JP6933726B2

JP6933726B2 - 蛍光体部材及び光源装置

Info

Publication number: JP6933726B2
Application number: JP2019557104A
Authority: JP
Inventors: 涼野村; 剛志神
Original assignee: Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Ltd
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2018-11-07
Publication date: 2021-09-08
Anticipated expiration: 2038-11-07
Also published as: JPWO2019107100A1; WO2019107100A1

Description

本発明は、蛍光体部材及び光源装置に関する。

当該技術分野において、固体光源から出射する励起光を蛍光体により可視光に変換して効率良く発光する光源装置が提案されている。特許文献１には、光源から出射した励起光（青色レーザ光）を、蛍光体が形成された円板（蛍光体ホイール）に照射し、複数の蛍光光（赤色光、緑色光）を発光させて照明光として用いる構成が開示されている。

特開２０１１−１３３１３号公報

高い光密度の励起光を蛍光体膜に照射すると、蛍光体膜内の蛍光体粒子から蛍光光が出射（発光）される。蛍光光の一部は蛍光体膜外に出射されるが、一部の蛍光光が蛍光体膜内に浸透（光拡散）し、蛍光体膜内で反射と吸収を繰り返し出射されない損失の発生と、発光点の拡大による輝度低下が発生する。よって、蛍光体膜における蛍光光出射面から出力される有効光の出力の低下を抑制し、蛍光光出力を高めるための更なる工夫が求められている。

本発明の目的は、上記実情に鑑みてなされたものであり、蛍光体部材から蛍光光をより効率よく出力させることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は特許請求の範囲に記載の構成を備える。その一例を挙げるならば、本発明は、基板と、前記基板の上に配置された蛍光体層と、を備えた蛍光体部材であって、前記蛍光体層は、蛍光体膜を含み、前記蛍光体膜は、蛍光体粒子と無機物からなるバインダとを含んだ焼結体相、及び空気相から構成され、かつ、前記バインダと前記蛍光体粒子とは屈折率差が０．２以上であり、前記バインダの平均粒径が５０μｍ以下であり、かつ前記蛍光体膜とは異なり、前記蛍光体膜の表面に反射率１％以下にする反射防止層を備える、ことを特徴とする。

本発明によれば、蛍光体部材から蛍光光をより効率よく出力させることができる。上記以外の本発明の目的・構成・効果については以下の実施形態で明らかにされる。

プロジェクタの内部構成を説明する斜視図光源装置の概略構成図蛍光体部材の一例を示す断面図蛍光体部材の他例を示す断面図蛍光体膜の散乱と蛍光光の出力の関係を示す図バインダによる蛍光体膜の散乱を示す図蛍光体粒径と蛍光体膜の散乱との関係を示す図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

以下、本実施形態に係る蛍光体部材２００及びそれを用いた光源装置１００を搭載したプロジェクタ１について図１を参照して説明する。図１はプロジェクタ１の内部構成を説明する斜視図である。

図１に示す通り、プロジェクタ１では、箱状の下側筐体５の図１中における左側面の前側に配置された電源ユニット２からの電源供給を受けて、左側面の奥側に配置された光源ユニット３より光が出射し、図中の背面後部に配置された光学ユニット４に入射する。冷却ファン１０は光源ユニット３に隣接して配置され、光源ユニット３と電源ユニット２との間に配置されている。

冷却ファン１０を駆動する駆動回路は、電源ユニット２内に設けても良いし、下側筐体５内の空きスペースに設けても良い。

光学ユニット４に入射した光、即ち光源ユニット３からの出射光は、最終的に投影レンズ９の投射レンズ出射部９ｂより拡大され図示していないスクリーンに投影される。

下側筐体５の側面には通風ダクト吸気口７１ａが設けられている。通風ダクト７１は、光学部品冷却風に光学系以外の冷却風が混入しないように設置され、内部に設置されたパネル冷却ファンを用いて通風ダクト吸気口７１ａより外気を取り入れている。

