光源装置および照明装置
【課題】 従来に比べて十分な高輝度化を図ることの可能な光源装置を提供する。
【解決手段】 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発光する固体光源５と、固体光源５からの励起光により励起され固体光源５の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層２と、蛍光体層２の励起光が入射する側の面とは反対の面側に設けられる放熱基板６とを備え、蛍光体層２は実質的に樹脂成分を含まず、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おり、蛍光体層２の面のうち励起光が入射する側の面とは反対側に設けられた反射面による反射を用いて蛍光を取り出す。
【解決手段】 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発光する固体光源５と、固体光源５からの励起光により励起され固体光源５の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層２と、蛍光体層２の励起光が入射する側の面とは反対の面側に設けられる放熱基板６とを備え、蛍光体層２は実質的に樹脂成分を含まず、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おり、蛍光体層２の面のうち励起光が入射する側の面とは反対側に設けられた反射面による反射を用いて蛍光を取り出す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源装置および照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤ等の光半導体と蛍光体層を組み合わせた光源装置は広く普及しているが、近年では高輝度化が進み、一般照明や自動車のヘッドランプなどその応用範囲が広がってきている。このような光源装置は、今後も高輝度化することで、さらに多様な用途での普及が進むと考えられている。
【０００３】
このような光半導体と蛍光体層を組み合わせた光源装置を高輝度化するための手段として、光半導体に大電流を投入し光半導体からの励起光強度を強めることが考えられるが、実際には蛍光体層で熱が発生し、蛍光体層において樹脂成分の変色や蛍光体の温度消光による蛍光強度の低下が生じてしまう。このため、結果として、発光強度は飽和、減少し、光半導体と蛍光体層を組み合わせた光源装置の高輝度化は困難であった。
【０００４】
ここで、蛍光体層内の樹脂成分の変色とは、通常、蛍光体層は一定の形状に再現性良く形成するため、蛍光体粉末を樹脂成分と混練してペースト状に調製し、印刷法等を用いて塗布形成しており、この樹脂成分が加熱され２００℃程度以上になると変色してしまう現象のことである。樹脂成分は本来透明であるため、熱により樹脂成分に変色が起きると、光半導体からの励起光や蛍光体層からの蛍光の一部を吸収してしまい、高輝度化を妨げる要因となっていた。
【０００５】
また、蛍光体の温度消光とは、蛍光体を加熱すると蛍光強度が低下する現象のことである。温度消光により蛍光強度が低下すると、蛍光に変換されなかったエネルギーが熱となるため蛍光体の発熱量が増加し、さらに蛍光体の温度が上昇して温度消光が進み、蛍光強度もさらに低下するという現象が起きる。このため、熱により発生する蛍光体の温度消光も、高輝度化を妨げる要因となっていた。
【０００６】
これらの問題を解決するために、特許文献１には、樹脂を含まない蛍光体層を用いた光源装置が提案されている。この場合、蛍光体層は、樹脂成分を含まないため変色は起こらず、さらに蛍光体層を温度感受性の低い蛍光体のセラミックス層とするために温度消光が起きないので、高輝度化が可能である。また、図１のように蛍光体層９２を光半導体（固体光源）９５と直接接合することで、蛍光体層９２で発生した熱を光半導体（固体光源）９５側に放散することを意図していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−００５３６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、従来の図１に示すような光半導体（固体光源）９５と蛍光体層９２とが直接接合された光源装置では、光半導体（固体光源）９５からの励起光によって励起された蛍光体層９２からの発光（蛍光）のうち光半導体（固体光源）９５側とは反対側に出射する蛍光と、蛍光体層９２で吸収されずに蛍光体層９２を透過する光半導体（固体光源）９５からの励起光とを用いている。つまり、図１の光源装置は、蛍光体層９２を透過する光を利用する透過方式のものとなっている。
【０００９】
ここで、蛍光体層９２からの出射光を考えると、上記透過光とともに蛍光体層９２との界面で反射されて光半導体（固体光源）９５側へ戻って行く光、つまり反射光も存在しており、この光（反射光）は、光半導体（固体光源）９５に再吸収されるため、照明光として利用できない光となってしまうという問題があった。
【００１０】
また、図１の光源装置では、蛍光体層９２の熱を光半導体（固体光源）９５側に放散することを意図しているが、光半導体（固体光源）９５の励起光強度を高めた場合、蛍光体層９２のみならず光半導体（固体光源）９５でも発熱が起きるため、蛍光体層９２の発熱を同じく発熱している光半導体（固体光源）９５の側から放散させることとなり、熱放散の効率が良くないという問題があった。
【００１１】
このように、図１の光源装置では、透過方式のものとなっていることと、蛍光体層９２の発熱に対する熱放散の効率が良くないということとから、高輝度化に限界があった。
【００１２】
本発明は、従来に比べて十分な高輝度化を図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。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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発光する固体光源と、該固体光源からの励起光により励起され該固体光源の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層と、該蛍光体層の前記励起光が入射する側の面とは反対の面側に設けられる放熱基板とを備え、前記蛍光体層は実質的に樹脂成分を含まず、前記固体光源と前記蛍光体層とが空間的に離れて配置されており、前記蛍光体層の面のうち励起光が入射する側の面とは反対側に設けられた反射面による反射を用いて蛍光を取り出すことを特徴とする光源装置である。
【００１４】
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ることを特徴としている。
【００１５】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の光源装置において、前記蛍光体層は、前記放熱基板に金属を介して接合されていることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光源装置において、該光源装置は、前記蛍光体層と前記放熱基板とを有する蛍光回転体を備えていることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項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。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１乃至請求項５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発光する固体光源と、該固体光源からの励起光により励起され該固体光源の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層と、該蛍光体層の前記励起光が入射する側の面とは反対の面側に設けられる放熱基板とを備え、前記蛍光体層は実質的に樹脂成分を含まず、前記固体光源と前記蛍光体層とが空間的に離れて配置されており、前記蛍光体層の面のうち励起光が入射する側の面とは反対側に設けられた反射面による反射を用いて蛍光を取り出すので、従来に比べて十分な高輝度化を図ることができる。
