JP7022914B2 - 発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体発光素子、特にレーザーダイオードと、蛍光体を組み合わせてなる発光装置に関する。

従来、固体発光素子と、蛍光体を含む波長変換体とを組み合わせてなる発光装置が知られている。このような発光装置としては、例えば、白色ＬＥＤ光源、あるいは、レーザー照明装置やレーザープロジェクターが知られている。

レーザー光を利用する発光装置では、蛍光体を励起する光のパワー密度の増加に伴う光出力飽和を緩和するために、超短残光性の蛍光を放つＣｅ^３＋付活蛍光体の利用が好まれる。そして、緑色系（青緑又は緑色）の蛍光を放つＣｅ^３＋付活蛍光体と、暖色系（橙又は赤色）の蛍光を放つＣｅ^３＋付活蛍光体を少なくとも組み合わせて利用することによって、高演色性の照明光を実現できるようになる（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２０１６／０９２７４３号

しかしながら、一般に、暖色系Ｃｅ^３＋付活蛍光体は、青～青緑の光成分をよく吸収する特性を持つ。したがって、暖色系蛍光体と緑色系蛍光体が近接する装置構造とした場合には、緑色系蛍光体が放つ緑色系光の短波長側（青～青緑色）の光成分が、暖色系蛍光体に吸収されて強度低下し、出力光の演色性が下がる課題があった。

本開示は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして本開示の目的は、色調が異なる複数種のＣｅ^３＋付活蛍光体と励起源とを備える発光装置において、暖色系蛍光体と緑色系蛍光体とが近接する装置構造とした場合でも、青緑色の光成分強度が比較的大きく出力光の演色性が高い発光装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本開示の態様に係る発光装置は、４４０ｎｍ以上４７０ｎｍ未満の波長領域内に強度最大値を持つ励起光を放つ固体発光素子と、粒子状の蛍光体であり、かつ、Ｃｅ^３＋で付活された無機蛍光体である第一の蛍光体を含む第一の波長変換体及びＣｅ^３＋で付活された無機蛍光体である第二の蛍光体を含む第二の波長変換体を組み合わせてなる波長変換部材とを備える。第一の蛍光体は４７０ｎｍ以上５３０ｎｍ未満の波長領域内に強度最大値を持つ第一の蛍光を放ち、第二の蛍光体は５８０ｎｍ以上６６０ｎｍ未満の波長領域内に強度最大値を持つ第二の蛍光を放つ。第一の波長変換体は、第一の蛍光体の粒子同士が接触していない分散状態を有する。

本開示の実施の形態に係る発光装置の一例の概略図である。 本開示の実施の形態に係る発光装置の一例の概略図である。 本開示の実施の形態に係る発光装置の一例の概略図である。 第一の波長変換体の上面図である。 実施例に係る蛍光体の電子顕微鏡写真である。 実施例に係る第一の波長変換体の蛍光スペクトル（ａ）、及び、第一の蛍光体（圧粉体）の蛍光スペクトル（ｂ）を示す図である。 実施例に係る第二の蛍光体における光吸収率の波長依存性を表す励起スペクトル（ａ）、並びに、第一の蛍光体の蛍光スペクトル（ｂ）及び第二の蛍光体の蛍光スペクトル（ｃ）を示す図である。 第一の蛍光体の分散状態を変えた７種類の実施例に係る波長変換部材の蛍光スペクトル（ａ）、並びに、第一の蛍光体の蛍光スペクトル（ｂ）及び第二の蛍光体の蛍光スペクトル（ｃ）を示す図である。 第一及び第二の蛍光体の粒子を異なる比で混合した圧粉体として作製した５種類の比較例に係る波長変換部材の蛍光スペクトル（ａ）、並びに、第一の蛍光体の蛍光スペクトル（ｂ）及び第二の蛍光体の蛍光スペクトル（ｃ）を示す図である。 図８と同じ実施例の各波長変換部材が放つ蛍光と、波長４５５ｎｍの青色レーザー光との加法混色によって得られた、黒体軌跡上に位置する白色光の分光分布である。 図９と同じ比較例の各波長変換部材が放つ蛍光と、波長４５５ｎｍの青色レーザー光との加法混色によって得られた、黒体軌跡上に位置する白色光の分光分布である。

以下、本実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本実施形態の好ましい具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、あくまで一例であって、本実施形態を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本実施形態の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

なお、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。なお、本明細書において、「Ｃｅ^３＋付活蛍光体」を単に「蛍光体」と呼ぶこともある。

まず、本実施形態に係る発光装置の構成について、図１～３を用いて説明する。図１は、透過型と呼ばれる構造を持つ発光装置の概略図、図２及び図３は、反射型と呼ばれる構造を持つ発光装置の概略図である。透過型の発光装置は、図１に示すように、第一の波長変換体１及び第二の波長変換体２が積層された波長変換部材１００を備えており、蛍光体を励起する励起光３が、波長変換部材１００を透過するような方向に出力されるという特徴を持つ。そして、励起光３は、第二の波長変換体２を直接照射するように波長変換部材１００に入射し、波長変換部材１００を透過した光成分は、出力光４として出力される。

このような透過型の発光装置にすると、波長変換部材１００の厚みを厚くすることによる励起光３の光成分の強度を抑えることが容易になる。したがって、励起光３が特定の波長成分に集中する分光分布を持つ光、例えばレーザー光であっても、出力光４を低色温度の白色光とすることが容易な発光装置になる。また、第一の波長変換体１が放つ蛍光の青緑色の光成分が、第二の波長変換体２に吸収される確率が小さくなるので、第一の波長変換体１が放つ蛍光が本来の蛍光スペクトル形状を保つようになり、出力光４を高演色性の白色光とすることが容易な発光装置になる。

一方、反射型の発光装置は、図２及び図３に示すように、第一の波長変換体１及び第二の波長変換体２が積層された波長変換部材１００を備えており、波長変換部材１００によって反射されるような方向に励起光３が出力されるという特徴を持つ。そして、励起光３は、第一の波長変換体１を直接照射するように波長変換部材１００に入射し、波長変換部材１００に反射された光成分は、出力光４として出力される。

