(57)【要約】【課題】信頼性の高い波長変換素子を提供する。【解決手段】波長変換素子４０は、基板４１と、金属層４２２と、金属層４２２上に波長変換層４２１とを有する波長変換部４２と、基板４１と金属層４２２とを接合する金属粒子から構成された接合部４３と、波長変換部４２の側面の少なくとも一部を覆うとともに、基板４１と接するように配置され、樹脂を含む補強部４４と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
金属層と、前記金属層上に波長変換層とを有する波長変換部と、
前記基板と前記金属層とを接合する金属粒子から構成された接合部と、
前記波長変換部の側面の少なくとも一部を覆うとともに、前記基板と接するように配置され、樹脂を含む補強部と、
を備えたことを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
請求項１に記載の波長変換素子であって、
前記補強部は、前記接合部を覆うように配置されていることを特徴とする波長変換素子。
【請求項３】
請求項１に記載の波長変換素子であって、
前記波長変換部は、平面視矩形状を成し、
前記補強部は、前記波長変換部における角部と接することを特徴とする波長変換素子。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の波長変換素子であって、
前記接合部は、樹脂を含まない材料であることを特徴とする波長変換素子。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の波長変換素子であって、
前記補強部は、金属を含んでいることを特徴とする波長変換素子。
【請求項６】
励起光を発する発光部と、
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の波長変換素子と、
を備えたことを特徴とする光源装置。
【請求項７】
請求項６に記載の光源装置と、
前記光源装置から出射された光を変調する光変調装置と、
前記光変調装置で変調された光を投射する投射光学装置と、
を備えたことを特徴とする投射型装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換素子、光源装置、および投射型装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、投射型装置に搭載される光源装置として、光源と、この光源から出射された光によってこの光の波長とは異なる波長の光を発する素子とを備えた装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載の光源装置は、励起光を発する固体光源と、固体光源から離れた位置に配置され、表面に励起光が照射されて蛍光を発光する蛍光体層と、基板と、金属バンプを備える。
蛍光体層には反射層が設けられている。金属バンプは、基板と反射層との間の所定の領域に複数設けられ、溶融されることなく、反射層と基板とを接合する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１３７９７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の光源装置は、金属バンプが基板、反射層それぞれと点や線で接触すると考えられるため、反射層と基板との間の熱伝導性が必ずしも良好であるとは言えない。また、発熱に伴って熱膨張係数が異なる基板と蛍光体層との間に応力が集中するため、反射層と基板との間や、蛍光体層と反射層との間で剥がれが発生する恐れがある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］本適用例に係る波長変換素子は、基板と、金属層と、前記金属層上に波長変換層とを有する波長変換部と、前記基板と前記金属層とを接合する金属粒子から構成された接合部と、前記波長変換部の側面の少なくとも一部を覆うとともに、前記基板と接するように配置され、樹脂を含む補強部と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、波長変換素子は、金属粒子から構成された接合部によって、基板と波長変換部の金属層とが接合されているので、励起光が入射することによって発熱する波長変換層の熱を効率良く基板に伝えて放熱することができる。
また、波長変換素子は、波長変換部の側面（端部）の少なくとも一部が基板に接する補強部を有しているので、熱によるストレスに対する耐性が向上する。すなわち、補強部を有さない従来技術の構成においては、発熱に伴って熱膨張係数が異なる基板と波長変換層との間に応力が集中するが、本適用例の波長変換素子は、その応力を補強部に分散させることができるので、波長変換部や波長変換層の剥がれ等を防止することが可能となる。すなわち、本適用例の波長変換素子は、各構成要素の接続が良好に維持される。また、波長変換層の熱膨張係数と大きく異なる熱膨張係数の基板の使用が可能となるので、さらに放熱性が向上する波長変換素子の提供が可能となる。
