JP2012094741A

JP2012094741A - 波長変換素子及びそれを備える光源

Info

Publication number: JP2012094741A
Application number: JP2010241906A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Kadomi; 昌昭角見; Yoshimasa Yamaguchi; 義正山口; Takashi Nishimiya; 隆史西宮
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2012-05-17

Abstract

【課題】波長変換部材を用いた光源の高輝度化を図る。
【解決手段】波長変換素子１１は、波長変換部材１２と、反射層１３とを有する。波長変換部材１２は、蛍光体粉末が分散媒中に分散してなる。波長変換部材１２は、一対の光入出面１２ａ、１２ｂと、側面１２ｃとを有する。反射層１３は、波長変換部材１２の側面１２ｃの上に形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、波長変換素子及びそれを備える光源に関する。

近年、発光ダイオード（ＬＥＤ：ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）やレーザーダイオード（ＬＤ：ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）を用いた光源などの、蛍光ランプや白熱灯に変わる次世代の光源に対する注目が高まってきている。そのような次世代光源の一例として、例えば下記の特許文献１には、青色光を出射するＬＥＤの光出射側にＬＥＤからの光の一部を吸収し、黄色の光を出射する波長変換部材が配置された光源が開示されている。この光源は、ＬＥＤから出射された青色光と、波長変換部材から出射された黄色光との合成光である白色光を発する。

特開２０００−２０８８１５号公報

近年、上記のような波長変換部材を用いた光源の輝度をさらに高めたいという要望が高まってきている。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、波長変換部材を用いた光源の高輝度化を図ることにある。

本発明に係る波長変換素子は、波長変換部材と、反射層とを有する。波長変換部材は、蛍光体粉末が分散媒中に分散してなる。波長変換部材は、一対の光入出面と、側面とを有する。反射層は、波長変換部材の側面の上に形成されている。

波長変換部材が、分散媒中に蛍光体粉末が分散しているものである場合は、例えば、ガラスのみからなる光学部材とは異なり、波長変換部材に入射した光が波長変換部材中において大きく散乱する傾向にある。このため、例えば、波長変換部材単体では、一方の光入出面から他方の光入出面に向かって入射した光が散乱により側面から出射しやすい。このため、波長変換部材の光出射面から出射される合成光の強度が低くなってしまう。

それに対して本発明に係る波長変換素子では、波長変換部材の側面の上に反射層が形成されている。このため、側面に向かって散乱した光は、反射層により反射され、側面から出射することが効果的に抑制される。よって、本発明に係る波長変換素子では、光出射面から出射する光の強度を高めることができる。従って、本発明に係る波長変換素子を用いることによって、光源の高輝度化を図ることができる。

光源のさらなる高輝度化を図る観点からは、反射層が波長変換部材の側面の全体を覆うように形成されていることが好ましい。但し、本発明においては、反射層は、側面の一部の上にのみ形成されていてもよい。

また、反射層を設けることにより、波長変換部材に入射した光が波長変換部材から出射するまでの平均光路長を長くすることができる。従って、波長変換部材における波長変換効率を高めることができる。

反射層は、波長変換素子に入射する光、すなわち、蛍光体粉末の励起光、及び蛍光体粉末から出射される光（変換光）の反射率が高いものである限りにおいて特に限定されない。反射層は、例えば、金属、合金または白色塗料などにより形成することができる。好ましく用いられる金属の具体例としては、例えば、Ａｇ，Ａｌ，Ａｕ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ｃｒなどが挙げられる。好ましく用いられる合金の具体例としては、例えば、Ａｇ，Ａｌ，Ａｕ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｎｉ及びＣｒからなる群から選ばれた１種以上の金属を含む合金などが挙げられる。

光出射面から出射する光の強度をさらに高める観点からは、蛍光体粉末の励起波長及び蛍光体粉末に励起波長の光が照射された際に蛍光体粉末から出射される光の波長のそれぞれにおける反射層の反射率が、８０％以上であることが好ましく、８５％以上であることがより好ましく、９０％以上であることがさらに好ましい。