このような反射型の発光装置にすると、第二の波長変換体２の放熱設計が容易な装置構造を取り得るので、温度消光が比較的大きな蛍光体を第二の蛍光体として選択できる発光装置になる。また、出力光４を放つ光出力面が第一の波長変換体１となる装置構造を取り得るので、光出力面の見た目が、第一の波長変換体１の体色に近い色を呈し、比較的目立ち難いものになる。さらに、第一の波長変換体１が放つ蛍光の青緑色の光成分が第二の波長変換体２に吸収される確率が小さくなるので、第一の波長変換体１が放つ蛍光が本来の蛍光スペクトル形状を保つようになり易く、出力光４を高演色性の白色光とすることが容易になる。

図１～３において、第一の波長変換体１は、少なくとも、第一の蛍光３１を放つ第一の蛍光体１ＡとしてのＣｅ^３＋付活蛍光体を含む波長変換体である。第一の波長変換体１は、例えば、波長４７０ｎｍ以上５３０ｎｍ未満、好ましくは波長４８０ｎｍ以上５１５ｎｍ未満に蛍光ピークを持つ第一の蛍光を放つＣｅ^３＋付活蛍光体（第一の蛍光体１Ａ）を含んでなる。

第一の波長変換体１は、図１及び図３に示すように、第一の蛍光体１Ａを封止材５で封止することによって作製できる。封止材は、有機材料及び無機材料の少なくとも一方、特に、透明（透光性）有機材料及び透明（透光性）無機材料の少なくとも一方であり得る。有機材料の封止材としては、例えば、シリコーン樹脂などの透明有機材料が挙げられる。無機材料の封止材としては、例えば、低融点ガラスなどの透明無機材料が挙げられる。

第一の波長変換体１は、図２に示すように、第一の蛍光体１Ａの粒子を第二の波長変換体２に固着させ、又は図３に示すように、第二の波長変換体２上に設けられる透光性部材６に固着させることによっても作製できる。固着のためには、有機結着剤及び無機結着剤の少なくとも一方を利用することができる。結着剤の例としては、一般的に利用される樹脂系の接着剤、及びセラミックス微粒子や低融点ガラスなどが挙げられる。

本実施形態において、第一の蛍光体１Ａは粒子状である。本実施形態において、粒子状の蛍光体の平均粒子径は、３μｍ以上であることが好ましく、５μｍ以上であることがより好ましく、１０μｍ以上であることが特に好ましい。蛍光体粒子の平均粒子径は、５０μｍ未満であることが好ましく、３０μｍ未満であることがより好ましい。これらの蛍光体粒子は、肉眼的には粉末状であり得る。ここで、平均粒子径とは、蛍光体の粒子群を顕微鏡で観察した際の、粒子の最長軸長さの平均値をいう。

本実施形態の発光装置は、図１～３に示すように、第一の波長変換体１が、第一の蛍光体１Ａの粒子同士が接触していない分散状態を持つことを特徴としている。この分散状態では、第一の波長変換体の上面図（図４）における、第一の波長変換体の面積に対する、第一の蛍光体１Ａの粒子の面積が占める割合が、９０％未満、好ましくは８０％未満、より好ましくは５０％未満である。この分散状態では、第一の波長変換体１における第一の蛍光体１Ａの全粒子のうち、他の粒子と接触しているものの割合が５０％未満、好ましくは３０％未満、より好ましくは１０％未満、特に好ましくは１％未満又は０％である。そして、このような分散状態にすると、Ｃｅ^３＋付活蛍光体の平均的な粒子間距離は長くなる。

ここで、第一の蛍光体１Ａは、後述する自己吸収効果を持つＣｅ^３＋付活蛍光体であるので、このように粒子間距離を離すと、Ｃｅ^３＋付活蛍光体の自己吸収効果が緩和されることになる。この結果、蛍光スペクトルは全体的に短波長シフトし、蛍光体の組成は同じままで青緑色の光成分強度が増すように作用する。青緑色の光成分は、白色出力光の演色性改善効果を持つので、これによって高演色性の出力光４を得ることが容易な発光装置になる。

以下、Ｃｅ^３＋付活蛍光体の自己吸収効果を説明する。まず、自己吸収効果を理解する上で必要となる、Ｃｅ^３＋付活蛍光体の特性を説明する。

Ｃｅ^３＋付活蛍光体の光吸収と蛍光は、それぞれ、Ｃｅ^３＋イオンの４ｆ^１→５ｄ^１と５ｄ^１→４ｆ^１の電子エネルギー遷移、詳しくは、ｎ＝１の時の４ｆ^ｎ⇔４ｆ^ｎ－１５ｄ^１遷移に基づいている。すなわち、Ｃｅ^３＋イオンの中の４ｆ殻の中の一つの電子が４ｆ殻から５ｄ殻へと励起される光吸収過程と、その逆の、５ｄ殻に励起された一つの電子が５ｄ殻から４ｆ殻へと緩和される蛍光過程がある。これらの電子エネルギー遷移は、量子力学でいうところのパリティー許容・スピン許容遷移であり、自然界で許された電子エネルギー遷移のため、光吸収と蛍光は難なく生じるものとなる。

また、上記４ｆ^ｎ⇔４ｆ^ｎ－１５ｄ^１遷移による光吸収と蛍光を示す付活剤（Ｃｅ^３＋、Ｅｕ^２＋、Ｙｂ^２＋）に共通する特徴として、ストークスシフトが小さく、励起スペクトルの長波長端と蛍光スペクトルの短波長端が重なっていることが挙げられる。ストークスシフトは、光吸収と蛍光のエネルギー差を指し、光吸収ピークと蛍光ピークの波長差のエネルギー換算値に相当する。

なお、このようなＣｅ^３＋のエネルギー遷移とその特徴については、希土類蛍光体に関わるハンドブックや教科書に詳しく、当業者がよく知るところでもある。

このような特性を持つため、Ｃｅ^３＋付活蛍光体の結晶粒子同士が近接すると、Ｃｅ^３＋付活蛍光体（以後、Ｃｅ^３＋付活蛍光体Ａ）の蛍光の短波長成分が、これとは別の、近接するＣｅ^３＋付活蛍光体（以後、Ｃｅ^３＋付活蛍光体Ｂ）に吸収されることになる。この結果、Ｃｅ^３＋付活蛍光体Ａは、蛍光スペクトルの短波長側の光成分強度が低下した蛍光を放つものになる。

