JPWO2018042825A1

JPWO2018042825A1 - 色変換素子

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Publication number: JPWO2018042825A1
Application number: JP2018536969A
Authority: JP
Inventors: 平野　徹; 徹平野; 孝典明田; 公輝大石
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2016-08-30
Filing date: 2017-06-16
Publication date: 2019-01-31
Also published as: US20190294032A1; EP3508891A4; EP3508891A1; WO2018042825A1; CN109477918A

Abstract

色変換素子（１）は、基板（２）と、基板（２）の一方の主面（２２）側に配置された蛍光体層（３）と、基板（２）と蛍光体層（３）との間に介在して基板（２）と蛍光体層（３）とを金属接合するための接合部（４）と、を備えている。蛍光体層（３）は、少なくとも一種類の蛍光体を含むシート状の複数の個片（３１）が、面状に配列されることにより形成されている。

Description

本発明は、基板上に蛍光体層が積層された色変換素子に関する。

例えば、プロジェクタなどの投影装置に用いられる蛍光体ホイール（色変換素子）においては、放熱性を高めるべく、蛍光体層と基板とを金属接合した技術が開示されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１５−２３０７６０号公報

ところで、色変換素子の製造時においては、板状の蛍光体層を基板に金属接合する場合がある。このとき、金属接合時の熱が蛍光体層と基板とに伝わるが、両者の熱膨張係数の差によって、色変換素子に反りが生じたり、金属接合部にクラック又は剥離が発生したりと、不具合が発生するおそれがあった。

そこで本発明の目的は、金属接合を起因とした不具合の発生を抑制することである。

本発明の一態様に係る色変換素子は、基板と、基板の一方の主面側に配置された蛍光体層と、基板と蛍光体層との間に介在して基板と蛍光体層とを金属接合するための接合部と、を備え、蛍光体層は、少なくとも一種類の蛍光体を含むシート状の複数の個片が、面状に配列されることにより形成されている。

本発明によれば、金属接合を起因とした不具合の発生を抑制することができる。

図１は、実施の形態に係る色変換素子の概略構成を示す模式図である。図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ線を含む切断面を見た断面図である。図３は、実施の形態に係る色変換素子の製造時の状態を示す正面図である。図４は、図３におけるＩＶ−ＩＶ線を含む切断面を見た断面図である。図５は、実施の形態に係る色変換素子の製造時の状態を示す正面図である。図６は、変形例１に係る色変換素子の概略構成を示す断面図である。図７は、変形例２に係る色変換素子の概略構成を示す断面図である。図８は、変形例４に係る色変換素子の概略構成を示す模式図である。

以下では、本発明の実施の形態に係る色変換素子について、図面を用いて説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。従って、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態等は、一例であり、本発明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、本発明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。

また、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、同じ構成部材については同じ符号を付している。

以下、実施の形態について説明する。

図１は、実施の形態に係る色変換素子の概略構成を示す模式図である。図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ線を含む切断面を見た断面図である。

色変換素子１は、プロジェクタ等の投影装置に用いられる蛍光体ホイールである。投影装置には、光源部として、青紫〜青色（４３０〜４９０ｎｍ）の波長のレーザー光を色変換素子１に対して放射する半導体レーザー素子が設けられている。色変換素子１は、光源部から照射されたレーザー光を励起光として、白色光を放射する。以下、色変換素子１について具体的に説明する。

図１及び図２に示すように、色変換素子１は、基板２と、蛍光体層３と、接合部４とを備えている。

基板２は、平面視形状が例えば円形状の基板であり、その中央部に貫通孔２１が形成されている。貫通孔２１に対して、投影装置内にある回転軸が取り付けられることで、基板２が回転駆動するようになっている。

