JP2018163828A - Phosphor element and illumination device - Google Patents

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近藤 順悟
Jungo Kondo
順悟 近藤
直剛 岡田
Naotake Okada
直剛 岡田
雄一 岩田
Yuichi Iwata
雄一 岩田
浅井 圭一郎
Keiichiro Asai
圭一郎 浅井
哲也 江尻
Tetsuya Ejiri
哲也 江尻
山口 省一郎
Shoichiro Yamaguchi
省一郎 山口
周平 東原
Shuhei Higashihara
周平 東原
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress color unevenness of emitted white light in continuous use, when fluorescent light is generated by making excitation light be incident on a phosphor plate.SOLUTION: A phosphor element 1A includes: a first heat dissipation substrate 6A; a second heat dissipation substrate 6B; a phosphor plate 2 including an incident face 2a of excitation light A, an opposite face 2b opposed to the incident face, a first joint face 2c opposed to the first heat dissipation substrate 6A, a second joint face 2d opposed to the second heat dissipation substrate 6B, and a pair of side faces 2e, 2f, and configured to convert the excitation light A incident on the phosphor plate into fluorescent light, and emit the fluorescent light and the excitation light from the opposite face or the incident face; a first joint layer 3A kept into contact with the first joint face 2c and composed of metal oxide; a second joint layer 3B kept into contact with the second joint face 2d and composed of metal oxide; a first reflection film 4A disposed between the first joint layer and the first heat dissipation substrate; and a second reflection film 4B disposed between the second joint layer and the second heat dissipation substrate.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、蛍光体素子および蛍光を発光する照明装置に関するものである。   The present invention relates to a phosphor element and an illumination device that emits fluorescence.

最近、レーザ光源を用いた自動車用ヘッドライトの研究が盛んに行われており、その内の一つに、青色レーザあるいは紫外レーザと蛍光体を組み合わせた白色光源がある。レーザ光を集光することにより、励起光の光密度を高めることができる上に、複数のレーザ光を蛍光体上に重ねて集光することで、励起光の光強度も高めることができる。これによって、発光面積を変えずに光束と輝度とを同時に大きくすることができる。このため、半導体レーザと蛍光体とを組み合わせた白色光源が、LEDに替わる光源として注目されている。例えば、自動車用ヘッドライトに使用する蛍光体ガラスは、日本電気硝子株式会社の蛍光体ガラス「ルミファス」や国立研究開発法人物質・材料研究機構と株式会社タムラ製作所、株式会社光波のYAG単結晶蛍光体が考えられている。   Recently, research on automobile headlights using a laser light source has been actively conducted, and one of them is a white light source combining a blue laser or an ultraviolet laser and a phosphor. The light density of the excitation light can be increased by condensing the laser light, and the light intensity of the excitation light can be increased by condensing a plurality of laser lights on the phosphor. As a result, the luminous flux and the luminance can be increased simultaneously without changing the light emitting area. For this reason, a white light source in which a semiconductor laser and a phosphor are combined attracts attention as a light source that replaces an LED. For example, the phosphor glass used in automotive headlights is the phosphor glass “Lumifas” manufactured by Nippon Electric Glass Co., Ltd., National Research and Development Corporation, National Institute for Materials Science, Tamra Manufacturing Co., Ltd. The body is considered.

特許文献1によると、YAGを単結晶化することにより、温度が上昇しても変換効率が劣化せず高効率の蛍光特性を示し、ハイパワー分野での応用が可能となった。この材料は、450nm青色励起光によって補色である黄色光を発することによって白色光を得ることができ、プロジェクタやヘッドライトへ適用するための開発が進められている。   According to Patent Document 1, by converting YAG into a single crystal, even if the temperature rises, the conversion efficiency does not deteriorate, and high-efficiency fluorescence characteristics are exhibited, enabling application in the high power field. This material can obtain white light by emitting yellow light which is a complementary color with 450 nm blue excitation light, and development for application to projectors and headlights is underway.

照明用蛍光体については、イットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAl12:YAG)にCeをドープしたCe :YAG単結晶蛍光体も開発されている。従来、Ce :YAG蛍光体は、焼結合成したり、ガラスに分散させるなどして実現されてきたが、励起光のパワー密度が上がると放熱が困難になり、効率が低下するという問題があった。 Regarding illumination phosphors, Ce: YAG single crystal phosphors in which Ce is doped in yttrium aluminum garnet (Y 3 Al 5 O 12 : YAG) have also been developed. Conventionally, Ce: YAG phosphors have been realized by sintering synthesis or being dispersed in glass. However, when the power density of excitation light is increased, heat radiation becomes difficult and efficiency is lowered. It was.

Ceをドープした単結晶YAGは、結晶自体の発熱があっても変換効率が劣化しないという特性を有しており、ヘッドライトやプロジェクタなどの光源用として利用が期待されている。   Ce-doped single crystal YAG has a characteristic that the conversion efficiency does not deteriorate even if the crystal itself generates heat, and is expected to be used for light sources such as headlights and projectors.

特許文献2、3、4には、反射型蛍光体素子を用いた照明装置が開示されている。これは、蛍光体層のうち励起光が入射する入射面と反対側の表面に金属膜を形成し、金属膜と放熱基板(支持基板)とを接合したものである。蛍光体層の材質としては、ガラス中に蛍光体を分散しているものや、蛍光体多結晶、単結晶を例示している。   Patent Documents 2, 3, and 4 disclose an illumination device using a reflective phosphor element. This is a structure in which a metal film is formed on the surface of the phosphor layer opposite to the incident surface on which excitation light is incident, and the metal film and the heat dissipation substrate (support substrate) are joined. Examples of the material of the phosphor layer include those in which phosphor is dispersed in glass, phosphor polycrystal, and single crystal.

特許文献5には、反射型蛍光体素子を用いた照明装置が開示されている。これは、蛍光体層のうち励起光が入射する入射面と反対側の表面に誘電体多層膜を形成し、誘電体多層膜と放熱基板(支持基板)とを接合したものである。誘電体多層膜は、励起光を透過すると共に、蛍光体層が発する蛍光を反射するものである。この誘電体多層膜は、低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層されて構成されている。   Patent Document 5 discloses an illumination device using a reflective phosphor element. This is a structure in which a dielectric multilayer film is formed on the surface of the phosphor layer opposite to the incident surface on which excitation light is incident, and the dielectric multilayer film and the heat dissipation substrate (support substrate) are joined. The dielectric multilayer film transmits excitation light and reflects fluorescence emitted from the phosphor layer. This dielectric multilayer film is configured by alternately laminating low refractive index layers and high refractive index layers.

また、特許文献6、7には、蛍光体を放熱基板に対して接合した蛍光体板が記載されている。   Patent Documents 6 and 7 describe a phosphor plate in which a phosphor is bonded to a heat dissipation substrate.

更に、特許文献8によれば、円柱状の蛍光体の外周にバッファ層が設けられており、更にバッファ層の外周に金属反射膜が設けられている。そして、蛍光体の一端に対して平板状の放熱基板が接合されている。   Furthermore, according to Patent Document 8, a buffer layer is provided on the outer periphery of the columnar phosphor, and a metal reflective film is provided on the outer periphery of the buffer layer. And the flat heat dissipation board | substrate is joined with respect to the end of fluorescent substance.

