JP2012239417A

JP2012239417A - 植物育成用光源装置

Info

Publication number: JP2012239417A
Application number: JP2011112095A
Authority: JP
Inventors: Hirosato Akazawa; 弘識赤澤
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2011-05-19
Filing date: 2011-05-19
Publication date: 2012-12-10

Abstract

【課題】人に不快感を与えることなしに植物を効率よく育成することができる植物育成用光源装置を提供する。
【解決手段】本発明の植物育成用光源装置は、白色ＬＥＤと赤色ＬＥＤとを備えてなり、照射光の色温度が２８００Ｋ〜６５００Ｋであり、かつ、当該照射光における波長４００〜５００ｎｍの放射束強度に対する波長６００〜７００ｎｍの放射束強度の比が１．５２〜４．５６の範囲にあることを特徴とする。前記白色ＬＥＤは、その放射光の色温度が４０００〜１００００Ｋのものであることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤを備えた植物育成用光源装置に関する。

近年、人工の光源を利用して野菜、果物、花卉などを育成する植物工場の実用化が進んでおり、この植物工場においては、天候や昼夜、季節などの日射条件の影響を受けることなく、植物を安定的かつ効率的に育成することが可能である。
このような植物工場において使用される植物育成用光源装置としては、従来、植物の光合成に有効な波長６６０ｎｍ付近の赤色光および波長４５０ｎｍ付近の青色光を放射するものが用いられており、青色ＬＥＤと赤色ＬＥＤとを備えてなるもの（特許文献１参照。）、白色ＬＥＤと赤色ＬＥＤとを備えてなり、照射光の全放射エネルギー量に対する、波長６００〜７００ｎｍの光の放射エネルギー量の割合が２５〜５０％で、波長５００〜６００ｎｍの光の光放射エネルギー量の割合が１５〜３０％であるもの（特許文献２参照。）などが提案されている。
また、植物を育成するための光としては、一般に、赤色光の光合成量子束密度と青色光の光合成量子束密度との比が７：３〜９：１が好ましいとされている。

しかしながら、特許文献１に記載の植物育成用光源装置においては、照射光は、青色ＬＥＤからの青色光と赤色ＬＥＤからの赤色光との混光、すなわち赤〜青紫色の光であるため、植物の育成において、水遣り、植付け、収穫などの作業を行う際に人に不快感を与える、という問題がある。また、植物を育成しながら鑑賞する場合には、光源として不適である。
また、特許文献２に記載の植物育成用光源装置においては、赤色光と青色光とのバランスが適正でないため、十分な光合成ができなかったり、植物の葉の形態形成が十分に行われなかったりする、という問題がある。

特開平８−１０３１６７号公報特開２０１０−１３０９８６号公報

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、人に不快感を与えることなしに植物を効率よく育成することができる植物育成用光源装置を提供することにある。

本発明の植物育成用光源装置は、白色ＬＥＤと赤色ＬＥＤとを備えてなり、照射光の色温度が２８００Ｋ〜６５００Ｋであり、かつ、当該照射光における波長４００〜５００ｎｍの放射束強度に対する波長６００〜７００ｎｍの放射束強度の比が１．５２〜４．５６の範囲にあることを特徴とする。

本発明の植物育成用光源装置においては、前記白色ＬＥＤは、その放射光の色温度が４０００〜１００００Ｋのものであることが好ましい。

本発明の植物育成用光源装置によれば、照射光の色温度が２８００Ｋ〜６５００Ｋであることにより、当該照射光は白色系の光として視認されるため、人に不快感を与えることがなく、しかも、照射光における波長４００〜５００ｎｍの放射束強度に対する波長６００〜７００ｎｍの放射束強度の比が１．５２〜４．５６の範囲にあることにより、植物を効率よく育成することができる。

本発明の植物育成用光源装置の一例を示す正面図である。図１に示す植物育成用光源装置における白色ＬＥＤユニットの構成を示す説明用断面図である。図１に示す植物育成用光源装置における赤色ＬＥＤユニットの構成を示す説明用断面図である。

