JP2015118107A - 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】蛍光体層が加熱されるのを抑制す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】リング状の放熱基板１１と、放熱基板１１の上に設けられる蛍光体層１２と、放熱基板１１と蛍光体層１２とを接合する接合材層１３とを備え、接合材層１３に、熱伝導性フィラー１５が含有されてい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

ところで、光源として高出力の光源を用いる場合、励起光の照射により蛍光体が発熱し、蛍光体層が加熱される。蛍光体層が加熱されると、蛍光強度が低下したり、蛍光体層が基板から剥離するという問題を生じる。

本発明の目的は、蛍光体層が加熱されるのを抑制す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、リング状の放熱基板と、放熱基板の上に設けられる蛍光体層と、放熱基板と蛍光体層とを接合する接合材層とを備え、接合材層に、熱伝導性フィラーが含有されていることを特徴としている。

熱伝導性フィラーの含有量は、２０〜９０体積％であることが好ましい。

熱伝導性フィラーとしては、窒化ホウ素粉末、窒化アルミニウム粉末、酸化アルミニウム粉末、酸化マグネシウム粉末、酸化チタン粉末、酸化ニオビウム粉末、酸化亜鉛粉末及び光輝性アルミニウム粉末からなるグループより選ばれる少なくとも１種が挙げられる。

蛍光体層は、リング状であることが好ましい。

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

放熱基板は、金属基板であることが好ましい。

金属基板としては、アルミニウム基板が挙げられる。

蛍光体層の、放熱基板に対向した表面の上に、反射膜が設けられていることが好ましい。

反射膜としては、金属反射膜または誘電体多層膜が挙げられる。

接合材層は、例えば、シリコーン樹脂またはポリイミド樹脂を接合材として含む。

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、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ものであってもよい。

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、プロジェクター用蛍光ホイールにおける蛍光体層が加熱されるのを抑制することができる。

本発明の第１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１に示すＡ−Ａ線に沿う断面図である。 本発明の第１の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の近傍を拡大して示す部分断面図である。 本発明の第２の実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールを示す断面図である。 本発明の第１の実施形態のプロジェクター用発光ホイールを用いたプロジェクター用蛍光デバイスを示す模式的側面図である。 本発明の第３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。

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、本発明の第１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、リング状の放熱基板１１と、放熱基板１１の上に設けられる蛍光体層１２と、放熱基板１１と蛍光体層１２との間に設けられ、放熱基板１１と蛍光体層１２とを接合する接合材層１３とを備えている。

図３は、本発明の第１の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の近傍を拡大して示す部分断面図である。本実施形態において、蛍光体層１２は、ガラスマトリクスと、その中に分散し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、無機蛍光体の粒子が用いられている。

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種以上が挙げられる。励起光として青色光を用いる場合、例えば、緑色光または黄色光を蛍光として出射する蛍光体を用いることができる。

蛍光体の平均粒子径は、１μｍ〜５０μｍであることが好ましく、５μｍ〜２５μｍであることがより好ましい。蛍光体の平均粒子径が小さすぎると、発光強度が低下する場合がある。一方、蛍光体の平均粒子径が大きすぎると、発光色が不均一になる場合がある。

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。

放熱基板１１としては、金属基板やカーボン基板等が挙げられる。本実施形態では、放熱基板１１として金属基板が用いられており、放熱だけでなく、光反射の役割も担っている。具体的には、金属基板は、蛍光体層１２に入射する励起光、及び励起光の入射により蛍光体から出射される蛍光を反射する。金属基板は、一般に、金属または合金から形成され、表面処理が施されていてもよい。金属基板としては、反射率の高いものが好ましく、例えば、表面に金属酸化物などからなる増反射膜が形成されたアルミニウム基板が挙げられる。このようなものとしては、アラノッド（Ａｌａｎｏｄ）社製のＭｉｒｏ（登録商標）及びＭｉｒｏ−Ｓｉｌｖｅｒ（登録商標）等が挙げられる。

放熱基板１１と蛍光体層１２との間には、接合材層１３が設けられている。接合材層１３によって、放熱基板１１と蛍光体層１２が接着されている。図３に示すように、接合材層１３は、接合材１４と、接合材１４の中に分散した熱伝導性フィラー１５とから形成されている。接合材１４は、透明であることが好ましい。但し、接合材１４は、透明であるものに限定されず、透明でない接合材も用いることができる。ここで、「透明」は、蛍光体層１２に入射する励起光及び蛍光体層１２から出射される蛍光を透過することを意味している。このような透明の接合材の具体例としては、シリコーン樹脂及びポリイミド樹脂が挙げられる。

