JP2020204634A - 光源装置およびプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】 蛍光体の割れが抑制された小型な蛍光体ホイールを提供すること。【解決手段】 回転軸に対して垂直な方向の力を弾性体から蛍光体に加えて蛍光体を保持する。【選択図】図１

Description

本発明は、プロジェクター等に使用される蛍光体ホイール、及び、それを用いたプロジェクターに関する。

本明細書では蛍光体および蛍光体含有体のことを、総じて蛍光体と呼ぶことがある。蛍光体を備える光源装置においては、蛍光体に光が入射すると蛍光体が発熱する。蛍光体が高温になると出射される光の強度が低下することがあるため、蛍光体を回転させることで蛍光体の温度上昇を抑制できる蛍光体ホイールが用いられることがある（特許文献１参照）。このような蛍光体ホイールにおいては、蛍光体を支持体に接着して固定することがある。また、板バネを備えることにより蛍光体を固定することがある。

特開２０１３−２１０４３９号公報

しかしながら、接着により蛍光体を支持体に固定すると、蛍光体が発熱する時に、熱応力により蛍光体が割れることがある。また、蛍光体を支持体に接着しなければ、蛍光体を保持できなくなることがある。また、蛍光体を支持体と接着せずに、蛍光体ホイールの回転軸に平行な方向に板バネから蛍光体へ力をかけて、蛍光体を保持すると、板バネの厚さによって蛍光体ホイールが大型になることがある。

本発明は、上記の課題を解決するために、蛍光体の割れが抑制された小型な蛍光体ホイールの提供を目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る蛍光体ホイールは、
回転軸を有する支持体と、
前記支持体に接する弾性体と、
前記弾性体に接する蛍光体または蛍光体含有体と、
を有するプロジェクター用の蛍光体ホイールであって、
前記弾性体の少なくとも一部が圧縮されており、
少なくとも一部の圧縮位置においては、圧縮により前記弾性体から前記蛍光体または前記蛍光体含有体にかかる力のベクトルが、
前記回転軸に対して垂直な方向の成分を有していることを特徴とする。

本発明によれば、回転軸に対して垂直な方向の力を弾性体から蛍光体に加えて蛍光体を保持するため、蛍光体の割れが抑制された蛍光体ホイールの小型化を可能にする。

本発明の第１の実施形態を説明する図 本発明の第２の実施形態を説明する図 本発明の第３の実施形態を説明する図 本発明の第４の実施形態を説明する図 本発明の他の実施形態を説明する図 本発明の蛍光体ホイールを含むプロジェクターの例を示す全体図 板バネを有する蛍光体ホイールの図

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

本発明の蛍光体ホイールでは、回転軸に対して垂直な方向の力を弾性体から蛍光体に加えて蛍光体を保持する。こうした考え方に基づいて、以下、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

（第１の実施形態）
以下、図と共に本発明の第１の実施形態を説明する。図１は、本発明の第１の実施形態を説明する図である。図１（ｂ）は蛍光体ホイール１１０の上面図、図１（ａ）は図１（ｂ）のＡ−Ａ‘における断面図である。

図１（ａ）、図１（ｂ）のように、支持体１０２と回転軸１０３を有している。支持体１０２には窪みが形成されていて、窪みの中には蛍光体１０１と弾性体１０４とが配置されている。蛍光体は回転軸上に有り、蛍光体の外側に弾性体が接しており、弾性体の外側に支持体が接している。弾性体は、蛍光体と支持体の間にあり、回転軸に垂直な方向に圧縮されている。弾性体は、圧縮されていることにより、蛍光体に力を加えている。この力のベクトルは、弾性体の位置によって異なるが、少なくとも一部の位置おいて、力のベクトルは回転軸に垂直な成分を有している。この力によって蛍光体が保持されている。蛍光体と支持体とが接する面においては、接着剤などによって固着されていない。

図１（ｃ）は、蛍光体ホイールの断面図である。回転軸１０３を中心に持つシャフト１０６を、図１（ａ）の支持体の下に固定している。シャフトを回転させることで支持体と蛍光体と弾性体とを回転させることができる。

