JP2011109921A - 農作物育成用照明ユニット、それを用いた農作物育成用照明システム及びこれらを用いた農作物育成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発光ダイオード光源と反射板を組み合わせた効率的な補光を可能とする農作物育成用照明ユニット、それを用いた農作物育成用照明システム及びこれらを用いた農作物育成方法を提供する。
【解決手段】発光ダイオード光源とその背後の反射板からなる農作物育成用照明ユニットであって、反射板が、脂肪族ポリエステル系樹脂と酸化チタンを主とする微粉状充填剤を含有する樹脂組成物から形成される反射フィルムを含む照明ユニットである。光ダイオードとしては赤色発光ダイオード、青色発光ダイオード、白色発光ダイオード、及びこれらの組み合わせのいずれも使用することができるが、青色光は植物の成長を補助し茎の伸張、花芽形成に寄与し、赤色光は光合成を促進することから、特に赤色発光ダイオードと青色発光ダイオードの組み合わせを使用することが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオード光源とその背後の反射板からなる農作物育成用照明ユニット、それを用いた農作物育成用照明システム及びこれらを用いた農作物育成方法に関わる。

近年、野菜や果物などの有用植物は、温室栽培などの人工栽培によって、１年を通して栽培されている。人工栽培によって育成された有用植物が露地栽培された有用植物と同等の品質を保つためには、ビニールハウスなどの人工栽培装置内の環境条件を適切に制御する必要がある。とくに植物へ照射される光量の適切な制御は植物の生長に最も大きな影響を持つ要素の１つである。

特に、北陸や北海道など日照量が少ない地域で温室栽培を行う場合や、作物の増収を図る場合や、品質リスクを減らし多収を可能とすることから近年注目されているトマト等の低段密植栽培や遮光資材を用いたイチゴ栽培を行う場合には、自然光（太陽光）のみでは十分ではなく、照明装置で補光することによりハウス内の栽培植物に照射される光量を増やすことが要求される。

照明装置として、従来から白熱電球、蛍光灯またはハロゲンランプなどが用いられているが、これらの照明装置は、多量のエネルギーを必要とするため電力コストが増大し、高湿下では電源系統に絶縁破壊を生じる可能性があった。

一方、従来の白熱電球などに代わる照明装置として、発光ダイオード（以下、ＬＥＤともいう。）を用いた植物栽培の可能性が提案されている。たとえば、特開平０８−１０３１６７号には、発光ダイオードによって波長４００ｎｍ〜４８０ｎｍおよび波長６２０ｎｍ〜７００ｎｍの光を植物に照射する植物栽培装置が提案されている。

発光ダイオードは、蛍光灯に比べて安全で長寿命であり、熱が出ないという利点がある。この特性を利用して、特に青色と赤色の発光ダイオードについては、工場などの施設内で高度に環境制御することで植物を周年生産する植物工場での使用の可能性が検討されている。しかしながら、発光ダイオードを使用した照明装置は蛍光灯に比べて器具自体の設置コストが高くなり、これを施設内の全面に使用した植物工場を建設する費用は甚だ高くなることから、一般的な施設園芸農家が行うことは困難である。従って、発光ダイオードを通常の施設園芸用ハウスに広く利用するにはいまだ至っていない。

そこで、補光が特に要求される栽培形態において、発光ダイオードのもつ安全で長寿命であるという特徴を生かす効果的な補光手段として、自然光（太陽光）に近い白色発光ダイオードを用いて補光することが考えられ、これにより最小限のエネルギー（電気）コストで増収効果が得られる可能性がある。

ところで、植物工場などでは蛍光灯やＣＣＦＬ管を用いて補光をする場合に、蛍光灯やＣＣＦＬ管がその周囲３６０度に亘って光を発することを考慮して、背後に漏れる光を集めるために反射板を用いることが行われている（例えば、特開２００８−１２５４１２号公報）。これに対して、発光ダイオードの光源はそこから出る光には指向性があるため、一般に反射板が用いられることがなく、その必要性があるとも考えられていなかった。

