JP5949872B2 - 蛍光光源装置 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ光を用いて蛍光を発生させる蛍光光源装置に関する。
現在、例えば照明用の光源として蛍光光源装置を利用する技術が知られている。蛍光光源装置は、例えば半導体レーザなどの固体光源の光によって蛍光体を励起させて当該蛍光体から発せられる光を出射するものである。
而して、蛍光体は、励起光を受けたときにその光エネルギーの一部を熱エネルギーに変換するものであるため、このような蛍光光源装置においては、レーザ光が蛍光体に照射されることによって蛍光体が発熱する。蛍光体が高い温度に発熱すると、温度消光によって蛍光体から発せられる蛍光の光量が低下して発光効率が低下する、という問題がある。このため、蛍光体に生じた熱を効率よく放熱することが必要である。
例えば、このような蛍光光源装置を照明用の光源として用いる場合には、遠方照射するために、大きな光量、例えば、７０００［ｌｍ］程度の光束が得られるものとして構成されていることが必要である。具体的には例えば、３５０［ｌｍ／Ｗ］のスペクトルを持つ白色蛍光光源で７０００［ｌｍ］の光束を得るためには、２０Ｗの光出力が必要となる。ここで、外部量子効率が５０％であるとすると、蛍光体を同等の排熱量（２０Ｗ）で冷却することが必要になる。
図５は、従来の蛍光光源装置の一例における構成の概略を示す、反射鏡の光軸に沿った断面図である。
この蛍光光源装置は、半導体レーザアレイよりなる励起光源７０と、励起光源７０からのレーザ光によって蛍光を発する蛍光体を含む発光部７５と、反射面が発光部７５と対向する状態で配置された反射鏡８０と、反射鏡８０の開口部を覆う透明板８１とにより構成されている。図５において、７１は半導体レーザ、７２は非球面レンズ、７３は励起光源７０からのレーザ光を導光する光ファイバである。発光部７５は、冷却部８６に伝熱的に接続された板状の熱伝導部材８５と、透明窓８１とによって狭持されて固定されている。７６は、接着剤よりなる間隙層である。このような蛍光光源装置は、特許文献１に開示されている。
特許第５０２１０８９号公報
而して、上述したように、このような蛍光光源装置においては、発光部７５に入射されたレーザ光の光エネルギーの一部は、熱エネルギーに変換されて発光部７５および発光部７５を保持する熱伝導部材８５の温度を上昇させる。また、レーザ光の一部は、熱伝導部材８５に吸収され発熱し、やはり温度上昇の原因となる。熱伝導部材８５の温度が上昇すると、熱膨張による変形が生じ、発光部７５と反射鏡８０との位置関係が変化してしまう。その結果、蛍光光源装置から出射される光の出力や分布が変化してしまう、という問題があった。
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、蛍光部材を効率よく冷却することができると共に蛍光部材を反射鏡に対する適正な位置に保持することができ、従って、高い光出力を長期間の間にわたって安定的に得ることができる蛍光光源装置を提供することを目的とする。
本発明の蛍光光源装置は、励起光が照射されることにより蛍光が発せられる蛍光部材と、反射面が当該蛍光部材における励起光受光面と対向して配置された反射鏡とを備えた蛍光光源装置であって、
前記蛍光部材および前記反射鏡は、熱伝導性材料よりなる共通の保持構造体によって保持されており、当該保持構造体は、筒状の基体部分と、当該基体部分の内周面から当該基体部分の中心軸に向かって延びるよう形成された導熱部分とにより構成されており、
前記蛍光部材は、当該保持構造体における導熱部分の、前記反射鏡の反射面と対向する一側面において、前記基体部分の中心軸上に位置されるよう保持されていることを特徴とする。
本発明の蛍光光源装置においては、前記保持構造体は、各々内端部が互いに前記基体部分の中心軸上で接合された複数の板状の導熱部分を有し、
当該複数の導熱部分の各々は、保持構造体の構造が軸対称となるよう、配置された構成とされていることが好ましい。
さらにまた、本発明の蛍光光源装置においては、前記保持構造体の一端側開口が窓部材により塞がれると共に当該保持構造体の他端側開口が閉塞部材により塞がれており、前記蛍光部材が位置される空間が閉鎖空間とされた構成とされていることが好ましい。
