(57)【要約】【課題】  励起光を吸収して蛍光を発する発光部材において、光利用効率を高め、かつ出射される光の均一性を高める。【解決手段】  基材１の一方の面には凹凸が形成され、他方の面は平坦になっている。基材１中には蛍光体が全体に分散されている。基材１の凸部近傍は蛍光体の濃度が低い低濃度領域２ａ、凹部近傍は蛍光体の濃度が高い領域２ｂによって形成される。この蛍光体の濃度は高濃度領域２ｂの発光効率が高くなるように設定される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面に凹凸を有し、他方の面が平坦である板状の基材と、該基材内部全体に分散された蛍光体と、からなる発光部材において、該基材の凹部における該蛍光体濃度が、該基材の凸部における該蛍光体濃度よりも高くなっていることを特徴とする発光部材。
【請求項２】
前記基材の前記凹凸が1次元または2次元のプリズム形状であることを特徴とする請求項１記載の発光部材。
【請求項３】
前記蛍光体の濃度が連続的に変化していることを特徴とする請求項１乃至請求項２の発光部材。
【請求項４】
前記基材の厚み方向における前記蛍光体または燐光体の総量が、前記基材の面内において実質的に均一であることを特徴とする請求項３記載の発光部材。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４記載の発光部材と、紫外光または青色を発する光源とを有することを特徴とする照明装置。
【請求項６】
前記蛍光体が、赤、緑、青、いずれかの蛍光を発する蛍光体を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項４記載の発光部材。
【請求項７】
請求項６記載の発光部材を周期的に配列したことを特徴とするスクリーン。
【請求項８】
請求項７記載のスクリーンと、紫外光または青色を発する光源と、前記光源から発した光を集光する手段と、該集光された光を前記スクリーンの面内でスキャンする手段とを有する表示装置。
【請求項９】
ある濃度の蛍光体が全体に分散された部材と、該濃度と異なる濃度の蛍光体が全体に分散された部材とを、周期的に配列する工程と、配列された該部材に型を押し当てて該部材に凹凸形状を形成する工程とを有し、該型の凸部を該蛍光体の濃度が高い領域に対応させ、該型の凹部を該蛍光体の濃度が低い領域に対応させることを特徴とする発光部材の製造方法。
【請求項１０】
底部に凹凸の形成された型に、ゲル状の部材を充填する工程と、該部材の表面に蛍光体粉末を一様に散布する工程と、沈降により該蛍光体粉末を該部材に分散させる工程と、該部材を固化させる工程とを有することを特徴とする発光部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光部材に関し、特に蛍光体を用いた発光部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
外部から照射された電子線や粒子線、電磁波等のエネルギーを吸収して、蛍光を発する発光部材がある。このような発光部材は、種々の照明装置や表示装置、測定装置の発光源として広く利用されている。このうち電磁波を励起源とする発光部材の多くは、紫外線または青色など短波長の光を吸収して、励起光より長波長の、自身に固有の光を発するものである。なお、本発明における蛍光とは、広義の蛍光であり、燐光も含むものである。
【０００３】
このような蛍光部材では、以下に述べる理由により、注入したエネルギーに比べて、取り出されるエネルギーが大幅に小さくなってしまうのが一般的である。その理由とは、1)光の吸収率が1より大幅に小さいこと、2)吸収率を高めようと膜厚を厚くすると蛍光体による光散乱損失が増大すること、3)蛍光体濃度を高めると発光中心間でのエネルギー移動が増大し発光効率が低下すること、4)光が等方的に出射されるため所望の方向に取り出せる光の割合が小さいことなどである。このため光の利用効率を向上させるべく種々の工夫がなされている。
【０００４】
