(57)【要約】【課題】低コストで精度の高い栽培実験や研究を効率良く促進させることができる植物栽培装置を提供する。【解決手段】装置本体１１の内部に、所定の最小株数の植物を収納する最小限の範囲で外部から区画された生育空間１２が形成され、生育空間１２に植物を収納したままの状態で、生育中の植物の成分を分析する成分分析手段を備える。成分分析手段は、植物に近赤外線を照射する発光部２１と、植物からの反射光ないし透過光を受光する受光部２２と、受光した前記反射光ないし透過光から得た近赤外線のスペクトルを測定した結果に基づき植物の成分を分析する解析部（コントロールユニット１００）と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
植物の生育に影響を与える各要素を調整可能な環境条件下にて、所定の最小株数の植物を育成するための植物栽培装置において、
装置本体の内部に、所定の最小株数の植物を収納する最小限の範囲で外部から区画された生育空間が形成され、
前記生育空間に植物を収納したままの状態で、生育中の植物の成分を分析する成分分析手段を備えることを特徴とする植物栽培装置。
【請求項２】
前記成分分析手段は、植物に光を照射した際の反射光ないし透過光を分析して得られる結果に基づき植物の成分を分析することを特徴とする請求項１に記載の植物栽培装置。
【請求項３】
前記成分分析手段は、
植物に近赤外線を照射する発光部と、
前記発光部による照射時に植物からの反射光ないし透過光を受光する受光部と、
前記受光部が受光した前記反射光ないし透過光から得た近赤外線のスペクトルを測定した結果に基づき植物の成分を分析する解析部と、を備えることを特徴とする請求項２に記載の植物栽培装置。
【請求項４】
前記発光部および受光部は、前記装置本体の内部にて移動可能に配置されたことを特徴とする請求項３に記載の植物栽培装置。
【請求項５】
前記成分分析手段により、植物の栽培開始前に前記装置本体の内部が空の状態で照射した近赤外線の反射光ないし透過光から得た近赤外線のスペクトルを背景データとして記録しておき、その後、植物の栽培中に照射した近赤外線の反射光ないし透過光から得た近赤外線のスペクトルを測定データとして記録し、該測定データと前記背景データとの差分に基づき植物の成分を分析することを特徴とする請求項３または４に記載の植物栽培装置。
【請求項６】
前記成分分析手段により、前記背景データを得た時における前記生育空間の温度を基準温度として記録しておき、前記測定データを得る時に、前記生育空間の温度を前記基準温度に調整する温度制御手段を有することを特徴とする請求項５に記載の植物栽培装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、植物の生育に影響を与える各要素を調整可能な環境条件下にて、所定の最小株数の植物を育成するための植物栽培装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、植物の最適な育成環境を見出すための実験に使用される研究用の植物育成装置について、様々な提案がなされている。従来の植物育成装置では、例えば特許文献１，２に開示されているように、通常はいわゆるチャンバー（恒温恒湿槽）を備えており、チャンバー内部に複数株の植物を入れて実験を行うことが一般的であった。
【０００３】
このような植物育成装置において、植物の育成に関する検証方法の代表例として成分分析が知られている。かかる成分分析には様々な方法があり、例えば特許文献３には、専用のセルに植物の試料を投入した後、この試料を透光性部材に対して押圧しながら、透光性部材を介してヘッドから試料に近赤外線を照射し、その拡散反射光から吸光度を算出して、試料に含まれる成分を分析する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許３９８２８９７号公報
【特許文献２】特許５０３４０３０号公報
【特許文献３】特開２００３−２３２７２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述した従来の植物育成装置では、植物を例えば１株等の最小株数で育成を検証する場合に、チャンバー内に複数株を収納すると、個体間で相互作用が働いてしまい単体としての検証には適さないという問題があった。このような個体間の相互作用を防ぐために、チャンバー内を何らかの形で１株ごとのエリアに区切ると、一部の植物に対して光や風が遮られてしまうことがあり、植物の置かれている環境の均一性が確保できなくなる虞があった。
【０００６】
また、チャンバー内を複数のエリアに区切ることなく、株の配置間隔を広げる場合は、限られたチャンバー内に僅かな株数しか収納することができないという問題が生じる。しかも、チャンバーは、植物を複数株まとめて収納できる大きさであるため、限られたスペースに多くの装置を設置するにも限界があった。
【０００７】
また、チャンバー内の環境条件は、収納した植物の株数に関わらず、原則として同じ温度や湿度等と一律にしか調整できなかった。従って、多くの環境条件を設定して栽培実験を行う場合には、多くの装置を用意して同時並行して実験するか、一つの実験が終わってから次の環境条件を設定し、時間的にシリーズで実験することになる。そのため、余計にコストがかかるだけでなく、実験に時間がかかるという問題があった。
【０００８】
さらに、従来の植物育成装置では、植物の成分分析を行う場合には、チャンバー内から植物を取り出さなければならなかった。前述の特許文献３に記載した方法で分析する場合には、植物を専用のセルに入れるのに適した形に加工する前処理（植物をすり潰す等）をしなければならず手間がかかり、分析した植物の栽培を再開することもできなかった。よって、栽培の途中で成分分析を行いたい場合は、複数の植物を同時に同じ条件で栽培しなければならなかった。
【０００９】
本発明は、以上のような従来の技術の有する問題点に着目してなされたものであり、植物を最小単位で育成するに際し、植物単体の能力や人工的に制御された環境下での栽培を検証することができ、また、省スペース化の要請にも応じることができ、しかも、植物の検証方法の一つである成分分析について、装置から植物を取り出したりすることなく、容易かつ正確な測定ないし検証が可能となる植物栽培装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前述した目的を達成するための本発明の要旨とするところは、以下の各項の発明に存する。  
［１］植物の生育に影響を与える各要素を調整可能な環境条件下にて、所定の最小株数の植物を育成するための植物栽培装置（１０）において、
装置本体（１１）の内部に、所定の最小株数の植物を収納する最小限の範囲で外部から区画された生育空間（１２）が形成され、
前記生育空間（１２）に植物を収納したままの状態で、生育中の植物の成分を分析する成分分析手段（２１，２２，１００）を備えることを特徴とする植物栽培装置（１０）。
【００１１】
［２］前記成分分析手段（２１，２２，１００）は、植物に光を照射した際の反射光ないし透過光を分析して得られる結果に基づき植物の成分を分析することを特徴とする前記［１］に記載の植物栽培装置（１０）。
【００１２】
［３］前記成分分析手段（２１，２２，１００）は、
植物に近赤外線を照射する発光部（２１）と、
前記発光部（２１）による照射時に植物からの反射光ないし透過光を受光する受光部（２２）と、
前記受光部（２２）が受光した前記反射光ないし透過光から得た近赤外線のスペクトルを測定した結果に基づき植物の成分を分析する解析部（１００）と、を備えることを特徴とする前記［２］に記載の植物栽培装置（１０）。
【００１３】
［４］前記発光部（２１）および受光部（２２）は、前記装置本体（１１）の内部にて移動可能に配置されたことを特徴とする前記［３］に記載の植物栽培装置（１０）。
【００１４】
［５］前記成分分析手段（２１，２２，１００）により、植物の栽培開始前に前記装置本体（１１）の内部が空の状態で照射した近赤外線の反射光ないし透過光から得た近赤外線のスペクトルを背景データとして記録しておき、その後、植物の栽培中に照射した近赤外線の反射光ないし透過光から得た近赤外線のスペクトルを測定データとして記録し、該測定データと前記背景データとの差分に基づき植物の成分を分析することを特徴とする前記［３］または［４］に記載の植物栽培装置（１０）。
