JP2018189927A - 蛍光体ホイール - Google Patents
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Abstract
【課題】高出力密度のレーザ光照射に対応する、蛍光出力の低下を抑制する蛍光体ホイールを提供する。
【解決手段】蛍光体ホイールは、光透過性を有する基板と、基板上に積層され、励起光照射により蛍光を放つ蛍光体層と、を備えた板状の蛍光体ホイールであって、基板と蛍光体層との接触部分において、基板と蛍光体層とがお互いに不規則に入り組んだ構造を有している。
【選択図】図2
【解決手段】蛍光体ホイールは、光透過性を有する基板と、基板上に積層され、励起光照射により蛍光を放つ蛍光体層と、を備えた板状の蛍光体ホイールであって、基板と蛍光体層との接触部分において、基板と蛍光体層とがお互いに不規則に入り組んだ構造を有している。
【選択図】図2
Description
本発明は、主として蛍光体ホイールに関し、特に、高出力密度を有するレーザ光を用いて励起させ、蛍光を得るための蛍光体ホイールに関する。
近年、スクリーンや壁に向かって様々な映像を投影する装置が広く普及している。その装置の一つであるプロジェクタは、光源から出射された光をプロジェクタ内に搭載されている空間光変調素子により制御することで、映像信号に変換し投影している。
従来、プロジェクタの光源には大画面の映像を投影するために水銀蒸気中のアーク放電を利用して発光を得る超高圧水銀ランプ等の放電光源が一般的に使用されていた。この光源は、紫外域から可視域までの連続的なスペクトル光を放つことができる利点を有するが、その一方で瞬間的に点灯させることができないこと、光源の高輝度化に限界があるなどが問題として挙げられる。
従来、プロジェクタの光源には大画面の映像を投影するために水銀蒸気中のアーク放電を利用して発光を得る超高圧水銀ランプ等の放電光源が一般的に使用されていた。この光源は、紫外域から可視域までの連続的なスペクトル光を放つことができる利点を有するが、その一方で瞬間的に点灯させることができないこと、光源の高輝度化に限界があるなどが問題として挙げられる。
このような状況の中でレーザ光と蛍光体を組み合わせた光源を備えたプロジェクタの展開が加速している。従来の光源と比較して、このレーザ光は瞬間的に点灯させることが可能であり、レンズを用いて集光することで回折限界まで光を絞ることができるため、さらなる高輝度化を実現することができる。このプロジェクタ内部には円形状の基板上に蛍光体層を形成した蛍光体ホイールが回転している。その蛍光体層部にプロジェクタ内部に構成された光学部材によって集光したレーザ光が照射されることで蛍光を放ち、この光を用いることによって高輝度を有する映像の投射を実現している。
しかしながら、レーザ光の出力密度を上げていくと微小な面積に光エネルギーが集中するため発熱量が増加する。この発熱量増加による蛍光体層の劣化が問題となっている。
しかしながら、レーザ光の出力密度を上げていくと微小な面積に光エネルギーが集中するため発熱量が増加する。この発熱量増加による蛍光体層の劣化が問題となっている。
上記問題を解決するために特許文献1には、光を透過させる基板と、基板の表面に塗布された蛍光体層と、蛍光体層を透過する光の光路を避けるように、蛍光体層よりも回転軸側である内側、および蛍光体層よりも回転軸の反対側である外側の少なくとも一方に貼り付けられた放熱板とで構成された蛍光体ホイールが開示されている。ここに示されているように、一般的な蛍光体ホイールでは、蛍光体粉末と、透光性を有する樹脂、いわゆる樹脂バインダ材料との混合材料であり、円形状基板の上に塗布することで蛍光体層を形成している。
しかしながら、プロジェクタのさらなる高輝度化のために現状よりも高い出力密度を有するレーザ光が照射されると、蛍光体層において高熱が生じる。この熱によって透光性を有する樹脂は変色が進み、熱に耐えることができなくなると最終的に黒色に変化する現象が発生する。このため高い出力密度を有するレーザ光は、蛍光体粒子に照射される前に、変色した透光性を有する樹脂で吸収されるため、蛍光体粒子に到達するレーザ光の光量が減少する。その結果、蛍光体粒子から放射される光量すなわち蛍光出力の低下を引き起こし、高輝度な映像を投射することができないという問題があった。
本発明の目的は、上記課題を解決するためになされたものであって、高出力密度のレーザ光照射に対応する、蛍光出力の低下を抑制する蛍光体ホイールを提供することである。
本発明に係る蛍光体ホイールは、光透過性を有する基板と、
前記基板上に積層され、励起光照射により蛍光を放つ蛍光体層と、
を備えた板状の蛍光体ホイールであって、
前記基板と前記蛍光体層との接触部分において、前記基板と前記蛍光体層とがお互いに不規則に入り組んだ構造を持つことを特徴とする。
