(57)【要約】【課題】  極めて簡単かつ低廉なコストで植物の成長状態を検出することのできる成長状態検出装置を提供する。【解決手段】  植物の成長状態を検出するための装置であって、植物の成長に応じて移動させて位置調整が可能な移動部材１２と、この移動部材１２に対向して設けられた支持部材１３ａ〜１３ｄと、対向する支持部材の一方（１３ｂ，１３ｄ）に設けられ、植物の成長方向に合わせて配置された受信手段１５と、対向する支持部材の他方（１３ａ，１３ｃ）に設けられ、受信手段１５に向けて前記植物に対し不透過又は半透過の検出波を発信する発信手段１４と、受信手段１５によって受信された前記検出波の値が、予め設定された基準値から一定値変化したときに判断信号を出力する判断手段２１と、前記判断信号が出力されたときに、前記検出波の値が前記基準値に復帰するまで前記移動部材を移動させる移動手段とを有する構成とした。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
植物の成長状態を検出するための装置であって、
植物の成長に応じて移動させて位置調整が可能な移動部材と、
この移動部材に対向して設けられた支持部材と、
対向する前記支持部材の一方に設けられ、植物の成長方向に合わせて配置された受信手段と、
対向する前記支持部材の他方に設けられ、前記受信手段に向けて前記植物に対し不透過又は半透過の検出波を発信する発信手段と、
前記受信手段によって受信された前記検出波の値が、予め設定された基準値から一定値変化したときに、判断信号を出力する判断手段と、
前記判断信号が出力されたときに、前記検出波の値が前記基準値に復帰するまで前記移動部材を移動させる移動手段と、
を有することを特徴とする植物の成長状態検出装置。
【請求項２】
前記発信手段が前記受信手段に向けて光を照射する発光体で、前記受信手段が前記発光体からの光を受光し、受光強度信号として出力する受光体であることを特徴とする請求項１に記載の植物の成長状態検出装置。
【請求項３】
前記発信手段及び前記受信手段を、植物栽培棚の対向する柱部分に沿って配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の植物の成長状態検出装置。
【請求項４】
前記移動部材に前記植物に照明光を照射する照明体を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の植物の成長状態検出装置。
【請求項５】
前記移動手段が前記移動部材を移動させる駆動体を備え、前記判断信号の出力によって前記駆動体を駆動させて前記検出波の値が前記基準値に復帰するまで前記移動部材を移動させることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の植物の成長状態検出装置。
【請求項６】
前記移動部材を複数箇所で均衡に吊り下げるワイヤと、このワイヤを一カ所に集約する集約部と、集約した前記ワイヤの一端が連結され、前記ワイヤを移動させることで前記移動部材を移動させるワイヤ移動部とを有する移動手段を設けたこと、
を特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の植物の成長状態検出装置。
【請求項７】
前記判断手段は、前記植物の成長の段階に応じて成長したと判断する前記検出波の値の変化を異ならせることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の植物の成長状態検出装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の植物の成長状態検出装置を備えた植物栽培装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、植物の成長状態を検出するための装置及びこの装置を備えた植物栽培装置に関し、水耕栽培やハウス栽培等の植物の人工栽培において、植物の成長状態に応じて照明や養分の補給等の育成条件を決定するに際して、植物の成長状態を検出するための成長状態検出装置及びこの成長状態検出装置を備えた植物栽培装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水耕栽培装置等の植物栽培装置においては、栽培対象となる植物の成育状態に応じて照射する光の強さや養液の成分など、栽培条件を調整している。
前記植物の成長状態は作業員が目視で判断するのが一般的であるが、作業員の負担軽減とコスト低減の観点から、成長状態を自動検出する装置や方法が提案されている。
例えば特許文献１，２には、カメラなどの撮像装置を用いて植物をモニターする方法や装置が提案され、特許文献３には、植物容器内の成長培地の湿度をモニターして成長状態を演算する方法が提案されている。また、特許文献４には、植物体の根部の静電容量を測定し、この静電容量から植物体の根部の重量又は植物体の総重量を推定する方法が提案されている。
