JP5781367B2

JP5781367B2 - 光源装置および照明装置

Info

Publication number: JP5781367B2
Application number: JP2011113329A
Authority: JP
Inventors: 康之三宅
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2031-05-20
Also published as: JP2012243617A

Description

本発明は、光源装置および照明装置に関する。

ＬＥＤ等の光半導体と蛍光体層を組み合わせた光源装置は広く普及しているが、近年では高輝度化が進み、一般照明や自動車のヘッドランプなどその応用範囲が広がってきている。このような光源装置は、今後も高輝度化することで、さらに多様な用途での普及が進むと考えられている。

このような光半導体と蛍光体層を組み合わせた光源装置を高輝度化するための手段として、光半導体に大電流を投入し光半導体からの励起光強度を強めることが考えられるが、実際には蛍光体層で熱が発生し、蛍光体層において樹脂成分の変色や蛍光体の温度消光による蛍光強度の低下が生じてしまう。このため、結果として、発光強度は飽和、減少し、光半導体と蛍光体層を組み合わせた光源装置の高輝度化は困難であった。

ここで、蛍光体層内の樹脂成分の変色とは、通常、蛍光体層は一定の形状に再現性良く形成するため、蛍光体粉末を樹脂成分と混練してペースト状に調製し、印刷法等を用いて塗布形成しており、この樹脂成分が加熱され２００℃程度以上になると変色してしまう現象のことである。樹脂成分は本来透明であるため、熱により樹脂成分に変色が起きると、光半導体からの励起光や蛍光体層からの蛍光の一部を吸収してしまい、高輝度化を妨げる要因となっていた。

また、蛍光体の温度消光とは、蛍光体を加熱すると蛍光強度が低下する現象のことである。温度消光により蛍光強度が低下すると、蛍光に変換されなかったエネルギーが熱となるため蛍光体の発熱量が増加し、さらに蛍光体の温度が上昇して温度消光が進み、蛍光強度もさらに低下するという現象が起きる。このため、熱により発生する蛍光体の温度消光も、高輝度化を妨げる要因となっていた。

これらの問題を解決するために、特許文献１には、蛍光体層に樹脂を含まない蛍光体層を用いた光源が提案されている。この場合、蛍光体層は、樹脂成分を含まないため、変色は起こらず、さらに蛍光体層を温度感受性の低い蛍光体のセラミックス層とするために温度消光が起きないので高輝度化が可能である。また図１のように蛍光体層９２を光半導体（固体光源）９５と直接接合することで、蛍光体層９２で発生した熱を光半導体（固体光源）９５側に放散することを意図していた。

特開２００６−００５３６７号公報

ところで、従来の図１に示すような光半導体（固体光源）９５と蛍光体層９２とが直接接合された光源装置では、光半導体（固体光源）９５からの励起光によって励起された蛍光体層９２からの発光（蛍光）のうち光半導体（固体光源）９５側とは反対側に出射する蛍光と、蛍光体層９２で吸収されずに蛍光体層９２を透過する光半導体（固体光源）９５からの励起光とを用いている。つまり、図１の光源装置は、蛍光体層９２を透過する光を利用する透過方式のものとなっている。

ここで、蛍光体層９２からの出射光を考えると、上記透過光とともに蛍光体層９２との界面で反射されて光半導体（固体光源）９５側へ戻って行く光、つまり反射光も存在しており、この光（反射光）は、光半導体（固体光源）９５に再吸収されるため、照明光として利用できない光となってしまうという問題があった。

また、図１の光源装置では、蛍光体層９２の熱を光半導体（固体光源）９５側に放散することを意図しているが、光半導体（固体光源）９５の励起光強度を高めた場合、蛍光体層９２のみならず光半導体（固体光源）９５でも発熱が起きるため、蛍光体層９２の発熱を同じく発熱している光半導体（固体光源）９５の側から放散させることとなり、熱放散の効率が良くないという問題があった。

このように、図１の光源装置では、透過方式のものとなっていることと、蛍光体層９２の発熱に対する熱放散の効率が良くないということとから、高輝度化に限界があった。

本発明は、従来に比べて十分な高輝度化を図ることの可能な光源装置および照明装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を発光する固体光源と、該固体光源からの励起光により励起され該固体光源の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層と、該蛍光体層の面のうち前記固体光源からの励起光が入射する側の面とは反対側の面に設けられた放熱基板とを備え、前記固体光源と前記蛍光体層とが空間的に離れた位置にあり、前記蛍光体層に垂直な方向から前記固体光源からの励起光を入射させるものであり、前記蛍光体層の面のうち前記固体光源からの励起光が入射した側の面から少なくとも蛍光を反射方式で取り出す光源装置であって、前記放熱基板にＶ字形状、角錐形状、円錐形状又はテーパ状の何れかであり、対面との角度が４５°以下の凹部が設けられ、前記蛍光体層は、前記放熱基板に設けられた前記凹部に、前記凹部と同形状の凹部を有するものとして形成されていることを特徴としている。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の光源装置において、前記固体光源からの励起光の照射軸に直交する照射断面積と前記固体光源からの励起光が照射される前記蛍光体層の照射面積とを比べるときに前記蛍光体層の照射面積の方が大きくなるように前記蛍光体層の凹部が形成されていることを特徴としている。

