JP6980596B2 - セラミックス反射材およびこれを備える光源モジュール - Google Patents

Description

本開示は、セラミックス反射材およびこれを備える光源モジュールに関する。

車載用のヘッドライトには、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）または半導体レーザ等の光源デバイスが用いられている。ここで、光源デバイスは、遠方視認性を高めるために、更なる高輝度化が求められている。これに伴い、光源デバイスの支持基板および光源デバイスの周辺で用いられる部材には高い反射率が求められている。

このような反射率の高い部材として、本出願人は、アルミナ結晶とジルコニア結晶とを含む酸化物セラミックスを提案している（特許文献１を参照）。

国際公開２０１４／１５６８３１号

近年では、光源デバイスの小型化が進んでおり、これに伴い光源デバイスの支持基板および光源デバイスの周辺で用いられる部材も小型化する必要がある。しかしながら、小型化に対応するため、部材の厚みを薄くすると、透過率が高くなり、部材の反射率が低下する。そこで、厚みが薄くとも高い反射率を有する部材が求められている。

本開示は、このような事情に鑑みて案出されたものであり、厚みが薄くとも高い反射率を有するセラミックス反射材およびこれを備える光源モジュールを提供することを目的とする。

本開示のセラミックス反射材は、反射面を有する。そして、この反射面は、複数のセラミックスの結晶粒子を含有する集合体を複数有している。該集合体に含まれている前記結晶粒子間の窪みを結晶粒子間窪みとした場合、前記集合体は、前記結晶粒子間窪みの深さよりも深さが深い境界によって隔てられている。前記反射面は、３個以上の前記集合体の前記境界が一点に会合した多重点を有する。また、前記集合体の平均径は、８μｍ以上１００μｍ以下である。また、前記多重点は、深さ方向に沿って狭くなるように窪んでいるとともに、前記反射面の正面視における前記多重点の幅の平均値が、１．５μｍ以上８μｍ以下である。

また、本開示の光源モジュールは、上記セラミックス反射材と光源デバイスとを備える。

本開示のセラミックス反射材は、厚みが薄くとも、高い反射率を有する。

また、本開示の光源モジュールは、小型であっても、高い輝度を有する。

本開示の光源モジュールの構成の一例を示す模式図である。 本開示のセラミックス反射材における反射面の一例を模式的に示す拡大図である。 走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）を用いて測定した、図２のＡ−Ａ線の断面プロファイルの一例である。 本開示のセラミックス反射材における集合体の断面の一例を模式的に示す拡大図である。

本開示のセラミックス反射材およびこれを備える光源モジュールについて、図面を参照しながら、以下に詳細に説明する。

まず、本開示のセラミックス反射材１と光源デバイス２とを備える光源モジュール１０について、図１を用いて説明する。ここで、本開示の光源モジュール１０とは、図１に示す構成に限るものではなく、光源デバイス２の周辺において、高い反射率が求められている部分に、本開示のセラミックス反射材１を備えるものであればよい。

図１に示す光源モジュール１０では、セラミックス反射材１の反射面１ａ上に金属層３を介して光源デバイス２が位置している。ここで、反射面１ａとは、セラミックス反射材１の表面のうち、光源デバイス２等からの可視光を反射する面のことである。また、金属層３は、電極または配線として利用してもよい。

本開示のセラミックス反射材１における反射面１ａは、図２に示すように、集合体４と、３個以上の集合体４の境界が一点に会合した多重点５とを有する。ここで、図２においては、図が煩雑になるため示していないが、集合体４とは、セラミックスの結晶粒子を複数含有するものである。言い換えれば、複数の結晶粒子が集まって形成される１つの粒が集合体４である。なお、集合体４同士の境界は、セラミックスの結晶粒子同士の境界よりも窪んでいる。言い換えるならば、多重点５を挟んで隣り合う集合体４同士は、反射面１ａにおいて接していない。よって、セラミックス反射材１の反射面１ａにおいて、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）を用いて取得した画像データから、個々の集合体４の判別が可能である。なお、集合体４同士の境界の窪みにおける深さの平均値は０．４μｍ以上である。

