JP2021097095A - 紫外線光源、紫外線光源の評価方法、紫外線ｌｅｄの選択方法及び紫外線光源の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】動物に有害なＵＶＣの波長域の紫外線を安全なレベルに低減しつつ、ビタミンＤ生成に有効なＵＶＢの波長域の紫外線を動物に安定して長く照射することができる紫外線光源を提供する。【解決手段】動物の体内でビタミンＤを生成するために有効な紫外線を照射可能な紫外線光源１０であって、少なくともＵＶＢ波長域（２８０ｎｍ〜３１５ｎｍ）の紫外線を出力可能な紫外線ＬＥＤ７を含む。前記紫外線光源１０から略３０ｃｍの距離でのＵＶＣ波長域（２００ｎｍ〜２８０ｎｍ）の紫外線の放射照度は、ＪＩＳ Ｃ ７５５０で規定された「ランプ及びランプシステムの光生物学的安全性」の目及び皮膚に対する紫外放射障害のリスクグループ２の放射照度範囲である３×１０−３Ｗ／ｍ２を超え３×１０−２Ｗ／ｍ２以下を満たしている。【選択図】図１

Description

本発明は、紫外線光源に関し、より具体的には、動物の体内でビタミンＤを生成する上で有効な波長域（ＵＶＢ）の紫外線を照射可能な紫外線光源、紫外線光源の評価方法、紫外線ＬＥＤの選択方法及び紫外線光源の製造方法に関する。

動物の皮膚の下にある皮下脂肪には、ビタミンＤの基となるコレステロールが含まれている。このコレステロールに紫外線が当たることで化学反応が起こり、ビタミンＤが作られる。ビタミンＤが欠乏すると、骨を構成するカルシウムを吸収できなくなり、軟骨病にかかり、さらには死に至る恐れがある。

太陽光には紫外線が含まれているので、屋外での日光浴で皮膚から紫外線を吸収することにより体内でビタミンＤを作ることができる。しかし、通常屋内の飼育箱中で飼育される爬虫類のような動物は日光浴ができないので、体内でビタミンＤを作るために、飼育箱中で紫外線を浴びさせる必要がある。そのための爬虫類用の紫外線光源が既に製品化され販売されている。例えば、ＺＯＯ ＭＥＤ社のメタルハライドＨＩＤパワーサンＵＶＢやレプティサン（登録商標）５．０ＵＶＢ、１０．０ＵＶＢ等が該当する（非特許文献１）。

しかし、レプティサン（登録商標）１０．０ＵＶＢ等の従来の爬虫類用の紫外線光源は、水銀ガスが封入されている蛍光管（以下、「水銀灯」という）を用いているので、点灯時間の経過と共に発光量が減衰し、１年経過で発光出力が約半分程度に落ちてしまうので寿命が短く、さらには消費電力が大きい、といった欠点がある。また、水銀汚染防止に向けた国際的な水銀規制に関する「水俣条約(Minamata Convention on Mercury)」により、水銀を使った製品の製造・輸出・輸入が２０２０年に原則禁止されるので、今後水銀を使用した「水銀灯」等の紫外線光源が利用できなくなる恐れがある。

水銀灯を用いない動物用の紫外線光源として、ＬＥＤを用い照明システムが特許文献１において提案されている。特許文献１の照明システムでは、基板上の熱源の周りに、ＵＶＡ（３２０−４００ｎｍ）とＵＶＢ（２９５−３２０ｎｍ）の波長域の紫外線を発するＵＶＡ−ＬＥＤとＵＶＢ−ＬＥＤを複数配置して、照明システムを構成している。また、特許文献１には、２９５ｎｍ以下の波長域のＵＶＣの紫外線が動物の目や皮膚に有害であることが記載されている。

しかし、特許文献１の照明システムでは、単にＵＶＡ−ＬＥＤとＵＶＢ−ＬＥＤを用いることが示されているだけであって、これらのＬＥＤが発する紫外線中に含まれる有害なＵＶＣの紫外線をいかにして除去／低減するかについては何ら記載がない。その結果、特許文献１の照明システムでは、動物の目や皮膚などに悪い影響を与えてしまう恐れがある。

米国出願公開 ＵＳ２０１０／０２７６４１０ 特開平１０−２４１６３１号公報 特開２００７１８８７９９号公報 特許第４７１１９８１号公報

ＺＯＯ ＭＥＤ社のホームページ中の「ＵＶライト」、http://zoomed.ciao.jp/uvb/

本発明は、動物に有害なＵＶＣの波長域の紫外線を安全なレベルに低減しつつ、ビタミンＤ生成に有効なＵＶＢの波長域の紫外線を動物に安定して長く照射することができる紫外線光源、紫外線光源の評価方法、紫外線ＬＥＤの選択方法及び紫外線光源の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の実施形態による紫外線光源は、動物の体内でビタミンＤを生成するために有効な紫外線を照射可能な紫外線光源であって、少なくともＵＶＢ波長域（２８０ｎｍ〜３１５ｎｍ）の紫外線を出力可能な紫外線ＬＥＤを含み、前記紫外線光源から略３０ｃｍの距離でのＵＶＣ波長域（２００ｎｍ〜２８０ｎｍ）の紫外線の放射照度は、ＪＩＳ Ｃ ７５５０で規定された「ランプ及びランプシステムの光生物学的安全性」の目及び皮膚に対する紫外放射障害のリスクグループ２の放射照度範囲である３×１０^−３Ｗ／ｍ^２を超え３×１０^−２Ｗ／ｍ^２以下を満たしていることを特徴とする。

