JP2017181685A - 波長変換部材、その製造方法および発光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高エネルギー密度の光の照射に対して、熱が発生しやすい位置から効率よく放熱でき、蛍光体の温度消光を抑制できる波長変換部材、その製造方法および発光装置を提供する。【解決手段】特定範囲の波長の光を他の波長の光に変換するとともに、反射面により光を反射して照射光とする反射型の波長変換部材１００であって、無機材料からなり、光を透過する透過材１１０と、透過材１１０に接合され、吸収光に対し変換光を発する蛍光体粒子と蛍光体粒子同士を結合する透光性セラミックスとからなる蛍光体層１２０と、透過材１１０の反対側に蛍光体層１２０に接触する状態で配置され、表面を変換光の反射面とする反射材１３０と、を備える。これにより、高エネルギー密度の光の照射に対して、熱が発生しやすい位置から効率よく放熱でき、蛍光体の温度消光を抑制できる。【選択図】図１
Description
本発明は、特定範囲の波長の光を他の波長の光に変換するとともに、反射面により光を反射して照射光とする反射型の波長変換部材、その製造方法および発光装置に関する。
発光素子として、例えば青色ＬＥＤ素子に接触するようにエポキシやシリコーンなどに代表される樹脂に蛍光体粒子を分散させた波長変換部材を配置したものが知られている。そして、近年では、ＬＥＤに代えて、エネルギー効率が高く、小型化、高出力化に対応しやすい、レーザダイオード（ＬＤ）が用いられたアプリケーションが増えてきている。
レーザは局所的に高いエネルギーの光を照射するため、集中的にレーザ光が照射された樹脂は、その照射箇所が焼け焦げる。これに対し、波長変換部材を構成する樹脂に代えて無機バインダを使用し、無機材料のみで形成された波長変換部材を用いることが知られている（特許文献１〜６）。
また、このような波長変換部材について、蛍光体層をヒートシンクに当接させて囲う、または挟み込む構造の波長変換部材が提案されている（特許文献７）。ただし、特許文献７には、蛍光体層のヒートシンクへの当接方法や当接部位に関しての詳細な構造が明記されていない。
上記のような無機バインダを使用した波長変換部材では、材料自体の耐熱性は向上する。しかし、このような波長変換部材であっても高エネルギーのレーザに対し、蛍光体粒子が発熱して蓄熱が進むと、蛍光体粒子の発光性能が消失することがある。特に、反射型の波長変換部材では、主な発熱部位と放熱機能をもつ反射材までの距離が大きくなり、蓄熱が進みやすい。また、蛍光体層と反射材とは材料が異なり、熱膨張差で波長変換部材が破壊するおそれがある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、高エネルギー密度の光の照射に対して、熱が発生しやすい位置から効率よく放熱でき、蛍光体の温度消光を抑制できる波長変換部材、その製造方法および発光装置を提供することを目的とする。
（１）上記の目的を達成するため、本発明の波長変換部材は、特定範囲の波長の光を他の波長の光に変換するとともに、反射面により光を反射して照射光とする反射型の波長変換部材であって、無機材料からなり、光を透過する透過材と、前記透過材に接合され、吸収光に対し変換光を発する蛍光体粒子と前記蛍光体粒子同士を結合する透光性セラミックスとからなる蛍光体層と、前記透過材の反対側に前記蛍光体層に接触する状態で配置され、表面を前記変換光の反射面とする反射材と、を備えることを特徴としている。これにより、高エネルギー密度の光の照射に対して、熱が発生しやすい位置から効率よく放熱でき、蛍光体の温度消光を抑制できる。
（２）また、本発明の波長変換部材は、前記蛍光体層は、前記透過材に化学結合で接合し、前記反射材は、媒体なしで前記蛍光体層に物理的にのみ接触することを特徴としている。このように蛍光体層は透過材に化学結合で接合されているため、蛍光体層から透過材への熱伝導が高くなる。また、反射材と蛍光体層は物理的接触のみなので熱膨張による破壊等を防止できる。
