JP2019015869A - 蛍光体部材及び光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光体膜の放熱性能及び光利用効率を向上させる。
【解決手段】基板と、基板の上に配置された蛍光体層と、を含む蛍光体部材であって、蛍光体層は、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、蛍光体膜における基板側に配置され、蛍光体膜を透過した励起光又は蛍光体膜の外に出射された蛍光光を蛍光体膜に向けて反射させる光反射層と、を含み、光反射層の熱抵抗性は、前記蛍光体膜の熱抵抗性よりも低く形成される。
【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

蛍光体膜に含まれる蛍光体粒子が発光する際に生じる熱により、蛍光体膜の温度が上昇する。蛍光体膜の温度上昇は発光効率にも影響を与えるので、蛍光体膜の放熱性を確保しつつ、発光効率も向上させるための技術が求められているという実情がある。

本発明の目的は、上記実情に鑑みてなされたものであり、蛍光体膜の放熱性能及び発光効率を向上させることを目的とする。

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、基板と、前記基板の上に配置された蛍光体層と、を含む蛍光体部材であって、前記蛍光体層は、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、前記蛍光体膜における前記基板側に配置され、前記蛍光体膜を透過した励起光又は前記蛍光体膜の外に出射された前記蛍光光を前記蛍光体膜に向けて反射させる光反射層と、を含み、前記光反射層の熱抵抗性は、前記蛍光体膜の熱抵抗性よりも低い、ことを特徴とする。

本発明によれば、蛍光体膜の放熱性能及び発光効率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 蛍光体部材の一例を示す断面図 蛍光体部材の他例を示す断面図 励起光の損失に関する光反射層の作用効果を示す図 蛍光光の出力に関する光反射層の作用効果を示す図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

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９ｂ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設置され、内部に設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の光出射方向側の面（表面）に積層された蛍光体層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（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。

蛍光体層２２０に励起光が入射すると蛍光光が発生する。蛍光光は集光レンズ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、前述の蛍光光と混色されて白色光１１１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、蛍光光と混色されるレーザ光は基板２１０から発生する蛍光光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のように蛍光体層２２０へ入射する励起光を集光する集光レンズ１０３ａの周囲を、励起光が通過するようにレーザを配置することで、蛍光体層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、蛍光体層２２０から効率良く蛍光光を発生させることで、励起光源１０５の省電力化や装置の小型化を実現できる。

図３は、蛍光体部材の一例を示す断面図である。図３の蛍光体部材２００は、基板２１０における励起光入射面側（表面）に接着層２３０を介して積層される。

蛍光体層２２０は、蛍光体膜２２２と、蛍光体膜２２２における基板２１０側の面（裏面）にＰＶＤにより一体的に形成された光反射層２２３と、蛍光体膜２２２における基板側とは反対側の面（表面）にＰＶＤ（物理蒸着法）により一体的に形成された反射防止層２２１とを含んで構成される。ここでいう「ＰＶＤ」にはスパッタリングや蒸着法等が含まれるものとし、一つの蒸着法に限定されない。なお、ＰＶＤによる蒸着順序も限定されない。すなわち、蛍光体膜２２２に対して反射防止層２２１又は光反射層２２３のどちらを先に行ってもよい。

図４は、蛍光体部材の他例を示す断面図である。図４の蛍光体部材２００ａは、基板２１０の表面に光反射層２２３がＰＶＤにより一体的に形成される。また蛍光体膜２２２の表面は図３の蛍光体部材２００と同様に反射防止層２２１がＰＶＤにより一体的に形成される。そして、蛍光体膜２２２の裏面と光反射層２２３における蛍光体膜２２２側面（表面）とが接着層２３０ａを介して接着される。

（反射防止層２２１）
励起光が蛍光体膜２２２の表面に入射するとき、蛍光体膜２２２の表面と空気層の屈折率差が大きく、励起光の蛍光体膜２２２の表面での反射率が大きいことで十分に励起光を蛍光体膜２２２の内部に透過することができず、蛍光光出力が低くなる。

そこで、蛍光体膜２２２の表面に励起光の反射率を１％以下にする機能を有する反射防止層２２１を設けることで、励起光の反射率は小さくなり、蛍光光出力は高くなる。反射防止層２２１は励起光の垂直入射光に対して表面反射率が１％以下になる構成であれば良く、単層又は複数層から構成しても良い。

反射防止層２２１を有機物で形成した場合、蛍光体膜２２２の内部で励起光を蛍光光に変換したときに発生した熱により有機物が炭化される。炭化した有機物は励起光を吸収することで、蛍光体膜２２２への励起光の入射量が減り、蛍光光出力が低下する。

そこで、反射防止層２２１は蛍光体膜２２２での発光により高温になるため、有機物を含まない無機物、例えばセラミックを用いることが好ましい。具体例として、蛍光体膜２２２よりも屈折率が小さく、空気よりも屈折率の高い酸化シリコンを膜厚０．１μｍで形成することで反射防止層２２１として使用することができる。