また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の光源装置において、前記蛍光体層は、蛍光体セラミックスであることを特徴としている。

また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光源装置において、該光源装置は、前記蛍光体層と前記放熱基板とを有する蛍光回転体を備えていることを特徴としている。

また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の光源装置が用いられていることを特徴とする照明装置である。

請求項１乃至請求項５記載の発明によれば、紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を発光する固体光源と、該固体光源からの励起光により励起され該固体光源の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層と、該蛍光体層の面のうち前記固体光源からの励起光が入射する側の面とは反対側の面に設けられた放熱基板とを備え、前記固体光源と前記蛍光体層とが空間的に離れた位置にあり、前記蛍光体層に垂直な方向から前記固体光源からの励起光を入射させるものであり、前記蛍光体層の面のうち前記固体光源からの励起光が入射した側の面から少なくとも蛍光を反射方式で取り出すので、従来に比べて十分な高輝度化を図ることができる。

特に、請求項１乃至請求項５記載の発明によれば、前記放熱基板にＶ字形状、角錐形状、円錐形状又はテーパ状の何れかであり、対面との角度が４５°以下の凹部が設けられ、前記蛍光体層は、前記放熱基板に設けられた前記凹部に、前記凹部と同形状の凹部を有するものとして形成されているので、輝度を低下させずに、蛍光体層内における励起密度の上昇および蛍光体層の温度の局所的な上昇を抑えることが可能となり、蛍光体層の温度消光を防止し、さらに蛍光体層が蛍光体セラミックスなどで形成されている場合に蛍光体層（蛍光体セラミックスなど）が割れるのを防止できる。

また、請求項４記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光源装置において、該光源装置は、前記蛍光体層と前記放熱基板とを有する蛍光回転体を備えているので、固体光源に対して蛍光体層を回転させることにより、固体光源からの励起光が当たる場所を分散させ、光照射部での発熱を抑えることができ、これにより、より一層の高輝度化が可能となる。

従来の光源装置を示す図である。本願出願人による本願の先願（特願２００９−２８６３９７）に記載されている光源装置を示す図である。本発明の光源装置の一構成例を示す図である。図２の光源装置において、固体光源からの励起光を、蛍光体層の励起光照射面に垂直な軸Ｚ方向に（すなわちθ＝０°で）入射させるように構成された光源装置を示す図である。図３の光源装置における固体光源からの励起光の照射範囲を示す図である。図４の光源装置における固体光源からの励起光の照射範囲を示す図である。図３の光源装置における固体光源からの励起光の照射範囲を示す図である。図４の光源装置における固体光源からの励起光の照射範囲を示す図である。放熱基板に設けられた凹部、蛍光体層の凹部の変形例を示す図である。放熱基板に設けられた凹部、蛍光体層の凹部の変形例を示す図である。放熱基板に設けられた凹部、蛍光体層の凹部の変形例を示す図である。放熱基板に設けられた凹部、蛍光体層の凹部の変形例を示す図である。蛍光体層を回転軸の周りに回転させる反射型蛍光回転体として構成した例を示す図である。放熱基板に設けられた凹部に、凹部を有する蛍光体層を接合する作製工程を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図２は、本願出願人による本願の先願（特願２００９−２８６３９７）に記載されている光源装置を示す図である。図２を参照すると、この光源装置１０は、紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を発光する固体光源５と、該固体光源５からの励起光により励起され該固体光源５の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層２とを備え、固体光源５と蛍光体層２とが空間的に離れて配置されている。

ここで、蛍光体層２には、樹脂成分を含んでいるもの（例えば、シリコーン樹脂などの高い透明樹脂中に蛍光体を分散、塗布したもの）や、ガラス封止のものを用いることもできるが、実質的に樹脂成分を含んでいないもの（蛍光体セラミックスなど）を用いることもできる。

また、蛍光体層２の前記励起光が入射する側の面とは反対の面側には光反射性と熱伝導性を有する基板（放熱基板）６が設けられており、蛍光体層２は、放熱基板６に接合部７によって接合されている。ここで、接合部７にも、光反射性と熱伝導性とを有する材料が用いられるのが良い。

また、この光源装置１０では、蛍光体層２の面のうち固体光源５からの励起光が入射する側の面とは反対側に設けられた反射面による反射を用いて蛍光などの光（励起光、蛍光）を取り出す方式（以下、反射方式と称す）が採用されている。

このように、この光源装置１０は、基本的には、固体光源５と蛍光体層２とを空間的に離して配置し、発光を反射方式で利用することを特徴としている。

すなわち、図１に示した従来の光源装置のように、蛍光体層９２が固体光源９５と接している場合には、高輝度化をしようとしても、蛍光体層９２と固体光源９５との両方とも加熱されてしまうため、蛍光体層９２からの熱放散の効率が悪かったが、図２の光源装置１０では、蛍光体層２を固体光源５から離して配置することで、高輝度化をする場合にも、蛍光体層２からの熱を、接合部７を介して低温の放熱基板６へ放散させることが可能となり、蛍光体層２からの熱放散の効率を、図１に示した従来の光源装置に比べて、著しく高めることができる。

