JP6503710B2 - 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

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 Download PDF

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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
蛍光体層における蛍光体濃度の高い方が、発光効率を高めることができることが知られている。このため、使用する蛍光体の量が同じである場合、分散媒の量を少なくし、蛍光体層を薄くした方が発光効率を高めることができる。しかしながら、蛍光体層を薄くすると、蛍光体層の機械的強度が低下し、破損するという問題がある。
本発明の目的は、蛍光体層を薄くしても、破損しにくい新規な構造の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、第１の主面と、第１の主面と反対側に位置する第２の主面とを有し、励起光の入射により励起して蛍光を出射する蛍光体層と、蛍光体層の第１の主面の上に設けられる第１のガラス層と、蛍光体層の第２の主面の上に設けられる第２のガラス層とを備えることを特徴としている。
蛍光体層の厚みは、３０〜２００μｍの範囲内であることが好ましい。
第１のガラス層及び第２のガラス層の厚みは、それぞれ５〜３００μｍの範囲内であることが好ましい。
第１のガラス層及び第２のガラス層の厚みは、それぞれ１０〜１５０μｍの範囲内であることがより好ましい。
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とを有することが好ましい。
第１のガラス層または第２のガラス層を構成するガラスの熱膨張係数は、ガラスマトリクスを構成するガラスの熱膨張係数の値−５０×１０−７／℃〜ガラスマトリクスを構成するガラスの熱膨張係数の値＋５０×１０−７／℃の範囲にあることが好ましい。
第１のガラス層または第２のガラス層を構成するガラスの軟化点は、ガラスマトリクスを構成するガラスの軟化点より高いことが好ましい。
第１のガラス層及び／または第２のガラス層が、化学強化層を有することが好ましい。
蛍光体層が、リング状であることが好ましい。
第１のガラス層の上に、金属膜または誘電体多層膜からなる反射層が設けられていてもよい。
蛍光体層に対して励起光の入射側に第１の波長選択層が設けられていてもよい。第１の波長選択層は、励起光を透過し、かつ蛍光を反射することが好ましい。
蛍光体層に対して蛍光の出射側に第２の波長選択層が設けられていてもよい。第２の波長選択層は、蛍光を透過し、かつ励起光を反射することが好ましい。
蛍光体層に対して蛍光の出射側に反射防止膜が設けられていてもよい。
本発明の製造方法は、上記本発明のプロジェクター用蛍光ホイールを製造する方法であって、第１のガラス層となる第１のグリーンシートの上に、蛍光体層となる第２のグリーンシートを積層し、第２のグリーンシートの上に、第２のガラス層となる第３のグリーンシートを積層した積層体を作製する工程と、積層体を焼成し、第１のグリーンシート、第２のグリーンシート及び第３のグリーンシートを、それぞれ第１のガラス層、蛍光体層及び第２のガラス層にする工程とを備えることを特徴としている。
積層体は、ホイールの形状を有していてもよい。
焼成した積層体を、ホイールの形状に加工する工程をさらに備えていてもよい。
焼成した積層体の第１のガラス層及び／または第２のガラス層を化学強化する工程をさらに備えていてもよい。
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、蛍光ホイールの蛍光体層に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。
本発明によれば、蛍光ホイールにおける蛍光体層を薄くしても、破損しにくくなる。
本発明の第１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１に示すＡ−Ａ線に沿う断面図であり、本発明の第１の実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールを示す断面図である。 本発明の第２の実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールを示す断面図である。 本発明の第３の実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールを示す断面図である。 本発明の第１〜第３の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。 本発明の第１〜第３の実施形態の蛍光ホイールを用いた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。 本発明の第４の実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールを示す断面図である。 本発明の第４の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を拡大して示す部分断面図である。 本発明の第４の実施形態の蛍光ホイールを用いた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。 本発明の第５の実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールを示す断面図である。 本発明の第１の波長選択層における波長と透過率との関係を示す図である。 本発明の第６の実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールを示す断面図である。 