紫外線光源には、紫外線ＬＥＤからの紫外線を受けて配光する例えば、レンズ等の光学部材を設けることが好ましいが、この光学部材は必須の構成要素ではない。また、光学部材を設けた場合には、紫外線光源から照射される紫外線は、光学部材によってＵＶＣ波長域の紫外線の放射照度を低減する機能を果たすこともできる。

また、本発明の実施形態による紫外線光源の評価方法は、少なくともＵＶＢ波長域（２８０ｎｍ〜３１５ｎｍ）の紫外線を出力可能な紫外線ＬＥＤを含む紫外線光源の評価方法であって、前記紫外線光源から出力される紫外線の発光スペクトルにビタミンＤを生成する効果を示す作用関数を乗じて、ＵＶＢ波長域の放射照度を積算した結果を得る第１のステップと、前記紫外線光源から出力される紫外線の発光スペクトルにＪＩＳ Ｃ ７５５０で規定された紫外放射障害作用関数Ｓ_ＵＶ（λ）を乗じて、実効放射照度Ｅ_Ｓ（λ）を求め、さらに、この実効放射照度Ｅ_Ｓ（λ）の領域内におけるＵＶＣ波長域の実効放射照度Ｅ_Ｓを算出する第２のステップと、を備えることを特徴とする。

本発明の実施形態による紫外線ＬＥＤの選択方法は、少なくともＵＶＢ波長域（２８０ｎｍ〜３１５ｎｍ）の紫外線を出力可能な紫外線ＬＥＤの選択方法であって、前記紫外線ＬＥＤから出力される紫外線の発光スペクトルにビタミンＤを生成する効果を示す作用関数を乗じて、ＵＶＢ波長域の放射照度を積算した結果を得る第１のステップと、前記紫外線ＬＥＤから出力される紫外線の発光スペクトルにＪＩＳ Ｃ ７５５０で規定された紫外放射障害作用関数Ｓ_ＵＶ（λ）を乗じて、実効放射照度Ｅ_Ｓ（λ）を求め、さらに、この実効放射照度Ｅ_Ｓ（λ）の領域内におけるＵＶＣ波長域の実効放射照度Ｅ_Ｓを算出する第２のステップと、を有し、前記第１のステップ及び第２のステップにおいて、予め基準値が定められており、さらに、前記基準値に基づいて紫外線ＬＥＤを選択するステップを有していることを特徴とする。

さらに、本発明の実施形態による紫外線光源の製造方法は、少なくともＵＶＢ波長域（２８０ｎｍ〜３１５ｎｍ）の紫外線を出力可能な紫外線ＬＥＤを含む紫外線光源の製造方法であって、前記紫外線ＬＥＤから出力される紫外線の発光スペクトルにビタミンＤを生成する効果を示す作用関数を乗じて、ＵＶＢ波長域の放射照度を積算した結果を得る第１のステップと、前記紫外線ＬＥＤから出力される紫外線の発光スペクトルにＪＩＳ Ｃ ７５５０で規定された紫外放射障害作用関数Ｓ_ＵＶ（λ）を乗じて、実効放射照度Ｅ_Ｓ（λ）を求め、さらに、この実効放射照度Ｅ_Ｓ（λ）の領域内におけるＵＶＣ波長域の実効放射照度Ｅ_Ｓを算出する第２のステップと、を有し、前記第１のステップ及び第２のステップにおいて、予め基準値が定められており、さらに、前記基準値に基づいて紫外線ＬＥＤを選択するステップと、前記紫外線ＬＥＤを選択するステップにおいて選択された紫外線ＬＥＤを、実装基板に実装して紫外線照射部を構成するステップと、を有していることを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、動物の目や皮膚等に有害なＵＶＣ波長域（２００〜２８０ｎｍ以下）の紫外線を安全なレベルまで低減しつつ、体内でのビタミンＤの生成に有効なＵＶＢ波長域（２８０ｎｍ〜３１５ｎｍ）の紫外線を動物に対して長期間安定して低消費電力で供給することができる。

本発明の一実施形態の紫外線光源の外観を示す斜視図である。 同紫外線光源の内部構成を概略的に示す断面図である。 同紫外線ＬＥＤのビタミンＤの生成に関する評価方法を示す説明図である。 同紫外線光源のＵＶＢ波長域のビタミンＤの生成に関する放射照度を示す図である。 本発明の一実施形態の紫外線ＬＥＤの有害なＵＶＣの波長域に関する評価方法を示す説明図である。 同紫外線光源のＵＶＢ波長域の放射照度を示す図である。 同紫外線光源のＵＶＣ波長域の放射照度を示す図である。 本発明の一実施形態の紫外線光源の配光特性を示す図である。 本発明の一実施形態の紫外線光源の分光放射照度を示す図である。 本発明の他の一実施形態の紫外線光源の外観を示す斜視図である。 同じく、他の一実施形態の紫外線光源の外観を示す斜視図である。 本発明の一実施形態の紫外線光源の紫外線の照射範囲と放射照度を示す図である。 本発明の一実施形態の紫外線光源と従来の製品の消費電力等を示す図である。 本発明の一実施形態の紫外線光源の使用例（点灯状態）を示す図である。

図１は、本発明の一実施形態の紫外線光源１０の外観を示す図である。図１において、紫外線光源１０は、直方体の筐体１と、筐体１内に配置されその一端が筐体の前面に出ている光学部材としてのレンズ３及び可視光ＬＥＤ４を含む。直方体の筐体１のサイズは、例えば９ｃｍ×９ｃｍ×１０ｃｍである。筐体１の各側面及び裏面（底面）には複数の小さな開口（空気穴）２が設けられ、後述する空冷ファン９により筐体内部の発熱を外部へ放出できるようになっている。筐体１からは筐体１内の各部材に電力を供給するための電源ケーブル５が出ている。