一方、Ｃｅ^３＋付活蛍光体Ａの蛍光スペクトルにおける短波長側の光成分を吸収したＣｅ^３＋付活蛍光体Ｂは、その光エネルギーを、それよりもエネルギーが低い長波長の蛍光成分に変換することになる。この結果、Ｃｅ^３＋付活蛍光体Ｂは、蛍光スペクトルの長波長側の光成分強度が相対的に増大した蛍光を放つものになる。

そして、複数のＣｅ^３＋付活蛍光体の結晶粒子同士を近接させた場合には、このような効果が平均化されるので、Ｃｅ^３＋付活蛍光体の一個の結晶粒子が孤立している場合と比較して、蛍光スペクトルは長波長側にシフトしたものになる。

つまり、組成や粒子サイズ等が同一の蛍光体であっても、蛍光体の結晶粒子間の距離や近接する粒子の数に依存して、蛍光スペクトルや蛍光ピーク波長は変わり、蛍光体粒子がまばらに分散していればいるほど、短波長シフトしたものになるのである。

このことは、蛍光体粒子の集合体に励起光を照射して評価する一般的なフォトルミネッセンス評価法において、少なくともＣｅ^３＋付活蛍光体に関しては、単粒子の蛍光スペクトルと比べ相対的に長波長シフトしたスペクトルが得られていることを意味する。

本実施形態は、Ｃｅ^３＋付活蛍光体の蛍光スペクトル評価で認められるこのような現象を積極的に利用するものである。具体的には、青緑色の光成分を少なくとも持つ蛍光を放つＣｅ^３＋付活蛍光体の粒子をまばらに配置して利用することによって、高演色性の白色光を得る上で寄与度の大きい青緑色の光成分強度を高めて、高演色性照明を実現するものである。

なお、本実施形態は、青色レーザー光と蛍光体を利用するレーザー照明技術において特に有利な効果を奏するものである。これは、青色レーザー光では利用できる蛍光スペクトルが極めて限定されるために、青緑色光成分がとりわけ重要視されることによる。

図１～３において、第二の波長変換体２は、少なくとも、第一の蛍光３１とは異なる第二の蛍光３２を放つ第二の蛍光体２Ａ（図示せず）を含む波長変換体である。第二の波長変換体２は、例えば、波長５８０ｎｍ以上６６０ｎｍ未満、好ましくは５９０ｎｍ以上６４０ｎｍ未満、より好ましくは５９５ｎｍ以上６２０ｎｍ未満に蛍光ピークを持つ第二の蛍光を放つＣｅ^３＋付活蛍光体を含んでなる波長変換体である。このような第二の蛍光体２Ａを利用すると高演色性の照明光を得ることが容易になる。

そして、このような波長変換体は、第二の蛍光体２Ａを有機材料あるいは無機材料の封止材で封止する、あるいは、焼結体もしくはセラミックスとすることによって作製できる。

なお、本実施形態の発光装置においては、第二の蛍光体２Ａは、一般に、第一の蛍光３１の光成分の少なくとも一部を吸収する光吸収特性を持つ。そして、第二の蛍光体２Ａは、第一の蛍光３１の短波長側となる青緑色の光成分を多く吸収する光吸収特性を持つ傾向にあるので、青緑色の光成分強度を増す工夫が重要となる。

このため、波長変換部材１００を第一の波長変換体１と第二の波長変換体２の二層構造とした上で、第二の波長変換体２の側に励起光３を照射して、少なくとも励起光３と第二の蛍光３２とが波長変換部材１００を透過する装置構造が好ましい形態となる（図１）。これを透過型の装置構造という。または、同様の二層構造とした上で、第一の波長変換体１の側に励起光３を照射して、少なくとも励起光３と第一の蛍光３１とが波長変換部材１００によって反射される装置構造が好ましい形態となる（図２及び図３）。これを反射型の装置構造という。

このような構造では、第一の蛍光体１Ａが放つ第一の蛍光３１が、第二の蛍光体２Ａに吸収されることなく、出力光４の光成分として利用される割合が多くなる。したがって、第一の蛍光３１は、第一の蛍光体１Ａが本来持つ蛍光スペクトル形状に近いものになり、青緑色の光成分割合が多い出力光４を放つ発光装置になる。

図１～３において、励起光３は励起源（図示せず）が放つ光であり、第一の波長変換体１が含む第一の蛍光体１Ａ又は第二の波長変換体２が含む第二の蛍光体２Ａの少なくとも一方を励起する光である。

なお、励起光３は、４４０ｎｍ以上４７０ｎｍ未満、好ましくは４４５ｎｍ以上４６５ｎｍ未満、より好ましくは４５０ｎｍ以上４６０ｎｍ未満の波長領域内に強度最大値を持つ青色光とすることが好ましい。このようにすると、ハイパワーで比較的安価な半導体発光素子、特にレーザーダイオードを励起源として利用できるものになる。

なお、本実施形態において、好ましい励起光３はレーザー光である。これによって、光密度が大きく、指向性や収束性に優れるレーザー光を、第一の蛍光体１Ａや第二の蛍光体２Ａの励起光として、あるいは、発光装置の出力光４の光成分として利用できるものになる。

図１～３において、出力光４は、発光装置が放つ出力光であり、例えば照明用途の白色光である。出力光４は、励起光３と、励起光３が第一の蛍光体１Ａによって波長変換された第一の蛍光３１と、励起光３が第二の蛍光体２Ａによって波長変換された第二の蛍光３２の各光成分が加法混合された混色光とすることもできる。

図１～３から判るように、本実施形態に係る発光装置は、励起源とする固体発光素子（図示せず）と、波長変換部材１００とを備える。そして、波長変換部材１００は、粒子状の蛍光体であり、かつ、Ｃｅ^３＋で付活された無機蛍光体である第一の蛍光体１Ａを含む第一の波長変換体１と、Ｃｅ^３＋で付活された無機蛍光体である第二の蛍光体２Ａを含む第二の波長変換体２とを組み合わせてなる。そして、固体発光素子は、４４０ｎｍ以上４７０ｎｍ未満の波長領域内に強度最大値を持つ励起光３を放つ。さらに、第一の蛍光体１Ａは、４７０ｎｍ以上５３０ｎｍ未満の波長領域内に強度最大値を持つ第一の蛍光３１を放ち、第二の蛍光体２Ａは、５８０ｎｍ以上６６０ｎｍ未満の波長領域内に強度最大値を持つ第二の蛍光３２を放つ。