しかしながら、今般、本発明者らは、発光ダイオード光源と特定の反射フィルムを用いた反射板を組み合わせることにより、植物の葉に当らず反対側に漏れた光を反射し、再度葉に当てることができ、効果的な補光ができることを見出した。

特開平０８−１０３１６７号 特開２００８−１２５４１２号公報 国際公開第０２／００３７７７号

本発明の目的は、発光ダイオード光源と反射板を組み合わせた効率的な補光を可能とする農作物育成用照明ユニット、それを用いた農作物育成用照明システム及びこれらを用いた農作物育成方法を提供することにある。

本発明の農作物育成用照明システムの非限定的例の概略図 （ａ）本発明の照明ユニットを使用して農作物に照射する模式図 （ｂ）白色ＬＥＤと蛍光反射板を使用した照明ユニットを使用して農作物に照射する模式図 本発明の実施例で使用した反射板（ヒシメタルＥＸ−ＤＲ）と塗装鋼板の初期反射率の比較を示すグラフ 実施例で行った照射実験を表す模式図 本発明の実施例で使用した反射板（ヒシメタルＥＸ−ＤＲ）と塗装鋼板のＳＷＯＭ試験後の色差変化の比較を示すグラフ 本発明の蛍光反射板の反射特性を示すグラフ

本発明の農作物育成用照明ユニットは、発光ダイオード光源とその背後の反射板から主に構成されることを特徴とする。特に、本発明においては、反射板として特定の反射フィルムを含む反射板を使用することを特徴とする。

本発明において使用される反射板は、反射フィルム、金属板または樹脂板などのベース板、および任意に接着剤の層により構成される。本発明に使用される反射フィルムは、脂肪族ポリエステル系樹脂と、酸化チタンを主とする微粉状充填剤を含有する樹脂組成物から形成される反射フィルムが好ましい。また、本発明で使用される反射フィルムに含有される脂肪族ポリエステル系樹脂は、屈折率が１．５２未満であることが好ましい。更に、本発明に使用される反射フィルムは、内部に空隙率が５０％以下となるように空隙を有することが好ましい。本発明で好適に使用される反射フィルム及び反射板の製造方法は、国際公開２００４／１０４０７７、国際公開２００６／９１３５、特開２００６−１４５５７３号公報に記載されており、その記載内容に基づいて調製することができる。

本発明において、反射フィルムを金属板または樹脂板などのベース板に被覆する方法としては、接着剤を使用する方法、接着剤を使用せずに熱融着する方法、接着性シートを介して接着する方法、押出しコーティングする方法等があり、特に限定されるものではない。例えば、金属板もしくは樹脂板の反射フィルムを貼り合わせる側の面に、ポリエステル系、ポリウレタン系、エポキシ系等の接着剤を塗布し、反射フィルムを貼り合わせることができる。この方法においては、リバースロールコーター、キスロールコーター等の一般的に使用されるコーティング設備を使用し、反射フィルムを貼り合わせる金属板等の表面に乾燥後の接着剤膜厚が２〜４μｍ程度となるように接着剤を塗布する。次いで、赤外線ヒーター及び熱風加熱炉により塗布面の乾燥及び加熱を行い、板の表面を所定の温度に保持しつつ、直にロールラミネーターを用いて、反射フィルムを被覆、冷却することにより、反射板を得ることできる。この場合、金属板等の表面を２１０℃以下に保持すると、反射板の光反射性を高く維持できて好ましい。

金属板の種類として、亜鉛メッキ鋼鈑、アルミメッキ鋼板などがある。また、樹脂板の種類として、ポリエチレン板、ポリプロピレン板、塩化ビニル板、発泡ポリスチレン板などの照明のベース板として一般に使用されている樹脂板がある。

このような脂肪族ポリエステル系樹脂と酸化チタンを主とする微粉状充填剤を含有する樹脂組成物から形成される反射フィルムを用いた反射板としては、例えば、三菱樹脂株式会社から販売されているヒシメタル（登録商標）ＥＸ−ＤＲが挙げられ、本発明においてはこれ等の反射板が好適に使用される。

