JP2013105647A

JP2013105647A - 光源装置、発光色度調整方法、光源装置の製造方法

Info

Publication number: JP2013105647A
Application number: JP2011249431A
Authority: JP
Inventors: Soji Owada; 聡二大和田
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2011-11-15
Filing date: 2011-11-15
Publication date: 2013-05-30

Abstract

【課題】可視光を発する固体光源と、可視光を受けて励起されて可視光よりも長波長の蛍光を発する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層とを有する光源装置において、外部に放出される出射光の発光色度を調整可能な光源装置を提供する。
【解決手段】可視光を発する固体光源５と、第一の面とその反対側の第二の面とを有し、第一の面に可視光を受けて励起されて可視光よりも長波長の蛍光を発する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層２と、蛍光体層２の第二の面側に設けられ、蛍光体層２を加熱する加熱部２１と、加熱部２１の加熱温度を調整する加熱温度調整手段２３とを備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、光源装置、発光色度調整方法、光源装置の製造方法に関する。

図１（ａ），（ｂ）は、特許文献１の光源装置１００を示す図である。なお、図１（ａ）は全体の正面図、図１（ｂ）は蛍光体層が設けられている部分の平面図である。図１（ａ），（ｂ）を参照すると、この光源装置１００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励起光として発光する固体光源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２とを備え、固体光源５と蛍光体層２とが空間的に離れて配置されている。また、蛍光体層２の前記励起光が入射する側の面とは反対の面側には放熱基板６が設けられており、蛍光体層２は、放熱基板６に接合部７によって接合されている。

また、この光源装置１００では、蛍光体層２の面のうち固体光源５からの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（例えば基板６の反射面）による反射を用いて蛍光などの光を出射光として取り出す方式（以下、反射方式と称す）が採用されている。

この光源装置１００では、蛍光体層２を固体光源５から離して配置することで、高輝度化をする場合にも、蛍光体層２からの熱を、接合部７を介して低温の放熱基板６へ放散させることが可能となり、蛍光体層２からの熱放散の効率を著しく高めることができる。

また、この光源装置１００では、反射方式を採用しているので、蛍光体層２からの蛍光の全てと、蛍光体層２で吸収されずに反射された固体光源５からの励起光の全てとを照明光として利用できる。これにより、光の利用効率を著しく高めることができ、高輝度化が可能となる。

特開２０１１−１２９３５４号公報

しかしながら、上述した従来の光源装置１００では、固体光源５からの励起光により励起された蛍光体層２からの蛍光と蛍光体層２で吸収されなかった励起光との比率が常に一定になり、それによって所定の色度の出射光を得ることを想定している。すなわち、蛍光体層２からの蛍光と蛍光体層２によって反射される励起光との比率によって定まる発光色度を調整できるようになっていなかった。

本発明は、可視光を発する固体光源と、第一の面とその反対側の第二の面とを有し、第一の面に前記可視光を受けて励起されて前記可視光よりも長波長の蛍光を発する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層とを有する光源装置において、光源装置から外部に放出される出射光の発光色度を調整することの可能な光源装置、発光色度調整方法、光源装置の製造方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、可視光を発する固体光源と、第一の面とその反対側の第二の面とを有し、第一の面に前記可視光を受けて励起されて前記可視光よりも長波長の蛍光を発する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層と、該蛍光体層の第二の面側に設けられ、前記蛍光体層を加熱する加熱部と、該加熱部の加熱温度を調整する加熱温度調整手段と、を備えていることを特徴としている。

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、前記蛍光体層と前記加熱部との間に、前記蛍光体層と前記加熱部とを接合する接合部が設けられていることを特徴としている。

