JP2022089745A - 蛍光発光モジュール及び発光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】光の利用効率が高く、かつ、信頼性が高い蛍光発光モジュール及び発光装置を提供する。【解決手段】蛍光発光モジュール1cは、蛍光体材料を有する焼結蛍光体によって構成されている基板である蛍光体基板10cと、蛍光体基板10cの厚み方向に延びる軸A1を中心として蛍光体基板10cを回転させる回転部100と、を備える。【選択図】図8
Description
本発明は、蛍光発光モジュール及びそれを用いた発光装置に関する。
従来、励起光を受光し蛍光を放つ蛍光発光モジュールが知られている。このような蛍光発光モジュールは、例えば、プロジェクタなどの発光装置に応用されている。
蛍光発光モジュールの一例として、特許文献1には、励起光を出射する光出射部と、励起光により励起され蛍光を発生する蛍光発生部と、蛍光発生部などを支持する板状のガラス部材によって構成される蛍光体用基板とを備える光源装置が開示されている。この蛍光発光モジュールにおいては、励起光は、大気から蛍光体用基板へ入射する。さらに、蛍光体用基板へ入射した励起光は、蛍光体用基板を透過して蛍光発生部へ入射し、蛍光発生部で蛍光が発生する。
上記蛍光発光モジュールでは、大気の屈折率と蛍光体用基板の屈折率との差により、大気から蛍光体用基板に入射する励起光の一部が大気側に向けて反射されてしまう。この結果、励起光の一部が反射されない場合と比べて、蛍光発生部に入射する励起光が減少するため、蛍光発生部で発生する蛍光も減少してしまう。よって、上記蛍光発光モジュールでは、光の利用効率が低いという課題がある。
また、上記蛍光発光モジュールでは、蛍光体用基板上の蛍光発生部は、蛍光体材料と透明樹脂とによって構成されている。蛍光発生部において、蛍光体材料には、励起光の照射により最も高い熱が発生する。蛍光体材料で発生した熱は、透明樹脂を経由して熱伝導され、放熱される。しかし、この透明樹脂の熱伝導率が低いため(つまり熱抵抗が高いため)、蛍光体材料で発生した熱を、効率よく放熱することが難しい。この熱により、発生する蛍光が減少する現象(所謂、温度消光現象)が起こるため、上記蛍光発光モジュールから出力される光の色度変化が大きくなってしまう。さらに、透明樹脂の線膨張係数は、蛍光発生部及び蛍光体用基板の線膨張係数とは、大きく異なる為、上記熱により蛍光体用基板からの蛍光発生部の剥離が起こりやすい。この色度変化及び剥離などにより、上記蛍光発光モジュールの信頼性は低いという課題がある。
そこで、本発明の目的は、光の利用効率が高く、かつ、信頼性が高い蛍光発光モジュール及び発光装置を提供する事である。
本発明の一態様に係る蛍光発光モジュールは、蛍光体材料を有する焼結蛍光体によって構成されている基板である蛍光体基板と、前記蛍光体基板の厚み方向に延びる軸を中心として前記蛍光体基板を回転させる回転部と、を備える。
また、本発明の一態様に係る蛍光発光モジュールは、蛍光体材料と熱伝導率が100W/m・K以上300W/m・K以下である高熱伝導材料とを有する焼結蛍光体によって構成されている基板である蛍光体基板を備える。
また、本発明の一態様に係る発光装置は、上記の蛍光発光モジュールを備える。
本発明によれば、光の利用効率が高く、かつ、信頼性が高い蛍光発光モジュール及び発光装置を提供することができる。
以下では、本発明の実施の形態に係る蛍光発光モジュールなどについて、図面を用いて詳細に説明する。
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的又は具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、製造工程、製造工程の順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、例えば、各図において縮尺などは必ずしも一致しない。また、各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
本明細書において、平行又は直交などの要素間の関係性を示す用語、及び、円形状などの要素の形状を示す用語、並びに、数値範囲は、厳格な意味のみを表す表現ではなく、実質的に同等な範囲、例えば数%程度の差異をも含むことを意味する表現である。
また、本明細書及び図面において、x軸、y軸及びz軸は、三次元直交座標系の三軸を示している。各実施の形態では、軸の方向と平行な方向をz軸とし、z軸に直交する二軸をx軸及びy軸としている。
(実施の形態1)
[蛍光発光モジュールの構成]
はじめに、本実施の形態に係る蛍光発光モジュール1cの構成について図面を用いて説明する。図8は、本実施の形態に係る蛍光発光モジュール1cの斜視図である。図9は、図8のIX-IX線における蛍光発光モジュール1cの一部の切断面を示す断面図である。
[蛍光発光モジュールの構成]
はじめに、本実施の形態に係る蛍光発光モジュール1cの構成について図面を用いて説明する。図8は、本実施の形態に係る蛍光発光モジュール1cの斜視図である。図9は、図8のIX-IX線における蛍光発光モジュール1cの一部の切断面を示す断面図である。
図8及び図9が示すように、蛍光発光モジュール1cは、焼結蛍光体によって構成されている蛍光体基板10cと、反射防止層30と、青透過ダイクロイック多層膜40と、回転部100と、第4光学素子304と、2つの光出射部200とを備えるモジュールである。なお、簡単のため、図8においては、1つの光出射部200が記載されている。以下の図においても同様に記載される場合がある。また、蛍光発光モジュール1cは、1つの光出射部200を備えてもよい。蛍光発光モジュール1cは、プロジェクタ及び照明装置などに代表される発光装置に用いられる。本実施の形態においては、蛍光発光モジュール1cが用いられるプロジェクタを例に説明を行う。蛍光体基板10cは、励起光L1を受光して蛍光を含む透過光L2を放つ光透過型の蛍光体ホイールとして利用される。また、透過光L2は、当該プロジェクタが出力する投射光として利用される光である。
以下、蛍光発光モジュール1cが備える構成要素について説明する。
<光出射部の説明>
光出射部200は、励起光L1を出射する光源である。励起光L1は、焼結蛍光体である蛍光体基板10cを励起する光である。換言すると、励起光L1は、蛍光体基板10cを構成する焼結蛍光体が有する蛍光体材料を励起する光である。なお、図9においては、光出射部200の側面図が示されている。光出射部200は、例えば半導体レーザ光源又はLED(Light Emitting Diode)光源であり、駆動電流によって駆動されて所定の色(波長)の励起光L1を出射する。
光出射部200は、励起光L1を出射する光源である。励起光L1は、焼結蛍光体である蛍光体基板10cを励起する光である。換言すると、励起光L1は、蛍光体基板10cを構成する焼結蛍光体が有する蛍光体材料を励起する光である。なお、図9においては、光出射部200の側面図が示されている。光出射部200は、例えば半導体レーザ光源又はLED(Light Emitting Diode)光源であり、駆動電流によって駆動されて所定の色(波長)の励起光L1を出射する。
本実施の形態においては、光出射部200は、半導体レーザ光源である。なお、光出射部200が備える半導体レーザ素子は、例えば窒化物半導体材料によって構成されたGaN系半導体レーザ素子(レーザチップ)である。本実施の形態において、半導体レーザ光源である光出射部200は、コリメートレンズ一体型TO-CANタイプの発光装置である。なお、2つの光出射部200は、特許文献である特開2016-219779に示されているような、マルチチップタイプレーザーでもよく、コリメートレンズとTO-CANとが別体になっていてもよい。
一例として、光出射部200は、波長380nm以上490nm以下にピーク波長を有する近紫外から青色の範囲内のレーザ光を励起光L1として出射する。このとき、励起光L1のピーク波長は、例えば455nmであり、励起光L1は青色光である。
<回転部の説明>
回転部100は、蛍光体基板10cの厚み方向(z軸方向)に延びる軸A1を中心として蛍光体基板10cを回転させる部材であり、一例として、モータである。より具体的には、本実施の形態においては、回転部100は、蛍光体基板10c、反射防止層30及び青透過ダイクロイック多層膜40を軸A1を中心として図8が示す矢印の方向に回転させる。平面視で円形状である蛍光体基板10cの中心を中心点C1としたとき、軸A1は、中心点C1を通り、つまりは蛍光体基板10cを貫いている。ここで、z軸正方向から蛍光発光モジュール1cを見た場合を平面視とする。なお、図9においては、回転部100の内部部品は省略して図示されている。
回転部100は、蛍光体基板10cの厚み方向(z軸方向)に延びる軸A1を中心として蛍光体基板10cを回転させる部材であり、一例として、モータである。より具体的には、本実施の形態においては、回転部100は、蛍光体基板10c、反射防止層30及び青透過ダイクロイック多層膜40を軸A1を中心として図8が示す矢印の方向に回転させる。平面視で円形状である蛍光体基板10cの中心を中心点C1としたとき、軸A1は、中心点C1を通り、つまりは蛍光体基板10cを貫いている。ここで、z軸正方向から蛍光発光モジュール1cを見た場合を平面視とする。なお、図9においては、回転部100の内部部品は省略して図示されている。
また、図9が示すように、平面視で、蛍光体基板10cは、このような回転部100と重なる位置に設けられている。
<第4光学素子>
第4光学素子304は、2つの光出射部200から出力された励起光L1の光路を制御するための光学部材である。一例として、第4光学素子304は、透過光L2を集光するためのレンズである。なお、図9においては、第4光学素子304の側面図が示されている。
第4光学素子304は、2つの光出射部200から出力された励起光L1の光路を制御するための光学部材である。一例として、第4光学素子304は、透過光L2を集光するためのレンズである。なお、図9においては、第4光学素子304の側面図が示されている。
<蛍光体基板の説明>
蛍光体基板10cは、蛍光体材料を有する焼結蛍光体によって構成されている基板であり、上述の通り円形状を有する基板である。つまり、蛍光体基板10cは、平面を有する円板形状である。具体的には、ここでは、蛍光体基板10cは焼結蛍光体のみによって構成されている基板であり、焼結蛍光体は主成分である蛍光体材料のみを有する。
蛍光体基板10cは、蛍光体材料を有する焼結蛍光体によって構成されている基板であり、上述の通り円形状を有する基板である。つまり、蛍光体基板10cは、平面を有する円板形状である。具体的には、ここでは、蛍光体基板10cは焼結蛍光体のみによって構成されている基板であり、焼結蛍光体は主成分である蛍光体材料のみを有する。
なお、ここで本実施の形態における焼結蛍光体について説明する。
焼結蛍光体とは、上記の主成分である蛍光体材料(一例として、蛍光体材料の原料粉が造粒された造粒体)の原料粉が、蛍光体材料の融点よりも低い温度で焼成された焼成体である。また、焼結蛍光体は、焼成の過程で原料粉同士が結合される。そのため、焼結蛍光体は、造粒体同士を結合させるための結合剤をほとんど必要としない。より具体的には、焼結蛍光体は、結合剤を一切必要としない。結合剤とは、一例として、上記の特許文献1では、透明樹脂である。また、結合剤とは、Al2O3材料、及び、ガラス材料(つまりはSiOd(0<d≦2))などが公知の材料として用いられている。なお、同様に、結合剤に限られず、焼結蛍光体は、焼結蛍光体が有する蛍光体材料以外の材料(以下その他材料)をほとんど必要とせず、より具体的には、その他材料を一切必要としない。
例えば、焼結蛍光体の全体の体積を100vol%としたとき、焼結蛍光体の全体の体積における蛍光体材料の体積が70vol%以上であるとよい。また、焼結蛍光体の全体の体積における蛍光体材料の体積が、80vol%以上であるとよりよく、90vol%以上であるとさらによく、95vol%以上であるとさらによりよくなる。
なお、換言すると、焼結蛍光体の全体の体積を100vol%としたとき、焼結蛍光体の全体の体積におけるその他材料(例えば結合剤)の体積が30vol%未満であるとよい。また、焼結蛍光体の全体の体積におけるその他材料(例えば結合剤)の体積が、20vol%未満であるとよりよく、10vol%未満であるとさらによく、5vol%未満であるとさらによりよくなる。
焼結蛍光体の全体の体積におけるその他材料のvol%が高い(つまり、その他材料の体積の割合が多い)と、蛍光体材料とその他材料との界面に存在する欠陥によりフォノン散乱が発生する。この結果、焼結蛍光体の熱伝導率が低下する。特に、その他材料の体積が30vol%以上で熱伝導率の低下が著しい。また、上記界面での非発光再結合も多くなり、発光効率が低下する。換言すると、焼結蛍光体の全体の体積におけるその他材料のvol%が低い(つまり、その他材料の体積の割合が少ない)ほど、熱伝導率、及び、発光効率が向上する。本発明の焼結蛍光体は、上記理由により、焼結蛍光体の全体の体積におけるその他材料の体積を30%未満としている。
ここで、蛍光体材料について説明する。蛍光体材料は、例えば、ガーネット構造を有する結晶相によって構成されている材料である。ガーネット構造とは、A3B2C3O12の一般式で表される結晶構造である。元素Aには、Ca、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb及びLuなどの希土類元素が適用され、元素Bには、Mg、Al、Si、Ga及びScなどの元素が適用され、元素Cには、Al、Si及びGaなどの元素が適用される。このようなガーネット構造としては、YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット(Yttrium Aluminum Garnet))、LuAG(ルテチウム・アルミニウム・ガーネット(Lutetium Aluminum Garnet))、Lu2CaMg2Si3O12(ルテチウム・カルシウム・マグネシウム・シリコン・ガーネット(Lutetium Calcium Magnesium Silicon Garnet))及びTAG(テルビウム・アルミニウム・ガーネット(Terbium Aluminum Garnet))などが挙げられる。本実施の形態においては、蛍光体材料は、(Y1-xCex)3Al2Al3O12(つまりは、(Y1-xCex)3Al5O12)(0.0001≦x<0.1)で表される結晶相、つまりはYAG:Ceによって構成されている。
また、蛍光体材料がYAG:Ceによって構成されている場合、原料としてAl2O3が用いられる場合がある。この場合、焼結蛍光体において、未反応の原料としてAl2O3が残るときがある。しかし、未反応の原料であるAl2O3は、上記結合剤とは異なる。また、焼結蛍光体の全体の体積を100vol%としたとき、焼結蛍光体の全体の体積における未反応の原料であるAl2O3の体積は、5vol%以下である。
なお、蛍光体材料を構成する結晶相は、化学組成の異なる複数のガーネット結晶相の固溶体であっても良い。このような固溶体としては、(Y1-xCex)3Al2Al3O12(0.001≦x<0.1)で表されるガーネット結晶相と(Lu1-yCey)3Al2Al3O12(0.001≦y<0.1)で表されるガーネット結晶相との固溶体((1-a)(Y1-xCex)3Al5O12・a(Lu1-yCey)3Al2Al3O12(0<a<1))が挙げられる。また、このような固溶体としては、(Y1-xCex)3Al2Al3O12(0.001≦x<0.1)で表されるガーネット結晶相と(Lu1-zCez)2CaMg2Si3O12(0.0015≦z<0.15)で表されるガーネット結晶相との固溶体((1-b)(Y1-xCex)3Al2Al3O12・b(Lu1-zCez)2CaMg2Si3O12(0<b<1))などが挙げられる。蛍光体材料が化学組成の異なる複数のガーネット結晶相の固溶体から構成されることで、蛍光体材料が放つ蛍光の蛍光スペクトルがより広帯域化し、緑色の光成分と赤色の光成分が増える。そのため、色域の広い投射光を放つプロジェクタを提供できる。
また、蛍光体材料を構成する結晶相は、上記の一般式A3B2C3O12で表される結晶相に対して、化学組成がずれた結晶相が含まれていても良い。このような結晶相としては、(Y1-xCex)3Al2Al3O12(0.001≦x<0.1)で表される結晶相に対してAlがリッチな(Y1-xCex)3Al2+δAl3O12(δは正の数)が挙げられる。また、このような結晶相としては、(Y1-xCex)3Al2Al3O12(0.001≦x<0.1)で表される結晶相に対してYがリッチな(Y1-xCex)3+ζAl2Al3O12(ζは正の数)などが挙げられる。これらの結晶相は、一般式A3B2C3O12で表される結晶相に対して、化学組成がずれているが、ガーネット構造は維持している。
