JP6075712B2

JP6075712B2 - 発光デバイス

Info

Publication number: JP6075712B2
Application number: JP2013061353A
Authority: JP
Inventors: 研吾森安; 井上　正樹; 正樹井上; 蕪木　清幸; 清幸蕪木
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2013-03-25
Filing date: 2013-03-25
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2033-03-25
Also published as: JP2014186882A

Description

本発明は、発光デバイスに関し、特に、励起光により蛍光を放射する発光デバイスに係わるものである。

従来から、プロジェクター等の用途に、レーザ光を励起光として蛍光体に照射することによって、緑色の蛍光を放射する発光デバイスが知られている。
このような発光デバイスの一例として、特開２０１２−１９９０７５号公報（特許文献１）が知られていて、その概要が図６に示されている。
図において、ガラス粉末と蛍光体粉末を焼結させた蛍光体層２１を反射体２２の上に貼り付け、さらに発光効率向上のため、所定の入射角範囲内の励起光を透過し、範囲外の励起光を反射するとともに、蛍光を透過させる波長選択反射層２３を設けたものである。

ところで、上記従来技術における蛍光体層２１はガラス粉末と蛍光体粉末を焼結させた焼結体であるために、熱伝導が悪くて十分な冷却効果が得られず、蛍光体層２１が高温化して温度消光が発生しやすい、といった問題があった。
また、蛍光体層２１が焼結体であるために、その表面には凹凸があって誘電体多層膜からなる波長選択反射層２３を形成することが困難であった。
また、この蛍光体層２１で発生した蛍光が全反射によって蛍光体層内に閉じ込められ、この閉じ込められた蛍光は外部に放射されることがなく、そのため発光効率が低下する、といった問題があった。

特開２０１２−１９９０７５号公報

この発明が解決しようとする課題は、励起光が入射し、蛍光を放射する蛍光体を有し、高熱伝導材料からなるヒートシンクを介して当該蛍光体の熱を排熱する発光デバイスにおいて、蛍光体の熱伝導性を高めて、ヒートシンクによる冷却を効果的なものとして温度消光が発生することを防止し、更には、発生した蛍光が蛍光体内に閉じ込められることなく、効率的に外部に放射できて発光効率の高い発光デバイスを提供することである。

上記課題を解決するために、この発明に係る発光デバイスは、蛍光体が、バルク状の結晶から成り、当該蛍光体の内部には蛍光を散乱する散乱体が分散されていることを特徴とする。
また、前記蛍光体の励起光入射面と蛍光出射面とが同一面であることを特徴とする。
また、前記蛍光体の励起光入射面と蛍光出射面とが反対側面であることを特徴とする。
また、前記蛍光体の励起光入射面には、前記励起光の反射を防止する反射防止層が設けられていることを特徴とする。
また、前記蛍光体と、前記ヒートシンクとの間には、蛍光を反射する反射層が設けられていることを特徴とする。

また、前記蛍光体は、前記励起光入射面に近い側に分散された散乱体の数密度が、奥側に分散された散乱体の数密度に比べて低いことを特徴とする。
また、前記蛍光体は、密接配置された複数の板状蛍光体からなり、前記励起光入射側の板状蛍光体に分散された散乱体の数密度が、奥側の板状蛍光体に分散された散乱体の数密度に比べて低いことを特徴とする。
また、前記蛍光体は、密接配置された複数の板状蛍光体からなり、前記励起光入射側および前記蛍光出射側の板状蛍光体に分散された散乱体の数密度が、これらに挟まれた板状蛍光体に分散された散乱体の数密度に比べて低いことを特徴とする。

この発明の発光デバイスによれば、蛍光体が、バルク状の結晶から成るので、粉末の蛍光体層や、樹脂やガラス中に分散させた従来の蛍光体層に比べて熱伝導率が高くなり、蛍光体に当接したヒートシンクへの熱伝導が良好となって、排熱効率が高められ、蛍光体の温度消光という不具合が回避される。
また、蛍光体内に粒子状の散乱体を分散混入することで、蛍光の進行方向をランダムに変化させ、蛍光が蛍光体の界面で全反射して内部に閉じ込められる光を低減させることが可能となって、光取り出し効率を高めることができる。
また、蛍光体の励起光入射面に励起光の反射防止層を設けることで、励起光が効率的に蛍光体に入射するようになり、励起光の利用効率を高めることができる。更に、この蛍光体がバルク状の結晶構造であるので、その表面に凹凸が形成されることもなく、反射防止層の接合性が良好なものとなる。
また、蛍光体のヒートシンクに接する面に反射層を設けることで、光取り出し効率を高めることができる。

