JP2019015868A - 蛍光体部材及び光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発生した蛍光光の減衰を減らし、蛍光体部材の蛍光光出力を向上させる蛍光体部材および光源装置を提供する。
【解決手段】基板と、基板の上に配置され、励起光１１０を蛍光光１２０に変換する蛍光体粒子を含む蛍光体膜２２０と、を含む蛍光体部材であって、蛍光体膜２２０は、基板側に位置する基板側面２２１、及び当該基板側面２２１とは反対側に位置し、励起光１１０が入射する励起光入射面２２２を含み、励起光入射面２２２には、基板側面２２１に向かって傾斜する傾斜面が形成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、蛍光体部材及びそれを用いた光源装置に関する。

当該技術分野において、固体光源から出射する励起光を蛍光体により可視光に変換して効率良く発光する光源装置が提案されている。特許文献１には、光源から出射した励起光（青色レーザ光）を、蛍光体が形成された円板（蛍光体ホイール）に照射し、複数の蛍光光（赤色光、緑色光）を発光させて照明光として用いる構成が開示されている。

特開２０１１−１３３１３号公報

蛍光体膜に入射した励起光は蛍光体膜の内部で蛍光光に変換され、蛍光体膜を透過して蛍光体膜表面から出射する。蛍光光が蛍光体膜を透過する際に蛍光光の減衰が生じるので、蛍光体膜から出射される蛍光光出力は、蛍光光の減衰量に影響を受ける。そこで、発生した蛍光光の減衰量を減らしつつ、蛍光体膜表面から取り出す技術が要望されている。この点について、特許文献１では何ら考慮されていない。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、発生した蛍光光の減衰量を減らし、蛍光体部材の蛍光光出力を向上させることである。

上記課題を解決するため、本発明は特許請求の範囲に記載の構成を備える。その一例を挙げるならば、本発明は、基板と、前記基板の上に配置され、励起光を蛍光光に変換する蛍光体粒子を含む蛍光体膜と、を含む蛍光体部材であって、前記蛍光体膜は、前記基板側に位置する基板側面、及び当該基板側面とは反対側に位置し、前記励起光が入射する励起光入射面を含み、前記励起光入射面には、前記基板側面に向かって傾斜する少なくとも一つの傾斜面が形成される、ことを特徴とする。

本発明によれば、発生した蛍光光の減衰量を減らし、蛍光体部材の蛍光光出力を向上させることができる。上記以外の本発明の目的・構成・効果については以下の実施形態で明らかにされる。

プロジェクタの内部構成を説明する斜視図 光源装置の概略構成図 全光線透過率と蛍光光出力との関係を示す説明図 励起光の蛍光体膜内に対する侵入の深さと蛍光体膜の全光線透過率及び蛍光光出力の減衰量 励起光の入射角と蛍光光の透過距離の関係を示す図 ブリュースター角を示す参考図 蛍光体膜の励起光入射面形状を示す断面図 蛍光体膜の励起光入射面形状を示す断面図 コリメートレンズを用いて励起光の入射角を変更する態様を示す図 蛍光体膜の種類に応じた相対効率（入射角依存性）を示すグラフ 蛍光体膜の種類に応じた入射角効果を示す図

以下、本実施形態に係る蛍光体部材及びそれを用いた光源装置を搭載したプロジェクタについて図面を参照して説明する。図１はプロジェクタの内部構成を説明する斜視図である。

図１に示す通り、プロジェクタ１では、箱状の下側筐体５の図１中における左側面の前側面に配置された電源ユニット２からの電源供給を受けて、左側面の奥側に配置された光源ユニット３より光が出射し、図中の背面後部に配置された光学ユニット４に入射する。冷却ファン１０は光源ユニット３に隣接して配置され、光源ユニット３と電源ユニット２との間に配置されている。