また、請求項３記載の発明は、可視光を発する固体光源と、第一の面とその反対側の第二の面とを有し、第一の面に前記可視光を受けて励起されて前記可視光よりも長波長の蛍光を発する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層と、該蛍光体層の第二の面側に設けられ、前記蛍光体層を加熱する加熱部と、該加熱部の加熱温度を調整する加熱温度調整手段と、を備えている光源装置において、前記加熱部の加熱温度を調整して前記蛍光体層の温度を調整し、前記可視光によって励起された前記蛍光体層からの蛍光の強度と前記蛍光体層で吸収されなかった励起光の強度との比率を変化させ、前記光源装置の発光色度を調整することを特徴としている。

また、請求項４記載の発明は、加熱部の上方に蛍光体層を形成する工程と、前記加熱部を加熱して前記蛍光体層と接合する工程と、を備えることを特徴としている。

また、請求項５記載の発明は、請求項４記載の光源装置の製造方法において、さらに、前記加熱部と前記蛍光体層との間に接合部を形成する工程を備え、前記加熱部と前記蛍光体層は前記接合部を介して接合することを特徴としている。

請求項１乃至請求項３記載の発明によれば、可視光を発する固体光源と、第一の面とその反対側の第二の面とを有し、第一の面に前記可視光を受けて励起されて前記可視光よりも長波長の蛍光を発する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層と、該蛍光体層の第二の面側に設けられ、前記蛍光体層を加熱する加熱部と、該加熱部の加熱温度を調整する加熱温度調整手段と、を備えており、前記加熱部の加熱温度を調整して前記蛍光体層の温度を調整し、前記可視光によって励起された前記蛍光体層からの蛍光の強度と前記蛍光体層で吸収されなかった励起光の強度との比率を変化させ、前記光源装置の発光色度を調整することで、光源装置から外部に放出される出射光の発光色度を調整することができる。

また、請求項４、請求項５記載の発明によれば、加熱部の上方に蛍光体層を形成する工程と、前記加熱部を加熱して前記蛍光体層と接合する工程と、を備えることにより、外部に放出される出射光の発光色度を調整することの可能な光源装置を製造することができる。

特許文献１の光源装置を示す図である。本発明の光源装置の一構成例を示す図である。加熱温度による蛍光体の温度消光の度合いを示す図である。加熱部および加熱温度調整手段の具体例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図２（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２（ａ）は全体の正面図、図２（ｂ）は蛍光体層が設けられている部分の平面図であり、図２（ａ），（ｂ）において、図１（ａ），（ｂ）と同様の箇所には同じ符号を付している。図２（ａ），（ｂ）を参照すると、この光源装置２０は、可視光を発する固体光源５と、第一の面とその反対側の第二の面とを有し、第一の面に前記可視光を受けて励起されて前記可視光よりも長波長の蛍光を発する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層２とを備え、固体光源５と蛍光体層２とが空間的に離れて配置されている。

ここで、固体光源５には、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。

より具体的に、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４５０ｎｍ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、蛍光体層２の蛍光体としては、波長が約４４０ｎｍないし約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、ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ^２＋（ＲｅｄＣＡＳＮ）、（Ｃａ，Ｓｒ）ＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ^２＋、Ｃａ_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ^２＋、（Ｃａ，Ｓｒ）_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ^２＋、ＫＳｉＦ_６：Ｍｎ^４＋、ＫＴｉＦ_６：Ｍｎ^４＋等が用いられ、黄色蛍光体には、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋（ＹＡＧ：Ｃｅ）、（Ｓｒ，Ｂａ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋、Ｃａ_ｘ（Ｓｉ，Ａｌ）_１２（Ｏ，Ｎ）_１６：Ｅｕ^２＋（Ｙｅｌｌｏｗａｌｐｈａ−ＳｉＡｌＯＮ）等が用いられ、緑色蛍光体には、Ｌｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋、（Ｌｕ，Ｙ）_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋、Ｙ_３（Ｇａ，Ａｌ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋、Ｃａ_３Ｓｃ_２Ｓｉ_３Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋、ＣａＳｃ_２Ｏ_４：Ｅｕ^２＋、（Ｂａ，Ｓｒ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋、Ｂａ_３Ｓｉ_６Ｏ_１２Ｎ_２：Ｅｕ^２＋、（Ｓｉ，Ａｌ）_６（Ｏ，Ｎ）_８：Ｅｕ^２＋（Ｇｒｅｅｎｂｅｔａ−ＳｉＡｌＯＮ）等を用いることができる。

