DE102013223902A1 - Thermoformed phosphor wheel and lighting device with this phosphor wheel and excitation radiation source - Google Patents

Thermoformed phosphor wheel and lighting device with this phosphor wheel and excitation radiation source Download PDF

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Abstract

Die Erfindung schlägt eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem tiefgezogenen Leuchtstoffrad (12) zur Umwandlung von Anregungsstrahlung in Konversionslicht vor. Dabei wird in ein zunächst planes Trägersubstrat (120) eine kreisring- oder kreisringsegmentförmige Vertiefung (140) für den Leuchtstoff (180) mittels Tiefziehen eingebracht. Dadurch lassen sich vorteilhafterweise handelsübliche Trägersubstrate aus Metall mit hochreflektierender Oberfläche verwenden, die lediglich umgeformt werden müssen. Durch die Einbettung des Leuchtstoffs in die tiefgezogene Vertiefung (140) wird eine verbesserte Wärmeabfuhr vom eingebetteten Leuchtstoff (180) in das Trägersubstrat (120) erzielt. Außerdem bewirkt die Einbettung des Leuchtstoffs (180) in die vorzugsweise verspiegelte, tiefgezogene Vertiefung (140) auch eine Steigerung der Konversionseffizienz.The invention proposes a lighting device with a deep-drawn phosphor wheel (12) for converting excitation radiation into conversion light. In this case, an annular or annular segment-shaped recess (140) for the phosphor (180) is introduced by deep drawing into an initially planar carrier substrate (120). As a result, it is advantageously possible to use commercially available metal carrier substrates with a highly reflective surface, which only have to be reshaped. The embedding of the phosphor in the deep-drawn depression (140) results in improved heat dissipation from the embedded phosphor (180) into the carrier substrate (120). In addition, the embedding of the phosphor (180) in the preferably mirrored, deep-drawn depression (140) also causes an increase in the conversion efficiency.

Description

Technisches Gebiet Technical area

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leuchtstoffrad zur Umwandlung von Anregungsstrahlung in Konversionslicht sowie ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Leuchtstoffrads. Außerdem betrifft die Erfindung auch eine Beleuchtungsvorrichtung, also eine Anordnung aus Leuchtstoffrad und Anregungsstrahlungsquelle, gegebenenfalls ergänzt durch weitere optische Komponenten.The present invention relates to a phosphor wheel for converting excitation radiation into conversion light and to a method for producing such a phosphor wheel. In addition, the invention also relates to a lighting device, ie an arrangement of phosphor wheel and excitation radiation source, optionally supplemented by further optical components.

Eine derartige Beleuchtungsvorrichtung mit Leuchtstoffrad ist insbesondere einsetzbar als Licht erzeugende Einheit in einem Projektor, z.B. für Videoprojektoren oder Datenprojektoren, aber auch für Scheinwerferanwendungen im Automobilbereich sowie für Beleuchtungseinrichtung im Entertainment-, Architektur- und Allgemeinbeleuchtungsbereich.Such a phosphor wheel lighting device is particularly applicable as a light generating unit in a projector, e.g. for video projectors or data projectors, but also for headlight applications in the automotive sector as well as for lighting equipment in the entertainment, architectural and general lighting sector.

Stand der Technik State of the art

Aus dem Stand der Technik, beispielsweise dem Dokument US 2010/0245777 A1 , sind Beleuchtungsvorrichtungen für Projektionsanwendungen bekannt, welche ein Leuchtstoffrad mit einem oder mehreren Leuchtstoffen aufweisen. Diese Beleuchtungsvorrichtungen umfassen dabei eine Anregungsstrahlungsquelle, die den Leuchtstoff zur Emission von Licht mit einer von der Anregungsstrahlungswellenlänge verschiedenen Wellenlänge anregt (Wellenlängenkonversion der Anregungsstrahlung mittels Leuchtstoff). Üblicherweise sind die Leuchtstoffe in Form von kreis- oder kreisringförmigen Bahnen bzw. Segmenten in Rotationsrichtung auf einem scheibenförmigen Trägersubstrat des Leuchtstoffrads aufeinander folgend angeordnet, so dass das von dem jeweiligen Leuchtstoff emittierte Licht (Konversionslicht) zeitlich sequentiell erzeugt und dem bildgebenden System zugeführt wird. From the prior art, for example the document US 2010/0245777 A1 , Lighting devices for projection applications are known, which have a phosphor wheel with one or more phosphors. In this case, these illumination devices comprise an excitation radiation source which excites the phosphor to emit light at a wavelength which is different from the excitation radiation wavelength (wavelength conversion of the excitation radiation by means of a phosphor). Usually, the phosphors in the form of circular or annular tracks or segments are arranged successively in the direction of rotation on a disk-shaped carrier substrate of the phosphor wheel, so that the light emitted by the respective phosphor light (conversion light) is generated sequentially in time and fed to the imaging system.

Als Anregungsstrahlungsquelle werden vorzugsweise Laser, beispielsweise Laserdioden, eingesetzt. In diesem Fall ist die Technologie auch unter der Bezeichnung LARP ("Laser Activated Remote Phosphor") bekannt. The excitation radiation source used is preferably lasers, for example laser diodes. In this case, the technology is also known as LARP ("Laser Activated Remote Phosphor").

Die Beschichtung eines Leuchtstoffrades 100 (2a, b) mit Leuchtstoff wird nach bisheriger Praxis so ausgeführt, dass erhabene Leuchtstoffbahnen bzw. -segmente 110 von definierter Schichtdicke und Breite auf einem scheibenförmigen Trägersubstrat 120 aufgetragen wird. Die erhabene Leuchtstoffbahn 110 ist in der vergrößerten schematischen Querschnittansicht 2b besonders gut erkennbar. In der Praxis beträgt die Schichtdicke je nach Leuchtstofftyp typischerweise zwischen ca. hundert und einigen wenigen hundert Mikrometer. Das Trägersubstrat 120 besteht aus einem gut Wärme leitenden Metall, beispielsweise Aluminium, dessen Oberfläche mit einer hoch reflektierenden Schicht vergütet ist. The coating of a phosphor wheel 100 ( 2a , b) with phosphor is carried out according to previous practice so that raised phosphor lanes or segments 110 of defined layer thickness and width on a disk-shaped carrier substrate 120 is applied. The sublime fluorescent web 110 is particularly clearly visible in the enlarged schematic cross-sectional view 2b. In practice, the layer thickness is typically between about one hundred and a few hundred micrometers, depending on the type of phosphor. The carrier substrate 120 consists of a good heat-conducting metal, such as aluminum, the surface of which is tempered with a highly reflective layer.