本発明の反射防止膜における波長と反射率との関係を示す図である。 本発明の第７の実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールを示す断面図である。 本発明の第２の波長選択層における波長と透過率との関係を示す図である。 比較例のプロジェクター用蛍光ホイールを示す断面図である。 本発明の第１の実施形態、第５〜第７の実施形態及び比較例の波長と発光強度との関係を示す図である。 本発明の第８の実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールを示す断面図である。 本発明の実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールを製造するための積層体を示す斜視図である。 本発明の製造方法の実施形態において、積層体を焼成する方法の一例を示す断面図である。 本発明の製造方法の実施形態において、積層体を焼成する焼成プロファイルを示す図である。
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。
（第１〜第３の実施形態）
図１は、本発明の第１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、リング形状を有している。蛍光ホイール１０は、蛍光体層１１と、蛍光体層１１の第１の主面１１ａの上に設けられる第１のガラス層１２と、蛍光体層１１の第２の主面１１ｂの上に設けられる第２のガラス層１３とを備えている。蛍光体層１１、第１のガラス層１２及び第２のガラス層１３は、いずれもリング形状を有している。蛍光ホイール１０は、中心軸Ｃを中心にして回転させて用いられる。
図２に示すように、本実施形態では、蛍光体層１１のリング形状の内径は、第１のガラス層１２及び第２のガラス層１３のリング形状の内径よりも大きくなっている。蛍光体層１１のリング形状の内側には、図２に示すように、蛍光ホイール１０の厚みの均一性を保つため、蛍光体層１１と略同一厚みを有する挿入層１４が配置されている。挿入層１４は、蛍光体層１１と同様に、第１のガラス層１２と第２のガラス層１３との間に位置している。
図３は、本発明の第２の実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールを示す断面図であり、図２に相当する断面図である。図３に示すように、本実施形態では、蛍光体層１１のリング形状の内径は、第１のガラス層１２及び第２のガラス層１３のリング形状の内径と同じになるように設定されている。したがって、挿入層１４は設けられていない。
図４は、本発明の第３の実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールを示す断面図であり、図２に相当する断面図である。図４に示すように、本実施形態では、第１の実施形態と同様に、蛍光体層１１のリング形状の内径は、第１のガラス層１２及び第２のガラス層１３のリング形状の内径よりも大きくなっている。本実施形態において、蛍光体層１１のリング形状の内側の領域は、第１のガラス層１２と第２のガラス層１３とが接触している。したがって、蛍光体層１１のリング形状の内側の領域（蛍光体層１１が存在しない領域）における蛍光ホイール１０の厚みは、蛍光体層１１が存在する領域における蛍光ホイール１０の厚みよりも薄くなっている。
本発明においては、第１のガラス層１２及び第２のガラス層１３の間に蛍光体層１１が設けられており、蛍光体層１１が第１のガラス層１２及び第２のガラス層１３で挟まれた構造を有している。このため、蛍光体層１１を薄くしても破損しにくくなる。例えば、ガラス基板の一方の主面のみに蛍光体層を設けた場合は、ガラス基板と蛍光体層との間における応力差に起因して、反り等の不具合が発生するおそれがある。そのような不具合の発生を抑制するためには、ガラス基板の厚みを大きくする必要がある。一方、本発明においては、蛍光体層１１の両主面に、第１のガラス層１２及び第２のガラス層１３が設けられているので、蛍光体層１１の両主面において、応力のバランスをとることができ、蛍光ホイール１０に反り等が発生するのを抑制することができる。よって、ガラス層１２及びガラス層１３を薄くすることができ、蛍光ホイール１０全体としても薄型化を図りやすい。また、既述の通り、ガラス基板の一方の主面のみに蛍光体層を設けた場合は、ガラス基板の厚みが大きくする必要があることから、励起光または蛍光がガラス基板中を伝搬して、ガラス基板端面から外部に漏れ出やすくなる。一方、本発明では、ガラス層１２及びガラス層１３を薄くしやすいことから、励起光または蛍光が外部へ漏れ出ることを抑制できる。
図５は、本発明の第１〜第３の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５に示すように、蛍光体層１１は、ガラスマトリクス１６と、その中に分散された蛍光体１５とから構成されている。本実施形態では、蛍光体１５として無機蛍光体が用いられている。
ガラスマトリクス１６は、無機蛍光体等の蛍光体１５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１５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１５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。
蛍光体層１１中での蛍光体１５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１５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１５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１５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１１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１１が厚すぎると、蛍光体層１１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１１の厚みは、３０〜２００μｍの範囲内であることが好ましく、５０〜１５０μｍの範囲内であることがより好ましく、６０〜１００μｍの範囲内であることがさらに好ましい。
