JP6323253B2

JP6323253B2 - 蛍光光源装置

Info

Publication number: JP6323253B2
Application number: JP2014169165A
Authority: JP
Inventors: 蕪木　清幸; 清幸蕪木; 和典別所
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2014-08-22
Filing date: 2014-08-22
Publication date: 2018-05-16
Anticipated expiration: 2034-08-22
Also published as: JP2016046079A; WO2016027657A1

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。

このような蛍光光源装置としては、例えば、レーザ照射装置からのレーザ光を、例えば放物面鏡よりなる反射鏡に形成された透孔を通して、反射鏡の焦点位置に配置された蛍光体に照射して蛍光体を励起させ、これにより蛍光体から発せられる蛍光を反射鏡によって反射して出射する構成のものが知られている（特許文献１、特許文献２参照。）。

特開２０１１−１５４９９５号公報特開２０１３−１３０８３５号公報

このような蛍光光源装置を、例えば探照灯などの、野外で使用される照明用の光源として用いる場合においては、塵や埃などの外来固形物が内部に侵入すると、当該外来固形物が蛍光体に焼付くなどして蛍光の発生効率が低下する、といった問題がある。また、大気中の水滴や雨水が内部に浸入すると、蛍光体が劣化して蛍光への変換効率が著しく低下する、といった問題がある。従って、蛍光光源装置には、防塵・防水構造が採られていることが望まれる。

また、このような蛍光光源装置においては、レーザ光などの励起光が蛍光体に照射されることによって蛍光体が加熱される。蛍光体の温度が上昇すると、蛍光の温度消光が生ずるため、蛍光体に生ずる熱を放熱して冷却することが必要とされる。
而して、蛍光光源装置を例えば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とされる。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となる。しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載の蛍光光源装置においては、蛍光体の冷却構造についての具体的な記載はなく、大出力を得ることが困難であるのが実情であった。

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、防塵性および防水性を確保しながら、蛍光部材を効率よく冷却することができ、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、
熱伝導性材料よりなる筒状の蛍光部材保持部材と、
当該蛍光部材保持部材の一端側開口を塞ぐ光取出し窓と、
当該蛍光部材保持部材の他端側開口を塞ぐ閉塞部材と、
当該蛍光部材保持部材の内部において当該蛍光部材保持部材に固定されて前記蛍光部材と対向して配置された反射鏡と
を具えており、
前記蛍光部材保持部材の内周面には、前記反射鏡による反射光の放射方向に延びる平面に沿って当該蛍光部材保持部材の中心軸に向かって延びる板状の導熱部分が形成されており、当該導熱部分によって、前記蛍光部材が当該蛍光部材保持部材の中心軸上に位置されるよう保持されており、前記閉塞部材と、前記蛍光部材保持部材と、前記光取出し窓とにより画成された、前記蛍光部材が位置された蛍光部材配置空間が、水密に構成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、前記蛍光部材保持部材の外周面が放熱面として機能する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おいては、前記蛍光部材保持部材における導熱部分は、４枚の平板状の導熱板が横断面十字状に構成されたものとすることができる。

本発明の蛍光光源装置によれば、蛍光部材が配置された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。しかも、励起光が蛍光部材に照射されることによって蛍光部材に生ずる熱が、蛍光部材保持部材における導熱部分を介して基体部分に伝熱されて蛍光部材保持部材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、本発明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。

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。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。本発明の参考例としての蛍光光源装置の一例における構成の概略を示す、光軸に沿った断面図である。図４に示す蛍光光源装置の一部を示す部分拡大図である。本発明の蛍光光源装置のさらに他の例における構成の概略を示す正面図である。

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。
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を具えており、蛍光部材２５は、筒状の蛍光部材保持部材１０によって保持されている。ここに、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）よりなる蛍光板により構成されている。

蛍光部材保持部材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１１と、この基体部分１１の内周面から蛍光部材保持部材１０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板状の導熱部分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を介して連続する一端側筒状部１２より内径の大きい他端側筒状部１３とを有する。
この例における導熱部分１６は、例えば４枚の平板状の導熱板１７が横断面十字状に構成されており、基体部分１１における一端側筒状部１２の内周面に形成されている。各導熱板１７は、径方向の一端縁部（内端縁部）が互いに接合されており、中心軸Ｃ上において例えば角柱状のボス部１８を構成している。また、径方向の他端縁部（外端縁部）は、基体部分１１（一端側筒状部１２）の内周面に一体に接合されている。
そして、導熱部分１６におけるボス部１８の他端面に、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２６が設けられ、この蛍光部材支持基板２６の他面上に蛍光部材２５が設けられている。