冷却ファン１０を駆動する駆動回路は、電源ユニット２内に設けても良いし、下側筐体５内の空きスペースに設けても良い。

光学ユニット４に入射した光、即ち光源ユニット３からの出射光は、最終的に投影レンズ９の投射レンズ出射部９ａより拡大され図示していないスクリーンに投影される。

下側筐体５の側面には通風ダクト吸気口７１ａが設けられている。通風ダクト７１は、光学部品冷却風に光学系以外の冷却風が混入しないように配置され、内部に配置されたパネル冷却ファンを用いて通風ダクト吸気口７１ａより外気を取り入れている。

通風ダクト吸気口７１ａから取り込まれた冷却風は、通風ダクト７１により整流され、下側筐体５に収容された各部品周囲を通過し、これらを冷却する。

図２は、図１の光源ユニット３を構成する光源装置の概略構成図である。光源装置１００は、主な構成要素として励起光源１０５、ミラー１０４、蛍光体部材２００を有する。

蛍光体部材２００は、大きくは基板２１０と、基板２１０における励起光入射側面に積層された蛍光体膜２２０とを含む。

励起光源１０５はレーザ発光素子などの固体発光素子を１個以上配置し、励起光１１０として例えば青色レーザ光を出射する。

励起光源１０５から出射された励起光１１０（実線で示す）は、コリメートレンズ１０６により略平行光となり、波長板１０８を通過してミラー１０４に入射する。

ミラー１０４は励起光１１０（青色）の波長域を反射し、蛍光光の波長域（黄色）を透過する特性を有するダイクロイックコートがされており、また合わせて偏光状態により青色光の反射波長が異なるように設計されている。

励起光源１０５から入射した励起光１１０の一部はミラー１０４にて反射し、集光レンズ１０３ａで集光されて、基板２１０に入射する。また励起光１１０の一部はミラー１０４を透過し集光レンズ１０３ｂにより集光されて拡散板１０７に入射する。

この際のミラー１０４における反射光と透過光との比率は、拡散板１０７の角度により調整することができる。

蛍光体膜２２０に励起光１１０が入射すると蛍光光１２０が発生する。蛍光光１２０は集光レンズ１０３ａで略平行光となりミラー１０４に入射する。入射した蛍光光１２０はミラー１０４の分光特性によりミラー１０４を透過する。

また拡散板１０７に入射した励起光１１０は、拡散板１０７で拡散反射したのちにミラー１０４で一部の光が反射されて、前述の蛍光光１２０と混色されて白色光１３０として放射される。

この際、拡散板１０７で拡散反射されることで、蛍光光１２０と混色される励起光１１０は基板２１０から発生する蛍光光１２０と同一の分布となり、混色ムラを抑制することができる。

また図２のように蛍光体膜２２０へ入射する励起光１１０を集光する集光レンズ１０３ａの周囲を、励起光１１０が通過するようにレーザを配置することで、蛍光体膜２２０に対しての入射角を大きくすることが可能となる。この構成により、蛍光体膜２２０から効率良く蛍光光１２０を発生させることができ、励起光源１０５の省電力化や装置の小型化を実現できる。

次に図３から図５を参照して、励起光１１０の蛍光体膜への入射角と蛍光光出力との関係について説明する。

図３は、全光線透過率と蛍光光出力との関係を示す説明図である。図３以下において、蛍光体膜２２０の基板２１０側の面は基板側面２２１、基板側面２２１とは反対側に位置する面であって励起光１１０が蛍光体膜２２０に入射する面を励起光入射面２２２という。全光線透過率が高い蛍光体膜２２０（図３左図）に励起光１１０が入射した場合、蛍光体膜２２０の全光線透過率が低い蛍光体膜２２０ｘ（図３右図）に比べて、励起光１１０が蛍光体膜２２０のより深部に到達する。換言すると蛍光体膜２２０に対する侵入の深さが長くなる。よって、蛍光光１２０の発光点２２９から励起光入射面２２２までの距離である透過距離は、全光線透過率が高い蛍光体膜２２０ほど長くなる。

