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技術 植物栽培装置

出願人 パナソニックIPマネジメント株式会社
発明者 渡部千尋福井祐子
出願日 2018年5月15日 (2年7ヶ月経過) 出願番号 2018-093837
公開日 2019年11月21日 (1年1ヶ月経過) 公開番号 2019-198256
状態 未査定
技術分野 植物の栽培
主要キーワード 地上空間 基準照射 照明調整 複数個体 次曲線的 目標露出 露出率 強度設定
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (14)

課題

植物の葉面に適切な光量を照射できるようにした植物栽培装置を提供する。

解決手段

植物1が植え込まれる植込部4と、植込部4へ第一方向から光を照射する光照射部3と、前記第一方向から視た場合において植込部4が植物1に覆われずに露出する露出率が低くなるほど、光照射部3の照射強度設定値を高くする強度設定部31と、を備える。

概要

背景

栽培に必要な光として、LED(Light Emitting Diode)などの人工光源を使用して発生させた人工光を植物に照射する人工光型の植物栽培装置(以下、単に「装置」ともいう)の開発が進められている。そのような装置の多くで、人工光を効率よく利用するため、種々の工夫がなされている。具体的には、例えば、植物の地上部(植物を植え込む地表面部よりも上の部分。以下「植物地上部」ともいう)を含む空間を、反射板で囲ったり、地表面部を、白色の発泡スチロールなど光をよく反射する素材で形成したりする工夫がみられる。

植物地上部の成長は、大きく、水平方向への展開(成長)と、背丈伸長(成長)と、に分けられる。人工光の照射により植物の栽培する植物栽培装置では、そのふたつの成長につれて、次のような現象がおこる。
(現象1)植物地上部(主には葉)が水平方向に展開することにより、植物栽培装置の地表面部が覆われ、植物地上部を含む空間内の反射光が減少して暗くなり、葉面に照射される光量が減少する。
(現象2)植物の背丈が高くなるにつれて、植物と人工光源との間の距離が小さくなり、葉面に照射される光量が増加する。

前者(現象1)は、植物の光合成速度の低下の原因となり、植物の成長の鈍化を招きうる。植物の成長速度は、植物栽培装置の日産を左右し、ひいては生産コストを大きく左右する。このため、植物の成長の鈍化は、植物栽培装置の使用者には重要な課題である。

一方、後者(現象2)は、過剰な人工光の照射によって葉の光呼吸を増加させて成長障害誘引する他、結果的に必要以上の電力を無駄に消費させることとなり、これも生産コストを左右する。

すなわち、葉面に対する光量は、ふたつの成長(水平方向への展開、及び、背丈の伸長)の程度を鑑みて、調製される必要がある。

後者(現象2)の問題を解決することを目的に、特許文献1には、植物が成長している期間、植物の高さの情報を撮像によって得て、その情報から照射すべき光量を設定し、装置内に固定された光量検出部が、目標値と同値を示すまで光量を調整するという技術が開示されている。

概要

植物の葉面に適切な光量を照射できるようにした植物栽培装置を提供する。植物1が植え込まれる植込部4と、植込部4へ第一方向から光を照射する光照射部3と、前記第一方向から視た場合において植込部4が植物1に覆われずに露出する露出率が低くなるほど、光照射部3の照射強度設定値を高くする強度設定部31と、を備える。

目的

本発明は、このような課題を解決するもので、植物の葉面に適切な光量を照射できるようにした植物栽培装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

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請求項1

植物が植え込まれる植込部と、前記植込部へ第一方向から光を照射する光照射部と、前記第一方向から視た場合において前記植込部が前記植物に覆われずに露出する露出率Pxが低くなるほど、前記光照射部の照射強度設定値ISxを高くする強度設定部と、を備える植物栽培装置

請求項2

前記光照射部の照射強度が前記設定値ISxとなるように、前記光照射部の出力を調整する照明調整部をさらに備える請求項1に記載の植物栽培装置。

請求項3

前記強度設定部は、前記植物の一部であって前記光照射部と前記植込部との間の栽培空間に配置される栽培対象部の背丈hxが高くなるほど、前記設定値ISxを低くする請求項1又は2に記載の植物栽培装置。

請求項4

前記第一方向から前記植込部を撮像する第一撮像部と、前記第一方向と交差する第二方向から、前記栽培空間を撮像する第二撮像部と、をさらに備え、前記強度設定部は、前記第一撮像部の撮像情報に基づいて、前記植込部が前記植物に覆われずに露出している露出部の面積である露出面積を求め、前記露出面積と、前記第一撮像部の撮像範囲の面積である撮像面積と、の比を、前記露出率Pxとして取得し、前記第二撮像部の撮像情報に基づいて前記背丈hxを取得する請求項3に記載の植物栽培装置。