【００１９】
特に、請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２記載の光源装置において、前記蛍光体層は、前記放熱基板に金属を介して接合されているので、蛍光体層からの熱放散の効率を、より一層高めることができ、より一層高輝度化を図ることができる。
【００２０】
また、請求項４記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光源装置において、該光源装置は、前記蛍光体層と前記放熱基板とを有する蛍光回転体を備えているので、固体光源に対して蛍光体層を回転させることにより、固体光源からの励起光が当たる場所を分散させ、光照射部での発熱を抑えることができ、これにより、より一層の高輝度化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来の光源装置を示す図である。
【図２】本発明の光源装置の一構成例を示す図である。
【図３】放熱基板にフィンなどの構造を設けた構成例を示す図である。
【図４】互いに異なる蛍光体からなる複数の蛍光体層が積層された構成例を示す図である。
【図５】蛍光体層を回転軸の周りに回転させる反射型蛍光回転体として構成した例を示す図である。
【図６】反射型蛍光回転体の蛍光体層についての構成例を示す図である。
【図７】反射型蛍光回転体の蛍光体層についての他の構成例を示す図である。
【図８】反射型蛍光回転体の蛍光体層についての他の構成例を示す図である。
【図９】反射型蛍光回転体の蛍光体層についての他の構成例を示す図である。
【図１０】反射型蛍光回転体の蛍光体層についての他の構成例を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２３】
図２（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２（ａ）は全体の正面図、図２（ｂ）は蛍光体層が設けられている部分の平面図である。図２（ａ），（ｂ）を参照すると、この光源装置１０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発光する固体光源５と、該固体光源５からの励起光により励起され該固体光源５の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する少なくとも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。
【００２４】
ここで、蛍光体層２には、実質的に樹脂成分を含んでいないものが用いられる。
【００２５】
また、蛍光体層２の前記励起光が入射する側の面とは反対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。ここで、接合部７には、後述のように、熱伝導率の大きな材料が用いられるのが良い。
【００２６】
また、この光源装置１０では、蛍光体層２の面のうち固体光源５からの励起光が入射する側の面とは反対側に設けられた反射面による反射を用いて蛍光などの光を取り出す方式（以下、反射方式と称す）が採用されている。
【００２７】
このように、この光源装置１０は、基本的には、固体光源５と蛍光体層２とを空間的に離して配置し、発光を反射方式で利用することを特徴としている。
【００２８】
すなわち、図１に示した従来の光源装置のように、蛍光体層９２が固体光源９５と接している場合には、高輝度化をしようとしても、蛍光体層９２と固体光源９５との両方とも加熱されてしまうため、蛍光体層９２からの熱放散の効率が悪かったが、図２（ａ），（ｂ）の光源装置１０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、図１に示した従来の光源装置に比べて、著しく高めることができる。
【００２９】
また、図１に示した従来の光源装置では、固体光源９５からの励起光と蛍光体層９２からの蛍光のうち、固体光源９５とは反対の側に出射する蛍光と、蛍光体層９２で吸収されずに透過する固体光源９５からの励起光とを用いている。つまり透過方式を使用している。ここで、透過方式では、蛍光体層９２からの出射光を考えると、励起光については上記透過光とともに蛍光体層９２との界面で反射されて固体光源９５側へ戻って行く発光、つまり反射光も存在しており、この反射光は固体光源９５に再吸収されるため照明光として利用できない光となってしまう。また、蛍光体層９２からの蛍光は、蛍光体層９２の両面から出射するため、やはり固体光源９５側に出射する光は利用できない。このように、透過方式では、光の利用効率が低下してしまう。また、透過方式では、目的の色度の照明光を得るためには蛍光体層９２の厚みを厚くする必要があり、蛍光体層９２から固体光源９５までの距離が長くなるため、蛍光体層９２からの熱を固体光源９５に放散する上で不利であった。
【００３０】
これに対し、図２（ａ），（ｂ）の光源装置１０では、固体光源５とは反対の側に出射する光（励起光、蛍光）を反射面（例えば基板の反射面）で固体光源５側に反射する反射方式を採用しているので、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）の全て（すなわち、固体光源５側に出射する蛍光）と、蛍光体層２で吸収されなかった固体光源５からの励起光の全て（すなわち、蛍光体層２で吸収されなかった固体光源５からの光の反射光）とを照明光として利用できるため（すなわち、励起光、蛍光とも効率よく照明光として利用できるため）、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。また、透過型に対し、反射型では、蛍光体層２の厚みが半分以下でも蛍光体層２内の光路長が等しくなり、同じ色度の光が得られるため、蛍光体層２を薄くすることができ、蛍光体層２から基板６までの距離が短くなるので、熱放散の面でも有利である。
【００３１】
このように、図２（ａ），（ｂ）の光源装置１０では、基本的には、固体光源５と蛍光体層２とを空間的に離して配置し、発光を反射方式で利用するので、従来に比べて十分な高輝度化を図ることができる。
【００３２】
さらに、図２（ａ），（ｂ）の光源装置１０では、蛍光体層２には、実質的に樹脂成分を含んでいないものが用いられるので、熱による変色がなく、光の吸収が少ないことから、より一層の高輝度化を図ることができる。
【００３３】
ここで、樹脂成分を実質的に含まない蛍光体層２とは、蛍光体層の形成に通常使用される樹脂成分が蛍光体層の５ｗｔ％以下であるものを意味する。このような蛍光体層を実現するものとして蛍光体粉末をガラス中に分散させたもの、ガラス母体に発光中心イオンを添加したガラス蛍光体、蛍光体の単結晶や蛍光体の多結晶体（以下、蛍光体セラミックスと称す）などが挙げられる。蛍光体セラミックスは、蛍光体の製造過程において、焼成前に材料を任意の形状に成形し、焼成した蛍光体の塊である。蛍光体セラミックスは、その製造工程のうち、成形工程においてバインダーとして有機物を使用する場合があるが、成形後に脱脂工程を設けて有機成分を焼き飛ばすため、焼成後の蛍光体セラミックスには有機樹脂成分は５ｗｔ％以下しか残留しない。したがって、ここに挙げた蛍光体層は、実質的に樹脂成分を含まず、無機物質のみから構成されているため、熱による変色が発生することがない。また、無機物質のみからなるガラスやセラミックスは、一般に、樹脂よりも熱伝導率が高いため、蛍光体層２から基板６への熱放散においても有利である。特に蛍光体セラミックスは、一般的に、ガラスよりもさらに熱伝導率が高く、単結晶より製造コストが安いため、これを蛍光体層２に用いるのが好適である。
【００３４】
