(57)【要約】［要約］［課題］  本発明は、波長変換部材からの熱を効率よく放熱部材へと排熱できる波長変換装置を提供することを目的とする。［解決手段］  本発明に係る波長変換装置は、放熱部材と、放熱部材上に設けられた波長変換部材と、放熱部材と波長変換部材を接続する接続部材と、を有する。特に、波長変換部材は、上面と、側面と、下面と、を有し、接続部材は、波長変換部材の側面及び下面と熱的に接続されている。［選択図］  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱部材と、前記放熱部材上に設けられた波長変換部材と、金属材料を含み前記放熱部材と前記波長変換部材を接続する接続部材と、を有する波長変換装置であって、
前記波長変換部材は、上面と、側面と、下面と、を有し、
前記接続部材は、前記波長変換部材の側面及び下面と熱的に接続されていることを特徴とする波長変換装置。
【請求項２】
前記波長変換部材の側面は、下面から上面に向かって広がるように傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項３】
前記波長変換部材の側面及び下面に、金属材料からなる介在膜が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長変換装置。
【請求項４】
前記波長変換部材の下面と前記接続部材との間に、反射膜を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の波長変換装置。
【請求項５】
前記波長変換部材の側面から前記反射膜の下面にわたって、金属材料からなる介在膜が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の波長変換装置。
【請求項６】
前記反射膜は、誘電体材料からなる第１反射膜を有することを特徴とする請求項４又は５に記載の波長変換装置。
【請求項７】
前記反射膜は、前記第１反射膜の下側に、金属材料からなる第２反射膜を有することを特徴とする請求項６に記載の波長変換装置。
【請求項８】
前記反射膜は、前記第１反射膜と前記第２反射膜との間に、誘電体多層膜からなる第３反射膜を有することを特徴とする請求項７に記載の波長変換装置。
【請求項９】
前記第２反射膜は、銀を含むことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の波長変換装置。
【請求項１０】
前記第２反射膜は前記波長変換部材の側面には形成されていないことを特徴とする請求項９に記載の波長変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロジェクターなどに用いることができる波長変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載の光源装置は、励起光として発光する固体光源と、少なくとも１種類の蛍光を含む蛍光体層と、放熱基板と、を備え、蛍光体層は放熱基板と接合部によって接合されている（例えば、図２参照）。そして、蛍光体層からの熱を、接合部を介して放熱基板へと放散している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１５００１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、特許文献１に記載の光源装置では、蛍光体層における熱を下面からしか放熱できず、十分な放熱効果を得ることができなかった。これにより、波長変換部材における変換効率が低下し、所望の光出力が得られなくなるという問題があった。【０００５】
本発明は、熱による蛍光体の特性劣化を抑制するために、効率よく放熱できる波長変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る波長変換装置は、放熱部材と、放熱部材上に設けられた波長変換部材と、金属材料を含む放熱部材と波長変換部材を接続する接続部材と、を有する。特に、波長変換部材は、上面と、側面と、下面と、を有し、接続部材は、波長変換部材の側面及び下面と熱的に接続されている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、波長変換部材からの熱を効率よく放熱部材へと排熱できる波長変換装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、第１実施形態に係る波長変換装置を説明するための概略断面図である。
