波長変換素子、それを備える光源およびその製造方法
【課題】波長変換部材が放熱部材に接合してなる波長変換素子であって、当該波長変換素子を使用した光源の軽量化を図るとともに、使用時に波長変換部材が放熱部材から剥離しにくい波長変換素子を提供する。
【解決手段】無機材料からなる波長変換部材と、Ａｌおよびセラミックスを含む複合材料からなる放熱部材とを有することを特徴とする波長変換素子。セラミックスが、ＳｉＣおよびＡｌＮのいずれか１種以上であることが好ましい。
【解決手段】無機材料からなる波長変換部材と、Ａｌおよびセラミックスを含む複合材料からなる放熱部材とを有することを特徴とする波長変換素子。セラミックスが、ＳｉＣおよびＡｌＮのいずれか１種以上であることが好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換素子、それを備える光源およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）やレーザーダイオード（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）を用いた光源などの、蛍光ランプや白熱灯に変わる次世代の光源に対する注目が高まってきている。そのような次世代光源の一例として、例えば下記の特許文献１には、青色光を出射するＬＥＤの光出射側に、ＬＥＤからの光の一部を吸収し、黄色の光を出射する波長変換部材が配置された光源が開示されている。この光源は、ＬＥＤから出射された青色光と、波長変換部材から出射された黄色光との合成光である白色光を発する。
【０００３】
波長変換部材としては、従来、樹脂マトリクス中に無機蛍光体粉末を分散させたものが用いられている。しかしながら、当該波長変換部材を用いた場合、ＬＥＤからの光により樹脂が劣化し、光源の輝度が低くなりやすいという問題がある。特に、ＬＥＤからの光が、青色光などの波長が短く、エネルギーが強い光である場合は、このような問題が生じやすい。
【０００４】
このような問題に鑑み、例えば、下記の特許文献２には、ガラスマトリクス中に無機蛍光体粉末を分散させた波長変換部材が提案されている。特許文献２に記載の波長変換部材は、樹脂を含まず、無機固体のみから構成されるため、優れた耐熱性および耐候性を有している。従って、この波長変換部材を用いることにより輝度が低下しにくい光源を実現することができる。
【０００５】
波長変換部材を用いた光源を高輝度化するためには、発光素子から出射する励起光の強度を高める必要がある。しかしながら、高強度の励起光を出射する発光素子を用いた場合は、所望の輝度が得られにくいという問題がある。これは、波長変換部材に入射した光のうち、蛍光体の励起に使用されなかった光が熱に変換され、波長変換部材の温度が上昇することによる熱消光が原因であると考えられる。
【０００６】
そこで、波長変換部材に対して、例えば銅などの熱伝導性に優れた放熱部材を接合した波長変換素子が提案されている。当該波長変換素子を用いれば、波長変換部材の熱が効率的に放熱部材に伝導し、放熱部材から放熱される。このため、波長変換部材の温度上昇を抑制することができ、発光素子からの励起光の強度が高い場合であっても、当該波長変換部材を用いた光源の輝度低下を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−２０８８１５号公報
【特許文献２】特開２００３−２５８３０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記波長変換素子において使用される銅製の放熱部材は、比較的重量が大きいため、当該波長変換素子を用いた光源の軽量化が困難である。そこで、比較的軽量の材質として、アルミニウム製あるいはアルミニウム合金製の放熱部材を使用することが考えられるが、当該放熱部材を波長変換部材に接合してなる波長変換素子は、使用時に波長変換部材が放熱部材から剥離しやすいという問題がある。
【０００９】
以上の課題に鑑み、本発明は、波長変換部材が放熱部材に接合してなる波長変換素子であって、当該波長変換素子を使用した光源の軽量化を図るとともに、使用時に波長変換部材が放熱部材から剥離しにくい波長変換素子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】
【００１０】
本発明は、無機材料からなる波長変換部材と、Ａｌおよびセラミックスを含む複合材料からなる放熱部材とを有することを特徴とする波長変換素子に関する。
【００１１】
本発明者は、波長変換素子に使用される放熱部材の材質について、種々調査を行った結果、Ａｌおよびセラミックスを含む複合材料からなる放熱部材を用いれば、前記課題を解消できることがわかった。すなわち、Ａｌおよびセラミックスを含む複合材料からなる放熱部材は、比較的軽量であるため、光源の軽量化を図ることが容易である。しかも、特に、ガラス中に無機蛍光体粉末を分散させた波長変換部材に対し、熱膨張率を近づけることが容易であるため、使用時に高温になっても波長変換部材の剥離が生じにくい。
【００１２】
第二に、本発明の波長変換素子は、セラミックスが、ＳｉＣまたはＡｌＮであることが好ましい。
【００１３】
第三に、本発明の波長変換素子は、放熱部材が、Ａｌ １０〜９９．９体積％、セラミックス ０．１〜９０体積％を含む複合材料からなることが好ましい。
【００１４】
当該構成によれば、前記効果がより享受しやすくなる。
【００１５】
第四に、本発明の波長変換素子は、放熱部材の密度が３ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【００１６】
第五に、本発明の波長変換素子は、放熱部材の熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。
【００１７】
第六に、本発明の波長変換素子は、波長変換部材が、無機蛍光体粉末とガラス粉末を含む混合粉末の焼結体からなることが好ましい。
【００１８】
第七に、本発明の波長変換素子は、ガラス粉末が、スズリン酸塩系ガラスまたは硼珪酸塩系ガラスであることが好ましい。
【００１９】
スズリン酸塩系ガラスは軟化温度が比較的低く、波長変換部材を作製する際の焼成温度を低くすることができるため、無機蛍光体粉末の熱劣化を抑制することができる。また、硼珪酸塩系ガラスは耐熱性が高いため、高強度な励起光や、無機蛍光体粉末からの発熱による劣化を抑制できる。また、耐候性にも優れている。
【００２０】
第八に、本発明の波長変換素子は、無機蛍光体粉末を３０〜９９．９質量％含有することが好ましい。
【００２１】
当該構成によれば、波長変換部材の単位体積における無機蛍光体粉末の含有量を多くすることができ、当該波長変換部材を用いた光源の高輝度化を達成することが可能となる。
【００２２】
第九に、本発明の波長変換素子は、波長変換部材と放熱部材の熱膨張率の差が３５×１０−７／℃以下であることが好ましい。
【００２３】
第十に、本発明の波長変換素子は、波長変換部材と放熱部材の間に反射層を備えていることが好ましい。
【００２４】
波長変換素子としては、一般に、励起光と蛍光体から発生する蛍光との合成光を、励起光と反対側から取り出す「透過型」と、当該合成光を励起光と同じ側から取り出す「反射型」が挙げられる。本発明では、波長変換部材と熱伝導性部材との間に反射層を設けることにより、「反射型」波長変換素子とすることができる。
【００２５】
特に、波長変換部材中における無機蛍光体粉末の含有量が多い場合は、「透過型」波長変換素子では、励起光が波長変換部材内部で散乱して透過しにくくなる。結果として、所望の色合いを有する光が得られにくくなる。一方、「反射型」波長変換素子であれば、波長変換部材中における無機蛍光体粉末の含有量が多い場合であっても、所望の色合いを有する光が得られやすい。これは、波長変換部材中で励起光が散乱しても、各散乱光が反射層により反射されて励起光側に効率よく取り出すことができるためである。
【００２６】
第十一に、本発明の波長変換素子は、反射層が、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、ＰｄおよびＴｉから選択された金属またはその合金であることが好ましい。
【００２７】
第十二に、本発明の波長変換素子は、波長変換部材と反射層の間、および／または、反射層と放熱部材の間に保護層を備えていることが好ましい。