【００１５】
［６］前記成分分析手段（２１，２２，１００）により、前記背景データを得た時における前記生育空間（１２）の温度を基準温度として記録しておき、前記測定データを得る時に、前記生育空間（１２）の温度を前記基準温度に調整する温度制御手段（１００）を有することを特徴とする前記［５］に記載の植物栽培装置（１０）。
【００１６】
次に、前述した解決手段に基づく作用を説明する。  
前記［１］に記載の植物栽培装置（１０）は、植物を所定の最小株数だけ育成するものであり、一つの装置本体（１１）の内部に、所定の最小株数の植物を収納する最小限の範囲で外部から区画された一連の生育空間（１２）が形成される。この生育空間（１２）において、植物の生育に影響を与える各要素が調整された環境条件に制御される。これにより、植物を育成するための多様な環境条件を簡易かつ低コストで実現することができる。
【００１７】
生育空間（１２）は、植物を所定の最小株数だけ収納する最小限の範囲に設定されるから、装置全体を極力小型化することが可能となる。これにより、植物を最小株数の単位で効率良く栽培実験や研究を進めることができるだけでなく、限られたスペース内でも、より多くの装置による環境条件の設定が可能となり、また、装置自体の価格やエネルギー消費も抑えることができる。
【００１８】
生育空間（１２）は、基本的には閉鎖系となるが、前述した植物の生育に影響を与える各要素である水分や二酸化炭素（空気）等を、装置本体（１１）の外部から供給するように構成すると良い。これにより、装置本体（１１）自体をいっそう小型化することが可能となる。また、生育空間（１２）における余分な水分や空気等は、外部に排出できるように構成する。
【００１９】
このような植物栽培装置（１０）で栽培する植物の育成に関する検証方法の一つとして、植物の成分分析が重要である。本植物栽培装置（１０）では、生育空間（１２）に植物を収納したままの状態で、生育中の植物の成分を分析する成分分析手段（２１，２２，１００）を備えている。よって、装置本体（１１）内から植物を取り出したり特別な前処理を行うことなく、植物の栽培中にそのままの状態でも容易に成分分析を行うことができる。かかる分析結果に基づいて植物の生育の良否を把握することが可能となる。
【００２０】
植物の成分分析には様々な手法が考えられるが、一般に植物が光合成に必要な光のうち可視域を吸収して、近赤外域の光を反射するという特性を利用して、前記［２］に記載したように、成分分析手段（２１，２２，１００）が、植物に光を照射した際の反射光ないし透過光を分析して得られる結果に基づき植物の成分を分析するように構成すると良い。
【００２１】
ここで成分分析手段（２１，２２，１００）は、具体的には例えば前記［３］に記載したように、発光部（２１）と、受光部（２２）と、解析部（１００）とから構成すると良い。このような構成とすれば、装置本体（１１）に収容された植物に所定のタイミングで、発光部（２１）より近赤外線を照射し、植物からの反射光ないし透過光を受光部（２２）で受光する。この受光データは解析部（１００）に出力されて近赤外線のスペクトルが測定され、該スペクトル中の特定波長成分の吸光度（減衰量）から、例えば検量線を用いて植物に含まれる成分を分析することができる。
【００２２】
前記［４］に記載の植物栽培装置（１０）によれば、前記発光部（２１）および受光部（２２）は、装置本体（１１）の内部にて移動可能に配置されている。これにより、光の照射位置や受光位置を植物の成長度合いに合わせて移動させたり、植物の広範囲に亘って近赤外線を照射することが可能となる。植物をより広範囲に亘って測定することにより、複数の受光データを収集することが可能となり、これらデータの平均を採ることで分析の精度を高めることができる。
【００２３】
前記［５］に記載の植物栽培装置（１０）によれば、前記成分分析手段（２１，２２，１００）により、先ず植物の栽培開始前に、装置本体（１１）の内部が空の状態で照射した近赤外線の反射光ないし透過光から得た近赤外線のスペクトルを背景データとして記録しておく。なお、背景データの記録先は、成分分析手段（２１，２２，１００）に限られるものではなく、他の手段で記憶するようにしても良い。
【００２４】
その後、再び前記成分分析手段（２１，２２，１００）により、植物の栽培中に照射した近赤外線の反射光ないし透過光から得た近赤外線のスペクトルを測定データとして記録する。そして、この測定データと前記背景データとの差分を採り、これに基づき植物の成分を分析する。これにより、分析の精度をいっそう高めることができ、より正確に植物の成分を分析することが可能となる。
【００２５】
また、植物により吸収されるスペクトルは、一般に周囲温度の影響を受ける虞がある。よって、前記［６］に記載したように、前記成分分析手段（２１，２２，１００）により、前記背景データを得た時における生育空間（１２）の温度を基準温度として記録しておく。そして、前記測定データを得る時に、生育空間（１２）の温度を前記基準温度に温度制御手段（１００）によって調整するように構成すると良い。
【００２６】
これにより、分析の精度が栽培中の生育空間（１２）における温度により変化する事態を防ぐことができる。なお、前記背景データや前記測定データを得るのは成分分析手段（２１，２２，１００）であるが、その時の生育空間（１２）の温度を測定したり記録する手段は、成分分析手段（２１，２２，１００）ではなく他の手段で実施すると良い。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係る植物栽培装置によれば、植物を最小株数で育成するに際し、他の植物の影響を受けにくい人工的に制御された環境下での栽培実験や研究を、安価に短い期間で、しかも高い精度で効率良く行うことが可能となり、植物の種類に見合った最適な環境条件を容易に解明することができる。これにより、植物工場や施設栽培の発展に寄与することができる。また、植物の最小株数に応じて小型化したことにより、限られたスペース内でも、同時に多くの装置ごとに環境条件の設定が可能となり、省スペース化の要請にも応じることができると共に、装置自体の価格やエネルギー消費も抑えることができる。
【００２８】
しかも、植物の検証方法の一つである成分分析について、装置から植物を取り出したりすることなく、容易かつ正確な分析ないし検証が可能となる。また、成分分析をひとつの植物で繰り返し実施することが可能となる。すなわち、栽培の途中であったとしても、成分分析を行った後に引き続きその植物の栽培が可能である。そして、成分分析の結果を基に、植物の生育結果（成分含量）を容易に検証することができる。すなわち、制御された栽培環境下で、環境条件が植物の成分にどのように影響するか、その推移を検証することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態に係る植物栽培装置を模式的に表した縦断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る植物栽培装置の制御系の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る植物栽培装置における栽培ないし成分分析を示すフローチャートである。
【図４】本発明の別の実施の形態に係る植物栽培装置を概念的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、図面に基づき、本発明を代表する実施の形態を説明する。  
最初に、図１によって、本実施の形態に係る植物栽培装置１０の全体構成について説明する。図１は、本実施の形態に係る植物栽培装置１０の要部を模式的に表した縦断面図である。植物栽培装置１０は、植物の生育に影響を与える各要素を調整可能な環境条件下にて、所定の最小株数の植物を育成するための装置である。
【００３１】