（３）また、本発明の波長変換部材は、前記蛍光体層は、前記透過材と前記蛍光体層との接合面に垂直な直線上で透光性セラミックス成分の元素カウント分析を行った場合に、前記接合面からの距離１５μｍ以下の範囲で透光性セラミックス成分が最大のカウント数を示す構造を有することを特徴としている。これにより、透過材と蛍光体層との接合面で透光性セラミックスが蛍光体粒子の隙間を埋めているため、透過材への放熱経路が確保され、放熱機能が高くなる。
（４）また、本発明の波長変換部材は、前記透過材は、サファイアからなることを特徴としている。これにより、透光性を持ちながら高い熱伝導性を維持でき、蛍光体層の温度上昇を抑えることができる。
（５）また、本発明の波長変換部材は、前記反射材は、前記蛍光体層に接触した配置で、外部の力により拘束されていることを特徴としている。これにより、蛍光体層に対して物理的な接触で反射材を配置でき、熱膨張による破壊等を防止できる。
（６）また、本発明の波長変換部材は、特定範囲の波長の光源光が５Ｗ／ｍｍ２のパワー密度であるときに、前記蛍光体層の蛍光強度が、前記蛍光体層の最大蛍光強度の５０％以上であることを特徴としている。これにより、高出力で発光させても放熱効果が高いことから蛍光性能を維持でき、熱膨張による破壊等も防止できる。
（７）また、本発明の発光装置は、特定範囲の波長の光源光を発生させる光源と、前記光源光を吸収し、他の波長の光に変換し発光する請求項１から請求項６のいずれかに記載の波長変換部材と、を備えることを特徴としている。これにより、強度の大きい光源光を照射しても蛍光性能を維持できる発光装置を実現できる。
（８）また、本発明の波長変換部材の製造方法は、特定範囲の波長の光を他の波長の光に変換するとともに、反射面により光を反射して照射光とする反射型の波長変換部材の製造方法であって、透過性を有する無機材料からなる透過材に対し、無機バインダ、分散媒および蛍光体粒子を混合したペーストを塗布する工程と、前記透過材上に塗布されたペーストを乾燥させて熱処理することで蛍光体層を形成する工程と、前記蛍光体層上に光を反射する無機材料からなる反射材を配置し、前記配置を拘束する工程と、を含むことを特徴としている。これにより、高エネルギー密度の光の照射に対して、熱が発生しやすい位置から効率よく放熱でき、蛍光体の温度消光を抑制できる波長変換部材を製造できる。
本発明によれば、高エネルギー密度の光の照射に対して、熱が発生しやすい位置から効率よく放熱でき、蛍光体の温度消光を抑制できる。
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。なお、構成図において、各構成要素の大きさは概念的に表したものであり、実際の寸法比率を表すものではない。
［発光装置の構成］
図１は、反射型の発光装置１０を示す模式図である。図１に示すように、発光装置１０は、光源５０および波長変換部材１００を備え、例えば波長変換部材１００で反射した光源光および波長変換部材１００内で光源光による励起で発生した光を合わせて照射光を放射している。照射光は例えば白色光とすることができる。
図１は、反射型の発光装置１０を示す模式図である。図１に示すように、発光装置１０は、光源５０および波長変換部材１００を備え、例えば波長変換部材１００で反射した光源光および波長変換部材１００内で光源光による励起で発生した光を合わせて照射光を放射している。照射光は例えば白色光とすることができる。
光源５０には、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）またはＬＤ（Laser Diode）のチップを用いることができる。ＬＥＤは、発光装置１０の設計に応じて特定範囲の波長を有する光源光を発生させる。例えば、ＬＥＤは、紫外光、紫色光または青色光を発生させる。また、ＬＤを用いた場合には波長や位相のばらつきの少ないコヒーレント光を発生できる。なお、光源５０は、これらに限られず、可視光以外を発生させるものであってもよいが、紫外光、紫色光、青色光または緑色光を発生させるものが好ましい。
［波長変換部材の構成］
波長変換部材１００は、透過材１１０、蛍光体層１２０および反射材１３０を備え、板状に形成され、光源光を反射材１３０で反射させつつ、光源光に励起して波長の異なる光を発生させる。
