(57)【要約】【課題】排熱性に優れ、温度消光を抑制することができる蛍光ホイールを有し、小型な蛍光光源装置を提供する。【解決手段】回転駆動される蛍光ホイールを備えた蛍光光源装置において、前記蛍光ホイールは、励起光により励起されて蛍光を発する蛍光体プレートを有し、この蛍光体プレートの励起光受光面には、励起光を透過し、かつ、当該蛍光体プレートが発する蛍光を反射する誘電体多層膜が形成されていることを特徴とする。また、前記蛍光体プレートが発する蛍光の一部の波長領域が、当該蛍光体プレートが励起され得る光の波長領域と重なっており、前記誘電体多層膜は、前記蛍光における前記一部の波長領域の光を反射する分光反射率特性を有することが好ましい。また、前記蛍光ホイールにおける蛍光出射面には、蛍光放出用凹凸構造が形成されていることが好ましい。【選択図】図１
2015069884.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転駆動される蛍光ホイールを備えた蛍光光源装置において、
前記蛍光ホイールは、励起光により励起されて蛍光を発する蛍光体プレートを有し、
この蛍光体プレートの励起光受光面には、励起光を透過し、かつ、当該蛍光体プレートが発する蛍光を反射する誘電体多層膜が形成されていることを特徴とする蛍光光源装置。
【請求項２】
前記蛍光体プレートが発する蛍光の一部の波長領域が、当該蛍光体プレートが励起され得る光の波長領域と重なっており、前記誘電体多層膜は、前記蛍光における前記一部の波長領域の光を反射する分光反射率特性を有することを特徴とする請求項１に記載の蛍光光源装置。
【請求項３】
前記蛍光ホイールにおける蛍光出射面には、蛍光放出用凹凸構造が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蛍光光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転駆動される蛍光ホイールに励起光を照射することによって、当該蛍光ホイールから蛍光を放射する蛍光光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば半導体レーザからの励起光を照射して蛍光体を励起させることによって、当該蛍光体から蛍光を放射する蛍光光源装置としては、回転駆動される蛍光ホイールを備えてなるものが知られている（特許文献１参照。）。このような蛍光光源装置における蛍光ホイールは、円板状の透光性基材の表面上に、ダイクロイック層を介して、円環状の蛍光体層が当該透光性基材の周方向に沿って形成されて構成されている。
ここで、透光性基材は、励起光を透過する材料、例えばガラスまたは透明樹脂によって構成されている。また、ダイクロイック層は、励起光を透過すると共に、それ以外の光を反射する特性を有するものである。また、蛍光体層は、蛍光体結晶と、ガラスまたは樹脂などのバインダーとによって構成されている。
このような蛍光光源装置においては、励起光が蛍光ホイールにおける透光性基材およびダイクロイック層を介して蛍光体層に照射されることにより、当該蛍光体層から蛍光が放射される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１３３１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の蛍光光源装置においては、以下のような問題がある。
透光性基材や蛍光体層のバインダーを構成するガラスまたは透明樹脂は、熱伝導率の小さくて排熱性が低いものである。このため、励起光を受けることによって蛍光体層が発熱した場合には、当該蛍光体層の温度が相当に高くなる。その結果、蛍光体層には温度消光が生じるため、十分な光量が得られない。
このような問題を解決するためには、蛍光ホイールとしてサイズの大きいものを用い、更に、蛍光ホイールの回転速度を大きくすることが考えられる。しかしながら、このような構成では、蛍光光源装置全体の大型化を招くと共に、蛍光ホイールを回転駆動するモーターの短寿命化を招く、という問題が生ずる。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、排熱性に優れ、温度消光を抑制することができる蛍光ホイールを有し、小型な蛍光光源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の蛍光光源装置は、回転駆動される蛍光ホイールを備えた蛍光光源装置において、