図１に示すように、植物栽培装置１０は、一つの装置本体１１の内部に、所定の最小株数の植物を収納する最小限の範囲で外部から区画された一連の生育空間１２を形成するように構成されている。ここで「所定の最小株数」とは、植物の種類ごとに適宜定められる数であり、必ずしも１株のみに限定されるものではない。例えば、予め定めた最小限の容積ないし形状に定められた生育空間１２に対して、比較的大きく成長する植物では１株だけが適する。これより小さい植物では、１株または２株、１株から３株、１株から４株、あるいは１株から５株程度が適するが、この数の限りではなく、生育空間１２において予想される植物の占有率等に基づき適宜設定される。
【００３２】
また「最小限の範囲」とは、前述した最小株数の植物が、自然な生育形態で収まる最小限の容積ないし形状であり、かかる範囲（スペース）で生育空間１２は外部から区画される。このように生育空間１２を内部とする装置本体１１全体の外形は、特に限定されるものではない。例えば、円筒状、直方体、球形、卵形、紡錘形等の様々な外形が考えられるが、本実施の形態では、図１に示すように、下部が円筒形で上部が丸味を帯びたカプセル型を採用している。
【００３３】
装置本体１１の内部の生育空間１２では、植物の生育に影響を与える各要素が調整された環境条件に制御される。ここで各要素とは、植物の光合成に必要な水分、光、二酸化炭素や、栄養素、温度、湿度等と多岐に亘るが、本実施の形態における制御対象は、光、水分である養液、空気中の二酸化炭素、空気の温度および湿度等が該当する。これらの各要素は、植物の生理に合うよう制御されることで、互いに相関を保ちながら植物の育成を促進する。
【００３４】
装置本体１１にて生育空間１２を区画する各面壁１１ａは、例えば、アクリルやポリカーボネート等の合成樹脂、あるいはアルミニウムやその合金等の金属によって構成されている。かかる各面壁１１ａの材質には、光触媒作用のある酸化チタン等を混合させれば、表面における雑菌の繁殖を抑制でき、表面の汚れを防ぐことができる。
【００３５】
また、各面壁１１ａの外面は遮光材で覆うと良い。ここで遮光材の材質は、外部からの光を透過させないものであれば何でも良いが、断熱材を兼ねるものにすると良い。具体的には例えば、発泡スチロールや塩化ビニール等の断熱性に優れた合成樹脂が適している。なお、各面壁１１ａ自体を、遮光性や断熱性を有する材質によって形成することもできる。
【００３６】
さらに、各面壁１１ａの内面には反射材を設けると良い。ここで反射材としては、後述する光照射部２０から照射された光を反射できるものであれば何でも良いが、具体的には例えば、白色反射シートや鏡面反射シートを各面壁１１ａの内面に貼り付けたり、白色塗料や光反射塗料を各面壁１１ａの内面に塗布して構成することができる。
【００３７】
装置本体１１の下部には、上面側が生育空間１２に開口した養液槽１３が設けられている。養液槽１３は、例えば、底が円板形で周壁が円形断面の底浅の槽として形成され、その材質は、前記装置本体１１の各面壁１１ａと同様に合成樹脂や金属等が用いられる。養液槽１３の内部は、水耕栽培用の養液で満たされるが、他に土壌栽培用の土や培地栽培用に固形培地等を充填しても良い。この種の植物栽培装置１０において、最も扱いやすい栽培方法は水耕栽培であり、本実施の形態では、一般的な湛液型水耕（ＤＦＴ）を採用している。
【００３８】
ここで養液とは、植物が成長するために必要な栄養素（必須元素）を溶かした水溶液である。栄養素としては、例えば、窒素（Ｎ）リン（Ｐ）、カリウム（Ｋ）等があり、これらはイオン化された状態で水に溶けている。養液は、育成する植物の種類に応じて、また目標とする育成結果を得るために、各栄養素の濃度、ｐＨ（水素イオン濃度）、ＥＣ（電気伝導度）等が異なる様々な種類が存在する。
【００３９】
養液槽１３には、装置本体１１の面壁１１ａを貫通して外部から養液を供給するための給液管１４と、不要な養液を外部へ排出するための排液管１５が接続されている。給液管１４や排液管１５の途中には、それぞれ開閉可能なバブル（例えば電磁弁等）が設けられ、給液管１４の途中には、送液用の電動ポンプ等も配設されている。なお、給液管１４や排液管１５は、断熱材を外周に被覆する等して断熱すると良い。
【００４０】
装置本体１１の面壁１１ａにおいて養液槽１３の上方には、生育空間１２に外部から空気（二酸化炭素）を供給するための給気管１６が接続されている。また、装置本体１１の天井部には、生育空間１２の空気を外部へ排出するための排気管１７も接続されている。給気管１６や排気管１７の途中には、それぞれ開閉可能なバブル（例えば電磁弁等）が設けられ、給気管１６の途中には、送風用の電動ポンプや送風ファン等も配設されている。なお、給気管１６や排気管１７も、断熱材を外周に被覆する等して断熱すると良い。
【００４１】
また、装置本体１１の天井部には、下方に位置する植物に対して光を照射する光照射部２０が設けられている。光照射部２０は、それ自体が光源として構成される場合と、外部の光源から導光された光を照射する場合があるが、何れの場合も、下方に向けて光を照射する状態に配置される。光照射部２０自体が光源となる場合は、具体的には例えば、ＬＥＤ（発光ダイオード）、小型の蛍光灯や白熱灯、そのほか有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）等により構成すると良い。
【００４２】
特にＬＥＤは、他の光源に比べて小型化が可能であり、低消費電力であり、長寿命である等の利点を有するため、光源として適している。ＬＥＤには、様々な発光色を発するものがあり、例えば、赤色光、青色光、緑色光、白色光、遠赤光等の複数の発光色のものを所定の割合（例えば発光面積の比）で適宜組み合わせ、互いに異なる分光分布（ナロー、ブロード、波長合成）や光量（光量子束密度）の種類を用意すると良い。
【００４３】
植物の生育に光が必要なのは、植物が光合成を行うためであるが、植物の主な集光色素であるクロロフィルａやクロロフィルｂで最も吸収されやすい波長は、４００〜５００ｎｍ付近の青色光と、６００〜７００ｎｍ付近の赤色光である。これらの波長域の光が、光合成にとって有効であることが知られている。よって、この２つの波長域の光をメインとした照射を行うように、光源の発光色を制御すると良い。
【００４４】
また、外部に光源がある場合は、例えば、太陽光等の自然光を光ファイバーによって光照射部２０まで導光して照射するように構成したり、あるいは、外部にあるＬＥＤ等からの人工光を光ファイバーによって光照射部２０まで導光して照射するように構成しても良い。光照射部２０とは別に外部光源がある場合には、太陽光やＬＥＤ等の光をレンズ等から成る集光機により効率的に集め、この集光した光を、光ファイバーで光照射部２０まで導くことになる。ここで光ファイバーの光を出射する先端部が、主として光照射部２０に相当することになる。
【００４５】
さらに、本植物栽培装置１０は、生育空間１２に植物を収納したままの状態で、生育中の植物の成分を分析する成分分析手段を備えている。成分分析手段は、植物に光を照射した際の反射光ないし透過光を分析して得られる結果に基づき植物の成分を分析するものである。本実施の形態では、測定媒体の光として近赤外線を用いている。すなわち、植物に近赤外線を照射すると、植物に含まれている各種成分ごとに近赤外線のうち特定波長成分が吸収されるので、植物からの反射光ないし透過光を分析して特定波長成分の吸光度（減衰量）を算出することで、植物に含まれている成分を分析するものである。
【００４６】
具体的には成分分析手段は、発光部２１と、受光部２２と、解析部とを備えている。発光部２１は、植物に近赤外線を照射するものであり、光源を備えて構成されている。ここで光源としては、例えばＬＥＤを用いると良いが、特に限定されるものではない。発光部２１は、ユニットとして構成されており、前記面壁１１ａの内面の適所に、例えば支持具や吸盤等を介して取り付けられるが、着脱自在として任意の位置に移動可能に配置すると良い。なお、発光部２１の光源を、前記光照射部２０と兼用するように構成しても良い。
【００４７】
