JPH04135427A - 養液栽培装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、植物の養液栽培装置に係り、特に養液の成分
状態を管理する養液栽培装置に関する。

（従来の技術） 養液（培養液）を用いて植物を育てる養液栽培は、栽培
環境の制御が容易であることから、これまで施設園芸の
一つの栽培方式として注目され、実施されている。また
、養液による植物の根圏の環境制御だけでなく、日射量
などの地上部の環境制御を併せて行ったり、実際の植物
の生育情報やその生育段階に応じた制御ソフトと組み合
わせて統合的にコンピュータで栽培環境の最適化を図る
植物工場なども、各方面から研究開発が進められている
。

この養液栽培における養液管理の方法は、その栽培方式
によって大きく異なってくる。例えば、多量の養液を使
用する水耕や、Ｎ　Ｆ　Ｔ　（ＮｕｔｒｉｅｎｔＦｉｌ
ｍ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　）などの養液を循環する栽培
方式では、栽培ベツド、あるいは養液調節槽の中に養液
の成分濃度を検出するセンサ（養液成分センサ）を配置
することによって、実際の根圏での養液状態を間接的に
計測することができ、その情報を元に養液を管理するこ
とが可能である。

一方、固形培地を用いた栽培方式では、一般に養液をか
け流しで供給する場合が多く、この場合にはセンサ計測
に十分な漏れ出し液を確保することが難しい。仮に、漏
れ出し液を確保できたとしても、その液の成分濃度と実
際の根圏での成分濃度には大きな誤差があったり、大き
なタイムラグが存在するなど、固形培地中の養液濃度を
リアルタイムで正確に計測することは困難である。また
、養液を循環する固形培地式栽培の場合でも、同様の問
題がある。従って、根圏の養液を直接計測するなめには
、養液成分センサを固形培地中に配置する必要がある。

しかし、現状の電極型センサは比較的大型で電極抵抗が
高いなめ、固形培地中に配置した場合、培地に保持され
た養液と検出部との接触状態により、出力が非常に不安
定になりゃすい問題があった。また、小型化を図って養
液と接触しやすい形状にしても、電極抵抗がさらに高く
なって、出力の不安定度が増してしまう問題があっな。

従って、実際には注射器を用いて固形培地中から養液を
抽出して、分析装置にかける方法を取らざるを得ながっ
た。しかし、植物の生育を正確かつ最適に制御するため
には、固形培地中の養液成分濃度をリアルタイムで計測
し、供給する養液の制御情報としてフィードバックする
ことが不可欠である。

また、現行の養液栽培装置では、養液成分センサとして
導電率（ＥＣ）センサ、ｐＨセンサを使用するにとどま
っており、養液濃度の調節には高濃度の養液原液と酸・
アルカリの調節液を用いている。即ち、植物の養分吸収
により養液の導電率が減少した場合は、各成分が一定比
で含まれた高濃度原液を加えて調節し、ｐＨが変動した
場合は、酸あるいはアルカリの液を加えてｐＨを調節す
るという方法を取っている。しかし、実際の養液に含ま
れている各種の成分は、植物による吸収速度の差により
濃度変化の度合いも異なっている。従って、上記の養液
調節法では、特定成分の濃度の偏りを補正することがで
きず、一定の期間で養液の全部交換せざるを得ながった
。特に固形培地を用いた養液栽培の場合は、蒸発散によ
る濃度や組成の変化が激しく、また固形培地材料の化学
的な影響もあり、実際の養液状態を杷握することが極め
て難しかった。従って、固形培地に清水を湛水して洗浄
した後、最適条件に調節した養液を新たに供給する作業
を定期的に行うことで、対策が取られていた。しかしこ
の方法では、固形培地中の養液成分を迅速かつ正確に管
理することが困難であり、作業の手間やコストも大きな
問題であった。

このように、固形培地を用いた養液栽培において、植物
の最適な生育を可能とする養液管理を実現するなめには
、固形培地中の各養液成分濃度を直接リアルタイムで計
測し、供給する養液の制御情報としてフィードバックし
て養液を管理するこ以上のように、現行の固形培地式養
液栽培装置においては、リアルタイムで固形培地中の養
液成分濃度を正確に検出する方法がなく、迅速な養液濃
度管理が困難であるという問題があった。

本発明は、リアルタイムで固形培地中の養液成分濃度を
正確に検出する養液成分センサを備え、植物の最適な生
育を可能とする養液管理システムを有する養液栽培装置
を提供することを目的どする。

