JP2017027685A - 蛍光体ホイール及び蛍光体ホイールを備えた光源装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】
光入射領域70を有する密封筐体4を備える回転基板2と、前記密封筐体4の中に封入された蛍光体10及び冷媒と、前記冷媒を冷却して気体から液体に変化させる冷却装置30と、
を備え、蛍光体10は、少なくとも光入射領域70に配置され、冷却装置30は、光入射領域70よりも回転基板2の回転軸40aに近い位置において密封筐体4に接続されている蛍光体ホイール50、及びこの蛍光体ホイール50を備えた光源装置60を提供する。
【選択図】図1
Description
このような問題に対処するため、外面に蛍光体層を有する複数の羽状部材が回転する蛍光体ホイールにおいて、羽状部材にヒートシンクを備えたものが提案されている(特許文献1参照)。
はじめに、図1を用いて、本発明の1つの実施形態に係る蛍光体ホイール及びこの蛍光体ホイールを備えた光源装置について、その概要を説明する。図1は、本発明の1つの実施形態に係る蛍光体ホイール50及びこの蛍光体ホイール50を備えた光源装置60を模式的に示す断面図である。
冷媒の量は、液体の状態で、密封筐体4の内部の体積に対して10%(体積)以下が好ましいが、気化した冷媒によって、密封筐体4の内部圧力が高くなりすぎない程度がよい。つまりは、温度、冷却能力、内部圧力、密封筐体4の強度(漏れの防止)等を考慮して、最適な冷媒の量を定めることが好ましい。
冷却装置30としては、放熱フィン等の放熱部材を用いることも、冷却液等を循環させる冷却装置30を用いることも、その他の既知の任意の冷却手段を用いることもできる。
このような構成の蛍光体ホイール50を、例えば駆動装置40を用いて回転させれば、時分割で、赤、緑及び青色の三原色を出射する光源60を得ることができる。
特に、粒子が蛍光体粒子の場合には、粒径が1μm〜50μmの粒子が互いに接触して配置されている場合の粒子及び粒子の間の隙間、または円形断面換算で内径1μm〜50μmの流路として規定することが好ましい。
本実施形態では、蛍光体粒子10の温度が上昇したとき、蛍光体粒子10の周囲の冷媒が気化し、その気化熱により、蛍光体粒子10を冷却することができる。そして、気化した冷媒が気体流動領域8を流動して、冷却装置30が設けられた領域に達すると、冷却装置30により冷却されて液化(凝縮)する。このとき、蛍光体粒子10から奪った熱を密封筐体4の外部へ放出する。
上記のように、本実施形態では、微細流路が密封筐体4内の一部の領域にのみ配置されていて、気化した冷媒が流動する気体流動領域8が空間となっていることにより、効果的に気化した冷媒を流すことができる。
ただし、これに限られる訳ではなく、気体流動領域8に通気路の設けられた物体やポーラスな物質が存在する場合もあり得る。更に、気体流動領域8に微細流路が設けられている場合もあり得る。この場合には、毛細管現象で液状の冷媒が流動する微細流路(流動部6)と、気体の冷媒が流動する微細流路(気体流動領域8)とを有する。
このような流動部を形成する方法の具体例としては、まず、蛍光体粒子及び酸化物粒子を有機溶剤(例えば、ブチルカルビトールアセテール)及び樹脂(例えば、エチルセルロース、アクリル系樹脂等)に混合してペーストを調製し、このペーストを筐体の内部の流動部が形成される位置に印刷法により塗布する。次に、有機溶剤及び樹脂を除去した後に、300℃以上、好ましくは400℃以上の温度で焼成を行い、樹脂をほぼ完全に除去する。これにより、蛍光体粒子の表面に複数の酸化物粒子が付着した状態となり、更にこの蛍光体粒子と酸化物粒子の表面にコーティング層を形成する。このコーティング層は、無機材料であることが好ましく、これにより、蛍光体粒子と蛍光体粒子の間の空隙を含む(つまり微細流路を含む)流動部6を得ることができる。
