WO2022024303A1

WO2022024303A1 - 紫外光照射システム及び制御方法

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Publication number: WO2022024303A1
Application number: PCT/JP2020/029267
Authority: WO
Inventors: 敦子河北; 友宏谷口; 一貴原; 和秀中島; 隆松井; 悠途寒河江; 千里深井
Original assignee: 日本電信電話株式会社
Priority date: 2020-07-30
Filing date: 2020-07-30
Publication date: 2022-02-03
Also published as: WO2022024406A1; JPWO2022024406A1

Abstract

本発明は、簡素な構造でありながら広範囲を除染でき、且つ経済的な紫外光照射システム及び制御方法を提供することを目的とする。　本発明に係る紫外光照射システム３０１は、紫外光を発生させる一つの紫外光源部１１と、前記紫外光をＮ分岐（Ｎは２以上の整数）する分配機能部１２と、前記紫外光を所望箇所ｓｔｅ１に照射するＮ個の照射部１３と、前記分配機能部から前記照射部へ前記紫外光を伝搬する光ファイバ１４と、を備えており、であって、少なくとも１本の光ファイバ１４は、前記紫外光の一部を側面から漏洩させる側面発光光ファイバ１４ａであることを特徴とする。

Description

紫外光照射システム及び制御方法

　本開示は、紫外光を用いて殺菌やウィルスの不活性化を行う紫外光照射システム及びその制御方法に関する。

　感染症予防などの目的から、紫外光を用いた殺菌やウィルスの不活性化を行うシステムの需要が高まっている。当該システムには、大きく３つのカテゴリの製品がある。なお、本明細書では、「殺菌等」あるいは「除染」と記載する場合、殺菌とウィルスの不活性化を意味するものとする。
（１）移動型殺菌ロボット
　非特許文献１の製品は、紫外光を照射する自律移動型のロボットである。当該ロボットは、病室などの建物内の部屋の中を移動しながら紫外光を照射することで、人手を介さず、自動で広い範囲の殺菌等を実現できる。
（２）据え置き型空気清浄機
　非特許文献２の製品は、天井や室内の所定の場所に設置され、室内の空気を循環しながら殺菌等する装置である。当該装置は、直接紫外光を照射せず、人体への影響がないため、安全性の高い殺菌等が可能である。
（３）ポータブル型殺菌装置
　非特許文献３の製品は、紫外光源を搭載したポータブル型の装置である。ユーザが当該装置を所望のエリアに持って行って紫外光を照射できる。このため、当該装置は様々な場所で使用可能である。

カンタム・ウシカタ株式会社ウェブサイト（ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｋａｎｔｕｍ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｒｏｄｕｃｔ／ｓａｋｋｉｎ＿ｒｏｂｏｔ／ｓａｋｋｉｎｎ＿ｒｏｂｏｔ／ＵＶＤ＿ｒｏｂｏｔ）、２０２０年６月２２日検索岩崎電気株式会社ウェブサイト（ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｉｗａｓａｋｉ．ｃｏ．ｊｐ／ｏｐｔｉｃｓ／ｓｔｅｒｉｌｉｚａｔｉｏｎ／ａｉｒ／ａｉｒ０３．ｈｔｍｌ）、２０２０年６月２２日検索フナコシ株式会社ウェブサイト（ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｆｕｎａｋｏｓｈｉ．ｃｏ．ｊｐ／ｃｏｎｔｅｎｔｓ／６８１８２）、２０２０年６月２２日検索

　しかし、非特許文献に記載される装置には次のような課題がある。
（Ａ）経済性
　殺菌ロボットは、紫外光を照射する自律移動型のロボットであり、病室などの建物内において、部屋の中を移動しながら紫外光を照射することで、人手を介さず自動で広い範囲の殺菌を実現できる。しかし、殺菌ロボットには、高出力の紫外光を照射するため、装置が大掛かりなもので高価になってしまい、経済的なシステムの実現が困難という課題がある。
（Ｂ）汎用性
　据え置き型空気清浄機は、天井や室内の所定の場所に設置し、室内の空気を循環させながら殺菌する装置であり、直接紫外光を照射せず、人体への影響がないため、安全性の高い殺菌が可能である。しかし、据え置き型空気清浄機は、循環させた室内の空気を殺菌する方法のため、殺菌したい場所に直接紫外光を照射することができない。このように、据え置き型空気清浄機には、任意の場所に紫外光を照射することが困難という課題がある。
（Ｃ）操作性
　ポータブル殺菌器は、紫外光源を搭載したポータブル型の装置であり、ユーザが、殺菌対象のエリアに持って行って照射することで、様々な場所で使用可能である。しかし、ユーザが必ずしもスキルや知識を持ち合わせていないため、使用方法によっては、人体に影響が出るリスクがある他、対象箇所で十分な殺菌効果が得られるように操作したか分からないという可能性がある。このように、ポータブル殺菌器には、ユーザにスキルや知識を要求しており、容易に操作性することが困難という課題がある。