【００２８】
当該構成によれば、反射層の酸化による劣化を抑制することが可能となる。
【００２９】
第十三に、本発明の波長変換素子は、保護層が、ＳｉＯ２またはＡｌ２Ｏ３であることが好ましい。
【００３０】
第十四に、本発明は、前記いずれかの波長変換素子と発光素子とを備えていることを特徴とする光源に関する。
【００３１】
第十五に、本発明の光源は、プロジェクター用であることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の波長変換素子の実施形態１を説明する模式的斜視図である。
【図２】本発明の波長変換素子の実施形態１を説明する模式的断面図である。
【図３】本発明の波長変換素子の実施形態２を説明する模式的斜視図である。
【図４】本発明の波長変換素子の実施形態３を説明する模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、図面を用いて本発明の波長変換素子の実施形態を説明する。ただし、本発明は以下の実施形態のみに限定されるものではない。
【００３４】
＜実施形態１＞
図１および２に、本発明の波長変換素子の実施形態１を説明する模式的斜視図および模式的断面図をそれぞれ示す。
【００３５】
図１および２に示すように、本発明の波長変換素子１は、放熱部材３上に波長変換部材２を接合してなるものである。本実施形態では、波長変換部材２と放熱部材３の間に反射層４が形成されており、さらに、波長変換部材２と反射層４の間に保護層５が形成されている。
【００３６】
波長変換部材２は、発光素子（図示せず）から出射された励起光の一部を透過する一方、一部を吸収し、励起光よりも波長の長い蛍光を出射する部材である。
【００３７】
波長変換部材２は無機材料からなる。具体的には、無機蛍光体粉末とガラス粉末を含む混合粉末の焼結体からなる。
【００３８】
無機蛍光体粉末は、励起光の波長に応じて適宜選択することができる。無機蛍光体粉末の具体例としては、酸化物蛍光体、窒化物蛍光体、酸窒化物蛍光体、塩化物蛍光体、酸塩化物蛍光体、硫化物蛍光体、酸硫化物蛍光体、ハロゲン化物蛍光体、カルコゲン化物蛍光体、アルミン酸塩蛍光体、ハロリン酸塩化物蛍光体、ＹＡＧ系化合物蛍光体が挙げられる。これらの無機蛍光体粉末は２種以上を複合して使用してもよい。
【００３９】
波長３００〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると青色の蛍光（波長が４４０ｎｍ〜４８０ｎｍの蛍光）を発する無機蛍光体の具体例としては、Ｓｒ５（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕ２＋、（Ｓｒ，Ｂａ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ２＋などが挙げられる。
【００４０】
波長３００〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると緑色の蛍光（波長が５００ｎｍ〜５４０ｎｍの蛍光）を発する無機蛍光体の具体例としては、ＳｒＡｌ２Ｏ４：Ｅｕ２＋、ＳｒＧａ２Ｓ４：Ｅｕ２＋などが挙げられる。
【００４１】
波長４４０〜４８０ｎｍの青色の励起光を照射すると緑色の蛍光（波長が５００ｎｍ〜５４０ｎｍの蛍光）を発する無機蛍光体の具体例としては、ＳｒＡｌ２Ｏ４：Ｅｕ２＋、ＳｒＧａ２Ｓ４：Ｅｕ２＋などが挙げられる。
【００４２】
波長３００〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると黄色の蛍光（波長が５４０ｎｍ〜５９５ｎｍの蛍光）を発する無蛍光体の具体例としては、ＺｎＳ：Ｅｕ２＋などが挙げられる。
【００４３】
波長４４０〜４８０ｎｍの青色の励起光を照射すると黄色の蛍光（波長が５４０ｎｍ〜５９５ｎｍの蛍光）を発する無機蛍光体の具体例としては、Ｙ３（Ａｌ，Ｇｄ）５Ｏ１２：Ｃｅ２＋などが挙げられる。
【００４４】
波長３００〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると赤色の蛍光（波長が６００ｎｍ〜７００ｎｍの蛍光）を発する無機蛍光体の具体例としては、Ｇｄ３Ｇａ４Ｏ１２：Ｃｒ３＋、ＣａＧａ２Ｓ４：Ｍｎ２＋などが挙げられる。
【００４５】
波長４４０〜４８０ｎｍの青色の励起光を照射すると赤色の蛍光（波長が６００ｎｍ〜７００ｎｍの蛍光）を発する無機蛍光体の具体例としては、Ｍｇ２ＴｉＯ４：Ｍｎ４＋、Ｋ２ＳｉＦ６：Ｍｎ４＋などが挙げられる。
【００４６】
無機蛍光体粉末の平均粒子径（Ｄ５０）は、特に限定されず、例えば、１〜５０μｍ、特に５〜２５μｍであることが好ましい。無機蛍光体粉末の平均粒子径（Ｄ５０）が大きすぎると、発光色が不均一になりやすくなる。また、緻密な焼結体が得られにくく、波長変換部材２中に気孔が残存しやすくなる。一方、無機蛍光体粉末の平均粒子径（Ｄ５０）が小さすぎると、発光強度が低下しやすくなる。
【００４７】
波長変換部材２における無機蛍光体粉末の含有量は３０〜９９．９質量％、３５〜９９質量％、５０〜９５質量％、特に７０〜９０質量％であることが好ましい。無機蛍光体粉末の含有量が少なすぎると、波長変換部材２を用いた光源の輝度が低くなる傾向がある。一方、無機蛍光体粉末の含有量が多すぎると、相対的にガラス粉末の含有量が少なくなって、緻密な焼結体が得られにくくなる。結果として、波長変換部材２中に気孔が多くなり、光散乱の原因となるため、波長変換部材２を用いた光源の発光強度が低下する傾向がある。
【００４８】
ガラス粉末としては、無機蛍光体粉末を好適に分散できるものであれば特に限定されない。ガラス粉末の具体例としては、例えば、珪酸塩系ガラス、硼珪酸塩系ガラス、リン酸塩系ガラス、硼リン酸塩系ガラス、スズリン酸塩系ガラスなどが挙げられる。なかでも、硼珪酸塩系ガラスは耐熱性が高いため、高強度な励起光や、無機蛍光体粉末からの発熱による劣化を抑制できる。また、耐候性にも優れている。また、スズリン酸塩系ガラスは軟化温度が例えば６００℃以下と低くすることが容易であるため、例えば放熱部材３に対し、無機蛍光体粉末およびガラス粉末の混合物を加熱プレスすることにより、波長変換素子１上に容易に波長変換部材２を形成することができる。この際、放熱部材３に要求される耐熱性が低くなり、材料選択の自由度が向上する。また、加熱プレス時における無機蛍光体粉末の劣化を抑制できる。
【００４９】
硼珪酸塩系ガラスとしては、ガラス組成として、モル％表示で、ガラス粉末が、モル百分率で、ＳｉＯ２ ３０〜７０％、Ｂ２Ｏ３ １〜１５％、ＭｇＯ ０〜１０％、ＣａＯ ０〜２５％、ＳｒＯ ０〜１０％、ＢａＯ ５〜４０％、ＲＯ（ＲはＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａを表す） １０〜４５％、Ａｌ２Ｏ３ ０〜２０％、ＺｎＯ ０〜１０％を含有するものが好ましい。
【００５０】
スズリン酸塩系ガラスとしては、ガラス組成として、モル％表示で、ＳｎＯ ３５〜８０％、Ｐ２Ｏ５ ５〜４０％、Ｂ２Ｏ３ ０〜３０％を含有するものが好ましい。
【００５１】
これらのガラスには、前記成分以外にも、本発明の効果を損なわない範囲で、例えばＺｎＯ、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｇｄ２Ｏ３およびＬａ２Ｏ３の少なくとも一つの成分を、合量で１０モル％まで含有していてもよい。
【００５２】
なお、本発明において、「軟化温度」はＤＴＡ（示差熱分析）により測定した温度である。
【００５３】
波長変換部材２には、無機蛍光体粉末およびガラス粉末以外にも、例えばアルミナ粉末やシリカ粉末等の光拡散材が含まれていてもよい。
【００５４】
放熱部材３は、Ａｌおよびセラミックスを含む複合材料からなるものである。具体的には、Ａｌ １０〜９９．９体積％、セラミックス ０．１〜９０体積％（好ましくはＡｌ ２０〜９９体積％、セラミックス １〜８０体積％、より好ましくはＡｌ ３０〜９５体積％、セラミックス ５〜７０体積％、さらに好ましくはＡｌ ４０〜９０体積％、セラミックス １０〜６０体積％、最も好ましくはＡｌ ５０〜８０体積％、セラミックス ２０〜５０体積％）を含む複合材料からなるものであることが好ましい。ここで、セラミックスの含有量が少なすぎる場合は、放熱部材３の熱膨張率が大きくなって、波長変換部材２が放熱部材３から剥離しやすくなる。一方、セラミックスの含有量が多すぎる場合は、放熱部材３の密度が大きくなって、光源の軽量化が困難になる傾向がある。なお、Ａｌおよびセラミックス以外にも、例えばＭｇ、Ｃｒ、Ｆｅ等の金属などの成分を合量で１０体積％以下、特に５体積％以下含有していても構わない。
