JP2022149035A - 波長変換部材、および発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高出力の発光素子を使用しても波長変換部材の温度消光等による発光性能の低下を抑制することができると共に、蛍光体の劣化を抑制できる波長変換部材および発光装置を提供する。【解決手段】波長変換部材１００であって、平板状に形成された基材１１０と、前記基材１１０の一方の主面１１２に設けられ、蛍光体粒子１２２と透光性セラミックス１２４とで形成された蛍光体層１２０と、前記基材１１０の他方の主面１１４に設けられ、内部に冷媒を貯留する空間１３４を有する冷却部材１３０と、を備え、前記冷却部材１３０は、前記冷媒を前記基材１１０の前記他方の主面１１４に接触させることで前記基材１１０または前記蛍光体層１２０を冷却する。【選択図】図１

Description

本発明は、波長変換部材、および発光装置に関する。

発光素子であるＬＥＤ（Light Emitting Diode）やＬＤ（Laser Diode）等の光源から照射された光を、蛍光体層により異なる波長の変換光として放出する波長変換部材を用いた発光装置が知られている。近年では、エネルギー効率が高く、小型化、高出力化に対応しやすいＬＤを光源として用いたアプリケーションが増えている。

このような発光素子の高出力化が進むことにより、光源自身や光源の照射対象となる波長変換部材が発熱することで、発光装置としての性能低下が問題となることがある。

特許文献１は、発光素子であるＬＥＤチップへの入力電力を大きくして光出力を高めることができるように、ＬＥＤチップの放熱性を高めるため、ＬＥＤチップが実装される実装基板に、流体からなる冷媒を通す流路が形成された発光装置について開示されている。

特許文献２は、発光素子と該発光素子からの光の少なくとも一部を吸収し、異なる波長を有する光を発する蛍光物質を含有する光変換部材であって、蛍光物質の自己発熱を抑制するため、発光素子の方から見て、光変換部材を備える側に放熱部材を有する発光装置について開示されている。

特許文献３は、高効率の放熱を目的とする発光ダイオードパッケージであって、基板上に搭載された発光ダイオードを覆うケース部材と、ケース部材の内部に液状の冷媒と、冷媒中に分散する蛍光体粒子を備えることが開示されている。

特開２００７－０８８０７８号公報 特開２００５－２９４１８５号公報 特開２００８－００４６８９号公報

特許文献１の構成によれば、発光時の発熱によるＬＥＤチップの温度上昇が起こっても、ＬＥＤチップ自身の光出力低下は抑制される。しかしながら、発光素子からの光を受ける波長変換部材自身の発熱による性能低下も発光装置の高出力化に伴い課題となっているところ、特許文献１には波長変換部材に対する冷却については開示されていない。

特許文献２の構成によれば、発光素子からの光を受ける波長変換部材の放熱性が向上し、発光装置としての性能低下が抑制される。なお、特許文献２における放熱部材の材料は、少なくとも発光素子からの光を透過させることのできる材料、または、発光素子からの光と光変換部材が発する光の両方を透過させることのできる材料であることが記載され、実施例では石英ガラスを使用している。しかしながら石英ガラスは熱伝導率が低く、発光素子の高出力化に伴う波長変換部材の発熱に対する対策としては不十分となる場合がある。

特許文献３の構成によれば、ＬＥＤチップからの発熱を冷媒が受け取り、ケース部材内で冷媒の熱対流が生じ、大気中に放散される。しかしながら、ケース部材内で分散される蛍光体粒子は常時冷媒環境に晒されるため、蛍光体粒子へのダメージ、劣化が懸念される。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、高出力の発光素子を使用しても波長変換部材の温度消光等による発光性能の低下を抑制することができると共に、蛍光体の劣化を抑制できる波長変換部材および発光装置を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の波長変換部材は、波長変換部材であって、平板状に形成された基材と、前記基材の一方の主面に設けられ、蛍光体粒子と透光性セラミックスとで形成された蛍光体層と、前記基材の他方の主面に設けられ、内部に冷媒を貯留する空間を有する冷却部材と、を備え、前記冷却部材は、前記冷媒を前記基材の前記他方の主面に接触させることで前記基材または前記蛍光体層を冷却することを特徴としている。

このように、蛍光体層が形成された主面と反対側の主面に冷媒が接触することで、冷媒を介して基材や蛍光体層を冷却できるので、高出力の発光素子を使用しても波長変換部材の温度消光等による発光性能の低下を抑制することができると共に、蛍光体層が冷媒と接触しないので、蛍光体の劣化を抑制できる。

（２）また、本発明の波長変換部材において、前記基材は、透光性を有することを特徴としている。

これにより、透過型の波長変換部材を構成できる。透過型の波長変換部材は、最初に発光素子の光が照射される基材に近い位置の蛍光体がより熱を発生させる可能性が高いので、蛍光体層が形成された主面と反対側の主面に冷媒が接触することで、冷却効果をより高めることができる。