　このような課題に対して、光通信システムのアーキテクチャーでよく用いられるセンタ側に紫外光源を搭載し、ファイバ伝送によりリモート側に紫外光を供給するシステム（リモート供給方式）が考えられる。このリモート供給方式の紫外光照射システムは、単一の光源を複数の照射部でシェアすることによる経済性の向上、ファイバ先端（照射部）から出力される紫外光をピンポイントで除染したい場所へ照射することにより汎用性の向上、且つ、センタ側で光源の出力制御を行うことで信頼性と安全性を考慮できるため操作性の向上が期待できる。

　しかしながら、上記の紫外光照射システムでは、除染対象箇所（エリア）はファイバ先端の照射部に限定される。一般的に除染対象（ウイルスや菌）は広範囲であり、除染対象の範囲全体を除染するためには、紫外光照射システムの照射部を移動させて除染する必要がある。照射部の移動にはそのための機構が必要であり、システムの複雑化やコストが増加する。このため、上記の紫外光照射システムには、構造の簡素化と経済的な実現が困難という課題がある。

　そこで、本発明は、前記課題を解決するために、簡素な構造でありながら広範囲を除染でき、且つ経済的な紫外光照射システム及び制御方法を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するために、本発明に係る紫外光照射システムは、センタ側に紫外光源を搭載し、光ファイバ伝送によりリモート側に紫外光を供給する構成であり、側面発光光ファイバを用いて、センタ側とリモート側との間からも紫外光を発光させ、除染対象の面積を増やすこととした。

　具体的には、本発明に係る紫外光照射システムは、
　紫外光を発生させる一つの紫外光源部と、
　前記紫外光をＮ分岐（Ｎは２以上の整数）する分配機能部と、
　前記紫外光を所望箇所に照射するＮ個の照射部と、
　前記分配機能部から前記照射部へ前記紫外光を伝搬する光ファイバと、
を備えており、であって、
　少なくとも１本の前記光ファイバは、前記紫外光の一部を側面から漏洩させる側面発光光ファイバであることを特徴とする。

　本紫外光照射システムは、リモート供給方式であり、経済性、汎用性、及び操作性の課題を解決しており、さらに、側面発光光ファイバで光ファイバ長手方向に紫外光照射面積を増やすことで除染対象の面積を増やすことができる。従って、本発明は、簡素な構造でありながら広範囲を除染でき、且つ経済的な紫外光照射システムを提供することができる。

　また、本発明に係る紫外光照射システムは、情報に基づいて前記側面発光光ファイバが長手方向にわたって漏洩する前記紫外光の総漏洩光量を推定し、前記分配機能部に対し、前記総漏洩光量が所望値となるように前記紫外光の分配率を調整する集中制御部をさらに備えることを特徴とする。

　また、本発明に係る制御方法は、前記紫外光照射システムの制御方法であって、
　情報に基づいて前記側面発光光ファイバが長手方向にわたって漏洩する前記紫外光の総漏洩光量を推定し、前記分配機能部に対し、前記総漏洩光量が所望値となるように前記紫外光の分配率を調整することを特徴とする。

　例えば、本発明に係る紫外光照射システムは、前記側面発光光ファイバの経路に沿って設置され、設置場所において前記側面発光光ファイバが漏洩する前記紫外光の部分光量を検出し、前記情報として前記部分光量を前記集中制御部へ通知する複数の検出部をさらに備えることを特徴とする。

　また、本発明に係る紫外光照射システムは、前記側面発光光ファイバを含む前記光ファイバの前記分配機能部側と前記照射部側に設置され、設置場所において前記光ファイバを伝搬する前記紫外光の伝搬光量を検出し、前記情報として前記伝搬光量を前記集中制御部へ通知する２つの検出部をさらに備えることを特徴とする。

　本構成により集中制御部は、センタ側とリモート側との間で漏洩する紫外光の光量を調整できるため、確実な除染や安全性（人が存在するときには紫外光を低減する等）を担保できる。