また、多重点５とは、３個以上の集合体４に囲まれた部分であり、具体的には、３個の集合体４に囲まれた三重点、４個の集合体４に囲まれた四重点等のことである。

そして、本開示のセラミックス反射材１における集合体４の平均径は、８μｍ以上１００μｍである。このように、複数のセラミックスの結晶粒子を含有する集合体４は、各結晶粒子の間の粒界で可視光を反射するとともに、集合体４の平均径が上記数値範囲を満足していることで、各集合体４にて可視光を効果的に反射することができる。

なお、集合体４の平均径が、２５μｍ以上４８μｍ以下であるならば、各集合体４にて可視光をより効果的に反射することができ、反射率が向上する。

ここで、集合体４の平均径は、以下の方法で測定すればよい。まず、本開示のセラミックス反射材１の反射面１ａにおいて、ＳＰＭを用いて画像データを取得する。ここで、画像データのサイズは、例えば、１００μｍ×１００μｍまたは２００μｍ×２００μｍ等であればよい。次に、画像データを用いて、コード法により集合体４の平均径を算出する。具体的には、画像データにおいて、一定長さの直線上にある集合体４の個数から各集合体４の長さを測定する。そして、この測定を少なくとも３ヵ所以上行ない、その平均値を集合体４の平均径とすればよい。

さらに、本開示のセラミックス反射材１における多重点５は、深さ方向に沿って狭くなるように窪んでいるとともに、反射面１ａの正面視における多重点５の幅の平均値が、１
．５μｍ以上８μｍ以下である。このように、深さ方向に沿って狭くなるように窪んでいる多重点５は、多重点５内に進入してきた可視光を反射面１ａ側に反射するとともに、多重点５の幅が上記数値範囲を満足していることで、多重点５で可視光が乱反射してセラミックス反射材１を透過してしまうことを抑制し、可視光を効果的に反射することができる。

よって、以上の構成を満足する本開示のセラミックス反射材１は、厚みが薄くとも高い反射率を有する。ここで、厚みが薄くとも高い反射率とは、厚みが０．６ｍｍである場合に反射率が９３％以上であることを言う。なお、反射率の測定方法としては、分光測色計（コニカミノルタ製 ＣＲ−１３）を用いて、波長範囲を可視光領域で、厚みが０．６ｍｍであるセラミックス反射材１の反射面１ａの測定を行なえばよい。そして、測定結果から可視光領域全体の反射率の平均値を読めばよい。

また、多重点５の幅の平均値は、以下の方法で測定すればよい。まず、本開示のセラミックス反射材１の反射面１ａにおいて、ＳＰＭを用いて画像データを取得する。ここで、画像データのサイズは、例えば、１００μｍ×１００μｍまたは２００μｍ×２００μｍ等であればよい。次に、画像データにおいて、多重点５を通過する任意の直線の断面プロファイルを取得する。そして、図３に示すように、断面プロファイルにおける最高点と最低点とを確認し、最高点と最低点との高低差を求める。次に、図３に示すように、断面プロファイルから、この高低差の半分となる高さにおける多重点５の幅を求める。そして、この作業を少なくとも３個以上の異なる多重点５に対して行ない、各多重点５の幅の平均値を求めればよい。

なお、多重点５の深さの平均値は、例えば、０．８μｍ以上５μｍ以下であってもよい。ここで、多重点５の深さとは、上述した多重点５の幅の平均値の測定における、最高点と最低点との高低差のことである。そして、多重点５の深さの平均値は、上述した多重点５の幅の平均値の測定方法と同じ測定方法を行ない、少なくとも３個以上の異なる多重点５の最高点と最低点との距離（高低差）を算出し、この平均値とすればよい。