さらに、蛍光体材料を構成する結晶相には、ガーネット構造以外の構造を有する異相が含まれていても良い。
本実施の形態においては、YAG:Ceで構成される蛍光体材料は、蛍光体基板10cのz軸負方向から入射する光を励起光L1として受光して、蛍光を放つ。より具体的には、光出射部200から出射された光が励起光L1として蛍光体材料に照射されることで、蛍光体材料から波長変換光として蛍光が放たれる。つまり、蛍光体材料から放たれる波長変換光は、励起光L1の波長よりも長い波長の光である。
本実施の形態において、蛍光体材料から放たれる波長変換光には、黄色光である蛍光が含まれる。蛍光体材料は、例えば、波長が380nm以上490nm以下の光を吸収し、波長が490nm以上580nm以下の領域に蛍光ピーク波長を有する黄色光である蛍光を放つ。蛍光体材料がYAG:Ceで構成されることで、容易に波長が490nm以上580nm以下の領域に蛍光ピーク波長を有する蛍光を放つことができる。
蛍光体材料に入射した励起光L1の一部は、上記の通り、蛍光体材料によって波長変換されて、蛍光体基板10cを透過する。また、励起光L1の他部は、蛍光体材料によって波長変換されずに、蛍光体基板10cを透過する。蛍光体基板10cを透過した透過光L2は、波長変換された黄色光である蛍光と波長変換されていない青色光である励起光L1とを含む。つまり、透過光L2は、これらの光が複合された光であり、白色光である。例えば、透過光L2において、蛍光と励起光L1とのバランスが崩れると、透過光L2の色度が変化してしまう。より具体的には、蛍光の減少が起こると、励起光L1の割合が増えるため、透過光L2における青色光の割合が増えてしまう。
また、図8が示すように、本実施の形態においては、励起光L1は、蛍光体基板10cの中心点C1から半径Rの位置に照射される。
<コート層の説明>
<青透過ダイクロイック多層膜>
このような蛍光体基板10cのz軸負方向には青透過ダイクロイック多層膜40が位置している。青透過ダイクロイック多層膜40は、励起光L1を透過し、蛍光を反射する透過反射特性を有する層である。本実施の形態においては、青透過ダイクロイック多層膜40は、青色光を透過し、黄色光を反射する透過反射特性を有する層である。
<青透過ダイクロイック多層膜>
このような蛍光体基板10cのz軸負方向には青透過ダイクロイック多層膜40が位置している。青透過ダイクロイック多層膜40は、励起光L1を透過し、蛍光を反射する透過反射特性を有する層である。本実施の形態においては、青透過ダイクロイック多層膜40は、青色光を透過し、黄色光を反射する透過反射特性を有する層である。
具体的には、青透過ダイクロイック多層膜40は、誘電体の多層膜などからなるダイクロイック層により構成されている。青透過ダイクロイック多層膜40は、ダイクロイック層を構成している誘電体の材料及び/又は多層膜の構成を制御することで、所定の波長に対して所定の反射率を有し、青色の波長においては、高い透過特性をすることができる。
例えば、このような青透過ダイクロイック多層膜40が設けられない場合、蛍光体材料において生じた蛍光のうち一部の光は、z軸負方向に向けて蛍光体基板10cから出射され、上述のプロジェクタの投射光として利用することができない。青透過ダイクロイック多層膜40が設けられることで、上記一部の光が青透過ダイクロイック多層膜40によってz軸正方向に反射される。つまり、蛍光体基板10cにおける蛍光体材料で生じた蛍光の全体がz軸正方向に向かいやすくなる。よって、蛍光発光モジュール1cの光の利用効率を高めることができる。また、青透過ダイクロイック多層膜40は、励起光L1(青色光)に対する反射防止膜としての効果もあり、青透過ダイクロイック多層膜40が無い場合に対し、蛍光体基板10cに入射する励起光L1の光量を増加させることが可能となる。
<反射防止層>
さらに、蛍光体基板10cのz軸正方向には反射防止層30が位置している。
さらに、蛍光体基板10cのz軸正方向には反射防止層30が位置している。
反射防止層30は、透過光L2の反射を防止、より具体的には抑制する層である。つまり、反射防止層30は、z軸正方向に進む透過光L2が反射されてz軸負方向に進むことを抑制する層である。
反射防止層30は、蛍光発光モジュール1cから出射する透過光L2の反射率を低下させ、換言すると、透過光L2の透過率を向上させ、蛍光発光モジュール1cから出射する透過光L2を増加させる。この結果、一例としてプロジェクタの投射光として利用可能な透過光L2が増加する。よって、蛍光発光モジュール1cの光の利用効率を高めることができる。
反射防止層30は、例えば、誘電体膜、又は、可視光領域の光の波長より小さい周期の微細な凹凸構造(いわゆる、モスアイ構造)などで構成されてもよい。反射防止層30が誘電体膜で構成されている場合、反射防止層30が無機化合物を含むことで、反射防止層30を容易に製造することができる。また、この場合、反射防止層30は、SiO2、TiO2、Al2O3、ZnO、Nb2O5及びMgFなどから選ばれる1以上の無機化合物を含む。
また、図8及び図9においては、反射防止層30及び青透過ダイクロイック多層膜40が設けられている構成が示されているが、蛍光発光モジュール1cは反射防止層30及び青透過ダイクロイック多層膜40を備えていなくてもよい。この場合、回転部100と蛍光体基板10cとは、接着部材を介して接している。
また、反射防止層30及び青透過ダイクロイック多層膜40の平面視形状は、一例として、蛍光体基板10cと同じ形状であり、円形状である。また図示されないが、反射防止層30、青透過ダイクロイック多層膜40は、平面視で励起光L1が照射される位置と重なるように配置され、円環形状であってもよい。このとき、当該円環形状の中心は蛍光体基板10cの中心点C1と重なる。
反射防止層30及び青透過ダイクロイック多層膜40は、蛍光体基板10cに比べ、充分薄い。例えば、反射防止層30及び青透過ダイクロイック多層膜40のそれぞれの厚みは、一例として、0.1μm以上50μm以下であるがこれに限られない。そのため、反射防止層30及び青透過ダイクロイック多層膜40は、蛍光体基板10cを支持するための構成要素ではない。
<回転部による効果>
励起光L1の照射により蛍光体基板10cの温度が高くなると、発生する蛍光が減少する現象(所謂、温度消光現象)が起こることが知られている。例えば、特許文献1に開示される蛍光発光モジュールで温度消光現象が起こると、蛍光発生部から出射される蛍光が減少するため、蛍光発光モジュールの光の利用効率が低下するなどの課題が発生する。
励起光L1の照射により蛍光体基板10cの温度が高くなると、発生する蛍光が減少する現象(所謂、温度消光現象)が起こることが知られている。例えば、特許文献1に開示される蛍光発光モジュールで温度消光現象が起こると、蛍光発生部から出射される蛍光が減少するため、蛍光発光モジュールの光の利用効率が低下するなどの課題が発生する。
さらに、本実施の形態に係る蛍光発光モジュール1cは、回転部100を備えている。これにより、蛍光体基板10cなどが軸A1を中心として回転するため、気流が発生する。この発生した気流によって、蛍光体基板10cが冷却される。換言すると、蛍光体基板10cの放熱性が高まる。これにより、蛍光体基板10cの温度の上昇を抑制できるため、蛍光の減少が抑制される。つまりは、蛍光発光モジュール1cの光の利用効率を高めることができる。さらに、蛍光の減少が抑制されるので、透過光L2の色度変化を抑制することができる。よって、信頼性が高い蛍光発光モジュール1cが実現される。
<蛍光体基板の直径>
円板形状である蛍光体基板10cの直径は、一例として30mm以上90mm以下であるとよく、35mm以上70mm以下であるとよりよく、40mm以上50mm以下であるとさらによいが、これに限られない。
円板形状である蛍光体基板10cの直径は、一例として30mm以上90mm以下であるとよく、35mm以上70mm以下であるとよりよく、40mm以上50mm以下であるとさらによいが、これに限られない。
<基板レスによる効果>
これまで示してきたように、本実施の形態に係る蛍光発光モジュール1cは、蛍光体基板10cを支持するための構成要素(例えば特許文献1で示す透明の蛍光体用基板)などを備えていない。つまりは、本実施の形態に係る蛍光発光モジュール1cは、基板レス構造である。そのため、特許文献1とは異なり、蛍光体用基板と大気との界面で発生する励起光L1の反射(つまりは励起光L1の光ロス)は、発生しない。上記界面での励起光L1の光ロスがないため、蛍光体基板10cに入射する励起光L1が増加する。この結果、蛍光体基板10cにおける蛍光体材料で発生する蛍光が増加する。つまりは、蛍光発光モジュール1cの光の利用効率を高めることができる。またさらに、蛍光発光モジュール1cは、蛍光体基板10cを支持するための構成要素などを備えていないため、特許文献1に開示される蛍光発生部の剥離が起きない。よって、信頼性が高い蛍光発光モジュール1cが実現される。
これまで示してきたように、本実施の形態に係る蛍光発光モジュール1cは、蛍光体基板10cを支持するための構成要素(例えば特許文献1で示す透明の蛍光体用基板)などを備えていない。つまりは、本実施の形態に係る蛍光発光モジュール1cは、基板レス構造である。そのため、特許文献1とは異なり、蛍光体用基板と大気との界面で発生する励起光L1の反射(つまりは励起光L1の光ロス)は、発生しない。上記界面での励起光L1の光ロスがないため、蛍光体基板10cに入射する励起光L1が増加する。この結果、蛍光体基板10cにおける蛍光体材料で発生する蛍光が増加する。つまりは、蛍光発光モジュール1cの光の利用効率を高めることができる。またさらに、蛍光発光モジュール1cは、蛍光体基板10cを支持するための構成要素などを備えていないため、特許文献1に開示される蛍光発生部の剥離が起きない。よって、信頼性が高い蛍光発光モジュール1cが実現される。
<青透過ダイクロイック多層膜による効果>
また、青色光である励起光L1は、青透過ダイクロイック多層膜40を設けることにより、青透過ダイクロイック多層膜40が無い場合に発生する大気と蛍光体基板10cとの界面でのフレネル反射を抑制する事が可能となる。つまり、青透過ダイクロイック多層膜40は、励起光L1の反射による光ロスを抑制することができる。このような青透過ダイクロイック多層膜40が設けられることで、蛍光体基板10cに入射する励起光L1が増加する。この結果、蛍光体基板10cにおける蛍光体材料で発生する蛍光が増加する。
また、青色光である励起光L1は、青透過ダイクロイック多層膜40を設けることにより、青透過ダイクロイック多層膜40が無い場合に発生する大気と蛍光体基板10cとの界面でのフレネル反射を抑制する事が可能となる。つまり、青透過ダイクロイック多層膜40は、励起光L1の反射による光ロスを抑制することができる。このような青透過ダイクロイック多層膜40が設けられることで、蛍光体基板10cに入射する励起光L1が増加する。この結果、蛍光体基板10cにおける蛍光体材料で発生する蛍光が増加する。
<焼結蛍光体による効果>
さらに、ここで、蛍光体基板10cが焼結蛍光体によって構成されている効果について説明する。
さらに、ここで、蛍光体基板10cが焼結蛍光体によって構成されている効果について説明する。
例えば特許文献1では、透明樹脂が結合剤に相当する。この透明樹脂を含む公知の結合剤の屈折率は、YAG:Ceなどの蛍光体材料の屈折率とは、異なる場合が多い。このため、YAG:Ceなどの蛍光体材料と結合剤とが複合された場合には、光の散乱などが発生する。この場合、光の散乱による光ロスなどが発生してしまう。
しかし、本実施の形態に係る焼結蛍光体は、上記の通り、結合剤をほとんど必要としない。そのため、焼結蛍光体においては、光散乱などによる光ロスは起こりにくい。つまり、蛍光発光モジュール1cが焼結蛍光体によって構成されている蛍光体基板10cを備えることで、蛍光発光モジュール1cの光の利用効率を高めることができる。
<接着>
なお、回転部100と蛍光体基板10cとは接着部材を介して、接している。回転部100の材質は、モータである回転部100自身への負荷と熱伝導性とを考慮し、軽量、かつ、高熱伝導であるAlが用いられている。回転部100の外径は、半径Rの倍の長さ以下である。接着部材としては、回転部100と蛍光体基板10cとの熱膨張係数差を緩和するために、シリコーン樹脂が使用されている。ただし、回転部100の材質は、Cu又はFeなど、他の材質でもよく、接着部材も、他のエポキシ樹脂、又は、ナノAg若しくはナノCuを含んだ高熱伝導性接着剤でもよい。
なお、回転部100と蛍光体基板10cとは接着部材を介して、接している。回転部100の材質は、モータである回転部100自身への負荷と熱伝導性とを考慮し、軽量、かつ、高熱伝導であるAlが用いられている。回転部100の外径は、半径Rの倍の長さ以下である。接着部材としては、回転部100と蛍光体基板10cとの熱膨張係数差を緩和するために、シリコーン樹脂が使用されている。ただし、回転部100の材質は、Cu又はFeなど、他の材質でもよく、接着部材も、他のエポキシ樹脂、又は、ナノAg若しくはナノCuを含んだ高熱伝導性接着剤でもよい。
<蛍光体基板の径>
ここで、発明者らによって、透過光L2のエネルギーの効率と、蛍光体基板10cの直径との検討が行われた。この検討結果が図4Bに示される。
ここで、発明者らによって、透過光L2のエネルギーの効率と、蛍光体基板10cの直径との検討が行われた。この検討結果が図4Bに示される。
図4Bは、本実施の形態に係る透過光L2のエネルギーの効率を示す図である。ここでは、直径(図4Bではφと表示)が5mm以上90mm以下の蛍光体基板10cについて検討された結果が示されている。
下方の横軸は、励起光L1のエネルギーを示している。また、ここでは、励起光L1が蛍光体基板10cに入射する入射面積は2mm2であるため、上方の横軸は、励起光L1による入射面積での励起エネルギーの密度(励起密度)を示している。
縦軸は、透過光L2のエネルギーの効率を示している。また、縦軸は、蛍光体基板10cの直径を示すデータごとに、励起光L1のエネルギーが0.5Wのときの透過光L2のエネルギーを100%として、透過光L2のエネルギーが規格化された値を示している。つまり例えば、直径5mmの蛍光体基板10cを示すデータでは、励起光L1のエネルギーが0.5Wのときの直径5mmの蛍光体基板10cから出射した透過光L2のエネルギーを100%として、規格化された値が縦軸に示されている。同様に、直径30mmの蛍光体基板10cを示すデータでは、励起光L1のエネルギーが0.5Wのときの直径30mmの蛍光体基板10cから出射した透過光L2のエネルギーを100%として、規格化された値が縦軸に示されている。
励起光L1のエネルギーが大きいほど、蛍光体基板10cの温度が高くなりやすく、温度消光現象が起こりやすい。温度消光現象が起こると、透過光L2のエネルギーが急激に低下する。図4Bが示すように、直径が5mm以上65mm以下の蛍光体基板10cでは、透過光L2のエネルギーが急激に低下する領域がある。例えば、直径が30mmの蛍光体基板10cでは、励起光L1のエネルギーが70Wから100Wに増加したときに、この領域が表れている。
また、図4Bでは、蛍光体基板10cの直径が大きいほど、この領域が励起光L1のエネルギーが高い方にシフトしていることが示されている。つまり、図4Bでは、蛍光体基板10cの直径が大きいほど、温度消光現象が起こりにくいことを示している。これは以下のように説明できる。
励起光L1の照射により発生した熱は、例えば、励起光L1が照射される領域(例えば、上記の中心点C1から半径Rの位置)から、励起光L1が照射されない領域に移動する。蛍光体基板10cの直径が大きいほど、励起光L1が照射されない領域も大きくなる。この励起光L1が照射されない領域とは、励起光L1が照射される領域から、熱が移動する領域に相当する。よって、蛍光体基板10cの直径が大きいほど、励起光L1の照射により発生した熱が移動しやすくなるため、蛍光体基板10cの温度が高くなりにくくなる。この結果、温度消光現象が起こりにくくなる。つまりは、蛍光体基板10cの直径が大きいほど、励起光L1のエネルギーが高い領域で、効率が高い透過光L2を得ることができる。
さらに、発明者らの検討によって、例えば、光源モジュール600の出力光を15000lmとするためには、励起光L1のエネルギーが100W程度必要であることが明らかとなっている。なお、光源モジュール600は、図4Aにて詳細説明するが、蛍光発光モジュール1cと、光学素子などとを備える光学モジュールである。