また、発光部２１による近赤外線の照射は、例えばフィルター等によって、特定波長域の成分のみを照射するように構成しても良い。前述したように、植物に含まれる各種成分ごとに吸収される周波数帯域が異なるので、特定の成分を検出するために必要な特定波長域のみを照射することが考えられる。具体的には例えば、特定波長域を６００〜１０００ｎｍの範囲に設定すれば、特に硝酸イオン濃度の測定が可能となる。なお、発光部２１は１つに限らず複数設けても良い。
【００４８】
受光部２２は、前記発光部２１による照射時に植物からの反射光ないし透過光を受光するものである。かかる受光部２２は、具体的には例えば、植物からの反射光ないし透過光を集光する光ファイバーと、赤外線センサ（例えばＣＣＤ）等の検出器とから構成すると良い。ここで、光ファイバーにより集光した光は、検出器に入射した後に、そのまま検出器から受光データとして、後述するコントロールユニット１００に出力されるように設定されている。
【００４９】
受光部２２も、前記発光部２１と同様にユニットとして構成されており、前記面壁１１ａの内面の適所に、例えば支持具や吸盤等を介して取り付けられる。かかる受光部２２も、着脱自在に取り付けられる構成として、例えば前記面壁１１ａの内面の任意の位置に移動可能に配置すると良い。なお、受光部２２により受光した光は、分光器によって近赤外線領域の波長ごとに分離して出力するように構成しても良い。また、受光部２２も１つに限らず複数設けても良い。
【００５０】
また、前述した受光部２２の代わりに、カメラによって受光部を構成して、該カメラで２次元画像内の画素単位で吸光度スペクトルを計測するように構成しても良い。カメラとしては、具体的には例えば、ハイパースペクトルカメラが適している。ここでハイパースペクトルカメラとは、ハイパースペクトル情報をもった画像を撮影可能なカメラであり、ハイパースペクトル情報とは、光を波長として捉え、各波長における光の強度を測定したものである。
【００５１】
解析部は、コントロールユニット１００によって実現される機能の一つであり、前記受光部２２が受光した反射光ないし透過光から得た近赤外線のスペクトルを測定した結果に基づき植物の成分を分析するものである。解析部を含むコントロールユニット１００の各機能について詳しくは後述するが、コントロールユニット１００は、防水性のケースに密閉された状態で、装置本体１１の内部にて前記養液槽１３の下方に配設されている。
【００５２】
次に、生育空間１２に設けられた制御系の構成要素について説明する。ここで制御系の構成要素とは、生育空間１２における環境条件の制御に関与するものである。図１中では図示省略したが、装置本体１１内にある養液槽１３内の適所には、養液の水温を検出する温度センサが設けられている。温度センサ自体の構成は、一般的であるので省略するが、温度センサは、後述するコントロールユニット１００に、検出した養液の水温の測定値を出力するように設定されている。
【００５３】
養液の水温を調整する構成要素（被制御機器）としては、加温器や冷却器が考えられる。これら制御対象となる構成要素は、本実施の形態では、養液槽１３内に直接設けることなく、装置本体１１の外部にある養液生成ユニット１４０に設けられている。かかる養液生成ユニット１４０で水温等を調整した養液を、前記給液管１４を通して装置本体１１内の養液槽１３に供給するように構成している。
【００５４】
養液槽１３では、さらに水感センサを設けてオーバーフローを検知可能として、養液の供給ないし排出量の調整や、養液を一定量に保つ制御も行っている。さらに、養液中の各栄養素の濃度、ｐＨ（水素イオン濃度）、ＥＣ（電気伝導度）等を検知して、センシングデータを出力する各種センサを設け、それぞれの要素についてもフィードバック制御を行うように構成しても良い。
【００５５】
また、装置本体１１内には、養液槽１３の上方に位置する各面壁１１ａの内側等の適所に、生育空間１２の空気に関するセンシングデータを出力する温度センサ、湿度センサ、二酸化炭素センサ等が設けられている。これらのセンサ自体の構成も、一般的であるので省略するが、各種センサもコントロールユニット１００に信号線を介して接続され、検出した測定値をコントロールユニット１００に出力するように設定されている。
【００５６】
空気の温度を調整する構成要素としては、前記養液の水温制御と同様に加温器や冷却器が考えられる。また、湿度を調整する構成要素として加湿器が、二酸化炭素濃度を調整する構成要素として炭酸ガス発生器も考えられる。これらも、装置本体１１内に設けることなく、後述の空気生成ユニット１３０として装置本体１１の外部に設け、温度等の環境条件を調整した空気を、給気管１６を通して生育空間１２に供給するように構成している。さらに、装置本体１１内には、必要に応じて風量センサを設け、前記給気管１６からの空気の吹き出し量を検知し、空気の供給ないし排出量（送風量）の制御を行っても良い。
【００５７】
また、光の環境条件に関するセンシングデータを出力する照度センサや、光量（光量子束密度）センサ等も、装置本体１１内にてスペース的に余裕のある適所に設けられている。これらの光に関する各種センサ自体の構成も、一般的であるので省略するが、各種センサは、前記温度センサ等と同様に、コントロールユニット１００に信号線を介して接続され、検出した測定値（センシングデータ）をコントロールユニット１００に出力するように設定されている。
【００５８】
さらに、装置本体１１内の適所には、植物の育成状況を検出するためのカメラ２３や、植物の成長に応じて変化する値（例えば生体電位等）を検出するためのセンサ等も設けても良い。ここでカメラ２３は、生育空間１２における植物の様子を撮影できる位置に配置され、具体的には例えばＣＣＤカメラ等が適している。かかるカメラ２３は、ＵＳＢポートを介して給電すると共に、適宜撮影した画像データをコントロールユニット１００に送信するように構成すると良い。画像データは、植物の生育状態に関する栽培記録として保存され活用される。なお、装置本体１１内の植物を直接観察できるように、各面壁１１ａの適所に必要に応じて開閉可能な窓部を設けても良い。
【００５９】
次に、本実施の形態に係る植物栽培装置１０の制御系について、図２を参照して説明する。図２は、植物栽培装置１０の制御系の構成を示すブロック図である。
植物栽培装置１０は、前記装置本体１１に付帯する制御系の構成として、コントロールユニット１００のほか、養液生成ユニット１４０、空気生成ユニット１３０、光源ユニット１２０等を備えている。また、コントロールユニット１００は、ＬＡＮ、インターネット、あるいは電話回線等の通信回線を介して、外部のコンピュータ２００とも接続されている。
【００６０】
図２において、コントロールユニット１００は、前記装置本体１１の生育空間１２における環境条件を制御するものであり、前記装置本体１１の底部に配設されている。コントロールユニット１００は、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェース等から構成されたマイクロコンピュータから構成されている。かかるコントロールユニット１００は、各種制御を実行するための制御プログラムを作成する手段、前記各センサからのセンシングデータや制御プログラム等を記憶するメモリ、センシングデータや制御プログラム等を表示する表示部等を備えている。
【００６１】
コントロールユニット１００は、光源ユニット１２０、空気生成ユニット１３０、養液生成ユニット１４０に、それぞれ含まれる被制御機器のほか、入力操作を行うスイッチ等の操作手段１０１、前述した各種センサ等に、通信Ｉ／Ｆを介して通信可能に接続されている。すなわち、コントロールユニット１００は、各センサからのセンシングデータの受信、被制御機器との間で制御信号の送信や電源の供給等を行うように設定されている。また、コントロールユニット１００は、通信回線を介して外部のコンピュータ２００との間で、センシングデータの送信や制御信号の送受を行うように設定されている。
【００６２】
ここでセンシングデータとしては、養液の水温、養液の供給量、空気の温度や湿度、二酸化炭素濃度、送風量、照度、光量のほか、実際に設けたセンサに応じて、養液中の各栄養素の濃度、ｐＨ（水素イオン濃度）、ＥＣ（電気伝導度）、スペクトル、画像データ等が該当する。また、制御信号としては、加温器や冷却器の制御信号、送風手段や電動ポンプの制御信号、そのほか各種の被制御機器のＯＮ／ＯＦＦや稼働出力に関する制御信号等が該当する。