また、本開示のセラミックス反射材１における反射面１ａの表面積比は、１．０３以上１．３以下であってもよい。ここで、反射面１ａの表面積比とは、上述した多重点５の幅の平均値の測定において、ＳＰＭにより画像データから算出されるパラメータであり、指定面が理想的にフラットであると仮定した時の面積Ｓ_０に対する実際の表面積Ｓ_１の比Ｓ_１／Ｓ_０のことである。ここで、反射面１ａにおいて多重点５が多く存在する程、実際の表面積Ｓ_１が大きくなり、反射面１ａの表面積比の値が大きくなる。そして、反射面１ａの表面積比が上記数値範囲を満足するならば、本開示のセラミックス反射材１の反射率は向上する。

また、本開示のセラミックス反射材１は、アルミナとジルコニアとの複合セラミックスからなっていてもよい。このような構成を満足するならば、アルミナは高い熱伝導率を有し、ジルコニアはアルミナよりも高い屈折率を有することから、本開示のセラミックス反射材１は、高い放熱性および反射率を兼ね備える。

ここで、ジルコニアとは、主にジルコニア（ＺｒＯ_２）であるが、ジルコニアの他に、ジルコニアの安定化の作用をなす安定化剤成分（イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）、セリア（Ｃｅ_２Ｏ_３）、カルシア（ＣａＯ）、マグネシア（ＭｇＯ））を含むものである。なお、ジルコニアから分離が困難であるハフニア（ＨｆＯ_２）を含んでいてもよい。

また、本開示のセラミックス反射材１は、セラミックス反射部１を構成する全成分１００質量％のうち、アルミナを５５質量％以上９７質量％以下含有し、ジルコニアを３質量
％以上４５質量％以下含有してもよい。このような構成を満足するならば、本開示のセラミックス反射材１は、さらに高い放熱性と反射率と兼ね備える。

ここで、本開示のセラミックス反射材１を構成する成分は、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いて測定し、得られた２θ（２θは、回折角度である。）の値より、ＪＣＰＤＳカードと照合することにより、確認することができる。また、各成分の含有量については、蛍光Ｘ線分析法またはＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）発光分光分析法により求めればよい。

また、本開示のセラミックス反射材１における集合体４は、図４に示すように、アルミナ結晶粒子６およびジルコニア結晶粒子７を含有してもよい。このような構成を満足するならば、集合体４が屈折率の異なるアルミナ結晶粒子６およびジルコニア結晶粒子７を含有していることで、本開示のセラミックス反射材１の反射率が向上する。

ここで、集合体４がアルミナ結晶粒子６およびジルコニア結晶粒子７を含有しているか否かは、以下の方法で確認すればよい。まず、アルミナ結晶粒子６およびジルコニア結晶粒子７が有るか否かを、上述したように、ＸＲＤを用いて測定し、得られた２θの値より、ＪＣＰＤＳカードと照合することにより確認する。

次に、電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いて、反射面１ａの元素マッピングを行なう。そして、元素マッピングにより、集合体４が、アルミニウムおよび酸素が同時に検出される結晶粒子（アルミナ結晶粒子６）と、ジルコニウムおよび酸素が同時に検出される結晶粒子（ジルコニア結晶粒子７）とを含有しているか否かを確認すればよい。なお、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で反射面１ａを反射電子像として撮影した場合、図４に示すように、アルミナ結晶粒子６は黒色系の色調を呈するのに対し、ジルコニア結晶粒子７は白色系の色調を呈することから、目視においてアルミナ結晶粒子６とジルコニア結晶粒子７とは識別できるものである。

なお、集合体４のアルミナ結晶粒子６の平均結晶粒径は、例えば、０．３μｍ以上１．０μｍ以下であってもよい。また、集合体４のジルコニア結晶粒子７の平均結晶粒径は、例えば、０．３μｍ以上０．８μｍ以下であってもよい。