また、図１に示した従来の光源装置では、固体光源９５からの励起光と蛍光体層９２からの蛍光のうち、固体光源９５とは反対の側に出射する蛍光と、蛍光体層９２で吸収されずに透過する固体光源９５からの励起光とを用いている。つまり透過方式を使用している。ここで、透過方式では、蛍光体層９２からの出射光を考えると、励起光については上記透過光とともに蛍光体層９２との界面で反射されて固体光源９５側へ戻って行く発光、つまり反射光も存在しており、この反射光は固体光源９５に再吸収されるため照明光として利用できない光となってしまう。また、蛍光体層９２からの蛍光は、蛍光体層９２の両面から出射するため、やはり固体光源９５側に出射する光は利用できない。このように、透過方式では、光の利用効率が低下してしまう。また、透過方式では、目的の色度の照明光を得るためには蛍光体層９２の厚みを厚くする必要があり、蛍光体層９２から固体光源９５までの距離が長くなるため、蛍光体層９２からの熱を固体光源９５に放散する上で不利であった。

これに対し、図２の光源装置１０では、固体光源５とは反対の側に出射する光（励起光、蛍光）を反射面（例えば基板６の反射面）で固体光源５側に反射する反射方式を採用しているので、固体光源５からの励起光によって励起された蛍光体層２からの発光（蛍光）の全て（すなわち、固体光源５側に出射する蛍光）と、蛍光体層２で吸収されなかった固体光源５からの励起光の全て（すなわち、蛍光体層２で吸収されなかった固体光源５からの光の反射光）とを照明光として利用できるため（すなわち、励起光、蛍光とも効率よく照明光として利用できるため）、光の利用効率を著しく高めることができ、高輝度化が可能となる。また、透過型に対し、反射型では、蛍光体層２の厚みが半分以下でも蛍光体層２内の光路長が等しくなり、同じ色度の光が得られるため、蛍光体層２を薄くすることができ、蛍光体層２から基板６までの距離が短くなるので、熱放散の面でも有利である。

このように、図２の光源装置１０では、基本的には、固体光源５と蛍光体層２とを空間的に離して配置し、発光を反射方式で利用するので、従来に比べて十分な高輝度化を図ることができる。

さらに、図２の光源装置１０において、蛍光体層２に実質的に樹脂成分を含んでいないものが用いられる場合には、熱による変色がなく、光の吸収が少ないことから、より一層の高輝度化を図ることができる。

ここで、樹脂成分を実質的に含まない蛍光体層２とは、蛍光体層の形成に通常使用される樹脂成分が蛍光体層の５ｗｔ％以下であるものを意味する。このような蛍光体層を実現するものとして蛍光体粉末をガラス中に分散させたもの、ガラス母体に発光中心イオンを添加したガラス蛍光体、蛍光体の単結晶や蛍光体の多結晶体（以下、蛍光体セラミックスと称す）などが挙げられる。蛍光体セラミックスは、蛍光体の製造過程において、焼成前に材料を任意の形状に成形し、焼成した蛍光体の塊である。蛍光体セラミックスは、その製造工程のうち、成形工程においてバインダーとして有機物を使用する場合があるが、成形後に脱脂工程を設けて有機成分を焼き飛ばすため、焼成後の蛍光体セラミックスには有機樹脂成分は５ｗｔ％以下しか残留しない。したがって、ここに挙げた蛍光体層は、実質的に樹脂成分を含まず、無機物質のみから構成されているため、熱による変色が発生することがない。また、無機物質のみからなるガラスやセラミックスは、一般に、樹脂よりも熱伝導率が高いため、蛍光体層２から基板６への熱放散においても有利である。特に蛍光体セラミックスは、一般的に、ガラスよりもさらに熱伝導率が高く、単結晶より製造コストが安いため、これを蛍光体層２に用いるのが好適である。