特許5620562Patent 5620562 特許5530165Patent 5530165 特開2012-129135JP2012-129135 特開2013ー120713JP2013-120713 WO 2015-45976WO 2015-45976 WO 2013/175706 A1WO 2013/175706 A1 特開2014-060164JP2014-060164 特許5995541Patent 59955541

従来の照明用の蛍光体素子では、放熱性の高い材質からなる放熱基板を蛍光体板に対して接合一体化することによって、蛍光体板内に発生する熱を可能な限り放熱しようとするものである。   In a conventional phosphor element for illumination, a heat dissipation substrate made of a material having a high heat dissipation property is joined and integrated with a phosphor plate, so that heat generated in the phosphor plate is radiated as much as possible. It is.

しかし、本発明者が検討を進めるうちに、次の問題が明らかになってきた。すなわち、蛍光強度を高くするためには、励起光の光強度を高くする必要がある。しかし、励起光強度を上げると、使用時に時間が経過すると色ムラが発生し、出射光の品質が低下してくることがあった。このため、継続使用時の出射光の色ムラを抑制し、出射光の品質を保持することが必要である。   However, as the inventors proceeded with the study, the following problems became apparent. That is, in order to increase the fluorescence intensity, it is necessary to increase the light intensity of the excitation light. However, when the excitation light intensity is increased, color unevenness may occur with the passage of time during use, and the quality of the emitted light may deteriorate. For this reason, it is necessary to suppress the color unevenness of the emitted light during continuous use and maintain the quality of the emitted light.

本発明の課題は、蛍光体板に対して励起光を入射させて蛍光を発生させるのに際して、継続使用時に、出射する白色光の色ムラを抑制することである。   An object of the present invention is to suppress color unevenness of emitted white light during continuous use when excitation light is incident on a phosphor plate to generate fluorescence.

本発明の蛍光体素子は、
第一の放熱基板、
第二の放熱基板、
励起光の入射面、入射面に対向する対向面、第一の放熱基板に対向する第一の接合面、第二の放熱基板に対向する第二の接合面および一対の側面を備えている蛍光体板であって、蛍光体板に入射する励起光を蛍光に変換し、蛍光および励起光を対向面または入射面から出射させる蛍光体板、
第一の接合面に接し、金属酸化物からなる第一の接合層、
第二の接合面に接し、金属酸化物からなる第二の接合層、
第一の接合層と前記第一の放熱基板との間に設けられた第一の反射膜、および
第二の接合層と前記第二の放熱基板との間に設けられた第二の反射膜を備えていることを特徴とする。
The phosphor element of the present invention is
First heat dissipation board,
Second heat dissipation board,
An excitation light incident surface, a facing surface facing the incident surface, a first bonding surface facing the first heat dissipation substrate, a second bonding surface facing the second heat dissipation substrate, and a pair of side surfaces A phosphor plate that converts excitation light incident on the phosphor plate into fluorescence, and emits the fluorescence and excitation light from the opposing surface or incident surface;
A first bonding layer made of a metal oxide in contact with the first bonding surface;
A second bonding layer made of a metal oxide in contact with the second bonding surface;
A first reflective film provided between the first bonding layer and the first heat dissipation substrate; and a second reflective film provided between the second bonding layer and the second heat dissipation substrate. It is characterized by having.

また、本発明は、レーザ光を発振する光源および前記蛍光体素子を備える照明装置に係るものである。   The present invention also relates to an illumination device including a light source that oscillates laser light and the phosphor element.

本発明者は、蛍光体板に対して放熱基板を接合し、蛍光体板に対して励起光を入射させることで白色光を出射させることを試みていたが、出射光の色ムラを抑制することが困難であった。そこで、色ムラの原因を検討したところ、蛍光体板内の温度分布が大きい傾向が観察された。そこで、蛍光体板内の温度のムラによって、各部分での蛍光変換効率にバラツキが生じ、これが出力光の波長分布の偏差となって現れるものと考えた。   The present inventor tried to emit white light by joining a heat dissipation substrate to the phosphor plate and causing excitation light to enter the phosphor plate, but suppresses color unevenness of the emitted light. It was difficult. Therefore, when the cause of color unevenness was examined, a tendency that the temperature distribution in the phosphor plate was large was observed. Therefore, it was considered that the variation in the fluorescence conversion efficiency in each part was caused by the uneven temperature in the phosphor plate, and this appeared as a deviation in the wavelength distribution of the output light.

このため、本発明者は、蛍光体板の入射面および出射面と異なる第一の接合面と第二の接合面とをそれぞれ別体の放熱基板に対して接合することによって、蛍光体素子の両側へと熱を逃がすことを想到した。しかし、この場合には、たとえ初期には色ムラが生じなくとも、時間経過につれて色ムラが発生してくることがあった。   For this reason, the present inventor bonded the first bonding surface and the second bonding surface, which are different from the incident surface and the emission surface of the phosphor plate, to the separate heat dissipation substrate, respectively. I thought of escaping heat to both sides. However, in this case, even if there is no color unevenness in the initial stage, color unevenness may occur over time.

本発明者がこの原因を更に検討した結果、蛍光体板の接合面に反射膜が直接形成されている場合に、経時的に色ムラが発生してくることを見いだした。そして、色ムラの発生してきた素子を更に観察すると、反射膜と蛍光体板の接合層との界面に微視的に剥離が観られることがあった。こうした微細な剥離によって局所的に熱伝導が抑制され、得られる蛍光の波長と強度が変動し、色ムラの原因となることがわかった。   As a result of further examination of the cause by the present inventor, it has been found that when the reflective film is directly formed on the bonding surface of the phosphor plate, color unevenness occurs over time. Further, when further observing the element in which the color unevenness occurs, peeling may be observed microscopically at the interface between the reflective film and the phosphor layer bonding layer. It has been found that such fine peeling locally suppresses heat conduction, changes the wavelength and intensity of the fluorescence obtained, and causes color unevenness.

そこで、本発明者は、蛍光体板の両側にそれぞれ放熱基板を接合するのとともに、蛍光体板の接合面上にまず金属酸化物の接合層を設け、各接合層と放熱基板との間に反射膜を形成する構造を想到した。これによって、初期において出射光の色ムラを抑制できるだけでなく、経時的にも色ムラの発生を抑制できることを見いだし、本発明に到達した。   Therefore, the inventor bonded the heat dissipation substrate to both sides of the phosphor plate, and first provided a metal oxide bonding layer on the bonding surface of the phosphor plate, and between each bonding layer and the heat dissipation substrate. A structure for forming a reflective film was conceived. As a result, it has been found that not only the color unevenness of the emitted light can be suppressed in the initial stage, but also the color unevenness can be suppressed over time, and the present invention has been achieved.