上述の通り、蛍光体基板10cの直径は、一例として30mm以上90mm以下であるとよく、35mm以上70mm以下であるとよりよく、40mm以上50mm以下であるとさらによい。
蛍光体基板10cの直径が上記範囲であることで、励起光L1のエネルギーが100Wであった場合に、効率が高い透過光L2(例えば、図4Bの縦軸では90%以上)を得ることができる。
つまり、蛍光体基板10cの直径は、光源モジュール600の出力光に応じて、適宜設定される。なお、蛍光体基板10cの直径が大きいと、光源モジュール600のサイズが大きくなる。この結果、プロジェクタ500及び照明装置などの発光装置のサイズが大きくなってしまい、発光装置の商品価値が下がる。
そのため、例えば、光源モジュール600の出力光が上述の15000lmである場合には、蛍光体基板10cの直径は40mm以上50mm以下であるとよい。
<蛍光体基板の厚み>
蛍光体基板10cの厚み(つまりは、z軸方向の長さ)は、50μm以上700μm以下であるとよい。蛍光体基板10cの厚みは、80μm以上500μm以下であるとよりよく、100μm以上300μm以下であるとさらによい。
蛍光体基板10cの厚み(つまりは、z軸方向の長さ)は、50μm以上700μm以下であるとよい。蛍光体基板10cの厚みは、80μm以上500μm以下であるとよりよく、100μm以上300μm以下であるとさらによい。
蛍光体基板10cの厚みが厚いほど、蛍光体基板10cの熱伝導性が高くなり、つまりは、蛍光体基板10cの放熱性が高まる。
一方で、蛍光体基板10cの厚みが厚いほど、蛍光体基板10cにおいて励起光L1が散乱されやすくなる。この結果、平面視したときの蛍光体基板10cにおける透過光L2の発光スポット面積が大きくなってしまう。この結果、例えばプロジェクタにおいて、透過光L2の光路上に配置されるレンズなどの光学素子が巨大化し、これに従って、当該プロジェクタが巨大化するなどの問題が発生する。
さらに、蛍光体基板10cの厚みが厚いほど、蛍光体基板10cの体積が大きくなる。この結果、1つの蛍光体基板10cを製造するために、より多くの蛍光体材料と高熱伝導材料とが必要となるため、コスト面からも不利である。
以上のことから、蛍光体基板10cの厚みは上記範囲であるとよい。
[Ce濃度の検討]
また、上述の通り、本実施の形態に係る蛍光体材料は、YAG:Ce((Y1-xCex)3Al5O12)(0.0001≦x<0.1))である。ここで、YAG:CeにおけるCe濃度について説明する。また、Ce濃度とは、YとCeとの合計に対するCeの元素比率(つまりはCe/(Y+Ce)(%))であり、x×100(%)の数値となる。
また、上述の通り、本実施の形態に係る蛍光体材料は、YAG:Ce((Y1-xCex)3Al5O12)(0.0001≦x<0.1))である。ここで、YAG:CeにおけるCe濃度について説明する。また、Ce濃度とは、YとCeとの合計に対するCeの元素比率(つまりはCe/(Y+Ce)(%))であり、x×100(%)の数値となる。
<Ce濃度と厚み>
まずは、Ce濃度と蛍光体基板10cの厚みとの関係について説明する。
まずは、Ce濃度と蛍光体基板10cの厚みとの関係について説明する。
発明者らは、図4Aが示す光源モジュール600の出力光(つまりは、透過光L2)が、一例として、白色光となるための検討を行った。より具体的には、CIE表色系において、この出力光の色度座標(x,y)が(0.308以上0.318以下,0.324以上0.334以下)となるような、YAG:CeのCe濃度と蛍光体基板10cの厚みとの関係について検討が行われた。この検討結果が図5Bに示されている。なお、CIE表色系は、CIE(国際照明委員会)によって定められた表色系である。
図5Bは、本実施の形態に係るYAG:CeのCe濃度と蛍光体基板10cの厚みとの関係を示す図である。
図5Bにおいて、縦軸は蛍光体基板10cの厚みを示し、横軸はCe濃度を示す。ここでは、0.01%、0.05%、0.1%、0.2%及び0.3%のCe濃度のそれぞれにおいて、検討が行われている。
図5Bでは、それぞれのCe濃度において、3つの蛍光体基板10cの厚みが示されている。それぞれのCe濃度において、蛍光体基板10cの厚みが上記3つの範囲内(より具体的には最も薄い厚みから最も厚い厚みまでの範囲内)となることで、光源モジュール600の出力光が白色光(つまりは、上記範囲内の色度座標の光)となる。換言すると、図5Bが示す、YAG:CeのCe濃度と蛍光体基板10cの厚みとの関係が満たされることで、光源モジュール600の出力光の色度座標が上記範囲内となる。
図5Bでは、Ce濃度が低いほど、蛍光体基板10cの厚みが厚くなることが示されている。本実施の形態に係るYAG:Ceにおいては、Ceが発光中心として機能するため、Ce濃度が低いほど、波長変換光が少なく発生する。このため、出力光の色度座標が上記範囲内となるためには、Ce濃度が低いほど蛍光体基板10cが厚くなる。
蛍光体基板10cが厚いほど、例えば蛍光体基板10cが割れにくくなるなど、蛍光体基板10cが破損する可能性が低くなる。よって、蛍光体基板10cが厚いほど、蛍光体基板10c、つまりは、蛍光発光モジュール1cの信頼性が高まる。例えば、蛍光体基板10cの厚みが100μm以上であれば、蛍光発光モジュール1cの信頼性を十分に高めることができる。このため、Ce濃度は0.1%以下であるとよい。
さらに、Ce濃度と蛍光体基板10cの温度との関係に関して行われた検討について、図5Cを用いて説明する。なお、この検討においても、上記と同じく、光源モジュール600の出力光の色度座標が上記範囲となるように、図5Bが示すCe濃度と蛍光体基板10cの厚みとの関係が満たされている。
<Ce濃度と温度>
図5Cは、本実施の形態に係るYAG:CeのCe濃度と蛍光体基板10cの温度との関係を示す。より具体的には、図5Cには、図5Cが示すCe濃度のそれぞれにおいて、励起光L1が照射されたときの蛍光体基板10cの温度が示されている。このとき、光源モジュール600において、蛍光体基板10cなどは、7200rpmで回転されている。なお、上述の通り、図5Cにおいても、図5Bが示すCe濃度と蛍光体基板10cとの関係が満たされている。つまり、Ce濃度が低いほど、蛍光体基板10cの厚みが厚い。
図5Cは、本実施の形態に係るYAG:CeのCe濃度と蛍光体基板10cの温度との関係を示す。より具体的には、図5Cには、図5Cが示すCe濃度のそれぞれにおいて、励起光L1が照射されたときの蛍光体基板10cの温度が示されている。このとき、光源モジュール600において、蛍光体基板10cなどは、7200rpmで回転されている。なお、上述の通り、図5Cにおいても、図5Bが示すCe濃度と蛍光体基板10cとの関係が満たされている。つまり、Ce濃度が低いほど、蛍光体基板10cの厚みが厚い。
図5Cが示すように、Ce濃度が低いほど、蛍光体基板10cの温度が低い。また、図5Bが示すように、Ce濃度が低いほど、蛍光体基板10cの厚みが厚いため、励起光L1の照射による熱が移動しやすい。このため、Ce濃度が低いほど、蛍光体基板10cの温度が高くなることが抑制される。つまりは、Ce濃度が低いほど、温度消光現象を抑制することができる。
また、発明者らは、温度消光現象を十分に抑制するためには蛍光体基板10cの温度を150℃以下に保つ必要があることを明らかにしている。よって、温度消光現象を抑制する観点からは、Ce濃度は0.1%以下であるとよい。
さらに、Ce濃度とスポットサイズ拡大率との関係に関して行われた検討について説明する。なお、この検討においても、上記と同じく、光源モジュール600の出力光の色度座標が上記範囲となるように、図5Bが示すCe濃度と蛍光体基板10cの厚みとの関係が満たされている。
図5Dは、本実施の形態に係る蛍光体基板10cのスポットサイズ拡大率との関係を示す。スポットサイズ拡大率とは、蛍光体基板10cにおける、励起光L1が入射する入射面積と透過光L2が出射する出射面積との比率を示す。より具体的には、スポットサイズ拡大率とは、出射面積/入射面積(%)で示される値である。また、出射面積とは、上記の発光スポット面積と同じ意味である。
<Ce濃度とスポットサイズ>
図5Dが示すように、Ce濃度が高いほど、スポットサイズ拡大率が低い。また、図5Bが示すように、Ce濃度が高いほど、蛍光体基板10cの厚みが薄いため、蛍光体基板10cにおける励起光L1と波長変換光との光路が短い。このため、励起光L1と波長変換光との蛍光体基板10cにおける光散乱が抑制される。よって、Ce濃度が高いほど、スポットサイズ拡大率が大きくなることを抑制することができる。
図5Dが示すように、Ce濃度が高いほど、スポットサイズ拡大率が低い。また、図5Bが示すように、Ce濃度が高いほど、蛍光体基板10cの厚みが薄いため、蛍光体基板10cにおける励起光L1と波長変換光との光路が短い。このため、励起光L1と波長変換光との蛍光体基板10cにおける光散乱が抑制される。よって、Ce濃度が高いほど、スポットサイズ拡大率が大きくなることを抑制することができる。
[プロジェクタの構成]で説明するように、透過光L2の発光スポット面積が大きいと、透過光L2を集光する第1光学素子301及び第2光学素子302が巨大化し、これに従いプロジェクタ500も巨大化してしまう。これとは逆に、スポットサイズ拡大率を低くし、透過光L2の発光スポット面積を小さくすることで、プロジェクタ500をコンパクト化することができる。
また、発明者らは、例えば、蛍光発光モジュール1cをプロジェクタ500に適用するためには、スポットサイズ拡大率を250%以下とする必要があることを明らかにしている。つまりは、Ce濃度が0.05%以上であるとよい。
<まとめ>
以上より、発明者らの検討によって、蛍光体材料は、Ce濃度が0.05%以上0.1%以下であるYAG:Ce((Y1-xCex)3Al5O12)(0.0005≦x<0.001))であるとよい。
以上より、発明者らの検討によって、蛍光体材料は、Ce濃度が0.05%以上0.1%以下であるYAG:Ce((Y1-xCex)3Al5O12)(0.0005≦x<0.001))であるとよい。
これにより、蛍光体基板10cが破損する可能性が低くなるため、蛍光発光モジュール1cの信頼性が高まる。また、蛍光体基板10cにおける温度消光現象を抑制することができ、光の利用効率が高い蛍光発光モジュール1cが実現される。さらに、発光装置の一例であるプロジェクタ500のコンパクト化が可能となる。
なお、Ce濃度は、0.06%以上0.09%以下であるとよりよく、0.07%以上0.08%以下であるとさらによい。
[製造方法]
ここで、蛍光体基板10cの製造方法について簡単に説明する。
ここで、蛍光体基板10cの製造方法について簡単に説明する。
蛍光体材料は、(Y0.999Ce0.001)3Al5O12で表される結晶相によって構成される。また、蛍光体材料は、いずれも、Ce3+賦活蛍光体で構成される。
蛍光体基板10cを製造するために、化合物粉末として以下の3種類が原料として使用された。具体的には、原料は、Y2O3、Al2O3及びCeO2である。それぞれの純度及び製造メーカは、Y2O3が純度3N及び日本イットリウム株式会社、Al2O3が純度3N及び住友化学株式会社、CeO2が純度3N及び日本イットリウム株式会社である。
化学量論的組成の化合物(Y0.999Ce0.001)3Al5O12となるように、上記原料としてY2O3、Al2O3及びCeO2が秤量された。次に、秤量された原料とアルミナ製ボール(直径10mm)とが、プラスチック製ポットに投入された。アルミナ製ボールの量は、プラスチック製ポットの容積の1/3程度を充填する程度の量であった。その後、純水がプラスチック製ポットに投入され、ポット回転装置(日東化学株式会社製、BALL MILL ANZ-51S)を利用して、原料と純水とが混合された。この混合は、12時間実施された。このようにして、スラリー状の混合原料を得た。
スプレードライヤ装置を利用して混合原料が造粒された。なお、造粒時には、粘着剤(バインダ)として、ポリビニルアルコールが使用された。
造粒された混合原料は、電動油圧プレス機(理研精機株式会社製、EMP-5)と有底円筒形状の金型とを利用して、円柱形状に仮成型された。成型時の圧力は、5MPaとした。
次に、冷間等方圧加圧装置を利用して、仮成型後の成型体が本成型された。本成型時の圧力は、300MPaとした。なお、本成型後の成型体は、造粒時に使用された粘着剤(バインダ)を除去する目的で、加熱処理(脱バインダー処理)が行われた。加熱処理の温度は、500℃とした。また、加熱処理の時間は、10時間とした。
加熱処理後の成型体は、管状雰囲気炉を用いて、焼成された。焼成温度は、1675℃とした。また、焼成時間は、4時間とした。焼成雰囲気は、窒素と水素との混合ガス雰囲気とした。
焼成後の円柱形状の焼成物は、マルチワイヤーソーを用いて、スライスされた。さらに、スライスされた焼成物が研磨され、焼成物の厚みの調整が行われた。この調整が行われることで、焼成物が、蛍光体基板10cとなる。
[プロジェクタの構成]
続いて、プロジェクタ500について説明する。以上のように構成されている蛍光発光モジュール1cは、図3が示すプロジェクタ500及び照明装置(不図示)に用いられる。図3は、本実施の形態に係るプロジェクタ500の外観を示す斜視図である。図10は、本実施の形態に係るプロジェクタ500の構成を示す模式図である。図4Aは、本実施の形態に係るプロジェクタ500における蛍光発光モジュール1cを示す模式図である。なお、図4Aにおいては、図9と同じく蛍光発光モジュール1cの一部が断面図で、2つの光出射部200が側面図で示され、回転部100の内部部品は省略して図示されている。
続いて、プロジェクタ500について説明する。以上のように構成されている蛍光発光モジュール1cは、図3が示すプロジェクタ500及び照明装置(不図示)に用いられる。図3は、本実施の形態に係るプロジェクタ500の外観を示す斜視図である。図10は、本実施の形態に係るプロジェクタ500の構成を示す模式図である。図4Aは、本実施の形態に係るプロジェクタ500における蛍光発光モジュール1cを示す模式図である。なお、図4Aにおいては、図9と同じく蛍光発光モジュール1cの一部が断面図で、2つの光出射部200が側面図で示され、回転部100の内部部品は省略して図示されている。
図10が示すように、本実施の形態に係るプロジェクタ500は、光源モジュール600を備える。また、プロジェクタ500は、公知のプロジェクタと同様、均一化光学系601、表示素子部602、投光部603、及び、表示素子部602を制御する制御回路604を備える。均一化光学系601は、2枚のマルチレンズアレイ(MLA)によって構成されている。表示素子部602は、蛍光発光モジュール1cから出力され、均一化光学系601を経た透過光L2を制御して映像として出力する略平面状の素子である。換言すると、表示素子部602は、映像用の光を生成する。表示素子部602は、具体的には、透過型液晶パネルである。表示素子部602は、透過光L2を赤色光、緑色光及び青色光に分離する。その後、分離された赤色光、緑色光及び青色光は、それぞれに対応した表示素子部602によって、それぞれ光学変調される。この結果、映像が生成され、赤色光、緑色光及び青色光は、RGB合成部であるクロスプリズム(不図示)にて波長合成される。投光部603は、テッサー型である。蛍光発光モジュール1cから出力された透過光L2は、均一化光学系601、表示素子部602及び投光部603によって、この順に制御され、例えばスクリーンなどに拡大投射される投射光となる。制御回路604は、表示素子部602を制御する回路であり、例えば、マイクロコンピュータによって実現されるが、プロセッサによって実現されてもよい。ただし、本構成に限定されるものではなく、均一化光学系601はライトパイプなどのカレイドスコープ系の構造物でもよい。また、投影像の均一性が不要なプロジェクタ及び発光装置では、均一化光学系601は設けられていなくてもよい。表示素子部602は、DMD(Digital Micromirror Device)及びLCOS(Liquid crystal on silicon)でもよい。また、例えば、表示素子部602は、反射型液晶パネルであってもよく、DMDを有するDLP(Digital Light Processing)であってもよい。時分割方式及び白黒方式のプロジェクタ及び発光装置では、透過光L2が赤色光、緑色光及び青色光に分離されなくてもよい。投光部603はガウス型など、他の形式でもよい。
さらに、光源モジュール600は、蛍光発光モジュール1cと、第1光学素子301と、第2光学素子302と、第3光学素子303とを備える光学モジュールである。つまり、発光装置の一例であるプロジェクタ500は、蛍光発光モジュール1cを備える。