本発明は、植物を育成するための固形培地と、該固形培
地に養液を供給する養液調節手段と、前記固形培地中の
養液の成分濃度を検出する養液成分センサを用いた養液
栽培装置において、前記養液成分センサとしてＦＥＴ型
センサを用いたことを特徴とする養液栽培装置である。

本発明の好ましい実施態様としては、前記養液調節手段
中に第２の養液成分センサが配置された養液栽培装置で
ある。また、前記固形培地中に配置された養液成分セン
サが、養液中の成分に対応した複数のセンサを同一基板
上に一体形成したＦＥＴ型センサである養液栽培装置で
ある。

（作用） 本発明による養液栽培装置は、培地環境制御部の一構成
として、固形培地中に配置した養液成分センサと、養液
調節槽中に配置した養液成分センサを有し、特に固形培
地中に配置した養液成分センサがＦＥＴ型センサを基盤
に作製されたものであり、固形培地中の養液濃度を直接
リアルタイムで計測し、供給する養液の濃度制御情報と
してフィードバックすることによって、迅速で正確な養
液管理を実現することができる。

養液成分センサを固形培地中に配置して計測する場合に
最も問題になることは、養液と検出部との接触に基づく
安定な出力を得ることである。即ち、固形培地を用いた
養液栽培では、根への酸素供給を促進する意味から、固
形培地は養液を大量に含んだ状態ではなく、実際には半
乾燥状態に保たれる。従って、固形培地に保持された少
量の養液と効率的に接触し、安定な出力を得るためには
、必然的に養液成分センサの検出部面積が小さい必要が
あり、各種成分に対応したセンサが一体化できる構造の
ものが望ましい。本発明によるＦＥＴ型センサを用いた
養液成分センサは、上記の条件を満たすセンサとして非
常に有効である。

一方、一般に養液調節槽と固形培地とはかなりの距離が
あり、調節された養液は長いチューブを使って個々の固
形培地に供給される。また、固形培地中で均一な分散状
態を作り出すために、養液は極端な低圧でマイクロチュ
ーブからゆっくりと供給される。従って、固形培地中に
配置した養液成分センサだけを用いて養液を調節しよう
とした場合、センサの情報を元に調節した養液が、再び
固形培地中のセンサにより所定の濃度になったか確認を
するのに、長い時間がかかる問題がある。

そこで、本発明による養液栽培装置は、固形培地中に配
置した養液成分センサと同様のセンサか、あるいは同種
のイオンを対象とする別種の養液成分センサを養液調節
槽中に配置することによって、供給すべき養液の調節状
態を迅速に計測、管理することができ、固形培地中の養
液成分をより正確で、精度の高い制御が可能になる。

〈実施例） 以下に、本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明による養液栽培装置の一実施例におけ
る培地環境制御部の構成図であり、第２図は、その養液
栽培装置の全体構成図である。

この実施例では、固形培地式養液栽培装置が、ハウス１
９、栽培ベツド２０、培地環境制御部２１、地上環境制
御部２２、統括制御部１８、によって構成され、第２図
に示されたような相互関係を持っている。各構成部の内
部構成および機能を簡単に説明する。

まずハウス１９は、栽培環境の維持や病菌の侵入防止を
目的した建築構造物であり、太陽光利用の場合は塩化ビ
ニール等の透光性被覆材を用い、人工光利用の場合は断
熱性壁材を用いて構成される。

栽培ベツド２０には、固形培地、培地を支持するための
ベツド、養液の蒸発散を抑えるための被覆材、給液マイ
クロチューブ、などにより構成される。

地上環境制御部２２は、温度、湿度、ＣＯ２濃度、日射
量（照度）、風速、などの地上環境に対するセンサを設
け、空調機、窓、カーテン、加湿・除湿器、ＣＯ２ボン
ベ、人工光ランプ、換気扇などを用いて地上環境を制御
する。

統括制御部１８は、蓄積されたデータベースと各環境制
御部のセンサから環境情報を元に、植物が最適に生育す
るような環境条件に調節するように各環境制御部へ出力
信号を出す。