特許文献1には、発光量を増大させる技術が開示されている。図１７はこの技術を用いた蛍光光源の構成を示す断面模式図である。板状の基材1０１の一方の面には凹凸が形成されている。凹凸面上には蛍光体１０４が一定の厚さに形成されている。この蛍光体１０２の側から励起光１０３が入射する。蛍光体１０４は凹凸面に形成されているため、平坦な面に形成された場合よりも表面積が大きくなっている。発生する蛍光１０５の光量は蛍光体１０４の表面積に比例するため、取り出される光量も増加する。またこの場合、蛍光体１０４の膜厚が一定であるため、均一性も確保される。
【０００５】
また、特許文献２には、所定方向に取り出される光量を増大させるための技術が開示されている。図１８は、この技術を用いた蛍光光源の構成を示す断面模式図である。基材１０１には蛍光体１０４が分散されている。基材１０１の一方の面には凹凸が形成されている。個々の凹凸は錐体であり、プリズムを形成している。励起光１０３を受けて蛍光体１０４から発せられた蛍光１０５はプリズムと空気の界面で一部が反射し凹凸面と反対の方向に出射される。こうして、凹凸面と反対側の面から出社する光量が増大する。また空気層は基材１０１より屈折率が低いため、プリズムの頂角を適切に設定すれば、全反射条件を満たす成分が増えるため、さらに多くの光量を取り出すことが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２００７８２号公報                          （００５９）−（００６５）  図５
【特許文献２】特開平２−１８７７４２号公報                          ２ページ  図１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、特許文献１の技術には、蛍光部材全体の大きさが、蛍光体の体積に比べて大きくなってしまう問題があった。この構成では、蛍光体が凹凸面の表面のみに存在しているため、基材の部分は発光に寄与しないからである。
【０００８】
また特許文献２の技術には、発光面における光量の均一性が悪いという問題があった。この技術の特徴は凸部から所定方向に出射される光量が多いことであるが、一方で凹部から出射される光量は少ない。このため明暗が周期的に繰り返すような光量ばらつきを生じることとなる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の課題を解決するため、本発明では、一方の面に凹凸を有し、他方の面が平坦である板状の基材と、該基材内部全体に分散された蛍光体と、からなる発光部材において、該基材の凹部における該蛍光体濃度が、該基材の凸部における蛍光体濃度よりも高くなっている。
【発明の効果】
【００１０】
第１の効果は、光利用効率が良いことである。これは励起光受光面の表面積が大きいこと、および部材全体が発光に寄与すること、および所定方向に出射される光量が多いことによる。
【００１１】
第２の効果は、光量の面内均一性が良いことである。これは凸部と凹部との出射光量の差が小さいためである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明第１の実施の形態を示す断面模式図である。
【図２】蛍光体濃度と蛍光の取り出し量の関係を示すグラフである。
【図３】蛍光体膜厚と蛍光の取り出し量の関係を示すグラフである。
【図４】蛍光体濃度と膜厚と蛍光の取り出し量の関係を示すグラフである。
【図５】本発明第１の実施の形態の動作を示す断面模式図である。
【図６】本発明第１の実施の形態の第１の製造方法を示す断面模式図である。
【図７】本発明第１の実施の形態の第２の製造方法を示す断面模式図である。
【図８】本発明第１の実施の形態の製造に用いる部材の平面模式図である。
【図９】本発明第２の実施の形態を示す断面模式図である。
【図１０】本発明第３の実施の形態を示す断面模式図である。
【図１１】本発明第４の実施の形態を示す断面模式図である。
【図１２】本発明第４の実施の形態の製造方法を示す断面模式図である。
