WO2018179654A1

WO2018179654A1 - 蛍光体膜及び光源装置

Info

Publication number: WO2018179654A1
Application number: PCT/JP2017/047036
Authority: WO
Inventors: 涼野村; 康彦國井
Original assignee: マクセル株式会社
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2017-12-27
Publication date: 2018-10-04

Abstract

蛍光体膜の放熱性能及び光利用効率に配慮した蛍光体膜及びそれを用いた光源装置を提供する。蛍光体膜は蛍光体及びアルミナの焼結体相、及び空気相とからなり、空気相の含有量は、蛍光体膜の膜全体における体積比で５ｖｏｌ％以上２０％以下であり、焼結体相の含有量は、蛍光体膜の膜全体における体積比で８０ｖｏｌ％以上９５％以下であり、焼結体相において、蛍光体の含有量は蛍光体膜の膜全体における体積比で４０ｖｏｌ％以上８５ｖｏｌ％以下であり、アルミナの含有量は、蛍光体膜の膜全体における体積比で１０ｖｏｌ％以上４５ｖｏｌ％以下である。

Description

蛍光体膜及び光源装置

　本発明は、蛍光体膜及びそれを用いた光源装置に関する。

　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

　蛍光体膜に含まれる蛍光材料が発光する際に生じる熱により、蛍光体膜の温度が上昇する。そのため、蛍光体膜から効率良く放熱させるための工夫が必要である。一方、蛍光体膜の発光効率（照明光強度）はできるだけ低下させたくないという要望がある。

　本発明の目的は、上記実情に鑑みてなされたものであり、蛍光体膜の放熱性能及び発光効率に配慮した蛍光体膜及びそれを用いた光源装置を提供す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、蛍光体及びアルミナの焼結体相、及び空気相からなる蛍光体膜であって、前記空気相の含有量は、前記蛍光体膜の膜全体における体積比で５ｖｏｌ％以上２０％以下であり、前記焼結体相の含有量は、前記蛍光体膜の膜全体における体積比で８０ｖｏｌ％以上９５％以下であり、前記焼結体相において、前記蛍光体の含有量は前記蛍光体膜の膜全体における体積比で４０ｖｏｌ％以上８５ｖｏｌ％以下であり、前記アルミナの含有量は、前記蛍光体膜の膜全体における体積比で１０ｖｏｌ％以上４５ｖｏｌ％以下である、ことを特徴とする。

　本発明によれば、蛍光体膜の放熱性能及び発光効率に配慮した蛍光体膜及びそれを用いた光源装置を提供することができる。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。

投写型映像表示装置の光学系の構成図

　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。

　図１は、投写型映像表示装置の光学系の構成図である。光源装置１００は、主な構成要素として励起光源５、コリメートレンズ６、ダイクロイックミラー４、集光レンズ３、蛍光体膜２及びこれを保持する蛍光体膜保持体１を有する。励起光源５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する。励起光源５から出射された励起光１０（実線で示す）は、コリメートレンズ６により略平行光となり、ダイクロイックミラー４に入射する。なお励起光は青色レーザ光に限定されない。ダイクロイックミラー４は、ダイクロイックコート領域（励起光の光を反射）及び広波長透過領域（励起光と蛍光光を透過）により構成されており、励起光１０の通過する箇所にダイクロイックコート領域が形成されている。

　励起光源５から照射された励起光１０は、各励起光源５から照射された励起光１０の各光路上に設置された各コリメートレンズ６を透過し、ダイクロイックミラー４にて反射され、集光レンズ３で更に集光されて、蛍光体膜２に入射する。

　蛍光体膜保持体１には、励起光１０に励起されて所定色の蛍光光を発光する蛍光体膜２が形成されている。励起光１０を受けると、蛍光体膜２からは蛍光光及び蛍光体膜２で拡散された拡散励起光が発生し、いずれも集光レンズ３で略平行光となりダイクロイックミラー４に入射する。

　ダイクロイックミラー４に入射した蛍光光は、ダイクロイックミラー４内のダイクロイックコート領域及び広波長透過領域のいずれの領域でも透過する。一方、ダイクロイックミラー４に入射した拡散励起光は、ダイクロイックコート領域では反射するが広波長透過領域では透過する。その結果、蛍光光の全てと拡散励起光の大部分は、照明光１１となって図面左方に出射する。