本発明における照明ユニットに使用される発光ダイオードとしては、赤色発光ダイオード、青色発光ダイオード、白色発光ダイオード、及びこれらの組み合わせのいずれも使用することができる。青色光は植物の成長を補助し茎の伸張、花芽形成に寄与し、赤色光は光合成を促進することから、本発明では特に、赤色発光ダイオードと青色発光ダイオードの組み合わせを使用することが好ましい。また、本発明の別の態様においては、自然光に近い白色発光ダイオードを使用することも好ましい。

白色発光ダイオードを植物に照射すると、白色発光ダイオードは赤、緑および青の３種類の波長の光を発するが、植物の葉は緑の波長の光を反射して吸収しない。しかしながら、反射板として、緑色光を赤色光に波長変換するような蛍光反射板を使用すると、植物の葉から反射される緑色光を赤色光に波長変換して再度葉に当てて吸収させることができ、赤色光を選択的に補光できるという作用効果を奏する。従って、本発明の別の態様として、発光ダイオード光源とその背後の反射板からなる農作物育成用照明ユニットであって、発光ダイオード光源が白色発光ダイオード光源であり、反射板が緑色光を赤色光に波長変換するような蛍光反射板であることを特徴とする該照明ユニットがある。このような蛍光反射板は、反射フィルム中に蛍光顔料を練り込む或いは反射フィルム表面に蛍光顔料を含む被膜をコーティングすることにより、または、蛍光顔料を練り込んだフィルム或いは表面に蛍光顔料を含む被膜をコーティングしたフィルムを反射フィルムに積層することにより得ることができる。蛍光顔料としては、例えば、シンロイヒ株式会社から販売されているＳＸ−１００シリーズの蛍光顔料が使用でき、特に、ＳＸ−１０３Ｒｅｄ、ＳＸ−１２７Ｒｏｓｅが好適に使用される。蛍光顔料を練り込む又は蛍光顔料を含む被膜をコーティングする反射フィルムとして、前記した脂肪族ポリエステル系樹脂と、酸化チタンを主とする微粉状充填剤を含有する樹脂組成物から形成される反射フィルムを使用することができ、あるいは、これ以外の市販されている反射フィルム（例えば、ポリプロピレン製の反射フィルム）も使用することができる。

本発明の照明ユニットは、発光ダイオード光源とその背後の反射板から主に構成されるが、電極板、ＬＥＤと電極板とを接続するボンディングワイヤなどのＬＥＤ光源を照射するために必要な部材を照明ユニットに配置してもよい。反射板にＬＥＤを取り付ける際には、必要な補光の程度を考慮して、必要な個数のＬＥＤを配置する。

また、本発明の別の態様においては、前記した照明ユニットを全体が回転可能となるように支持体に取り付けて構成した農作物育成用照明システムとすることができる。特に、本発明においては、照明ユニットを水平方向に回転可能となるように支持体に取り付けて構成した照明システムとすることが好ましい。ここで、水平方向に回転可能となるとは、太陽光の入射してくる方向に反射板の反射面が対向するように可動化されていることを意味する。また、本発明の照明ユニットを支持体に取り付けるにあたり、まず照明ユニットを鉄板やアルミ板などからなる照明ユニットよりサイズが大きいベース板上に取り付けて、その後当該ベース板を支持体に取り付けてもよい。この場合、上記した電極板、ＬＥＤと電極板とを接続するボンディングワイヤなどのＬＥＤ光源を照射するために必要な部材をベース板上に配置することができる。