前記基板上に積層され、励起光照射により蛍光を放つ蛍光体層と、
を備えた板状の蛍光体ホイールであって、
前記基板と前記蛍光体層との接触部分において、前記基板と前記蛍光体層とがお互いに不規則に入り組んだ構造を持つことを特徴とする。
本発明に係る蛍光体ホイールによれば、樹脂バインダを用いることなく基板の上に直接に蛍光体層を積層している。そこで、高出力密度を有するレーザ光を蛍光体ホイールに照射しても、熱により変色する樹脂バインダ層が存在しないため、レーザ光の吸収が抑制される。よって、蛍光体層に照射されるレーザ出力が低下しないため、蛍光出力の低下を抑制することが可能となる。
(本発明に至った経緯)
本発明の優位性を示すために参考例に関して図を用いて説明する。図9は、特許文献1に記載の蛍光体ホイール101を上から見た平面図である。また、図10は、特許文献1に記載の蛍光体ホイール101の断面図である。この蛍光体ホイール101は、光透過性を有する基板102と、基板102上に設けられた環状の蛍光体層103と、を備える。図11は、特許文献1に記載の蛍光体ホイール101における光透過性を有する基板102と蛍光体層103との接触部の断面拡大図である。基板102と蛍光体層103との接触部において、基板102と蛍光体層103とはほぼフラットな界面で接している。また、蛍光体層103は、蛍光体粒子104と、透光性を有する樹脂105とを含む。
本発明の優位性を示すために参考例に関して図を用いて説明する。図9は、特許文献1に記載の蛍光体ホイール101を上から見た平面図である。また、図10は、特許文献1に記載の蛍光体ホイール101の断面図である。この蛍光体ホイール101は、光透過性を有する基板102と、基板102上に設けられた環状の蛍光体層103と、を備える。図11は、特許文献1に記載の蛍光体ホイール101における光透過性を有する基板102と蛍光体層103との接触部の断面拡大図である。基板102と蛍光体層103との接触部において、基板102と蛍光体層103とはほぼフラットな界面で接している。また、蛍光体層103は、蛍光体粒子104と、透光性を有する樹脂105とを含む。
図11に示すような特許文献1の蛍光体ホイール101において、蛍光体層103は、蛍光体粒子104と透光性を有する樹脂105から形成されている。よって、蛍光体層103と光透過性を有する基板102とは、図11に示すように実質的に透光性を有する樹脂105がバインダ層となり互いに担持されている。したがって、蛍光体層103に光透過性を有する基板102方向からレーザ光が照射されると、蛍光体層103内の蛍光体粒子104がレーザ光を吸収し、そこから放射された光を用いることによって、スクリーン上へ映像を投射している。
よって、照射されたレーザ光は、光透過性を有する基板102を通過し、まず透光性を有する樹脂105に照射される。このとき透光性を有する樹脂105に高出力密度を有するレーザ光が照射されると、熱の発生に伴い透光性を有する樹脂105の変色が起こり、最終的に焦げて黒色になる現象が発生する。これは熱による樹脂バインダ層内の有機物が分解されることに起因するものである。よって、蛍光体粒子104に照射される前に黒色部にてレーザ光が吸収されるため、蛍光体粒子104に到達するレーザ光の光量が減少して、蛍光体粒子104からの蛍光出力が低下する。
本発明者は、そこで、図3に示すように、透光性を有する樹脂105を含まない構成にすることによって、レーザ光が吸収されることを抑制し、蛍光出力の低下を抑えることができることを見出し、本発明に係る蛍光体ホイールの構成に至った。つまり、本発明に係る蛍光体ホイールでは、樹脂を用いず、蛍光体層を基板上に積層している。
さらに、本発明に係る蛍光体ホイールにおいては、蛍光体層3と光透過性を有する基板2との接触部は、基板2と蛍光体層3とがお互いに不規則に入り組んだ構造を有している。ここで、お互いに不規則に入り組んだ構造とは、例えば、図3の実施の形態1に係る蛍光体ホイールにおける蛍光体層3と光透過性を有する基板2との接触部の断面拡大図に示す構造である。接触部において、基板2と蛍光体層3とが不規則に入り組んだ構造にすることで蛍光体層3と光透過性を有する基板2との接触面積を大きくすることができる。このため、蛍光体層3で発生する熱を効率よく光透過性を有する基板2に伝えることが可能となる。
さらに、本発明に係る蛍光体ホイールにおいては、蛍光体層3と光透過性を有する基板2との接触部は、基板2と蛍光体層3とがお互いに不規則に入り組んだ構造を有している。ここで、お互いに不規則に入り組んだ構造とは、例えば、図3の実施の形態1に係る蛍光体ホイールにおける蛍光体層3と光透過性を有する基板2との接触部の断面拡大図に示す構造である。接触部において、基板2と蛍光体層3とが不規則に入り組んだ構造にすることで蛍光体層3と光透過性を有する基板2との接触面積を大きくすることができる。このため、蛍光体層3で発生する熱を効率よく光透過性を有する基板2に伝えることが可能となる。