　また、本発明に係る紫外光照射システムの前記紫外光源は、波長変換素子を有しており、入力された前記紫外光以外の光を前記波長変換素子で波長変換し、前記紫外光を発生させることを特徴とする。

　紫外光の波長に比べて、赤外光はファイバ伝送損失が小さいため、光源から離れた場所での除染が可能になる。

　なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。

　本発明は、簡素な構造でありながら広範囲を除染でき、且つ経済的な紫外光照射システム及び制御方法を提供することができる。

本発明に係る紫外光照射システムを説明する図である。側面発光光ファイバを説明する図である。本発明に係る紫外光照射システムを説明する図である。本発明に係る紫外光照射システムを説明する図である。

　添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施形態１）
　図１は、本実施形態の紫外光照射システム３０１を説明する図である。紫外光照射システム３０１は、
　紫外光を発生させる一つの紫外光源部１１と、
　前記紫外光をＮ分岐（Ｎは２以上の整数）する分配機能部１２と、
　前記紫外光を所望箇所ｓｔｅ１に照射するＮ個の照射部１３と、
　前記分配機能部から前記照射部へ前記紫外光を伝搬する光ファイバ１４と、
を備えており、
　少なくとも１本の光ファイバ１４は、前記紫外光の一部を側面から漏洩させる側面発光光ファイバ１４ａであることを特徴とする。

　紫外光源部１１は、殺菌に有効である紫外領域の光を出力する。紫外光源部１１は、出力、波長、波形（パルスなど）についてのパラメータを持ち、パラメータに応じた出力、波長、波形の紫外光を出力する。例えば、紫外光源部１１は、波長が２００～４００ｎｍの紫外波長領域の光波を出射する。特に、光波が波長２２２ｎｍであれば人体への影響が十分小さいことが知られており好ましい。例えば、紫外光源部１１は、半導体レーザ、ファイバレーザ、又はエキシマレーザである。

　分配機能部１２は、紫外光源部１１からの紫外光を、複数の照射部１３に分配する。分配機能部１２は、分配率や伝送可否についてのパラメータを持ち、パラメータに応じて各照射部１３への紫外光の分配や伝送のオン／オフを行う。分配機能部１２は、例えば、ファイバ型や空間型の光スイッチである。

　照射部１３（１３ａ～１３ｄ）は、光ファイバ１４で伝送された紫外光を、殺菌等を行う所定の対象箇所（所望箇所ｓｔｅ１）に照射する。照射部１３は、紫外光の波長に対して設計されたレンズなどの光学系で構成されている。

　光ファイバ１４は、分配機能部１２で分配された紫外光をそれぞれの照射部１３まで伝搬する。光ファイバなので従来技術のロボットや装置が入り込めない細かい場所などにも敷設することができる。ここで、光ファイバ１４を側面発光光ファイバ１４ａに置換することが好ましい。側面発光光ファイバ１４ａは、伝搬する紫外光を漏洩させるので、その周囲にも除染エリアｓｔｅ２を形成する。このため、紫外光照射システム３０１は、所望箇所ｓｔｅ１以外に、分配機能部１２と照射部１３との間も除染が可能であり、除染領域を拡大することができる。ここで、分配機能部１２と照射部１３ｂとの接続のように、側面発光光ファイバ１４ａを除染対象箇所の形状に合わせて敷設することが好ましい。例えば、側面発光光ファイバ１４ａは柔軟性があるので、殺菌対象箇所が複雑な形状でもその形に合わせて敷設できる。

　なお、分配機能部１２と照射部１３ｃとの接続のように、光ファイバ１４の一部を側面発光光ファイバ１４ａとしてもよい。分配機能部１２と照射部１３との間の除染エリアｓｔｅ２が一部の区間だけであれば、当該区間だけ側面発光光ファイバ１４ａとする。また、一部の分配機能部１２と照射部１３との間を従前の光ファイバ１４で接続してもよい（例えば、図１の分配機能部１２と照射部１３ｄとの間）。除染対象エリア以外で紫外光の照射をなくし、安全性を高め、さらに分配による紫外線強度の減衰を低減することができる。