本発明における農作物育成用照明システムの非限定的な例を図１に示す。かかる構成を有することで、太陽光がある場合は、照明ユニットを回転させて太陽に反射板を向けることにより、植物に当たらない太陽光を反射させて植物に照射することが可能となる。また、太陽光がない場合には、ＬＥＤ光を照射しかつ、植物の葉に当らず反対側に漏れたＬＥＤからの光を反射し、再度葉に当てることができる（図２（ａ））。更に、ＬＥＤ光源として赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）からなるハイパワー白色ＬＥＤを用い、反射板として蛍光反射板を用いると、前述のように、葉に反射された緑色光（Ｇ）を反射板で赤色光（Ｒ）に変換して再照射することで光量子束密度を上げることが可能である（図２（ｂ））。このような白色発光ダイオードとしては、（１）青、緑、赤の３種類の発光ダイオードを用いるタイプ、（２）青色発光ダイオードの表面に緑と赤の蛍光体を塗布したタイプ、（３）紫外発光ダイオードの表面に青と緑と赤の蛍光体を塗布したタイプ、のいずれを用いることができる。

本発明においては、本発明の照明ユニットを、植物の株の両側に一対配置することができる。本発明の照明ユニットを、植物の株の両側に一対配置し、当該ユニットを水平方向に回転可能な場合は、晴天の日中のように太陽光が十分に降り注ぐ場合は反射板を太陽方向へ向け、曇天や夜間等の太陽光が不十分な場合は反射板を一対なる相手の発光ダイオードに向けるようにして農作物を育成することができる。

本発明における照明ユニットは、太陽光を利用するハウス、即ち、施設園芸に利用されている被覆材からなるハウス全般、例えば、ガラスハウス、塩化ビニル系樹脂フィルム、ポリオレフィン系樹脂フィルム、ポリエステル系樹脂フィルム、フッ素系樹脂フィルム等が展張されたハウスや、太陽光を利用する植物工場などにおいて適用することができる。

本発明の農作物育成用照明ユニット又は農作物育成用照明システムを使用することができる植物としては、長日植物（長日に反応して花芽形成を調節する植物）でも、短日植物（短日に反応して花芽形成を調節する植物）でも、中性植物（光周期に反応しない植物）でも特に限定されずに適用できる。具体的には、花き園芸植物、果菜類、果樹類及び穀物類が挙げられ、例えば、ファレノプシス、シンビジウム、デンドロビウムをはじめとするラン類、サボテン類、バラ、カーネーション、ガーベラ、カスミソウ、ユリ、スターチス等の切り花用途の花き類、及び、パンジー、プリムラ、ベゴニア、ペチュニア、シクラメン等の鉢花用途の花き類；トマト、キュウリ、メロン、イチゴ、ピーマン等の果菜類；ナシ、リンゴ、ブドウ等の果樹類；及びトウモロコシ、コムギ等の穀物類などにも適用可能である。特に本発明の効果を最大限に活用するには、花芽形成が遅い植物、自然状態での花芽形成数が少ない植物、あるいは特別に通常状態よりも多くの実生が必要な状態になった植物を対象とすることが考えられる。

対象植物の栽培方法としては、とくに限定されるものではなく、培土をつめたトレイやポットを用いて発芽・育苗したものを圃場に定植し栽培する方法、スポンジキューブ上で発芽させた後、そのまま水耕栽培する方法、養分を含んだ寒天上で無菌的に組織培養し育苗する方法等、植物の種類や栽培の目的に応じた栽培法を用いることが出来る。

以下、実施例により、本発明を更に具体的に説明するが、本発明はその要旨を越えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。

反射板として、三菱樹脂株式会社から販売されているヒシメタル（登録商標）ＥＸ−ＤＲを用いて図１に示す照射システムを作製した。使用した反射板の初期反射特性を塗装鋼板と比較した結果を図３に示す。ここで、塗装鋼板は、市販の焼付け用白色アクリル塗料をアルミメッキ鋼板にコーティングしたものを用いた。この図から、特定の反射フィルムを使用することにより、太陽光や、赤〜青のさまざまな波長の発光ダイオードの光源の光を効率よく反射できることが理解できる。

発光ダイオードは、昭和電工株式会社製の赤色発光ダイオードＨＲＰ−３５０Ｆ及び青色発光ダイオードＧＭ２ＧＲ４５０Ｇを使用した。ＲＢＲＲＢＲＲＢＲ（Ｒ：赤、Ｂ：青）の発光ダイオードを並べて１ユニット（発光単位）１５０ｍｍ幅とし、６ユニットつなげたものを使用した（９００ｍｍ幅）。