前記蛍光ホイールは、励起光により励起されて蛍光を発する蛍光体プレートを有し、
この蛍光体プレートの励起光受光面には、励起光を透過し、かつ、当該蛍光体プレートが発する蛍光を反射する誘電体多層膜が形成されていることを特徴とする。
【０００７】
本発明の蛍光光源装置においては、前記蛍光体プレートが発する蛍光の一部の波長領域が、当該蛍光体プレートが励起され得る光の波長領域と重なっており、前記誘電体多層膜は、前記蛍光における前記一部の波長領域の光を反射する分光反射率特性を有することが好ましい。
また、前記蛍光ホイールにおける蛍光出射面には、蛍光放出用凹凸構造が形成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の蛍光光源装置によれば、蛍光ホイールは、蛍光体プレートを備えてなるため、排熱性に優れ、温度消光を抑制することができる。また、蛍光ホイールとしてサイズの大きいものを用いることが不要で、蛍光ホイールの回転速度は小さくてもよいため、装置全体の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の蛍光光源装置の一例における蛍光ホイールの構成を示す説明図である。
【図２】図１に示す蛍光ホイールを励起光受光面側から見た図である。
【図３】図１に示す蛍光ホイールの一部を拡大して示す説明用断面図である。
【図４】本発明の蛍光体における蛍光放出用凹凸構造のアスペクト比と蛍光の取出し効率との関係を示すグラフである。
【図５】蛍光体プレート１１を構成する蛍光体としてＹＡＧ：Ｃｅを用いた場合において、蛍光体の励起スペクトルおよび蛍光スペクトルを示す図である。
【図６】蛍光体プレート１１を構成する蛍光体としてＣＡＳＮ：Ｅｕを用いた場合において、蛍光体の励起スペクトルおよび蛍光スペクトルを示す図である。
【図７】発明の蛍光光源装置の他の例における蛍光ホイールの一部を拡大して示す説明用断面図である。
【図８】発明の蛍光光源装置の更に他の例における蛍光ホイールの一部を拡大して示す説明用断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の蛍光光源装置の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の蛍光光源装置の一例における蛍光ホイールの構成を示す説明図である。図２は、図１に示す蛍光ホイールを励起光受光面側から見た図である。また、図３は、図１に示す蛍光ホイールの一部を拡大して示す説明用断面図である。
この蛍光光源装置における蛍光ホイール１０は、円板状のものである。蛍光ホイール１０における蛍光出射面（図１において右面）の中心位置には、蛍光ホイール１０の外径より小さい外径を有する円板状の金属ホイール１４が、例えばエポキシ系接着材などによって固定されて設けられている。この金属ホイール１４には、金属ホイール１４の表面から垂直方向に伸びる駆動軸１４ａが設けられている。
【００１１】
この蛍光ホイール１０は、励起光Ｌ１により励起されて蛍光Ｌ２を発する円板状の蛍光体プレート１１を有する。ここで、励起光源としては、レーザダイオードを用いることができる。
蛍光体プレート１１における励起光受光面（図１において左面）には、励起光Ｌ１を透過し、かつ、当該蛍光体プレート１１が発する蛍光Ｌ２を反射する誘電体多層膜１５が形成されている。
また、蛍光体プレート１１における蛍光出射面には、蛍光放出用凹凸構造１２が形成されている。
【００１２】
蛍光体プレート１１は、蛍光体結晶によって構成されていても、蛍光体粉末がバインダーによって結着されて構成されていてもよい。
また、蛍光体プレート１１の厚みは、例えば１００〜１０００μｍであり、蛍光体プレート１１の直径は、例えば２０〜１００ｍｍである。
また、蛍光体プレート１１の熱伝導率は、４．０Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましく、より好ましくは６〜２０Ｗ／ｍＫである。
【００１３】