また、蛍光体層２は、固体光源５からの励起光により励起され固体光源５の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する少なくとも１種類の蛍光体を含んでいる。具体的には、固体光源５が紫外光を発光するものである場合、蛍光体層２は、例えば、青、緑、赤色などの蛍光体のうち、少なくとも１種類の蛍光体を含んでいる。固体光源５が紫外光を発光するものである場合、蛍光体層２が、例えば、青、緑、赤色の蛍光体を含んでいるときには（青、緑、赤色の蛍光体のそれぞれが例えば均一に分散されて混合されたものとなっているときには）、固体光源５からの紫外光を蛍光体層２に照射するとき、反射光として白色の照明光を得ることができる。また、固体光源５が紫外光を発光するものである場合、蛍光体層２が、例えば、青色、または、緑色、または、赤色の蛍光体を含んでいるときには、固体光源５からの紫外光を蛍光体層２に照射するとき、反射光として青色、または、緑色、または、赤色の照明光（単色光）を得ることができる。また、固体光源５が可視光として青色光を発光するものである場合、蛍光体層２は、例えば、緑、赤、黄色などの蛍光体のうち、少なくとも１種類の蛍光体を含んでいる。固体光源５が可視光として青色光を発光するものである場合、蛍光体層２が、例えば、緑、赤色の蛍光体を含んでいるときには（緑、赤色の蛍光体のそれぞれが例えば均一に分散されて混合されたものとなっているときには）、固体光源５からの青色光を蛍光体層２に照射するとき、反射光として白色などの照明光を得ることができる。また、固体光源５が可視光として青色光を発光するものである場合、蛍光体層２が、例えば、黄色の蛍光体だけを含んでいるときには、固体光源５からの青色光を蛍光体層２に照射するとき、反射光として白色などの照明光を得ることができる。このように、固体光源５と蛍光体層２とを適宜組み合わせることにより、単色光または白色光を得ることができる。

また、図２の光源装置１０において、放熱基板６は、光（固体光源５からの励起光によって励起された蛍光体層２からの発光（蛍光）と、蛍光体層２で吸収されなかった固体光源５からの光）に対する反射面の役割と、蛍光体層２から放散してきた熱を外部へ放散させる役割と、蛍光体層２の支持基板の役割も担うものである。このため、高い光反射特性、伝熱特性、加工性が求められる。この放熱基板６には、金属基板やアルミナなどの酸化物セラミックス、窒化アルミニウムなどの非酸化セラミックスなどが使用可能であるが、特に高い光反射特性、伝熱特性、加工性を併せ持つ金属基板が使用されるのが望ましい。

また、蛍光体層２と放熱基板６との接合部７も、光（固体光源５からの励起光によって励起された蛍光体層２からの発光（蛍光）と、蛍光体層２で吸収されなかった固体光源５からの光）に対する反射面の役割と、蛍光体層から熱を放散させる役割とを担うものであるから、高い光反射特性と伝熱特性を併せ持つ金属（金属のろう付け）が用いられるのが望ましく、接合部７としては、有機接着剤、無機接着剤、低融点ガラス、金属（金属のろう付け）などを用いることができる。

ところで、図２の光源装置１０においては、固体光源５からの励起光を蛍光体層２に斜めに、すなわち蛍光体層２の励起光照射面に垂直な軸Ｚに対して所定の角度θ（θ≠０°）をなして入射させることで、蛍光体層２の励起光照射面に垂直な軸Ｚ方向に（すなわちθ＝０°で）入射させる場合に比べて、蛍光体層２への励起光の照射面積を大きくすることができ、これによって、蛍光体層２内における励起密度の上昇および蛍光体層２の温度の局所的な上昇を抑え、蛍光体層２の温度消光を防止し、さらに蛍光体層２が蛍光体セラミックスなどで形成されている場合に蛍光体層２（蛍光体セラミックスなど）が割れるのを防止している。

しかしながら、図２の光源装置１０では、固体光源５からの励起光を蛍光体層２に斜めに入射させることで、蛍光体層２への励起光の照射面積を大きくすることができ、蛍光体層２内における励起密度の上昇を抑えることができるものの、その反面、蛍光体層２の励起光照射面に垂直な軸Ｚ方向に（すなわちθ＝０°で）入射させる場合に比べて、輝度も低下してしまうという問題が生じる。

本発明は、この問題を解決するためになされたものであり、輝度を低下させずに、蛍光体層内における励起密度の上昇および蛍光体層の温度の局所的な上昇を抑えることの可能な光源装置および照明装置を提供することを目的としている。

図３（ａ），（ｂ）は、本発明の光源装置の一構成例を示す図である。なお、図３（ａ）は全体の正面図、図３（ｂ）は蛍光体層が設けられている部分の斜視図であり、図３（ａ），（ｂ）において図２と同様の箇所には同じ符号を付している。図３（ａ），（ｂ）を参照すると、この光源装置２０も、紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を発光する固体光源５と、該固体光源５からの励起光により励起され該固体光源５の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層２とを備え、固体光源５と蛍光体層２とが空間的に離れて配置されている。

また、蛍光体層２の前記励起光が入射する側の面とは反対の面側には光反射性と熱伝導性を有する基板（放熱基板）６が設けられており、蛍光体層２は、放熱基板６に接合部（図３（ａ），（ｂ）では図示せず）によって接合されている。ここで、接合部にも、光反射性と熱伝導性とを有する材料が用いられるのが良い。

また、この光源装置２０では、蛍光体層２の面のうち固体光源５からの励起光が入射する側の面とは反対側に設けられた反射面による反射を用いて蛍光などの光（励起光、蛍光）を取り出す方式（以下、反射方式と称す）が採用されている。

このように、図３（ａ），（ｂ）の光源装置２０も、基本的には、図２の光源装置１０と同様の構成となっており、蛍光体層２、放熱基板６、接合部には、図２の光源装置１０で説明したと同様の材料（図２の光源装置１０の蛍光体層２、放熱基板６、接合部７と同様の材料）を用いることができる。