　この構成により、蛍光体膜２で生じた蛍光光と拡散励起光はいずれも蛍光体膜２から同一側（図面左方）に出射し、その大部分がダイクロイックミラー４を透過して照明光となる。よって、両者を合成するための余分な光学系を設ける必要がなく、装置の小型化が実現できる。

　光源装置１００のダイクロイックミラー４を透過した照明光（蛍光光と拡散励起光）１１は、集光レンズ５７で集光され、ダイクロイックミラー５８に入射する。ダイクロイックミラー５８は緑色光（以下、Ｇ光）と青色光（以下、Ｂ光）を透過し、赤色光（以下、Ｒ光）を反射する特性とする。従って、Ｇ光とＢ光はダイクロイックミラー５８を透過し、多重反射素子５９に入射する。本実施形態では、Ｒ光の光束量を補うため、赤色光源５１を有している。赤色光源５１を出射したＲ光はコリメートレンズ５３で略平行光となり、集光レンズ５６で集光され、ダイクロイックミラー５８を反射して多重反射素子５９に入射する。

　多重反射素子５９に入射したＲ光、Ｇ光、Ｂ光は、多重反射素子５９内で複数回反射し、均一照度分布を有する光となる。多重反射素子５９の出射開口面から出射したＲ光、Ｇ光、Ｂ光は、カラーホイール６４を透過することで、時間的にＲ光、Ｇ光、Ｂ光に分解されたのちに、コリメートレンズ６０を透過し、反射ミラー６１で反射後、映像表示素子６２上に均一な照度分布で照射される。

　映像表示素子６２は、例えばデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ、テキサスインスツルメントの名称）を用いて、これにＲ光、Ｇ光、Ｂ光を時分割で照射する方式である。励起光源５と赤色光源５１は応答速度の速い固体発光素子であり、時分割制御可能である。従って、各色光は映像表示素子６２により、各色光毎に時分割で変調される。映像表示素子６２で反射された各色光は映像光となり、投写レンズ６３に入射し、図示しないスクリーン上に投写される。

　ここでは、光源装置１００の他に赤色光源５１を用いて特定色の明るさを確保するようにしたが、赤色光源５１を用いずに、光源装置１００のみで構成することも可能である。その場合は、ダイクロイックミラー５８を削除し、蛍光体膜保持体１から出射される各色光を利用し、これに同期して映像表示素子６２を動作させれば良い。また、図１では光源装置１００により、ダイクロイックミラー４内にダイクロイックコート領域及び広波長透過領域を設けることで、Ｇ光とＢ光で同一光路を利用する光源の構成例を示したが、この構成に限定されるものではない。ダイクロイックミラー４にダイクロイックコート領域のみを設け、Ｂ光に関しては蛍光体膜で拡散された励起光を用いず、別光源を用いても良い。また蛍光体に関してもＧ光を発する材料ではなく、Ｙ光（黄色光）を発生する材料を使用しても良い。

　蛍光体膜２は蛍光体膜保持体１に接着してもよいし、蛍光体膜保持体１に蛍光体膜２の蛍光体膜２の材料を塗布して焼結することにより、蛍光体膜保持体１に蛍光体膜２を保持させてもよい。

　蛍光体膜２は、蛍光体粒子とアルミナ粒子との混合物に対して、常温常圧焼結法やホットプレスといった焼結処理を行い形成される。焼結処理は上記の例には限定されない。

　蛍光体膜２は蛍光体粒子及びアルミナ粒子からなる焼結体相と、蛍光体膜２に含まれた空気からなる空気相とからなる。

　空気相の含有量は、蛍光体膜２の全体積に対して５ｖｏｌ％以上２０ｖｏｌ％以下、より好ましくは５ｖｏｌ％以上１５ｖｏｌ％以下で形成されることが望ましい。空気相は蛍光体粒子から生じた蛍光光を屈折、拡散させるので発光効率の向上のためには必要である。しかし一方で、放熱性能の観点からは空気相が多すぎるとアルミナ粒子同士が離間して放熱性能が低下する。よって、発光効率及び放熱性能の両方を確保する観点から、空気相は、蛍光体膜２の全体積に対して５ｖｏｌ％以上２０ｖｏｌ％以下、更に好ましくは５ｖｏｌ％以上１５ｖｏｌ％以下であることが望ましい。