【００６３】
コントロールユニット１００の操作手段１０１によって、育成する植物の種類や状態等に応じた被制御機器の設定値として、目標とする養液の水温、養液の供給量、空気の温度や湿度、二酸化炭素濃度、送風量、照度、光量等の具体的な値を適宜入力することができる。ここで入力された設定値は、通信回線を介してコンピュータ２００にも送信され、該コンピュータ２００にあるメモリにも保存される。
【００６４】
コントロールユニット１００は、操作手段１０１から入力された、あるいはコンピュータ２００から送信された被制御機器の設定値を受信すると、これを時系列にメモリに保存する。この設定値と前記センシングデータ（測定値）に基づいて、各被制御機器へ制御信号を送信して制御する。なお、設定値は、植物栽培装置１０における植物栽培の開始日から相対的な経過日数（時間）ごとに適宜定めることができる。
【００６５】
また、操作手段１０１は、植物の成分分析のタイミング等に関する入力操作を受け付けて、コントロールユニット１００に入力する。ここでコントロールユニット１００の制御プログラムには、前述した環境条件の制御に関する機能のほか、植物の成分分析に関する機能として、前記受光部２２が受光した植物からの反射光ないし透過光から得た近赤外線のスペクトルを測定した結果に基づき植物の成分を分析する「解析部」の機能も含まれている。
【００６６】
次いで、養液生成ユニット１４０について説明する。
養液生成ユニット１４０は、前記養液槽１３内に供給する養液を生成して貯えるタンク１４１のほか、タンク１４１に対して養液を供給する補給手段、タンク１４１内で養液を混ぜる撹拌手段、タンク１４１内の養液の水温を調整する加温器および冷却器、生成した養液を養液槽１３へ送る給液管１４等を含む送出手段等を、必要に応じて備えている。これらの被制御機器は、前記コントロールユニット１００に接続され、コントロールユニット１００からの制御信号に応じて制御される。
【００６７】
ここでタンク１４１は、断熱材で覆われており、給水手段、補給手段、送出手段には、その経路の途中に電磁弁や電動ポンプ、フィルター等が設けられている。送出手段からは、流量調整弁を介して所定量の養液が送出されるように構成されている。送出手段の給液管１４の下流端は、前記養液槽１３に接続されている。
【００６８】
加温器は、タンク１４１の内の養液を加温するものであり、具体的には例えば、タンク１４１内に配されたラジエーター（例えば加熱管等）に加熱水の供給経路から加熱水が供給されることにより、タンク１４１内の養液を加温するように構成されている。ここで加熱水は、例えば、別途設置されたヒートポンプ給湯機等によって加熱されたものが随時供給される。
【００６９】
冷却器は、タンク１４１の内の養液を冷却するものであり、具体的には例えば、タンク１４１内に配されたラジエーター（例えば冷却管等）に冷却水の供給経路から冷却水が供給されることにより、タンク１４１内の養液を冷却するように構成されている。ここで冷却水は、地下水や水道水を利用したり、例えば、別途設置されたヒートポンプ等によって冷却されたものが随時供給される。
【００７０】
このような冷却器および加温器によって、タンク１４１から養液槽１３内に供給する養液の温度を、所定の範囲内で任意の設定温度（設定値）に制御できるように加温ないし冷却が可能に構成されている。養液生成ユニット１４０で生成された養液は、断熱された給液管１４を介して養液槽１３内に随時供給される。なお、養液生成ユニット１４０の適所（例えばタンク１４１内等）にも、前記装置本体１１に設けた温度センサを必要に応じて設けても良い。
【００７１】
次いで、植物栽培装置１０の空気生成ユニット１３０について説明する。
空気生成ユニット１３０は、装置本体１１の生育空間１２に供給する空気を調整して貯えるタンク１３１のほか、タンク１３１に対して空気（大気）を供給する給気手段、タンク１３１内の空気を撹拌する撹拌手段、タンク１３１内の空気の温度を調整する加温器および冷却器、湿度を調整する加湿器、炭酸ガス発生器、それに調整した空気を装置本体１１内へ送る前記給気管１６等を含む送出手段等を、必要に応じて備えている。これらの被制御機器は、前記コントロールユニット１００に接続され、コントロールユニット１００からの制御信号に応じて制御される。
【００７２】
ここでタンク１３１は、断熱材で覆われており、給気手段、送出手段には、その経路の途中に電磁弁や電動ポンプ、フィルター等が設けられている。送出手段からは、圧力調整弁を介して所定の流量で空気が送出されるように構成されている。送出手段の給気管１６の下流端は、装置本体１１に接続されている。また、加温器や冷却器は、前記養液生成ユニット１４０に設けたものと基本的に同様に構成されており、タンク１３１内の空気を加温ないし冷却して所望の設定温度に調整できるものである。
【００７３】
冷却器および加温器によって、タンク１３１から生育空間１２に供給する空気の温度を、所定の範囲内で任意の設定温度（設定値）に制御できるように加温ないし冷却が可能に構成されている。また、一般的なシーズヒーターやパネルヒーターをタンク１３１内に直接配設して加温（または冷却）したり、ヒートポンプ等の温風（または冷風）により加温（または冷却）するように構成しても良い。なお、ペルチェ素子（熱電冷却素子）を利用した温度調整手段によって、一つの装置で加温ないし冷却を行うように構成しても良い。
【００７４】
加湿器は、図示省略したが前記タンク１３１内の空気を加湿するものであり、具体的には例えば、超音波式加湿器等が該当し、タンク１３１内の空気の湿度を任意の設定値に調整可能なものであれば良い。
炭酸ガス発生器は、図示省略したがタンク１３１内に炭酸ガスを供給するものであり、具体的には例えば、液化炭酸ガスボンベに取り付けた電磁弁、レギュレーターや圧力計等から構成され、炭酸ガスを任意の圧力ないし流量に調整して供給できるものであれば足りる。
【００７５】
次いで、植物栽培装置１０の光源ユニット１２０について説明する。
光源ユニット１２０は、前記装置本体１１の天井部に設けた光照射部２０（ＬＥＤ）の点灯制御回路や電力供給用の電源装置等を、必要に応じて備えている。また、外部の光源から装置本体１１内に光を導く場合には、光ファイバー等の導光のための手段等も、光源ユニット１２０の構成要素として捉えても良い。なお、点灯制御回路等の一部の構成要素は、装置本体１１内にスペース的な余裕があれば、装置本体１１内の適所に配置してもかまわない。
【００７６】
点灯制御回路や電源装置等は、前述したコントロールユニット１００に接続され、コントロールユニット１００からの制御信号に応じて光照射条件が制御される。ここで光照射条件とは、例えば、光照射部２０がＬＥＤからなる場合、点灯させるＬＥＤの数ないし位置、点灯させるＬＥＤの光量、ＬＥＤの点灯時間（暗闇時間、点滅サイクル周期等）、パルス制御等の様々な光の照射条件が該当する。
【００７７】
次いで、外部のコンピュータ２００についても説明する。
コンピュータ２００は、例えば、通常のパーソナルコンピュータからなり、前述したコントロールユニット１００に通信回線を介して接続されている。ここでコンピュータ２００に接続される植物栽培装置１０の数は、１つに限られることなく、複数の植物栽培装置１０，１０…を接続しても良い。コンピュータ２００に、複数の植物栽培装置１０，１０…を接続した場合は、各植物栽培装置１０の生育環境における環境条件をまとめて同時に異なる状況下に制御することができる。
【００７８】
すなわち、コンピュータ２００は、複数の植物栽培装置１０ごとに各センサからのセンシングデータ等の各種情報を受信し、複数の植物栽培装置１０をまとめて制御、監視、記録することができるように設定されている。コンピュータ２００は、複数の植物栽培装置１０における様々なデータを蓄積するデータベースを備えており、必要なデータを所定の形式で比較したり整理したものを表示することができるように設定されている。
【００７９】
以下、本実施の形態に係る植物栽培装置１０の作用について説明する。  
