JP2013187043A - 光源装置および照明装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 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と、第一の面とその反対側の第二の面とを有し、前記励起光を第一の面に受けることによって励起されて前記励起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る基板とを有する光源装置において、蛍光体層に固体光源からの励起光を照射する場合にも、蛍光体層に割れが生じるのを防止する。
【解決手段】 蛍光体層2の励起光照射部の温度上昇を効果的に抑えるため、蛍光体層2の第一の面S1に透明層11を設けている。ここで、透明層11は、固体光源5からの励起光、および、蛍光体層2からの蛍光に対して透明な材料で形成されている。
【選択図】 図3
【解決手段】 蛍光体層2の励起光照射部の温度上昇を効果的に抑えるため、蛍光体層2の第一の面S1に透明層11を設けている。ここで、透明層11は、固体光源5からの励起光、および、蛍光体層2からの蛍光に対して透明な材料で形成されている。
【選択図】 図3
Description
本発明は、光源装置および照明装置に関する。
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、第一の面S1とその反対側の第二の面S2とを有し、前記励起光を第一の面に受けることによって励起されて前記励起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。また、蛍光体層2の前記第二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の面のうち第二の面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。
しかしながら、上述した従来の光源装置100では、蛍光体層2に固体光源5からの励起光を照射することによって、蛍光体層2に割れが生じるという問題があった。
本発明は、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励起光として発光する固体光源と、第一の面とその反対側の第二の面とを有し、前記励起光を第一の面に受けることによって励起されて前記励起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る基板とを有する光源装置において、蛍光体層に固体光源からの励起光を照射する場合にも、蛍光体層に割れが生じるのを防止することの可能な光源装置および照明装置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、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と、第一の面とその反対側の第二の面とを有し、前記励起光を第一の面に受けることによって励起されて前記励起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、該蛍光体層の第一の面に設けられる透明層と、前記蛍光体層の第二の面側に設けられる基板と、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、前記蛍光体層は蛍光体セラミックスであって、前記透明層には、前記蛍光体層の母体の組成と等しい透明セラミックスが用いられることを特徴としている。
また、請求項3記載の発明は、請求項1または請求項2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。
請求項1乃至請求項3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励起光として発光する固体光源と、第一の面とその反対側の第二の面とを有し、前記励起光を第一の面に受けることによって励起されて前記励起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、該蛍光体層の第一の面に設けられる透明層と、前記蛍光体層の第二の面側に設けられる基板と、を備えており、蛍光体層の第一の面に透明層が設けられていることによって、蛍光体層に固体光源からの励起光を照射する場合にも、蛍光体層に割れが生じるのを防止することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
本願の発明者は、前述した従来の光源装置100における蛍光体層2の割れの観察結果から、蛍光体層2の励起光照射部が割れの起点となっていることを突き止めた。すなわち、本願の発明者は、前述した従来の光源装置100では、蛍光体層2への固体光源5からの励起光の照射によって、蛍光体層2の励起光照射部に局所的に熱が発生し、この熱が蛍光体層2の割れの原因になることを見出した。
図2は従来の光源装置100における蛍光体層2の割れの原因を説明するための図である。図2を参照すると、従来の光源装置100では、蛍光体層2の励起光照射部9に局所的に熱が発生すると、この熱は、矢印H1、H2に示すように、蛍光体層2の励起光照射部9から蛍光体層2の側面に向かって逃げるか、矢印H3に示すように、蛍光体層2の励起光照射部9から放熱基板6に向かって逃げる。従来の光源装置100では、蛍光体層2の第一の面S1は空気層に接しており、蛍光体層2の励起光照射部9から空気層に向かって逃げる熱は、上記矢印H1、H2、H3のように逃げる熱に比べれば僅かであり、蛍光体層2の励起光照射部9の温度上昇を効果的に抑えることができない。このため、蛍光体層2とその周辺との間で温度差に伴う熱膨張差が生じ、蛍光体層2内に応力が生じて、蛍光体層2が割れると推測される。