筐体１は、アルミニウム等の金属、耐熱性及び機械強度が高いプラスチック等の樹脂製品、あるいは加工性の良い木材等によって製造することができる。筐体１の形状は直方体に限らず、その設置環境に応じて、円筒形、断面がすり鉢型の形状、立方体などの任意の形状を選択することができる。なお、図示はされていないが、筐体１の後部／後面には筐体１を飼育箱の内壁等の設置場所に固定するための治具を設けることができる。

図２は、本発明の一実施形態の紫外線光源１０の内部構成を示す断面図である。図２の筐体１内に、レンズ３及び可視光ＬＥＤ４、紫外線照射部としてのＬＥＤ回路モジュール６、紫外線ＬＥＤ７、ヒートシンク８、及び空冷ファン９を含む。なお、可視光ＬＥＤ４はレンズ３のある平面において手前側または後側に設けられており、図２の断面ではその表示が省略されている。また、図２では、各部材の間にスペースがあるが、実際にはＬＥＤ回路モジュール６とヒートシンク８と空冷ファン９は接触しており、相互に熱伝導が可能な配置となっている。

図１に示すように、可視光ＬＥＤ４からの可視光は、レンズ３を介さずに直接筐体１の前面から出射するようになっている。ヒートシンク８は、ＬＥＤ回路モジュール６の動作時の発熱を逃がすために設けられている。空冷ファン９は、ファン（羽根）の回転により筐体１の側面の開口（空気穴）２から裏面（底面）の開口（空気穴）２へ至る空気流を作って、ＬＥＤ回路モジュール６の発熱をヒートシンク８を介して放熱して空冷するために設けられている。

レンズ３は、筐体１内の紫外線ＬＥＤ７からの紫外線を受けてその前面から出力する。出力される紫外線は、レンズ３からの距離に応じて拡大する所定の領域を照らすことができる配光特性（機能）を有する。レンズ３は、紫外線の配光機能に加えて、動物の目や皮膚等に有害なＵＶＣ波長域（２００ｎｍ〜２８０ｎｍ）の紫外線を低減する機能を備えることができる。その紫外線を低減する機能は、レンズ３の光学材料を選択することにより得ることができる。その光学材料としては、例えば紫外線を透過可能な従来からある石英ガラス、サファイアガラス等を用いることができる。なお、ホウケイ酸塩ガラスからなるＢＫ７は、ＵＶＣ波長域（２００ｎｍ〜２８０ｎｍ）の紫外線をカットするが同時にＵＶＢ波長域（２８０ｎｍ〜３１５ｎｍ）の紫外線をも低減してしまうので、ＵＶＢ波長域の紫外線が低い放射照度でも良い場合を除いて好ましくない。

なお、レンズ３とは別個に、紫外線ＬＥＤ７との間にＵＶＣ波長域（２００ｎｍ〜２８０ｎｍ）の紫外線をカット／低減するために石英ガラス、サファイアガラス等のガラス板を設けるようにしてもよい。その際、石英ガラス、サファイアガラス等のガラス板の代わりに、あるいは追加して、ＵＶＣ波長域（２００ｎｍ〜２８０ｎｍ）の紫外線をカット／低減することが可能な光学フィルタを設けてもよい。光学フィルタは、例えば選択した特定の波長範囲（例えば約２８０ｎｍ以上）の紫外線のみを透過させる波長選択フィルタを用いることができる。

可視光ＬＥＤ４は、レンズ３から紫外線が出ていることを人に視認させるために設けられる。可視光ＬＥＤ４は、紫外線ＬＥＤ７の点灯中に同時に点灯するように制御される。その点灯制御は、可視光ＬＥＤ４用の駆動回路（図示なし）によって行われる。可視光ＬＥＤ４は、青、緑、赤、黄、昼光色、電球色などの任意の色を発光するＬＥＤを選択することができる。可視光ＬＥＤ４の発光強度（明るさ）は、設置環境に応じて人が視認可能な範囲で任意に設定することができる。例えば、可視光ＬＥＤ４の発光強度（明るさ）は、３０ｃｍの距離で約５０ｌｘとすることができる。

ＬＥＤ回路モジュール６は、実装基板を備えていて、この実装基板には紫外線ＬＥＤ７が実装されている。また、ＬＥＤ回路モジュール６は、紫外線ＬＥＤ７を駆動（発光）させるための回路を含み、ＬＥＤ回路モジュール６内には、内蔵する紫外線ＬＥＤ７の発光をレンズ３まで導くための経路（スペースあるいは光導波路等）が設けられている。ＬＥＤ回路モジュール６は、電源ケーブル５から供給される電力によって動作し、紫外線ＬＥＤ７を駆動（発光）させる。可視光ＬＥＤ４は、同じく電源ケーブル５から供給される電力によって動作する別の駆動回路（図示なし）によって駆動（発光）する。なお、ＬＥＤ回路モジュール６の一部として可視光ＬＥＤ４の駆動機能（回路）を含めるようにしてもよい。

紫外線ＬＥＤ７による紫外線光源１０から出力される紫外線は、ビタミンＤの生成に有効なＵＶＢの波長域の紫外線を動物に照射しつつ、有害なＵＶＣの波長域の紫外線を低減して動物に安定して長く照射することができることが好ましい。

紫外線ＬＥＤ７は、ビタミンＤの生成に有効なＵＶＢ波長域（２８０ｎｍ〜３１５ｎｍ）の紫外線を少なくとも出力し発光可能な紫外線ＬＥＤ（ＵＶＢ−ＬＥＤ）を用いることができる。紫外線ＬＥＤの発光スペクトル（波長範囲）は、その使用する半導体材料の組成と製造方法によって変化する。