第１のガラス層１２及び第２のガラス層１３は、ガラスから構成されている。第１のガラス層１２及び第２のガラス層１３を構成するガラスは、特に限定されるものではないが、例えば、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＲＯ（ＲはＭｇ、Ｃａ、ＳｒまたはＢａ）系ガラス、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｒ’２Ｏ（Ｒ’はＬｉ、ＮａまたはＫａ）系ガラス、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＲＯ−Ｒ’２Ｏ系ガラス、ＳｎＯ−Ｐ２Ｏ５系ガラス、ＴｅＯ２系ガラス、Ｂｉ２Ｏ３系ガラス等が挙げられる。
第１のガラス層１２及び第２のガラス層１３の厚みは、それぞれ５〜３００μｍの範囲内であることが好ましく、１０〜２００μｍの範囲内であることがより好ましく、１０〜１５０μｍの範囲内であることがさらに好ましく、１０〜１００μｍの範囲内であることが特に好ましく、１０〜５０μｍの範囲内であることが最も好ましい。第１のガラス層１２及び第２のガラス層１３の厚みが薄すぎると、蛍光体ホイール１０の機械的強度が不十分になる場合がある。第１のガラス層１２及び第２のガラス層１３の厚みが厚すぎると、蛍光体層１１から出射した蛍光がガラス層１２内部を伝搬して、ガラス層１２の端面から外部に漏れ出やすくなる。
第１のガラス層１２または第２のガラス層１３を構成するガラスの熱膨張係数は、ガラスマトリクス１６を構成するガラスの熱膨張係数の値−５０×１０−７／℃〜ガラスマトリクス１６を構成するガラスの熱膨張係数の値＋５０×１０−７／℃の範囲にあることが好ましく、ガラスマトリクス１６を構成するガラスの熱膨張係数の値−３０×１０−７／℃〜ガラスマトリクス１６を構成するガラスの熱膨張係数の値＋３０×１０−７／℃の範囲にあることがより好ましい。その理由は、焼成時において、第１のガラス層１２または第２のガラス層１３と、蛍光体層１１との熱収縮率の差により、蛍光体ホイール１０に反りが発生するのを抑制するためである。なお、焼成後に第１のガラス層１２または第２のガラス層１３に圧縮応力を付与するためには、第１のガラス層１２または第２のガラス層１３を構成するガラスの熱膨張係数は、ガラスマトリクス１６を構成するガラスの熱膨張係数の値と同じかそれより小さいことが好ましい。
第１のガラス層１２または第２のガラス層１３を構成するガラスの軟化点、及び、ガラスマトリクス１６を構成するガラスの軟化点は、第１〜第３のグリーンシートに含まれるバインダーや気泡等を十分に除去できる温度以上であれば特に限定されない。ただし、以下の観点から、第１のガラス層１２または第２のガラス層１３を構成するガラスの軟化点は、ガラスマトリクス１６を構成するガラスの軟化点より高いことが好ましい。これは、ガラスマトリクス１６となる第２のグリーンシートを、第１のガラス層１２となる第１のグリーンシートと第２のガラス層１３となる第３のグリーンシートとの間に挟んで焼成する場合、第１のグリーンシートと第３のグリーンシートにおけるガラス粉末が焼結する前に、第２のグリーンシートに含まれるバインダーや気泡等を十分に除去するためである。第１のガラス層１２または第２のガラス層１３を構成するガラスの軟化点と、ガラスマトリクス１６を構成するガラスの軟化点との差は、３０〜２００℃であることが好ましく、５０〜１００℃であることがさらに好ましい。
図２に示す第１の実施形態における挿入層１４を構成する材料は、特に限定されるものではなく、例えば、ガラスマトリクス１６を構成するガラスと同様の材料を用いてもよい。また、第１のガラス層１２または第２のガラス層１３を構成するガラスと同様の材料を用いてもよい。さらには、ガラスのような透明材料に限定されるものではなく、セラミックス等の不透明な材料を用いてもよい。
第１のガラス層１２及び第２のガラス層１３は、化学強化層を有することが好ましい。化学強化層を有することにより、さらに高い機械的強度を蛍光ホイール１０に付与することができる。例えば、第１のガラス層１２及び第２のガラス層１３を構成するガラスとして、ナトリウムを含むガラスを用い、イオン交換処理を施して第１のガラス層１２及び第２のガラス層１３の表面に存在するナトリウムをカリウムなどで置き換えることにより、化学強化層を形成することができる。
図６は、本発明の第１〜第３の実施形態の蛍光ホイールを用いた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。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の第１のガラス層１２を通り、蛍光体層１１に入射する。蛍光体層１１に入射した励起光１は、蛍光体１５を励起し、蛍光体１５から蛍光２が、第２のガラス層１３を通り出射される。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１１の蛍光体１５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１１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。このため、光源２０から励起光１を受ける領域は常に移動しており、励起光１を受けて加熱しても、すぐに放熱される。したがって、蛍光ホイール１０の温度上昇を抑制することができる。