本実施形態によれば、光入射領域70に蛍光体粒子10が配置されているので、入射光は波長変換され、所望の波長域の光を出力することができる。
以下に、蛍光体ホイール50及び光源装置60を構成する各部材の更に詳細な説明を行う。
[光源52]
光源52として青色半導体レーザを用いる場合には、370〜500nmの波長域の光を発することが好ましく、420〜500nmの波長域の光を発することが更に好ましい。ただし、光源52として青色半導体レーザを用いる場合に限られるものではなく、その他の任意の波長域の半導体レーザを用いることもできるし、その他の種類の光源、例えば発光ダイオード(LED)を用いることもできる。
回転基板2は、光の入射面または出射面として機能する場合には、光を透過させる透明な部材からなり、素材として、ガラス、樹脂材料、サファイア、窒化ガリウム等の透光性を有する材料を用いることができる。また、回転基板2が光の反射面として機能する場合には、光を透過しない樹脂材料や、銅、アルミニウム、ステンレススチール等の金属材料を用いることができる。回転する基板としては、光の入射面に垂直な方向に見て円形であることが好ましい(図5参照)。
密封筐体4は、ヒートシンクの筐体として機能するので、熱伝導率が高い方が好ましく、それを考慮すれば、銅、アルミニウム、ステンレススチール等の金属材料を例示できる。ただし、樹脂材料、サファイア、窒化ガリウム、ガラス、セラミック材料等を用いることもできる。特に、密封筐体は透光性を有する面を有しているが、この透光性を有する面には、樹脂材料、サファイア、窒化ガリウム、ガラス等を用いる必要がある(上記のように、回転基板2が透光性を有する面を構成する場合もあり得る)。例えば、1つの面の一部だけが透光性を有する場合、光を透過しない部分を金属材料で形成し、光を透過する部分を樹脂材料またはガラスで形成することも考えられる。また、光を透過しない樹脂材料と光を透過する樹脂材料を一体成形(二色成形)した密封筐体4を用いることもできる。
冷却装置30として、例えば熱伝導性のよい銅などの金属の板を用いて外気と接触する面積を大きくすることや、銅などの金属の板が複数枚設けられた放熱フィン等の放熱部材を用いることも、冷却液等を循環させる冷却装置を用いることも、その他の既知の任意の冷却手段を用いることもできる。この冷却装置は、回転基板2の上に設けられている場合もあるし、回転基板2とは別の回転しない装置であって、接触や冷却流体の吹きつけ等によって密封筐体4を冷却するものも含まれる。内周側の面を有するリング状の密封筐体4の内周側の面に設けられている場合も、密封筐体4よりも更に内側の回転基板2上に設けられている場合も、図1に示すように、密封筐体4の内周側の面上及び密封筐体4よりも更に内側の回転基板2上の両方に配置されている場合もあり得る。また、冷却装置は密封筐体に熱的に接続されていればよい。
駆動装置40として、例えば、ブラシレス直流駆動モータを用いることができる。駆動装置40の回転速度は、再生する動画のフレームレート(1秒当たりのフレーム数。単位は[fps])に基づく回転速度となる。例えば、60[fps]の動画を再生可能とする場合、駆動装置40(つまり蛍光体ホイール50)の回転速度は、毎秒60回転の整数倍に定めるとよい。
蛍光体粒子10として、上述のように光源から青色光が入射した場合に、赤色光を出力する赤色蛍光体粒子、緑色光を出力する緑色蛍光体粒子、黄色光を出力する黄色蛍光体粒子を例示することができる。
赤色光を出力する赤色蛍光体粒子では、約600〜800nmの波長帯域の赤色の蛍光を発生させることが好ましい。具体的な材料の一例としては、(Sr,Ca)AlSiN3:Eu、CaAlSiN3:Eu、SrAlSiN3:Eu、K2SiF6:Mn等を挙げることができる。