第1光学素子301、第2光学素子302及び第3光学素子303は、蛍光発光モジュール1cから出力された透過光L2の光路を制御するための光学部品である。一例として、第1光学素子301、第2光学素子302及び第3光学素子303のそれぞれは、透過光L2を集光するためのレンズである。上述のように、蛍光体基板10cの厚みが厚いほど、散乱により透過光L2の発光スポット面積が大きくなってしまう。この場合、第1光学素子301、第2光学素子302及び第3光学素子303が巨大化し、これに従いプロジェクタ500も巨大化してしまう。そのため、透過光L2の発光スポット面積の制御、つまりは、蛍光体基板10cの厚みの制御が求められる。
上記記載のように、第4光学素子304は、2つの光出射部200から出力された励起光L1の光路を集光して制御する。
続いて、図4Aにおける光の挙動について説明する。
光出射部200によって出射された励起光L1は、第4光学素子304を介して、青透過ダイクロイック多層膜40に入射する。さらに励起光L1は、蛍光体基板10cに入射する。入射した励起光L1の一部は、蛍光体材料によって波長変換されて蛍光として、蛍光体基板10cを透過する。また、入射した励起光L1の他部は、蛍光体材料によって波長変換されずに、蛍光体基板10cを透過する。蛍光体基板10cを透過した透過光L2は、黄色光である蛍光と波長変換されていない青色光である励起光L1とを含む複合された光であり、白色光である。透過光L2は、反射防止層30に入射する。さらに、透過光L2は、蛍光発光モジュール1c(より具体的には蛍光体基板10c)から略ランバーシアン配光で出射される。
蛍光発光モジュール1cから出射された透過光L2は、第1光学素子301、第2光学素子302及び第3光学素子303によって集光されて出射される。なお、第1光学素子301、第2光学素子302及び第3光学素子303は、蛍光発光モジュール1cから出射された透過光L2を集光しなくてもよい。例えば、第1光学素子301、第2光学素子302及び第3光学素子303は、出射された透過光L2を略コリメート又は弱拡大放射してもよい。第1光学素子301、第2光学素子302及び第3光学素子303から出射された透過光L2の放射角が、蛍光発光モジュール1cが用いられるプロジェクタ500及び照明装置において、効率よく光伝達できる放射角であればよい。
第1光学素子301、第2光学素子302及び第3光学素子303から出射された透過光L2(つまりは光源モジュール600の出力光)は、均一化光学系601へと向かう。上記のように、光源モジュール600から出力された透過光L2は、均一化光学系601、表示素子部602及び投光部603の順に制御され、スクリーンに拡大投射される投射光となる。つまり、透過光L2は、プロジェクタ500が出力する投射光として利用される光である。
また、本実施の形態においては、励起光L1の一部は、蛍光体材料によって波長変換されて、蛍光体基板10cを透過する。励起光L1の他部は、蛍光体材料によって波長変換されずに、蛍光体基板10cを透過する。このように、蛍光体基板10cを透過した透過光L2を例えば投射光として利用することができる。つまりは、光透過型の蛍光体ホイールとして利用可能な蛍光発光モジュール1cが実現される。
また、本実施の形態においては、発光装置の一例であるプロジェクタ500は、光の利用効率の高い蛍光発光モジュール1cを備えている。よって、光の利用効率の高いプロジェクタ500が実現される。
<配置>
上記の通り、蛍光体基板10cから、透過光L2は、略ランバーシアン配光で射出される。蛍光体基板10cから略ランバーシアン配光で出射された透過光L2が効率よく制御されるために、第1光学素子301を蛍光体基板10cに近づけて配置する必要がある。一方、第4光学素子304は、励起光L1を蛍光体基板10c上で集光できればよいため、蛍光体基板10cから第4光学素子304の出射面までの距離は、蛍光体基板10cから第1光学素子301の入射側面までの距離よりも大きくすることができる。(例えばこのとき、蛍光体基板10c上での、励起光L1のスポットサイズは、透過光L2のスポットサイズよりも小さい。)よって、回転部100と光学素子(第1光学素子301、第2光学素子302、第3光学素子303及び第4光学素子304)とが干渉しない様に、回転部100は、蛍光体基板10cのz軸負方向に設置するとよい。
上記の通り、蛍光体基板10cから、透過光L2は、略ランバーシアン配光で射出される。蛍光体基板10cから略ランバーシアン配光で出射された透過光L2が効率よく制御されるために、第1光学素子301を蛍光体基板10cに近づけて配置する必要がある。一方、第4光学素子304は、励起光L1を蛍光体基板10c上で集光できればよいため、蛍光体基板10cから第4光学素子304の出射面までの距離は、蛍光体基板10cから第1光学素子301の入射側面までの距離よりも大きくすることができる。(例えばこのとき、蛍光体基板10c上での、励起光L1のスポットサイズは、透過光L2のスポットサイズよりも小さい。)よって、回転部100と光学素子(第1光学素子301、第2光学素子302、第3光学素子303及び第4光学素子304)とが干渉しない様に、回転部100は、蛍光体基板10cのz軸負方向に設置するとよい。
(実施の形態2)
[蛍光発光モジュールの構成]
次に、実施の形態2に係る蛍光発光モジュール1について、図1及び図2を用いて説明する。図1は、本実施の形態に係る蛍光発光モジュール1の斜視図である。図2は、図1のII-II線における蛍光発光モジュール1の一部の切断面を示す断面図である。
[蛍光発光モジュールの構成]
次に、実施の形態2に係る蛍光発光モジュール1について、図1及び図2を用いて説明する。図1は、本実施の形態に係る蛍光発光モジュール1の斜視図である。図2は、図1のII-II線における蛍光発光モジュール1の一部の切断面を示す断面図である。
蛍光発光モジュール1は、焼結蛍光体によって構成されている蛍光体基板10と、反射防止層30と、青透過ダイクロイック多層膜40と、回転部100と、2つの光出射部200とを備えるモジュールである。なお、簡単のため、図1及び図2においては、1つの光出射部200が記載されている。
つまり、本実施の形態においては、蛍光体基板10が、蛍光体材料と、高熱伝導材料とを有する焼結蛍光体によって構成されている点が、実施の形態1に係る蛍光体基板10cとは異なる。
<蛍光体基板の説明>
蛍光体基板10は、蛍光体材料と高熱伝導材料とを有する焼結蛍光体によって構成されている基板であり、上述の通り円形状を有する基板である。つまり、蛍光体基板10は、平面を有する円板形状である。具体的には、ここでは、蛍光体基板10は焼結蛍光体のみによって構成されている基板であり、焼結蛍光体は主成分である蛍光体材料及び高熱伝導材料のみを有する。
蛍光体基板10は、蛍光体材料と高熱伝導材料とを有する焼結蛍光体によって構成されている基板であり、上述の通り円形状を有する基板である。つまり、蛍光体基板10は、平面を有する円板形状である。具体的には、ここでは、蛍光体基板10は焼結蛍光体のみによって構成されている基板であり、焼結蛍光体は主成分である蛍光体材料及び高熱伝導材料のみを有する。
より具体的には、図2が示すように、蛍光体基板10は、蛍光構造体11と、複数の熱伝導構造体12とによって構成されている。蛍光構造体11は、焼結蛍光体が有する蛍光体材料によって構成されている構造体である。複数の熱伝導構造体12は、焼結蛍光体が有する高熱伝導材料によって構成されている複数の構造体である。
なお、ここで本実施の形態における焼結蛍光体について説明する。
焼結蛍光体とは、上記の主成分である蛍光体材料及び高熱伝導材料(一例として、これら材料の原料粉が造粒された造粒体)の原料粉が、これら材料の融点よりも低い温度で焼成された焼成体である。また、焼結蛍光体は、焼成の過程での原料粉同士が結合される。そのため、焼結蛍光体は、造粒体同士を結合させるための結合剤をほとんど必要としない。より具体的には、焼結蛍光体は、結合剤を一切必要としない。結合剤とは、一例として、上記の特許文献1では、透明樹脂である。また、結合剤とは、Al2O3材料、及び、ガラス材料(つまりはSiOd(0<d≦2))などが公知の材料として用いられている。なお、同様に、結合剤に限られず、焼結蛍光体は、焼結蛍光体が有する蛍光体材料及び高熱伝導材料以外の材料(以下その他材料)をほとんど必要とせず、より具体的には、その他材料を一切必要としない。
例えば、焼結蛍光体の全体の体積を100vol%としたとき、焼結蛍光体の全体の体積における蛍光体材料及び高熱伝導材料の合計の体積が70vol%以上であるとよい。また、焼結蛍光体の全体の体積における蛍光体材料及び高熱伝導材料の合計の体積が、80vol%以上であるとよりよく、90vol%以上であるとさらによく、95vol%以上であるとさらによりよくなる。
なお、換言すると、焼結蛍光体の全体の体積を100vol%としたとき、焼結蛍光体の全体の体積におけるその他材料(例えば結合剤)の体積が30vol%未満であるとよい。また、焼結蛍光体の全体の体積におけるその他材料(例えば結合剤)の体積が、20vol%以下であるとよりよく、10vol%以下であるとさらによく、5vol%以下であるとさらによりよくなる。
<高熱伝導材料>
つぎに、高熱伝導材料によって構成される複数の熱伝導構造体12について説明する。高熱伝導材料の形状、より具体的には、複数の熱伝導構造体12のそれぞれの形状は、例えば、粒子形状である。高熱伝導材料によって構成されている複数の熱伝導構造体12は、蛍光体基板10において、蛍光構造体11に周囲を覆われるように配置されている。また、図示されないが、複数の熱伝導構造体12は、蛍光構造体11から複数の熱伝導構造体12の一部が突出するように配置されていてもよい。蛍光構造体11は、複数の熱伝導構造体12にとって、母材の役割を担う。つまり、複数の熱伝導構造体12は、蛍光構造体11に埋設されている。複数の熱伝導構造体12のうち一部は、複数の熱伝導構造体12同士が接している状態、所謂数珠繋がりの状態である。粒子形状である複数の熱伝導構造体12のそれぞれの粒子径は、一例として1μm以上100μm以下である。
つぎに、高熱伝導材料によって構成される複数の熱伝導構造体12について説明する。高熱伝導材料の形状、より具体的には、複数の熱伝導構造体12のそれぞれの形状は、例えば、粒子形状である。高熱伝導材料によって構成されている複数の熱伝導構造体12は、蛍光体基板10において、蛍光構造体11に周囲を覆われるように配置されている。また、図示されないが、複数の熱伝導構造体12は、蛍光構造体11から複数の熱伝導構造体12の一部が突出するように配置されていてもよい。蛍光構造体11は、複数の熱伝導構造体12にとって、母材の役割を担う。つまり、複数の熱伝導構造体12は、蛍光構造体11に埋設されている。複数の熱伝導構造体12のうち一部は、複数の熱伝導構造体12同士が接している状態、所謂数珠繋がりの状態である。粒子形状である複数の熱伝導構造体12のそれぞれの粒子径は、一例として1μm以上100μm以下である。
励起光L1の照射により蛍光体基板10の温度が高くなると、発生する蛍光が減少する現象(所謂、温度消光現象)が起こることが知られている。例えば、特許文献1に開示される蛍光発光モジュールで温度消光現象が起こると、蛍光発生部から出射される蛍光が減少するため、蛍光発光モジュールの光の利用効率が低下するなどの課題が発生する。
しかし、本実施の形態においては、焼結蛍光体が高熱伝導材料を有するため、蛍光の減少が抑制される。具体的には、以下の通りである。
高熱伝導材料は、熱伝導率が100W/m・K以上300W/m・K以下である材料であり、YAG:Ceなどの蛍光体材料に比べ、熱伝導率が高い。また、高熱伝導材料の熱伝導率は、130W/m・K以上200W/m・K以下であるとよりよく、145W/m・K以上170W/m・K以下であるとさらによい。蛍光体基板10を構成する焼結蛍光体が高熱伝導材料を有することで、蛍光体基板10において発生した熱が移動しやすくなる。換言すると、蛍光体基板10の放熱性が高まる。これにより、励起光L1の照射による蛍光体基板10の温度の上昇を抑制できるため、蛍光の減少が抑制される。つまりは、光の利用効率が高い蛍光発光モジュール1が実現される。さらに、蛍光の減少が抑制されるので、透過光L2の色度変化を抑制することができる。よって、信頼性が高い蛍光発光モジュール1が実現される。
さらに、複数の熱伝導構造体12のそれぞれの形状が粒子形状であり、さらに、複数の熱伝導構造体12同士が接している場合には、当該熱が複数の熱伝導構造体12をより伝わりやすくなるため、蛍光体基板10の放熱性をより高めることができる。
<高熱伝導材料の種類>
本実施の形態に係る高熱伝導材料はWにより構成されているが、他の例として、熱伝導率、融点及び線膨張係数の観点から、以下の金属元素などから構成されているとよい。
本実施の形態に係る高熱伝導材料はWにより構成されているが、他の例として、熱伝導率、融点及び線膨張係数の観点から、以下の金属元素などから構成されているとよい。
高熱伝導材料は、例えば、Rh、Mo、W、SiC及びAlNのうち少なくとも1つを含む材料である。また、高熱伝導材料は、上記材料から選ばれる1つ以上の金属元素、合金又は化合物により構成されているとよい。それぞれの元素の熱伝導率は、Rhが150W/m・K、Moが135W/m・K、Wが163W/m・K、SiCが200W/m・K、AlNが150W/m・Kである。
これら高熱伝導材料の熱伝導率は、蛍光体材料を構成するYAG:Ceの熱伝導率である11.2W/m・Kよりも高い。そのため、焼結蛍光体がこれら高熱伝導材料を有することで、蛍光体基板10の放熱性を高めることができる。
さらに、常圧における高熱伝導材料の融点は、1700℃以上3500℃以下であるとよい。例えば、上記金属元素及び化合物のそれぞれの常圧における融点は、Rhが1963℃、Moが2623℃、Wが3422℃、SiCが2730℃、AlNが2200℃である。蛍光体基板10が製造される際に、高温(例えば1650℃)で加熱処理(焼成)される場合がある。このような場合においても、常圧における高熱伝導材料の融点が1700℃以上であることで、当該加熱処理中に高熱伝導材料が溶解することが抑制される。そのため、蛍光体材料と高熱伝導材料とを有する焼結蛍光体によって構成される蛍光体基板10を容易に製造することができる。
<熱膨張係数>
また、高熱伝導材料の線膨張係数は、1×10-7/K以下であるとよい。また、高熱伝導材料の線膨張係数は、1×10-6/K以上であるとよい。つまり、高熱伝導材料の線膨張係数は、蛍光体材料の線膨張係数(YAG:Ceの線膨張係数は8×10-6/K)と近い値となる。例えば、上記金属元素及び化合物の線膨張係数は、Rhが8.2×10-6/K、Moが4.8×10-6/K、Wが4.5×10-6/K、SiCが3.7×10-6/K、AlNが4.0×10-6/Kである。
また、高熱伝導材料の線膨張係数は、1×10-7/K以下であるとよい。また、高熱伝導材料の線膨張係数は、1×10-6/K以上であるとよい。つまり、高熱伝導材料の線膨張係数は、蛍光体材料の線膨張係数(YAG:Ceの線膨張係数は8×10-6/K)と近い値となる。例えば、上記金属元素及び化合物の線膨張係数は、Rhが8.2×10-6/K、Moが4.8×10-6/K、Wが4.5×10-6/K、SiCが3.7×10-6/K、AlNが4.0×10-6/Kである。
高熱伝導材料の線膨張係数は、上記値であることで、蛍光体材料の線膨張係数と近い値となる。そのため、励起光L1の照射により蛍光体基板10の温度が高くなっても、蛍光体材料と高熱伝導材料との剥離が抑制される。つまりは、信頼性が高い蛍光発光モジュール1が実現される。
<まとめ>
以上まとめると、高熱伝導材料がRh、Mo、W、SiC及びAlNのいずれかであることで、高熱伝導材料の熱伝導率、線膨張係数及び融点が上記値を満たす。よって、蛍光体基板10の放熱性が高まり、かつ、蛍光体材料と高熱伝導材料との剥離が抑制される。つまりは、光の利用効率が高く、かつ、信頼性が高い蛍光発光モジュール1が実現される。また、蛍光体基板10の製造工程で、高熱伝導材料が溶解することが抑制されるため、蛍光体基板10を容易に製造することができる。
以上まとめると、高熱伝導材料がRh、Mo、W、SiC及びAlNのいずれかであることで、高熱伝導材料の熱伝導率、線膨張係数及び融点が上記値を満たす。よって、蛍光体基板10の放熱性が高まり、かつ、蛍光体材料と高熱伝導材料との剥離が抑制される。つまりは、光の利用効率が高く、かつ、信頼性が高い蛍光発光モジュール1が実現される。また、蛍光体基板10の製造工程で、高熱伝導材料が溶解することが抑制されるため、蛍光体基板10を容易に製造することができる。
<高熱伝導材料の比率>