【図１３】本発明第５の実施の形態を示す断面模式図である。
【図１４】本発明第６の実施の形態を示す断面模式図である。
【図１５】本発明第７の実施の形態を示す断面模式図である。
【図１６】本発明第８の実施の形態を示す断面模式図である。
【図１７】特許文献１の従来技術を示す断面模式図である。
【図１８】特許文献２の従来技術を示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は本発明第１の実施の形態の発光部材を示す断面模式図である。この発光部材は、透光性で板状の基材1と、基材１全体に分散された蛍光体とからなる。
【００１４】
基材１の一方の面には凹凸が形成され、他方の面は平坦になっている。基材１中には蛍光体が全体に分散されている。図１の凹凸形状は円弧状であるが、これはsin波形状や三角波形状などでも良い。
【００１５】
基材１の凸部近傍は蛍光体の濃度が低い低濃度領域２ａ、凹部近傍は蛍光体の濃度が高い高濃度領域２ｂによって形成される。この蛍光体の濃度は高濃度領域２ｂの光利用効率が高くなるように設定される。
【００１６】
ここで、光の利用効率を高くする濃度設定について図面を用いて説明する。図２に蛍光体濃度と蛍光の取り出し量との関係を示す。蛍光体濃度の低い領域では蛍光体濃度が増すにしたがって蛍光の取り出し量は増加するが、ある濃度以上になると傾向の取り出し量は減少する。また図３に蛍光体膜厚と蛍光の取り出し量の関係を示す。蛍光の取り出し量は、膜厚が薄い領域では膜厚の増加にしたがって増加するが、ある値よりも大きくなると減少する。図２、図３の関係から図４の関係が導かれる。膜厚が厚い場合に蛍光の取り出し量が最大となる濃度は図４のＡ点であり、膜厚が薄い場合に同じ取り出し量となるのはＡ点よりも濃度の高いＢ点とである。本実施の形態ではこのＢ点となるように凹部の濃度を設定することが望ましい。
【００１７】
一例を示すと、例えば基材として厚さ２０μｍのＰＭＭＡを用い、蛍光体として（Ｙ，Ｇｄ）ＢＯ３：Ｅｕを用いた場合は体積濃度で１５−３０％、蛍光体として（ＢａＳｒ）２ＳｉＯ４：Ｅｕを用いた場合は体積濃度で１０−２５％とすることが望ましい。
【００１８】
図５は本実施の形態における発光過程を模式的に示した断面図である。低濃度領域２ａ、高濃度領域２ｂそれぞれに含まれる蛍光体４の一部を○印で示している。まず低濃度領域２ａの蛍光体４に着目する。励起光３が蛍光体４に入射すると蛍光体４からは蛍光５が等方的に出射される。凹凸側へ出射された蛍光５の一部は図に示すように、基材１と外界との界面で一部が反射され、基材１の平坦面側に出射される。また外界が空気の場合、基材１より屈折率が低いため、蛍光５の一部は全反射されることになる。このようにして凸部では、凹凸が無い場合よりも平坦面側に出射される光量が増加する。
【００１９】
一方凹部の高濃度領域２ｂから出射される蛍光５は、凹凸面で反射されて戻ってくる光がほとんど無い。このため、元々平坦面側に出射された蛍光５だけが外部に出射されることになる。しかし高濃度領域２ｂの蛍光体濃度は前記したように蛍光５の取り出し量が最大となるように設定してある。このため、同じ体積当たりの発光量は低濃度領域２ａよりも多くなっている。このようなメカニズムにより、平坦面側から見た場合に、低濃度領域２ａから出射される光量と、高濃度領域２ｂから出射される光量との差は小さくなり、結果として発光量の面内均一性が向上する。
【００２０】
図６は本発明の実施の形態の第１の製造方法を示す断面模式図である。まず図６（ａ）のように低濃度領域２ａとなる部材を所定の間隔を置いて配列する。次に図６（ｂ）のように間隙に高濃度領域２ｂとなる材料を充填する。この工程では液状の材料を充填しても良いし、予め間隙の大きさに合わせて作られた部材を熱圧着などで貼り合わせても良い。次に図６（ｃ）のように表面に凹凸を有する型６を押し当てる。このとき型６の凸部が高濃度領域２ｂに対応し、凹部が低濃度領域２ｃに対応するように部材の配列と型の凹凸を合わせておく。またこのとき樹脂を軟化させるために、型６や部材を加温しても良い。また型６の表面には離型処理を施しておくと良い。次に冷却するなどして樹脂を硬化させ、型６と基材１を分離し、図６(ｄ)のような発光部材７を得る。図６（ｃ）、（ｄ）の工程は通常スタンピングと呼ばれる技術である。なお凹部となる高濃度領域２ｂはスタンピングによって幅が広がるため、図６（ｂ)の工程の時点では、高濃度領域２ｂの幅を完成形の設計値よりも狭くし、また高濃度領域２ｂの濃度を完成形の設計値よりも高くしておくことが必要である。