蛍光体結晶よりなる蛍光体プレート１１を形成する場合において、蛍光体結晶としては、ＹＡＧ：Ｃｅ、ＹＡＧ：Ｐｒ、ＬｕＡＧ：Ｃｅなどの緑色蛍光体、ＹＡＧ：Ｓｍ、ＣＡＳＮ：Ｅｕ、ｓＣＡＳＮ：Ｅｕ、ＹＡＧ：Ｐｒなどの赤色蛍光体を用いることができる。  これらの蛍光体結晶において、希土類元素のドープ量は、例えば０．５ｍｏｌ％程度である。
【００１４】
蛍光体プレート１１を蛍光体単結晶によって構成する場合には、当該蛍光体単結晶はチョクラルスキー法によって得ることができる。具体的に説明すると、先ず、坩堝内において種子結晶を溶融された原料に接触させる。次いで、この状態で、種子結晶を回転させながら鉛直方向に引き上げて当該種子結晶に単結晶を成長させる。このようにして、蛍光体単結晶が得られる。
【００１５】
蛍光体プレート１１を蛍光体多結晶によって構成する場合には、当該蛍光体多結晶は、例えば以下のようにして得ることができる。先ず、母材、賦活材および焼成助剤などの原材料をボールミルなどによって粉砕処理することによって、サブミクロン以下の原材料微粒子を調製する。次いで、この原材料微粒子を例えばスリップキャスト法によって焼結する。その後、得られた焼結体に対して熱間等方圧加圧加工を施すことによって、蛍光体多結晶が得られる。
このようにして得られる蛍光体多結晶には気孔が形成されるが、気孔率は０．５％以下であることが好ましい。気孔率が過大である場合には、後述する実験例からも明らかなように、気孔に存在する空気に起因して、当該蛍光体多結晶の熱伝導率が低下し、必要な排熱性を得ることが困難となることがある。
【００１６】
蛍光体粉末がバインダーによって結着されてなる蛍光体プレート１１を形成する場合において、蛍光体粉末としては、ＢＡＭ：Ｅｕ、ＣＭＳ：Ｅｕなどの青色蛍光体、ＹＡＧ：Ｃｅ、ＹＡＧ：Ｐｒ、ＬｕＡＧ：Ｃｅ、β―サイアロンなどの緑色蛍光体、ｓ−ＣＡＳＮ、ＣＡＳＮ、α−サイアロンなどの赤色蛍光体などを用いることができる。このような蛍光体粉末の平均粒径は、例えば１〜６０μｍである。
【００１７】
蛍光体プレート１１における蛍光体粉末の割合は、３０〜７０体積％であることが好ましい。この割合が過小である場合には、蛍光体プレート１１の熱伝導率が小さくなり、必要な排熱性を得ることが困難となることがある。一方、この割合が過大である場合には、バインダーによって蛍光体粉末を結着することが困難となることがある。
【００１８】
バインダーとしては、ガラスなどの無機バインダー、シリコーン樹脂などの有機バインダーを用いることができる。
【００１９】
蛍光放出用凹凸構造１２は、蛍光体プレート１１が発する蛍光Ｌ２の回折が可能な周期で凹凸が形成されてなるものである。
このような蛍光放出用凹凸構造１２は、例えばナノインプリント法およびドライエッチング処理によって形成することができる。具体的に説明すると、先ず、例えば矩形板状の蛍光プレート材料の表面に、例えばスピンコート法によってレジストを塗布する。次いで、レジストの塗布膜に対してナノインプリント法によりパターニングを行う。その後、パターニングによって露出した蛍光プレート材料に、ドライエッチング処理を施すことにより、蛍光放出用凹凸構造１２が形成される。
このような蛍光放出用凹凸構造１２を形成することにより、蛍光体プレート１１の蛍光出射面が平面である場合と比較して、２〜４倍の光取出しが可能となる。
上記蛍光放出用凹凸構造１２の周期構造における周期ｄに対する凸部の高さｈの比（ｈ／ｄ）であるアスペクト比に対する光取出し効率を図４に示す。この図４に示すように、アスペクト比は、０．２以上になると光取出し効率が良くなっており、アスペクト比０．２以上がよく、好ましくは０．２〜１．５であり、特に好ましくは０．５〜１．０である。
アスペクト比（ｈ／ｄ）が０. ２未満である場合には、蛍光体の表面が平面に近くなるため回折による効果が十分に得られず、高い光取出し効率が得られない。
【００２０】