ところで、図３（ａ），（ｂ）の光源装置２０では、前述した図２の光源装置１０における問題を解決するため、放熱基板６には凹部２１が設けられ、蛍光体層２は、放熱基板６に設けられた凹部２１に、凹部２２を有するものとして形成されている。

なお、図３（ａ），（ｂ）の例では、放熱基板６に設けられた凹部２１はＶ字溝となっており、蛍光体層２の凹部２２もＶ字溝となっている。また、放熱基板６に設けられた凹部２１（Ｖ字溝）の幅Ｗ１は約１ｍｍ程度であり、蛍光体層２の厚さは１００μｍ〜２００μｍ程度であることから、蛍光体層２の凹部２２（Ｖ字溝）の幅Ｗ２も約１ｍｍ程度である。

また、図３（ａ），（ｂ）の光源装置２０では、固体光源５からの励起光を、凹部２２が設けられていないとした場合の蛍光体層２の励起光照射面（すなわち、図２の光源装置１０の蛍光体層２の励起光照射面）に垂直な軸Ｚ方向に（すなわちθ＝０°で）入射させるように構成されている。また、このとき、固体光源５からの励起光の励起光照射スポットの大きさ（励起光照射スポット径）は、例えば蛍光体層２の凹部２２（Ｖ字溝）の幅Ｗ２全体をカバーする約１ｍｍ程度のものでも良いし、例えば蛍光体層２の凹部２２（Ｖ字溝）の一部を照射する程度のもの（１ｍｍ程度以下のもの）でも良い。このような励起光照射スポットの大きさ（励起光照射スポット径）は、レンズなどにより容易に調整できる。また、図３（ａ），（ｂ）の光源装置２０では、固体光源５からの励起光を、凹部２２が設けられていないとした場合の蛍光体層２の励起光照射面（すなわち、図２の光源装置１０の蛍光体層２の励起光照射面）に垂直な軸Ｚ方向に（すなわちθ＝０°で）入射させるように構成されていることから、蛍光体層２からの反射光（励起光、蛍光）を入射光と分離して取り出すためのハーフミラー２５が設けられている。

図３（ａ），（ｂ）の光源装置２０を、図４に示す光源装置１５と比較する。なお、図４に示す光源装置１５は、図２の光源装置１０において、固体光源５からの励起光を、蛍光体層２の励起光照射面に垂直な軸Ｚ方向に（すなわちθ＝０°で）入射させるように構成されているものである。

固体光源５からの励起光の励起光照射スポットの大きさ（励起光照射スポット径）として、例えば蛍光体層２の凹部２２（Ｖ字溝）の幅Ｗ２全体をカバーする約１ｍｍ程度のものが用いられる場合、図３（ａ），（ｂ）の光源装置２０では、固体光源５からの励起光の照射範囲は図５（ａ），（ｂ）に示すものとなり、図４の光源装置１５では、固体光源５からの励起光の照射範囲は図６（ａ），（ｂ）に示すものとなる。なお、図５（ａ）、図６（ａ）は上面図、図５（ｂ）、図６（ｂ）は側面図である。図５（ａ）、図６（ａ）を比べると、図３（ａ），（ｂ）の光源装置２０、図４の光源装置１５のいずれも、上面から見た励起光の蛍光体層２への照射面積（固体光源５からの励起光の照射軸Ｚに直交する照射断面積）はＡＲ０と同じであることから、図３（ａ），（ｂ）の光源装置２０は、図４の光源装置１５に比べて、輝度が低下することはない。また、図５（ｂ）、図６（ｂ）を比べると、図４の光源装置１５では、励起光の蛍光体層２への実際の照射面積は、固体光源５からの励起光の照射軸Ｚに直交する照射断面積ＡＲ０であるのに対し、図３（ａ），（ｂ）の光源装置２０では、励起光の蛍光体層２への実際の照射面積はＡＲ１（＞ＡＲ０／２）とＡＲ２（＞ＡＲ０／２）とを合わせたものであり、ＡＲ０よりも大きくなる。これにより、図３（ａ），（ｂ）の光源装置２０では、輝度を低下させずに、蛍光体層２内における励起密度の上昇および蛍光体層２の温度の局所的な上昇を抑えることが可能となる。