請求項5

前記第一方向から前記植込部を撮像する第一撮像部をさらに備え、前記強度設定部は、前記露出率Pxと前記背丈hxとの相関関係を記憶し、前記第一撮像部の撮像情報に基づいて、前記植込部が前記植物に覆われずに露出している露出部の面積である露出面積を求め、前記露出面積と、前記第一撮像部の撮像範囲の面積である撮像面積と、の比を、前記露出率Pxとして取得し、前記相関関係にしたがって、前記露出率Pxから前記前記背丈hxを取得する請求項3に記載の植物栽培装置。

請求項6

前記第一方向と交差する第二方向から、前記栽培空間を撮像する第二撮像部をさらに備え、前記強度設定部は、前記露出率Pxと前記背丈hxとの相関関係を記憶し、前記第二撮像部の撮像情報に基づいて前記背丈hxを取得し、前記相関関係にしたがって、前記背丈hxから前記露出率Pxを取得する請求項3に記載の植物栽培装置。

請求項7

前記強度設定部は、前記背丈hxと前記露出率Pxとに加え、それぞれ予め記憶した距離H、基準露出率Pa、基準高さha、目標光量Ia、基準照射強度La、及び、基準光量Ifとを使用して、前記設定値ISxを下式(1)より設定する請求項3〜6の何れか一項に記載の植物栽培装置。 ここで、前記距離Hは前記光照射部と前記植込部との距離であり、前記基準露出率Paは基準時間Taでの前記露出率Pxであり、前記基準高さhaは前記基準時間Taでの前記背丈hxであり、前記目標光量Iaは、前記栽培空間における前記基準時間Ta且つ前記基準高さhaでの光量Ixであり、前記基準照射強度Laは前記基準時間Taでの前記照射強度であり、前記基準光量Ifは前記露出率Pxがとなる時点での前記光量Ixであり、前記基準時間Taは、前記植物の栽培を開始してから前記露出率Pxが零になるまでの時間内において選択された時点である。

技術分野

0001

本発明は、植物工場等の室内において人工光源が発した光を植物に照射することによって植物を栽培する植物栽培装置に関する。

背景技術

0002

栽培に必要な光として、LED(Light Emitting Diode)などの人工光源を使用して発生させた人工光を植物に照射する人工光型の植物栽培装置(以下、単に「装置」ともいう)の開発が進められている。そのような装置の多くで、人工光を効率よく利用するため、種々の工夫がなされている。具体的には、例えば、植物の地上部(植物を植え込む地表面部よりも上の部分。以下「植物地上部」ともいう)を含む空間を、反射板で囲ったり、地表面部を、白色の発泡スチロールなど光をよく反射する素材で形成したりする工夫がみられる。

0003

植物地上部の成長は、大きく、水平方向への展開(成長)と、背丈伸長(成長)と、に分けられる。人工光の照射により植物の栽培する植物栽培装置では、そのふたつの成長につれて、次のような現象がおこる。
(現象1)植物地上部(主には葉)が水平方向に展開することにより、植物栽培装置の地表面部が覆われ、植物地上部を含む空間内の反射光が減少して暗くなり、葉面に照射される光量が減少する。
(現象2)植物の背丈が高くなるにつれて、植物と人工光源との間の距離が小さくなり、葉面に照射される光量が増加する。

0004

前者(現象1)は、植物の光合成速度の低下の原因となり、植物の成長の鈍化を招きうる。植物の成長速度は、植物栽培装置の日産を左右し、ひいては生産コストを大きく左右する。このため、植物の成長の鈍化は、植物栽培装置の使用者には重要な課題である。

0005

一方、後者(現象2)は、過剰な人工光の照射によって葉の光呼吸を増加させて成長障害誘引する他、結果的に必要以上の電力を無駄に消費させることとなり、これも生産コストを左右する。

0006

すなわち、葉面に対する光量は、ふたつの成長(水平方向への展開、及び、背丈の伸長)の程度を鑑みて、調製される必要がある。

0007

後者(現象2)の問題を解決することを目的に、特許文献1には、植物が成長している期間、植物の高さの情報を撮像によって得て、その情報から照射すべき光量を設定し、装置内に固定された光量検出部が、目標値と同値を示すまで光量を調整するという技術が開示されている。

先行技術

0008

国際公開第2017/002321号

発明が解決しようとする課題

0009

しかしながら、特許文献1に開示された技術は、あくまで後者(現象2)の課題を解決することを目的にしており、植物地上部の水平方向の成長によって生じる葉面への光量の減少を考慮していない。このため、植物の成長過程で葉面への光量が不適切になる可能性がある。

0010

また、レタスを始めとする葉菜類などの地上部が大きく成長する植物に対して、特許文献1に開示の技術を用いる場合、固定された光量検出部を備えるには、設計上の課題が生じる。つまり、光量検出部を、栽培されている植物に接触せず、植物の陰に入らず、かつ、葉面への光量と相関が取れるような適切な位置に固定しなければならない。

