CN110073143A - 荧光光源装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种能够稳定地得到较高的发光效率的荧光光源装置及其制造方法。本发明的荧光光源装置的特征在于，具备荧光板，所述荧光板具有由多晶体构成的荧光发光层，在该荧光发光层的激发光入射侧形成有周期构造体；上述荧光板具有：热扩散层，直接接合而设置在上述荧光发光层的激发光入射侧的表面上，具有比上述荧光发光层大的热传导率；以及高热传导层，设置在上述荧光发光层的与激发光入射侧相反侧的背面；上述高热传导层通过光反射层、以及由金属形成的接合层构成；上述荧光板以将配置在上述高热传导层侧的散热基板的表面的一部分覆盖的方式设置。

Description

荧光光源装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及具备通过激发光射出荧光的荧光板的荧光光源装置及其制造方法。
背景技术
以往，作为荧光光源装置，已知有将激光作为激发光向荧光体照射、从该荧光体放射荧光的装置。
这样的荧光光源装置的某个种类的结构如图4所示，具备由荧光体构成的平板状的荧光板51和向该荧光板51照射激发光的激发光源11(例如，参照专利文献1)。该荧光板51经由有机粘接剂、无机粘接剂、低熔点玻璃、钎焊合金等构成的接合部52配设在散热基板31上。该散热基板31具有使来自荧光板51的热向外部放散的功能的同时，还具有作为反射面的功能及将荧光板51保持的功能。并且，在荧光板51中，对置于与散热基板31接合的接合面的面被作为激发光入射面，并且被作为荧光射出面，激发光入射面的一部分的区域(具体而言是中央区域)被作为激发光照射区域，此外，激发光照射区域及其周边区域被作为荧光射出区域。
但是，在这样的反射型的荧光光源装置中，通过被照射激发光而荧光板发热，该荧光板的温度变高，结果，在荧光板中在荧光体发生温度消光，有不能得到足够的荧光光束(荧光光量)的问题。
对荧光板的温度变高的理由进行说明。在荧光板中，荧光体是在受光了激发光时将其光能的一部分变换为热能的，所以通过被照射激发光而发生热。并且，在荧光板中，特别由于在激发光入射面中的激发光照射区域的正下方附近部分、即与激发光入射面侧的激发光照射区域有关的表层部分成为极高温。然而，散热基板由于配设在与激发光入射面对置的面侧，所以不能将在荧光板中产生的热用散热基板充分地排热，由此在荧光板中发生温度消光。
这样的问题在激发光的入射强度(激发光的激发能量)较大的情况下变得显著。即，与激发光的入射强度相比不能得到足够的荧光光束。
此外，作为荧光光源装置的其他结构，有将由荧光体构成的平板状的荧光板用粘接剂等与光透过性基板接合、在该荧光板中将作为与光透过性基板接合的接合面的一面设为激发光入射面、将作为对置于与光透过性基板接合的接合面的面的另一面设为荧光射出面的结构。即，在荧光板中，经由光透过性基板而对一面照射激发光，荧光被从另一面射出。在这样的透过型的荧光光源装置中，光透过性基板为具有热传导性的结构，该光透过性基板与由金属构成的冷却用块连接。
但是，在这样的荧光光源装置中，也有因为荧光板的温度变高而不能得到足够的荧光光束的问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011－129354号公报
发明内容
发明要解决的课题
本发明是基于以上的情况而做出的，其目的是提供一种能够稳定地得到较高的发光效率的荧光光源装置及其制造方法。
用来解决课题的手段