第1の態様に係る蛍光体ホイールは、光透過性を有する基板と、
前記基板上に積層され、励起光照射により蛍光を放つ蛍光体層と、
を備えた板状の蛍光体ホイールであって、
前記基板と前記蛍光体層との接触部分において、前記基板と前記蛍光体層とがお互いに不規則に入り組んだ構造を持つことを特徴とする蛍光体ホイール。
前記基板上に積層され、励起光照射により蛍光を放つ蛍光体層と、
を備えた板状の蛍光体ホイールであって、
前記基板と前記蛍光体層との接触部分において、前記基板と前記蛍光体層とがお互いに不規則に入り組んだ構造を持つことを特徴とする蛍光体ホイール。
第2の態様に係る蛍光体ホイールは、上記第1の態様において、前記蛍光体層は、Ceで賦活された酸化物材料で構成され、前記基板は、Al2O3で構成されていてもよい。
第3の態様に係る蛍光体ホイールは、上記第2の態様において、前記酸化物材料は、Y3Al5O12またはLu3Al5O12からなってもよい。
第4の態様に係る蛍光体ホイールは、上記第1から第3のいずれかの態様において、前記蛍光体層の厚みは、50μm以上、350μm以下であってもよい。
以下、本発明の実施の形態に係る蛍光体ホイールについて添付図面を参照しながら詳述する。
(実施の形態1)
<蛍光体ホイール>
図1は、実施の形態1に係る蛍光体ホイール1を上から見た平面図である。また、図2は、実施の形態1に係る蛍光体ホイール1の断面図である。
実施の形態1に係る蛍光体ホイール1は、光透過性を有する基板2と、基板2上に積層され、励起光照射により蛍光を放つことができる蛍光体層3と、を備えた板状の蛍光体ホイールである。この蛍光体ホイール1は、基板2と蛍光体層3との接触部分において、基板2と蛍光体層3とがお互いに不規則に入り組んだ構造を持つことを特徴とする。
<蛍光体ホイール>
図1は、実施の形態1に係る蛍光体ホイール1を上から見た平面図である。また、図2は、実施の形態1に係る蛍光体ホイール1の断面図である。
実施の形態1に係る蛍光体ホイール1は、光透過性を有する基板2と、基板2上に積層され、励起光照射により蛍光を放つことができる蛍光体層3と、を備えた板状の蛍光体ホイールである。この蛍光体ホイール1は、基板2と蛍光体層3との接触部分において、基板2と蛍光体層3とがお互いに不規則に入り組んだ構造を持つことを特徴とする。
実施の形態1に係る蛍光体ホイール1においては、蛍光体を分散させる樹脂バインダを用いることなく、基板2上に蛍光体層3を積層している。そこで、高出力密度を有するレーザ光を蛍光体ホイール1に照射しても、熱により変色する樹脂バインダ層が存在しないため、レーザ光の吸収が抑制される。そのため、蛍光体層3に照射されるレーザ出力が低下しないため、蛍光出力の低下を抑制することが可能となる。
さらに、この蛍光体ホイール1によれば、蛍光体層3と基板2との接触部は、基板2と蛍光体層3とがお互いに不規則に入り組んだ構造を有している。接触部において、上記構造にすることで蛍光体層3と基板2との接触面積を大きくすることができ、蛍光体層3で発生する熱を効率よく基板2に伝えることができる。
さらに、この蛍光体ホイール1によれば、蛍光体層3と基板2との接触部は、基板2と蛍光体層3とがお互いに不規則に入り組んだ構造を有している。接触部において、上記構造にすることで蛍光体層3と基板2との接触面積を大きくすることができ、蛍光体層3で発生する熱を効率よく基板2に伝えることができる。
以下に、この蛍光体ホイール1を構成する構成部材について説明する。
<基板>
光透過性を有する基板2は、板状、例えば、円板状でありその中心に円形の開口部を有している。なお、円板状に限られず、多角形状であってもよい。この開口部は、蛍光体ホイール1を回転させるために必要なモータの軸を設置するために形成されており、この軸を中心として光透過性を有する基板2を回転させることができる。
光透過性を有する基板2は、板状、例えば、円板状でありその中心に円形の開口部を有している。なお、円板状に限られず、多角形状であってもよい。この開口部は、蛍光体ホイール1を回転させるために必要なモータの軸を設置するために形成されており、この軸を中心として光透過性を有する基板2を回転させることができる。
<蛍光体層>
蛍光体層3は、光透過性を有する基板2の中心と実質的に同じ中心を有する環状の層であり、光透過性を有する基板2との接触部分において、基板2と蛍光体層3とがお互いに不規則に入り組んだ構造を有している。図3は、本発明の実施形態における蛍光体層3と光透過性を有する基板2との接触部の断面拡大図である。なお、接触部において、蛍光体層3と基板2とは、例えば、一方の母材(マトリクス)中に他方が不規則な島状に分布してもよい。あるいは、両者がそれぞれ櫛歯状に構成されていてもよい。