本植物栽培装置１０では、一つの装置本体１１の内部に、所定の最小株数の植物を収納する最小限の範囲で外部から区画された一連の生育空間１２が形成される。かかる生育空間１２では、植物の生育に影響を与える環境条件のセンシングのほか、所望の環境条件に制御することが可能であり、また、植物の生育状態を記録することができるオールインワンの実験装置の構築が容易となる。
【００８０】
これにより、植物を育成するための多様な栽培実験や研究を簡易かつ低コストで実施することができ、植物の種類に見合った最適な環境条件を容易に解明することが可能となる。しかも、生育空間１２は、所定の最小株数の植物を収納するだけの最小限の範囲に設定されるから、植物栽培装置１０全体の外形を極力コンパクトに構成することができる。
【００８１】
よって、植物を最小株数単位で効率良く栽培実験や研究を進めることができるだけでなく、ラックに収納し多段に配置できる等、限られたスペース内でも、より多く装置による環境条件の設定が可能となる。また、装置自体の価格やエネルギー消費も抑えることができる。さらに、小容積であることから、温度の制御や外界との断熱も容易となる。
【００８２】
本実施の形態では、生育空間１２は基本的には閉鎖系となるが、植物の生育に影響を与える各要素である水分や空気（二酸化炭素）等を、装置本体１１の外部にある養液生成ユニット１４０や空気生成ユニット１３０から供給している。これにより、装置本体１１自体をよりいっそう小型化することが可能となる。しかも、本植物栽培装置１０では、詳しくは後述するが、装置本体１１内から植物を取り出すことなく、植物の栽培中にそのままの状態でも、容易かつ正確な成分分析が可能となる。
【００８３】
また、装置本体１１の各面壁１１ａを遮光材で覆った場合には、外部からの光の侵入を防ぐことができるので、生育空間１２の光環境を光照射部２０からの光だけに依存させることができる。従って、外部からの光の影響を受けることがなく、精度の高い所望の光照射制御が可能となる。例えば、狭いスペースに植物栽培装置１０を密に並べたとしても、隣の植物栽培装置１０からの光の影響を受けることを防止することができる。
【００８４】
さらに、前記遮光材を、断熱材を兼ねる材質により形成すれば、外部からの熱の侵入を防ぐことができるので、生育空間１２の温度環境を空気生成ユニット１３０からの空気だけに依存させることができる。従って、外部の温度の影響を受けることがなく、より精度の高い所望の温度制御が可能となる。
【００８５】
図３は、植物栽培装置１０による植物の栽培ないし成分分析の手順を示すフローチャートである。植物栽培装置１０で植物の栽培を開始するに際して、先ず初期設定を行う（ステップＳ１０１）。すなわち、図２に示す操作手段１０１により、栽培する植物の種類に応じた栽培方法を選択し、所望の環境条件に合致する各種の設定値を入力する。例えば、養液の水温、養液の供給量、空気の温度や湿度、二酸化炭素濃度、送風量、照度、光量等の具体的な値を適宜入力する。
【００８６】
植物の種類や栽培方法に応じた各種の設定値等の入力データは、例えば、予めコンピュータ２００に登録してある複数のパターンの中から呼び出し、コントロールユニット１００にある表示部等で確認しながら選択できるようにしても良い。ここで設定値は、植物の栽培開始時に入力した値に限定されるわけではなく、植物の生長度合いに応じて途中で変更したり、あるいは植物の栽培開始日から相対的な経過日数（時間）ごとに、予め細かく定めることもできる。
【００８７】
このような初期設定の段階では、未だ植物を装置本体１１内に収納していない。この段階で、生育空間１２の空気の温度を温度センサにより測定し、その測定値は成分分析時の「基準温度」としてコントロールユニット１００に出力され記録される。かかる基準温度の測定ないし記録は、次述する背景データの取得時に合わせるものであり、背景データの取得と同時に、あるいは直前または直後に行えば良い。なお、基準温度の記録は、コントロールユニット１００に限られるものではなく、他の手段で記憶しても良い。
【００８８】
そして、初期設定の段階にて、装置本体１１に未だ植物を収納していない空の状態で、前記成分分析手段により、植物の成分分析時にバックグラウンドとする近赤外線の背景データを取得する（ステップＳ１０２）。すなわち、前記発光部２１から近赤外線を照射すると、近赤外線はそのまま、あるいは各面壁１１ａの内面に反射して、前記受光部２２により受光される。
【００８９】
前記受光部２２にて、例えば光ファイバーにより集光された光は、内部にある赤外線センサ等の検出器に入射した後、そのまま、あるいは分光器で分光されてから、受光データとして解析部であるコントロールユニット１００に出力される。解析部では、このときの受光データを分析して得られた近赤外線のスペクトルを測定して、「背景データ」として記録しておく。
【００９０】
このように、初期設定の段階でも近赤外線を照射することにより、装置本体１１が空の状態における背景データを取得しておく。なお、測定結果の信頼性を向上させるべく、測定を複数回行って平均値を採ることが好ましい。また、背景データの記録も、コントロールユニット１００に限られるものではなく、他の手段で記憶しても良い。
【００９１】
続いて、コントロールユニット１００の制御により、前記初期設定に応じて生育空間１２の環境制御を実行する（ステップＳ１０３）。コントロールユニット１００は、操作手段１０１から入力された、あるいはコンピュータ２００から呼び出された設定値を受信すると、これを時系列にメモリに保存する。また、コントロールユニット１００は、一定時間ごとに前記各種センサから送信されたセンシングデータ（測定値）を取得し、環境条件に関する栽培記録として時系列にメモリに保存する。ここでの測定値は、コンピュータ２００にも送信してデータベースに記録すると良い。
【００９２】
また、コントロールユニット１００は、一定時間ごとに取得した前記カメラ２３からの画像データも、植物の生育状態に関する栽培記録として、自身のメモリやコンピュータ２００へ登録することができる。ここでコントロールユニット１００やコンピュータ２００に登録された画像データは、定点観測画像として表示することができる。なお、コンピュータ２００では、植物栽培装置１０の各センサ類が取得したデータの現在値や積算値の確認を行うことができるようにすると良い。
【００９３】
そして、コントロールユニット１００は、各種センサからのセンシングデータ（測定値）と、それぞれ対応する被制御機器の前記設定値とを比較する。かかる比較結果に基づいて、目標とする設定値に実際の測定値を近づけるべく、各被制御機器に対して所定の制御信号を送信する。ここでの制御信号は、装置本体１１の外部にある養液生成ユニット１４０、空気生成ユニット１３０、光源ユニット１２０に備えられた各被制御機器へ送信される。
【００９４】
このような環境条件の制御において、装置本体１１の下部にある養液槽１３内には、装置本体１１の外部にある養液生成ユニット１４０によって生成された養液が供給される。養液生成ユニット１４０では、前記コントロールユニット１００の制御により、前記操作手段１０１で設定された条件に合った養液が生成される。すなわち、養液生成ユニット１４０を構成するタンク１４１（図２参照）内には、水や各栄養素（養分）が必要量だけ供給されて撹拌され、所望の設定温度に調整される。
【００９５】
養液の温度制御に関して、コントロールユニット１００は、前記操作手段１０１により定められた設定温度と、前記養液槽１３内の温度センサから出力された測定値とを比較する。この比較結果に基づき、タンク１４１に設けた冷却器と加温器のどちらか一方を制御するのか決定し、温度センサからの測定値を設定温度に近づける制御信号を出力する。かかる制御信号に基づいて、冷却器または加温器はＯＮ／ＯＦＦ制御される。
【００９６】
すなわち、養液槽１３内の養液の水温の測定値が、設定値より低い場合は、冷却器をＯＦＦとし加温器をＯＮとすることに決定し、タンク１４１内で生成する養液の温度を上昇させる。一方、測定値が設定値よりも高い場合には、加温器をＯＦＦとし冷却器をＯＮとすることに決定し、タンク１４１内で生成する養液の温度を低下させる。なお、測定値が設定値と同じである場合は、加温器と冷却器の両方ともＯＦＦとする。
