JP2012129135A - Light source device, illumination device, and method of manufacturing phosphor layer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光源装置、照明装置、蛍光体層作製方法に関する。 The present invention relates to a light source device, an illumination device, and a phosphor layer manufacturing method.
LED等の固体光源(光半導体)と蛍光体層を組み合わせた光源装置は、例えば特許文献1に記載のように広く知られている。
A light source device in which a solid light source (photo semiconductor) such as an LED and a phosphor layer are combined is widely known as described in
図1は特許文献1に記載の光源装置であって、この光源装置では、図1のように蛍光体層92を光半導体(固体光源)95と直接接合することで、蛍光体層92で発生した熱を光半導体(固定光源)95側に放散することを意図している。
FIG. 1 shows a light source device described in
ところで、従来の図1に示すような光半導体(固体光源)95と蛍光体層92とが直接接合された光源装置では、光半導体(固体光源)95からの励起光によって励起された蛍光体層92からの発光(蛍光)のうち光半導体(固体光源)95側とは反対側に出射する蛍光と、蛍光体層92で吸収されずに蛍光体層92を透過する光半導体(固体光源)95からの励起光とを用いている。つまり、図1の光源装置は、蛍光体層92を透過する光を利用する透過方式のものとなっている。 Incidentally, in the conventional light source device in which the optical semiconductor (solid light source) 95 and the phosphor layer 92 are directly bonded as shown in FIG. 1, the phosphor layer excited by the excitation light from the optical semiconductor (solid light source) 95. The light emitted from the light 92 (fluorescence) is emitted to the side opposite to the optical semiconductor (solid light source) 95 side, and the light semiconductor (solid light source) 95 that is not absorbed by the phosphor layer 92 and passes through the phosphor layer 92. The excitation light from is used. That is, the light source device of FIG. 1 is of a transmissive type that uses light transmitted through the phosphor layer 92.
ここで、蛍光体層92からの出射光を考えると、上記透過光とともに蛍光体層92との界面で反射されて光半導体(固体光源)95側へ戻って行く光、つまり反射光も存在しており、この光(反射光)は、光半導体(固体光源)95に再吸収されるため、照明光として利用できない光となってしまうという問題があった。 Here, when light emitted from the phosphor layer 92 is considered, there is also light reflected from the interface with the phosphor layer 92 together with the transmitted light and returning to the optical semiconductor (solid light source) 95 side, that is, reflected light. This light (reflected light) is re-absorbed by the optical semiconductor (solid light source) 95, so that there is a problem that the light cannot be used as illumination light.
また、図1の光源装置では、蛍光体層92の熱を光半導体(固体光源)95側に放散することを意図しているが、光半導体(固体光源)95の励起光強度を高めた場合、蛍光体層92のみならず光半導体(固体光源)95でも発熱が起きるため、蛍光体層92の発熱を同じく発熱している光半導体(固体光源)95の側から放散させることとなり、熱放散の効率が良くないという問題があった。 1 is intended to dissipate the heat of the phosphor layer 92 to the optical semiconductor (solid light source) 95 side, but the excitation light intensity of the optical semiconductor (solid light source) 95 is increased. Since heat is generated not only in the phosphor layer 92 but also in the optical semiconductor (solid light source) 95, the heat generated in the phosphor layer 92 is dissipated from the side of the optical semiconductor (solid light source) 95 that is also generating heat. There was a problem that the efficiency of was not good.
このように、図1の光源装置では、透過方式のものとなっていることと、蛍光体層92の発熱に対する熱放散の効率が良くないということとから、高輝度化に限界があった。 As described above, the light source device shown in FIG. 1 has a limitation on high luminance because it is of a transmissive type and the efficiency of heat dissipation with respect to the heat generation of the phosphor layer 92 is not good.