蛍光体層3に光透過性を有する基板2の方向、つまり、基板2の法線方向からレーザ光が照射されると、基板2を透過した光が蛍光体層3にて吸収され、蛍光体層3から蛍光を放つ。
蛍光体層3は、光透過性を有する基板2の中心と実質的に同じ中心を有する環状の層であり、光透過性を有する基板2との接触部分において、基板2と蛍光体層3とがお互いに不規則に入り組んだ構造を有している。図3は、本発明の実施形態における蛍光体層3と光透過性を有する基板2との接触部の断面拡大図である。なお、接触部において、蛍光体層3と基板2とは、例えば、一方の母材(マトリクス)中に他方が不規則な島状に分布してもよい。あるいは、両者がそれぞれ櫛歯状に構成されていてもよい。
蛍光体層3に光透過性を有する基板2の方向、つまり、基板2の法線方向からレーザ光が照射されると、基板2を透過した光が蛍光体層3にて吸収され、蛍光体層3から蛍光を放つ。
蛍光体層3は、Ceで賦活された酸化物材料で構成され、基板2は、Al2O3で構成されていることが望ましい。また、酸化物材料の中でもY3Al5O12またはLu3Al5O12からなることが好ましい。Y3Al5O12およびLu3Al5O12はAl2O3と共晶組成を有するため、お互いに不規則に入り組んだ構造を得ることができる。
また、映像信号を出力するためには蛍光体に青色光を励起した際に可視域光に変換できることが求められる。図4に本発明の実施形態における蛍光体層3にCeで賦活されたY3Al5O12またはCeで賦活されたLu3Al5O12を、光透過性を有する基板2と組み合わせ、青色光を照射したときに得られる蛍光スペクトルを示す。図4に示すように青色光励起により可視域光を発生させることができるため、映像信号を出力するために必要となる光の成分を得ることができる。よって、Ceで賦活された酸化物材料の中でもY3Al5O12およびLu3Al5O12が好ましい。
また、映像信号を出力するためには蛍光体に青色光を励起した際に可視域光に変換できることが求められる。図4に本発明の実施形態における蛍光体層3にCeで賦活されたY3Al5O12またはCeで賦活されたLu3Al5O12を、光透過性を有する基板2と組み合わせ、青色光を照射したときに得られる蛍光スペクトルを示す。図4に示すように青色光励起により可視域光を発生させることができるため、映像信号を出力するために必要となる光の成分を得ることができる。よって、Ceで賦活された酸化物材料の中でもY3Al5O12およびLu3Al5O12が好ましい。
また、蛍光体層3の厚みは50μm以上、350μm以下であることが好ましい。蛍光体層3の厚みが50μm未満の場合には、青色光が蛍光体層3で十分に蛍光に変換されないため、蛍光出力が低下する。蛍光体層3の厚みが350μmより大きい場合には、青色光が蛍光体層3で十分に変換されるものの、蛍光体層3の厚みが大きくなることによって蛍光体層3内での散乱効果が大きくなり蛍光が広がる。このように得られる蛍光が広がると大きな光学レンズで集光させることが必要となり、商品の適用には好ましくない。よって、蛍光体層3の厚みは50μm以上、350μm以下であることが好ましい。
(蛍光体ホイールの製造方法)
以下、蛍光体ホイールの製造方法について、さらに具体的な説明をする。
本実施の形態1に係る蛍光体ホイール1を作製するために結晶引下げ装置を使用できる。図5(a)〜(c)は、実施の形態1における蛍光体ホイールの作製プロセスを表す概略図を示す。図5(a)は、原料粉末を融液7にした際の概略図である。図5(b)は、坩堝5の底面に光透過性を有する基板2を接触させた際の概略図である。図5(c)は、光透過性を有する基板2を引き下げ、蛍光体ホイール1を作製する際の概略図である。結晶引下げ装置は、加熱源として高周波コイル4を有しており、高周波誘導加熱の原理により、装置内に設置されている坩堝5が加熱される。坩堝5のみでは坩堝5内の温度を均一にすることが困難であるため、保温するために坩堝5の周囲は耐火材6で覆われている。
以下、蛍光体ホイールの製造方法について、さらに具体的な説明をする。
本実施の形態1に係る蛍光体ホイール1を作製するために結晶引下げ装置を使用できる。図5(a)〜(c)は、実施の形態1における蛍光体ホイールの作製プロセスを表す概略図を示す。図5(a)は、原料粉末を融液7にした際の概略図である。図5(b)は、坩堝5の底面に光透過性を有する基板2を接触させた際の概略図である。図5(c)は、光透過性を有する基板2を引き下げ、蛍光体ホイール1を作製する際の概略図である。結晶引下げ装置は、加熱源として高周波コイル4を有しており、高周波誘導加熱の原理により、装置内に設置されている坩堝5が加熱される。坩堝5のみでは坩堝5内の温度を均一にすることが困難であるため、保温するために坩堝5の周囲は耐火材6で覆われている。