また、蛍光体層２は、固体光源５からの励起光により励起され固体光源５の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する少なくとも１種類の蛍光体を含んでいる。具体的には、固体光源５が紫外光を発光するものである場合、蛍光体層２は、例えば、青、緑、赤色などの蛍光体のうち、少なくとも１種類の蛍光体を含んでいる。固体光源５が紫外光を発光するものである場合、蛍光体層２が、例えば、青、緑、赤色の蛍光体を含んでいるときには（青、緑、赤色の蛍光体のそれぞれが例えば均一に分散されて混合されたものとなっているときには）、固体光源５からの紫外光を蛍光体層２に照射するとき、反射光として白色の照明光を得ることができる。また、固体光源５が可視光として青色光を発光するものである場合、蛍光体層２は、例えば、緑、赤、黄色などの蛍光体のうち、少なくとも１種類の蛍光体を含んでいる。固体光源５が可視光として青色光を発光するものである場合、蛍光体層２が、例えば、緑、赤色の蛍光体を含んでいるときには（緑、赤色の蛍光体のそれぞれが例えば均一に分散されて混合されたものとなっているときには）、固体光源５からの青色光を蛍光体層２に照射するとき、反射光として白色などの照明光を得ることができる。また、固体光源５が可視光として青色光を発光するものである場合、蛍光体層２が、例えば、黄色の蛍光体だけを含んでいるときには、固体光源５からの青色光を蛍光体層２に照射するとき、反射光として白色などの照明光を得ることができる。
【００３５】
また、図２（ａ），（ｂ）の光源装置１０において、放熱基板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。この放熱基板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。
【００３６】
また、蛍光体層２と放熱基板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。
【００３７】
次に、図２（ａ），（ｂ）の光源装置１０をより詳細に説明する。
【００３８】
図２（ａ），（ｂ）の光源装置１０において、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。
【００３９】
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４００ｎｍ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、ＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋、Ｃａ２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ２＋、Ｌａ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ３＋、ＫＳｉＦ６：Ｍｎ４＋、 ＫＴｉＦ６：Ｍｎ４＋等を用いることができ、緑色蛍光体には、（Ｓｉ，Ａｌ）６（Ｏ，Ｎ）：Ｅｕ２＋、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ２＋，Ｍｎ２＋、（Ｂａ，Ｓｒ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋等を用いることができ、青色蛍光体には、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２：Ｅｕ２＋、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ２＋、ＬａＡｌ（Ｓｉ，Ａｌ）６（Ｎ，Ｏ）１０：Ｃｅ３＋等を用いることができる。
【００４０】
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、ＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋、Ｃａ２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ２＋、ＫＳｉＦ６：Ｍｎ４＋、ＫＴｉＦ６：Ｍｎ４＋等を用いることができ、緑色蛍光体には、Ｙ３（Ｇａ，Ａｌ）５Ｏ１２：Ｃｅ３＋、Ｃａ３Ｓｃ２Ｓｉ３Ｏ１２：Ｃｅ３＋、ＣａＳｃ２Ｏ４：Ｅｕ２＋、（Ｂａ，Ｓｒ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋、Ｂａ３Ｓｉ６Ｏ１２Ｎ２：Ｅｕ２＋、（Ｓｉ，Ａｌ）６（Ｏ，Ｎ）：Ｅｕ２＋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、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋ （ＹＡＧ）、（Ｓｒ，Ｂａ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋、Ｃａｘ（Ｓｉ，Ａｌ）１２（Ｏ，Ｎ）１６：Ｅｕ２＋等の黄色蛍光体を用いることができる。
【００４１】
蛍光体層２としては、これらの蛍光体粉末を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Ｐ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３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、Ｃｅ３＋やＥｕ２＋を付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。
【００４２】
ここで、青色励起の黄色発光蛍光体であるＹ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋蛍光体を例に、透光性を有する蛍光体セラミックスの製造方法を説明する。蛍光体セラミックスは出発原料の混合工程、成形工程、焼成工程、加工工程を経て製造される。出発原料には、酸化イットリウムや酸化セリウムやアルミナ等、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋蛍光体の構成元素の酸化物や、焼成後に酸化物となる炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩等を用いる。出発原料の粒径はサブミクロンサイズのものが望ましい。これらの原料を化学量論比となるように秤量する。このとき焼成後のセラミックスの透過率向上を目的として、カルシウムやシリコンなどの化合物を添加することも可能である。秤量した原料は、水もしくは有機溶剤を用い、湿式ボールミルにより十分に分散、混合を行う。次に混合物を所定の形状に成形する。成形方法としては、一軸加圧法、冷間静水圧法、スリップキャスティング法や射出成形法等を用いることができる。得られた成形体を１６００〜１８００℃で焼成する。これにより、透光性のＹ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋蛍光体セラミックスを得ることができる。
【００４３】
以上のようにして作製した蛍光体セラミックスは、自動研磨装置などを用いて、厚さ数十〜数百μｍの厚みに研磨し、さらに、ダイアモンドカッターやレーザーを用いたダイシングやスクライブにより、円形や四角形や扇形、リング形など任意の形状の板に切り出して使用する。
【００４４】
ここで、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。
【００４５】
また、放熱基板６には、金属基板や酸化物セラミックス、非酸化セラミックスなどを使用可能であるが、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を使用するのが望ましい。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、放熱基板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、放熱基板６には、放熱性を高めるために、図３に示すようにフィンなどの構造８を設けても良い。
【００４６】
