JP2015034867A - プロジェクター用蛍光ホイール及びプロジェクター用発光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】発光強度を高めることができるプロジェクター用蛍光ホイール及びそれを用いたプロジェクター用発光デバイスを提供する。
【解決手段】光源から照射された励起光１により励起して蛍光を発するリング状の蛍光体層１２を備え、蛍光体層１２の周方向における蛍光体層１２の幅Ｗが、励起光１のスポット径Ｄの６倍以上であることを特徴としている。
【選択図】図３

Description

本発明は、プロジェクター用蛍光ホイール及びプロジェクター用発光デバイスに関するものである。

近年、プロジェクターを小型化するため、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）と蛍光体とを用いた発光デバイスが提案されている。例えば、特許文献１には、紫外光を発光する光源と、光源からの紫外光を可視光に変換する蛍光体層とを備える発光デバイスを用いたプロジェクターが開示されている。特許文献１においては、リング状の回転可能な透明基板の上に、リング状の蛍光体層を設けることにより作製した蛍光ホイールが用いられている。

特開２００４−３４１１０５号公報

従来の蛍光ホイールを用いた発光デバイスは、発光強度が不十分であるという問題がある。

本発明の目的は、発光強度を高めることができるプロジェクター用蛍光ホイール及びそれを用いたプロジェクター用発光デバイスを提供することにある。

本発明のプロジェクター用蛍光ホイールは、光源から照射された励起光により励起して蛍光を発するリング状の蛍光体層を備え、蛍光体層の周方向における蛍光体層の幅が、励起光のスポット径の６倍以上であることを特徴としている。

本発明のプロジェクター用蛍光ホイールは、リング状の基板をさらに備え、該基板の上に蛍光体層が設けられていてもよい。この場合、基板は、透明基板であってもよいし、反射基板であってもよい。

蛍光体層は、ガラスマトリクスと、該ガラスマトリクス中に分散した蛍光体とを有することが好ましい。

蛍光体層は、周方向に沿って複数の領域に分割され、複数の領域に、互いに異なる種類の蛍光体が含まれていてもよい。

本発明のプロジェクター用発光デバイスは、上記本発明のプロジェクター用蛍光ホイールと、蛍光ホイールの蛍光体層に励起光を照射する光源とを備えることを特徴としている。

本発明によれば、プロジェクター用発光デバイスの発光強度を高めることができる。

本発明の一実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールを示す斜視図である。 図１に示すＡ−Ａ線に沿う断面図である。 本発明の一実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールにおける蛍光体層を拡大して示す部分平面図である。 蛍光体層の幅が広い場合の蛍光の反射状態を示す模式的断面図である。 蛍光体層の幅が狭い場合の蛍光の反射状態を示す模式的断面図である。 第１の実施形態のプロジェクター用発光デバイスを示す模式的側面図である。 第２の実施形態のプロジェクター用発光デバイスを示す模式的側面図である。 本発明の他の実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールを示す斜視図である。 蛍光体層の幅と蛍光ピーク強度との関係を示す図である。 蛍光体層の幅が５ｍｍの場合（ａ）と蛍光体層の幅が１５ｍｍの場合（ｂ）における発光強度を示す図である。

以下、好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照する場合がある。

図１は、本発明の一実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールを示す斜視図である。図２は、図１に示すＡ−Ａ線に沿う断面図である。図１及び図２に示すように、蛍光ホイール１０は、リング状の形状を有している。蛍光ホイール１０は、リング状の基板１１と、その上に形成されたリング状の蛍光体層１２とから構成されている。

本実施形態において、蛍光体層１２は、ガラスマトリクスと、その中に分散された蛍光体とから構成されている。本実施形態では、蛍光体として無機蛍光体が用いられている。

ガラスマトリクスは、無機蛍光体等の蛍光体の分散媒として用いることができるものであれば特に限定されない。例えば、ホウ珪酸塩系ガラス、リン酸塩系ガラスなどを用いることができる。ガラスマトリクスの軟化点は、２５０℃〜１０００℃であることが好ましく、３００℃〜８５０℃であることがより好ましい。