本発明の実施形態に係る蛍光体素子1Aを模式的に示す斜視図である。1 is a perspective view schematically showing a phosphor element 1A according to an embodiment of the present invention. 本発明の他の実施形態に係る蛍光体素子1Bを模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the phosphor element 1B which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係る蛍光体素子1Cを模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the phosphor element 1C which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係る蛍光体素子1Dを模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically phosphor element 1D which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係る蛍光体素子1Eを模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the phosphor element 1E which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係る蛍光体素子1Fを模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the phosphor element 1F which concerns on other embodiment of this invention. 比較例の蛍光体素子20を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the phosphor element 20 of a comparative example. 比較例の蛍光体素子21を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the phosphor element 21 of a comparative example. 実施例1における温度分布の計算値を示す。The calculated value of the temperature distribution in Example 1 is shown. 比較例1における温度分布の計算値を示す。The calculated value of the temperature distribution in the comparative example 1 is shown. 実施例1における温度分布のシミュレーション結果を示す。The simulation result of the temperature distribution in Example 1 is shown.

図1は、本発明の実施形態に係る蛍光体素子1Aを模式的に示す斜
視図である。
蛍光体素子1Aは、蛍光体板2と第一の放熱基板6Aおよび第二の放熱基板6Bとを接合し、一体化したものである。
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a phosphor element 1A according to an embodiment of the present invention.
The phosphor element 1A is obtained by joining and integrating the phosphor plate 2, the first heat dissipation substrate 6A, and the second heat dissipation substrate 6B.

蛍光体板2は、励起光Aの入射面2a、入射面2aに対向する対向面2b、一対の相対向する側面2e、2f、第一の接合面2cおよびこれと対向する第二の接合面2dを有する。そして、第一の接合面2cに対して、第一の接合層3A、第一の反射膜4A、第一のバッファ層5Aを介して第一の放熱基板6Aが接合されており、第二の接合面2dに対して第二の接合層3B、第二の反射膜4B、第二のバッファ層5Bを介して第二の放熱基板6Bが接合されている。   The phosphor plate 2 includes an excitation light incident surface 2a, a facing surface 2b facing the incident surface 2a, a pair of opposite side surfaces 2e and 2f, a first bonding surface 2c, and a second bonding surface facing this. 2d. The first heat dissipation substrate 6A is bonded to the first bonding surface 2c via the first bonding layer 3A, the first reflective film 4A, and the first buffer layer 5A. The second heat dissipation substrate 6B is bonded to the bonding surface 2d via the second bonding layer 3B, the second reflective film 4B, and the second buffer layer 5B.

各放熱基板6A、6Bは、それぞれ、六個の表面6a、6b、6c、6d、6eおよび6fを備える。入射面2aから矢印Aのように励起光を入射させると、励起光の一部が蛍光に変換され、蛍光と残りの励起光とが矢印Bのように対向面2bから出射する。   Each of the heat dissipation boards 6A and 6B includes six surfaces 6a, 6b, 6c, 6d, 6e, and 6f, respectively. When excitation light is incident from the incident surface 2a as indicated by the arrow A, a part of the excitation light is converted into fluorescence, and the fluorescence and the remaining excitation light are emitted from the facing surface 2b as indicated by the arrow B.

また、本例では、蛍光体板2の側面2e、2f上および各放熱基板の側面6e、6f上に、バッファ層8および反射膜7がそれぞれ形成されている。   In this example, the buffer layer 8 and the reflective film 7 are formed on the side surfaces 2e and 2f of the phosphor plate 2 and on the side surfaces 6e and 6f of the heat dissipation substrates, respectively.

図2の蛍光体素子1Bは、図1の蛍光体素子1Aと同様のものである。ただし、蛍光体素子1Bにおいては、第一の放熱基板6Aの接合面6eと第一の反射膜4Aとが直接接触しており、両者の間にバッファ層が設けられていない。また、第二の放熱基板6Bの接合面6eと第二の反射膜4Bとが直接接触しており、両者の間にバッファ層が設けられていない。   The phosphor element 1B in FIG. 2 is the same as the phosphor element 1A in FIG. However, in the phosphor element 1B, the bonding surface 6e of the first heat dissipation substrate 6A and the first reflective film 4A are in direct contact, and no buffer layer is provided between them. Further, the joint surface 6e of the second heat dissipation substrate 6B and the second reflective film 4B are in direct contact, and no buffer layer is provided between them.

図3の蛍光体素子1Cは、図1の蛍光体素子1Aと同様のものである。ただし、蛍光体素子1Cにおいては、更に、蛍光体板2の対向面2b上および各放熱基板6A、6Bの表面6b上に、反射膜9を設けている。矢印Aのように励起光が蛍光体板2の入射面2aに入射すると、蛍光体板2の内部で一部が蛍光に変化する。そして、励起光と蛍光とが反射膜9で反射され、入射面2aから矢印Bのように出射光として出射する。   The phosphor element 1C in FIG. 3 is the same as the phosphor element 1A in FIG. However, in the phosphor element 1C, a reflective film 9 is further provided on the opposing surface 2b of the phosphor plate 2 and on the surface 6b of each heat dissipation substrate 6A, 6B. When excitation light is incident on the incident surface 2a of the phosphor plate 2 as indicated by an arrow A, a part of the phosphor plate 2 changes to fluorescence. Then, the excitation light and the fluorescence are reflected by the reflection film 9 and are emitted as emitted light as indicated by an arrow B from the incident surface 2a.

図4の蛍光体素子1Dは、図3の蛍光体素子1Cと同様のものである。ただし、蛍光体素子1Dにおいては、蛍光体板2の対向面2bおよび放熱基板6A、6Bの表面6b上に、金属酸化物からなるバッファ層10、反射膜11がこの順で積層されている。   The phosphor element 1D in FIG. 4 is the same as the phosphor element 1C in FIG. However, in the phosphor element 1D, the buffer layer 10 made of a metal oxide and the reflective film 11 are laminated in this order on the opposing surface 2b of the phosphor plate 2 and the surfaces 6b of the heat dissipation substrates 6A and 6B.

図5の蛍光体素子1Eは、図1の蛍光体素子1Aと同様のものである。ただし、蛍光体素子1Eにおいては、放熱基板6Aと反射膜4Aとの間に、複数層のバッファ層5A、5Cが設けられており、放熱基板6Bと反射膜4Bとの間に、複数層のバッファ層5B、5Dが設けられている。   The phosphor element 1E in FIG. 5 is the same as the phosphor element 1A in FIG. However, in the phosphor element 1E, a plurality of buffer layers 5A and 5C are provided between the heat dissipation substrate 6A and the reflective film 4A, and a plurality of layers are provided between the heat dissipation substrate 6B and the reflective film 4B. Buffer layers 5B and 5D are provided.

図6の蛍光体素子1Fは、図3の蛍光体素子1Cと同様のものである。ただし、蛍光体素子1Eにおいては、放熱基板6Aと反射膜4Aとの間に、複数層のバッファ層5A、5Cが設けられており、放熱基板6Bと反射膜4Bとの間に、複数層のバッファ層5B、5Dが設けられている。   The phosphor element 1F in FIG. 6 is the same as the phosphor element 1C in FIG. However, in the phosphor element 1E, a plurality of buffer layers 5A and 5C are provided between the heat dissipation substrate 6A and the reflective film 4A, and a plurality of layers are provided between the heat dissipation substrate 6B and the reflective film 4B. Buffer layers 5B and 5D are provided.