（３）また、本発明の波長変換部材において、前記冷却部材は、前記基材と対向する底面を構成する第１の部材、および前記基材と接続される側面を構成する第２の部材を備え、前記第１の部材は、少なくとも一部が透光性を有することを特徴としている。

これにより、発光素子を冷却部材の外側に配置することができ、発光素子と冷媒の接触を防ぐことができ、発光素子の劣化や故障のリスクを低減できる。

（４）また、本発明の波長変換部材において、前記冷却部材は、前記基材と対向する底面を構成する第１の部材、および前記基材と接続され、側面を構成する第２の部材を備え、前記第２の部材は、透光性を有しないことを特徴としている。

これにより、透過型の波長変換部材において、冷却部材の側面から意図しない方向に光が漏れることを防ぐことができる。

（５）また、本発明の波長変換部材において、前記冷却部材は、前記冷媒を前記空間に供給する供給孔、および前記冷媒を前記空間から排出する排出孔を有し、前記供給孔および前記排出孔にはそれぞれ前記冷媒を通す供給管および排出管が接続され、前記冷却部材は、前記供給管および前記排出管を通じて前記冷媒を前記空間に流通させることで前記基材または前記蛍光体層を冷却することを特徴としている。

このように、空間に貯留される冷媒を流通させることで、冷却効果をより向上させることができ、発光素子の高出力化に対応することができる。

（６）また、本発明の発光装置は、発光装置であって、上記（１）から（５）のいずれかに記載の波長変換部材と、前記波長変換部材の前記他方の主面側に設けられ、特定範囲の波長の光を発する発光素子と、を備えることを特徴としている。

これにより、冷却効果の高い波長変換部材と発光素子とを組み合わせた発光装置を構成でき、発光素子の高出力化に対応することができる。

本発明によれば、高出力の発光素子を使用しても波長変換部材の温度消光等による発光性能の低下を抑制することができると共に、蛍光体の劣化を抑制できる。

第１の実施形態に係る波長変換部材の一例を示す模式的な断面図である。 波長変換部材の蛍光体層部分の断面を拡大した模式図である。 第１の実施形態に係る波長変換部材の一例を示す模式的な斜視図である。 第１の実施形態に係る波長変換部材の変形例を示す模式的な断面図である。 （ａ）、（ｂ）、それぞれ第１の実施形態に係る波長変換部材の変形例を示す模式的な断面図である。 第２の実施形態に係る波長変換部材の一例を示す模式的な断面図である。 （ａ）～（ｃ）、それぞれ第１の実施形態に係る波長変換部材を用いた発光装置の一例を示す模式的な断面図である。 本発明の波長変換部材の製造方法の一例を示すフローチャートである。 （ａ）、（ｂ）、それぞれ実施例の波長変換部材を示す模式的な断面図である。 比較例の波長変換部材を示す模式的な断面図である。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。なお、構成図において、各構成要素の大きさは概念的に表したものであり、必ずしも実際の寸法比率を表すものではない。

［第１の実施形態］
［波長変換部材の構成］
図１は、第１の実施形態に係る波長変換部材の一例を示す模式的な断面図である。図２は、波長変換部材の蛍光体層部分の断面を拡大した模式図である。図３は、第１の実施形態に係る波長変換部材の一例を示す模式的な斜視図である。本実施形態に係る波長変換部材１００は、基材１１０と、蛍光体層１２０と、冷却部材１３０と、を備える。

波長変換部材１００は、光源から照射された入射光を透過または反射させつつ、入射光により励起して波長の異なる光を発生させる。例えば、青色光の入射光を透過または反射させつつ、蛍光体層１２０で変換された緑と赤や黄色の変換光を放射させて、変換光と入射光を合わせて、または、変換光のみを利用し、様々な色の光に変換できる。

基材１１０は、平板状に形成される。基材１１０の主面の形状は、使用される発光装置に応じて四角形、多角形、円形、楕円形など様々な形状であってよい。また、基材１１０は、蛍光体層１２０が形成される凹部が形成されてもよい。蛍光体層１２０の厚みは、基材１１０の厚みと比較して十分に薄いので、凹部が形成された基材１１０も平板状であるとみなす。例えば、基材１１０の厚みは０．５ｍｍ～２ｍｍであることが好ましい。

基材１１０の材料は、ガラス、サファイア、アルミニウム、鉄、銅等を用いることができる。透過型の波長変換部材１００は、基材１１０を透光性を有する材料で製造する。反射型の波長変換部材１００は、基材１１０のすべてを、光を反射する材料で製造することもできるが、光の反射を考慮しない材料の一面に銀などの光を反射する材料をメッキなどで設けて反射層としたり、ＴｉＯ₂などの増反射膜を形成したりしてもよい。