最後に、培地環境制御部２１を第１図を用いて説明する
。培地環境制御部は、培地環境計測部と培地環境調節部
に大別される。まず培地環境計測部は、固形培地１７中
に配置された養液成分センサ１、温度センサ３、水分セ
ンサ５と、養液調節槽７中に配置された養液成分センサ
２、温度センサ４、水位センサ６により構成される。こ
の養液成分センサ１．２としては、養液の主要成分であ
るＮｏ３−１ＮＨ４＋、ＨＰＯ４’−あるいはＨ２ｐｏ
４−１Ｋ＋、Ｃａ２＋、ｐＪｌ　ｇ　２＋、５ｏ４２−
１微量酸分であるＦｅ２＋あるいはＦｅ３＋、ＢＯ３３
−あるいはＢ４Ｏ７２−１Ｚｎ２＋、Ｍｎ２＋、ｃｕ２
＋、Ｃ１、ＭＯＯ４”−５などのイオンを検出対象にす
るセンサ、またｐＨ１溶存酸素、導電率を検出するセン
サなどが挙げられる。一方、培地環境調節部は、養液調
節槽７、薬液タンク８（養液原液タンク、ｐＨ調節液タ
ンク）およびそのバルブ９と流量計１０、水道水を引き
込むポンプ１１−１調節された養液を栽培ベツドに供給
するポンプ１２および流量計１３、液温を調節するヒー
トポンプ１４、攪拌機１５、そしてそれぞれの液を輸送
する配管１６によって構成される。本発明の特徴は、こ
の培地環境制御部の一構成として、固形培地１−７中と
養液調節槽７中に配置された養液成分センサを備えてい
ることにあり、さらに固形培地中に配置された養液成分
センサ１がＦＥＴ型センサを基盤に作製されたものであ
ることを最大の特徴とする。このようなＦＥＴ型センサ
を基盤として作製した養液成分センサ（以後、ＦＥＴ型
養液成分センサと略す）１は、小型で、高入力インピー
ダンス素子であることから、固形培地中に保持された養
液がわずかな場合でも、検出部が養液と有効に接触し、
安定な出力信号が得られる。実際に、本発明者は植物栽
培時における固形培地の保水率変化範囲（９０〜１０重
量％）内において、ＦＥＴ型養液成分センサ１が正確で
安定な出力を示すことを実験で確認した。このＦＥＴ型
養液成分センサ１による固形培地中の養液成分濃度のリ
アルタイム情報を、統括制御部１８を経て、培地環境調
節部へフィードバックさせることにより、正確な養液成
分濃度管理が可能になり、植物の最適な生育を実現する
ことが可能となる。また、養液調節槽中に配置した養液
成分センサ２と併せて使用することによって、供給すべ
き養液の調節状態を正確に管理することができ、固形培
地中の養液成分濃度を迅速に最適化することが可能とな
る。

第３図（ａ＞（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、固形培地中に配置
されたＦＥＴ型養液成分センサの一実施例の実装後にお
ける平面図とそのＡ−Ａ−１ＢＢ−２Ｃ−Ｃ−における
断面図である。この実施例は、５ＩＳ（シリコン−絶縁
体−シリコン）構造のウェーハを用いて作製されたＦＥ
Ｔ型イオンセンサ２３であり、検出部であるゲート領域
にはカリウムイオン感応膜３０が形成されている。即ち
、第・３図（ｃ）に示したように、シリコン基板２４上
にＳｉＯ□膜２５全２５て形成された島状のシリコン層
２７にソース領域２８およびトレイン領域２９を設け、
ゲート絶縁膜としてＳｉＯ２膜２５と５ｉＮＸ膜２６を
形成し、さらにそのゲート絶縁膜上にカリウムイオン感
応膜３０を形成して、ＦＥＴ型カリウムイオンセンサを
構成している。カリウムイオン感応膜３０はこの実施例
では、感応物質であるパリノマイシンを１％、バインダ
であるポリ塩化ビニールを３９％、可塑剤であるアジピ
ン酸ジオクチルを６０％、カリウムテトラフェニルボレ
ートを０．１％の重量比で含んでおり、テトラヒドロフ
ランで溶解したこの感応膜材料をＦＥＴ型イオンセンサ
２３のグー１〜領域に塗布し、３日間低湿状態で風乾す
ることにより得られる。また、第３図（ｂ）（ｄ）に示
したように、ＦＥＴ型−イオンセンサ２３のソース電極
３１およびドレイン電極３２は鉛−錫はんだ３３を介し
てフレキシブルプリント回路基板３５の電極３６に接続
されている。さらに、この電極接続部を外界から保護す
るなめ、樹脂３６によって封止している。