本发明的荧光光源装置的特征在于，具备荧光板，所述荧光板具有由多晶体构成的荧光发光层，在该荧光发光层的激发光入射侧形成有周期构造体；上述荧光板具有：热扩散层，直接接合地设置在上述荧光发光层的激发光入射侧的表面上，具有比上述荧光发光层大的热传导率；以及高热传导层，设置在上述荧光发光层的与激发光入射侧相反侧的背面；上述高热传导层通过光反射层、以及由金属形成的接合层构成；上述荧光板以将配置在上述高热传导层侧的散热基板的表面的一部分覆盖的方式设置。
在本发明的荧光光源装置中，优选的是，上述荧光发光层的形成材料及上述热扩散层的形成材料包含Al2O3，上述荧光发光层的形成材料与上述热扩散层的形成材料的线热膨胀率的差是1×10－6/K以下。
在这样的荧光光源装置中，上述荧光发光层的形成材料优选的是由Al2O3和无机荧光体的多晶体构成。
此外，上述荧光发光层的与上述热扩散层的接合面中的Al2O3的露出面积率优选的是50％以上。
此外，上述热扩散层的形成材料优选的是蓝宝石。
此外，在本发明的荧光光源装置中，优选的是，上述高热传导层的形成材料与上述荧光发光层的形成材料相比热传导率较大。
此外，在本发明的荧光光源装置中，优选的是，上述高热传导层的形成材料与上述热扩散层的形成材料相比热传导率较大。
此外，本发明的荧光光源装置中，优选的是，上述热扩散层当设该热扩散层的厚度为t〔m〕，设该热扩散层的形成材料的热传导率为λ〔W/(m·K)〕时，厚度与形成材料的热传导率之积的倒数(1/(t×λ))的值满足10～350(K/W)。
本发明的荧光光源装置的制造方法，是制造上述荧光发光层的形成材料及上述热扩散层的形成材料包含Al2O3的上述荧光光源装置的方法，
准备与上述热扩散层接合的表面的表面粗糙度是0.01nm以上1nm以下的荧光发光层材、以及与上述荧光发光层接合的表面的表面粗糙度是0.01nm以上1nm以下的热扩散层材的工序；以及
将上述荧光发光层材及上述热扩散层材通过在使各自的表面密接的状态下加热到800～1200℃而进行接合的工序。
发明效果
在本发明的荧光光源装置中，荧光板在荧光发光层的激发光入射侧具有热扩散层，在与激发光入射侧相反侧具有高热传导层，以将配置在高热传导层侧的散热基板的表面的一部分覆盖的方式设置。因此，即使在通过激发光入射到荧光发光层的激发光入射侧的一面中的一部分的区域中而在该一部分的区域的正下方附近部分局部地发生了热的情况下，其热也通过被传递给热扩散层而被扩散，经由该正下方附近部分的周围部分及高热传导层高效地传递给散热基板。即，在荧光发光层中，在通过激发光入射而发生了热的部分的周围部分中，形成有从热扩散层朝向高热传导层延伸的排热路。因此，即使将散热基板配设在荧光发光层的与激发光入射侧相反的一侧，也能够将通过被照射激发光而在荧光发光层产生的热高效地传递给散热基板而排热。结果，能够抑制荧光发光层中的温度消光的发生。
因而，根据本发明的荧光光源装置，即使在激发光的入射强度(激发光的激发能量)较大的情况下，也能够抑制荧光发光层中的温度消光的发生，所以能得到较高的荧光光束(荧光光量)，结果能够稳定地得到较高的发光效率。
此外，根据荧光发光层的形成材料及热扩散层的形成材料包含Al2O3、它们的线热膨胀率的差是1×10－6/K以下的结构，例如通过800～1200℃的加热处理，能得到荧光发光层与热扩散层的接合强度较高的荧光板。
附图说明
图1是表示本发明的荧光光源装置的一例的结构的概略的说明图。
图2是表示图1的荧光光源装置中的荧光发光部件的结构的说明图。
图3是表示本发明的荧光光源装置的另一例的荧光发光部件的结构的说明图。
图4是表示以往的荧光光源装置的结构的说明图。
具体实施方式
以下，对本发明的荧光光源装置的实施方式进行说明。
图1是表示本发明的荧光光源装置的一例的结构的概略的说明图。