基板２は、蛍光体層３よりも熱伝導率の高い基板である。これにより、蛍光体層３から伝導した熱を基板２から効率的に放熱できるようになっている。具体的には、基板２は、Ａｌ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、Ｆｅ、Ｔｉなどの金属材料から形成されている。なお、基板２は、蛍光体層３よりも熱伝導率が高いのであれば、金属材料以外から形成されていてもよい。金属材料以外の材料としては、Ｓｉ、セラミック、サファイア、グラファイトなどが挙げられる。各材料からなる基板２の熱膨張係数は、基板２をなす材料がＡｌであると１２ｐｐｍ／Ｋ、Ａｌ_２Ｏ_３であると７ｐｐｍ／Ｋ、ＡｌＮであると４．６ｐｐｍ／Ｋ、Ｆｅであると１２ｐｐｍ／Ｋ、Ｔｉであると８．４ｐｐｍ／Ｋ、Ｓｉであると３ｐｐｍ／Ｋ、グラファイトであると２．３ｐｐｍ／Ｋである。

蛍光体層３は、接合部４を介して基板２の１つの主面２２側に配置されている。蛍光体層３は、例えば、レーザー光によって励起されて蛍光を発する蛍光体の粒子（蛍光体粒子３２）を分散状態で備えており、レーザー光の照射により蛍光体粒子３２が蛍光を発する。このため、蛍光体層３の外方の主面が発光面となる。また、蛍光体層３の熱膨張係数は、７ｐｐｍ／Ｋ以上１０ｐｐｍ／Ｋ以下である。

蛍光体層３は、全体として平面視形状がリング状に形成されている。この蛍光体層３は、シート状の個片３１が複数、リング状に配列されることにより形成されている。複数の個片３１は、同一形状であり、同一種類である。具体的には、個片３１は平面視台形状に形成されている。隣り合う個片３１同士は、隙間なく配置されている。個片３１には、少なくとも一種類の蛍光体粒子３２が含まれている。

本実施の形態の場合、個片３１は、白色光を放射するものであり、レーザー光の照射によって赤色を発光する赤色蛍光体、黄色を発光する黄色蛍光体、緑色を発光する緑色蛍光体の３種類の蛍光体粒子が適切な割合で含まれている。

蛍光体粒子３２の種類及び特性は特に限定されるものではないが、比較的高い出力のレーザー光が励起光となるため、熱耐性が高いものが望ましい。また、蛍光体粒子３２を分散状態で保持する基材の種類は特に限定されるものではないが、励起光の波長及び蛍光体粒子３２から発光する光の波長に対して透明性の高い基材であることが望ましい。具体的には、ガラス又はセラミックなどからなる基材が挙げられる。なお、蛍光体層３は、１種類の蛍光体による多結晶体又は単結晶体であってもよい。

また、各個片３１における背面（接合部４に対向する主面）には、レーザー光と、蛍光体粒子３２から放射された光とを反射する反射層（図示省略）が積層されている。反射層は、レーザー光と、蛍光体粒子３２から放射された光とに対して反射率の高い材料により形成されている。具体的に、反射率の高い材料としては、Ａｇ、Ａｌなどの金属材料である。反射層は、例えばスパッタリング、メッキなどの周知の成膜方法によって、各個片３１の背面に金属材料を成膜することにより形成されている。

接合部４は、蛍光体層３と基板２との間に介在して、蛍光体層３と基板２とを金属接合するための接合層である。接合部４は、金属接合可能な金属材料により形成されている。金属接合可能な金属材料とは、例えばＡｕＳｎ系、ＡｕＧｅ系、ＳｎＡｇＣｕ系のはんだ材料、Ａｇナノ粒子などが挙げられる。

ここで、色変換素子１の組み立て前の状態について説明する。

図３は、実施の形態に係る色変換素子の製造時の状態を示す正面図である。図４は、図３におけるＩＶ−ＩＶ線を含む切断面を見た断面図である。

図３及び図４に示すように、色変換素子１の製造時においては、接合部４となるはんだ材料４ａが予め基板２に対して一体化されている。はんだ材料４ａは、複数の個片３１が設置される領域に対応するように、連続したリング状に形成されている。