本願出願人は、従来に比べて十分な高輝度化を図るため、本願の先願(特願2009−286397)において、図2に示すように、光半導体(固体光源)5と蛍光体層2とを空間的に離して配置し、固体光源5からの励起光を蛍光体層2に入射させて蛍光体層2からの蛍光と励起光とを反射方式で取り出す光源装置10を案出した。ここで、反射方式とは、前記蛍光体層2の面のうち励起光が入射する側の面とは反対側に設けられた反射面による反射を用いて蛍光と励起光を取り出す方式であり、反射方式を採用することで、蛍光の反射光と励起光の反射光とを光損失が少なく利用できるため高輝度化が可能となる。なお、図2において、符号6は光反射性基板(放熱基板)、符号7は蛍光体層2と光反射性基板(放熱基板)6との接合部である。
In the prior application (Japanese Patent Application No. 2009-286397) of the present application, the applicant of the present application, as shown in FIG. Are spaced apart from each other, and the
このような光源装置10において、蛍光体層2として樹脂成分を実質的に含まない蛍光体セラミックスを用いる場合、蛍光体セラミックスは、樹脂成分を含まないため変色は起こらず、さらに蛍光体セラミックスは、温度感受性が低いので、温度消光が起きず、より一層の高輝度化が可能となる。
In such a
すなわち、蛍光体層2として樹脂成分を実質的に含まない蛍光体セラミックスを用い、それを光反射性基板(放熱基板)6と金属の接合部7で接合することにより、蛍光体層2からの熱放散を促進し、より一層の高輝度化を実現することが可能となる。
That is, the
しかしながら、図2の光源装置10において、蛍光体層2として樹脂成分を実質的に含まない蛍光体セラミックスを用いる場合、蛍光体セラミックスは空気に対して屈折率が高く、さらに内部にポアなどの散乱の原因となるものが少ないため、光が蛍光体セラミックス内部を伝播し、板状に成形した場合には側面から出射される発光成分が増加して、正面方向へ出射される発光成分が減少してしまうという不具合が生じる。また、このとき、固体光源5からの励起光と、固体光源5からの励起光により励起される蛍光体層(蛍光体セラミックス)2からの蛍光(励起光の波長よりも長波長の光)との混色により例えば白色の照明光を得るが、蛍光体層(蛍光体セラミックス)2内において固体光源5からの励起光と蛍光体層(蛍光体セラミックス)2からの蛍光との伝播度合が異なるため、照明光が色分離してしまうという問題があった。
However, in the
本発明は、蛍光体層として樹脂成分を実質的に含まない蛍光体セラミックスを用いる場合にも、正面方向へ出射される発光成分の減少を防止してさらにより一層の高輝度化を図り、さらに照明光の色分離を防止することの可能な光源装置、照明装置、蛍光体層作製方法を提供することを目的としている。 In the present invention, even when using a phosphor ceramic that does not substantially contain a resin component as the phosphor layer, it is possible to prevent a decrease in the light emitting component emitted in the front direction and further increase the brightness. An object of the present invention is to provide a light source device, an illumination device, and a phosphor layer manufacturing method capable of preventing color separation of illumination light.
上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を発光する固体光源と、該固体光源からの励起光により励起され該固体光源の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する少なくとも1種類の蛍光体を含む蛍光体層とを備え、前記固体光源と前記蛍光体層とが空間的に離れて配置されており、前記蛍光体層の励起光が入射する側の面から反射方式で少なくとも蛍光を取り出す光源装置であって、前記蛍光体層は、複数の蛍光体片を束ねた構造となっており、隣接する蛍光体片間には、遮光性を有する層が形成されていることを特徴としている。
In order to achieve the above object, the invention described in
また、請求項2記載の発明は、請求項1記載の光源装置において、前記遮光性を有する層は、前記各蛍光体片の側面全体に亘り形成されていることを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, in the light source device according to the first aspect, the light-shielding layer is formed over the entire side surface of each phosphor piece.
また、請求項3記載の発明は、請求項1または請求項2記載の光源装置において、前記複数の蛍光体片は、蛍光体セラミックスであることを特徴としている。 According to a third aspect of the present invention, in the light source device according to the first or second aspect, the plurality of phosphor pieces are phosphor ceramics.
また、請求項4記載の発明は、請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の光源装置が用いられていることを特徴とする照明装置である。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an illuminating device in which the light source device according to any one of the first to third aspects is used.
また、請求項5記載の発明は、複数の棒状の蛍光体片の表面に遮光性を有する層を形成し、表面に遮光性を有する層が形成された各蛍光体片を束ねた後に、各蛍光体片の表面に形成されている遮光性を有する層を溶融して、隣接する蛍光体片間に遮光性を有する層が形成された一体化された構造とし、これを棒状の蛍光体片の長さ方向に対して垂直に切断することで、蛍光体層を作製することを特徴とする蛍光体層作製方法である。
Further, in the invention according to
請求項1乃至請求項4記載の発明によれば、紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を発光する固体光源と、該固体光源からの励起光により励起され該固体光源の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する少なくとも1種類の蛍光体を含む蛍光体層とを備え、前記固体光源と前記蛍光体層とが空間的に離れて配置されており、前記蛍光体層の励起光が入射する側の面から反射方式で少なくとも蛍光を取り出す光源装置であって、前記蛍光体層は、複数の蛍光体片を束ねた構造となっており、隣接する蛍光体片間には、遮光性を有する層が形成されているので、蛍光体層として樹脂成分を実質的に含まない蛍光体セラミックスを用いる場合にも、正面方向へ出射される発光成分の減少を防止してさらにより一層の高輝度化を図り、さらに照明光の色分離を防止することが可能となる。 According to the first to fourth aspects of the present invention, the solid light source that emits light of a predetermined wavelength in the wavelength region from ultraviolet light to visible light, and the solid that is excited by the excitation light from the solid light source A phosphor layer containing at least one phosphor that emits fluorescence having a wavelength longer than the emission wavelength of the light source, and the solid-state light source and the phosphor layer are arranged spatially separated from each other, and the fluorescence A light source device that extracts at least fluorescence by a reflection method from a surface of a body layer on which excitation light is incident, wherein the phosphor layer has a structure in which a plurality of phosphor pieces are bundled, and adjacent phosphor pieces In the meantime, a light-shielding layer is formed, so that even when using phosphor ceramics that do not substantially contain a resin component as the phosphor layer, it is possible to prevent a decrease in light emitting components emitted in the front direction. To achieve even higher brightness It is possible further to prevent color separation of the illuminating light.