【００５５】
セラミックスとしては、ＳｉＣやＡｌＮ等が挙げられる。これらの材料を用いることにより、レーザー素子等の高出力の発光素子を励起光源として使用した場合であっても、波長変換部材２から放熱部材３に効率よく放熱される。そのため、波長変換部材２に含まれる無機蛍光体粉末の熱消光が原因となる輝度低下が発生しにくい。具体的には、放熱部材３の熱伝導率は、１００Ｗ／ｍＫ以上、１５０Ｗ／ｍＫ以上、２００Ｗ／ｍＫ以上、特に２５０Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。
【００５６】
また放熱部材３は、前記複合材料からなるため、軽量化を図ることができる。具体的には、放熱部材３の密度は、３ｇ／ｃｍ３以下、２．５ｇ／ｃｍ３以下、特に２ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【００５７】
さらに、放熱部材３が前記複合材料からなることにより、波長変換部材２との熱膨張率差を低減することが容易になるため、使用時に高温になっても、波長変換部材２が放熱部材３から剥離することを抑制できる。
【００５８】
波長変換部材２と放熱部材３の熱膨張率差は、３５×１０−７／℃以下、３０×１０−７／℃以下、２０×１０−７／℃以下、特に１０×１０−７／℃以下であることが好ましい。当該熱膨張率差が大きすぎると、例えば波長変換素子１の温度が上昇した際に、波長変換部材２が放熱部材３から剥離しやすくなる。
【００５９】
例えば、波長変換部材２として、スズリン酸塩系ガラス粉末と無機蛍光体粉末を含む混合粉末の焼結体からなるものを使用した場合、放熱部材３の熱膨張率は、１００×１０−７〜１７０×１０−７／℃、１２０×１０−７〜１６０×１０−７／℃、特に１３０×１０−７〜１５０×１０−７／℃であることが好ましい。また、波長変換部材２として、硼珪酸塩系ガラス粉末と無機蛍光体粉末を含む混合粉体の焼結体からなるものを使用した場合、放熱部材３の熱膨張係数は、４０×１０−７〜１００×１０−７／℃、５０×１０−７〜９０×１０−７／℃、特に６０×１０−７〜８０×１０−７であることが好ましい。
【００６０】
なお、本発明において、熱膨張率は３０〜３８０℃の温度範囲における測定値をいう。
【００６１】
放熱部材３は、例えば、Ａｌ粉末とセラミックス粉末を所定の比率で混合して、焼結させることにより作製することができる。
【００６２】
図１および２に示すように、本実施形態では、放熱部材３は板状に形成されている。もっとも、本発明において、放熱部材３は板状に限定されず、例えば棒状や直方体状であってもよい。
【００６３】
波長変換部材２の形状寸法は、特に限定されない。本実施形態では、具体的には、波長変換部材２は円盤状である。波長変換部材２の直径は１００ｍｍ以下、３〜８０ｍｍ、特に２５〜７０ｍｍであることが好ましい。波長変換部材２の直径が大きすぎると、光源が大型化して軽量化が困難になる傾向がある。また、波長変換部材２の厚みは、０．０１〜２ｍｍ、０．０２〜１ｍｍ、０．０３〜０．５ｍｍ、０．０４〜０．２ｍｍ、特に０．０５〜０．１ｍｍであることが好ましい。波長変換部材２の厚みが小さすぎると、無機蛍光体粉末の含有量が少なくなり、所望の色合いが得られにくくなる。また、波長変換部材２の厚みを均一にすることが困難になり、色むらの原因となる傾向がある。一方、波長変換部材２の厚みが大きすぎると、波長変換部材２において波長変換される励起光の割合が大きくなり、所望の色合いの合成光が得られにくくなる。
【００６４】
反射層４は、４５０〜７５０ｎｍの波長域において８５％以上、特に９０％以上の反射率を有する材料からなることが好ましい。これにより、波長変換素子１からの光の取り出し効率の低下を抑制できる。具体的には、反射層４としては、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、ＰｄおよびＴｉから選択された金属またはその合金からなるものが挙げられる。なかでも、熱伝導性または反射率の高いＡｇやＡｌであることがより好ましい。
【００６５】
反射層４の厚みは例えば０．０１〜１０００μｍ、特に０．１〜５００μｍであることが好ましい。反射層４の厚みが小さすぎる場合は、所望の光反射率が得られにくくなる。一方、反射層４の厚みが大きすぎる場合は、膜応力が大きくなったり、波長変換部材２において発生した熱が放熱部材３に伝導しにくくなる傾向がある。
【００６６】
保護層５としては、全光線透過率が８０％以上、特に９０％以上であることが好ましい。これにより、保護層５における光の吸収ロスを低減し、光源の発光強度の低下を抑制できる。具体的には、保護層５としては、ＳｉＯ２およびＡｌ２Ｏ３などが挙げられる。保護層５の厚みは例えば０．０１〜５００μｍ、特に０．１〜３００μｍであることが好ましい。保護層５の厚みが小さすぎる場合は、反射層４の酸化抑制効果が得られにくくなる。一方、保護層５の厚みが大きすぎる場合は、膜応力が大きくなったり、波長変換部材２において発生した熱が放熱部材３に伝導しにくくなる傾向がある。
【００６７】
以下、本発明の波長変換素子の他の実施形態および変形例について説明する。以下の説明において、実施形態１と実質的に共通の機能を有する部材については、共通の符号を用いている。
【００６８】
＜実施形態２＞
図３に、本発明の波長変換素子の実施形態２を説明する模式的斜視図を示す。
【００６９】
図３に示すように、本実施形態の放熱部材３は、円盤の中央部に円形の開孔部が形成された、いわゆるドーナツ形状を有している。また、放熱部材３上に、同じくドーナツ形状の波長変換部材２が接合されている。
【００７０】
図３には示されていないが、実施形態１と同様に波長変換部材２と放熱部材３の間に、反射層４、さらには保護層５を設けてもよい。
【００７１】
＜実施形態３＞
図４に、本発明の波長変換素子の実施形態３を説明する模式的断面図を示す。
【００７２】
図４に示すように、本実施形態では、放熱部材３の表面に突部６が形成されている。このため、本実施形態の放熱部材３は表面積が大きくなり、放熱部材３からの放熱をより効果的に促進することができる。その結果、波長変換材料２の温度上昇をより効果的に抑制することができる。
【００７３】
＜変形例＞
実施形態１では、波長変換部材２として、無機蛍光体粉末とガラス粉末を含む混合粉末の焼結体を用いる場合について説明した。本発明はこの構成に限定されず、波長変換部材２として、例えば、透光性ＹＡＧ多結晶体や、透光性ＹＡＧ単結晶を用いてもよい。
【００７４】
本発明の波長変換素子は、ＬＥＤやＬＤ等の発光素子と組み合わせることにより、例えばプロジェクター用光源として使用することができる。
【実施例】
【００７５】
以下、本発明の波長変換素子を、実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。
【００７６】
（実施例１）
（１）波長変換素子の作製
モル％で、ＳｎＯ ６２％、Ｐ２Ｏ５ ２２％、Ｂ２Ｏ３ １１％、Ａｌ２Ｏ３ ２％、ＭｇＯ ３％の組成となるように原料粉末を調合し、原料バッチを調整した。原料バッチを坩堝内で１０００℃で２時間加熱した。その後、得られた溶融ガラスの一部をロール成形することにより、ガラスフィルムを作製した。また、溶融ガラスの残りの一部をカーボン枠内に鋳込むことにより、ガラスブロックを作製した。
【００７７】
得られたガラスブロックを、所定の大きさに切り出し、３０〜３８０℃の温度範囲における熱膨張率を、ディラトメーターを用いて測定した。その結果、ガラスの熱膨張率は１４０×１０−７／℃であった。
【００７８】
次に、前記ガラスフィルムを、らいかい機を用いて１５分間粉砕した後に、１００μｍのふるいに通してガラス粉末（Ｄ５０：１４μｍ、Ｄｍａｘ：１４５μｍ）を得た。得られたガラス粉末に対してＹＡＧ蛍光体粉末を添加して混合粉末を作製した。なお、混合粉末中におけるＹＡＧ蛍光体粉末の含有量は８０質量％とした。
【００７９】