図6は、本発明の実施形態における蛍光体ホイールの作製時に用いる坩堝5の底面図である。坩堝5の底面には、融液が流れ出る穴8を設けている。つまり、坩堝5の底面は、蛍光体ホイール1の蛍光体層3の形状に相当する中空円形状になっており、その中空円部には複数の穴8が開いている。
(a)まず、坩堝5内に蛍光体層3の原料となる粉末を投入し、原料の融点以上に加熱すると図5(a)に示すように、原料粉末の融液7が生成される。
(b)次に、図5(b)に示すように、坩堝5の底面に光透過性を有する基板2を接触させる。この光透過性を有する基板2と坩堝5の底面を接触させると、融液7が坩堝5の底面部の穴8を通じて、光透過性を有する基板2上に濡れ広がる。この融液7は、光透過性を有する基板2上に坩堝5の底面部と同じ形状になるまで濡れ広がると、融液7自身の表面張力によって保持される。
(c)上記の状態で図5(c)に示すように、光透過性を有する基板2を引き下げ、自然冷却させると光透過性を有する基板2上の融液7が凝固し蛍光体層3となる。光透過性を有する基板2と融液7とを接触させた部分は、光透過性を有する基板2の表面部にて基板2と融液7との互いの成分が融解しており、冷却時はお互いが安定な状態(共晶点を持つ場合は共晶組成)にて凝固する。
以上の工程によって、蛍光体層3と光透過性を有する基板2との接触部分がお互いに不規則に入り組んだ構造を有する蛍光体ホイール1を作製することができる。
(a)まず、坩堝5内に蛍光体層3の原料となる粉末を投入し、原料の融点以上に加熱すると図5(a)に示すように、原料粉末の融液7が生成される。
(b)次に、図5(b)に示すように、坩堝5の底面に光透過性を有する基板2を接触させる。この光透過性を有する基板2と坩堝5の底面を接触させると、融液7が坩堝5の底面部の穴8を通じて、光透過性を有する基板2上に濡れ広がる。この融液7は、光透過性を有する基板2上に坩堝5の底面部と同じ形状になるまで濡れ広がると、融液7自身の表面張力によって保持される。
(c)上記の状態で図5(c)に示すように、光透過性を有する基板2を引き下げ、自然冷却させると光透過性を有する基板2上の融液7が凝固し蛍光体層3となる。光透過性を有する基板2と融液7とを接触させた部分は、光透過性を有する基板2の表面部にて基板2と融液7との互いの成分が融解しており、冷却時はお互いが安定な状態(共晶点を持つ場合は共晶組成)にて凝固する。
以上の工程によって、蛍光体層3と光透過性を有する基板2との接触部分がお互いに不規則に入り組んだ構造を有する蛍光体ホイール1を作製することができる。
(実施例1〜5)
実施例1〜5では、Ceで賦活されたY3Al5O12を作製するために、純度99.9%の酸化アルミニウム(Al2O3)粉末と酸化イットリウム粉末(Y2O3)粉末、および酸化セリウム(CeO2)を所定の比率にて混合し、窒素雰囲気にて1200℃で2時間加熱し、Ceで賦活されたY3Al5O12の焼結体を得た。
この焼結体を坩堝5に入れ、高周波コイル4の出力を上昇させ、窒素雰囲気にて焼結体を融液7にした。このときの加熱温度は焼結体を完全に融解させ、かつ坩堝5の穴8から自重によって流れ出ないように、焼結体の融点に対して50℃以上100℃以下で制御した。
その後、光透過性を有する基板2を坩堝5の底部と接触させ、融液7を濡れ広がらせた後に徐々に光透過性を有する基板2を引き下げることで融液7を凝固させ、蛍光体層3を作製した。この蛍光体層3が所望の厚みになったことを確認した後に、坩堝5の加熱を停止して、融液7の流れが止まり蛍光体ホイール1を取り出すことができた。
作製した蛍光体ホイール1の蛍光体層3は、凹凸の表面を有していた。そこで、被加工物の高精度な平坦化を行うことができるサーフェイスプレーナ等の装置を利用して、蛍光体層3の厚みを均一にした。ここでの厚みとは、図2に示すように光透過性を有する基板2表面から蛍光体層3の表面までの距離とする。このようにして蛍光体層3の厚みが50μm、100μm、200μm、300μm、350μmの蛍光体ホイール1を作製した。
実施例1〜5では、Ceで賦活されたY3Al5O12を作製するために、純度99.9%の酸化アルミニウム(Al2O3)粉末と酸化イットリウム粉末(Y2O3)粉末、および酸化セリウム(CeO2)を所定の比率にて混合し、窒素雰囲気にて1200℃で2時間加熱し、Ceで賦活されたY3Al5O12の焼結体を得た。
この焼結体を坩堝5に入れ、高周波コイル4の出力を上昇させ、窒素雰囲気にて焼結体を融液7にした。このときの加熱温度は焼結体を完全に融解させ、かつ坩堝5の穴8から自重によって流れ出ないように、焼結体の融点に対して50℃以上100℃以下で制御した。
その後、光透過性を有する基板2を坩堝5の底部と接触させ、融液7を濡れ広がらせた後に徐々に光透過性を有する基板2を引き下げることで融液7を凝固させ、蛍光体層3を作製した。この蛍光体層3が所望の厚みになったことを確認した後に、坩堝5の加熱を停止して、融液7の流れが止まり蛍光体ホイール1を取り出すことができた。