基材１１０は、高エネルギーの光源光が照射された蛍光体層１２０で発生した熱を冷却部材１３０に効率よく伝熱するため、熱伝導率が高いことが好ましい。よって、透過型の場合は、サファイアで形成されることが好ましい。また、反射型の場合は、アルミニウムや銅で形成されることが好ましい。

基材１１０は、透光性を有することが好ましい。これにより、透過型の波長変換部材１００を構成できる。透過型の波長変換部材１００は、最初に発光素子の光が照射される基材１１０に近い位置の蛍光体粒子１２２がより熱を発生させる可能性が高いので、蛍光体層１２０が形成された一方の主面１１２と反対側の主面（他方の主面１１４）に冷媒が接触することで、冷却効果をより高めることができる。このとき、基材１１０の表面には光源光は通し、変換光を反射するダイクロイックミラーコートが形成されていてもよい。

蛍光体層１２０は、基材１１０の一方の主面１１２に設けられる。蛍光体層１２０は、蛍光体粒子１２２、および透光性セラミックス１２４により構成されている。透光性セラミックス１２４は、蛍光体粒子１２２同士を結合するとともに蛍光体粒子１２２と基材１１０とを結合している。これにより、高エネルギー密度の光の照射に対して、放熱材として機能する基材１１０と接合しているため効率よく放熱でき、蛍光体層１２０の光変換時に生じる熱が蓄積することで起こる温度消光を抑制できる。

基材１１０の一方の主面１１２に凹部が形成されている場合、蛍光体層１２０は、その凹部に設けられてもよい。これにより、基材１１０が蛍光体層１２０に接触する面積を大きくすることができるため、放熱性をより高めることができる。蛍光体層１２０の厚みは、凹部の深さより厚くてもよいし、薄くてもよい。

蛍光体層１２０の厚みは、１５μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましく、５０μｍ以上２００μｍ以下であることがより好ましい。蛍光体層１２０が薄すぎると、光路において蛍光体粒子１２２の存在が薄い箇所が存在し、必要な変換光が得られなくなる虞がある。一方で厚すぎると、蛍光体層１２０の蓄熱による特性低下の虞があるためである。

蛍光体層１２０の厚みは、基材１１０の平面方向と垂直な断面についてＳＥＭ画像を解析することで測定することができる。上記の断面について、ＳＥＭ断面写真を１０００倍の倍率で撮影し、例えば、２０μｍの等間隔で１０本の垂線を引き、蛍光体層１２０のトップ面から基材１１０のトップ面（一方の主面１１２）までの距離を測定し、１０本の線の長さの平均値をその断面の厚みとする。断面のＳＥＭ画像は、蛍光体層１２０全体の厚みの平均を表すように、複数とることが好ましい。例えば、ランダムに３箇所以上で撮影し、各断面の厚みの平均値を蛍光体層１２０の厚み（平均厚み）とする。

蛍光体層１２０は、蛍光体粒子１２２および透光性セラミックス１２４の他に無機粒子を含んでもよい。無機粒子を混合する場合には、様々な目的にかなった無機粒子を混合できる。例えば、蛍光体ペーストの粘度を調整する目的、蛍光体ペーストの蛍光体粒子の密度を調整する目的、蛍光体層で光を散乱させる目的、蛍光体層の熱伝導率をよくする目的、蛍光体層の空隙を減少させる目的等が挙げられる。無機粒子の平均粒子径は、蛍光体層１２０に含まれる蛍光体粒子の平均粒子径と同等または小さいことが好ましい。

蛍光体粒子１２２の平均粒子径は、５μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましく、７μｍ以上３０μｍ以下であることがより好ましい。５μｍ以上である場合、変換光の発光強度が大きくなり、ひいては波長変換部材１００の発光強度が大きくなる。また、５０μｍ以下である場合、蛍光体層１２０の厚みの調整が容易となり、蛍光体粒子１２２の脱粒のリスクを低減できる。また、個々の蛍光体粒子１２２の温度を低く維持でき、温度消光を抑制できる。なお、本明細書において平均粒子径とは、メジアン径（Ｄ５０）である。平均粒径は、レーザ回折／散乱式粒子径分布測定装置の乾式測定または湿式測定を用いて計測することができる。