したがって、ビタミンＤの生成に有効なＵＶＢの波長域の紫外線を照射し（条件１）、かつ有害なＵＶＣの波長域の紫外線を低減する（条件２）という少なくとも２つの条件を充足する紫外線ＬＥＤ７を実現するためには以下の方法がある。

第一に、市場に流通している紫外線ＬＥＤを評価し、選択する方法である。具体的には、ＵＶＢ波長域（２８０ｎｍ〜３１５ｎｍ）の紫外線を含む発光スペクトルを有する紫外線ＬＥＤについて、評価し上記の条件を充足するものを選択する方法である。

第二に、上記の条件を充足するＵＶＢ波長域（２８０ｎｍ〜３１５ｎｍ）の紫外線を含む発光スペクトルを有する紫外線ＬＥＤを設計仕様として設定し、製造する方法である。
＜紫外線ＬＥＤの評価（第一の方法）＞
図３から図６を参照して、ＵＶＢ波長域の紫外線を含む発光スペクトルを有する紫外線ＬＥＤ（ＵＶＢ−ＬＥＤ）の評価及び選択方法について説明する。

発光スペクトルのピーク波長が異なる８つのタイプのＵＶＢ−ＬＥＤの試料について評価し調べた。試料１はピーク波長が２８０ｎｍ、試料２はピーク波長が２８５ｎｍ、試料３はピーク波長が２９０ｎｍ、試料４はピーク波長が２９５ｎｍ、試料５はピーク波長が３００ｎｍ、試料６はピーク波長が３０５ｎｍ、試料７はピーク波長が３１０ｎｍ、試料８はピーク波長が３１５ｎｍである。
（ビタミンＤ生成の紫外線ＬＥＤ（条件１））

図３及び図４を参照して、ビタミンＤの生成に有効なＵＶＢの波長域の紫外線を照射するＵＶＢ−ＬＥＤを評価する方法について説明する。図３は、ＵＶＢ−ＬＥＤの評価方法を示す説明図である。

図３（ａ）は、代表例として試料６の発光スペクトル（分光放射照度（λ））を示し、図３（ｂ）は、ＣＩＥ（国際照明委員会）によるビタミンＤ生成紫外線の作用曲線を示し、図３（ｃ）は、図３（ａ）に示された発光スペクトルに図３（ｂ）示された作用曲線の波長ごとの作用関数を乗じて、ＵＶＢ波長域の放射照度を積算した結果を示している。なお、図３（ｂ）の作用曲線は、ビタミンＤを生成する効果を示す波長分布となっている。したがって、図３（ｃ）に示す放射照度が大きいほどビタミンＤを生成する効果が良好となる傾向にあることが分かる。

図４は、ピーク波長が異なる試料１から試料８について、上記のように評価し、ＵＶＢ波長域の放射照度を積算して積分量を算出した結果を示している。図４に示すように、ピーク波長が２９５ｎｍの試料４がビタミンＤを生成する効果が高く、試料４を中心として、試料４よりピーク波長が短いもの、及びピーク波長が長いものに従ってビタミンＤを生成する効果が下降している傾向にあることが分かる。したがって、ビタミンＤを生成する所定の効果を確保できる放射照度は、ピーク波長が約２８５ｎｍ〜３１０ｎｍの範囲であると推定できる。この場合、所定の効果を確保できる放射照度を予め基準値として規定しておくことが好ましい。例えば、基準値として１０μＷ／ｃｍ^２以上と規定する。また、基準値は、延いてはピーク波長に対応することになる。

このような評価方法は、ＵＶＢ−ＬＥＤの発光スペクトルにビタミンＤを生成する効果を示す波長分布の作用曲線にかかる作用関数を乗じて、ＵＶＢ波長域の放射照度を積算した結果を得る方法である。なお、放射照度は、ＵＶＢ−ＬＥＤから略３０ｃｍの距離での照度を想定している。

以上のような評価結果から、ＵＶＢ−ＬＥＤの発光スペクトルのピーク波長に基づいて、ビタミンＤを生成する効果が良好なＵＶＢ−ＬＥＤを選択することが可能となる。
（ＵＶＣを低減する紫外線ＬＥＤ（条件２））

図５から図７を参照して、有害なＵＶＣの波長域の紫外線を低減するＵＶＢ−ＬＥＤを評価する方法について説明する。図５は、ＵＶＢ−ＬＥＤの評価方法を示す説明図である。

図５（ａ）は、上記と同様に試料６の発光スペクトル（分光放射照度Ｅ（λ））を示し、図５（ｂ）は、紫外放射障害作用関数Ｓ_ＵＶ（λ）を示し、図５（ｃ）は、図５（ａ）の発光スペクトルに対して波長単位で図５（ｂ）の作用関数の値を乗算して得られる実効放射照度Ｅ_Ｓ（λ）（＝Ｅ（λ）・Ｓ_ＵＶ（λ））のスペクトルである。なお、紫外放射障害作用関数Ｓ_ＵＶ（λ）は、ＪＩＳ Ｃ ７５５０（ＩＥＣ６２４７１）に規定された目及び皮膚に対する紫外放射障害のリスク（安全性）を評価するための実効放射照度Ｅ_Ｓを求める際に使われる作用関数である。

この評価方法は、ビタミンＤの生成に有効なＵＶＢ波長域（２８０ｎｍ〜３１５ｎｍ）を含む紫外線を放射する際に、目や皮膚等に有害なＵＶＣ波長域（２００〜２８０ｎｍ）の紫外線を安全なレベルまで低減できるようにＵＶＢ−ＬＥＤを評価する方法である。