本実施形態の蛍光ホイール１０では、蛍光体層１１の全面にわたって、同じ種類の蛍光体１５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。蛍光体層１１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１５が含まれていてもよい。なお、後述する第５〜第８の実施形態の蛍光ホイールを本実施形態の蛍光ホイール１０として用いてもよい。
（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４の実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールを示す断面図である。また、図８は、本発明の第４の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を拡大して示す部分断面図である。本実施形態では、図７及び図８に示すように、第１のガラス層１２の上に、金属膜からなる反射層１７が設けられている。金属膜からなる反射層１７を設けることにより、蛍光体層１１に発生した熱を、反射層１７を通って外部に放出させることができる。そのため、蛍光体層１１が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１１が加熱されることにより生じる蛍光強度の低下等を防止することができる。
反射層１７は、例えば、銀やアルミニウムなどの金属膜からなり、蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法、メッキなどにより形成される。
反射層１７としては、金属または合金から形成された金属反射基板を用いてもよい。このような金属反射基板は、表面処理が施されていてもよい。金属反射基板としては、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。金属反射基板は、接合材で第１のガラス層１２に接合される。接合材としては、シリコーン樹脂や透明ポリミド樹脂などの透明な材料を用いることができる。
反射層１７の厚みは０．０１〜１００μｍの範囲内であることが好ましく、０．０３〜５０μｍの範囲内であることがより好ましく、０．０３〜１０μｍの範囲内であることがさらに好ましい。反射層１７の厚みが薄すぎると、蛍光体層から出射した光が反射層を透過して、十分な反射特性が得られにくくなる。反射層１７の厚みが厚すぎると、反射膜１７とガラス層１２の熱膨張係数差によって、反射膜形成時に、ガラス層１２の破損や反りが発生する場合がある。反射層１７としては、金属膜からなる反射層の他に、誘電体多層反射膜からなる反射層であってもよい。あるいは、反射膜１７として、高反射セラミック層や高反射樹脂層を用いてもよく、高反射セラミック層や高反射樹脂層を金属からなる反射層と組み合わせて用いてもよい。高反射セラミック層としては、ガラスマトリクス中に、Ａｌ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｇａ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｚｎ等を含むセラミック粉末が分散してなる層が挙げられる。
本実施形態では、図２に示す第１の実施形態に反射層１７を設けた構造を示しているが、図３に示す第２の実施形態及び図４に示す第３の実施形態に反射層１７をそれぞれ設けた構造であってもよい。
図９は、本発明の第４の実施形態の蛍光ホイールを用いた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３１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の第２のガラス層１３を通り蛍光体層１１に入射する。蛍光体層１１に入射した励起光１は、蛍光体１５を励起し、蛍光体１５から蛍光２が出射される。第１のガラス層１２を通り反射層１７側に出射された蛍光２は、反射層１７の表面で反射され、第１のガラス層１２、蛍光体層１１及び第２のガラス層１３を通り出射される。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。
本実施形態においても、励起光１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１１の蛍光体１５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１１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、蛍光体層１１から金属膜からなる反射層１７に伝導された熱は、反射層１７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、反射層１７から外部への熱放出がさらに促進される。
（第５〜第７の実施形態）
図１０は、本発明の第５の実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールを示す断面図である。本実施形態では、蛍光体層１１に対して励起光１の入射側に、第１の波長選択層６１が設けられている。より具体的には、第１のガラス層１２の蛍光体層１１側とは反対側の主面１２ａの上に第１の波長選択層６１が設けられている。本実施形態は、上記の点以外では、第１の実施形態と同様の構成を有する。
本実施形態において、励起光１の波長は４００〜５２０ｎｍ付近であり、蛍光２の波長は約５２０ｎｍ以上である。第１の波長選択層６１は、励起光１を透過し、かつ蛍光２を反射するバンドパスフィルターである。図１１に示すように、第１の波長選択層６１では、４００〜５２０ｎｍ付近の波長の光の透過率は高く、約５２０ｎｍ以上の波長の可視光の透過率は非常に低い。第１の波長選択層６１は、例えば、高屈折率の誘電体膜と低屈折率の誘電体膜とが交互に積層された誘電体多層膜からなる。