図４は、励起光の蛍光体膜内に対する侵入の深さと蛍光体膜の全光線透過率、及び蛍光光出力の減衰量の関係を示す図である。

透過距離が長いほど、蛍光体膜内を透過する蛍光光１２０の減衰量が大きくなる。その結果、励起光入射面２２２から出力される蛍光光は少なくなる。

図５は、励起光の入射角と蛍光光の透過距離の関係を示す図である。励起光１１０の入射角αは、蛍光体膜２２０における励起光入射面２２２に対する垂線Ｈとなす角により定義する。

励起光１１０の蛍光体膜２２０に対する入射角αが小さい場合（図５左図）、励起光１１０が蛍光体膜２２０の内部に侵入しやすくなるので、蛍光体膜２２０の深部で発光し、透過距離が長くなる。一方、励起光１１０の蛍光体膜２２０に対する入射角αが大きい場合（図５右図）、励起光１１０が蛍光体膜２２０の内部に侵入しにくいので、励起光入射面２２２近くで発光し、透過距離が短くなる。

よって、同一の蛍光体膜２２０に同一の光強度の励起光１１０が入射する場合、入射角αが０度よりも大きい入射角で励起光１１０が入射した方が、蛍光光出力が大きくなる。

入射角は無制限に大きいほどよいというわけではなく、入射角の適正範囲は反射率から定まる。図６は、ブリュースター角を示す参考図である。図６に示すように、空気の屈折率が１．０で蛍光体膜の屈折率が１．８であれば、入射角約７０°（ブリュースター角）を超えると反射率が急激に増大する。入射光を励起光と考えた場合、反射率が極端に大きいブリュースター角以上では蛍光体膜による励起光の吸収量が極端に低下するため蛍光光出力は大きく低下すると考えられる。よって、励起光入射角度は７０°以下が好ましい。なお、蛍光体膜の屈折率は使用する材料により変動するものであり、図６は参考データのであり、本発明はこれに限定されない。

更に、入射光をレーザ光による励起光と考えた場合、レーザ光はＰ波とＳ波の偏光を含んでいる。ここで、Ｐ波の方が蛍光体膜に対する反射率を低く、吸収量はＰ波の方が大きくなるため、蛍光光出力を大きくするには励起光がＰ波であることが好ましい。

図７及び図８を参照して、蛍光体膜の表面の凸凹形状により入射角を変更する態様について説明する。図７及び図８は、蛍光体膜の励起光入射面形状を示す断面図である。

図７の蛍光体膜２２０の励起光入射面２２２には、基板側面２２１に向かって傾斜する第１傾斜面２３１と、基板側面２２１に向かって傾斜し、第１傾斜面２３１と交差する第２傾斜面２３２を含んで形成される。第１傾斜面２３１及びそれに対向する第２傾斜面２３２は、励起光入射面２２２に対して凹部２３０を形成する。凹部２３０は、図７の紙面奥行き方向に連続する溝として形成される。図７に示すように、第１傾斜面２３１に対する励起光１１０の入射角αは０よりも大きい。同様に、第２傾斜面２３２に対する励起光１１０の入射角αも０よりも大きい。

図８の蛍光体膜２２０ａの励起光入射面２２２には、凹部２３０が複数本形成される。即ち、図８の蛍光体膜２２０ａは、第１傾斜面２３１と第２傾斜面２３２とが交互に連続して形成される。図８の蛍光体膜２２０ａは複数の凹部２３０を備えることにより、図７の蛍光体膜２２０に形成された第１傾斜面２３１の総面積及び第２傾斜面２３２の総面積を、より浅い凹部２３０により形成することができる。よって、蛍光体膜の膜厚を薄く形成できる。

