JP6232951B2 - プロジェクター用蛍光ホイール、その製造方法及びプロジェクター用発光デバイス - Google Patents

Description

本発明は、プロジェクター用蛍光ホイール、その製造方法及びプロジェクター用発光デバイスに関するものである。

近年、プロジェクターを小型化するため、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）と蛍光体とを用いた発光デバイスが提案されている。例えば、特許文献１には、紫外光を発光する光源と、光源からの紫外光を可視光に変換する蛍光体層とを備える発光デバイスを用いたプロジェクターが開示されている。特許文献１においては、リング状の回転可能な透明基板の上に、リング状の蛍光体層を設けることにより作製した蛍光ホイールが用いられている。

特開２００４−３４１１０５号公報

ところで、光源として高出力の光源を用いる場合、励起光の照射により蛍光体が発熱し、蛍光体層が加熱される。蛍光体層が加熱されると、蛍光強度が低下したり、蛍光体層が基板から剥離するという問題を生じる。

本発明の目的は、蛍光体層が加熱されるのを抑制することができるプロジェクター用蛍光ホイール、その製造方法及びそれを用いたプロジェクター用発光デバイスを提供することにある。

本発明のプロジェクター用蛍光ホイールは、リング状の金属反射基板と、金属反射基板の上に設けられ、蛍光体粒子を含有する蛍光体層と、金属反射基板と蛍光体層とを接合する接合材層とを備え、蛍光体層の蛍光体粒子の一部が、金属反射基板と接触していることを特徴としている。

蛍光体層は、リング状であることが好ましい。

蛍光体層は、ガラスマトリクスと、ガラスマトリクス中に分散した蛍光体粒子とを含有することが好ましい。

金属反射基板としては、アルミニウム基板が挙げられる。

接合材層は、例えば、シリコーン樹脂またはポリイミド樹脂から形成される。

蛍光体層は、周方向に沿って複数の領域に分割されており、複数の領域に、互いに異なる種類の蛍光体粒子が含まれているものであってもよい。

本発明のプロジェクター用発光デバイスは、上記本発明のプロジェクター用蛍光ホイールと、蛍光体層の蛍光体粒子を励起させるための励起光を照射する光源とを備えることを特徴としている。

本発明のプロジェクター用蛍光ホイールの第１の製造方法は、ガラス粒子と、蛍光体粒子と、有機成分とを含むスラリーを、樹脂フィルム上に塗布し、加熱乾燥することにより、蛍光体層用のグリーンシートを作製する工程、グリーンシートを焼成することにより、蛍光体粒子の一部が表面から突出した蛍光体層を得る工程、及び、蛍光体層と、金属反射基板とを対向させ、かつ、蛍光体粒子が金属反射基板の表面に接触するように、蛍光体層と金属反射基板とを接合材層によって接合する工程、を含むことを特徴としている。

本発明のプロジェクター用蛍光ホイールの第２の製造方法は、ガラスマトリクス中に蛍光体粒子が分散してなる蛍光体層前駆体を作製する工程、蛍光体層前駆体の表面を、エッチングまたは研磨することにより、蛍光体粒子の一部が表面から突出した蛍光体層を得る工程、蛍光体層と、金属反射基板とを対向させ、かつ、蛍光体粒子が金属反射基板の表面に接触するように、蛍光体層と金属反射基板とを接合材層によって接合する工程、を含むことを特徴としている。

本発明によれば、プロジェクター用蛍光ホイールにおける蛍光体層が加熱されるのを抑制することができる。

本発明の一実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールを示す斜視図である。 図１に示すＡ−Ａ線に沿う断面図である。 本発明の一実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールにおける蛍光体層の近傍を拡大して示す部分断面図である。 本発明の一実施形態のプロジェクター用発光デバイスを示す模式的側面図である。 本発明の他の実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールを示す斜視図である。

以下、好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照する場合がある。

図１は、本発明の一実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールを示す斜視図である。図２は、図１に示すＡ−Ａ線に沿う断面図である。図１及び図２に示すように、蛍光ホイール１０は、リング状の形状を有している。蛍光ホイール１０は、リング状の金属反射基板１１と、金属反射基板１１の上に設けられる蛍光体層１２と、金属反射基板１１と蛍光体層１２との間に設けられ、金属反射基板１１と蛍光体層１２とを接合する接合材層１３とを備えている。

図３は、本発明の一実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールにおける蛍光体層の近傍を拡大して示す部分断面図である。図３に示すように、蛍光体層１２は、蛍光体粒子１４を含有している。本実施形態において、蛍光体層１２は、ガラスマトリクス１５と、その中に分散された蛍光体粒子１４とから構成されている。本実施形態では、蛍光体粒子１４として、無機蛍光体の粒子が用いられている。