本発明の蛍光光源装置によれば、蛍光部材に生ずる熱が、保持構造体における導熱部分を介して基体部分に伝熱されて基体部分の全体から外部に放熱されるので、蛍光部材の温度上昇に伴う温度消光によって蛍光部材から発せられる蛍光の光量が低下することを回避することができる。従って、上記構成の蛍光光源装置によれば、高い光出力を長期間の間にわたって安定的に得ることができる。
また、保持構造体が、各々内端部が互いに基体部分の中心軸上で接合された複数の導熱部分を有し、複数の導熱部分の各々が、保持構造体の構造が軸対称となるよう、配置されていることにより、保持構造体の温度上昇に伴う、蛍光部材と反射鏡などの光学部品との位置関係の変化の程度を、小さく抑制することができ、所期の光出力の光を出射することができる。
さらにまた、蛍光部材が位置される蛍光部材配置空間が閉鎖空間とされていることにより、蛍光部材配置空間内に対する水の浸入やほこり等の侵入によって、蛍光部材の発光効率が低下したり、蛍光部材自体が劣化したりするといった問題が生ずることを回避することができる。
本発明の蛍光光源装置の一例における構成の概略を示す正面図である。 図１におけるＡ−Ａ線断面図である。 図１に示す蛍光光源装置における蛍光部材の保持構造を概略的に示す斜視図である。 反射鏡の一構成例を概略的に示す、光軸に沿った断面図である。 従来の蛍光光源装置の一例における構成の概略を示す、反射鏡の光軸に沿った断面図である。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の蛍光光源装置の一例における構成の概略を示す正面図である。図２は図１におけるＡ−Ａ線断面図である。図３は、図１に示す蛍光光源装置における蛍光部材の保持構造を概略的に示す斜視図である。
この蛍光光源装置は、励起光が照射されることにより蛍光を発する蛍光部材２５を備えており、蛍光部材２５は、筒状の保持構造体１０によって保持されている。蛍光部材２５は、例えばセリウム付活のＹＡＧ蛍光体（発光波長：５５０ｎｍ）よりなる蛍光板２６により構成されている。
保持構造体１０は、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金などの熱伝導性材料よりなり、円筒状の基体部分（リム）１１と、この基体部分１１の内周面から基体部分１１の中心軸Ｃに向かって延びる、蛍光部材２５の排熱用伝熱路を構成する複数の導熱部分（スポーク）１６とを有する。なお、図１および図２における符号６０は、例えばアルミニウム合金よりなる支持脚部である。
基体部分１１は、一端側筒状部１２と、一端側筒状部１２の他端に段部１５を介して連続する他端側筒状部１３とを有する。他端側筒状部１３は、一端側筒状部１２より大きい内径を有する。
複数の導熱部分１６の各々は、例えば、基体部分１１の中心軸Ｃに沿って延びる平板状の導熱板１７により構成されており、基体部分１１における一端側筒状部１２の内周面において、保持構造体１０の構造が軸対称となるよう、配置されている。具体的には、４枚の導熱板１７が、基体部分１１の中心軸Ｃに垂直な断面において、一の導熱板１７の厚み方向の中心線を対称軸とする軸対称位置に配置されている。各導熱板１７は、径方向における内端部が互いに接合されており、基体部分１１の中心軸（保持構造体１０の中心軸）Ｃ上において例えば角柱状の接合部１８を構成している。また、径方向における外端部は、基体部分１１の内周面に一体に接合されて伝熱的に接続されている。なお、保持構造体１０は、基体部分１１を形成する材料と、導熱部分１６を形成する各導熱板１７を接合して一体化されたものとされているが、例えば鋳造等により一体成型したものであってもよい。
この例における導熱板１７は、軸方向の長さ寸法Ｌが径方向において均一な大きさのものとされているが、軸方向の長さ寸法Ｌは径方向において均一な大きさのものである必要はない。導熱板１７の厚みｔおよび軸方向の長さ寸法Ｌは、導熱板１７それ自体による光損失の程度を小さく抑制しながら、一定以上の排熱量（伝熱量）例えば２０Ｗ以上の排熱量が得られるよう設定することができる。例えば、導熱板１７の厚みｔは、２ｍｍ以上５ｍｍ以下の大きさとされていることが好ましく、また、導熱板１７の軸方向の長さ寸法Ｌは、４０〜８０ｍｍの範囲内の大きさとされていることが好ましい。