本実施形態の蛍光ホイール１０をプロジェクター用発光デバイスに用いるに際しては、図６に示したプロジェクター用発光デバイス３０と同様に、第１のガラス層１２側から励起光１を入射させる。励起光１は、第１の波長選択層６１及び第１のガラス層１２を通り、蛍光体層１１に入射する。蛍光体層１１に入射した励起光１により蛍光体１５が励起され、蛍光体１５から蛍光２が出射される。
このとき、蛍光体層１１の第２の主面１１ｂ側の方向だけではなく、第１の主面１１ａ側の方向にも、蛍光体１５から蛍光２が出射される。本実施形態では、第１のガラス層１２の主面１２ａ上に第１の波長選択層６１が設けられている。それによって、蛍光体層１１の第１の主面１１ａ側の方向に出射された蛍光２を第１の波長選択層６１により反射させることができる。反射された蛍光２は、蛍光体層１１の第２の主面１１ｂ側から出射される。蛍光体層１１の第２の主面１１ｂ側から出射された蛍光２は、第２のガラス層１３を通り、蛍光ホイール１０から出射される。すなわち、蛍光体１５から蛍光体層１１の第２の主面１１ｂ側に出射された蛍光２だけではなく、第１の主面１１ａ側の方向に出射された蛍光２をも第２の主面１１ｂ側から出射させ、蛍光ホイール１０から出射させることができる。したがって、発光強度を効果的に高めることができる。
図１２は、本発明の第６の実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールを示す断面図である。本実施形態では、蛍光体層１１に対して蛍光２の出射側に、反射防止膜６２が設けられている。より具体的には、第２のガラス層１３の蛍光体層１１とは反対側の主面１３ｂの上に反射防止膜６２が設けられている。本実施形態は、上記の点以外では、第５の実施形態と同様の構成を有する。
本実施形態でも、第５の実施形態と同様に、励起光の波長は４００〜５２０ｎｍ付近であり、蛍光の波長は約５２０ｎｍ以上である。図１３に示すように、反射防止膜６２は、４００〜７００ｎｍの光に対する反射率が１％未満である。反射防止膜６２は、例えば、それぞれ屈折率が異なる複数の誘電体膜が積層された誘電体多層膜からなる。
蛍光体層１１から出射された蛍光２は、第２のガラス層１３に入射し、第２のガラス層１３の主面１３ｂに至る。反射防止膜６２が設けられていない場合、蛍光２の一部は、第２のガラス層１３の主面１３ｂにおいて反射されることにより、主面１３ｂ側から出射されない。本実施形態では、第２のガラス層１３の主面１３ｂ上に設けられた反射防止膜６２により、第２のガラス層１３の主面１３ｂにおける蛍光２の反射率を小さくすることができる。したがって、発光強度をより一層高めることができる。
図１４は、本発明の第７の実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールを示す断面図である。本実施形態では、蛍光体層１１に対して蛍光２の出射側に、第２の波長選択層６３が設けられている。より具体的には、第２のガラス層１３の蛍光体層１１側とは反対側の主面１３ｂの上に第２の波長選択層６３が設けられている。本実施形態は、上記の点以外では、第５の実施形態と同様の構成を有する。
本実施形態でも、第５の実施形態と同様に、励起光の波長は４００〜５２０ｎｍ付近であり、蛍光の波長は約５２０ｎｍ以上である。第２の波長選択層６３は、励起光１を反射し、かつ蛍光２を透過するバンドパスフィルターである。図１５に示すように、第２の波長選択層６３では、約４５０ｎｍ以上の可視光の透過率は高く、約４５０ｎｍ以下の可視光の透過率は非常に低い。第２の波長選択層６３は、例えば、高屈折率の誘電体膜と低屈折率の誘電体膜とが交互に積層された誘電体多層膜からなる。
蛍光体層１１に入射した励起光１の一部は、蛍光体１５を励起させずに第２のガラス層１３を通り、外部に出射されてしまうおそれがある。本実施形態では、第２のガラス層１３の蛍光体層１１側とは反対側の主面に第２の波長選択層６３が設けられている。このため、第２のガラス層１３に入射した励起光１は、第２のガラス層１３を通って第２の波長選択層６３に至り、反射される。反射された励起光１は、第２のガラス層１３を通り、蛍光体層１１に入射して、蛍光体１５を励起させる。このように、励起光１を第２の波長選択層６３で反射させて閉じ込めることにより、蛍光体１５をより一層励起させることができる。したがって、発光強度をより一層効果的に高めることができる。
（発光強度の評価）
第１の実施形態、第５〜第７の実施形態及び比較例のプロジェクター用蛍光ホイールの発光強度を測定し、評価した。なお、図１６に示すように、比較例のプロジェクター用蛍光ホイールは、第５の実施形態において、第２のガラス層を設けず、かつ第１のガラス層の代わりにガラス基板６４を用いている。第１の波長選択層６１は、ガラス基板６４の上に設けられている。
各プロジェクター用蛍光ホイールの各層及びガラス基板の厚みは、以下のようにした。第１の実施形態及び第５〜第７の実施形態の第１，第２のガラス層１２，１３の厚みはそれぞれ２０μｍとし、蛍光体層１１の厚みは８０μｍとした。比較例のガラス基板６４の厚みは３００μｍとし、蛍光体層１１の厚みは８０μｍとした。各プロジェクター用蛍光ホイールに入射させる励起光１の波長は、いずれも４３６ｎｍとした。蛍光体層１１の蛍光体１５には、青色励起により黄色発光するＹＡＧ蛍光体を用いた。蛍光ホイールから出射した光を、レンズを用いて受光器に集光することにより発光強度を測定した。
図１７は、本発明の第１の実施形態、第５〜第７の実施形態及び比較例のプロジェクター用蛍光ホイールの波長と発光強度との関係を示す図である。実線は第７の実施形態を示し、周期が短い破線は第６の実施形態を示し、一点鎖線は第５の実施形態を示し、二点鎖線は第１の実施形態を示し、周期が長い破線は比較例を示す。
図１７に示すように、第１及び第５〜第７の実施形態の発光強度は、比較例よりも高くなっている。第１の実施形態及び第５〜第７の実施形態では、第１のガラス層１２の厚みが、比較例のガラス基板６４の厚みよりも薄くなっている。このため、第１のガラス層１２の端面から外部に蛍光２を漏れ出し難くすることができる。したがって、このような理由で、第１及び第５〜第７の実施形態における発光強度が高められていると考えられる。
