JP4835979B2 - 植物育成用照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、植物育成に必要な光を供給するための植物育成用照明装置及び植物育成装置に関し、特に太陽光と人工光とを同時に供給することができる植物育成用照明装置及び植物育成設備に関するものである。

従来のビニールハウスや露地栽培のような太陽光のみを利用する植物育成方法では、天候に左右されて光が制御できず、植物の生産にむらが生じるおそれがある。そこで近時、蛍光灯などによる人工光で植物を育成する植物育成装置が開発されつつある（特許文献１）。このようなものによれば、天候に左右されず、植物を生産することが可能である。ところが、人工光だけだと、電力消費が大きくなり、コスト的に不利になるという欠点がある。一方、前記二者の折衷案として、太陽光を随時取り入れて、電力消費効率を向上させることが考えられるが、このようにすると、照明装置が太陽光を遮り、太陽光を室内に効率よく取り入れるのを妨げる。もちろん特許文献２のように照明装置を可動式にすれば、必要に応じて照明装置を移動して太陽光を効率よく取り入れることが可能であるが、構造が大掛かりなものとなり、その建設費用が高額となる。
特開２００５−３２８７０２ 特開２００５−２７５２１

以上、従来は植物育成にあたり、光の制御性、採光、電力、及び、構造のいずれかに問題を生ずる。

そこで本発明は、照明装置を植物育成室の天井に固定した状態で主光である太陽光を非常に高い効率で取り入れると同時に必要に応じて植物に副光である人工光を照射することが可能で、静的な部品のみで構成可能な植物育成用照明装置等を提供し、従来の問題点を一挙に解決することをその主たる所期課題としたものである。

すなわち、本発明にかかる植物育成用照明装置は、一面が外部からの主光の取り入れが可能なように配置され、その反対面が植物側に向けて配置される透明部材と、副光を射出するものであってその副光を前記透明部材の端面から当該透明部材内に導入可能に配置した光源と、を備えていることを特徴とする。ここで前記透明部材は、無色透明のものが好ましいが、着色透明のものであってもよい。

このようなものであれば、外部から取り入れられた主光が前記透明部材をほぼそのまま透過するため、例えば前記植物育成用照明装置を植物育成室の天井などに固定した状態でも外部からの主光を室内に取り入れることが可能になる。また、発光部である透明部材の外部に光源が配置されているため、該光源の取替えが容易となり、必要に応じて様々な光源を利用することで光の制御性を向上できる。

また、前記副光を植物側に効率よく放射するには、前記透明部材が、板状をなすものであり、その一面を平滑鏡面仕上げ面とし、反対面を光拡散作用を営む荒仕上げ面としているものが好適である。

さらに、エネルギー効率を高めるためには、前記光源がレーザーであることが好ましく、特に電力‐光変換効率が高い半導体レーザーが好適である。レーザー光は、そのコヒーレンス性のために、出力の低いものであっても直視すると失明する危険性があり、従来はその利用は医療、工業など一定の分野に限られ、植物育成用照明に利用することは考えられていなかった。しかしながら、本発明によれば、透明部材に導入されたレーザー光は当該透明部材内を通って拡散反射し、その高いエネルギー効率を失うことなくコヒーレンス性のみを失い、安全な光となる。このようなレーザー光の性質を利用して植物育成用照明装置の光源としてレーザーを用いるという発想は全く新しいものである。

また、具体的な実施態様としては、本植物育成用照明装置は、前記主光が太陽光であるものを挙げることができる。

さらに、植物への主光及び副光の照射を効率よく行うためには、本植物育成用照明装置は、前記透明部材が植物の上方に配置されるものが好適である。

光源の取替えを容易にするためには、本植物育成用照明装置は、一端が前記透明部材の端面に臨み、他端が前記光源に臨む光ファイバをさらに備えていることが好ましい。

また、本発明は、植物を育成するための植物育成空間を備えたものであって、前記植物育成空間を形成する壁体のうち、植物よりも上方に位置する一部または全部が、外部から照射された主光を厚み方向に透過させて前記植物育成空間内に取り入れる透明部材であり、副光を射出する光源を設け、その副光が前記透明部材の端面から当該透明部材内に導入されるように当該光源を配置していることを特徴とする植物育成設備であることを特徴とする。

このようなものであれば、室内であっても必要な主光及び副光を植物に照射することができ、天候条件に左右されずに植物を育成できる。

具体的な実施形態としては、前記透明部材が、板状をなすものであり、その外面を平滑鏡面仕上げ面にするとともに、内面を光拡散作用を営む荒仕上げ面としているものであることが好ましい。

