特開 2024-109446 植物栽培設備

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024109446

(43)【公開日】2024-08-14

(54)【発明の名称】植物栽培設備

(51)【国際特許分類】

   A01G 31/00 20180101AFI20240806BHJP

   A01G 7/00 20060101ALI20240806BHJP

【ＦＩ】

A01G31/00 612

A01G7/00 603

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023014248

(22)【出願日】2023-02-01

(71)【出願人】

【識別番号】000000125

【氏名又は名称】井関農機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003834

【氏名又は名称】弁理士法人新大阪国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中田 次郎

(72)【発明者】

【氏名】手塚 達也

(72)【発明者】

【氏名】多田 誠人

【テーマコード（参考）】

2B314

【Ｆターム（参考）】

2B314MA39

2B314PD43

2B314PD45

2B314PD52

(57)【要約】

【課題】蒸散量が過剰となっても萎れを防止させる植物の光合成の状態に応じて適切なハウス内の各種装置の制御を行える植物栽培設備を提供することを課題とする。
【解決手段】太陽光を通過させる透明性部材で覆われたハウスＨ内で養液にて作物を栽培する植物栽培設備において、生育植物の温度を測定できる植物体温測定手段２４ｂを備え、植物体温が予め設定した温度以上に上昇すると養液を培地１に供給するよう構成した。
【選択図】 図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

太陽光を通過させる透明性部材で覆われたハウス（Ｈ）内で養液にて作物を栽培する植物栽培設備において、生育植物の温度を測定できる植物体温測定手段（２４ｂ）を備え、植物体温が予め設定した温度以上に上昇すると養液を培地（１）に供給するよう構成したことを特徴とする植物栽培設備。

【請求項2】

植物生育診断装置（２４）にカラーカメラ（３１）及び白色光源（３２）を設け、白色光源（３２）を点灯してカラーカメラ（３１）により催色期の果実数又は割合に基づいて果実の収穫適期を予測する構成とした請求項１に記載の植物栽培設備。

【請求項3】

積算気温データを入力し、収穫予測日数を演算する構成とした請求項２に記載の植物栽培設備。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、養液で植物を栽培するハウス型の植物栽培設備に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、太陽光を浴びるビニルハウス内において、養液で植物を栽培する植物栽培設備が記載されている。この植物栽培設備においては、植物体温を計測し、日射の光強度を測定する間隔を変更し、遮光カーテンの制御を行う構成としている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１７－１８４７２１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の構成によると、時間制御及び調光制御の制御手段を備えているので、夏季、冬季、春秋季の一年中に亘って有効であるが、蒸散量が過剰のときには植物の水分が減少し萎れる恐れがある。

【0005】

本発明は、蒸散量が過剰となっても萎れを防止させる植物栽培設備を提供することを課題とする。

【0006】

また、果実の収穫時期を適正に予測できる植物栽培設備を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

かかる課題を解決するために、請求項１記載の発明は、太陽光を通過させる透明性部材で覆われたハウスＨ内で養液にて作物を栽培する植物栽培設備において、生育植物の温度を測定できる植物体温測定手段２４ｂを備え、植物体温が予め設定した温度以上に上昇すると養液を培地１に供給するよう構成した。

【0008】

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明において、植物生育診断装置２４にカラーカメラ３１及び白色光源３２を設け、白色光源３２を点灯してカラーカメラ３１により催色期の果実数又は割合に基づいて果実の収穫適期を予測する構成とした。

【0009】

請求項３記載の発明は、請求項２に記載の発明において、積算気温データを入力し、収穫予測日数を演算する構成とした。

【発明の効果】

【0010】

請求項１に記載の発明によると、植物体温が上昇するとこれを検知して養液を培地１に供給するものであるから、植物の萎れを防止できる。

【0011】

請求項２記載の発明によると、請求項１に記載の効果に加え、カラーカメラ３１で催色期の果実数又は割合によって収穫適期を精度よく予測できる。

【0012】

請求項３に記載の発明によると、請求項２に記載の効果に加え、積算温度データを加味した収穫適期となり一層精度を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施形態にかかる植物栽培設備のシステム図