该荧光光源装置10如图1所示，具备例如由激光二极管构成的激发光源11、以及具有被从激发光源11射出的激发光L激发而放射荧光的荧光板21的大致平板状的荧光发光部件15，它们相互离开而配设。荧光发光部件15以与激发光源11对置的方式相对于该激发光源11的光轴例如以倾斜的姿势配置。此外，在激发光源11与荧光发光部件15之间的接近于该激发光源11的位置，配置有使入射的激发光L成为平行光而射出的准直透镜18。
荧光发光部件15如图2所示，大致平板状的荧光板21配设在平板状的散热基板31的表面(图2中的上表面)。
在该荧光发光部件15上，在散热基板31的背面，设置有由例如铜等金属构成的散热部件(图示省略)。
荧光板21具有平板状的荧光发光层22、直接接合在该荧光发光层22的表面(在图2中是上表面)上的平板状的热扩散层23、以及与该热扩散层23层叠的大致平板状的周期构造体层25。周期构造体层25的表面(图2中的上表面)被作为激发光入射面，并且被作为荧光射出面。在该周期构造体层25的表面上，形成有将多个凸部28周期性地排列成的周期构造体27。
此外，在荧光板21中，在荧光发光层22的背面(图2中的下表面)，设置有由光反射膜构成的光反射层33。进而，在光反射层33的背面(图2中的下表面)设置有由金属构成的接合层35，由该接合层35将荧光板21接合到散热基板31上。并且，通过与荧光发光层22接触的光反射层33与接合层35的层叠体构成高热传导层32。即，荧光板21在荧光发光层22的与激发光入射侧相反的一侧，具有由光反射层33与接合层35构成的高热传导层32。
在该图的例子中，在荧光板21的激发光入射面(周期构造体层25的表面)上，通过该激发光入射面的一部分的区域(具体而言是中央区域)，形成被照射从激发光源11射出并被准直透镜18平行光化的激发光L(激光)的激发光照射区域。此外，在荧光板21的荧光射出面(周期构造体层25的表面)，由激发光照射区域及其周边区域形成荧光射出区域。
在荧光板21中，作为荧光发光层22的形成材料，优选的是使用含有Al2O3的材料，特别优选的是由Al2O3和无机荧光体的多晶体构成的材料。
通过由这样的材料形成荧光发光层22，能够使荧光发光层22自身的热传导性提高。因此，在荧光发光层22中通过激发光的照射产生的热被效率良好地排热，所以进一步抑制了荧光发光层22成为高温。此外，在荧光发光层22与热扩散层23的接合强度等的观点中，荧光发光层22中的无机荧光体的种类的选择的自由度变大。
在荧光发光层22的形成材料中，作为无机荧光体，可以使用YAG：Ce、YAG：Pr、YAG：Sm等YAG荧光体，(Y，Gd)AG：Ce、LuAG：Ce、CASN：Eu、硅铝氧氮陶瓷：Eu等。在这样的无机荧光体中，活性材料的掺杂量优选的是0.5mol％以下。
这里，在荧光发光层22中产生的荧光例如是峰值波长为520～650nm的光。
在该图的例子中，作为构成荧光发光层22的多晶体，使用例如活性材料的掺杂量是0.5mol％以下的YAG荧光体与Al2O3的混合烧结体。
荧光发光层22中含有的Al2O3的比例优选的是50～75％。通过以这样的比例含有Al2O3，能够可靠地得到将在荧光发光层22中产生的热效率良好地排热、并且荧光发光层22与热扩散层23的接合强度较高的荧光板21。
在Al2O3的比例不到50％的情况下，当在将荧光发光层材与热扩散层材接合之前将该荧光发光层材的表面研磨时，无机荧光体容易被研磨，所以在表面形成凹部，难以得到足够的接合面积。结果，在得到的荧光板21上，有可能在荧光发光层22与热扩散层23之间发生剥离或空隙。另一方面，在Al2O3的比例超过75％的情况下，由于在荧光发光层22中激发光L难以被吸收，所以荧光输出有可能下降。
荧光发光层22的形成材料优选的是热传导率为10～13W/(m·K)、线热膨胀率是5.8×10－6～6.3×10－6/K。