また、蛍光体基板10における、蛍光体材料及び高熱伝導材料の比率は、一例として以下の通りである。蛍光体材料の体積を100とした場合に、高熱伝導材料の体積が1以上数十以下であるとよい。高熱伝導材料の体積が大きいほど、蛍光体基板10の放熱性を高めることができる。高熱伝導材料の体積が上記範囲内であることで、充分な蛍光体基板10の放熱性を達成することができる。
また、蛍光体基板10における、蛍光体材料及び高熱伝導材料の比率は、一例として以下の通りである。蛍光体材料の体積を100とした場合に、高熱伝導材料の体積が1以上数十以下であるとよい。高熱伝導材料の体積が大きいほど、蛍光体基板10の放熱性を高めることができる。高熱伝導材料の体積が上記範囲内であることで、充分な蛍光体基板10の放熱性を達成することができる。
<高熱伝導セグメント化>
また、本実施の形態に係る蛍光体基板10は、第1領域21と第2領域22とを有している。つまり、本実施の形態に係る蛍光体基板10は、第1領域21と第2領域22とにセグメント化されている。より具体的には、平面視で蛍光体基板10は、第1領域21と複数の第2領域22とを有している。なお、図1においては、第1領域21にはドットが付されており、図2においては、第1領域21は一点鎖線で、複数の第2領域22は二点鎖線で囲まれた矩形の領域である。
また、本実施の形態に係る蛍光体基板10は、第1領域21と第2領域22とを有している。つまり、本実施の形態に係る蛍光体基板10は、第1領域21と第2領域22とにセグメント化されている。より具体的には、平面視で蛍光体基板10は、第1領域21と複数の第2領域22とを有している。なお、図1においては、第1領域21にはドットが付されており、図2においては、第1領域21は一点鎖線で、複数の第2領域22は二点鎖線で囲まれた矩形の領域である。
第1領域21と複数の第2領域22とにおいては、高熱伝導材料の含有量が異なる。複数の第2領域22は、第1領域21よりも高熱伝導材料の含有量が多い領域である。つまり、第1領域21は、複数の第2領域22よりも高熱伝導材料の含有量が少なければよく、本実施の形態に係る第1領域21は高熱伝導材料を含有していない。しかし、第1領域21は、高熱伝導材料を含有してもよい。また、光出射部200によって出射された励起光L1は、第1領域21に入射する。
励起光L1が高熱伝導材料(より具体的には、高熱伝導材料により構成された複数の熱伝導構造体12)に入射すると、励起光L1が複数の熱伝導構造体12により光散乱されたり吸収されたりするため、発生する蛍光が減少する。よって、蛍光体基板10が第1領域21と複数の第2領域22とを有する場合に、励起光L1が高熱伝導材料の含有量がより少ない第1領域21に入射するときには、第1領域21で発生する蛍光が増加する。つまりは、蛍光発光モジュール1の光の利用効率をより高めることができる。なお、第1領域21は、高熱伝導材料を含有していないとよい。これにより、蛍光体材料による波長変換の効率を高めることができる。
また、図1が示すように、蛍光体基板10を平面視したときに、第1領域21の形状は円環形状であり、当該円環形状の中心は蛍光体基板10の中心点C1と重なる。第1領域21は、蛍光体基板10の中心点C1からの距離が等しい円周上に円形のリング形状に設けられている。つまり、第1領域21は、平面視において周方向に沿う帯状に設けられている。
第1領域21の形状が上記形状であるため、回転部100が蛍光体基板10を軸A1を中心としてより容易に回転させることができる。つまり、蛍光体基板10を蛍光体ホイールとして利用することがより容易になる。
さらに、蛍光体基板10を平面視したときに、複数の第2領域22は、第1領域21の形状である円環形状の内側と外側とに設けられる。なお、複数の第2領域22のうち内側に設けられた第2領域22を「内側の第2領域22」、複数の第2領域22のうち外側に設けられた第2領域22を「外側の第2領域22」と記載する。
内側の第2領域22の形状は円板形状であり、当該円板形状の中心は蛍光体基板10の中心点C1と重なる。内側の第2領域22は、第1領域21の内側面と接している。また、外側の第2領域22の形状は第1領域21と同じく円環形状であり、当該円環形状の中心は蛍光体基板10の中心点C1と重なる。外側の第2領域22は、第1領域21の外側面と接している。つまり、第1領域21は、内側の第2領域22と外側の第2領域22とによって挟まれている。
このとき、励起光L1の照射により第1領域21で発生した熱は、第1領域21を挟む2つの第2領域22の両方に移動することができる。この場合、例えば蛍光発光モジュール1が第1領域21の内側又は外側の一方のみに第2領域22を有する場合と比べて、蛍光体基板10の放熱性を高めることができる。これにより、蛍光体基板10の温度の上昇を抑制できるため、蛍光の減少がより抑制される。
さらに図1及び図2が示すように、蛍光体基板10は、他の構成要素によって支持されることを必要としない。つまり、蛍光体基板10は、リジッドな性質を有する。蛍光構造体11が焼結蛍光体であり、かつ、蛍光体基板10の厚みが上記範囲にあることで、蛍光体基板10はリジッドな性質を有する。また、特許文献1に開示されている蛍光体と透明樹脂とを含む塗料によって形成される蛍光発生部などと比較し、本実施の形態に係る蛍光体基板10は、はるかにリジッドな性質を有する。
また、本実施の形態に係る蛍光発光モジュール1が、実施の形態1に係る蛍光発光モジュール1cの替わりに、プロジェクタ500に適用されてもよい。この場合においても、励起光L1は、蛍光体基板10が有する第1領域21に入射する。このように、励起光L1が高熱伝導材料の含有量がより少ない第1領域21に入射することで、蛍光を増やし、蛍光発光モジュール1の光の利用効率をより高めることができる。
また、この場合、入射した励起光L1の一部は、第1領域21が含む蛍光体材料によって波長変換されて蛍光として、蛍光体基板10を透過する。また、入射した励起光L1の他部は、第1領域21が含む蛍光体材料によって波長変換されずに、蛍光体基板10を透過する。このように、蛍光体基板10を透過した透過光L2を例えば投射光として利用することができる。つまりは、光透過型の蛍光体ホイールとして利用可能な蛍光発光モジュール1が実現される。
<高熱伝導材料による効果>
さらに、本実施の形態においては、蛍光体基板10を構成する焼結蛍光体が高熱伝導材料を有することで、蛍光体基板10の放熱性が高まる。これにより、励起光L1の照射による蛍光体基板10の温度の上昇を抑制できるため、蛍光の減少が抑制され、光の利用効率がより高い蛍光発光モジュール1を実現できる。
さらに、本実施の形態においては、蛍光体基板10を構成する焼結蛍光体が高熱伝導材料を有することで、蛍光体基板10の放熱性が高まる。これにより、励起光L1の照射による蛍光体基板10の温度の上昇を抑制できるため、蛍光の減少が抑制され、光の利用効率がより高い蛍光発光モジュール1を実現できる。
また、蛍光体基板10を構成する焼結蛍光体が高熱伝導材料を有することで、蛍光体基板10の放熱性が高まり、蛍光体基板10の温度上昇を抑制する事ができる為、小さなサイズの蛍光体ホイールでの、入力できる励起光L1のエネルギーを上げることが可能となる。つまり、より小型で大光束な光を出すことが可能となる。具体的な一例として、従来、6000lmの光を出力するプロジェクタに使用する蛍光体ホイールのサイズは、φ65mmであったが、高熱伝導材料として60vol%のWを含むことで、φ50mmにすることが可能となった。
以上まとめると、光の利用効率が高く、かつ、信頼性が高い蛍光発光モジュール1が実現される。
[製造方法]
ここで、蛍光体基板10の製造方法について簡単に説明する。
ここで、蛍光体基板10の製造方法について簡単に説明する。
蛍光体材料は、(Y0.999Ce0.001)3Al5O12で表される結晶相によって構成される。また、蛍光体材料は、いずれも、Ce3+賦活蛍光体で構成される。
蛍光体基板10を製造するために、化合物粉末として以下の4種類が原料として使用された。具体的には、原料は、Y2O3、Al2O3、CeO2及びWである。それぞれの純度及び製造メーカは、Y2O3が純度3N及び日本イットリウム株式会社、Al2O3が純度3N及び住友化学株式会社、CeO2が純度3N及び日本イットリウム株式会社、Wが純度4N及び株式会社高純度化学研究所である。
ここでは、2種類の混合原料が用いられる。2種類の混合原料とは、Wを含有しない第1混合原料と、Wを含有する第2混合原料である。
まず、第1混合原料について記載する。化学量論的組成の化合物(Y0.999Ce0.001)3Al5O12となるように、上記原料としてY2O3、Al2O3及びCeO2が秤量された。次に、秤量された原料とアルミナ製ボール(直径10mm)とが、プラスチック製ポットに投入された。アルミナ製ボールの量は、プラスチック製ポットの容積の1/3程度を充填する程度の量であった。その後、純水がプラスチック製ポットに投入され、ポット回転装置(日東化学株式会社製、BALL MILL ANZ-51S)を利用して、原料と純水とが混合された。この混合は、12時間実施された。このようにして、スラリー状の第1混合原料を得た。
スプレードライヤ装置を利用して第1混合原料が造粒された。なお、造粒時には、粘着剤(バインダ)として、アクリル系バインダーが使用された。
続いて、第2混合原料について記載する。化学量論的組成の化合物Y3(Al0.999Cr0.001)5O12となるように、上記原料としてY2O3、Al2O3及びCeO2が秤量された。さらに、作製される蛍光体材料の体積を100としたときに、Wの体積が10となるようにWが秤量された。次に秤量されたY2O3、Al2O3、CeO2及びWとアルミナ製ボール(直径10mm)とが、プラスチック製ポットに投入された。以下の手順は、第1混合原料と同様にして、第2混合原料が造粒された。
次に、図5Aを用いて、第1混合原料及び第2混合原料の成型について説明する。
図5Aは、本実施の形態に係る蛍光体基板10を製造するための金型400の斜視図である。
造粒された第1混合原料及び第2混合原料は、電動油圧プレス機(理研精機株式会社製、EMP-5)と有底円筒形状の金型400とを利用して、円柱形状に仮成型された。成型時の圧力は、5MPaとした。このとき、Wを含有しない第1混合原料は金型400における第6領域A4に、Wを含有する第2混合原料は金型400における第5領域A3及び第7領域A5に、配置される。
図5Aが示すように、金型400の内側には、第1仕切り401及び第2仕切り402が設けられている。第1仕切り401及び第2仕切り402のそれぞれの形状は、無底円筒形状である。第1仕切り401の直径は第2仕切り402の直径よりも小さく、第1仕切り401は第2仕切り402の内側に配置されている。第1仕切り401及び第2仕切り402は、加熱処理などにより除去される材料(例えば樹脂材料)により構成されている。
金型400は、第1仕切り401及び第2仕切り402によって、3つの領域に区分されている。3つの領域とは、金型400の中心に位置する円柱形状の第5領域A3、第5領域A3の周囲を囲う無底円筒形状の第6領域A4及び第6領域A4の周囲を囲う無底円筒形状の第7領域A5である。また、第5領域A3は、第1仕切り401と金型400の底面とに囲まれた領域である。第6領域A4は、第1仕切り401と第2仕切り402と金型400の底面とに囲まれた領域である。第7領域A5は、第2仕切り402と金型400の底面及び側面とに囲まれた領域である。
次に、冷間等方圧加圧装置を利用して、仮成型後の成型体が本成型された。本成型時の圧力は、300MPaとした。
加熱処理後の成型体は、管状雰囲気炉を用いて、焼成された。焼成温度は、1675℃とした。また、焼成時間は、4時間とした。焼成雰囲気は、窒素と水素との混合ガス雰囲気とした。なお、造粒時に使用された粘着剤と、第1仕切り401及び第2仕切り402に使用された樹脂材料とは、昇温過程の例えば500℃付近で、分解除去される。
焼成後の円柱形状の焼成物は、マルチワイヤーソーを用いて、スライスされた。さらに、スライスされた焼成物が研磨され、焼成物の厚みの調整が行われた。この調整が行われることで、焼成物が、蛍光体基板10となる。
また、第6領域A4における第1混合原料は、蛍光体基板10が有する第1領域21に相当する。第5領域A3における第2混合原料は蛍光体基板10が有する内側の第2領域22に相当し、第7領域A5における第2混合原料は蛍光体基板10が有する外側の第2領域22に相当する。
なお、上記の第1仕切り401及び第2仕切り402は、金属製の材料により構成されていてもよい。この場合は、第1混合原料が第6領域A4に、第2混合原料が第5領域A3及び第7領域A5に配置された後に、第1仕切り401及び第2仕切り402が、例えば上方に引き抜かれ、除かれる。これにより、第1混合原料が第6領域A4に、第2混合原料が第5領域A3及び第7領域A5に保持されることができる。
(実施の形態3)
[蛍光発光モジュールの構成]
次に、実施の形態3に係る蛍光発光モジュール1dについて、図11及び図12を用いて説明する。図11は、本実施の形態に係る蛍光発光モジュール1dの斜視図である。図12は、図11のXII-XII線における蛍光発光モジュール1dの一部の切断面を示す断面図である。
[蛍光発光モジュールの構成]
次に、実施の形態3に係る蛍光発光モジュール1dについて、図11及び図12を用いて説明する。図11は、本実施の形態に係る蛍光発光モジュール1dの斜視図である。図12は、図11のXII-XII線における蛍光発光モジュール1dの一部の切断面を示す断面図である。
蛍光発光モジュール1dは、焼結蛍光体によって構成されている蛍光体基板10dと、反射防止層30と、青透過ダイクロイック多層膜40と、回転部(不図示)と、2つの光出射部200とを備えるモジュールである。なお、簡単のため、図11及び図12においては、1つの光出射部200が記載されている。また、本実施の形態に係る回転部は、上記の回転部100と同じ構成である。さらに、図11においては、青透過ダイクロイック多層膜40よりz軸負側の軸A1の図示が省略されている。また、光出射部200は、上記と同じく励起光L1を出射する。
本実施の形態に係る蛍光発光モジュール1dにおいては、蛍光体基板10dが蛍光体材料と発光中心元素を含まない酸化物材料とを有する焼結蛍光体によって構成されている点が、実施の形態1及び2に係る蛍光発光モジュール1c及び1とは主に異なる。
蛍光体基板10dは、蛍光体材料と発光中心元素を含まない酸化物材料とを有する焼結蛍光体によって構成されている基板であり、円形状を有する基板である。つまり、蛍光体基板10dは、平面を有する円板形状である。蛍光体基板10dは焼結蛍光体のみによって構成されている基板であり、焼結蛍光体は主成分である蛍光体材料及び発光中心元素を含まない酸化物材料のみを有する。
より具体的には、図12が示すように、蛍光体基板10dは、蛍光構造体11dと、酸化物構造体13dとによって構成されている。なお、図11が示すように、蛍光構造体11dと2つの酸化物構造体13dとが設けられている。つまり、蛍光体基板10dは蛍光構造体11dと2つの酸化物構造体13dとによって構成されており、2つの酸化物構造体13dは互いに同じ構成を有する。2つの酸化物構造体13dのそれぞれは、図11では、点線で囲まれた領域である。
蛍光構造体11dは、焼結蛍光体が有する蛍光体材料によって構成されている構造体である。より具体的には、蛍光構造体11dは、焼結蛍光体が有する蛍光体材料のみによって構成されている構造体である。
酸化物構造体13dは、焼結蛍光体が有する発光中心元素を含まない酸化物材料によって構成されている構造体である。より具体的には、酸化物構造体13dは、焼結蛍光体が有する発光中心元素を含まない酸化物材料のみによって構成されている構造体である。また、酸化物構造体13dは、蛍光体基板10dが有する第1光透過領域の一例である。第1光透過領域とは、蛍光体材料及び発光中心元素を含まない酸化物材料のうち、発光中心元素を含まない酸化物材料のみによって構成され、蛍光体材料を励起させる光(励起光L1)を透過する領域である。
蛍光体基板10dは、上記の通り、円形状を有する基板である。より具体的には、蛍光体基板10dは、蛍光構造体11dと2つの酸化物構造体13dとが組み合わされることで、円形状となる基板である。
ここで、酸化物構造体13dは、蛍光体基板10dの平面視で、環状扇形(annular sector)である。つまり、酸化物構造体13dは、2つの円弧と2つの直線とで囲まれた形状である。なお、環状扇形は、円環扇形、扇形台又は扇形環などを意味する言葉である。また、蛍光構造体11dは、蛍光体基板10dの平面視で、円形状から一部が欠けた欠円形状である。つまり、蛍光構造体11dの当該一部に酸化物構造体13dが組み合わされることで、蛍光体基板10dが円板形状となる。
ここでは、図11が示すように、蛍光体基板10dの平面視で、円形状である蛍光体基板10dの円周と、酸化物構造体13dを示す2つの円弧のうち外側の円弧(つまり軸A1から遠い側の円弧)とが重なるように酸化物構造体13dが配置される。