　アルミナ粒子は熱伝導性が空気や蛍光体粒子よりも高いので、蛍光体粒子が発光する際に発生する熱を蛍光体膜２の内部（深部）から表面に伝熱し、膜表面から放熱させる効果が期待できる。焼結処理を施した結果、アルミナ粒子の粒成長が生じる。粒成長後のアルミナ粒径は１μｍ以上５０μｍ以下であることが望ましい。ここでいうアルミナ粒径は焼結体相に含まれるアルミナ粒径の平均値であればよい。よって、仮に焼結体相に１μｍ未満又は５０μｍ超のアルミナ粒径が一つ又は複数含まれていたとしても、アルミナ粒径の平均値が１μｍ以上５０μｍ以下であればよい。平均値の求め方として、全数よりも少ないサンプル数を母数としてその加算平均、焼結体相に含まれるアルミナ粒子の１つ１つの粒径の加算平均であってもよい。アルミナ粒径が１μｍ未満であるとアルミナ粒子同士の接触面積が相対的に小さくなり、熱伝導性が相対的に低下する。

　蛍光体粒子は蛍光光の種類に応じて適宜選択可能である。以下、本発明を実施例及び比較例を用いてより具体的に説明するが、本発明の範囲は実施例に限定されるものではない。

＜調製＞
　本実施例では、蛍光体原料として、平均粒径１５μｍの緑色蛍光体Ｃｅ：ＬｕＡＧ（ルテチウム　アルミニウム　ガーネット）からなる蛍光体粒子と、平均粒径０．１μｍ以上１．０μｍのアルミナ粒子と、を適量混合し、φ８、厚み１ｍｍになるように充填、加圧、加熱処理（焼結処理）することで下表１に記載の蛍光体膜を得た。得られた蛍光体膜は厚み１ｍｍのアルミニウム基板に固定し、発光評価に使用した。

＜蛍光体の評価＞（組成比の算出）
　蛍光体の組成比は、蛍光体膜を断面方向においてイオンミリングで処理して、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により蛍光体膜の断面を観察し、蛍光体粒子、アルミナ粒子、空孔をそれぞれマッピングし体積比率を算出した。

（アルミナ平均粒径の算出）
　ＳＥＭによる蛍光体膜の断面の観察によりアルミナ粒子の最長部、最短部をそれぞれ計測し、（最長部＋最短部）／２で算出された値をアルミナ粒径とし、アルミナ粒径を無作為に１００点計測した平均値を蛍光体のアルミナ平均粒径とした。

＜評価＞（発光測定）
　蛍光体の評価は蛍光体に励起光を照射し、発光した蛍光光の出力を測定することで評価した。励起光は波長４４０～４６０ｎｍの青色レーザを用い、励起光の出力は波長中心を４５０ｎｍに設定したパワーメータで測定した。励起光はコリメートレンズを介し、蛍光体に垂直に照射し、蛍光体表面に照射される励起光のスポット径を直径２ｍｍになるように評価系を調整した。

　励起光に照射された蛍光体から発光した光は積分球で取りこみ、取り込んだ蛍光光は分光器ＭＣＰＤ－７０００（大塚電子株式会社製）を用いて発光スペクトルを測定し、波長４７５～７８０ｎｍの光を蛍光光とし、発光スペクトルを積分した値を蛍光光の出力とした。

　（蛍光体効率）
　蛍光光出力は励起光を２Ｗ照射したとき、各実施例及び各比較例の蛍光光出力比が比較例1の蛍光光出力に対して１．５倍以上の相対蛍光光の出力を○、１．０倍より高く１．５倍より低い範囲の相対蛍光光の出力を△、１．０倍以下の相対蛍光光の出力を×として評価した。

（励起光耐性）
　励起光を２Ｗから０．５Ｗ刻みで増加し、３Ｗの蛍光光出力比０．９倍以上を維持できる最大の励起光を上限励起光出力とする。そして上限励起光出力比が比較例1の蛍光光出力に対して０．８倍以上の相対上限励起光出力を○、０．５倍より高く０．８倍より低い相対上限励起光を△、０．５倍以下の相対上限励起光出力を×として評価した。なお励起光耐性は放熱耐性と言い換えてもよい。

（総合評価）
　蛍光体効率と励起光耐性の評価のうち×が無い蛍光体を○、蛍光体効率と励起光耐性の評価のうちどちらか一方でも×がある蛍光体を×として評価した。

[実施例１]
　実施例１は、蛍光体膜２の全体積を基準として、蛍光体粒子：アルミナ粒子：空孔（空気相）＝８５：１０：５（体積比）、アルミナ平均粒径は５μｍとした。実施例１は、蛍光体出力が１．６倍であり、上限励起光出力０．９倍であるので、発光効率の総合評価が「○」である。またアルミナの粒成長により、アルミナ粒子内の熱伝導性が向上する結果、放熱性能が相対的に高くなる。