【００２１】
図７は本実施の形態の第２の製造方法を示す断面模式図である。まず図７（ａ）のように、低濃度領域２ａのみからなる部材を用意する。次に図７（ｂ）のように低濃度領域２ａとして残す部分にフォトレジストなどを用いてマスク８を形成する。次に図７（ｃ）のように蛍光体４をマスクの開口部から拡散させる。次に図７（ｄ）のようにマスク７を除去する。次に図６（ｃ）、（ｄ）と同様スタンピングによって凹凸を形成する。
【００２２】
図８は図３、図４に示した製造工程においてスタンピングの前段となる工程で用いる部材の構成を示す平面図である。図８（ａ）はストライプ状の凹凸（１次元周期構造）を形成する場合に用い、図８（ｂ）は島状の凹凸（２次元周期構造）を形成する場合に用いる。
【００２３】
本実施の形態において用いる蛍光体４は、前記の製造工程に適合するものであればどのようなものでも使用できる。代表的なものには、金属酸化物等の母材結晶に、付活剤としてＥｕ３＋（赤）、Ｔｂ３＋（緑）、Ｔｍ３＋（青）などの希土類を添加したものがある。また有機錯体や半導体を用いたものもある。また近年では半導体微粒子の量子サイズ効果を利用して、粒子サイズをコントロールすることにより、１つの物質で様々な波長の光を発する蛍光体も実用化されている。蛍光体を適宜に選ぶことにより、所望の波長の光を発する発光部材７を作製することができる。
【００２４】
蛍光体の濃度については、用いる基材の材料および膜厚と、蛍光体材料の組合せにより最適値が異なるが、それぞれの場合において、図４の関係を調べて、高濃度領域２ｂからの蛍光取り出し量が最大となるように設定すればよい。なお、ここまでは励起光３が凹凸面側から入射することを前提に説明してきたが、励起光３が平坦面側から入射した場合も作用は同様である
（第２の実施の形態）
図９は本発明第２の実施の形態を示す断面模式図である。本実施の形態は基材１に形成された凹凸が１次元または２次元のプリズム構造を成している点に特徴がある。凹凸をプリズム構造とすることで、凹凸面と外界との界面で反射されて、平坦面側に出射される光量が増加する。
【００２５】
プリズムの頂角は全反射条件を満たす光量がより多くなるように設定することが望ましい。具体的には頂角が全反射の起きる臨界角の２倍となるようにすると良い。すなわちプリズムの頂角をθ、基材１の屈折率をｎとしたとき次式を満足するようにする。
【００２６】
ｓｉｎ（θ／２）＝１／ｎ
代表的な透明樹脂であるＰＭＭＡを例にとると、その屈折率を１．４９として、θ=８４°となる。
【００２７】
基材１の材料にはＰＭＭＡの他に、従来から光学用途に用いられてきたエポキシやポリカーボネイト、高機能樹脂として普及しつつあるＰＥＮ、ＣＯＣ、ＣＯＰ、廉価なＰＥＴなど種々の物を用いることができる。また加工が難しい難点はあるが、光学特性、耐久性に優れる、種々のガラスも用いることができる。プリズムの頂角は用いる材料の屈折率に合わせて最適化することが望ましい。
（第３の実施の形態）
図１０は本発明第３の実施の形態を示す断面模式図である。本実施の形態では、実施の形態１に加えて、低濃度領域２ａと高濃度領域２ｂの間に、両者の中間の蛍光体濃度を有する中濃度領域２ｃを設けている。この構成により平坦面から出射される発光量の均一性がより向上する。ここでは濃度の区分を３段階としたが、さらに区分を増やせばよりきめ細かく光量の均一化を図ることができる。
（第４の実施の形態）