本発明においては、蛍光体板と各放熱基板との間にそれぞれ反射膜4A、4Bを介在させることによって、蛍光体板から放熱基板のほうへと散乱する励起光および蛍光を蛍光体板内へと反射させることができるので、蛍光強度を一層向上させることができる。更に、各反射膜4A、4Bと蛍光体板2との間にそれぞれ金属酸化物からなる接合層3A、3Bを設けることによって、経時による色ムラの発生を抑制できる。   In the present invention, the reflection films 4A and 4B are interposed between the phosphor plate and each heat dissipation substrate, respectively, so that excitation light and fluorescence scattered from the phosphor plate toward the heat dissipation substrate are entered into the phosphor plate. The fluorescence intensity can be further improved. Furthermore, by providing the bonding layers 3A and 3B made of metal oxides between the reflecting films 4A and 4B and the phosphor plate 2, the occurrence of color unevenness over time can be suppressed.

蛍光体板を構成する蛍光体は、励起光を蛍光に変換できるものであれば限定されないが、蛍光体ガラス、蛍光体単結晶または蛍光体多結晶であってよい。   The phosphor constituting the phosphor plate is not limited as long as excitation light can be converted into fluorescence, but may be phosphor glass, phosphor single crystal, or phosphor polycrystal.

蛍光体ガラスは、ベースとなるガラス中に希土類元素イオンを分散したものである。
ベースとなるガラスとしては、シリカ、酸化ホウ素、酸化カルシウム、酸化ランタン、酸化バリウム、酸化亜鉛、酸化リン、フッ化アルミニウム、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化ストロンチウム、塩化バリウムを含む酸化ガラスが例示できる。
The phosphor glass is obtained by dispersing rare earth element ions in a base glass.
Examples of the base glass include silica, boron oxide, calcium oxide, lanthanum oxide, barium oxide, zinc oxide, phosphorus oxide, aluminum fluoride, magnesium fluoride, calcium fluoride, strontium fluoride, and oxide glass containing barium chloride. It can be illustrated.

蛍光体ガラス中に分散される希土類元素イオンとしては、Tb、Eu、Ce、Nd、が好ましいが、La、Pr、Sc、Sm、Er、Tm、Dy、Gd、Luであってもよい。   The rare earth element ions dispersed in the phosphor glass are preferably Tb, Eu, Ce, and Nd, but may be La, Pr, Sc, Sm, Er, Tm, Dy, Gd, and Lu.

蛍光体単結晶としては、YAl12、BaSi11Al25、TbAl12が好ましい。YAl12のY(イットリウム)の一部がLuに置換されていてもよい。また、蛍光体単結晶中にドープするドープ成分としては、希土類イオンが好ましく、Tb、Eu、Ce、Ndが特に好ましいが、La、Pr、Sc、Sm、Er、Tm、Dy、Gd、Luであってもよい。 As the phosphor single crystal, Y 3 Al 5 O 12 , Ba 5 Si 11 Al 7 N 25 , and Tb 3 Al 5 O 12 are preferable. A part of Y (yttrium) of Y 3 Al 5 O 12 may be substituted with Lu. Further, as a doping component to be doped in the phosphor single crystal, rare earth ions are preferable, and Tb, Eu, Ce, and Nd are particularly preferable, but La, Pr, Sc, Sm, Er, Tm, Dy, Gd, and Lu are used. There may be.

また、蛍光体多結晶としては、TAG(テルビウム・アルミニウム・ガーネット)系、サイアロン系、BOS(バリウム・オルソシリケート)系、YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)が例示できる。YAGのY(イットリウム)の一部がLuに置換されていてもよい。
蛍光体多結晶中にドープするドープ成分としては、希土類イオンが好ましく、Tb、Eu、Ce、Ndが特に好ましいが、La、Pr、Sc、Sm、Er、Tm、Dy、Gd、Luであってもよい。
Examples of the phosphor polycrystal include TAG (terbium, aluminum, garnet), sialon, BOS (barium, orthosilicate), and YAG (yttrium, aluminum, garnet). A part of Y (yttrium) of YAG may be substituted with Lu.
As a doping component to be doped in the phosphor polycrystal, rare earth ions are preferable, and Tb, Eu, Ce, and Nd are particularly preferable. La, Pr, Sc, Sm, Er, Tm, Dy, Gd, and Lu Also good.

なお、本発明の蛍光体素子は、グレーティング(回折格子)を蛍光体板内に含んでいない無グレーティング型蛍光体素子である。   The phosphor element of the present invention is a non-grating phosphor element that does not include a grating (diffraction grating) in the phosphor plate.

接合層の材質は金属酸化物とする。これは酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化アルミニウム、酸化タンタル、酸化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素を例示できる。   The material of the bonding layer is a metal oxide. Examples thereof include aluminum oxide, magnesium oxide, aluminum nitride, tantalum oxide, silicon oxide, silicon nitride, aluminum nitride, and silicon carbide.

接合層が蛍光体と反射膜の間にある場合、接合層は蛍光体よりも低屈折率の材料からなることが好ましい。このようにすると、蛍光体と接合層の屈折率差による全反射を利用することができ、反射膜での反射する光成分を少なくすることができ、反射膜による反射で光が吸収されることを抑制することができる。さらに、放熱性という観点から
酸化アルミニウム、酸化マグネシウムが最も良い。
When the bonding layer is between the phosphor and the reflective film, the bonding layer is preferably made of a material having a lower refractive index than the phosphor. In this way, total reflection due to the difference in refractive index between the phosphor and the bonding layer can be used, light components reflected by the reflection film can be reduced, and light is absorbed by reflection by the reflection film. Can be suppressed. Furthermore, aluminum oxide and magnesium oxide are the best from the viewpoint of heat dissipation.

接合層の厚みは1μm以下が好ましく、これによって放熱に対する影響を少なくできる。また、接合力の観点からは、接合層の厚みは0.05μm以上が好ましい。   The thickness of the bonding layer is preferably 1 μm or less, which can reduce the influence on heat dissipation. From the viewpoint of bonding strength, the thickness of the bonding layer is preferably 0.05 μm or more.

蛍光体板と放熱基板との間の反射膜、蛍光体板の側面上の反射膜、蛍光体板の対向面上の反射膜の材質は、蛍光体層を通過してきた蛍光を反射するものであれば特に制限されない。反射膜は、励起光を全反射する必要はなく、励起光の一部を透過させても良いし、全部を透過するものであっても良い。   The reflective film between the phosphor plate and the heat dissipation substrate, the reflective film on the side surface of the phosphor plate, and the reflective film on the opposite surface of the phosphor plate reflect the fluorescence that has passed through the phosphor layer. If there is no particular limitation. The reflection film does not need to totally reflect the excitation light, and may transmit a part of the excitation light or may transmit the entire excitation light.