具体的には、ＵＶＢ−ＬＥＤについて、ＵＶＣ波長域（２００ｎｍ〜２８０ｎｍ）の紫外線の放射照度がＪＩＳ Ｃ ７５５０で規定された「ランプ及びランプシステムの光生物学的安全性」の目及び皮膚に対する紫外放射障害の実効放射照度Ｅ_Ｓに関するリスクグループ２の放射照度範囲である３×１０^−３Ｗ／ｍ^２を超え３×１０^−２Ｗ／ｍ^２以下を満たすことを条件に評価し選択する。つまり、前記リスクグループ２の上限の放射照度範囲に準拠して３×１０^−２Ｗ／ｍ^２以下を予め基準値として規定し安全側に評価するものである。また、基準値は、延いてはピーク波長に対応することになる。

図５（ｃ）の実効放射照度Ｅ_Ｓ（λ）のスペクトルでは、ＵＶＢ波長域（２８０ｎｍ〜３１５ｎｍ）の積分量である実効照射照度Ｅ_Ｓは、約３００ｎｍをピークとして全体で比較的大きな照度Ｂを有している。一方、ＵＶＣ波長域（２００ｎｍ〜２８０ｎｍ）の実効照射照度Ｅ_Ｓは、２８０ｎｍをピークとして波長が短くなるにつれて照度が減少していき、全体で小さな照度Ｃしかないことが分かる。すなわち、ＵＶＣ波長域（２００ｎｍ〜２８０ｎｍ）の実効照射照度Ｅ_Ｓは、ＵＶＢ波長域（２８０ｎｍ〜３１５ｎｍ）の実効照射照度Ｅ_Ｓに比べて相対的にかなり低い値となっている。この相対的な照度関係は、主に発光スペクトルのピークをＵＶＢ波長域中の約３０５nmに設定し、図５（ａ）に示すようなスペクトル（半値幅等）を有する紫外線ＬＥＤによって得られている。

図６及び図７を参照して、ピーク波長と放射照度との関係を調べた結果について説明する。図６は、紫外線光源のＵＶＢ波長域（２８０ｎｍ〜３１５ｎｍ）でのピーク波長と放射照度の関係を示す図である。

発光スペクトルのピーク波長の影響を検討するために、ピーク波長が異なる試料１から試料８について、上記のように評価し、ＵＶＢ波長域の放射照度を積算して積分量を算出した結果を示している。ピーク波長が約２８５ｎｍ〜３１０ｎｍの範囲で約７０μＷ／ｃｍ^２〜９２μＷ／ｃｍ^２の放射照度が得られることが分かる。
図７は、紫外線光源のＵＶＣ波長域（２００ｎｍ〜２８０ｎｍ）でのピーク波長と放射照度の関係を示す図である。

図６に示したものと同様に、ピーク波長が異なる試料１から試料８について、評価し、ＵＶＣ波長域の放射照度を積算して積分量を算出した結果を示している。ピーク波長が２８０ｎｍで約０．４（Ｗ／ｍ^２）の放射照度があるのに対して、ピーク波長が約２９５ｎｍ以上では放射照度が３×１０^−２（Ｗ／ｍ^２）より小さくなっている。この３×１０^−２（Ｗ／ｍ^２）より小さい放射照度は、上述したＪＩＳ Ｃ ７５５０の規格中の目及び皮膚に対する紫外放射障害のリスクグループ２の放射照度範囲（３×１０^−３Ｗ／ｍ^２〜３×１０^−２Ｗ／ｍ^２）を満たすものである。

図７のピーク波長と放射照度の関係から、紫外線ＬＥＤの発光スペクトルのピーク波長、言い換えれば紫外線光源の分光放射照度のピーク波長を約２９５ｎｍ以上にすることで、ＵＶＣ波長域（２００ｎｍ〜２８０ｎｍ）での放射照度（Ｗ／ｍ^２）をＪＩＳ Ｃ ７５５０の規格中の目及び皮膚に対する紫外放射障害のリスクグループ２の放射照度範囲に収めることができる。その一方で、図６のＵＶＢ波長域（２８０ｎｍ〜３１５ｎｍ）でのピーク波長と放射照度の関係から、ピーク波長が約３１０ｎｍを超えてくるとＵＶＢ波長域の放射照度（μＷ／ｃｍ^２）が７０μＷ／ｃｍ^２よりも急激に小さくなってしまう。

したがって、紫外線光源としてのＵＶＢ−ＬＥＤの評価、選択基準としては、ＵＶＣ波長域での放射照度をＪＩＳ Ｃ ７５５０の規格中の目及び皮膚に対する紫外放射障害のリスクグループ２の放射照度範囲に収め、同時にＵＶＢ波長域での放射照度を一定量（例えば７０μＷ／ｃｍ^２）以上確保することとして、具体的には紫外線ＬＥＤのピーク波長を約２９５ｎｍ〜約３１０ｎｍの範囲とすることができる。これにより、ビタミンＤの生成に有効なＵＶＢ波長域（２８０ｎｍ〜３１５ｎｍ）の紫外線を多く照射しつつ目及び皮膚に対する紫外放射障害のリスクをより安全側に低く抑制することができる。
（評価結果の考察）

上述の（条件１）の評価方法は、ＵＶＢ−ＬＥＤの発光スペクトルにビタミンＤを生成する効果を示す波長分布の作用曲線にかかる作用関数を乗じて、ＵＶＢ波長域の放射照度を積算した結果を得る方法である（第１のステップ）。

このような評価方法を適用することにより、ＵＶＢ−ＬＥＤの発光スペクトルのピーク波長に基づいて、ビタミンＤを生成する効果が良好なＵＶＢ−ＬＥＤを選択することができる。