また、請求項5記載の発明によれば、複数の棒状の蛍光体片の表面に遮光性を有する層を形成し、表面に遮光性を有する層が形成された各蛍光体片を束ねた後に、各蛍光体片の表面に形成されている遮光性を有する層を溶融して、隣接する蛍光体片間に遮光性を有する層が形成された一体化された構造とし、これを棒状の蛍光体片の長さ方向に対して垂直に切断することで、蛍光体層を作製するので、簡単な工程により、均一膜厚で大面積の蛍光体層(複数の蛍光体片を束ねた構造であって隣接する蛍光体片間には遮光性を有する層が形成されている蛍光体層)を提供することができる。
According to the invention of
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図3(a),(b)は、本発明の光源装置の一構成例を示す図である。なお、図3(a)は光源装置全体を示す図、図3(b)は蛍光体層が設けられている部分の斜視図であり、図3(a)では、蛍光体層が設けられている部分については、図3(b)のA−A線における断面図として示されている。また、図3(a),(b)において、図2(a),(b)と同様の箇所には同じ符号を付している。図3(a)を参照すると、この光源装置20は、紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を発光する固体光源5と、該固体光源5からの励起光により励起され該固体光源5の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する少なくとも1種類の蛍光体を含む蛍光体層12と、該蛍光体層12の面のうち励起光が入射する面とは反対の側の面に設けられた光反射性基板(放熱基板)6とを備え、固体光源5と蛍光体層12とが空間的に離れて配置されている。
FIGS. 3A and 3B are diagrams showing a configuration example of the light source device of the present invention. 3A is a diagram illustrating the entire light source device, FIG. 3B is a perspective view of a portion where the phosphor layer is provided, and FIG. 3A is a diagram where the phosphor layer is provided. About the part which has been shown, it is shown as sectional drawing in the AA of FIG.3 (b). 3 (a) and 3 (b), the same reference numerals are given to the same portions as those in FIGS. 2 (a) and 2 (b). Referring to FIG. 3A, the
ここで、図3(a),(b)に示すように、蛍光体層12は、接合部7によって光反射性基板6に取り付けられている。
Here, as shown in FIGS. 3A and 3B, the
このように、この光源装置20は、基本的には、本願の先願(特願2009−286397)と同様に、固体光源5と蛍光体層12とを空間的に離して配置し、蛍光体層12の面のうち固体光源5からの励起光が入射する側の面(本発明では、この面を蛍光体層入射面という)とは反対の側の面に設けられた光反射性基板6による反射を用いて固体光源5からの励起光の反射成分と蛍光体層12からの蛍光の反射成分とを(例えば照明光として)取り出す方式(以下、反射方式または反射型と称す)が採用されている。これにより、従来に比べて十分な高輝度化を図ることが可能となる。
As described above, the
さらに、本発明では、蛍光体層として樹脂成分を実質的に含まない蛍光体セラミックスを用いる場合にも、正面方向へ出射される発光成分の減少を防止してさらにより一層の高輝度化を図り、さらに照明光の色分離を防止することを意図しており、このため、図3(a),(b)の光源装置20では、蛍光体層12は、複数の蛍光体片12aを束ねた構造となっており、隣接する蛍光体片12a間には、遮光性を有する層13が形成されている。
Furthermore, in the present invention, even when a phosphor ceramic that does not substantially contain a resin component is used as the phosphor layer, a reduction in the light emitting component emitted in the front direction is prevented to further increase the brightness. Further, it is intended to prevent color separation of the illumination light. For this reason, in the