図３に示すように、各導熱板１７の接合部１８の一側面１８ａには、例えば銅（Ｃｕ）とモリブデン（Ｍｏ）との焼結体により構成された蛍光部材支持基板２７が設けられ、この蛍光部材支持基板２７の一面上に蛍光部材２５を構成する蛍光板２６が設けられている。保持構造体１０と蛍光部材支持基板２７、並びに、蛍光板２６と蛍光部材支持基板２７は、例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金などのハンダ（不図示）によって互いに接合されて伝熱的に接続されている。
保持構造体１０を構成する基体部分１１の一端側筒状部１２における一端側開口端面には、円板状の窓部材３０が収容されて配置される凹所よりなる窓部材保持部１４が形成されている。窓部材３０は、その外周面と窓部材保持部１４の内周面との間に形成された間隙に注入された接着剤（図１においては、便宜上、斜線を付している。）Ａｄによって、外周面が全周にわたって基体部分１１に対して接合されている。
窓部材３０は、無反射コートが施された、例えばテンパックス（登録商標）などのホウケイ酸ガラスなどにより構成されている。
保持構造体１０を構成する基体部分１１の他端側筒状部１３の内部には、例えば放物面鏡よりなる反射鏡４０がその反射面４０ａが蛍光板２６の励起光受光面２６ａと対向して配置されている。反射鏡４０は、その開口端面が反射鏡位置規定面ＮS として設定される基体部分１１の段部１５における平坦面に対接されて、配置されており、背面が他端側筒状部１３の内部に設けられた円環板状の反射鏡支持部材４５によって支持されている。反射鏡４０の光軸ＯM は、基体部分１１の中心軸Ｃ上に位置されており、反射鏡４０の焦点は、蛍光板２６の励起光受光面２６ａ上に位置されている。
反射鏡４０は、図４に示すように、例えばホウケイ酸ガラスなどよりなる基材４１の内面に、反射膜４２が形成されて構成されている。反射膜４２は、中央部に励起光（図４において実線で示す矢印）を透過すると共に蛍光板２６からの蛍光（図４において二点鎖線で示す矢印）を反射する励起光透過部４３を有し、励起光透過部４３の周縁部は、励起光および蛍光を反射する機能を有する。
反射膜４２は、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ2 ）層および酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）層が交互に積層されてなる誘電体多層膜により構成されている。励起光透過部４３は、前記誘電体多層膜の膜厚や層数を、励起光を透過し、蛍光を反射するように、設計することで実現できる。また、励起光透過部４３の周縁部は、前記誘電体多層膜の膜設計を調整し、励起光と蛍光を共に反射する構成とすることで実現できる。
また、反射鏡４０は、可視域で反射率の高いＡｇよりなる基材４１に、ＭｇＦ2 よりなる誘電体膜をつけた増反射ミラーにより構成されていてもよい。
保持構造体１０を構成する基体部分１１の他端側筒状部１３の他端側開口端面には、円板状の閉塞部材（背面板）３５が、例えばＯ−リングよりなるシール部材３３が介在された状態で、設けられている。閉塞部材３５は、シール部材３３が圧潰された状態が得られるよう、基体部分１１に対して例えばネジ止めされて固定されている。
上述したように、基体部分１１の一端側開口は窓部材３０によって塞がれており、従って、保持構造体１０、窓部材３０および閉塞部材３５によって画成された蛍光板２６が位置される空間（蛍光部材配置空間Ｓ）が閉鎖空間とされている。
閉塞部材３５には、厚み方向に貫通して保持構造体１０における基体部分１１の中心軸Ｃに沿って延びる複数（例えば３つ）の励起光導入孔３６が形成されている。各励起光導入孔３６の他端部には、励起光源５０からの励起光を導光する光ファイバ５５のコネクタ３７が設けられている。また、各励起光導入孔３６の内部には、例えばコリメータレンズ４６がその光軸が励起光導入孔３６の中心軸と一致する状態で配置されている。
閉塞部材３５の一端面には、筒状のレンズ保持部材４７が設けられており、このレンズ保持部材４７によって、各励起光導入孔３６から出射される励起光を集光して蛍光板２６に照射する集光レンズ４８がその光軸ＯL が反射鏡４０の光軸ＯM と一致する姿勢で保持されている（図４参照。）。複数の励起光導入孔３６の各々からの励起光を集光レンズ４８によって集光して蛍光板２６に照射する構成とされていることにより、蛍光板２６を効率よく励起させて発光させることができる。