作製した蛍光体ホイール1の蛍光体層3は、凹凸の表面を有していた。そこで、被加工物の高精度な平坦化を行うことができるサーフェイスプレーナ等の装置を利用して、蛍光体層3の厚みを均一にした。ここでの厚みとは、図2に示すように光透過性を有する基板2表面から蛍光体層3の表面までの距離とする。このようにして蛍光体層3の厚みが50μm、100μm、200μm、300μm、350μmの蛍光体ホイール1を作製した。
(実施例6〜8)
実施例6〜8では、Ceで賦活されたLu3Al5O12を作製するために、純度99.9%の酸化アルミニウム(Al2O3)粉末と酸化ルテチウム粉末(Lu2O3)粉末、および酸化セリウム(CeO2)を所定の比率にて混合し、窒素雰囲気にて1200℃で2時間加熱し、Ceで賦活されたLu3Al5O12の焼結体を得た。作製プロセスは実験例1〜5と同じであり、蛍光体層3の厚みが50μm、200μm、350μmの蛍光体ホイール1を作製した。
実施例6〜8では、Ceで賦活されたLu3Al5O12を作製するために、純度99.9%の酸化アルミニウム(Al2O3)粉末と酸化ルテチウム粉末(Lu2O3)粉末、および酸化セリウム(CeO2)を所定の比率にて混合し、窒素雰囲気にて1200℃で2時間加熱し、Ceで賦活されたLu3Al5O12の焼結体を得た。作製プロセスは実験例1〜5と同じであり、蛍光体層3の厚みが50μm、200μm、350μmの蛍光体ホイール1を作製した。
(比較例1および比較例2)
比較例1及び比較例2では、実験例1〜5の原料および作製プロセスと同じであり、蛍光体層3の厚みが40μm、400μmの蛍光体ホイール1を作製した。
比較例1及び比較例2では、実験例1〜5の原料および作製プロセスと同じであり、蛍光体層3の厚みが40μm、400μmの蛍光体ホイール1を作製した。
(比較例3および比較例4)
比較例3及び比較例4では、実験例1〜5と実験例6〜8と同様に、Ceで賦活されたY3Al5O12およびLu3Al5O12の焼結体を作製した。その後、得られた蛍光物質をバインダ(樹脂材料)に混合させ、塗布することにより蛍光体ホイール101を作製した。
比較例3及び比較例4では、実験例1〜5と実験例6〜8と同様に、Ceで賦活されたY3Al5O12およびLu3Al5O12の焼結体を作製した。その後、得られた蛍光物質をバインダ(樹脂材料)に混合させ、塗布することにより蛍光体ホイール101を作製した。
(蛍光体ホイールの評価および測定)
作製した蛍光体ホイールについては高出力レーザ光照射時における変色の有無を評価し、また蛍光出力、発光スポット径を測定した。
図7は、作製した蛍光体ホイールの高出力レーザ光照射時における変色の有無の評価および蛍光出力を測定するために使用したシステム20の構成を表す概略図である。上記システム20は、青色レーザ9、凸レンズ(f200)10、平凸レンズ(f75)11、青色光カットフィルタ12、光出力検出器13を備える。また、図8は、作製した蛍光体ホイールの発光スポット径を測定するために使用したシステム30の構成を表す概略図である。この蛍光体ホイールの発光スポット径の測定システム30は、青色レーザ9、凸レンズ(f200)10、平凸レンズ(f75)11、ビームプロファイラ14を備える。
作製した蛍光体ホイールについては高出力レーザ光照射時における変色の有無を評価し、また蛍光出力、発光スポット径を測定した。
図7は、作製した蛍光体ホイールの高出力レーザ光照射時における変色の有無の評価および蛍光出力を測定するために使用したシステム20の構成を表す概略図である。上記システム20は、青色レーザ9、凸レンズ(f200)10、平凸レンズ(f75)11、青色光カットフィルタ12、光出力検出器13を備える。また、図8は、作製した蛍光体ホイールの発光スポット径を測定するために使用したシステム30の構成を表す概略図である。この蛍光体ホイールの発光スポット径の測定システム30は、青色レーザ9、凸レンズ(f200)10、平凸レンズ(f75)11、ビームプロファイラ14を備える。
表1に、実施例及び比較例に係る蛍光体ホイールの、蛍光体層3および光透過性を有する基板2の構成、蛍光体層3の厚みをそれぞれ変化させたときに、高出力レーザ光照射時における変色の有無を評価し、また蛍光出力、発光スポット径を測定した結果をそれぞれ示す。
作製した蛍光体ホイールの高出力レーザ光照射時における変色の有無を評価するために、回転している蛍光体ホイールにレーザ光の出力密度が50W/mm2になるよう照射し、変色の有無を確認した。
表1における変色の有無の項目において、目視により変色が確認できれば「あり」、目視により変色が確認できなければ「なし」と判定した。