蛍光体層２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Ｐ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３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、Ｃｅ^３＋やＥｕ^２＋を付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。このため蛍光体層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蛍光体層から取り出して利用でき、さらに蛍光体層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。

また、図２（ａ），（ｂ）において、蛍光体層２の前記励起光が入射する側の面とは反対の面側（第一の面とは反対の側の第二の面側）には加熱部（ヒーター）２１が設けられており、蛍光体層２は、加熱部２１に接合部（接合層）２２によって接合されている。また、この光源装置２０には、加熱部２１の加熱温度を調整する加熱温度調整手段２３が設けられている。

また、この光源装置２０では、反射方式が採用されている。

このように、図２（ａ），（ｂ）の光源装置２０では、反射方式を採用しているので、蛍光体層２からの蛍光の全てと、蛍光体層２で吸収されずに反射された固体光源５からの励起光の全てとを照明光として利用できる。これにより、光の利用効率を著しく高めることができ、高輝度化が可能となる。

ところで、この光源装置２０では、蛍光体層２の前記励起光が入射する側の面とは反対の面側には加熱部２１が設けられ、また、加熱部２１の加熱温度を調整する加熱温度調整手段２３が設けられている。これにより、蛍光体層２を加熱する加熱部２１の温度を加熱温度調整手段２３により例えば２５℃から３００℃程度までの温度範囲内において調整して、蛍光体層２の温度を変化させることができる。この結果、蛍光体層２の温度消光の度合いが変化するため、固体光源５からの励起光により励起された蛍光体層２からの蛍光の強度と、蛍光体層２で吸収されずに反射された励起光の強度との比率が変化し、光源装置２０から外部に放出される出射光の発光色度を調整することができる。

ここで、蛍光体の温度消光とは、蛍光体の加熱温度を高めると蛍光体の蛍光強度が低下する現象のことであり、温度消光は蛍光体全般で見られる現象である。図３には、加熱温度による各蛍光体の温度消光の度合いが示されている。図３から、加熱温度による各蛍光体の温度消光の度合いは各蛍光体により異なり、１５０℃以上ではその差は顕著に現れてくる。また、図３から、加熱温度による各蛍光体の温度消光の度合いは、連続的に変化することがわかる。

このようにして、例えば、蛍光体層２として黄色の蛍光を放出するＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体セラミックス、固体光源５として青色レーザダイオードを採用した場合、加熱部２１の加熱温度を変化させることによって、蛍光体層２の温度消光の度合いを連続的に変化させ、蛍光体層２から放出される黄色蛍光の強度と、固体光源５から蛍光体層２に照射され、反射される青色励起光の強度との比率を意図的に変えることができる。この結果、例えば黄味を帯びた白色光から青白光の範囲で、光源装置２０から外部に放出される出射光の色度を調整できる。

なお、図２（ａ），（ｂ）の光源装置２０において、加熱部２１は、上記のように光源装置２０の発光色度の調整時における蛍光体層２の加熱源としての役割と、後述のように光源装置２０の製造時において蛍光体層２を加熱部２１に接合部２２を介して接合する際の加熱源としての役割と、接合部２２に光透過性のものが用いられる場合に、蛍光体層２で発生した蛍光と蛍光体層２を透過した励起光を効率良く反射する反射層としての役割とを有している。このため、加熱部２１には、速い昇温速度、高い到達温度、高い光反射特性と多数回の昇温後も光反射特性が変化しないことが求められる。この加熱部２１には、金属やセラミックスが使用可能であるが、特にアルミナを用いたセラミックスヒーターが望ましい。