ここで、集合体４のアルミナ結晶粒子６およびジルコニア結晶粒子７の平均結晶粒径は、以下の測定方法により算出すればよい。まず、セラミックス反射材の反射面１ａを鏡面加工し、焼成温度から５０〜１００℃低い温度範囲で熱処理を行なう。そして、熱処理した面を測定面として、ＳＥＭを用いて５０００倍の倍率で撮影する。次に、撮影した画像データを画像解析ソフト（例えば、三谷商事株式会社製のＷｉｎＲＯＯＦ）を用いて解析する。これにより、各アルミナ結晶粒子６および各ジルコニア結晶粒子７の結晶粒径を得ることができることから、その平均値をそれぞれ求めればよい。

次に、セラミックス反射材の製造方法の一例について説明する。ここでは、セラミックス反射材が、アルミナとジルコニアとの複合セラミックスからなる場合について説明する。

まず、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）粉末と、ジルコニア（ＺｒＯ_２）粉末とを準備する。なお、ジルコニア粉末は安定化剤成分として、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）、セリア（Ｃｅ_２Ｏ_３）、カルシア（ＣａＯ）、マグネシア（ＭｇＯ）を含有していてもよい。そして、安定化剤成分の含有量としては、ジルコニアおよび安定化剤成分の合計１００モル％のうち、例えば、１．５モル％以上４．０モル％以下であればよい。なお、ジルコニア粉末は、ジルコニアから分離が困難であるハフニア（ＨｆＯ_２）を含有していてもよい。

そして、アルミナ粉末およびジルコニア粉末を、それぞれ５５：４５〜９７：３となるように秤量し、これを混合することで一次原料粉末を得る。なお、必要に応じて、焼結助剤として、酸化珪素（ＳｉＯ_２）粉末、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）粉末および水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）_２）粉末を準備し、一次原料粉末に混合してもよい。

次に、一次原料粉末１００質量部に対して、３質量部以上１０質量部以下のバインダと、２０質量部以上１００質量部以下の溶媒とを秤量し、これらを攪拌機内に入れて、混合・攪拌することで、スラリーを得る。ここで、バインダとしては、ＰＶＡ、アクリルおよびワックスを用いる。

次に、このスラリーを噴霧造粒装置（スプレードライヤー）で噴霧造粒することによって顆粒を得る。ここで、顆粒の平均径を１０μｍ以上１２０μｍ以下にすることで、集合体の平均値を８μｍ以上１００μｍ以下とすることができる。

そして、この顆粒を用いてプレス法で成形することによって、成形体を得ることができる。ここで、設定成形圧を０．５ｔｏｎ／ｃｍ^２以上２．０ｔｏｎ／ｃｍ^２以下とするとともに、この設定成形圧の９０％以上を保持する時間を０．５秒以下として、プレス成形を行なう。

次に、得られた成形体を大気（酸化）雰囲気の焼成炉に入れて、最高温度を１４００℃以上１５５０℃以下にして０．５時間以上３時間以下保持することで焼成する。

このように、プレス法での成形において、上記設定成形圧の９０％以上を保持する時間を０．５秒以下とするような、極短時間の加圧で成形体を得ることで、成形体において顆粒が完全には潰れずに残り、上記最高温度で焼成することで、完全には潰れずに残った顆粒が集合体となり、深さ方向に沿って狭くなるように窪んでいる多重点を有する、本開示のセラミックス反射材が得られる。なお、多重点の幅の平均値、反射面の表面積比、多重点を含む境界が窪んでいるか否かは、上記設定成形圧、上記最高温度、スラリーを得る際のバインダにおける、ＰＶＡ、アクリルおよびワックスの配合比を調整することで、任意の値にすることができる。