次に、アルミニウムとＳｉＣの複合材料（アルミニウム ７０体積％、ＳｉＣ ３０体積％）からなる放熱部材を１０ｍｍ角、厚み１ｍｍの板形状に切り出した。次に、放熱部材上にＡｇ反射層をスパッタ法にて、厚み３００ｎｍとなるように成膜した。さらに、Ａｇ反射層上にＡｌ２Ｏ３保護層を、スパッタ法により、厚み２００ｎｍとなるように成膜した。
【００８０】
反射層および保護層が形成された前記放熱部材上に、前記混合粉末を載置した。ＳＹＳ製の精密ガラスプレス装置（成形型＝グラッシーカーボン製の平型）を用いて、窒素雰囲気中、４００℃で加熱プレス成形し、前記実施形態１と実質的に同様の構成を有する波長変換素子を得た。放熱部材上に形成された波長変換部材の直径は８ｍｍ、厚みは０．１ｍｍであった。
【００８１】
（２）評価
得られた波長変換素子において、波長変換部材の放熱部材に対する密着性を確認するためにテープ試験を実施した。試験用テープ（ファーマセル製Ｐ７８６、引っ張り強度：３．６ｋｇ／ｃｍ２）を波長変換部材の全面に押さえつけるようにして貼り付け、貼り付け面に対して垂直方向に引っ張り、０．１秒で剥がし、波長変換部材の剥離状態を確認した。
【００８２】
また、２Ａ、波長４４０ｎｍのレーザー光を、波長変換素子の波長変換部材側に垂直に１０分間照射し、光照射後の波長変換部材の剥離状態を確認した。
【００８３】
以上の結果を表１に示す。
【００８４】
（比較例１）
放熱部材としてアルミニウム合金（Ａ５０５２）を用いたこと以外は、実施例と同様にして波長変換素子を作製し、評価を行った。結果を表１に示す。
【００８５】
（比較例２）
放熱部材として銅（純銅）を用いたこと以外は、実施例と同様にして波長変換素子を作製し、評価を行った。結果を表１に示す。
【００８６】
（実施例２）
（１）波長変換素子の作製
モル％で、ＳｉＯ２ ６０％、Ｂ２Ｏ３ ５％、ＣａＯ １５％、ＢａＯ １０％、Ａｌ２Ｏ３ ５％、ＺｎＯ ５％の組成となるように原料粉末を調合し、原料バッチを調整した。原料バッチを坩堝内で１４００℃で２時間加熱した。その後、得られた溶融ガラスの一部をロール成形することにより、ガラスフィルムを作製した。また、溶融ガラスの残りの一部をカーボン枠内に鋳込むことにより、ガラスブロックを作製した。
【００８７】
得られたガラスブロックを、所定の大きさに切り出し、３０〜３８０℃の温度範囲における熱膨張率を、ディラトメーターを用いて測定した。その結果、ガラスの熱膨張率は７０×１０−７／℃であった。
【００８８】
次に、前記ガラスフィルムを、らいかい機を用いて３０分間粉砕した後に、１００μｍのふるいに通してガラス粉末（Ｄ５０：１５μｍ、Ｄｍａｘ：１３２μｍ）を得た。得られたガラス粉末に対してＹＡＧ蛍光体粉末を添加して混合粉末を作製した。なお、混合粉末中におけるＹＡＧ蛍光体粉末の含有量は８０質量％とした。
【００８９】
次に、混合粉末を金型を用いて加圧成形し、直径１ｃｍのボタン状の予備成型体を作製した。この予備成型体を、焼成温度８３０℃、真空雰囲気下で焼成した後、加工し、直径８ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの円盤状の波長変換部材を得た。
【００９０】
得られた波長変換部材上に、Ａｇ反射層をスパッタ法にて厚み３００ｎｍになるように成膜した。次に、Ａｇ膜上にＡｌ２Ｏ３保護膜を、スパッタ法にて厚み２００ｎｍとなるように成膜した。さらに、Ａｌ２Ｏ３保護膜上に、Ｃｒ膜とＡｕ膜をスパッタ法により各々１００ｎｍとなるように成膜した。
【００９１】
次に、アルミニウムとＳｉＣの複合材料（アルミニウム ３０体積％、ＳｉＣ ７０体積％）からなる放熱部材を１０ｍｍ角、厚み１ｍｍの板形状に切り出した。放熱部材上に、Ａｕ膜をスパッタ法にて厚み１００ｎｍとなるように成膜した。
【００９２】
放熱部材上のＡｕ膜を成膜した面上に金錫半田を載置し、さらにその上に波長変換部材を、成膜された面が下側となるように設置した。その状態で、２００℃に加熱したヒートブロック上で加熱し、金錫半田を軟化させ、波長変換部材と放熱部材を接合し波長変換素子を得た。
【００９３】
得られた波長変換素子について、実施例１と同様にして評価を行った。結果を表２に示す。
【００９４】
（比較例３）
放熱部材としてアルミニウム合金（Ａ５０５２）を用いたこと以外は、実施例２と同様にして波長変換素子を作製し、評価を行った。結果を表２に示す。
【００９５】
（比較例４）
放熱部材として銅（純銅）を用いたこと以外は、実施例２と同様にして波長変換素子を作製し、評価を行った。結果を表２に示す。
【００９６】
【表１】
【００９７】
【表２】
【００９８】
表１および２に示すように、実施例１および２の波長変換素子は、テープ試験および光照射試験のいずれにおいても、波長変換部材の剥離は生じなかった。
【００９９】
一方、放熱部材としてアルミニウム合金を用いた比較例１および３では、テープ試験において波長変換部材の剥離が生じた。また、光照射試験においても、それぞれレーザー光照射３分後および１分後に波長変換部材の剥離が生じた。また、放熱部材として銅を用いた比較例２および４では、テープ試験において波長変換部材の剥離は生じなかったが、光照射試験において、それぞれレーザー光照射７分後および５分後に波長変換部材の剥離が生じた。
【符号の説明】
【０１００】
１ 波長変換素子
２ 波長変換部材
３ 放熱部材
４ 反射層
５ 保護層
６ 突部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換素子、それを備える光源およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）やレーザーダイオード（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）を用いた光源などの、蛍光ランプや白熱灯に変わる次世代の光源に対する注目が高まってきている。そのような次世代光源の一例として、例えば下記の特許文献１には、青色光を出射するＬＥＤの光出射側に、ＬＥＤからの光の一部を吸収し、黄色の光を出射する波長変換部材が配置された光源が開示されている。この光源は、ＬＥＤから出射された青色光と、波長変換部材から出射された黄色光との合成光である白色光を発する。
【０００３】
波長変換部材としては、従来、樹脂マトリクス中に無機蛍光体粉末を分散させたものが用いられている。しかしながら、当該波長変換部材を用いた場合、ＬＥＤからの光により樹脂が劣化し、光源の輝度が低くなりやすいという問題がある。特に、ＬＥＤからの光が、青色光などの波長が短く、エネルギーが強い光である場合は、このような問題が生じやすい。
【０００４】
このような問題に鑑み、例えば、下記の特許文献２には、ガラスマトリクス中に無機蛍光体粉末を分散させた波長変換部材が提案されている。特許文献２に記載の波長変換部材は、樹脂を含まず、無機固体のみから構成されるため、優れた耐熱性および耐候性を有している。従って、この波長変換部材を用いることにより輝度が低下しにくい光源を実現することができる。
【０００５】
波長変換部材を用いた光源を高輝度化するためには、発光素子から出射する励起光の強度を高める必要がある。しかしながら、高強度の励起光を出射する発光素子を用いた場合は、所望の輝度が得られにくいという問題がある。これは、波長変換部材に入射した光のうち、蛍光体の励起に使用されなかった光が熱に変換され、波長変換部材の温度が上昇することによる熱消光が原因であると考えられる。
【０００６】
そこで、波長変換部材に対して、例えば銅などの熱伝導性に優れた放熱部材を接合した波長変換素子が提案されている。当該波長変換素子を用いれば、波長変換部材の熱が効率的に放熱部材に伝導し、放熱部材から放熱される。このため、波長変換部材の温度上昇を抑制することができ、発光素子からの励起光の強度が高い場合であっても、当該波長変換部材を用いた光源の輝度低下を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−２０８８１５号公報
【特許文献２】特開２００３−２５８３０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記波長変換素子において使用される銅製の放熱部材は、比較的重量が大きいため、当該波長変換素子を用いた光源の軽量化が困難である。そこで、比較的軽量の材質として、アルミニウム製あるいはアルミニウム合金製の放熱部材を使用することが考えられるが、当該放熱部材を波長変換部材に接合してなる波長変換素子は、使用時に波長変換部材が放熱部材から剥離しやすいという問題がある。
