００３０】
また、ＨＤＤ１４は、超音波帯よりも小さい変調振動数に関するデータとして、授粉対象となる植物２の種類ごとにその花の花弁２ａの固有振動数に関するデータを記憶している。本発明者らが確認したところ、個体差が認められるものの、イチゴ及びトマトの複数品種について、花の花弁の固有振動数は２０〜４０Ｈｚの範囲内にある。この変調振動数は、プログラムに当初から含まれていてもよいし、入力装置１５を用いて入力することもできる。また、入力装置１５を用いて、複数の植物の中から授粉対象となる植物２の種類を選択することができると共に、その固有振動数の微調整を行うことができる。
【００３１】
加えて、ＨＤＤ１４は、入力装置１５を用いて入力された、トランスデューサアレイ３０から植物２までの距離Ｒに関するデータを記憶している。距離Ｒが入力された場合、集束点の径ｗはｗ＝２λＲ／Ｄという式に基づいて自ずから決定される。トランスデューサアレイ３０から植物２までの距離Ｒは、授粉作業を行うごとに入力されてもよいし、一旦入力された値が固定値として記憶されてもよい。
【００３２】
変形例として、植物２の位置を集束点と仮定してその径ｗを入力装置１５を用いて入力してもよい。その場合集束点までの距離Ｒはｗ＝２λＲ／Ｄという式に基づいて自ずから決定される。したがって、このとき、距離Ｒを算出するために、ＨＤＤ１４は、超音波の波長λ（例えば８．５ｍｍ）又は振動数と正方形であるトランスデューサアレイ３０の一辺の長さＤとを記憶していることが必要である。これらの値もプログラムに当初から含まれていてもよいし、入力装置１５を用いて入力することもできる。
【００３３】
ＨＤＤ１４からＲＡＭ１３に読み出された当該プログラムに基づいてＣＰＵ１１が動作することによって、距離Ｒ（又は集束点の径ｗ、波長λ及び長さＤ）に関するデータと、複数の圧電振動子３１の位置関係に関するデータと、選択された植物２に係る花の花弁２ａの固有周波数に関するデータとを含む制御信号が駆動基板２０に供給される。ＦＰＧＡ２２は、距離Ｒ（又は集束点の径ｗ、波長λ及び長さＤ）に関するデータと、複数の圧電振動子３１の位置関係に関するデータとを用いて、距離Ｒにおいて超音波を集束させるために複数の圧電振動子３１に供給される駆動信号（パルス列信号）がそれぞれが有するべき位相差を算出する。さらに、ＦＰＧＡ２２は、集束点がトランスデューサアレイ３０から等距離にある平面内の一方向（本実施の形態では、鉛直方向）に沿って往復移動するように、位相差を順次算出する。
【００３４】
ドライバＩＣ２３は、ＦＰＧＡ２２が順次算出した位相差データと、選択された植物２に係る花の花弁２ａの固有周波数に関するデータとに基づいて、各圧電振動子３１の電極である金属板３１４に供給される駆動信号を生成する。本実施の形態において生成される駆動信号は、＋１２Ｖと−１２Ｖを繰り返す振動数４０ｋＨｚのパルス列信号に植物２に係る花の花弁２ａの固有周波数で変調をかけたもの、より詳細には、振動数４０ｋＨｚのパルス列信号が植物２に係る花の花弁２ａの固有周波数でオンオフを繰り返すものとなる。なお、圧電セラミック板３１２は常に０Ｖに保持される。
【００３５】
ここで、トランスデューサアレイ３０内で特定の位置関係にある（例えば隣接配置された）２つの圧電振動子３１に供給される駆動信号の一例について、図４を参照して説明する。図４（ａ）は、トランスデューサアレイ３０内のある圧電振動子３１に供給される駆動信号を示している。１パルスの周期Ｔは超音波振動の振動数４０ｋＨｚの逆数（１／４００００秒）である。上述した「超音波振動子に供給される矩形波のパルス幅制御（ＰＷＭ）によって、集束点における音響放射圧の強度を制御することができる」という結果を用いて、各パルスの幅ｔは所望の音響放射圧が得られるように決定される。
【００３６】
図４（ａ）に示す駆動信号は、超音波振動を搬送波として、授粉対象となる植物２に係る花の花弁２ａの固有周波数でオンオフを繰り返す。つまり、駆動信号は、幅ｔのパルスが周期Ｔで繰り返される期間Ｐ１とパルスが発生しない期間Ｐ２とを１周期として、この１周期が植物２に係る花の花弁２ａの固有周波数となるようなパルス列信号となる。本実施の形態において、期間Ｐ１と期間Ｐ２とは同じ長さであるが、ＰＣ１０からのデータに基づいて比率（Ｐ１／Ｐ２）を適宜変更してもよい。また、変形例として、花弁２ａの位置における音響放射圧の大きさが期間Ｐ１とは異なるものとなるように、期間Ｐ２においてパルスを繰り返して発生させてもよい。その場合、例えば期間Ｐ２におけるデューティ比（ｔ／Ｔ）を期間Ｐ１におけるよりも小さくすればよい。
【００３７】