また、固体光源５からの励起光の励起光照射スポットの大きさ（励起光照射スポット径）として、例えば蛍光体層２の凹部２２（Ｖ字溝）の一部を照射する程度のもの（１ｍｍ程度以下のもの）が用いられる場合、図３（ａ），（ｂ）の光源装置２０では、固体光源５からの励起光の照射範囲は図７（ａ），（ｂ）に示すものとなり、図４の光源装置１５では、固体光源５からの励起光の照射範囲は図８（ａ），（ｂ）に示すものとなる。なお、図７（ａ）、図８（ａ）は上面図、図７（ｂ）、図８（ｂ）は側面図である。図７（ａ）、図８（ａ）を比べると、図３（ａ），（ｂ）の光源装置２０、図４の光源装置１５のいずれも、上面から見た励起光の蛍光体層２への照射面積（固体光源５からの励起光の照射軸Ｚに直交する照射断面積）はＡＲ３と同じであることから、図３（ａ），（ｂ）の光源装置２０は、図４の光源装置１５に比べて、輝度が低下することはない。また、図７（ｂ）、図８（ｂ）を比べると、図４の光源装置１５では、励起光の蛍光体層２への実際の照射面積は、固体光源５からの励起光の照射軸Ｚに直交する照射断面積ＡＲ３であるのに対し、図３（ａ），（ｂ）の光源装置２０では、励起光の蛍光体層２への実際の照射面積はＡＲ４（＞ＡＲ３）であり、ＡＲ３よりも大きくなる。これにより、図３（ａ），（ｂ）の光源装置２０では、輝度を低下させずに、蛍光体層２内における励起密度の上昇および蛍光体層２の温度の局所的な上昇を抑えることが可能となる。

このように、図３（ａ），（ｂ）の光源装置２０では、固体光源５からの励起光の励起光照射スポットの大きさ（励起光照射スポット径）として、蛍光体層２の凹部２２（Ｖ字溝）の幅Ｗ２全体をカバーする約１ｍｍ程度のものが用いられる場合、蛍光体層２の凹部２２（Ｖ字溝）の一部を照射する程度のもの（１ｍｍ程度以下のもの）が用いられる場合のいずれの場合にも、輝度を低下させずに、蛍光体層２内における励起密度の上昇および蛍光体層２の温度の局所的な上昇を抑えることが可能となる。

換言すれば、本発明では、固体光源５からの励起光の照射軸Ｚに直交する照射断面積と固体光源５からの励起光が照射される蛍光体層２の照射面積とを比べるときに蛍光体層２の照射面積の方が大きくなるように蛍光体層２の凹部２２が形成されている。これにより、輝度を低下させずに、蛍光体層２内における励起密度の上昇および蛍光体層２の温度の局所的な上昇を抑えることが可能となり、蛍光体層２の温度消光を防止し、さらに蛍光体層２が蛍光体セラミックスなどで形成されている場合に蛍光体層２（蛍光体セラミックスなど）が割れるのを防止できる。さらに、蛍光体層２の凹部２２（Ｖ字溝）の角度φが例えば４５°以下のときなどには、蛍光体層２の凹部２２に入射した固体光源５からの励起光の正反射成分をも有効に励起光として利用できるので、図４の光源装置１５に比べてより一層輝度を高めることが可能となる。

なお、図３（ａ），（ｂ）の例では、放熱基板６に設けられた凹部２１はＶ字溝となっており、蛍光体層２の凹部２２もＶ字溝となっているが、凹部２１、凹部２２としては、Ｖ字溝に限らず、種々の変形が可能である。例えば、凹部２１、凹部２２を、図９（ａ），（ｂ）に示すような角錐形状（例えば、三角錐や四角錐などの形状；図９（ａ）は上面図、図９（ｂ）は断面図であり、図９（ａ），（ｂ）の例では四角錐の形状）、あるいは、図１０（ａ），（ｂ）に示すような円錐形状（図１０（ａ）は上面図、図１０（ｂ）は断面図）等にすることもできる。また、凹部２１、凹部２２を図１１（ａ），（ｂ）に示すようなテーパ状（図１１（ａ）は上面図、図１１（ｂ）は断面図）のものにすることもできる。また、凹部２１、凹部２２を図１２に断面で示すように非対称形状のものにすることもでき、この場合、固体光源５からの励起光の入射方向を図１２に示すように斜めにすることもできる。なお、上記のいずれの場合も、対面する蛍光体層２の角度φが例えば４５°以下のときなどには、蛍光体層２の凹部２２に入射した固体光源５からの励起光の正反射成分をも有効に励起光として利用できるので、図４の光源装置１５に比べてより一層輝度を高めることが可能となる。

また、上述した本発明の光源装置において、蛍光体層２は、固定されていてもよいが、蛍光体層２を移動可能に構成することもできる。例えば、図１３（ａ），（ｂ）に示すように（図１３（ａ）は全体の正面図（断面図）、図１３（ｂ）は蛍光体層２の平面図である）、蛍光体層２、放熱基板６を回転軸Ｘの周りに回転させる（モーター４等によって回転させる）反射型蛍光回転体１として構成することもできる。すなわち、反射型蛍光回転体１は、蛍光体層２と放熱基板６を接合したものをモーター４等と連結することで実現できる。また、この反射型蛍光回転体１において、放熱基板６にはリング状の凹部２１（例えばリング状のＶ字溝）が設けられ、放熱基板６に設けられたリング状の凹部２１（例えばリング状のＶ字溝）に、リング状の凹部２２（例えばリング状のＶ字溝）を有する蛍光体層２が形成されている。ここで、放熱基板６や接合部が、励起光および蛍光の反射面として機能している。なお、放熱基板６の形状は、円盤状や四角形などが考えられる。また回転の安定性を確保するために、円盤の一部を切り欠いたり、逆におもりをつけた形状とすることも可能である。このように、固体光源５に対してリング状の凹部２２（例えばリング状のＶ字溝）を有する蛍光体層２を回転させることで、励起光が当たる場所を分散させ、光照射部での発熱を抑えることができる。この蛍光回転体１を用いることで、そもそも蛍光体の発熱を抑えることが出来るため、より一層の高輝度が可能となる。