ここで、各蛍光体片12aは、棒状のもの(微小断面積の棒形状(図3(b)の例では円柱状(断面形状が円形))のもの)となっている。なお、図3(b)の例では、各蛍光体片12aは、断面形状が円形のものとなっているが、断面形状は円形に限らず、どのような形状でも構わない。ただし、各蛍光体片12aを均一に配置できることから、各蛍光体片12aの断面形状は、円形、正六角形、正方形などが望ましい。図4には、各蛍光体片12aの断面形状が正六角形(各蛍光体片12aが六角柱状)の場合が示されている。
Here, each
また、隣接する蛍光体片12a間に形成されている遮光性を有する層13は、高い遮光性を有し、かつ溶着工程が可能な材料であればどのような材料でもよいが、特に高い伝熱特性を持つ金属材料が好ましい。また、遮光性を有する層13は、少なくとも隣接する蛍光体片12a間に形成されているが、図3(a),(b)に示すように、各蛍光体片12aの側面全体に亘り形成されていても良い。
The light-
このように、この光源装置20では、蛍光体層12は、複数の棒状の蛍光体片12aを束ねた構造となっており、隣接する蛍光体片12a間には、遮光性を有する層13が形成されていることにより、蛍光体片12aの1つに入射した励起光、および、この励起光により励起された蛍光体からの蛍光は、遮光性を有する層13によって、隣接する蛍光体片12aへの伝播が阻止される。これによって、各蛍光体片12aに樹脂成分を実質的に含まない蛍光体セラミックスを用いる場合にも、蛍光体層12の側面から出射される発光成分の増加は抑止され、蛍光体層12の正面方向へ出射される発光成分の減少を防止してさらにより一層の高輝度化を図ることができ、また、これに伴い、各蛍光体片(蛍光体セラミックス)12a内において固体光源5からの励起光と蛍光体片(蛍光体セラミックス)12aからの蛍光との伝播度合の異なりも少なくなり、照明光の色分離を防止することも可能となる。
Thus, in this
以下に、より具体的に説明を行う。 More specific description will be given below.
蛍光体層2の各蛍光体片12aには、実質的に樹脂成分を含んでいないものが用いられるのが好ましい。すなわち、蛍光体層2の各蛍光体片12aに、実質的に樹脂成分を含んでいないものが用いられる場合には、熱による変色がなく、光の吸収が少ないことから、より一層の高輝度化を図ることができる。
As each
ここで、樹脂成分を実質的に含まない蛍光体片12aとは、蛍光体片の形成に通常使用される樹脂成分が蛍光体片の5wt%以下であるものを意味する。このような蛍光体片を実現するものとして蛍光体粉末をガラス中に分散させたもの、ガラス母体に発光中心イオンを添加したガラス蛍光体、蛍光体の単結晶や蛍光体の多結晶(以下、蛍光体セラミックスと称す)などが挙げられる。蛍光体セラミックスは、蛍光体の製造過程において、焼成前に材料を任意の形状に成形し、焼成した蛍光体の塊である。蛍光体セラミックスは、その製造工程のうち、成形工程においてバインダーとして有機物を使用する場合があるが、成形後に脱脂工程を設けて有機成分を焼き飛ばすため、焼成後の蛍光体セラミックスには有機樹脂成分は5wt%以下しか残留しない。したがって、ここに挙げた蛍光体片は、実質的に樹脂成分は含まず、無機物質のみから構成されているため、熱による変色が発生することがない。また、無機物質のみからなるガラスやセラミックスは、一般に、樹脂よりも熱伝導率が高いため、蛍光体層12から基板6への熱放散においても有利である。特に蛍光体セラミックスは、一般的に、ガラスよりもさらに熱伝導率が高く、単結晶より製造コストが安いため、これを各蛍光体片12aに用いるのが好適である。
Here, the
また、各蛍光体片12aは固体光源5からの励起光により励起され固体光源5の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する少なくとも1種類の蛍光体を含んでいる。具体的には、固体光源5が紫外光を発光するものである場合、各蛍光体片12aは、例えば、青、緑、赤色などの蛍光体のうち、少なくとも1種類の蛍光体を含んでいる。固体光源5が紫外光を発光するものである場合、各蛍光体片12aが、例えば、青、緑、赤色の蛍光体を含んでいるときには(青、緑、赤色の蛍光体のそれぞれが例えば均一に分散されて混合されたものとなっているときには)、固体光源5からの紫外光を各蛍光体片12aに照射するとき、反射光として白色の照明光を得ることができる。また、固体光源5が可視光として青色光を発光するものである場合、各蛍光体片12aは、例えば、緑、赤、黄色などの蛍光体のうち、少なくとも1種類の蛍光体を含んでいる。固体光源5が可視光として青色光を発光するものである場合、各蛍光体片12aが、例えば、緑、赤色の蛍光体を含んでいるときには(緑、赤色の蛍光体のそれぞれが例えば均一に分散されて混合されたものになっているときには)、固体光源5からの青色光を蛍光体層2に照射するとき、反射光として白色などの照明光を得ることができる。また、固体光源5が可視光として青色光を発光するものである場合、各蛍光体片12aが、例えば、黄色の蛍光体だけを含んでいるときには、固体光源5からの青色光を各蛍光体片12aに照射するとき、反射光として白色などの照明光を得ることができる。
Each