Eine strukturierte Trägersubstratoberfläche hätte durch die vergrößerte Oberfläche zwar den Vorteil einer effizienteren Wärmeableitung vom Leuchtstoff in das Trägersubstrat. Hoch reflektierende Beschichtungen auf strukturierten Oberflächen sind aber schwierig herzustellen. A structured carrier substrate surface would have the advantage of a more efficient heat dissipation from the phosphor into the carrier substrate due to the increased surface area. Highly reflective coatings on structured surfaces are difficult to produce.

Das Dokument US 2010/0328617 A1 offenbart ein Leuchtstoffrad mit drei kreisringförmigen Leuchtstoffsegmenten für einen Rot-, Grün- bzw. Blauleuchtstoff (R, G, B). Dazu ist die für die Bestrahlung mit Anregungsstrahlung vorgesehene Vorderseite eines scheibenförmigen Trägersubstrats mit einer ringförmigen Rinne versehen, in der die Leuchtstoffe eingebettet sind. Am Boden der ringförmigen Rinne sind reflektierende Strukturen vorgesehen, um die Auskoppeleffizienz für das Konversionslicht zu erhöhen. The document US 2010/0328617 A1 discloses a phosphor wheel with three annular phosphor segments for a red, green or blue phosphor (R, G, B). For this purpose, provided for the irradiation with excitation radiation front side of a disc-shaped carrier substrate is provided with an annular groove in which the phosphors are embedded. At the bottom of the annular groove, reflecting structures are provided to increase the coupling-out efficiency for the conversion light.

Darstellung der Erfindung Presentation of the invention

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Leuchtstoffrad anzugeben. The object of the present invention is to provide an improved phosphor wheel.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Leuchtstoffrad für eine Beleuchtungsvorrichtung zur Umwandlung von Anregungsstrahlung in Konversionslicht, das für eine Rotation um eine Rotationsachse ausgelegt ist, mit einem scheibenförmigen Trägersubstrat mit einer Vorder- und einer Rückseite und mindestens einem auf einer Vorderseite des Trägersubstrats angeordneten und mit Anregungsstrahlung bestrahlbaren Leuchtstoffbereich, wobei der Leuchtstoffbereich durch eine Vertiefung in der Vorderseite des Trägersubstrats ausgebildet ist und wobei in der Vertiefung mindestens eine Leuchtstoffschicht eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung durch Tiefziehen ausgeformt ist. This object is achieved by a phosphor wheel for a lighting device for converting excitation radiation into conversion light, which is designed for rotation about an axis of rotation, with a disk-shaped carrier substrate having a front and a rear side and at least one arranged on a front side of the carrier substrate and with excitation radiation irradiated phosphor region, wherein the phosphor region is formed by a recess in the front side of the carrier substrate and wherein in the recess at least one phosphor layer is embedded, characterized in that the recess is formed by deep drawing.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen. Particularly advantageous embodiments can be found in the dependent claims.

Die verfahrensbezogene Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch den unabhängigen Verfahrensanspruch. Weitere vorteilhafte Verfahrensschritte und Ausgestaltungen finden sich in den davon abhängigen Ansprüchen. The method-related object of the invention is achieved by the independent method claim. Further advantageous method steps and embodiments can be found in the dependent claims.

Außerdem wird Schutz beansprucht auf eine Beleuchtungsvorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Leuchtstoffrad. In addition, protection is claimed on a lighting device with the phosphor wheel according to the invention.

Im Folgenden werden Merkmale, die mehr die gegenständlichen Aspekte der Erfindung betreffen, auch zusammen mit Merkmalen, die eher die verfahrenstechnischen Aspekte charakterisieren gemeinsam erläutert, um das Verständnis der technischen Zusammenhänge der Erfindung zu erleichtern.In the following, features that relate more to the subject aspects of the invention will also be described, along with features that characterize the procedural aspects together to facilitate the understanding of the technical context of the invention.

Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, auf der für die Bestrahlung mit Anregungsstrahlung vorgesehenen Vorderseite eines an sich zumindest im wesentlichen planen Trägersubstrats mindestens eine, vorzugsweise kreisring- oder kreisringsegmentförmige Vertiefung durch Tiefziehen vorzusehen und diese tiefgezogene Vertiefung für den mindestens einen Leuchtstoffbereich zu nutzen, d.h. mindestens einen Leuchtstoff in zumindest einen Teil der tiefgezogene Vertiefung einzubetten. Die Leuchtstoffbahn ist dadurch nicht mehr erhaben auf einem komplett planen Trägersubstrat aufgebracht, sondern eingebettet in die Vertiefung. Die Tiefe und Breite der Vertiefung wird auf die gewünschte Schichtdicke und Breite der Leuchtstoffbahn angepasst.The basic idea of the present invention is to provide, on the front side of an at least substantially planar carrier substrate, at least one, preferably annular or circular segment, recess by deep drawing and to use this deep-drawn depression for the at least one phosphor region. embed at least one phosphor in at least part of the deep-drawn well. As a result, the phosphor web is no longer raised on a completely planar carrier substrate but embedded in the depression. The depth and width of the recess is adjusted to the desired layer thickness and width of the phosphor web.