当該照射システムを使用して、太陽光が十分に降り注ぐ日を選んで反射板を太陽方向へ向けた場合（実施例１）と、照射システムを使用しない場合（比較例１）について、トマト栽培近傍において照度測定（照度計ＴＯＰＣＯＭＩＭ−３を使用）を図４に示すような方式で実施した。その結果を以下に示す。

上の表から、本発明の照明ユニットを使用すると、太陽光を果実近傍に有効に照射することができることが示される。

また、本実施例で使用した反射板（ヒシメタルＥＸ−ＤＲ）のサンシャイン・ウェザロメーター（ＳＷＯＭ）試験後の色差変化を図５に示す。この図から、ヒシメタルＥＸ−ＤＲの反射率の持続性は塗装鋼板よりも高いことが示されることから、本発明の照明ユニットも同様に優れた反射特性の持続性を示すことが理解できる。

また、ポリプロピレンからなる反射フィルムに蛍光顔料（シンロイヒ株式会社のＳＸ−１２７Ｒｏｓｅ）を含有させた反射フィルムを用いた反射板について反射特性を測定した結果を図６に示す。同図は、６００ｎｍ以上の波長での反射率が非常に高いことを示している。従って、本発明の蛍光反射板を使用することにより、赤色光の波長を農作物に有効に照射できることが理解できる。

Claims (13)

1. 発光ダイオード光源とその背後の反射板からなる農作物育成用照明ユニットであって、反射板が、脂肪族ポリエステル系樹脂と酸化チタンを主とする微粉状充填剤を含有する樹脂組成物から形成される反射フィルムを含むことを特徴とする、該照明ユニット。
2. 脂肪族ポリエステル系樹脂の屈折率が１．５２未満であることを特徴とする請求項１に記載の農作物育成用照明ユニット。
3. 反射フィルムが、内部に空隙率が５０％以下となるように空隙を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の農作物育成用照明ユニット。
4. 発光ダイオード光源が白色発光ダイオード光源であり、反射板が緑色光を赤色光に波長変換するような蛍光反射板であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の農作物育成用照明ユニット。
5. 当該照明ユニットが水平方向に回転可能である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の農作物育成用照明ユニット。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の照明ユニットを、植物の株の両側に一対配置することを特徴とする農作物育成方法。
7. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の照明ユニットを、植物の株の両側に一対配置し、当該ユニットを水平方向に回転可能とし、晴天の日中のように太陽光が十分に降り注ぐ場合は反射板を太陽方向へ向け、曇天や夜間等の太陽光が不十分な場合は反射板を一対なる相手の発光ダイオードに向ける農作物育成方法。
8. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の照明ユニットを全体が回転可能となるように支持体に取り付けて構成されることを特徴とする農作物育成用照明システム。
9. 請求項８に記載の照明システムを、植物の株の両側に一対配置することを特徴とする農作物育成方法。
10. 請求項８に記載の照明システムを、植物の株の両側に一対配置し、当該システムにおける照明ユニットを水平方向に回転可能とし、晴天の日中のように太陽光が十分に降り注ぐ場合は反射板を太陽方向へ向け、曇天や夜間等の太陽光が不十分な場合は反射板を一対なる相手の発光ダイオードに向ける農作物育成方法。
11. 発光ダイオード光源とその背後の反射板からなる農作物育成用照明ユニットであって、発光ダイオード光源が白色発光ダイオード光源であり、反射板が緑色光を赤色光に波長変換するような蛍光反射板であることを特徴とする該照明ユニット。
12. 当該照明ユニットが水平方向に回転可能である、請求項１１に記載の農作物育成用照明ユニット。
13. 請求項１１又は１２に記載の照明ユニットを全体が回転可能となるように支持体に取り付けて構成されることを特徴とする農作物育成用照明システム。

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