蛍光体は、励起光の入射により蛍光を出射するものであれば、特に限定されるものではない。蛍光体の具体例としては、例えば、酸化物蛍光体、窒化物蛍光体、酸窒化物蛍光体、塩化物蛍光体、酸塩化物蛍光体、硫化物蛍光体、酸硫化物蛍光体、ハロゲン化物蛍光体、カルコゲン化物蛍光体、アルミン酸塩蛍光体、ハロリン酸塩化物蛍光体、ガーネット系化合物蛍光体から選ばれた１種以上等が挙げられる。

蛍光体層１２中での蛍光体の含有量は、５〜８０体積％の範囲内であることが好ましく、１０〜７５体積％の範囲内であることがより好ましく、２０〜７０体積％の範囲内であることがさらに好ましい。

蛍光体層１２の厚みは、励起光１が確実に蛍光体に吸収されるような厚みである範囲において、薄い方が好ましい。蛍光体層１２が厚すぎると、蛍光体層１２における光の散乱や吸収が大きくなりすぎ、蛍光の出射効率が低くなってしまう場合があるためである。具体的には、蛍光体層１２の厚みは、１ｍｍ以下であることが好ましく、０．５ｍｍ以下であることがより好ましく、０．３ｍｍ以下であることがさらに好ましい。蛍光体層１２の厚みの下限値は、通常、０．０３ｍｍ程度である。

図３は、本発明の一実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールにおける蛍光体層を拡大して示す部分平面図である。本実施形態において、蛍光体層１２の幅Ｗは、励起光１のスポット径Ｄの６倍以上である。蛍光体層１２の幅Ｗを、励起光１のスポット径Ｄの６倍以上にすることにより、蛍光体層１２から出射される蛍光の発光強度を高めることができる。蛍光体層１２の幅Ｗは、好ましくは、励起光１のスポット径Ｄの７倍以上であり、さらに好ましくは、励起光１のスポット径Ｄの１０倍以上であり、特に好ましくは、励起光１のスポット径Ｄの１３倍以上である。蛍光体層１２の幅Ｗは、励起光１のスポット径Ｄの２０倍以下であることが好ましい。蛍光体層１２の幅Ｗが大きくなりすぎると、蛍光ホイール１０が大型化するため好ましくない。また、多量の蛍光体が必要になるため好ましくない。

本発明に従い、蛍光体層１２の幅Ｗを、励起光１のスポット径Ｄの６倍以上にすることにより、蛍光体層から出射される発光の強度を高めることができる理由について、詳細は明らかでないが、以下のように考えられる。

図４は、蛍光体層の幅が広い場合の蛍光の反射状態を示す模式的断面図である。図４に示すように、基板１１から入射した励起光１により、蛍光体層１２中の蛍光体が励起され、蛍光２が出射される。出射された蛍光２、あるいは波長変換されなかった励起光１は、図４に示すように、蛍光体層１２の内部で散乱したり、蛍光体層１２の表面で反射され、再び蛍光体層１２内に戻る。このような蛍光２または励起光１の蛍光体層１２内での散乱または反射が広い領域内で繰り返されるため、発光効率が高まり、発光強度を高めることができると考えられる。

図５は、蛍光体層の幅が狭い場合の蛍光の反射状態を示す模式的断面図である。図５に示すように、励起光１により蛍光体層１２中の蛍光体が励起され、蛍光２が出射される。蛍光体層１２の幅が狭い場合、図５に示すように、蛍光２、あるいは波長変換されなかった励起光１は、蛍光体層１２からすぐに外部に向かって出射されてしまう。したがって、蛍光体層１２の幅が狭いと、蛍光体層１２から出射した蛍光２または励起光１が外部に漏れ出る割合が多くなると考えられる。