本実施形態の発光装置は、このような構成の発光装置において、第一の波長変換体１が、第一の蛍光体１Ａの粒子同士が接触していない分散状態を有している。つまり、発光装置は、第一の蛍光体１Ａの粒子がまばらになるように配置したことを特徴とするものである。

このような構造にすることによって、第一の蛍光体１ＡとなるＣｅ^３＋付活蛍光体の粒子間距離が相対的に長くなるので、Ｃｅ^３＋付活蛍光体の、先に説明した自己吸収効果が緩和され、蛍光スペクトルが全体的に短波長シフトする。その結果、演色性改善効果を持つ青緑色の光成分強度が増し、出力光４を高演色性の白色光とすることが容易な発光装置になる。

つまり、本実施形態の発光装置において、第一の蛍光体１Ａは、粒子同士が接触していない分散状態を保つことによって、蛍光ピークが短波長シフトしているものとなっている。本実施形態では、このように、第一の蛍光体の組成を変えることなく、蛍光ピークを短波長シフトさせることができるので、既存の蛍光体を利用して、出力光のスペクトルを制御できる。

本実施形態の発光装置の好ましい一例では、第二の蛍光体２Ａは粒子状の蛍光体であり、第二の波長変換体２は、第二の蛍光体２Ａの粒子同士が接触している接触構造を有するものとすることもできる。この接触構造では、第二の波長変換体２における第二の蛍光体２Ａの全粒子のうち、他の粒子と接触しているものの割合が９０％以上、好ましくは９５％以上、より好ましくは９９％以上、特に好ましくは９９．９％以上又は１００％である。このようにすると、Ｃｅ^３＋付活蛍光体の粒子間距離が短くなるので、Ｃｅ^３＋付活蛍光体の自己吸収効果が高まり、長波長の蛍光成分割合が増す。そのため、白色出力光の演色性改善効果、特に、特殊演色評価数Ｒ９の改善効果を持つ赤色の光成分強度を増加させることが可能となる。

本実施形態の発光装置の好ましい別の一例では、第二の蛍光体２Ａは、蛍光体の焼結体又はセラミックスである。蛍光体の焼結体とは、蛍光体が焼結してなり、内部に複数の空隙を有するものを表す。蛍光体のセラミックスとは、蛍光体が焼結してなり、内部に複数の空隙を有さないものを表す。Ｃｅ^３＋付活蛍光体の焼結体やセラミックスは、本来、Ｃｅ^３＋付活蛍光体の自己吸収効果が大きい構造であるため、長波長の蛍光成分割合が増加し、白色出力光の演色性改善効果を持つ赤色の光成分強度が増すことになる。また、焼結体やセラミックスは、熱伝導性に優れるので、これを採用すると、放熱設計によって波長変換体の低温化を図ることが容易な発光装置になる。

そして、波長変換部材１００を第一の波長変換体１と第二の波長変換体２の積層構造とする形態では、第一の蛍光３１が第一の蛍光体本来の蛍光スペクトル形状を保ちやすく、８０、好ましくは８５を超える高Ｒａの出力光４を放つことが容易な発光装置になる。

本実施形態において、第一の蛍光３１は、波長４７０ｎｍ以上５３０ｎｍ未満、好ましくは４８０ｎｍ以上５１５ｎｍ未満、より好ましくは４９０ｎｍ以上５１０ｎｍ未満の範囲内に蛍光ピークを持つ蛍光とすることができる。また、第二の蛍光３２は、波長５８０ｎｍ以上６６０ｎｍ未満、好ましくは５９０ｎｍ以上６４０ｎｍ未満、より好ましくは５９５ｎｍ以上６２０ｎｍ未満の波長範囲内に蛍光ピークを持つものとすることができる。このようにすると、高演色性照明に必要となる、緑色系（青緑又は緑色）の蛍光成分と、暖色系（橙又は赤色）の蛍光成分を少なくとも放つことができる発光装置になる。

本実施形態の好ましい一例では、第一の蛍光体１Ａは、アルミン酸塩及び珪酸塩の少なくとも一方である。また、第二の蛍光体２Ａは、珪酸塩及びアルミノ珪酸塩の少なくとも一方である。このような蛍光体は、化学的に安定なだけでなく、入手や製造が容易であるので、これによって、製造が容易な発光装置になる。

本実施形態の好ましい一例では、第一の蛍光体１Ａと第二の蛍光体２Ａの少なくとも一方を、ガーネット型の結晶構造を持つガーネット蛍光体とすることもでき、いずれもガーネット蛍光体とすることもできる。

そして、本実施形態の特に好ましい一例では、第一の蛍光体１Ａは、ガーネット型の結晶構造を持つアルミン酸塩である。また、第二の蛍光体２Ａは、ガーネット型の結晶構造を持つ珪酸塩である。このようなガーネット蛍光体は、化学的に安定なだけでなく、製造が容易で固体照明用として高い実績を持つので、これによって、製造が容易で長期信頼性に優れる発光装置になる。

好ましい第一の蛍光体１Ａの具体例は、アルミン酸塩化合物のＬｕ_３（Ａｌ_１－ｘＧａ_ｘ）_２（ＡｌＯ_４）_３をベースにしてなり、ｘが０≦ｘ≦１、好ましくは０．３≦ｘ≦１、特に好ましくはｘ＝１を満足する数値であるガーネット蛍光体である。Ｌｕ_３（Ａｌ_１－ｘＧａ_ｘ）_２（ＡｌＯ_４）_３をベースにしてなるＣｅ^３＋付活蛍光体は、照明光の演色性の向上に大きく寄与する青緑色の光成分を多く含む蛍光を放つ。したがって、これを用いると、青緑色の光成分が相対的に多く、演色性の面で有利な照明光を放つ発光装置になる。