　また、紫外光源１１と分配機能部１２との間も側面発光光ファイバ１４ａで接続すれば、より除染エリアを拡大することができる。

　ここで、図２を用いて側面発光光ファイバ１４ａの例を説明する。図２（ａ）と図２（ｂ）の側面発光光ファイバ１４ａは、ファイバ内部の散乱体３０で紫外光ＵＶ１の一部を散乱させ、それをファイバの側面から漏洩させる。特に、図２（ｂ）は、散乱体３０をファイバ内部に偏在させた例である。このように散乱体３０を偏在させることで、コア内に非同心円状の高屈折率領域３１が形成される。高屈折率領域３１により紫外光ＵＶ１は側面発光光ファイバ１４ａの一方向へ集中的に漏洩する。ＵＶ１が漏洩する方向に除染対象があるように側面発光光ファイバ１４ａを配置することで、効率的に除染を行うことができる。

　図２（ｃ）の側面発光光ファイバ１４ａは、光ファイバを曲げることで紫外光ＵＶ１を漏洩させる。例えば、光ファイバをらせん状に曲げると当該部分で連続して紫外光ＵＶ１を漏洩させることができる。

　図２（ｄ）の側面発光光ファイバ１４ａは、コア内に形成されたグレーティング３２で紫外光ＵＶ１を漏洩させる。光ファイバの長手方向のうち、紫外光ＵＶ１を漏洩させたい区間だけグレーティング３２を形成すれば、図１の分岐機能部１２と照射部１３ｃとを接続する光ファイバに使用できる。

　図２（ｅ）と図２（ｆ）の側面発光光ファイバ１４ａは、エバネッセント光３３により紫外光ＵＶ１を漏洩させる。例えば、図２（ｆ）のように光ファイバをクラッドより高屈折率の被覆材３４で覆うことで紫外光ＵＶ１を漏洩させることができる。

　側面発光光ファイバ１４ａが側面から発光する原理は図２の６パターンのいずれでもよい。ただし、側面発光光ファイバ１４ａは、この６パターンに限らない。

（実施形態２）
　図３は、本実施形態の紫外光照射システム３０２を説明する図である。紫外光照射システム３０２は、実施形態１の紫外光照射システム３０１に対し、集中制御部１５が情報に基づいて側面発光光ファイバ１４ａが長手方向にわたって漏洩する前記紫外光の総漏洩光量を推定し、分配機能部１２に対し、前記総漏洩光量が所望値となるように前記紫外光の分配率を調整することが相違する。

　集中制御部１５が分配機能部１２に対して行う調整手法は次の２通りが例示される。
（例１）複数の検出部を側面発光光ファイバに沿って配置する。
　紫外光照射システム３０２は、側面発光光ファイバ１４ａの経路に沿って設置され、設置場所において側面発光光ファイバ１４ａが漏洩する前記紫外光の部分光量を検出し、前記情報として前記部分光量を集中制御部１５へ通知する複数の検出部１６をさらに備える。

　それぞれの検出部１６は、接地された場所で側面発光光ファイバ１４ａから漏洩する紫外光の光量（部分光量）を測定する。そして、検出部１６は、無線通信または有線通信を利用して集中制御部１５へその測定結果を通知する。集中制御部１５は、それぞれの検出部１６の測定結果を積分し、その積分値から除染エリアｓｔｅ２での紫外光強度を推定する。そして、集中制御部１５は、除染エリアｓｔｅ２での紫外光強度が所望の値となるように分配機能部１２での分配率を調節する。

（例２）紫外光の入射端と出射端に検出部を設置する。
　紫外光照射システム３０２は、側面発光光ファイバ１４ａを含む光ファイバ１４の分配機能部１２側と照射部１３側に設置され、設置場所において光ファイバ１４を伝搬する前記紫外光の伝搬光量を検出し、前記情報として前記伝搬光量を集中制御部１５へ通知する２つの検出部１６をさらに備える。

　一方の検出部１６は、分配機能部１２で分配された直後の紫外光の光量を測定する。他の検出部１６は、光ファイバ１４（あるいは側面発光光ファイバ１４ａ）を伝搬し、照射部１３に入射する紫外光の光量を測定する。それぞれの検出部１６は、無線通信または有線通信を利用して集中制御部１５へその測定結果を通知する。集中制御部１５は、それぞれの検出部１６の測定結果の差分から除染エリアｓｔｅ２での紫外光強度を推定する。そして、集中制御部１５は、除染エリアｓｔｅ２での紫外光強度が所望の値となるように分配機能部１２での分配率を調節する。

　紫外光照射システム３０２は、検出部１６からの情報により、除染エリアｓｔｅ２で漏洩する紫外光の光量を調整できるため、確実な除染や安全性（人が存在するときには紫外光を低減する等）を担保できる。