通風ダクト吸気口７１ａから取り込まれた冷却風は、通風ダクト７１により整流され、下側筐体５に収容された各部品周囲を通過し、これらを冷却する。

図２は、図１の光源ユニット３を構成する光源装置１００の概略構成図である。光源装置１００は、主な構成要素として励起光源１０５、ミラー１０４、蛍光体部材２００を有する。

蛍光体部材２００は、大きくは基板２１０と、基板２１０の光出射方向側の面（表面）に積層された蛍光体層２２０とを含む。

励起光源１０５はレーザ発光素子などの固体発光素子を１個以上配置し、励起光として例えば青色レーザ光を出射し、青色レーザ光が蛍光体部材２００に向けて照射される。

励起光源１０５から出射された励起光１１０（実線で示す）は、コリメートレンズ１０６により略平行光となり、波長板１０７を通過してミラー１０４に入射する。

ミラー１０４は励起光（青色）１１０の波長域を反射し、蛍光光の波長域（黄色）を透過する特性を有するダイクロイックコートがされており、また合わせて偏光状態により青色光の反射波長が異なるように設計されている。

励起光源１０５から入射した励起光１１０の一部はミラー１０４にて反射し、集光レンズ１０３ａで集光されて、基板２１０に入射する。また励起光１１０の一部はミラー１０４を透過し集光レンズ１０３ｂにより集光されて拡散板１０８に入射する。

この際のミラー１０４における反射光と透過光との比率は、拡散板１０８の角度により調整することができる。

蛍光体層２２０に励起光１１０が入射すると蛍光光が発生する。蛍光光は集光レンズ１０３ａで略平行光となりミラー１０４に入射する。入射した蛍光光はミラー１０４の分光特性によりミラー１０４を透過する。

また拡散板１０８に入射した励起光１１０は、拡散板１０８で拡散反射したのちにミラー１０４で一部の光が反射されて、前述の蛍光光と混色されて白色光１１１として放射される。

この際、拡散板１０８で拡散反射されることで、蛍光光と混色されるレーザ光は基板２１０から発生する蛍光光と同一の分布となり、混色ムラを抑制することができる。

また図２のように蛍光体層２２０へ入射する励起光１１０を集光する集光レンズ１０３ａの周囲を、励起光が通過するようにレーザを配置することで、蛍光体層２２０に対しての入射角を大きくすることが可能となる。この構成により、蛍光体層２２０から効率良く蛍光光を発生させることで、励起光源１０５の省電力化や装置の小型化を実現できる。

図３、図４を参照して蛍光体部材２００の構成について説明する。図３は蛍光体部材２００の一例を示す断面図である。図４は蛍光体部材の他例を示す断面図である。

図３の蛍光体部材２００は、蛍光体層保持部材２１１における蛍光体層側面（表面）２１０ａに接着層２３０を介して蛍光体層２２０を積層して構成される。

（基板２１０）
蛍光体部材２００は、基板２１０として蛍光体ホイールを用いる。蛍光体ホイールは、円板状の蛍光体層保持部材２１１と、蛍光体層保持部材２１１を中心に回転させるモータに連結される回転中心軸２１２とを含んで構成する。

そして、回転中心軸２１２を中心に蛍光体層保持部材２１１が回転させることで、励起光１１０が蛍光体層２２０に局所的に入射し、局所的に高温になることを抑止する。

蛍光体層２２０は、回転中心軸２１２を中心とするリング状に形成され、基板２１０に接着層２３０を介して固定される。

蛍光体層２２０は、蛍光体膜２２２と、蛍光体膜２２２における基板側面（裏面）に光反射層２２３とを備える。更に、蛍光体膜２２２における基板側面とは反対側の面（表面）にＰＶＤにより一体的に形成された反射防止層２２１を含んで構成される。