蛍光体粒子１２２は、例えば、イットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体（ＹＡＧ系蛍光体）およびルテチウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体（ＬＡＧ系蛍光体）を用いることができる。その他、蛍光体粒子１２２は、発光させる色の設計に応じて以下のような材料から選択できる。例えば、ＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ、ＺｎＳ：Ａｇ，Ｃｌ、ＢａＡｌ₂Ｓ₄：ＥｕあるいはＣａＭｇＳｉ₂Ｏ₆：Ｅｕなどの青色系蛍光体、Ｚｎ₂ＳｉＯ₄：Ｍｎ、（Ｙ，Ｇｄ）ＢＯ₃：Ｔｂ、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ、（Ｍ１）_２ＳｉＯ₄：Ｅｕ、（Ｍ１）（Ｍ２）_２Ｓ：Ｅｕ、（Ｍ３）₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ、ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ、ＣａＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ、（Ｍ１）Ｓｉ₂Ｏ₂Ｎ：Ｅｕあるいは（Ｂａ，Ｓｒ，Ｍｇ）_２ＳｉＯ₄：Ｅｕ，Ｍｎなどの黄色または緑色系蛍光体、（Ｍ１）₃ＳｉＯ₅：Ｅｕあるいは（Ｍ１）Ｓ：Ｅｕなどの黄色、橙色または赤色系蛍光体、（Ｙ，Ｇｄ）ＢＯ₃：Ｅｕ，Ｙ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ、（Ｍ１）₂Ｓｉ₅Ｎ₈：Ｅｕ、（Ｍ１）ＡｌＳｉＮ₃：ＥｕあるいはＹＰＶＯ₄：Ｅｕなどの赤色系蛍光体が挙げられる。なお、上記化学式において、Ｍ１は、Ｂａ，Ｃａ，ＳｒおよびＭｇからなる群のうちの少なくとも１つが含まれ、Ｍ２は、ＧａおよびＡｌのうちの少なくとも１つが含まれ、Ｍ３は、Ｙ，Ｇｄ，ＬｕおよびＴｅからなる群のうち少なくとも１つが含まれる。なお、上記の蛍光体粒子１２２は一例であり、波長変換部材１００に用いられる蛍光体粒子１２２が必ずしも上記に限られるわけではない。

透光性セラミックス１２４は、無機バインダが加水分解または酸化されて形成されたものであり、透光性を有する無機材料により構成されている。透光性セラミックス１２４は、例えばシリカ（ＳｉＯ₂）、リン酸アルミニウムで構成される。透光性セラミックス１２４は無機材料からなるので、レーザダイオード等の高エネルギーの光が照射されても変質しない。また、透光性セラミックス１２４は透光性を有するので、光源光や変換光を透過させることができる。無機バインダとしては、エチルシリケート、第一リン酸アルミニウム水溶液等を用いることができる。

なお、透光性を有する物質とは、０．５ｍｍの対象物質に対して、可視光の波長領域（λ＝３８０～７８０ｎｍ）で光を垂直に入射したとき、反対側から抜けた光の放射束が入射光の８０％を超える特性を有する物質をいう。

冷却部材１３０は、基材１１０の他方の主面１１４に設けられ、内部に冷媒を貯留する空間１３４を有する。冷却部材１３０は、冷媒を基材１１０の他方の主面１１４に接触させることで基材１１０または蛍光体層１２０を冷却する。

冷却部材１３０は、有底開口形状に形成されていることが好ましい。冷却部材１３０の開口部１３６に基材１１０が蓋をすることで、空間１３４が密閉されると共に、冷媒を基材１１０の他方の主面１１４に接触させることができる。なお、冷却部材１３０の形状は、冷媒を基材１１０の他方の主面１１４に接触させることができる形状であれば、どのようなものであってもよい。冷却部材１３０の厚みは特に限定はしないが、内圧による冷却部材１３０の破損リスクを低減するため、０．５ｍｍ以上とすることが好ましい。冷却部材１３０は、冷却用のフィンが設けられていてもよい。

冷却部材１３０と基材１１０との接続方法（固定方法または接合方法）は、ネジ止めやクランプ止め、接着剤による接着等、内圧による冷媒の漏れを防ぐことができる方法であれば、どのような方法であってもよい。Ｏリング１４０等のガスケットを使用してもよい。また、これらを併用してもよい。接着剤を使用する場合、熱伝導率が高いことが好ましく、例えば、シリコーン樹脂を含むシリコーン接着剤を使用することが好ましい。図４は、第１の実施形態に係る波長変換部材の変形例を示す模式的な断面図である。図４は、Ｏリング１４０とネジ止めを使用した例を示している。また、図４の蛍光体層１２０は、基材１１０の凹部に形成されている例を示している。

冷却部材１３０は、１の部材により形成されていてもよいし、複数の部材が組み合わされて形成されていてもよい。図５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ第１の実施形態に係る波長変換部材の変形例を示す模式的な断面図である。図５（ａ）、（ｂ）に示されるように、冷却部材１３０は、基材１１０と対向する底面を構成する第１の部材１３１、および基材１１０と接続される側面を構成する第２の部材１３２を備えていてもよい。また、これら以外の部材を使用して構成されてもよい。

冷却部材１３０は、基材１１０と対向する底面を構成する第１の部材１３１、および基材１１０と接続される側面を構成する第２の部材１３２を備え、第１の部材１３１は、少なくとも一部が透光性を有することが好ましい。これにより、発光素子を冷却部材１３０の外側に配置することができ、発光素子と冷媒の接触を防ぐことができ、発光素子の劣化や故障のリスクを低減できる。透光性を有する物質として、例えば、サファイア、ガラス等が使用可能である。