また、蛍光体層２と放熱基板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、金属ろう付けなどを用いることができる。これらの中でも、高い反射率と伝熱特性を両立可能な金属ろう付けを用いるのが望ましい。セラミックス（蛍光体層２）と金属基板（放熱基板６）との接合は、まず、セラミックス側に金属膜を形成し、その金属膜と金属基板を金属ろう付けすることで可能である。セラミックスへの金属膜の形成は、真空中での蒸着法やスパッタ法、もしくは高融点金属法などが使用可能である。なお、高融点金属法とは、セラミックスの表面に金属微粒子を含む有機バインダーを塗布し、水蒸気と水素を含む還元雰囲気下で１０００〜１７００℃に加熱する方法である。このとき形成される金属膜には、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｗ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｃｕなどを含む単体や合金が用いられる。また、金属ろう材には、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｉｎ、Ｂｉなどを含むろう材が使用可能である。必要であれば金属膜と金属の接合面の酸化被膜をフラックスで除去し、接合面に金属ろう材を配置し、２００〜８００℃に加熱し、冷却することで、接合することができる。また、接合後にセラミックスと金属の膨張係数の差による接合面の破壊を防ぐために、セラミックスと金属の中間の膨張係数を有する物質を介在させて接合を行っても良い。
【００４７】
図２（ａ），（ｂ）の光源装置１０では、１つの蛍光体層２だけが設けられている構成となっているが、例えば図４に示すように、複数の蛍光体層（図４の例では、２つの蛍光体層２ｊ，２ｋ）が積層された構成にすることもできる。この場合、例えば、固体光源５が可視光として青色光を発光するものであるとき、蛍光体層２ｊには、緑色の蛍光体からなるものを用い、蛍光体層２ｋには、赤色の蛍光体からなるものを用いれば、反射光として白色などの照明光を得ることができる。
【００４８】
また、図２（ａ），（ｂ）の光源装置１０において、蛍光体層２は、固定されていてもよいが、蛍光体層２を移動可能に構成することもできる。例えば、図５に示すように、蛍光体層２を回転軸Ｘの周りに回転させる（モーター４等によって回転させる）反射型蛍光回転体１として構成することもできる。すなわち、反射型蛍光回転体１は、蛍光体層２と放熱基板６を接合したものをモーター４等と連結することで実現できる。また、この反射型蛍光回転体１において、放熱基板６や接合部７が、励起光および蛍光の反射面として機能している。なお、放熱基板６の形状は、円盤状や四角形などが考えられる。また回転の安定性を確保するために、円盤の一部を切り欠いたり、逆におもりをつけた形状とすることも可能である。
【００４９】
なお、図５の例では、反射型蛍光回転体１の蛍光体層２としては、１種類の蛍光体層だけが用いられている。具体的に、図５の例では、反射型蛍光回転体１の蛍光体層２として、例えば黄色蛍光体からなる蛍光体層だけが用いられ、この場合、固体光源５として青色光を発光するものを用いれば、反射光として白色などの照明光を得ることができる。あるいは、図５の例では、反射型蛍光回転体１の蛍光体層２として、例えば青、緑、赤色の蛍光体のそれぞれが例えば均一に分散されて混合されたものとなっている蛍光体層だけが用いられ、この場合、固体光源５として紫外光を発光するものを用いれば、反射光として白色などの照明光を得ることができる。ただし、本発明は、これに限定されず、種々の変形が可能である。すなわち、反射型蛍光回転体１の蛍光体層２としては、青、緑、黄、赤色などの蛍光体層を少なくとも１つ配置した構成にすることができる。図６（ａ），（ｂ）、図７（ａ），（ｂ）、図８（ａ），（ｂ）、図９（ａ），（ｂ）には、反射型蛍光回転体１の蛍光体層２についての種々の構成例が示されている。なお、図６（ａ）、図７（ａ）、図８（ａ）、図９（ａ）はそれぞれ平面図、図６（ｂ）、図７（ｂ）、図８（ｂ）、図９（ｂ）は、それぞれ、図６（ａ）、図７（ａ）、図８（ａ）、図９（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。図６（ａ），（ｂ）の例は、蛍光体層２としては、１種類の蛍光体層（例えば黄色蛍光体からなる蛍光体層）だけが用いられる場合であり、図５の例に相当している。また、図７（ａ），（ｂ）の例は、反射型蛍光回転体１の蛍光体層２として、２種類の蛍光体層２ａ，２ｂ（例えば赤色蛍光体からなる赤色の蛍光体層２ａと緑色蛍光体からなる緑色の蛍光体層２ｂ）が２等分に分割された蛍光体領域として設けられており、この場合、固体光源５として青色光を発光するものを用いれば、反射型蛍光回転体１の回転時の反射光として白色などの照明光を得ることができる。また、図８（ａ），（ｂ）の例は、反射型蛍光回転体１の蛍光体層２として、３種類の蛍光体層２ａ，２ｂ，２ｃ（例えば赤色蛍光体からなる赤色の蛍光体層２ａと緑色蛍光体からなる緑色の蛍光体層２ｂと青色蛍光体からなる青色の蛍光体層２ｃ）が３等分に分割された蛍光体領域として設けられており、この場合、固体光源５として紫外光を発光するものを用いれば、反射型蛍光回転体１の回転時の反射光として白色などの照明光を得ることができる。また、図９（ａ），（ｂ）の例は、反射型蛍光回転体１の蛍光体層２として、２種類の蛍光体層２ａ，２ｂ（例えば赤色蛍光体からなる赤色の蛍光体層２ａと緑色蛍光体からなる緑色の蛍光体層２ｂ）が蛍光体領域として設けられ、蛍光体層が設けられていない領域が非蛍光体領域１２ｃとして設けられており、この場合、固体光源５として青色光を発光するものを用いれば、反射型蛍光回転体１の回転時の反射光として白色などの照明光を得ることができる。この他にも、種々の変形が可能である。
【００５０】
また、反射型蛍光回転体１の上述の各例では、複数の蛍光体層を使用する場合、各蛍光体層を水平方向に並べて配置しているが、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、複数の蛍光体層（図１０（ａ），（ｂ）の例では、２つの蛍光体層２ｊ，２ｋ）を垂直方向に重ねて（積層して）配置しても良い。なお、図１０（ａ）は平面図、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。この場合、例えば、固体光源５が可視光として青色光を発光するものであるとき、蛍光体層２ｊには、緑色蛍光体からなるものを用い、蛍光体層２ｋには、赤色蛍光体からなるものを用いれば、反射光として白色などの照明光を得ることができる。
【００５１】
このように、蛍光体層２を回転軸Ｘの周りに回転させる（モーター４等によって回転させる）反射型蛍光回転体１として構成することにより、すなわち、固体光源５に対して蛍光体層２を回転させることにより、固体光源５からの励起光が当たる場所を分散させ、光照射部での発熱を抑えることができ（この蛍光回転体１を用いることで、そもそも蛍光体の発熱を抑えることができ）、これにより、より一層の高輝度化が可能となる。
【００５２】
上述したように、本発明では、固体光源５と蛍光体層２を放熱基板６に対して同じ側に設置することで、反射型の光源装置となる。もちろん必要であれば、固体光源５と蛍光体層２との間にレンズなどの光学素子を入れることもできる。
【００５３】
また、本発明の上述した種々の光源装置を所定のレンズ系などの光学部品と組み合わせることで、高輝度化が可能な照明装置を提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、照明一般などに利用可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１ 蛍光回転体
２ 蛍光体層
４ モーター
５ 固体光源
６ 放熱基板
７ 接合部
１０ 光源装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源装置および照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤ等の光半導体と蛍光体層を組み合わせた光源装置は広く普及しているが、近年では高輝度化が進み、一般照明や自動車のヘッドランプなどその応用範囲が広がってきている。このような光源装置は、今後も高輝度化することで、さらに多様な用途での普及が進むと考えられている。
【０００３】
このような光半導体と蛍光体層を組み合わせた光源装置を高輝度化するための手段として、光半導体に大電流を投入し光半導体からの励起光強度を強めることが考えられるが、実際には蛍光体層で熱が発生し、蛍光体層において樹脂成分の変色や蛍光体の温度消光による蛍光強度の低下が生じてしまう。このため、結果として、発光強度は飽和、減少し、光半導体と蛍光体層を組み合わせた光源装置の高輝度化は困難であった。
【０００４】