【０００３】
しかし、これら特許文献１〜４で提案された方法や装置では、高額なカメラや周辺機器が必要になってコスト高になるほか、装置構成も複雑になるという問題があることから、より簡素かつ安価な装置や方法も提案されている。
例えば、特許文献５には、簡易簡便な方法で、客観的かつ定量的に植物の成長具合を測定できる植物成長測定システム等が提案されている。この文献に記載の技術では、植物の栽培培地に栽培地と絶縁状態でシート状の第一の導体を配置するとともに、この第一の導体の上方に離間してシート状の第２の導体とを配置して、第一の導体と第二の導体とでコンデンサを形成し、栽培培地に植えられた植物の成長による静電容量の単位時間当たりの変化量を、第二の導体を流れる電流量から検出するものである。
しかし、この特許文献５の方法もシート状の第一の導体と第二の導体の取り扱いが難しく設置も面倒であるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−５７２５号公報
【特許文献２】実開平５−１７５０５号公報
【特許文献３】特開２０１４−５０２８５１号公報
【特許文献４】特開２００６−３２５４３０号公報
【特許文献５】特開２０１０−２６３７９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記の問題に鑑みてなされたもので、極めて簡単かつ低廉なコストで植物の成長状態を検出することのできる成長状態検出装置及びこの装置を備えた植物栽培装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の発明者は、安価なＬＥＤ等の発信手段を用い、かつ、最小単位（最小個数又は最小長さ）の発信手段と受信手段の組み合わせで正確に成長状態を検出できる装置を見出した。
具体的に本発明の成長状態検出装置は、植物の成長状態を検出するための装置であって、植物の成長に応じて移動させて位置調整が可能な移動部材と、この移動部材に対向して設けられた支持部材と、対向する前記支持部材の一方に設けられ、植物の成長方向に合わせて配置された受信手段と、対向する前記支持部材の他方に設けられ、前記受信手段に向けて前記植物に対し不透過又は半透過の検出波を発信する発信手段と、前記受信手段によって受信された前記検出波の値が、予め設定された基準値から一定値変化したときに、判断信号を出力する判断手段と、
前記判断信号が出力されたときに、前記検出波の値が前記基準値に復帰するまで前記移動部材を移動させる移動手段とを有する構成としてある。
【０００７】
ここで、成長状態の検出対象となる前記植物に対し不透過又は半透過の検出波は、前記植物を不透過又は半透過であれば音波、超音波、電磁波、照射光等を問わず、例えば、前記受信手段に向けて光を照射するＬＥＤ、蛍光灯又は白熱電球等の照明体を挙げることができる。この場合、前記受信手段としては、前記発光体からの光を受光し受光強度信号として出力するフォトダイオードやその他の受光体（受光素子）を挙げることができる。
なお、「半透過」とは、前記受信手段によって受信された前記検出波の強度等により、前記判断手段が成長状態を検出できるものであれば透過の程度は問わず、５０％以上でも５０％未満でも構わない。
【０００８】
上記構成によれば、受信手段が受信する信号値が予め設定された基準値から予め設定された一定量を越えて変化したときは、判断手段は植物が一定量変化したとして判断信号を出力し、移動部材の移動を促す。前記「一定量」は、前記植物の成長の段階に応じて種々に設定することができる。
本発明の成長状態検出装置は一般的には植物の成長を検出するものであるため、「変化」を検出した場合は移動部材の上昇を促す。判断信号の出力先としては、植物が一定量変化したことを光や音で報知する報知灯やブザー、ディスプレイ、移動部材を自動的に移動させるモータ等の駆動体を挙げることができる。また、植物の成長状態に応じて養液の濃度や種類などの育成条件を変更する場合は、異なる種類や濃度の養液タンクを切り換える切換弁などを挙げることができる。
受信手段が受信する信号値が予め設定された基準値に復帰するまで移動部材を移動させることで、再び成長状態検出の工程が繰り返される。
【０００９】
このようにすることで、安価なＬＥＤ等の発信手段を用い、かつ、最小単位（最小個数又は最小長さ）の発信手段と受信手段の組み合わせで正確に成長状態を検出することが可能になる。
なお、前記発信手段及び前記受信手段は、植物栽培棚の対向する支柱部分に沿って配置するとよい。このようにすることで、前記支持部材を植物栽培棚の支柱に隠して目立たなくすることができるとともに、採取作業などの妨げにならないようにすることができる。
【００１０】