緑色光を出力する蛍光体粒子では、約500〜560nmの波長帯域の緑色の蛍光を発生させることが好ましい。具体的な材料の一例としては、β−Si6−ZAlZOZN8−Z:Eu、Lu3Al5O12:Ce、Ca8MgSi4O16Cl2:Eu、Ba3Si6O12N2:Eu、(Sr,Ba,Ca)Si2O2N2:Eu等を挙げることができる。
黄色光を出力する蛍光体粒子では、約540〜700nmの波長帯域の黄色〜赤色の蛍光を発生させることが好ましい。材料の一例としては、セリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光体をベースとした蛍光体を挙げることができ、更に具体的には、YAlO3:Ce、Y3Al5O12:Ce(YAG:Ce)やY4Al2O9:Ce、更にはこれらの混合物等が挙げられる。イットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光体にBa、Sr、Mg、Ca、Znの少なくとも一種が含有されていてもよい。また、Siを含有させることによって、結晶成長の反応を抑制し蛍光体の粒子を揃えることができる。
回転基板2や密封筐体4の光入射領域70及び出射領域80において、誘電体多層膜の蒸着によりフィルタを備えることができる。このフィルタは、用途や透過または反射する光の波長域に応じて、ショートパスフィルタ、バンドパスフィルタ、ロングパスフィルタを適宜用いることができる。また、輝度ムラ及び色度ムラを改善するために、散乱体、例えばSiO2やTiO2、Ba2SO4等の粒子を塗布することもできる。
このようなフィルタにより、回転基板2の光入射領域70において、光源52からの光が反射する抑止し、密封筐体4の出射領域80において、所定の波長域の光のみを出射することができるので、性能の高い光源装置60を実現できる。
よって、本実施形態では、駆動源を有さずに蛍光体粒子10を効率的に冷却可能で、稼働時におけるエネルギ消費が少ない蛍光体ホイール50及び光源装置60を提供することができる。また、蛍光体ホイール50は、優れた冷却機能を有しながらも小型化が実現でき、製造コストの低い蛍光体ホイール50を得ることができる。
なお、本実施形態に係る光源装置60は、プロジェクタの光源装置をはじめとする、異なる波長域の光を時分割に用いる任意の用途に適用することができる。
次に、図2を用いて、本発明のその他の実施形態(その1)に係る蛍光体ホイール50及びこの蛍光体ホイールを備えた光源装置60の説明を行う。図2は、本発明のその他の実施形態(その1)に係る蛍光体ホイール50及びこの蛍光体ホイールを備えた光源装置60を模式的に示す断面図である。
図2に示す本実施形態と、図1に示す実施形態とを比較すると、流動部6の構成が異なり、その他の部分については同一である。よって、ここでは、図1に示す実施形態と異なる点についてのみ説明を行い、図1に示す実施形態と同一の部分についての説明は省略する。
よって、上記と同様に、波長変換で高温になった蛍光体粒子10の周囲の冷媒が気化し、気化した冷媒が冷却装置30の近傍へ流れ、冷却装置30による冷却で液化した冷媒は、流動部6の複数の微細流路によって、再び光入射領域70へ流動し、これにより冷却サイクルが形成される。このような冷媒の流動サイクルを、図2の密封筐体内に矢印で示す。実線の矢印が液化した冷媒の流れを示し、点線の矢印が気化した冷媒の流れを示す。以上のように、ポンプのような駆動源を用いることなく、冷媒による蛍光体粒子10の冷却サイクルを構成することができ、蛍光体粒子10の光変換効率の低下を効率的に防ぐことができる。
次に、図3を用いて、本発明のその他の実施形態(その2)に係る蛍光体ホイール50及びこの蛍光体ホイール50を備えた光源装置60の説明を行う。図3は、本発明のその他の実施形態(その2)に係る蛍光体ホイール50及びこの蛍光体ホイール50を備えた光源装置60を模式的に示す断面図である。