また、集合体のアルミナ結晶粒子の平均結晶粒径を、０．３μｍ以上１．０μｍ以下とするには、一次原料粉末に使用するアルミナ粉末の平均粒径を、０．２μｍ以上０．８μｍ以下とすればよい。また、集合体のジルコニア結晶粒子の平均結晶粒径を、０．３μｍ以上０．８μｍ以下とするには、一次原料粉末に使用するジルコニア粉末の平均粒径を０．２μｍ以上０．６μｍ以下とすればよい。

次に、本開示の光源モジュールの製造方法の一例について説明する。まず、本開示のセラミックス反射材を準備する。そして、セラミックス反射材の反射面に、厚膜印刷法により、金、銀、銅またはこれらの混合物等を含むペーストを塗布する。その後、熱処理することで、反射面上に位置する金属層を得る。そして、金属層上に光源デバイスを配置することにより、本開示の光源モジュールを得る。ここで、生産効率の観点から、セラミックス反射材を所望の大きさとし、セラミックス反射材に金属層を形成した後、所望サイズの個片となるように、工業用ダイヤモンドを埋め込んだ回転円盤等を用いて切断して分割してもよい。

なお、金属層は、ペーストで形成する方法以外にも、公知のめっき法、スパッタリング法、活性金属法等によって形成してもよい。また、金属層の表面において、部分的もしくは全面にめっき処理を行ってもよい。めっき処理を行うことによって、金属層が酸化腐蝕
するのを抑制することができる。また、めっきの種類としては公知のめっきであればよく、例えば、金めっき、銀めっきまたはニッケル−金めっき等が挙げられる。

以下、本開示の実施例を具体的に説明するが、本開示はこれらの実施例に限定されるものではない。

集合体の平均径および多重点の幅の平均値が異なる試料を作製し、反射率の測定を行なった。まず、平均粒径が０．５μｍのアルミナ粉末と、平均粒径が０．４μｍのジルコニア粉末とを準備した。なお、ジルコニア粉末は、安定化剤成分として、イットリアを含有させた。具体的には、安定化剤成分であるイットリアの含有量を、ジルコニアおよび安定化剤成分の合計１００モル％のうち、３モル％とした。

次に、アルミナ粉末およびジルコニア粉末を、それぞれ７０：３０となるように秤量し、これを混合することで一次原料粉末を得た。また、焼結助剤として、酸化珪素粉末、炭酸カルシウム粉末および水酸化マグネシウム粉末を準備した。そして、焼結助剤を、一次原料粉末１００質量部に対して、０．５質量部となるように添加した。

次に、一次原料粉末１００質量部に対して、３質量部のバインダと、８０質量部の溶媒とを秤量し、これらを攪拌機内に入れて、混合・攪拌することで、スラリーを得た。ここで、バインダとしては、ＰＶＡ、アクリルおよびワックスを用いた。

次に、このスラリーを噴霧造粒装置で噴霧造粒することによって顆粒を得た。そして、この顆粒を用いて、設定成形圧の９０％以上を保持する時間が０．５秒以下となるように、プレス法で成形することによって、成形体を得た。

次に、得られた成形体を大気雰囲気の焼成炉に入れて焼成した。そして、スラリーを得る際のバインダにおけるＰＶＡ、アクリルおよびワックスの配合比、プレス法での設定成形圧、噴霧造粒で得る顆粒の平均径、焼成での最高温度を適宜調整することで、表１に示す各試料を得た。なお、各試料は、円板形状であり、直径が２０ｍｍ、厚みが表１に示す値となるように作製した。

次に、各試料の反射面における集合体の平均径を、以下の方法で測定した。まず、各試料の反射面において、ＳＰＭを用いて２００μｍ×２００μｍの画像データを取得した。次に、この画像データを用いて、コード法により集合体の平均径を算出した。具体的には、画像データにおいて、一定長さの直線上にある集合体の個数から各集合体の長さを測定した。そして、この測定を少なくとも３ヵ所行ない、その平均値を集合体の平均径とした。