蛍光体粉末は、無機蛍光体粉末であることが好ましい。また、分散媒は、ガラスまたはセラミックスからなることが好ましい。このように、蛍光体粉末及び分散媒を無機材料からなるものとすることにより、波長変換素子の耐熱性を向上することができる。

本発明に係る光源は、上記本発明に係る波長変換素子と、波長変換素子の一対の光入出面のうちの一方に向けて蛍光体粉末の励起光を出射する発光素子とを備える。

上述の通り、上記本発明に係る波長変換素子では、光出射面から出射する光の強度を高めることができる。従って、本発明に係る光源は、高輝度である。

本発明によれば、波長変換部材を用いた光源の高輝度化を図ることができる。

第１の実施形態に係る光源の模式図である。第１の実施形態における波長変換部材の素子本体の略図的斜視図である。図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける略図的断面図である。第２の実施形態における波長変換素子の略図的斜視図である。

以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は単なる例示である。本発明は、以下の実施形態に何ら限定されない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る光源の模式図である。図１に示すように、光源１は、波長変換素子１１と、発光素子１０とを備えている。波長変換素子１１は、発光素子１０から出射された光Ｌ０が照射された際に、光Ｌ０よりも波長の長い光Ｌ２を出射する。また、光Ｌ０の一部は、波長変換素子１１を透過する。このため、波長変換素子１１からは、透過光Ｌ１と光Ｌ２との合成光である光Ｌ３が出射する。このため、光源１から出射する光Ｌ３は、発光素子１０から出射する光Ｌ０の波長及び強度と、波長変換素子１１から出射する光Ｌ２の波長及び強度とによって決まる。例えば、光Ｌ０が青色光であり、光Ｌ２が黄色光である場合は、白色の光Ｌ３を得ることができる。

発光素子１０は、波長変換素子１１に対して後述する蛍光体粉末の励起光を出射する素子である。発光素子１０の種類は特に限定されない。発光素子１０は、例えば、ＬＥＤ、ＬＤ、レーザー素子、エレクトロルミネッセンス発光素子、プラズマ発光素子により構成することができる。光源１の輝度を高める観点からは、発光素子１０は、高強度の光を出射するものであることが好ましい。この観点からは、発光素子１０は、ＬＥＤやレーザー素子により構成されていることが好ましい。

本実施形態においては、波長変換素子１１は、素子本体１１ａと、波長選択フィルタ層１１ｂと、反射抑制層１１ｃとを有する。もっとも、本発明においては、波長選択フィルタ層１１ｂ及び反射抑制層１１ｃは、必須ではない。波長変換素子は、例えば、素子本体のみにより構成されていてもよい。また、素子本体の光出射面と光入射面との両方の上に波長選択フィルタ層または反射抑制層のいずれかが形成されていてもよい。

波長選択フィルタ層１１ｂは、素子本体１１ａの光入射面の上に形成されている。この波長選択フィルタ層１１ｂは、発光素子１０から出射される光Ｌ０の内、特定の波長域の光のみを素子本体１１ａへ透過させ、それ以外の波長域の光の透過を抑制すると共に、素子本体１１ａで変換された光Ｌ２が光入射面（発光素子１０）側から出射することを防止する層である。波長選択フィルタ層１１ｂは、例えば、誘電体多層膜により形成することができる。

一方、反射抑制層１１ｃは、素子本体１１ａの光出射面の上に形成されている。この反射抑制層１１ｃは、素子本体１１ａから出射する光が光出射面で反射することを抑制して、素子本体１１ａから出射する光の出射率を高める層である。反射抑制層１１ｃは、例えば、誘電体多層膜により形成することができる。

図２は、素子本体１１ａの略図的斜視図である。図３は、素子本体１１ａの略図的断面図である。図２及び図３に示すように、素子本体１１ａは、波長変換部材１２と、反射層１３とを有する。波長変換部材１２は、光入射面１２ａと、光出射面１２ｂと、側面１２ｃとを有する。光入射面１２ａと光出射面１２ｂとは対向している。

波長変換部材１２は、分散媒と、分散媒中に分散している蛍光体粉末とを有する。

蛍光体粉末は、発光素子１０からの光Ｌ０を吸収し、光Ｌ０よりも波長が長い光Ｌ２を出射するものである。蛍光体粉末は、無機蛍光体粉末であることが好ましい。無機蛍光体粉末を用いることにより、波長変換部材１２の耐熱性を向上することができる。