0011

しかし、地上部が生い茂るような植物を大量に栽培するような場合、特に、同一仕様の装置を複数の異なる形状の植物へ適用することを想定している場合には、上述したような光量検出部の位置取りは実質的に困難である。つまり、複数の形状の異なる植物では、光量検出部の適切な位置が互いに異なり、位置が固定された光量検出部により、異なる形状の植物について葉面への光量を適切に検出することは困難である。このため、特許文献1に開示の技術を適用できる植物は、地上部の形状により限定されてしまう。

0012

本発明は、このような課題を解決するもので、植物の葉面に適切な光量を照射できるようにした植物栽培装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0013

上記目的を達成するために、本発明の植物栽培装置は、植物が植え込まれる植込部と、前記植込部へ第一方向から光を照射する光照射部と、前記第一方向から視た場合において前記植込部が前記植物に覆われずに露出する露出率Pxが低くなるほど、前記光照射部の照射強度設定値ISxを高くする強度設定部と、を備える。

発明の効果

0014

本発明によれば、植物の水平方向の成長を鑑みた上で、葉面に照射される光量が目標光量となるように、光照射部の照射強度を調整でき、これによって、植物の葉面に過不足のない光量を照射できる。

図面の簡単な説明

0015

本発明の実施の形態1における植物栽培装置の全体構成を説明するための断面模式図
本発明の実施の形態1における植物栽培装置の垂直撮像部の撮像範囲を説明するための模式図であって、地表面部の平面図
本発明の実施の形態1における植物栽培装置の地上空間を、水平撮像部の撮像方向から視た模式図
植物の栽培を開始してからの経過時間と、地表面部の露出率との関係を示す図
植物の栽培を開始してからの経過時間と地上空間光量との関係を示す図
地表面部露出率と地上空間光量との関係を示す図
光照射部からの距離と葉面光量の関係を示す図
栽培経過時間に対する照射強度設定値を示す図
栽培経過時間と葉面光量との相関関係を示す図
本発明の実施の形態1における植物栽培装置の制御部の機能ブロック
本発明の実施の形態1における照射強度設定値の決定処理を説明するためのフローチャート
本発明の実施の形態2における植物栽培装置の制御部の機能ブロック図
本発明の実施の形態2における照射強度設定値の決定処理を説明するためのフローチャート

実施例

0016

以下、本発明の実施の形態に係る植物栽培装置について、図面を参照しながら説明する。以下に示す各実施の形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の各実施の形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除するものではない。また、各実施の形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。さらに、各実施の形態の各構成は、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。

0017

なお、各実施の形態を説明するための全図において、同一要素は原則として同一の符号を付し、その説明を省略することもある。

0018

[1.実施の形態1]
[1−1.植物栽培装置によって栽培される植物]
図1は、本発明の実施の形態1の植物栽培装置100の全体構成を説明するための断面模式図である。図1に示される植物栽培装置100を用いて栽培される植物1の例として、レタス等の葉菜類が挙げられる。ただし、植物栽培装置100によって栽培され得る植物1は、これに限定されるものではなく、主に、栄養成長段階にある植物であって、その地上部(栽培対象部、ここでは主に葉であり以下「植物地上部」ともいう)が食用とされ、水耕栽培される。

0019

[1−2.植物栽培装置の全体構成]
図1に示されるように、実施の形態1の植物栽培装置100は、密閉された空間を構成する筐体200内に設置されている。筐体200には扉(図示省略)が設けられており、栽培作業をする者は、この扉を開閉して筐体200内に出入りすることができる。

0020

植物栽培装置100は、地表面部4(植込部)により、地上空間21(栽培空間)と地下空間25とに分けられる。

0021

地表面部4は、植物が植え込まれるものであり、貫通孔4Aを有する板状のもので、白い発泡スチロールのような照射された光を反射しやすい素材で構成されている。貫通孔4Aには、培地41が挿入される。培地41は浸透した水分を保持し得るスポンジなどで構成される。植物1において主に地下空間25に配置される地下部(以下「植物地下部」ともいう)1Bの一部を包んだ培地41が、貫通孔4Aに挿入されることで、植物1は、地表面部4に固定される。

0022

地下空間25は、栽培槽5によって構成されている。栽培槽5には、培養液8が満たされている。培養液8は、ポンプ12の動力によって、タンク11から供給配管5Aを介して栽培槽5に供給され、さらに、栽培槽5から排出配管5Bを介してタンク11へと戻される。すなわち、培養液8は、栽培槽5とタンク11との間を循環する。

0023

なお、本実施の形態1の植物栽培装置100は、DFT(Deep Flow Technique)に適用したものを一例として示しているが、本発明は、DFTへの適用に限定されるものではない。本発明は、例えばNFT(Nutrient Film Technique)にも適用できる。