以下、本発明の植物育成用光源装置の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の植物育成用光源装置の一例を示す正面図である。この植物育成用光源装置１０においては、矩形の枠体１１内に複数の白色ＬＥＤ２０および複数の赤色ＬＥＤ３０が縦横に並ぶよう配置されている。
具体的に説明すると、互いに直列に接続された例えば１５個の白色ＬＥＤ２０が一方向（図１において左右方向）に並ぶよう配置されてなる例えば８つの白色ＬＥＤ列２０Ｒと、それぞれ直列に接続された例えば１５個の赤色ＬＥＤ３０が一方向（図１において左右方向）に並ぶよう配置されてなる例えば８つの赤色ＬＥＤ列３０Ｒとが、白色ＬＥＤ２０および赤色ＬＥＤ３０が並ぶ一方向に垂直な他方向に沿って交互に配列されている。
図示の例では、白色ＬＥＤ列２０Ｒの各々は、互いに直列に接続された、それぞれ一方向に並ぶ３つの白色ＬＥＤ２０を備えてなる５つの白色ＬＥＤユニット２０Ｕが、互いに直列に接続された状態で一方向に並ぶよう配置されて構成され、一方、赤色ＬＥＤ列３０Ｒは、互いに直列に接続された、それぞれ一方向に並ぶ３つの赤色ＬＥＤ３０を備えてなる５つの赤色ＬＥＤユニット３０Ｕが、互いに直列に接続された状態で一方向に並ぶよう配置されて構成されている。また、白色ＬＥＤ列２０Ｒの各々は、互いに並列に接続された状態で電源に接続された点灯回路（図示省略）に電気的に接続され。一方、赤色ＬＥＤ列３０Ｒの各々は、互いに並列に接続された状態で電源に接続された点灯回路（図示省略）に電気的に接続されている。

図２は、白色ＬＥＤユニット２０Ｕの構成を示す説明用断面図である。白色ＬＥＤユニット２０Ｕは、例えばアルミニウムよりなる板状基体の表面に絶縁膜が形成されてなる基板２７上に、３つの白色ＬＥＤ２０が並ぶよう配置されて構成されている。
白色ＬＥＤ２０の各々においては、配線基板２１の表面上における中央位置には、青色ＬＥＤ素子２２が固定されて配置され、透明性樹脂中に蛍光体が含有されてなる半球状のレンズ層２３が、青色ＬＥＤ素子２２の表面を覆うよう形成されている。また、配線基板２１の表面には、当該配線基板２１の表面から離間するに従って拡径するテーパ状の光反射面が形成された筒状の光反射部材２４が、当該光反射面が青色ＬＥＤ素子２２を包囲するよう配置され、この光反射部材２４の外周面には樹脂よりなる筒状の筐体２５が配置されている。また、光反射部材２４の筒孔内には、当該光反射部材２４の光反射面に適合するテーパ状の周面を有する、透明性樹脂またはガラスよりなるレンズ部材２６が、その光入射面がレンズ層２３に空気層Ｓを介して対向するよう配置されている。

青色ＬＥＤ素子２２としては、メタル基板上に、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）の窒化物よりなる４元系の光半導体材料を結晶成長させることによって得られるものを用いることができる。また、青色ＬＥＤ素子２２からの光のピーク波長は例えば４２０〜４７０ｎｍである。
レンズ層２３中に含有される蛍光体としては、白色光が得られるものであれば特に限定されず、黄色蛍光体、緑色蛍光体、赤色蛍光体を単独でまたは２種以上を組み合わせて用いることができ、具体的には、ＹＡＧ系蛍光体、ＴＡＧ系蛍光体などが挙げられる。

図３は、赤色ＬＥＤユニット３０Ｕの構成を示す説明用断面図である。赤色ＬＥＤユニット３０Ｕは、例えばアルミニウムよりなる板状基体の表面に絶縁膜が形成されてなる基板３７上に、３つの赤色ＬＥＤ３０が並ぶよう配置されて構成されている。
赤色ＬＥＤ３０の各々においては、配線基板３１の表面上における中央位置には、赤色ＬＥＤ素子３２が固定されて配置され、透明性樹脂よりなる半球状のレンズ層３３が、赤色ＬＥＤ素子３２の表面を覆うよう形成されている。また、配線基板３１の表面には、当該配線基板３１の表面から離間するに従って拡径するテーパ状の光反射面が形成された筒状の光反射部材３４が、当該光反射面が赤色ＬＥＤ素子３２を包囲するよう配置され、この光反射部材３４の外周面には樹脂よりなる筒状の筐体３５が配置されている。また、光反射部材３４の筒孔内には、当該光反射部材３４の光反射面に適合するテーパ状の周面を有する、透明性樹脂またはガラスよりなるレンズ部材３６が、その光入射面がレンズ層３３に空気層Ｓを介して対向するよう配置されている。

赤色ＬＥＤ素子３２としては、ＧａＰよりなる基板上に、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）のリン化物よりなる４元系の光半導体材料を結晶成長させることによって得られるものを用いることができる。また、赤色ＬＥＤ素子３２からの光のピーク波長は例えば６４０〜６８０ｎｍである。