導熱板１７の厚みおよび軸方向の長さ寸法は、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は、４０〜８０ｍｍの範囲内の大きさとされていることが好ましい。
なお、本実施例では、４枚の平板状の導熱板１７が横断面十字状に構成された場合を示したが、導熱板１７の枚数および配置パターンは特に限定されるものでない。例えば、３枚の平板状の導熱板１７が横断面１２０度ごとに区切られた構成とされていてもよい。

蛍光部材保持部材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、光取出し窓を構成する円板状の窓部材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。これにより、蛍光部材保持部材１０における一端側開口が窓部材３０によって水密に閉塞されている。接着剤Ａｄとしては、例えば耐熱性を有するセラミック接着剤を用いることができる。更に、接着剤Ａｄが硬化されてなる接着剤層の表面が例えばシリコーン樹脂でシーリングされた構成とされていてもよい。
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。

蛍光部材保持部材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がその反射面が蛍光部材２５と対向して配置されている。反射鏡４０は、その光軸が蛍光部材保持部材１０の中心軸Ｃと一致し、焦点位置が蛍光部材２５の励起光入射面上に位置される姿勢で、開口端面が基体部分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、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によって背面が支持されている。

反射鏡４０は、図３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３において実線で示す矢印）を透過すると共に蛍光部材２５からの蛍光（図３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、可視域で反射率の高いＡｇに誘電体膜ＭｇＦ₂をつけた増反射ミラー（金属ミラー）、または、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、前記増反射ミラー（金属ミラー）や、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。

蛍光部材保持部材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。これにより、蛍光部材保持部材１０における他端側開口が閉塞部材３５によって水密に閉塞されている。

閉塞部材３５には、厚み方向に貫通して蛍光部材保持部材１０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部材２５に照射する集光レンズ４８がその光軸Ｏ_Lが反射鏡４０の光軸Ｏ_Mと一致する姿勢で保持されている（図３参照。）。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部材２５に照射する構成とされていることにより、蛍光部材２５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、蛍光部材保持部材１０の外径がφ２６０ｍｍ、導熱板１７の厚みが２ｍｍ、導熱板１７の軸方向の長さ寸法が５０ｍｍ、導熱板１７の径方向の長さ寸法が１１０ｍｍ、蛍光部材（ＹＡＧ（Ｃｅ）蛍光板）２５の縦横の寸法が５ｍｍ×５ｍｍ、蛍光部材２５の厚みが０．１５ｍｍ、蛍光部材支持基板２６の縦横の寸法が１５ｍｍ×１５ｍｍ、蛍光部材支持基板２６の厚さが０．７ｍｍ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、蛍光部材２５の温度Ｔ１と、蛍光部材保持部材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。

而して、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から出射された励起光（青色レーザ光）がコンデンサレンズ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を介して蛍光部材２５に照射される。励起光が蛍光部材２５に照射されることにより蛍光部材２５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、蛍光部材２５の励起に寄与しなかった励起光（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、励起光が照射されることにより蛍光部材２５に生じた熱は、蛍光部材保持部材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、蛍光部材保持部材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おいては、上述したように、円筒状の蛍光部材保持部材１０の一端側開口部は、窓部材３０が接着剤Ａｄによって接合されて水密に閉塞されており、他端側開口部は、閉塞部材３５が、シール部材３３が介在する状態で、固定されて水密に閉塞されている。すなわち、蛍光部材保持部材１０、窓部材３０および閉塞部材３５によって画成された、蛍光部材２５が配置された蛍光部材配置空間Ｓが、水密に構成されているため、例えば野外において使用される場合であっても、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、蛍光部材２５の発光効率が低下したり、蛍光部材２５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。しかも、励起光が蛍光部材２５に照射されることによって蛍光部材２５に生ずる熱が、蛍光部材保持部材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、蛍光部材２５の温度上昇に伴う温度消光によって蛍光部材２５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。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施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。

