JP5585411B2

JP5585411B2 - 波長変換素子及びそれを備える光源

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Publication number: JP5585411B2
Application number: JP2010257924A
Authority: JP
Inventors: 昌昭角見; 義正山口; 隆史西宮
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 2010-11-18
Filing date: 2010-11-18
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2030-11-18
Also published as: JP2012109443A

Description

本発明は、波長変換素子及びそれを備える光源に関する。

近年、発光ダイオード（ＬＥＤ：ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）やレーザーダイオード（ＬＤ：ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）を用いた光源などの、蛍光ランプや白熱灯に変わる次世代の光源に対する注目が高まってきている。そのような次世代光源の一例として、例えば下記の特許文献１には、青色光を出射するＬＥＤの光出射側にＬＥＤからの光の一部を吸収し、黄色の光を出射する波長変換部材が配置された光源が開示されている。この光源は、ＬＥＤから出射された青色光と、波長変換部材から出射された黄色光との合成光である白色光を発する。

特開２０００−２０８８１５号公報

近年、上記のような波長変換部材を用いた光源の輝度をさらに高めたいという要望が高まってきている。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、波長変換部材を用いた光源の高輝度化を図ることにある。

本発明に係る波長変換素子は、蛍光体粉末が分散媒中に分散してなる円柱状の波長変換部材が３本以上束ねられてなる。

波長変換部材が、分散媒中に蛍光体粉末が分散しているものである場合は、例えば、ガラスのみからなる光学部材とは異なり、波長変換部に入射した光が波長変換部材中において大きく散乱する傾向にある。このため、波長変換素子が単一の波長変換部材により構成されている場合は、波長変換部材内の光の一部が波長変換部材の側面から漏れ出るため、光出射面から出射される光の強度が低くなる。

それに対して本発明では、円柱状の波長変換部材が３本以上束ねられている。このため、ある波長変換部材の側面から出射された光の一部は、隣の波長変換部材の表面において反射される。その結果、隣り合う波長変換部材間に形成されている空気層を伝搬したり、再度波長変換部材内に入射し、波長変換部材内を反射しながら伝搬したりすることによって、波長変換部材の一方の端部が設けられた光出射領域から出射する。このため、本発明の波長変換素子では、波長変換素子の側面側からの光の漏れを抑制でき、光出射領域から出射する光の強度を高めることができる。従って、本発明の波長変換素子を用いることによって光源の高輝度化を図ることができる。

波長変換部材の分散媒の屈折率は、１．４５以上であることが好ましい。その場合、波長変換部材と空気層との間の屈折率差を大きくすることができる。このため、界面での反射率を大きくでき、また、反射角度を小さくできるため、波長変換部材の側面からの光の出射を抑制することができる。従って、波長変換素子の側面側からの光の漏れをより効果
的に抑制することができる。

波長変換素子の側面側からの光の漏れをより効果的に抑制する観点からは、波長変換部材が９本以上束ねられていることが好ましい。

分散媒は、蛍光体粉末を分散させることができるものであれば特に限定されない。分散媒として好ましく用いられる分散媒の具体例としては、例えば、樹脂、ガラス、セラミックスなどが挙げられる。その中でも、ガラスやセラミックスなどの無機分散媒がより好ましく用いられる。無機分散媒を用いることにより、波長変換素子の耐熱性を向上することができるためである。また、同様の理由から、蛍光体粉末は、無機蛍光体粉末であることが好ましい。

本発明に係る光源は、上記本発明に係る波長変換素子と、波長変換素子の端面に向けて蛍光体粉末の励起光を出射する発光素子とを備える。

上述の通り、上記本発明に係る波長変換素子では、光出射面から出射する光の強度を高めることができる。従って、本発明に係る光源は、高輝度である。

本発明によれば、波長変換部材を用いた光源の高輝度化を図ることができる。

本発明を実施した一実施形態に係る光源の模式図である。本発明を実施した一実施形態における波長変換素子の略図的斜視図である。第２の実施形態に係る光源の模式図である。

以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は単なる例示である。本発明は、以下の実施形態に何ら限定されない。