Vorzugsweise ist als Trägersubstrat für das Tiefziehen der mindestens einen Vertiefung eine plane spiegelnde Scheibe, insbesondere Metallscheibe, vorgesehen. Dadurch lassen sich vorteilhafterweise handelsübliche Trägersubstrate aus Metall mit hochreflektierender Oberfläche verwenden, die lediglich umgeformt werden müssen. Prinzipiell ist für das Trägersubstrat aber jedes Material geeignet, das für das Tiefziehen ausreichend duktil ist und sich vorzugsweise gut verspiegeln lässt. Durch den Tiefziehprozess resultiert bei einer Vertiefung auf einer Seite zwangsweise eine Erhöhung auf der anderen Seite. Preferably, as a carrier substrate for the deep drawing of the at least one recess, a plane reflecting disk, in particular metal disk, is provided. As a result, it is advantageously possible to use commercially available metal carrier substrates with a highly reflective surface, which only have to be reshaped. In principle, however, any material is suitable for the carrier substrate which is sufficiently ductile for thermoforming and preferably can be mirrored well. Due to the deep-drawing process, a depression on one side inevitably results in an increase on the other side.

Durch die tiefgezogene Vertiefung wird eine Vergrößerung der Oberfläche des Trägersubstrats und damit eine verbesserte Wärmeabfuhr vom eingebetteten Leuchtstoff in das Trägersubstrat erzielt. Außerdem bewirkt die Einbettung des Leuchtstoffs in die vorzugsweise verspiegelte Vertiefung auch eine erhöhte seitliche Rückstreuung des konvertierten Lichtes sowie des unkonvertierten Anteils der Anregungsstrahlung und folglich eine effizientere Nutzung des Konversionslichts bzw. Verbesserung der Konversionseffizienz. Schließlich bewirkt die in Folge der Vertiefung bzw. des Tiefziehens erhöhte Formstabilität (Versteifung) des so strukturierten Trägersubstrats eine geringere Axialbewegung des Leuchtstoffrades an dessen umlaufenden Rand (vermindertes Flattern am Rand durch Verminderung der Krümmung bzw. Durchbiegung des Trägersubstrats), wo der Leuchtstoff eingebettet ist. Ebenfalls wird durch die Reduzierung der Axialbewegung am Rand eine höhere Laufruhe des in einem Projektor schnell rotierenden Rades bewirkt. Die Leuchtstoffbahn bewegt sich deshalb mit höherer Präzision durch den engen Spalt zwischen der Anregungsstrahlungs- und Konvertierungsoptik. Um die Formstabilität des Trägersubstrats weiter zu erhöhen, können weitere Versteifungsstrukturen vorgesehen sein.The deep-drawn depression achieves an enlargement of the surface of the carrier substrate and thus improved heat dissipation from the embedded phosphor into the carrier substrate. In addition, the embedding of the phosphor in the preferably mirrored depression also causes an increased lateral backscatter of the converted light and the unconverted portion of the excitation radiation and consequently a more efficient use of the conversion light or improvement of the conversion efficiency. Finally, the dimensional stability (stiffening) of the carrier substrate structured in this way as a result of the deepening or deep-drawing causes a smaller axial movement of the phosphor wheel at its peripheral edge (reduced fluttering at the edge by reducing the curvature or deflection of the carrier substrate) where the phosphor is embedded , Also, by reducing the axial movement at the edge, a smoother running of a wheel rotating rapidly in a projector is effected. The phosphor web therefore moves with greater precision through the narrow gap between the excitation radiation and conversion optics. In order to further increase the dimensional stability of the carrier substrate, further stiffening structures may be provided.

Der Querschnitt der Vertiefung und damit der Tiefziehquerschnitt sind vorzugweise als zumindest angenähertes Trapez mit Übergangsradien ausgebildet. Das hat den entscheidenden Vorteil, dass die üblicherweise spröde Oberflächenvergütung im Bereich der planen, tief gezogenen Ebene des ringförmige umlaufenden Trapezes, so zu sagen an dem planen „Boden“ der Vertiefung nicht aufreißt. Zu diesem Zweck ist das Tiefziehwerkzeug geeignet geformt derart, dass diese kritische Fläche beim Tiefziehvorgang zwischen zwei planparallelen Flächen des Werkzeugs eingeklemmt wird. Dadurch unterliegt diese Fläche, die letztlich den planen Boden der Vertiefung bildet, beim Tiefziehen keiner Biegung, Scherung, Streckung oder Stauchung. Sie behält ihre Originalstruktur bei, ohne dass die Oberflächenvergütungsschicht beschädigt wird. Der plane Boden bleibt frei von Rissen, Verwerfungen, Aufrauungen, so dass die hohe Reflektivität der vergüteten Oberfläche nicht vermindert wird. Das ist aus Effizienzgründen wichtig, weil die auf der Vorderseite des Leuchtstoffrads in den eingebetteten Leuchtstoff eintretende Anregungsstrahlung und das zum Teil konvertierte Licht möglichst ohne optische Verluste wieder zurück reflektiert werden soll. Auch die einfassenden Flanken der Vertiefung reflektieren, trotz eventueller kleiner Oberflächenrisse, einen Teil des zur Seite gestreuten Lichtes wieder zurück in die Konvertierungsschicht, so dass im Vergleich zur konventionellen erhabenen Schicht insgesamt weniger Licht verloren geht. Außerdem verhindern die Flanken der Vertiefung, dass die Leuchtstoffbahn beim Herstellungsprozess unkontrolliert in die Breite fließt. Vielmehr ist aufgrund der Einbettung zwischen den Flanken auch der beidseitige Rand der Leuchtstoffbahn schärfer definiert.The cross-section of the recess and thus the thermoforming cross-section are preferably formed as at least approximately trapezoid with transition radii. This has the decisive advantage that the usually brittle surface coating in the region of the plane, deep-drawn plane of the annular circumferential trapezium, so to speak on the planned "bottom" of the depression does not rupture. For this purpose, the thermoforming tool is suitably shaped such that this critical surface is clamped during deep drawing between two plane-parallel surfaces of the tool. As a result, this area, which ultimately forms the flat bottom of the depression, is not subject to bending, shearing, stretching or compression during deep drawing. It retains its original structure without damaging the surface finish layer. The flat floor remains free of cracks, warping, roughening, so that the high reflectivity of the coated surface is not reduced. This is important for reasons of efficiency, because the excitation radiation entering the embedded phosphor on the front side of the phosphor wheel and the partly converted light should be reflected back as far as possible without optical losses. The enclosing flanks of the depression also reflect, despite possible small surface cracks, part of the light scattered to the side back into the conversion layer, so that less light is lost in comparison to the conventional raised layer. In addition, prevent the flanks of the recess that the phosphor web flows uncontrollably in the width during the manufacturing process. Rather, due to the embedding between the flanks and the two-sided edge of the phosphor web is defined sharper.