波長変換部材１００は、透過材１１０、蛍光体層１２０および反射材１３０を備え、板状に形成され、光源光を反射材１３０で反射させつつ、光源光に励起して波長の異なる光を発生させる。
（透過材）
透過材１１０は、蛍光体層１２０よりも熱伝導率の高い無機材料からなり、光を透過する。高い熱伝導性を有する透過材１１０を採用することで、蛍光体層１２０内の熱を放出し、蛍光体粒子の温度上昇を抑制でき、温度消光を防止できる。透過材は、サファイアからなることが好ましい。これにより、光を透過させながら高い熱伝導性を維持でき、蛍光体層１２０の温度上昇を抑えることができる。
透過材１１０は、蛍光体層１２０よりも熱伝導率の高い無機材料からなり、光を透過する。高い熱伝導性を有する透過材１１０を採用することで、蛍光体層１２０内の熱を放出し、蛍光体粒子の温度上昇を抑制でき、温度消光を防止できる。透過材は、サファイアからなることが好ましい。これにより、光を透過させながら高い熱伝導性を維持でき、蛍光体層１２０の温度上昇を抑えることができる。
（反射材）
反射材１３０は、アルミニウム板のような光源光を反射させる板状の無機材料で形成されている。反射材１３０には、反射率を上げるために鏡面加工を施したり、高反射膜(例えばＡｇコート)を付与したりしてもよい。また、ガラスやサファイアの上にミラーコートを施したものを反射材として用いてもよい。反射材１３０は、透過材１１０の反対側に蛍光体層１２０に接触する状態で配置され、自部材または自部材に隣接する反射材１３０の表面を変換光の反射面とする。反射材１３０は、例えば、青色光の光源光を反射させつつ、蛍光体層で変換された緑と赤や黄色の蛍光も反射させて放射できる。なお、接触は蛍光体層表面の凹凸が点で接している状態であり、接触面積は小さい。
反射材１３０は、アルミニウム板のような光源光を反射させる板状の無機材料で形成されている。反射材１３０には、反射率を上げるために鏡面加工を施したり、高反射膜(例えばＡｇコート)を付与したりしてもよい。また、ガラスやサファイアの上にミラーコートを施したものを反射材として用いてもよい。反射材１３０は、透過材１１０の反対側に蛍光体層１２０に接触する状態で配置され、自部材または自部材に隣接する反射材１３０の表面を変換光の反射面とする。反射材１３０は、例えば、青色光の光源光を反射させつつ、蛍光体層で変換された緑と赤や黄色の蛍光も反射させて放射できる。なお、接触は蛍光体層表面の凹凸が点で接している状態であり、接触面積は小さい。
反射材１３０は、蛍光体層１２０に接触した配置で、外部の力により拘束されていることが好ましい。外部の力は、外周を留めるものであって、例えば専用のホルダによることが好ましいが、接着剤によるものであってもよい。
これにより、蛍光体層１２０に対して物理的な接触で反射材を配置でき熱膨張による破壊等を防止できる。接着剤は全面に塗ってしまうと熱膨張差で剥がれてしまうので、側面のうち部分的に塗って用いる。樹脂の接着剤であれば全面に塗っても熱膨張差に対応できるが、使用時に蛍光体部分の発熱で焼けてしまうため適さない。なお、光の照射の反対側に放熱材を設置しても効果は少なく、設置する場合は、放熱の観点から熱伝導率が高いものが好ましいが、必ずしも放熱材を設ける必要はない。
図２（ａ）、（ｂ）は、ホルダを用いた波長変換部材の断面図および平面図である。ホルダ１４０は、波長変換部材本体１００ａを収容する容器１４１と、容器１４１の開口端の縁に設けられた押さえ部材１４２とを備えており、押さえ部材１４２を閉じた状態で板状に形成されている。図に示す例では、概略円板状であるが、必ずしも外周形状は円である必要はなく、用途に応じて様々な形状をとりうる。なお、この場合の波長変換部材本体１００ａは、透過材１１０、蛍光体層１２０および反射材１３０で構成される。
容器１４１および押さえ部材１４２は、樹脂、ガラス、セラミックスのような材料で構成され、押さえ部材１４２は円環状に形成され、中央の孔から波長変換部材本体への入射光、波長変換部材本体からの照射光を通過させる。ホルダ１４０の容器１４１および押さえ部材１４２は、波長変換部材本体１００ａを密接させて留めるための係止部が設けられている。図に示す例では、容器１４１の開口端の縁および押さえ部材１４２の対応位置にはネジ穴が形成されており、ネジ１４５が係止部となっている。このようにして容器１４１に波長変換部材本体１００ａを収容してネジ止めすることが可能になっている。