次に、各試料の反射面における多重点の幅の平均値を、以下の方法で測定した。まず、各試料の反射面において、ＳＰＭを用いて２００μｍ×２００μｍの画像データを取得した。次に、画像データにおいて、多重点を通過する任意の直線の断面プロファイルを取得した。そして、断面プロファイルにおける最高点と最低点とを確認し、最高点と最低点との高低差を求めた。次に、断面プロファイルから、この高低差の半分となる高さにおける多重点の幅を求める。そして、この作業を３個の異なる多重点に対して行ない、各多重点の幅の平均値を求めた。

次に、各試料の反射率を、以下の方法で測定した。まず、分光測色計（コニカミノルタ製 ＣＲ−１３）を用いて、波長範囲を可視光領域で、各試料の反射面の測定を行なった。そして、測定結果から可視光領域全体の反射率の平均値を読みとった。結果を表１に示
す。

表１に示すように、厚みが０．６ｍｍの各試料を比較した際に、試料Ｎｏ．４、６、７、９は、反射率が９３％以上であった。このことから、反射面において、集合体の平均径が８μｍ以上１００μｍであるとともに、多重点の幅の平均値が１．５μｍ以上８μｍ以下であるセらミックス反射材であれば、厚みが薄くとも高い反射率を有することがわかった。

反射面の表面積比が異なる試料を作製し、反射率の測定を行なった。なお、反射面の表面積比が表２に示す値となるように、スラリーを得る際のバインダにおけるＰＶＡ、アクリルおよびワックスの配合比、プレス法での設定成形圧、焼成での最高温度を適宜調整したこと以外は、実施例１の試料Ｎｏ．４と同様の方法により、実施例１の試料Ｎｏ．４と同じ集合体の平均径および多重点の幅の平均値となるように、各試料を作製した。なお、試料Ｎｏ．１１は、実施例１の試料Ｎｏ．４と同じ試料である。

次に、各試料の反射面の表面積比を、ＳＰＭを用いて、２００μｍ×２００μｍの反射面の画像データを取得し、この画像データから算出した。

そして、実施例１と同じ方法により、各試料の反射率を測定した。結果を表２に示す。

表２に示すように、試料Ｎｏ．１２〜１５は、厚みが０．６ｍｍにおける反射率が９３．５％以上であった。このことから、反射面の表面積比が１．０３以上１．３以下であるセラミックス反射材であれば、厚みが薄くとも、さらに高い反射率を有することがわかった。

１：セラミックス反射材
１ａ：反射面
２：光源デバイス
３：電極
４：集合体
５：多重点
６：アルミナ結晶粒子
７：ジルコニア結晶粒子
１０：光源モジュール

Claims (5)

1. 反射面を有し、
   該反射面は、複数のセラミックスの結晶粒子を含有する集合体を複数有しており、
   該集合体に含まれている前記結晶粒子間の窪みを結晶粒子間窪みとした場合、
   前記集合体は、前記結晶粒子間窪みの深さよりも深さが深い境界によって隔てられており、
   前記反射面は、３個以上の前記集合体の前記境界が一点に会合した多重点を有し、
   前記集合体の平均径は、８μｍ以上１００μｍ以下であり、
   前記多重点は、深さ方向に沿って狭くなるように窪んでいるとともに、
   前記反射面の正面視における前記多重点の幅の平均値が、１．５μｍ以上８μｍ以下である、セラミックス反射材。
2. 前記反射面の表面積比は、１．０３以上１．３以下である、請求項１に記載のセラミックス反射材。
3. 前記セラミックス反射材は、アルミナとジルコニアとの複合セラミックスからなる、請求項１または請求項２に記載のセラミックス反射材。
4. 前記セラミックス反射材は、該セラミックス反射材を構成する全成分１００質量％のうち、前記アルミナを５５質量％以上９７質量％以下含有し、前記ジルコニアを３質量％以上４５質量％以下含有している、請求項３に記載のセラミックス反射材。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のセラミックス反射材と光源デバイスとを備える、光源モジュール。

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