「Ｌｕ_３（Ａｌ_１－ｘＧａ_ｘ）_２（ＡｌＯ_４）_３をベースにしてなる」とは、Ｌｕ_３（Ａｌ_１－ｘＧａ_ｘ）_２（ＡｌＯ_４）_３の固溶割合が７０ｍｏｌ％以上、特に９０ｍｏｌ％以上の固溶体、又は化合物としてのＬｕ_３（Ａｌ_１－ｘＧａ_ｘ）_２（ＡｌＯ_４）_３を指す。

なお、上記のアルミン酸塩蛍光体以外の第一の蛍光体１Ａとしては、カルシウムフェライト型構造を持つアルカリ土類金属複合酸化物、アルカリ土類金属ハロアルミン酸塩、希土類アルミン酸塩、アルカリ土類金属珪酸塩、希土類酸窒化珪酸塩からなる群より選ばれる少なくとも一つを主成分とする化合物を母体としてなるＣｅ^３＋付活蛍光体が使用可能である。

具体的には、第一の蛍光体１Ａとしては、ＭＲＥ_２Ｏ_４、Ｍ_３ＡｌＯ_４Ｆ、Ｍ_２ＲＥＸ_２（ＡｌＯ_４）_３、Ｍ_３ＲＥ_２（ＳｉＯ_４）_３、ＲＥ_５（ＳｉＯ_４）_３Ｎ、ＲＥ_４Ｓｉ_２Ｏ_７Ｎ_２、ＲＥＳｉＯ_２Ｎ、ＲＥ_２Ｓｉ_３Ｏ_３Ｎ_４、ＲＥ_５Ｓｉ_３Ｏ_１２Ｎ、ＲＥ_３Ｓｉ_８Ｏ_４Ｎ_１１から選択されるいずれかの化合物を主体にしてなる化合物、又は、これらいずれかの化合物を端成分とする固溶体を母体としてなるＣｅ^３＋付活蛍光体が使用可能である。但し、Ｍはアルカリ土類金属、ＲＥは希土類、ＸはＺｒ及びＨｆから選ばれる少なくとも一つの元素、ｚは、０≦ｚ＜１を満足する数値である。

より具体的には、第一の蛍光体１Ａとしては、ＳｒＬｕ_２Ｏ_４、ＳｒＳｃ_２Ｏ_４、Ｓｒ_３ＡｌＯ_４Ｆ、Ｃａ_２ＹＺｒ_２（ＡｌＯ_４）_３、Ｃａ_３Ｓｃ_２（ＳｉＯ_４）_３、Ｙ_５（ＳｉＯ_４）_３Ｎ、Ｙ_４Ｓｉ_２Ｏ_７Ｎ_２、Ｙ_２Ｓｉ_３Ｏ_３Ｎ_４、Ｌａ_５Ｓｉ_３Ｏ_１２Ｎ、Ｌａ_３Ｓｉ_８Ｏ_４Ｎ_１１から選択されるいずれかの化合物を主体にしてなる化合物、又は、これらいずれかの化合物を端成分とする固溶体を母体としてなるＣｅ^３＋付活蛍光体などが使用可能である。

このような蛍光体は、波長４７０ｎｍ以上５３０ｎｍ未満、好ましい形態では４７０～５１０ｎｍの波長領域内に蛍光ピークを持つ蛍光を放ち、青緑色の光成分を多く含む蛍光を放つ。したがって、Ｌｕ_３（Ａｌ_１－ｘＧａ_ｘ）_２（ＡｌＯ_４）_３をベースにしてなるＣｅ^３＋付活蛍光体と同様の作用効果を持つものになる。

本実施形態において、好ましい第二の蛍光体２Ａの具体例は、珪酸塩化合物のＬｕ_２ＣａＭｇ_２（ＳｉＯ_４）_３をベースにしてなるガーネット蛍光体である。Ｌｕ_２ＣａＭｇ_２（ＳｉＯ_４）_３をベースにしてなるＣｅ^３＋付活蛍光体は、赤色光成分を多く含む橙色光を放ち、かつ、温度消光が比較的小さなガーネット蛍光体である。これによって、照明用途で必須となる赤色光成分が多い出力光４を放つ、高効率かつ高信頼性の発光装置になる。

また、Ｌｕ_２ＣａＭｇ_２（ＳｉＯ_４）_３をベースにしてなるガーネット蛍光体は、青緑色に対して補色に近い関係にある橙色の光成分を多く含む蛍光体でもある。したがって、青緑色光を放つ第一の蛍光体１Ａ、特に、Ｌｕ_３（Ａｌ_１－ｘＧａ_ｘ）_２（ＡｌＯ_４）_３をベースにしてなるＣｅ^３＋付活蛍光体と組み合わせることによって、高効率かつ高信頼性となる白色系の出力光４を得ることも容易な発光装置になる。

「Ｌｕ_２ＣａＭｇ_２（ＳｉＯ_４）_３をベースにしてなる」とは、化合物としてのＬｕ_２ＣａＭｇ_２（ＳｉＯ_４）_３の固溶割合が７０ｍｏｌ％以上、特に９０ｍｏｌ％以上の固溶体、又は化合物としてのＬｕ_２ＣａＭｇ_２（ＳｉＯ_４）_３を指す。なお、Ｌｕ_２ＣａＭｇ_２（ＳｉＯ_４）_３の固溶割合が７０ｍｏｌ％以上の固溶体の具体例としては、Ｌｕ_２ＣａＭｇ_２（ＳｉＯ_４）_３とＬｕ_３Ａｌ_２（ＡｌＯ_４）_３の固溶体が挙げられる。

本実施形態において第一の波長変換体１と、第二の波長変換体２とは、図１及び図２に示すように、両者が接触するように配置することもできるし、図３に示すように、両者が空間的に離れるように配置することもできる。両者が接触するように配置すると、コンパクトな発光装置にできるようになるし、両者が空間的に離れるように配置すると、色調の制御が比較的容易な発光装置にできるようになる。なお、図３は、両者の間に透光性を持つ透光性部材６を配置した構造の一例である。

本実施形態において、発光装置は、励起光３の光成分と、第一の蛍光３１の光成分と、第二の蛍光３２の光成分とを含む出力光４を放つことが好ましい。これによって、励起光３の光成分と、第一の蛍光３１の光成分と、第二の蛍光３２の光成分との加法混色による出力光４、特に白色系の出力光４を得ることが容易な発光装置になる。