図２（ｃ）は、接着剤を用いた場合の波長変換部材の断面図である。上記の例では、ホルダで蛍光体層と反射材との間を拘束しているが、レーザ照射部でない外周部に接着剤１５０を設けて、蛍光体層１２０と反射材１３０との間を拘束してもよい。図２（ｃ）に示す例では、蛍光体層１２０を透過材１１０より若干小さく形成し、透過材１１０の蛍光体層１２０よりも外周側に接着剤１５０が充填されている。接着剤は、レーザが照射されず加熱されない部位に充填されるため、無機接着剤であっても有機接着剤であってもよい。
（蛍光体層）
蛍光体層１２０は、透過材１１０に接合された膜として設けられ、蛍光体粒子１２２と透光性セラミックス１２１とで形成されている。透光性セラミックス１２１は、蛍光体粒子１２２同士を結合するとともに透過材１１０と蛍光体粒子１２２とを結合している。これにより、高エネルギー密度の光の照射に対して、照射側の熱が発生しやすい部分が、放熱材として機能する透過材１１０と接合しているため効率よく放熱でき、蛍光体の温度消光を抑制できる。なお、蛍光体層１２０に使用する蛍光体の平均粒子径および膜厚は、蛍光体粒子径に対する膜厚の比が下記の表の範囲であることが好ましい。
蛍光体層１２０は、透過材１１０に接合された膜として設けられ、蛍光体粒子１２２と透光性セラミックス１２１とで形成されている。透光性セラミックス１２１は、蛍光体粒子１２２同士を結合するとともに透過材１１０と蛍光体粒子１２２とを結合している。これにより、高エネルギー密度の光の照射に対して、照射側の熱が発生しやすい部分が、放熱材として機能する透過材１１０と接合しているため効率よく放熱でき、蛍光体の温度消光を抑制できる。なお、蛍光体層１２０に使用する蛍光体の平均粒子径および膜厚は、蛍光体粒子径に対する膜厚の比が下記の表の範囲であることが好ましい。
蛍光体層１２０は、透過材１１０との界面およびその近傍で透光性セラミックス成分が蛍光体粒子間の隙間を埋める構造となっている。すなわち蛍光体層１２０は、透過材１１０と蛍光体層１２０との接合面に垂直な直線上で透光性セラミックス成分の元素カウント分析を行った場合に、接合面からの距離１５μｍ以下の範囲で透光性セラミックス成分が最大のカウント数を示す。これにより、透過材１１０と蛍光体層１２０との接合面で透光性セラミックス１２１が蛍光体粒子１２２の隙間を埋めているため、透過材１１０への放熱経路が確保され、放熱機能が高くなる。
蛍光体層１２０は、透過材１１０に化学結合で接合し、反射材は、媒体なしで蛍光体層１２０に物理的にのみ接触する。このように蛍光体層１２０は透過材１１０に化学結合で接合されているため、蛍光体層１２０から透過材１１０への熱伝導が高くなる。また、反射材１３０と蛍光体層１２０は物理的接触のみなので熱膨張による破壊等を防止できる。
すなわち、高エネルギー密度レーザを光源光とする場合でも、必要な色設計が可能な範囲でできるだけ薄い蛍光体層１２０を形成することで蛍光体粒子１２２の発熱（蓄熱）による温度消光を抑制できる。
透光性セラミックス１２１は、蛍光体粒子１２２を保持するための無機バインダであり、例えばシリカ（ＳｉＯ２）、リン酸アルミニウムで構成される。蛍光体粒子１２２には、例えばイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体（ＹＡＧ系蛍光体）およびルテチウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体（ＬＡＧ系蛍光体）を用いることができる。
