(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体発光素子が配置された発光面を備え、前記発光面を所定の軸線のまわりに回転させることのできる発光手段と、
前記発光面と対向しうるように前記軸線の周方向に沿って配置された複数の植物栽培室と、
を備え、前記発光面からの光が前記発光手段の回転に伴って前記植物栽培室に順次に照射される植物栽培装置。
【請求項２】
前記発光面を回転させるためのピニオン付きモータと、
前記発光面の前記回転軸線と同軸に配置され、露出した電極面を備えるシャフトと、
前記電極面と接触しながら前記シャフトのまわりに回転することの可能な導電性スリップリングと、
前記電極面に電気的に接続された半導体発光素子用の駆動装置と、
を更に備え、
前記半導体発光素子は前記スリップリングに電気的に接続され、
前記発光手段は、前記モータのピニオンと係合する歯車部を備えており、このピニオンと歯車部との係合によってモータの回転に伴い前記発光手段が回転するようになっている請求項１記載の植物栽培装置。
【請求項３】
前記発光手段は、前記軸線を中心として周方向に離間して配置された複数の着脱自在パネルを備えており、これらのパネルには、前記発光面を有する発光パネルとこの発光面からの光を遮断する遮光パネルとが含まれている請求項１記載の植物栽培装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人工光源を用いた植物栽培装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人工光源を用いた従来の植物栽培装置は、植物栽培用ランプの配光を考慮し、熱線の影響がでないように植物から離れた場所にランプを固定して光を照射させていた。一方、発光ダイオードや半導体レーザーなどの半導体発光素子は有害な熱線や赤外線を放射しないため、半導体素子からの光を植物に近接照射させて効率良く植物に受光させることが可能である。このように半導体発光素子は、植物栽培用の光源として適した特性を有している。
【０００３】
半導体発光素子を光源として使用した植物栽培装置は、特開平９−９８６６５号公報に開示されている。これは、パネル状の光半導体ユニットを植物栽培ボードに近接させて設置した装置である。光半導体ユニットには、半導体発光素子が二次元的に配列されている。半導体発光素子が発する熱を冷却するため、光半導体ユニットには、熱触媒を用いた強制冷却装置が設けられている。植物栽培ボードには、栽培すべき植物がマトリクス状に二次元配列されており、パネル状光半導体ユニットは、その発光面がこれらの植物に対向するように配置されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
植物は、その生長段階ごとに適切な明期／暗期の周期や照射時間を有しており、したがって生長段階に適した周期や時間で照射を行えば生長効率を著しく高めることができる。上記の公報には、このような明期／暗期の調整についてはほとんど言及されていない。
【０００５】
そこで、本発明は、栽培植物の明期／暗期を容易に調整することの可能な植物栽培装置を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る植物栽培装置は、半導体発光素子が配置された発光面を所定の軸線のまわりに回転させることのできる発光手段と、この発光面と対向しうるように軸線の周方向に沿って配置された複数の植物栽培室とを備えている。この装置では、発光面からの光が発光手段の回転に伴って植物栽培室に順次に照射される。
【０００７】
この装置では、発光面が回転して複数の植物栽培室に順次に光を照射するので、発光面の回転を制御することにより、各栽培室に収容された植物の照明周期や照明時間を簡単に調節することができる。また、発光面を回転させることで、同じ量の植物に対して必要な半導体発光素子の数を従来に比べて少なくすることができる。発光素子が少なくて済むことは、装置の製造コスト削減のほか、発光素子の冷却に必要な電力コストの削減にもつながる。
【０００８】
発光手段は、軸線を中心として周方向に離間して配置された複数の着脱自在パネルを備え、これらのパネルには、発光面を有する発光パネルとこの発光面からの光を遮断する遮光パネルとが含まれていてもよい。この場合、発光パネルの枚数や間隔を選択することで発光パネルを様々なパターンで配置することができ、これによって栽培植物の照明周期や照明時間を調整することができる。このような発光パネルの配置の選択と既に述べた発光面の回転の制御とを組み合わせることにより、いっそう柔軟に栽培植物の明期／暗期を制御することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る植物栽培装置の一実施形態を示す部分分解切欠図であり、図２は、図１の装置の上蓋１６を外した状態における平面図である。この装置は、略１２角形の断面を有する筒状の発光ユニット１０と、発光ユニット１０を取り囲むように配置された複数の植物栽培室３６を備えている。装置の中央には、発光ユニット１０と同軸にシャフト１２が設けられている。このシャフト１２は、底部１４の中心から垂直上方に延びている。この装置は、装置本体に着脱自在に装着される上蓋１６を更に備えている。この植物栽培装置の特徴として、発光ユニット１０は、シャフト１２の軸線を中心として回転可能となっている。発光ユニット１０を回転させることにより、各栽培室３６の植物全体へ照明光を均一に照射することができる。
