CN115210888A - 波长转换元件以及光学设备 - Google Patents
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Abstract
波长转换元件具有板、波长转换层和高分子层。波长转换层具有与板相对的对置面。波长转换层包含无机波长转换材料，所述无机波长转换材料出射与入射光不同波长的光。高分子层配置于板与波长转换层之间。对置面的一部分与板接触。对置面的其他部分的至少一部分经由高分子层与所述板接合。
Description
技术领域
本发明涉及波长转换元件及光学设备。本申请基于2020年3月18日在日本申请的特愿2020-4775号主张优先权，并在此引用其内容。
背景技术
专利文献1中记载了一种具备基材和设置于基材上的荧光体层的波长转换部件。荧光体层由荧光体粒子和将相邻的荧光体粒子间结合的透光性陶瓷构成。专利文献1中，作为透光性陶瓷，记载了二氧化硅、磷酸铝等无机粘合剂。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:国际公开第2017/126441号
发明内容
本发明所要解决的技术问题
对于波长转换元件，希望抑制荧光体层等波长转换层的剥离。
本公开的主要目的在于，提供波长转换层不易剥离的波长转换元件。
用于解决技术问题的技术方案
一个方式的波长转换元件具有板、波长转换层和高分子层。波长转换层具有与板相对的对置面。波长转换层包含无机波长转换材料，所述无机波长转换材料出射与入射光不同波长的光。高分子层配置于板与波长转换层之间。对置面的一部分与板接触。对置面的其他部分的至少一部分经由高分子层与所述板接合。
一个方式的光学设备具备:一个方式的波长转换元件；以及光源，其对波长转换元件的波长转换层照射光。
附图说明
图1是第一实施方式的波长转换元件的示意性俯视图。
图2为图1的线II-II的示意性剖视图。
图3是第二实施方式的波长转换元件的示意性俯视图。
图4为图3的线IV-IV的示意性剖视图。
图5是第三实施方式的波长转换元件的示意性俯视图。
图6为图5的线VI-VI的示意性剖视图。
图7是第一变形例的波长转换元件的一部分的示意性俯视图。
图8是第二变形例的波长转换元件的一部分的示意性俯视图。
图9是第四实施方式的波长转换元件的示意性剖视图。
图10是表示第五实施方式的光学设备的构成的示意图。
图11是第五实施方式中的波长转换元件的示意性俯视图。
图12是表示第六实施方式的光学设备的构成的示意图。
图13是第三变形例的波长转换元件的示意性剖视图。
图14是图13的线XIV-XIV的示意性剖视图。
具体实施方式
以下，对实施本发明的优选方式的一例进行说明。但是，下述的实施方式只是例示。本发明并不限定于下述的实施方式。
(第一实施方式)
图1是第一实施方式的波长转换元件1的示意性俯视图。图2是图1的线II-II的示意性剖视图。
如图2所示，波长转换元件1具备板10、波长转换层20和高分子层30。
板10例如能够由金属板、陶瓷板等构成。板10优选具有高热传导率，以能够以高效率对波长转换层20的热进行散热。从该观点出发，板10优选为金属板，其中，更优选为例如铝板。此外，板10例如也可以由铝板等金属板、覆盖金属板的表面的涂层构成。
板10的形状尺寸没有特别的限定。板10可以是例如圆形状、圆板状、多边形状、椭圆形状、长圆形状等。板10的厚度没有特别限定，例如可以为0.5mm以上且2.0mm以下程度。
在板10上配置有波长转换层20。当入射特定波长的光(激发光)时，波长转换层20是出射与激发光不同波长的光、典型地比激发光波长更长的光的层。
波长转换层20包括无机波长转换材料。当特定波长的光(激发光)入射时，无机波长转换材料出射与激发光不同波长的光，典型地出射波长比激发光长的光。在本实施方式中，无机波长转换材料例如包含无机荧光体等无机波长转换材料。
作为无机波长转换材料的具体例，可列举出例如YAG:Ce(Y3Al5O12:Ce3+)、CaAlSiN3:Eu2+、Ca-α-SiAlON:Eu2+、β-SiAlON:Eu2+、Lu3Al5O12:Ce3+(LuAG:Ce)、(Sr、Ca、Ba、Mg)10(PO4)6C12:Eu、BaMgAl10O17:Eu2+、(Sr、Ba)3MgSi2O8:Eu2+等。
多个无机波长转换材料例如可以含有一种无机波长转换材料，也可以含有多种无机波长转换材料。
无机波长转换材料的形状没有特别限定。无机波长转换材料可以是例如粒子状、球状、椭球状、针状、多棱柱状、圆柱状等。