図４には、加熱部２１および加熱温度調整手段２３の具体例が平面図で示されている。図４の例では、加熱部２１は、接合部２２に光透過性のものが用いられる場合には反射性のセラミックス３１と、発熱体３２と、リード線３３とからなっている。ここで、反射性のセラミックス３１としては、アルミナや窒化アルミなどの、高熱伝導性かつ高反射性のセラミックスを用いることができる。また、発熱体３２には、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系の金属発熱体、あるいは、Ｎｉ−Ｃｒ系の金属発熱体、あるいは、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗなどの高融点金属発熱体、あるいは、ＳｉＣ、モリブデン−シリサイト、カーボンなどの非金属発熱体、などを用いることができる。なお、図４の例では、発熱体３２は、セラミックス３１の表面に接しているが、発熱体３２は、セラミックス３１の内部に含まれていても良い。また、リード線３３には、金属導線（例えばニッケルリード線など）を用いることができる。このような加熱部２１では、リード線３３間に電圧Ｖを印加することで、発熱体３２を発熱させることができ、リード線３３間に印加する電圧Ｖを変化させることで、発熱体３２の発熱温度を変化させることができる（加熱部２１の加熱温度を変化させることができる）。この場合、加熱温度調整手段２３は、リード線３３間に印加する電圧Ｖを調整する（変化させる）電圧調整部として構成できる。

また、図２（ａ），（ｂ）の光源装置２０において、接合部２２は、蛍光体層２と加熱部２１とを接合する役割と、蛍光体層２からの発光（蛍光、励起光）を反射するか、もくしは、蛍光体層２からの発光（蛍光、励起光）を透過して加熱部２１で反射させる役割と、蛍光体層２と加熱部２１との間で熱を効率良く伝達する役割とを有している。接合部２２としては、樹脂やセラミックスなどが使用可能であるが、繰り返し２００℃以上の高温にさらされる可能性があるため、セラミックスの使用が望ましい。すなわち、樹脂は、長期間の加熱にさらされるとガラス化が進み、クラックが生じる可能性があるためである。

接合部２２にセラミックスを用いる場合、そのセラミックスには、少なくとも焼成温度よりも低い軟化点を有するガラス粉末とアルミナなどの無機フィラー粉末を用いるガラス‐セラミックス複合系を用いることができる。ガラス粉末の組成の例としては、ＣａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ｂｉ_２Ｏ_３、あるいは、ＢａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ｂｉ_２Ｏ_３、あるいは、ＢａＯ−ＴｉＯ_２−ＺｎＯ、あるいは、ＢａＯ−Ｎｄ_２Ｏ_３−Ｂｉ_２Ｏ_３−ＴｉＯ_２、あるいは、ＢａＯ−Ｒ_２Ｏ_３−ＴｉＯ_２等が挙げられる。

図２（ａ），（ｂ）の光源装置２０は、蛍光体層２と加熱部２１との間に、蛍光体層２と加熱部２１とを接合するための接合部２２を設け、加熱部２１を光源装置２０の発光色度調整時の加熱温度よりも高い加熱温度（例えば９００℃）に加熱温度調整手段（電圧調整部）２３により設定して、蛍光体層２を接合部２２を介して加熱部２１に接合することにより、作製できる。