荧光发光层22的形成材料的热传导率及线热膨胀率可以通过无机荧光体的种类、以及无机荧光体与Al2O3的比例等进行控制。
此外，荧光体层22优选的是与热扩散层23接合的接合面中的Al2O3的露出面积率是50％以上，更优选的是50％～75％。如果Al2O3的露出面积率是50％以上，则能够更可靠地得到荧光发光层22与热扩散层23的接合强度较高的荧光板21。
与热扩散层23的接合面中的Al2O3的露出面积率可以通过截面的组成分析、SEM图像来测量。
此外，荧光发光层22的厚度从激发光有效利用性及排热性的观点出发，优选的是0.05～2.0mm。
热扩散层23的形成材料具有比荧光发光层22的形成材料大的热传导率，并且具有对于激发光L及荧光(从构成荧光发光层22的荧光体放射的荧光)的光透过性。
作为热扩散层23的形成材料，优选的是使用含有Al2O3的材料。此外，热扩散层23的形成材料优选的是其线热膨胀率与荧光发光层22的线热膨胀率的差是1×10－6/K以下。通过使用这样的热扩散层23的形成材料，通过后述的加热处理，能够在荧光发光层22与热扩散层23之间消除空隙而得到具有较高接合强度的荧光板21。因此，在荧光发光层22与热扩散层23之间，能够防止或充分地抑制起因于向荧光发光部件15照射激发光的剥离的发生。
作为热扩散层23的形成材料的优选的具体例，可以举出蓝宝石(热传导率＝42W/(m·K))。
此外，热扩散层23当设该热扩散层23的厚度为t〔m〕，设该热扩散层23的形成材料的热传导率为λ〔W/(m·K)〕时，厚度t与热传导率λ之积的倒数(1/(t×λ))的值优选的是10～350K/W。这里，与热扩散层23有关的“厚度t与热传导率λ之积的倒数(1/(t×λ))”，是表示热扩散层23的热阻即热扩散能的指标，值越小，表示越容易传导热。
在厚度t与热传导率λ之积的倒数(1/(t×λ))的值过大的情况下，在热扩散层23中不能得到充分的热扩散性(热传导性)，由此在荧光发光层22中在荧光体发生温度消光，有可能不能得到充分的荧光光束(荧光光量)。
作为厚度t与热传导率λ之积的倒数(1/(t×λ))的值过小的情况，可以考虑热扩散层23的厚度t较大的情况。在这样的情况下，特别是在厚度t为0.6mm以上的情况下，从荧光体放射的荧光在热扩散层23内向沿层方向(图2中的左右方向)导光而被从该热扩散层23的周侧面射出，所以有可能在来自荧光板21的荧光射出面的射出光中不能得到充分的荧光输出。即，有可能在荧光板21的荧光射出面中不能以足够高的效率射出荧光。
此外，热扩散层23的厚度(最大厚度)如上述那样根据热扩散层23的形成材料的热传导率而设定，但从激发光有效利用性及排热性的观点出发，优选的是0.03～0.6mm。
此外，热扩散层23的面积(具体而言，热扩散层23的背面的面积)从该热扩散层23的热扩散性及荧光发光层22的有效利用性(具体而言，作为荧光发光层22的排热路的利用性)等的观点出发，优选的是与荧光发光层22的面积(具体而言，荧光发光层22的表面的面积)相同。
在该图的例子中，热扩散层23其背面(图2中的下表面)的面积被做成与荧光发光层22的表面的面积同等的面积。即，热扩散层23的背面具有与荧光发光层22的表面的纵横尺寸同等的纵横尺寸，热扩散层23的周侧面和荧光发光层22的周侧面构成没有台阶的连续面。
周期构造体层25具有对于激发光L及荧光(从构成荧光发光层22的无机荧光体放射的荧光)的光透过性，在荧光板21的作为激发光入射面及荧光射出面的表面，设置有周期性地排列多个凸部28的周期构造体27。
具体而言，周期构造体层25是由薄平板状的基底部26、和形成在该基底部26上的由多个锥状的凸部28构成的周期构造体27构成的。在该图的例子中，周期构造体27是在以将热扩散层23的表面的整面覆盖的方式配设的薄平板状的基底部26上以密集的状态二维周期性地排列圆锥台状的凸部28而成的。