【図２】図２は、第１実施形態に係る波長変換装置の製造方法を説明するための模式図である。
【図３】図３は、第２実施形態に係る波長変換装置を説明するための概略断面図である。
【図４】図４は、実施例及び比較例の発光効率の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に図面を参照しながら、本発明を実施するための形態を説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための例示であって、本発明を以下に限定するものではない。また、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするために誇張していることがある。さらに、同一の名称、符号については、原則として同一もしくは同質の部材を示しており、重複した説明は適宜省略する。
【００１０】
＜第１実施形態＞
図１に、本実施形態に係る波長変換装置１００を示す。波長変換装置１００は、放熱部材５０と、放熱部材５０上に設けられた波長変換部材１０と、金属材料を含み放熱部材５０と波長変換部材１０を接続する接続部材４０と、を有する。特に、波長変換部材１０は、上面と、側面と、下面と、を有し、接続部材４０は、波長変換部材１０の側面及び下面と熱的に接続されている。
【００１１】
これにより、波長変換部材１０の劣化を抑制することができる。これは、接続部材４０が、下面のみならず、側面にも熱的に接続されているため、放熱経路を増やすことができるからである。
【００１２】
ここで、本明細書では、説明の便宜上、図に示す断面図の下側を「下」と表現し、上側を「上」と表現している。しかし、これらの位置関係は相対的なものであればよく、例えば各図の上下を逆にしても本明細書の範囲内であることは言うまでもない。また、本明細書における「熱的に接続されている」とは、直接接続されているものに限定されず、熱伝導性の部材を介して接続されているものも含む。
【００１３】
以下、波長変換装置１００における主な構成要素について説明する。
（波長変換部材１０）
波長変換部材１０は、ＬＥＤやＬＤなどの光源から照射された励起光を波長変換させるものである。波長変換部材１０は例えば、蛍光体粉末と保持体とを混合させ、ＳＰＳ（Ｓｐａｒｋ  Ｐｌａｓｍａ  Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ：放電プラズマ焼結）、ＨＩＰ（Ｈｏｔ  Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ  Ｐｒｅｓｓｉｎｇ：熱間静水圧成形）、ＣＩＰ（Ｃｏｌｄ  Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ  Ｐｒｅｓｓｉｎｇ：冷間等方加圧成形）等の焼結法を用いて形成することができる。光源としてＬＤを用いる場合、ＬＤ光は光密度が高いので、波長変換部材１０は発熱しやすい。しかし、放熱性に優れる波長変換装置であれば、光源としてＬＤを用いる場合であっても十分に使用することができる。
【００１４】
波長変換部材１０の形状は、板状体が好ましい。これにより、放熱部材５０上に安定して波長変換部材１０を配置することができる。本実施形態では、波長４４０〜４８０ｎｍの青色の励起光により励起し、波長５００〜５４０ｎｍの緑色の光を放出するような蛍光体を用いている。このような条件を満たす波長変換部材１０の材料としては、ＬＡＧ系蛍光体、ＹＡＧ系蛍光体などが挙げられる。保持体としては、酸化アルミ、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化ルテチウム、酸化チタン、酸化クロム、酸化タングステン、五酸化二バナジウム、三酸化モリブデン、酸化ナトリウム、酸化イットリウム、二酸化ケイ素、酸化ホウ素、五酸化二リン等を用いることができる。
【００１５】
波長変換部材１０の側面は、下面から上面に向かって広がるように傾斜して設けることができる。つまり、波長変換部材１０の側面は、下面から上面に向かうにつれて徐々に外側へ広がった形状とすることができる。このとき、傾斜角度（下面と側面が成す角度）は好ましくは５°以上８５°以内、より好ましくは２０°以上７０°以内、さらに好ましくは３０°以上６０°以内とすることができる。これにより、波長変換部材１０の側面における表面積を大きくすることができるため、放熱性を向上させることができる。