また、前述の養液主要成分あるいは微量成分に対応した
Ｆ、ＥＴ型養液成分セセンは、第３図に示されたＦＥＴ
型イオンセンサ２３のゲート領域に設けられたカリウム
イオン感応膜３０を、それぞれの成分に対応した感応膜
に置き換えることにより実現できる。

第４図は、第３図に示されたようなＦＥＴ型養液成分セ
ンサを固形培地中に配置した時の構成図である。この第
４図に示したように、ＦＥＴ型養液成分センサ１の配置
場所はキューブ（上部固形培地：育苗用）３７の内部、
スラブ（下部固形培地：定植用）３８の内部、キューブ
３７とスラブ３８の間、の３箇所に大きく分けられる。

この配置場所はどこの養液状態を知りたいかによって決
定されるものであるが、通當の養液管理を行う場合には
、植物の生育状況、すなわち根の発達状況に応じて、キ
ューブ３８の内部、キューブ３８とスラブ３９の中間、
スラブ３つの内部へと移行させる方法が標準的である。

また、キューブ３７やスラブ３８の内部に配置する場合
は、刃物等で予め切り口を入れた後にＦＥＴ型養液成分
センサ１を挿入する方法が有効で、挿入時の衝撃が軽減
されると共に、固形培地−感応部間の良好な接触を可能
とする切断面が得られる効果がある。

一方、ＦＥＴ型養液成分センサ１は、養液の電位を固定
するための参照電極３つが必要である。

第４図では、ＦＥＴ型養液成分センサ１−の配置場所と
は別の場所に参照電極３９を配置してＦＥＴ型養液成分
センサ１を動作させた場合のを示している。本発明者に
よる実験では、第４図に示されたいずれの場所のＦＥＴ
型養液成分センサ１でも、参照電極３９を用いて安定な
出力が得られることが確認された。この時、参照電極３
９の液絡部を固形培地３８に押し付ける圧力によって出
力の安定性が増し、さらに液絡部周辺に数ミリリットル
はどの溶液を滴下することによって出力の初期ドリフト
が減少する効果が得られた。

また、第５図は同一スラブ上の複数のキューブに配置さ
れたＦＥＴ型養液成分センサを一個の参照電極で動作さ
せた時の構成図である。第４図に示したように、同一の
固形培地に配置された複数のＦＥＴ型養液成分センサ１
を一個の参照電極で動作させらノすることはもちろんで
あるが、第５図に示したような、同じスラブ３８上の複
数のキューブ３７に配置された各ＦＥＴ型養液成分セン
サ１をスラブ３８に配置した一個の参照電極３９で動作
させることも可能である。実際に、ＦＥＴ型養液成分セ
ンサと参照電極の距離が９０ｃｍの範囲内において、出
力が一定であり、安定した信号で得られることを発明者
は実験で確認した。

第４図や第５図に示したように、参照電極はＦＥＴ型養
液成分センサの配置場所とは別の場所に配置しても機能
することを説明したが、小型化を図ってＦＥＴ型養液成
分センサに一体化させて使用することも可能である。

第６図（ａ）（ｂ）は、他の実施例のＦＥＴ型養液成分
センサの平面図とそのＡ−Ａ−断面図である。この実施
例は、第３図に示したＦＥＴ構造のシリコン層２７が４
個、同一シリコン基板２４上に一体形成されている。そ
れぞれのＦＥＴ構造のシリコン層２７は、Ｓ　ｉ　Ｎｘ
膜と５ｉｎ２膜により良好な電気的絶縁分離が成されて
いる。各シリコン層２７のゲーＩ・領域には、ｐＨ感応
膜４０、硝酸イオン感応膜４１、カリウムイオン感応膜
３０、イオンに不感応な参照膜４２が形成され、ｐＨセ
ンサ、硝酸イオンセンサ、カリウムイオン感応膜、参照
用ＦＥＴを構成している。これらの養液成分センサと参
照用ＦＥＴを、同一シリコン基板２４上に設けられた不
活性金属電極４３に対して差動動作させることによって
、養液中のｐ　Ｈ５硝酸イオン濃度、カリウムイオン濃
度を検出することができ、特に参照電極を必要としたい
。このように養液成分に対応した複数のセンサを同一基
板上に形成した養液成分センサは、固形培地中に含まれ
る養液が少量の場合において非雷に有効である。また、
同一基板上に設けるＦＥＴ型養液成分センサの種類や個
数は、管理しようとする養液成分に応じて決定されるも
のであって、この実施例の限りではない。