ガラスマトリクス１５は、無機蛍光体等の蛍光体粒子１４の分散媒として用いることができるものであれば特に限定されない。例えば、ホウ珪酸塩系ガラス、リン酸塩系ガラスなどを用いることができる。ガラスマトリクスの軟化点は、２５０℃〜１０００℃であることが好ましく、３００℃〜８５０℃であることがより好ましい。

蛍光体粒子１４を構成する蛍光体は、励起光の入射により蛍光を出射するものであれば、特に限定されるものではない。蛍光体の具体例としては、例えば、酸化物蛍光体、窒化物蛍光体、酸窒化物蛍光体、塩化物蛍光体、酸塩化物蛍光体、硫化物蛍光体、酸硫化物蛍光体、ハロゲン化物蛍光体、カルコゲン化物蛍光体、アルミン酸塩蛍光体、ハロリン酸塩化物蛍光体、ガーネット系化合物蛍光体から選ばれた１種以上等が挙げられる。励起光として青色光を用いる場合、例えば、緑色光または黄色光を蛍光として出射する蛍光体を用いることができる。

蛍光体粒子１４の平均粒子径は、１μｍ〜５０μｍであることが好ましく、５μｍ〜２５μｍであることがより好ましい。蛍光体粒子１４の平均粒子径が小さすぎると、発光強度が低下する場合がある。一方、蛍光体粒子１４の平均粒子径が大きすぎると、発光色が不均一になる場合がある。

蛍光体層１２中での蛍光体粒子１４の含有量は、５〜８０体積％の範囲内であることが好ましく、１０〜７５体積％の範囲内であることがより好ましく、２０〜７０体積％の範囲内であることがさらに好ましい。

蛍光体層１２の厚みは、励起光が確実に蛍光体に吸収されるような厚みである範囲において、薄い方が好ましい。蛍光体層１２が厚すぎると、蛍光体層１２における光の散乱や吸収が大きくなりすぎ、蛍光の出射効率が低くなってしまう場合があるためである。具体的には、蛍光体層１２の厚みは、１ｍｍ以下であることが好ましく、０．５ｍｍ以下であることがより好ましく、０．３ｍｍ以下であることがさらに好ましい。蛍光体層１２の厚みの下限値は、通常、０．０３ｍｍ程度である。

金属反射基板１１としては、蛍光体層１２に入射する励起光、及び励起光の入射により蛍光体粒子１４から出射される蛍光を反射することができるものであれば特に限定されるものではない。金属反射基板１１は、一般に、金属または合金から形成され、表面処理が施されていてもよい。金属反射基板１１としては、反射率の高いものが好ましく、例えば、表面に金属酸化物などからなる増反射膜が形成されたアルミニウム基板が挙げられる。このようなものとしては、アラノッド（Ａｌａｎｏｄ）社製のＭｉｒｏ（登録商標）及びＭｉｒｏ−Ｓｉｌｖｅｒ（登録商標）等が挙げられる。

金属反射基板１１と蛍光体層１２との間には、接合材層１３が設けられている。接合材層１３によって、金属反射基板１１と蛍光体層１２が接着されている。接合材層１３は、励起光及び蛍光を透過する透明材料から形成されることが好ましい。このような透明材料の具体例としては、シリコーン樹脂及びポリイミド樹脂が挙げられる。

シリコーン樹脂としては、一般的なシロキサン結合を有するシリコーン樹脂を用いることができ、特に、耐熱性の高いシルセスキオキサンを好ましく用いることができる。シルセスキオキサンは、主鎖骨格がＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合からなるシロキサン系の化合物で、３官能性シランを加水分解することで得られる（ＲＳｉＯ_１．５）_ｎの構造を持つネットワーク型ポリマーまたは多面体クラスターである。

ポリイミド樹脂としては、いわゆる透明ポリイミド樹脂を用いることができ、透明ポリイミド樹脂として、多くの樹脂メーカーから市販されているものを用いることができる。

接合材層１３の厚みは、２μｍ〜４０μｍであることが好ましく、５μｍ〜２０μｍであることがより好ましい。接合材層１３の厚みが小さすぎると、金属反射基板１１と蛍光体層１２の接着強度に劣る場合がある。一方、接合材層１３の厚みが大きすぎると、蛍光体層１２に発生した熱が金属反射基板１１へ放熱されにくくなる場合がある。

図３に示すように、蛍光体層１２の蛍光体粒子１４の一部は、金属反射基板１１と接触している。蛍光体粒子１４の一部が、金属反射基板１１と接触しているので、励起光が蛍光体層１２に入射することにより蛍光体層１２に発生した熱は、蛍光体粒子１４から金属反射基板１１を通って外部に放出される。そのため、蛍光体層１２が励起光の入射により加熱されるのを抑制することができる。したがって、蛍光体層１２が加熱されることにより生じる蛍光強度の低下や、蛍光体層の基板からの剥離等を防止することができる。