この蛍光光源装置は、閉塞部材３５に設けられた各コネクタ３７に対応する複数の励起光源５０を具えており、各励起光源５０からの励起光はＬＤ用の光ファイバ５５を介して励起光導入孔３６に導入される。
各々の励起光源５０は、各々ＬＤ素子５２とコンデンサレンズ（集光レンズ）５３とよりなる複数のレーザ光源５１を具えている。ＬＤ素子５２は、例えば互いに同一の発振波長のレーザ光を出射する半導体レーザよりなり、具体的には例えば、発振波長が４５５ｎｍである青色のレーザ光を放射するものが用いられる。
光ファイバ５５は、例えば複数のレーザ光源５１の各々に対応する光ファイバ素線が束ねられてなるバンドルファイバにより構成されている。
上記の蛍光光源装置の一構成例を示すと、保持構造体１０における基体部分１１の外径がφ２６０ｍｍ、導熱板１７の厚みｔが２ｍｍ、導熱板１７の軸方向の長さ寸法Ｌが５０ｍｍ、導熱板１７の径方向の長さ寸法が１１０ｍｍ、ＹＡＧ（Ｃｅ）蛍光板（蛍光部材）２６の縦横の寸法が５ｍｍ×５ｍｍ、蛍光板２６の厚みが０．１５ｍｍ、蛍光部材支持基板２７の縦横の寸法が１５ｍｍ×１５ｍｍ、蛍光部材支持基板２７の厚さが０．７ｍｍである。蛍光板２６の励起光受光面２６ａと、反射鏡位置規定面ＮS との軸方向の離間距離は５ｍｍである。
励起光源５０の数は３個であり、各々の励起光源５０を構成するレーザ光源５１の数は８個（蛍光光源装置全体では２４個）である。各々のＬＤ素子５２は、発振波長が４５５ｎｍ、出力が２．２Ｗであるものである。
このような構成のものにおいては、蛍光板２６の温度Ｔ１と、保持構造体１０の外周面の温度Ｔ２との温度差（Ｔ１−Ｔ２）が例えば４０℃であるとすると、約３０Ｗ程度の排熱量（伝熱量）が得られる。
上記の蛍光光源装置においては、複数の励起光源５０の各々からの励起光が光ファイバ５５によって導光されて閉塞部材３５おける対応する励起光導入孔３６内に入射される。ここに、各々の励起光源５０においては、複数のレーザ光源５１の各々におけるＬＤ素子５２から出射されたレーザ光（青色光）が励起光としてコンデンサレンズ５３により集光されて対応する光ファイバ素子に入射され、複数のレーザ光源５１の各々からの励起光が共通の励起光導入孔３６内に入射される。励起光導入孔３６内に入射された励起光（図２において実線の矢印で示す。）は、コリメータレンズ４６によって平行光とされて集光レンズ４８に入射され、集光レンズ４８によって集光されながら反射鏡４０の励起光透過部４３を介して蛍光板２６の励起光受光面２６ａに照射される。励起光が蛍光板２６に照射されることにより蛍光板２６から発せられる蛍光（図２おいて二点鎖線の矢印で示す。）は、反射鏡４０により反射されて平行光とされ、蛍光板２６の励起光受光面２６ａによって反射されたレーザ光の反射鏡４０による反射光（青色光）と混合されて白色光として窓部材３０を介して照射される。
一方、レーザ光が照射されることにより蛍光板２６に生じた熱は、保持構造体１０における各々の導熱板１７を介して基体部分１１に伝熱され、保持構造体１０の外周面が主として放熱面として機能して、基体部分１１の全体から外部に放熱される。
而して、上記の蛍光光源装置によれば、基本的には、蛍光板２６に生ずる熱が、保持構造体１０における複数の導熱板１７の各々を介して基体部分１１に伝熱されて基体部分１１の全体から外部に放熱されるので、蛍光板２６の温度上昇に伴う温度消光によって蛍光板２６から発せられる蛍光の光量が低下することを回避することができる。しかも、保持構造体１０の温度上昇に伴う、蛍光板２６と反射鏡４０や集光レンズ４８などの光学部品との位置関係の変化の程度を、小さく抑制することができる。すなわち、蛍光板２６に入射されるレーザ光のエネルギーのうち、蛍光物質の励起に寄与しなかった分と蛍光板２６によって反射されなかった分は熱エネルギーに変換されて蛍光部材支持基板２７を介して保持構造体１０を加熱する。また、反射鏡４０により反射された蛍光並びに一部のレーザ光が、導熱板１７に入射、吸収されることによっても、やはり保持構造体１０の温度を上昇させることとなる。その結果、保持構造体１０の基体部分１１の熱膨張によって保持構造体１０自体が熱変形を生じる。然るに、蛍光板２６と共に反射鏡４０などの光学部品を保持する保持構造体１０の構造が、基体部分１１の中心軸Ｃを対称軸とする対称性を有するもの（軸対称）であるので、保持構造体１０の中心に位置される接合部１８の軸方向位置および径方向位置の変位が補償されるので、反射鏡４０に対する蛍光板２６における励起光受光面２６ａの位置の変位を小さく抑制することができる。