図１７に示すように、第１の実施形態よりも第５〜第７の実施形態の発光強度の方が高くなっている。第５〜第７の実施形態では、第１のガラス層１２の主面１２ａ上に設けられている第１の波長選択層６１によって、第１のガラス層１２側の方向に出射された蛍光２を反射させることができる。したがって、このような理由で、第５〜第７の実施形態では、第１の実施形態よりも発光強度を高めることができると考えられる。
図１７に示すように、第５の実施形態よりも第６の実施形態の発光強度の方が高くなっている。第６の実施形態では、第２のガラス層１３の主面１３ｂ上に反射防止膜６２が設けられていることによって、第２のガラス層１３の主面１３ｂにおける蛍光２に対する反射率が小さくされていることにより、発光強度をより一層高めることができる。
図１７に示すように、第７の実施形態の発光強度が最も高いことがわかる。第７の実施形態では、第２のガラス層１３の主面１３ｂ上に設けられている第２の波長選択層６３によって、励起光１を反射させて蛍光体１５をより一層励起させることにより、発光強度をより一層高めることができる。なお、波長４３６ｎｍ付近のピークは、蛍光体層１１の第２の主面１１ｂ側から出射される励起光１のピークに相当する。波長４３６ｎｍ付近において第７の実施形態の強度が最も低くなっている。これは、第２の波長選択層６３により励起光１が反射されていることを示している。
（第８の実施形態）
図１８は、本発明の第８の実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールを示す断面図である。本実施形態では、第１のガラス層１２の蛍光体層１１側とは反対側の主面１２ａの上に、放熱部材６５が設けられている点で、第１の実施形態と異なる。本実施形態は、上記以外の点では、第１の実施形態と同様の構成を有する。
放熱部材６５は透明であり、かつ放熱部材６５の熱伝導率は第１のガラス層１２の熱伝導率よりも高い。放熱部材６５は、例えば、サファイア、スピネルまたは窒化アルミニウム等からなる。本実施形態では、蛍光体層１１に発生した熱を、放熱部材６５を通って外部に放出させることができる。そのため、蛍光体層１１が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１１が加熱されることにより生じる蛍光強度の低下等を防止することができる。
励起光１を第１のガラス層１２から入射させる場合には、蛍光体層１１の第２のガラス層１３側に位置する蛍光体１５よりも第１のガラス層１２側に位置する蛍光体１５の方が励起されやすい。すなわち、蛍光体層１１の第１のガラス層１２側において発熱しやすい。本実施形態では、より発熱しやすい第１のガラス層１２側に放熱部材６５が設けられている。よって、励起光１を第１のガラス層１２側から入射させる場合、放熱性を特に効果的に高めることができ、蛍光強度の低下等を防止することができる。
さらに、外部が空気等の場合、放熱部材６５はサファイア、スピネルまたは窒化アルミニウム等からなるため、外部よりも放熱部材６５の屈折率の方が高い。そのため、外部と放熱部材６５の界面での反射ロスを低減でき、発光強度を効果的に高めることができる。
なお、放熱部材６５の屈折率は、サファイア、スピネルまたは窒化アルミニウム等のように第１のガラス層１２を構成するガラスの屈折率よりも高いことが好ましい。それによって、放熱部材６５とガラス層１２の界面における反射ロスを低減することができる。
放熱部材６５は、接合剤などを介して第１のガラス層１２に接合されていてもよく、接合剤を介さずに第１のガラス層１２に接合されていてもよい。接合剤としては、例えば第４の実施形態と同様に、シリコーン樹脂や透明ポリミド樹脂などの透明な材料を用いることができる。接合剤を介さずに放熱部材６５と第１のガラス層１２とを接合する場合は、例えば、第１のガラス層１２を形成するときに接合することができる。より具体的には、後述するように、第１のガラス層１２となる第１のグリーンシートが軟化点以上に加熱されているときに、放熱部材６５を第１のグリーンシートに接合することができる。
放熱部材６５は、第１の波長選択層６１の上に設けられていてもよい。放熱部材６５と第１の波長選択層６１とは、例えば、接合剤により接合することができる。この場合も、放熱性を効果的に高めることができ、蛍光強度の低下等を防止することができる。
（製造方法）
上記各実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールは、例えば、グリーンシートを積層した積層体を作製し、この積層体を焼成することにより製造することができる。すなわち、この製造方法は、第１のガラス層１２となる第１のグリーンシートの上に、蛍光体層１１となる第２のグリーンシートを積層し、第２のグリーンシートの上に、第２のガラス層１３となる第３のグリーンシートを積層した積層体を作製する工程と、積層体を焼成し、第１のグリーンシート、第２のグリーンシート及び第３のグリーンシートにより、それぞれ第１のガラス層１２、蛍光体層１１及び第２のガラス層１３を形成する工程とを備える。但し、本発明のプロジェクター用蛍光ホイールは、このような製造方法により製造されたものに限定されるものではない。
図１９は、上記各実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールを製造するための積層体を示す斜視図である。積層体４０は、第１のガラス層１２となる第１のグリーンシート４１と、蛍光体層１１となる第２のグリーンシート４２と、第２のガラス層１３となる第３のグリーンシート４３とを備え、第１のグリーンシート４１の上に第２のグリーンシート４２が積層され、第２のグリーンシート４２の上に第３のグリーンシート４３が積層されることにより構成されている。
図１９に示す積層体４０は、既にホイールの形状を有している。このような積層体４０は、例えば、矩形状の各グリーンシートを積層して、矩形状の積層体を作製し、この積層体を打ち抜き加工してホイール形状にし、製造することができる。また、予めリング状に形成したグリーンシートを積層することによっても製造することができる。