0024

地上空間21は、上部が上面反射板6により、側部が側面反射板7により囲われるようにして構成されている。上面反射板6の地上空間21に向かう面には、照明支持部35を介して(本実施の形態1では一対の)光照射部3が固定されている。光照射部3は、植物地上部1Aに光(人工光)を照射する。

0025

植物栽培装置100は、地表面部4を植物地上部1Aの上側から(第一方向から)撮像する垂直撮像部91(第一撮像部)を備えている。垂直撮像部91は、上面反射板6の下面に固定されている。本実施の形態1では、一対の光照射部3の相互間において、上面反射板6の下面の幅方向中央(図1紙面右方向中央)に配置されている。

0026

図2は、本発明の実施の形態1における地表面部4の平面図である。図2に示される垂直撮像部撮像範囲(以下、単に「撮像範囲」ともいう)92は、垂直撮像部91の撮像範囲である。すなわち、撮像範囲92は、垂直撮像部91が取得する画像データ(撮像情報)の範囲である。

0027

この撮像範囲92は、少なくとも一個体の植物地上部1Aの全体を含むように、望ましくは地表面部4に植えられた複数個体の植物地上部1Aの全部を含むように設定され、地表面部4の全体に亘る範囲あるいは地表面部4の一部だけに亘る範囲として設定される

0028

図1に示すように、植物栽培装置100は、地上空間21ひいては植物地上部1Aを水平方向(第一方向と交差する第二方向)から撮像する水平撮像部95(第二撮像部)をさらに備えている。水平撮像部95は、側面反射板7の内側面に固定されている。

0029

図3を参照して水平撮像部95について更に説明する。図3は、水平撮像部95の撮像方向から地上空間21を視た模式図である。図3に示すように、水平撮像部95は、植物1の背丈hx(詳しくは地表面部4の上面を基準とする植物地上部1Aの背丈)を含む範囲の画像データ(撮像情報)を取得する。なお、図3中の符合「H」は、地表面部4と光照射部3との距離を示す。

0030

垂直撮像部91及び水平撮像部95は、それぞれ一般的に使用されているビデオカメラである。ただし、垂直撮像部91及び水平撮像部95は、それぞれ、植物1を周囲の物体から識別できるものであれば、ビデオカメラに限らず、例えば赤外線カメラなどでもよい。

0031

植物栽培装置100は、図1に示すように制御部30をさらに備える。制御部30は、垂直撮像部91及び水平撮像部95から画像データを取得し、後述するように、垂直撮像部91の画像データから地表面部露出率Pxを検出し、水平撮像部95の画像データから背丈hxを検出する。

0032

[1−3.制御部の構成及び照射強度設定値の決定方法
制御部30は、光照射部3の制御を実行するためのプログラムインストールされたコンピュータである。図1に示すように、制御部30は、強度設定部31と、照明調整部32と、を備えて構成される。

0033

強度設定部31は、植物1の成長過程のそれぞれの時点、すなわち植物栽培装置100による植物1の栽培の開始後の任意の時点における光照射部3の照射強度設定値ISxを、下式(1)によって決定する。

0034

0035

この式(1)における背丈hx,地表面部露出率(以下「露出率」ともいう)Px,距離H,基準高さha,目標光量Ia,基準面積率Pa,基準光量If及び基準照射強度Laは下表の通りである。

0036

0037

すなわち、背丈hxは上述の通り植物地上部1Aの背丈である(図3参照)。露出率Pxは、植物1に覆われずに露出している地表面部4の面積比率であって、詳しくは、垂直撮像部91の撮像範囲92(図2参照)の面積(撮像面積)に対する、植物1に覆われずに露出している地表面部4の面積(露出面積)の比率である。距離Hは、上述したとおり光照射部3と地表面部4との距離(図3参照)である。基準高さhaは、基準となる経過時間Ta(以下「基準時間Ta」ともいう)における植物地上部1Aの背丈hxである。目標光量Iaは、基準高さhaで測定された地上空間21の光量(以下「地上空間光量」ともいう)Ixの内、基準時間Taでの地上空間光量である。基準露出率Paは基準時間Taにおける露出率Pxである。基準照射強度Laは、基準時間Taにおける光照射部3の照射強度設定値ISxである。基準光量Ifは露出率Pxが0()となる時の地上空間光量Ixである。基準時間Taの決定方法については後述する。

0038

上式(1)を使用して決定されることで、照射強度設定値ISxは、露出率Pxが低くなるほど高い値に設定され、植物1の地上空間部1Aの背丈hxが高くなるほど低い値に設定される。

