JP2013187043A

JP2013187043A - 光源装置および照明装置

Info

Publication number: JP2013187043A
Application number: JP2012051250A
Authority: JP
Inventors: Soji Owada; 聡二大和田
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2013-09-19

Abstract

【課題】紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を励起光として発光する固体光源と、第一の面とその反対側の第二の面とを有し、前記励起光を第一の面に受けることによって励起されて前記励起光よりも長波長の蛍光を発する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層と、該蛍光体層の第二の面側に設けられる基板とを有する光源装置において、蛍光体層に固体光源からの励起光を照射する場合にも、蛍光体層に割れが生じるのを防止する。
【解決手段】蛍光体層２の励起光照射部の温度上昇を効果的に抑えるため、蛍光体層２の第一の面Ｓ１に透明層１１を設けている。ここで、透明層１１は、固体光源５からの励起光、および、蛍光体層２からの蛍光に対して透明な材料で形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、光源装置および照明装置に関する。

図１（ａ），（ｂ）は、特許文献１の光源装置１００を示す図である。なお、図１（ａ）は全体の正面図、図１（ｂ）は蛍光体層が設けられている部分の平面図である。図１（ａ），（ｂ）を参照すると、この光源装置１００は、紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を励起光として発光する固体光源５と、第一の面Ｓ１とその反対側の第二の面Ｓ２とを有し、前記励起光を第一の面に受けることによって励起されて前記励起光よりも長波長の蛍光を発する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層２とを備え、固体光源５と蛍光体層２とが空間的に離れて配置されている。また、蛍光体層２の前記第二の面側には放熱基板６が設けられており、蛍光体層２は、放熱基板６に接合部７によって接合されている。

また、この光源装置１００では、蛍光体層２の面のうち第二の面側に設けられた反射面（例えば基板６の反射面）による反射を用いて蛍光などの光を出射光として取り出す方式（以下、反射方式と称す）が採用されている。

この光源装置１００では、蛍光体層２を固体光源５から離して配置することで、高輝度化をする場合にも、蛍光体層２からの熱を、接合部７を介して低温の放熱基板６へ放散させることが可能となり、蛍光体層２からの熱放散の効率を著しく高めることができる。

また、この光源装置１００では、反射方式を採用しているので、蛍光体層２からの蛍光の全てと、蛍光体層２で吸収されずに反射された固体光源５からの励起光の全てとを照明光として利用できる。これにより、光の利用効率を著しく高めることができ、高輝度化が可能となる。

特開２０１１−１２９３５４号公報

しかしながら、上述した従来の光源装置１００では、蛍光体層２に固体光源５からの励起光を照射することによって、蛍光体層２に割れが生じるという問題があった。

本発明は、紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を励起光として発光する固体光源と、第一の面とその反対側の第二の面とを有し、前記励起光を第一の面に受けることによって励起されて前記励起光よりも長波長の蛍光を発する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層と、該蛍光体層の第二の面側に設けられる基板とを有する光源装置において、蛍光体層に固体光源からの励起光を照射する場合にも、蛍光体層に割れが生じるのを防止することの可能な光源装置および照明装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を励起光として発光する固体光源と、第一の面とその反対側の第二の面とを有し、前記励起光を第一の面に受けることによって励起されて前記励起光よりも長波長の蛍光を発する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層と、該蛍光体層の第一の面に設けられる透明層と、前記蛍光体層の第二の面側に設けられる基板と、を備えていることを特徴としている。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の光源装置において、前記蛍光体層は蛍光体セラミックスであって、前記透明層には、前記蛍光体層の母体の組成と等しい透明セラミックスが用いられることを特徴としている。

また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の光源装置が用いられていることを特徴とする照明装置である。

請求項１乃至請求項３記載の発明によれば、紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を励起光として発光する固体光源と、第一の面とその反対側の第二の面とを有し、前記励起光を第一の面に受けることによって励起されて前記励起光よりも長波長の蛍光を発する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層と、該蛍光体層の第一の面に設けられる透明層と、前記蛍光体層の第二の面側に設けられる基板と、を備えており、蛍光体層の第一の面に透明層が設けられていることによって、蛍光体層に固体光源からの励起光を照射する場合にも、蛍光体層に割れが生じるのを防止することができる。