【図2】同植物栽培設備の内部説明図

【図3】同植物栽培設備の内部説明図

【図4】光合成機能の測定を示すグラフ

【図5】同設備の制御ブロック図

【図6】同実施形態における植物温度測定手段による給液制御のシステム説明図

【図7】（Ａ）カラーカメラ搭載の植物生育診断装置の斜視図、（Ｂ）その背面図

【図8】別例の植物栽培設備の内部説明図

【図9】植物栽培状態を示す側面図

【図10】フローチャート

【図11】樹勢パターン図

【図12】葉菜の垂直栽培システムを示す背面図

【図13】（Ａ）葉菜の垂直栽培システムを示す側面図、（Ｂ）その背面図

【図14】給液制御システム説明図

【図15】防除走行装置の斜視図

【図16】走行部周辺構成の斜視図

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明の実施の形態の植物栽培設備について、以下説明する。

【0015】

ハウスＨは太陽光を透過するビニルハウスである。ハウスＨ内には横長に延びる栽培用の培地１を多数並設する。培地１に移植した苗の茎ｋは誘引紐２に沿って伸長する。誘引紐２の上端には誘引フック３を設け、誘引フック３は培地１と交差する姿勢の誘引ワイヤ４に引っ掛ける構成である。

【0016】

培地１に養液を供給するシステムについて説明する。

【0017】

肥料を収容する肥料タンク５と、ＰＨ調整剤を収容するＰＨ調整タンク６と、希釈用の原水を収容する原水タンク７、原水及び肥料を混合して養液にする混合タンク８を備える。

【0018】

混合タンク８から培地１へ養液を供給する供給管９と、培地１から養液を排出する排液管１０を設ける。供給管９には養液を培地１に供給する供給ポンプ１１を設け、排液管１０は排出された養液を収容する排液タンク１３に接続する。排液タンク１３の養液を混合タンク８に供給する排液ポンプ１２及び戻し管１４を設け、養液を再利用する構成である。養液はその濃度を養液濃度管理センサ１５で測定し、濃度（いわゆるＥＣ値）が設定値になるように原水・肥料・ＰＨ調整剤を適宜ポンプ１６、１７、１８で供給する。

【0019】

ハウスＨの天井部２０には換気用の開閉窓２１を設ける。また、ハウスＨの上部にはノズルで細霧を噴射する加湿器２２を設ける。ハウスＨ内には、ハウスＨを透過する太陽光を遮光する遮光カーテン２３を設ける。また、培地１間を走行しながら植物の光合成の状態を測定する光合成測定装置２４ａや、後述植物体温を測定する熱画像カメラ２４ｂを搭載した植物生育診断装置２４を設ける。開閉窓２１、加湿器２２、遮光カーテン２３、植物生育診断装置２４は制御部２５（植物栽培設備の中央制御盤）で制御する構成である。また、ハウスＨを照射する日射量を計測する日射計２６を設ける。

【0020】

植物生育診断装置の光合成測定装置２４ａは培地１間のスペースを無人で走行しながら、植物に光を照射して植物の光合成の状態を測定することができる。また、熱画像カメラ２４ｂは、撮像された静止画によって植物の水分含有状況を解析できる。

【0021】

光合成測定装置２４ａの測定結果に基づく植物栽培設備の各装置の制御について、以下、説明する。

【0022】

遮光カーテン２３は、日射計２６が設定する日射量（例えば、日射量６００Ｗ／ｍ２以上）を計測すると、遮光カーテン２３を閉制御する。光合成測定装置２４ａが光合成の状態、すなわち光合成機能が低下していると設定されている点Ｐ（図４参照、例えば１．５Ｐ／Ｓ）を下回ることを測定すると、設定する日射量を低く設定するよう補正する（例えば、日射量３００Ｗ／ｍ２以上）。これは、光合成機能が低下している時に、強い太陽光の照射を受けると植物にストレスがかかり萎れる場合があるためである。本実施の形態では日射量を設定基準値としているが、日射積算量を設定基準値としても良い。

【0023】

開閉窓２１の開閉制御について説明する。開閉窓２１は室温計２７で測定するハウスＨ内の室温が設定値以上（例えば、２２℃以上）を測定すると、開閉窓２１が開いて、ハウスＨ内を換気して室温を下げる制御を設定している。光合成測定装置２４ａによる光合成の状態が点Ｐ（例えば１．５Ｐ／Ｓ）を下回ることを測定すると、光合成機能が低下していると判定され室温を低く補正する（例えば、１８℃）。これは、光合成機能が低下している時に、室温が高いと、植物からの蒸散量が増加し、植物が萎れる恐れがあるためである。また、日射計２６は高価なので、廉価な室温計２７で代替することも可能である。また、室温が高い時には加湿器２２で加湿して室温を下げることも可能である。