シリコーン樹脂としては、一般的なシロキサン結合を有するシリコーン樹脂を用いることができ、特に、耐熱性の高いシルセスキオキサンを好ましく用いることができる。シルセスキオキサンは、主鎖骨格がＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合からなるシロキサン系の化合物で、３官能性シランを加水分解することで得られる（ＲＳｉＯ_１．５）_ｎの構造を持つネットワーク型ポリマーまたは多面体クラスターである。

ポリイミド樹脂としては、いわゆる透明ポリイミド樹脂を用いることができ、透明ポリイミド樹脂として、多くの樹脂メーカーから市販されているものを用いることができる。

熱伝導性フィラー１５の具体例としては、窒化ホウ素粉末、窒化アルミニウム粉末、酸化アルミニウム粉末、酸化マグネシウム粉末、酸化チタン粉末、酸化ニオビウム粉末、酸化亜鉛粉末、光輝性アルミニウム粉末、銀粉末などが挙げられる。熱伝導性フィラー１５の平均粒子径は、１〜５０μｍの範囲内であることが好ましく、２〜４０μｍの範囲内であることがより好ましい。熱伝導性フィラー１５の屈折率（ｎｄ）は１．５〜２．５の範囲内であることが好ましく、１．６〜２．４の範囲内であることがより好ましい。なお、熱伝導性フィラー１５は、透明または白色であることが好ましい。

接合材層１３における熱伝導性フィラー１５の含有量は、２０〜９０体積％の範囲内であることが好ましく、さらに好ましくは３０〜９０体積％の範囲内であり、特に好ましくは４０〜８０体積％の範囲内である。熱伝導性フィラー１５の含有量が少なすぎると、蛍光体層１２で発生した熱を放熱基板１１へ十分に伝導させることができない場合がある。一方、熱伝導性フィラー１５の含有量が多すぎると、放熱基板１１と蛍光体層１２との接着力が低下する場合がある。

接合材層１３の厚みは、２μｍ〜１００μｍであることが好ましく、５μｍ〜５０μｍであることがより好ましい。接合材層１３の厚みが小さすぎると、放熱基板１１と蛍光体層１２の接着強度に劣る場合がある。一方、接合材層１３の厚みが大きすぎると、蛍光体層１２で発生した熱が放熱基板１１へ放熱されにくくなる場合がある。

本実施形態では、接合材層１３に、熱伝導性フィラー１５が含有されており、接合材層１３の熱伝導性が高くなっている。このため、励起光が蛍光体層１２に入射することにより蛍光体層１２に発生した熱は、接合材層１３を通り放熱基板１１に効率良く伝導される。放熱基板１１に伝導された熱は、放熱基板１１内を通り、外部に放出される。そのため、蛍光体層１２が励起光の入射により加熱されるのを抑制することができる。したがって、蛍光体層１２が加熱されることにより生じる蛍光強度の低下や、蛍光体層の基板からの剥離等の問題を抑制することができる。

図４は、本発明の第２の実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールを示す断面図である。本実施形態では、蛍光体層１２の、放熱基板１１に対向した表面の上に、反射膜１６が設けられている。また、反射膜１６と放熱基板１１の間には、接合材層１３が設けられている。

反射膜１６としては、銀、アルミニウム、白金等の金属膜や、誘電体多層膜等が挙げられる。誘電体多層膜は、高屈折率膜と低屈折率膜との積層体により構成された膜であり、特定波長の光を選択的に反射させることができる。誘電体多層膜としては、酸化ニオブ、酸化チタン、酸化ランタン、酸化タンタル、酸化イットリウム、酸化ガドリニウム、酸化タングステン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、窒化珪素等により構成される高屈折率膜と、酸化ケイ素等により構成される低屈折率膜とを交互に積層した膜が挙げられる。

反射膜１６の形成方法としては、メッキ法、あるいは、物理気相堆積法である真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法などが挙げられる。その他の方法として、蛍光体層１２の上に銀粘土ペーストを塗布し、加熱することで銀の薄膜を形成することもできる。

反射膜１６の厚みは、０．０１μｍ〜１００μｍであることが好ましく、０．０３μｍ〜１０μｍであることがより好ましい。反射膜１６の厚みが小さすぎると、十分な反射特性が得られない場合がある。一方、反射膜１６の厚みが大きすぎると、反射膜１６と蛍光体層１２の熱膨張係数差によって、反射膜１６が破損する場合がある。

なお、蛍光体層１２と反射膜１６との間に、透明材料層（図示せず）を設けてもよい。透明材料層を設けることにより、反射膜１６の表面（透明材料層との界面）を平滑にすることができる。透明材料層としては、ガラス層や樹脂層が挙げられる。