図3に示す本実施形態と、図1及び図2に示す実施形態とを比較すると、流動部6の構成が異なり、その他の部分については同一である。よって、ここでは、図1及び図2に示す実施形態と異なる点についてのみ説明を行い、図1及び図2に示す実施形態と同一の部分についての説明は省略する。
メッシュ状の部材24は、ヒートシンクのウイックと称する毛細管構造体であり、銅、アルミニウム、ステンレス鋼といった金属材料や、合金材料、または多孔質の非金属材料で形成することができる。
次に、図4を用いて、本発明のその他の実施形態(その3)に係る蛍光体ホイール50及びこの蛍光体ホイール50を備えた光源装置60の説明を行う。図4は、本発明のその他の実施形態(その3)に係る蛍光体ホイール50及びこの蛍光体ホイール50を備えた光源装置60を模式的に示す断面図である。
図4に示す本実施形態と、図1、図2及び図3に示す実施形態とを比較すると、流動部6の構成が異なり、その他の部分については同一である。よって、ここでは、図1、図2及び図3に示す実施形態と異なる点についてのみ説明を行い、図1、図2及び図3に示す実施形態と同一の部分についての説明は省略する。
図5(a)では、回転基板2の面に設けられた複数の溝22が、回転基板2の円の中心領域から放射状に直線的に延びている。そして、円の外周側に光入射領域70及び出射領域80が設けられ、円の内側に冷却装置30が設けられる(図5(a)参照)。
以上のように、各粒子間の隙間で形成された微細流路、及び複数の溝22による溝領域20からなる微細流路によって、密封筐体4の回転基板2における回転軸40a側から外周側に向けて、効果的に液化した冷媒を流動させることができる。
黄色蛍光体粒子10a、赤色蛍光体粒子10b及び光拡散材粒子12の各粒子の間の空隙によって、連続した微細流路を形成することができる。よって、各粒子によって形成された複数の連続した微細流路が、冷却装置30が配置された領域及び光入射領域70を繋ぐように延びている。
なお、図4の下側に示す密封筐体4Gでも同様である。
次に、図6を用いて、本発明のその他の実施形態(その4)に係る蛍光体ホイール50及びこの蛍光体ホイール50を備えた光源装置60の説明を行う。図6は、本発明のその他の実施形態(その4)に係る蛍光体ホイール50及びこの蛍光体ホイール50を備えた光源装置60を模式的に示す断面図である。
具体的な構成では、図1に示す実施形態と比べて、密閉筐体4の面部の構成が異なり、その他の部分については同一である。よって、ここでは、図1に示す実施形態と異なる点についてのみ説明を行い、図1に示す実施形態と同一の部分についての説明は省略する。
なお、透光性を有さない密閉筐体4の平面部材4aの内面は、光を反射する反射膜が設けられた反射面18になっている。
つまり、光源52から出射された光は、光学部材54を透過して、蛍光体ホイール50へ入射し(右向きの白抜きの矢印参照)、蛍光体粒子10で波長変換される。さらに密閉筐体4の光源52から離れた側の反射面18で反射されて、再び蛍光体ホイール50から出射され(左向きの格子状の矢印参照)、光学部材54によって直交する方向へ反射される(上向きの格子状の矢印参照)。
次に、図7を用いて、本発明のその他の実施形態(その5)に係る蛍光体ホイール50及びこの蛍光体ホイールを備えた光源装置60の説明を行う。図7は、本発明のその他の実施形態(その5)に係る蛍光体ホイール50及びこの蛍光体ホイールを備えた光源装置60を模式的に示す断面図である。
なお、気化した冷媒が、冷却装置30が配置された光入射領域よりも回転基板2の回転軸40aに近い位置に流れる場合、回転する回転基板2の遠心力は流れを妨げる方向にかかる。しかし、気体及び液体の体積比は非常に大きいので、気化する外周側及び液化(凝縮)する側(光入射領域よりも回転基板2の回転軸40aに近い側)の間の気圧差は大きく、気化した冷媒は、遠心力に抗して、外周側から光入射領域よりも前記回転基板2の回転軸40aに近い位置、つまり光入射領域70から冷却装置30の方へ流れる。この気化した冷媒が、遠心力に抗して流動する点に関しては、上記の図1〜図6に示す実施形態の場合においても同様である。