Darüber hinaus kann der Querschnitt der Vertiefung aber auch anders gewählt werden, beispielsweise als rinnenförmiger Kreisabschnitt. In addition, however, the cross section of the recess can also be chosen differently, for example as a trough-shaped circular section.

Als nächster Schritt zur Herstellung des erfindungsgemäßen Leuchtstoffrads wird eine üblicherweise zunächst homogene viskose Mischung aus einem Leuchtstoff, beispielsweise CaAlSiN3:Eu als Rotleuchtstoff, und einer Trägermatrix, beispielsweise optische Silikone, Natriumsilikate, etc., angefertigt und in die Vertiefung des Trägersubstrats eingefüllt. Außerdem ist es vorteilhaft, anschließend den Leuchtstoff auf dem Trägersubstrat zu verdichten. Dies kann mit Vibration oder aber noch intensiver mittels Zentrifugalkraft erreicht werden, in dem das Trägersubstrat in einer entsprechenden Halterung in einer Zentrifuge so gehalten wird, dass eine Zentrifugalkraft in senkrechter Richtung zur Trägersubstratoberfläche wirksam wird (Fliehkraftverdichtung). Weil die seitlichen Flanken der Vertiefung ein seitliches Wegfließen der viskosen Mischung verhindert, kommt es durch die Zentrifugalkraft zu einer vertikalen Separation zwischen den Leuchtstoffkörnern und dem aufschwimmenden, überschüssigen, schlecht wärmeleitenden Matrixmaterial. Mit anderen Worten führt diese Leuchtstoffverdichtung in Richtung Boden zu einer Erhöhung der Leuchtstoffkonzentration auf der Trägersubstratoberfläche. Der Leuchtstoff wird so unmittelbar und mit minimalstem Matrixmaterialanteil auf der Oberfläche der Vertiefung auf dem Trägersubstrat konzentriert, was eine optimale thermische Anbindung und Abfuhr der im Leuchtstoff durch die Konversion entstehenden Verlustwärme in das Trägersubstrat ermöglicht. Hinzu kommt, dass auch die Wärmeleitfähigkeit der dichtest gepackten bodennahen Leuchtstoffschicht einen Maximalwert erreicht, so dass die Wärmeleitung innerhalb des Leuchtstoff/Matrixgemisches maximiert wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass auf Grund der maximalen Verdichtung eine dünnere Leuchtstoffschicht bei gleicher Konvertierungseffizienz ausreichend ist. Eine dünnere Leuchtstoffschicht wiederum begünstigt zusätzlich eine effiziente Wärmeabfuhr. Nach der Separation und Verdichtung wird die Leuchtstoffschicht, je nach Typ des Matrixmaterials, getrocknet, ausgehärtet, eingebrannt, etc. und ist anschließend einsatzbereit. As the next step for producing the phosphor wheel according to the invention, a usually initially homogeneous viscous mixture of a phosphor, for example CaAlSiN 3 : Eu as red phosphor, and a carrier matrix, for example optical silicones, sodium silicates, etc., is prepared and introduced into the recess of the carrier substrate. In addition, it is advantageous to subsequently densify the phosphor on the carrier substrate. This can be achieved with vibration or even more intensively by centrifugal force, in which the carrier substrate is held in a corresponding holder in a centrifuge so that a centrifugal force in the direction perpendicular to the carrier substrate surface is effective (centrifugal compression). Because the side flanks of the depression prevent lateral flow of the viscous mixture, the centrifugal force causes a vertical separation between the phosphor grains and the floating, excess, poorly heat-conductive matrix material. In other words, this phosphor compaction towards the bottom leads to an increase in the phosphor concentration on the carrier substrate surface. The phosphor is thus concentrated directly and with a minimal amount of matrix material on the surface of the depression on the carrier substrate, which enables optimum thermal bonding and dissipation of the heat loss in the carrier substrate resulting from the conversion. In addition, the thermal conductivity of the densest packed near-surface phosphor layer reaches a maximum value, so that the heat conduction within the phosphor / matrix mixture is maximized. Another advantage is that due to the maximum densification, a thinner phosphor layer is sufficient with the same conversion efficiency. In turn, a thinner phosphor layer favors efficient heat removal. After separation and densification, the phosphor layer, depending on the type of matrix material, dried, cured, baked, etc. and is then ready for use.

Die Verdichtung kann auch durch die Verwendung von Leuchtstoffpartikeln mit verschiedenen Partikelgrößen (Volumenfraktionen) unterstützt werden. Dadurch kann der Raum zwischen den dichtest gepackten großen Leuchtstoffpartikeln mit den nächst kleineren dichtest gepackt ausgefüllt werden, und diese wiederum durch die nächst kleineren, usw.. Allerdings sinkt die Konversionseffizienz des Leuchtstoffs mit dem Anteil kleiner werdenden Leuchtstoffpartikeln wieder. The densification can also be assisted by the use of phosphor particles with different particle sizes (volume fractions). Thus, the space between the densest packed large phosphor particles can be filled with the next closest packed, and this in turn by the next smaller, etc .. However, the conversion efficiency of the phosphor decreases with the proportion of diminishing phosphor particles again.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Leuchtstoffrades mit den erfindungsgemäßen Merkmalen umfasst insbesondere folgende Verfahrensschritte:

  • A) Bereitstellen eines planen Trägersubstrats,
  • B) Formen mindestens einer Vertiefung in das Trägersubstrat durch Tiefziehen,
  • C) Einbetten mindestens einer Leuchtstoffschicht in die mindestens eine Vertiefung.
The method according to the invention for producing a phosphor wheel having the features according to the invention comprises in particular the following method steps:
  • A) providing a planar carrier substrate,
  • B) forming at least one recess in the carrier substrate by deep drawing,
  • C) embedding at least one phosphor layer in the at least one recess.