多个无机波长转换材料的粒径没有特别限定。多个无机波长转换材料的平均粒径例如优选为1μm以上且50μm以下，更优选为5μm以上且30μm以下。
此外，也可以组合多个不同平均粒径的无机波长转换材料。
波长转换层20可以仅由多个无机波长转换材料构成，但优选除了多个无机波长转换材料之外还包含粘合剂。波长转换层20进一步优选包含由无机材料构成的无机粘合剂。作为优选使用的无机粘合剂的具体例，可列举出例如氧化铝、二氧化硅、氮化硅、氮化铝、氧化锌、氧化锡等。
波长转换层20中的无机粘合剂的含量例如优选为10体积％以上且40体积％以下。
波长转换层20优选实质上仅含有无机材料。即，波长转换层20优选为无机波长转换层。
如图2所示，波长转换层20具有与板10相对的对置面21和与板10相反一侧的主面22。在对置面21上形成有至少一个凹部25。因此，对置面21中的未设置凹部25的部分的至少一部分与板10接触，设有凹部25的部分不与板10接触。即，对置面的一部分与板10接触。
在板10和波长转换层20之间配置有高分子层30。详细而言，高分子层30配置于在波长转换层20的对置面21设置的凹部25内。高分子层30优选设置于凹部25的整体，也可以设置于凹部25的一部分。即，在凹部25中可以存在高分子层30不位于凹部25中的部分。
具体而言，在本实施方式中，如图1所示，在板10和波长转换层20之间配置有多个高分子层30。在多个凹部25中分别配置有高分子层30。多个高分子层30沿着图1中的x方向和相对于x方向倾斜(典型地正交)的y方向，相互隔开间隔配置成矩阵状。
多个高分子层30各自的形状只要高分子层30设置在板10与波长转换层20之间，没有特别的限定。高分子层30例如在俯视观察时可以为圆形状、椭圆形状、矩形。
高分子层30包含高分子。高分子层30优选例如由树脂、树脂组合物构成。
高分子层30优选含有具有高热耐久性的高分子。高分子层30例如优选含有硅酮、聚酰亚胺、聚氨酯、环氧树脂及酚醛树脂中的至少一种。高分子层30例如可以由包含硅酮、聚酰亚胺、聚氨酯、环氧树脂及酚醛树脂中的至少一种和填料的树脂组合物构成。作为优选使用的填料的具体例，可列举出例如二氧化硅、氧化铝等。
如图2所示，高分子层30与对置面21的设置有凹部25的部分和板10这两者接触。在本实施方式中，具体而言，高分子层30与对置面21的设置有凹部25的部分和板10这两者结合。因此，对置面21的与板10接触的部分以外的部分的至少一部分经由高分子层30与板10接合。具体而言，对置面21的设置有凹部25的部分的至少一部分经由高分子层30与板10接合。
但是，如果激发光入射到波长转换层，则波长转换层的温度上升。通常，板的热膨胀系数与波长转换层的热膨胀系数不同。例如，板为金属板，波长转换层包含无机波长转换材料时，板的热膨胀系数通常大于波长转换层的热膨胀系数。因此，当波长转换层及板的温度上升时，波长转换层的热膨胀量与板的热膨胀量相互不同。由于该波长转换层与板之间的热膨胀量之差，波长转换层有可能从板剥离。
在本实施方式的波长转换元件1中，波长转换层20的对置面21的一部分与板10接触，对置面21的其它部分的至少一部分经由高分子层30与板10接合。因此，波长转换层20难以从板10剥离。
详细而言，波长转换层20的对置面的一部分与板10接触。波长转换层20包含无机波长转换材料和所述无机粘合剂，因此具有高导热率。因此，即使当激发光入射到波长转换层20时波长转换层20发热，波长转换层20的热也容易传递到板10侧。因此，能够抑制波长转换层20的温度上升。因此，能够减小波长转换层20与板10之间的热膨胀差。因此，能够抑制波长转换层20从板10剥离。
而且，在本实施方式的波长转换元件1中，对置面21的至少一部分经由高分子层30与板10接合。该高分子层30可以作为缓和因波长转换层20与板10的热膨胀差而产生的应力的缓冲层发挥功能。而且，由于高分子层30含有高分子，因此，与含有无机波长转换材料的波长转换层20相比，高分子层30与板10的密合强度更高。因此，能够进一步抑制波长转换层20从板10剥离。
这样，波长转换层20与板10直接接触，并且波长转换层20与板10通过高分子层30而接合，因此能够抑制波长转换层20的温度上升。而且，通过高分子层30，能够实现热膨胀差导致的应力的缓和以及波长转换层20与板10的密合强度的提高。因此，能够有效地抑制波长转换层20从板10剥离。