[実施例２]
　実施例２は、蛍光体膜２の全体積を基準として、蛍光体粒子：アルミナ粒子：空孔（空気相）＝４０：４５：１５（体積比）、アルミナ平均粒径は５μｍとした。実施例２は、蛍光体出力が１．３倍であり、上限励起光出力０．９倍であるので、発光効率の総合評価が「○」である。また実施例１と同様、アルミナの粒成長により、アルミナ粒子内の熱伝導性が向上する結果、放熱性能が相対的に高くなる。

[実施例３]
　実施例３は、蛍光体膜２の全体積を基準として、蛍光体粒子：アルミナ粒子：空孔（空気相）＝４０：４５：１５（体積比）、アルミナ平均粒径は２０μｍとした。実施例３は、蛍光体出力が１．２倍であり、上限励起光出力１．１倍であるので、発光効率の総合評価が「○」である。アルミナの粒成長により、アルミナ粒子内の熱伝導性が向上する結果、放熱性能が相対的に高くなる。

[実施例４]
　実施例４は、蛍光体膜２の全体積を基準として、蛍光体粒子：アルミナ粒子：空孔（空気相）＝８５：１０：５（体積比）、アルミナ平均粒径は２０μｍとした。実施例４は、蛍光体出力が１．４倍であり、上限励起光出力１．１倍であるので、発光効率の総合評価が「○」である。また実施例１と同様、アルミナの粒成長により、アルミナ粒子内の熱伝導性が向上する結果、放熱性能が相対的に高くなる。

[比較例１]
　比較例１は、蛍光体膜２の全体積を基準として、蛍光体粒子：アルミナ粒子：空孔（空気相）＝８８：１０：２（体積比）、アルミナ平均粒径は１０μｍとした。比較例１は、蛍光体出力が１．０倍であり、上限励起光出力１．０倍であるので、総合評価が「×」である。これは、蛍光体膜２から蛍光光を取り出すためには界面が必要であるが、空気相の体積比が相対的に小さいため蛍光体膜２内の界面が少なく、蛍光光の屈折、散乱が所望するほどには生じないため蛍光光を膜表面に取り出しにくくなり、発光効率が低下したためである。しかし、また比較例１と同様、アルミナの粒成長により、アルミナ粒子内の熱伝導性が向上する結果、放熱性能が相対的に高くなる。

[比較例２]
　比較例２は、蛍光体膜２の全体積を基準として、蛍光体粒子：アルミナ粒子：空孔（空気相）＝３３：３７：３０（体積比）、アルミナ平均粒径は１０μｍとした。比較例２は、蛍光体出力が１．０倍であり、上限励起光出力０．６倍であるので、総合評価が「×」である。よって、発光効率と放熱性能の両立は実現できていない。発光効率が「×」であるのは、蛍光体膜２内の空気相が相対的に多すぎるため、蛍光体粒子が励起光１０の取り込みを十分に取り込めず、蛍光光の出力が相対的に少ないためである。また、空気相が相対的に多すぎるため、アルミナ粒子同士が離間する傾向が高まり、熱伝導性が低下する傾向がある。

[比較例３]
　比較例３は、蛍光体膜２の全体積を基準として、蛍光体粒子：アルミナ粒子：空孔（空気相）＝４６：５２：２（体積比）、アルミナ平均粒径は０．５μｍとした。比較例３は、蛍光体出力が１．０倍であり、上限励起光出力０．７倍であるので、総合評価が「×」である。アルミナ平均粒径が小さすぎることから界面が多く励起光を膜内部に取りこみにくくなり蛍光光が所望するほど生じないため発光効率が低下する。よって、アルミナ粒子の接触面積が増加し熱伝導性はそれほど悪くはないものの、発光効率と放熱性能との両立は実現できていない。

[比較例４]
　比較例４は、蛍光体膜２の全体積を基準として、蛍光体粒子：アルミナ粒子：空孔（空気相）＝８１：９：１０（体積比）、アルミナ平均粒径は０．５μｍとした。比較例４は、蛍光体出力が１．１倍であり、上限励起光出力０．６倍であるので、総合評価が「×」である。空気相は励起光の取り込み及び蛍光光の取り出しの両観点からは適切な含有量となっており発光効率はそれほど悪くはないが、アルミナ平均粒径が小さすぎることからアルミナ粒子の接触面積が小さく放熱性能も低い。よって、発光効率と放熱性能の両立は実現できていない。