ここで、蛍光体層内の樹脂成分の変色とは、通常、蛍光体層は一定の形状に再現性良く形成するため、蛍光体粉末を樹脂成分と混練してペースト状に調製し、印刷法等を用いて塗布形成しており、この樹脂成分が加熱され２００℃程度以上になると変色してしまう現象のことである。樹脂成分は本来透明であるため、熱により樹脂成分に変色が起きると、光半導体からの励起光や蛍光体層からの蛍光の一部を吸収してしまい、高輝度化を妨げる要因となっていた。
【０００５】
また、蛍光体の温度消光とは、蛍光体を加熱すると蛍光強度が低下する現象のことである。温度消光により蛍光強度が低下すると、蛍光に変換されなかったエネルギーが熱となるため蛍光体の発熱量が増加し、さらに蛍光体の温度が上昇して温度消光が進み、蛍光強度もさらに低下するという現象が起きる。このため、熱により発生する蛍光体の温度消光も、高輝度化を妨げる要因となっていた。
【０００６】
これらの問題を解決するために、特許文献１には、樹脂を含まない蛍光体層を用いた光源装置が提案されている。この場合、蛍光体層は、樹脂成分を含まないため変色は起こらず、さらに蛍光体層を温度感受性の低い蛍光体のセラミックス層とするために温度消光が起きないので、高輝度化が可能である。また、図１のように蛍光体層９２を光半導体（固体光源）９５と直接接合することで、蛍光体層９２で発生した熱を光半導体（固体光源）９５側に放散することを意図していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−００５３６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、従来の図１に示すような光半導体（固体光源）９５と蛍光体層９２とが直接接合された光源装置では、光半導体（固体光源）９５からの励起光によって励起された蛍光体層９２からの発光（蛍光）のうち光半導体（固体光源）９５側とは反対側に出射する蛍光と、蛍光体層９２で吸収されずに蛍光体層９２を透過する光半導体（固体光源）９５からの励起光とを用いている。つまり、図１の光源装置は、蛍光体層９２を透過する光を利用する透過方式のものとなっている。
【０００９】
ここで、蛍光体層９２からの出射光を考えると、上記透過光とともに蛍光体層９２との界面で反射されて光半導体（固体光源）９５側へ戻って行く光、つまり反射光も存在しており、この光（反射光）は、光半導体（固体光源）９５に再吸収されるため、照明光として利用できない光となってしまうという問題があった。
【００１０】
また、図１の光源装置では、蛍光体層９２の熱を光半導体（固体光源）９５側に放散することを意図しているが、光半導体（固体光源）９５の励起光強度を高めた場合、蛍光体層９２のみならず光半導体（固体光源）９５でも発熱が起きるため、蛍光体層９２の発熱を同じく発熱している光半導体（固体光源）９５の側から放散させることとなり、熱放散の効率が良くないという問題があった。
【００１１】
このように、図１の光源装置では、透過方式のものとなっていることと、蛍光体層９２の発熱に対する熱放散の効率が良くないということとから、高輝度化に限界があった。
【００１２】
本発明は、従来に比べて十分な高輝度化を図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。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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発光する固体光源と、該固体光源からの励起光により励起され該固体光源の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層と、該蛍光体層の前記励起光が入射する側の面とは反対の面側に設けられる放熱基板とを備え、前記蛍光体層は実質的に樹脂成分を含まず、前記固体光源と前記蛍光体層とが空間的に離れて配置されており、前記蛍光体層の面のうち励起光が入射する側の面とは反対側に設けられた反射面による反射を用いて蛍光を取り出すことを特徴とする光源装置である。
【００１４】
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ることを特徴としている。
【００１５】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の光源装置において、前記蛍光体層は、前記放熱基板に金属を介して接合されていることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光源装置において、該光源装置は、前記蛍光体層と前記放熱基板とを有する蛍光回転体を備えていることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項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。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１乃至請求項５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発光する固体光源と、該固体光源からの励起光により励起され該固体光源の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層と、該蛍光体層の前記励起光が入射する側の面とは反対の面側に設けられる放熱基板とを備え、前記蛍光体層は実質的に樹脂成分を含まず、前記固体光源と前記蛍光体層とが空間的に離れて配置されており、前記蛍光体層の面のうち励起光が入射する側の面とは反対側に設けられた反射面による反射を用いて蛍光を取り出すので、従来に比べて十分な高輝度化を図ることができる。
【００１９】
特に、請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２記載の光源装置において、前記蛍光体層は、前記放熱基板に金属を介して接合されているので、蛍光体層からの熱放散の効率を、より一層高めることができ、より一層高輝度化を図ることができる。
【００２０】
また、請求項４記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光源装置において、該光源装置は、前記蛍光体層と前記放熱基板とを有する蛍光回転体を備えているので、固体光源に対して蛍光体層を回転させることにより、固体光源からの励起光が当たる場所を分散させ、光照射部での発熱を抑えることができ、これにより、より一層の高輝度化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来の光源装置を示す図である。
【図２】本発明の光源装置の一構成例を示す図である。
【図３】放熱基板にフィンなどの構造を設けた構成例を示す図である。
【図４】互いに異なる蛍光体からなる複数の蛍光体層が積層された構成例を示す図である。
【図５】蛍光体層を回転軸の周りに回転させる反射型蛍光回転体として構成した例を示す図である。
【図６】反射型蛍光回転体の蛍光体層についての構成例を示す図である。
【図７】反射型蛍光回転体の蛍光体層についての他の構成例を示す図である。
【図８】反射型蛍光回転体の蛍光体層についての他の構成例を示す図である。
【図９】反射型蛍光回転体の蛍光体層についての他の構成例を示す図である。
【図１０】反射型蛍光回転体の蛍光体層についての他の構成例を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２３】
図２（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２（ａ）は全体の正面図、図２（ｂ）は蛍光体層が設けられている部分の平面図である。図２（ａ），（ｂ）を参照すると、この光源装置１０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発光する固体光源５と、該固体光源５からの励起光により励起され該固体光源５の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する少なくとも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。