（蛍光体膜）
蛍光体膜２２２は蛍光体膜２２２内に入射した励起光を蛍光光に変換し、蛍光光を蛍光体膜外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。例えば、蛍光体膜２２２は蛍光体粒子と酸化アルミニウム（アルミナ）とを含む焼結体相と空気相とから構成されてもよい。蛍光体粒子はＹＡＧ、又はＬＡＧであって、焼結体相に含まれるアルミナの平均粒径が１μｍ以上５０μｍ以下であり、蛍光体膜に占める空気相が５ｖｏｌ．％以下であって、蛍光体膜の膜厚が５０μｍ以上２００μｍ以下である蛍光体膜を用いることができる。

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酸化アルミニウム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、５ｖｏｌ．％以下が望ましい。

アルミナ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２２２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である平均粒径が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。

（光反射層）
光反射層は励起光及び蛍光光の其々に対する反射率が９５％以上であって、反射率は高ければ高いほどよく、材質と形成位置は限定されない。例えば図３に示すように、Ａｇ膜を蛍光体膜２２２の裏面に直接形成してもよいし、図４に示すように基板２１０ａの表面に直接形成することで反射率９８％の光反射層を形成することができる。

（基板）
図３の蛍光体部材２００及び図４の蛍光体部材２００では、基板２１０として蛍光体ホイールを用いる。蛍光体ホイールは、円板状の蛍光体層保持部２１１と、蛍光体層保持部２１１を回転させるモータ２１２とを含んで構成する。そして、蛍光体層保持部２１１をモータ２１２の回転中心軸２１３を中心に回転させることで、励起光が蛍光体層２２０に局所的に入射し、局所的に高温になることを抑止する。

基板２１０は、熱伝導性が高い材料を用いて構成されることが好ましく、例えば金属、非金属であればセラミックを用いることができる。金属材料として、例えばアルミニウムや銅を用いてもよい。

蛍光体層保持部２１１は、蛍光体膜２２２が励起光を蛍光光に変換したときの発生した熱を速やかに吸熱し、蛍光体層保持部２１１から大気中に放熱する部材であって、材質は少なくとも蛍光体膜２２２の熱伝導率４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも高い熱伝導性であれば特に限定されない。材質例として、例えば銅やアルミニウムがある。また蛍光体層保持部２１１に伝熱した熱を大気中に効率よく放熱するために、基板の厚みは、厚ければ厚いほどよく、面積も大きければ大きい方がよい。

熱抵抗性は、層を構成する物質の熱伝導率、膜厚、及び接触面積に基づいて決定される。これにより、蛍光体膜２２２内で発生した熱が光反射層２２３や接着層２３０、２３０ａを介して蛍光体層保持部２１１と伝熱され、蛍光体膜２２２の放熱性を高めることができる。

（接着層）
接着層は、蛍光体膜２２２と光反射層２２３と基板２１０との固定方法は蛍光体膜２２２が励起光を蛍光光に変換したときの発生した熱を基板２１０に伝熱する際に妨げにならなければ、放熱性に関しては特に材質、膜厚等は限定されなが、形成位置によっては透光性が要求される場合がある。

すなわち、図３のように光反射層２２３と基板２１０との間に位置する接着層２３０は、透光性が不要であるので金属成分を含むハンダやシリコン樹脂などの有機物を含む接着剤を使用した接着層を使用してもよい。

一方、図４のように光反射層２２３が基板２１０表面に形成されていて、その表面と蛍光体膜２２２の裏面とを接着する接着層２３０ａを有する場合には、蛍光体膜２２２と光反射層２２３との間に形成される接着層２３０ａが光の反射や吸収することで蛍光光出力が低下することから、接着層２３０ａは透光性が必要となる。よって、接着層２３０ａの材質としてハンダを使用することはできないが、光の反射や吸収が極めてすくないシリコン樹脂を使用することができる。

形成される接着層２３０、２３０ａの熱抵抗性は低いことが望ましい。形成される接着層２３０、２３０ａは熱抵抗が小さいことが好ましく、厚みは１μｍ以下であることが好ましい。特に、シリコン樹脂のように熱伝導率が蛍光体膜２２２と蛍光体層保持部２１１よりも高い場合はシリコン樹脂の厚みを薄くすることで熱抵抗を小さくすることで使用することができる。

一方、接着層２３０としてハンダを用いた場合には、蛍光体膜２２２と蛍光体層保持部２１１との間にある光反射層２２３及び接着層２３０、２３０ａは、蛍光体膜２２２からの熱伝達経路上に位置することから、これらの熱抵抗性は、蛍光体膜２２２よりも低く、かつ蛍光体層保持部２１１よりも高ければ、より伝熱性を高めることができる。

図５及び図６を参照して、本実施形態に係る蛍光体部材及び光源装置の作用効果について説明する。図５は、励起光の損失に関する光反射層の作用効果を示す図である。図６は、蛍光光の出力に関する光反射層の作用効果を示す図である。