また、蛍光体は、励起光入射面に近い側に分散された散乱体の数密度が、奥側に分散された散乱体の数密度に比べて低いことにより、励起光が散乱体により散乱されることがなく、蛍光体の奥部まで進行できて、有効な蛍光変換ができる。
また、蛍光体は、密接配置された複数の板状蛍光体からなり、それぞれ分散された散乱体の数密度を異ならせた板状蛍光体を用意することで、励起光入射方向で散乱体の数密度を異ならせる構造が容易に得られる。

本発明の第１実施例を示す断面図。本発明の第２実施例を示す断面図。本発明の第３実施例を示す断面図。本発明の第４実施例を示す断面図。本発明の第５実施例を示す断面図。従来技術の断面図。

図１に本発明の第１実施例が示されており、蛍光体１は、蛍光材の多結晶または単結晶で形成されている。この蛍光体１は、例えば、Ｌｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２結晶（以下ＬｕＡＧ結晶という）に発光元素として希土類を添加した材料を用いることができる。発光元素は、例えばＣｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｔｂなどがある。添加する発光元素によって、蛍光の波長を変えることも可能である。
一般的に、蛍光体は温度が上がると、温度消光を起こし、発光効率が低下するが、本発明における蛍光体は、バルク状の結晶から成るので粒子間の空間がほとんどなく熱伝導が優れており、従来のガラス粉末と蛍光体粉末を混合して焼結させたものと比較して、熱伝導率が大幅に向上し、排熱効率を大幅に高めて温度消光を抑制することができる。

この蛍光体１には散乱体２が分散されて混入されている。
この散乱体２としては、蛍光体の焼結時に析出させたプレート状結晶の主成分と屈折率が異なる相や、焼結時に添加した不純物などを用いることができる。
例えば、蛍光体の母体材料（Ｌｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２やＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２など）を焼結して結晶化する際に、原材料の配合比率を調整することで、母体材料とは屈折率の異なる結晶相（例えばＬｕ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３を多く含む結晶相）を粒界に析出させ、散乱体として蛍光体の内部に設けることができる。
また、結晶中に微粒子（例えばＬｕ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３などの粒子）を添加することで、散乱体とすることもできる。

この実施例では、励起光入射面と蛍光出射面とが同一面であって、つまり、蛍光体１の上面１ａから励起光Ｘが入射し、蛍光体１内で発生した蛍光Ｙも同じ上面１ａから出射される。
そして、この蛍光体１の下面１ｂには、金属などの高熱伝導材料からなるヒートシンク３を当接している。
また、蛍光体１の励起光入射面１ａには、励起光の反射を防止する反射防止層４が設けられており、この反射防止層４には、例えばＭｇＯ膜などからなるＡＲコートが用いられる。これにより、励起光の表面反射によるロスを低減できる。
前記したように、蛍光体１はプレート状の結晶体であるために、その表面に凹凸が形成されることがなく、前記反射防止層４が強固に接合される。なお、反射防止層４が形成される蛍光体１の表面は、予め研磨加工を施しておくことがより好ましい。

また、蛍光体１の励起光入射面（蛍光出射面でもある）１ａとは励起光入射方向の反対側の面１ｂには、蛍光Ｙを反射する反射層５が設けられている。この反射層５には、例えば銀の蒸着膜が用いられる。これにより、蛍光体１から反射層５に至った蛍光はこの反射層５により再び蛍光体１内に戻されて有効活用される。なお、銀の蒸着膜を用いた場合、励起光Ｘも反射されるので、その有効利用が図られる。
こうして反射層５が設けられた蛍光体１は、該反射層５を介在させて、接合層６によってヒートシンク３に接合されている。これにより、励起光Ｘの照射によって蛍光体１で発生した熱は、ヒートシンク３に伝わって外部へ排熱される。
なお、ヒートシンク３との接合は図１では蛍光体１の底面１ｂのみであるが、励起光入射面（蛍光放射面）１ａ以外の面の全てがヒートシンク３と接していてもよい。