好適な実施形態においては、各反射膜が、金属膜または誘電体多層膜である。
反射膜を金属膜とした場合は、広い波長域で反射することができ、入射角度依存性も小さくすることができ、温度に対する耐久性、耐候性が優れている。一方、反射膜を誘電体多層膜とした場合には、吸収がないため、入射した光は損失なく100%反射光とすることが可能であるし、酸化膜から構成できるので、接合層との密着性を上げることができ、はがれを防止できる。
In a preferred embodiment, each reflective film is a metal film or a dielectric multilayer film.
When the reflective film is a metal film, it can be reflected in a wide wavelength range, the incident angle dependency can be reduced, and durability against temperature and weather resistance are excellent. On the other hand, when the reflective film is a dielectric multilayer film, since there is no absorption, the incident light can be made 100% reflected light without loss and can be composed of an oxide film. Adhesion can be increased and peeling can be prevented.

反射膜による励起光の反射率は、80%以上とするが、95%以上であることが好ましく、また全反射してもよい。   The reflectance of the excitation light by the reflection film is 80% or more, but is preferably 95% or more, and may be totally reflected.

誘電体多層膜は、高屈折材料と低屈折材料とを交互に積層した膜である。高屈折材料率としては、TiO、Ta、Ta、ZnO、Si、Nbを例示できる。また、低屈折材料としては、SiO、MgF、CaFを例示できる。
誘電体多層膜の積層数や合計厚さは、反射させるべき蛍光の波長によって適宜選択する。
The dielectric multilayer film is a film in which high refractive materials and low refractive materials are alternately stacked. As the high refractive material index, TiO 2, Ta 2 O 3 , Ta 2 O 3, ZnO, and Si 3 N 4, Nb 2 O 5 can be exemplified. As the low refractive index material can be exemplified by SiO 2, MgF 2, CaF 2 .
The number of laminated dielectric multilayer films and the total thickness are appropriately selected depending on the wavelength of fluorescence to be reflected.

また、金属膜の材質としては、以下が好ましい。
(1) Al、Ag、Auなどの単層膜
(2) Al、Ag、Auなどの多層膜
Moreover, as a material of a metal film, the following is preferable.
(1) Single layer film of Al, Ag, Au, etc. (2) Multilayer film of Al, Ag, Au, etc.

金属膜の厚さは、蛍光を反射できれば特に限定されないが、0.05μm以上が好ましく、0.1μm以上が更に好ましい。また金属膜と基材との密着性を上げるために、Ti、Cr、Ni、等の金属膜を介して形成することもできる。   The thickness of the metal film is not particularly limited as long as it can reflect fluorescence, but is preferably 0.05 μm or more, more preferably 0.1 μm or more. Moreover, in order to improve the adhesiveness of a metal film and a base material, it can also form via metal films, such as Ti, Cr, Ni.

誘電体多層膜、金属膜の成膜方法は特に限定されないが、蒸着法、スパッタ法、CVD法が好ましい。蒸着法の場合、イオンアシストを付加して成膜することもできる。   The method for forming the dielectric multilayer film and the metal film is not particularly limited, but vapor deposition, sputtering, and CVD are preferable. In the case of the vapor deposition method, the film can be formed by adding ion assist.

バッファ層の材質は金属酸化物とする。これは酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化アルミニウム、酸化タンタル、酸化ケイ素を例示できるが、放熱性という観点で酸化アルミニウム、酸化マグネシウムが最も良く、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素であっても良い。また、反射膜と放熱基板との間に複数層のバッファ層を設けることができる。この場合にも、各バッファ層の材質として、上述の金属酸化物を例示できる。特に好ましくは、反射膜と接するバッファ層の材質を酸化アルミニウムとし、放熱基板と接するバッファ層の材質を酸化タンタルとする。   The material of the buffer layer is a metal oxide. Examples of this include aluminum oxide, magnesium oxide, aluminum nitride, tantalum oxide, and silicon oxide, but aluminum oxide and magnesium oxide are the best from the viewpoint of heat dissipation, and silicon nitride, aluminum nitride, and silicon carbide may be used. A plurality of buffer layers can be provided between the reflective film and the heat dissipation substrate. Also in this case, the above-mentioned metal oxide can be illustrated as a material of each buffer layer. Particularly preferably, the material of the buffer layer in contact with the reflective film is aluminum oxide, and the material of the buffer layer in contact with the heat dissipation substrate is tantalum oxide.

放熱基板の熱伝導率(25℃)は、20W/m・K以上とすることが好ましく、30W/m・K以上とすることが更に好ましく、100W/m・K以上とすることが最も好ましい。また、放熱基板の熱伝導率の上限は特にないが、実際的な入手の観点からは、350W/m・K以下とすることができる。   The thermal conductivity (25 ° C.) of the heat dissipation substrate is preferably 20 W / m · K or more, more preferably 30 W / m · K or more, and most preferably 100 W / m · K or more. Moreover, although there is no upper limit in particular in the heat conductivity of a thermal radiation board | substrate, it can be 350 W / m * K or less from a viewpoint of practical acquisition.

放熱基板の材質としては、酸化アルミニウム、サファイア、酸化マグネシウム、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化ホウ素、シリコン、炭化珪素、グラファイトを例示できる。   Examples of the material of the heat dissipation substrate include aluminum oxide, sapphire, magnesium oxide, aluminum nitride, gallium nitride, boron nitride, silicon, silicon carbide, and graphite.

また、蛍光体板の入射面上に更に部分透過膜を設けることができる。部分透過膜は、励起光の一部を反射し、残りを透過する膜である。具体的には、部分透過膜の励起光に対する反射率は、9%以上であり、50%以下が好ましい。こうした部分透過膜の材質としては、前記した反射膜用の金属膜や誘電体多層膜を挙げることができる。   Further, a partial transmission film can be further provided on the incident surface of the phosphor plate. The partially transmissive film is a film that reflects a part of the excitation light and transmits the rest. Specifically, the reflectance with respect to the excitation light of the partial transmission film is 9% or more, and preferably 50% or less. Examples of the material of the partial transmission film include the metal film for the reflection film and the dielectric multilayer film.

蛍光体板と放熱基板とを接合するのに際しては、接合層と反射膜とを直接接合することができる。直接接合は、一般的に金属/共有結合と拡散結合に分別されるが、高真空中での表面活性化処理を行う金属/共有結合を対象とする。   When joining the phosphor plate and the heat dissipation substrate, the joining layer and the reflective film can be joined directly. Direct bonding is generally divided into a metal / covalent bond and a diffusion bond, but is directed to a metal / covalent bond that undergoes surface activation treatment in a high vacuum.

表面活性化接合について述べる。高平坦な基板にアルゴンイオンを照射することにより表面の不純物原子を除去し、ダングリングボンドを残す。この状態は非常に活性化した表面状態であり、接合する相手と常温にて結合し、異種材料を接合することができる。   The surface activated bonding will be described. By irradiating a highly flat substrate with argon ions, impurity atoms on the surface are removed, leaving dangling bonds. This state is a very activated surface state, and can be bonded to a bonding partner at room temperature to bond dissimilar materials.

これに対して、原子間拡散接合法は、Tiなどの金属層を例えば支持基板に成膜した後に接合するものである。表面活性化接合と同じように、常温から400℃以下の低温で接合が可能である。   On the other hand, in the interatomic diffusion bonding method, a metal layer such as Ti is formed on a support substrate, for example, and then bonded. As with surface activated bonding, bonding can be performed at a low temperature of room temperature to 400 ° C. or lower.