0039

以下、上式(1)についてさらに説明する。

0040

図2中の斜線部は、垂直撮像部91から視た場合において、植物地上部1Aに覆われていない地表面部4の露出部を示す。地表面部4の所定範囲内における露出部の面積A1の、当該所定範囲の面積A0に対する比率を地表面部露出率Px(=A1/A0)としている。本実施の形態1では、当該所定範囲は撮像範囲92である。露出率Pxは、植物地上部1Aの水平方向の成長、すなわち葉の展開に応じて小さくなり、やがて0(零)となる値である。

0041

図4は、植物1の栽培を開始してからの経過時間(以下「栽培経過時間」ともいう)Txと、露出率Pxとの関係を示す図である。図4に示されるように、露出率Pxは、経過時間Txが、Px=0となる経過時間Tfとなるまで、経過時間Txが進むにしたがって直線的に減少する。ここで基準時間Taにおける露出率Pxが上述のとおり目標露出率Paに設定される。基準時間Taは、植物1の栽培を始めてから、露出率Pxが0(零)となるまでの期間Yに属する時点である。基準時間Taは、この期間Yの範囲内において、露出率Px、地上空間光量Ix、植物地上部1Aの背丈hx(すなわち基準露出率Pa、目標光量Ia、基準高さha)の値を実測や解析によって得ることができる時点を任意に選択すれば良い。

0042

ただし、垂直撮像部91の画像データから露出率Pxを検出する場合、露出率Pxの検出値誤差が大きいため、基準時間Taに、露出率Pxが100%または0%に近い値となる時点を選択することは推奨されない。本実施の形態1では、10%≦Px≦90%の範囲で許容できる露出率Pxの検出精度が確認された。本実施の形態1では、基準時間Taを栽培開始から1日経過時とし、この基準時間Taでの露出率Pxすなわち基準露出率Paはおよそ80%であった。

0043

図5に、植物1の栽培を開始してからの経過時間Txと、地上空間光量Ixとの関係を示す。この地上空間光量Ixは上述のとおり基準高さhaで測定した地上空間21の光量である。言い換えれば、地上空間光量Ixは、光照射部3から一定の距離H−haにおいて測定された値である。地上空間光量Ixは、光照射部3から測定地点の間に遮蔽物がない状態で測定されている。地上空間光量Ixは、経過時間Tfまでは、経過時間Txが進むに従って直線的に減少し、経過時間Tf以降はほぼ一定の値を示す。なお、上述の通り、経過時間Tfにおける地上空間光量Ixが上式(1)における基準光量Ifである。

0044

図6に、露出率Pxと地上空間光量Ixとの関係を示す。露出率Pxと地上空間光量Ixとは直線的な相関関係となっている。

0045

なお、図4図5及び図6は、一例として、植物1としてフリルレタス(商品名フリルアイス種苗株式会社)を栽培した場合の結果を示している。植物1として他の品種を栽培した場合、図4に示される経過時間Txに対する露出率Pxの相関関係、並びに、図5に示される経過時間Txに対する地上空間光量Ixの相関関係は、それぞれ、経過時間Tf以前では、傾向が異なる場合がある(相関関係を表す相関ライン概形が異なる場合がある)。

0046

例えば、グリーンリーフ(商品名グリーンジャケット、中原採種場株式会社)を植物1として栽培した場合、図4に示されるような経過時間Txに対する地表面部露出率Pxの相関ラインは、経過時間Tf以前では、上に凸の二次曲線近似した単調減少するラインとなった。図5に示されるような経過時間Txに対する地上空間光量Ixの相関ラインは、経過時間Tf以前では、下に凸の二次曲線に近似した単調減少するラインとなった。

0047

しかし、露出率Pxと地上空間光量Ixとの関係については、グリーンリーフを植物1として栽培した場合も、図6に示されるフリルレタスのものと同様、直線的な相関関係となった。つまり、植物地上部1Aの水平方向の成長(すなわち葉の展開)によって、地表面部4が葉に覆われて地表面部4の露出部分が減少するのに伴って、植物1の品種によらず、地上空間光量Ixは直線的に減少する。すなわち、露出率Pxと地上空間光量Ixとの関係は、傾きや切片が異なるものの一次曲線一次関数)によって表される。

0048

図7に、植物栽培装置100における光照射部3からの葉面までの距離D(=H−hx、図3参照)と、葉面に照射される光量(以下「葉面光量」ともいう)LIxとの関係を示している。図7に示すように、一般的に、葉面光量LIxは、光源から葉面までの距離Dの2乗に反比例して減少する。

0049

以上の図6及び図7に示される相関関係を鑑みると、照射強度を初期(栽培開始)から一定にした場合の任意の栽培経過時間Txにおける葉面光量LIxは、距離H、露出率Pa,Px、目標光量Ia、背丈ha,hx、基準光量Ifを用いて下式(2)の式で表される。