なお、本実施形態において好ましい出力光は、相関色温度が２５００Ｋ以上８０００Ｋ未満、特に２８００Ｋ以上６７００Ｋ以下の白色光であり、これによって照明用として需要が多い白色光を放つ発光装置になる。

なお、出力光の平均演色評価数Ｒａは８０を超えることが好ましく、８５以上がより好ましく、９０以上が特に好ましい。これによって、照明用として需要が多い高演色性の白色光を放つ発光装置になる。

本実施形態において好ましい発光装置は、照明用又は表示用のいずれかとして構成された発光装置であり、これによって、需要の多い発光装置になる。

本実施形態の発光装置の具体例として好ましいものは、蛍光体を利用して構成した半導体発光装置、照明光源、照明装置、表示装置などであり、特に、レーザー照明である。そして、本実施形態の発光装置は、短波長可視光を放つ固体発光素子をさらに備えることが好ましい。励起源として固体発光素子を用いることにより、衝撃に強い全固体の発光装置、例えば固体照明を実現することが可能となる。

特に好ましい発光装置は、屋外照明、店舗照明、調光システム、施設照明、海洋照明、及び内視鏡のいずれかの用途向けの発光装置である。

以下、本実施形態の実施例を説明する。実施例は、発光装置の作製のし易さと発光特性の評価のし易さを考慮して、図３に示した反射型の発光装置とした。なお、図１に示した透過型の発光装置や図２に示した発光装置については、実施例とした反射型の発光装置と同様の作用効果が得られることが原理的に明らかであり、当業者であれば当然に理解できるため、説明を省略した。

第一の蛍光３１を放つ第一の蛍光体１Ａは、Ｌｕ_３Ｇａ_２（ＡｌＯ_４）_３：Ｃｅ^３＋蛍光体（粉末蛍光体の蛍光ピーク波長：５１０ｎｍ、平均粒子径：２１μｍ）とした。また、第一の蛍光３１とは色調が異なる第二の蛍光３２を放つ第二の蛍光体２Ａは、Ｌｕ_２ＣａＭｇ_２（ＳｉＯ_４）_３：Ｃｅ^３＋蛍光体（粉末蛍光体の蛍光ピーク波長：６００ｎｍ、平均粒子径：１２μｍ）とした。

Ｌｕ_３Ｇａ_２（ＡｌＯ_４）_３：Ｃｅ^３＋蛍光体は蛍光体メーカーから入手した。Ｌｕ_２ＣａＭｇ_２（ＳｉＯ_４）_３：Ｃｅ^３＋蛍光体は、酸化物セラミックス原料と、反応促進剤として機能する化合物との混合粉末を１３００～１４００℃の温度で加熱反応させて調製した。

参考のため、図５（ａ）と図５（ｂ）に、それぞれ、本実施例にかかるＬｕ_３Ｇａ_２（ＡｌＯ_４）_３：Ｃｅ^３＋蛍光体とＬｕ_２ＣａＭｇ_２（ＳｉＯ_４）_３：Ｃｅ^３＋蛍光体の電子顕微鏡写真を示す。また、表１にはこれらの蛍光体の特性をまとめた。

なお、表１に示す平均粒子径は、図５に示す電子顕微鏡観察像（倍率：×１０００）において一次粒子と認識できる粒子を無作為に５０個ピックアップし、それらの粒子の最長軸長さの平均値を求めたものである。

また、表１に示す蛍光ピーク波長は、粉末蛍光体の蛍光ピーク波長である。なお、粉末蛍光体の蛍光ピーク波長は、粉末蛍光体の圧粉体に波長４５５ｎｍの青色単色光（スペクトル半値幅：４ｎｍ）を照射するフォトルミネッセンス法によって評価した。

本実施例の波長変換部材１００を構成する蛍光体として、上記のような蛍光体を準備した。以下、波長変換部材１００の作製手順を説明する。

まず、Φ１０ｍｍ、深さ２ｍｍの試料ホルダーに、粉末状のＬｕ_２ＣａＭｇ_２（ＳｉＯ_４）_３：Ｃｅ^３＋蛍光体（第二の蛍光体２Ａ）を充填し、石英ガラス板で押し固めることによって、圧粉体の性状を持つ第二の波長変換体２を作製した。

上記石英ガラス板は、透光性部材６を兼ねるものとした。その上に、粉末状のＬｕ_３Ｇａ_２（ＡｌＯ_４）_３：Ｃｅ^３＋蛍光体（第一の蛍光体１Ａ）を、透光性を持つ樹脂接着剤を利用して、蛍光体粒子がまばらになるように配置して固定した。このようにして、粒子同士が接触していない分散状態を持つ第一の波長変換体１を作製した。

このようにして、第一の蛍光体１Ａの蛍光体粒子が散点する構造を持つ第一の波長変換体１と、第二の蛍光体２Ａの蛍光体粒子を含んでなる第二の波長変換体２とが積層構造を持つ、波長変換部材１００を得た。なお、本実施例に係る波長変換部材１００は、第一の波長変換体１と第二の波長変換体２とが空間的に離れるように配置され、両者の間に透光性部材６を備える構造を持つ。

参考までに、図６に、上記した４５５ｎｍの青色光を照射した時に、第一の波長変換体１が放つ蛍光の蛍光スペクトルを示す（図６中（ａ））。比較のため、図６には、同青色光を照射した時に、第一の蛍光体１Ａの集合体である圧粉体が放つ蛍光の蛍光スペクトルも示した（図６中（ｂ））。このような蛍光体粒子の集合体の蛍光スペクトルは、通常のフォトルミネッセンスの評価法において、その蛍光体の蛍光スペクトルとして評価されているものである。

蛍光体粒子が散点している本実施形態に係る第一の波長変換体１の蛍光スペクトル（図６（ａ））は、蛍光体粒子の集合体の蛍光スペクトル（図６（ｂ））と比較して、約２０ｎｍ短波長側にシフトしたスペクトル形状になっている。そして、例えば蛍光ピーク波長は、蛍光体粒子の集合体の蛍光では５１０ｎｍであるのに対して、実施例に係る第一の波長変換体１の蛍光では４９０ｎｍである。