次に、上述した本発明の光源装置をより詳細に説明する。

上述した本発明の光源装置において、固体光源５には、紫外光から可視光領域に発光波長をもつ発光ダイオードや半導体レーザーなどが使用可能である。

より具体的に、固体光源５には、例えば、ＩｎＧａＮ系の材料を用いた発光波長が約３８０ｎｍの近紫外光を発光する発光ダイオードや半導体レーザーなどを用いることができる。この場合、蛍光体層２の蛍光体としては、波長が約３８０ｎｍないし約４００ｎｍの紫外光により励起されるものとして、例えば、赤色蛍光体には、ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ^２＋、Ｃａ_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ^２＋、Ｌａ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ^３＋、ＫＳｉＦ_６：Ｍｎ^４＋、ＫＴｉＦ_６：Ｍｎ^４＋等を用いることができ、緑色蛍光体には、Ｌｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋、（Ｓｉ，Ａｌ）_６（Ｏ，Ｎ）_８：Ｅｕ^２＋、ＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ^２＋，Ｍｎ^２＋、（Ｂａ，Ｓｒ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋等を用いることができ、青色蛍光体には、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）_１０（ＰＯ_４）_６Ｃ_ｌ２：Ｅｕ^２＋、ＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ^２＋、ＬａＡｌ（Ｓｉ，Ａｌ）_６（Ｎ，Ｏ）_１０：Ｃｅ^３＋等を用いることができる。

また、固体光源５には、例えば、ＧａＮ系の材料を用いた発光波長が約４６０ｎｍの青色光を発光する発光ダイオードや半導体レーザーなどを用いることができる。この場合、蛍光体層２の蛍光体としては、波長が約４４０ｎｍないし約４７０ｎｍの青色光により励起されるものとして、例えば、赤色蛍光体には、ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ^２＋、Ｃａ_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ^２＋、ＫＳｉＦ_６：Ｍｎ^４＋、ＫＴｉＦ_６：Ｍｎ^４＋等を用いることができ、緑色蛍光体には、Ｌｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋、Ｙ_３（Ｇａ，Ａｌ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋、Ｃａ_３Ｓｃ_２Ｓｉ_３Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋、ＣａＳｃ_２Ｏ_４：Ｅｕ^２＋、（Ｂａ，Ｓｒ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋、Ｂａ_３Ｓｉ_６Ｏ_１２Ｎ_２：Ｅｕ^２＋、（Ｓｉ，Ａｌ）_６（Ｏ，Ｎ）_８：Ｅｕ^２＋等を用いることができる。また、波長が約４４０ｎｍないし約４７０ｎｍの青色光により励起されるものとして、例えば、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋（ＹＡＧ）、（Ｓｒ，Ｂａ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋、Ｃａ_ｘ（Ｓｉ，Ａｌ）_１２（Ｏ，Ｎ）_１６：Ｅｕ^２＋等の黄色蛍光体を用いることができる。

蛍光体層２としては、これらの蛍光体粉末をガラス中に分散させたものや、ガラス母体に発光中心イオンを添加したガラス蛍光体、樹脂などの結合部材を含まない蛍光体セラミックス等を用いることができる。蛍光体粉末をガラス中に分散させたものの具体例としては、上に列挙した組成の蛍光体粉末をＰ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３などの成分を含むガラス中に分散したものが挙げられる。ガラス母体に発光中心イオンを添加したガラス蛍光体としては、Ｃｅ^３＋やＥｕ^２＋を付活剤として添加したＣａ−Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ系やＹ−Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ系などの酸窒化物系ガラス蛍光体が挙げられる。蛍光体セラミックスとしては、上に列挙した組成の蛍光体組成からなり、樹脂成分を実質的に含まない焼結体が挙げられる。これらの中でも透光性を有する蛍光体セラミックスを使用することが望ましい。これは、焼結体中に光の散乱の原因となるポアや粒界の不純物がほとんど存在しないために透光性を有するに至った蛍光体セラミックスである。ポアや不純物は熱拡散を妨げる原因にもなるため、透光性セラミックスは高い熱伝導率を示す。このため蛍光体層として利用した場合には励起光や蛍光を拡散により失うことなく蛍光体層から取り出して利用でき、さらに蛍光体層で発生した熱を効率良く放散することができる。透光性を示さない焼結体でも出来るだけポアや不純物の少ないものが望ましい。ポアの残存量を評価する指標としては蛍光体セラミックスの比重の値を用いることができ、その値が計算される理論値に対して９５％以上のものが望ましい。