図１（ｄ）は蛍光体ホイールの断面図である。図の矢印のように光１０７を蛍光体に入射させることができる。入射した光の一部は蛍光体で波長が変換されて図１（ｄ）の上側へ出射される。光の一部は蛍光体の底面まで透過しうるため、支持体の表面で光を反射することができれば、図１（ｄ）の上側へ出射される光を増加させることができる。
蛍光体へ入射した光によって蛍光体は発熱する。蛍光体から弾性体や支持体へと、放熱される。図１（ｄ）のように蛍光体が支持体に接していれば、好適に放熱されうる。放熱によって、蛍光体の温度上昇を抑制することができる。それにより蛍光体の発光強度の低下を抑制しうる。

蛍光体ホイールの温度変化によって、弾性体から蛍光体に加わる力の大きさは変わりうる。例えば、蛍光体ホイールの温度が増加した場合に、蛍光体および支持体は、回転軸から外側へと膨張しようとする。また、弾性体も熱膨張しようとする。図１（ｄ）の横方向において、蛍光体と、支持体の窪みの側壁との間隔が、温度変化によって変わると、弾性体がさらに圧縮されることや、または、弾性体の圧縮が弱まることがある。どの温度においても、弾性体が適度に圧縮されていれば、弾性体から蛍光体に適度な力が加わっており、蛍光体を好適に保持することができる。

以上のように、本発明における蛍光体ホイールは、温度が変化しても、蛍光体を好適に保持しうる。

次に、本発明における蛍光体ホイールが、他の蛍光体ホイールよりも優れうることを説明する。

図１において、弾性体１０４がなくて、蛍光体１０１が支持体１０２の窪みと勘合しているとする。その場合、温度の変化によって、蛍光体と支持体の側壁との間があいてしまうことがある。その状態では、蛍光体の側壁を支持体が支持しておらず、支持体を回転させた場合に、蛍光体が支持体と同じ位相で回転しないことがある。蛍光体の回転が不十分であると、蛍光体が光を受ける場所の偏りを十分に分散できず、蛍光体の温度上昇の抑制が不十分となり、出射される光の強度が低下することがある。弾性体を有する本発明の蛍光体ホイールは、蛍光体を好適に保持しうるものであり、出射される光の強度の低下を抑制しうる。

あるいは、図１において、弾性体１０４がなくて、蛍光体１０１が支持体１０２の窪みと勘合しているとすると、温度の変化によって、支持体が蛍光体を強く圧縮してしまうことがある。蛍光体が強く圧縮されると、蛍光体が割れてしまうことがある。弾性体を有する本発明の蛍光体ホイールは、この圧縮の力を抑制しうる。

また、弾性体がなくて、蛍光体が支持体の窪み内で接着されているとする。この場合、蛍光体と支持体の熱膨張率が異なると、温度の変化によって、支持体から蛍光体に、圧縮または引張の力がかかり、蛍光体が割れることがある。弾性体によって蛍光体を保持する本発明の蛍光体ホイールは、これらの力を低減して蛍光体の割れを抑制しうる。

また、図７のように、蛍光体を接着せずに、蛍光体ホイールの回転軸に平行な方向に力を板バネ１５０から蛍光体へかけて、蛍光体が保持されるとする。この場合、板バネの厚さによって蛍光体ホイールが大型になることがある。回転軸に垂直な方向の力によって蛍光体を保持する本発明の蛍光体ホイールは、小型化しうる。

以上のように、本発明の蛍光体ホイールは、回転軸に対して垂直な方向の力を弾性体から蛍光体に加えて蛍光体を保持するため、蛍光体の割れが抑制された蛍光体ホイールの小型化を可能にする。