【００１６】
さらに、図示していないが波長変換部材１０の側面は、粗面とすることもできる。これにより、光を乱反射させることができるので、効率良く光を取り出すことができる。また、粗面とすることで側面の表面積が増加するため、放熱性をより向上させることができ、さらに、接続部材４０や介在膜３０等の側面に接着する部材との密着性も向上させることができる。
【００１７】
（反射膜２０）
本実施形態では、波長変換部材１０と接続部材４０との間に反射膜２０を設けている。反射膜２０は、波長変換部材１０の上面側から入射した光を、再度上面側に反射させるためのものである。反射膜２０は波長変換部材１０の下面と接続部材４０との間に設けられている。こうすることで、光を効率よく反射させ、光取り出し効率を向上させることができる。反射膜２０は、単膜であってもよいし、多層膜であってもよい。本実施形態においては、反射膜２０として誘電体材料よりなる第１反射膜２１及び金属材料からなる第２反射膜２２を設けているが、いずれか一方のみを用いることもできるし、他の構成を採用することもできる。以下、第１反射膜２１と第２反射膜２２について説明する。
【００１８】
（第１反射膜２１）
第１反射膜２１は、誘電体材料からなるものを用いることができる。第１反射膜２１としては、酸化ケイ素、酸化ニオブ、酸化アルミ、酸化ジルコニウム、窒化アルミ、窒化ケイ素等を用いることができる。
【００１９】
第１反射膜２１の膜厚は、１０ｎｍ以上１００００ｎｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることができる。これにより、浅い角度で入射した光を、全反射させることができる。
【００２０】
第１反射膜２１に誘電体材料を用いると、反射率が向上し、光取り出し効率は向上するものの、誘電体の熱伝導率は一般に小さいため、放熱性は低下してしまう。しかし、本発明によれば、接続部材４０は、波長変換部材１０の下面のみならず側面とも熱的に接続されているため、高い光取り出し効率を維持したままで、放熱性の低下も抑制することができる。
【００２１】
（第２反射膜２２）
第２反射膜２２は、金属材料よりなるものとすることができ、第１反射膜２１の下側に設けることができる。第２反射膜２２は、例えば、アルミニウム、銀、ロジウムから選択された少なくとも一種の金属を含む金属膜とすることができるが、反射率の高い銀を用いるのが好ましい。これにより、第１反射膜２１で反射できなかった光も反射することができるため、光を損失なく反射できる。なお、第２反射膜に銀を用いる場合は、反射膜は波長変換部材の下面のみに形成されている。すなわち、波長変換部材の側面には形成されていない。波長変換部材の側面まで反射膜を形成すると、側面の一部が露出してしまい、露出した領域から硫化し黒色化してしまう。反射膜を下面のみに設けることにより、介在膜で完全に被覆することができるため、劣化を誘発する元素に第２反射膜が晒されない。よって、硫化を抑制することができる。
【００２２】
また、図示していないが、反射膜２０の下面に拡散防止膜を形成することもできる。つまり、反射膜と、介在膜との間に拡散防止膜を形成することもできる。拡散防止膜としては例えば、ルテニウム、チタン／ニッケル／プラチナ、チタン／ニッケル／ルテニウム等を用いることができる。
【００２３】
（介在膜３０）
介在膜３０は、金属材料を含み、波長変換部材１０の側面から反射膜２０の下面にわたって形成することができる。つまり、波長変換部材１０の側面、反射膜２０の側面及び反射膜２０の下面の露出する領域全てを被覆しており、波長変換部材１０と接続部材４０との間に設けることが好ましい。接続部材４０として共晶材料を用いた場合、共晶材料と波長変換部材１０とは密着性が悪く、接合性が問題となるところ、間に介在膜３０を介すことで密着性を向上させることができる。また、反射膜２０を被覆していることにより、反射膜２０の劣化も抑制することができる。
【００２４】
介在膜３０としては、例えば波長変換部材１０側からチタン／ロジウム／金、ニッケル／ロジウム／金等を積層したものを用いることができる。これにより、側面から抜ける光を反射させることができ、光取出し効率を向上させることができる。介在膜３０の膜厚は、１ｎｍ以上１００００ｎｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下とすることができる。
【００２５】