Vorzugsweise ist das im Verfahrensschritt A) bereitgestellte Trägersubstrat bereits verspiegelt oder wird in einem zusätzlichen Verfahrensschritt verspiegelt. Die Vertiefung ist vorzugsweise kreisring- oder kreisringsegmentförmig ausgebildet. Dabei können in der Vertiefung auch zwei oder mehr Leuchtstoffschichten aus unterschiedlichen Leuchtstoffen sequentiell eingebettet sein. Mit unterschiedlichen Leuchtstoffen sind insbesondere Leuchtstoffe gemeint, die verschieden farbiges Konversionslicht emittieren. Damit lässt sich eine zeitlich sequentielle Abfolge verschiedener Lichtfarben erzeugen.Preferably, the carrier substrate provided in process step A) is already mirrored or is mirrored in an additional process step. The recess is preferably formed annular or circular segment. In this case, two or more phosphor layers of different phosphors can also be sequentially embedded in the depression. By different phosphors are meant in particular phosphors which emit differently colored conversion light. This can be used to generate a sequential sequential sequence of different light colors.

Vorzugsweise wird während des Verfahrensschritts B) der für den planen Boden der Vertiefung vorgesehene Bereich des Trägersubstrats zwischen zwei planparallelen Flächen des Werkzeugs zum Tiefziehen eingeklemmt. Auf diese Weise behält dieser Bereich seine Originalstruktur weitgehend bei. Insbesondere wird so eine eventuell auf dem Trägersubstrat vorhandene Oberflächenvergütungsschicht nicht geschädigt.Preferably, during the process step B), the region of the carrier substrate provided for the flat bottom of the depression is clamped between two plane-parallel surfaces of the deep drawing tool. In this way, this area largely retains its original structure. In particular, any surface coating layer possibly present on the carrier substrate is thus not damaged.

Darüber hinaus kann der Verfahrensschritt C) folgende Teilschritte umfassen:

  • C1) Bereitstellen einer Mischung aus Leuchtstoff und Trägermatrix,
  • C2) Einfüllen der Mischung in die Vertiefung,
  • C3) Verdichtung des Leuchtstoffs in Richtung des Bodens der Vertiefung, beispielsweise durch Vibrieren oder Fliehkraftverdichten, oder beides,
  • C4) Trocknen der Leuchtstoffschicht in der Vertiefung.
In addition, process step C) may comprise the following substeps:
  • C1) providing a mixture of phosphor and carrier matrix,
  • C2) filling the mixture into the depression,
  • C3) densification of the phosphor in the direction of the bottom of the depression, for example by vibration or centrifugal compression, or both,
  • C4) drying the phosphor layer in the recess.

Durch den Teilschritt C3 wird also ein von der Oberfläche der Leuchtstoffbahn zum Boden der Vertiefung hin zunehmender Gradient der Leuchtstoffdichte eingestellt. Sub-step C3 therefore sets a gradient of the phosphor density which increases from the surface of the phosphor web to the bottom of the depression.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen schematisch:In the following, the invention will be explained in more detail with reference to exemplary embodiments. The figures show schematically:

1a, b ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leuchtstoffrads, 1a , b an embodiment of a phosphor wheel according to the invention,

2a, b ein Leuchtstoffrad gemäß dem Stand der Technik, 2a , b a phosphor wheel according to the prior art,

3a–c verschiedene Phasen der Herstellung der Leuchtstoffbahn, 3a C different phases of the production of the phosphor web,

4 ein Ablaufdiagramm für die Herstellung eines Leuchtstoffrads gemäß 1a, b, 4 a flowchart for the production of a phosphor wheel according to 1a , b,

5 eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem Leuchtstoffrad gemäß 1a, b. 5 a lighting device with a phosphor according to 1a , b.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung Preferred embodiment of the invention

Gleiche oder gleichartige Merkmale können im Folgenden der Einfachheit halber auch mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sein. Identical or similar features may be referred to below for the sake of simplicity with the same reference numerals.

1a zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Leuchtstoffrads 12 in einer schematischen Draufsicht auf die für die Bestrahlung mit Anregungsstrahlung vorgesehene Vorderseite 130 des Leuchtstoffrads 12. Dazu wird zunächst ein kreisscheibenförmiges Trägersubstrat 120 aus einer verspiegelten Aluminiumscheibe mit einer Dicke von ca. 0,5 mm bereitgestellt (Verfahrensschritt A in 4). In die für die Bestrahlung mit Anregungsstrahlung vorgesehene Vorderseite 130 des Leuchtstoffrads 12 wird mittels Tiefziehen eine kreisring- oder kreisringsegmentförmige Vertiefung 140 ausgebildet, die in 1b in einer vergrößerten Querschnittansicht dargestellt ist (Verfahrensschritt B in 4). Die Vertiefung 140 hat einen trapezförmigen Querschnitt mit einer Tiefe, die geringfügig größer ist als die Dicke der aufzutragenden Leuchtstoffschicht von 100 bis 300 µm. Dazu ist das Tiefziehwerkzeug mit einem geeignet geformten Stempel ausgestattet. Auf der Rückseite 150 des Leuchtstoffrads 12 ist durch den Tiefziehprozess eine zu der Vertiefung 140 formgleiche Erhöhung 160 ausgebildet. 1a shows a schematic representation of an embodiment of a phosphor according to the invention 12 in a schematic plan view of the for the irradiation with excitation radiation provided front side 130 of the phosphor wheel 12 , For this purpose, first a circular disk-shaped carrier substrate 120 provided from a mirrored aluminum disc with a thickness of about 0.5 mm (step A in 4 ). Into the intended for the irradiation with excitation radiation front 130 of the phosphor wheel 12 is by deep drawing a circular ring or annular segment-shaped depression 140 trained in 1b is shown in an enlarged cross-sectional view (step B in FIG 4 ). The depression 140 has a trapezoidal cross-section with a depth slightly greater than the thickness of the phosphor layer to be applied of 100 to 300 microns. For this purpose, the thermoforming tool is equipped with a suitably shaped stamp. On the back side 150 of the phosphor wheel 12 is by deep-drawing process one to the depression 140 equal increase 160 educated.