前記移動部材を移動させるための移動手段は公知の種々のものを用いることができるが、複数箇所で均衡に吊り下げるワイヤと、このワイヤを一カ所に集約する集約部と、集約した前記ワイヤの一端が連結され、前記ワイヤを移動させることで前記移動部材を移動させるワイヤ移動部とを有する簡素な構成の移動手段とすることもできる。
【００１１】
本発明の成長状態検出装置は、水耕栽培装置などの植物栽培装置に好適に適用することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、例えば発信手段としてＬＥＤを用い、受信手段として前記ＬＥＤの光を受光する受光器を対向して配置し、受光量の変化をモニターすることで、受光量の変化（一般的には受光量の減少）から、一定量植物が成長したと判断することができる。そして、一定量植物が成長したと判断したときに、前記検出値が基準値に復帰するまで、移動部材とともに発信手段と受信手段とを移動させることで、成長状態の検出工程を繰り返すことができる。本発明によれば植物の成長状態検出装置及びこの検出装置を備えた植物栽培装置の構成を簡素化でき、高品質な植物を栽培するためのコストを削減することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の好適な実施形態を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明の植物の成長状態検出装置を備えた植物栽培装置の一例にかかり、水耕栽培装置の一部を破断して示した斜視図である。
【００１４】
［水耕栽培装置の構成］
水耕栽培装置１は、植物を水耕栽培するための栽培棚１０を有する。栽培棚１０は、栽培しようとする植物が植え付けられる植付孔１０２ａが複数穿設された植付板１０２と、この植付板１０２が設置される栽培槽１０１と、栽培槽１０１の四隅に立設された支柱１０４ａ〜１０４ｄと、この支柱１０４ａ〜１０４ｄの上端に支持された天板１０３とを有している。栽培槽１０１の内部には植物に養分を補給するための養液が流れる養液流路が形成されている。この栽培棚１０は単独で水耕栽培装置１を構成してもよいが、複数の栽培棚１０を上下に積層したり、左右（図１の例では左右に配列）又は前後に配列したりすることで水耕栽培装置１を構成してもよい。
【００１５】
栽培棚１０の栽培槽１０１には、供給用の配管１０６ａを通してポンプ１０７により養液貯留槽１０５から養液が供給され、栽培槽１０１の養液流路を流れた養液は、回収用の配管１０６ｂを通して養液貯留槽１０５に戻される。
特に図示はしないが、植物の成長状態に応じて種類や濃度の異なる養液を栽培槽１０１に供給する場合は、濃度や養液の種類に応じて養液貯留槽１０５を複数設けるとともに、供給用の配管１０６ａと回収用の配管１０６ｂに切換弁を設ける。
【００１６】
［成長状態検出装置の構成］
この実施形態の成長状態検出装置は、天板１０３からワイヤ１６によって吊り下げられた矩形の移動部材１２と、移動部材１２の四隅に対向して設けられた支持部材１３ａ〜１３ｄと、移動部材１２の短手方向に対向して配置された一対の支持部材１３ａ，１３ｂの組及び１３ｃ，１３ｄの組のうち、一方の支持部材１３ａ，１３ｃの上下に均等間隔で複数配置された発信手段としての発光体１４と、他方の支持部材１３ｂ，１３ｄに上下に均等間隔で複数配置された受光体１５とを有する。
なお、この実施形態では、成長状態の検出対象となる植物がほぼ真上方向に成長することを前提としているため、支持部材１３ａ〜１３ｄは前記植物の成長方向と同じ上下方向に設けているが、前記植物が斜め方向又は横方向に成長するものである場合は、このような植物の成長方向に合わせて支持部材１３ａ〜１３ｄを設ける。
発光体１４の形態は特に限定されず、球状、点状、棒状など様々なものを用いることができ、蛍光灯や白熱電球等を挙げることができるが、ＬＥＤとするのが好ましい。受光体１５としては、発光体１４からの照射光を受光して受光強度信号として出力することができるものであればよく、フォトダイオード等の受光素子を用いることができる。
【００１７】
一方の支持部材１３ａ，１３ｃの発光体１４と他方の支持部材１３ｂ，１３ｄの受光体１５とは、発光体１４の発光により照射された照射光が効率良く受光体１５に受光されるように、発光体１４の発光面と受光体１５の受光面とを互いに対面させて配置する。なお、発光体１４から照射された照射光が栽培されている植物と植物の間の隙間を透過しないように、植付孔１０ａの真上を発光体１４の照射光が通過するように発光体１４及び受光体１５を配置するのが好ましい。
【００１８】
［移動手段］
天板１０３における移動部材１２の四隅のほぼ真上に位置する部分にはそれぞれリング状のフック１０３ａが取り付けられ、フック１０３ａを通して垂下する四本のワイヤ１６の一端がそれぞれ移動部材１２の前記四隅に連結されている。