なお、第２反射膜２２に銀を用いた場合、第２反射膜２２が硫化する（黒色に変色する）ことにより、反射率が大幅に低下する恐れもある。しかし、本実施形態によれば、第２反射膜２２は介在膜３０で被覆されているため、第２反射膜２２の劣化も防止することができる。
【００２６】
（接続部材４０）
接続部材４０は、金属材料を含んでおり、放熱部材５０と波長変換部材１０と機械的に固定すると同時に、両者を熱的に接続するためのものである。接続部材４０は、放熱伝導率の良い材料を用いることが好ましい。例えば、銀、金、パラジウムなどの導電ペーストや、金スズなどの共晶はんだ、低融点金属等のロウ材を用いることができる。中でも、比較的低温で溶融して接着でき、放熱性も良好な金スズとの共晶はんだを用いることが好ましい。
【００２７】
接続部材４０は、波長変換部材１０の上面以外の領域の全てと、熱的に接続されていることが好ましい。つまり、反射膜２０を有しない場合は、波長変換部材１０の側面及び下面と熱的に接続されており、波長変換部材１０の下側に反射膜２０を有する場合は、波長変換部材１０の側面、反射膜２０の側面及び反射膜２０の下面と熱的に接続されているのが良い。これにより、広範囲での放熱経路を確保することができる。なお、接続部材４０は波長変換部材１０と直接接続されている必要はなく、例えば間に介在膜３０を介することもできる。
【００２８】
（放熱部材５０）
放熱部材５０は、いわゆるヒートシンクであり、接続部材４０を介して波長変換部材１０と熱的に接続されている。放熱部材５０は熱伝導率を考慮して選択することができる。具体的には、金、銀、アルミニウム、ニッケル、銅、鉄、タングステン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、ダイヤモンド、ステンレス、真鍮、カーボン等、好ましくは鉄、より好ましくは銅を用いることができる。これにより、波長変換部材１０の特性劣化を抑制することができるので、信頼性の高い波長変換装置を提供することができる。
【００２９】
放熱部材５０の形状は典型的には板状とすることができる。また、放熱部材５０は、表面をめっき処理してもよい。めっき処理の材料としては、例えば、ニッケル／金めっきが挙げられる。こうすることで、放熱部材５０の腐食を防止することができる。
【００３０】
（保護膜６０）
また、波長変換部材１０の上面に酸化ケイ素等からなる保護膜６０を設けることもできる。これにより、波長変換部材１０が直接むき出しにならないため、劣化を抑制することができる。
【００３１】
＜波長変換装置の製造方法＞
以下に、図２（ａ）〜（ｄ）を参照しながら、本実施形態に係る波長変換装置の製造方法について示す。
【００３２】
（波長変換部材１０準備工程）
まず、蛍光体と保持体を混合させ、ＳＰＳ焼結法により得られたウエハ状の波長変換部材１０を準備した。波長変換部材１０の上面及び下面は、機械研磨により荒く研磨した後、ＣＭＰにより仕上げ研磨することがこのましい。これにより、機械研磨のダメージを取り除くことができるので、発光効率の高い波長変換部材とすることができる。
【００３３】
（反射膜２０形成工程）
次に、図２（ａ）に示すように、ウエハ状の波長変換部材１０の上面に保護膜６０を形成するとともに、波長変換部材１０の下面に反射膜２０を形成した。反射膜２０は、波長変換部材１０側から順に、第１反射膜２１と第２反射膜２２とを有している。
【００３４】
（個片化工程）
次に、図２（ｂ）に示すように、反射膜２０及び保護膜６０を形成した波長変換部材１０を複数の素子に個片化する。個片化する際に、ベベルカット用ブレードを用いて、波長変換部材の側面が下面から上面に向かって広がった傾斜となるようにする。
【００３５】
（介在膜３０形成工程）
次に、図２（ｃ）に示すように、個片化した素子に金属材料よりなる介在膜３０を形成する。つまり、波長変換部材１０の側面、反射膜２０の側面及び反射膜２０の下面に介在膜３０を形成する。介在膜３０を形成する方法としては、スパッタ法、蒸着法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、イオンブレーディング法等を用いることができる。この工程において、波長変換部材１０の側面が下面から上面に向かって広がって傾斜（ベベルカット）していれば、スパッタであっても波長変換部材１０の側面全域に精度良く介在膜３０を形成することができる。
【００３６】
（接続工程）