さらに、植物育成空間の環境をより最適なものにするためには、前記植物育成設備は、前記植物育成空間が、前記壁体により略完全に覆われて気密性を保持可能に構成されているものが好適である。

このように、本発明によれば、照明装置を植物育成室の天井に固定した状態で主光である太陽光を非常に高い効率で取り入れると同時に必要に応じて植物に副光である人工光を照射することが可能となり、植物育成用照明装置等は静的な部品のみで構成可能となる。

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る植物育成設備８は、図１に模式的構造図を示すように、例えばビニールハウスのような壁体１が透明で、内部に植物２を育成するための植物育成空間３を形成する植物育成用家屋４と、その植物育成空間３内の植物育成環境を制御するための環境制御機構とを備えている。

植物育成用家屋４は、前述したように透明な壁体１、すなわち側周壁１１とその上方の天井を構成する天板１２とを主体として構成したもので、主光である太陽光Ｌ１の降り注ぐ屋外に設置される。そしてその内部には、前記壁体１によって外気とほぼ気密に隔離された植物育成空間３が形成され、その植物育成空間３内では、その床に設置したプランタやあるいは露出させた地面上で、食用や観賞用の植物２を栽培可能である。ここで主光とは、植物を育成するために必要な主たる光のことである。

環境制御機構は、温度や湿度、照射光等に係る植物の育成環境を制御するもので、そのうちの照射光制御機構として、本実施形態では以下に説明する植物育成用照明装置５（以下、照明装置ともいう。）を設けている。

本実施形態では、この照明装置５は、図2、図3に示すように、例えばアクリル等の樹脂やガラスなどの空気よりも屈折率の大きい素材で構成した矩形平板状をなす等厚無色の透明部材である透明板６と、副光であるレーザー光Ｌ２を発生する光源である複数の半導体レーザー７とを備えている。ここで副光とは、基本的には前記主光に付加されて植物の育成を補助し、あるいは、制御する光のことである。

透明板６は、図３にその断面拡大図を示すように、一面を平滑鏡面仕上げ面６ｂとするとともにその反対面を微細な凹凸を施した粗仕上げ面６ｃとして光拡散作用をもたせたものであり、本実施形態では前記一面を外側にして前記天板１２として利用している。粗仕上げ面６ｃは、レーザー光Ｌ２の波長にもある程度左右されるが、１００ｎｍ〜１ｍｍの凹凸が好適である。

半導体レーザー７は周知のものであり、本実施形態ではこれら半導体レーザー７を、図２に示すように、例えば透明板６の端面である外側周端面６ａに臨むように一列に並べて配置し、射出されたレーザー光Ｌ２が当該透明板６の周端面６ａから内部に導光されるようにしている。なお、図４に示すように、各半導体レーザー７の向きは、若干傾斜させてあり、レーザー光Ｌ２が透明板６内をどこにも反射されずにそのまま通り抜けてしまわないように構成している。

次にこの照明装置５の作用を説明する。図4、図1に示すように、半導体レーザー７を点灯すると、レーザー光は、透明板内を一面６ｂと反対面６ｃとの間で反射されながら進行していくが、平滑鏡面仕上げ面である外面６ｂでは、空気と透明板６との屈折率差で全反射される一方、粗仕上げ面である内面６ｃでは拡散反射して一部が当該内面６ｃから植物育成空間３内に放出され、植物２に照射される。このときレーザー光Ｌ２のコヒーレンス性はほとんど失われる。

このように構成したこの実施形態に係る植物育成設備及び植物育成用照明装置５によれば、図1に示すように、日中の晴天時には、主光である太陽光Ｌ１が透明部材６を厚み方向にほとんどロスなく透過して（粗仕上げ面の構成によって実際には８５〜９０％以上の効率で透過させることが容易にできる）植物に照射されることとなる。

したがって基本的には、照明装置５は、曇天時や明け方、夕方等のように、太陽光Ｌ１が全体に亘ってあるいはある一部の波長の光が弱いときに、その弱い波長の光を補うように各色半導体レーザーＬ２を所定の比率や強さで点灯すればよい。そしてこのことから、植物育成を全て人工光で行うシステムに比べて、エネルギー消費を大幅に抑えてコスト削減を図れる。もちろん、夜間にこの照明装置５を点灯してもかまわないし、晴天日中であっても植物の育成等を促進すべく、所望の色彩を補充する目的（光制御の目的）で、この照明装置５を点灯してもかまわない。