図４（ｂ）に描かれた駆動信号は、図４（ａ）の駆動信号が供給される圧電振動子３１と特定の位置関係にある圧電振動子３１に供給されるものであり、図４（ａ）の駆動信号に対して位相差θを有する以外は同じパターンを有している。位相差θは、ＦＰＧＡ２２で算出されたものであり、植物２の位置において図４（ａ）に示すパルスの頂点と図４（ｂ）に示すパルスの頂点とがほぼ重なり合うように決定されている。
【００３８】
このような互いに位相差がありしかも花弁２ａの固有周波数で変調された駆動信号をトランスデューサアレイ３０に供給することによって、複数の圧電振動子３１で発生した超音波をトランスデューサアレイ３０の前方の植物２の位置に集束させ、当該集束点をトランスデューサアレイ３０から等距離Ｒにある平面内の一方向（本実施の形態では、鉛直方向）に沿って往復移動させ、且つ、当該集束点における音響放射圧の大きさが花の花弁２ａの固有振動数で極大値とゼロとを繰り返すようにすることができる。その結果、後述の実施例からも分かるように、花弁２ａを効果的に振動させることができるため、収穫されたイチゴなどの果実の総重量及び秀品率を優れたものとすることができる。しかも、本実施の形態の人工授粉装置１を用いると、形のいい結実果数を増やすことができ、また授粉作業を大幅に簡略化することができると共に、作業者が熟練していなくても好適な結果が得られるようになる。したがって、植物工場のような園芸施設における植物の人工栽培に関するコストを大幅に低減することができる。
【００３９】
特に、本実施の形態では、超音波振動の変調振動数を花の花弁２ａの固有振動数としているので、花弁２ａをさらに効果的に振動させることができる。したがって、果実の総重量及び秀品率をより優れたものとすることができる。
【００４０】
しかも、集束点をトランスデューサアレイ３０から等距離Ｒにある平面内で鉛直方向に沿って往復移動させることができるので、人工授粉装置１の移動に関する自由度が制限された状況においても、広範囲の花に授粉を行うことが可能となる。すなわち、トランスデューサアレイ３０を駆動して集束点を鉛直方向に沿って往復移動させつつトランスデューサアレイ３０を植物２からの距離を保った状態で鉛直方向と交差する方向（例えば水平方向）に移動させるだけで、広範囲の花に授粉を行うことが可能となる。
【００４１】
さらに、本実施の形態では、複数の圧電振動子３１を変調振動数（本実施の形態では、花の花弁２ａの固有振動数）で周期的にオンオフさせているので、圧電振動子３１をオフとしたときには花の位置における音響放射圧がほぼゼロとなる一方で圧電振動子３１をオンとしたときには花の位置における音響放射圧が極大値となるために、音響放射圧の変化量を大きくすることができる。したがって、花弁２ａをさらに効果的に振動させることができる。
【００４２】
図１に示す人工授粉装置１を用いるに当たっては、事前に授粉対象となる植物２を特定し、ユーザが入力装置１５を用いて当該植物２を選択する。さらに、トランスデューサアレイ３０から植物２までの距離Ｒ（又は集束点の径ｗ、波長λ及び長さＤ）をユーザが入力装置１５を用いて入力する。
【００４３】
次に、トランスデューサアレイ３０を授粉対象となる植物２の花から離隔した位置に、その前面が植物２と対向するように配置する（第１ステップ）。なおトランスデューサアレイ３０を配置してから入力装置１５を用いたデータ入力を行ってもよい。
【００４４】
しかる後、入力装置１５を操作してＰＣ１０にインストールされたプログラムを実行することに基づいて駆動回路２０を動作させる（第２ステップ）。これによって、上述したようにドライバＩＣ２３において、互いに位相差がありしかも花弁２ａの固有周波数で変調された駆動信号が生成される。この駆動信号がトランスデューサアレイ３０に供給されることによって、複数の圧電振動子３１で発生した超音波が花の花弁２ａを振動させ、その結果授粉が行われる。本実施の形態では超音波振動の集束点を鉛直方向に沿って往復移動させているので、トランスデューサアレイ３０を植物２からの距離を保った状態で鉛直方向と交差する方向（例えば水平方向）に移動させ、移動方向にある植物に順次授粉を行う。このとき、例えば水平に敷設したレールに沿って物体を移動させることができる搬送装置に人工授粉装置１を固定して等速度で移動させてよい。
【００４５】
（実施例）
上述した人工授粉装置１を用いて、以下のような授粉実験を行った。
＜実験条件＞
栽培品目：イチゴ（四季成り性品種であるＦ１エラン；Syngenta Japan）