【0024】

次いで加湿器２２の加湿制御について説明する。

【0025】

ハウスＨ内は、湿度計２８で測定した室内の湿度が設定湿度以下（例えば湿度６０％以下）になると、加湿器２２が作動して加湿する制御を設定としている。光合成測定装置２４ａによって光合成機能が低下していると判定されている点Ｐ（例えば１．５Ｐ／Ｓ）を下回り、かつ、室温が設定以上高いか、又は、日射量が設定値以上になると、設定する湿度を高く補正する（例えば、湿度７５％）。これは、光合成機能が低下している状態で強い太陽光を受けるか、又は室温が高いと、植物の蒸散量が増加し、植物が萎れる場合があるためである。そのため、室内の湿度を高くする制御を行うことで、植物の蒸散を抑制することができる。

【0026】

次いで養液濃度（ＥＣ値）の管理について、養液濃度は、養液濃度管理センサ１５により設定する養液濃度（例えば、８．０ｄｓ／ｍ）になるように制御されている。光合成測定装置２４ａが光合成の状態、すなわち光合成機能が低下していると設定されている点Ｐ（例えば１．５Ｐ／Ｓ）を下回ることを測定すると、養液濃度の設定値を下げる補正を行う（例えば７．５ｄｓ／ｍ）。これによって、光合成機能が低下している時は、養液濃度を下げることで、植物による水の吸水を行い易くして植物を萎れにくくすることができる。

【0027】

前述の遮光カーテン２３の閉制御・開閉窓２１の開制御・加湿器２２の加湿制御を行うタイミングは、光合成機能の測定値が設定以下を検出した日の翌日が望ましい。図４のグラフで説明すると、測定した３日目に、光合成機能を示す数値が設定値Ｐを下回った場合（ハ）に、４日目に前述の設備の各装置の制御を行うようにする。これは、本実施の形態の光合成測定装置２４ａを搭載する植物生育診断装置２４は、設備内で管理作業を行うオペレータが居る昼間には走行せず、オペレータが設備内に居ない夜間に培地間を走行して植物の光合成を測定するため、日射量や室温の高くなる翌日の昼間に各種制御を行うのが適切なためである。図４に示すように光合成機能が１日目から３日目まで連続して低下しているのは、天候が曇りや雨等で日射量が低下している場合が多い。そして、４日目に光合成機能を示す数値が設定値Ｐを超えたのは晴天になった場合が多い。また、図４の４日目の光合成機能を示す数値（ニ）が設定値Ｐを超えると、翌日の前述の補正した設定基準値を初期に設定した設定基準値に戻す。

【0028】

次いで、図１及び図６に基づき。植物生育診断装置２４に搭載され生育植物の温度を測定できる植物体温測定手段としての熱画像カメラ２４ｂによる給液制御について説明する。この熱画像カメラ２４ｂによる昼間の撮像静止画を解析し、植物の含有水分状況を判定する。水分不足と判定されると、供給ポンプ１１を駆動して養液を培地１に供給する。図例では、供給ポンプ１１を一基とし、供給管９の各培地１毎、またはグループ（図例では５列培地）毎に供給切替弁３０，３０…を設けて、熱画像カメラ２４ｂにて解析された培地１に対応する供給切替弁３０を開作動し対応する培地１に対して養液供給する構成としている。なお、水分不足の場合には蒸散できなくなり気化熱による植物体温低下が抑制されもって植物体温が上昇する関係にある。したがって上例では植物体温を把握できる手段として熱画像カメラ２４ｂを用いている。植物体温測定手段としてこの熱画像カメラ２４ｂに代替する手段を用いてもよい。

【0029】

次いで、対象がトマト果実ｔの場合において、前記植物生育診断装置２４に、カラーカメラ３１（センサ）及び白色光源３２を搭載することで、収穫適期予測を行う（図７）。すなわち、クロロフィル蛍光画像によってトマト果実部分を抽出し、カラー画像によってトマト果実の色相を解析する。果実色相より果実の発達ステージである催色期の果実数又は割合を算出し予め設定した設定値との比較によって収穫適期であるか否かを判定できる。

【0030】

なお、トマト果実の成熟発達過程と色相の関係は、過程毎に色相を括弧で示せば、未熟期（緑）、緑熟期（緑）、催色期（うす緑）、桃熟期（ピンク）、赤熟期（赤）となる。催色期のトマト果実は、肥大も停止し、色づいていく時期の転換期であって、この果実を観察することで収穫適期の予測に有効であるとの見地に基づく。