Die obige Definition der Vorder- und Rückseite des Leuchtstoffrades dient der begrifflichen Vereinfachung und erscheint im Übrigen zweckmäßig. Sie ist aber selbstverständlich nicht einschränkend auszulegen. The above definition of the front and back of the phosphor wheel is used for conceptual simplification and appears otherwise appropriate. However, it is of course not restrictive to interpret.

Nach dem Tiefziehen B wird die Vertiefung 140 mit einer viskosen Mischung aus einer Trägermatrix M1 (Beispielsweise Natriumsilikat) und einem Leuchtstoff M2 (Beispielsweise YAG:Ce(Y0.96Ce0.04)3Al3.75Ga1.25O12 als Grünleuchtstoff) aufgefüllt (Verfahrensschritt C2 in 4). Wie in 3a anhand einer schematischen Querschnittansicht der Leuchtstoffbahn 180 dargestellt, werden die beiden Mischungsbestandteile M1, M2 zumindest annähernd homogen gemischt und die Mischung für den nachfolgenden Verfahrensschritt C2 bereitgestellt (Verfahrensschritt C1 in 4). Um den Leuchtstoff M2 in Richtung des Bodens 170 der Vertiefung 140 zu verdichten wird das Trägersubstrat 120 mit der viskosen Mischung M1, M2 einer Vibration oder Fliehkraftverdichtung ausgesetzt (Verfahrensschritt C3 in 4). Mit zunehmender Zentrifugalkraft entmischt sich die Mischung und der Leuchtstoff M2 verdichtet sich in Bodennähe. In 3b ist die Konzentration der Trägermatrix M1 in der bodennahen Region der noch viskosen Leuchtstoffbahn 180 bereits geringer (M1 < M2) als in der oberflächennahen Region (M1 > M2). In 3c hat sich der Leuchtstoff M2 in Bodennähe nahezu vollständig verdichtet (M1 << M2) und in Oberflächennähe bleibt die überschüssige Trägermatrix M1 stehen (M1 >> M2). Danach wird die noch viskose Leuchtstoffbahn getrocknet (Verfahrensschritt C4 in 4b) und ist dann einsatzbereit. Vorzugsweise ist die Leuchtstoffschicht 180 eben mit der unmittelbar umgebenden Oberfläche des Trägersubstrats 120 ausgebildet.After deep drawing B becomes the depression 140 filled with a viscous mixture of a carrier matrix M1 (for example sodium silicate) and a phosphor M2 (for example YAG: Ce (Y 0.96 Ce 0.04 ) 3 Al 3.75 Ga 1.25 O 12 as green phosphor) (method step C2 in FIG 4 ). As in 3a with reference to a schematic cross-sectional view of the phosphor web 180 2, the two mixture components M1, M2 are mixed at least approximately homogeneously and the mixture is provided for the subsequent method step C2 (method step C1 in FIG 4 ). To the phosphor M2 in the direction of the ground 170 the depression 140 to compact the carrier substrate 120 with the viscous mixture M1, M2 subjected to vibration or centrifugal compression (method step C3 in FIG 4 ). With increasing centrifugal force, the mixture segregates and the phosphor M2 condenses near the bottom. In 3b is the concentration of the carrier matrix M1 in the ground-near region of the still viscous phosphor web 180 already lower (M1 <M2) than in the near-surface region (M1> M2). In 3c the phosphor M2 near the ground has almost completely condensed (M1 << M2) and near the surface remains the excess carrier matrix M1 (M1 >> M2). Thereafter, the still viscous phosphor web is dried (step C4 in 4b ) and is then ready for use. Preferably, the phosphor layer 180 just with the immediately surrounding surface of the carrier substrate 120 educated.

Darüber hinaus können weitere Leuchtstoffe in entsprechenden Segmenten der Vertiefung eingebettet sein, um bei Bedarf die Anregungsstrahlung in zeitlich sequentiell unterschiedlich farbiges Konversionslicht zu konvertieren. In addition, further phosphors can be embedded in corresponding segments of the depression in order to convert the excitation radiation into temporally sequentially differently colored conversion light if required.

5 zeigt eine schematische Darstellung einer Beleuchtungsvorrichtung 1 mit einem erfindungsgemäßen Leuchtstoffrad 12. Die tiefgezogene Vertiefung mit der eingebetteten Leuchtstoffbahn und die rückseitige Erhöhung sind in dieser schematischen Darstellung nicht erkennbar, entsprechen in diesem Ausführungsbeispiel aber der in 1a, b dargestellten Ausgestaltung der Leuchtstoffbahn. 5 shows a schematic representation of a lighting device 1 with a phosphor wheel according to the invention 12 , The deep-drawn depression with the embedded phosphor web and the rear elevation are not recognizable in this schematic representation, but correspond in this embodiment, in 1a b illustrated embodiment of the phosphor web.