波長３００〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると青色の発光を発する無機蛍光体の具体例としては、Ｓｒ_５（ＰＯ_４）_３Ｃｌ：Ｅｕ^２＋、（Ｓｒ，Ｂａ）ＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ^２＋などが挙げられる。

波長３００〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると緑色の蛍光（波長が５００ｎｍ〜５４０ｎｍの蛍光）を発する無機蛍光体の具体例としては、ＳｒＡｌ_２Ｏ_４：Ｅｕ^２＋、ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ^２＋などが挙げられる。

波長４４０〜４８０ｎｍの青色の励起光を照射すると緑色の蛍光（波長が５００ｎｍ〜５４０ｎｍの蛍光）を発する無機蛍光体の具体例としては、ＳｒＡｌ_２Ｏ_４：Ｅｕ^２＋、ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ^２＋などが挙げられる。

波長３００〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると黄色の蛍光（波長が５４０ｎｍ〜５９５ｎｍの蛍光）を発する無蛍光体の具体例としては、ＺｎＳ：Ｅｕ^２＋などが挙げられる。

波長４４０〜４８０ｎｍの青色の励起光を照射すると黄色の蛍光（波長が５４０ｎｍ〜５９５ｎｍの蛍光）を発する無機蛍光体の具体例としては、Ｙ_３（Ａｌ，Ｇｄ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ^２＋などが挙げられる。

波長３００〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると赤色の蛍光（波長が６００ｎｍ〜７００ｎｍの蛍光）を発する無機蛍光体の具体例としては、Ｇｄ_３Ｇａ_４Ｏ_１２：Ｃｒ^３＋、ＣａＧａ_２Ｓ_４：Ｍｎ^２＋などが挙げられる。

波長４４０〜４８０ｎｍの青色の励起光を照射すると赤色の蛍光（波長が６００ｎｍ〜７００ｎｍの蛍光）を発する無機蛍光体の具体例としては、Ｍｇ_２ＴｉＯ_４：Ｍｎ^４＋、Ｋ_２ＳｉＦ_６：Ｍｎ^４＋などが挙げられる。

蛍光体粉末の平均粒子径（Ｄ_５０）は、特に限定されない。蛍光体粉末の平均粒子径（Ｄ_５０）は、例えば、１μｍ〜５０μｍ程度であることが好ましく、５μｍ〜２５μｍ程度であることがより好ましい。蛍光体粉末の平均粒子径Ｄ_５０が大きすぎると、発光色が不均一になる場合がある。一方、蛍光体粉末の平均粒子径Ｄ_５０が小さすぎると、発光強度が低下する場合がある。

波長変換部材１２における蛍光体粉末の含有量は、特に限定されない。波長変換部材１２における蛍光体粉末の含有量は、発光素子１０から出射される光の強度、蛍光体粉末の発光特性、得ようとする光の色度などに応じて適宜設定することができる。波長変換部材１２における蛍光体粉末の含有量は、一般的には、例えば、０．０１質量％〜３０重量％程度とすることができ、０．０５質量％〜２０質量％であることが好ましく、０．０８質量％〜１５質量％であることがさらに好ましい。波長変換部材１２における蛍光体粉末の含有量が多すぎると、波長変換部材１２における気孔率が高くなり、光源１の発光強度が低下してしまう場合がある。一方、波長変換部材１２における蛍光体粉末の含有量が少なすぎると、十分に強い蛍光が得られなくなる場合がある。

分散媒は、例えば、耐熱樹脂やガラスやセラミックスであることが好ましい。なかでも、耐熱性が特に高く、発光素子１０からの光Ｌ０により劣化し難いガラスやセラミックスなどの無機分散媒がより好ましく用いられる。

耐熱樹脂の具体例としては、例えばポリイミドなどが挙げられる。ガラスの具体例としては、例えば、珪酸塩系ガラス、硼珪酸塩系ガラス、リン酸塩系ガラス、硼リン酸塩系ガラスなどが挙げられる。セラミックスの具体例としては、例えば、ジルコニア、アルミナ、チタン酸バリウム、窒化ケイ素、窒化チタン等の金属窒化物などが挙げられる。