【００１０】
発光ユニット１０は、装置の長手方向（底部１４の上面に対して垂直な方向）に延在する略方形の光源パネル２０および遮光パネル２３を備えている。発光ユニット１０の下部には、略円筒状の歯車部１１が設けられている。後述するように、この歯車部１１は、底部１４に設置されたモータ４０のピニオンと係合し、モータ４０の駆動によるピニオンの回転に伴って発光ユニット１０を回転させる。光源パネル２０および遮光パネル２３は、歯車部１１からシャフト１２の軸線方向に沿って上方に延びる複数本（本実施形態では１２本）のフレーム（図示せず）によって支持されている。これらのフレームは、シャフト１２の軸線を中心として周方向に等間隔に離間して配置されている。これらのフレームには、光源パネル２０および遮光パネル２３を支持するためのレールが設けられており、隣り合うフレーム間に光源パネル２０または遮光板２３を差し込んで固定できるようになっている。
【００１１】
図３および図４は、光源パネル２０の構成を示す斜視図および平面図である。これらの図に示されるように、光源パネル２０は、複数の半導体光源２１をフィン付の細長金属バー２２ａ〜ｅに固定し、これらの金属バー２２を配光を考慮して並べたものである。本実施形態では、金属バー２２ａ、ｃおよびｅに赤色の半導体光源が一列に設置されている。金属バー２２ｂは、青色および遠赤色の半導体光源が一列ずつ設置されている。金属バー２２ｄも同じである。一例として、赤色光源の出力波長は６５０〜６９０ｎｍ程度、青色光源の出力波長は４３０〜４８０ｎｍ程度、遠赤色光源の出力波長は７００〜７６０ｎｍ程度とすることができる。後述するように、これらの光源は駆動装置４６に接続されており、駆動装置４６から電力の供給を受ける。駆動装置４６は、光源の発光量を調節することができる。
【００１２】
半導体発光素子は、植物に必要な波長の光を自由に選択でき、従来の光源（高圧ナトリウムランプやメタルハライドランプ）と比べて、植物に有害な熱線を照射しないため植物への近接照明が可能という利点を有している。また、素子自身の発熱のみを考慮して栽培装置を作製すればよいため、空調設備やランニングコストを大幅に削減できるなど、ほかにも有利な点が多い。
【００１３】
金属バー２２の材料としては、半導体光源２１からの発熱を効率良く逃がすように、アルミニウムや銅など熱伝導性の良いものが適している。半導体光源２１の発光面は、金属バー２２の表面とほぼ面一の状態で露出している。各々の金属バー２２において同一色の半導体光源２１は、電気的に直列接続されている。金属バーの裏側（フィンが設けられている側）には冷却ファン２４が取り付けられており、ファン２４が発生する風をフィンに当てることによって光源（発光素子）から発生する熱を更に効率良く除去できるようになっている。
【００１４】
図５は、発光ユニット１０の歯車部１１と発光ユニット回転用のモータ４０を拡大して示す図である。図５および図１に示されるように、装置の底部１４の上面には、発光ユニット１０を回転させるためのモータ４０が設置されている。モータ４０の軸の先端にはピニオンが取り付けられており、このピニオンは回転ユニットの歯車部分１１とかみ合っている。これにより、モータ軸の回転に伴って発光ユニット１０がシャフト１２の軸線のまわりに回転するようになる。発光ユニット１０の回転方式としては、種々のものを考えることができる。例えば、発光ユニット１０は、一定の速度で連続的に回転させても良いし、あるいは栽培室一つ分だけ回転した後、一定時間静止し、その後、再び栽培室一つ分だけ回転するという間欠的な回転を行ってもよい。なお、本実施形態では、栽培室一つ分の回転は３６０／１２＝３０°の回転に相当する。モータ４０は、図示しないモータ駆動装置に接続されている。この駆動装置は、モータ４０に電力を供給するとともにモータ４０の動作（例えば、モータ４０の回転速度や回転タイミングなど）を制御することができる。これにより、発光ユニット１０の回転動作を制御することができる。
【００１５】