【0031】

また、クロロフィル蛍光画像によると、果実領域は葉領域よりも輝度が高く画像で判別区分し得るものである。

【0032】

さらに、果実の発達は気温にも影響されるので、上記の催色期の果実を何日後に収穫するかを積算気温から判定するものである。なお、積算気温と収穫予測日数の相関については、過去から蓄積の積算データに基づくものとする。また積算気温データについては気象予報サイト等から取得できる。

【0033】

次いで、図８に基づき培地１重量と湿度に基づく最適蒸散湿度制御について説明する。培地１の下方に重量計３５を備え、培地１重量の時間変化を測定することで植物の内部水分値（％）を推定する。この内部水分値とハウスＨ内湿度計２８の測定湿度によって、蒸散に最適な外気湿度を演算する。そして、この演算される最適湿度になるよう前記の換気用の開閉窓２１を開けたり、細霧を噴射する加湿器２２を作動させることによって最適蒸散湿度制御を行うことができる。

【0034】

次いで図９に基づき、果実重量に基づく給液制御について説明する。前記誘引ワイヤ４と誘引フック３の間に重量計３６を設け、植物果実樹の重量を測定する。これによって培地１への給液制御を行うものであるから、的確な給液制御を実行できる。

【0035】

なお給液制御については、上記重量による管理に加え、積算日射量により給液の有無や給液量を設定することにより、更に的確に給液制御できる。さらに予め最低日射量を設定しておき、この最低日射量以下の場合には積算日射量をカウントしないこととして、給液過多を防止できる。

【0036】

図１０に基づき積算日射量による給液制御について説明する。図Ｄのフローチャートに示すように、日射量αを定期的に測定し（Ｓ１０１）、所定に設定された最低日射量（図例では２００Ｗ）を超えるか否か判定され（Ｓ１０２）、超える場合は積算用データとして用いられ積算日射量σが算出される（Ｓ１０３）。積算日射量σと予め設定した設定積算日射量β（例えば１００Ｊ）に達したか否か判定し（Ｓ１０４）、この設定積算日射量βに達すると、給液停止経過時間Ｔｓが最低待ち時間Ｔｍｉｎ（例えば３０分）を超えていることを条件に、給液指令出力される（Ｓ１０５，Ｓ１０６）。そして、予め設定した給液時間Ｔｍの間給液を継続すると給液停止する（Ｓ１０７，Ｓ１０８）。

【0037】

上記Ｓ１０４で設定積算日射量βに達しないときは、かつ給液停止経過時間Ｔｓが最大待ち時間Ｔｍａｘ（例えば２時間）を超えてないことを条件に（Ｓ１０９）、次のタイミングで日射量測定（Ｓ１０１）に戻る構成である。Ｓ１０９で給液停止経過時間Ｔｓが最大待ち時間Ｔｍａｘを越えると判断したときは、水分減退を予測して給液指令出力される。

【0038】

また、Ｓ１０２で日射量αが高日射量状態、例えば９００Ｗ／ｍ２を超える場合は、前記最低待ち時間Ｔｍｉｎ経過で給液を実行する構成としている。急激な蒸散による作物の水分ストレスを低減できる。

【0039】

次いで、図１１に基づき、植物樹勢強弱判断による二酸化炭素濃度制御について説明する。図１１は、横軸を生殖生長～栄養生長とし、縦軸を植物樹勢の強弱とし、茎ｋの径（以下、茎径）と生長点からトップ花房ｆまでの距離の２要素をもって、４つのパターン表示（図１１（ａ）～（ｄ））したものである。このパターン表示を定期的に実施し、二酸化炭素供給制御を実行するものである。例えば、この図１１のパターン（ｃ）およびパターン（ｄ）はいずれも茎径が細く樹勢が弱いため、二酸化炭素濃度を高くして樹勢をプッシュする。パターン（ｂ）の場合は、成長が過大にて二酸化炭素濃度を抑制する、等である。各パターンにある状態から図１１中央の良好なバランスに向けた管理を実行するものである。

【0040】

なお、生殖生長と栄養生長について、植物に実をつけさせるためにはある程度植物にストレスをかける必要がある。そして、植物へのストレスが大きくなると、光合成機能が低下し、植物は果実を付ける方向（生殖生長）に傾くが萎れるリスクを伴う。逆に、光合成機能が高くなると、植物の茎は太くなり長くなろうとする方向（栄養成長）に傾く。しかし、その分、果実をつけようとしなくなるので生産者としてはマイナスである。