好適な実施形態においては、蛍光体板の入射面と出射面との間隔Lphを0.1mm以上、1.0mm以下とする。Lphが0.1mmより小さいと蛍光が蛍光体中を伝搬する距離が短く、励起光とうまく混ざり合うことができないので、出射光の色ムラが生じやすい。このためLphは0.1mm以上とするが、0.15mm以上が更に好ましい。また、Lphが1.0mmより大きいと、蛍光の損失が大きくなり、やはり出射光に色ムラが生じやすいので、1.0mm以下とするが、0.9mm以下が更に好ましい。   In a preferred embodiment, the distance Lph between the entrance surface and the exit surface of the phosphor plate is set to 0.1 mm or more and 1.0 mm or less. If Lph is less than 0.1 mm, the distance that the fluorescence propagates through the phosphor is short and cannot be mixed well with the excitation light. For this reason, Lph is set to 0.1 mm or more, more preferably 0.15 mm or more. Further, if Lph is larger than 1.0 mm, the loss of fluorescence increases, and color unevenness is likely to occur in the emitted light. Therefore, it is set to 1.0 mm or less, but more preferably 0.9 mm or less.

好適な実施形態においては、蛍光体板の第一の接合面と第二の接合面との間隔Tph、一対の側面の間隔Wphを2.5mm以上、5.0mm以下とする。これらが2.5mm未満であったり、5.0mmを超えると放熱基板への放熱特性が悪くなり、蛍光体の温度が上昇し、温度分布を持つために出射光に色ムラが生じやすく、2.5〜5.0mmとするが、3.0〜4.5mmとすることが更に好ましい。   In a preferred embodiment, the distance Tph between the first bonding surface and the second bonding surface of the phosphor plate and the distance Wph between the pair of side surfaces are 2.5 mm or more and 5.0 mm or less. If these are less than 2.5 mm or more than 5.0 mm, the heat dissipation characteristics to the heat dissipation substrate deteriorate, the temperature of the phosphor rises, and the temperature distribution is likely to cause color unevenness in the emitted light. Although it is set to 0.5 to 5.0 mm, it is more preferably set to 3.0 to 4.5 mm.

また、放熱基板の寸法Ws、Lsは、製造プロセスから蛍光体基板のWph、Lphと同じ値とすることができる。しかし、Tsについては、放熱性の観点から独自に設計することができ、500μm以上が好ましいが、1.0mm以上が一層好ましい。しかし、小型化という観点から3.0mm以下とすることが好ましい。   Further, the dimensions Ws and Ls of the heat dissipation substrate can be set to the same values as Wph and Lph of the phosphor substrate from the manufacturing process. However, Ts can be uniquely designed from the viewpoint of heat dissipation, and is preferably 500 μm or more, more preferably 1.0 mm or more. However, it is preferably 3.0 mm or less from the viewpoint of miniaturization.

光源としては、照明用蛍光体の励起用として高い信頼性を有するGaN材料による半導体レーザが好適である。また、一次元状に配列したレーザアレイ等の光源も実現可能である。スーパールミネッセンスダイオードや半導体光アンプ(SOA)であってもよい。更に、LEDを利用でき、あるいは光源からの励起光を光ファイバーを通して蛍光体素子に対して入射させることもできる。   As the light source, a semiconductor laser made of a GaN material having high reliability is suitable for exciting the phosphor for illumination. A light source such as a laser array arranged in a one-dimensional manner can also be realized. It may be a super luminescence diode or a semiconductor optical amplifier (SOA). Further, an LED can be used, or excitation light from a light source can be incident on a phosphor element through an optical fiber.

半導体レーザと蛍光体から白色光を発生する方法は、特には限定されないが、以下の方法が考えられる。
青色レーザと蛍光体により黄色の蛍光を発生し、白色光を得る方法
青色レーザと蛍光体により赤色と緑色の蛍光を発生し白色光を得る方法
また青色レーザや紫外レーザから蛍光体により赤色、青色、緑色の蛍光を発生し白色光を得る方法
青色レーザや紫外レーザから蛍光体により青色と黄色の蛍光を発生し白色光を得る方法
The method for generating white light from the semiconductor laser and the phosphor is not particularly limited, but the following methods are conceivable.
Method of obtaining white light by generating yellow fluorescence with blue laser and phosphor Method of obtaining white light by generating red and green fluorescence with blue laser and phosphor Red, blue with phosphor from blue laser or ultraviolet laser Method of generating green fluorescence and obtaining white light Method of obtaining blue and yellow fluorescence with a phosphor from a blue laser or ultraviolet laser to obtain white light

(実施例1、2)
図1に示すような蛍光体素子1Aを作製した。
具体的には、厚み3mmの窒化アルミニウム基板上にスパッタにてAl2O3からなるバッファ層5Aを0.2μm、アルミニウム膜4Aを0.4μm、さらにAl2O3からなる接合層を0.2μm成膜した。次に、CeをドープしたYAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)多結晶蛍光体板2上に、Al2O3からなる接合層を厚さ0.5μm成膜した。さらに、両者をAl2O3層同士でイオンガンによる常温直接接合にて貼り合わせを行い、複合基板を得た。
(Examples 1 and 2)
A phosphor element 1A as shown in FIG. 1 was produced.
Specifically, a buffer layer 5A made of Al2O3 was formed by sputtering on an aluminum nitride substrate having a thickness of 3 mm, an aluminum film 4A was formed by 0.4 μm, and a bonding layer made of Al2O3 was formed by 0.2 μm. Next, a bonding layer made of Al 2 O 3 was formed to a thickness of 0.5 μm on Ce-doped YAG (yttrium / aluminum / garnet) polycrystalline phosphor plate 2. Furthermore, both were bonded together by Al2O3 layers by direct bonding at room temperature with an ion gun to obtain a composite substrate.

その後、別の窒化アルミニウム基板上にスパッタにてAl2O3からなるバッファ層5Bを0.2μm、反射膜としてアルミニウム膜4Bを0.4μm、さらにAl2O3からなる接合層を0.2μm成膜した。また先の複合基板の多結晶蛍光体面にAl2O3からなる接合層を0.5μm成膜して、両者をAl2O3層同士でイオンガンによる常温直接接合にて貼り合わせを行った。   Thereafter, a buffer layer 5B made of Al 2 O 3 was formed to 0.2 μm on another aluminum nitride substrate, an aluminum film 4B as a reflective film was formed to 0.4 μm, and a bonding layer made of Al 2 O 3 was further formed to 0.2 μm. Further, a bonding layer made of Al2O3 was formed to a thickness of 0.5 μm on the surface of the polycrystalline phosphor of the composite substrate, and the two layers were bonded together by direct bonding at room temperature with an ion gun between the Al2O3 layers.