上記の考察から、本願の発明者は、蛍光体層2の割れを防ぐためには、従来の光源装置100の構成において、蛍光体層2の励起光照射部9の温度上昇を効果的に抑える必要があることを見出し、本発明を完成させた。
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)は全体の正面図、図3(b)は蛍光体層が設けられている部分の平面図であり、図3(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3(a),(b)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励起光として発光する固体光源5と、第一の面S1とその反対側の第二の面S2とを有し、前記励起光を第一の面S1に受けることによって励起されて前記励起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、蛍光体層の第二の面側に設けられる基板(例えば放熱基板)6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、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。
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、蛍光体層2の蛍光体としては、波長が約380nmないし約405nm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+、Ca2Si5N8:Eu2+、La2O2S:Eu3+、KSiF6:Mn4+、 KTiF6:Mn4+等を用いることができ、緑色蛍光体には、(Si,Al)6(O,N):Eu2+、BaMgAl10O17:Eu2+,Mn2+、(Ba,Sr)2SiO4:Eu2+等を用いることができ、青色蛍光体には、(Sr,Ca,Ba,Mg)10(PO4)6Cl2:Eu2+、BaMgAl10O17:Eu2+、LaAl(Si,Al)6(N,O)10:Ce3+等を用いることができる。
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、CaAlSiN3:Eu2+、Ca2Si5N8:Eu2+、KSiF6:Mn4+、KTiF6:Mn4+等を用いることができ、緑色蛍光体には、Y3(Ga,Al)5O12:Ce3+、Ca3Sc2Si3O12:Ce3+、CaSc2O4:Eu2+、(Ba,Sr)2SiO4:Eu2+、Ba3Si6O12N2:Eu2+、(Si,Al)6(O,N):Eu2+等を用いることができる。また、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、Y3Al5O12:Ce3+ (YAG)、(Sr,Ba)2SiO4:Eu2+、Cax(Si,Al)12(O,N)16:Eu2+等の黄色蛍光体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樹脂(例えばシリコーン樹脂)や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。
なお、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く、光がセラミックス内部を導波するため、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、正面方向へ出射される発光成分が減少してしまう。この問題を解決するために、セラミックスの表面にエッチングにより凹凸の光取出し構造を設けたり、レンズを実装したり、側面に反射層を設けることで、正面方向へ出射される発光成分を増加させることも可能である。
また、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2からの発光(蛍光)と、蛍光体層2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2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2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。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。また、基板6の表面に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。
また、蛍光体層2と基板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2からの発光(蛍光)と、蛍光体層2で吸収されなかった固体光源5からの光)に対する反射面の役割と、蛍光体層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)が用いられるのが望ましい。
すなわち、図3(a),(b)の光源装置20でも、図1(a),(b)の光源装置100と同様に、反射方式が採用されている。
このように、図3(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。なお、固体光源5からの励起光が例えば青色光であり、蛍光体層2からの蛍光が例えば黄色光である場合には、光源装置20から、黄色光と青色光との混色光である白色光を出射光として出射させることができる。
ところで、図3(a),(b)の光源装置20では、従来の光源装置100の構成において、蛍光体層2の励起光照射部9の温度上昇を効果的に抑えるため、蛍光体層2の第一の面S1に透明層11を設けている。なお、透明層11は、固体光源5からの励起光、および、蛍光体層2からの蛍光に対して透明な材料で形成されている。