その他、蛍光体粒子は、発光させる色の設計に応じて以下のような材料から選択できる。例えば、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、ＺｎＳ：Ａｇ，Ｃｌ、ＢａＡｌ２Ｓ４：ＥｕあるいはＣａＭｇＳｉ２Ｏ６：Ｅｕなどの青色系蛍光体、Ｚｎ２ＳｉＯ４：Ｍｎ、（Ｙ，Ｇｄ）ＢＯ３：Ｔｂ、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ、（Ｍ１）２ＳｉＯ４：Ｅｕ、（Ｍ１）（Ｍ２）２Ｓ：Ｅｕ、（Ｍ３）３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ、ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ、ＣａＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ、（Ｍ１）Ｓｉ２Ｏ２Ｎ：Ｅｕあるいは（Ｂａ，Ｓｒ，Ｍｇ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ，Ｍｎなどの黄色または緑色系蛍光体、（Ｍ１）３ＳｉＯ５：Ｅｕあるいは（Ｍ１）Ｓ：Ｅｕなどの黄色、橙色または赤色系蛍光体、（Ｙ，Ｇｄ）ＢＯ３：Ｅｕ，Ｙ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、（Ｍ１）２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ、（Ｍ１）ＡｌＳｉＮ３：ＥｕあるいはＹＰＶＯ４：Ｅｕなどの赤色系蛍光体が挙げられる。なお、上記化学式において、Ｍ１は、Ｂａ、Ｃａ、ＳｒおよびＭｇからなる群のうちの少なくとも１つが含まれ、Ｍ２は、ＧａおよびＡｌのうちの少なくとも１つが含まれ、Ｍ３は、Ｙ、Ｇｄ、ＬｕおよびＴｅからなる群のうち少なくとも１つが含まれる。なお、上記の蛍光体粒子は一例であり、波長変換部材に用いられる蛍光体粒子が必ずしも上記に限られるわけではない。
蛍光体層１２０の空隙率は、３０％以上７０％以下である。波長変換部材１００は、光源光が５Ｗ／ｍｍ２のパワー密度であるときに、蛍光体層の蛍光強度が、蛍光体層の最大蛍光強度の５０％以上であることが好ましい。これにより、高出力で発光させても放熱効果が高いことから蛍光性能を維持でき、熱膨張による破壊等を防止できる。このような発光装置１０は、例えば工場、球場や美術館等の高所から広範囲を照らす公共施設の照明、または自動車のヘッドランプ等の長距離を照らす照明に応用すると高い効果が見込める。
［波長変換部材の作製方法］
図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ波長変換部材の作製工程を示す断面図である。まず無機バインダ、分散媒、蛍光体粒子を準備する。好ましい無機バインダとして、例えばエタノールにシリコンの前駆体を溶かして得られたエチルシリケートを用いることができる。
図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ波長変換部材の作製工程を示す断面図である。まず無機バインダ、分散媒、蛍光体粒子を準備する。好ましい無機バインダとして、例えばエタノールにシリコンの前駆体を溶かして得られたエチルシリケートを用いることができる。
その他、無機バインダは、加水分解あるいは酸化により酸化ケイ素となる酸化ケイ素前駆体、ケイ酸化合物、シリカ、およびアモルファスシリカからなる群のうちの少なくとも１種を含む原料を、常温で反応させるか、または、５００℃以下の温度で熱処理することにより得られたものであってもよい。酸化ケイ素前駆体としては、例えば、ペルヒドロポリシラザン、エチルシリケート、メチルシリケートを主成分としたものが挙げられる。
また、分散媒としては、ブタノール、イソホロン、テルピネオール、グリセリン等の高沸点溶剤を用いることができる。蛍光体粒子には、例えばＹＡＧ、ＬＡＧ等の粒子を用いることができる。光源光に対して得ようとする照射光に応じて蛍光体粒子の種類や量を調整する。例えば、青色光に対して白色光を得ようとする場合には、青色光による励起で緑色光および赤色光または黄色光を放射する蛍光体粒子をそれぞれ適量選択する。
図３（ａ）に示すように、これらの無機バインダ、分散媒、蛍光体粒子を混合してペースト（インク）４１０を作製する。混合にはボールミル等を用いることができる。一方で、無機材料の透過材を準備する。透過材には、ガラス、サファイアを用いることができる。透過材は板状であることが好ましい。