【０００９】
以上の課題に鑑み、本発明は、波長変換部材が放熱部材に接合してなる波長変換素子であって、当該波長変換素子を使用した光源の軽量化を図るとともに、使用時に波長変換部材が放熱部材から剥離しにくい波長変換素子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】
【００１０】
本発明は、無機材料からなる波長変換部材と、Ａｌおよびセラミックスを含む複合材料からなる放熱部材とを有することを特徴とする波長変換素子に関する。
【００１１】
本発明者は、波長変換素子に使用される放熱部材の材質について、種々調査を行った結果、Ａｌおよびセラミックスを含む複合材料からなる放熱部材を用いれば、前記課題を解消できることがわかった。すなわち、Ａｌおよびセラミックスを含む複合材料からなる放熱部材は、比較的軽量であるため、光源の軽量化を図ることが容易である。しかも、特に、ガラス中に無機蛍光体粉末を分散させた波長変換部材に対し、熱膨張率を近づけることが容易であるため、使用時に高温になっても波長変換部材の剥離が生じにくい。
【００１２】
第二に、本発明の波長変換素子は、セラミックスが、ＳｉＣまたはＡｌＮであることが好ましい。
【００１３】
第三に、本発明の波長変換素子は、放熱部材が、Ａｌ １０〜９９．９体積％、セラミックス ０．１〜９０体積％を含む複合材料からなることが好ましい。
【００１４】
当該構成によれば、前記効果がより享受しやすくなる。
【００１５】
第四に、本発明の波長変換素子は、放熱部材の密度が３ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【００１６】
第五に、本発明の波長変換素子は、放熱部材の熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。
【００１７】
第六に、本発明の波長変換素子は、波長変換部材が、無機蛍光体粉末とガラス粉末を含む混合粉末の焼結体からなることが好ましい。
【００１８】
第七に、本発明の波長変換素子は、ガラス粉末が、スズリン酸塩系ガラスまたは硼珪酸塩系ガラスであることが好ましい。
【００１９】
スズリン酸塩系ガラスは軟化温度が比較的低く、波長変換部材を作製する際の焼成温度を低くすることができるため、無機蛍光体粉末の熱劣化を抑制することができる。また、硼珪酸塩系ガラスは耐熱性が高いため、高強度な励起光や、無機蛍光体粉末からの発熱による劣化を抑制できる。また、耐候性にも優れている。
【００２０】
第八に、本発明の波長変換素子は、無機蛍光体粉末を３０〜９９．９質量％含有することが好ましい。
【００２１】
当該構成によれば、波長変換部材の単位体積における無機蛍光体粉末の含有量を多くすることができ、当該波長変換部材を用いた光源の高輝度化を達成することが可能となる。
【００２２】
第九に、本発明の波長変換素子は、波長変換部材と放熱部材の熱膨張率の差が３５×１０−７／℃以下であることが好ましい。
【００２３】
第十に、本発明の波長変換素子は、波長変換部材と放熱部材の間に反射層を備えていることが好ましい。
【００２４】
波長変換素子としては、一般に、励起光と蛍光体から発生する蛍光との合成光を、励起光と反対側から取り出す「透過型」と、当該合成光を励起光と同じ側から取り出す「反射型」が挙げられる。本発明では、波長変換部材と熱伝導性部材との間に反射層を設けることにより、「反射型」波長変換素子とすることができる。
【００２５】
特に、波長変換部材中における無機蛍光体粉末の含有量が多い場合は、「透過型」波長変換素子では、励起光が波長変換部材内部で散乱して透過しにくくなる。結果として、所望の色合いを有する光が得られにくくなる。一方、「反射型」波長変換素子であれば、波長変換部材中における無機蛍光体粉末の含有量が多い場合であっても、所望の色合いを有する光が得られやすい。これは、波長変換部材中で励起光が散乱しても、各散乱光が反射層により反射されて励起光側に効率よく取り出すことができるためである。
【００２６】
第十一に、本発明の波長変換素子は、反射層が、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、ＰｄおよびＴｉから選択された金属またはその合金であることが好ましい。
【００２７】
第十二に、本発明の波長変換素子は、波長変換部材と反射層の間、および／または、反射層と放熱部材の間に保護層を備えていることが好ましい。
【００２８】
当該構成によれば、反射層の酸化による劣化を抑制することが可能となる。
【００２９】
第十三に、本発明の波長変換素子は、保護層が、ＳｉＯ２またはＡｌ２Ｏ３であることが好ましい。
【００３０】
第十四に、本発明は、前記いずれかの波長変換素子と発光素子とを備えていることを特徴とする光源に関する。
【００３１】
第十五に、本発明の光源は、プロジェクター用であることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の波長変換素子の実施形態１を説明する模式的斜視図である。
【図２】本発明の波長変換素子の実施形態１を説明する模式的断面図である。
【図３】本発明の波長変換素子の実施形態２を説明する模式的斜視図である。
【図４】本発明の波長変換素子の実施形態３を説明する模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、図面を用いて本発明の波長変換素子の実施形態を説明する。ただし、本発明は以下の実施形態のみに限定されるものではない。
【００３４】
＜実施形態１＞
図１および２に、本発明の波長変換素子の実施形態１を説明する模式的斜視図および模式的断面図をそれぞれ示す。
【００３５】
図１および２に示すように、本発明の波長変換素子１は、放熱部材３上に波長変換部材２を接合してなるものである。本実施形態では、波長変換部材２と放熱部材３の間に反射層４が形成されており、さらに、波長変換部材２と反射層４の間に保護層５が形成されている。
【００３６】
波長変換部材２は、発光素子（図示せず）から出射された励起光の一部を透過する一方、一部を吸収し、励起光よりも波長の長い蛍光を出射する部材である。
【００３７】
波長変換部材２は無機材料からなる。具体的には、無機蛍光体粉末とガラス粉末を含む混合粉末の焼結体からなる。
【００３８】
無機蛍光体粉末は、励起光の波長に応じて適宜選択することができる。無機蛍光体粉末の具体例としては、酸化物蛍光体、窒化物蛍光体、酸窒化物蛍光体、塩化物蛍光体、酸塩化物蛍光体、硫化物蛍光体、酸硫化物蛍光体、ハロゲン化物蛍光体、カルコゲン化物蛍光体、アルミン酸塩蛍光体、ハロリン酸塩化物蛍光体、ＹＡＧ系化合物蛍光体が挙げられる。これらの無機蛍光体粉末は２種以上を複合して使用してもよい。
【００３９】
波長３００〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると青色の蛍光（波長が４４０ｎｍ〜４８０ｎｍの蛍光）を発する無機蛍光体の具体例としては、Ｓｒ５（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕ２＋、（Ｓｒ，Ｂａ）ＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ２＋などが挙げられる。
【００４０】
波長３００〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると緑色の蛍光（波長が５００ｎｍ〜５４０ｎｍの蛍光）を発する無機蛍光体の具体例としては、ＳｒＡｌ２Ｏ４：Ｅｕ２＋、ＳｒＧａ２Ｓ４：Ｅｕ２＋などが挙げられる。
【００４１】
波長４４０〜４８０ｎｍの青色の励起光を照射すると緑色の蛍光（波長が５００ｎｍ〜５４０ｎｍの蛍光）を発する無機蛍光体の具体例としては、ＳｒＡｌ２Ｏ４：Ｅｕ２＋、ＳｒＧａ２Ｓ４：Ｅｕ２＋などが挙げられる。
【００４２】
波長３００〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると黄色の蛍光（波長が５４０ｎｍ〜５９５ｎｍの蛍光）を発する無蛍光体の具体例としては、ＺｎＳ：Ｅｕ２＋などが挙げられる。