図１は、本実施形態に係る光源の模式図である。図１に示すように、光源１は、波長変換素子１１と、発光素子１０とを備えている。波長変換素子１１は、発光素子１０から出射された光Ｌ０が照射された際に、光Ｌ０よりも波長の長い光Ｌ２を出射する。また、光Ｌ０の一部は、波長変換素子１１を透過する。このため、波長変換素子１１からは、透過光Ｌ１と光Ｌ２との合成光である光Ｌ３が出射する。このため、光源１から出射する光Ｌ３は、発光素子１０から出射する光Ｌ０の波長及び強度と、波長変換素子１１から出射する光Ｌ２の波長及び強度とによって決まる。例えば、光Ｌ０が青色光であり、光Ｌ２が黄色光である場合は、白色の光Ｌ３を得ることができる。

発光素子１０は、波長変換素子１１に対して後述する蛍光体粉末の励起光を出射する素子である。発光素子１０の種類は特に限定されない。発光素子１０は、例えば、ＬＥＤ、ＬＤ、エレクトロルミネッセンス発光素子、プラズマ発光素子により構成することができる。光源１の輝度を高める観点からは、発光素子１０は、高強度の光を出射するものであることが好ましい。この観点からは、発光素子１０は、ＬＥＤやＬＤにより構成されていることが好ましい。

なお、波長変換部材の光入射領域１１ａ及び光出射領域１１ｂのうちの少なくとも一方の上に波長選択フィルタ層や反射抑制層を形成してもよい。

例えば、波長選択フィルタ層を、波長変換素子１１の光入射領域１１ａの上に形成する
ことで、発光素子１０から出射される光Ｌ０のうち、特定の波長域の光のみを波長変換素子１１へ透過させ、それ以外の波長域の光の透過を抑制すると共に、波長変換素子１１で変換された光Ｌ２が光入射領域１１ａから出射することを抑制することができる。波長選択フィルタ層は、例えば、誘電体多層膜により形成することができる。

また、例えば、反射抑制層を、波長変換素子１１の光出射領域１１ｂの上に形成することで、波長変換素子１１から出射する光が光出射領域１１ｂで反射することを抑制して、波長変換素子１１から出射する光の出射率を高めることができる。反射抑制層は、例えば、誘電体多層膜により形成することができる。

図２は、波長変換素子１１の略図的斜視図である。図２に示すように、波長変換素子１１は、ｘ方向に沿って延びるように配置された３本以上の波長変換部材１２を備えている。波長変換素子１１は、９本以上の波長変換部材１２を備えていることが好ましく、２５本以上の波長変換部材１２を備えていることがより好ましい。３本以上の波長変換部材１２は、隣り合う波長変換部材１２同士が接触するように束ねられて固定されている。本実施形態では、波長変換部材１２は円柱状に形成されている。このため、隣り合う波長変換部材１２の間には、ｘ方向において波長変換素子１１の光入射領域１１ａから光出射領域１１ｂにまで至る空気層１３が形成されている。光入射領域１１ａ及び光出射領域１１ｂのそれぞれは、この空気層１３と波長変換部材１２の端面とにより構成されている。

なお、複数の波長変換部材１２は、例えば枠体などの固定部材を用いて固定してもよいし、接着剤等を用いて固定してもよい。

波長変換部材１２は、分散媒と、分散媒中に分散している蛍光体粉末とを有する。

蛍光体粉末は、発光素子１０からの光Ｌ０を吸収し、光Ｌ０よりも波長が長い光Ｌ２を出射するものである。蛍光体粉末は、無機蛍光体粉末であることが好ましい。無機蛍光体粉末を用いることにより、波長変換部材１２の耐熱性を向上することができる。