図６は、シャフト１２の一部を拡大して示す図である。図６および図１に示されるように、シャフト１２の表面には複数の電極面４２がシャフト１２の軸線方向に沿って離間して配置されている。これらの電極面４２上には、導電性のスリップリング４４がシャフト１２と同軸に設置されている。このスリップリング４４は、電極面４２と接触しながらシャフト１２の軸線のまわりに回転できるようになっている。例えば、シャフト１２の表面にスリップリング４４とほぼ同じ幅の溝を設け、その溝を含む領域を電極面４２としてもよい。電極面４２の溝にスリップリング４４を配置することで、スリップリング４４を電極面４２との接触を維持しながら回転自在に固定することができる。
【００１６】
図６に示されるように、スリップリング４４には、光源パネル２０に含まれる半導体発光素子２１からの導線２５が接続されており、また、電極面４２は、配線２７を介して半導体発光素子用の駆動装置４６に電気的に接続されている。発光ユニット１０の回転の際に導電性スリップリング４４と電極面４２との接触が保たれるので、発光ユニット１０が回転している間、駆動装置４６から供給される電力を光源パネル２０の発光素子２１に伝送することができる。
【００１７】
図２に示されるように、本実施形態の植物栽培装置では、発光ユニット１０を包囲するように複数（本実施形態では１２個）の植物栽培室３６が設けられており、この栽培室３６内に栽培植物３１を収容できるようになっている。この植物栽培室３６は、発光パネル２０または遮光パネル２３のいずれかと、植物栽培トレイ３０と、反射ユニット１８によって囲まれる空間である。これらの栽培室３６は、シャフト１２の軸線を中心として周方向に配置されている。
【００１８】
図７および図８は、植物栽培トレイ３０の斜視図および横断面図である。これらの図に示されるように、植物栽培トレイ３０は、細長い箱型の構造を有している。その側面の一つには、トレイ３０の長手方向に沿って等間隔に複数の開口が設けられており、この開口に植物を植えることができるようになっている。これらの植物には、例えば茎から根にかけて保持部材３３が取り付けられる。栽培トレイ３０は、長手方向に沿った貫通孔３２を有している。この貫通孔３２は、栽培植物へ培養液を供給するための導管として機能する。これにより、栽培植物３１の根の部分へ直接または保持部材３３を介して栄養分を供給できるようになる。保持部材３３としては、培養液を十分に吸収できように、ウレタン等の吸湿性のある材料が好ましい。
【００１９】
図１に示されるように、この植物栽培トレイ３０は、固定治具３４に着脱自在に装着される。この固定治具３４は、栽培装置の外側に向かって回動できるようになっており、これにより栽培トレイ３０の着脱が容易になっている。固定治具３４を傾けて栽培トレイ３０を差し込み、その後、固定治具３４の傾きを起こすことにより栽培トレイ３０を栽培装置に固定することができる。固定治具３４の内部には、培養液を流通させるための導管が設けられており、この導管は、栽培トレイ３０を差し込んだときに栽培トレイ３０の導管３２と連通するようになっている。固定治具３４内の導管は、底部１４に埋設された配管５２の流入口５３とも連通しており、後述するような培養液の循環を可能にしている。
【００２０】
再び、図１および図２を参照して説明を行う。反射ユニット１８は、シャフト１２の軸線に沿って延在し、隣り合う栽培室３６を仕切っている。この反射ユニット１８は、シャフト１２に向かってテーパ化する断面形状を持ったくさび形部材であり、本実施形態では内部が中空となっている。反射ユニット１８の側面は、半導体光源２１からの光を高い割合で反射することができる白色面またはミラー面である。これらの反射ユニット１８は、シャフト１２の軸線の周方向に沿って等間隔に配置されている。この反射ユニット１８は、光源パネル２０からの光を効率よく栽培室３６内の植物３１へ集光させるために設けられている。このような光反射性の表面を栽培室の側壁にすることで、植物体での照明光の吸収を高め、側壁での吸収による損失を抑えて、省電力化を図ることができる。
【００２１】
植物栽培装置の底部１４には、培養液循環用の配管５２が設けられている。この配管５２は植物栽培トレイ３０と同数の流入口５３と、単一の流出口５４を備えている。この流出口５４は、外部の培養液循環ポンプ６０に連結される。上述したように、流入口５３には固定治具３４内の導管が連通している。
【００２２】
円板状の上蓋１６にも培養液循環用の配管５５が埋め込まれている。配管５５は、植物栽培トレイ３０と同数の流出口５６と、単一の流入口５７を備えており、流入口５７は培養液循環ポンプ６０に連結される。装置本体に上蓋１６が装着されると、流出口５６が栽培トレイ３０の導管３２と連通するようになっている。
【００２３】
ポンプ６０から送られる培養液は、上蓋１６内の配管５５を介して栽培トレイ３０の導管３２に流入する。このようにして植物栽培トレイに供給された培養液の一部は、栽培植物３１によって吸収される。導管３２を流れた培養液は、固定治具３４内の導管および底部１４内の配管５２を通じて栽培装置から排出され、再びポンプ６０に戻る。このようにして、培養液が栽培装置内を循環することになる。