波长转换元件1具有多个高分子层30。因此，能够在对置面21分散地配置与板10直接接触的多个部分和通过高分子层30接合的多个部分。因此，能够抑制波长转换层20的局部温度上升。此外，能够整体提高波长转换层20与板10的紧贴强度。进而，能够整体上缓和在波长转换层20与板10之间产生的应力。因此，能够更有效地抑制波长转换层20从板10剥离。
从兼顾波长转换层20与板10之间的高的热导率和通过设置高分子层30来抑制剥离的观点出发，在波长转换元件1中，对置面21与高分子层30接触的区域的面积相对于俯视观察时的对置面21的面积的比优选为10％以上且70％以下，更优选为20％以上且60％以下。
从进一步提高高分子层30的缓冲效果的观点出发，优选高分子层30具有比波长转换层20的弹性模量更低的弹性模量。具体而言，高分子层30的弹性模量EP与波长转换层20的弹性模量EW之比EW/EP优选为10万倍以上，更优选为100万倍以上。
从同样的观点出发，优选高分子层30具有比波长转换层20的线热膨胀系数更高的线热膨胀系数。具体而言，高分子层30的线热膨胀系数优选比波长转换层20的线热膨胀系数为10倍以上，更优选为100倍以上。
从进一步增大从波长转换层20向板10的热传导的观点出发，波长转换层20优选含有无机粘合剂。
(第二实施方式)
图3是第二实施方式的波长转换元件1a的示意性俯视图。图4是图3的线IV-IV的示意性剖视图。
在第一实施方式中，说明了多个高分子层30设置为矩阵状的例子。但是，本发明并不限于该构成。
在本实施方式的波长转换元件1a中，高分子层30设置于波长转换层20的周缘部。高分子层30形成为框状。高分子层30配置在波长转换层20的周缘部与板10之间。
如本实施方式那样，即使在高分子层30设置于波长转换层20的周缘部的情况下，也与第一实施方式同样地能够抑制波长转换层20的剥离。此外，例如，在向波长转换层20的中央部照射激发光的情况下，波长转换层20的中央部的温度容易上升，周缘部的温度难以上升。因此，在波长转换层20产生由温度之差引起的应力，但通过设置于周缘部的高分子层30缓和应力，能够有效地抑制高分子层30的密接力下降。此外，位于周缘部的高分子层30的温度也不易上升，因此高分子层30的密接力不易降低。因此，能够有效地抑制波长转换层20的剥离。从有效地抑制波长转换层20的剥离的观点出发，优选高分子层30遍及全周设置为环状。
(第三实施方式)
图5是第三实施方式的波长转换元件1b的示意性俯视图。图6是图5的线VI-VI的示意性剖视图。
在第一及第二实施方式中，对波长转换元件1、1a为矩形的例子进行了说明。但是，本发明并不限于该构成。波长转换元件例如也可以是圆板状等。在本实施方式中，对构成圆板状的荧光轮的波长转换元件1b进行说明。
在波长转换元件1b中，板10为圆板状。如图6所示，在板10的中央部形成有贯通孔10a。轴40***贯通孔10a。随着***贯通孔10a的轴40的旋转，板10旋转。
波长转换层20设置于板10的外周部上。波长转换层20形成为环状(圆环状)。在本实施方式中，波长转换层20的整体包含相同的波长转换材料，出射相同波长的光。但是，本发明并不限于该构成。波长转换层也可以包括例如沿周向配置且出射波长互不相同的光的多个波长转换层。具体而言，波长转换层可以沿周向配置，包括出射红色光的波长转换层、出射绿色光的波长转换层和出射蓝色光的波长转换层。
如图5所示，在本实施方式中，高分子层30分别设置于波长转换层20的两端部(内侧端部及外侧端部)的每个端部。具体而言，波长转换元件1b具有内侧高分子层30a和外侧高分子层30b作为高分子层30。内侧高分子层30a配置在形成为环状的波长转换层20的内周部与板10之间。另一方面，外侧高分子层30b形成于形成为环状的波长转换层20的外周部与板10之间。
在本实施方式中，也与上述实施方式同样地设置有高分子层30。因此，能够抑制波长转换层20的剥离。
此外，在本实施方式中，由内侧高分子层30a和外侧高分子层30b提高波长转换层20的半径方向的两端部的每个端部的接合力，因此能够更有效地抑制波长转换层20的剥离。
而且，在构成荧光轮的波长转换元件1b中，通常在波长转换层20的半径方向的中央部照射激发光，中央部容易成为高温。因此，内侧高分子层30a和外侧高分子层30b的温度难以上升。因此，内侧高分子层30a和外侧高分子层30b的接合力难以降低，能够更有效地抑制波长转换层20的剥离。
(第一变形例以及第二变形例)
图7是第一变形例的波长转换元件的一部分的示意性俯视图。图8是第二变形例的波长转换元件的一部分的示意性俯视图。