【００９７】
このように養液生成ユニット１４０によって生成された養液は、タンク１４１から必要量だけ給液管１４によって養液槽１３内へ供給される。一方、養液槽１３内で既存の古くなった養液は、排液管１５等を介して随時排出される。かかる養液の給排量も、植物の種類や育成度合いに応じてコントロールユニット１００によって制御され、養液槽１３内の養液は一定量に保たれている。
【００９８】
また、装置本体１１内の主要部を占める生育空間１２には、装置本体１１の外部にある空気生成ユニット１３０によって生成された空気が供給される。空気生成ユニット１３０では、前記コントロールユニット１００の制御により、前記操作手段１０１で設定された条件に合った空気が生成される。すなわち、図１に示すタンク１３１内には、空気（大気）や湿気、二酸化炭素が必要量だけ供給されて撹拌され、所望の設定温度に調整される。ここで空気の温度制御に関しては、前記養液生成ユニット１４０での養液の温度制御と同様に、タンク１３１に設けた冷却器と加温器のＯＮ／ＯＦＦによって、装置本体１１内にある温度センサからの測定値を設定温度に近づけるように制御される。
【００９９】
空気の湿度制御に関しては、コントロールユニット１００は、前記操作手段１０１により定められた設定湿度と、装置本体１１内にある湿度センサから出力された測定値とを比較する。この比較結果に基づき、空気生成ユニット１３０にある加湿器のＯＮまたはＯＦＦを決定し、湿度センサからの測定値を設定湿度に近づける制御信号を出力する。かかる制御信号に基づいて、前記加湿器はＯＮ／ＯＦＦ制御される。
【０１００】
すなわち、湿度の測定値が設定値より低い場合は、加湿器のＯＮを決定し加湿器を作動させ湿度を上昇させる。一方、湿度の測定値が設定値以上の場合は、加湿器のＯＦＦを決定し加湿器を停止させ湿度を低下させる。
その他、空気中の二酸化炭素濃度の制御に関しては、コントロールユニット１００から出力された炭酸ガス設定濃度に関する制御信号に基づき、空気生成ユニット１３０にある炭酸ガス発生器をＯＮ／ＯＦＦ制御する。これにより、装置本体１１内にある二酸化炭素センサからの測定値を設定値に近づけることができる。
【０１０１】
空気生成ユニット１３０によって生成された空気は、タンク１３１から必要量だけ給気管１６を介して生育空間１２へ供給される。ここで生育空間１２の下方より空気を供給すれば、均一で安定した上昇気流を発生させることができる。装置本体１１の天井部まで上昇した空気は、天井部に接続された排気管１７から外部へ随時排出される。かかる上昇気流により、生育空間１２の空気は常時循環され、植物の葉における二酸化炭素の吸収や蒸散を補助するだけでなく、温度センサおよび湿度センサに対して空気を淀みなく接触させることになり、生育空間１２における正確な温度や湿度の検出を可能とする。
【０１０２】
このような装置本体１１における空気の給排量も、植物の種類や育成度合いに応じてコントロールユニット１００によって制御される。具体的には例えば、給気管１６の途中に設けた送風ファン等の送気手段をＯＮ／ＯＦＦ制御することにより、任意の送風量に調整することが可能となる。なお、装置本体１１は外気圧に対して陽圧に保たれることで、給気管１６以外からの空気の侵入を防ぐことができる。
【０１０３】
また、光照射部２０による光照射条件は、装置本体１１の外部にある光源ユニット１２０によって制御される。光照射部２０に関する制御系も、装置本体１１の外部で別途ユニット化している。従って、装置本体１１には、光照射部２０等の必要最小限の構造しか設ける必要がなくなり、極力簡易化かつ小型化することが可能となる。特に、光照射部２０を外部の光源から導光された光を照射するものとすれば、装置本体１１自体には光源を設ける必要もなく、より簡易化かつ小型化することができる。外部の光源は、光源ユニット１２０に設けると良い。
【０１０４】
このように、外部の光源から導光すれば、光源の大きさを装置本体１１内の限られたスペースに収まるように限定する必要はなく、例えば、太陽光のほか、大型のハロゲンランプやメタルハライドランプ等を光源として用いることも可能となる。また、装置本体１１の各面壁１１ａのうち生育空間１２に接する内面に反射材を設ければ、光照射部２０から出射された光が面壁１１ａの内面に吸収されることなく反射され、植物の光吸収率を高めることができる。
【０１０５】
光源ユニット１２０では、コントロールユニット１００から送信された光照射条件に関する制御信号に基づき、図１中の光照射部２０の光量や点灯時間等が光照射条件に合致するように制御される。このような光照射条件は、一定に保つこともあれば、時間の経過と共に変化させることも考えられる。また、植物の生育を促進するには、単に光を連続的に照射するだけでなく、短いサイクルで点滅を繰り返すようなパルス照射も効果的であり、点滅サイクル周期等の制御も適宜行うようにすると良い。
【０１０６】
以上のようにして、生育空間１２の環境条件が整った段階で、装置本体１１内に植物を収納して栽培する（ステップＳ１０４）。装置本体１１内では、植物の根を養液槽１３に植えるよう保持し、植物の茎や葉を生育空間１２の上方に向けて展開させる。なお、植物を装置本体１１内に予め収納してから、環境条件の制御を開始しても良い。
【０１０７】
このような植物栽培装置１０によれば、必要最小限の生育空間１２にて植物の生育に影響を与える各要素を低コストかつ安定して効率良く調整して、植物を栽培することが可能となる。また、省スペース化の要請にも応じることができると共に、装置自体の価格も抑えることができ、精度の高い栽培実験や研究を効率良く促進させることが可能となる。
【０１０８】
その後、植物の栽培中においては、所定のタイミングで生育中の植物の成分分析を行うことが可能である（ステップＳ１０５）。植物の成分分析を行う場合（ステップＳ１０５でＹ）、先ずコントロールユニット１００は、生育空間１２の空気の温度を前記基準温度に戻すように調整する（ステップＳ１０６）。このようにコントロールユニット１００は、次述する測定データを得る時に、生育空間１２の温度を基準温度に調整する温度制御手段の機能も備えている。なお、成分分析の開始の指示は、操作手段１０１で入力する。
【０１０９】
一般に、植物により吸収されるスペクトルは、周囲温度の影響を受ける虞がある。よって、生育中の植物の成分分析を行う際に、生育空間１２の温度を前記基準温度に調整することにより、成分分析の精度が温度により変化する事態を防ぐことができる。例えば、植物に含まれる酸の種類によっては、温度により解離状態が変化する場合があり、吸収スペクトルは変化しやすくなる。また、一般に高い温度ではスペクトルの分解は悪く、温度が上昇すると吸光度も低下することが多い。
【０１１０】
生育空間１２の温度が基準温度に安定した後、前記発光部２１を作動させて受光データを収集する。発光部２１から近赤外線を植物に照射すると、植物からの反射光ないし透過光が前記受光部２２に受光される。ここで発光部２１と受光部２２は、装置本体１１の内部にて移動可能であるため、光の照射位置や受光位置を植物の成長度合いに合わせて移動させたり、植物の広範囲に亘って近赤外線を照射することが可能となる。植物をより広範囲に亘って測定することにより、複数の受光データを収集することが可能となり、これらのデータの平均を採ることで分析の精度を高めることができる。
【０１１１】
前記受光部２２で受光された植物からの光は、前記背景データの取得時と同様に、例えば光ファイバーにより集光され、赤外線センサ等の検出器に入射した後、そのまま、あるいは分光器で分光されてから、受光データとしてコントロールユニット１００にある解析部に出力される。解析部では、このときの受光データを分析して得られる近赤外線のスペクトルを測定して、「測定データ」として記録する（ステップＳ１０７）。この測定データの記録も、コントロールユニット１００に限られるものではない。
【０１１２】