光反射層２２３が蛍光体膜２２２と基板２１０との間にない場合は（図５の左図）、蛍光体膜２２２を透過した励起光は、蛍光体膜２２２による蛍光作用に用いられることなく損失することとなる。これに対し、本実施形態に係る蛍光体部材２００、２００ａは、蛍光体膜２２２と基板２１０との間に光反射層２２３を備えることにより、蛍光体膜２２２に入射した励起光が蛍光体膜２２２内で吸収しきれずに蛍光体膜２２２の外に出射された場合にも、光反射層２２３により反射されて再び蛍光体膜２２２の中に入射するので（図５の右図）、蛍光光に変換される。これにより、励起光の損失が減り、蛍光体部材２００、２００ａの蛍光光出力は高くなる。

また、蛍光体膜２２２で励起光が蛍光光に変換され全方向に出射する。ここで、蛍光体膜２２２における表面が蛍光光の出力方向となるので、光反射層２２３が蛍光体膜２２２と基板２１０との間にない場合は（図６の左図）、出力方向とは異なる方向、特に基板２１０側に向けて出射した蛍光光は、蛍光体部材２００、２００ａからは出力されない。これに対し、本実施形態に係る蛍光体部材２００、２００ａは、蛍光体膜２２２と基板２１０との間に光反射層２２３を備えることにより、出力方向とは異なる方向に出射された蛍光光の一部を光反射層２２３で反射し、蛍光体膜２２２を透過させて出力方向に出射させることができる（図６の右図）。これにより、蛍光体部材２００、２００ａの蛍光光出力は高くなる。

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
２００、２００ａ：蛍光体部材
２１０：基板
２２０、２２０ａ：蛍光体層
２２１：反射防止層
２２２：蛍光体膜
２２３：光反射層
２３０、２３０ａ：接着層

Claims (11)

1. 基板と、
   前記基板の上に配置された蛍光体層と、を含む蛍光体部材であって、
   前記蛍光体層は、
   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、
   前記蛍光体膜における前記基板側に配置され、前記蛍光体膜を透過した励起光又は前記蛍光体膜の外に出射された前記蛍光光を前記蛍光体膜に向けて反射させる光反射層と、を含み、
   前記光反射層の熱抵抗性は、前記蛍光体膜の熱抵抗性よりも低い、
   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、
   前記光反射層は、前記蛍光体膜における前記基板側の面に一体的に形成され、
   前記基板における前記蛍光体層側の面、及び前記光反射層における前記基板側の面を接着する接着層を更に含む、
   ことを特徴とする蛍光体部材。
3. 請求項１に記載の蛍光体部材であって、
   であって、
   前記光反射層は前記基板における前記蛍光体層側の面に一体的に形成され、
   前記光反射層における前記基板側とは反対側の面、及び前記蛍光体膜における前記基板側の面を接着する接着層を含み、当該接着層は透光性を有する、
   ことを特徴とする蛍光体部材。
4. 請求項１、２、又は３のいずれか一つに記載の蛍光体部材であって、
   前記蛍光体膜における前記基板とは反対側の面であって、前記励起光の入射面に、前記蛍光体膜に空気層から前記励起光が入射する際の反射率よりも低い反射率で前記蛍光体膜に前記励起光を入射させるための反射防止層を更に備える、
   ことを特徴とする蛍光体部材。
5. 請求項４に記載の蛍光体部材であって、
   前記反射防止層は無機物により構成される、
   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、
   前記反射防止層は酸化シリコンにより構成される、
   ことを特徴とする蛍光体部材。
7. 請求項１、２、３、４、５、又は６のいずれか一つに記載の蛍光体部材であって、
   前記基板の熱抵抗性は、前記光反射層の熱抵抗性よりも低い、
   ことを特徴とする蛍光体部材。
8. 請求項１、２、３、４、５、６、又は７のいずれか一つに記載の蛍光体部材であって、
   前記蛍光体膜は、蛍光体及びアルミナの焼結体相、及び空気相を含んで構成され、前記焼結体相に含まれる前記アルミナの平均粒径が１μｍ以上５０μｍ以下である、
   ことを特徴とする蛍光体部材。
9. 励起光を蛍光光に変換する蛍光体部材と、
   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、
   前記蛍光体部材は、
   基板と、
   前記基板の上に配置された蛍光体層と、を含み、
   前記蛍光体層は、
   前記励起光を前記蛍光光に変換する蛍光体粒子を含む蛍光体膜と、
   前記蛍光体膜における前記基板側に配置され、前記蛍光体膜を透過した前記励起光又は前記蛍光体膜の外に出射された前記蛍光光を前記蛍光体膜に向けて反射させる光反射層と、を含み、
   前記光反射層の熱抵抗性は、前記蛍光体膜の熱抵抗性よりも低い、
   ことを特徴とする光源装置。
10. 請求項９に記載の光源装置であって、
    前記蛍光体膜は、蛍光体及びアルミナの焼結体相、及び空気相を含んで構成され、前記焼結体相に含まれる前記アルミナの平均粒径が１μｍ以上５０μｍ以下である、
    ことを特徴とする光源装置。
11. 請求項８又は１０に記載の光源装置であって、
    前記蛍光体膜に占める前記空気相は５ｖｏｌ．％以下である、
    ことを特徴とする光源装置。