したがって、効率的な放熱を可能としつつ、発熱に伴うストレスに対する耐性を向上させ、信頼性の高い波長変換素子の提供が可能となる。
【０００９】
［適用例２］上記適用例に係る波長変換素子において、前記補強部は、前記接合部を覆うように配置されていることが好ましい。
【００１０】
この構成によれば、補強部は、波長変換部の外周、すなわち、波長変換部の端部の全てと基板とに接続されている。これによって、熱によるストレスに対する耐性がさらに向上する波長変換素子の提供が可能となる。
【００１１】
［適用例３］上記適用例に係る波長変換素子において、前記波長変換部は、平面視矩形状を成し、前記補強部は、前記波長変換部における角部と接することが好ましい。
【００１２】
この構成によれば、補強部は、平面視矩形状の波長変換部の角部に設けられている。これによって、溶融する樹脂が硬化されることによって補強部を成すように構成することで、応力がより集中しやすい角部に、容易に補強部を形成することが可能となる。よって、熱によるストレスに対して効果的な耐性を有し、容易な製造が可能な波長変換素子の提供が可能となる。
【００１３】
［適用例４］上記適用例に係る波長変換素子において、前記接合部は、樹脂を含まない材料であることが好ましい。
【００１４】
この構成によれば、接合部は、金属粒子から構成され、樹脂を含まない材料で形成されているので、基板と、波長変換部の金属層との熱伝導性をさらに良好なものとすることができる。よって、さらに効率的な放熱を可能とする波長変換素子の提供が可能となる。
【００１５】
［適用例５］上記適用例に係る波長変換素子において、前記補強部は、金属を含んでいることが好ましい。
【００１６】
この構成によれば、補強部は、樹脂に加えて金属を含んでいるので、補強部の弾性率を接合部の弾性率に近づけることが可能となる。よって、熱によるストレスに対する耐性をさらに向上させた波長変換素子の提供が可能となる。
【００１７】
［適用例６］本適用例に係る光源装置は、励起光を発する発光部と、上記のいずれか一項に記載の波長変換素子と、を備えたことを特徴とする。
【００１８】
この構成によれば、長期に亘って輝度の低下が抑制された蛍光を発する光源装置の提供が可能となる。
【００１９】
［適用例７］本適用例に係る投射型装置は、上記に記載の光源装置と、前記光源装置から出射された光を変調する光変調装置と、前記光変調装置で変調された光を投射する投射光学装置と、を備えたことを特徴とする。
【００２０】
この構成によれば、長期に亘って明るさの低下や、色むらの発生が抑制された画像を投射する投射型装置の提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施形態に係る投射型装置の光学系を示す模式図。
【図２】本実施形態の波長変換素子の断面を模式的に示す図。
【図３】本実施形態の波長変換素子の平面を模式的に示す図。
【図４】変形例の波長変換素子を模式的に示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。本実施形態の投射型装置は、光源から出射された光を画像情報に応じて変調して画像を形成し、その画像をスクリーン等に投射する。なお、以下に示す各図においては、各構成要素を図面上で認識され得る程度の大きさとするため、各構成要素の寸法や比率を実際のものとは適宜異ならせてある。
【００２３】
図１は、本実施形態に係る投射型装置１の光学系を示す模式図である。
投射型装置１は、図１に示すように、照明装置１００、色分離導光光学系２００、光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂ、クロスダイクロイックプリズム５００、および投射光学装置６００を備える。なお、図示は省略するが、投射型装置１は、投射型装置１の動作を制御する制御部、内部の冷却対象を冷却する冷却装置、内部の電子部品に電力を供給する電源装置を備える。
【００２４】
照明装置１００は、第１の光源装置１０１、第２の光源装置１０２、ダイクロイックミラー１０３、レンズアレイ１２０，１３０、偏光変換素子１４０、および重畳レンズ１５０を備える。
第１の光源装置１０１は、発光部１０、コリメート光学系７０、コリメート集光光学系９０、および波長変換素子４０を備える。
【００２５】
発光部１０は、１つまたは複数の半導体レーザーを有し、励起光Ｅ（例えば、発光強度のピーク波長が約４５５ｎｍの青色光）を出射する。なお、発光部１０は、発光強度のピーク波長が４５５ｎｍ以外のピーク波長の励起光Ｅを出射する半導体レーザーを用いることもできる。
【００２６】
コリメート光学系７０は、レンズ７１，７２を備え、発光部１０から出射された光を略平行化する。コリメート光学系７０は、１つまたは３つ以上のレンズを備える構成であってもよい。
ダイクロイックミラー１０３は、発光部１０の光軸に対して４５°の角度を有して配置され、励起光Ｅおよび後述する青色光Ｂを反射し、赤色光および緑色光を含む黄色光（後述する蛍光Ｙ）を通過させる機能を有している。ダイクロイックミラー１０３は、発光部１０から出射され、コリメート光学系７０で略平行化された励起光Ｅを反射する。