上述の（条件２）の評価方法は、ＵＶＢ−ＬＥＤの発光スペクトルにＪＩＳ Ｃ ７５５０で規定された紫外放射障害作用関数Ｓ_ＵＶ（λ）を乗じて、実効放射照度Ｅ_Ｓ（λ）を求め、さらに、この実効放射照度Ｅ_Ｓ（λ）の領域内におけるＵＶＣ波長域の積分量である実効放射照度Ｅ_Ｓを算出する方法である（第２のステップ）。

このような評価方法を適用することにより、有害なＵＶＣの波長域の紫外線を低減して、紫外放射障害のリスクを抑制することができるＵＶＢ−ＬＥＤを選択することが可能となる。

したがって、第１のステップ及び第２のステップの双方の評価方法を適用することにより、ビタミンＤの生成に有効なＵＶＢの波長域の紫外線を照射し、かつ有害なＵＶＣの波長域の紫外線を低減する効果が期待できるＵＶＢ−ＬＥＤを選択することが可能となる。

第１のステップの評価方法では、予め定められた基準値に基づいて、ピーク波長が約２８５ｎｍ〜３１０ｎｍの範囲のＵＶＢ−ＬＥＤが選択され、第２のステップの評価方法では、予め定められた基準値に基づいて、ピーク波長が約２９５ｎｍ以上のＵＶＢ−ＬＥＤが選択されるようになる。したがって、これらピーク波長が重複する範囲にピーク波長を有するＵＶＢ−ＬＥＤが適切な紫外線ＬＥＤとなる。具体的には、ピーク波長が２９５ｎｍ〜３１０ｎｍの範囲のＵＶＢ−ＬＥＤを選択することが好適となる。
なお、紫外放射障害のリスクを抑制することを重視する場合には、第２のステップの評価方法のみを適用して紫外線ＬＥＤを選択するようにしてもよい。

また、第１のステップ及び第２のステップの双方の評価方法を適用して選択された紫外線ＬＥＤを、実装基板に実装して紫外線照射部を構成し、紫外線光源を製造することができる。
さらにまた、第１のステップ及び第２のステップの評価方法において、紫外線光源に例えば、光学部材を設ける場合には、紫外線ＬＥＤの出力側に介在された光学部材から照射される紫外線の放射照度を評価の対象とすることができる。
＜紫外線ＬＥＤの設計仕様の設定（第二の方法）＞

上記の評価結果に基づいて、ＵＶＢ波長域（２８０ｎｍ〜３１５ｎｍ）の紫外線を含む発光スペクトルを有する紫外線ＬＥＤを設計仕様として設定し、製造することができる。

具体的には、紫外線光源は、ＵＶＢ波長域（２８０ｎｍ〜３１５ｎｍ）の紫外線を出力可能な紫外線ＬＥＤを備えていて、前記紫外線ＬＥＤからの紫外線の出力側に光学部材が介在されている。前記紫外線光源（光学部材）から略３０ｃｍの距離でのＵＶＣ波長域（２００ｎｍ〜２８０ｎｍ）の紫外線の放射照度がＪＩＳ Ｃ ７５５０で規定された「ランプ及びランプシステムの光生物学的安全性」の目及び皮膚に対する紫外放射障害のリスクグループ２の放射照度範囲である３×１０^−３Ｗ／ｍ^２を超え３×１０^−２Ｗ／ｍ^２以下を満たしている構成を設計仕様として設定し製造する。

なお、紫外線光源を製造するにあたり、品質の信頼性を確保するために製造物について、上述の第１のステップ及び第２のステップの評価方法を適用して品質管理を行ってもよい。

ただし、紫外線ＬＥＤの発光スペクトルのピーク波長の調整／選択だけでは、ＵＶＣ波長域（２８０ｎｍ以下）の紫外線を十分にカットできない可能性がある。したがって、上述した使用するレンズ３、光学ガラス板、あるいは光学フィルタ（波長選択フィルタ）等の光学部材において、紫外線透過特性、すなわち２８０ｎｍ以下の紫外線の透過率が低いかほとんどゼロに近いものを選択して、ＵＶＣ波長域（２８０ｎｍ以下）の紫外線をより低減しほとんどゼロにすることもできる。同様に、ＵＶＡ波長域（３１５ｎｍ〜４００ｎｍ）を含む紫外線についてもレンズ３、光学ガラス板、あるいは光学フィルタ（波長選択フィルタ）との相乗効果により、その必要性に応じて紫外線の低減効果を高めることができる。

図８は、本発明の一実施形態の紫外線光源の配光特性を示す図である。図３では、紫外線光源１０のレンズ３から出る紫外線がどの方向に照射されるかを示す照射範囲（光度分布））を太線Ｓで示している。この配光特性は、紫外線ＬＥＤ７自身が有する配光特性とレンズ３が有する配光特性によって決められる。本発明では、所定のサイズ（全長）を有する動物の所定表面に紫外線を当てることが前提になっているので、図８で例示する光度分布を少なくとも満たし、この分布範囲よりも狭くなり過ぎない必要がある。

図９は、本発明の一実施形態の紫外線光源の分光放射照度（μＷ／ｃｍ^２）を示す図である。図９では、比較のために、従来の水銀灯を用いた紫外線光源（レプティサン（登録商標）１０．０ＵＶＢ）の光源からの距離３０ｃｍでの分光放射照度のスペクトルＤも示している。図９の本発明の一実施形態の分光放射照度（μＷ／ｃｍ^２）は、紫外線光源１０のレンズ３から出る紫外線において、レンズ３からの距離に応じて各波長での放射照度がどう変化するかを示したものである。３つのスペクトルＡ、Ｂ、Ｃは、順番にレンズ３からの距離が２０ｃｍ、３０ｃｍ、５０ｃｍでの分光放射照度を示している。各スペクトルはいずれも約３１０ｎｍにピーク照度を有し、約２８０ｎｍ〜３４０ｎｍの波長範囲で照度を有する。