図１１は本発明第４の実施の形態を示す断面模式図である。本実施の形態では基材１に分散された蛍光体４の濃度が連続的に変化している。この濃度分布は、基材１の厚み方向における蛍光体４の総量を実質的に均一になるように設定する。このような分布とすることで、第３の実施の形態よりもさらに均一性が向上する。
【００２８】
図１２は本実施の形態の製造方法を示す断面模式図である。まず図１２（ａ）のように型６に基材原料９を充填する。次に図１２（ｂ）のように、基材原料９の表面に蛍光体４の粉末や分散液を一様に散布する。次に型６を加温するなどして基材原料９をゲル化する。この状態を保持することによって蛍光体４を基材原料８の中に沈降させる。蛍光体４の比重、基材原料８の粘度、保持時間を適宜調整することによって、図１２（ｃ）のように蛍光体４が基材原料８中に分散された状態を形成する。次に冷却するなどして基材原料８を硬化させる。次いで、型６と基材原料８を分離することによって図１２（ｄ）のような発光部材７を得る。
（第５の実施の形態）
図１３は本発明第５の実施の形態の構成を示す模式図である。本実施の形態は照明装置であり、光源１０とレンズ１１と発光部材７を備える。光源１０から出射された励起光３はレンズにより広げられ発光部材７に入射する。励起光３を受光した発光部材７からは、そこに含まれる蛍光体に固有の波長を有する光が出射される。本構成により均一性に優れた照明装置を得ることができる。
（第６の実施の形態）
図１４は本発明第６の実施の形態を示す断面模式図である。本実施の形態は照明装置であり、励起光３を導く導光手段１２と、導光手段１２の出射面付近に設けられたホルダー１３と発光部材７を備える。発光部材７はホルダー１３に嵌合する構造となっており、着脱自在である。このため発光波長の異なる複数の発光部材７を用意しておけば、単一の励起光源を用いて、発光部材７を差し替えるだけで種々の波長の光を取り出すことができる。また本発明の発光部材７は光利用効率が高いため、従来よりも小さい体積で同じ光量を得ることができる。その結果、照明装置も小型化される。このような照明装置は顕微鏡や内視鏡に特に好適である。
（第７の実施の形態）
図１５は本発明第７の実施の形態を示す模式図である。本実施の形態は照明装置であり、励起光３を導く導光手段１２と、導光手段１２の出射面付近に設けられたホルダー１３と発光部材７を備える。本実施の形態におけるホルダー１３には複数の開口部が設けられ、各開口部にはそれぞれ発光波長の異なる発光部材７ａ−７ｅが取り付けられている。ホルダーは軸１４を中心に回転するようになっており、ホルダーを回転させるだけで照明の波長を切り替えることができる。
（第８の実施の形態）
図１６は本発明第８の実施の形態を示す模式図である。本実施の形態は表示装置であり、発光部材７を含む蛍光スクリーン１５と、光源９と、光源９から発せられた光を蛍光スクリーン１５上で走査させる走査部１６と、これらの動作をコントロールする制御部１７とからなる。蛍光スクリーン１５は赤色の光を発する発光部材７ｆ、緑色の光を発する発光部材７ｇ、青色の光を発する発光部材７ｈを、図１６のように周期的に配列したものである。
【００２９】
光源９は紫外線または青色の光を発するものであり、その波長は前記蛍光スクリーン１５を構成する各発光部材を励起できるように適宜選択する。価格や性能面を考慮すると、例えば波長405nmのレーザーダイオードなどを使えるようにしておくと都合が良い。走査部１６は光源からの光を、蛍光スクリーン１５上の限られたエリアに集光し、これを走査するものである。ポリゴンミラーやガルバノミラー、MEMSを用いたミラーなどの共振ミラーが好適である。制御部１７は外部より受け取った映像信号１８に応じて、光源９および走査部１６の動作を制御するものである。
【００３０】
次に本実施の形態の表示装置における動作を説明する。制御部１７が映像信号を受け取ると、光源９から映像信号１８に応じた強さの励起光３が発せられる。これと同時に、走査部１６により励起光３の出射方向が制御され、蛍光スクリーン１５上の１点に入射する。励起光３を受光した部分の発光部材７からは映像信号に対応した色および強さを有する光が出射される。次に走査部１６により励起光３の出射方向が移動し、蛍光スクリーン１５上の別の１点から映像信号１８に対応した色および強さを有する光が出射される。このような動作を繰り返すことによって、図１６に示すように、蛍光スクリーン１５上を励起光３がスキャンし、蛍光スクリーンに画像が表示される。