作製した蛍光体ホイールの高出力レーザ光照射時における変色の有無を評価するために、回転している蛍光体ホイールにレーザ光の出力密度が50W/mm2になるよう照射し、変色の有無を確認した。
表1における変色の有無の項目において、目視により変色が確認できれば「あり」、目視により変色が確認できなければ「なし」と判定した。
また、作製した蛍光体ホイールの蛍光出力を測定するために蛍光体層3にレーザ光を照射し、発生した蛍光成分の光出力を測定した。ただし、使用した光出力検出器13は検出値の上限が50mWである。よって、レーザ光の出力密度が50W/mm2となるように照射した場合、蛍光成分の光出力は50mW以上を超えるため正確に検出することができない。そこで、照射するレーザ光の出力密度を1.5W/mm2まで下げ、光出力検出器13の検出上限を超えない範囲で蛍光成分の光出力を測定した。蛍光体ホイールからの光には蛍光成分の光だけではなく、青色レーザ9からの青色成分の光も透過する。そこで光出力検出器13の手前に青色光カットフィルタ12を設置し、蛍光成分の光のみ測定できるようにした。
表1における蛍光出力の項目において、光学製品に適用したときに必要となる30.0mW以上を〇(良)、30.0mW未満を×(不可)と判定した。
さらに、作製した蛍光体ホイールの発光スポット径を測定した。蛍光体ホイールからの光はビームプロファイラで検出するとガウシアン曲線を得ることができる。よって、発光スポット径はガウシアン曲線上のピーク強度値から1/e2(13.5%)に落ちたときの強度における幅として測定した。
表1における発光スポット径の項目において、光学製品に適用したときに必要な取出し効率を得ることができる0.5mm以上1.5mm以下を〇(良)、それ以外を×(不可)と判定した。
最後に、総合評価として蛍光出力、発光スポット径それぞれの項目について、〇(良)が2つある場合は〇(良)とした。また、×(不可)が1つでもある場合は、他の項目がどのような結果であっても総合評価は×(不可)とした。なお、測定ができなかった項目があった場合には−(データなし)としている。
さらに、作製した蛍光体ホイールの発光スポット径を測定した。蛍光体ホイールからの光はビームプロファイラで検出するとガウシアン曲線を得ることができる。よって、発光スポット径はガウシアン曲線上のピーク強度値から1/e2(13.5%)に落ちたときの強度における幅として測定した。
表1における発光スポット径の項目において、光学製品に適用したときに必要な取出し効率を得ることができる0.5mm以上1.5mm以下を〇(良)、それ以外を×(不可)と判定した。
最後に、総合評価として蛍光出力、発光スポット径それぞれの項目について、〇(良)が2つある場合は〇(良)とした。また、×(不可)が1つでもある場合は、他の項目がどのような結果であっても総合評価は×(不可)とした。なお、測定ができなかった項目があった場合には−(データなし)としている。
(蛍光体ホイールの変色の有無)
実施例1から実施例8および比較例1と比較例2は、光透過性を有する基板2と蛍光体層3とが無機酸化物から形成されているのに対して、比較例3および比較例4は、蛍光体層103が蛍光体粒子104と透光性を有する樹脂105から形成されている。高出力密度のレーザ光を照射した際に比較例3および比較例4は、透光性を有する樹脂105が変色し、すぐに黒色に変化したのに対し、実施例1から実施例8および比較例1と比較例2について、変色は確認されなかった。これは比較例3および比較例4に使用されている透光性を有する樹脂中に含まれる有機物成分が、高出力レーザ光照射によって分解反応が起こるためである。一方、実施例1から実施例8および比較例1と比較例2は、光透過性を有する基板2と蛍光体層3とが無機酸化物から形成されているため、変色が起こらなかったと考えられる。
実施例1から実施例8および比較例1と比較例2は、光透過性を有する基板2と蛍光体層3とが無機酸化物から形成されているのに対して、比較例3および比較例4は、蛍光体層103が蛍光体粒子104と透光性を有する樹脂105から形成されている。高出力密度のレーザ光を照射した際に比較例3および比較例4は、透光性を有する樹脂105が変色し、すぐに黒色に変化したのに対し、実施例1から実施例8および比較例1と比較例2について、変色は確認されなかった。これは比較例3および比較例4に使用されている透光性を有する樹脂中に含まれる有機物成分が、高出力レーザ光照射によって分解反応が起こるためである。一方、実施例1から実施例8および比較例1と比較例2は、光透過性を有する基板2と蛍光体層3とが無機酸化物から形成されているため、変色が起こらなかったと考えられる。
(蛍光出力と発光スポット径)
比較例3と比較例4については、前述のとおり、透光性を有する樹脂が黒色に変化したため、照射したレーザ光が吸収され蛍光出力を検出することができなかった。したがって、総合評価は×となる。