なお、ここで本実施の形態における焼結蛍光体について説明する。
焼結蛍光体とは、上記の主成分である蛍光体材料及び発光中心元素を含まない酸化物材料(一例として、これら材料の原料粉が造粒された造粒体)の原料粉が、これら材料の融点よりも低い温度で焼成された焼成体である。また、焼結蛍光体は、焼成の過程での原料粉同士が結合される。そのため、焼結蛍光体は、造粒体同士を結合させるための結合剤をほとんど必要としない。より具体的には、焼結蛍光体は、結合剤を一切必要としない。結合剤とは、一例として、上記の特許文献1では、透明樹脂である。また、結合剤とは、Al2O3材料、及び、ガラス材料(つまりはSiOd(0<d≦2))などが公知の材料として用いられている。なお、同様に、結合剤に限られず、焼結蛍光体は、焼結蛍光体が有する蛍光体材料及び発光中心元素を含まない酸化物材料以外の材料(以下その他材料)をほとんど必要とせず、より具体的には、その他材料を一切必要としない。
例えば、焼結蛍光体の全体の体積を100vol%としたとき、焼結蛍光体の全体の体積における蛍光体材料及び発光中心元素を含まない酸化物材料の合計の体積が70vol%以上であるとよい。また、焼結蛍光体の全体の体積における蛍光体材料及び発光中心元素を含まない酸化物材料の合計の体積が、80vol%以上であるとよりよく、90vol%以上であるとさらによく、95vol%以上であるとさらによりよくなる。
なお、換言すると、焼結蛍光体の全体の体積を100vol%としたとき、焼結蛍光体の全体の体積におけるその他材料(例えば結合剤)の体積が30vol%未満であるとよい。また、焼結蛍光体の全体の体積におけるその他材料(例えば結合剤)の体積が、20vol%以下であるとよりよく、10vol%以下であるとさらによく、5vol%以下であるとさらによりよくなる。
蛍光体材料で構成される蛍光構造体11dは、蛍光体基板10dのz軸負方向から入射する光を励起光L1として受光して、蛍光を放つ。より具体的には、光出射部200から出射された光が励起光L1として蛍光構造体11dを構成する蛍光体材料に照射されることで、蛍光構造体11dから波長変換光として蛍光が放たれる。つまり、蛍光構造体11dから放たれる波長変換光は、励起光L1の波長よりも長い波長の光である。
本実施の形態に係る蛍光体材料は、実施の形態1及び2と同じくYAG:Ceで構成されているが、上記記載の他の蛍光体材料であってもよい。つまり、本実施の形態に係る蛍光構造体11dは、YAG:Ceによって構成されている。
本実施の形態において、蛍光構造体11dを構成する蛍光体材料(YAG:Ce)から放たれる波長変換光には、黄色光である蛍光が含まれる。蛍光体材料は、例えば、波長が380nm以上490nm以下の光を吸収し、波長が490nm以上580nm以下の領域に蛍光ピーク波長を有する黄色光である蛍光を放つ。蛍光体材料がYAG:Ceで構成されることで、容易に波長が490nm以上580nm以下の領域に蛍光ピーク波長を有する蛍光を放つことができる。
なお、上記の実施の形態1及び2では、透過光L2は、波長変換された黄色光である蛍光と波長変換されていない青色光である励起光L1とを含み、これらの光が複合された光であり、白色光であった。
しかし、本実施の形態においては、蛍光構造体11dに入射した励起光L1の全部が、蛍光体材料によって波長変換されて、蛍光構造体11dを透過する。そのため、蛍光構造体11dを透過した透過光L3は、波長変換光のみを含む。つまりは、透過光L3は、黄色光である。
発光中心元素を含まない酸化物材料は、一例として、酸化アルミニウム(Al2O3)であるが、ここでは、上記の蛍光体材料から発光中心元素が除かれた非発光材料である。なお、発光中心元素を含まない酸化物材料として用いられるAl2O3は、上記結合剤とは異なる。また、発光中心元素を含まない酸化物材料は、励起光L1の波長領域において、透過率が高い材料である。
本実施の形態においては、蛍光体材料は、YAG:Ceによって構成されており、発光中心元素とは例えばCeである。このため、本実施の形態で用いられる蛍光体材料から発光中心元素が除かれた非発光材料は、Y3Al5O12(つまりはYAG)によって構成されている。以上より、本実施の形態に係る酸化物構造体13dは、Y3Al5O12(つまりはYAG)によって構成されている。
Y3Al5O12で構成される酸化物構造体13dは、蛍光体基板10dのz軸負方向から入射する光である励起光L1を透過する。蛍光構造体11dとは異なり、酸化物構造体13dは、励起光L1の波長変換などを行わない。酸化物構造体13dは、励起光L1の波長領域において、透過率は、50%以上であればよく、70%以上であればよりよく、80%以上であればさらによく、90%以上であればさらによりよい。つまり、励起光L1が示す波長領域は、酸化物構造体13dを透過する前後で変化することなく、ここでは、励起光L1は、青色光である。
また、本実施の形態に係る蛍光体基板10dは、第3領域23と第4領域24とを有している。つまり、本実施の形態に係る蛍光体基板10dは、第3領域23と第4領域24とにセグメント化されている。より具体的には、平面視で蛍光体基板10dは、第3領域23と複数の第4領域24とを有している。なお、図11においては、第3領域23にはドットが付されており、図12においては、第3領域23は一点鎖線で、複数の第4領域24は二点鎖線で囲まれた矩形の領域である。
なお、第3領域23は、実施の形態2に係る第1領域21と同じ形状を有し、第4領域24は、実施の形態2に係る第2領域22と同じ形状を有する。ただし、上記の通り、蛍光体基板10dは、高熱伝導材料を有していない。
図11が示すように、蛍光体基板10dを平面視したときに、第3領域23の形状は円環形状であり、当該円環形状の中心は蛍光体基板10dの中心点C1と重なる。第3領域23は、蛍光体基板10dの中心点C1からの距離が等しい円周上に円形のリング形状に設けられている。つまり、第3領域23は、平面視において周方向に沿う帯状に設けられている。光出射部200が出射する励起光L1は、第3領域23に入射する。より具体的には、図11が示すように、本実施の形態においては、励起光L1は、蛍光体基板10dの中心点C1から半径Rの位置に照射される。
また、蛍光体基板10dを平面視したときに、第3領域23には、酸化物構造体13d(つまりは第1光透過領域)が設けられている。より具体的には、蛍光体基板10dを平面視したときに、第3領域23には、酸化物構造体13dの一部と、蛍光構造体11dの一部とが設けられている。なお、図11では、第3領域23を示すドットのうち、より薄いドットで示される第3領域23に酸化物構造体13dの一部が設けられ、より濃いドットで示される第3領域23に蛍光構造体11dの一部が設けられている。
第3領域23に入射した励起光L1のうち、酸化物構造体13dに入射する励起光L1は、酸化物構造体13dを透過する。また、第3領域23に入射した励起光L1のうち、蛍光構造体11dに入射する励起光L1は、蛍光構造体11dによって波長変換され、波長変換光である透過光L3として放たれる。
さらに、蛍光体基板10dを平面視したときに、複数の第4領域24は、第3領域23の形状である円環形状の内側と外側とに設けられる。なお、複数の第4領域24のうち内側に設けられた第4領域24を「内側の第4領域24」、複数の第4領域24のうち外側に設けられた第4領域24を「外側の第4領域24」と記載する。
内側の第4領域24の形状は円板形状であり、当該円板形状の中心は蛍光体基板10dの中心点C1と重なる。内側の第4領域24は、第3領域23の内側面と接している。また、外側の第4領域24の形状は第3領域23と同じく円環形状であり、当該円環形状の中心は蛍光体基板10dの中心点C1と重なる。外側の第4領域24は、第3領域23の外側面と接している。つまり、第3領域23は、内側の第4領域24と外側の第4領域24とによって挟まれている。
本実施の形態においては、焼結蛍光体は、発光中心元素を含まない酸化物材料をさらに有する。蛍光体基板10dは、蛍光体材料及び酸化物材料のうち酸化物材料のみによって構成され、蛍光体材料を励起させる光(励起光L1)を透過する第1光透過領域を有する。
これにより、励起光L1が発光中心元素を含まない酸化物材料で構成される第1光透過領域(つまりは酸化物構造体13d)に入射するときには、励起光L1は酸化物構造体13dを透過するため、蛍光体基板10dからは励起光L1が放たれる。同様に、励起光L1が蛍光体材料で構成される蛍光構造体11dに入射するときには、励起光L1は蛍光構造体11dによって波長変換されるため、蛍光体基板10dからは波長変換光である透過光L3が放たれる。
よって、回転部が回転することで、蛍光体基板10dは、励起光L1及び波長変換光を時分割で放つことができる。本実施の形態においては、蛍光体基板10dは、励起光L1として黄色光及び波長変換光として青色光を時分割で放つことができる。
さらに、本実施の形態に係る蛍光発光モジュール1dが、実施の形態1に係る蛍光発光モジュール1cの替わりに、プロジェクタ500に適用されてもよい。この場合には、プロジェクタ500は、表示素子部602としてDLPを備え、つまりは、1-DLP(ワンチップDLP)方式のプロジェクタとして利用することができる。
また、本実施の形態においては、酸化物材料は、酸化アルミニウム、又は、蛍光体材料から発光中心元素が除かれた非発光材料である。
これらの材料は、励起光L1(つまりは蛍光体材料を励起させる光)の光透過率が高い。このため、第1光透過領域(酸化物構造体13d)における励起光L1の透過率が高く、吸収による励起光L1のロスが抑制される。よって、光の利用効率が高い蛍光発光モジュール1dを実現することができる。
また、本実施の形態においては、蛍光体基板10dを平面視したときに、蛍光体基板10dは円環形状の第3領域23を有し、円環形状の中心は蛍光体基板10dの中心(中心点C1)と重なり、第3領域23には、第1光透過領域が設けられている。さらに、本実施の形態においては、第3領域23には蛍光構造体11dも設けられている。
第3領域23の形状が上記形状であるため、第3領域23に励起光L1が入射する場合には、励起光L1及び波長変換光を時分割で放つことができる蛍光体基板10dを蛍光体ホイールとして利用することがより容易になる。
本実施の形態においては、蛍光発光モジュール1dは、蛍光体材料を励起する光であって、第3領域23に入射する励起光L1を出射する光出射部200を、さらに備える。
このように、励起光L1が蛍光構造体11d及び酸化物構造体13dが設けられた第3領域23に入射することで、蛍光体基板10dは、励起光L1及び波長変換光を、より容易に時分割で放つことができる。
なお、本実施の形態においては、2つの酸化物構造体13dが設けられていたがこれに限られない。例えば、1つの酸化物構造体13dが設けられていてもよく、3以上の酸化物構造体13dが設けられていてもよい。
また、本実施の形態の他の例として、蛍光体材料が(Y1-xCex)3Al5O12(0.0001≦x<0.1)以外の蛍光体材料によって構成されている場合には、当該蛍光体材料から発光中心元素が除かれた非発光材料が用いられるとよい。つまり例えば、蛍光体材料が(Lu1-yCey)3Al2Al3O12(0.001≦y<0.1)によって構成されている場合には、蛍光体材料から発光中心元素が除かれた非発光材料は、Lu3Al5O12によって構成されているとよい。
[製造方法]
ここで、蛍光体基板10dの製造方法について簡単に説明する。
ここで、蛍光体基板10dの製造方法について簡単に説明する。
蛍光体材料は、(Y0.999Ce0.001)3Al5O12で表される結晶相によって構成される。また、蛍光体材料は、いずれも、Ce3+賦活蛍光体で構成される。
蛍光体基板10dを製造するために、化合物粉末として以下の3種類が原料として使用された。具体的には、原料は、Y2O3、Al2O3及びCeO2である。それぞれの純度及び製造メーカは、Y2O3が純度3N及び日本イットリウム株式会社、Al2O3が純度3N及び住友化学株式会社、CeO2が純度3N及び日本イットリウム株式会社である。
ここでは、2種類の混合原料が用いられる。2種類の混合原料とは、CeO2を含有する第1混合原料と、CeO2を含有しない第3混合原料である。なお、本実施の形態に係る第1混合原料は、実施の形態2に係る第1混合原料と同じであるため、第1混合原料の造粒までの工程は省略する。
まずは、第3混合原料について記載する。化学量論的組成の化合物Y3Al5O12となるように、上記原料としてY2O3及びAl2O3が秤量された。次に秤量されたY2O3及びAl2O3とアルミナ製ボール(直径10mm)とが、プラスチック製ポットに投入された。以下の手順は、第1混合原料と同様にして、第3混合原料が造粒された。
次に、第1混合原料及び第3混合原料の成型について説明する。
本実施の形態に係る製造方法においても、実施の形態2と同じく、仕切りが内側に設けられた円柱形状の金型が用いられる。ここでは、金型は、2つの仕切りによって3つの領域に区分されている。3つの領域のうち1つの領域には第1混合原料が配置され、3つの領域のうち他の2つの領域には第3混合原料が配置される。なお、当該金型の円柱形状の底面を平面視すると、第3混合原料が配置された当該2つの領域の形状のそれぞれは、環状扇形であり、第1混合原料が配置された当該1つの領域の形状は、円形状から2つの環状扇形が除かれた形状である。つまり、当該1つの領域に配置された第1混合原料が蛍光構造体11dに相当し、当該他の2つの領域に配置された第3混合原料が2つの酸化物構造体13dに相当するように、2つの仕切りが設けられている。
金型の形状を除いては、実施の形態1及び2と同様に処理が行われることで、蛍光体基板10dが製造される。
(実施の形態4)
[蛍光発光モジュールの構成]
次に、実施の形態4に係る蛍光発光モジュール1fについて、図13を用いて説明する。図13は、本実施の形態に係る蛍光発光モジュール1fの斜視図である。
[蛍光発光モジュールの構成]
次に、実施の形態4に係る蛍光発光モジュール1fについて、図13を用いて説明する。図13は、本実施の形態に係る蛍光発光モジュール1fの斜視図である。
蛍光発光モジュール1fは、焼結蛍光体によって構成されている蛍光体基板10fと、反射防止層30と、青透過ダイクロイック多層膜40と、回転部(不図示)と、2つの光出射部200とを備えるモジュールである。なお、簡単のため、図13においては、1つの光出射部200が記載されている。また、本実施の形態に係る回転部は、上記の回転部100と同じ構成である。また、光出射部200は、上記と同じく励起光L1を出射する。
本実施の形態に係る蛍光発光モジュール1fにおいては、蛍光体基板10fが第1光透過領域(酸化物構造体13d)のかわりに第2光透過領域14fを有している点が、実施の形態3に係る蛍光発光モジュール1dとは主に異なる。つまりは、本実施の形態に係る蛍光焼結体は、蛍光体材料のみを有し、発光中心元素を含まない酸化物材料を有さない。
本実施の形態に係る蛍光体基板10fは、蛍光体材料を有する焼結蛍光体によって構成されている基板である。また、本実施の形態に係る蛍光体基板10fは、2つの第2光透過領域14fと第3領域23と第4領域24とを有している基板である。本実施の形態に係る焼結蛍光体は、実施の形態3で示した蛍光構造体11dによって構成されている。
第2光透過領域14fは、蛍光体基板10fが有する開口部である。つまり、第2光透過領域14fは、蛍光体基板10fの厚み方向(z軸方向)に蛍光体基板10fを貫通する貫通孔、及び、蛍光体基板10fが切り欠かれた切り欠き部のうち少なくとも一方によって構成されている。ここでは、第2光透過領域14fは、切り欠き部に相当する。第2光透過領域14fは、実施の形態3で示した酸化物構造体13d(第1光透過領域)と同じ形状であるがこれに限られない。
ここで本実施の形態における焼結蛍光体について説明する。
焼結蛍光体とは、上記の主成分である蛍光体材料(一例として、蛍光体材料の原料粉が造粒された造粒体)の原料粉が、蛍光体材料の融点よりも低い温度で焼成された焼成体である。つまり、本実施の形態に係る焼結蛍光体は、実施の形態1に係る焼結蛍光体と同じである。
蛍光構造体11dは、実施の形態3で説明したように、励起光L1が入射されると、励起光L1の波長よりも長い波長の光である波長変換光(黄色光)を透過光L3として放つ。
第2光透過領域14fは、励起光L1が入射されると、青色光である励起光L1を透過させる。
また、本実施の形態に係る蛍光体基板10fは、セグメント化された第3領域23と第4領域24とを有している。より具体的には、平面視で蛍光体基板10fは、第3領域23と複数の第4領域24とを有している。なお、図13においては、第3領域23にはドットが付されている。