これに対し、本発明に従い、蛍光体層１２の幅Ｗを、励起光１のスポット径Ｄの６倍以上にすると、蛍光体層１２内の広い領域で蛍光２または励起光１の散乱または反射を繰り返すことができるため、発光効率を高めることができると考えられる。したがって、本発明によれば、発光強度を高めることができると考えられる。

図６は、第１の実施形態のプロジェクター用発光デバイスを示す模式的側面図である。本実施形態のプロジェクター用発光デバイス３１は、蛍光ホイール１０と、光源２０と、蛍光ホイール１０を回転させるためのモーター２１とを備えている。リング状の蛍光ホイール１０は、モーター２１の回転軸２２に、回転軸２２の中心軸Ｃを回転中心として周方向に回転するように取り付けられている。

光源２０から出射された励起光１は、蛍光ホイール１０の基板１１を通り、蛍光体層１２に入射する。蛍光体層１２に入射した励起光１は、蛍光体を励起し、蛍光体から蛍光２が出射される。光源２０の具体例としては、ＬＥＤ光源やレーザー光源などが挙げられる。

励起光として青色光を発光する光源を、光源２０として用いる場合、例えば、蛍光体層１２の蛍光体として、青色光で励起され、黄色光を発する蛍光体を用いることができる。蛍光体層１２から出射された光は、必要に応じて、フィルターによって所望の波長を有する光のみを取り出すことができる。リング状のフィルターを、回転軸２２に取り付け、蛍光ホイール１０と同期させて回転させ、出射光をフィルタリングしてもよい。

本実施形態では、蛍光体層１２の幅Ｗを励起光１のスポット径Ｄの６倍以上にしているので、発光強度を高めることができる。

本実施形態において、蛍光ホイール１０は周方向に回転している。このため、光源２０から励起光１を受ける領域は常に移動しており、励起光１を受けて加熱しても、すぐに放熱される。したがって、蛍光ホイール１０の温度上昇を抑制することができる。

本実施形態の発光デバイスは、透過型の発光デバイスである。したがって、基板１１として、透明基板が用いられている。ここで、「透明」は、励起光１に対して透明であるという意味である。透明基板としては、例えば、ガラス基板、結晶化ガラス基板、セラミックス基板、樹脂基板等を用いることができる。

図７は、第２の実施形態のプロジェクター用発光デバイスを示す模式的側面図である。本実施形態のプロジェクター用発光デバイス４１も、蛍光ホイール１０と、光源２０と、蛍光ホイール１０を回転させるためのモーター２１とを備えている。本実施形態では、光源２０が、蛍光体層１２に近い側に設けられている。本実施形態の発光デバイスは、反射型の発光デバイスである。したがって、基板１１として、反射基板が用いられている。反射基板としては、例えば、金属基板や、金属膜などの反射膜を表面に形成した基板などを用いることができる。これらの構成以外については、第１の実施形態と同様である。

光源２０から出射された励起光１は、蛍光ホイール１０の蛍光体層１２に入射する。蛍光体層１２に入射した励起光１は、蛍光体を励起し、蛍光体から蛍光２が出射される。基板１１側に出射された蛍光２は、基板１１の表面で反射され、蛍光体層１２側に出射される。

本実施形態では、蛍光体層１２の幅Ｗを励起光１のスポット径Ｄの６倍以上にしているので、発光強度を高めることができる。

本実施形態においても、蛍光ホイール１０は周方向に回転している。このため、光源２０から励起光１を受ける領域は常に移動しており、励起光１を受けて加熱しても、すぐに放熱される。したがって、蛍光ホイール１０の温度上昇を抑制することができる。

上記実施形態の蛍光ホイール１０では、蛍光体層１２の全面にわたって、同じ種類の蛍光体が含有されている。しかしながら、本発明は、このような態様に限定されるものではない。以下に説明する実施形態のように、蛍光体層１２が、周方向に沿って複数の領域に分割され、各領域に互いに異なる種類の蛍光体が含まれていてもよい。