各ワイヤ１６の他端側は天板１０３の一カ所に取り付けられたリング状のフック１０４ｂに集められ、一条にまとめられて支柱１０４ａ〜１０４ｄのうちの一つ（図示の例では支柱１０４ｃ）に設けられた巻取り器１７のドラム１７ａに連結される。
【００１９】
ドラム１７ａを、ワイヤ１６を巻き取る方向に回転させることで、四本のワイヤ１６が一体となって巻き取り方向に移動するが、この移動量は四本のワイヤ１６の各々で同一であるため、四本のワイヤ１６の移動によって移動部材１２が平衡状態を保ったまま上昇する。これとは逆に、ドラム１７ａを、ワイヤ１６を巻き出す方向に回転させれば、移動部材１２が平衡状態を保ったまま下降する。
なお、ドラム１７ａはハンドルによって手動で回転させるようにしてもよいし、モータ等の駆動体によって必要量を自動的に回転させるようにしてもよい。
【００２０】
［移動部材］  
移動部材１２は透明なアクリル板又はガラス板で形成し、天板１０３に取り付けたＬＥＤや蛍光灯、白熱電球等の照明体の照明光が移動部材１２を透過して植物に照射されるようにしてもよい。
この場合、植物の成長状態に合わせて植物に照射される照明光の照度を一定にするには、照度可変の照明体を選択し、植物の成長状態に合わせて照明体の照度を調整すればよい。
本発明の成長状態検出装置においては、植物の成長状態に応じて移動部材１２を上下に移動させることができるので、移動部材１２に前記照明体を取り付け、植物に照射される照明光の照度（育成条件の一つである）が一定になるように移動部材１２の上下の移動量を調整することができる。
【００２１】
図２に、ＬＥＤ等の照明体１８を移動部材１２に設けた一例を示す。照明体１８を移動部材１２に設ける場合は、移動部材１２をアルミやステンレスのような金属材料で形成するか、樹脂や金属で形成した移動部材１２の表面にアルミ等のメッキを施して、移動部材１２の表面の光反射率を高めるとよい。
また、図示の例のように移動部材１２の周縁を下方に折り曲げて反射部１２ａを形成し、栽培棚１０の外方に照射される照明光の一部の向きを変え、より多くの照明光が植物に照射されるようにしてもよい。
【００２２】
次に、図３、図４及び図５を参照しつつ、本発明の成長状態検出装置における制御の手順と作用を説明する。
図３は、本発明の成長状態検出装置を制御するための制御装置の一例を示すブロック図、図４は、受光量と経過時間との関係を示すグラフ、図５は本発明の成長状態検出装置の作用を説明する図である。
図３に示すように制御装置は、受光体１５の各々が受光した受光量を積算する受光量演算部２２と、検出開始時において基準となる受光量の積算値（第一基準値Ｂ１）と植物が一定量成長したと判断するための基準となる受光量の積算値（第二基準値Ｂ２、第三基準値Ｂ３・・・）と成長状態検出の履歴情報と発光体１４の発光時間とを記憶する記憶部２３と、成長状態を検出するためのタイミングが到来したときにタイムアップ信号を制御部２１に向けて送信するタイマ２４と、植物Ｐの成長状態を判断する判断手段としての制御部２１とを備えている。
【００２３】
記憶部２３に記憶される第一基準値Ｂ１、第二基準値Ｂ２、第三基準値Ｂ３・・・の各々の値は、植物Ｐの種類ごと又は成長の段階（図４のステージＳＴ１，ＳＴ２・・）に応じて、実験等によって予め決定される。なお、第二基準値Ｂ２、第三基準値Ｂ３・・・の値は、図４の例のように異なるものであってもよいし同じものであってもよい。また、各基準値Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３・・・には各々一定範囲のしきい値を設定しておくのが好ましい。
また、発光体１４を発光させる発光時間は、受光体１５によって受光量が検出できるものであればよく、１／１００秒〜１／１０秒オーダーの瞬間的な発光であってもよい。必要に応じてこの発光を所定の時間間隔（例えば数秒ごと）で複数回繰り返し、受光量演算部２２で積算値の平均を求めるようにしてもよい。
【００２４】
成長状態検出のタイミングはタイマ２４に記憶されるタイムアップの時間によって決定される。このタイムアップの時間に特に制限は無いが、屋外光のような外部光の影響を可能な限り抑制してより正確な成長状態を検出するため及び主たる作業が昼間に行われることを考慮して、夜間に設定するのが好ましい。
【００２５】
上記構成の制御装置における制御は以下のように行われる。
成長状態を検出する時間が到来するとタイムアップ信号Ｓ１がタイマ２４から制御部２１に出力される。このタイムアップを受けて、制御部２１は照明体１８の点消灯するための制御信号Ｓ２を照明体１８に対して送信し、照明体１８を消灯させる。また、ＬＥＤ等の発光体１４の発光をＯＮ／ＯＦＦするための制御信号Ｓ３を発光体１４に送信して発光体１４を発光させる。さらに、制御部２１は記憶部２３から各基準値Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３・・・の値と履歴情報とを読み出す（読み出し信号Ｓ４）。受光量演算部２２からは各受光体１５の受光量の積算値が積算値信号Ｓ５として制御部２１に送信される。