レンズ３からの距離が遠くなるにつれて分光放射照度（μＷ／ｃｍ^２）が低下している。例えば、距離２０ｃｍでのピーク照度約１１μＷ／ｃｍ^２は、３０ｃｍで約５μＷ／ｃｍ^２（約４５％）、５０ｃｍで約２μＷ／ｃｍ^２（約１９％）まで低下する。一方、従来の水銀灯を用いた紫外線光源（レプティサン（登録商標）１０．０ＵＶＢ）の分光放射照度のスペクトルＤでは、約２９０ｎｍ〜３９０ｎｍの波長範囲においてせいぜい１μＷ／ｃｍ^２程度の低い分光放射照度しか得られていない。この値は、同じ距離（３０ｃｍ）での本発明の一実施形態の紫外線光源の分光放射照度５μＷ／ｃｍ^２の約１／５しかない。

図１０と図１１は、本発明の他の一実施形態の紫外線光源の外観を示す図である。図１０の紫外線光源２０は、直方体の筐体１１内に２つの紫外線ＬＥＤを含み、これらに対応した２つのレンズ１３、１４と、２つの可視光ＬＥＤ１５、１６が筐体１１の前面に配置されている。紫外線ＬＥＤ、レンズ、及び１５、１６を２個ずつ含む事を除いて他の構成は図１及び図２に示した紫外線光源１０の場合と基本的に同様である。なお、可視光ＬＥＤは１つでもよい。

図１１の紫外線光源３０は、直方体の筐体１７内に３つの紫外線ＬＥＤを含み、これらに対応した３つのレンズ２１、２２、２３と、３つの可視光ＬＥＤ２４、２５、２６が筐体１７の前面に配置されている。紫外線ＬＥＤ、レンズ、及び１５、１６を３個ずつ含む事を除いて、他の構成は図１及び図２に示した紫外線光源１０の場合と基本的に同様である。なお、可視光ＬＥＤは１つまたは２つでもよい。紫外線光源で使用する紫外線ＬＥＤの数は、照射対象となる動物の大きさ、飼育箱のサイズ等に応じて要求される紫外線の放射照度、放射範囲等が変化するので、その要求仕様に対応して決める必要がある。したがって、使用する紫外線ＬＥＤの数は、例示した１〜３に限定されず、少なくとも１つ以上の任意の数（４以上も含む）を選択することができる。

図１２は、本発明の一実施形態の紫外線光源の紫外線の照射範囲と放射照度を示す図である。図１２では、図１１に示した外観を有する紫外線ＬＥＤを３つ含む紫外線光源３０を用いている。紫外線光源３０からの距離が１５、３０、４５、６０ｃｍと長くなるにつれて、照射範囲（径）は、１０、３０、４５、６０ｃｍと広がる一方、放射照度は１００、６０、３０、２０μＷ／ｃｍ^２と小さくなる。図１２の照射範囲と放射照度を参考にして、照射対象となる動物位置での照度を想定し、紫外線光源３０の設置位置、例えば飼育箱内での設置高さを決めることができる。例えば、図１１の紫外線光源３０の設置位置を対象動物から約３０ｃｍとした場合、ＵＶＢ波長域（２８０ｎｍ〜３１５ｎｍ）の紫外線は、約５０μＷ／ｃｍ^２〜７０μＷ／ｃｍ^２（０．５Ｗ／ｍ^２〜０．７Ｗ／ｍ^２）放射照度を得ることができる。

図１２の放射照度は紫外線ＬＥＤを３つ含む紫外線光源３０を用いた場合の例であって、紫外線ＬＥＤが１つまたは２つの場合の各距離での放射照度は約１／３または２／３になると見積もることができる。屋外で太陽光から自然に浴びる紫外線量は、約１４μＷ／ｃｍ^２程度であると報告されているので（例えば、２０１２年６月１６日のＤｅ Ｂｉｌｔ（オランダ）での観測値）、本発明の紫外線光源の放射照度をその値を含む例えば、１０μＷ／ｃｍ^２〜２０μＷ／ｃｍ^２（０．１Ｗ／ｍ^２〜０．２Ｗ／ｍ^２）とすることができる。それにより、動物に対して太陽光から自然に得られるいわば優しい放射照度の紫外線を与えることができる。

なお、太陽光から自然に浴びる紫外線量は、時間によって変化する。したがって、紫外線光源３０からの放射照度を太陽光に疑似させて、時間によって自動的又は手動で可変できるように可変機能部を構成するのが好ましい。

図１３は、本発明の一実施形態の紫外線光源と従来の水銀灯を用いた製品の消費電力等を示す図である。本発明の一実施形態の紫外線光源では、消費電力は１５Ｗと従来製品Ａ〜Ｃの約９％〜１８％であり、他の年間電気代等も同様に従来製品のＡ〜Ｃの約９％〜１８％となることがわかる。したがって、本発明の一実施形態の紫外線光源は、従来製品に対して大幅に低コストでかつ長期間安定して使用することができる。

図１４は、本発明の一実施形態の紫外線光源の使用例を示す図である。飼育箱３２の中の上方に紫外線光源４０が取り付けられており、爬虫類３３に対して紫外線を照射している。図１４では表示できていないが、実際には紫外線光源４０からの紫外線の照射と共に可視光ＬＥＤから青色光が出ており、紫外線照射中であることが視認できている。

本発明の実施形態について図１から図１４を参照しながら説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。