波長３００〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると青色の発光を発する無機蛍光体の具体例としては、Ｓｒ_５（ＰＯ_４）_３Ｃｌ：Ｅｕ^２＋、（Ｓｒ，Ｂａ）ＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ^２＋などが挙げられる。

波長３００〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると緑色の蛍光（波長が５００ｎｍ〜５４０ｎｍの蛍光）を発する無機蛍光体の具体例としては、ＳｒＡｌ_２Ｏ_４：Ｅｕ^２＋、ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ^２＋などが挙げられる。

波長４４０〜４８０ｎｍの青色の励起光を照射すると緑色の蛍光（波長が５００ｎｍ〜５４０ｎｍの蛍光）を発する無機蛍光体の具体例としては、ＳｒＡｌ_２Ｏ_４：Ｅｕ^２＋、ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ^２＋などが挙げられる。

波長３００〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると黄色の蛍光（波長が５４０ｎｍ〜５９５ｎｍの蛍光）を発する無蛍光体の具体例としては、ＺｎＳ：Ｅｕ^２＋などが挙げられる。

波長４４０〜４８０ｎｍの青色の励起光を照射すると黄色の蛍光（波長が５４０ｎｍ〜５９５ｎｍの蛍光）を発する無機蛍光体の具体例としては、Ｙ_３（Ａｌ，Ｇｄ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ^２＋などが挙げられる。

波長３００〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると赤色の蛍光（波長が６０
０ｎｍ〜７００ｎｍの蛍光）を発する無機蛍光体の具体例としては、Ｇｄ_３Ｇａ_４Ｏ_１２：Ｃｒ^３＋、ＣａＧａ_２Ｓ_４：Ｍｎ^２＋などが挙げられる。

波長４４０〜４８０ｎｍの青色の励起光を照射すると赤色の蛍光（波長が６００ｎｍ〜７００ｎｍの蛍光）を発する無機蛍光体の具体例としては、Ｍｇ_２ＴｉＯ_４：Ｍｎ^４＋、Ｋ_２ＳｉＦ_６：Ｍｎ^４＋などが挙げられる。

蛍光体粉末の平均粒子径（Ｄ_５０）は、特に限定されない。蛍光体粉末の平均粒子径（Ｄ_５０）は、例えば、１μｍ〜５０μｍ程度であることが好ましく、５μｍ〜２５μｍ程度であることがより好ましい。蛍光体粉末の平均粒子径（Ｄ_５０）が大きすぎると、発光色が不均一になる場合がある。一方、蛍光体粉末の平均粒子径（Ｄ_５０）が小さすぎると、発光強度が低下する場合がある。

波長変換部材１２における蛍光体粉末の含有量は、特に限定されない。波長変換部材１２における蛍光体粉末の含有量は、発光素子１０から出射される光の強度、蛍光体粉末の発光特性、得ようとする光の色度などに応じて適宜設定することができる。波長変換部材１２における蛍光体粉末の含有量は、一般的には、例えば、０．０１質量％〜３０重量％程度とすることができ、０．０５質量％〜２０質量％であることが好ましく、０．０８質量％〜１５質量％であることがさらに好ましい。波長変換部材１２における蛍光体粉末の含有量が多すぎると、波長変換部材１２における気孔率が高くなり、光源１の発光強度が低下してしまう場合がある。一方、波長変換部材１２における蛍光体粉末の含有量が少なすぎると、十分に強い蛍光が得られなくなる場合がある。

分散媒は、例えば、耐熱樹脂やガラスやセラミックスであることが好ましい。なかでも、耐熱性が特に高く、発光素子１０からの光Ｌ０により劣化し難いガラスやセラミックスなどの無機分散媒がより好ましく用いられる。

耐熱樹脂の具体例としては、例えばポリイミドなどが挙げられる。ガラスの具体例としては、例えば、珪酸塩系ガラス、硼珪酸塩系ガラス、リン酸塩系ガラス、硼リン酸塩系ガラスなどが挙げられる。セラミックスの具体例としては、例えば、ジルコニア、アルミナ、チタン酸バリウム、窒化ケイ素、窒化チタン等の金属窒化物などが挙げられる。