このように、本実施形態によれば、青緑～緑色の蛍光を放つ第一の蛍光体１Ａの蛍光体粒子がまばらになるように配置するだけで、Ｃｅ^３＋付活蛍光体の自己吸収効果を緩和することができる。すなわち、第一の蛍光体１Ａの組成を変えずとも、放たれる蛍光の青緑色の光成分割合を増すことができる。

図７（ａ）は、Ｌｕ_２ＣａＭｇ_２（ＳｉＯ_４）_３：Ｃｅ^３＋蛍光体の光吸収率の波長依存性を表す励起スペクトルである。参考のために、図７（ｂ）と図７（ｃ）には、それぞれ、Ｌｕ_３Ｇａ_２（ＡｌＯ_４）_３：Ｃｅ^３＋蛍光体とＬｕ_２ＣａＭｇ_２（ＳｉＯ_４）_３：Ｃｅ^３＋蛍光体の蛍光スペクトルを示した。

図７（ａ）と（ｂ）を比較して判るように、Ｌｕ_２ＣａＭｇ_２（ＳｉＯ_４）_３：Ｃｅ^３＋蛍光体の励起スペクトルは、Ｌｕ_３Ｇａ_２（ＡｌＯ_４）_３：Ｃｅ^３＋蛍光体の蛍光スペクトルと重なりを持っている。そして、Ｌｕ_２ＣａＭｇ_２（ＳｉＯ_４）_３：Ｃｅ^３＋蛍光体は、Ｌｕ_３Ｇａ_２（ＡｌＯ_４）_３：Ｃｅ^３＋蛍光体の短波長側の蛍光成分、特に青緑色の光成分をよく吸収して波長６００ｎｍに蛍光ピークを持つ橙色光へと波長変換する性質を持っている。このため、Ｌｕ_３Ｇａ_２（ＡｌＯ_４）_３：Ｃｅ^３＋蛍光体とＬｕ_２ＣａＭｇ_２（ＳｉＯ_４）_３：Ｃｅ^３＋蛍光体とを近接させると、少なからず、前者が放つ蛍光の短波長側の光成分（青緑色の光成分）が後者に吸収されて強度低下する問題が生じる。

本実施例では、このような問題を抑制するために、波長変換部材１００を第一の波長変換体１と第二の波長変換体２の二層構造としている。そして、Ｌｕ_３Ｇａ_２（ＡｌＯ_４）_３：Ｃｅ^３＋蛍光体を含む第一の波長変換体１が光出力面を形成する構造としている。これによって、第一の波長変換体１が放つ蛍光の青緑色の光成分が、第二の蛍光体によって吸収される確率が下がるので、第一の波長変換体１が放つ蛍光は、第一の蛍光体本来の蛍光スペクトルに近い形状になり、青緑色の光成分の強度低下を抑制できる。

図８の（ａ）は、粉末状のＬｕ_３Ｇａ_２（ＡｌＯ_４）_３：Ｃｅ^３＋蛍光体（第一の蛍光体１Ａ）の分散状態を変化させて作製した７種類の本実施例に係る波長変換部材１００に、波長４５５ｎｍの青色単色光を照射した時に得られる蛍光のスペクトルである。参考のため、図８の（ｂ）と（ｃ）には、それぞれ、Ｌｕ_３Ｇａ_２（ＡｌＯ_４）_３：Ｃｅ^３＋蛍光体（第一の蛍光体１Ａ）とＬｕ_２ＣａＭｇ_２（ＳｉＯ_４）_３：Ｃｅ^３＋蛍光体（第二の蛍光体２Ａ）の蛍光体粒子の集合体の蛍光スペクトルを示した。

また、比較例として、第一の蛍光体１Ａと第二の蛍光体２Ａを異なる重量比で混合して、混合蛍光体粒子の集合体（圧粉体）からなる５種類の波長変換部材を作製した。混合重量比は９５：５、９０：１０、８０：２０、７０：３０、６０：４０とした。この比較例の波長変換部材に、波長４５５ｎｍの青色単色光を照射した時に得られる蛍光のスペクトルを、図９の（ａ）に示した。参考のため、図９の（ｂ）と（ｃ）には、それぞれ、図８と同じく、Ｌｕ_３Ｇａ_２（ＡｌＯ_４）_３：Ｃｅ^３＋蛍光体（第一の蛍光体１Ａ）とＬｕ_２ＣａＭｇ_２（ＳｉＯ_４）_３：Ｃｅ^３＋蛍光体（第二の蛍光体２Ａ）の蛍光体粒子の集合体の蛍光スペクトルを示した。

図８（ａ）と図９（ａ）を比較して判るように、本実施例に係る波長変換部材の蛍光スペクトルは、第一の蛍光体と第二の蛍光体とを単純混合して得られる波長変換部材のものと比べ、４６０～５００ｎｍの青緑色の光成分強度が相対的に大きいものとなった。

以下、このようにして作製した波長変換部材１００を備える発光装置の実施例を説明する。

本実施例の発光装置は、本実施例に係る上記の波長変換部材１００と励起源を少なくとも組み合わせてなる。本実施例では、励起源として、波長４５５ｎｍの青色光を放つレーザーダイオード（ＬＤ）を利用し、青色光が波長変換部材１００に照射されるようにレーザーダイオードを配置する基本構造とすることによって、発光装置を構成した。そして、青色レーザー光を照射した波長変換部材１００の照射面を目視観察したところ、白色系の出力光が認められた。

ここで、本実施例に係る発光装置の出力光の、照明光としての特性は、レーザー光の分光分布と、図８に示した本実施例に係る波長変換部材１００が放つ蛍光スペクトル（実測データ）とを加法混色するシミュレーションで精度よく評価できる。そこで、装置の試作と出力光のスペクトル測定の手間を省き、本実施形態の効果を効率よく説明するため、照明光をシミュレーションして評価した。

具体的には、青色レーザー光と、実施例に係る波長変換部材１００が放つ蛍光スペクトルとの加法混色によって、黒体輻射の軌跡上に位置する白色光の分光分布をシミュレーションし、その分光分布から平均演色評価数Ｒａを算出した。なお、このようなシミュレーションによって得られる分光分布は、上記した基本構造を持つ発光装置に、当業者が持つ光学設計の技術及び知識を適用することによって実現できる。