在第三实施方式中，对高分子层30由内侧高分子层30a和外侧高分子层30b构成的例子进行了说明。但是，本发明并不限于该构成。例如，如图7所示，第一变形例中，高分子层30除了内侧高分子层30a及外侧高分子层30b外，还包含多个中央高分子层30c。多个中央高分子层30c配置在波长转换层20的半径方向上的中央部与板10之间。多个中央高分子层30c沿周向相互隔开间隔配置。多个中央高分子层30c的俯视形状没有特别限定，例如是圆形。
如第一变形例那样，通过设置中央高分子层30c，能够有效地抑制通过照射激发光而温度容易上升的波长转换层20的半径方向的中央部与板10的剥离。
从有效地抑制波长转换层20的剥离的观点出发，优选内侧高分子层30a和外侧高分子层30b各自的沿着周向的存在率高于中央高分子层30c的沿着周向的存在率。优选内侧高分子层30a和外侧高分子层30b各自的沿半径方向的尺寸比中央高分子层30c的沿半径方向的尺寸大。
另外，在第一变形例中，对内侧高分子层30a和外侧高分子层30b分别为圆环状的例子进行了说明。但是，本发明并不限于该构成。例如，如图8所示，内侧高分子层30a及外侧高分子层30b各自也可以由沿周向相互隔开间隔配置的多个高分子层构成。即，例如，也可以将内侧高分子层30a、外侧高分子层30b和中央高分子层30c中的至少一个设置为点状。
(第四实施方式)
图9是第四实施方式的波长转换元件的示意性剖视图。
在第一-第三实施方式中，对整个波长转换层20包含波长转换材料的例子进行了说明。但是，本发明并不限于该构成。波长转换层20也可以具有例如包括波长转换部件的含波长转换部件部和不包括波长转换部件的不含波长转换部件部。
如图9所示，在本实施方式中，波长转换层20具有含波长转换材料层20a和扩散层20b。含波长转换材料层20a是包含波长转换材料和无机粘合剂的层。另一方面，扩散层20b不含有波长转换材料。在本实施方式中，扩散层20b由无机粘合剂和光扩散材料构成。扩散层20b配置在含波长转换材料层20a与板10之间。光扩散材料优选与无机粘合剂的折射率之差大的材料，例如可以使用由氧化钛、氧化锆、氧化锌、二氧化硅等构成的粒子状的材料、或者无机粘合剂内所含有的空隙那样的空气层。这些粒子的平均粒径例如是数100nm-数μm。
如本实施方式那样，即使在波长转换层20包含扩散层20b的情况下，由于设置有高分子层30，所以也能够实现与第一-第三实施方式实质上相同的效果。
(第五实施方式)
图10是表示第五实施方式的光学设备的构成的示意图。
本发明的波长转换元件能够用于各种光学设备。在本实施方式中，作为光学设备的一种，对具备一个实施方式的波长转换元件的投影装置进行说明。
图10所示的光学设备2构成投影装置。光学设备2具有光源51。光源51例如能够由LED(Light Emitting Diode)、激光元件构成。在本实施方式中，说明光源51由出射蓝色光B的LD(Laser Diode)构成的例子。
在光源51的光出射侧，配置有选择性地反射蓝色光B的波长的分色镜52。从光源51出射的蓝色光B被分色镜52反射。被反射的蓝色光B入射到波长转换元件1c。
图11是第五实施方式中的波长转换元件1c的示意性俯视图。
波长转换元件1c构成荧光轮。如图11所示，波长转换元件1c中，板10为切除了沿着周向的一部分的圆板状。在本实施方式中，板10由金属板构成，对光进行反射。
板10固定于与图10所示的旋转装置53连接的轴40。随着轴40被旋转装置53旋转驱动，板10旋转。
在板10上形成将半径方向的内侧部分切除而成的扇形的波长转换层20。在波长转换层20与板10之间配置有包括内侧高分子层30a和外侧高分子层30b的高分子层30。因此，在本实施方式中，也抑制了波长转换层20从板10的剥离。
波长转换层20包括沿周向配置的绿色波长转换层20A以及红色波长转换层20B。绿色波长转换层20A在来自光源51的蓝色光B入射时出射绿色光G。当来自光源51的蓝色光B入射时，红色波长转换层20B出射红色光R。来自绿色波长转换层20A以及红色波长转换层20B的光被板10反射。
当驱动旋转装置53并使板10旋转时，来自光源51的蓝色光B依次反复入射到未设置波长转换元件1的区域、设置有绿色波长转换层20A的区域、设置有红色波长转换层20B的区域。
入射到未设置波长转换元件1的区域的蓝色光B直接直线前进，通过图10所示的光学元件54a、54b及54c被导光至分色镜52。蓝色光B被分色镜52向光学元件55侧反射。