以下に、蛍光ホイール１０の作製方法を説明する。

まず、蛍光体粒子１４の一部が、表面１２ｄから突出した蛍光体層１２を、例えば、以下の方法で作製する。

（１）ガラスマトリクス１５となるガラス粒子と、蛍光体粒子１４と、バインダー樹脂や溶剤等の有機成分とを含むスラリーを、ポリエチレンテレフタレート等の樹脂フィルム上にドクターブレード法等により塗布し、加熱乾燥することにより、蛍光体層１２用のグリーンシートを作製する。グリーンシートを樹脂フィルム上に設置する設置面と反対側の表面（自由表面）では、上記の加熱乾燥により、蛍光体粒子１４が露出し、突出した状態となる。グリーンシートを焼成することにより、蛍光体粒子１４の一部が、表面１２ｄから突出した蛍光体層１２が得られる。

ここで、グリーンシートを、アルミナグリーンシート等の拘束部材の間に挟持した状態で焼成すれば、焼成時におけるグリーンシートの収縮を抑制できる。さらに、グリーンシートと、拘束部材との間の少なくとも一方に、蛍光体粒子１４を含むグリーンシート（以下、「蛍光体グリーンシート」）を挿入した状態で焼成してもよい。このようにすれば、焼成時に、蛍光体グリーンシートに含まれる蛍光体粒子１４が、上記グリーンシート表面に付着し、焼成後に、蛍光体粒子１４の一部が表面１２ｄから突出した蛍光体層１２が得られやすくなる。

（２）ガラスマトリクス１５中に蛍光体粒子１４が分散してなる蛍光体層前駆体を作製し、蛍光体層前駆体の表面を、エッチングまたは研磨することにより、蛍光体粒子１４の一部が表面１２ｄから突出した蛍光体層１２を得る。

次に、上記で得られた蛍光体層１２の表面１２ｄと、金属反射基板１１の蛍光体層１２が設けられる側の表面１１ａとを対向させ、かつ、蛍光体粒子１４が表面１１ａに接触するように、蛍光体層１２と金属反射基板１１とを接合材層１３によって接合する。これにより、蛍光体粒子１４の一部が、金属反射基板１１と接触した状態の蛍光ホイール１０を作製することができる。

なお、蛍光体層１２と金属反射基板１１とを接合材層１３によって接合する際、必要に応じて、熱処理を施して接合材層１３を熱硬化させてもよい。さらに、蛍光体層１２と金属反射基板１１とをより密着させるために、加熱と同時に加圧してもよい。

蛍光体粒子１４が表面１２ｄから突出している部分の高さ（表面１２ｄと垂直な方向における高さ）は、接合材層１３の厚みとほぼ同程度であることが好ましい。したがって、２μｍ〜４０μｍであることが好ましく、５μｍ〜２０μｍであることがより好ましい。

蛍光体層１２の表面１２ｄにおいて露出している蛍光体粒子１４の割合は、特に限定されるものではなく、励起光の出力や使用環境等を考慮して、適宜調整することができる。例えば、１０面積％以上であることが好ましく、さらには２０面積％以上であることが好ましい。

図４は、本発明の一実施形態のプロジェクター用発光デバイスを示す模式的側面図である。本実施形態のプロジェクター用発光デバイス３０は、蛍光ホイール１０と、光源２０と、蛍光ホイール１０を回転させるためのモーター２１とを備えている。リング状の蛍光ホイール１０は、モーター２１の回転軸２２に、回転軸２２の中心軸Ｃを回転中心として周方向に回転するように取り付けられている。

光源２０から出射された励起光１は、蛍光ホイール１０の蛍光体層１２に入射する。蛍光体層１２に入射した励起光１は、蛍光体粒子１４を励起し、蛍光体粒子１４から蛍光２が出射される。金属反射基板１１側に出射された蛍光２は、金属反射基板１１の表面で反射され、蛍光体層１２側に出射される。光源２０の具体例としては、ＬＥＤ光源やレーザー光源などが挙げられる。

励起光として青色光を発光する光源を、光源２０として用いる場合、例えば、蛍光体層１２の蛍光体として、青色光で励起され、黄色光または緑色光を発する蛍光体を用いることができる。蛍光体層１２から出射された光は、必要に応じて、フィルターによって所望の波長を有する光のみを取り出すことができる。リング状のフィルターを、回転軸２２に取り付け、蛍光ホイール１０と同期させて回転させ、出射光をフィルタリングしてもよい。