特許文献１の光源装置を示す図である。従来の光源装置における蛍光体層の割れの原因を説明するための図である。本発明の光源装置の一構成例を示す図である。図３の光源装置において、透明層による励起光照射部の温度上昇を効果的に抑える原理を説明するための図である。図３の光源装置において、蛍光体層と透明層との間に生じる熱応力を示す図である。本発明の光源装置の変形例を示す図である。本発明の光源装置の変形例を示す図である。本発明の照明装置の一構成例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

本願の発明者は、前述した従来の光源装置１００における蛍光体層２の割れの観察結果から、蛍光体層２の励起光照射部が割れの起点となっていることを突き止めた。すなわち、本願の発明者は、前述した従来の光源装置１００では、蛍光体層２への固体光源５からの励起光の照射によって、蛍光体層２の励起光照射部に局所的に熱が発生し、この熱が蛍光体層２の割れの原因になることを見出した。

図２は従来の光源装置１００における蛍光体層２の割れの原因を説明するための図である。図２を参照すると、従来の光源装置１００では、蛍光体層２の励起光照射部９に局所的に熱が発生すると、この熱は、矢印Ｈ１、Ｈ２に示すように、蛍光体層２の励起光照射部９から蛍光体層２の側面に向かって逃げるか、矢印Ｈ３に示すように、蛍光体層２の励起光照射部９から放熱基板６に向かって逃げる。従来の光源装置１００では、蛍光体層２の第一の面Ｓ１は空気層に接しており、蛍光体層２の励起光照射部９から空気層に向かって逃げる熱は、上記矢印Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３のように逃げる熱に比べれば僅かであり、蛍光体層２の励起光照射部９の温度上昇を効果的に抑えることができない。このため、蛍光体層２とその周辺との間で温度差に伴う熱膨張差が生じ、蛍光体層２内に応力が生じて、蛍光体層２が割れると推測される。

上記の考察から、本願の発明者は、蛍光体層２の割れを防ぐためには、従来の光源装置１００の構成において、蛍光体層２の励起光照射部９の温度上昇を効果的に抑える必要があることを見出し、本発明を完成させた。

図３（ａ），（ｂ）は、本発明の光源装置の一構成例を示す図である。なお、図３（ａ）は全体の正面図、図３（ｂ）は蛍光体層が設けられている部分の平面図であり、図３（ａ），（ｂ）において、図１（ａ），（ｂ）と同様の箇所には同じ符号を付している。図３（ａ），（ｂ）を参照すると、この光源装置２０は、紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を励起光として発光する固体光源５と、第一の面Ｓ１とその反対側の第二の面Ｓ２とを有し、前記励起光を第一の面Ｓ１に受けることによって励起されて前記励起光よりも長波長の蛍光を発する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層２と、蛍光体層の第二の面側に設けられる基板（例えば放熱基板）６と、を備え、固体光源５と蛍光体層２とが空間的に離れて配置されている。

ここで、固体光源５には、紫外光から可視光領域に発光波長をもつ発光ダイオードや半導体レーザーなどが使用可能である。

より具体的に、固体光源５には、例えば、ＩｎＧａＮ系の材料を用いた発光波長が約３８０ｎｍの近紫外光を発光する発光ダイオードや半導体レーザーなどを用いることができる。この場合、蛍光体層２の蛍光体としては、波長が約３８０ｎｍないし約４０５ｎｍの紫外光により励起されるものとして、例えば、赤色蛍光体には、ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ^２＋、Ｃａ_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ^２＋、Ｌａ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ^３＋、ＫＳｉＦ_６：Ｍｎ^４＋、ＫＴｉＦ_６：Ｍｎ^４＋等を用いることができ、緑色蛍光体には、（Ｓｉ，Ａｌ）_６（Ｏ，Ｎ）：Ｅｕ^２＋、ＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ^２＋，Ｍｎ^２＋、（Ｂａ，Ｓｒ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋等を用いることができ、青色蛍光体には、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）_１０（ＰＯ_４）_６Ｃ_ｌ２：Ｅｕ^２＋、ＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ^２＋、ＬａＡｌ（Ｓｉ，Ａｌ）_６（Ｎ，Ｏ）_１０：Ｃｅ^３＋等を用いることができる。