【００４３】
波長４４０〜４８０ｎｍの青色の励起光を照射すると黄色の蛍光（波長が５４０ｎｍ〜５９５ｎｍの蛍光）を発する無機蛍光体の具体例としては、Ｙ３（Ａｌ，Ｇｄ）５Ｏ１２：Ｃｅ２＋などが挙げられる。
【００４４】
波長３００〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると赤色の蛍光（波長が６００ｎｍ〜７００ｎｍの蛍光）を発する無機蛍光体の具体例としては、Ｇｄ３Ｇａ４Ｏ１２：Ｃｒ３＋、ＣａＧａ２Ｓ４：Ｍｎ２＋などが挙げられる。
【００４５】
波長４４０〜４８０ｎｍの青色の励起光を照射すると赤色の蛍光（波長が６００ｎｍ〜７００ｎｍの蛍光）を発する無機蛍光体の具体例としては、Ｍｇ２ＴｉＯ４：Ｍｎ４＋、Ｋ２ＳｉＦ６：Ｍｎ４＋などが挙げられる。
【００４６】
無機蛍光体粉末の平均粒子径（Ｄ５０）は、特に限定されず、例えば、１〜５０μｍ、特に５〜２５μｍであることが好ましい。無機蛍光体粉末の平均粒子径（Ｄ５０）が大きすぎると、発光色が不均一になりやすくなる。また、緻密な焼結体が得られにくく、波長変換部材２中に気孔が残存しやすくなる。一方、無機蛍光体粉末の平均粒子径（Ｄ５０）が小さすぎると、発光強度が低下しやすくなる。
【００４７】
波長変換部材２における無機蛍光体粉末の含有量は３０〜９９．９質量％、３５〜９９質量％、５０〜９５質量％、特に７０〜９０質量％であることが好ましい。無機蛍光体粉末の含有量が少なすぎると、波長変換部材２を用いた光源の輝度が低くなる傾向がある。一方、無機蛍光体粉末の含有量が多すぎると、相対的にガラス粉末の含有量が少なくなって、緻密な焼結体が得られにくくなる。結果として、波長変換部材２中に気孔が多くなり、光散乱の原因となるため、波長変換部材２を用いた光源の発光強度が低下する傾向がある。
【００４８】
ガラス粉末としては、無機蛍光体粉末を好適に分散できるものであれば特に限定されない。ガラス粉末の具体例としては、例えば、珪酸塩系ガラス、硼珪酸塩系ガラス、リン酸塩系ガラス、硼リン酸塩系ガラス、スズリン酸塩系ガラスなどが挙げられる。なかでも、硼珪酸塩系ガラスは耐熱性が高いため、高強度な励起光や、無機蛍光体粉末からの発熱による劣化を抑制できる。また、耐候性にも優れている。また、スズリン酸塩系ガラスは軟化温度が例えば６００℃以下と低くすることが容易であるため、例えば放熱部材３に対し、無機蛍光体粉末およびガラス粉末の混合物を加熱プレスすることにより、波長変換素子１上に容易に波長変換部材２を形成することができる。この際、放熱部材３に要求される耐熱性が低くなり、材料選択の自由度が向上する。また、加熱プレス時における無機蛍光体粉末の劣化を抑制できる。
【００４９】
硼珪酸塩系ガラスとしては、ガラス組成として、モル％表示で、ガラス粉末が、モル百分率で、ＳｉＯ２ ３０〜７０％、Ｂ２Ｏ３ １〜１５％、ＭｇＯ ０〜１０％、ＣａＯ ０〜２５％、ＳｒＯ ０〜１０％、ＢａＯ ５〜４０％、ＲＯ（ＲはＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａを表す） １０〜４５％、Ａｌ２Ｏ３ ０〜２０％、ＺｎＯ ０〜１０％を含有するものが好ましい。
【００５０】
スズリン酸塩系ガラスとしては、ガラス組成として、モル％表示で、ＳｎＯ ３５〜８０％、Ｐ２Ｏ５ ５〜４０％、Ｂ２Ｏ３ ０〜３０％を含有するものが好ましい。
【００５１】
これらのガラスには、前記成分以外にも、本発明の効果を損なわない範囲で、例えばＺｎＯ、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｇｄ２Ｏ３およびＬａ２Ｏ３の少なくとも一つの成分を、合量で１０モル％まで含有していてもよい。
【００５２】
なお、本発明において、「軟化温度」はＤＴＡ（示差熱分析）により測定した温度である。
【００５３】
波長変換部材２には、無機蛍光体粉末およびガラス粉末以外にも、例えばアルミナ粉末やシリカ粉末等の光拡散材が含まれていてもよい。
【００５４】
放熱部材３は、Ａｌおよびセラミックスを含む複合材料からなるものである。具体的には、Ａｌ １０〜９９．９体積％、セラミックス ０．１〜９０体積％（好ましくはＡｌ ２０〜９９体積％、セラミックス １〜８０体積％、より好ましくはＡｌ ３０〜９５体積％、セラミックス ５〜７０体積％、さらに好ましくはＡｌ ４０〜９０体積％、セラミックス １０〜６０体積％、最も好ましくはＡｌ ５０〜８０体積％、セラミックス ２０〜５０体積％）を含む複合材料からなるものであることが好ましい。ここで、セラミックスの含有量が少なすぎる場合は、放熱部材３の熱膨張率が大きくなって、波長変換部材２が放熱部材３から剥離しやすくなる。一方、セラミックスの含有量が多すぎる場合は、放熱部材３の密度が大きくなって、光源の軽量化が困難になる傾向がある。なお、Ａｌおよびセラミックス以外にも、例えばＭｇ、Ｃｒ、Ｆｅ等の金属などの成分を合量で１０体積％以下、特に５体積％以下含有していても構わない。
【００５５】
セラミックスとしては、ＳｉＣやＡｌＮ等が挙げられる。これらの材料を用いることにより、レーザー素子等の高出力の発光素子を励起光源として使用した場合であっても、波長変換部材２から放熱部材３に効率よく放熱される。そのため、波長変換部材２に含まれる無機蛍光体粉末の熱消光が原因となる輝度低下が発生しにくい。具体的には、放熱部材３の熱伝導率は、１００Ｗ／ｍＫ以上、１５０Ｗ／ｍＫ以上、２００Ｗ／ｍＫ以上、特に２５０Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。
【００５６】
また放熱部材３は、前記複合材料からなるため、軽量化を図ることができる。具体的には、放熱部材３の密度は、３ｇ／ｃｍ３以下、２．５ｇ／ｃｍ３以下、特に２ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【００５７】
さらに、放熱部材３が前記複合材料からなることにより、波長変換部材２との熱膨張率差を低減することが容易になるため、使用時に高温になっても、波長変換部材２が放熱部材３から剥離することを抑制できる。
【００５８】
波長変換部材２と放熱部材３の熱膨張率差は、３５×１０−７／℃以下、３０×１０−７／℃以下、２０×１０−７／℃以下、特に１０×１０−７／℃以下であることが好ましい。当該熱膨張率差が大きすぎると、例えば波長変換素子１の温度が上昇した際に、波長変換部材２が放熱部材３から剥離しやすくなる。
【００５９】
例えば、波長変換部材２として、スズリン酸塩系ガラス粉末と無機蛍光体粉末を含む混合粉末の焼結体からなるものを使用した場合、放熱部材３の熱膨張率は、１００×１０−７〜１７０×１０−７／℃、１２０×１０−７〜１６０×１０−７／℃、特に１３０×１０−７〜１５０×１０−７／℃であることが好ましい。また、波長変換部材２として、硼珪酸塩系ガラス粉末と無機蛍光体粉末を含む混合粉体の焼結体からなるものを使用した場合、放熱部材３の熱膨張係数は、４０×１０−７〜１００×１０−７／℃、５０×１０−７〜９０×１０−７／℃、特に６０×１０−７〜８０×１０−７であることが好ましい。
【００６０】
なお、本発明において、熱膨張率は３０〜３８０℃の温度範囲における測定値をいう。
【００６１】
放熱部材３は、例えば、Ａｌ粉末とセラミックス粉末を所定の比率で混合して、焼結させることにより作製することができる。
【００６２】
図１および２に示すように、本実施形態では、放熱部材３は板状に形成されている。もっとも、本発明において、放熱部材３は板状に限定されず、例えば棒状や直方体状であってもよい。
【００６３】
波長変換部材２の形状寸法は、特に限定されない。本実施形態では、具体的には、波長変換部材２は円盤状である。波長変換部材２の直径は１００ｍｍ以下、３〜８０ｍｍ、特に２５〜７０ｍｍであることが好ましい。波長変換部材２の直径が大きすぎると、光源が大型化して軽量化が困難になる傾向がある。また、波長変換部材２の厚みは、０．０１〜２ｍｍ、０．０２〜１ｍｍ、０．０３〜０．５ｍｍ、０．０４〜０．２ｍｍ、特に０．０５〜０．１ｍｍであることが好ましい。波長変換部材２の厚みが小さすぎると、無機蛍光体粉末の含有量が少なくなり、所望の色合いが得られにくくなる。また、波長変換部材２の厚みを均一にすることが困難になり、色むらの原因となる傾向がある。一方、波長変換部材２の厚みが大きすぎると、波長変換部材２において波長変換される励起光の割合が大きくなり、所望の色合いの合成光が得られにくくなる。