図４は、本発明の参考例としての蛍光光源装置の一例における構成の概略を示す、光軸に沿った断面図である。図５は、図４に示す蛍光光源装置の一部を示す部分拡大図である。
この蛍光光源装置は、図１および図２に示す蛍光光源装置において、蛍光部材配置空間Ｓが、蛍光部材保持部材１０、窓部材３０および反射鏡４０によって画成されており、反射鏡４０が蛍光部材保持部材１０に対して水密に接合されて設けられた構成とされていることの他は、図１および図２に示す蛍光光源装置と同一の構成を有する。図４においては、図１および図２に示す蛍光光源装置と同一の構成部材には、便宜上、同一の符号が付してあり、説明を省略することとする。
反射鏡４０は、その開口端面が基体部分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、基体部分１１（他端側筒状部１３）の内周面と反射鏡４０の開口縁部の外周面との間に形成された間隙に注入された接着剤Ａｄによって、反射鏡４０の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。これにより、蛍光部材２５が配置された蛍光部材配置空間Ｓが水密に構成されている。
このような構成の蛍光光源装置においても、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、蛍光部材２５の発光効率が低下したり、蛍光部材２５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、図１および図２に示す蛍光光源装置と同様の効果を得ることができる。

また、本発明の蛍光光源装置においては、蛍光部材保持部材１０の外周面が、主として、蛍光部材２５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、蛍光部材保持部材１０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ることが好ましい。蛍光部材保持部材１０における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、例えば図６に示すように、蛍光部材保持部材１０の外周面に一体に設けられた放熱用フィン２０により構成することができる。この例においては、各々互いに平行に蛍光部材保持部材１０の軸方向に延びる複数の放熱用フィン２０が蛍光部材保持部材１０の中心軸Ｃを中心として放射状に並んだ位置において径方向外方に延びるよう形成されている。放熱用フィン２０の形状および配置位置は、特に限定されるものではない。
このような構成によれば、蛍光部材２５に生じた熱を一層高い効率で放熱することができ、蛍光部材２５の温度上昇に伴う温度消光によって蛍光部材２５から発せられる蛍光の光量が低下することを確実に回避することができる。

本発明の蛍光光源装置は、例えば、水の浸入及び外来固形物の侵入に対する保護等級であるＩＰ規格（例えばＩＰ４５）を満たす防水性および防塵性を有し、高い光出力を得ることができるものとして構成されているので、例えば、船舶用のものを含む探照灯、ビルの壁面を照らすスポットライトなどの照明用の光源として好適なものとなる。

１０蛍光部材保持部材
１１基体部分
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
１７導熱板
１８ボス部
２０放熱用フィン
２５蛍光部材
２６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
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
５２ＬＤ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
Ａｄ接着剤
Ｃ蛍光部材保持部材の中心軸
Ｏ_M 反射鏡の光軸
Ｏ_L 集光レンズの光軸
Ｓ蛍光部材配置空間

Claims

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、
熱伝導性材料よりなる筒状の蛍光部材保持部材と、
当該蛍光部材保持部材の一端側開口を塞ぐ光取出し窓と、
当該蛍光部材保持部材の他端側開口を塞ぐ閉塞部材と、
当該蛍光部材保持部材の内部において当該蛍光部材保持部材に固定されて前記蛍光部材と対向して配置された反射鏡と
を具えており、
前記蛍光部材保持部材の内周面には、前記反射鏡による反射光の放射方向に延びる平面に沿って当該蛍光部材保持部材の中心軸に向かって延びる板状の導熱部分が形成されており、当該導熱部分によって、前記蛍光部材が当該蛍光部材保持部材の中心軸上に位置されるよう保持されており、前記閉塞部材と、前記蛍光部材保持部材と、前記光取出し窓とにより画成された、前記蛍光部材が位置された蛍光部材配置空間が、水密に構成されていることを特徴とする蛍光光源装置。
前記蛍光部材保持部材の外周面が放熱面として機能することを特徴とする請求項１に記載の蛍光光源装置。
前記蛍光部材保持部材における導熱部分は、４枚の平板状の導熱板が横断面十字状に構成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。