誘電体多層膜１５は、励起光Ｌ１を透過すると共に、蛍光体プレート１１が発する蛍光を反射するものである。この誘電体多層膜１５は、低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層されて構成されている。誘電体多層膜１５における各層を構成する材料としては、ＡｌＮ、ＳｉＯ2 、ＳｉＮ、ＺｒＯ2 、ＳｉＯ、ＴｉＯ2 、Ｔａ2 Ｏ3 、Ｎｂ2 Ｏ5 などから適宜選択して用いることができる。誘電体多層膜１５の構成の一例を挙げると、ＳｉＯ2 よりなる低屈折率層と、ＴｉＯ2 よりなる高屈折率層が交互に積層されてなるものである。低屈折率層および高屈折率層の総数は６９層である。また、低屈折率層の総厚が３．３μｍ、高屈折率層の総厚が１．８μｍ、誘電体多層膜１５全体の厚みが５μｍである。このような誘電体多層膜１５においては、４７５ｎｍから６５０ｎｍの波長範囲において、反射率が９８％以上のものを構成することが可能となる。
【００２１】
また、本発明においては、蛍光体プレート１１が発する蛍光の一部の波長領域が、当該蛍光体プレート１１が励起され得る光の波長領域と重なっており、誘電体多層膜１５は、蛍光体プレート１１の蛍光Ｌ２における前記一部の波長領域の光を反射する分光反射率特性を有することが好ましい。
【００２２】
図５は、蛍光体プレート１１を構成する蛍光体としてＹＡＧ：Ｃｅを用いた場合において、蛍光体の励起スペクトルおよび蛍光スペクトルを示す図である。
図５において、ａは蛍光体の励起スペクトル、ｂは蛍光体の蛍光スペクトルである。この図５に示すように、ＹＡＧ：Ｃｅよりなる蛍光体プレートにおいては、励起スペクトルと蛍光スペクトルとが、４９０〜５３０ｎｍの波長域において重なっている（ｄ）。一方、緑色光として必要な波長域は、一般に、５３０〜５７０ｎｍであり、４９０〜５３０ｎｍの波長域の光は光学フィルターによってカットされる。ここで、図５におけるｃは光学フィルターの分光透過率曲線である。このため、蛍光体プレート１１の蛍光のうち、４９０〜５３０ｎｍの波長域の光はロスとなる。然るに、誘電体多層膜１５として４９０〜５３０ｎｍの波長域の光を反射するものを用いることにより、当該波長域の光が誘電体多層膜１５によって反射されて再度蛍光体プレート１１に入射される。このため、この反射光によって蛍光体プレート１１が励起されて当該反射光より波長の長い蛍光Ｌ２を発するので、高い光の利用率が得られる。
【００２３】
また、図６は、蛍光体プレート１１を構成する蛍光体としてＣＡＳＮ：Ｅｕを用いた場合において、蛍光体の励起スペクトルおよび蛍光スペクトルを示す図である。
図６において、ａは蛍光体の励起スペクトル、ｂは蛍光体の蛍光スペクトルである。この図６に示すように、ＣＡＳＮ：Ｅｕよりなる蛍光体プレートにおいては、励起スペクトルと蛍光スペクトルとが、５６０〜６２０ｎｍの波長域において重なっている（ｄ）。一方、赤色光として必要な波長域は、一般に、６２０〜６６０ｎｍであり、５６０〜６３０ｎｍの波長域の光は光学フィルターによってカットされる。ここで、図６におけるｃは光学フィルターの分光透過率曲線である。このため、蛍光体プレート１１の蛍光Ｌ２のうち、５６０〜６３０ｎｍの波長域の光はロスとなる。然るに、誘電体多層膜１５として５６０〜６３０ｎｍの波長域の光を反射するものを用いることにより、当該波長域の光が誘電体多層膜１５によって反射されて再度蛍光体プレート１１に入射される。このため、この反射光によって蛍光体プレート１１が励起されて当該反射光より波長の長い蛍光Ｌ２を発するので、高い光の利用率が得られる。
【００２４】
上記の蛍光光源装置によれば、蛍光ホイール１０は、蛍光体プレート１１を備えてなるため、排熱性に優れ、温度消光を抑制することができる。また、蛍光ホイール１０としてサイズの大きいものを用いることが不要で、蛍光ホイール１０の回転速度は小さくてもよいため、装置全体の小型化を図ることができる。
【００２５】
本発明においては、上記の実施の形態に限定されず、以下のような種々の変更を加えることが可能である。
（１）図７（ａ）に示すように、蛍光ホイール１０の周側面に光拡散反射材１６が設けられていてもよい。また、図７（ｂ）に示すように、蛍光ホイール１０の周側面が光拡散反射面１３とされていてもよい。
光拡散反射材１６としては、シリコーン樹脂またはガラス中に酸化チタンが含有されてなるものを用いることができる。
また、光拡散反射面１３を形成する方法としては、塗布によって外周部に反射塗料を塗布することによって光反射層を形成させることができる。
このような構成によれば、蛍光ホイール１０の周側面から蛍光Ｌ２が出射されることが防止されるので、より高い光の取り出し効率が得られる。