得られた複合基板をスライサーにて所望の寸法にチップ切断を行った。切断後に、入射面、出射面となる切断面の双方を端面研磨して鏡面としたサンプルを、実施例1のサンプルとした。また、出射面のみ鏡面加工して、入射面は切断のまま粗面としたサンプルを実施例2のサンプルとした。実施例1、2のサンプルともに、切断した側面の双方にスパッタにてAl2O3からなるバッファ層8を0.2μm、反射膜7としてアルミニウム膜を0.4μm成膜した。   The obtained composite substrate was cut into a desired size with a slicer. The sample of Example 1 was a sample in which both the incident surface and the cut surface serving as the exit surface were mirror-polished after cutting. A sample in which only the exit surface was mirror-finished and the incident surface was cut and roughened was used as the sample of Example 2. In both the samples of Examples 1 and 2, a buffer layer 8 made of Al 2 O 3 was formed to 0.2 μm and an aluminum film as a reflective film 7 was formed to 0.4 μm on both the cut side surfaces by sputtering.

(比較例1)
図7に示すような蛍光体素子20を作製した。
蛍光体素子20は、図1の蛍光体素子1Aと同様のものであるが、しかし、反射膜4A、4Bがそれぞれ蛍光体板2の接合面2c、2dに接しており、反射膜4A、4Bと各放熱基板6A、6Bとの間にそれぞれバッファ層5A、5Bが設けられている。
(Comparative Example 1)
A phosphor element 20 as shown in FIG. 7 was produced.
The phosphor element 20 is the same as the phosphor element 1A of FIG. 1, but the reflection films 4A and 4B are in contact with the joint surfaces 2c and 2d of the phosphor plate 2, respectively, and the reflection films 4A and 4B. And buffer layers 5A and 5B are provided between the heat dissipation substrates 6A and 6B, respectively.

具体的には、厚み3mmの窒化アルミニウム基板上にスパッタにてAl2O3からなるバッファ層5Aを0.2μm成膜した。次に、CeをドープしたYAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)の多結晶蛍光体板上に反射膜4Aとしてアルミニウム膜を0.4μm、さらにAl2O3からなる接合層を0.2μm成膜した。さらに、両者をAl2O3層同士でイオンガンによる常温直接接合にて貼り合わせを行い、複合基板を得た。   Specifically, a buffer layer 5A made of Al 2 O 3 was formed to a thickness of 0.2 μm on a 3 mm thick aluminum nitride substrate by sputtering. Next, 0.4 μm of an aluminum film as a reflective film 4A and 0.2 μm of a bonding layer made of Al 2 O 3 were formed on a polycrystalline phosphor plate of YAG (yttrium, aluminum, garnet) doped with Ce. Furthermore, both were bonded together by Al2O3 layers by direct bonding at room temperature with an ion gun to obtain a composite substrate.

その後、接合した複合基板の蛍光体板2の接合面2dにスパッタにて反射膜4Bとしてアルミニウム膜を0.4μm、Al2O3からなる接合層を0.2μm成膜した。次いで別の窒化アルミニウム基板に同様にAl2O3からなるバッファ層5Bを0.2μm成膜して、双方の基板をイオンガンによる常温直接接合にて貼り合わせした。   Thereafter, 0.4 μm of an aluminum film and 0.2 μm of a bonding layer made of Al 2 O 3 were formed as a reflection film 4B on the bonding surface 2d of the phosphor plate 2 of the bonded composite substrate by sputtering. Next, a buffer layer 5B made of Al 2 O 3 was similarly formed on another aluminum nitride substrate to a thickness of 0.2 μm, and both substrates were bonded together by direct bonding at room temperature using an ion gun.

次いで、接合した複合基板をスライサーにて所望の寸法にチップ切断を行った。切断後に、入射面、出射面となる切断面の双方を端面研磨して鏡面とした。さらに、切断した側面の双方にスパッタにてAl2O3からなるバッファ層8を0.2μm、反射膜7としてアルミニウム膜を0.4μm成膜した。   Next, the bonded composite substrate was cut into desired dimensions with a slicer. After cutting, both the incident surface and the cut surface serving as the exit surface were polished to give mirror surfaces. Further, a buffer layer 8 made of Al 2 O 3 was formed to 0.2 μm on both sides of the cut surface by sputtering, and an aluminum film was formed to be 0.4 μm as the reflective film 7.

(比較例2)
図8に示すような蛍光体素子21を作製した。
具体的には、幅3mm、高さ3mm、厚み0.3mmのCeをドープしたYAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)の多結晶蛍光体板12を用意した。また、外形寸法が幅3.2mm、高さ3.2mm、厚み0.3mmかつ内形寸法が幅3mm、高さ3mm、厚み0.3mmの筒状に加工したアルミナ基板13と、外形寸法が幅3.4mm、高さ3.4mm、厚み0.3mmかつ内形寸法が幅3.2mm、高さ3.2mm、厚み0.3mmの筒状に加工したアルミニウム基板14を準備した。これら基板をそれぞれが面で接するように配置した。
(Comparative Example 2)
A phosphor element 21 as shown in FIG. 8 was produced.
Specifically, a polycrystalline phosphor plate 12 of YAG (yttrium, aluminum, garnet) doped with Ce having a width of 3 mm, a height of 3 mm, and a thickness of 0.3 mm was prepared. Moreover, the alumina substrate 13 processed into a cylindrical shape having a width of 3.2 mm, a height of 3.2 mm, a thickness of 0.3 mm, and an inner shape of a width of 3 mm, a height of 3 mm, and a thickness of 0.3 mm; An aluminum substrate 14 processed into a cylindrical shape having a width of 3.4 mm, a height of 3.4 mm, a thickness of 0.3 mm, and an inner shape having a width of 3.2 mm, a height of 3.2 mm, and a thickness of 0.3 mm was prepared. These substrates were placed so that they were in contact with each other.

この状態では、蛍光体板12の入射面12aと出射面12bとの間にある各側面12c、12d、12e、12fが、それぞれ外側のアルミナ基板13の内周面に接しており、アルミナ基板13の外周面が、外側のアルミニウム基板14の内周面に接している。アルミニウム基板14は反射膜として作用し、アルミナ基板13はバッファ層として機能する。   In this state, the side surfaces 12c, 12d, 12e, and 12f between the entrance surface 12a and the exit surface 12b of the phosphor plate 12 are in contact with the inner peripheral surface of the outer alumina substrate 13, respectively. Is in contact with the inner peripheral surface of the outer aluminum substrate 14. The aluminum substrate 14 functions as a reflective film, and the alumina substrate 13 functions as a buffer layer.

次いで、放熱基板15として幅3mm、高さ3mm、厚み0.3mmの窒化アルミニウムを、反射膜14の表面に接するように実装し、モジュールを得た。   Next, aluminum nitride having a width of 3 mm, a height of 3 mm, and a thickness of 0.3 mm was mounted as the heat dissipation substrate 15 so as to be in contact with the surface of the reflective film 14 to obtain a module.

(測定)
各蛍光体素子に対して、出力3WのGaN系青色レーザ光源を光学的に結合し、モジュールを作製した。蛍光体素子に照射するスポットサイズは半径1mm、このときパワー密度は0.95W/mmであった。初期の特性結果を表1に示す。また、温度サイクル試験として、−10℃と85℃で500サイクル実施した後で再び特性を評価した結果を表2に示す。ただし、各項目は以下のようにして測定した。
(Measurement)
A GaN-based blue laser light source with an output of 3 W was optically coupled to each phosphor element to produce a module. The spot size with which the phosphor element was irradiated had a radius of 1 mm, and the power density was 0.95 W / mm 2 at this time. Table 1 shows the initial characteristic results. Table 2 shows the results of evaluating the characteristics again after performing 500 cycles at −10 ° C. and 85 ° C. as a temperature cycle test. However, each item was measured as follows.