【００２７】
コリメート集光光学系９０は、例えば、レンズ９１，９２を備える。コリメート集光光学系９０は、ダイクロイックミラー１０３で反射した励起光Ｅを波長変換素子４０の後述する波長変換層４２１（図２参照）に集光させる機能、および波長変換素子４０から発せられた蛍光Ｙ（黄色光）を略平行化する機能を有している。なお、コリメート集光光学系９０は、１つまたは３つ以上のレンズを備える構成であってもよい。
【００２８】
図２は、波長変換素子４０の断面を模式的に示す図である。
波長変換素子４０は、後で詳細に説明するが、図２に示すように、基板４１、および基板４１上に設けられた波長変換部４２を備える。
波長変換部４２は、内部に蛍光体を有する波長変換層４２１、波長変換層４２１の基板側に設けられた金属層４２２を有している。
【００２９】
波長変換素子４０は、コリメート集光光学系９０によって集光された励起光Ｅによって波長変換層４２１内の蛍光体が励起され、励起光Ｅの波長とは異なる波長の蛍光Ｙを発する。本実施形態の蛍光Ｙは、赤色光および緑色光を含む黄色光であり、例えば、ピーク波長Ｙｐが約５４０ｎｍで約５００ｎｍ〜約７００ｎｍの波長域の光である。波長変換部４２で発せられた蛍光Ｙは、金属層４２２によってコリメート集光光学系９０に反射される。
【００３０】
第２の光源装置１０２は、図１に示すように、ダイクロイックミラー１０３のコリメート光学系７０とは反対側に配置される。第２の光源装置１０２は、発光部７１０、集光光学系７６０、散乱板７３０、およびコリメート光学系７７０を備える。
【００３１】
発光部７１０は、１つまたは複数の半導体レーザーを有して構成され、青色光Ｂを出射する。なお、発光部７１０が備える半導体レーザーは、発光部１０が備える半導体レーザーと同一の種類のものを使用することが可能である。
【００３２】
集光光学系７６０は、レンズ７６１，７６２を備え、発光部７１０から出射された青色光Ｂを散乱板７３０に略集光させる。
【００３３】
散乱板７３０は、波長変換素子４０から出射された蛍光Ｙの配光分布に似た配光分布となるように、入射する青色光Ｂを散乱させる。散乱板７３０としては、例えば、磨りガラス（光学ガラス）を用いることができる。
【００３４】
コリメート光学系７７０は、レンズ７７１，７７２を備え、散乱板７３０からの青色光Ｂを略平行化する。
コリメート光学系７７０で平行化された青色光Ｂは、ダイクロイックミラー１０３でコリメート集光光学系９０とは反対側に反射する。
【００３５】
第１の光源装置１０１から出射された蛍光Ｙは、ダイクロイックミラー１０３を透過し、第２の光源装置１０２から出射され、ダイクロイックミラー１０３で反射した青色光Ｂと合成されて白色光Ｗとしてレンズアレイ１２０に出射される。
【００３６】
レンズアレイ１２０，１３０および重畳レンズ１５０は、インテグレーター光学系を構成する。具体的に、レンズアレイ１２０は、ダイクロイックミラー１０３からの白色光Ｗを複数の部分光束に分割するための複数の第１小レンズを有する。複数の第１小レンズは、照明装置１００の光軸１００ａｘと直交する面内にマトリクス状に配列されている。
【００３７】
レンズアレイ１３０は、レンズアレイ１２０の複数の第１小レンズに対応する複数の第２小レンズを有する。レンズアレイ１３０は、重畳レンズ１５０とともに、レンズアレイ１２０の各第１小レンズの像を光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂの画像形成領域に結像させる。
偏光変換素子１４０は、レンズアレイ１３０から出射されたランダム光を光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂで利用可能な略１種類の偏光光に揃える。
【００３８】
色分離導光光学系２００は、ダイクロイックミラー２１０，２２０、反射ミラー２３０，２４０，２５０およびリレーレンズ２６０，２７０を備える。色分離導光光学系２００は、照明装置１００から出射された白色光Ｗを赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、および青色光Ｂに分離し、赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、および青色光Ｂそれぞれに対応する光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂに導光する。なお、色分離導光光学系２００と、光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂとの間には、フィールドレンズ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂが配置されている。
【００３９】
光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂそれぞれは、詳細な図示は省略するが、透過型の液晶パネル、および液晶パネルの光入射側、光出射側にそれぞれ配置された入射側偏光板、出射側偏光板を備えている。そして、光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂは、入射する色光を画像情報に応じて変調して各色光に対応する画像を形成する。