（実施形態３）
　図４は、本実施形態の紫外光照射システム３０３を説明する図である。紫外光照射システム３０３は、実施形態１の紫外光照射システム３０１に対し、紫外光源１１が、波長変換素子１１ｂを有しており、入力された前記紫外光以外の光を波長変換素子１１ｂで波長変換し、前記紫外光を発生させることを特徴とする。

　本実施形態の紫外光源１１は、紫外光以外の光を出力する光源１１ａとその光の波長を紫外光の波長へ変換する波長変換素子１１ｂとを備える。光源１１ａは、例えば、赤外光を出力する。波長変換素子１１ｂは、例えば、非線形光学結晶を利用し、赤外光の高次高調波ないし和周波から紫外光を発生させる。非線形光学結晶は、ＬＢＯ（三ホウ酸リチウム）、ＢＢＯ（β－ＢａＢ_２Ｏ_４）、あるいはＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）である。光源１１ａが出力する光の波長によっては、複数の非線形光学結晶を組み合わせることができる。

　紫外光に比べて赤外光は光ファイバでの伝送損失が小さい。このため、光源１１ａと波長変換素子１１ｂとを離すことができる。つまり、紫外光照射システム３０３は、光源を所望箇所ｓｔｅ１や除染エリアｓｔｅ２から離れた場所に設置でき、システムの管理を容易化することができる。

１１：紫外光源部
１１ａ：光源
１１ｂ：波長変換素子
１２：分配機能部
１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ：照射部
１４：光ファイバ
１４ａ：側面発光光ファイバ
１５：集中制御部
１６：検出部
３０：散乱体
３１：高屈折率領域
３２：グレーティング
３３：エバネッセント光
３４：被覆材
３０１～３０３：紫外光照射システム
ｓｔｅ１：所望箇所（紫外光を照射しようとする領域）
ｓｔｅ２：除染エリア

Claims

　紫外光を発生させる一つの紫外光源部と、
　前記紫外光をＮ分岐（Ｎは２以上の整数）する分配機能部と、
　前記紫外光を所望箇所に照射するＮ個の照射部と、
　前記分配機能部から前記照射部へ前記紫外光を伝搬する光ファイバと、
を備えており、
　少なくとも１本の前記光ファイバは、前記紫外光の一部を側面から漏洩させる側面発光光ファイバであることを特徴とする紫外光照射システム。
　情報に基づいて前記側面発光光ファイバが長手方向にわたって漏洩する前記紫外光の総漏洩光量を推定し、前記分配機能部に対し、前記総漏洩光量が所望値となるように前記紫外光の分配率を調整する集中制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の紫外光照射システム。
　前記側面発光光ファイバの経路に沿って設置され、設置場所において前記側面発光光ファイバが漏洩する前記紫外光の部分光量を検出し、前記情報として前記部分光量を前記集中制御部へ通知する複数の検出部をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の紫外光照射システム。
　前記側面発光光ファイバを含む前記光ファイバの前記分配機能部側と前記照射部側に設置され、設置場所において前記光ファイバを伝搬する前記紫外光の伝搬光量を検出し、前記情報として前記伝搬光量を前記集中制御部へ通知する２つの検出部をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の紫外光照射システム。
　前記紫外光源部は、波長変換素子を有しており、入力された前記紫外光以外の光を前記波長変換素子で波長変換し、前記紫外光を発生させることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の紫外光照射システム。
　紫外光を発生させる一つの紫外光源部と、
　前記紫外光をＮ分岐（Ｎは２以上の整数）する分配機能部と、
　前記紫外光を所望箇所に照射するＮ個の照射部と、を備え、
　前記分配機能部から前記照射部へ前記紫外光を伝搬する光ファイバの少なくとも１つが前記紫外光の一部を側面から漏洩させる側面発光光ファイバである紫外光照射システムの制御方法であって、
　情報に基づいて前記側面発光光ファイバが長手方向にわたって漏洩する前記紫外光の総漏洩光量を推定し、前記分配機能部に対し、前記総漏洩光量が所望値となるように前記紫外光の分配率を調整することを特徴とする制御方法。
　前記情報が、前記側面発光光ファイバの経路に沿って設置された検出部が検出した前記側面発光光ファイバが漏洩する前記紫外光の部分光量であることを特徴とする請求項６に記載の制御方法。
　前記情報が、前記側面発光光ファイバを含む前記光ファイバの前記分配機能部側と前記照射部側に設置された検出部が検出した前記光ファイバを伝搬する前記紫外光の伝搬光量であることを特徴とする請求項６に記載の制御方法。