次に、本実施形態において変形及び変更可能な例を説明する。

本発明における弾性体として、より具体的には、ゴムやバネを用いることができる。弾性体の材料としては、例えばシリコーン樹脂やフッ素樹脂などを用いることができるが、これらに限定されない。弾性体にはＯリング（オーリング）を用いることもできる。弾性体としてのバネの材料としては金属などを用いることができる。バネであれば、例えば図１の弾性体１０４として示される領域内の一部が空隙であることもある。本発明の趣旨の範囲において、弾性体１０４の領域内はどのような形状であってもよい。また、本発明において、バネの種類は限定されるものではない。

また、弾性体は一体の部品でなくてもよい。例えば、図１の弾性体１０４は複数の弾性体から形成されていてもよい。複数の弾性体であれば、弾性体どうしに隙間があってもよい。複数の弾性体に分割する場合の分割する方向は、蛍光体ホイールの方位角方向（円周に沿った方向）、動径方向（円の径の方向）、回転軸方向、のいずれでもよい。複数の弾性体は、それぞれ異なる形状であっても構わないし、異なる材料であっても構わない。

弾性体は全ての位置で均一に圧縮されていなくてもよい。図１（ｂ）において、蛍光体や弾性体の外形を円形に図示しているが、例えば、これらに歪みがあると、位置によって弾性体の圧縮量が異なることがある。しかしながら、本発明においては、少なくとも一部の圧縮位置において、弾性体から蛍光体にかかる力のベクトルが回転軸に対して垂直な方向の成分を有していればよい。

弾性体は、圧縮率が０．１／ＧＰａ以上、ヤング率が１０ＧＰａ以下、の少なくとも一方を満たすものを好適に用いることができるが、本発明において圧縮率やヤング率が限定されるものではない。

蛍光体１０１には、例えば、蛍光体の単結晶、蛍光体の多結晶、蛍光体の粉末を樹脂中に分散させたもの（蛍光体含有体）、蛍光体の粉末をガラス中に分散させたもの（蛍光体含有体）を用いることができる。蛍光体の材料には、例えばＣｅをドープしたＹＡＧ（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ）を用いることができるが、光の波長を変換するための蛍光体であれば特に限定されない。また、蛍光体が複数に分割されていてもよい。１つの弾性体が複数の蛍光体に接していると、各々の蛍光体に所望の力をかけられなくなることがあるため、１つの弾性体が１つの蛍光体に接していることが好ましい。分割された複数の蛍光体は、各々が異なる形状であってもよい。

支持体１０２には、例えばアルミニウムなどの金属を用いることができる。支持体が光を反射できれば、蛍光体ホイールに入射する光に対して、出射する光の強度の割合を増加させることができる。また、支持体の表面に反射率の高い材料をコーティングしておくこともできる。本発明において支持体の材料は限定されるものではなく、支持体の反射率も限定されない。

図１（ａ）において、支持体、弾性体、蛍光体の上面をそろえて図示しているが、これらがそろっている必要はない。厚さや高さが異なっていても構わない。また、図１（ｂ）において、支持体、支持体の窪み、弾性体、蛍光体の形状を、円形や環形として図示しているが、多角形などの他の形状であっても構わない。

蛍光体がＹＡＧの場合、熱膨張率は７×１０＾（−６）／℃程度である。支持体がアルミニウムの場合、熱膨張率は２３×１０＾（−６）／℃程度である。同じ温度の上昇であれば、支持体であるアルミニウムの方が蛍光体であるＹＡＧよりも大きく体積変化する。これらの熱膨張率は一例であって、本発明において限定されるものではない。

次に、製造方法の一例を述べる。

蛍光体として、単結晶として成長させたＹＡＧを円板形状に切り出したものを用いる。円板の平面を結晶のへき開面とすることも可能である。支持体として、窪みを有する円板形状に加工したアルミニウムを用いる。支持体の窪み内に、蛍光体を置く。弾性体１０４としてＯリング（オーリング）を用いる。支持体の窪みの側壁と、蛍光体の側壁との間に、弾性体を入れていく。この時、指や道具を用いて弾性体を圧縮しながら入れる。以上のような方法により、蛍光体ホイールを製造することができる。