当蓝色光B入射至设置有绿色波长转换层20A的区域时，绿色光G从绿色波长转换层20A出射。绿色光G透过分色镜52入射到光学元件55。
当蓝色光B入射至设置有红色波长转换层20B的区域时，红色光R从红色波长转换层20B出射。红色光R透过分色镜52入射到光学元件55。
并且，蓝色光B、绿色光G以及红色光R分别通过光学元件55向投影光学***56侧反射，并通过投影光学***56进行投影。
(第六实施方式)
图12是表示第六实施方式的光学设备的构成的示意图。
在本实施方式中，作为具备波长转换元件的光学设备的一个例子，列举图12所示的作为光源装置的光学设备3为例进行说明。另外，光学设备3优选用于例如透射型激光前照灯(车辆用前照灯)等。
光学设备3具备波长转换元件1和光源60。光源60向波长转换元件1的波长转换层20照射波长转换层20的激发光。在本实施方式中，板10使来自光源60的光透过。因此，来自光源60的光入射至波长转换层20。从波长转换层20出射的光(例如荧光)被反射器61反射，并作为平行光出射。
在本实施方式中，由于设置有高分子层30，因此，能够有效地抑制波长转换层20从板10剥离。
(第三变形例)
图13是第三变形例的波长转换元件的示意性剖视图。图14是图13的线XIV-XIV的示意性剖视图。
在第一实施方式中，对高分子层30设置成岛状的例子进行了说明。但是，本发明并不限于该构成。只要高分子层30设置在波长转换层20与板10之间的一部分，则没有特别的限定。具体而言，例如，如图13、图14所示的波长转换元件那样，高分子层30也可以是具有多个贯通孔的板状。
此外，高分子层30的形状没有限定，在第四实施方式中也同样。
Claims (14)
1.一种波长转换元件，其特征在于，其包括：
板；
波长转换层，其具有与所述板相对的对置面，并包括无机波长转换材料，所述无机波长转换材料出射与入射光不同波长的光；以及
高分子层，其配置于所述板与所述波长转换层之间，
所述对置面的一部分与所述板接触，所述对置面的其它部分的至少一部分经由所述高分子层与所述板接合。
2.根据权利要求1所述的波长转换元件，其特征在于，所述高分子层具有比所述波长转换层的弹性模量更低的弹性模量。
3.根据权利要求1或2所述的波长转换元件，其特征在于，所述高分子层具有比所述波长转换层的线热膨胀系数更高的线热膨胀系数。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的波长转换元件，其特征在于，所述波长转换层包含无机粘合剂。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的波长转换元件，其特征在于，设置有多个所述高分子层。
6.根据权利要求5所述的波长转换元件，其特征在于，所述多个高分子层包括配置于一方向上的所述波长转换层的两端部的每个端部以及所述波长转换层与所述板之间的高分子层。
7.根据权利要求5或6所述的波长转换元件，其特征在于，
所述多个高分子层包括以矩阵状配置的多个高分子层。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的波长转换元件，其特征在于，
所述高分子层含有硅酮、聚酰亚胺、聚氨酯、环氧树脂和酚醛树脂中的至少一种。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的波长转换元件，其特征在于，所述高分子层含有无机材料。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的波长转换元件，其特征在于，所述对置面与所述高分子层接触的区域的面积与俯视时的所述对置面的面积之比为20％以上且60％以下。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的波长转换元件，其特征在于，所述板为金属板。
12.一种光学设备，其特征在于，其包括:
权利要求1-11中任一项所述的波长转换元件；以及
光源，其向所述波长转换元件的所述波长转换层照射光。
13.根据权利要求12所述的光学设备，其特征在于，所述高分子层设置于不照射来自所述光源的光的区域。
14.根据权利要求12所述的光学设备，其特征在于，所述高分子层设置在包含来自所述光源的光所照射的区域的区域。
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