また、上記光源装置20において、光反射性基板6は、光(固体光源5からの励起光によって励起された蛍光体層12(各蛍光体片12a)からの発光(蛍光)と、蛍光体層12(各蛍光体片12a)で吸収されなかった固体光源5からの励起光)に対する反射面の役割と、蛍光体層12(各蛍光体片12a)から放散してきた熱を外部へ放散させる役割と、蛍光体層12の支持基板の役割も担うものである。このため、高い光反射特性、伝熱特性、加工性が求められる。この光反射性基板6には、金属基板やアルミナなどの酸化物セラミックス、窒化アルミニウムなどの非酸化セラミックスなどが使用可能であるが、特に高い光反射特性、伝熱特性、加工性を併せ持つ金属基板が使用されるのが望ましい。
In the
また、蛍光体層12と光反射性基板6との接合部7には、有機接着剤、無機接着剤、低融点ガラス、金属(金属のろう付け)などを用いることができる。接合部7も、光(固体光源5からの励起光によって励起された蛍光体層12(各蛍光体片12a)からの発光(蛍光)と、蛍光体層12(各蛍光体片12a)で吸収されなかった固体光源5からの励起光)に対する反射面の役割と、蛍光体層12(各蛍光体片12a)から熱を放散させる役割とを担うものであるから、高い光反射特性と伝熱特性を併せ持つ金属(金属のろう付け、もしくは、金属成分を含有する導電性接着剤)が用いられるのが望ましい。
In addition, an organic adhesive, an inorganic adhesive, low-melting glass, metal (metal brazing), or the like can be used for the joint 7 between the
また、隣接する蛍光体片12a間に形成されている遮光性を有する層13は、隣接する蛍光体片12a間での光の伝播を防ぐ役割を担うものであるから、高い遮光特性を持つものが望ましい。特に、高い伝熱特性を持つ金属材料が望ましいが、これに限るものではない。
The light-
次に、上記光源装置20をより詳細に説明する。
Next, the
光源装置20において、固体光源5には、紫外光から可視光領域に発光波長をもつ発光ダイオードや半導体レーザーなどが使用可能である。
In the
より具体的に、固体光源5には、例えば、InGaN系の材料を用いた発光波長が約380nm乃至約400nmの近紫外光を発光する発光ダイオードや半導体レーザーなどを用いることができる。この場合、各蛍光体片12aの蛍光体としては、波長が約380nm乃至約400nmの紫外光により励起されるものとして、例えば、赤色蛍光体には、CaAlSiN3:Eu2+、(Ca,Sr)AlSiN3:Eu2+、Ca2Si5N8:Eu2+、(Ca,Sr)2Si5N8:Eu2+、KSiF6:Mn4+、KTiF6:Mn4+等が用いられ、黄色蛍光体には、(Sr,Ba)2SiO4:Eu2+、Cax(Si,Al)12(O,N)16:Eu2+等が用いられ、緑色蛍光体には、(Ba,Sr)2SiO4:Eu2+、Ba3Si6O12N2:Eu2+、(Si,Al)6(O,N)8:Eu2+、BaMgAl10O17:Eu2+,Mn2+等が用いられ、青色蛍光体には、BaMgAl10O17:Eu2+等を用いることができる(ここで、Eu2+やMn4+は、蛍光体の発光中心として働く元素であり、賦活剤と呼ばれる)。
More specifically, the solid-
また、固体光源5には、例えば、GaN系の材料を用いた発光波長が約460nm程度の青色光を発光する発光ダイオードや半導体レーザーなどを用いることができる。この場合、各蛍光体片12aの蛍光体としては、波長が約440nm乃至約470nmの青色光により励起されるものとして、例えば、赤色蛍光体には、CaAlSiN3:Eu2+、(Ca,Sr)AlSiN3:Eu2+、Ca2Si5N8:Eu2+、(Ca,Sr)2Si5N8:Eu2+、KSiF6:Mn4+、KTiF6:Mn4+等が用いられ、黄色蛍光体には、Y3Al5O12:Ce3+、(Sr,Ba)2SiO4:Eu2+、Cax(Si,Al)12(O,N)16:Eu2+等が用いられ、緑色蛍光体には、Lu3Al5O12:Ce3+、(Lu,Y)3Al5O12:Ce3+、Y3(Ga,Al)5O12:Ce3+、Ca3Sc2Si3O12:Ce3+、CaSc2O4:Eu2+、(Ba,Sr)2SiO4:Eu2+、Ba3Si6O12N2:Eu2+、(Si,Al)6(O,N)8:Eu2+等を用いることができる(ここで、Eu2+やMn4+やCe3+は、蛍光体の発光中心として働く元素であり、賦活剤と呼ばれる)。
The solid-
各蛍光体片12aとしては、これらの蛍光体粉末をガラス中に分散させたものや、ガラス母体に発光中心イオンを添加したガラス蛍光体、樹脂などの結合部材を含まない蛍光体セラミックス等を用いることができる。蛍光体粉末をガラス中に分散させたものの具体例としては、上に列挙した組成の蛍光体粉末をP2O3、SiO2、B2O3、Al2O3などの成分を含むガラス中に分散したものが挙げられる。ガラス母体に発光中心イオンを添加したガラス蛍光体としては、Ce3+やEu2+を賦活剤として添加したCa−Si−Al−O−N系やY−Si−Al−O−N系などの酸窒化物系ガラス蛍光体が挙げられる。蛍光体セラミックスとしては、上に列挙した組成の蛍光体組成からなり、樹脂成分を実質的に含まない焼結体が挙げられる。これらの中でも透光性を有する蛍光体セラミックスを使用することが望ましい。これは、焼結体中に光の散乱の原因となるポアや粒界の不純物がほとんど存在しないために透光性を有するに至った蛍光体セラミックスである。ポアや不純物は熱拡散を妨げる原因にもなるため、透光性セラミックスは高い熱伝導率を示す。このため各蛍光体片12aとして利用した場合には励起光や蛍光を拡散により失うことなく各蛍光体片12aから取り出して利用でき、さらに各蛍光体片12aで発生した熱を効率良く放散することができる。透光性を示さない焼結体でも出来るだけポアや不純物の少ないものが望ましい。ポアの残存量を評価する指標としては蛍光体セラミックスの比重の値を用いることができ、その値が計算される理論値に対して95%以上のものが望ましい。
