特許第6248743号(P6248743)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6248743
(24)【登録日】2017年12月1日
(45)【発行日】2017年12月20日
(54)【発明の名称】蛍光光源装置
(51)【国際特許分類】
   H01S 5/02 20060101AFI20171211BHJP
   H01L 33/50 20100101ALI20171211BHJP
   F21S 2/00 20160101ALI20171211BHJP
【FI】
   H01S5/02
   H01L33/50
   F21S2/00 100
【請求項の数】5
【全頁数】10
(21)【出願番号】特願2014-65692(P2014-65692)
(22)【出願日】2014年3月27日
(65)【公開番号】特開2015-191903(P2015-191903A)
(43)【公開日】2015年11月2日
【審査請求日】2016年9月20日
(73)【特許権者】
【識別番号】000102212
【氏名又は名称】ウシオ電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100078754
【弁理士】
【氏名又は名称】大井 正彦
(72)【発明者】
【氏名】北村 政治
(72)【発明者】
【氏名】井上 正樹
【審査官】 村井 友和
(56)【参考文献】
【文献】 特開2013−102078(JP,A)
【文献】 特開2014−052606(JP,A)
【文献】 特開平10−321943(JP,A)
【文献】 国際公開第2012/165007(WO,A1)
【文献】 特開2014−042074(JP,A)
【文献】 特開2015−170419(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01S 5/00− 5/50
H01L 33/00−33/64
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
励起光源としてレーザダイオードを備え、当該レーザダイオードから離間して、励起光入射領域に配置された、励起光により励起されて蛍光を放射する波長変換部材を備えた蛍光光源装置であって、
前記波長変換部材は、放熱性基板と、この放熱性基板上に、前記励起光入射領域内において分割されて互いに離間した複数の分割領域の各々に配置された複数の波長変換要素と、互いに隣接する前記波長変換要素の間に形成された、前記励起光を拡散反射する拡散反射材とを有してなり、前記拡散反射材は光拡散用粒子よりなり、前記波長変換要素の各々は、励起光入射面から蛍光が出射されるものであることを特徴とする蛍光光源装置。
【請求項2】
前記拡散反射材は、前記励起光入射領域における前記分割領域以外の領域をカバーするよう形成されていることを特徴とする請求項1に記載の蛍光光源装置。
【請求項3】
前記波長変換部材は、互いに異なる波長の蛍光を放射する複数種類の波長変換要素が、互いに隣接する状態で配置されてなることを特徴とする請求項1に記載の蛍光光源装置。
【請求項4】
前記励起光が青色光であり、前記波長変換部材が、黄色の蛍光を放射する波長変換要素を有してなることを特徴とする請求項1に記載の蛍光光源装置。
【請求項5】
前記励起光が青色光であり、前記波長変換部材が、緑色の蛍光を放射する波長変換要素および赤色の蛍光を放射する波長変換要素を有してなることを特徴とする請求項3に記載の蛍光光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、励起光により励起されて蛍光を放射する波長変換部材を備えた蛍光光源装置に関する。
【背景技術】
【0002】