【００２４】
ここで、蛍光体層２には、実質的に樹脂成分を含んでいないものが用いられる。
【００２５】
また、蛍光体層２の前記励起光が入射する側の面とは反対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。ここで、接合部７には、後述のように、熱伝導率の大きな材料が用いられるのが良い。
【００２６】
また、この光源装置１０では、蛍光体層２の面のうち固体光源５からの励起光が入射する側の面とは反対側に設けられた反射面による反射を用いて蛍光などの光を取り出す方式（以下、反射方式と称す）が採用されている。
【００２７】
このように、この光源装置１０は、基本的には、固体光源５と蛍光体層２とを空間的に離して配置し、発光を反射方式で利用することを特徴としている。
【００２８】
すなわち、図１に示した従来の光源装置のように、蛍光体層９２が固体光源９５と接している場合には、高輝度化をしようとしても、蛍光体層９２と固体光源９５との両方とも加熱されてしまうため、蛍光体層９２からの熱放散の効率が悪かったが、図２（ａ），（ｂ）の光源装置１０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、図１に示した従来の光源装置に比べて、著しく高めることができる。
【００２９】
また、図１に示した従来の光源装置では、固体光源９５からの励起光と蛍光体層９２からの蛍光のうち、固体光源９５とは反対の側に出射する蛍光と、蛍光体層９２で吸収されずに透過する固体光源９５からの励起光とを用いている。つまり透過方式を使用している。ここで、透過方式では、蛍光体層９２からの出射光を考えると、励起光については上記透過光とともに蛍光体層９２との界面で反射されて固体光源９５側へ戻って行く発光、つまり反射光も存在しており、この反射光は固体光源９５に再吸収されるため照明光として利用できない光となってしまう。また、蛍光体層９２からの蛍光は、蛍光体層９２の両面から出射するため、やはり固体光源９５側に出射する光は利用できない。このように、透過方式では、光の利用効率が低下してしまう。また、透過方式では、目的の色度の照明光を得るためには蛍光体層９２の厚みを厚くする必要があり、蛍光体層９２から固体光源９５までの距離が長くなるため、蛍光体層９２からの熱を固体光源９５に放散する上で不利であった。
【００３０】
これに対し、図２（ａ），（ｂ）の光源装置１０では、固体光源５とは反対の側に出射する光（励起光、蛍光）を反射面（例えば基板の反射面）で固体光源５側に反射する反射方式を採用しているので、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）の全て（すなわち、固体光源５側に出射する蛍光）と、蛍光体層２で吸収されなかった固体光源５からの励起光の全て（すなわち、蛍光体層２で吸収されなかった固体光源５からの光の反射光）とを照明光として利用できるため（すなわち、励起光、蛍光とも効率よく照明光として利用できるため）、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。また、透過型に対し、反射型では、蛍光体層２の厚みが半分以下でも蛍光体層２内の光路長が等しくなり、同じ色度の光が得られるため、蛍光体層２を薄くすることができ、蛍光体層２から基板６までの距離が短くなるので、熱放散の面でも有利である。
【００３１】
このように、図２（ａ），（ｂ）の光源装置１０では、基本的には、固体光源５と蛍光体層２とを空間的に離して配置し、発光を反射方式で利用するので、従来に比べて十分な高輝度化を図ることができる。
【００３２】
さらに、図２（ａ），（ｂ）の光源装置１０では、蛍光体層２には、実質的に樹脂成分を含んでいないものが用いられるので、熱による変色がなく、光の吸収が少ないことから、より一層の高輝度化を図ることができる。
【００３３】
ここで、樹脂成分を実質的に含まない蛍光体層２とは、蛍光体層の形成に通常使用される樹脂成分が蛍光体層の５ｗｔ％以下であるものを意味する。このような蛍光体層を実現するものとして蛍光体粉末をガラス中に分散させたもの、ガラス母体に発光中心イオンを添加したガラス蛍光体、蛍光体の単結晶や蛍光体の多結晶体（以下、蛍光体セラミックスと称す）などが挙げられる。蛍光体セラミックスは、蛍光体の製造過程において、焼成前に材料を任意の形状に成形し、焼成した蛍光体の塊である。蛍光体セラミックスは、その製造工程のうち、成形工程においてバインダーとして有機物を使用する場合があるが、成形後に脱脂工程を設けて有機成分を焼き飛ばすため、焼成後の蛍光体セラミックスには有機樹脂成分は５ｗｔ％以下しか残留しない。したがって、ここに挙げた蛍光体層は、実質的に樹脂成分を含まず、無機物質のみから構成されているため、熱による変色が発生することがない。また、無機物質のみからなるガラスやセラミックスは、一般に、樹脂よりも熱伝導率が高いため、蛍光体層２から基板６への熱放散においても有利である。特に蛍光体セラミックスは、一般的に、ガラスよりもさらに熱伝導率が高く、単結晶より製造コストが安いため、これを蛍光体層２に用いるのが好適である。
【００３４】
また、蛍光体層２は、固体光源５からの励起光により励起され固体光源５の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する少なくとも１種類の蛍光体を含んでいる。具体的には、固体光源５が紫外光を発光するものである場合、蛍光体層２は、例えば、青、緑、赤色などの蛍光体のうち、少なくとも１種類の蛍光体を含んでいる。固体光源５が紫外光を発光するものである場合、蛍光体層２が、例えば、青、緑、赤色の蛍光体を含んでいるときには（青、緑、赤色の蛍光体のそれぞれが例えば均一に分散されて混合されたものとなっているときには）、固体光源５からの紫外光を蛍光体層２に照射するとき、反射光として白色の照明光を得ることができる。また、固体光源５が可視光として青色光を発光するものである場合、蛍光体層２は、例えば、緑、赤、黄色などの蛍光体のうち、少なくとも１種類の蛍光体を含んでいる。固体光源５が可視光として青色光を発光するものである場合、蛍光体層２が、例えば、緑、赤色の蛍光体を含んでいるときには（緑、赤色の蛍光体のそれぞれが例えば均一に分散されて混合されたものとなっているときには）、固体光源５からの青色光を蛍光体層２に照射するとき、反射光として白色などの照明光を得ることができる。また、固体光源５が可視光として青色光を発光するものである場合、蛍光体層２が、例えば、黄色の蛍光体だけを含んでいるときには、固体光源５からの青色光を蛍光体層２に照射するとき、反射光として白色などの照明光を得ることができる。
【００３５】
また、図２（ａ），（ｂ）の光源装置１０において、放熱基板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。この放熱基板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。
【００３６】
また、蛍光体層２と放熱基板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。
【００３７】
次に、図２（ａ），（ｂ）の光源装置１０をより詳細に説明する。
【００３８】
図２（ａ），（ｂ）の光源装置１０において、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。
【００３９】
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４００ｎｍ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、ＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋、Ｃａ２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ２＋、Ｌａ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ３＋、ＫＳｉＦ６：Ｍｎ４＋、 ＫＴｉＦ６：Ｍｎ４＋等を用いることができ、緑色蛍光体には、（Ｓｉ，Ａｌ）６（Ｏ，Ｎ）：Ｅｕ２＋、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ２＋，Ｍｎ２＋、（Ｂａ，Ｓｒ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋等を用いることができ、青色蛍光体には、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２：Ｅｕ２＋、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ２＋、ＬａＡｌ（Ｓｉ，Ａｌ）６（Ｎ，Ｏ）１０：Ｃｅ３＋等を用いることができる。