次に、図３（ｂ）に示すように、スクリーン印刷法を用いて、得られたペースト４１０を平均粒子径に対して上記の表に示す範囲の膜厚になるように透過材１１０に塗布する。スクリーン印刷は、ペースト４１０をインキスキージ５１０で、枠に張られたシルクスクリーン５２０に押しつけて行うことができる。スクリーン印刷法以外に、スプレー法、ディスペンサーによる描画法、インクジェット法が挙げられるが、薄い厚みの蛍光体層を安定的に形成するためにはスクリーン印刷法が好ましい。なお、印刷に限らずその他の塗布の方法を行ってもよい。
そして、印刷されたペースト４１０を乾燥させて、炉６００内で熱処理することで溶剤を飛ばすとともに無機バインダの有機分を飛ばして無機バインダ中の主金属を酸化（主金属がＳｉの場合はＳｉＯ２化）させ、その際に蛍光体層１２０と透過材１１０とを接着する。
蛍光体層１２０上に光を反射する無機材料からなる反射材１３０を配置し、配置を拘束する。これにより、高エネルギー密度の光の照射に対して、熱が発生しやすい位置から効率よく放熱でき、蛍光体の温度消光を抑制できる波長変換部材１００を製造できる。
そして、発光装置は、反射に適した反射材を用いた波長変換部材をＬＥＤ等の光源に対して適宜配置して作製することができる。
［実施例］
（１．接合状態の評価）
（１−１）試料の作製方法
実施例１、比較例１および２の波長変換部材を作製した。まず、エチルシリケートとテルピネオールをＹＡＧ蛍光体粒子（平均粒子径１８μｍ）と混合してペーストを作製した。
（１．接合状態の評価）
（１−１）試料の作製方法
実施例１、比較例１および２の波長変換部材を作製した。まず、エチルシリケートとテルピネオールをＹＡＧ蛍光体粒子（平均粒子径１８μｍ）と混合してペーストを作製した。
作製されたペーストを、スクリーン印刷法を用いて４０μｍの厚みになるよう透過材となるサファイア板に塗布し、熱処理して中間部材を得た。得られた中間部材の反射面に垂直な断面をＳＥＭ観察した。図４（ａ）は、波長変換部材の部分的な断面（中間部材の断面）を示すＳＥＭ写真である。また、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＳＥＭ写真で示された波長変換部材の部分的な断面のＳｉの元素マッピング画像である。透過材界面およびその近傍で、透光性セラミックス（シリカ）が蛍光体粒子同士の隙間を埋める構造となっているのを確認できた。
ＳＥＭ写真に示される試料断面において、接着層となる無機バインダがシリカであり、透過材はサファイアである。透過材に対してシリカが一様に一面塗られているところから蛍光体層が接しているところまでネッキングを形成している。
図５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ波長変換部材の部分的な断面のＳＥＭ写真およびその元素カウント画像である。図５（ａ）に示す元素カウントのライン位置で、図５（ｂ）に示すように蛍光体層の元素カウントを行ったところ、透過材に近い部分（透過材と蛍光体層との接合面に垂直な直線上で接合面からの距離が１５μｍ以下の範囲）で多くのシリカ（最大のカウント数）が充填されていることが確認された。
さらに、中間部材にアルミニウム板の反射材を接触させて外力で拘束することで実施例１としての波長変換部材を得た。また、上記のペーストを、スクリーン印刷法を用いて４０μｍの厚みになるよう反射材となるアルミニウム板に塗布し、熱処理して比較例２の試料を得た。さらに、比較例２の試料の蛍光体層側にサファイア板の透過材を接触させて外力で拘束することで比較例１を得た。
（１−２）評価方法
上記のようにして得られた実施例１、比較例１および２に対して発光強度および発光効率維持率の評価を行った。具体的には試料にレーザを照射し、レーザ入力値に対する蛍光の発光強度と発光効率維持率を調べた。なお、蛍光の発光強度とは、上記の評価システムを用いた場合に輝度計に示される数字を無次元化した相対強度であり、発光効率維持率とは、発熱や蓄熱の影響を無視できる低いレーザパワー密度における、発光効率を１００％とした場合の各レーザパワー密度に対する発光効率の割合である。