As each
ここで、青色励起の黄色発光蛍光体であるY3Al5O12:Ce3+蛍光体を例に、透光性を有する蛍光体セラミックスの製造方法を説明する。蛍光体セラミックスは出発原料の混合工程、成形工程、焼成工程、加工工程を経て製造される。出発原料には、酸化イットリウムや酸化セリウムやアルミナ等、Y3Al5O12:Ce3+蛍光体の構成元素の酸化物や、焼成後に酸化物となる炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩等を用いる。出発原料の粒径はサブミクロンサイズのものが望ましい。これらの原料を化学量論比となるように秤量する。このとき焼成後のセラミックスの透過率向上を目的として、カルシウムやシリコンなどの化合物を添加することも可能である。秤量した原料は、水もしくは有機溶剤を用い、湿式ボールミルにより十分に分散、混合を行う。次に混合物を所定の形状に成形する。成形方法としては、一軸加圧法、冷間静水圧法、スリップキャスティング法や射出成形法等を用いることができる。得られた成形体を1600〜1800℃で焼成する。このとき10〜50μm径の型や射出孔を用いて成形体を作ることにより、10〜100μm径の透光性のY3Al5O12:Ce3+棒状蛍光体セラミックスを得ることができる。 Here, a method of manufacturing a phosphor ceramic having translucency will be described by taking as an example a Y 3 Al 5 O 12 : Ce 3+ phosphor which is a blue-excited yellow light-emitting phosphor. The phosphor ceramic is manufactured through a starting material mixing step, a forming step, a firing step, and a processing step. As starting materials, yttrium oxide, cerium oxide, alumina, and the like, oxides of constituent elements of Y 3 Al 5 O 12 : Ce 3+ phosphor, carbonates, nitrates, sulfates and the like that become oxides after firing are used. The particle size of the starting material is preferably a submicron size. These raw materials are weighed so as to have a stoichiometric ratio. At this time, for the purpose of improving the transmittance of the ceramic after firing, it is also possible to add a compound such as calcium or silicon. The weighed raw materials are sufficiently dispersed and mixed by a wet ball mill using water or an organic solvent. Next, the mixture is formed into a predetermined shape. As the molding method, a uniaxial pressing method, a cold isostatic pressing method, a slip casting method, an injection molding method, or the like can be used. The obtained molded body is fired at 1600 to 1800 ° C. At this time, by forming a molded body using a mold or injection hole having a diameter of 10 to 50 μm, a light-transmitting Y 3 Al 5 O 12 : Ce 3+ rod-shaped phosphor ceramic having a diameter of 10 to 100 μm can be obtained.