以上説明したように、本実施形態では、円柱状の波長変換部材１２が３本以上束ねられている。このため、波長変換部材１２の間に光入射領域１１ａから光出射領域１１ｂにまで至る空気層１３が形成されている。よって、ある波長変換部材１２の側面から出射された光の一部は、隣の波長変換部材１２の表面において反射される。その結果、空気層１３を伝搬したり、再度波長変換部材１２内に入射し、波長変換部材１２内を伝搬したりすることによって、波長変換部材１２の光出射領域１１ｂから出射する。このため、波長変換素子１１の側面側からの光の漏れを抑制でき、光出射領域１１ｂから出射される光の強度を高めることができる。従って、高輝度な光源１を実現することができる。

また、波長変換素子１１の側面側からの光の漏れをより効果的に抑制する観点からは、束ねられている波長変換部材１２の本数を多くして、波長変換素子１１中に形成される空気層１３の数を多くすることが好ましい。従って、束ねられている波長変換部材１２の本数は、９本以上であることが好ましく、２５本以上であることがより好ましい。

また、波長変換素子１１の側面側からの光の漏れをより効果的に抑制する観点から、波長変換部材１２の分散媒の屈折率（≒波長変換部材１２の屈折率）が１．４５以上であることが好ましく、１．５５以上であることがより好ましい。

以下、本発明で実施した好ましい形態の他の例について説明する。以下の説明において、上記第１の実施形態と実質的に共通の機能を有する部材を共通の符号で参照し、説明を省略する。

（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態に係る光源の模式図である。

図３に示すように、本実施形態の光源２には、ビームスプリッタ１８が設けられている。発光素子１０からの光Ｌ０は、ビームスプリッタ１８により波長変換素子１１側に導かれる。波長変換素子１１の光入射領域には反射抑制層１１ｃが形成されており、反対側の面の上には、反射層１１ｄが形成されている。反射層１１ｄは、例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒなどの金属やこれらの金属の少なくとも一つを含む合金または白色塗料により形成することができる。

反射層１１ｄの上には樹脂や半田からなる接着層（図示せず）が形成されている。その接着層を介してガラス、セラミックス、金属等からなる基板１９と、波長変換素子１１とが固定されている。この反射層１１ｄにより、光Ｌ０の一部及び波長変換部材の発光は、ビームスプリッタ１８側に反射される。このため、光Ｌ３は、ビームスプリッタ１８に向けて発せられ、ビームスプリッタ１８を透過して出射される。

なお、図３に示すように、接着層を介して基板１９と波長変換素子１１を固定した光源２とする場合、図２に示すように複数の波長変換部材１２を配列して形成した波長変換素子１１を用いることによって、発光素子１０から出射される光Ｌ０を光Ｌ３に変換する際に発生する熱による基板１９と波長変換素子１１との剥離を効果的に抑えることができる。

１，２…光源
１０…発光素子
１１…波長変換素子
１１ａ…光入射領域
１１ｂ…光出射領域
１１ｃ…反射抑制層
１１ｄ…反射層
１２…波長変換部材
１３…空気層
１８…ビームスプリッタ
１９…基板

Claims

蛍光体粉末が分散媒中に分散してなる円柱状の波長変換部材が３本以上束ねられており、前記分散媒がガラスまたはセラミックスであり、前記蛍光体粉末が無機蛍光体粉末である、波長変換素子。
前記波長変換部材が９本以上束ねられている、請求項１に記載の波長変換素子。
前記分散媒の屈折率が１．４５以上である、請求項１または２に記載の波長変換素子。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の波長変換素子と、
前記波長変換素子の端面に向けて前記蛍光体粉末の励起光を出射する発光素子と、
を備える光源。