【００６４】
反射層４は、４５０〜７５０ｎｍの波長域において８５％以上、特に９０％以上の反射率を有する材料からなることが好ましい。これにより、波長変換素子１からの光の取り出し効率の低下を抑制できる。具体的には、反射層４としては、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、ＰｄおよびＴｉから選択された金属またはその合金からなるものが挙げられる。なかでも、熱伝導性または反射率の高いＡｇやＡｌであることがより好ましい。
【００６５】
反射層４の厚みは例えば０．０１〜１０００μｍ、特に０．１〜５００μｍであることが好ましい。反射層４の厚みが小さすぎる場合は、所望の光反射率が得られにくくなる。一方、反射層４の厚みが大きすぎる場合は、膜応力が大きくなったり、波長変換部材２において発生した熱が放熱部材３に伝導しにくくなる傾向がある。
【００６６】
保護層５としては、全光線透過率が８０％以上、特に９０％以上であることが好ましい。これにより、保護層５における光の吸収ロスを低減し、光源の発光強度の低下を抑制できる。具体的には、保護層５としては、ＳｉＯ２およびＡｌ２Ｏ３などが挙げられる。保護層５の厚みは例えば０．０１〜５００μｍ、特に０．１〜３００μｍであることが好ましい。保護層５の厚みが小さすぎる場合は、反射層４の酸化抑制効果が得られにくくなる。一方、保護層５の厚みが大きすぎる場合は、膜応力が大きくなったり、波長変換部材２において発生した熱が放熱部材３に伝導しにくくなる傾向がある。
【００６７】
以下、本発明の波長変換素子の他の実施形態および変形例について説明する。以下の説明において、実施形態１と実質的に共通の機能を有する部材については、共通の符号を用いている。
【００６８】
＜実施形態２＞
図３に、本発明の波長変換素子の実施形態２を説明する模式的斜視図を示す。
【００６９】
図３に示すように、本実施形態の放熱部材３は、円盤の中央部に円形の開孔部が形成された、いわゆるドーナツ形状を有している。また、放熱部材３上に、同じくドーナツ形状の波長変換部材２が接合されている。
【００７０】
図３には示されていないが、実施形態１と同様に波長変換部材２と放熱部材３の間に、反射層４、さらには保護層５を設けてもよい。
【００７１】
＜実施形態３＞
図４に、本発明の波長変換素子の実施形態３を説明する模式的断面図を示す。
【００７２】
図４に示すように、本実施形態では、放熱部材３の表面に突部６が形成されている。このため、本実施形態の放熱部材３は表面積が大きくなり、放熱部材３からの放熱をより効果的に促進することができる。その結果、波長変換材料２の温度上昇をより効果的に抑制することができる。
【００７３】
＜変形例＞
実施形態１では、波長変換部材２として、無機蛍光体粉末とガラス粉末を含む混合粉末の焼結体を用いる場合について説明した。本発明はこの構成に限定されず、波長変換部材２として、例えば、透光性ＹＡＧ多結晶体や、透光性ＹＡＧ単結晶を用いてもよい。
【００７４】
本発明の波長変換素子は、ＬＥＤやＬＤ等の発光素子と組み合わせることにより、例えばプロジェクター用光源として使用することができる。
【実施例】
【００７５】
以下、本発明の波長変換素子を、実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。
【００７６】
（実施例１）
（１）波長変換素子の作製
モル％で、ＳｎＯ ６２％、Ｐ２Ｏ５ ２２％、Ｂ２Ｏ３ １１％、Ａｌ２Ｏ３ ２％、ＭｇＯ ３％の組成となるように原料粉末を調合し、原料バッチを調整した。原料バッチを坩堝内で１０００℃で２時間加熱した。その後、得られた溶融ガラスの一部をロール成形することにより、ガラスフィルムを作製した。また、溶融ガラスの残りの一部をカーボン枠内に鋳込むことにより、ガラスブロックを作製した。
【００７７】
得られたガラスブロックを、所定の大きさに切り出し、３０〜３８０℃の温度範囲における熱膨張率を、ディラトメーターを用いて測定した。その結果、ガラスの熱膨張率は１４０×１０−７／℃であった。
【００７８】
次に、前記ガラスフィルムを、らいかい機を用いて１５分間粉砕した後に、１００μｍのふるいに通してガラス粉末（Ｄ５０：１４μｍ、Ｄｍａｘ：１４５μｍ）を得た。得られたガラス粉末に対してＹＡＧ蛍光体粉末を添加して混合粉末を作製した。なお、混合粉末中におけるＹＡＧ蛍光体粉末の含有量は８０質量％とした。
【００７９】
次に、アルミニウムとＳｉＣの複合材料（アルミニウム ７０体積％、ＳｉＣ ３０体積％）からなる放熱部材を１０ｍｍ角、厚み１ｍｍの板形状に切り出した。次に、放熱部材上にＡｇ反射層をスパッタ法にて、厚み３００ｎｍとなるように成膜した。さらに、Ａｇ反射層上にＡｌ２Ｏ３保護層を、スパッタ法により、厚み２００ｎｍとなるように成膜した。
【００８０】
反射層および保護層が形成された前記放熱部材上に、前記混合粉末を載置した。ＳＹＳ製の精密ガラスプレス装置（成形型＝グラッシーカーボン製の平型）を用いて、窒素雰囲気中、４００℃で加熱プレス成形し、前記実施形態１と実質的に同様の構成を有する波長変換素子を得た。放熱部材上に形成された波長変換部材の直径は８ｍｍ、厚みは０．１ｍｍであった。
【００８１】
（２）評価
得られた波長変換素子において、波長変換部材の放熱部材に対する密着性を確認するためにテープ試験を実施した。試験用テープ（ファーマセル製Ｐ７８６、引っ張り強度：３．６ｋｇ／ｃｍ２）を波長変換部材の全面に押さえつけるようにして貼り付け、貼り付け面に対して垂直方向に引っ張り、０．１秒で剥がし、波長変換部材の剥離状態を確認した。
【００８２】
また、２Ａ、波長４４０ｎｍのレーザー光を、波長変換素子の波長変換部材側に垂直に１０分間照射し、光照射後の波長変換部材の剥離状態を確認した。
【００８３】
以上の結果を表１に示す。
【００８４】
（比較例１）
放熱部材としてアルミニウム合金（Ａ５０５２）を用いたこと以外は、実施例と同様にして波長変換素子を作製し、評価を行った。結果を表１に示す。
【００８５】
（比較例２）
放熱部材として銅（純銅）を用いたこと以外は、実施例と同様にして波長変換素子を作製し、評価を行った。結果を表１に示す。
【００８６】
（実施例２）
（１）波長変換素子の作製
モル％で、ＳｉＯ２ ６０％、Ｂ２Ｏ３ ５％、ＣａＯ １５％、ＢａＯ １０％、Ａｌ２Ｏ３ ５％、ＺｎＯ ５％の組成となるように原料粉末を調合し、原料バッチを調整した。原料バッチを坩堝内で１４００℃で２時間加熱した。その後、得られた溶融ガラスの一部をロール成形することにより、ガラスフィルムを作製した。また、溶融ガラスの残りの一部をカーボン枠内に鋳込むことにより、ガラスブロックを作製した。
【００８７】
得られたガラスブロックを、所定の大きさに切り出し、３０〜３８０℃の温度範囲における熱膨張率を、ディラトメーターを用いて測定した。その結果、ガラスの熱膨張率は７０×１０−７／℃であった。
【００８８】
次に、前記ガラスフィルムを、らいかい機を用いて３０分間粉砕した後に、１００μｍのふるいに通してガラス粉末（Ｄ５０：１５μｍ、Ｄｍａｘ：１３２μｍ）を得た。得られたガラス粉末に対してＹＡＧ蛍光体粉末を添加して混合粉末を作製した。なお、混合粉末中におけるＹＡＧ蛍光体粉末の含有量は８０質量％とした。
【００８９】
次に、混合粉末を金型を用いて加圧成形し、直径１ｃｍのボタン状の予備成型体を作製した。この予備成型体を、焼成温度８３０℃、真空雰囲気下で焼成した後、加工し、直径８ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの円盤状の波長変換部材を得た。
【００９０】
得られた波長変換部材上に、Ａｇ反射層をスパッタ法にて厚み３００ｎｍになるように成膜した。次に、Ａｇ膜上にＡｌ２Ｏ３保護膜を、スパッタ法にて厚み２００ｎｍとなるように成膜した。さらに、Ａｌ２Ｏ３保護膜上に、Ｃｒ膜とＡｕ膜をスパッタ法により各々１００ｎｍとなるように成膜した。
【００９１】
次に、アルミニウムとＳｉＣの複合材料（アルミニウム ３０体積％、ＳｉＣ ７０体積％）からなる放熱部材を１０ｍｍ角、厚み１ｍｍの板形状に切り出した。放熱部材上に、Ａｕ膜をスパッタ法にて厚み１００ｎｍとなるように成膜した。