例えば照明装置などに利用される光源装置としては、励起光源からの励起光と、この励起光を受けて励起する蛍光体よりなる波長変換部材から放射される蛍光との混光を放射する蛍光光源装置が知られている(特許文献1参照。)。このような蛍光光源装置においては、波長変換部材を構成する蛍光体が励起光を受けて発熱することにより、当該蛍光体に温度消光が生じるため、励起光と蛍光との放射強度比が変化することによって色むらが生じやすい。このため、従来の蛍光光源装置においては、色むらを抑制する種々の手段が施されている(特許文献2および特許文献3参照。)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2011−198560号公報
【特許文献2】特開2012−89316号公報
【特許文献3】特開2013−102078号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、上記の蛍光光源装置においては、高輝度化を図るために出力の高い励起光を波長変換部材に照射した場合には、波長変換部材に生じた熱が十分に排熱されず、蛍光体には温度消光が生じる。このため、高い発光効率が得られず、しかも、励起光と蛍光体から放射される蛍光との放射強度比が変化するため、蛍光光源装置から放射される光には色むらが生じ、演色性が低下する、という問題がある。
【0005】
そこで、本発明の目的は、波長変換部材に高い出力の励起光を入射した場合であっても、発光効率の低下を抑制することができ、演色性に優れた光を放射することができる蛍光光源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の蛍光光源装置は、励起光源としてレーザダイオードを備え、当該レーザダイオードから離間して、励起光入射領域に配置された、励起光により励起されて蛍光を放射する波長変換部材を備えた蛍光光源装置であって、
前記波長変換部材は、放熱性基板と、この放熱性基板上に、前記励起光入射領域内において分割されて互いに離間した複数の分割領域の各々に配置された複数の波長変換要素と、互いに隣接する前記波長変換要素の間に形成された、前記励起光を拡散反射する拡散反射材とを有してなり、前記拡散反射材は光拡散用粒子よりなり、前記波長変換要素の各々は、励起光入射面から蛍光が出射されるものであることを特徴とする。
【0007】
本発明の蛍光光源装置においては、前記拡散反射材は、前記励起光入射領域における前記分割領域以外の領域をカバーするよう形成されていることが好ましい。
また、前記波長変換部材は、互いに異なる波長の蛍光を放射する複数種類の波長変換要素が、互いに隣接する状態で配置されてなることが好ましい。
また、前記励起光が青色光であり、前記波長変換部材が、黄色の蛍光を放射する波長変換要素を有してなるものであってもよい。
また、前記励起光が青色光であり、前記波長変換部材が、緑色の蛍光を放射する波長変換要素および赤色の蛍光を放射する波長変換要素を有してなるものであってもよい。
【発明の効果】
【0008】
本発明の蛍光光源装置によれば、励起光入射領域内において分割されて互いに離間した複数の分割領域の各々に波長変換要素を配置することにより、単一の波長変換要素を有する場合に比較して、波長変換要素の各々を励起光入射領域内の広範囲にわたって分散して配置することができる。そのため、波長変換要素に生じた熱を高い効率で排熱することができる。従って、波長変換部材に高い出力の励起光を入射した場合であっても、波長変換部材の発熱による温度消光が低減されるので、発光効率の低下を抑制することができる。しかも、互いに隣接する波長変換要素の間には、励起光を拡散反射する拡散反射材が形成されているため、優れた演色性を有する光を放射することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
図1】本発明の蛍光光源装置の一例における構成を示す説明図であり、(a)は側面図、(b)は正面図である。
図2】波長変換部材の一例における構成を示す説明図であり、(a)は平面図、(b)は、(a)に示す波長変換部材のA−A断面である。
図3】波長変換部材の変形例を示す説明図であり、(a)は平面図、(b)は、(a)に示す波長変換部材のA−A断面である。
図4】波長変換部材の他の変形例を示す説明図であり、(a)は平面図、(b)は、(a)に示す波長変換部材のA−A断面である。