良好なエネルギー効率という点で言えば、光源に半導体レーザー７を用いていることも挙げられる。レーザーは高効率であるがそのコヒーレンス性から人体の目などに入ると危険であり、このような植物育成に実用的に用いられている例は従来皆無であったのを、本実施形態では、コヒーレンス性を打ち消してその危険性を見事に解消している。このことから本実施形態は、レーザーの新たな用途を切り開くものであると言える。

また、構成においても、複雑な可動部品や機構部品を用いるわけではなく、単に天板１２を内面がすりガラス状の透明板６にしてその周端面６ａから副光Ｌ２を導入可能にすればよいだけであるので、非常に簡単である。既存のビニールハウス等に簡単な改造を施すだけでも実現可能なのである。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。例えば前記透明板６は、前記天板１２のように、植物より上方に位置するものだけでなく、植物の側方又は下方に位置する側周壁の一部または全部に用いても構わないし、透明板をドーム型やかまぼこ型の湾曲したものにしてもよい。その他、前記植物育成家屋４内に植物を載せられる棚を設置し、各棚の上部に前記透明板を配置する構造であってもよい。

透明板は、必ずしも一面が平滑鏡面仕上げ面、その反対面が微細な凹凸を施した粗仕上げ面としたものでなくてもよく、植物への光照射効率が上るような構造であれば、例えば、透明板内部に光散乱微粒子を分散させたものであってもよい。また、一面を微細な凹凸を施した粗仕上げ面、その反対面を平滑鏡面仕上げ面としたものであってもよい。

さらに、植物育成用照明装置の発光部は透明板に限られず、透明部材であれば、例えば、ライトガイドと呼ばれる側面漏光性の光ファイバを敷き詰めたものであってもよい。コアとクラッドで構成されるプラスチックファイバの中を通過する光は全反射によって伝播するが、ファイバの屈曲やクラッドへの凹凸加工等の散乱要因を与えることによって臨界角を超えた角度を持った光が漏出する。この原理に従って、例えばイルミネーションに用いられる側面発光タイプのプラスチックファイバ側面に垂直方向からレーザー光を照射すると、その９０％以上が透過するため、前記透明板と同様に、本発明に係る植物育成用照明装置の発光部として利用できる。

また、本発明は、主光と副光の加算が可能なシステムであるが、主光を使用しない場合（夜間等）には、副光の反射光が植物に照射されるように植物の周囲を反射板や反射フィルムなどで覆うことで容易に光利用率を向上することが可能である。

上記同様に主光としての太陽光の不要な波長成分を選択的に取り除く作業も、フィルター板やフィルムで植物の周囲を覆うことで簡便に行うことが可能である。

主光は太陽光に限られず、この設備を屋内に設置して主光に人工光を用いてもよく、副光は、透明板のどの周端面から導入してもよい。

半導体レーザーは赤、青、黄色等の複数色が利用可能であるが、そのうち青、黄色のものを利用するには現状ではコスト的に問題があるので、他の種類のレーザーであってもよい。さらに、光源は半導体レーザーに限られず、効率を重要視しないのであれば、ＬＥＤや蛍光灯でも代用可能である。

また、光源からの光を直接透明板に照射するもののみならず、光源を透明板から離れた場所に設置し、光ファイバ等のライトガイドで副光を透明板の周端面まで導くようにしたものでも良い。このような透明板に光ファイバにより光を供給するシステムにおいては、２つの透明板からファイバーを個々に引き、１つの光源からの光を光路切り替えミラーなどで切り替えることで、明期、暗期を交互に切り替えることにより、コスト低減を図ることも可能になる。

植物育成設備の壁体は、側周壁が開口部を持つものであっても、天板のみのものであってもよく、その植物育成用家屋が天板とそれを支える柱からなるものであってもよい。

その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能であるのは言うまでもない。

本発明の一実施形態における植物育成設備の模式的構造図。 前記形態における植物育成用照明装置。 前記形態における透明部材の一部断面拡大図。 前記形態における植物育成用照明装置のレーザー光照射の模式図。

符号の説明

１ ・・・壁体（側周壁、天板）
２ ・・・植物
３ ・・・植物育成空間
５ ・・・植物育成用照明装置
６ ・・・透明部材（透明板）
６ａ ・・・端面（周端面）
６ｂ ・・・一面（外面、平滑鏡面仕上げ面）
６ｃ ・・・反対面（内面、粗仕上げ面）
７ ・・・光源（半導体レーザー）
８ ・・・植物育成設備
Ｌ１ ・・・主光（太陽光）
Ｌ２ ・・・副光（レーザー光）