本発明の植物育成用光源装置１０においては、照射光の色温度が２８００Ｋ〜６５００Ｋとされる。照射光の色温度が２８００Ｋ未満である場合には、照射光は赤みの大きいものであるため、人に不快感を与える。一方、照射光の色温度が６５００Ｋを超える場合には、照射光は青みの大きいものであるため、目に対する刺激が強く、目がちかちかすることなど人に不快感を与える。

また、白色ＬＥＤ２０の各々は、その放射光の色温度が４０００〜１００００Ｋのものであることが好ましい。白色ＬＥＤ２０放射光の色温度が４０００Ｋ未満である場合には、当該放射光は赤味成分の割合が大きいものであるため、一般的に植物は節間伸長となる、という問題がある。また、赤味成分の割合が大きいことにより、植物本来の色を正しく観察することもできない。一方、白色ＬＥＤ２０放射光の色温度が１００００Ｋを超える場合には、当該放射光は青味成分の割合が大きいため、一般的に植物は徒長抑制されるが、アントシアニン含有による葉の着色が多くなりすぎる、という問題がある。

また、本発明の植物育成用光源装置１０においては、照射光における波長４００〜５００ｎｍの放射束強度に対する波長６００〜７００ｎｍの放射束強度の比（以下、「赤／青放射束強度比」という。）が１．５２〜４．５６とされる。赤／青放射束強度比が１．５２未満である場合には、照射光における波長６００〜７００ｎｍの赤色光の割合が小さいため、植物の育成において適正な形態形成を行うことができず、植物の茎が細くなったり、葉のみが大きく成長したりする。一方、赤／青放射束強度比が４．５６を超える場合には、照射光における波長４００〜５００ｎｍの青色光の割合が小さいため、植物の成長が抑制されたり、正常な育成を続けられなくなったりする。

ここで、植物を育成するための光としては、一般に、赤色光の光合成量子束密度と青色光の光合成量子束密度との比が７：３〜９：１が好ましいとされている。
照射光における赤／青放射束強度比と、植物における青色光の光合成量子束密度に対する赤色光の光合成量子束密度の比（以下、「赤／青光合成量子束密度比」という。）との関係について説明すると、植物の光合成感度曲線において、波長４００〜５００ｎｍの青色光の感度と、波長５００〜７００ｎｍの緑色光の感度と、波長６００〜７００ｎｍの赤色光の感度と比が約２４：３２：４４である（特開２００９−８７６０２号公報参照）ことから、
赤／青光合成量子束密度比＝（赤／青放射束強度比）×４４／２４
の式が成り立つ。
従って、照射光の赤／青放射束強度比が１．５２〜４．５６であれば、赤／青光合成量子束密度比は２．７９〜８．３６となり、植物を育成するための光として適正なものである。

本発明の植物育成用光源装置１０においては、白色ＬＥＤ２０または赤色ＬＥＤ３０に供給される直流電流の電流値を変えたり、白色ＬＥＤ２０と赤色ＬＥＤ３０との個数比を変えたり、白色ＬＥＤ２０を色温度の異なるものに変更することによって、照射光の色温度や、赤／青放射束強度比を調整することができる。

本発明の植物育成用光源装置１０によれば、照射光の色温度が２８００Ｋ〜６５００Ｋで、例えば白熱電球乃至蛍光灯と同等の色温度であることにより、当該照射光は白色系の光として視認されるため、人に不快感を与えることがなく、しかも、照射光における波長４００〜５００ｎｍの放射束強度に対する波長６００〜７００ｎｍの放射束強度の比が１．５２〜４．５６の範囲にあることにより、植物を効率よく育成することができる。

本発明の植物育成用光源装置においては、上記の実施の形態に限定されず、種々の変更を加えることが可能である。
例えば白色ＬＥＤ２０および赤色ＬＥＤ３０の各々の数および配列は、照射光の色温度および赤／青放射束強度比が上記の範囲内にあれば、図１に示すものに限定されず適宜設定することができる。
また、白色ＬＥＤ２０および赤色ＬＥＤ３０の接続状態は特に限定されず、例えば白色ＬＥＤ２０および赤色ＬＥＤ３０の全部が直列に接続されていてもよく、白色ＬＥＤユニット２０Ｕまたは赤色ＬＥＤユニット３０Ｕごとに並列に接続されていてもよい。。
また、白色ＬＥＤ２０および赤色ＬＥＤ３０は、点灯回路を介して異なる電源に接続されていてもよい。
また、照射光の色温度または赤／青放射束強度比を調整することを目的として青色ＬＥＤが設けられていてもよい。

以下、本発明の植物育成用光源装置の具体的な実施例について説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