上記は一例であって、製造方法はこれに限定されない。例えば、弾性体が複数であれば、弾性体を１つずつ順番に圧縮して入れることができる。また、蛍光体を支持体の窪み内に置く前に、弾性体を支持体の窪み内に置いておき、弾性体を圧縮しながら蛍光体を配置することもできる。

上記のような本発明の第１の実施形態により、蛍光体の割れが抑制された小型な蛍光体ホイールが提供可能になる。

（第２の実施形態）
以下、図と共に本発明の第２の実施形態を説明する。図２は、本発明の第２の実施形態を説明する図である。

図２（ｃ）は穴１１１を有する蛍光体１０１である。図２（ｂ）は図２（ｃ）の蛍光体を用いた蛍光体ホイール１１０の上面図であり、図２（ａ）は図２（ｂ）のＢ−Ｂ‘における断面図である。

図２（ｂ）において、蛍光体の穴の内側に弾性体が接しており、弾性体の内側に支持体が接している。弾性体は、蛍光体と支持体の間にあり、回転軸に垂直な方向に圧縮されている。弾性体は、圧縮されていることにより、蛍光体に力を加えている。この力のベクトルは、弾性体の位置によって異なるが、少なくとも一部の位置おいて、力のベクトルは回転軸に垂直な成分を有している。この力によって蛍光体が保持されている。蛍光体と支持体とが接する面においては、接着剤などによって固着されていない。

第２の実施形態と第１の実施形態とでは、蛍光体に加わる力が内側からか外側からかという点で異なっているが、その力が回転軸に対して垂直な成分を有する点で共通である。したがって、第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様の理由により、蛍光体の割れが抑制された小型な蛍光体ホイールを提供しうる。

第２の実施形態における蛍光体ホイールにおいても、第１の実施形態における蛍光体ホイールと同様な変形及び変更可能な例が適用されうる。また、図２（ａ）と図２（ｂ）において、蛍光体１０１の外側に第２の弾性体を追加して、第２の弾性体の外側に支持体１０２の壁を追加することで、第１の実施形態と第２の実施形態とを併用することも可能である。

また、１つの蛍光体が複数の穴を有していてもよい。少なくとも１つの穴の内側に弾性体が接しており、その弾性体の内側に支持体が接しているという構成も可能である。蛍光体の穴の形状は、円形に限らず、多角形などの他の形状であってもよい。多角形であれば、蛍光体ホイールの回転時に、蛍光体の回転ずれを抑制しうる。

また、平板に柱状のピンやネジを固定することで、図２（ａ）のような凸形状の支持体１０２を形成することもできる。

（第３の実施形態）
以下、図と共に本発明の第３の実施形態を説明する。図３は、本発明の第３の実施形態を説明する図である。図３（ｂ）は蛍光体ホイール１１０の上面図、図３（ａ）は図３（ｂ）のＣ−Ｃ‘における断面図、図３（ｃ）は図３（ａ）のＤ−Ｄ‘における平面図である。

第３の実施形態における蛍光体ホイールは、第２の実施形態における蛍光体ホイールに加えて、保持部１１２を有している。保持部１１２は支持体１０２と固定されている。保持部の固定方法には、ネジ止めや接着などの方法がある。保持部１１２によって、蛍光体１０１の落下や位置ずれを抑制することができる。保持部１１２と蛍光体１０１とは、接触していてもよいし、接触していなくてもよい。蛍光体は、支持体と、弾性体と、支持体に固定された保持部と、に接触させることができる。蛍光体の複数の面が物体と接触していることによって、蛍光体における発熱を好適に放熱しうる。保持部１１２は金属であってもよいし、樹脂であってもよい。保持部１１２は、光を透過する性質をもっていてもよいし、反射する性質を持っていてもよい。