（第８の実施の形態）
本実施の形態では、第８の実施の形態における青色の光を発する発光部材７ｈの代わりに、青色の光を拡散する拡散部材を用いる。その他の構成および動作については実施の形態９と同様である。本実施の形態では青色の表示に光源の光をそのまま使えるので、光の強度が確保しやすい。また青色蛍光体の劣化を考慮する必要がないことが利点である。
（付記１）
一方の面に凹凸を有し、他方の面が平坦である板状の基材と、該基材内部全体に分散された蛍光体と、からなる発光部材において、該基材の凹部における該蛍光体濃度が、該基材の凸部における蛍光体濃度よりも高くなっていることを特徴とする発光部材。
（付記２）
前記基材の前記凹凸が円弧形状の繰り返しであることを特徴とする付記１記載の発光部材。
（付記３）
前記基材の前記凹凸が三角形状の繰り返しであることを特徴とする付記１記載の発光部材。
（付記４）
前記基材の前記凹凸が1次元または2次元のプリズム形状であることを特徴とする付記１記載の発光部材。
（付記５）
前記基材の蛍光体の濃度が3段階以上に区分されていることを特徴とする付記１乃至付記４記載の発光部材。
（付記６）
前記蛍光体の濃度が連続的に変化していることを特徴とする付記１乃至付記４記載の発光部材。
（付記７）
前記基材の厚み方向における前記蛍光体の総量が、前記基材の面内において実質的に均一であることを特徴とする付記６記載の発光部材。
（付記８）
付記１乃至付記７記載の発光部材と、紫外光または青色を発する光源とを有することを特徴とする照明装置。
（付記９）
前記蛍光体が、赤、緑、青、いずれかの蛍光を発する蛍光体を含むことを特徴とする付記１乃至付記７記載の発光部材。
（付記１０）
付記９記載の発光部材を周期的に配列したことを特徴とするスクリーン。
（付記１１）
付記９記載の発光部材と、青色の光を拡散する部材とを周期的に配列したことを特徴とするスクリーン。
（付記１２）
付記１０または付記１１記載のスクリーンと、紫外光または青色を発する光源と、前記光源から発した光を集光する手段と、該集光された光を前記スクリーンの面内でスキャンする手段とを有する表示装置。
（付記１３）
ある濃度の蛍光体が全体に分散された部材と、該濃度と異なる濃度の蛍光体が全体に分散された部材とを、周期的に配列する工程と、配列された該部材に型を押し当てて該部材に凹凸形状を形成する工程とを有し、該型の凸部を該蛍光体の濃度が高い領域に対応させ、該型の凹部を該蛍光体の濃度が低い領域に対応させることを特徴とする発光部材の製造方法。
（付記１４）
底部に凹凸の形成された型に、ゲル状の部材を充填する工程と、該部材の表面に蛍光体粉末を一様に散布する工程と、沈降により該蛍光体または燐光体粉末を該部材に分散させる工程と、該部材を固化させる工程とを有することを特徴とする発光部材の製造方法。
【符号の説明】
【００３１】
１、１０１    基材
２a    低濃度領域
２ｂ    高濃度領域
２ｃ    中濃度領域
３、１０３    励起光
４、１０４    蛍光体
５、１０５    蛍光
６    型
７    発光部材
８    マスク
９    基材原料
１０    光源
１１    レンズ
１２    導光手段
１３    ホルダー
１４    軸
１５    蛍光スクリーン
１６    走査部
１７    制御部
１８    映像信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2013161716.tif 000018
【図１７】
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【図１８】
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