図９を参照して励起光の入射角を変える他の例を示す。図９はコリメートレンズを用いて励起光の入射角を変更する態様を示す図である。図９の例では、蛍光体膜２２０ｂの励起光入射面２２２は平面構造により形成する。即ち、励起光入射面２２２と基板側面２２１とは略平行に形成される。

そして、励起光入射面２２２への励起光の入射経路上にコリメートレンズ２４０を配置する。図９ではコリメートレンズ２４０を励起光入射面２２２に対向させて配置する。そしてコリメートレンズ２４０により励起光１１０を屈折させ、励起光１１０を入射角０よりも大きな入射角度で励起光入射面２２２に入射させる。

（蛍光体膜）
蛍光体膜２２０は蛍光体膜２２０内に入射した励起光を蛍光光に変換し、蛍光光を蛍光体膜２２０の外部に出射される機能性膜であって、材質は特に限定されない。本実施形態では、蛍光体膜内で蛍光光が散乱しやすくなるように空気相を含む蛍光体膜２２０を用いることが好ましい。

蛍光体膜２２０は、蛍光体粒子とバインダとしてのアルミナ粒子との混合物に対して、常温常圧焼結法やホットプレスといった焼結処理を行い形成される。焼結処理は上記の例には限定されない。

蛍光体膜２２０は蛍光体粒子及びアルミナ粒子からなる焼結体相と、蛍光体膜２２０に含まれた空気からなる空気相とからなる。

空気相の含有量は、蛍光体膜２２０の全体積に対して５ｖｏｌ％以上２０ｖｏｌ％以下、より好ましくは５ｖｏｌ％以上１５ｖｏｌ％以下で形成されることが望ましい。空気相は蛍光体粒子から生じた蛍光光を屈折、拡散させるので発光効率の向上のためには必要である。しかし一方で、放熱性能の観点からは空気相が多すぎるとアルミナ粒子同士が離間して放熱性能が低下する。よって、発光効率及び放熱性能の両方を確保する観点から、空気相は、蛍光体膜２２０の全体積に対して５ｖｏｌ％以上２０ｖｏｌ％以下、更に好ましくは５ｖｏｌ％以上１５ｖｏｌ％以下であることが望ましい。

アルミナ粒子は熱伝導性が空気や蛍光体粒子よりも高いので、蛍光体粒子が発光する際に発生する熱を蛍光体膜２２０の内部（深部）から表面に伝熱し、膜表面から放熱させる効果が期待できる。焼結処理を施した結果、アルミナ粒子の粒成長が生じる。粒成長後のアルミナ粒径は１μｍ以上５０μｍ以下であることが望ましい。ここでいうアルミナ粒径は焼結体相に含まれるアルミナ粒径の平均値であればよい。よって、仮に焼結体相に１μｍ未満又は５０μｍ超のアルミナ粒径が一つ又は複数含まれていたとしても、アルミナ粒径の平均値が１μｍ以上５０μｍ以下であればよい。平均値の求め方として、全数よりも少ないサンプル数を母数としてその加算平均、焼結体相に含まれるアルミナ粒子の１つ１つの粒径の加算平均であってもよい。アルミナ粒径が１μｍ未満であるとアルミナ粒子同士の接触面積が相対的に小さくなり、熱伝導性が相対的に低下する。