光出射部200が出射する励起光L1は、第3領域23に入射する。より具体的には、図13が示すように、本実施の形態においては、励起光L1は、蛍光体基板10fの中心点C1から半径Rの位置に照射される。
また、蛍光体基板10fを平面視したときに、第3領域23には、第2光透過領域14fが設けられている。より具体的には、蛍光体基板10fを平面視したときに、第3領域23には、第2光透過領域14fの一部と、蛍光構造体11dの一部とが設けられている。なお、図13では、第3領域23を示すドットのうち、より薄いドットで示される第3領域23に第2光透過領域14fの一部が設けられ、より濃いドットで示される第3領域23に蛍光構造体11dの一部が設けられている。
本実施の形態においては、蛍光体基板10fは、蛍光体材料を励起させる光(励起光L1)を透過する第2光透過領域14fを有する。第2光透過領域14fは、蛍光体基板10fの厚み方向に蛍光体基板10fを貫通する貫通孔、及び、蛍光体基板10fが切り欠かれた切り欠き部のうち少なくとも一方によって構成されている。
これにより、励起光L1は第2光透過領域14fに入射するときには、蛍光体基板10fからは励起光L1が放たれる。同様に、励起光L1が蛍光体材料で構成される蛍光構造体11dに入射するときには、励起光L1は蛍光構造体11dによって波長変換されるため、蛍光体基板10fからは波長変換光である透過光L3が放たれる。
よって、回転部が回転することで、蛍光体基板10fは、励起光L1及び波長変換光を時分割で放つことができる。本実施の形態においては、蛍光体基板10fは、励起光L1として黄色光及び波長変換光として青色光を時分割で放つことができる。
さらに、本実施の形態に係る蛍光発光モジュール1fが、実施の形態1に係る蛍光発光モジュール1cの替わりに、プロジェクタ500に適用されてもよい。この場合には、プロジェクタ500は、表示素子部602としてDLPを備え、つまりは、1-DLP(ワンチップDLP)方式のプロジェクタとして利用することができる。
本実施の形態においては、蛍光体基板10fを平面視したときに、蛍光体基板10fは円環形状の第3領域23を有し、円環形状の中心は蛍光体基板10fの中心(中心点C1)と重なり、第3領域23には第2光透過領域14fが設けられている。
さらに、本実施の形態においては、第3領域23には蛍光構造体11dも設けられている。
第3領域23の形状が上記形状であるため、第3領域23に励起光L1が入射する場合には、励起光L1及び波長変換光を時分割で放つことができる蛍光体基板10fを蛍光体ホイールとして利用することがより容易になる。
本実施の形態においては、蛍光発光モジュール1fは、蛍光体材料を励起する光であって、第3領域23に入射する励起光L1を出射する光出射部200を、さらに備える。
このように、励起光L1が蛍光構造体11d及び第2光透過領域14fが設けられた第3領域23に入射することで、蛍光体基板10fは、励起光L1及び波長変換光を、より容易に時分割で放つことができる。
[製造方法]
ここで、蛍光体基板10fの製造方法について簡単に説明する。
ここで、蛍光体基板10fの製造方法について簡単に説明する。
蛍光体材料は、(Y0.999Ce0.001)3Al5O12で表される結晶相によって構成される。また、蛍光体材料は、いずれも、Ce3+賦活蛍光体で構成される。
蛍光体基板10fを製造するために、上記と同様にして、第1混合原料が造粒された。
次に、図14を用いて、第1混合原料の成型について説明する。
図14は、本実施の形態に係る蛍光体基板10fを製造するための金型400fの斜視図である。
金型400fには、内側領域A6と、2つの切り欠け領域A7が設けられている。
造粒された第1混合原料は、電動油圧プレス機(理研精機株式会社製、EMP-5)と有底円筒形状の金型400とを利用して、仮成型された。第1混合原料は金型400fにおける内側領域A6に配置される。
次に、冷間等方圧加圧装置を利用して、仮成型後の成型体が本成型された。
加熱処理後の成型体は、管状雰囲気炉を用いて、焼成された。
焼成後の円柱形状の焼成物は、マルチワイヤーソーを用いて、スライスされた。さらに、スライスされた焼成物が研磨され、焼成物の厚みの調整が行われた。この調整が行われることで、焼成物が、蛍光体基板10fとなる。
なお、仮成型される工程、本成型される工程、焼成される工程、スライスされる工程及び研磨される工程は、実施の形態1と同じ条件で行われる。
このような2つの切り欠け領域A7が設けられた金型400fが用いられることで、2つの第2光透過領域14fを有する蛍光体基板10fが製造される。
(実施の形態5)
次に、実施の形態5に係る蛍光発光モジュール1gについて、図15及び図16を用いて説明する。図15は、本実施の形態に係る蛍光発光モジュール1gの斜視図である。図16は、図15のXVI-XVI線における蛍光発光モジュール1gの一部の切断面を示す断面図である。
次に、実施の形態5に係る蛍光発光モジュール1gについて、図15及び図16を用いて説明する。図15は、本実施の形態に係る蛍光発光モジュール1gの斜視図である。図16は、図15のXVI-XVI線における蛍光発光モジュール1gの一部の切断面を示す断面図である。
蛍光発光モジュール1gは、焼結蛍光体によって構成されている蛍光体基板10gと、反射防止層30と、青透過ダイクロイック多層膜40と、回転部(不図示)と、2つの光出射部200とを備えるモジュールである。なお、簡単のため、図15及び図16においては、1つの光出射部200が記載されている。また、本実施の形態に係る回転部は、上記の回転部100と同じ構成である。さらに、図15においては、青透過ダイクロイック多層膜40よりz軸負側の軸A1の図示が省略されている。また、光出射部200は、上記と同じく励起光L1を出射する。
本実施の形態に係る蛍光発光モジュール1gにおいては、以下の1点において、実施の形態1、2、3及び4に係る蛍光発光モジュール1c、1、1d及び1fとは主に異なる。具体的に1点とは、蛍光体基板10gが蛍光体材料と、発光中心元素を含まない酸化物材料と、高熱伝導材料とを有する焼結蛍光体によって構成されている点である。
蛍光体基板10gは、蛍光体材料と発光中心元素を含まない酸化物材料と高熱伝導材料とを有する焼結蛍光体によって構成されている基板であり、円形状を有する基板である。つまり、蛍光体基板10gは、平面を有する円板形状である。蛍光体基板10gは焼結蛍光体のみによって構成されている基板であり、焼結蛍光体は主成分である蛍光体材料、発光中心元素を含まない酸化物材料及び高熱伝導材料のみを有する。
より具体的には、図16が示すように、蛍光体基板10gは、蛍光構造体11gと、酸化物構造体13gと、複数の熱伝導構造体12とによって構成されている。なお、図15及び16が示すように、蛍光構造体11gと2つの酸化物構造体13gと複数の熱伝導構造体12とが設けられている。つまり、蛍光体基板10gは蛍光構造体11gと2つの酸化物構造体13gと複数の熱伝導構造体12によって構成されており、2つの酸化物構造体13gは互いに同じ構成を有する。2つの酸化物構造体13gは、図15では、点線で囲まれた領域である。
蛍光構造体11gは、焼結蛍光体が有する蛍光体材料によって構成されている構造体である。より具体的には、蛍光構造体11gは、焼結蛍光体が有する蛍光体材料のみによって構成されている構造体である。なお、本実施の形態に係る蛍光構造体11gは、実施の形態3に係る蛍光構造体11dと、形状を除いて同じ構成を有する。
酸化物構造体13gは、焼結蛍光体が有する発光中心元素を含まない酸化物材料によって構成されている構造体である。より具体的には、酸化物構造体13gは、焼結蛍光体が有する発光中心元素を含まない酸化物材料のみによって構成されている構造体である。なお、本実施の形態に係る酸化物構造体13gは、実施の形態3に係る酸化物構造体13dと、形状を除いて同じ構成を有する。つまり、酸化物構造体13gは、蛍光体基板10gが有する第1光透過領域の一例である。
蛍光体基板10gは、上記の通り、円形状を有する基板である。より具体的には、蛍光体基板10gは、蛍光構造体11gと2つの酸化物構造体13gと複数の熱伝導構造体12とが組み合わされることで、円形状となる基板である。
ここで、酸化物構造体13gは、蛍光体基板10gの平面視で、環状扇形(annular sector)である。つまり、酸化物構造体13gは、2つの円弧と2つの直線とで囲まれた形状である。
ここでは、図15が示すように、蛍光体基板10gの平面視で、円形状である蛍光体基板10gの円周よりも、酸化物構造体13gを示す2つの円弧のうち外側の円弧(つまり軸A1から遠い側の円弧)が軸A1に近くなるに2つの酸化物構造体13gが配置される。
また、蛍光構造体11g及び複数の熱伝導構造体12が組み合わされた形状は、蛍光体基板10gの平面視で、円形状から2つの環状扇形の開口部が設けられた円形状である。つまり、蛍光構造体11g及び複数の熱伝導構造体12が組み合わされた形状において、当該開口部に酸化物構造体13gが組み合わされることで、蛍光体基板10gが円板形状となる。
また、複数の熱伝導構造体12は、蛍光体基板10gにおいて、蛍光構造体11gに周囲を覆われるように配置されている。また、図示されないが、複数の熱伝導構造体12は、蛍光構造体11gから複数の熱伝導構造体12の一部が突出するように配置されていてもよい。蛍光構造体11gは、複数の熱伝導構造体12にとって、母材の役割を担う。つまり、複数の熱伝導構造体12は、蛍光構造体11gに埋設されている。
一方で、複数の熱伝導構造体12は、蛍光体基板10gにおいて、酸化物構造体13g中には配置されていない。図16が示すように、複数の熱伝導構造体12と酸化物構造体13gとは、接していない。
なお、ここで本実施の形態における焼結蛍光体について説明する。
焼結蛍光体とは、上記の主成分である蛍光体材料、発光中心元素を含まない酸化物材料及び高熱伝導材料(一例として、これら材料の原料粉が造粒された造粒体)の原料粉が、これら材料の融点よりも低い温度で焼成された焼成体である。また、焼結蛍光体は、焼成の過程での原料粉同士が結合される。そのため、焼結蛍光体は、造粒体同士を結合させるための結合剤をほとんど必要としない。より具体的には、焼結蛍光体は、結合剤を一切必要としない。結合剤とは、一例として、上記の特許文献1では、透明樹脂である。また、結合剤とは、Al2O3材料、及び、ガラス材料(つまりはSiOd(0<d≦2))などが公知の材料として用いられている。なお、同様に、結合剤に限られず、焼結蛍光体は、焼結蛍光体が有する蛍光体材料、発光中心元素を含まない酸化物材料及び高熱伝導材料以外の材料(以下その他材料)をほとんど必要とせず、より具体的には、その他材料を一切必要としない。
例えば、焼結蛍光体の全体の体積を100vol%としたとき、焼結蛍光体の全体の体積における蛍光体材料、発光中心元素を含まない酸化物材料及び高熱伝導材料の合計の体積が70vol%以上であるとよい。また、焼結蛍光体の全体の体積における蛍光体材料、発光中心元素を含まない酸化物材料及び高熱伝導材料の合計の体積が、80vol%以上であるとよりよく、90vol%以上であるとさらによく、95vol%以上であるとさらによりよくなる。
なお、換言すると、焼結蛍光体の全体の体積を100vol%としたとき、焼結蛍光体の全体の体積におけるその他材料(例えば結合剤)の体積が30vol%未満であるとよい。また、焼結蛍光体の全体の体積におけるその他材料(例えば結合剤)の体積が、20vol%以下であるとよりよく、10vol%以下であるとさらによく、5vol%以下であるとさらによりよくなる。
また、本実施の形態に係る蛍光体基板10gは、第1領域21と第2領域22とを有している。つまり、本実施の形態に係る蛍光体基板10gは、第1領域21と第2領域22とにセグメント化されている。より具体的には、平面視で蛍光体基板10gは、第1領域21と複数の第2領域22とを有している。なお、図1においては、第1領域21にはドットが付されており、図16においては、第1領域21は一点鎖線で、複数の第2領域22は二点鎖線で囲まれた矩形の領域である。
第1領域21と複数の第2領域22とにおいては、高熱伝導材料の含有量が異なる。複数の第2領域22は、第1領域21よりも高熱伝導材料の含有量が多い領域である。つまり、第1領域21は、複数の第2領域22よりも高熱伝導材料の含有量が少なければよく、本実施の形態に係る第1領域21は高熱伝導材料を含有していない。しかし、第1領域21は、高熱伝導材料を含有してもよい。また、光出射部200によって出射された励起光L1は、第1領域21に入射する。より具体的には、図15が示すように、本実施の形態においては、励起光L1は、蛍光体基板10gの中心点C1から半径Rの位置に照射される。
また、蛍光体基板10gを平面視したときに、第1領域21には、酸化物構造体13g(つまりは第1光透過領域)が設けられている。より具体的には、蛍光体基板10gを平面視したときに、第1領域21には、酸化物構造体13gの一部と、蛍光構造体11gの一部とが設けられている。なお、図15では、第1領域21を示すドットのうち、より薄いドットで示される第1領域21に酸化物構造体13gの一部が設けられ、より濃いドットで示される第1領域21に蛍光構造体11gの一部が設けられている。
第1領域21に入射した励起光L1のうち、酸化物構造体13gに入射する励起光L1は、酸化物構造体13gを透過する。また、第1領域21に入射した励起光L1のうち、蛍光構造体11gに入射する励起光L1は、蛍光構造体11gによって波長変換され、波長変換光である透過光L3として放たれる。
本実施の形態においては、焼結蛍光体は、発光中心元素を含まない酸化物材料をさらに有する。蛍光体基板10gは、蛍光体材料及び酸化物材料のうち酸化物材料のみによって構成され、蛍光体材料を励起させる光(励起光L1)を透過する第1光透過領域を有する。第1領域21には、第1光透過領域が設けられている。
これにより、励起光L1が発光中心元素を含まない酸化物材料で構成される第1光透過領域(つまりは酸化物構造体13g)に入射するときには、励起光L1は酸化物構造体13gを透過するため、蛍光体基板10gからは励起光L1が放たれる。同様に、励起光L1が蛍光体材料で構成される蛍光構造体11gに入射するときには、励起光L1は蛍光構造体11gによって波長変換されるため、蛍光体基板10gからは波長変換光である透過光L3が放たれる。
よって、回転部が回転することで、蛍光体基板10gは、励起光L1及び波長変換光を時分割で放つことができる。本実施の形態においては、蛍光体基板10gは、励起光L1として黄色光及び波長変換光として青色光を時分割で放つことができる。
さらに、本実施の形態に係る蛍光発光モジュール1gが、実施の形態1に係る蛍光発光モジュール1cの替わりに、プロジェクタ500に適用されてもよい。この場合には、プロジェクタ500は、表示素子部602としてDLPを備え、つまりは、1-DLP(ワンチップDLP)方式のプロジェクタとして利用することができる。
本実施の形態においては、酸化物材料は、酸化アルミニウム、又は、蛍光体材料から発光中心元素が除かれた非発光材料である。
これらの材料は、励起光L1(つまりは蛍光体材料を励起させる光)の光透過率が高い。このため、第1光透過領域(酸化物構造体13g)における励起光L1の透過率が高く、吸収による励起光L1のロスが抑制される。よって、光の利用効率が高い蛍光発光モジュール1gを実現することができる。
(実施の形態6)
次に、実施の形態6に係る蛍光発光モジュール1hについて、図17を用いて説明する。図17は、本実施の形態に係る蛍光発光モジュール1hの斜視図である。
次に、実施の形態6に係る蛍光発光モジュール1hについて、図17を用いて説明する。図17は、本実施の形態に係る蛍光発光モジュール1hの斜視図である。
蛍光発光モジュール1hは、焼結蛍光体によって構成されている蛍光体基板10hと、反射防止層30と、青透過ダイクロイック多層膜40と、回転部(不図示)と、2つの光出射部200とを備えるモジュールである。なお、簡単のため、図17においては、1つの光出射部200が記載されている。また、本実施の形態に係る回転部は、上記の回転部100と同じ構成である。また、光出射部200は、上記と同じく励起光L1を出射する。
本実施の形態に係る蛍光発光モジュール1hにおいては、蛍光体基板10hが第1光透過領域(酸化物構造体13g)のかわりに第2光透過領域14hを有している点が、実施の形態5に係る蛍光発光モジュール1gとは主に異なる。つまりは、本実施の形態に係る蛍光焼結体は、蛍光体材料及び高熱伝導材料のみを有し、発光中心元素を含まない酸化物材料を有さない。