ＬＥＤとして下記の仕様の白色ＬＥＤ（１）〜白色ＬＥＤ（５）および赤色ＬＥＤ（１）を用い、下記表１に示す条件に従って本発明に係る植物育成用光源装置Ａ１〜Ａ８および比較用の植物育成用光源装置Ｂ１〜Ｂ７を作製した。

［白色ＬＥＤ（１）］
定格電流が３５０ｍＡ、ピーク波長が４５０ｎｍの青色ＬＥＤ素子を備えてなり、放射光の色温度が１００００Ｋのもの。
［白色ＬＥＤ（２）］
定格電流が３５０ｍＡ、ピーク波長が４５０ｎｍの青色ＬＥＤ素子を備えてなり、放射光の色温度が７０００Ｋのもの。
［白色ＬＥＤ（３）］
定格電流が３５０ｍＡ、ピーク波長が４５０ｎｍの青色ＬＥＤ素子を備えてなり、放射光の色温度が６０００Ｋのもの。
［白色ＬＥＤ（４）］
定格電流が３５０ｍＡ、ピーク波長が４５０ｎｍの青色ＬＥＤ素子を備えてなり、放射光の色温度が４０００Ｋのもの。
［白色ＬＥＤ（５）］
定格電流が３５０ｍＡ、ピーク波長が４５０ｎｍの青色ＬＥＤ素子を備えてなり、放射光の色温度が３０００Ｋのもの。
［赤色ＬＥＤ（１）］
定格電流が３５０ｍＡ、ピーク波長が６６０±２．５ｎｍ、放射強度が約１１０ｍＷの赤色ＬＥＤ素子を備えてなるもの。

植物育成用光源装置Ａ１〜Ａ８および植物育成用光源装置Ｂ１〜Ｂ７の各々について、下記表２に示す条件で点灯させ、以下の方法により、照射光の赤／青放射束強度比、色温度、色度、平均演色評価指数Ｒａ、および赤／青光合成量子束密度比を測定すると共に、照射光の白色度試験および植物育成試験を行った。結果を表２に示す。

［赤／青放射束強度比、色温度、色度および平均演色評価指数の測定方法］
植物育成用光源装置における光照射面以外の５面を白色板（硫酸バリウムによる塗装などが施された、表面における波長４００〜７００ｎｍの反射率が９０％以上のもの）で覆い、光照射面から２０ｃｍ離れた位置において、ウシオ製分光放射照度計スペクトロラジオメータ（ＵＳＲ−４５Ｖ／Ｄ）により、赤／青放射束強度比を測定すると共に、色温度（ＪＩＳＺ８７２５準拠）、色度（ＪＩＳＺ８７２４準拠）および平均演色評価指数（ＪＩＳＺ８７２６準拠）を測定した。
［赤／青光合成量子束密度比の測定方法］
赤／青放射束強度比の値から下記式により算出した。
赤／青光合成量子束密度比＝（赤／青放射束強度比）×４４／２４
［白色度試験方法］
１０人の観察者による官能評価により、放射光の白色度を白色度を調査し、８割以上が白色に感じた場合を○、それ以外を×とした。
［植物育成試験方法］
育成作物種として、稲などの穀物類、イチゴ、葉菜類などがあるが、本試験では、比較的育成の簡単な葉菜類のリーフレタスを選択し、徒長、茎太さ、葉の厚みおよび大きさを評価し、いずれも問題なく成長したものを○とし、それ以外を×とした。

表２の結果から明らかなように、本発明に係る植物育成用光源装置Ａ１〜Ａ８によれば、人に不快感を与えることがなしに植物を効率よく育成することが可能であることが理解される。

１０植物育成用光源装置
１１枠体
２０白色ＬＥＤ
２０Ｒ白色ＬＥＤ列
２０Ｕ白色ＬＥＤユニット
２１配線基板
２２青色ＬＥＤ素子
２３レンズ層
２４光反射部材
２５筐体
２６レンズ部材
２７基板
３０赤色ＬＥＤ
３０Ｒ赤色ＬＥＤ列
３０Ｕ赤色ＬＥＤユニット
３１配線基板
３２赤色ＬＥＤ素子
３３レンズ層
３４光反射部材
３５筐体
３６レンズ部材
３７基板
Ｓ空気層

Claims

白色ＬＥＤと赤色ＬＥＤとを備えてなり、照射光の色温度が２８００Ｋ〜６５００Ｋであり、かつ、当該照射光における波長４００〜５００ｎｍの放射束強度に対する波長６００〜７００ｎｍの放射束強度の比が１．５２〜４．５６の範囲にあることを特徴とする植物育成用光源装置。
前記白色ＬＥＤは、その放射光の色温度が４０００〜１００００Ｋのものであることを特徴とする請求項１に記載の植物育成用光源装置。