図5(a)〜(g)は、以上により形成された棒状蛍光体セラミックスを用いた蛍光体層12の作製方法を説明するための図である。
FIGS. 5A to 5G are views for explaining a method for producing the
図5(a)〜(g)を参照すると、まず、上述の方法により図5(a)に示すような棒状蛍光体セラミックス12aを形成する(なお、ここの例では、棒状蛍光体セラミックス12aは円柱状(断面形状が円形)のものとなっている)。次に、図5(b)に示すように、棒状蛍光体セラミックス12aの表面に層13として金属膜を均一に成膜する(なお、ここの例では、棒状蛍光体セラミックス12aの表面に形成する層13を金属膜としているが、棒状蛍光体セラミックス12aの表面に形成する層13としては、高い遮光性を有し、かつ溶着工程が可能な材料であればどのような材料でも良い)。棒状蛍光体セラミックス12aの表面への金属膜13の形成には、真空中での蒸着法やスパッタ法、もしくは高融点金属法などを使用できる。ここで、高融点金属法とは、セラミックスの表面に金属微粒子を含む有機バインダーを塗布し、水蒸気と水素を含む還元雰囲気下で1000〜1700℃に加熱する方法である。次いで、図5(c)に示すように、表面に金属膜13が成膜された棒状蛍光体セラミックス12aを同一方向に並べて密着させ、加熱することにより、図5(d)に示すように、金属膜13同士を溶着させる。次いで、これを、図5(e)に示すように、棒状蛍光体セラミックス12aの長手方向に対して垂直に切断し、薄膜状の蛍光体層12とする。このとき、表面を研磨することにより、薄膜状の蛍光体層12の厚さを均一に揃え、表面形状を平滑にすることができる。このようにして形成された薄膜状の蛍光体層12を、図5(f)に示すように、光反射性基板6に接合することで、図3(b)に示すような構成のものにすることができる。また、図5(g)に示すように、薄膜状の蛍光体層12を複数組み合わせることで、均一膜厚でより大面積の蛍光体層を簡便に形成することができる。
Referring to FIGS. 5A to 5G, first, the rod-like phosphor ceramic 12a as shown in FIG. 5A is formed by the above-described method (in this example, the rod-like phosphor ceramic 12a is It is cylindrical (the cross-sectional shape is circular). Next, as shown in FIG. 5B, a metal film is uniformly formed as a
すなわち、本発明によれば、複数の棒状の蛍光体片12aの表面に遮光性を有する層13を形成し、表面に遮光性を有する層13が形成された各蛍光体片12aを束ねた後に、各蛍光体片12aの表面に形成されている遮光性を有する層13を溶融して(溶着させて)、隣接する蛍光体片12a間に遮光性を有する層13が形成された一体化された構造とし、これを棒状の蛍光体片12aの長さ方向に対して垂直に切断することで、蛍光体層12を作製するので、簡単な工程により、均一膜厚で大面積の蛍光体層(複数の蛍光体片12aを束ねた構造であって隣接する蛍光体片12a間には遮光性を有する層13が形成されている蛍光体層)12を提供することができる。
That is, according to the present invention, after the light-
また、光反射性基板6には、金属基板や酸化物セラミックス、非酸化セラミックスなどが使用可能であるが、特に高い光反射特性、伝熱特性、加工性を併せ持つ金属基板を使用するのが望ましい。金属としては、Al、Cu、Ti、Si、Ag、Au、Ni、Mo、W、Fe、Pdなどの単体やそれらを含む合金が使用可能である。光反射性基板6の表面には、増反射や腐食防止を目的としたコーティングを施しても良い。また、基板6には、放熱性を高めるためにフィンなどの構造を設けても良い。
The light-
また、蛍光体層12と光反射性基板6との接合部7には、樹脂、有機接着剤、無機接着剤、低融点ガラス、ろう付けなどを用いることが出来る。中でも、高い反射率と伝熱特性を両立可能なろう付けが望ましい。蛍光体層12と光反射性基板6との接合は、まず蛍光体層12側に金属膜を形成し、その金属膜と光反射性基板(金属基板)6をろう付けすることで可能である。蛍光体層12への金属膜の形成は、真空中での蒸着法やスパッタ法、もしくは高融点金属法などが使用可能である。なお、高融点金属法とは、蛍光体層12の表面に金属微粒子を含む有機バインダーを塗布し、水蒸気と水素を含む還元雰囲気下で1000〜1700℃に加熱する方法である。このとき形成される金属膜には、Si、Nb、Ti、Zr、Mo、Ni、Mn、W、Fe、Pt、Al、Au、Pd、Ta、Cuなどを含む単体や合金が用いられる。ろう材には、Ag、Cu、Zn、Ni、Sn、Ti、Mn、In、Biなどを含むろう材が使用可能である。必要であれば金属膜と光反射性基板(金属基板)6の接合面の酸化被膜をフラックスで除去し、接合面にろう材を配置し、200〜800℃に加熱し、冷却することで接合することが出来る。また接合後に蛍光体層12と光反射性基板(金属基板)6の熱膨張係数の差による接合面の破壊を防ぐために、蛍光体層12と光反射性基板(金属基板)6との中間の熱膨張係数を有する物質を介在させて接合を行っても良い。
Further, a resin, an organic adhesive, an inorganic adhesive, a low melting point glass, brazing, or the like can be used for the joint 7 between the