【００４０】
クロスダイクロイックプリズム５００は、４つの直角プリズムを貼り合わせた平面視略正方形状をなし、直角プリズム同士を貼り合わせた略Ｘ字状の界面には、誘電体多層膜が形成されている。クロスダイクロイックプリズム５００は、各光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂから出射された各色光の画像光を合成する。
【００４１】
投射光学装置６００は、複数のレンズ（図示省略）を有して構成され、クロスダイクロイックプリズム５００にて合成された画像光をスクリーンＳＣＲ等にカラー画像として拡大投射する。
【００４２】
〔波長変換素子の構成〕
ここで、波長変換素子４０について詳細に説明する。
図３は、波長変換素子４０の平面を模式的に示す図である。
波長変換素子４０は、図２、図３に示すように、基板４１および波長変換部４２に加え、接合部４３および補強部４４を備える。
【００４３】
基板４１は、熱伝導性が高い銅やアルミニウム等の金属で、平面視矩形状（例えば、１辺の長さが１５ｍｍ程度の矩形状）に形成されている。なお、基板４１の平面形状は矩形状に限定されない。
【００４４】
波長変換部４２は、前述したように、波長変換層４２１および金属層４２２を有し、基板４１の一方の面（第１面４１Ａ）内に配置される大きさの平面視矩形状（例えば、１辺の長さが１ｍｍ〜５ｍｍ程度の矩形状）に形成されている。
【００４５】
波長変換層４２１は、例えば、ＹＡＧ系の蛍光体である（Ｙ，Ｇｄ）3（Ａｌ，Ｇａ）5Ｏ12：Ｃｅ等のＣｅイオンが発光中心として含有された材料で形成され、例えば、基板４１の厚みの１／５〜１／１０程度の厚みを有している。波長変換層４２１としては、セラミック蛍光体や、蛍光体粉末とガラスバインダーとが混合された材料を例示できる。なお、波長変換層４２１としては、Ｃｅイオンに限らずＥｕやＮｄ、Ｙｂ等の希土類イオンが含有された材料を用いてもよい。
【００４６】
金属層４２２は、波長変換層４２１の一方の面に蒸着等によって形成されている。金属層４２２は、銀やアルミニウム等で形成された反射層を有し、この反射層は、波長変換層４２１から発せられた蛍光Ｙを反射する。
【００４７】
接合部４３は、金属粒子から構成され、基板４１と波長変換部４２における金属層４２２とを接合する。
接合部４３は、例えば、銀の粒子を含むペースト状の部材が基板４１または金属層４２２に塗布された後、高温（例えば、２００〜３００°Ｃ程度）で焼結されることによって形成されている。
【００４８】
ペースト状の部材は、銀粒子の表面を覆う有機被膜等を有し、銀粒子同士が密着しないように形成されている。そのため、ペースト状の部材が焼結されて形成された接合部４３は、有機被膜等が蒸発して樹脂を含まない材料となり、ナノオーダーの微細な孔を有し、銀粒子の配設密度が均一化されたものとなる。これによって、接合部４３は、金属層４２２と基板４１との間の熱伝導を良好なものとすることができる。すなわち、励起光Ｅが入射することにより発熱する波長変換層４２１の熱を接合部４３から効率良く基板４１に伝え、この基板４１から放熱させることができる。また、基板４１にヒートシンク（図示省略）が固定される構成や、冷却装置が備えるファン（図示省略）が基板４１やヒートシンクに冷却風を送風する構成を用いることで、より効率的な基板４１の放熱が可能となる。
なお、接合部４３が有する金属粒子は、銀に限定されるものではなく、金や錫、あるいはこれらの金属が混合するものであってもよい。また、接合部４３と金属層４２２との接合をより良好にするために、金属層４２２が反射層の基板４１側に反射層とは異なる層（接続層）を有する構成であってもよい。
【００４９】
補強部４４は、例えば、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂で形成され、図３に示すように、矩形状の波長変換部４２の外周を囲むように設けられている。
補強部４４は、樹脂がディスペンサー等を用いて、基板４１の第１面４１Ａから突出する波長変換部４２の側面（端部）の全周に塗布された後、熱硬化されることによって形成されている。補強部４４は、図２に示すように、接合部４３の外側で、波長変換部４２の端部と基板４１（第１面４１Ａ）とに接続されている。また、補強部４４は、接合部４３を覆うように配置されている。
【００５０】
なお、補強部４４として用いられる材料は、エポキシ樹脂に限定されるものではなく、樹脂を含む材料であれば、他の熱硬化性樹脂や、紫外線硬化性の樹脂等であってもよい。また、補強部４４として用いられる材料は、接合部４３の弾性率（１５ＧＰａ程度の弾性率）に近い弾性率（例えば、１０ＧＰａ程度の弾性率）を有する材料がより好ましく、樹脂に銀等の金属粒子を含む材料を補強部４４として用いてもよい。
【００５１】