なお、素子本体１１ａは、例えば、ガラス粉末と無機蛍光体粉末とを含む混合粉末をプレス成形した後に、焼成することにより作製することができる。

反射層１３は、側面１２ｃの上に形成されている。本実施形態では、反射層１３は、側面１２ｃの全体を覆うように形成されている。反射層１３は、発光素子１０からの光Ｌ０、すなわち、蛍光体粉末の励起光、及び蛍光体粉末から出射される光（変換光）の反射率が高いものであることが好ましい。具体的には、蛍光体粉末の励起波長及び蛍光体粉末に励起波長の光が照射された際に蛍光体粉末から出射される光の波長のそれぞれにおける反射層１３の反射率は、８０％以上であることが好ましく、８５％以上であることがより好ましく、９０％以上であることがさらに好ましい。

このような反射率を実現する観点からは、反射層１３は、例えば、金属、合金または白色塗料などからなることが好ましい。具体的には、反射層１３は、例えば、Ａｇ，Ａｌ，Ａｕ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ｃｒなどの金属やこれらの金属のすくなくともひとつを含む合金または白色塗料により形成されていることが好ましい。

なお、反射層１３の材質によっては、反射層１３を波長変換部材１２の上に直接形成すると、反射層１３の密着強度を十分に高くできない場合がある。このため、反射層１３と波長変換部材１２との間に密着層を形成してもよい。密着層は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化クロム、酸化銅などにより形成することができる。

以上説明したように、本実施形態では、側面１２ｃの上に反射層１３が形成されている。このため、波長変換部材１２中において散乱し、側面１２ｃに向かう光が、側面１２ｃから出射することを抑制することができる。特に、本実施形態では、側面１２ｃの全体が反射層１３で覆われているため、側面１２ｃからの光の漏洩をより効果的に抑制することができる。よって、波長変換部材１２の光出射面１２ｂから出射する光Ｌ３の強度を高めることができる。従って、光源１の輝度を高めることができる。

また、反射層１３を設けることにより、波長変換部材１２に入射した光が波長変換部材１２から出射するまでの平均光路長を長くすることができる。従って、波長変換部材１２における波長変換効率を高めることができる。

以下、本発明実施した好ましい形態の他の例及び変形例について説明する。以下の説明において、上記第１の実施形態と実質的に共通の機能を有する部材を共通の符号で参照し、説明を省略する。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態における波長変換素子の略図的斜視図である。上記第１の実施形態では、波長変換部材１２が角柱状である例について説明した。但し、本発明は、これに限定されない。図４に示すように、波長変換部材１２は、例えば円柱状であってもよい。また、波長変換部材は、円板状、矩形板状などであってもよい。

１…光源
１０…発光素子
１１…波長変換素子
１１ａ…素子本体
１１ｂ…波長選択フィルタ層
１１ｃ…反射抑制層
１２…波長変換部材
１２ａ…光入射面
１２ｂ…光出射面
１２ｃ…側面
１３…反射層

Claims

蛍光体粉末が分散媒中に分散してなり、一対の光入出面と、側面とを有する波長変換部材と、
前記波長変換部材の側面の上に形成された反射層と、
を備える、波長変換素子。
前記反射層は、金属、合金または白色塗料からなる、請求項１に記載の波長変換素子。
前記反射層は、前記波長変換部材の側面の全体を覆うように形成されている、請求項１または２に記載の波長変換素子。
前記蛍光体粉末の励起波長及び前記蛍光体粉末に励起波長の光が照射された際に前記蛍光体粉末から出射される光の波長のそれぞれにおける前記反射層の反射率が、８０％以上である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の波長変換素子。
前記蛍光体粉末が無機蛍光体粉末であり、前記分散媒が、ガラスまたはセラミックスである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の波長変換素子。
請求項１〜５のいずれか一項に記載の波長変換素子と、
前記波長変換素子の前記一対の光入出面のうちの一方に向けて前記蛍光体粉末の励起光を出射する発光素子と、
を備える、光源。