[比較例５]
　比較例５は、蛍光体膜２の全体積を基準として、蛍光体粒子：アルミナ粒子：空孔（空気相）＝６７：８：２５（体積比）、アルミナ平均粒径は０．５μｍとした。比較例５は、蛍光体出力が０．９倍であり、上限励起光出力０．３倍であるので、総合評価が「×」である。アルミナ粒子の含有量が過小、かつアルミナ平均粒径も過小であること、更に空気相が多すぎることからアルミナ粒子が離間して接触面積が小さくなり放熱性能が低い。更に空気相が多いことにより励起光を膜内部に取りこみにくくなり発光効率が低下する。よって、発光効率と放熱性能の両立は実現できていない。

　上記実施例１～４及び比較例１～５において、総合評価が「○」となるのは実施例１，２，３，４であり、比較例１，２，３，４，５では発光効率と放熱性能の両立は実現できていない。

　本実施形態によれば、アルミナ粒子同士の接触面積が小さいこと（アルミナ粒径１μｍ以上５０μｍ以下）、かつ蛍光体膜内の空気相が全体に対する体積比で５ｖｏｌ％以上２０％以下含まれる膜構造を実現することで、発光効率は高く、熱伝導性が高くなり、一定の励起光エネルギーを照射したときに高蛍光光出射エネルギーを得ることができる。

　また放熱性が相対的に高い蛍光体膜を用いることで、蛍光体保持体に蛍光体膜を固定的に保持する光源装置にも、本実施例に係る蛍光体膜を適用することができる。もちろん、蛍光体膜保持体を回転体として構成し、蛍光体膜保持体を回転させることで、集光レンズ３で集光された励起光が蛍光体膜に照射される位置をずらすように構成する光源装置にも、本実施例に係る蛍光体膜を適用できる。

　また、上記蛍光体膜を用いた光源装置によれば、発光効率が高く、蛍光体膜の放熱性能が高いため蛍光体膜付近に配置される冷却材の小型化が容易となり、光源装置全体の小型化が実現しやすくなる。

　本発明は上記実施形態や上記実施例に限定されない。例えば、上記では本発明に係る蛍光体膜を用いた光源装置の使用例として投写型映像表示装置を例に挙げたが、ヘッドライトに用いてもよい。また使用する蛍光体についても、緑色蛍光体Ｃｅ：ＬｕＡＧ（ルテチウム　アルミニウム　ガーネット）に限定されるものではない。

　１：蛍光体膜保持体
　２：蛍光体膜
　３：集光レンズ
　４：ダイクロイックミラー
　５：励起光源
　６：コリメートレンズ
　１０：励起光
　１１：照明光（蛍光光及び拡散励起光）
　２１：蛍光体粒子
　２３：アルミナ粒子
　２５：焼結体相
　２７：空気相
　１００：光源装置

Claims

　蛍光体及びアルミナの焼結体相、及び空気相からなる蛍光体膜であって、
　前記空気相の含有量は、前記蛍光体膜の膜全体における体積比で５ｖｏｌ％以上２０％以下であり、
　前記焼結体相の含有量は、前記蛍光体膜の膜全体における体積比で８０ｖｏｌ％以上９５％以下であり、
　前記焼結体相において、前記蛍光体の含有量は前記蛍光体膜の膜全体における体積比で４０ｖｏｌ％以上８５ｖｏｌ％以下であり、前記アルミナの含有量は、前記蛍光体膜の膜全体における体積比で１０ｖｏｌ％以上４５ｖｏｌ％以下である、
　ことを特徴とする蛍光体膜。
　請求項１に記載の蛍光体膜であって、
　前記蛍光体の含有量は、前記蛍光体膜の膜全体における体積比で８５ｖｏｌ％であり、
　前記アルミナの含有量は、前記蛍光体膜の膜全体における体積比で１０ｖｏｌ％である、
　ことを特徴とする蛍光体膜。
　請求項２に記載の蛍光体膜であって、
　前記焼結体相に含まれる前記アルミナの平均粒径が１μｍ以上５０μｍ以下である、
　ことを特徴とする蛍光体膜。
　請求項３に記載の蛍光体膜と、
　前記蛍光体膜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。