冷却部材１３０は、基材１１０と対向する底面を構成する第１の部材１３１、および基材１１０と接続され、側面を構成する第２の部材１３２を備え、第２の部材１３２は、透光性を有しないことが好ましい。これにより、透過型の波長変換部材１００において、冷却部材１３０の側面から意図しない方向に光が漏れることを防ぐことができる。

透光性を有しない部材として、例えば、セラミックス、金属、樹脂（高熱伝導率のフィラー材料を含む複合樹脂など）等が使用可能である。また、透光性を有する基材の表面に光の透過を防止する層を形成してもよい。

第２の部材１３２は、金属部材により形成されていることが好ましい。このように、第２の部材１３２が金属部材により形成されていることで、熱伝導性に優れ、蛍光体層１２０で発生した熱を、基材１１０を通じて直接第２の部材１３２へ、または冷媒から第２の部材１３２へ放熱することが可能となるため、波長変換部材１００としての温度消光等による発光性能の低下を抑制することができ、発光素子の高出力化に対応しやすくすることができる。

金属部材としては、アルミニウム、銅、鉄およびそれらの合金を用いることができ、空間内を通る光源光や、波長変換されて第２の部材１３２側へ出てくる変換光をさらに反射させて戻すことを考慮すると、可視光の全領域において高い反射率を有するアルミニウムで形成されていることが特に好ましい。

冷媒を貯留する空間１３４内は冷媒により満たされていることが好ましい。例えば、冷媒に水を用いる場合は、空間１３４内の全てが水で満たされていることが好ましい。空間１３４内に水の層と空気の層の両方が存在する場合、それぞれの屈折率の違いから空間内で光の散乱によるロスが生じてしまう虞があるためである。そのため、冷媒は２種類以上の混合物であってもよいが、空間１３４内における屈折率は一定であることが好ましい。なお、冷媒としては液体状、気体状を問わない。例えば、水、グリコール類、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）類、二酸化炭素等を使用することができる。

［第２の実施形態］
［波長変換部材の構成］
次に本発明の第２の実施形態に係る波長変換部材の構成を説明する。図６は、第２の実施形態に係る波長変換部材の一例を示す模式的な断面図である。本実施形態に係る波長変換部材２００は、基材１１０と、蛍光体層１２０と、冷却部材１３０と、を備える。波長変換部材２００は、冷却部材１３０の構成以外の構成は、第１の実施形態と同様であるので、異なる点のみ説明する。

冷却部材１３０は、冷媒を空間１３４に供給する供給孔２１２、および冷媒を空間１３４から排出する排出孔２１４を有する。また、冷却部材１３０は、供給孔２１２および排出孔２１４にそれぞれ冷媒を通す供給管２１６および排出管２１８が接続される。冷却部材１３０は、供給管２１６および排出管２１８を通じて冷媒を空間１３４に流通させることで基材１１０または蛍光体層１２０を冷却する。

このように、空間１３４に貯留される冷媒を流通させることで、冷却効果をより向上させることができ、発光素子の高出力化に対応することができる。冷媒は、循環させてもよいし、循環させなくてもよい。供給管２１６および排出管２１８は、ポンプ等に接続されてもよい。

本発明の波長変換部材は、高出力の発光素子を使用しても波長変換部材の温度消光等による発光性能の低下を抑制することができると共に、蛍光体の劣化を抑制できる。

［発光装置の構成］
次に、本発明の発光装置の構成を説明する。図７（ａ）～（ｃ）は、それぞれ第１の実施形態に係る波長変換部材を用いた発光装置の一例を示す模式図である。図７（ａ）～（ｃ）では、波長変換部材１００を用いた発光装置３００を表示しているが、発光装置３００は、第２の実施形態の波長変換部材２００を用いたものであってもよい。発光装置３００は、少なくとも波長変換部材１００または波長変換部材２００と、発光素子３１０とを備える。

発光素子３１０は、発光装置３００に用いられる蛍光体を励起する入射光（励起光）を照射する。発光素子３１０は、発光装置３００に用いられる蛍光体の種類に応じて、蛍光体を励起させる入射光を発するものを選択することができるが、発光素子３１０が照射する入射光は、様々な蛍光体に対応できる青色光、紫色光、または紫外光であることが好ましい。また、発光装置３００に用いられる波長変換部材１００または波長変換部材２００はハイパワーの用途に適しているため、発光素子３１０は、レーザダイオードであることが好ましい。

波長変換部材１００、２００を使用した発光装置３００は、図７（ａ）のように、発光素子３１０を冷却部材１３０の外側に配置することができる。これにより、発光素子３１０と冷媒の接触を防ぐことができ、発光素子３１０の劣化や故障のリスクを低減できる。このような構成にする場合、波長変換部材１００、２００は、基材１１０および冷却部材１３０の底面の少なくとも一部が透光性を有する必要がある。この場合の透光性は、可視光範囲全体についての透光性である必要はなく、発光素子３１０から発せられる光源光（励起光）を透過する性質であればよい。