本実施形態において、蛍光ホイール１０は周方向に回転している。上記のように、蛍光体粒子１４から金属反射基板１１に伝導された熱は、金属反射基板１１から外部に放出される。蛍光ホイール１０が周方向に回転していることにより、金属反射基板１１から外部への熱放出がさらに促進される。

上記実施形態の蛍光ホイール１０では、蛍光体層１２の全面にわたって、同じ種類の蛍光体が含有されている。しかしながら、本発明は、このような態様に限定されるものではない。以下に説明する実施形態のように、蛍光体層１２が、周方向に沿って複数の領域に分割され、各領域に互いに異なる種類の蛍光体が含まれていてもよい。

図５は、本発明の他の実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールを示す斜視図である。図５に示す蛍光ホイール１０は、二組の第１の領域１２ａ、第２の領域１２ｂ、及び第３の領域１２ｃを有している。これらの領域は、図５に示すように、周方向に分割して設けられている。これらの領域を、例えば、赤色、緑色、または青色の光を蛍光として発光する領域に対応させ、蛍光ホイール１０をカラーホイールとして用いることができる。この場合においても、蛍光体層１２に含有される蛍光体粒子１４を金属反射基板１１と接触させておくことにより、蛍光体層１２が加熱されるのを抑制することができる。なお、第１の領域１２ａ、第２の領域１２ｂ、及び第３の領域１２ｃのいずれかを、蛍光体層１２を設けない領域としてもよい。

１…励起光
２…蛍光
１０…蛍光ホイール
１１…金属反射基板
１１ａ…表面
１２…蛍光体層
１２ａ…第１の領域
１２ｂ…第２の領域
１２ｃ…第３の領域
１２ｄ…表面
１３…接合材層
１４…蛍光体粒子
１５…ガラスマトリクス
２０…光源
２１…モーター
２２…回転軸
３０…プロジェクター用発光デバイス

Claims (10)

1. リング状の金属反射基板と、
   前記金属反射基板の上に設けられ、蛍光体粒子を含有する蛍光体層と、
   前記金属反射基板と前記蛍光体層とを接合する接合材層とを備え、
   前記蛍光体層の前記蛍光体粒子の一部が表面から突出し、前記接合材層を貫通することにより、前記金属反射基板と接触している、プロジェクター用蛍光ホイール。
2. 前記蛍光体層が、リング状である、請求項１に記載のプロジェクター用蛍光ホイール。
3. 前記蛍光体層は、ガラスマトリクスと、前記ガラスマトリクス中に分散した前記蛍光体粒子とを含有する、請求項１または２に記載のプロジェクター用蛍光ホイール。
4. 前記金属反射基板が、アルミニウム基板である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のプロジェクター用蛍光ホイール。
5. 前記接合材層が、シリコーン樹脂またはポリイミド樹脂から形成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のプロジェクター用蛍光ホイール。
6. 前記蛍光体層は、周方向に沿って複数の領域に分割されており、前記複数の領域に、互いに異なる種類の前記蛍光体粒子が含まれている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のプロジェクター用蛍光ホイール。
7. 前記接合材層の厚みが２μｍ〜４０μｍであり、かつ前記蛍光体層の表面から突出している前記蛍光体粒子の部分の高さが２μｍ〜４０μｍである、請求項１〜６のいずれか一項に記載のプロジェクター用蛍光ホイール。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のプロジェクター用蛍光ホイールと、
   前記蛍光体層の前記蛍光体粒子を励起させるための励起光を照射する光源とを備える、プロジェクター用発光デバイス。
9. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のプロジェクター用蛍光ホイールを製造するための方法であって、
   ガラス粒子と、蛍光体粒子と、有機成分とを含むスラリーを、樹脂フィルム上に塗布し、加熱乾燥することにより、蛍光体層用のグリーンシートを作製する工程、
   前記グリーンシートを焼成することにより、前記蛍光体粒子の一部が表面から突出した蛍光体層を得る工程、及び、
   前記蛍光体層と、金属反射基板とを対向させ、かつ、前記蛍光体粒子が前記金属反射基板の表面に接触するように、前記蛍光体層と前記金属反射基板とを接合材層によって接合する工程、
   を含む、プロジェクター用蛍光ホイールの製造方法。
10. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のプロジェクター用蛍光ホイールを製造するための方法であって、
    ガラスマトリクス中に蛍光体粒子が分散してなる蛍光体層前駆体を作製する工程、
    前記蛍光体層前駆体の表面を、エッチングまたは研磨することにより、前記蛍光体粒子の一部が表面から突出した蛍光体層を得る工程、
    前記蛍光体層と、金属反射基板とを対向させ、かつ、前記蛍光体粒子が前記金属反射基板の表面に接触するように、前記蛍光体層と前記金属反射基板とを接合材層によって接合する工程、
    を含む、プロジェクター用蛍光ホイールの製造方法。

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