上述した例では、蛍光体層12の各蛍光体片12aには、同じ種類(1種類)の蛍光体を用いたが、蛍光体層12の各蛍光体片として、蛍光体層12中の所定の部位ごとに、異なる種類(複数種類)の蛍光体を用いることもできる。図6には、蛍光体層12の各蛍光体片として、蛍光体層12中の異なる領域(部位)ごとに、異なる種類(複数種類)の蛍光体をそれぞれ用いる場合が示されている。すなわち、図6の例では、蛍光体層12が、異なる領域ごとに(図6の例では、中心からの距離に応じた異なる領域ごとに)、3種類の蛍光体(例えば、黄色、緑色、赤色発光の蛍光体)からなる蛍光体片(3種類の蛍光体片)12a、12b、12cによりそれぞれ構成されている場合が示されている。このように、蛍光体層12の各蛍光体片として、蛍光体層12中の異なる領域(部位)ごとに、異なる種類(複数種類)の蛍光体をそれぞれ用いる場合には、固体光源5からの励起光の照射位置を調整することにより、発光色を調節することが可能となる。
In the above-described example, the same kind (one kind) of phosphor is used for each
また、上述した例のように、蛍光体層12の各蛍光体片12aに同じ種類(1種類)の蛍光体を用いる場合にも、蛍光体層12中の異なる領域(部位)ごとに、蛍光体片12aの賦活剤濃度を変えることで、発光強度を変化させ、固体光源5からの励起光の照射位置を調整することにより、発光色を調節することもできる。例えば、蛍光体層12の各蛍光体片12aに、青色励起の黄色蛍光体であるY3Al5O12:Ce3+が用いられる場合、蛍光体層12中の異なる領域(部位)ごとに、この黄色蛍光体の賦活剤であるCe3+の量を変えることで、発光強度を変化させ、固体光源5からの励起光の照射位置を調整することにより、発光色を調節することができる。
Further, as in the above-described example, even when the same type (one type) of phosphor is used for each
このように、蛍光体層12が蛍光体種類や賦活剤濃度の異なる領域を形成した構造となっている場合には、固体光源5からの励起光の照射位置を調整することにより、発光色を調節することが可能となる。
Thus, when the
また、上述の例において、蛍光体層12を、例えば、図7(a),(b)に示すように(図7(a)は平面図、図7(b)は図7(a)のA−A線における断面図であり、図7(a),(b)の例では、蛍光体層12には図3(b)の構造を用いている)、回転軸Xの周りに回転させる(モーター4等によって回転させる)反射型蛍光回転体1として構成することもできる。すなわち、反射型蛍光回転体1は、蛍光体層12と光反射性基板6を接合部7により接合したものをモーター4等と連結することで実現できる。
In the above example, the
なお、この反射型蛍光回転体1において、光反射性基板6や接合部7が、励起光および蛍光の反射面として機能している。なお、光反射性基板6の形状は、円盤状や四角形などが考えられる。また回転の安定性を確保するために、円盤の一部を切り欠いたり、逆におもりをつけた形状とすることも可能である。
In the reflection type fluorescent
このように、蛍光体層12を回転軸Xの周りに回転させる(モーター4等によって回転させる)反射型蛍光回転体1として構成することにより、すなわち、固体光源5に対して蛍光体層12を回転させることにより、固体光源5からの励起光が当たる場所を分散させ、光照射部での発熱を抑えることができ(この蛍光回転体1を用いることで、そもそも蛍光体の発熱を抑えることができ)、これにより、より一層の高輝度化が可能となる。
In this way, by configuring the
また、上述の各例において、固体光源5と蛍光体層12との間に、レンズやミラーなどの光学素子を設けることも可能である。
Further, in each of the above examples, an optical element such as a lens or a mirror can be provided between the solid
また、本発明の上述した光源装置を、所定のレンズ系、あるいは、ミラー、リフレクタなどと組み合わせることで、十分な高輝度化を図ることが可能であり、かつ、照明光の色分離を防止した照明装置を提供することができる。 Further, by combining the above-described light source device of the present invention with a predetermined lens system, a mirror, a reflector, or the like, it is possible to achieve a sufficiently high brightness and prevent color separation of illumination light. A lighting device can be provided.
本発明は、ヘッドランプなどの自動車用照明、プロジェクタ、一般照明などに利用可能である。 The present invention can be used for automotive lighting such as headlamps, projectors, and general lighting.
1 反射型蛍光回転体
4 モーター
5 固体光源
6 光反射性基板
12 蛍光体層
12a、12b、12c 蛍光体片
13 遮光性を有する層
20 光源装置
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