【0041】

また、二酸化炭素の供給は、二酸化炭素を収容するタンクと開閉弁制御によってハウスＨ内に二酸化炭素を供給し又は停止する構成とし、制御部２５からの指令信号に基づいて作動制御する構成である。

【0042】

次いで、図１２，図１３により、高軒ハウスＨで葉菜類を栽培する栽培装置について説明する。架台４０に載置状の下フレーム４１と天井部からチェン４２で吊下げ状の上フレーム４３との間に、上下フレーム４１，４３を連結すべく複数の培地ユニット４４，４４…を設ける。各培地ユニット４４には、上下に複数の定植穴４４ａ，４４ａ…を備えており、この定植穴４４ａに葉野菜ｒを定植できる構成である。上フレーム４３に沿い給液ホース４５を設け、適宜に培地ユニット４４に供給できるよう構成する。なお、下フレーム４１に沿い排水樋４６を設け、培地ユニット４４を伝って下方に辿り着く養液を受けて回収又は循環できる構成としている。

【0043】

図１４は、給液ホース４５による給液回路の改良構成を示す。夏季の給液ホース４５内は高温となり、培地供給すると却って悪影響する。そこで、潅水ユニット４７を備えた給液ライン４８に複数の給液ホース４５，４５…を接続し、給液ホース４５，４５の終端側は排水ライン４９に集合する構成とし、排水ライン４９に排水用電磁弁５０を介在して排液地下タンク５１に排出できるよう構成している。夏季の日射により給液ホース４５，４５…が高温になると排水用電磁弁５０を設定時間開作動し、給液ホース４５，４５…を通過する給液は排液地下タンク５１に回収される。設定時間経過後に排水用電磁弁５０を閉じ作動すると、給液ホース４５，４５…に設ける所定ピッチ毎に設ける給液ドリッパ５２から培地ユニット４４，４４に供給できる。また、排液地下タンク５１の排液は、再利用されるものである。このように構成すると、高温の養液を排水することで、できるだけ低温の養液を作物に与えることとなり、高温期における作物の根の伸長。生育の適正化が図れる。

【0044】

次いで、図１５に基づき、施設内防除装置の改良構成について説明する。防除走行装置５５は、前記植物生育診断装置２４と同様であって、走行車体５６に培地１間軌道Ｌを走行する車輪５７を備える。走行車体５６に防除タンク５８及び薬液噴射ノズル５９ａを縦方向に複数備えた防除アーム５９を左右一対立設し、さらにその近傍に、エア噴射ノズル６０ａを縦方向に複数備えたエア噴射アーム６０を左右一対に備えている。

【0045】

植物の周りには常時蒸散等に起因する湿気に包まれており、茎や葉を覆う膜状を呈している。この雰囲気中で薬剤散布を行っても上記膜状の存在によって所定の防除効果が得られない恐れがある。そこで前記のように、防除アーム５９の近傍にエア噴射アーム６０を備えて防除に先立ってエア噴出することにより茎や葉周辺の湿気を吹き飛ばすことにより薬剤噴射ノズル５９ａからの薬剤付着を効果的に行え、ひいては薬剤散布量の節減につながる。

【0046】

なお図１６は、走行車体５６の内部構成を示し、走行用モータ６１、走行ペダル６２を備え、走行ペダル６２の踏み込み操作でモータ６１駆動し走行車輪５７を駆動する構成である。走行車体５６の下方に車輪５７が軌道Ｌを走行するときにはこれを検知して変位するレール検知スイッチ６３を備える。レール検知スイッチ６３は車輪５７が軌道から外れると走行制御部に軌道脱出の旨信号出力し、走行モータ６１を停止出力する。したがって、走行ペダル６２踏込みであっても走行車体５６を停止して安全である。つまり、走行車体５６の車輪５７が軌道Ｌから外れて平坦部に至ると負荷が軽くなる傾向となって走行速度増加の一因となっていて作業者に危険を伴っていたが、上記のようにレール検知スイッチ６３の設置と走行モータ６１停止制御によって安全を確保できる。なお、平坦部で走行を再開する場合には再度走行ペダル６２を踏み込むことで走行モータ６１が起動するよう構成するとよい。

【符号の説明】

【0047】

１ 培地
２４ 植物生育診断装置
２４ｂ 熱画像カメラ（植物体温測定手段）
３１ カラーカメラ
３２ 白色光源
Ｈ ハウス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】