上記のようにして得られた実施例１、比較例１および２に対して発光強度および発光効率維持率の評価を行った。具体的には試料にレーザを照射し、レーザ入力値に対する蛍光の発光強度と発光効率維持率を調べた。なお、蛍光の発光強度とは、上記の評価システムを用いた場合に輝度計に示される数字を無次元化した相対強度であり、発光効率維持率とは、発熱や蓄熱の影響を無視できる低いレーザパワー密度における、発光効率を１００％とした場合の各レーザパワー密度に対する発光効率の割合である。
図６は波長変換部材に対する反射型の評価システム７００を示す断面図である。図６に示すように、反射型の評価システム７００は、光源７１０、平面凸レンズ７２０、両凸レンズ７３０、バンドパスフィルタ７３５、パワーメータ７４０で構成されている。波長変換部材１００からの反射光を集光して測定できるように各要素が配置されている。
バンドパスフィルタ７３５は、波長４８０ｎｍ以下の光をカットするフィルタであり、蛍光の発光強度を測定する際に、透過した光源光（励起光）を蛍光と切り分けるために、両凸レンズとパワーメータの間に設置される。
平面凸レンズ７２０に入った光源光は、波長変換部材の試料Ｓ上の焦点へ集光される。そして、試料Ｓから生じた放射光を両凸レンズ７３０で集光し、その集光された光について波長４８０ｎｍ以下をカットした光の強度をパワーメータ７４０で測定する。この測定値を蛍光の発光強度とする。レーザ光をレンズで集光し、照射面積を絞ることで、低出力のレーザでも単位面積あたりのエネルギー密度が上げられる。このエネルギー密度をレーザパワー密度とする。なお、試料Ｓには、それぞれの場面で実施例１、比較例１または２を用いた。
図７は、各試料のレーザパワー密度に対する発光強度を示すグラフである。図８は、各試料のレーザパワー密度に対する発光効率維持率を示すグラフである。レーザの照射側に放熱機構を設けていない比較例２は１８．７Ｗ／ｍｍ２で蛍光が消光してしまうのに対し、サファイア板をレーザ照射部に接触させた比較例１では、２３．２Ｗ／ｍｍ２で蛍光の消光が確認された。
一方、サファイア板が蛍光体層に接合され、蛍光体層にアルミニウム板を接触させた実施例１については、４０．０Ｗ／ｍｍ２まで蛍光の発光を維持できた。レーザ照射時に発生した蛍光体層１２０の表面の熱をサファイア板（透過材）で放熱することで、波長変換部材１００上の蓄熱を抑え、蛍光の温度消光を抑制することができたためと考えられる。このように、蛍光体層１２０に最初にレーザが当る位置からの放熱経路が確保されているか否かが重要であり、実施例１による高い効果を確認できた。
比較例１の放熱材の接触でも若干の蛍光の消光抑制を確認できたが、実施例１に比べると、蓄熱抑制効果は少ない。放熱材の接触だけではなくレーザ照射部が放熱材へ直接接合していることが放熱に有効であることが確認できた。また、比較例１に対して実施例１の蓄熱抑制効果は非常に大きく、放熱材をレーザ照射部とは反対側に接合しても放熱効果が少ないことが確認できた。また、レーザ照射側に対する裏面側でアルミニウム板が蛍光体層に接合されているか否かは放熱に大きな影響を与えないことを確認できた。
（２．側面のメタライズの評価）
上記の中間部材の側面にメタライズを施した試料を比較例３とし、中間部材そのものを比較例４として発光強度を評価した。その際には、以下のように透過型のレーザ照射試験を行い、レーザパワー密度に対する蛍光の発光強度を調べた。
上記の中間部材の側面にメタライズを施した試料を比較例３とし、中間部材そのものを比較例４として発光強度を評価した。その際には、以下のように透過型のレーザ照射試験を行い、レーザパワー密度に対する蛍光の発光強度を調べた。
図９は、波長変換部材に対する透過型の評価システム８００を示す断面図である。図９に示すように、透過型の評価システム８００は、光源７１０、平面凸レンズ７２０、両凸レンズ７３０、バンドパスフィルタ７３５、パワーメータ７４０で構成されている。この評価システム８００では、平面凸レンズ７２０に入った光源光が試料Ｓ上の焦点へ集光され、試料Ｓとして比較例３、４を用いた。