次に、製造方法の一例を述べる。

単結晶として成長させたＹＡＧを環形状に切り出したものを蛍光体として用いる。円板の平面を結晶のへき開面とすることも可能である。凸部を有する円板形状に加工したアルミニウムを支持体として用いる。支持体にはあらかじめ、保持部１１２を固定するためのネジ穴をあけている。環形状の蛍光体が支持体の凸部を囲むようにして、蛍光体を支持体の上に置く。弾性体１０４にはＯリング（オーリング）を用いる。支持体の凸部の側壁と、蛍光体の側壁との間に、弾性体を入れていく。この時、指や道具を用いて弾性体を圧縮しながら入れる。アルミニウムを加工してネジ穴が形成された保持部１１２を、支持体１０２の凸部とネジ止めする。以上のような方法により、蛍光体ホイールを製造することができる。

上記は一例であって、製造方法はこれに限定されない。例えば、弾性体が複数であれば、弾性体を１つずつ順番に圧縮して入れることができる。また、蛍光体を支持体の上に置く前に、弾性体を支持体の凸部の周辺に置いておき、弾性体を圧縮しながら蛍光体を配置することもできる。

（第４の実施形態）
以下、図と共に本発明の第４の実施形態を説明する。図４は、本発明の第４の実施形態を説明する図である。図４（ｂ）は蛍光体ホイール１１０の上面図、図４（ａ）は図４（ｂ）のＥ−Ｅ‘における断面図である。

図４において、円柱状の支持体１０２と、環形の蛍光体１０１の間に、弾性体１０４が配置されている。回転軸に対して垂直な方向の力を、弾性体から蛍光体に加えて蛍光体が保持されている。蛍光体の片方の面には反射層１１３が配置されている。蛍光体の、反射層が配置されている面と向かい合う面の側から、光を入射すると、光の一部は、蛍光体を透過して、反射層で反射され、再び蛍光体を透過して出射される。反射層は例えばアルミニウムなどの金属であれば好適に用いることができるが、材料が限定されるものではない。反射層は、例えば蒸着によって蛍光体の一面に形成することができる。

（他の実施形態）
図５は、光源装置１の構成図である。光源装置１は、蛍光体ホイールを用いた光源装置の一例である。

図５において、１０ａ、１０ｂはレーザー光源、１１ａ、１１ｂは集光レンズ系、１２はダイクロイックミラー、２０はコンデンサレンズ系、３０は蛍光体を有する蛍光体ホイールである。

レーザー光源１０ａは青色光（Ｂ光）を出す。Ｂ光は集光レンズ系１１ａを通りダイクロイックミラーへ導かれる。

ダイクロイックミラーはＢ光を透過する。したがって、レーザー光源１０ａからの光束はダイクロイックミラーとコンデンサレンズ系とを通り、蛍光体ホイールに導かれる。蛍光体ホイールに入射したＢ光の一部は蛍光体によって黄色光（Ｙ光）に変換される。Ｙ光には、赤色光（Ｒ光）と緑色光（Ｇ光）が含まれる。Ｙ光はコンデンサレンズ系を通りダイクロイックミラーに導かれる。Ｙ光はダイクロイックミラーで反射されて図５に示す矢印方向４０へ導かれる。

また、レーザー光源１０ｂは青色光（Ｂ光）を出す。Ｂ光はダイクロイックミラーを透過して図５に示す矢印方向４０へ導かれる。

図５に示す矢印方向に導かれる光はＹ光とＢ光とを含み、Ｙ光にはＲ光とＧ光とが含まれるので、光源装置は、Ｒ光とＧ光とＢ光とを含んだ光を出射できる装置である。

図５は光源装置の一例であって、このような方式には限らない。レーザー光源の代わりにＬＥＤなどを用いることもできる。レーザー光源の個数や、レンズやミラーの配置によらず、本発明の蛍光体ホイールが適用されうる。

次に、図６を参照して、本発明におけるプロジェクターについて説明する。

図６は、プロジェクター１０００の構成図であり、光変調素子として反射型液晶パネルが用いられている。図６において、１００は光源（光源装置１に相当）、２００は照明光学系、３００は色分離合成光学系、および、４００は投射光学系である。光源１００は照明光学系２００に向けて光を出射する。照明光学系２００は、光源装置１００からの光を照明する。色分離合成光学系３００は、照明光学系２００からの照明光に対して色分離および色合成を行う。投射光学系４００は、色分離合成光学系３００からの合成光を投射する。