また、固体光源５には、例えば、ＧａＮ系の材料を用いた発光波長が約４６０ｎｍの青色光を発光する発光ダイオードや半導体レーザーなどを用いることができる。この場合、蛍光体層２の蛍光体としては、波長が約４４０ｎｍないし約４７０ｎｍの青色光により励起されるものとして、例えば、赤色蛍光体には、ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ^２＋、Ｃａ_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ^２＋、ＫＳｉＦ_６：Ｍｎ^４＋、ＫＴｉＦ_６：Ｍｎ^４＋等を用いることができ、緑色蛍光体には、Ｙ_３（Ｇａ，Ａｌ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋、Ｃａ_３Ｓｃ_２Ｓｉ_３Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋、ＣａＳｃ_２Ｏ_４：Ｅｕ^２＋、（Ｂａ，Ｓｒ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋、Ｂａ_３Ｓｉ_６Ｏ_１２Ｎ_２：Ｅｕ^２＋、（Ｓｉ，Ａｌ）_６（Ｏ，Ｎ）：Ｅｕ^２＋等を用いることができる。また、波長が約４４０ｎｍないし約４７０ｎｍの青色光により励起されるものとして、例えば、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋（ＹＡＧ）、（Ｓｒ，Ｂａ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋、Ｃａ_ｘ（Ｓｉ，Ａｌ）_１２（Ｏ，Ｎ）_１６：Ｅｕ^２＋等の黄色蛍光体を用いることができる。

蛍光体層２としては、これらの蛍光体粉末を樹脂（例えばシリコーン樹脂）やガラス中に分散させたものや、ガラス母体に発光中心イオンを添加したガラス蛍光体、樹脂などの結合部材を含まない蛍光体セラミックス等を用いることができる。蛍光体粉末をガラス中に分散させたものの具体例としては、上に列挙した組成の蛍光体粉末をＰ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３などの成分を含むガラス中に分散したものが挙げられる。ガラス母体に発光中心イオンを添加したガラス蛍光体としては、Ｃｅ^３＋やＥｕ^２＋を賦活剤として添加したＣａ−Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ系やＹ−Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ系などの酸窒化物系ガラス蛍光体が挙げられる。蛍光体セラミックスとしては、上に列挙した組成の蛍光体組成からなり、樹脂成分を実質的に含まない焼結体が挙げられる。これらの中でも透光性を有する蛍光体セラミックスを使用することが望ましい。これは、焼結体中に光の散乱の原因となるポアや粒界の不純物がほとんど存在しないために透光性を有するに至った蛍光体セラミックスである。ポアや不純物は熱拡散を妨げる原因にもなるため、透光性セラミックスは高い熱伝導率を示す。このため蛍光体層として利用した場合には励起光や蛍光を拡散により失うことなく蛍光体層から取り出して利用でき、さらに蛍光体層で発生した熱を効率良く放散することができる。透光性を示さない焼結体でも出来るだけポアや不純物の少ないものが望ましい。ポアの残存量を評価する指標としては蛍光体セラミックスの比重の値を用いることができ、その値が計算される理論値に対して９５％以上のものが望ましい。

なお、蛍光体セラミックスは、空気に対して屈折率が高く、さらに、内部にポアなどの散乱の原因となるものが少なく、光がセラミックス内部を導波するため、板状に成形した場合には側面から出射される発光成分が増加し、正面方向へ出射される発光成分が減少してしまう。この問題を解決するために、セラミックスの表面にエッチングにより凹凸の光取出し構造を設けたり、レンズを実装したり、側面に反射層を設けることで、正面方向へ出射される発光成分を増加させることも可能である。