上記「ＰＶＤ」にはスパッタリングや蒸着法等が含まれるものとし、一つの蒸着法に限定されない。なお、ＰＶＤによる蒸着順序も限定されない。すなわち、蛍光体膜２２２に対して反射防止層２２１又は光反射層２２３のどちらを先に行ってもよい。

（蛍光体膜２２２）
蛍光体膜２２２は蛍光体膜２２２内に入射した励起光１１０を蛍光光に変換し、蛍光光を蛍光体膜２２２の外に出射される機能性膜であって、材質は特に限定されない。例えば、蛍光体膜２２２は蛍光体粒子と酸化アルミニウム（アルミナ）とを含む焼結体相と空気相とから構成されてもよい。酸化アルミニウムは無機物からなるバインダ材質の一例である。

（反射防止層２２１）
励起光１１０が蛍光体膜２２２の表面に入射するとき、蛍光体膜２２２の表面と空気層の屈折率差が大きく、励起光１１０の蛍光体膜２２２の表面での反射率が大きいことで十分に励起光１１０を蛍光体膜２２２の内部に透過することができず、蛍光光出力が低くなる。

そこで、蛍光体膜２２２の表面に励起光１１０の反射率を１％以下にする機能を有する反射防止層２２１を設けることで、励起光１１０の反射率は小さくなり、蛍光光出力は高くなる。反射防止層２２１は励起光１１０の垂直入射光に対して表面反射率が１％以下になる構成であれば良く、単層又は複数層から構成しても良い。

（接着層２３０）
接着層２３０は、材質、膜厚等は特に限定されないが、蛍光体層２２０内で生じた励起光１１０を蛍光光に変換する際に生じる熱を基板２１０に伝熱する際に妨げにならないように、放熱性を有することが望ましい。例えば図３のように光反射層２２３と基板２１０との間に位置する接着層２３０は、透光性が不要であるので金属成分を含むハンダやシリコン樹脂などの有機物を含む接着剤を使用した接着層２３０を使用してもよい。

他例として、図４に示すように、蛍光体部材２００ａは、蛍光体層保持部材２１１の蛍光体層側面（表面）２１０ａに光反射素材を塗布して光反射層２２３ａを蛍光体層保持部材２１１と一体に形成してもよい。この場合、蛍光体層２２０ａは、光反射層２２３ａ上に配置された接着層２３０ａと、その上に順に積層された蛍光体膜２２２及び反射防止層２２１を含んで形成される。蛍光体層２２０ａに含まれる接着層２３０ａは、透光性を有する部材、例えばシリコンを用いて構成される。

蛍光体膜２２２、２２２ａの散乱性に影響を与えるパラメータとして、（ａ）蛍光体粒子とバインダの屈折率差と、（ｂ）蛍光体膜の粒界面積とがある。

（ａ）蛍光体粒子とバインダの屈折率差
蛍光体粒子としてＹＡＧ、ＬＡＧを使用することができる。屈折率はともに１．８で励起光１１０は青色光（波長４５０ｎｍ）を使用する。バインダは青色光を吸収せず、耐熱性、熱伝導性が高い材料であれば材質は限定されないが金属酸化物が好ましく、蛍光体粒子との屈折率差が０．２以上あることが好ましい。

バインダの屈折率は蛍光体粒子よりも小さいことが好ましい。バインダの方が屈折率が大きいと蛍光体膜に入射した励起光がバインダ表面で反射し、十分に蛍光体粒子に届くことなく、蛍光出力が小さくなる。バインダの方が屈折率が小さいと蛍光体膜に入射した励起光の一部が蛍光体膜内を透過し、蛍光体粒子に届くため、蛍光出力は大きくなる。バインダの材質は、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｂ₂Ｏ₃、Ｐ₂Ｏ₅、Ｌａ₂Ｏ₃、Ｎａ₂Ｏ、Ｎｄ₂Ｏ₃、ＢａＯ、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、Ｋ₂Ｏを含み、単一でも複数種類併用して用いてもよい。上記ガラスの構成成分の中には、単独では蛍光体粒子の屈折率よりも屈折率が高くなり、屈折率差が０.２未満になるものもあるが、複数種類併用し屈折率差を０.２以上にして用いてもよい。