【００４０】
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、ＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋、Ｃａ２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ２＋、ＫＳｉＦ６：Ｍｎ４＋、ＫＴｉＦ６：Ｍｎ４＋等を用いることができ、緑色蛍光体には、Ｙ３（Ｇａ，Ａｌ）５Ｏ１２：Ｃｅ３＋、Ｃａ３Ｓｃ２Ｓｉ３Ｏ１２：Ｃｅ３＋、ＣａＳｃ２Ｏ４：Ｅｕ２＋、（Ｂａ，Ｓｒ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋、Ｂａ３Ｓｉ６Ｏ１２Ｎ２：Ｅｕ２＋、（Ｓｉ，Ａｌ）６（Ｏ，Ｎ）：Ｅｕ２＋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、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋ （ＹＡＧ）、（Ｓｒ，Ｂａ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋、Ｃａｘ（Ｓｉ，Ａｌ）１２（Ｏ，Ｎ）１６：Ｅｕ２＋等の黄色蛍光体を用いることができる。
【００４１】
蛍光体層２としては、これらの蛍光体粉末を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Ｐ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３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、Ｃｅ３＋やＥｕ２＋を付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。
【００４２】
ここで、青色励起の黄色発光蛍光体であるＹ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋蛍光体を例に、透光性を有する蛍光体セラミックスの製造方法を説明する。蛍光体セラミックスは出発原料の混合工程、成形工程、焼成工程、加工工程を経て製造される。出発原料には、酸化イットリウムや酸化セリウムやアルミナ等、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋蛍光体の構成元素の酸化物や、焼成後に酸化物となる炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩等を用いる。出発原料の粒径はサブミクロンサイズのものが望ましい。これらの原料を化学量論比となるように秤量する。このとき焼成後のセラミックスの透過率向上を目的として、カルシウムやシリコンなどの化合物を添加することも可能である。秤量した原料は、水もしくは有機溶剤を用い、湿式ボールミルにより十分に分散、混合を行う。次に混合物を所定の形状に成形する。成形方法としては、一軸加圧法、冷間静水圧法、スリップキャスティング法や射出成形法等を用いることができる。得られた成形体を１６００〜１８００℃で焼成する。これにより、透光性のＹ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋蛍光体セラミックスを得ることができる。
【００４３】
以上のようにして作製した蛍光体セラミックスは、自動研磨装置などを用いて、厚さ数十〜数百μｍの厚みに研磨し、さらに、ダイアモンドカッターやレーザーを用いたダイシングやスクライブにより、円形や四角形や扇形、リング形など任意の形状の板に切り出して使用する。
【００４４】
ここで、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。
【００４５】
また、放熱基板６には、金属基板や酸化物セラミックス、非酸化セラミックスなどを使用可能であるが、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を使用するのが望ましい。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、放熱基板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、放熱基板６には、放熱性を高めるために、図３に示すようにフィンなどの構造８を設けても良い。
【００４６】
また、蛍光体層２と放熱基板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、金属ろう付けなどを用いることができる。これらの中でも、高い反射率と伝熱特性を両立可能な金属ろう付けを用いるのが望ましい。セラミックス（蛍光体層２）と金属基板（放熱基板６）との接合は、まず、セラミックス側に金属膜を形成し、その金属膜と金属基板を金属ろう付けすることで可能である。セラミックスへの金属膜の形成は、真空中での蒸着法やスパッタ法、もしくは高融点金属法などが使用可能である。なお、高融点金属法とは、セラミックスの表面に金属微粒子を含む有機バインダーを塗布し、水蒸気と水素を含む還元雰囲気下で１０００〜１７００℃に加熱する方法である。このとき形成される金属膜には、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｗ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｃｕなどを含む単体や合金が用いられる。また、金属ろう材には、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｉｎ、Ｂｉなどを含むろう材が使用可能である。必要であれば金属膜と金属の接合面の酸化被膜をフラックスで除去し、接合面に金属ろう材を配置し、２００〜８００℃に加熱し、冷却することで、接合することができる。また、接合後にセラミックスと金属の膨張係数の差による接合面の破壊を防ぐために、セラミックスと金属の中間の膨張係数を有する物質を介在させて接合を行っても良い。
【００４７】
図２（ａ），（ｂ）の光源装置１０では、１つの蛍光体層２だけが設けられている構成となっているが、例えば図４に示すように、複数の蛍光体層（図４の例では、２つの蛍光体層２ｊ，２ｋ）が積層された構成にすることもできる。この場合、例えば、固体光源５が可視光として青色光を発光するものであるとき、蛍光体層２ｊには、緑色の蛍光体からなるものを用い、蛍光体層２ｋには、赤色の蛍光体からなるものを用いれば、反射光として白色などの照明光を得ることができる。
【００４８】
また、図２（ａ），（ｂ）の光源装置１０において、蛍光体層２は、固定されていてもよいが、蛍光体層２を移動可能に構成することもできる。例えば、図５に示すように、蛍光体層２を回転軸Ｘの周りに回転させる（モーター４等によって回転させる）反射型蛍光回転体１として構成することもできる。すなわち、反射型蛍光回転体１は、蛍光体層２と放熱基板６を接合したものをモーター４等と連結することで実現できる。また、この反射型蛍光回転体１において、放熱基板６や接合部７が、励起光および蛍光の反射面として機能している。なお、放熱基板６の形状は、円盤状や四角形などが考えられる。また回転の安定性を確保するために、円盤の一部を切り欠いたり、逆におもりをつけた形状とすることも可能である。
【００４９】