【００２６】
（２）図８に示すように、蛍光ホイール１０の励起光受光面における励起光受光位置より中心側に、溝１７が蛍光ホイール１０の周方向に沿って形成されていてもよい。
このような溝１７を形成する方法としては、メカニカルスクライバーによって溝を掘ることが可能である。このような拡散反射層を設ける場合には、レーザー等によって部分的にΦ１０〜１００μｍの複数の溝を設けても良く、この場合、貫通穴であっても良い。
このような構成によれば、蛍光体プレート１１内において、中心方向に向かって進む蛍光Ｌ２が溝１７の側壁によって反射されるので、より高い光の取り出し効率が得られる。
【００２７】
（３）蛍光放出用凹凸構造を蛍光体プレート１１の蛍光出射面に直接形成する代わりに、表面に蛍光放出用凹凸構造が形成された凹凸構造体を蛍光体プレート１１の蛍光出射面に設けることができる。
このような凹凸構造体を構成する材料としては、サファイア基板に凹凸構造を形成させ、張り合わせてもよく、レーザー光等の励起光は蛍光体で吸収されるので、蛍光体表面（光取出し面）には励起光は到達せず、レーザー光による加熱が起こらないため、樹脂材からなる凹凸フィルムを使用することが可能となる。励起面とは反対側の光取出し面に、熱可塑性の樹脂シート（ＣＯＰ：シクロオレフィンポリマー）ナノインプリント等で凹凸構造を形成したものを接着剤等で貼り付けてもよい。
【００２８】
（４）凹凸構造体が設けられる場合には、蛍光プレート１１と凹凸構造体との間に、励起光Ｌ１を反射すると共に蛍光体プレート１１からの蛍光Ｌ２を透過する誘電体多層膜が設けられていてもよい。
このような構成によれば、蛍光体プレート１１を透過した励起光Ｌ１が誘電体多層膜によって反射される。その結果、反射光によって蛍光体プレート１１が励起されるので、高い光の利用率が得られる。
【００２９】
（５）蛍光ホイール１０に蛍光放出用凹凸構造１２を形成する代わりに、蛍光体プレート１１の蛍光出射面が粗面化処理されていてもよい。蛍光体プレート１１の蛍光出射面を粗面化処理する方法としては、機械的方法や、エッチングなどによる化学的方法を利用することができる。
【００３０】
〈実験例１〜７〉
図１および図２に示す構成に従い、下記の仕様の蛍光ホイール（１０）を作製した。
（１）蛍光体プレート（１１）
材質：ＹＡＧ：Ｃｅ，直径：５０ｍｍ、厚み：０．２７ｍｍ，気孔率：下記表１に示す通り。熱伝導率：表１に示す通り。
（２）蛍光放出用凹凸構造（１２）
凸部の高さ：２３０μｍ，凹凸のピッチ：４６０μｍ
（３）誘電体多層膜（１５）
材質：ＳｉＯ2 よりなる低屈折率層と、ＴｉＯ2 よりなる高屈折率層が交互に積層されてなるもの。
低屈折率層および高屈折率層の総数：６９層，低屈折率層の総厚：３．３μｍ，高屈折率層の総厚：１．８μｍ，全体の厚み：５μｍ，反射特性：４７５〜６５０ｎｍの波長範囲における反射率が９８％以上
【００３１】
励起光源としてレーザー光４４５ｎｍを用い、上記の蛍光ホイールを４５００ｒｐｍで回転させながら励起光受光面に励起光を入射した。励起光の入射を開始してから１０分間経過後に、蛍光体プレートの温度を測定した。結果を下記表１に示す。
【００３２】
【表１】
2015069884.tif 000003
【００３３】
表１の結果から明らかなように、蛍光体プレートの気孔率が大きくなるに従って、熱伝導率が低下し、これに伴って、蛍光体プレートの温度が上昇することが理解される。表１の結果から、蛍光体プレート１１の気孔率が０．５％以下であれば、蛍光体プレートの温度を２００℃以下に制御することができる。
【符号の説明】
【００３４】
１０  蛍光ホイール
１１  蛍光体プレート
１２  蛍光放出用凹凸構造
１３  光拡散反射面
１４  金属ホイール
１４ａ  駆動軸
１５  誘電体多層膜
１６  光拡散反射材
１７  溝
Ｌ１  励起光
Ｌ２  蛍光
【図１】
2015069884.tif 000004
【図２】
2015069884.tif 000005
【図３】
2015069884.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2015069884.tif 000010
【図８】
2015069884.tif 000011