図８は、本発明の他の実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールを示す斜視図である。図８に示す蛍光ホイール１０は、二組の第１の領域１２ａ、第２の領域１２ｂ、及び第３の領域１２ｃを有している。これらの領域は、図８に示すように、周方向に分割して設けられている。これらの領域を、例えば、赤色、緑色、または青色の光を蛍光として発光する領域に対応させ、蛍光ホイール１０をカラーホイールとして用いることができる。この場合においても、蛍光体層１２の幅Ｗを励起光１のスポット径Ｄの６倍以上にすることにより、第１の領域１２ａ、第２の領域１２ｂ、及び第３の領域１２ｃから出射されるそれぞれの蛍光の発光強度を高めることができる。

（蛍光体層の幅の影響について）
基板としてガラス基板を用い、蛍光体層の幅が発光強度に与える影響について検討した。幅が、５ｍｍ、７ｍｍ、１０ｍｍ、１３ｍｍ、１５ｍｍである蛍光体層をガラス基板上に設けたサンプルを作製した。各サンプルに、励起光として、波長４４５ｎｍのレーザー光（スポット径１ｍｍ）を照射し、蛍光体層から出射された波長５４０ｎｍの蛍光ピークの強度を、蛍光体層の上に配置された直径１３ｍｍの積分球を用いて測定した。

図９は、蛍光体層の幅と蛍光ピーク強度との関係を示す図である。図９の縦軸の発光ピーク強度は、５ｍｍの幅を有する蛍光体層を用いた場合の発光ピーク強度を１とした相対値である。図９に示す結果から明らかなように、蛍光体層の幅が励起光のスポット径の６倍以上になると、蛍光ピーク強度が高くなることがわかる。特に、蛍光体層の幅が励起光のスポット径の１３倍以上になると、蛍光ピーク強度が著しく高くなることがわかる。

図１０は、蛍光体層の幅が５ｍｍの場合（ａ）と蛍光体層の幅が１５ｍｍの場合（ｂ）における発光強度を示す図である。図１０からも明らかなように、蛍光体層の幅が広くなることにより、４８０ｎｍ〜７００ｎｍの波長領域の発光の強度が高くなっている。

上記実施形態では、基板上に蛍光体層を設けた蛍光ホイールを例にして説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、基板を設けずに、蛍光体層のみから形成した蛍光ホイールにも本発明を適用することができる。

１…励起光
２…蛍光
１０…蛍光ホール
１１…基板
１２…蛍光体層
１２ａ…第１の領域
１２ｂ…第２の領域
１２ｃ…第３の領域
２０…光源
２１…モーター
２２…回転軸
３１，４１…プロジェクター用発光デバイス

Claims (7)

1. 光源から照射された励起光により励起して蛍光を発するリング状の蛍光体層を備え、前記蛍光体層の周方向における前記蛍光体層の幅が、前記励起光のスポット径の６倍以上である、プロジェクター用蛍光ホイール。
2. リング状の基板をさらに備え、前記基板の上に前記蛍光体層が設けられている、請求項１に記載のプロジェクター用蛍光ホイール。
3. 前記基板が、透明基板である、請求項２に記載のプロジェクター用蛍光ホイール。
4. 前記基板が、反射基板である、請求項２に記載のプロジェクター用蛍光ホイール。
5. 前記蛍光体層は、ガラスマトリクスと、前記ガラスマトリクス中に分散した蛍光体とを有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のプロジェクター用蛍光ホイール。
6. 前記蛍光体層は、周方向に沿って複数の領域に分割されており、前記複数の領域に、互いに異なる種類の蛍光体が含まれている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のプロジェクター用蛍光ホイール。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のプロジェクター用蛍光ホイールと、
   前記蛍光ホイールの前記蛍光体層に励起光を照射する光源とを備える、プロジェクター用発光デバイス。

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