図5】波長変換部材の更に他の変形例を示す説明用断面図である。
図6】励起光入射領域の変形例を示す説明図である。
図7】実施例2に係る蛍光光源装置から放射される光のスペクトル図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明の蛍光光源装置の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の蛍光光源装置の一例における構成を示す説明図であり、(a)は側面図、(b)は正面図である。この蛍光光源装置は、それぞれ励起光Lを出射する複数(図示の例では8個)の励起光源10と、この励起光源10からの励起光Lにより励起されて蛍光を放射する波長変換部材20と、波長変換部材20からの蛍光を反射する凹面ミラー30と、波長変換部材20および凹面ミラー30からの蛍光および励起光Lを平行光に変換して混光するレンズ40とにより構成されている。
【0011】
具体的に説明すると、励起光源10の各々は、凹面ミラー30の開口31の周縁に沿って互いに等間隔で離間した状態で配置されている。また、励起光源10の各々は、凹面ミラー30の底部を臨む姿勢で配置されており、これにより、凹面ミラー30の底部が励起光入射領域Nとされている。凹面ミラー30の底部すなわち励起光入射領域Nには、矩形の貫通孔32が形成され、この貫通孔32に、板状の波長変換部材20が配置されている。また、凹面ミラー30の前方には、レンズ40が波長変換部材20に対向するよう配置されている。
【0012】
図2は、波長変換部材の一例における構成を示す説明図であり、(a)は平面図、(b)は、(a)に示す波長変換部材のA−A断面である。この波長変換部材20は、放熱性基板21を有する。この放熱性基板21の表面上には、例えば矩形の励起光入射領域N内において分割されて互いに離間した複数の矩形の分割領域Dが形成されている。放熱性基板21の表面上における分割領域Dの各々には、例えば半田よりなる接着膜23を介して、矩形の板状の波長変換要素22が配置されている。互いに隣接する波長変換要素22の間には、励起光Lを拡散反射する拡散反射材25が形成されている。図示の例では、拡散反射材25は、励起光入射領域Nにおける分割領域D以外の領域をカバーするよう形成されている。
以上において、分割領域Dすなわち波長変換要素22が配置される領域は、励起光入射領域N内において分散した状態で形成されていることが好ましい。
【0013】
励起光源10から出射される励起光Lは、蛍光光源装置の用途等に応じて、紫外線および可視光線から適宜選択することができる。例えば蛍光光源装置の用途が照明装置である場合には、励起光Lとして青色光が選択される。また、励起光源10としては、レーザダイオードを用いることができる。
【0014】
波長変換部材20における放熱性基板21を構成する材料としては、熱伝導率の高い金属材料を用いることができる。このような金属材料の具体例としては、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケルなどを用いることができる。
【0015】
波長変換部材20における波長変換要素22は、蛍光体結晶よりなるものであっても、蛍光体結晶粉末がバインダーによって結着されてなるものであってもよい。
蛍光体結晶としては、Ce:LuAG(Lu3 Al5 12)、Pr:YAGなどの緑色蛍光体、Eu:CASN(CaAlSiN)、Eu:S−CASN(SrCaAlSiN)、YAG:Sm、YAG:Prなどの赤色蛍光体、Ce:YAG(Y3 Al5 12)などの黄色蛍光体を用いることができる。これらの蛍光体結晶は、単独でまたは組み合わせて用いることができる。
これらの蛍光体結晶において、希土類元素のドープ量は、例えば0.5mol%程度である。
【0016】
蛍光体結晶として単結晶を用いる場合には、当該蛍光体単結晶は、例えばチョクラルスキー法によって得ることができる。具体的に説明すると、先ず、坩堝内において種子結晶を溶融された原料に接触させる。次いで、この状態で、種子結晶を回転させながら鉛直方向に引き上げて当該種子結晶に単結晶を成長させる。このようにして、蛍光体単結晶が得られる。