図５は、実施の形態に係る色変換素子の製造時の状態を示す正面図である。具体的には、図５は、複数の個片３１の設置時の状態を示している。なお、図５では、設置前の複数の個片３１を放射状に図示しているが、実際には複数の個片３１は、所定の場所にまとめて貯留されており、そこから一つずつ基板２上の所定位置に搬送されるようになっている。そして、全ての個片３１が所定位置に配置されると、図１に示すようにリング状の蛍光体層３をなす。

その後、加熱によりはんだ材料４ａを溶かすことで、蛍光体層３と基板２とが金属接合される。金属接合時においては、蛍光体層３及び基板２にも熱が伝わって両者が熱変形する。熱変形量は、蛍光体層３及び基板２の熱膨張係数に依存するため、両者の熱変形量に違いが生じることとなり、それを起因とした応力が蛍光体層３に作用する。しかしながら、蛍光体層３は複数の個片３１の集合体であるので、複数の個片３１のそれぞれに対して応力を分散させることができる。これにより、色変換素子１の反り量を小さくすることができる。また、残留応力があると、接合部４にクラック又は剥離が発生することにもなるが、応力が分散されていることで残留応力も小さくなるので、接合部４のクラック又は剥離も抑制することができる。

［投影装置の動作］
次に、投影装置の動作について説明する。

投影装置の光源からレーザー光が照射される際には、色変換素子１は回転駆動しながら蛍光体層３でレーザー光を受光する。蛍光体層３では、一部のレーザー光が直接蛍光体粒子３２に当たる。また、蛍光体粒子３２に直接当たらなかった一部のレーザー光は、反射層で反射され、蛍光体粒子３２に当たる。蛍光体粒子３２に到達したレーザー光は、蛍光体粒子３２によって白色光に変換されて、放射される。蛍光体粒子３２から放射された白色光の一部は、蛍光体層３から直接外方に放出される。また、蛍光体粒子３２から放射された光のその他の一部は、反射層で反射されることで、蛍光体層３から外方へ放出される。

ここで、レーザー光を受光する際には、蛍光体層３及び基板２が加熱されるので、両者は熱変形するが、このとき生じる応力も複数の個片３１によって分散される。したがって、レーザー光の受光時おいても、色変換素子１の反り量及び接合部４のクラック又は剥離を抑制することができる。

［効果など］
以上のように、本実施の形態によれば、色変換素子１は、基板２と、基板２の一方の主面２２側に配置された蛍光体層３と、基板２と蛍光体層３との間に介在して基板２と蛍光体層３とを金属接合するための接合部４と、を備える。蛍光体層３は、少なくとも一種類の蛍光体（蛍光体粒子３２）を含むシート状の個片３１が複数、面状に配列されることにより形成されている。

この構成によれば、蛍光体層３が、面状に配列された複数の個片３１によって形成されているので、加熱時に作用する応力を分散させることができる。これにより、金属接合時あるいはレーザー光受光時における色変換素子１の反り量と、接合部４のクラック又は剥離とを抑制することができる。したがって、金属接合を起因とした不具合の発生を抑制することができる。

また、複数の個片３１は同一形状である。

この構成によれば、複数の個片３１が同一形状であるので、各個片の製造を共通化することができる。したがって、製造効率を高めることができる。

なお、上記実施の形態では、個片３１が平面視台形状である場合を例示したが、個片３１はシート状であればその形状は如何様でもよい。個片３１のその他の平面視形状としては、矩形状、三角形状、その他の多角形状などが挙げられる。

また、上記実施の形態では、蛍光体層３が全体として白色光を放射する個片３１から形成されている場合を例示した。しかしながら、蛍光体層が複数色の光を発する場合においては、蛍光体層３における各色を放射する部位が、同一種類の個片によって形成されていればよい。例えば、赤色蛍光体層、緑色蛍光体層及び青色蛍光体層の３層が面状に配列された蛍光体層の場合を想定する。赤色蛍光体層は、赤色蛍光体を含む同一種類の複数の個片によって形成される。青色蛍光体層は、青色蛍光体を含む同一種類の複数の個片によって形成される。緑色蛍光体層は、緑色蛍光体を含む同一種類の複数の個片によって形成される。