（ｂ）蛍光体膜の粒界面積
図５を参照して、蛍光体膜の散乱と蛍光光出力との関係について説明する。図５は、蛍光体膜内で蛍光光の散乱が小さい場合（左）と大きい場合（右）との比較例を示す図である。

蛍光体膜２２２の散乱が小さい場合（図５の左図）、蛍光光が蛍光体膜２２２に浸透しやすくなる。そのため、蛍光光出射面２２２ｓに向かって膜内で反射される蛍光光が少なくなり蛍光光出射面２２２ｓから出射する有効光が少なくなる。また蛍光体膜２２２に浸透しやすいことから、蛍光体膜２２２に励起光１１０が入射して形成される発光点が拡大しやすくなる。その結果、蛍光体膜２２２の輝度が低下する。蛍光光出射面２２２ｓは、蛍光体膜２２２における励起光入射面と同じ面である。

これに対し、散乱が大きい場合（図５の右図）、蛍光光は発光点付近で散乱し、蛍光体膜２２２の内部へは浸透しにくくなる。そして散乱光の内の一部は蛍光光出射面２２２ｓに向って進行し、蛍光光出射面２２２ｓから出射する有効光が増加する。また発光点が拡大しにくくなるので、蛍光体膜２２２の輝度も高くなる。

蛍光光の散乱は、蛍光体膜２２２内に形成される粒界で生じる。よって、粒界面積が大きいほど蛍光体膜２２２内において蛍光光は散乱するので、粒界面積を大きくすることが好ましい。粒界面積を調整するために、（ｂ−１）バインダの粒径（直径）を調整する構成と、（ｂ−２）蛍光光粒子の粒径を調整する構成とがある。

（ｂ−１）バインダの粒径を調整する構成
図６は、バインダ粒径と蛍光体膜の散乱との関係を示す図である。図６に示す第１蛍光体膜６１０、第２蛍光体膜６２０、第３蛍光体膜６３０は、蛍光体粒径は同じく、バインダの材質が異なる。

第１蛍光体膜６１０は、蛍光体粒子６１１と、シリコン樹脂やガラスのように粒界がない非晶質体を用いたバインダ６１２を含む蛍光体膜例を示す。シリコン樹脂やガラスをバインダ６１２として用いた場合、第１蛍光体膜６１０内にバインダ６１２の粒界が無く、膜内の粒界面積が小さい。よって、膜内で散乱が生じにくく、有効光の出力が小さい。

第２蛍光体膜６２０は、第１蛍光体膜６１０とは異なる材質のバインダ６２２と蛍光体粒子６１１からなる蛍光体膜である。第３蛍光体膜６３０に用いられるバインダ６３２の粒径は第２蛍光体膜６２０に用いられるバインダ６２２の粒径よりも大きく、第３蛍光体膜６３０の方が粒界面積が大きい。バインダ６２２の材質として、例えば、ガラス粒子（非晶質）、金属酸化物（結晶）の大粒径（平均粒径５０μｍ〜２０μｍ）の多結晶体（粒界がある）を用いてもよい。また第３蛍光体膜６３０に用いるバインダの材質として、例えば、バインダ６２２の小粒径品（平均粒径２０μｍより小さい）を用いてもよい。