第７図（ａ＞（ｂ）は、更に他の実施例のプローブ状Ｆ
ＥＴ型養液成分センサの実装構造の平面図と断面図であ
る。ここで、Ｆ、Ｅ　Ｔ型センサチップ４４は第３図の
カリウムセンサ、あるいは第６図の一体型センサ等であ
る。このＦＥＴ型センサチップ４４は、先端部にＳＵＳ
等の金属補強板４７を付属したガラス・エポキシ配線基
板４５に接着され、金ワイヤ４６によって配線基板４５
の電極３４に接続されている。また、金属補強板４７は
、先端を尖状に加工されている。そして、検出部を除く
すべての部分を樹脂３６で封止した構造である。このよ
うに先端の鋭利なプローブ状養液成分センサは、例えば
１個の養液成分センサで固形培地の数箇所を計測する場
合など、繰り返し固形培地に挿入し、引き抜くような使
用法に対して有効である。即ち、ＦＥＴ型センサチップ
４４を挿入時の衝撃から保護し、検出部と養液との安定
な接触を作り出す培地状態が得られる形状である。

一方、第１図に示した養液調節槽中に配置された養液成
分センサ２は、養液調節槽７が十分大きいことから、必
ずしもＦＥＴ型センサを基盤に作製されたものである必
要はない。即ち、固形培地中に配置したＦＥＴ型養液成
分センサ１と全く同じセンサでも構わないし、同様のイ
オンを検出対象とする電極型センサであっても問題はな
い。また、養液調節手段としてフロースルー式にメイン
パイプに対し、各原液からのパーイブを接続させて注入
する方式を用いても良い。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、培地環境制御部の一
構成として、固形培地中に配置した養液成分センサと、
養液調節槽中に配置した養液成分センサを有し、特に固
形培地中に配置した養液成分センサがＦＥＴ型センサを
基盤に作製されたものであることを特徴とする養液栽培
装置は、固形培地中の養液成分濃度を直接リアルタイム
で計測し、供給する養液の濃度制御情報としてフィード
バックすることが可能であり、迅速で正確な養液管理を
実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の一実施例の養液栽培装置の
構成図、第３図はカリウムイオン対応のＦＥＴ型養液成
分センサの平面図およびその断面図、第４図はＦＥＴ型
養液成分センサと参照電極を固形培地中に配置した時の
構成図、第５図は複数のＦＥＴ型養液成分センサと参照
電極を同一スラブ上のキューブに配置した時の構成図、
第６図は複数の養液成分に対応したセンサを一体化した
ＦＥＴ型養液成分センサの平面図およびＡ−Ａ−断面図
、第７図は、プローブ状ＦＥＴ型養液成分センサの実装
構造の平面図および断面図である。 １・・・固形培地用養液成分センサ、２・・・養液調節
槽用養液成分センサ、３・・・水分センサ、４・・・水
位センサ、５，６・・・温度センサ、７・・・養液調節
槽、１７・・・固形培地、１８・・・統括制御部、１９
・・・ハウス、２０・・・栽培ベツド、２１・・・培地
環境制御部、２２・・・地上環境制御部、２３・・・Ｆ
ＥＴ型イオンセンサ、２４・・・シリコン基板、３０・
・・カリウムイオン感応膜、３３・・・鉛−錫はんだ、
３５・・・フレキシブルプリント配線基板、３６・・・
樹脂、３７・・・キューブ、３８・・・スラブ、３９・
・・参照電極、４０・・・ｐ１１感応膜、４１−・・・
硝酸イオン感応膜、４２・・・参照膜、４３・・・不活
性電極、４４・・・ＦＥＴ型センサチップ、４５・・・
ガラス・エポキシ配線基板、４６・・・金ワイヤ、４７
・・・金属補強板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）植物を育成するための固形培地と、該固形培地に
   養液を供給する養液調節手段と、前記固形培地中の養液
   の成分濃度を検出する養液成分センサを用いた養液栽培
   装置において、前記養液成分センサとしてＦＥＴ型セン
   サを用いたことを特徴とする養液栽培装置。（２）前記
   養液調節手段中に第２の養液成分センサが配置されたこ
   とを特徴とする請求項１記載の養液栽培装置。 （３）前記固形培地中に配置された養液成分センサが、
   養液中の成分に対応した複数のセンサを同一基板上に一
   体形成したＦＥＴ型センサであることを特徴とする請求
   項１記載の養液栽培装置。