【００９２】
放熱部材上のＡｕ膜を成膜した面上に金錫半田を載置し、さらにその上に波長変換部材を、成膜された面が下側となるように設置した。その状態で、２００℃に加熱したヒートブロック上で加熱し、金錫半田を軟化させ、波長変換部材と放熱部材を接合し波長変換素子を得た。
【００９３】
得られた波長変換素子について、実施例１と同様にして評価を行った。結果を表２に示す。
【００９４】
（比較例３）
放熱部材としてアルミニウム合金（Ａ５０５２）を用いたこと以外は、実施例２と同様にして波長変換素子を作製し、評価を行った。結果を表２に示す。
【００９５】
（比較例４）
放熱部材として銅（純銅）を用いたこと以外は、実施例２と同様にして波長変換素子を作製し、評価を行った。結果を表２に示す。
【００９６】
【表１】
【００９７】
【表２】
【００９８】
表１および２に示すように、実施例１および２の波長変換素子は、テープ試験および光照射試験のいずれにおいても、波長変換部材の剥離は生じなかった。
【００９９】
一方、放熱部材としてアルミニウム合金を用いた比較例１および３では、テープ試験において波長変換部材の剥離が生じた。また、光照射試験においても、それぞれレーザー光照射３分後および１分後に波長変換部材の剥離が生じた。また、放熱部材として銅を用いた比較例２および４では、テープ試験において波長変換部材の剥離は生じなかったが、光照射試験において、それぞれレーザー光照射７分後および５分後に波長変換部材の剥離が生じた。
【符号の説明】
【０１００】
１ 波長変換素子
２ 波長変換部材
３ 放熱部材
４ 反射層
５ 保護層
６ 突部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無機材料からなる波長変換部材と、Ａｌおよびセラミックスを含む複合材料からなる放熱部材とを有することを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
セラミックスが、ＳｉＣまたはＡｌＮであることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項３】
放熱部材が、Ａｌ １０〜９９．９体積％、セラミックス ０．１〜９０体積％を含む複合材料からなることを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換素子。
【請求項４】
放熱部材の密度が３ｇ／ｃｍ３以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の波長変換素子。
【請求項５】
放熱部材の熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の波長変換素子。
【請求項６】
波長変換部材が、無機蛍光体粉末とガラス粉末を含む混合粉末の焼結体からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の波長変換素子。
【請求項７】
ガラス粉末が、スズリン酸塩系ガラスまたは硼珪酸塩系ガラスであることを特徴とする請求項６に記載の波長変換素子。
【請求項８】
無機蛍光体粉末を３０〜９９．９質量％含有することを特徴とする請求項６または７に記載の波長変換素子。
【請求項９】
波長変換部材と放熱部材の熱膨張率の差が３５×１０−７／℃以下であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の波長変換素子。
【請求項１０】
波長変換部材と放熱部材の間に反射層を備えていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の波長変換素子。
【請求項１１】
反射層が、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、ＰｄおよびＴｉから選択された金属またはその合金であることを特徴とする請求項１０に記載の波長変換素子。
【請求項１２】
波長変換部材と反射層の間、および／または、反射層と放熱部材の間に保護層を備えていることを特徴とする請求項１０または１１に記載の波長変換素子。
【請求項１３】
保護層が、ＳｉＯ２またはＡｌ２Ｏ３であることを特徴とする請求項１２に記載の波長変換素子。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれかに記載の波長変換素子と発光素子とを備えていることを特徴とする光源。
【請求項１５】
プロジェクター用であることを特徴とする請求項１４に記載の光源。
【請求項１】
無機材料からなる波長変換部材と、Ａｌおよびセラミックスを含む複合材料からなる放熱部材とを有することを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
セラミックスが、ＳｉＣまたはＡｌＮであることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項３】
放熱部材が、Ａｌ １０〜９９．９体積％、セラミックス ０．１〜９０体積％を含む複合材料からなることを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換素子。
【請求項４】
放熱部材の密度が３ｇ／ｃｍ３以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の波長変換素子。
【請求項５】
放熱部材の熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の波長変換素子。
【請求項６】
波長変換部材が、無機蛍光体粉末とガラス粉末を含む混合粉末の焼結体からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の波長変換素子。
【請求項７】
ガラス粉末が、スズリン酸塩系ガラスまたは硼珪酸塩系ガラスであることを特徴とする請求項６に記載の波長変換素子。
【請求項８】
無機蛍光体粉末を３０〜９９．９質量％含有することを特徴とする請求項６または７に記載の波長変換素子。
【請求項９】
波長変換部材と放熱部材の熱膨張率の差が３５×１０−７／℃以下であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の波長変換素子。
【請求項１０】
波長変換部材と放熱部材の間に反射層を備えていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の波長変換素子。
【請求項１１】
反射層が、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、ＰｄおよびＴｉから選択された金属またはその合金であることを特徴とする請求項１０に記載の波長変換素子。
【請求項１２】
波長変換部材と反射層の間、および／または、反射層と放熱部材の間に保護層を備えていることを特徴とする請求項１０または１１に記載の波長変換素子。
【請求項１３】
保護層が、ＳｉＯ２またはＡｌ２Ｏ３であることを特徴とする請求項１２に記載の波長変換素子。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれかに記載の波長変換素子と発光素子とを備えていることを特徴とする光源。
【請求項１５】
プロジェクター用であることを特徴とする請求項１４に記載の光源。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１８５９８０（Ｐ２０１２−１８５９８０Ａ）
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４７６６５（Ｐ２０１１−４７６６５）
【出願日】平成２３年３月４日（２０１１．３．４）
【出願人】（０００２３２２４３）日本電気硝子株式会社 (1,447)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月４日（２０１１．３．４）
【出願人】（０００２３２２４３）日本電気硝子株式会社 (1,447)
【Ｆターム（参考）】
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