由于荧光体21是在激发光入射侧设置有周期构造体27的结构，所以能够抑制周期构造体层25的表面、即荧光板21的表面上的激发光L的反射。因此，当激发光L照射在周期构造体层25的表面上时，能够将激发光L充分地取入到荧光板21内。此外，能够抑制激发光L对于荧光发光层22局部地入射。因此，能够抑制荧光发光层22局部地成为极高温。
周期构造体27的周期构造中，凸部28的高度h相对于周期d的比即纵横比(h/d)为0.2以上，优选的是0.2～1.5，特别优选的是0.5～1.0。
这里，在本发明中，所述的周期构造的周期，是指在周期构造中相互邻接的凸部间的中心间距离(nm)。
通过将周期构造体27的周期构造中的纵横比设为0.2以上，能够进一步抑制周期构造体层25的表面、即荧光板21的表面上的激发光L的反射。因此，当激发光L照射在周期构造体层25的表面上时，能够将激发光L充分地取入到荧光板21内。
此外，通过将周期构造中的纵横比设为0.2以上，能够将从构成荧光发光层22的荧光体放射的荧光以较高的效率从荧光板21的荧光射出面即周期构造体层25的表面向外部取出。
周期构造体层25的形成材料由于将荧光发光层22中的无机荧光体激发的能量具有约5W/mm2以上的激发密度，所以优选的是无机材料。
作为周期构造体层25的形成材料的具体例，可以使用蓝宝石、硅石、二氧化钛、氧化锆、氮化硅等。
此外，周期构造体层25的厚度(最大厚度)例如是0.1～1.0μm。
高热传导层32是由光反射层33与接合层35的层叠体构成的，该高热传导层32的形成材料的热传导率从排热性的观点出发，优选的是比荧光发光层22的形成材料(多晶体)的热传导率大。具体而言，优选的是光反射层33的形成材料的热传导率比荧光发光层22的形成材料(多晶体)的热传导率大，并且接合层35的形成材料的热传导率比荧光发光层22的形成材料(多晶体)的热传导率大。
此外，高热传导层32的形成材料的热传导率从排热性的观点出发，优选的是比热扩散层23的形成材料的热传导率大。具体而言，光反射层33的形成材料的热传导率优选的是比热扩散层23的形成材料的热传导率大、并且接合层35的形成材料的热传导率比热扩散层23的形成材料的热传导率大。
光反射层33的形成材料的热传导率根据荧光发光层22的形成材料的热传导率、高热扩散层23的形成材料的热传导率、光反射层33的厚度等，考虑接合层35的形成材料的热传导率而设定，但优选的是226～429W/(m·K)。
此外，接合层35的形成材料的热传导率根据荧光发光层22的形成材料的热传导率、高热扩散层23的形成材料的热传导率、接合层35的厚度等，考虑光反射层33的形成材料的热传导率而设定，但优选的是40～60W/(m·K)。
作为光反射层33的形成材料，从热传导性及反射性的观点出发，优选的是使用银(热传导率429W/(m·K))。
此外，作为接合层35的形成材料，从热传导性的观点出发，可以使用由钎焊(具体而言，例如金锡(AuSn)合金(Sn的含有比例20质量％，热传导率60W/(m·K))、铅(Pb，热传导率49W/(m·K))及金锗(AuGe)合金(热传导率44W/(m·K))等构成的材料、银烧结材料(热传导率429W/(m·K))等的金属。
在该图的例子中，作为光反射膜而使用增反射银膜。此外，作为接合层35而使用金锡(AuSn)钎焊。
高热传导层32中的光反射层33的厚度优选的是100～200nm。
此外，接合层35的厚度优选的是5～30μm。
作为散热基板31，使用由铜、钼与铜的合金(Mo－Cu)等材料构成的金属基板。此外，散热基板31的厚度例如是0.5～5.0mm。此外，构成散热基板31的铝基板及金属基板也可以兼具备散热翅片的功能。