0050

0051

なお、上述した通り、地上空間光量Ixとは、基準時間Taでの背丈hx(=基準高さha)における光量である。すなわち、例えば、基準高さhaが10cmであれば、地表面部4から10cm上の高さを固定の測定高さとし、この測定高さにおける光量が、地上空間光量Ixである。基準時間Taでは、葉面の高さは背丈ha(例えば10cm)であるから、基準時間Taでの葉面光量LIxは、基準高さha(例えば10cm)における地上空間光量Ix、すなわち目標光量Iaそのものとなる。

0052

0053

そして、任意の経過時点Txにおいて、葉面光量を一定して基準時間Taにおける葉面光量(すなわち目標光量Ia)となるようにするには、上式(3)により照射強度設定値ISxを決定すればよい。すなわち、上式(2)で表される「照射強度を一定とした場合の葉面光量LIx」と、目標光量Iaとの比の逆数(=LIx/Ia)を基準照射強度Laに乗じて照射強度設定値ISxを求めればよい。

0054

そして、この上式(3)の葉面光量LIxに、上式(2)の葉面光量LIxの算出式代入することで、任意の栽培経過時間Txにおける、目標の光量を葉面に照射するための照射強度設定値ISxは、上式(1)で表されることになる。

0055

なお、上式(1)及び上式(2)は、あらゆる品種の植物や栽培環境で共通であることが保証されるものではなく、植物栽培装置100で栽培する植物1の品種や、栽培環境によって異なることも考えられる。このため、植物1の品種や栽培環境が大きく異なる場合には、植物栽培装置100で栽培を実施する前に、植物1の品種毎、栽培環境毎に、上式(1)及び上式(2)に相当する式を実験によって確かめる必要がある。例えば、上式(2)には、図6に示される露出率Pxと地上空間光量Ixとの相関関係を示す相関ラインの概形が最も影響するが、この露出率Pxと地上空間光量Ixの相関ラインが、一次曲線的とはならない品種がないとも限らない。しかし、その場合も、上式(2)の右辺の前半部〔(Ia−If)×Px/Pa+If〕を、回帰曲線方程式回帰分析より得た露出率Pxと地上空間光量Ixとの相関式)に置き換えればよい。

0056

栽培経過時間Txに応じて上式(1)により求めた照射強度設定値ISxを図8に示す。

0057

これに対し、光照射部3の照射強度を、栽培経過時間Txにかかわらず一定とした場合における、栽培経過時間Txと葉面光量LIxとの相関関係を図9に示す。図9からも明らかなように、露出率Pが0(零)となる経過時間Tf以降は、栽培経過時間Txが進んで植物1の背丈hが伸びるにつれ、植物地上部1Aと光照射部3との距離Dが短くなるので、葉面光量LIxが上昇し過剰気味となる。

0058

なお、図8に示される栽培経過時間Txと照射強度設定値ISxとの関係(相関ライン)、及び、図9に示される栽培経過時間Txと葉面光量LIxとの関係(相関ライン)は一例である。植物1の品種や光照射部3の光質などによっては、このような相関ラインが図8図9に示されるものと同様の形状になるとは限らない。なぜなら、植物1の水平方向と垂直方向との成長のバランスが、図8図9に示されるような相関ラインの形状に大きく影響するからである。

0059

再び図1を参照して説明する。照明調整部32は、強度設定部31で定められた照射強度設定値ISxに基づいて、光照射部3の照射強度を調整する。つまり、現状の照射強度が、照射強度設定値ISxよりも大きければ(又は照射強度が、照射強度設定値ISxよりも所定強度以上大きければ)、照射強度をISxまで低下させ、逆に、現状の照射強度が、照射強度設定値ISxよりも小さければ(又は照射強度が、照射強度設定値ISxよりも所定強度以上小さければ)、照射強度を照射強度設定値ISxまで上昇させる。この結果、植物1の葉面には、常に、目標光量Ia(又は目標光量Iaと略同じ光量)が照射される。

0060

図10を参照して強度設定部31についてさらに説明する。図10は、本実施の形態1の植物栽培装置100の制御部30の機能ブロック図である。図10に示すように、強度設定部31は、記憶部312と、演算部313と、露出率検出部314と、背丈検出部315とを含む。

0061

記憶部312は、上式(1)に基づいて照射強度設定値ISxを設定するのに必要な定数を記憶している。具体的には、記憶部312は、光照射部3と地表面部4との距離H、目標光量Ia、基準露出率Pa、基準高さha、基準照射強度La、及び、基準光量Ifを記憶している。

0062

露出率検出部314は、垂直撮像部91が取得した画像データを画像解析して、地表面部露出率Pxを検出する。

0063

背丈検出部315は、水平撮像部95が取得した画像データを画像解析して、植物地上部1Aの背丈hxを検出する。

0064

演算部313は、露出率検出部314が検出した地表面部露出率Pxと、背丈検出部315が検出した背丈hxと、記憶部312が記憶している定数H,Ia,Pa,ha,La,Ifとを、上式(1)の式に代入することにより、葉面の光量が目標値Iaとなるような光照射部3の照射強度設定値ISxを算出する。