そして、解析部では、今回取得した測定データと前記背景データとの差分を採り、これに基づき植物の成分を分析する。すなわち、２つのスペクトルの差を採り比較して、特徴的なスペクトルを抽出する（ステップＳ１０８）。このスペクトル中の特定波長成分の吸光度（減衰量）から、検量線を用いることによって、植物中の糖、窒素、硝酸、その他ミネラル等の成分を定量的あるいは定性的に測定する（ステップＳ１０９）。ここで検量線とは、一般に物質（成分）を定量する場合に、予め量等が分かっている標準物質と、それに対する測定データとの間の関係を示すグラフであり、公知の手法によって前もって作成する。
【０１１３】
以上のような本植物栽培装置１０における成分分析によれば、装置本体１１内から植物を外に取り出したりすることなく、また植物を前処理（植物をすり潰す等）する必要もなく、植物の栽培中にそのままの状態でも、容易かつ正確に成分分析を行うことができる。かかる分析結果を基に、植物の生育結果（成分含量）を容易に検証することができる。すなわち、制御された栽培環境下で、環境条件が植物の成分にどのように影響するか、その推移を検証することが可能となる。
【０１１４】
また、成分分析の結果は、コントロールユニット１００自体のメモリに出力して記録するほか、コンピュータ２００にも出力してデータベースに記録すると良い（ステップＳ１１０）。コントロールユニット１００等には、表示部やプリンターが付設されており、成分分析の結果は、テキストやグラフ化したものを表示したり、印刷することができるようになっている。
【０１１５】
特に、このような成分分析は、一つの植物に対して所定のタイミングで繰り返し実施することができる（ステップＳ１１１）。すなわち、栽培の実験を継続する限り（ステップＳ１１１でＮ）、成分分析を行った後でも、引き続きその植物の栽培が可能である。よって、複数回に亘り繰り返し実施して、各測定結果を比較すれば、一つの植物が栽培中において、どのような推移で成分が変化するのかを容易に検証することもできる。
【０１１６】
ところで、植物栽培装置１０は、コントロールユニット１００と通信回線を介して接続されたコンピュータ２００によって単独でも制御できるが、図２に示すように、複数の植物栽培装置１０を設置した上で、それぞれのコントロールユニット１００に対し、コンピュータ２００によりネットワークを構築すると良い。これにより、１台のコンピュータ２００により複数の植物栽培装置１０を集中的に管理することができ、また、遠隔制御することによって管理が容易となる。このように、多くの植物栽培装置１０を備えた大規模な設備にも適用することができる。
【０１１７】
さらに、別の実施の形態として、装置本体１１を一体に構成することなく、複数のユニットを組み合わせて構成するセパレート構造としても良い。例えば図４に示すように、養液槽１３を含む装置本体１１の下半部１１Ａと、光照射部２０を含む装置本体１１の上半部１１Ｂの２つのユニットに分割しておき、これらを組み合わせて、その内部に一連の生育空間１２を形成するように構成する。
【０１１８】
装置本体１１を分割する各ユニットは、例えば、装置本体１１に備わる機能別、または装置本体１１での位置ごと、あるいは装置本体１１内の植物の配置等に応じて、複数の部位（ブロック）に区分けした単位となる。かかるユニットの数は、装置本体１１の上下２つに限定されるものではなく、他に例えば、光照射部２０を含む天井部も別途分割したり、あるいは光照射部２０を単独でユニットとして、装置本体１１に対し着脱可能に構成しても良い。
【０１１９】
ここで各ユニットは、それぞれ同種の部位ごとに異なる複数種類を用意しておき、その中から任意に選択して組み合わせることで、一つの装置本体１１を構成すると良い。具体的には例えば、装置本体１１内の下半部１１Ａについては、水耕栽培用や土壌栽培用のもの等の異なる種類が用意されている。また、上半部１１Ｂは、様々な外形ないし容積の違い、光照射部２０の違い、あるいはカメラ２３の有無で異なる種類が用意されている。また、光照射部２０も単独でユニットとした場合、その外部光源か内部光源かの違いや、光源の種類が違う異なるもの用意すると良い。
【０１２０】
このように、各ユニットごとに、それぞれ複数種類ある中から、使用者の意図に合わせて任意の条件のものを適宜選択して組み合わせることにより、栽培する植物やその栽培方法に見合った装置本体１１を容易に構成することが可能となる。従って、多様な環境条件を簡易かつ低コストで実現することができ、栽培実験や研究を効率良く促進させることが可能となり、植物工場や施設栽培の発展に寄与することができる。
【０１２１】
また、各ユニットが対向する接合箇所には、互いに密閉状態に係合する凸部ないし凹部を設ける。このような組み合わせの構造により、各ユニットを容易に分離したり組み合わせることができる。特に、各ユニットは鉛直方向に重なる状態で組み合わされる場合、上方のユニットは、下方のユニットに対して自重により係合した状態に保持される。また、凸部や凹部の接触面にパッキンを設ければ、密閉度合いを高めることができ、より確実に組み合わせた状態に固定することができる。
【０１２２】
そして、前述した別の実施の形態に係る構成より、次の発明概念が導かれる。  
すなわち、植物の生育に影響を与える各要素を調整可能な環境条件下にて、所定の最小株数の植物を育成するための植物栽培装置１０において、装置本体１１における各部位に応じて互いに分割された複数のユニットを備え、各ユニットは着脱可能に組み合わされて、その内部に、所定の最小株数の植物を収納する最小限の範囲で外部から区画された一連の生育空間１２を形成する。ここで各ユニットのうち少なくとも何れか一つは、それぞれ同種の部位ごとに異なる複数種類が用意され、その中から任意に選択されて組み合わされる。
【０１２３】
以上、本発明の実施の形態を図面によって説明してきたが、具体的な構成は前述したような実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。例えば、生育空間１２の環境条件の一因として制御する各要素は、光、水分である養液、空気中の二酸化炭素、空気の温度および湿度に限られることなく、このうちの一部を植物の生育に支障を来さない範囲で省略したり、他に例えば、空気中の酸素量や風量等も制御するように構成しても良い。
【０１２４】
また、成分分析手段による植物の成分分析に関しては、初期設定時における背景データを測定することなく、この背景データとの比較なしで、所定のタイミングにて取得した測定データから成分分析を行うように構成しても良い。このように背景データの測定を省略する場合には、例えば最初の測定データの取得時における生育空間１２の空気の温度を基準温度として設定すると良い。
【０１２５】
また、生育空間１２の空気の温度変化による吸収スペクトルへの影響を特に考慮しなくてもかまわなければ、基準温度を測定したり、成分分析時に生育空間１２の空気の温度を基準温度に戻すような工程を省略することも考えられる。
【０１２６】
さらにまた、前記コントロールユニット１００も、他のユニットである光源ユニット１２０、空気生成ユニット１３０、養液生成ユニット１４０と同様に、装置本体１１の外部に設けたり、あるいは、外部のコンピュータ２００にて、コントロールユニット１００の機能を兼用するように構成することもできる。
【産業上の利用可能性】
【０１２７】
本発明に係る植物栽培装置は、植物に関する様々な栽培実験や研究を進めるための装置として幅広く利用することができる。
【符号の説明】
【０１２８】
１０…植物栽培装置
１１…装置本体
１１ａ…面壁
１２…生育空間
１３…養液槽
１４…給液管
１５…排液管
１６…給気管
１７…排気管
２０…光照射部
２１…発光部
２２…受光部
２３…カメラ
１００…コントロールユニット
１０１…操作手段
１２０…光源ユニット
１３０…空気生成ユニット
１３１…タンク
１４１…タンク
１４０…養液生成ユニット
２００…コンピュータ
【図２】
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【図３】
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【図１】
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【図４】
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