１、１１、１７ 筐体
２、１２、１８ 開口（空気穴）
３、１３、１４、２１、２２、２３ レンズ（光学部材）
４、１５、１６、２４、２５、２６ 可視光ＬＥＤ
５ 電源ケーブル
６ ＬＥＤ回路モジュール（紫外線照射部）
７ 紫外線ＬＥＤ
８ ヒートシンク
９ 空冷ファン
１０、２０、３０、４０ 紫外線光源
３２ 飼育箱
３３ 爬虫類

Claims (11)

1. 動物の体内でビタミンＤを生成するために有効な紫外線を照射可能な紫外線光源であって、
   少なくともＵＶＢ波長域（２８０ｎｍ〜３１５ｎｍ）の紫外線を出力可能な紫外線ＬＥＤを含み、
   前記紫外線光源から略３０ｃｍの距離でのＵＶＣ波長域（２００ｎｍ〜２８０ｎｍ）の紫外線の放射照度は、ＪＩＳ Ｃ ７５５０で規定された「ランプ及びランプシステムの光生物学的安全性」の目及び皮膚に対する紫外放射障害のリスクグループ２の放射照度範囲である３×１０^−３Ｗ／ｍ^２を超え３×１０^−２Ｗ／ｍ^２以下を満たしていることを特徴とする紫外線光源。
2. 前記紫外線光源から出力する紫外線のスペクトルのピークは、２９５ｎｍ〜３１０ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の紫外線光源。
3. 前記紫外線光源から略３０ｃｍの距離でのＵＶＢ波長域（２８０ｎｍ〜３１５ｎｍ）の紫外線の放射照度は、０．５Ｗ／ｍ^２〜０．７Ｗ／ｍ^２の範囲にあることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の紫外線光源。
4. 前記動物の位置での紫外線の放射照度は、０．１Ｗ／ｍ^２〜０．２Ｗ／ｍ^２の範囲にあることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の紫外線光源。
5. 前記紫外線ＬＥＤにおける紫外線の出力側には光学部材が介在されていて、この光学部材により紫外線の出力を調整して、前記ＵＶＣ波長域の紫外線を低減することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の紫外線光源。
6. 前記紫外線の照射照度は、時間によって可変できるように構成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の紫外線光源。
7. 前記紫外線が出力されていることを視認させるために、前記紫外線ＬＥＤの点灯中に点灯可能な可視光ＬＥＤをさらに含む、ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の紫外線光源。
8. 前記動物は爬虫類を含む、ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の紫外線光源。
9. 少なくともＵＶＢ波長域（２８０ｎｍ〜３１５ｎｍ）の紫外線を出力可能な紫外線ＬＥＤを含む紫外線光源の評価方法であって、
   前記紫外線光源から出力される紫外線の発光スペクトルにビタミンＤを生成する効果を示す作用関数を乗じて、ＵＶＢ波長域の放射照度を積算した結果を得る第１のステップと、
   前記紫外線光源から出力される紫外線の発光スペクトルにＪＩＳ Ｃ ７５５０で規定された紫外放射障害作用関数Ｓ_ＵＶ（λ）を乗じて、実効放射照度Ｅ_Ｓ（λ）を求め、さらに、この実効放射照度Ｅ_Ｓ（λ）の領域内におけるＵＶＣ波長域の実効放射照度Ｅ_Ｓを算出する第２のステップと、
   を備えることを特徴とする紫外線光源の評価方法。
10. 少なくともＵＶＢ波長域（２８０ｎｍ〜３１５ｎｍ）の紫外線を出力可能な紫外線ＬＥＤの選択方法であって、
    前記紫外線ＬＥＤから出力される紫外線の発光スペクトルにビタミンＤを生成する効果を示す作用関数を乗じて、ＵＶＢ波長域の放射照度を積算した結果を得る第１のステップと、
    前記紫外線ＬＥＤから出力される紫外線の発光スペクトルにＪＩＳ Ｃ ７５５０で規定された紫外放射障害作用関数Ｓ_ＵＶ（λ）を乗じて、実効放射照度Ｅ_Ｓ（λ）を求め、さらに、この実効放射照度Ｅ_Ｓ（λ）の領域内におけるＵＶＣ波長域の実効放射照度Ｅ_Ｓを算出する第２のステップと、を有し、前記第１のステップ及び第２のステップにおいて、予め基準値が定められており、
    さらに、前記基準値に基づいて紫外線ＬＥＤを選択するステップを有していることを特徴とする紫外線ＬＥＤの選択方法。
11. 少なくともＵＶＢ波長域（２８０ｎｍ〜３１５ｎｍ）の紫外線を出力可能な紫外線ＬＥＤを含む紫外線光源の製造方法であって、
    前記紫外線ＬＥＤから出力される紫外線の発光スペクトルにビタミンＤを生成する効果を示す作用関数を乗じて、ＵＶＢ波長域の放射照度を積算した結果を得る第１のステップと、
    前記紫外線ＬＥＤから出力される紫外線の発光スペクトルにＪＩＳ Ｃ ７５５０で規定された紫外放射障害作用関数Ｓ_ＵＶ（λ）を乗じて、実効放射照度Ｅ_Ｓ（λ）を求め、さらに、この実効放射照度Ｅ_Ｓ（λ）の領域内におけるＵＶＣ波長域の実効放射照度Ｅ_Ｓを算出する第２のステップと、を有し、前記第１のステップ及び第２のステップにおいて、予め基準値が定められており、
    さらに、前記基準値に基づいて紫外線ＬＥＤを選択するステップと、
    前記紫外線ＬＥＤを選択するステップにおいて選択された紫外線ＬＥＤを、実装基板に実装して紫外線照射部を構成するステップと、
    を有していることを特徴とする紫外線光源の製造方法。

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