図4は、図3(a),(b)の光源装置20において、透明層11による励起光照射部9の温度上昇を効果的に抑える原理を説明するための図である。なお、図4において、図2と同様な箇所には同じ符号を付している。図4を参照すると、図3(a),(b)の光源装置20では、蛍光体層2の励起光照射部9に局所的に熱が発生すると、この熱は、矢印H1、H2に示すように、蛍光体層2の励起光照射部9から蛍光体層2の側面に向かって逃げ、また、矢印H3に示すように、蛍光体層2の励起光照射部9から基板(例えば放熱基板)6に向かって逃げるとともに、矢印H4に示すように、蛍光体層2の励起光照射部9から透明層(空気に比べて熱伝導性の高い透明層)11に向かっても逃げる。このように図3(a),(b)の光源装置20では、蛍光体層2の励起光照射部9に局所的に発生した熱が空気に比べて熱伝導性の高い透明層11に向かっても逃げることによって、励起光照射部9の温度上昇を効果的に抑えることができる。
一方、図3(a),(b)の光源装置20では、蛍光体層2の第一の面S1に透明層11を設けたことによって、図5に示すように、蛍光体層2と透明層11との間には、蛍光体層2と透明層11との熱膨張率差による熱応力Rが生じる。この場合、後述のように、透明層11として、蛍光体層2との熱膨張率差が十分に小さい材料を用いれば、蛍光体層2に作用する熱応力Rを十分に小さくすることができ、透明層11による応力の緩和を図ることができる。
より詳細に、透明層11は、励起光照射部9の温度上昇を効果的に抑える役割と、蛍光体層2の熱膨張に伴なって蛍光体層2に作用する熱応力を緩和する役割と、光取り出しの役割を担うものである。このため、熱伝導性、応力吸収性、透明性が求められる。そのため、透明層11には、透明セラミックスや透明樹脂が使用可能であるが、熱伝導性の優れる透明セラミックスが、励起光照射部9の温度上昇を効果的に抑えることができる点で望ましい。この場合、透明層11に任意の組成の透明セラミックスを用いても励起光照射部9の温度上昇を効果的に抑えることは可能であるが、透明層11と蛍光体層2の母体との組成が異なる場合には、透明層11と蛍光体層2との熱膨張率が異なるため、図5に示したような透明層11と蛍光体層2との間に生じる熱膨張率差による熱応力Rは十分に小さなものとはならない。すなわち、透明層11と蛍光体層2との間には、所定の大きさの熱応力が生じてしまう。さらに、透明層11と蛍光体層2の母体との組成が異なる場合には、屈折率が異なるため、光取り出しが損なわれる恐れがある。そのため、透明層11と蛍光体層2の母体との組成は、同じものであるのが望ましい。具体的に、蛍光体層2が例えばY3Al5O12:Ce3+である場合には、透明層11にはこの蛍光体層2の母体であるY3Al5O12が用いられるのが望ましい。このように、透明層11と蛍光体層2の母体との組成が同じであれば、屈折率が等しいため光取り出しを損なわず、さらに熱膨張率が等しいため熱応力Rを十分に小さなものにできて蛍光体層2の割れ防止に有利である。
換言すれば、蛍光体層2は蛍光体セラミックスであって、透明層11には、蛍光体層2の母体の組成と等しい透明セラミックスが用いられるのが、最も望ましい。
透明層11と蛍光体層2との接合方法としては、蛍光体セラミックスからなる蛍光体層2と透明セラミックスからなる透明層11とを一体焼結するか、もしくは、透明樹脂を介して蛍光体セラミックス2と透明セラミックス11とを接合することができる。
なお、図3(a),(b)の例では、透明層11は、蛍光体層2の第一の面S1全体にわたって設けられているが、図6に示すように、例えば矩形形状の透明層11を蛍光体層2の第一の面S1の励起光照射部9の直上に接するように配置することもできる。なお、図6では透明層11は矩形形状のものとなっているが、熱の広がりの方向が球対称であることを考慮して、透明層11の形状を図7に示すように半球状または半楕円球状のものにしても良い。
また、上記光源装置20は、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照明装置として構成することができる。図8は上記光源装置20とレンズ系とを組み合わせた照明装置を示す図である。図8の照明装置は、筐体51内に、上記光源装置20と、上記光源装置20からの光を前方に所定の配光特性を持って照射するレンズ系52とが格納されている。この照明装置では、光源装置20が用いられることにより、高輝度化が可能であり、かつ、信頼性の高い長寿命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
6 放熱基板
7 接合部
9 励起光照射部
11 透明層
20 光源装置
51 筐体
52 レンズ系
5 固体光源
6 放熱基板
7 接合部
9 励起光照射部
11 透明層
20 光源装置
51 筐体
52 レンズ系
Claims (3)
- 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と、第一の面とその反対側の第二の面とを有し、前記励起光を第一の面に受けることによって励起されて前記励起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、該蛍光体層の第一の面に設けられる透明層と、前記蛍光体層の第二の面側に設けられる基板と、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、前記蛍光体層は蛍光体セラミックスであって、前記透明層には、前記蛍光体層の母体の組成と等しい透明セラミックスが用いられることを特徴とする光源装置。
- 請求項1または請求項2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。
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