つまり、本実施の形態に係る蛍光体基板10hは、蛍光体材料を有する焼結蛍光体によって構成されている基板である。また、本実施の形態に係る蛍光体基板10hは、2つの第2光透過領域14hと第1領域21と第2領域22とを有している基板である。本実施の形態に係る焼結蛍光体は、実施の形態5で示した蛍光構造体11gによって構成されている。
第2光透過領域14hは、蛍光体基板10hが有する開口部である。つまり、第2光透過領域14hは、蛍光体基板10hの厚み方向(z軸方向)に蛍光体基板10hを貫通する貫通孔、及び、蛍光体基板10hが切り欠かれた切り欠き部のうち少なくとも一方によって構成されている。ここでは、第2光透過領域14hは、切り欠き部に相当する。なお、本実施の形態に係る第2光透過領域14hは、実施の形態4に係る第2光透過領域14fと、形状を除いて同じ構成を有する。第2光透過領域14hは、実施の形態5で示した酸化物構造体13g(第1光透過領域)と同じ形状であるがこれに限られない。
ここで本実施の形態における焼結蛍光体について説明する。
焼結蛍光体とは、上記の主成分である蛍光体材料及び高熱伝導材料(一例として、これら材料の原料粉が造粒された造粒体)の原料粉が、これら材料の融点よりも低い温度で焼成された焼成体である。つまり、本実施の形態に係る焼結蛍光体は、実施の形態2に係る焼結蛍光体と同じである。
蛍光構造体11gは、実施の形態5で説明したように、励起光L1が入射されると、励起光L1の波長よりも長い波長の光である波長変換光(黄色光)を透過光L3として放つ。
第2光透過領域14hは、励起光L1が入射されると、青色光である励起光L1を透過させる。
また、本実施の形態に係る蛍光体基板10hは、セグメント化された第1領域21と第2領域22とを有している。より具体的には、平面視で蛍光体基板10hは、第1領域21と複数の第2領域22とを有している。なお、図17においては、第1領域21にはドットが付されている。
光出射部200が出射する励起光L1は、第1領域21に入射する。より具体的には、図17が示すように、本実施の形態においては、励起光L1は、蛍光体基板10hの中心点C1から半径Rの位置に照射される。
また、蛍光体基板10hを平面視したときに、第1領域21には、第2光透過領域14hが設けられている。より具体的には、蛍光体基板10hを平面視したときに、第1領域21には、第2光透過領域14hの一部と、蛍光構造体11gの一部とが設けられている。なお、図17では、第1領域21を示すドットのうち、より薄いドットで示される第1領域21に第2光透過領域14hの一部が設けられ、より濃いドットで示される第1領域21に蛍光構造体11gの一部が設けられている。
蛍光体基板10hは、蛍光体材料を励起させる光(励起光L1)を透過する第2光透過領域14hを有する。第2光透過領域14hは、蛍光体基板10hの厚み方向に蛍光体基板10hを貫通する貫通孔、及び、蛍光体基板10hが切り欠かれた切り欠き部のうち少なくとも一方によって構成される。第1領域21には、第2光透過領域14hが設けられている。
これにより、励起光L1は第2光透過領域14hに入射するときには、蛍光体基板10hからは励起光L1が放たれる。同様に、励起光L1が蛍光体材料で構成される蛍光構造体11gに入射するときには、励起光L1は蛍光構造体11gによって波長変換されるため、蛍光体基板10hからは波長変換光である透過光L3が放たれる。
よって、回転部が回転することで、蛍光体基板10hは、励起光L1及び波長変換光を時分割で放つことができる。本実施の形態においては、蛍光体基板10hは、励起光L1として黄色光及び波長変換光として青色光を時分割で放つことができる。
さらに、本実施の形態に係る蛍光発光モジュール1hが、実施の形態1に係る蛍光発光モジュール1cの替わりに、プロジェクタ500に適用されてもよい。この場合には、プロジェクタ500は、表示素子部602としてDLPを備え、つまりは、1-DLP(ワンチップDLP)方式のプロジェクタとして利用することができる。
(その他の実施の形態)
以上、本発明に係る蛍光発光モジュール等について、各実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を実施の形態に施したものや、各実施の形態における一部の構成要素を組み合わせて構築される別の形態も、本発明の範囲に含まれる。
以上、本発明に係る蛍光発光モジュール等について、各実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を実施の形態に施したものや、各実施の形態における一部の構成要素を組み合わせて構築される別の形態も、本発明の範囲に含まれる。
なお、蛍光発光モジュール1及び1cは、蛍光体基板10及び10cと、反射防止層30と、青透過ダイクロイック多層膜40と、回転部100と、光出射部200とを備えるが、これに限られない。
蛍光発光モジュール1cは、蛍光体基板10cと、回転部100とを備えていればよい。この場合においても、特許文献1とは異なり、蛍光体用基板と大気との界面で発生する励起光L1の反射は、発生しない。よって、蛍光体基板10cに入射する励起光L1が増加する。この結果、蛍光体基板10cにおける蛍光体材料で発生する蛍光が増加する。また、蛍光発光モジュール1cは、蛍光体基板10cを支持するための構成要素などを備えていないため、特許文献1に開示される蛍光発生部の剥離が起きない。また、回転部100による回転のため、気流が発生する。この発生した気流によって、蛍光体基板10cの温度の上昇を抑制できるため、蛍光の減少が抑制される。つまりは、蛍光発光モジュール1cの光の利用効率を高めることができる。また、蛍光の減少が抑制されるので透過光L2の色度変化を抑制することができ、かつ、上記の剥離が起こらない。よって、信頼性が高い蛍光発光モジュール1cが実現される。
また同様に、蛍光発光モジュール1は、蛍光体材料と高熱伝導材料とを有する焼結蛍光体によって構成されている基板である蛍光体基板10を備えていればよい。この場合においても、特許文献1とは異なり、蛍光体用基板と大気との界面で発生する励起光L1の反射は、発生しない。よって、蛍光体基板10に入射する励起光L1が増加する。この結果、蛍光体基板10における蛍光体材料で発生する蛍光が増加する。また、蛍光発光モジュール1は、蛍光体基板10を支持するための構成要素などを備えていないため、特許文献1に開示される蛍光発生部の剥離が起きない。また、蛍光体基板10を構成する焼結蛍光体が高熱伝導材料を有することで、蛍光体基板10の放熱性が高まる。これにより、励起光L1の照射による蛍光体基板10の温度の上昇を抑制できるため、蛍光の減少が抑制される。つまりは、光の利用効率が高い蛍光発光モジュール1を実現できる。また、蛍光の減少が抑制されるので透過光L2の色度変化を抑制することができ、かつ、上記の剥離が起こらない。よって、信頼性が高い蛍光発光モジュール1が実現される。
<熱伝導構造体の形状>
また、実施の形態2においては、複数の熱伝導構造体12のそれぞれの形状は粒子形状であったが、他の例として、ワイヤ形状、シート形状又はメッシュ形状であってもよい。ここで、この他の例について説明する。
また、実施の形態2においては、複数の熱伝導構造体12のそれぞれの形状は粒子形状であったが、他の例として、ワイヤ形状、シート形状又はメッシュ形状であってもよい。ここで、この他の例について説明する。
<メッシュ形状>
図6は、実施の形態2の他の例1に係る蛍光体基板10aの断面図である。図7は、実施の形態2の他の例2に係る蛍光体基板10bの断面図である。なお、図6及び図7は図2の断面図に相当し、図6及び図7では反射防止層30、青透過ダイクロイック多層膜40、回転部100及び光出射部200などの構成要素は省略されている。
図6は、実施の形態2の他の例1に係る蛍光体基板10aの断面図である。図7は、実施の形態2の他の例2に係る蛍光体基板10bの断面図である。なお、図6及び図7は図2の断面図に相当し、図6及び図7では反射防止層30、青透過ダイクロイック多層膜40、回転部100及び光出射部200などの構成要素は省略されている。
図6が示すように、複数の熱伝導構造体12aのそれぞれの形状がワイヤ形状である場合、一例として、線径が1μm以上50μmであり、長さが10μm以上500μmであるがこれに限られない。
<シート形状>
また、図7では複数の熱伝導構造体12bのそれぞれの形状がシート形状である例が示されている。この場合、蛍光構造体11と複数の熱伝導構造体12bとが積層されている。また、内側の第2領域22においては複数の熱伝導構造体12bの形状は円形状であり、外側の第2領域22においては複数の熱伝導構造体12bの形状は円環形状である。
また、図7では複数の熱伝導構造体12bのそれぞれの形状がシート形状である例が示されている。この場合、蛍光構造体11と複数の熱伝導構造体12bとが積層されている。また、内側の第2領域22においては複数の熱伝導構造体12bの形状は円形状であり、外側の第2領域22においては複数の熱伝導構造体12bの形状は円環形状である。
また、図示されないが、複数の熱伝導構造体のそれぞれの形状がシート形状である場合に、当該シート形状を厚み方向に貫通する複数の貫通孔が設けられてもよい。このとき、複数の熱伝導構造体のそれぞれの形状は、メッシュ形状となる。つまりは、メッシュ形状における複数の網目が上記の複数の貫通孔に相当する。
複数の熱伝導構造体12のそれぞれの形状がこれらの形状であることで、蛍光体基板10a及び10bの放熱性をより高めることができる。
また、複数の熱伝導構造体のそれぞれの形状がメッシュ形状となる場合に、第1領域21に複数の熱伝導構造体が含まれているとよい。この場合、複数の熱伝導構造体は、第1領域21及び複数の第2領域22にわたって、設けられているとよい。これにより、蛍光体基板10bの構造的強度を高めることが可能となり、蛍光体基板10bの割れを抑制することができる。
ただし、上述の通り、第1領域21は、高熱伝導材料を含有していないとよい。これにより、蛍光体材料による波長変換の効率を高めることができる。よって、第1領域21は、複数の第2領域22よりも高熱伝導材料の含有量が少ないとよい。
なお、図11が示すように、蛍光体基板10dの平面視で、円形状である蛍光体基板10の円周と、酸化物構造体13dを示す2つの円弧のうち外側の円弧(つまり軸A1から遠い側の円弧)とが重なるように酸化物構造体13dが配置されている。しかし、これに限られない。
例えば、図15が示す酸化物構造体13gと同じ形状で同じ位置に、酸化物構造体13dが設けられていてもよい。
また、実施の形態3~6においては、透過光L3として黄色光が放たれたがこれに限られない。例えば、蛍光体材料として、上記の黄色蛍光体材料であるYAG:Ceと緑色蛍光体材料とが、用いられるとよい。この場合、蛍光体基板は、励起光L1として黄色光及び緑色光と、波長変換光として青色光とを、時分割で放つことができる。さらに、例えば、緑色蛍光体材料のかわりに赤色蛍光体材料などが用いられてもよい。
また、上記の実施の形態は、特許請求の範囲又はその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
1、1c、1d、1f、1g、1h 蛍光発光モジュール
10、10a、10b、10c、10d、10f、10g、10h 蛍光体基板
14f、14h 第2光透過領域
21 第1領域
22 第2領域
23 第3領域
24 第4領域
100 回転部
200 光出射部
C1 中心点
L1 励起光
L2、L3 透過光
R 半径
10、10a、10b、10c、10d、10f、10g、10h 蛍光体基板
14f、14h 第2光透過領域
21 第1領域
22 第2領域
23 第3領域
24 第4領域
100 回転部
200 光出射部
C1 中心点
L1 励起光
L2、L3 透過光
R 半径
Claims (23)
- 蛍光体材料を有する焼結蛍光体によって構成されている基板である蛍光体基板と、
前記蛍光体基板の厚み方向に延びる軸を中心として前記蛍光体基板を回転させる回転部と、を備える
蛍光発光モジュール。 - 前記焼結蛍光体は、熱伝導率が100W/m・K以上300W/m・K以下である高熱伝導材料をさらに有する
請求項1に記載の蛍光発光モジュール。 - 蛍光体材料と、熱伝導率が100W/m・K以上300W/m・K以下である高熱伝導材料とを有する焼結蛍光体によって構成されている基板である蛍光体基板を備える
蛍光発光モジュール。 - 前記高熱伝導材料の線膨張係数は、1×10-7/K以下である
請求項2又は3に記載の蛍光発光モジュール。 - 前記高熱伝導材料は、W、Mo、Rh、AlN及びSiCのうち少なくとも一つを含む
請求項2~4のいずれか1項に記載の蛍光発光モジュール。 - 常圧における前記高熱伝導材料の融点は、1700℃以上である
請求項2~5のいずれか1項に記載の蛍光発光モジュール。 - 前記高熱伝導材料の形状は、粒子形状、ワイヤ形状、シート形状又はメッシュ形状である
請求項2~6のいずれか1項に記載の蛍光発光モジュール。 - 前記蛍光体基板を平面視したときに、
前記蛍光体基板は、
第1領域と、
前記第1領域よりも前記高熱伝導材料の含有量が多い第2領域と、を有する
請求項2~7のいずれか1項に記載の蛍光発光モジュール。 - 前記蛍光体基板を平面視したときに、
前記第1領域の形状は、円環形状であり、
前記円環形状の中心は、前記蛍光体基板の中心と重なる
請求項8に記載の蛍光発光モジュール。 - 前記焼結蛍光体は、発光中心元素を含まない酸化物材料をさらに有し、
前記蛍光体基板は、前記蛍光体材料及び前記酸化物材料のうち前記酸化物材料のみによって構成され、前記蛍光体材料を励起させる光を透過する第1光透過領域を有し、
前記第1領域には、前記第1光透過領域が設けられている
請求項9に記載の蛍光発光モジュール。 - 前記酸化物材料は、酸化アルミニウム、又は、前記蛍光体材料から前記発光中心元素が除かれた非発光材料である
請求項10に記載の蛍光発光モジュール。 - 前記蛍光体基板は、前記蛍光体材料を励起させる光を透過する第2光透過領域を有し、
前記第2光透過領域は、前記蛍光体基板の厚み方向に前記蛍光体基板を貫通する貫通孔、及び、前記蛍光体基板が切り欠かれた切り欠き部のうち少なくとも一方によって構成され、
前記第1領域には、前記第2光透過領域が設けられている
請求項9に記載の蛍光発光モジュール。 - 前記蛍光体基板を平面視したときに、前記第2領域は、前記円環形状の内側と外側とに設けられる
請求項9~12のいずれか1項に記載の蛍光発光モジュール。 - 前記蛍光体材料を励起する光であって、前記第1領域に入射する励起光を出射する光出射部を、さらに備える
請求項8~13のいずれか1項に記載の蛍光発光モジュール。 - 入射した前記励起光の一部は、前記第1領域が含む前記蛍光体材料によって波長変換されて、前記蛍光体基板を透過し、
入射した前記励起光の他部は、前記第1領域が含む前記蛍光体材料によって波長変換されずに、前記蛍光体基板を透過する
請求項14に記載の蛍光発光モジュール。 - 前記焼結蛍光体は、発光中心元素を含まない酸化物材料をさらに有し、
前記蛍光体基板は、前記蛍光体材料及び前記酸化物材料のうち前記酸化物材料のみによって構成され、前記蛍光体材料を励起させる光を透過する第1光透過領域を有する
請求項1に記載の蛍光発光モジュール。 - 前記酸化物材料は、酸化アルミニウム、又は、前記蛍光体材料から前記発光中心元素が除かれた非発光材料である
請求項16に記載の蛍光発光モジュール。 - 前記蛍光体基板を平面視したときに、
前記蛍光体基板は、円環形状の第3領域を有し、
前記円環形状の中心は、前記蛍光体基板の中心と重なり、
前記第3領域には、前記第1光透過領域が設けられている
請求項16又は17に記載の蛍光発光モジュール。 - 前記蛍光体基板は、前記蛍光体材料を励起させる光を透過する第2光透過領域を有し、
前記第2光透過領域は、前記蛍光体基板の厚み方向に前記蛍光体基板を貫通する貫通孔、及び、前記蛍光体基板が切り欠かれた切り欠き部のうち少なくとも一方によって構成されている
請求項1に記載の蛍光発光モジュール。 - 前記蛍光体基板を平面視したときに、
前記蛍光体基板は、円環形状の第3領域を有し、
前記円環形状の中心は、前記蛍光体基板の中心と重なり、
前記第3領域には、前記第2光透過領域が設けられている
請求項19に記載の蛍光発光モジュール。 - 前記蛍光体材料を励起する前記光であって、前記第3領域に入射する励起光を出射する光出射部を、さらに備える
請求項18又は20に記載の蛍光発光モジュール。 - 前記蛍光体材料は、(Y1-xCex)3Al5O12(0.0005≦x<0.001)である
請求項1~21のいずれか1項に記載の蛍光発光モジュール。 - 請求項1~22のいずれか1項に記載の蛍光発光モジュールを備える
発光装置。
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