ここで、青色励起の黄色発光蛍光体であるＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋蛍光体を例に、透光性を有する蛍光体セラミックスの製造方法を説明する。蛍光体セラミックスは出発原料の混合工程、成形工程、焼成工程、加工工程を経て製造される。出発原料には、酸化イットリウムや酸化セリウムやアルミナ等、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋蛍光体の構成元素の酸化物や、焼成後に酸化物となる炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩等を用いる。出発原料の粒径はサブミクロンサイズのものが望ましい。これらの原料を化学量論比となるように秤量する。このとき焼成後のセラミックスの透過率向上を目的として、カルシウムやシリコンなどの化合物を添加することも可能である。秤量した原料は、水もしくは有機溶剤を用い、湿式ボールミルにより十分に分散、混合を行う。次に混合物を所定の形状に成形する。成形方法としては、一軸加圧法、冷間静水圧法、スリップキャスティング法や射出成形法等を用いることができる。得られた成形体を１６００〜１８００℃で焼成する。これにより、透光性のＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋蛍光体セラミックスを得ることができる。

以上のようにして作製した蛍光体セラミックスは、自動研磨装置などを用いて、厚さ数十〜数百μｍの厚みに研磨し、さらに、ダイアモンドカッターやレーザーを用いたダイシングやスクライブにより、Ｖ字形の棒や角錐形状（例えば、三角錐や四角錐などの形状）、円錐形状等、リング形など任意の形状の板に切り出して使用する。

ここで、蛍光体セラミックスの励起光入射面に、酸化物の多層膜からなるＡＲコート（反射防止機能を有する膜）を施しても良い。

また、放熱基板６には、金属基板や酸化物セラミックス、非酸化セラミックスなどを使用可能であるが、特に、高い光反射特性、伝熱特性、加工性を併せ持つ金属基板を使用するのが望ましい。金属としては、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｐｄなどの単体や、それらを含む合金が使用可能である。また、放熱基板６の表面に増反射や腐食防止を目的としたコーティングを施しても良い。また、放熱基板６には、放熱性を高めるために、フィンなどの構造を設けても良い。

実際、例えば図３（ａ），（ｂ）の例において、放熱基板６に設けられた凹部２１（Ｖ字溝）に、凹部２２（Ｖ字溝）を有する蛍光体層２を接合する工程は、例えば次のようにしてなされる。すなわち、図１４（ａ）に示すように、焼成前に材料を成形するか、または、後加工で成形することにより、断面が三角形の棒状の蛍光体層２を作製する。ここで、蛍光体層２は、実質的に樹脂を含まないもの（蛍光体セラミックスなど）として作製することもできるし、ガラス封止のものとして、あるいは、樹脂を含むものとして作製することもできる。次いで、図１４（ｂ）に示すように、断面が三角形の棒状の蛍光体層２を放熱基板６に設けられた凹部２１（Ｖ字溝）に接合する。しかる後、図１４（ｃ）に示すように、断面が三角形の棒状の蛍光体層２の上部に凹部２２（Ｖ字溝）を形成することで、図３（ａ），（ｂ）の構造を作製できる。

上述したように、本発明では、固体光源５と蛍光体層２を放熱基板６に対して同じ側に設置することで、反射型の光源装置となる。もちろん必要であれば、固体光源５と蛍光体層２との間にレンズなどの光学素子を入れることもできる。

また、本発明の上述した種々の光源装置を所定のレンズ系などの光学部品と組み合わせることで、高輝度化が可能な照明装置を提供できる。

本発明は、照明一般などに利用可能である。

１蛍光回転体
２蛍光体層
４モーター
５固体光源
６放熱基板
７接合部
２１、２２凹部
１０、２０光源装置

Claims

紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を発光する固体光源と、該固体光源からの励起光により励起され該固体光源の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層と、該蛍光体層の面のうち前記固体光源からの励起光が入射する側の面とは反対側の面に設けられた放熱基板とを備え、前記固体光源と前記蛍光体層とが空間的に離れた位置にあり、前記蛍光体層に垂直な方向から前記固体光源からの励起光を入射させるものであり、前記蛍光体層の面のうち前記固体光源からの励起光が入射した側の面から少なくとも蛍光を反射方式で取り出す光源装置であって、前記放熱基板にＶ字形状、角錐形状、円錐形状又はテーパ状の何れかであり、対面との角度が４５°以下の凹部が設けられ、前記蛍光体層は、前記放熱基板に設けられた前記凹部に、前記凹部と同形状の凹部を有するものとして形成されていることを特徴とする光源装置。
請求項１記載の光源装置において、前記固体光源からの励起光の照射軸に直交する照射断面積と前記固体光源からの励起光が照射される前記蛍光体層の照射面積とを比べるときに前記蛍光体層の照射面積の方が大きくなるように前記蛍光体層の凹部が形成されていることを特徴とする光源装置。
請求項１または請求項２記載の光源装置において、前記蛍光体層は、蛍光体セラミックスであることを特徴とする光源装置。
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光源装置において、該光源装置は、前記蛍光体層と前記放熱基板とを有する蛍光回転体を備えていることを特徴とする光源装置。
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の光源装置が用いられていることを特徴とする照明装置。