図１０は、各試料のレーザパワー密度に対する発光強度を示すグラフである。比較例４に比べ、比較例３は発光強度が高くなっており、飽和後の消光も緩やかであるためメタライズによる放熱の効果が確認された。しかしながら、蛍光の消光を起こすパワー密度に変化がなく、メタライズによる放熱の効果は非常に小さい。このように放熱機構を側面にもうけると若干消光が緩やかになるが、飽和点は変わらず効果は小さい。
１０ 発光装置
５０ 光源
１００ 波長変換部材
１００ａ 波長変換部材本体
１１０ 透過材
１２０ 蛍光体層
１２１ 透光性セラミックス
１２２ 蛍光体粒子
１３０ 反射材
１４０ ホルダ
１４１ 容器
１４２ 押さえ部材
１４５ ネジ
１５０ 接着剤
４１０ ペースト
５１０ インキスキージ
５２０ シルクスクリーン
６００ 炉
７００、８００ 評価システム
７１０ 光源
７２０ 平面凸レンズ
７３０ 両凸レンズ
７３５ バンドパスフィルタ
７４０ パワーメータ
Ｓ 試料
５０ 光源
１００ 波長変換部材
１００ａ 波長変換部材本体
１１０ 透過材
１２０ 蛍光体層
１２１ 透光性セラミックス
１２２ 蛍光体粒子
１３０ 反射材
１４０ ホルダ
１４１ 容器
１４２ 押さえ部材
１４５ ネジ
１５０ 接着剤
４１０ ペースト
５１０ インキスキージ
５２０ シルクスクリーン
６００ 炉
７００、８００ 評価システム
７１０ 光源
７２０ 平面凸レンズ
７３０ 両凸レンズ
７３５ バンドパスフィルタ
７４０ パワーメータ
Ｓ 試料
Claims (8)
- 特定範囲の波長の光を他の波長の光に変換するとともに、反射面により光を反射して照射光とする反射型の波長変換部材であって、
無機材料からなり、光を透過する透過材と、
前記透過材に接合され、吸収光に対し変換光を発する蛍光体粒子と前記蛍光体粒子同士を結合する透光性セラミックスとからなる蛍光体層と、
前記透過材の反対側に前記蛍光体層に接触する状態で配置され、表面を前記変換光の反射面とする反射材と、を備えることを特徴とする波長変換部材。 - 前記蛍光体層は、前記透過材に化学結合で接合し、
前記反射材は、媒体なしで前記蛍光体層に物理的にのみ接触することを特徴とする請求項１記載の波長変換部材。 - 前記蛍光体層は、前記透過材と前記蛍光体層との接合面に垂直な直線上で透光性セラミックス成分の元素カウント分析を行った場合に、前記接合面からの距離１５μｍ以下の範囲で透光性セラミックス成分が最大のカウント数を示す構造を有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の波長変換部材。
- 前記透過材は、サファイアからなることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の波長変換部材。
- 前記反射材は、前記蛍光体層に接触した配置で、外部の力により拘束されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の波長変換部材。
- 特定範囲の波長の光源光が５Ｗ／ｍｍ２のパワー密度であるときに、前記蛍光体層の蛍光強度が、前記蛍光体層の最大蛍光強度の５０％以上であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の波長変換部材。
- 特定範囲の波長の光源光を発生させる光源と、
前記光源光を吸収し、他の波長の光に変換し発光する請求項１から請求項６のいずれかに記載の波長変換部材と、を備えることを特徴とする発光装置。 - 特定範囲の波長の光を他の波長の光に変換するとともに、反射面により光を反射して照射光とする反射型の波長変換部材の製造方法であって、
透過性を有する無機材料からなる透過材に対し、無機バインダ、分散媒および蛍光体粒子を混合したペーストを塗布する工程と、
前記透過材上に塗布されたペーストを乾燥させて熱処理することで蛍光体層を形成する工程と、
前記蛍光体層上に光を反射する無機材料からなる反射材を配置し、前記配置を拘束する工程と、を含むことを特徴とする製造方法。
Priority Applications (7)
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