蛍光体粒子は蛍光光の種類に応じて適宜選択可能である。以下、実施例を用いて本発明をより具体的に説明するが、本発明の範囲は実施例に限定されるものではない。

［実施例］
（蛍光光出力の測定）
図１０、図１１に入射角を変更して蛍光光出力を測定した結果を示す。図１０は、蛍光体膜の種類に応じた相対効率（入射角依存性）を示すグラフである。図１１は、蛍光体膜の種類に応じた入射角効果を示す図である。この測定は、全光線透過率で透過率規定を行った。但し、以下測定条件での制約が必要である。
（測定条件）
測定機：紫外可視分光光度計（積分球含む）
測定条件：
・入射光波長５００ｎｍ〜７８０ｎｍ
・入射光波長４５０ｎｍ付近は蛍光体粒子による励起光の吸収があるため測定除外
膜厚：全光線透過率は蛍光体の膜厚により大きくことなるため、膜厚は０．５ｍｍ一定とする
（測定試料）
・シリコン樹脂、シリカ粒子等は膜強度が低く蛍光体膜単体での全光線透過率測定が難しいため光学ガラス（全光線透過率９２％、ヘイズ＜１％）に接着層としてシリコン樹脂（ＫＥＲ２５００Ａ／Ｂ）で蛍光体膜を固定し測定
・このときの接着層の厚みは０．１ｍｍ以下とする
・ただし、蛍光体膜がシリコン樹脂の場合は接着層なしで固定できるため直接光学ガラスに張り付ける

上記測定条件において高密度のアルミナバインド品以外は全光線透過率３０％以上になることはない。よって上記測定条件において全光線透過率３０％以下の蛍光体膜を励起光の入射角依存性膜として規定する。

（測定結果）
図１０の縦軸に示す「相対蛍光光出力」とは、励起光の入射角度０°、即ち蛍光体膜に対して励起光が垂直入射する時の蛍光光出力を１としたときの各入射角度における蛍光光出力を示す。図１０、図１１からは、シリコン樹脂バインド、多孔質なアルミナバインド、及びシリカバインドの蛍光体膜の全光線透過率は３０％より小さく、励起光の入射角度を０°から７０°まで変化させた場合に相対蛍光光出力が増加した。

一方、アルミナバインドで高密度な蛍光体膜の全光線透過率は４０％となり、励起光入射角度を変更することによる有意な効果が認められなかった。

透過率が低い理由として以下の理由が考えられる。
（１）使用するバインダがシリコン樹脂やシリカの場合、蛍光体粒子との屈折率差が大きく蛍光体とバインダとの界面での界面反射が大きく、蛍光体粒子と屈折率差の小さいアルミナと比べ全光線透過率が低い
（２）蛍光体膜内に空気が混入している多孔質膜は、空気の屈折率が蛍光体やバインダと比べ低いため、空気と蛍光体粒子やバインダの界面での界面反射が大きくなるため、高密度より全光線透過率が低い

本実施形態によれば、蛍光体膜における励起光入射面に対して形状加工処理を施したり、励起光が励起光入射面に入射する光路上にコリメートレンズを配置し、励起光入射面に対する励起光の入射角度を０度よりも大きくすることで、励起光が励起光入射面に垂直に入射する場合に比べて、励起光の蛍光体膜深部への侵入を防ぐ。これにより、励起光入射面に比較的近い部位で励起光から蛍光光への変換が起きる。よって、発光点から励起光入射面までの距離である透過距離が短くなり、蛍光光が蛍光体膜内で減衰する量を減らすことができ、その結果、蛍光光出力を向上させることができる。

更に蛍光体膜として、蛍光体膜内で発生した蛍光光の散乱性が高いものを使用することにより、蛍光光出力を更に高めることができる。

また、入射角の変更範囲は０度より大きくブリュースター角（本実施形態では７０°）以下とすることで、反射率が急激に上昇する入射角を避けつつ、効率よく励起光を蛍光体膜に入射させることができる。

また、入射光を変更する態様として、蛍光体膜の表面に傾斜面を形成した場合には、励起光を屈折させるためのコリメータレンズのような追加の光学部材が不要となる一方、入射角の変更をコリメータレンズで実現する場合には、蛍光体膜の励起光入射面の表面加工が不要となる利点がある。

本実施形態は、本発明を限定するものではない。例えば、上記では基板として蛍光体ホイールを用いたが、回転体の基板に限定されず、板状の固定体からなる基板を用いてもよい。回転体の基板は、固定体の基板を用いる場合よりもより蛍光体膜の放熱性を高め、ひいては蛍光光の取り出し効率を向上させることができる。一方、固定体の基板は、基板の形成が回転体に比べてより容易に行える。