【0017】
蛍光体結晶として多結晶を用いる場合には、当該蛍光体多結晶は、例えば以下のようにして得ることができる。先ず、母材、賦活材および焼成助剤などの原材料をボールミルなどによって粉砕処理することによって、サブミクロン以下の原材料微粒子を調製する。次いで、この原材料微粒子を例えばスリップキャスト法によって焼結する。その後、得られた焼結体に対して熱間等方圧加圧加工を施すことによって、蛍光体多結晶が得られる。
【0018】
蛍光体結晶粉末がバインダーによって結着されてなる波長変換要素22を形成する場合において、蛍光体結晶粉末の平均粒径は、例えば1〜60μmである。
波長変換要素22における蛍光体結晶粉末の割合は、例えば30〜70体積%である。 バインダーとしては、ガラスなどの無機バインダー、シリコーン樹脂などの有機バインダーを用いることができる。
【0019】
波長変換部材20は、全ての波長変換要素22がそれぞれ同一の波長の蛍光を放射する同種類である、すなわち蛍光体結晶の組成が同一のものであってもよいが、互いに異なる波長の蛍光を放射する複数種類の波長変換要素22を有するものであってもよい。波長変換部材20が複数種類の波長変換要素22を有する場合には、異なる種類の波長変換部材22が互いに隣接する状態で配置されていることが好ましい。
【0020】
また、波長変換部材20は、図2に示すように、それぞれ同一の形状および寸法の波長変換要素22を有するものであってもよいが、図3および図4に示すように、互いに異なる形状および寸法の複数形態の波長変換要素22a,22b,22c,22dを有するものであってもよい。特に、波長変換部材20が互いに異なる波長の蛍光を放射する複数種類の波長変換要素22を有する場合には、それぞれの波長変換要素22の発光効率などを考慮して形状および寸法を設定することにより、所要のスペクトルの光を放射することができる。
【0021】
波長変換要素22の各々の表面の面積は、0.5〜400mm2 であることが好ましい。波長変換要素22の表面の面積が過小である場合には、波長変換要素22の取扱い性が低く、波長変換部材20を製造することが困難となることがある。一方、波長変換要素22の表面の面積が過大である場合には、波長変換部材20のサイズが大きくなるため、蛍光光源装置全体のサイズが大きくなってしまう。
【0022】
波長変換要素22の各々の表面の合計の面積(分割領域Dの合計の面積)は、励起光入射領域Nの面積の50〜98%であることが好ましい。波長変換要素22の表面の合計の面積が過小である場合には、励起光入射領域Nの面積が相対的に大きく、励起光に対する蛍光の割合が少ないため、白色光が得られないことがある。一方、波長変換要素22の表面の合計の面積が過大である場合には、励起光に対して蛍光の割合が多いため、白色光が得られないことがある。
【0023】
波長変換要素22の各々の厚みは、例えば100〜1000μmである。
波長変換部材20における波長変換要素22の数は、波長変換要素22の各々の表面の面積や、励起光入射領域Nの面積などを考慮して適宜設定することができるが、例えば2〜20個である。
【0024】
隣接する波長変換要素22の間の離間距離dは、0.1〜2mmであることが好ましい。この離間距離dが過小である場合には、互いに隣接する波長変換要素22の間に、拡散反射材25を形成することが困難となることがある。一方、この離間距離dが過大である場合には、波長変換部材20のサイズが大きくなるため、蛍光光源装置全体のサイズが大きくなってしまう。
【0025】
波長変換部材20における拡散反射材25としては、バインダー中に光拡散用粒子が分散されてなるものを用いることができる。
光拡散用粒子としては、TiO2 ,SiO2 ,Al2 3 などよりなる無機粒子を用いることができる。光拡散用粒子の平均粒径は、例えば0.01〜50μmである。拡散反射材25中における光拡散用粒子の含有割合は、例えば30体積%である。
バインダーとしては、ガラスなどの無機バインダー、シリコーン樹脂などの有機バインダーを用いることができる。
【0026】