また、基板６は、光（固体光源５からの励起光によって励起された蛍光体層２からの発光（蛍光）と、蛍光体層２で吸収されなかった固体光源５からの励起光）に対する反射面の役割と、蛍光体層２から放散してきた熱を外部へ放散させる役割と、蛍光体層２の支持基板の役割も担うものである。このため、高い光反射特性、伝熱特性、加工性が求められる。この基板６には、金属基板やアルミナなどの酸化物セラミックス、窒化アルミニウムなどの非酸化セラミックスなどが使用可能であるが、特に高い光反射特性、伝熱特性、加工性を併せ持つ金属基板が使用されるのが望ましい。金属としては、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｐｄなどの単体や、それらを含む合金が使用可能である。また、基板６の表面に増反射や腐食防止を目的としたコーティングを施しても良い。また、基板６には、放熱性を高めるために、フィンなどの構造を設けても良い。

また、蛍光体層２と基板６との接合部７には、有機接着剤、無機接着剤、低融点ガラス、金属（金属のろう付け）などを用いることができる。接合部７も、光（固体光源５からの励起光によって励起された蛍光体層２からの発光（蛍光）と、蛍光体層２で吸収されなかった固体光源５からの光）に対する反射面の役割と、蛍光体層から熱を放散させる役割とを担うものであるから、高い光反射特性と伝熱特性を併せ持つ金属（金属のろう付け）が用いられるのが望ましい。

すなわち、図３（ａ），（ｂ）の光源装置２０でも、図１（ａ），（ｂ）の光源装置１００と同様に、反射方式が採用されている。

このように、図３（ａ），（ｂ）の光源装置２０では、反射方式を採用しているので、蛍光体層２からの蛍光の全てと、蛍光体層２で吸収されずに反射された固体光源５からの励起光の全てとを照明光として利用できる。これにより、光の利用効率を著しく高めることができ、高輝度化が可能となる。なお、固体光源５からの励起光が例えば青色光であり、蛍光体層２からの蛍光が例えば黄色光である場合には、光源装置２０から、黄色光と青色光との混色光である白色光を出射光として出射させることができる。

ところで、図３（ａ），（ｂ）の光源装置２０では、従来の光源装置１００の構成において、蛍光体層２の励起光照射部９の温度上昇を効果的に抑えるため、蛍光体層２の第一の面Ｓ１に透明層１１を設けている。なお、透明層１１は、固体光源５からの励起光、および、蛍光体層２からの蛍光に対して透明な材料で形成されている。

図４は、図３（ａ），（ｂ）の光源装置２０において、透明層１１による励起光照射部９の温度上昇を効果的に抑える原理を説明するための図である。なお、図４において、図２と同様な箇所には同じ符号を付している。図４を参照すると、図３（ａ），（ｂ）の光源装置２０では、蛍光体層２の励起光照射部９に局所的に熱が発生すると、この熱は、矢印Ｈ１、Ｈ２に示すように、蛍光体層２の励起光照射部９から蛍光体層２の側面に向かって逃げ、また、矢印Ｈ３に示すように、蛍光体層２の励起光照射部９から基板（例えば放熱基板）６に向かって逃げるとともに、矢印Ｈ４に示すように、蛍光体層２の励起光照射部９から透明層（空気に比べて熱伝導性の高い透明層）１１に向かっても逃げる。このように図３（ａ），（ｂ）の光源装置２０では、蛍光体層２の励起光照射部９に局所的に発生した熱が空気に比べて熱伝導性の高い透明層１１に向かっても逃げることによって、励起光照射部９の温度上昇を効果的に抑えることができる。

一方、図３（ａ），（ｂ）の光源装置２０では、蛍光体層２の第一の面Ｓ１に透明層１１を設けたことによって、図５に示すように、蛍光体層２と透明層１１との間には、蛍光体層２と透明層１１との熱膨張率差による熱応力Ｒが生じる。この場合、後述のように、透明層１１として、蛍光体層２との熱膨張率差が十分に小さい材料を用いれば、蛍光体層２に作用する熱応力Ｒを十分に小さくすることができ、透明層１１による応力の緩和を図ることができる。