Die Beleuchtungsvorrichtung 1 umfasst dabei eine als Laserdioden-Array ausgebildete Anregungsstrahlungsquelle 2, welche eine Mehrzahl an Laserdioden 3 umfasst. Deren jeweilige Laserwellenlänge kann prinzipiell je nach Bedarf gleich oder unterschiedlich ausgelegt sein. Auch andere Strahlungsquellen sind denkbar, wie beispielsweise solche, die LASER, Superlumineszensdioden, LEDs, organische LEDs und dergleichen umfassen. Die Anregungsstrahlungsquelle 2 ist dazu ausgelegt, Anregungsstrahlung 4 im blauen oder ultravioletten Spektralbereich, bevorzugt im Bereich 440–470 nm, besonders bevorzugt bei ca. 450 nm, zu emittieren, da dies für die meisten Leuchtstoffe eine geeignete Anregungswellenlänge darstellt und zudem auch als blauer Farbkanal nutzbar ist. Über optische Elemente 511 wird das Licht dieser Laserdioden 3 auf das Leuchtstoffrad 12 gelenkt. Die beiden optischen Elemente 7 und 8 bilden ein verkleinerndes Teleskop. Darüber hinaus ist im Strahlengang der optischen Elemente 511 ein Diffusor 30 angeordnet, um durch Streuung der Anregungsstrahlung 4 ein aufgeweitetes Intensitätsprofil auf den Leuchtstoffen des Leuchtstoffrads 12 zu erzeugen. Das vom Leuchtstoffrad 12 konvertierte und emittierte Licht wird von zwei Linsen 11, 10 gesammelt und kollimiert und passiert danach einen dichroitischen Spiegel 9, der dazu ausgelegt ist, Licht im blauen Spektralbereich zu reflektieren und Licht im nicht blauen Spektralbereich, d.h. Licht mit größeren Wellenlängen und folglich auch das Konversionslicht, zu transmittieren. Durch diese Auslegung dient der dichroitische Spiegel dem Zusammenführen des vom Leuchtstoffrad 12 konvertierten und emittierten Licht mit der durch eine segmentförmige Durchgangsöffnung des Leuchtstoffrads 12 (in 1a nicht dargestellt) transmittierten Anregungsstrahlung 4. Zum Umlenken der transmittierten Anregungsstrahlung 4 sind drei Umlenkspiegel 13 vorgesehen, die im Strahlengang jeweils in einem Winkel von 45° zur einfallenden Anregungsstrahlung 4 angeordnet sind („Wrap-Around“ Pfad der Anregungsstrahlung). In diesem Wrap-Around-Pfad ist noch ein weiterer Diffusor 31 angeordnet. Die mittels des dichroitischen Spiegels 9 zusammengeführte Licht- bzw. Anregungsstrahlung gelangt über eine Fokussier-Linse 15 in einen optischen Integrator 17. The lighting device 1 comprises an excitation radiation source designed as a laser diode array 2 which has a plurality of laser diodes 3 includes. Their respective laser wavelength can in principle be designed the same or different as needed. Other radiation sources are also conceivable, such as those comprising LASER, superluminescent diodes, LEDs, organic LEDs and the like. The excitation radiation source 2 is designed to excite radiation 4 in the blue or ultraviolet spectral range, preferably in the range 440-470 nm, particularly preferably at about 450 nm, since this represents a suitable excitation wavelength for most phosphors and can also be used as a blue color channel. About optical elements 5 - 11 becomes the light of these laser diodes 3 on the phosphor wheel 12 directed. The two optical elements 7 and 8th form a miniature telescope. In addition, in the beam path of the optical elements 5 - 11 a diffuser 30 arranged to by scattering the excitation radiation 4 an expanded intensity profile on the phosphors of the phosphor wheel 12 to create. The from the phosphor wheel 12 converted and emitted light is from two lenses 11 . 10 collected and collimated and then passes through a dichroic mirror 9 which is designed to reflect light in the blue spectral range and to transmit light in the non-blue spectral range, ie light with longer wavelengths and consequently also the conversion light. By this interpretation, the dichroic mirror serves to merge the phosphor wheel 12 converted and emitted light with the through a segment-shaped through hole of the phosphor wheel 12 (in 1a not shown) transmitted excitation radiation 4 , For deflecting the transmitted excitation radiation 4 are three deflecting mirrors 13 provided in the beam path in each case at an angle of 45 ° to the incident excitation radiation 4 are arranged ("wrap-around" path of the excitation radiation). There is another diffuser in this wrap-around path 31 arranged. The means of the dichroic mirror 9 merged light or excitation radiation passes through a focusing lens 15 in an optical integrator 17 ,

Die Erfindung schlägt eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem tiefgezogenen Leuchtstoffrad zur Umwandlung von Anregungsstrahlung in Konversionslicht vor. Dabei wird in ein zunächst planes Trägersubstrat eine kreisring- oder kreisringsegmentförmige Vertiefung für den Leuchtstoff mittels Tiefziehen eingebracht. Dadurch lassen sich vorteilhafterweise handelsübliche Trägersubstrate aus Metall mit hochreflektierender Oberfläche verwenden, die lediglich umgeformt werden müssen. Durch die Einbettung des Leuchtstoffs in die tiefgezogene Vertiefung wird eine verbesserte Wärmeabfuhr vom eingebetteten Leuchtstoff in das Trägersubstrat erzielt. Außerdem bewirkt die Einbettung des Leuchtstoffs in die vorzugsweise verspiegelte, tiefgezogene Vertiefung auch eine Steigerung der Konversionseffizienz.The invention proposes a lighting device with a deep-drawn phosphor wheel for converting excitation radiation into conversion light. This is in a first plan Carrier substrate introduced an annular or annular segment-shaped recess for the phosphor by deep drawing. As a result, it is advantageously possible to use commercially available metal carrier substrates with a highly reflective surface, which only have to be reshaped. By embedding the phosphor in the deep-drawn depression improved heat dissipation from the embedded phosphor is achieved in the carrier substrate. In addition, the embedding of the phosphor in the preferably mirrored, deep-drawn depression also causes an increase in the conversion efficiency.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (12)