また、複数の個片３１はリング状に配置されている。

ここで、全体として一体的に形成された蛍光体層の場合、その平面視形状がリング状であると、応力集中に弱く、上記した不具合が生じやすい。しかしながら、本実施の形態のように、複数の個片３１がリング状に配置されることで形成された蛍光体層３であれば、応力を分散させることができるので、高い応力緩和効果を得ることができる。

［変形例１］
次に、変形例１について説明する。

図６は、変形例１に係る色変換素子の概略構成を示す断面図であり、具体的には図２に対応した図である。なお、以降の説明においては、実施の形態に係る色変換素子１と同等の部分には同じ符号を付してその説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

上記実施の形態では、接合部４がはんだ材料４ａからなる金属接合部である場合を例示して説明した。しかし、この変形例１では、固相の金属接合部からなる接合部４ｂについて説明する。

具体的には、変形例１に係る色変換素子１Ｂの接合部４ｂは、金属ナノ粒子が焼結されることで形成されている。金属ナノ粒子としては、例えば銀ナノ粒子などが挙げられる。銀ナノ粒子を用いる場合においては、入手も容易であり、放熱性も優れている。なお、銅ナノ粒子も同様の効果が期待できる。そして、接合部４ｂに金属ナノ粒子を用いることにより、接合部４ｂ内に気泡Ｂが形成される。このように、金属ナノ粒子を用いることで接合部４ｂをポーラス構造とすることができる。ポーラス構造の形成は、金属ナノ粒子硬化時の温度プロファイル条件、ペースト構成材料などを調整することにより可能である。そして、接合部４ｂがポーラス構造であるので、加熱時に生じる応力をより緩和することができる。また、はんだ材料４２ａからなる接合部４２よりも、接合部４ｂの厚みを大きくすることができるため、応力緩和効果をさらに高めることができる。

また、金属ナノ粒子は、焼結されることにより反射率が高められているので、反射層としても機能することができる。つまり、実施の形態に係る色変換素子１の各個片３１にあった反射層を省略することができるので、製造効率を高めることができる。

［変形例２］
次に、変形例２について説明する。

図７は、変形例２に係る色変換素子１Ｃの概略構成を示す断面図であり、具体的には図２に対応した図である。

上記実施の形態では、基板２における主面２２とは反対側の面が露出している場合を例示した。しかし、この変形例２では、基板２における主面２２とは反対側の面（他方の主面２３）が被膜されている場合を例示する。

具体的には、基板２の他方の主面２３には、全体にわたって硬質膜５が被膜されている。硬質膜５は、基板２よりも硬度の高い膜である。例えば、基板２がＡｌ製である場合には、硬質膜５は、アルマイト、ＤＬＣ（Diamond-like Carbon）、セラミックスなどから形成される。このように、基板２の他方の主面２３に対して硬質膜５が積層されているので、硬質膜５によって基板２の変形が抑えられる。したがって、色変換素子１の反り量を抑制することができる。

また、基板２の他方の主面２３に対して硬質膜５が成膜されていると、成膜後においては硬質膜５の表面には凹凸が形成されることになる。これにより、表面積を大きくすることができ、基板２の放熱性を高めることができる。

[変形例３]
上記実施の形態では、基板２と蛍光体層３との熱膨張係数の関係については特に言及しなかった。この変形例３では、基板２と蛍光体層３との熱膨張係数の好適な関係について説明する。好適な関係とは、基板２の熱膨張係数が、蛍光体層３の熱膨張係数と同等以下となる関係である。例えば、蛍光体層３の熱膨張係数が８ｐｐｍ／Ｋである場合には、基板２の熱膨張係数は８ｐｐｍ／Ｋ以下であればよい。具体的には、熱膨張係数が８ｐｐｍ／Ｋ以下の材料（Ａｌ_２Ｏ_３：７ｐｐｍ／Ｋ、ＡｌＮ：４．６ｐｐｍ／Ｋ、Ｓｉ：３ｐｐｍ／Ｋ、グラファイト：２．３ｐｐｍ／Ｋ）から形成された基板２が用いられる。