より詳細に、透明層１１は、励起光照射部９の温度上昇を効果的に抑える役割と、蛍光体層２の熱膨張に伴なって蛍光体層２に作用する熱応力を緩和する役割と、光取り出しの役割を担うものである。このため、熱伝導性、応力吸収性、透明性が求められる。そのため、透明層１１には、透明セラミックスや透明樹脂が使用可能であるが、熱伝導性の優れる透明セラミックスが、励起光照射部９の温度上昇を効果的に抑えることができる点で望ましい。この場合、透明層１１に任意の組成の透明セラミックスを用いても励起光照射部９の温度上昇を効果的に抑えることは可能であるが、透明層１１と蛍光体層２の母体との組成が異なる場合には、透明層１１と蛍光体層２との熱膨張率が異なるため、図５に示したような透明層１１と蛍光体層２との間に生じる熱膨張率差による熱応力Ｒは十分に小さなものとはならない。すなわち、透明層１１と蛍光体層２との間には、所定の大きさの熱応力が生じてしまう。さらに、透明層１１と蛍光体層２の母体との組成が異なる場合には、屈折率が異なるため、光取り出しが損なわれる恐れがある。そのため、透明層１１と蛍光体層２の母体との組成は、同じものであるのが望ましい。具体的に、蛍光体層２が例えばＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋である場合には、透明層１１にはこの蛍光体層２の母体であるＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２が用いられるのが望ましい。このように、透明層１１と蛍光体層２の母体との組成が同じであれば、屈折率が等しいため光取り出しを損なわず、さらに熱膨張率が等しいため熱応力Ｒを十分に小さなものにできて蛍光体層２の割れ防止に有利である。

換言すれば、蛍光体層２は蛍光体セラミックスであって、透明層１１には、蛍光体層２の母体の組成と等しい透明セラミックスが用いられるのが、最も望ましい。

透明層１１と蛍光体層２との接合方法としては、蛍光体セラミックスからなる蛍光体層２と透明セラミックスからなる透明層１１とを一体焼結するか、もしくは、透明樹脂を介して蛍光体セラミックス２と透明セラミックス１１とを接合することができる。

なお、図３（ａ），（ｂ）の例では、透明層１１は、蛍光体層２の第一の面Ｓ１全体にわたって設けられているが、図６に示すように、例えば矩形形状の透明層１１を蛍光体層２の第一の面Ｓ１の励起光照射部９の直上に接するように配置することもできる。なお、図６では透明層１１は矩形形状のものとなっているが、熱の広がりの方向が球対称であることを考慮して、透明層１１の形状を図７に示すように半球状または半楕円球状のものにしても良い。

また、上記光源装置２０は、所定のレンズ系、あるいは、ミラー、リフレクタなどと組み合わせることで照明装置として構成することができる。図８は上記光源装置２０とレンズ系とを組み合わせた照明装置を示す図である。図８の照明装置は、筐体５１内に、上記光源装置２０と、上記光源装置２０からの光を前方に所定の配光特性を持って照射するレンズ系５２とが格納されている。この照明装置では、光源装置２０が用いられることにより、高輝度化が可能であり、かつ、信頼性の高い長寿命な照明装置を提供できる。

本発明は、車両用照明、プロジェクター、一般照明などに利用可能である。

２蛍光体層
５固体光源
６放熱基板
７接合部
９励起光照射部
１１透明層
２０光源装置
５１筐体
５２レンズ系

Claims

紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を励起光として発光する固体光源と、第一の面とその反対側の第二の面とを有し、前記励起光を第一の面に受けることによって励起されて前記励起光よりも長波長の蛍光を発する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層と、該蛍光体層の第一の面に設けられる透明層と、前記蛍光体層の第二の面側に設けられる基板と、を備えていることを特徴とする光源装置。
請求項１記載の光源装置において、前記蛍光体層は蛍光体セラミックスであって、前記透明層には、前記蛍光体層の母体の組成と等しい透明セラミックスが用いられることを特徴とする光源装置。
請求項１または請求項２に記載の光源装置が用いられていることを特徴とする照明装置。