波長変換部材１００、２００を使用した発光装置３００は、図７（ｂ）のように、発光素子３１０を冷却部材１３０の内側に配置することができる。これにより、発光素子３１０が冷媒に触れた状態となるため、発光素子３１０自体の冷却も可能となる。ただしこの場合は、発光素子３１０が安定して動作する必要があるため、冷媒の選択に制限が発生する場合がある。このような構成にする場合、波長変換部材１００、２００は、基材１１０の少なくとも一部が透光性を有する必要がある。この場合の透光性も、発光素子３１０から発せられる光源光を透過する性質であればよい。図７（ａ）、（ｂ）のような構成の場合、基材１１０の表面には光源光は通し、変換光を反射するダイクロイックミラーコートが形成されていてもよい。

波長変換部材１００、２００を使用した発光装置３００は、図７（ｃ）のように、発光素子３１０を基材１１０側に配置することができる。これにより、反射型の発光装置３００を構成できる。反射型の発光装置３００は、蛍光体層１２０の発熱ポイントが冷媒から遠い位置にあるので、冷媒の温度を低くする、または第２の実施形態に係る波長変換部材２００を用いて構成することが好ましい。

発光装置３００は上記の構成のほか、設計に応じて図に記載していない、レンズ、ダイクロイックミラー、プリズム、表示デバイス、投射光学系、モーターなどを使用することができる。

表示デバイスは、発光装置３００が投影する画像を表示する。表示デバイスは、液晶パネル、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）などを用いることができる。投射光学系は、波長変換部材１００または波長変換部材２００から射出された放射光を用いて表示デバイスに表示された画像を外部に投射する。投射光学系は、複数のレンズからなり、ズームやピントの調整をする。

本発明の発光装置は、高出力の発光素子を使用しても波長変換部材の温度消光等による発光性能の低下を抑制することができると共に、蛍光体の劣化を抑制できる。このような発光装置の用途として、レーザ照明、レーザプロジェクタなどに用いることができる。

［波長変換部材の製造方法］
次に、本発明の実施形態に係る波長変換部材の製造方法の一例を説明する。以下の製造方法は、第１の実施形態に係る波長変換部材の製造方法である。図８は、本発明の波長変換部材の製造方法の一例を示すフローチャートである。まず、所定の形状に形成された基材を準備する（ステップＳ１）。基材の形状は板状のほか、表面に凹部が形成された形状でもよい。

これとは別に、蛍光体粒子と無機バインダとを混合して蛍光体ペーストを作製する（ステップＳ２）。まず、所定の平均粒径を有する蛍光体粒子を準備する。蛍光体粒子は、波長変換部材の設計に応じて、様々なものを用いることができる。２種類以上を使用してもよい。次に、準備した蛍光体粒子を秤量し、溶剤に分散させ、無機バインダと混合し、所定の粘度の印刷用の蛍光体ペーストを作製する。

混合にはボールミルやプロペラ撹拌などを用いることができる。混合時間は、ボールミルの場合、３分以上３０分以下であることが好ましい。プロペラ撹拌の場合、５分以上１２０分以下であることが好ましい。これにより、蛍光体層の厚みのバラツキを低減できる。溶剤は、α－テルピネオール、ブタノール、イソホロン、グリセリン等の高沸点溶剤を用いることができる。なお、蛍光体ペーストの粘度調整や、蛍光体粒子の充填性の調整を目的として無機材料からなるフィラーを添加してもよい。

また、無機バインダは、エチルシリケート等の有機シリケートであることが好ましい。有機シリケートを用いることで蛍光体粒子が蛍光体ペースト全体に分散し、適切な粘度の蛍光体ペーストを作製することができる。

例えば、無機バインダとしてエチルシリケートを用いるときは、水および触媒の質量に対して、エチルシリケートを７０ｗｔ％以上１００ｗｔ％以下、好ましくは８０ｗｔ％以上９０ｗｔ％以下の質量とする。その他、無機バインダは、加水分解あるいは酸化により酸化ケイ素となる酸化ケイ素前駆体、ケイ酸化合物、シリカ、およびアモルファスシリカからなる群のうちの少なくとも１種を含む原料を、常温で反応させるか、または、３００℃以下の温度で熱処理することにより得られたものであってもよい。熱処理を行ない固化させるバインダを用いる場合、常温での経時変化が小さく、インクの流動性を安定して保つことができるため、蛍光体層の厚みのバラツキを小さくできる点で好ましい。酸化ケイ素前駆体としては、例えば、ペルヒドロポリシラザン、エチルシリケート、メチルシリケートを主成分としたものが挙げられる。