このように、蛍光体膜の散乱性はバインダの粒径により調整することができる。

好適なバインダの粒径として、例えば、バインダの直径を平均５０μｍ以下にすることで十分な蛍光光の出力を得ることができる。

（ｂ−２）蛍光光粒子の粒径を調整する構成
蛍光体膜内の粒界面積を調整する他例として、バインダの粒径ではなく、蛍光体粒径を調整してもよい。

図７は、蛍光体粒子の粒径と蛍光体膜の散乱との関係を示す図である。図７の第４蛍光体膜７１０は、蛍光体膜内に粒界面積が小さい大粒径の蛍光体粒子７１１とバインダ７１２とを含む蛍光体膜である。

第５蛍光体膜７２０は、大粒径の蛍光体粒子７２１ａと小粒径の蛍光体粒子７２１ｂとを混合し、バインダ７１２を用いて形成された蛍光体膜である。

第６蛍光体膜７３０は、蛍光体膜内に小粒径の蛍光体粒子７３１を多く含み、バインダ７１２を用いて形成された蛍光体膜である。

第４蛍光体膜７１０、第５蛍光体膜７２０、第６蛍光体膜７３０に含まれる蛍光体粒子量が同じ場合、第４蛍光体膜７１０、第５蛍光体膜７２０、第６蛍光体膜７３０の順に蛍光体粒子の表面積及び粒界面積が大きくなり、散乱が大きくなる。

このように、蛍光体膜の散乱性は蛍光体粒子の粒径により調整することができる。ただし蛍光体粒径を小さくすると特性（発光効率）の低下や温度特性が悪化する可能性があるので、蛍光光出力と発光効率や温度特性の悪化とのバランスをとることが望ましい。一例として、蛍光体の粒径を平均５０μｍ以下にすることで十分な蛍光光の出力を得ることができる。

本実施形態によれば、蛍光体膜２２２に含まれるバインダと蛍光体粒子の屈折率や、バインダの粒径及び／又は蛍光体粒子の粒径を調整して、蛍光体膜２２２内において蛍光光の散乱性からの蛍光光出力を大きくすることができる。

本実施形態は、本発明を限定するものではない。例えば、上記では基板２１０として蛍光体ホイールを用いたが、回転体の基板２１０に限定されず、板状の固定体からなる基板を用いてもよい。回転体の基板２１０は、固定体の基板２１０を用いる場合よりもより蛍光体膜２２２の放熱性を高め、ひいては蛍光光の取り出し効率を向上させることができる。一方、固定体の基板は、基板の形成が回転体に比べてより容易に行える。

また上記実施形態では、本発明に係る蛍光体部材２００を用いた光源装置１００の使用例としてプロジェクタ１を例に挙げたが、ヘッドライトに用いてもよい。

１：プロジェクタ
１００：光源装置
２００：蛍光体部材
２１０：基板
２２０：蛍光体層
２２１：反射防止層
２２２：蛍光体膜
２２３：光反射層
２３０：接着層

Claims

基板と、
前記基板の上に配置された蛍光体層と、を備えた蛍光体部材であって、
前記蛍光体層は、蛍光体膜を含み、
前記蛍光体膜は、蛍光体粒子と無機物からなるバインダとを含んだ焼結体相、及び空気相から構成され、かつ、前記バインダと前記蛍光体粒子とは屈折率差が０．２以上であり、前記バインダの平均粒径が５０μｍ以下であり、かつ前記蛍光体膜とは異なり、前記蛍光体膜の表面に反射率１％以下にする反射防止層を備える、
ことを特徴とする蛍光体部材。
請求項１に記載の蛍光体部材であって、
前記バインダは前記蛍光体膜内で直径５０μｍ以下の金属酸化物である、
ことを特徴とする蛍光体部材。
請求項１又は２に記載の蛍光体部材であって、
前記バインダの屈折率は、前記蛍光体粒子の屈折率よりも小さい、
ことを特徴とする蛍光体部材。
請求項１に記載の蛍光体部材を含む光源装置であって、
前記蛍光体部材と、前記蛍光体部材に照射する励起光を発生させる励起光源と、を含む、
ことを特徴とする光源装置。