また、蛍光体膜に傾斜面を形成する態様では、上記実施形態で記載した形状に限定されない。例えば、第１傾斜面と膜厚方向に平行な面とを連続して形成してもよい。また凹部を複数備える場合には、例えば図８の紙面奥行き方向に沿った凹部と図８の紙面左右方向に沿った凹部とを形成し、凹部を交差させて形成してもよい。

また上記実施形態では、本発明に係る蛍光体部材を用いた光源装置の使用例としてプロジェクタを例に挙げたが、ヘッドライトに用いてもよい。

１：プロジェクタ
１００：光源装置
１１０：励起光
１２０：蛍光光
１３０：白色光
２００：蛍光体部材
２１０：基板
２２０、２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｘ：蛍光体膜
２２１：基板側面
２２２：励起光入射面
２２９：発光点
２３０：凹部
２３１：第１傾斜面
２３２：第２傾斜面
２４０：コリメートレンズ

Claims (8)

1. 基板と、
   前記基板の上に配置され、励起光を蛍光光に変換する蛍光体粒子を含む蛍光体膜と、を含む蛍光体部材であって、
   前記蛍光体膜は、前記基板側に位置する基板側面、及び当該基板側面とは反対側に位置し、前記励起光が入射する励起光入射面を含み、
   前記励起光入射面には、前記基板側面に向かって傾斜する少なくとも一つの傾斜面が形成される、
   ことを特徴とする蛍光体部材。
2. 請求項１に記載の蛍光体部材であって、
   前記傾斜面は、前記基板側面に向かって傾斜する第１傾斜面及び当該第１傾斜面と交差し、前記励起光入射面に前記基板側面に向かって傾斜する第２傾斜面を含んで形成される、
   ことを特徴とする蛍光体部材。
3. 請求項２に記載の蛍光体部材であって、
   前記励起光入射面に、前記第１傾斜面及び前記第２傾斜面が交互に連続して形成される、
   ことを特徴とする蛍光体部材。
4. 請求項２又は３に記載の蛍光体部材であって、
   前記傾斜面に対する前記励起光の入射角は０°よりも大きく７０°以下である、
   ことを特徴とする蛍光体部材。
5. 請求項１に記載の蛍光体部材であって、
   前記蛍光体膜は、膜厚が０．５ｍｍで全光線透過率が３０％未満となる特性を有する、
   ことを特徴とする蛍光体部材。
6. 請求項５に記載の蛍光体部材であって、
   前記蛍光体膜は、当該蛍光体膜の全体積に対して５ｖｏｌ％以上２０ｖｏｌ％以下の空気相を含んで形成される、
   ことを特徴とする蛍光体部材。
7. 基板及び当該基板の上に配置され、励起光を蛍光光に変換する蛍光体粒子を含む蛍光体膜を含む蛍光体部材と、
   前記励起光を発生させる励起光源と、
   を含む光源装置であって、
   前記蛍光体膜は、前記基板側に位置する基板側面、及び当該基板側面とは反対側に位置し、前記励起光が入射する励起光入射面を含み、
   前記励起光入射面には、前記基板側面に向かって傾斜する少なくとも一つの傾斜面が形成される、
   ことを特徴とする光源装置。
8. 基板及び当該基板の上に配置され、励起光を蛍光光に変換する蛍光体粒子を含む蛍光体膜を含む蛍光体部材と、
   前記励起光を発生させる励起光源と、
   を含む光源装置であって、
   前記蛍光体膜は、前記基板側に位置する基板側面、及び当該基板側面とは反対側に位置し、前記励起光が入射する励起光入射面を含み、
   前記励起光が０°よりも大きい入射角で入射する方向に前記励起光を屈折させるコリメートレンズを、前記励起光入射面と前記励起光源との間に更に備える、
   ことを特徴とする光源装置。