Claims (13)

1. 一面が外部からの主光の取り入れが可能なように配置され、その反対面が植物側に向けて配置されるとともに、前記一面を鏡面とし前記反対面を光拡散面とした板状をなす透明部材と、
   副光を射出するものであってその副光を当該透明部材内に導入して前記一面と前記反対面との間で反射させながら進行させることができるように配置した光源と、を備えていることを特徴とする植物育成用照明装置。
2. 一面が外部からの主光の取り入れが可能なように配置され、その反対面が植物側に向けて配置されるとともに、前記一面を光拡散面とし前記反対面を鏡面とした板状をなす透明 部材と、
   副光を射出するものであってその副光を当該透明部材内に導入して前記一面と前記反対面との間で反射させながら進行させることができるように配置した光源と、を備えていることを特徴とする植物育成用照明装置。
3. 一面が外部からの主光の取り入れが可能なように配置され、その反対面が植物側に向けて配置されるとともに、内部に光散乱微粒子を分散させた板状をなす透明部材と、
   副光を射出するものであってその副光を当該透明部材内に導入して前記一面と前記反対面との間で反射させながら進行させることができるように配置した光源と、を備えていることを特徴とする植物育成用照明装置。
4. 側面が外部からの主光の取り入れが可能なように配置され、その側面に対向する側面が植物側に向けて配置される側面漏光性の光ファイバを敷き詰めて構成した透明部材と、
   副光を射出するものであってその副光を前記透明部材の端面から当該透明部材内に導入可能に配置した光源と、を備えていることを特徴とする植物育成用照明装置。
5. 前記光源がレーザーである請求項１乃至４いずれかに記載の植物育成用照明装置。
6. 前記主光が太陽光である請求項１乃至５いずれかに記載の植物育成用照明装置。
7. 前記透明部材が植物の上方に配置される請求項１乃至６いずれかに記載の植物育成用照明装置。
8. 一端が前記透明部材の端面に臨み、他端が前記光源に臨む光ファイバをさらに備えている請求項１乃至７いずれかに記載の植物育成用照明装置。
9. 植物を育成するための植物育成空間を備えたものであって、
   前記植物育成空間を形成する壁体のうち、植物よりも上方に位置する一部または全部が、外部から照射された主光を厚み方向に透過させて前記植物育成空間内に取り入れるとともに、外面を鏡面とし内面を光拡散面とした板状をなす透明部材であり、
   副光を射出する光源を設け、その副光が当該透明部材内に導入されて前記外面と前記内面との間で反射しながら進行することができるように当該光源を配置していることを特徴とする植物育成設備。
10. 植物を育成するための植物育成空間を備えたものであって、
    前記植物育成空間を形成する壁体のうち、植物よりも上方に位置する一部または全部が、外部から照射された主光を厚み方向に透過させて前記植物育成空間内に取り入れるとともに、外面を光拡散面とし内面を鏡面とした板状をなす透明部材であり、
    副光を射出する光源を設け、その副光が当該透明部材内に導入されて前記外面と前記内面との間で反射しながら進行することができるように当該光源を配置していることを特徴とする植物育成設備。
11. 植物を育成するための植物育成空間を備えたものであって、
    前記植物育成空間を形成する壁体のうち、植物よりも上方に位置する一部または全部が、外部から照射された主光を厚み方向に透過させて前記植物育成空間内に取り入れるとともに、内部に光散乱微粒子を分散させた板状をなす透明部材であり、
    副光を射出する光源を設け、その副光が当該透明部材内に導入されて前記透明部材の一面とその反対面との間で反射しながら進行することができるように当該光源を配置していることを特徴とする植物育成設備。
12. 植物を育成するための植物育成空間を備えたものであって、
    前記植物育成空間を形成する壁体のうち、植物よりも上方に位置する一部または全部が、外部から照射された主光を長手方向と垂直な方向に透過させて前記植物育成空間内に取り入れる側面漏光性の光ファイバを敷き詰めて構成した透明部材であり、
    副光を射出する光源を設け、その副光が前記透明部材の端面から当該透明部材内に導入されるように当該光源を配置していることを特徴とする植物育成設備。
13. 前記植物育成空間が、前記壁体により略完全に覆われて気密性を保持可能に構成されている請求項９乃至１２いずれかに記載の植物育成設備。