従って、上記構成の蛍光光源装置によれば、高い光出力を長期間の間にわたって安定的に得ることができる。
また、蛍光板２６が位置される空間（蛍光部材配置空間Ｓ）が閉鎖空間とされていることにより、蛍光部材配置空間Ｓ内に対する水の浸入やほこり等の侵入によって、蛍光板２６の発光効率が低下したり、蛍光板２６自体が劣化したりするといった問題が生ずることを回避することができる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、保持構造体における導熱部分が複数の導熱板により構成される場合において、導熱板の数および配置パターンは、保持構造体の構造が軸対称となるようされていれば、特に限定されるものではない。例えば、基体部分の中心軸に垂直な断面において、３枚の平板状の導熱板が周方向に等角度間隔（１２０°間隔）で配置された構成、あるいは、５枚の平板状の導熱板が、周方向に等角度間隔（７２°間隔）で配置された構成とされていてもよい。このような保持構造体の構造は、一の導熱板の厚み方向の中心線を対称軸とする対称性（軸対称）を有するものとなる。
また、本発明の蛍光光源装置においては、保持構造体の外周面が、主として、蛍光部材に生じた熱を放熱する放熱面として機能する構成とされているため、保持構造体は、その外周面に放熱面積を拡大する放熱用凹凸構造を有する構成とされていてもよい。
放熱用凹凸構造の具体的構成は、特に限定されるものではないが、保持構造体の外周面に一体に設けられた放熱用フィンにより構成することができる。
さらにまた、蛍光部材が位置される閉鎖空間が、保持構造体と、窓部材と、反射鏡とによって、形成された構成とされていてもよい。このような構成は、例えば、反射鏡を保持構造体における基体部分に対して例えば接着剤などによって接合することにより実現することができる。
１０ 保持構造体
１１ 基体部分（リム）
１２ 一端側筒状部
１３ 他端側筒状部
１４ 窓部材保持部
１５ 段部
１６ 導熱部分（スポーク）
１７ 導熱板
１８ 接合部
１８ａ 一側面
２５ 蛍光部材
２６ 蛍光板
２６ａ 励起光受光面
２７ 蛍光部材支持基板
３０ 窓部材
３３ シール部材
３５ 閉塞部材
３６ 励起光導入孔
３７ コネクタ
４０ 反射鏡
４０ａ 反射面
４１ 基材
４２ 反射膜
４３ 励起光透過部
４５ 反射鏡支持部材
４６ コリメータレンズ
４７ レンズ保持部材
４８ 集光レンズ
５０ 励起光源
５１ レーザ光源
５２ ＬＤ素子
５３ コンデンサレンズ（集光レンズ）
５５ 光ファイバ
６０ 支持脚部
７０ 励起光源
７１ 半導体レーザ
７２ 非球面レンズ
７３ 光ファイバ
７５ 発光部
７６ 間隙層
８０ 反射鏡
８１ 透明板
８５ 熱伝導部材
８６ 冷却部
Ａｄ 接着剤
Ｃ 基体部分の中心軸
ＯL 集光レンズの光軸
ＯM 反射鏡の光軸
Ｓ 蛍光部材配置空間

Claims (3)

  1. 励起光が照射されることにより蛍光が発せられる蛍光部材と、反射面が当該蛍光部材における励起光受光面と対向して配置された反射鏡とを備えた蛍光光源装置であって、
    前記蛍光部材および前記反射鏡は、熱伝導性材料よりなる共通の保持構造体によって保持されており、当該保持構造体は、筒状の基体部分と、当該基体部分の内周面から当該基体部分の中心軸に向かって延びるよう形成された導熱部分とにより構成されており、
    前記蛍光部材は、当該保持構造体における導熱部分の、前記反射鏡の反射面と対向する一側面において、前記基体部分の中心軸上に位置されるよう保持されていることを特徴とする蛍光光源装置。
  2. 前記保持構造体は、各々内端部が互いに前記基体部分の中心軸上で接合された複数の板状の導熱部分を有し、
    当該複数の導熱部分の各々は、保持構造体の構造が軸対称となるよう、配置されていることを特徴とする請求項１に記載の蛍光光源装置。
  3. 前記保持構造体の一端側開口が窓部材により塞がれると共に当該保持構造体の他端側開口が閉塞部材により塞がれており、前記蛍光部材が位置される空間が閉鎖空間とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蛍光光源装置。
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