【００２４】
本実施形態の植物栽培装置には、空調設備７０がダクトを介して連結されている。空調設備７０は、栽培装置内に設置された温度センサおよび湿度センサ（図示せず）を用いて栽培装置内の温度および湿度を検出するとともに、装置内の温度および湿度を調節することができる。したがって空調設備７０を用いることで、栽培装置内の温度および湿度を栽培に最適な値に調整することができる。
【００２５】
また、本実施形態の植物栽培装置には、電磁弁を介して炭酸ガスボンベ７２が連結されている。電磁弁の動作は、図示しない炭酸ガス制御装置によって制御される。この炭酸ガス制御装置は、栽培装置内に設置されたＣＯ2センサを用いて栽培装置内のＣＯ2濃度を検出するとともに、電磁弁の開閉を制御することができる。したがってこの制御装置を用いることで、栽培装置内のＣＯ2濃度を最適な値に調整することができる。
【００２６】
空調設備７０やガスボンベ７２からの配管は、底部１４の内部や反射ユニット１８の中空部分に設けることができる。例えば、底部１４内に設けられた配管を通じて炭酸ガス等を栽培室３６内に送り込んだり、反射ユニット１８の上部に設けられたフィルタを介して栽培室３６内のガスを反射ユニット１８の中空部分に排出することが可能である。
【００２７】
本実施形態の植物栽培装置では、発光ユニット１０（特に発光パネル２０）が回転することにより複数の栽培室３６に対して順次に光が照射されるので、発光パネル２０の回転動作を制御することにより照明周期や照明時間を調節することができる。植物は、その生長段階ごとに適切な明期／暗期の周期や照明時間を有しており、したがって生長段階に適した周期や時間で照明を行えば生長効率を著しく高めることができる。本発明の植物栽培装置によれば発光ユニット１０の回転動作を調整するだけで栽培植物の明期／暗期を制御することができるので、植物の生長段階ごとに最適な明期／暗期を容易かつ柔軟に設定し、植物の生育を最適化することができる。
【００２８】
また本実施形態では、発光パネル２０の数や間隔を変えることによっても照明周期や照明時間を調節することができる。したがって、発光パネル２０の配置選択と発光ユニット１０の回転動作制御とを組み合わせることにより、いっそう柔軟な照明周期や照明時間の制御が可能である。更に、栽培植物の種類によっては苗時から成長時までのあらゆる生育段階において各段階に適した光量の照明を行うことによって効率の良い栽培を行うことができる。本実施形態の装置では半導体発光素子２１の光量を駆動装置４６によって調整できるので、このような栽培方法を実行することも可能である。
【００２９】
更に、本実施形態の植物栽培装置によれば、発光パネル２０の回転によって各栽培室に同時にではなく順次に照明を行うので、同一の栽培面積に対して必要な半導体発光素子の数を従来に比べて少なくすることができる。これにより装置の製造コストを削減するととも、半導体発光素子の冷却に必要な電力コストを削減することができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明に係る植物栽培装置では、複数の植物栽培室の照明を発光手段が備える発光面の回転によって順次に行うので、栽培植物の明期／暗期を容易に制御できるとともに、同一の栽培面積に対して必要な半導体発光素子の数を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る植物栽培装置の一実施形態を示す部分分解切欠図である。
【図２】図１の装置の上蓋１６を外したときの平面図である。
【図３】光源パネル２０の構成を示す斜視図である。
【図４】光源パネル２０の構成を示す平面図である。
【図５】発光ユニット１０の歯車部１１とモータ４０を拡大して示す図である
【図６】シャフト１２の一部を拡大して示す図である。
【図７】植物栽培トレイ３０の斜視図である。
【図８】植物栽培トレイ３０の横断面図である。
【符号の説明】
１０…発光ユニット、１１…歯車部、１２…シャフト、１４…底部１４…上蓋、１８…反射ユニット、２０…発光パネル、２３…遮光パネル、３０…栽培トレイ、３１…栽培植物、３６…栽培室、４０…モータ、４６…半導体素子駆動装置。
【図１】
0004252697.tif 000002
【図２】
0004252697.tif 000003
【図３】
0004252697.tif 000004
【図４】
0004252697.tif 000005
【図５】
0004252697.tif 000006
【図６】
0004252697.tif 000007
【図７】
0004252697.tif 000008
【図８】
0004252697.tif 000009