実施例1から実施例5と比較例1と比較例2とを比較する。
蛍光体層3の厚みが50μm以上、350μm以下である、実施例1から実施例5については、蛍光出力および発光スポット径は良好である。よって総合評価は〇である。しかしながら、蛍光体層3の厚みが40μmである比較例1においては、厚みが小さいため発光スポット径は小さくなるが、励起光が蛍光体層3にて変換される確率が小さくなるため蛍光出力は低下する。一方、蛍光体層3の厚みが400μmである比較例2においては励起光が蛍光体層3にて変換される確率が大きくなり蛍光出力は増加するが、厚みが大きいため発光スポット径が大きくなる。よって比較例1と比較例2の総合評価は×となる。
上記の実施例に示すように、本実施例に係る蛍光体ホイールによれば、高出力密度を有するレーザ光を蛍光体ホイールに照射しても、熱により変色する樹脂バインダ層が存在しないため、レーザ光の吸収が抑制され、蛍光出力の低下を抑制することが可能となる。
比較例3と比較例4については、前述のとおり、透光性を有する樹脂が黒色に変化したため、照射したレーザ光が吸収され蛍光出力を検出することができなかった。したがって、総合評価は×となる。
実施例1から実施例5と比較例1と比較例2とを比較する。
蛍光体層3の厚みが50μm以上、350μm以下である、実施例1から実施例5については、蛍光出力および発光スポット径は良好である。よって総合評価は〇である。しかしながら、蛍光体層3の厚みが40μmである比較例1においては、厚みが小さいため発光スポット径は小さくなるが、励起光が蛍光体層3にて変換される確率が小さくなるため蛍光出力は低下する。一方、蛍光体層3の厚みが400μmである比較例2においては励起光が蛍光体層3にて変換される確率が大きくなり蛍光出力は増加するが、厚みが大きいため発光スポット径が大きくなる。よって比較例1と比較例2の総合評価は×となる。
上記の実施例に示すように、本実施例に係る蛍光体ホイールによれば、高出力密度を有するレーザ光を蛍光体ホイールに照射しても、熱により変色する樹脂バインダ層が存在しないため、レーザ光の吸収が抑制され、蛍光出力の低下を抑制することが可能となる。
さらに、本実施例に係る蛍光体ホイールによれば、接触部において、基板2と蛍光体層3とが不規則に入り組んだ構造にすることで蛍光体層3と光透過性を有する基板2との接触面積を大きくすることができる。このため、蛍光体層3で発生する熱を効率よく光透過性を有する基板2に伝えることが可能となる。
なお、本開示においては、前述した様々な実施の形態及び/又は実施例のうちの任意の実施の形態及び/又は実施例を適宜組み合わせることを含むものであり、それぞれの実施の形態及び/又は実施例が有する効果を奏することができる。
以上のように、本発明に係る蛍光体ホイールは、樹脂を用いることなく、基板上に蛍光体層を積層しているので樹脂の変色に起因する蛍光出力の低下を抑制することができる。そこで、高出力密度を有するレーザ光源を搭載したプロジェクタに用いる場合に適している。
1 蛍光体ホイール
2 光透過性を有する基板
3 蛍光体層
4 高周波コイル
5 坩堝
6 耐火材
7 融液
8 穴
9 青色レーザ
10 凸レンズ(f200)
11 平凸レンズ(f75)
12 青色光カットフィルタ
13 光出力検出器
14 ビームプロファイラ
20 蛍光出力測定システム
30 発光スポット径測定システム
101 蛍光体ホイール
102 光透過性を有する基板
103 蛍光体層
104 蛍光体粒子
105 透光性を有する樹脂
2 光透過性を有する基板
3 蛍光体層
4 高周波コイル
5 坩堝
6 耐火材
7 融液
8 穴
9 青色レーザ
10 凸レンズ(f200)
11 平凸レンズ(f75)
12 青色光カットフィルタ
13 光出力検出器
14 ビームプロファイラ
20 蛍光出力測定システム
30 発光スポット径測定システム
101 蛍光体ホイール
102 光透過性を有する基板
103 蛍光体層
104 蛍光体粒子
105 透光性を有する樹脂
Claims (4)
- 光透過性を有する基板と、
前記基板上に積層され、励起光照射により蛍光を放つ蛍光体層と、
を備えた板状の蛍光体ホイールであって、
前記基板と前記蛍光体層との接触部分において、前記基板と前記蛍光体層とがお互いに不規則に入り組んだ構造を持つことを特徴とする蛍光体ホイール。 - 前記蛍光体層は、Ceで賦活された酸化物材料で構成され、前記基板は、Al2O3で構成されている、請求項1に記載の蛍光体ホイール。
- 前記酸化物材料は、Y3Al5O12またはLu3Al5O12からなる、請求項2に記載の蛍光体ホイール。
- 前記蛍光体層の厚みは、50μm以上、350μm以下である、請求項1から3のいずれか一項に記載の蛍光体ホイール。
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