栽培環境：人工光型植物工場で種子から発芽させて５０日間育苗した苗を人工光型植物工場において、以下の条件で栽培した。定植して３５日目から人工授粉装置１を用いて授粉を始めて、それから２０日後から２２日間収穫を行った。溶液の循環は２４時間通して１５リットル／ｍｉｎとした。上中下の３段ある栽培区域のうち中段と下段の２段において栽培を行った。
日長  昼１２ｈ、夜１２ｈ
温度  １５〜２２℃
湿度  ６０％±１０％
二酸化炭素  ８００ｐｐｍ
培養液  ＥＣ０．９±０．１ｄＳ／ｍ、ｐＨ７．５±０．１
光源  蛍光灯から１７ｃｍで平均３１５μｍｏｌ／ｍ２ｓ
人工授粉装置１の駆動条件：トランスデューサアレイ３０から植物２までの距離を１００ｍｍとし、振動数４０ｋＨｚで＋１２Ｖと−１２Ｖを繰り返す駆動信号を、花弁２ａの固有周波数３０Ｈｚで変調させた。１花弁あたり２秒間程度超音波振動を与えた。
測定方法：蕾にタグをかけ、個別の開花及び着果日を記録して蕾数、開花数及び着果数を計測した。その数に基づいて、開花率（開花数／蕾数）及び着果率（着果数／蕾数）を中段と下段それぞれについて算出した。また、中段及び下段それぞれについて、収穫されたイチゴの総重量（ｇ）、秀品数、平均実重（ｇ）を計測した。その結果を図５及び図６に示す。なお、秀品とは、重さ５ｇ以上で腐っておらず、色が着いているものをいう。
【００４６】
（比較例）
特許文献１（特開平７−２８９１０５号公報）に開示された装置に類似した装置（商品名：ぶんぶん太助（品番ＴＳ−５５０）、タキイ種苗株式会社）を用いて、実施例と同じ栽培品目及び栽培条件で１花弁あたり２秒間程度振動を与え、開花率（開花数／蕾数）及び着果率（着果数／蕾数）を中段と下段それぞれについて算出した。また、中段及び下段それぞれについて、収穫されたイチゴ果実の総重量（ｇ）、秀品数、平均実重（ｇ）を計測した。その結果を図５及び図６に示す。
【００４７】
図５及び図６から分かるように、中段同士及び下段同士の比較において、実施例と比較例とで開花率に大きな相違は見られなかった。着果率は実施例よりも比較例のほうがやや優れていた。この差異が生じた理由は定かではないが、人工授粉装置１の操作に不慣れであったことが原因であると思われる。それにもかかわらず、総重量（ｇ）及び秀品数では実施例が比較例よりも優れていた。秀品数を秀品率に換算しても、実施例が比較例よりも優れていた。また、平均実重（ｇ）においても、中段と下段とを総合判断すれば、実施例が比較例よりも優れていた。このような結果が得られたのは、実施例によると、花粉が均一に飛散するからであると推察される。
【００４８】
なお、本実施例では変調振動数を花弁２ａの固有周波数としているが、変調振動数が花弁２ａの固有周波数と同じでなくても超音波帯よりも小さくすることで、本実施例よりも劣るものの比較例よりも優れた結果が得られた。また、イチゴ以外の植物についても好適な結果が得られることが確認された。
【００４９】
（その他の変形例）
以上、本発明の好適な実施の形態及び実施例について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更を上述の実施の形態に施すことが可能である。例えば、超音波の集束点を移動させず１点に固定してもよい。その場合トランスデューサアレイ３０を２次元的又は３次元的に移動させることで広範囲の植物を授粉させることができる。また、超音波の集束点を２次元的又は３次元的に移動させてもよい。こうすることで、特に大型のトランスデューサアレイを用いる場合にはトランスデューサアレイを移動させる必要が減少する又は無くなる。
【００５０】
また、変調振動数は超音波帯よりも小さければ、花の花弁の固有振動数と同じでなくてもよい。さらに、超音波振動子としては、圧電振動子のほか静電振動子、熱誘起振動子など公知のものを用いることができる。また、超音波振動子は１次元的に配列してもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１  人工授粉装置
２  植物
２ａ  花弁
１０  パーソナルコンピュータ（ＰＣ）
２０  駆動基板
３０  トランスデューサアレイ
１１  ＣＰＵ
１２  ＲＯＭ
１３  ＲＡＭ
１４  ＨＤＤ
１５  入力装置
２１  ＵＳＢインターフェイス
２２  ＦＰＧＡ
２３  ドライバＩＣ
３１  圧電振動子
４１  ＵＳＢケーブル
４２  ピンコネクタ
３１１  プラスチックケース
３１２  圧電セラミック板
３１４  金属板
３１５  共振子
３１６、３１７  端子
３１８  貫通孔
【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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