なお、図５の例では、反射型蛍光回転体１の蛍光体層２としては、１種類の蛍光体層だけが用いられている。具体的に、図５の例では、反射型蛍光回転体１の蛍光体層２として、例えば黄色蛍光体からなる蛍光体層だけが用いられ、この場合、固体光源５として青色光を発光するものを用いれば、反射光として白色などの照明光を得ることができる。あるいは、図５の例では、反射型蛍光回転体１の蛍光体層２として、例えば青、緑、赤色の蛍光体のそれぞれが例えば均一に分散されて混合されたものとなっている蛍光体層だけが用いられ、この場合、固体光源５として紫外光を発光するものを用いれば、反射光として白色などの照明光を得ることができる。ただし、本発明は、これに限定されず、種々の変形が可能である。すなわち、反射型蛍光回転体１の蛍光体層２としては、青、緑、黄、赤色などの蛍光体層を少なくとも１つ配置した構成にすることができる。図６（ａ），（ｂ）、図７（ａ），（ｂ）、図８（ａ），（ｂ）、図９（ａ），（ｂ）には、反射型蛍光回転体１の蛍光体層２についての種々の構成例が示されている。なお、図６（ａ）、図７（ａ）、図８（ａ）、図９（ａ）はそれぞれ平面図、図６（ｂ）、図７（ｂ）、図８（ｂ）、図９（ｂ）は、それぞれ、図６（ａ）、図７（ａ）、図８（ａ）、図９（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。図６（ａ），（ｂ）の例は、蛍光体層２としては、１種類の蛍光体層（例えば黄色蛍光体からなる蛍光体層）だけが用いられる場合であり、図５の例に相当している。また、図７（ａ），（ｂ）の例は、反射型蛍光回転体１の蛍光体層２として、２種類の蛍光体層２ａ，２ｂ（例えば赤色蛍光体からなる赤色の蛍光体層２ａと緑色蛍光体からなる緑色の蛍光体層２ｂ）が２等分に分割された蛍光体領域として設けられており、この場合、固体光源５として青色光を発光するものを用いれば、反射型蛍光回転体１の回転時の反射光として白色などの照明光を得ることができる。また、図８（ａ），（ｂ）の例は、反射型蛍光回転体１の蛍光体層２として、３種類の蛍光体層２ａ，２ｂ，２ｃ（例えば赤色蛍光体からなる赤色の蛍光体層２ａと緑色蛍光体からなる緑色の蛍光体層２ｂと青色蛍光体からなる青色の蛍光体層２ｃ）が３等分に分割された蛍光体領域として設けられており、この場合、固体光源５として紫外光を発光するものを用いれば、反射型蛍光回転体１の回転時の反射光として白色などの照明光を得ることができる。また、図９（ａ），（ｂ）の例は、反射型蛍光回転体１の蛍光体層２として、２種類の蛍光体層２ａ，２ｂ（例えば赤色蛍光体からなる赤色の蛍光体層２ａと緑色蛍光体からなる緑色の蛍光体層２ｂ）が蛍光体領域として設けられ、蛍光体層が設けられていない領域が非蛍光体領域１２ｃとして設けられており、この場合、固体光源５として青色光を発光するものを用いれば、反射型蛍光回転体１の回転時の反射光として白色などの照明光を得ることができる。この他にも、種々の変形が可能である。
【００５０】
また、反射型蛍光回転体１の上述の各例では、複数の蛍光体層を使用する場合、各蛍光体層を水平方向に並べて配置しているが、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、複数の蛍光体層（図１０（ａ），（ｂ）の例では、２つの蛍光体層２ｊ，２ｋ）を垂直方向に重ねて（積層して）配置しても良い。なお、図１０（ａ）は平面図、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。この場合、例えば、固体光源５が可視光として青色光を発光するものであるとき、蛍光体層２ｊには、緑色蛍光体からなるものを用い、蛍光体層２ｋには、赤色蛍光体からなるものを用いれば、反射光として白色などの照明光を得ることができる。
【００５１】
このように、蛍光体層２を回転軸Ｘの周りに回転させる（モーター４等によって回転させる）反射型蛍光回転体１として構成することにより、すなわち、固体光源５に対して蛍光体層２を回転させることにより、固体光源５からの励起光が当たる場所を分散させ、光照射部での発熱を抑えることができ（この蛍光回転体１を用いることで、そもそも蛍光体の発熱を抑えることができ）、これにより、より一層の高輝度化が可能となる。
【００５２】
上述したように、本発明では、固体光源５と蛍光体層２を放熱基板６に対して同じ側に設置することで、反射型の光源装置となる。もちろん必要であれば、固体光源５と蛍光体層２との間にレンズなどの光学素子を入れることもできる。
【００５３】
また、本発明の上述した種々の光源装置を所定のレンズ系などの光学部品と組み合わせることで、高輝度化が可能な照明装置を提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、照明一般などに利用可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１ 蛍光回転体
２ 蛍光体層
４ モーター
５ 固体光源
６ 放熱基板
７ 接合部
１０ 光源装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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発光する固体光源と、該固体光源からの励起光により励起され該固体光源の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層と、該蛍光体層の前記励起光が入射する側の面とは反対の面側に設けられる放熱基板とを備え、前記蛍光体層は実質的に樹脂成分を含まず、前記固体光源と前記蛍光体層とが空間的に離れて配置されており、前記蛍光体層の面のうち励起光が入射する側の面とは反対側に設けられた反射面による反射を用いて蛍光を取り出すことを特徴とする光源装置。
【請求項２】
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ることを特徴とする光源装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の光源装置において、前記蛍光体層は、前記放熱基板に金属を介して接合されていることを特徴とする光源装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光源装置において、該光源装置は、前記蛍光体層と前記放熱基板とを有する蛍光回転体を備えていることを特徴とする光源装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項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。
【請求項１】
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発光する固体光源と、該固体光源からの励起光により励起され該固体光源の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層と、該蛍光体層の前記励起光が入射する側の面とは反対の面側に設けられる放熱基板とを備え、前記蛍光体層は実質的に樹脂成分を含まず、前記固体光源と前記蛍光体層とが空間的に離れて配置されており、前記蛍光体層の面のうち励起光が入射する側の面とは反対側に設けられた反射面による反射を用いて蛍光を取り出すことを特徴とする光源装置。
【請求項２】
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ることを特徴とする光源装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の光源装置において、前記蛍光体層は、前記放熱基板に金属を介して接合されていることを特徴とする光源装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光源装置において、該光源装置は、前記蛍光体層と前記放熱基板とを有する蛍光回転体を備えていることを特徴とする光源装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−１２９３５４（Ｐ２０１１−１２９３５４Ａ）
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８６３９７（Ｐ２００９−２８６３９７）
【出願日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
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