次に、図２（ｄ）に示すように、反射膜２０の下面と放熱部材５０とを、金属材料を含む接続部材４０で接続する。接続する方法としては、はんだ法等が挙げられる。接続工程において、接続部材４０は介在膜３０が形成された領域へと這い上がる現象が起こる。これは、金属を含む接続部材４０が表面張力により、金属である介在膜３０に引っ張られるためである。本実施形態における製造方法によれば、波長変換部材の側面を露出することなく介在膜３０が形成されているため、接続部材４０も波長変換部材１０の上面以外の露出した領域全てを精度よく被覆することができる。
【００３７】
＜第２実施形態＞
波長変換装置１００と異なる形態として、図３に示す波長変換装置２００のような構成とすることもできる。波長変換装置２００は、第１実施形態に示した第１反射膜２１と第２反射膜２２との間に、誘電体多層膜よりなる第３反射膜２３を有する。第３反射膜２３は、第１反射膜２１に対して主に垂直方向に入射する光を反射することができる。この構成では、誘電体多層膜により、反射率は向上するものの放熱性が低下する。しかし、本発明においては、下面のみならず側面にも接続部材を設けているため、一定の効果が期待できる。
【００３８】
誘電体多層膜は、第１反射膜２１における誘電体膜の材料のうち、屈折率が異なる２種以上の層を所定の膜厚で交互に積層したものを用いることができる。例えば、酸化ケイ素／酸化ニオブ、酸化ケイ素／酸化アルミ等を２ペア以上積層したものが好ましい。
【００３９】
＜実施例１＞
図１に基づいて本実施例にかかる波長変換装置について説明する。まず、粉末状のＬＡＧ系蛍光体と粉末状のアルミナからなる保持体とをＳＰＳ法により焼結したウエハ状の波長変換部材を準備した。ウエハ状の波長変換部材の上面にスパッタ法を用いて酸化ケイ素（膜厚１００ｎｍ）よりなる保護膜を形成し、波長変換部材の下面に波長変換部材側から順に酸化アルミ（膜厚１０００ｎｍ）よりなる第１反射膜、銀（膜厚１０００ｎｍ）よりなる第２反射膜を有する反射膜をスパッタ法で形成した。
【００４０】
次に、ベベルカット用ブレードを用いて波長変換部材の側面が下面から上面に向かって広がるように傾斜させた。このとき、傾斜角度（下面と側面とが成す角度）は４５度とした。
【００４１】
次に、波長変換部材の側面、反射膜の側面、反射膜の下面及び保護膜の側面を一体に被覆するようにチタン（膜厚１０ｎｍ）／ロジウム（膜厚１００ｎｍ）／金（膜厚１００ｎｍ）よりなる介在膜をスパッタ法で形成した。
【００４２】
次に、介在膜の露出面とニッケル／金メッキを施した銅よりなる放熱部材とを金スズ共晶合金を熱圧着法にて接続した。以上のようにして本実施例の波長変換装置を作成した。
【００４３】
＜比較例＞
比較例として、介在膜３０及び接続部材４０が波長変換部材１０の下面にしか形成されず、波長変換部材１０の側面が下面から上面に向かって傾斜していない波長変換装置を図１に示す波長変換装置１００と比較した。より詳細には、比較例の波長変換装置は、実施例１の波長変換装置と、波長変換部材の上面の面積は同じであるが、側面が傾斜していないため、下面の面積が異なっている。
【００４４】
図４に実施例と比較例との発光効率の測定結果を示す。実線が実施例であり、破線が比較例である。図４において、縦軸は発光効率を示し、横軸は励起光の出力を示している。図から明らかなように、比較例では励起光の出力を上げれば発光効率が低下してしまうが、実施例では励起光の出力を上げても発光効率の低下は少ない（つまり、実施例は比較例よりも発光効率が優れている）。実施例が比較例よりも放熱性に優れているためと考えられる。
【００４５】
波長変換部材から一定の明るさの光を得る場合、波長変換部材の発光効率が優れていれば、光源への投入電力を減らすことができる。これにより、光源の寿命を延ばすことができるだけでなく、波長変換部材における発熱も抑制できるので波長変換部材そのものの寿命も延ばすことができる。また、通常、光源と波長変換装置との間にはコーティングされたレンズが配置されるが、光源の出力を抑えることにより、コーティングの劣化も抑制することが可能となる。
【符号の説明】
【００４６】
１００…波長変換装置
１０…波長変換部材
２０…反射膜
２１…第１反射膜
２２…第２反射膜
２３…第３反射膜
３０…介在膜
４０…接続部材
５０…放熱部材
６０…保護膜
【図１】
2014021027.tif 000003
【図２】
2014021027.tif 000004
【図３】
2014021027.tif 000005
【図４】
2014021027.tif 000006
【国際調査報告】
2014021027.tif 000007
2014021027.tif 000008
2014021027.tif 000009