色分離合成光学系３００において、３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂは、それぞれ、赤用、緑用、青用の光変調素子（赤用、緑用、青用の反射型液晶パネル）を備えた反射型液晶パネルユニットである。また、３０２Ｒ、３０２Ｇ、３０２Ｂは、それぞれ、赤用、緑用、青用の波長板を備えた波長板ユニットである。なお、反射型液晶パネルユニット３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂのそれぞれに含まれる光変調素子として反射型液晶パネルを説明に用いているが、これに限定されるものではない。例えば、光変調素子として透過型液晶パネルを用いてもよい。反射型液晶パネルの数に関わらず、単板式や３板式などのいずれのプロジェクターにも適用可能である。

本発明の蛍光体ホイールは、プロジェクターなどに使用される光源装置に利用することが出来る。

１０１ 蛍光体、１０２ 支持体、１０３ 回転軸、１０４ 弾性体、
１０６ シャフト、１０７ 光、１１０ 蛍光体ホイール、１１１ 穴、
１１２ 保持部、１１３ 反射層、１５０ 板バネ、１００ 光源、
２００ 照明光学系、３００ 色分離合成光学系、４００ 投射光学系

Claims (14)

1. 回転軸を有する支持体と、
   前記支持体に接する弾性体と、
   前記弾性体に接する蛍光体または蛍光体含有体と、
   を有するプロジェクター用の蛍光体ホイールであって、
   前記弾性体の少なくとも一部が圧縮されており、
   少なくとも一部の圧縮位置においては、圧縮により前記弾性体から前記蛍光体または前記蛍光体含有体にかかる力のベクトルが、前記回転軸に対して垂直な方向の成分を有していることを特徴とする蛍光体ホイール。
2. 蛍光体または蛍光体含有体が回転軸上に有り、蛍光体または蛍光体含有体の外側に弾性体が接しており、弾性体の外側に支持体が接していることを特徴とする請求項１に記載の蛍光体ホイール。
3. 支持体が窪みを有しており、前記窪み内に、弾性体と、蛍光体または蛍光体含有体とが配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の蛍光体ホイール。
4. 蛍光体または蛍光体含有体が１つまたは複数の穴を有しており、前記穴の少なくとも１つの内側に弾性体が接しており、弾性体の内側に支持体が接していることを特徴とする請求項１に記載の蛍光体ホイール。
5. 支持体、および、蛍光体または蛍光体含有体が、加温時に回転軸から外側に熱膨張することを特徴とする請求項１に記載の蛍光体ホイール。
6. １つの弾性体が、１つの蛍光体または蛍光体含有体に接していることを特徴とする請求項１に記載の蛍光体ホイール。
7. 弾性体が、ゴムまたはバネであることを特徴とする請求項１に記載の蛍光体ホイール。
8. 弾性体が、シリコーン樹脂またはフッ素樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の蛍光体ホイール。
9. 蛍光体または蛍光体含有体が、支持体と接触していることを特徴とする請求項１に記載の蛍光体ホイール。
10. 蛍光体または蛍光体含有体の、複数の面が、支持体または支持体に固定された物体と、接触していることを特徴とする請求項１に記載の蛍光体ホイール。
11. 蛍光体または蛍光体含有体が反射層を有することを特徴とする請求項１に記載の蛍光体ホイール。
12. 蛍光体ホイールの製造方法であって、蛍光体または蛍光体含有体と、支持体との間に、圧縮された弾性体を入れる工程を有することを特徴とする請求項１乃至請求項１１の何れか一項に記載の蛍光体ホイールの製造方法。
13. 請求項１乃至請求項１１の何れか一項に記載の蛍光体ホイールを有することを特徴とする光源装置。
14. 請求項１３に記載の光源装置を有することを特徴とするプロジェクター。