上記の波長変換部材20は、例えば以下のようにして製造することができる。
先ず、蛍光体結晶よりなる、或いは蛍光体結晶粉末がバインダーによって結着されてなる板状の波長変換要素用材料を用意する。この波長変換要素用材料を、例えばダイシング装置によって切断することにより、所要の形態の波長変換要素22を形成する。次いで、放熱性基板21の表面に、スクリーン印刷等によって、半田ペーストを分割領域Dのパターンに従って塗布する。その後、半田ペーストによる塗布膜の各々の表面上に、例えばダイボンダー装置によって、波長変換要素22を配置する。そして、半田ペーストによる塗布膜を加熱することにより、放熱性基板21の表面に、半田よりなる接着膜23を介して波長変換要素22を接着する。
【0027】
次いで、放熱性基板21の表面における波長変換要素22が配置された領域以外の領域に、例えばディスペンサによって、光拡散用粒子およびバインダー材料を含有する拡散反射材形成用ペーストを塗布する。そして、拡散反射材形成用ペーストによる塗布膜を加熱することにより、拡散反射材25を形成する。このようにして、図2および図3に示す波長変換部材20が得られる。
【0028】
以上において、半田ペーストによる塗布膜の加熱条件は、例えば加熱温度が250℃、加熱時間が2分間である。
また、拡散反射材形成用ペーストによる塗布膜の加熱条件は、用いられるバインダー材料の種類によって異なるが、バインダー材料としてシリコーン樹脂材料を用いる場合には、例えば加熱温度が150℃、加熱時間が1時間である。
【0029】
本発明の蛍光光源装置を例えば照明装置に適用する場合には、励起光源10および波長変換部材20として、下記の(1)または(2)の組み合わせのものを用いることが好ましい。
(1)励起光Lとして青色光を放射する励起光源10と、黄色の蛍光を放射する波長変換要素22を有する波長変換部材20との組み合わせ。
(2)励起光Lとして青色光を放射する励起光源10と、緑色の蛍光を放射する波長変換要素22および赤色の蛍光を放射する波長変換要素22を有する波長変換部材20との組み合わせ。
【0030】
上記の蛍光光源装置によれば、励起光入射領域N内において分割されて互いに離間した複数の分割領域Dの各々に波長変換要素22を配置することにより、単一の波長変換要素を有する場合に比較して、波長変換要素22の各々を励起光入射領域N内の広範囲にわたって分散して配置することができる。そのため、波長変換要素22に生じた熱を高い効率で排熱することができる。従って、波長変換部材20に高い出力の励起光Lを入射した場合であっても、波長変換要素22の発熱による温度消光が低減されるので、発光効率の低下を抑制することができる。しかも、互いに隣接する波長変換要素22の間には、励起光Lを拡散反射する拡散反射材25が形成されているため、優れた演色性を有する光を放射することができる。
【0031】
本発明においては、上記の実施の形態に限定されず、以下のような種々の変更を加えることが可能である。
(1)図5に示すように、波長変換要素22の裏面には、励起光および波長変換要素22から放射される蛍光を反射する光反射膜24が形成されていてもよい。光反射膜24としては、誘電体多層膜を用いることができる。このような構成の蛍光光源装置によれば、より高い効率で所要の光を放射することができる。
(2)励起光入射領域Nは、矩形のものに限られず、例えば図6に示すように、円形のものであってもよい。
【実施例】
【0032】
〈実施例1〉
図2に示す構成に従い、下記の仕様の波長変換部材(20)を作製した。
[放熱性基板(21)]
材質:ニッケル(熱伝導率=90Wm-1-1
寸法:10mm×10mm×1mm
[波長変換要素(22)]
材質:Y3 Al5 12:Ce(YAG:Ce)(熱伝導率=11.7Wm-1-1
寸法:1.67(5/3)mm×1.67(5/3)mm×0.1mm
波長変換要素の数:9個
[拡散反射材(25)] バインダーの材質:シリコーン樹脂
拡散用粒子の材質:TiO2
光拡散用粒子の平均粒径:0.1μm
光拡散用粒子の含有割合:30体積%
拡散反射材の外形寸法:9mm×9mm×0.1mm