次に、準備した基材の表面に蛍光体ペーストを塗布してペースト層を形成する（ステップＳ３）。蛍光体ペーストの塗布は、スクリーン印刷法、スプレー法、ディスペンサーによる描画法、インクジェット法を用いることができる。スクリーン印刷法を用いると、厚みの均一なペースト層を安定的に形成できるので好ましい。スクリーン印刷は、蛍光体ペーストをインキスキージで枠に張られたスクリーンに押し付けて行う方法である。ペースト層の厚みは、焼成後に所定の厚みになるように調整する。

そして、塗布した原料ペーストを、熱処理することで蛍光体層を形成する（ステップＳ４）。熱処理温度は、１５０℃以上３００℃以下であることが好ましく、熱処理時間は、０．５時間以上２．０時間以下であることが好ましい。また、昇温速度は、５０℃／ｈ以上２００℃／ｈ以下であることが好ましい。また、熱処理前に乾燥工程を設けてもよい。乾燥工程を設ける場合、乾燥温度は１００℃以上１５０℃以下が好ましく、乾燥時間は２０分以上６０分以下であることが好ましい。このような工程により、基材の一方の主面に蛍光体層が形成される。特に窒化物蛍光体を用いる場合、酸化による蛍光体の劣化を防ぐため、窒素やアルゴン等の非酸化性雰囲気下で熱処理することが望ましい。

上記の工程とは別に、冷却部材を製造する（ステップＳ５）。冷却部材は、内部に冷媒を貯留する空間を有する有底開口形状に形成することが好ましい。冷却部材は、１の部材で形成してもよいし、複数の部材で形成してもよい。冷却部材は、透光性を有する必要がある部分は、例えば、サファイア、ガラス等で形成することができる。また、透光性を有しない必要がある部分は、セラミックス、金属、樹脂（高熱伝導率のフィラー材料を含む複合樹脂など）等で形成することができる。また、透光性を有する基材の表面に光の透過を防止する層を形成してもよい。

次に、冷却部材の空間に冷媒を注入する（ステップＳ６）。冷媒は、例えば、水、グリコール類、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）類、二酸化炭素等を使用することができる。

そして、基材と冷却部材を接続する（ステップＳ７）。冷却部材と基材との接続方法（固定方法または接合方法）は、ネジ止めやクランプ止め、接着剤による接着等、内圧による冷媒の漏れを防ぐことができる方法であれば、どのような方法であってもよい。Ｏリング等のガスケットを使用してもよい。また、これらを併用してもよい。このとき、冷媒に液体を使用する場合は、空間に気体が残されたり混入したりしないように注意して接続する。

このような製造工程により、高出力の発光素子を使用しても波長変換部材の温度消光等による発光性能の低下を抑制することができると共に、蛍光体の劣化を抑制できる波長変換部材を製造できる。

［実施例および比較例］
（試料の作製）
（実施例１）
基材として直径φ３０ｍｍ、厚みｔ０．５ｍｍの円板状のサファイア基材を準備した。蛍光体層として、平均粒子径１５μｍのＹＡＧ系蛍光体と、溶媒としてα‐テルピネオール、無機バインダとしてエチルシリケートを秤量し、プロペラ撹拌で３０分間混合することで原料ペースト（蛍光体ペースト）を作製した。得られた原料ペーストを熱処理後の蛍光体層の平均厚みが１００μｍとなるようにスクリーン印刷により基材上に塗布し、塗布後の基材を１００℃で２０分乾燥した後、電気炉を用いて非酸化性雰囲気で１５０℃／ｈで１５０℃まで昇温し、６０分熱処理をした。このようにして、一方の主面に蛍光体層を有する基材を準備した。

冷却部材を構成する部材として以下の部材を準備した。底面を構成する第１の部材として、直径φ３０ｍｍ、厚みｔ０．５ｍｍの円板状のサファイアを準備した。また、側面を構成する第２の部材として、縦５０ｍｍ、横５０ｍｍ、高さ３０ｍｍ、厚み５ｍｍの直方体状の中空部材の上面および下面に直径φ３０ｍｍ、深さ０．５ｍｍの窪み、および同一の中心を有する直径φ２０ｍｍの開口部を有し、樹脂（ＰＥＥＫ）からなる部材を準備した。

第２の部材の下面の開口部の窪みに、第１の部材およびＯリングを配置し、リング状のアルミニウム製の薄板で抑えてネジ止めした。その後、冷却部材の内部に冷媒として純水を注入し、第２の部材の上面の開口部の窪みに、蛍光体層を設けた基材およびＯリングを配置し、リング状のアルミニウム製の薄板で抑えてネジ止めした。このとき、基材は蛍光体層を設けた主面を外側にして配置した。このようにして、実施例１の波長変換部材を作製した。実施例１の波長変換部材は、図９（ａ）に示されるような模式的な断面を有する。図９（ａ）、（ｂ）は、それぞれ実施例の波長変換部材を示す模式的な断面図である。

（実施例２）
第２の部材として、金属製（アルミニウム製）の部材を使用したことを除き、実施例１と同様の形状等で実施例２の波長変換部材を作製した。実施例２の波長変換部材は、図９（ａ）に示されるような模式的な断面を有する。