此外，在散热基板31中，该散热基板31的面积(具体而言，散热基板31的表面的面积)从排热性的观点出发，优选的是与荧光板21的面积(具体而言，荧光板21的背面的面积)相同。
在该图的例子中，散热基板31的表面的面积为比荧光板21的背面的面积大的面积。即，散热基板31的表面具有比荧光板21的背面的纵横尺寸大的纵横尺寸。
并且，在散热基板31的表面，从排热性的观点出发，将该表面的一部分覆盖而配设有荧光板21。即，荧光板21以将散热基板的表面的一部分覆盖的方式设置。
在该图的例子中，荧光板21的背面的整面与散热基板31的表面的中央区域对置接触。即，散热基板31的表面为该中央区域被荧光板21覆盖的状态。
这样的荧光发光部件15例如可以如以下这样制造。
首先，制造用来得到荧光发光层22的荧光发光层材及用来得到热扩散层23的热扩散层材。荧光发光层材由含有Al2O3的材料、例如Al2O3和无机荧光体的多晶体构成。此外，热扩散层材由含有Al2O3的材料、例如蓝宝石构成。
构成荧光发光层材的多晶体例如可以通过下述的方法得到。
通过将原材料(具体而言，母材、活性材料、烧制辅助剂(具体而言，例如硅石(SiO2))及Al2O3使用球磨机等进行粉碎处理，得到亚微米以下的原材料微粉末。并且，通过得到的原材料微粉末和有机溶剂，调制将原材料微粉末均匀地分散到有机溶剂中而成的浆液。
接着，从得到的浆液，通过刮刀法制作成形体，通过将该成形体烧制处理，得到烧结体。然后，通过对得到的烧结体施以热各向等压加压加工，得到空隙率为0.5％以下的多晶体。该多晶体中的Al2O3的比例优选的是50％以上，特别优选的是50～75％。
荧光发光层材及热扩散层材的各自的被相互接合的表面通过以化学机械研磨(CMP)进行研磨而成为平滑面。具体而言，荧光发光层材及热扩散层材各自的表面的表面粗糙度Ra(算术平均粗糙度)优选的是0.01nm以上1nm以下，更优选的是0.01nm以上0.5nm以下，特别优选的是0.01nm以上0.3nm以下。
由于荧光发光层材及热扩散层材各自的平滑面的表面粗糙度Ra处于上述的范围内，因此能够得到在热扩散层23与荧光发光层22之间具有更大的接合强度的荧光板21。在该表面粗糙度Ra过大的情况下，有可能在热扩散层23与荧光发光层22之间不能得到足够的接合强度。
并且，对于荧光发光层材及热扩散层材，在使各自的平滑面密接的状态下，在大气压环境下加热到800～1200℃。结果，通过各自的平滑面的表面分子的相互作用，得到在荧光发光层22的表面上通过光学接触而直接接合着热扩散层23的层叠体。根据这样的方法，由于不通过粘接剂等接合部件而将荧光发光层22与热扩散层借助表面分子间力接合，所以在该荧光发光层22与该热扩散层23之间能够得到较高的接合强度。
将荧光发光层材及热扩散层材接合的理由可以如以下这样推测。
由于在热扩散层材及荧光发光层材中含有Al2O3，所以在各自的平滑面中存在氢氧基(OH基)，所以当在上述的加热温度条件下进行退火处理时，氢氧基贡献于热扩散层材及荧光发光层材各自的平滑面彼此的接合。并且，在将分别形成有平滑面的荧光发光层材与热扩散层材通过光学接触而接合的过程中，将荧光发光层材和热扩散层材在通过叠合而临时接合后，进行退火处理。此时，由于荧光发光层材与热扩散层材的热膨胀系数差是1×10－6/K以下，所以即使在上述的温度范围中进行退火处理，在接合界面中由热膨胀差造成的剥离、气泡的发生也较少。结果，在热扩散层材与荧光发光层材之间以较高的强度接合。
以上，在加热温度不到800℃的情况下，由于仅部分性地接合，所以空隙的发生区域较大。另一方面，在加热温度超过1200℃的情况下，发生荧光体的劣化，不能得到足够的明亮度。
接着，在热扩散层23上形成周期构造体层25。