0065

[1−4.照射強度設定値の決定処理]
図11を参照して、本実施の形態1で強度設定部31が行う照射強度設定値ISxの決定処理を説明する。図11は、本発明の実施の形態1における照射強度設定値ISxの決定処理を説明するためのフローチャートである。なお、この決定処理は、植物栽培装置100による栽培が実施されている間、周期的に繰り返し実行される。

0066

先ず、ステップS21において、強度設定部31は、垂直撮像部91が撮像した、地表面部4を上側から見た画像データを、露出率検出部314に取得させる。ステップS22において、強度設定部31は、露出率検出部314に、前ステップS22で取得させた画像データを画像解析させて露出率Pxを検出させる。そして、ステップS23において、強度設定部31は、水平撮像部95が撮像した、植物地上部1Aを側方から撮像した画像データを、背丈検出部315に取得させる。ステップS24において、強度設定部31は、背丈検出部315に、前ステップS23で取得させた画像データを画像解析させて、植物地上部1Aの背丈hxを検出させる。そして、ステップS25において、強度設定部31は、演算部313に、露出率検出部314が検出した露出率Pxと、背丈検出部315が検出した背丈hxと、記憶部312が記憶している定数とを参照させ、上式(1)に基づいて照射強度設定値ISxを算出させる。

0067

また、本実施の形態1の照射強度設定処理では、さらに、ステップS26の処理が行われる。すなわち、ステップS25で照射強度設定値ISxが算出されると、ステップS26において、強度設定部31は、露出率検出部314が検出した露出率Pxを参照する。露出率Pxが0(零)でなければ(Px≠0)であれば、強度設定部31は、ステップS21の処理に戻る。

0068

その一方、ステップS26においてPx=0であれば、強度設定部31はステップS23の処理に戻る。これは、露出率Pxは、植物地上部1Aの水平方向の成長、すなわち葉の展開に応じて小さくなり、一旦0(零)となったら、以降は収穫まで一定して0(零)となる。このため、強度設定部31は、ステップS21,S22の処理により露出率Pxを改めて検出することが不要となり、ステップS21,S22をバイパスしてステップS23の処理へと進む。

0069

そして、以上の照射強度設定値の決定処理が完了すると、その後、照射強度設定値ISxとなるように、照明調整部32が光照射部3の出力を調整する。

0070

なお、ステップS26を省略し、ステップS25の処理が終了すると、強度設定部31は、一定してステップS21の処理に戻るようにしてもうよい。

0071

[1−5.効果]
(1)本発明の実施の形態1によれば、植物1の垂直方向の成長だけでなく水平方向の成長を鑑みた上で、葉面光量LIxが目標光量Iaとなるように、光照射部3の照射強度設定値を自動で制御できる。これによって、植物の成長によって生じる葉面への光量の変化を相殺して、植物の葉面に適切な光量を照射できる。

0072

(2)さらに、照射強度設定値ISxの決定を、植物1の上方からの画像データと、植物1の側方からの画像データとに基づいて行うので、照射強度設定値ISxの決定のみならず、同時に、これらの画像データに基づいて、植物1の成長の様子の監視・記録を併せて行うことが可能となる。

0073

[2.実施の形態2]
[2−1.植物栽培装置の要部(制御部)の構成]
以下、図12を参照して本実施の形態2の植物栽培装置の要部である制御部30Aの構成について説明する。図12は、本発明の実施の形態2の植物栽培装置の制御部30Aの機能ブロック図である。

0074

本実施の形態2の植物栽培装置の構成は、実施の形態1の植物栽培装置100に対して、制御部30を図12に示される制御部30Aに置き換えると共に、水平撮像部95を省略したものであり、その他の構成は実施の形態1の植物栽培装置100と同様である。

0075

本実施の形態2の植物栽培装置は、栽培する植物1の全栽培過程を通じて、露出率Pxと植物地上部1Aの背丈hxとに相関関係がある場合に有用である。すなわち、全栽培過程を通じて、露出率Pxが0(零)に達しないことが少なくとも必要である。また、任意の露出率Pxと背丈hxとの相関関係を実験やシミュレーションによって予め取得しておく必要がある。

0076

制御部30Aは、図12に示すように、照明調整部32と、強度設定部31Aとを備え、強度設定部31Aの構成が、実施の形態1の強度設定部31の構成と異なる。具体的には、強度設定部31Aは、参照部311と、記憶部312Aと、演算部313と、露出率検出部314と、を備える。