このような関係を満たす基板２が用いられるので、基板２は蛍光体層３の同等以下の熱変形量となる。これにより、基板２の熱変形量を抑えることができ、色変換素子１自体の反り量も抑えることができる。

[変形例４]
上記実施の形態では、色変換素子１が投影装置に適用された場合を例示して説明したが、色変換素子は照明装置に用いることも可能である。その場合、色変換素子は回転しないために、ホイール状でなくともよい。以下、照明装置に用いられる色変換素子の一例について説明する。

図８は、変形例４に係る照明装置１００の概略構成を示す模式図である。

図８に示すように、照明装置１００は、光源部１０１と、導光部材１０２と、色変換素子１Ｄとを備える。

光源部１０１は、レーザー光を発生させ、導光部材１０２を介して色変換素子１Ｄにレーザー光を供給する装置である。例えば、光源部１０１は、青紫〜青色（４３０〜４９０ｎｍ）の波長のレーザー光を放射する半導体レーザー素子である。導光部材１０２は、光源部１０１が放射したレーザー光を色変換素子１Ｄまで導く導光部材であり、例えば光ファイバーなどである。

色変換素子１Ｄの基板２ｄは、平面視矩形状であり、その一つの主面には、接合部４ｄを介して蛍光体層３ｄが全面を覆うように積層されている。蛍光体層３ｄは、複数の個片３１ｄが、基板２の平面視形状と同じように面状に配列されることにより形成されている。複数の個片３１ｄは同一形状である。具体的には個片３１ｄは平面視矩形状に形成されている。

このように変形例３に係る照明装置１００においても、蛍光体層３ｄが、面状に配列された複数の個片３１ｄによって形成されているので、加熱時に作用する応力を分散させることができる。これにより、金属接合時あるいはレーザー光受光時における色変換素子１Ｄの反り量と、接合部４ｄのクラック又は剥離とを抑制することができる。したがって、金属接合を起因とした不具合の発生を抑制することができる。

［その他の実施の形態］
以上、本発明に係る照明装置について、上記実施の形態及び変形例１〜３に基づいて説明したが、本発明は、上記の実施の形態及び変形例１〜３に限定されるものではない。

例えば、蛍光体層３における光出射側の面に対して、例えばＡＲコート層などの反射抑制層を積層してもよい。これにより、光取り出し効率を高めることが可能である。

その他、実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、実施の形態及び変形例１〜３における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。

１、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ色変換素子
２、２ｄ基板
３、３ｄ蛍光体層
４、４ｂ、４ｄ接合部
５硬質膜
２２主面（一方の主面）
２３主面（他方の主面）
３１、３１ｄ個片
３２蛍光体粒子（蛍光体）

Claims

基板と、
前記基板の一方の主面側に配置された蛍光体層と、
前記基板と前記蛍光体層との間に介在して前記基板と前記蛍光体層とを金属接合するための接合部と、を備え、
前記蛍光体層は、少なくとも一種類の蛍光体を含むシート状の複数の個片が、面状に配列されることにより形成されている
色変換素子。
前記複数の個片は、同一形状である
請求項１に記載の色変換素子。
前記複数の個片は、リング状に配置されている
請求項１または２に記載の色変換素子。
前記接合部は、焼結された金属ナノ粒子によってポーラス構造に形成されている
請求項１〜３のいずれか一項に記載の色変換素子。
前記基板の他方の主面には、硬質膜が積層されている
請求項１〜４のいずれか一項に記載の色変換素子。
前記基板の熱膨張係数は、前記蛍光体層の熱膨張係数と同等以下である
請求項１〜５のいずれか一項に記載の色変換素子。