図１０は上記シミュレーションの結果であり、図８（ａ）に示した本実施例に係る７種類の波長変換部材が放つ蛍光と波長４５５ｎｍの青色レーザー光との加法混色によって得られる、黒体軌跡上に位置する（つまりｄｕｖ＝０となる）白色光の分光分布を示す。そして、図１０に示す７種類の分光分布から算出される相関色温度と平均演色評価数Ｒａの組み合わせは、相関色温度９７４５Ｋ－Ｒａ８６．４、相関色温度５０００Ｋ－Ｒａ８５．７、相関色温度４４２０Ｋ－Ｒａ８４．６、相関色温度４０９３Ｋ－Ｒａ８３．７、相関色温度３７６０Ｋ－Ｒａ８２．７、相関色温度３１９０Ｋ－Ｒａ８０．６、相関色温度３０９３Ｋ－Ｒａ７９．４となった。

この結果は、本実施形態の発光装置が、出力光４として、相関色温度が３０００Ｋ以上１００００Ｋ未満の白色光を放つことができることを示している。そして、出力光の相関色温度が３１００Ｋ以上１００００Ｋ未満の白色光の場合に、Ｒａ８０以上の高演色性の照明光となることを示している。さらに、相関色温度が４５００Ｋ以上１００００Ｋ未満の白色光の場合に、Ｒａ８５以上のいっそう高演色性の照明光となることも示している。このように、本実施形態の発光装置は、青色レーザー光を利用して高演色性のレーザー照明を得る上で有用なものになることが判った。

参考のため、同様のシミュレーションによって得られた、比較例の分光分布を図１１に示す。図１１は、図９（ａ）に示した、第一の蛍光体と第二の蛍光体とを単純混合して得られる波長変換部材からの蛍光と、波長４５５ｎｍの青色レーザー光との加法混色によって得られる、黒体軌跡上に位置する白色光の分光分布である。なお、図９（ａ）に示す５種類の分光分布のうち、緑色の光成分が比較的多い２種類のものを利用したシミュレーションでは、赤色の光成分割合が少なく、白色光を得ることはできなかった。

そして、図１１に示す３種類の分光分布から算出される相関色温度と平均演色評価数Ｒａの組み合わせは、相関色温度５３６３８Ｋ－Ｒａ７８．８、相関色温度１０２１４Ｋ－Ｒａ８０．６、相関色温度６１１８Ｋ－Ｒａ７９．９であった。

この結果は、比較例の発光装置は、出力光４として、相関色温度が６０００Ｋ以上５４０００Ｋ未満の白色光を放つことができることを示している。そして、出力光の相関色温度が１００００Ｋ前後の白色光の場合に、Ｒａ８０前後の照明光となることを示している。しかし、その一方で、相関色温度が５０００Ｋ未満の低色温度の照明光や、Ｒａ８２以上の高演色性の照明光を得ることが困難なことも示している。このように、比較例の発光装置は、青色レーザー光を利用して高演色性のレーザー照明を得ることが明らかに困難なものになることがわかった。

特願２０１７－１６３５７５号（出願日：２０１７年８月２８日）の全内容は、ここに援用される。

以上、実施例に沿って本実施形態の内容を説明したが、本実施形態はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。

本開示によれば、色調が異なる複数種のＣｅ^３＋付活蛍光体と励起源とを備える発光装置において、暖色系蛍光体と緑色系蛍光体とが近接する装置構造とした場合でも、青緑色の光成分強度が比較的大きく出力光の演色性が高い発光装置を提供することができる。

１ 第一の波長変換体
１Ａ 第一の蛍光体
２ 第二の波長変換体
３ 励起光
４ 出力光
５ 封止材
６ 透光性部材
３１ 第一の蛍光
３２ 第二の蛍光
１００ 波長変換部材

Claims (9)

1. ４４０ｎｍ以上４７０ｎｍ未満の波長領域内に強度最大値を持つ励起光を放つ固体発光素子と、
   粒子状の蛍光体であり、かつ、Ｃｅ^３＋で付活された無機蛍光体である第一の蛍光体を含む第一の波長変換体と、Ｃｅ^３＋で付活された無機蛍光体である第二の蛍光体を含む第二の波長変換体とを組み合わせてなる波長変換部材と、
   を備え、
   前記第一の蛍光体は４７０ｎｍ以上５３０ｎｍ未満の波長領域内に強度最大値を持つ第一の蛍光を放ち、前記第二の蛍光体は５８０ｎｍ以上６６０ｎｍ未満の波長領域内に強度最大値を持つ第二の蛍光を放ち、
   前記第一の波長変換体は、前記第一の蛍光体の粒子同士が接触していない分散状態を有する、発光装置。
2. 前記第二の蛍光体は粒子状の蛍光体であり、
   前記第二の波長変換体は、前記第二の蛍光体の粒子同士が接触している接触構造を有する、請求項１に記載の発光装置。
3. 前記第二の波長変換体は、前記第二の蛍光体が焼結し、内部に複数の空隙を有する焼結体、又は前記第二の蛍光体が焼結し、内部に複数の空隙を有しないセラミックスである、請求項１又は２に記載の発光装置。
4. 前記励起光は、前記第二の波長変換体を直接照射するように前記波長変換部材に入射し、前記波長変換部材を透過した光成分は出力光として出力される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発光装置。
5. 前記励起光は、前記第一の波長変換体を直接照射するように前記波長変換部材に入射し、前記波長変換部材に反射された光成分は出力光として出力される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発光装置。
6. 前記第一の蛍光体は、アルミン酸塩及び珪酸塩の少なくとも一方である、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発光装置。
7. 前記第二の蛍光体は、珪酸塩及びアルミノ珪酸塩の少なくとも一方である、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の発光装置。
8. 前記第一の蛍光体は、ガーネット型の結晶構造を持つアルミン酸塩である、請求項６に記載の発光装置。
9. 前記第二の蛍光体は、ガーネット型の結晶構造を持つ珪酸塩である、請求項７に記載の発光装置。

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