(輝度)
輝度測定は全光束測定方法を用い、labshere社製10インチ積分球(DAS−2100)を用いて測定した。
(Luminance)
The luminance was measured using a total luminous flux measurement method using a 10 inch integrating sphere (DAS-2100) manufactured by labshere.

(色ムラ)
出力した光を輝度分布測定装置を用いて色度図で評価を行った。そして、色度図において、中央値x:0.3447±0.005、y:0.3553±0.005の範囲にある場合は「色ムラなし」とし、この範囲外の場合には「色ムラあり」とした。
(Color unevenness)
The output light was evaluated with a chromaticity diagram using a luminance distribution measuring device. In the chromaticity diagram, when the median value is in the range of x: 0.3447 ± 0.005 and y: 0.3553 ± 0.005, “no color unevenness” is assumed. "There is unevenness".

Figure 2018163828
Figure 2018163828

Figure 2018163828
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実施例1、実施例2においては、初期および温度サイクル試験後の両方において、色ムラが見られなかった。
すなわち、実施例1における500サイクル試験後の蛍光体の温度分布の計算値を図9のグラフおよび図11のシミュレーション図に示す。この場合、温度サイクル試験前後でどの場所においても温度は蛍光体の熱劣化しきい値以下となり、蛍光の内部量子効率の低下がなく、色むらがない。
In Example 1 and Example 2, no color unevenness was observed both in the initial stage and after the temperature cycle test.
That is, the calculated value of the temperature distribution of the phosphor after the 500 cycle test in Example 1 is shown in the graph of FIG. 9 and the simulation diagram of FIG. In this case, the temperature is below the thermal degradation threshold of the phosphor at any location before and after the temperature cycle test, the internal quantum efficiency of the fluorescence is not reduced, and there is no color unevenness.

実施例2の場合においても、500サイクル試験後の蛍光体の温度分布は、どの場所においても蛍光体の熱劣化しきい値以下となり、蛍光の内部量子効率の低下がなく、色ムラが見られなかった。   Also in the case of Example 2, the temperature distribution of the phosphor after the 500 cycle test is below the thermal degradation threshold of the phosphor at any location, the internal quantum efficiency of the fluorescence is not reduced, and color unevenness is observed. There wasn't.

比較例1における500サイクル試験後の蛍光体の温度分布の計算値を図10に示す。この場合、温度サイクル試験前には、どの場所においても300℃以下となり、また実施例1と同様に色ムラの発生はなかった。しかし、温度サイクル試験後には、温度は全体に300℃以下であるにも関わらず、色ムラが発生した。これについて、サンプルを破壊試験にて調べたところ、反射膜が蛍光体板から剥がれており、励起光と蛍光の反射率が低下して輝度が小さくなると同時に、色分布ができて色ムラが発生することがわかった。   The calculated values of the temperature distribution of the phosphor after the 500 cycle test in Comparative Example 1 are shown in FIG. In this case, before the temperature cycle test, the temperature was 300 ° C. or lower in any place, and no color unevenness was generated as in Example 1. However, after the temperature cycle test, color unevenness occurred even though the temperature was 300 ° C. or less as a whole. When the sample was examined in a destructive test, the reflective film was peeled off from the phosphor plate, the reflectance of the excitation light and the fluorescence decreased, the luminance decreased, and at the same time, the color distribution was created and color unevenness occurred. I found out that

比較例2の場合には、色ムラが発生していた。この理由であるが、放熱効果が十分でなく、温度サイクル前後に依らず、最高温度が熱劣化のしきい値以上になり、かつ蛍光体内の温度分布が非対称になることから蛍光体の熱劣化により、蛍光の内部量子効率の低下が起こり、励起光の照射分布に対して温度分布が異なるために色ムラが発生したと考えられる。   In the case of Comparative Example 2, color unevenness occurred. The reason for this is that the heat dissipation effect is not sufficient, the temperature does not depend on the temperature cycle, the maximum temperature exceeds the threshold for thermal degradation, and the temperature distribution in the phosphor becomes asymmetric, resulting in thermal degradation of the phosphor. As a result, the internal quantum efficiency of the fluorescence is reduced, and the temperature distribution is different from the irradiation distribution of the excitation light.

Claims (5)

第一の放熱基板、
第二の放熱基板、
励起光の入射面、前記入射面に対向する対向面、前記第一の放熱基板に対向する第一の接合面、前記第二の放熱基板に対向する第二の接合面および一対の側面を備えている蛍光体板であって、前記蛍光体板に入射する前記励起光を蛍光に変換し、前記蛍光および前記励起光を前記対向面または前記入射面から出射させる蛍光体板、
前記第一の接合面に接し、金属酸化物からなる第一の接合層、
前記第二の接合面に接し、金属酸化物からなる第二の接合層、
前記第一の接合層と前記第一の放熱基板との間に設けられた第一の反射膜、および
前記第二の接合層と前記第二の放熱基板との間に設けられた第二の反射膜を備えていることを特徴とする、蛍光体素子。
First heat dissipation board,
Second heat dissipation board,
An excitation light incident surface, a facing surface facing the incident surface, a first bonding surface facing the first heat dissipation substrate, a second bonding surface facing the second heat dissipation substrate, and a pair of side surfaces A phosphor plate that converts the excitation light incident on the phosphor plate into fluorescence and emits the fluorescence and the excitation light from the opposing surface or the incident surface,
A first bonding layer made of a metal oxide in contact with the first bonding surface;
A second bonding layer made of a metal oxide in contact with the second bonding surface;
A first reflective film provided between the first bonding layer and the first heat dissipation substrate; and a second reflection film provided between the second bonding layer and the second heat dissipation substrate. A phosphor element comprising a reflective film.
前記蛍光体板の前記各側面上にそれぞれ側面反射膜が設けられていることを特徴とする、請求項1記載の素子。   The element according to claim 1, wherein a side surface reflection film is provided on each side surface of the phosphor plate. 前記第一の反射膜と前記第一の放熱基板との間に、金属酸化物からなる第一のバッファ層が設けられており、前記第二の反射膜と前記第二の放熱基板との間に、金属酸化物からなる第二のバッファ層が設けられていることを特徴とする、請求項1または2記載の素子。   A first buffer layer made of a metal oxide is provided between the first reflective film and the first heat dissipation substrate, and between the second reflective film and the second heat dissipation substrate. 3. The device according to claim 1, further comprising a second buffer layer made of a metal oxide. 前記蛍光および前記励起光を前記対向面から出射させることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一つの請求項に記載の素子。   The element according to claim 1, wherein the fluorescence and the excitation light are emitted from the facing surface. レーザ光を発振する光源、および請求項1〜4のいずれか一つの請求項に記載の蛍光体素子を備えることを特徴とする、照明装置。   An illumination device comprising: a light source that oscillates laser light; and the phosphor element according to claim 1.
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