気化した冷媒が流動する領域は、本実施形態では空間となっているが、これに限られるものではなく、例えば、通気路の設けられた物体やポーラスな物質が存在する場合もあり得る。
よって、本実施形態では、駆動源を有さずに蛍光体を効率的に冷却可能で稼働時におけるエネルギ消費が少ない蛍光体ホイール50を提供することができる。
本実施形態に係る光源装置60は、上記の実施形態に係る蛍光体ホイール50が奏する作用効果を全て得ることができ、駆動源を有さずに蛍光体を効率的に冷却可能で稼働時におけるエネルギ消費が少ない光源装置60を提供することができる。
次に、図8を用いて、上述の実施形態で示した光源装置60を、いわゆる1チップ方式のDLPプロジェクタにおける光源装置として用いる場合を説明する。なお、図8は、上述の実施形態で示した光源装置60を備えたプロジェクタ90の構成を示すための模式図であって、光源装置60やプロジェクタ90を上から見た模式的な平面図である。
また、各ミラーをオンにしている時間とオフにしている時間の比率によって、投射レンズへ入射する光の階調を変化させることにより、投影する画像の画像データに基づいた階調表示が可能になる。
4 密封筐体
4R 赤色出射領域に対応する密封筐体
4G 緑色出射領域に対応する密封筐体
4a 平面部材
4b 側面部材
6 流動部
8 気体流動領域
10 蛍光体粒子
10a 黄色蛍光体粒子
10b 赤色蛍光体粒子
10c 緑色蛍光体粒子
12 光拡散材粒子
18 反射面
20 溝領域
22 溝
24 メッシュ状の部材
26 仕切り板
30 冷却装置
40 駆動装置
40a 回転軸
50 蛍光体ホイール
52 光源
54 光学部材
60 光源装置
70 光入射領域
80 出射領域
90 プロジェクタ
92 DMD素子
94 投射レンズ
96 スクリーン
Claims (9)
- 光入射領域を有する密封筐体を備える回転基板と、
前記密封筐体の中に封入された蛍光体及び冷媒と、
前記冷媒を冷却して気体から液体に変化させる冷却装置と、
を備え、
前記蛍光体は、少なくとも前記光入射領域に配置され、
前記冷却装置は、前記光入射領域よりも前記回転基板の回転軸に近い位置において前記密封筐体に接続されていることを特徴とする蛍光体ホイール。 - 前記密封筐体の中に、液状の前記冷媒を流動可能な複数の微細流路を有する流動部を備え、
前記微細流路の少なくとも一部が、粒子と粒子の間の空隙によって形成され、
前記粒子に前記蛍光体の粒子が含まれることを特徴とする請求項1に記載の蛍光体ホイール。 - 前記流動部が、前記密封筐体内の一部の領域にのみ配置されていることを特徴とする請求項2に記載の蛍光体ホイール。
- 前記流動部において、前記光入射領域に、種類の異なる前記粒子で形成された複数の層または単一の層が形成されていることを特徴とする請求項2または3に記載の蛍光体ホイール。
- 前記微細流路が、前記冷却装置が配置された領域及び前記光入射領域を繋ぐように延びていることを特徴とする請求項2から4の何れか1項に記載の蛍光体ホイール。
- 前記粒子に光拡散材粒子が含まれることを特徴とする請求項2から5の何れか1項に記載の蛍光体ホイール。
- 前記微細流路の一部が、前記密封筐体の内面に設けられた複数の溝によって形成されることを特徴とする請求項2から6の何れか1項に記載の蛍光体ホイール。
- 前記微細流路の一部が、メッシュ状の部材によって形成されることを特徴とする請求項2から7の何れか1項に記載の蛍光体ホイール。
- 請求項1から8の何れか1項に記載の蛍光体ホイールと、
前記蛍光体ホイールに光を出射する光源と、
を備えた光源装置。
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