波長変換素子４０は、基板４１の放熱性が良好となる部材を用いているため、基板４１の熱膨張係数が波長変換層４２１の熱膨張係数より大きく異なっている。例えば、基板４１が銅で形成された場合、基板４１の熱膨張係数は、約１７×１０-6／Ｋで、波長変換層４２１の熱膨張係数（約８×１０-6／Ｋ）の約２倍となる。
【００５２】
補強部４４を有さない従来技術の波長変換素子（図示省略）においては、基板４１の熱膨張係数と波長変換層４２１の熱膨張係数とが大きく異なると、発熱によって基板４１と波長変換部４２との間、波長変換部４２における波長変換層４２１と金属層４２２との間に応力が集中する。
【００５３】
一方、本実施形態の波長変換素子４０は、補強部４４を有しているので、従来技術の波長変換素子で発生した応力をこの補強部４４で分散させることができる。
熱によるストレスとして温度サイクル試験を行い、本実施形態の波長変換素子４０と従来技術の波長変換素子とを比較した。その結果、従来技術の波長変換素子では、波長変換部４２の剥がれや、波長変換部４２における金属層４２２と波長変換層４２１との間の剥がれが発生したが、本実施形態の波長変換素子４０は、各構成要素の接続が良好に維持された。
このように、波長変換素子４０は、波長変換部４２と基板４１との間が熱伝導性の良好な接合部４３で接合され、波長変換部４２の端部と基板４１とが補強部４４に接続されている。
【００５４】
以上述べたように、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）波長変換素子４０は、波長変換部４２と基板４１との間の熱伝導を良好に行う接合部４３を備えているので、励起光が入射することによって発熱する波長変換層４２１の熱を効率良く放熱させることが可能となる。
【００５５】
（２）接合部４３は、金属粒子から構成され、樹脂を含まない材料で形成されている。これによって、基板４１と、金属層４２２との熱伝導性をさらに良好なものとすることができる。よって、さらに効率的な放熱を可能とする波長変換素子４０の提供が可能となる。
【００５６】
（３）波長変換素子４０は、補強部４４を備えているので、熱によるストレスに対する耐性が向上する。
波長変換素子４０は、補強部４４を有しているので、熱によるストレスの耐性に加え、落下等の衝撃に対する耐性も向上する。
したがって、信頼性の高い波長変換素子４０の提供が可能となる。
【００５７】
（４）第１の光源装置１０１は、波長変換素子４０を備えているので、長期に亘って輝度の低下が抑制された蛍光Ｙを発することが可能となる。
【００５８】
（５）投射型装置１は、第１の光源装置１０１を備えているので、長期に亘って明るさの低下や、色むらの発生が抑制された画像を投射することが可能となる。
【００５９】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、上述した実施形態に種々の変更や改良などを加えることが可能である。変形例を以下に述べる。
前記実施形態の波長変換素子４０は、補強部４４が波長変換部４２の外周全てに亘って設けられているが、補強部４４が波長変換部４２の側面（端部）と基板４１とに接し、接合部４３の少なくとも一部を覆うように配置されていればよい。
図４は、変形例の波長変換素子５０を模式的に示す平面図である。
変形例の波長変換素子５０は、図４に示すように、補強部４４が矩形状の波長変換部４２の角部に設けられている。
この構成によれば、応力がより集中しやすい角部に、容易に補強部４４を形成することが可能となる。よって、熱によるストレスに対して効果的な耐性を有し、容易な製造が可能な波長変換素子５０の提供が可能となる。
【００６０】
前記実施形態の投射型装置１は、光変調装置として透過型の液晶パネルを用いているが、反射型の液晶パネルを用いたものであってもよい。また、光変調装置としてマイクロミラー型の光変調装置、例えば、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）等を利用したものであってもよい。
【００６１】
前記実施形態の光変調装置は、赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、および青色光Ｂに対応する３つの光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂを用いるいわゆる３板方式を採用しているが、これに限らず、単板方式を採用してもよく、あるいは、２つまたは４つ以上の光変調装置を備える投射型装置にも適用できる。
【符号の説明】
【００６２】
１…投射型装置、１０…発光部、４０，５０…波長変換素子、４１…基板、４２…波長変換部、４３…接合部、４４…補強部、１０１…第１の光源装置（光源装置）、４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂ…光変調装置、４２１…波長変換層、４２２…金属層、６００…投射光学装置。
【図１】
2019002952.tif 000003
【図２】
2019002952.tif 000004
【図３】
2019002952.tif 000005
【図４】
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