Leuchtstoffrad (12) für eine Beleuchtungsvorrichtung (1) zur Umwandlung von Anregungsstrahlung (4) in Konversionslicht, das für eine Rotation um eine Rotationsachse (A) ausgelegt ist, mit – einem scheibenförmigen Trägersubstrat (120) mit einer Vorder- (130) und einer Rückseite (150) und – mindestens einem auf einer Vorderseite (130) des Trägersubstrats (120) angeordneten und mit Anregungsstrahlung (4) bestrahlbaren Leuchtstoffbereich (140, 180), wobei der Leuchtstoffbereich (140, 180) durch eine Vertiefung (140) in der Vorderseite (130) des Trägersubstrats (120) ausgebildet ist und wobei in der Vertiefung (140) mindestens eine Leuchtstoffschicht (180) eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (140) durch Tiefziehen ausgeformt ist. Fluorescent wheel ( 12 ) for a lighting device ( 1 ) for the conversion of excitation radiation ( 4 ) in conversion light designed for rotation about an axis of rotation (A), comprising - a disc-shaped carrier substrate ( 120 ) with a front ( 130 ) and a back ( 150 ) and - at least one on a front side ( 130 ) of the carrier substrate ( 120 ) and with excitation radiation ( 4 ) irradiable phosphor region ( 140 . 180 ), wherein the phosphor region ( 140 . 180 ) through a depression ( 140 ) in the front ( 130 ) of the carrier substrate ( 120 ) and wherein in the recess ( 140 ) at least one phosphor layer ( 180 ), characterized in that the depression ( 140 ) is formed by deep drawing. Leuchtstoffrad (12) nach Anspruch 1, wobei die Vertiefung (140) kreisring- oder kreisringsegmentförmig ausgebildet ist. Fluorescent wheel ( 12 ) according to claim 1, wherein the recess ( 140 ) is formed annular or circular segment. Leuchtstoffrad (12) nach Anspruch 2, wobei die Querschnittfläche der Vertiefung (140) trapezförmig oder kreisabschnittförmig ausgeformt ist. Fluorescent wheel ( 12 ) according to claim 2, wherein the cross-sectional area of the recess ( 140 ) is trapezoidal or circular section shaped. Leuchtstoffrad (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Trägersubstrat (120) als verspiegelte Metallscheibe ausgebildet ist. Fluorescent wheel ( 12 ) according to one of the preceding claims, wherein the carrier substrate ( 120 ) is designed as a mirrored metal disc. Leuchtstoffrad (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Leuchtstoffschicht (180) eben zumindest mit der unmittelbar umgebenden Oberfläche des Trägersubstrats (120) ausgebildet ist. Fluorescent wheel ( 12 ) according to any one of the preceding claims, wherein the phosphor layer ( 180 ) just with at least the immediately surrounding surface of the carrier substrate ( 120 ) is trained. Leuchtstoffrad (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Leuchtstoffkonzentration (M2) in Richtung zum Boden (170) der Vertiefung (140) hin zunimmt.Fluorescent wheel ( 12 ) according to any one of the preceding claims, wherein the phosphor concentration (M2) towards the bottom ( 170 ) of the depression ( 140 ) increases. Beleuchtungsvorrichtung (1), mit mindestens einem Leuchtstoffrad (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche und mindestens einer Anregungsstrahlungsquelle (2), insbesondere Halbleiterlichtquelle, zum Bestrahlen des Leuchtstoffrads (12) mit Anregungsstrahlung (4), welches mittels des mindestens einen Leuchtstoffbereichs (140, 180) des Leuchtstoffrads (12) zumindest teilweise in Konversionslicht wellenlängenkonvertierbar ist. Lighting device ( 1 ), with at least one phosphor wheel ( 12 ) according to one of the preceding claims and at least one excitation radiation source ( 2 ), in particular semiconductor light source, for irradiating the phosphor wheel ( 12 ) with excitation radiation ( 4 ), which by means of the at least one phosphor region ( 140 . 180 ) of the phosphor wheel ( 12 ) is at least partially wavelength convertible in conversion light. Verfahren zum Herstellen eines Leuchtstoffrades (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit den folgenden Verfahrensschritten: A) Bereitstellen eines zunächst planen Trägersubstrats, B) Formen mindestens einer Vertiefung in das Trägersubstrat durch Tiefziehen, C) Einbetten mindestens einer Leuchtstoffschicht in die Vertiefung. Method for producing a phosphor wheel ( 12 ) according to one of claims 1 to 6 with the following method steps: A) providing a first planar carrier substrate, B) forming at least one depression in the carrier substrate by deep drawing, C) embedding at least one phosphor layer in the depression. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Verfahrensschritt C) folgende Teilschritte umfasst: C1) Bereitstellen einer Mischung aus Leuchtstoff und Trägermatrix, C2) Einfüllen der Mischung in die Vertiefung, C3) Verdichten des Leuchtstoffs in Richtung des Bodens der Vertiefung, C4) Trocknen der Leuchtstoffschicht in der Vertiefung.Method according to claim 8, wherein method step C) comprises the following substeps: C1) providing a mixture of phosphor and carrier matrix, C2) filling the mixture into the depression, C3) compacting the phosphor towards the bottom of the well, C4) drying the phosphor layer in the recess. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Verdichten des Leuchtstoffs in Teilschritt C3 mittels Vibrieren oder Fliehkraftverdichten ausgeführt wird. The method of claim 9, wherein the compacting of the phosphor in step C3 is carried out by means of vibrating or centrifugal compressing. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10 mit folgendem zusätzlichen Verfahrensschritt nach Verfahrensschritt A): Verspiegeln des Trägersubstrats. The method of claim 8, 9 or 10 with the following additional process step after process step A): Mirroring the carrier substrate. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei während des Verfahrensschritts B) der für den Boden der Vertiefung vorgesehene Bereich des Trägersubstrats zwischen zwei planparallelen Flächen des Werkzeugs zum Tiefziehen eingeklemmt wird. Method according to one of claims 8 to 10, wherein during the process step B) provided for the bottom of the recess portion of the support substrate between two plane-parallel surfaces of the deep drawing tool is clamped.
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