上記構成において、励起光Ｘが入射して蛍光体１内で発生した蛍光Ｙの一部は、蛍光体１の内面、もしくは反射層５で全反射を起こす開口にあるが、蛍光体１内部にランダムに存在する散乱体２によって散乱されて光線の向きが変えられので、全反射によって閉じ込められる光を低減させ、光取り出し効率を高めることができる。

図２には、本発明の第２実施例が示されていて、蛍光体１に分散される散乱体２の数密度が、励起光入射方向における深さ方向で異なっている例である。
即ち、蛍光体１の励起光入射面１ａに近い部分における散乱体２の数密度が、奥側、つまり、反射層５形成面側における散乱体２の数密度に比べて低くなっている。
なお、ここでいう数密度とは、蛍光体１に含まれる散乱体２の単位体積あたりの個数を表している。
こうすることで、励起光Ｘが蛍光体１に入射したとき、入射方向の浅い部分で散乱体２によって散乱されてしまうことがなく、蛍光体１の奥部まで進行することができて、励起光Ｘによる蛍光変換を有効に行なうことができる。
また、併せて、蛍光体１内で発生した蛍光が、蛍光出射面でもある励起光入射面１ａの近傍で散乱されて出射されなくなるという事態を回避している。

図３には、本発明の第３実施例が示されていて、図２に示す第２実施例の散乱体２の数密度勾配をもった蛍光体を容易に作製できる実施例である。
この実施例では、蛍光体１が複数（この場合２つ）の板状蛍光体１１、１２からなり、互いに密接に積層配置されている。励起光入射側の板状蛍光体１１における散乱体２の数密度は、励起光入射方向の奥側、即ち、ヒートシンク３側の板状蛍光体１２における散乱体２の数密度よりも低くなっている。
こうすることで、蛍光体１に散乱体２の数密度の勾配を容易に付けることができる。
なお、板状蛍光体は２枚以上であってもよい。このとき、最も励起光入射側に位置する板状蛍光体には散乱体を全く含まないようにしてもよい。また、板状蛍光体は、単に重ねて設置してもよいし、密に貼り合わせてもよい。

以上の実施例では、励起光入射面と蛍光出射面が同一面であるものを示したが、これらが異なる面であってもよい。
図４には、本発明の第４実施例が示されていて、蛍光体１への励起光Ｘの入射面と、蛍光Ｙの出射面が異なり、互いに平行な反対側の平面となっている。
この実施例では、蛍光体２の上面１ａが励起光入射面であって、この面１ａには励起光の反射防止層４が形成され、下面１ｂが蛍光出射面である。勿論この例でも蛍光体１には、散乱体２が分散して混入されている。
そして、励起光入射面１ａと蛍光出射面１ｂ以外の側面に反射層５、５が設けられていて、ヒートシンク３、３は、該反射層５を介して蛍光体１の側面に当接されている。

図５には、本発明の第５実施例が示されていて、図４の実施例における蛍光体１を複数の板状蛍光体によって構成したものである。
蛍光体１が、複数の密着配置された板状蛍光体１３、１４、１５からなる。励起光入射側に位置する板状蛍光体１３には励起光反射防止層４が設けられている。そして、該板状蛍光体１３と、蛍光出射側に位置する板状蛍光体１５における散乱体の数密度は、これらに挟まれた板状蛍光体１４における散乱体２の数密度よりも低く、この例では、板状蛍光体１３、１５には散乱体が含まれず、板状蛍光体１４にのみ散乱体２が分散された例が示されている。
もちろん、この例でも蛍光体１を構成する板状蛍光体の数は３枚に限定されない。
この場合も、励起光Ｘが励起光入射側の板状蛍光体１３内で散乱されることがないので、板状蛍光体１４にまで進行し、この間に発生した蛍光は分散体２によって分散されて蛍光出射側の板状蛍光体１５から出射される。このとき、蛍光Ｙが板状蛍光体１５内で散乱されて出射できなくなることもない。