第２のグリーンシート４２は、例えば、以下のようにして製造することができる。ガラスマトリクス１６となるガラス粒子と、蛍光体１５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、第２のグリーンシート４２を製造することができる。
第１のグリーンシート４１及び第３のグリーンシート４３は、例えば、以下のようにして製造することができる。第１のガラス層１２または第２のガラス層１３を構成するガラス粒子と、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、第１のグリーンシート４１及び第３のグリーンシート４３をそれぞれ製造することができる。
図２０は、本発明の製造方法の実施形態において、積層体を焼成する方法の一例を示す断面図である。図２０に示すように、積層体４０を挟むようにアルミナなどからなるセラミックシート５０を、第１のグリーンシート４１の上及び第３のグリーンシート４３の上に配置する。この状態で、上下に配置したセラミックシート５０を互いに近づくように押圧して、積層体４０に拘束力を加えながら焼成することにより、無収縮焼成する。
図２１は、本発明の製造方法の実施形態において、積層体を焼成する焼成プロファイルを示す図である。図２１に示すように、まず３０℃から５００℃まで、４８０分かけて温度上昇させる。次に、温度を５００℃に維持して、１８０分間焼成する。この温度で焼成することにより、積層体４０全体からバインダー等を除去する。
次に、６６０℃まで温度を上昇させ、この温度を維持して、６０分間焼成する。この温度は、第２のグリーンシート４２に含まれるガラス、すなわちガラスマトリクス１６を構成するガラスの軟化点より高い温度であり、第１のグリーンシート４１及び第３のグリーンシート４３に含まれるガラス、すなわち第１のガラス層１２及び第２のガラス層１３を構成するガラスの軟化点より低い温度である。したがって、この温度で焼成することにより、蛍光体層１１となる第２のグリーンシート４２からバインダー等を完全に除去することができる。
次に、７５０℃まで温度を上昇させ、この温度を維持して、６０分間焼成する。この温度は、第１のガラス層１２及び第２のガラス層１３を構成するガラスの軟化点より高い温度である。したがって、この温度で焼成することにより、第１のガラス層１２及び第２のガラス層１３となる第１のグリーンシート４１及び第３のグリーンシート４３からバインダー等を完全に除去することができる。
以上のようにして、積層体４０を焼成することができる。焼成した積層体４０は、必要に応じて、その表面を鏡面研磨することができる。また、必要に応じて、真空中でさらに焼成してもよい。また、焼成した積層体４０をイオン交換して化学強化することにより、蛍光ホイールの機械的強度をさらに高めることができる。
上記の実施形態では、予めホイール形状をした積層体を焼成しているが、焼成後にホイール形状となるように切削等の加工を施してもよい。
上記の実施形態では、グリーンシートを用いて、蛍光体層１１、第１のガラス層１２及び第２のガラス層１３を形成しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ペーストや塗料等を塗布し、塗膜を熱処理することにより形成してもよい。以上により、第１〜第４の実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールを製造することができる。
第５〜第７の実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールを製造する方法について、以下説明する。上述した第１〜第４の実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールの製造方法と同様の方法により、第１のガラス層１２、蛍光体層１１及び第２のガラス層１３を形成する。次に、第１のガラス層１２の主面１２ａの上に、例えば、真空蒸着法やスパッタリング法等により第１の波長選択層６１を形成する。より具体的には、例えば、高屈折率の誘電体膜と低屈折率の誘電体膜とを交互に積層し、誘電体多層膜である第１の波長選択層６１を形成する。これによって、第５の実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールを製造することができる。
第６及び第７の実施形態では、次に、第２のガラス層１３の主面１３ｂの上に、例えば、真空蒸着法やスパッタリング法等により誘電体多層膜を形成する。第６の実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールを製造するに際しては、例えば、それぞれ屈折率が異なる複数の誘電体膜を積層させることにより、誘電体多層膜である反射防止膜６２を形成する。第７の実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールを製造するに際しては、例えば、高屈折率の誘電体膜と低屈折率の誘電体膜とを交互に積層し、誘電体多層膜である第２の波長選択層６３を形成する。
第８の実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールを製造する方法について、以下説明する。第１〜第４の実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールの製造方法と同様の方法により、第１〜第３のグリーンシート４１〜４３からなる積層体４０を形成し、積層体４０を図２１の焼成プロファイルにより焼成する。積層体４０を７５０℃で焼成し、第１のグリーンシート４１を軟化点以上に加熱しているときに、放熱部材６５を第１のグリーンシート４１に接合する。このとき、第１のグリーンシート４１からバインダー等が充分除去された後に、放熱部材６５を第１のグリーンシート４１に接合することが好ましい。