隣接する波長変換要素の間の幅:1mm
【0033】
上記の波長変換部材および励起光源として下記のレーザダイオード125個を用い、図1に示す蛍光光源装置を作製した。この蛍光光源装置における励起光入射領域は、7.8mm×7.8mmの矩形のものである。
[レーザダイオード]
発光ピーク波長:445nm(青色光)
出力:1.6W
【0034】
〈比較例1〉
波長変換要素の数を1個、波長変換要素の寸法を5mm×5mm×0.1mmに変更したこと以外は、実施例1と同様の構成の蛍光光源装置を作製した。
【0035】
実施例1および比較例1に係る蛍光光源装置について、合計200Wの出力で励起光源から波長変換部材に励起光を照射し、波長変換要素の平均温度および蛍光光源装置から放射される光の放射強度を測定した。波長変換要素の平均温度および比較例1に係る蛍光光源装置から放射される光の放射強度を1としたときの相対強度を下記表1に示す。
【0036】
【表1】
【0037】
表1の結果から明らかなように、実施例1に係る蛍光光源装置によれば、波長変換要素に生じた熱が高い効率で排熱され、これにより、発光効率の低下が抑制されることが確認された。
【0038】
〈実施例2〉
図3に示す構成に従い、下記の仕様の波長変換部材(20)を作製した。
[放熱性基板(21)]
材質:ニッケル(熱伝導率=90Wm-1-1
寸法:10mm×10mm×1mm
[波長変換要素(22a)] 材質:Lu3 Al5 12:Ce(LuAG:Ce)(熱伝導率=6.44Wm-1-1) 寸法:2.6mm×1.46mm×0.1mm
波長変換要素の数:1個
[波長変換要素(22b)]
材質:Lu3 Al5 12:Ce(LuAG:Ce)(熱伝導率=6.44Wm-1-1) 寸法:1.56mm×1.3mm×0.1mm
波長変換要素の数:4個
[波長変換要素(22c)] 材質:(Ca,Sr)AlSiN3 :Eu(SCASN:Eu)(熱伝導率=20Wm-1-1
寸法:2.17mm×1.56mm×0.1mm
波長変換要素の数:2個
[波長変換要素(22d)]
材質:(Ca,Sr)AlSiN3 :Eu(SCASN:Eu)(熱伝導率=20Wm-1-1
寸法:1.09mm×1.43mm×0.1mm
波長変換要素の数:2個
[拡散反射材(25)]
バインダーの材質:シリコーン樹脂
拡散用粒子の材質:TiO2
光拡散用粒子の平均粒径:0.1μm
光拡散用粒子の含有割合:30体積%
拡散反射材の外形寸法:9mm×9mm×0.1mm
隣接する波長変換要素の間の幅:1mm
【0039】
上記の波長変換部材および励起光源として下記のレーザダイオード125個を用い、図1に示す蛍光光源装置を作製した。この蛍光光源装置における励起光入射領域は、7.8mm×7.8mmの矩形のものである。
[レーザダイオード]
発光ピーク波長:445nm(青色光)
定格出力:1.6W
【0040】
実施例2に係る蛍光光源装置について、合計200Wの出力で励起光源から波長変換部材に励起光を照射し、放射される光の分光スペクトルを測定した。結果を図7に示す。図7において、縦軸は相対分光放射強度、横軸は波長を示す。また、曲線aは、蛍光光源装置から放射される光の分光スペクトル、曲線bは、Ce:LuAGよりなる波長変換要素から放射される蛍光スペクトル、曲線cは、Eu:SCASNよりなる波長変換要素から放射される蛍光スペクトルである。
また、この蛍光光源装置から放射される光について、平均演色評価数Raおよび色温度を測定したところ、平均演色評価数Raが90、色温度が3500Kであった。
以上の結果から、実施例2に係る蛍光光源装置によれば、演色性に優れた光が放射されることが確認された。
【符号の説明】
【0041】
10 励起光源
20 波長変換部材
21 放熱性基板
22,22a,22b,22c,22d 波長変換要素
23 接着膜
24 光反射膜
25 拡散反射材
30 凹面ミラー
31 開口
32 貫通孔
40 レンズ
D 分割領域
N 励起光入射領域
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7