図２（ａ），（ｂ）の光源装置２０の具体的な作製工程例（接合工程例）を以下に説明する。

すなわち、先ず、ＣａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ｂｉ_２Ｏ_３、あるいは、ＢａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ｂｉ_２Ｏ_３、あるいは、ＢａＯ−ＴｉＯ_２−ＺｎＯ、あるいは、ＢａＯ−Ｎｄ_２Ｏ_３−Ｂｉ_２Ｏ_３−ＴｉＯ_２、あるいは、ＢａＯ−Ｒ_２Ｏ_３−ＴｉＯ_２等の組成からなるガラス粉末と、アルミナなどの無機フィラー粉末と、有機バインダーと、可塑剤と、溶剤とを所定の比率で混合し、スラリーと呼ばれる液状混合物を作り、このスラリーを、ドクターブレード法によって成形し、シート状の成形物を得る。このようにして得られる成形物の厚みは、例えば２０μｍである。熱伝導性を高めるために、成形物の厚みは薄い方が望ましい。次いで、予め用意した、例えばアルミナセラミックヒーターなどの加熱部２１の上に、上記シート状の成形物と蛍光体層２とを配置する。このとき、蛍光体層２、シート状の成形物、加熱部２１の密着性を高めるため、所定の圧力で所定の時間加圧しても良い。次いで、加熱温度調整手段２３により、加熱部２１のリード線３３間に所定の電圧Ｖを印加することで、加熱部２１の加熱温度を例えば９００℃程度にし、この状態を例えば１分間保持することで、図２（ａ）に示すように、蛍光体層２と加熱部２１とを、シート状の成形物が加熱によってセラミックス化してできた接合部２２を介して接合することができる。

図２（ａ），（ｂ）の光源装置２０では、蛍光体層２と加熱部２１との間に接合部２２が設けられ、蛍光体層２と加熱部２１とは接合部（接合層）２２を介して接合されているが、蛍光体層２自体、あるいは、加熱部２１自体に、接合部２２としての機能をもたせることもできる。この場合には、接合部２２を別途に設ける必要はなく、蛍光体層２と加熱部２１とを直接に接合することができる。また、この場合の作製工程としては、加熱部２１上に蛍光体層２を直接配置し、加熱部２１を光源装置の発光色度調整時の加熱温度よりも高い加熱温度（例えば９００℃程度）に加熱温度調整手段２３により設定して、蛍光体層２を加熱部２１に直接に接合することにより、作製できる。なお、この場合、加熱部２１は、蛍光体層２における発光（固体光源５からの励起光により励起された蛍光体層２からの蛍光、および、蛍光体層２で吸収されなかった励起光）を効率良く反射する反射層としての役割を有している必要がある。

また、本発明の上述した光源装置を所定のレンズ系などの光学部品と組み合わせることで、高輝度化が可能であり、かつ、照明光の発光色度を調整（微調整）可能な照明装置を提供できる。

本発明は、車両用照明、プロジェクター、一般照明などに利用可能である。

２蛍光体層
５固体光源
２０光源装置
２１加熱部
２２接合部
２３加熱温度調整手段
３１反射性のセラミックス
３２発熱体
３３リード線

Claims

可視光を発する固体光源と、第一の面とその反対側の第二の面とを有し、第一の面に前記可視光を受けて励起されて前記可視光よりも長波長の蛍光を発する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層と、該蛍光体層の第二の面側に設けられ、前記蛍光体層を加熱する加熱部と、該加熱部の加熱温度を調整する加熱温度調整手段と、を備えていることを特徴とする光源装置。
請求項１記載の光源装置において、前記蛍光体層と前記加熱部との間に、前記蛍光体層と前記加熱部とを接合する接合部が設けられていることを特徴とする光源装置。
可視光を発する固体光源と、第一の面とその反対側の第二の面とを有し、第一の面に前記可視光を受けて励起されて前記可視光よりも長波長の蛍光を発する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層と、該蛍光体層の第二の面側に設けられ、前記蛍光体層を加熱する加熱部と、該加熱部の加熱温度を調整する加熱温度調整手段と、を備えている光源装置において、前記加熱部の加熱温度を調整して前記蛍光体層の温度を調整し、前記可視光によって励起された前記蛍光体層からの蛍光の強度と前記蛍光体層で吸収されなかった励起光の強度との比率を変化させ、前記光源装置の発光色度を調整することを特徴とする発光色度調整方法。
加熱部の上方に蛍光体層を形成する工程と、前記加熱部を加熱して前記蛍光体層と接合する工程と、を備えることを特徴とする光源装置の製造方法。
請求項４記載の光源装置の製造方法において、さらに、前記加熱部と前記蛍光体層との間に接合部を形成する工程を備え、前記加熱部と前記蛍光体層は前記接合部を介して接合することを特徴とする光源装置の製造方法。