あるいは、第１〜第４の実施形態のプロジェクター用蛍光ホイールの製造方法と同様の方法により、第１のガラス層１２、蛍光体層１１及び第２のガラス層１３を形成した後に、第１のガラス層１２に放熱部材６５を接合してもよい。このとき、例えば、第１のガラス層１２に接合剤を介して放熱部材６５を接合する。
１…励起光
２…蛍光
１０…蛍光ホイール
１１…蛍光体層
１１ａ，１１ｂ…第１，第２の主面
１２，１３…第１，第２のガラス層
１２ａ…主面
１３ｂ…主面
１４…挿入層
１５…蛍光体
１６…ガラスマトリクス
１７…反射層
２０…光源
２１…モーター
２２…回転軸
３０，３１…プロジェクター用発光デバイス
４０…積層体
４１〜４３…第１〜第３のグリーンシート
５０…セラミックシート
６１…第１の波長選択層
６２…反射防止膜
６３…第２の波長選択層
６４…ガラス基板
６５…放熱部材

Claims (16)

  1. 第１の主面と、前記第１の主面と反対側に位置する第２の主面とを有し、励起光の入射により励起して蛍光を出射する蛍光体層と、
    前記蛍光体層の前記第１の主面の上に前記第１の主面と接するように積層して設けられる第１のガラス層と、
    前記蛍光体層の前記第２の主面の上に前記第２の主面と接するように積層して設けられる第２のガラス層とを備え、
    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蛍光体とを有し、
    前記第１のガラス層または前記第２のガラス層を構成するガラスの熱膨張係数は、前記ガラスマトリクスを構成するガラスの熱膨張係数の値−５０×１０ −７ ／℃〜前記ガラスマトリクスを構成するガラスの熱膨張係数の値＋５０×１０ −７ ／℃の範囲にあり、
    前記蛍光体層の前記第１の主面の上に前記第１のガラス層が焼結され、前記蛍光体層の前記第２の主面の上に前記第２のガラス層が焼結されていることを特徴とする、プロジェクター用蛍光ホイール。
  2. 前記蛍光体層の厚みが、３０〜２００μｍの範囲内である、請求項１に記載のプロジェクター用蛍光ホイール。
  3. 前記第１のガラス層及び前記第２のガラス層の厚みが、それぞれ５〜３００μｍの範囲内である、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. 前記第１のガラス層及び前記第２のガラス層の厚みが、それぞれ１０〜１５０μｍの範囲内である、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。
  5. 前記第１のガラス層または前記第２のガラス層を構成するガラスの軟化点は、前記ガラスマトリクスを構成するガラスの軟化点より高い、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. 前記第１のガラス層及び／または前記第２のガラス層が、化学強化層を有している、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. 前記蛍光体層が、リング状である、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. 前記第１のガラス層の上に、金属膜または誘電体多層膜からなる反射層が設けられている、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。
  9. 前記蛍光体層に対して前記励起光の入射側に第１の波長選択層が設けられており、前記第１の波長選択層が、前記励起光を透過し、かつ前記蛍光を反射する、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。
  10. 前記蛍光体層に対して前記蛍光の出射側に第２の波長選択層が設けられており、前記第２の波長選択層が、前記蛍光を透過し、かつ前記励起光を反射する、請求項１〜７または９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。
  11. 前記蛍光体層に対して前記蛍光の出射側に反射防止膜が設けられている、請求項１〜７または９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。
  12. 請求項１〜１１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方法であって、
    前記第１のガラス層となる第１のグリーンシートの上に、前記蛍光体層となる第２のグリーンシートを積層し、前記第２のグリーンシートの上に、前記第２のガラス層となる第３のグリーンシートを積層した積層体を作製する工程と、
    前記積層体を焼成し、前記第１のグリーンシート、前記第２のグリーンシート及び前記第３のグリーンシートを、それぞれ前記第１のガラス層、前記蛍光体層及び前記第２のガラス層にする工程とを備える、プロジェクター用蛍光ホイールの製造方法。
  13. 前記積層体が、ホイールの形状を有している、請求項１２に記載のプロジェクター用蛍光ホイールの製造方法。
  14. 焼成した前記積層体を、ホイールの形状に加工する工程をさらに備える、請求項１２に記載のプロジェクター用蛍光ホイールの製造方法。
  15. 焼成した前記積層体を化学強化する工程をさらに備える、請求項１２〜１４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の製造方法。
  16. 請求項１〜１１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、
    前記蛍光ホイールの前記蛍光体層に前記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。
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