透明材料層の厚みは、１μｍ〜１００μｍであることが好ましく、１０μｍ〜５０μｍであることがより好ましい。透明材料層の厚みが小さすぎると、蛍光体層１２の表面から蛍光体が突出することがあり、反射膜１６の表面を平滑にできない場合がある。一方、透明材料層の厚みが大きすぎると、透明材料層の内部を光が伝播して外部に漏出する場合がある。

本実施形態では、反射膜１６が、蛍光体層１２に入射する励起光、及び励起光の入射により蛍光体から出射される蛍光を反射する役割を担う。従って、放熱基板１１は、必ずしも光反射特性を有さなくてもよい。また、接合材１４及び熱伝導性フィラー１５についても、高い透明性は必ずしも要求されない。

以下に、蛍光ホイール１０の作製方法の一例を説明する。

まず、蛍光体層１２を、例えば、以下の方法で作製する。

ガラスマトリクスとなるガラス粒子と、蛍光体と、バインダー樹脂や溶剤等の有機成分とを含むスラリーを、ポリエチレンテレフタレート等の樹脂フィルム上にドクターブレード法等により塗布し、加熱乾燥することにより、蛍光体層１２形成用のグリーンシートを作製する。グリーンシートを焼成することにより、蛍光体層１２が得られる。

上記とは別に、熱伝導性フィラー１５を所定の割合で含有させた接合材１４を調製しておく。

上記で得られた蛍光体層１２の表面１２ｄと、放熱基板１１の蛍光体層１２が設けられる側の表面１１ａとを対向させ、蛍光体層１２と放熱基板１１とを上記の接合材１４によって接合する。これにより、蛍光体層１２と放熱基板１１とを接合材層１３で接合した蛍光ホイール１０を作製することができる。

なお、蛍光体層１２と放熱基板１１とを接合材１４によって接合する際、必要に応じて、熱処理を施して接合材層１３を熱硬化させてもよい。さらに、蛍光体層１２と放熱基板１１とをより密着させるために、加熱と同時に加圧してもよい。

図５は、本発明の第１の実施形態のプロジェクター用発光ホイールを用いた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３０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。放熱基板１１側に出射された蛍光２は、放熱基板１１の表面で反射され、蛍光体層１２側に出射される。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、黄色光または緑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。

本実施形態において、蛍光ホイール１０は周方向に回転している。上記のように、蛍光体から放熱基板１１に伝導された熱は、放熱基板１１から外部に放出される。蛍光ホイール１０が周方向に回転していることにより、放熱基板１１から外部への熱放出がさらに促進される。

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６は、本発明の第３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６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６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、接合材層１３に熱伝導性フィラー１５を含有させておくことにより、蛍光体層１２が加熱されるのを抑制することができる。なお、第１の領域１２ａ、第２の領域１２ｂ、及び第３の領域１２ｃのいずれかを、蛍光体層１２を設けない領域としてもよい。

１…励起光
２…蛍光
１０…蛍光ホイール
１１…放熱基板
１１ａ…表面
１２…蛍光体層
１２ａ…第１の領域
１２ｂ…第２の領域
１２ｃ…第３の領域
１２ｄ…表面
１３…接合材層
１４…接合材
１５…熱伝導性フィラー
１６…反射膜
２０…光源
２１…モーター
２２…回転軸
３０…プロジェクター用発光デバイス

Claims (12)

1. リング状の放熱基板と、
   前記放熱基板の上に設けられる蛍光体層と、
   前記放熱基板と前記蛍光体層とを接合する接合材層とを備え、
   前記接合材層に、熱伝導性フィラーが含有されている、プロジェクター用蛍光ホイール。
2. 前記熱伝導性フィラーの含有量が、２０〜９０体積％である、請求項１に記載のプロジェクター用蛍光ホイール。
3. 前記熱伝導性フィラーが、窒化ホウ素粉末、窒化アルミニウム粉末、酸化アルミニウム粉末、酸化マグネシウム粉末、酸化チタン粉末、酸化ニオビウム粉末、酸化亜鉛粉末及び光輝性アルミニウム粉末からなるグループより選ばれる少なくとも１種である、請求項１または２に記載のプロジェクター用蛍光ホイール。
4. 前記蛍光体層が、リング状である、請求項１〜３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。
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含有する、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. 前記放熱基板が、金属基板である、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. 前記金属基板が、アルミニウム基板である、請求項６に記載のプロジェクター用蛍光ホイール。
8. 前記蛍光体層の、前記放熱基板に対向した表面の上に、反射膜が設けられている、請求項１〜７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。
9. 前記反射膜が、金属反射膜または誘電体多層膜である、請求項８に記載のプロジェクター用蛍光ホイール。
10. 前記接合材層が、シリコーン樹脂またはポリイミド樹脂を接合材として含む、請求項１〜９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。
11. 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１〜１０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。
12. 請求項１〜１１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前記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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