【００２６】
制御部２１は、受光量演算部２２から入手した受光量の積算値と記憶部２３から入手した履歴情報（どのステップＳＴ１，ＳＴ２・・・の検出が終了したか）と各ステップＳＴ１，ＳＴ２・・・に応じた基準値Ｂ２，Ｂ３・・・とから、受光量の積算値が基準値Ｂ２，Ｂ３・・・を越えているか否かを判断する。図５（ａ）の初期状態では、受光量の積算値は第一基準値Ｂ１であるが、植物の成長とともに受光体１５に受光される受光量の積算値が減少していく（図４参照）。図５（ｂ）の状態まで植物が成長すると、この時間Ｔ１で受光量の積算値が第二基準値Ｂ２を下回ることから、制御部２１は植物Ｐが一定量成長したと判断する。
【００２７】
この判断が終了した後、制御部２１は記憶部２３に対してどのステージＳＴ１，ＳＴ２・・・の成長状態検出が終了したかを新たな履歴情報信号Ｓ６として送信し、記憶部２３内の履歴情報の書き換えを行う。
また、この判断結果は、外部出力信号Ｓ７，Ｓ８，Ｓ９・・・として外部装置に出力される。
【００２８】
［外部装置の例］
外部装置としては、例えば植物Ｐが一定状態成長したことを表示する報知部が挙げられる。このような報知部としては、作業者に植物Ｐが一定状態成長したこと知らせ、移動部材１２の移動を促す警告灯やブザー、ディスプレイ等を挙げることができる。
この報知部による報知を受けて、作業者は受光量演算部２２から送信される受光量の積算値が第一基準値Ｂ１になるまで移動部材１２を移動させる。これにより、図５（ｃ）の状態となり、成長状態検出の工程が再開される。
【００２９】
この作業は自動化することも可能で、例えば巻取り器１７のドラムａをモータ等で駆動させるようにすればよい。そして、前記モータに対して制御部２１が外部出力信号Ｓ９を送信することで、受光量演算部２２から送信される受光量の積算値が第一基準値Ｂ１になるまでモータが駆動させられる。
さらに、成長状態に応じて養液の種類や濃度等の育成条件を切り換える場合には、養液の種類ごと又は濃度ごとに複数設けた養液タンクの切換を行う切換弁に対し外部出力信号Ｓ８を送信する。
【００３０】
本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記の説明のものに限られない。
例えば、発信手段は発光体１４に限られない。植物を透過又は半透過するものであれば音波、超音波またはレーザー光であってもよい。また、受信手段も発信手段から受信した発信信号の強度を受信強度信号として出力することができるのであればフォトダイオードやその他の受光体（受光素子）に限らず他のものであってもよい。
さらに移動部材１２を移動させるワイヤ１６の配置は上記に限られない。例えば一本のワイヤ１６を移動部材１２の四隅に連続して通し、その一端を天板１０３に固定し、他端を水耕栽培装置１の一カ所（例えば巻取り器１７）に集約し、当該他端を引っ張ることで移動部材１２が上下に移動するようにしてもよい。
また、移動手段は巻取り器１７に限られない。ワイヤ１６を移動させることができ、かつ、一定位置に当該ワイヤ１６を固定できるのであれば他のものであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の植物の成長状態検出装置は、水耕栽培に限らず温室など植物の成長状態を検出する必要のある植物栽培装置に広く適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の植物の成長状態検出装置を備えた植物栽培装置の一例にかかり、水耕栽培装置の一部を破断して示した斜視図である。
【図２】ＬＥＤ等の照明体１８を移動部材１２に設けた一例を示す図である。
【図３】本発明の成長状態検出装置を制御するための制御装置の一例を示すブロック図である。
【図４】受光量と経過時間との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の成長状態検出装置の作用を説明する図である。
【符号の説明】
【００３３】
１：水耕栽培装置
１０：栽培棚
１０１：栽培槽
１０２：植付板
１０２ａ：植付孔
１０３：天板
１０３ａ：フック
１０３ｂ：フック（集約部）
１０４ａ〜１０４ｄ：支柱
１０５：養液貯留槽
１０６ａ：配管（供給用）
１０６ｂ：配管（回収用）
１０７：ポンプ
１２：移動部材
１２ａ：反射部
１３ａ〜１３ｄ：支持部材
１４：発光体（発信手段）
１５：受光体（受信手段）
１６：ワイヤ
１７：巻取り器（ワイヤ移動部）
１７ａ：ドラム
【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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