本発明の効果を検証した実験を以下に述べる。
＜比較例＞
実験に用いた蛍光体１は、Ｃｅを元素割合で０．５％含むＬｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２結晶（ＬｕＡＧ）の粉末を加圧条件下で焼結して結晶化し、表面に研磨加工を施した。
この蛍光体は、蛍光ピーク波長である５２０ｎｍにおける直線透過率が８３％の透明蛍光体（Ａ）であり、これを比較例とした。
＜本発明品＞
蛍光体は、比較例の蛍光体よりもＬｕを多く含む原料粉末を用い、粒界にＬｕ_２Ｏ_３を析出させて、直線透過率を７０％に低下させた散乱体混入蛍光体（Ｂ）である。

上述の蛍光体（Ａ）（Ｂ）の寸法は共に３ｍｍ×４ｍｍ×１ｍｍであり、それぞれ３ｍｍ×４ｍｍの面の片方にフッ化マグネシウム薄膜を約８０ｎｍの膜厚で蒸着し、励起光の反射防止層４を形成した。
また、反射防止層４を設けた面と対向する側である３ｍｍ×４ｍｍの面には、銀粒子を蒸着し、蛍光の反射層５を形成した。
この蛍光体１の反射層５側をヒートシンク接合面とし、銀ペーストを用いて５０×５０×１０ｍｍのアルミニウム板（ヒートシンク３）に蛍光体１を接合した。

上記のそれぞれの蛍光体（Ａ）（Ｂ）の励起光入射面に対して、波長４４７ｎｍのレーザ光を５００Ｗ/ｃｍ^２の照度で照射し、蛍光体から放射される５２０ｎｍをピークとする蛍光の照度を測定した。その結果が表１に表されている。
＜表１＞

その結果、表１に示すように、比較例に対して本発明品の蛍光の発光照度は３％高い値となった。これは、散乱体を混入することによって、全反射により蛍光体内部に閉じ込められる光が低減されたことによるものである。

以上説明したように、本発明に係る発光デバイスは、蛍光体がバルク状の結晶から成り、当該蛍光体の内部に蛍光を散乱する散乱体が分散されている構成としたことにより、蛍光体の熱伝導率が高くなり、該蛍光体に当接したヒートシンクへの熱伝導が良好となって、排熱効率が高められ、蛍光体の温度消光という不具合が回避される。
また、蛍光体内に分散された粒子状の散乱体によって、蛍光の進行方向をランダムに変化させ、蛍光が蛍光体の界面で全反射して内部に閉じ込められてしまうことがなくなり、光取り出し効率を高めることができるものである。

１蛍光体
１ａ上面
１ｂ下面
１１〜１５板状蛍光体
２散乱体
３ヒートシンク
４励起光反射層
５蛍光反射層
６接合層
Ｘ励起光
Ｙ蛍光

Claims

励起光が入射し、蛍光を放射する蛍光体を有し、ヒートシンクを介して当該蛍光体の熱を排熱する発光デバイスにおいて、
前記蛍光体は、バルク状の結晶から成り、当該蛍光体の内部には蛍光を散乱する散乱体が分散されてなり、
前記蛍光体の励起光入射面と蛍光出射面とが同一面であるとともに、
前記蛍光体は、前記励起光入射面に近い側に分散された散乱体の数密度が、奥側に分散された散乱体の数密度に比べて低いことを特徴とする発光デバイス。
前記蛍光体は、密接配置された複数の板状蛍光体からなり、前記励起光入射側の板状蛍光体に分散された散乱体の数密度が、奥側の板状蛍光体に分散された散乱体の数密度に比べて低いことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
励起光が入射し、蛍光を放射する蛍光体を有し、ヒートシンクを介して当該蛍光体の熱を排熱する発光デバイスにおいて、
前記蛍光体は、バルク状の結晶から成り、当該蛍光体の内部には蛍光を散乱する散乱体が分散されてなり、
前記蛍光体の励起光入射面と蛍光出射面とが反対側面であるとともに、
前記蛍光体は、密接配置された複数の板状蛍光体からなり、前記励起光入射側および前記蛍光出射側の板状蛍光体に分散された散乱体の数密度が、これらに挟まれた板状蛍光体に分散された散乱体の数密度に比べて低いことを特徴とする発光デバイス。