0077

記憶部312Aは、定数H,Ia,Pa,ha,La,Ifに加えて、下表2に示されるような露出率Pxと背丈hxとの相関関係を示すデータテーブルDTを備える。

0078

0079

参照部311は、露出率検出部314が検出した露出率Pxに基づき、このデータテーブルDTにしたがって植物地上部1Aの背丈hxを選択する。例えば、露出率PxがP1である場合には、背丈hxとして背丈h1を選択する。なお、露出率Pxが、例えばP1とP2との間の値となる場合には、背丈h1,h2を補間して背丈hxを求める。

0080

演算部313は、露出率検出部314が検出した露出率Pxと、参照部311が選択した背丈hxと、記憶部312Aが記憶している定数H,Ia,Pa,ha,La,Ifとを使用して、上式(1)により、葉面光量LIxが目標光量Iaとなるような光照射部3の照射強度設定値ISxを算出する。

0081

この他の構成は、実施の形態1と同様なので説明を省略する。

0082

[2−2.照射強度設定値の決定処理]
図13を参照して、本実施の形態2で強度設定部31Aが行う照射強度設定値ISxの設定処理を説明する。図13は、本発明の実施の形態2における照射強度設定値の決定処理を説明するためのフローチャートである。なお、この決定処理は、植物栽培装置による栽培が実施されている間、周期的に繰り返し実行される。

0083

先ず、ステップS31において、強度設定部31は、垂直撮像部91が撮像した地表面部4を上側から見た画像データを、露出率検出部314に取得させる。ステップS32において、強度設定部31は、露出率検出部314に、前ステップ32で取得させた画像データを画像解析させて地表面部露出率Pxを検出させる。ステップS33において、強度設定部31は、参照部311に、記憶部312AのデータテーブルDTを参照させ、地表面部露出率Pxに応じた植物地上部1Aの背丈hxを選択させる。ステップS34において、強度設定部31は、演算部313に、露出率検出部314が検出した露出率Pxと、参照部311が選択した背丈hxと、記憶部312Aが記憶している定数とを参照させ、上式(1)に基づいて照射強度設定値ISxを算出させる。

0084

そして、照明調整部32は、照明強度がこの照射強度設定値ISxとなるように光照射部3の出力を調整する。

0085

[2−3.効果]
本発明の実施の形態2によれば、実施の形態1の効果に加えて次のような効果が得られる。つまり、参照部311が、データテーブルDTを参照して、露出率Pxに応じて植物地上部1Aの背丈hxを選択するので、実施の形態1のように背丈hxを検出するための水平撮像部95が省略され、装置が簡素化される。

0086

[2−4.変形例]
上記の実施の形態2では、実施の形態1に対して、参照部311を設けて水平撮像部95及び背丈検出部315を省略したが、実施の形態1に対して、参照部311を設けて垂直撮像部91及び露出率検出部314を省略してもよい。この場合、背丈検出部315により、水平撮像部95の撮像データに基づいて植物地上部1Aの背丈hxを検出させ、参照部311が、データテーブルDTを参照して、背丈hxに応じて露出率Pxを選択する。

0087

[3.その他]
(1)上記各実施の形態では、光照射部3の照射強度が、強度設定部31,31Aにより決定された照射強度設定値ISxとなるように、照明調整部32が光照射部3の出力を自動調整するようにしたが、照明調整部32を省略してもよい。この場合、照射強度設定値ISxをモニタなどに表示させ、この表示を確認したオペレータが、光照射部3の照射強度が照射強度設定値ISxとなるように光照射部3の出力を手動で調整すればよい。

0088

(2)上記各実施の形態では、植物栽培装置100による栽培が実施されている間、照射強度設定値ISxの決定処理を周期的に繰り返し実行するようにした。これに対し、例えばボタンを押すなどしてオペレータからの要求があったときだけ照射強度設定値ISxを再設定するようにしてもよい。

0089

植物に適する光量は、植物の成長過程に応じて変化する。本発明は、植物の成長の様子をモニタリングしながら光量を制御するので、植物へ照射する光量を植物の成長に最適なものに設定できるので産業上の利用可能性は大きい。

0090

1 植物
1A 植物地上部(栽培対象部)
1B 植物地下部
3光照射部
4地表面部(植込部)
4A貫通孔
5栽培槽
5A供給配管
5B排出配管
6 上面反射板
7側面反射板
8培養液
11タンク
12ポンプ
21地上空間(栽培空間)
25地下空間
30,30A 制御部
31,31A強度設定部
32照明調整部
35照明支持部
41培地
91 垂直撮像部(第一撮像部)
92 垂直撮像部撮像範囲
95 水平撮像部(第二撮像部)
100植物栽培装置
200筐体
311 参照部
312,312A 記憶部
313演算部
314露出率検出部
315背丈検出部
H 光照射部3と地表面部4との距離
ha基準高さ
hx 植物地上部1Aの背丈
Ia目標光量
If基準光量
La基準照射強度
Pa 基準露出率
Px 露出率
Ta 基準時間
Tx 経過時間

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