（実施例３）
第２の部材の側面の対向する面に冷媒を供給する供給孔および冷媒を排出する排出孔を設け、供給孔および排出孔に内径６ｍｍの管（供給管および排出管）をつないで、それぞれポンプに接続したことを除き、実施例２と同様の形状等で実施例３の波長変換部材を作製した。実施例３の波長変換部材は、図９（ｂ）に示されるような模式的な断面を有する。

（比較例）
実施例１の蛍光体層を有する基材そのものを、比較例の波長変換部材とした。すなわち、比較例の波長変換部材は、冷却部材が設けられていない波長変換部材である。比較例の波長変換部材は、図１０に示されるような模式的な断面を有する。図１０は、比較例の波長変換部材を示す模式的な断面図である。

［波長変換部材の評価］
実施例および比較例の波長変換部材を２０℃の室温でしばらく放置して、冷媒を含めた各部の温度がそれぞれ２０℃になるようにした。そして、実施例および比較例の波長変換部材について、２Ｗの出力で波長４４５ｎｍの青色レーザ光を照射し、蛍光体層の表面側の最高温度について、サーモカメラを用い、１０秒後、１分後、３分後に確認を行なった。実施例３は、排出孔から３０ｍｌ／ｓの速度で冷媒（純水）を排出しつつ、供給孔から同じ速度で２０℃の冷媒を供給した。

サーモカメラで測定した温度は、実施例３、実施例２、実施例１、比較例の順に高くなった。比較例は、１分後の温度が２００℃を超え、蛍光体の温度消光が発生する虞のある温度となっていた。一方、実施例１～３は、１分後の温度がそれぞれ８０℃～１５０℃の範囲で安定し、蛍光体の温度消光が発生する虞のある温度より十分に低い温度であり、３分後であっても温度上昇は見られなかった。すなわち、実施例の波長変換部材は、比較例の波長変換部材と比べて蛍光体層の温度上昇が抑えられ、温度消光が発生する虞が生じる高エネルギーの励起条件でも、温度消光を抑制し、高い発光量が得られることが確認された。

以上の結果によって、本発明の波長変換部材は、高出力の発光素子を使用しても波長変換部材の温度消光等による発光性能の低下を抑制することができると共に、蛍光体の劣化を抑制できることが確かめられた。また、本発明の波長変換部材は、プロジェクター等の発光装置の用途に好適に使用できることが確かめられた。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形および均等物に及ぶことはいうまでもない。また、各図面に示された構成要素の構造、形状、数、位置、大きさ等は説明の便宜上のものであり、適宜変更しうる。

１００、２００ 波長変換部材
１１０ 基材
１１２ 一方の主面
１１４ 他方の主面
１２０ 蛍光体層
１２２ 蛍光体粒子
１２４ 透光性セラミックス
１３０ 冷却部材
１３１ 第１の部材
１３２ 第２の部材
１３４ 空間
１３６ 開口部
１４０ Ｏリング
２１２ 供給孔
２１４ 排出孔
２１６ 供給管
２１８ 排出管
３００ 発光装置
３１０ 発光素子

Claims (6)

1. 波長変換部材であって、
   平板状に形成された基材と、
   前記基材の一方の主面に設けられ、蛍光体粒子と透光性セラミックスとで形成された蛍光体層と、
   前記基材の他方の主面に設けられ、内部に冷媒を貯留する空間を有する冷却部材と、を備え、
   前記冷却部材は、前記冷媒を前記基材の前記他方の主面に接触させることで前記基材または前記蛍光体層を冷却することを特徴とする波長変換部材。
2. 前記基材は、透光性を有することを特徴とする請求項１に記載の波長変換部材。
3. 前記冷却部材は、前記基材と対向する底面を構成する第１の部材、および前記基材と接続される側面を構成する第２の部材を備え、
   前記第１の部材は、少なくとも一部が透光性を有することを特徴とする請求項２に記載の波長変換部材。
4. 前記冷却部材は、前記基材と対向する底面を構成する第１の部材、および前記基材と接続され、側面を構成する第２の部材を備え、
   前記第２の部材は、透光性を有しないことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の波長変換部材。
5. 前記冷却部材は、前記冷媒を前記空間に供給する供給孔、および前記冷媒を前記空間から排出する排出孔を有し、前記供給孔および前記排出孔にはそれぞれ前記冷媒を通す供給管および排出管が接続され、
   前記冷却部材は、前記供給管および前記排出管を通じて前記冷媒を前記空間に流通させることで前記基材または前記蛍光体層を冷却することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の波長変換部材。
6. 発光装置であって、
   請求項１から請求項５のいずれかに記載の波長変換部材と、
   前記波長変換部材の前記他方の主面側に設けられ、特定範囲の波長の光を発する発光素子と、を備えることを特徴とする発光装置。
   
   

Images