作为形成周期构造体层25的方法，可以使用将溶胶凝胶法及纳米刻印法组合的方法。若具体地说明，则将含有铝、硅、钛、锆等的醇盐的溶胶状的材料例如通过旋涂法涂敷在热扩散层23的表面上。接着，在将压模挤压在所得到的涂敷膜上的状态下进行加热处理，在脱模后进行热处理。通过该热处理，反应(加水分解及缩聚合)发展，形成由无机材料构成的周期构造体层25。
此外，周期构造体层25也可以使用纳米刻印法和干式蚀刻处理来形成。具体而言，在平板状的无机材料层的表面上，例如通过旋涂法涂敷抗蚀剂，接着，将抗蚀剂的涂敷膜例如通过纳米刻印法而形成图案。然后，通过施以干式蚀刻处理，形成在表面上设置有周期构造体27的、由无机材料构成的周期构造体层25。
上述周期构造也可以直接形成在热扩散层23上。
接着，在荧光发光层22的背面形成由光反射层33与接合层35的层叠体构成的高热传导层32。
在光反射层33及接合层35的形成中，首先，通过使作为光反射层33的Ag或Al蒸镀在荧光发光层22上，形成反射金属膜。接着，为了防止该反射金属膜的氧化或硫化，通过将Cr、Ni等蒸镀或镀金而形成保护膜，形成光反射层33。接着，通过在光反射层33的保护膜上形成由钎焊构成的接合层35，与散热基板31接合。由此，得到由光反射层33与接合层35的层叠体构成的高热传导层32。
在上述的荧光光源装置10中，由准直透镜18使从激发光源11射出的激发光L成为平行光线。然后，将平行光化的激发光L照射在荧光发光部件15中的荧光板21的激发光入射面(周期构造体层25的表面)的激发光入射区域，并经由该周期构造体层25及热扩散层23向荧光发光层22中的激发光入射区域的正下方区域及该正下方区域的周边区域(以下，将它们一起也称作“光入射中央区域”)入射。接着，在荧光发光层22中，荧光体被激发，由此，从荧光体放射荧光。该荧光与没有被荧光体吸收并被光反射层33反射的激发光L一起从荧光板21的荧光射出面(周期构造体层25的表面)的荧光射出区域射出，向荧光光源装置10的外部射出。
以上，如果向荧光发光层22的光入射中央区域入射，则荧光发光层22中的光入射中央区域的正下方附近部分、即与激发光入射侧的光入射中央区域有关的表层部分(以下也称作“中央表层部分”)局部性地发热而成为高温。并且，在该中央表层部分中产生的热被传递给热扩散层23的中央部分(具体而言，热扩散层23中的中央表层部分(光入射中央区域)的正上方部分)。在该热扩散层23中，被朝向该热扩散层23的沿层方向外方即该热扩散层23的周侧面传导。这样被传导给热扩散层23的中央部分的周围部分的热经由荧光发光层22的中央表层部分的周围部分(不是高温的部分)及高热传导层32被传递给散热基板31，在该散热基板31中被排热。
如以上这样，在本发明的荧光光源装置10中，为荧光发光层22被热扩散层23和高热传导层32夹入的状态。因此，在通过激发光向荧光发光层22的激发光入射侧的一面中的一部分的区域入射而在该一部分的区域的正下方附近部分局部地发生了热的情况下，该热也通过被传递给热扩散层23而被扩散，经过该正下方附近部分的周围部分及高热传导层23被高效地传递给散热基板31。即，由于在荧光发光层22中，在通过激发光入射而发生了热的部分的周围部分形成有从热扩散层23朝向高热传导层32延伸的排热路，所以即使散热基板31被配设在荧光发光层22的与激发光入射侧相反的一侧，也能够将通过被照射激发光而在荧光发光层22中产生的热高效地传递给散热基板31而排热。结果，能够抑制荧光发光层22中的温度消光的发生。
因而，根据本发明的荧光光源装置10，即使在激发光的入射强度(激发光的激发能量)较大的情况下，也能够抑制荧光发光层22中的温度消光的发生，所以能得到较高的荧光光束(荧光光量)，结果能够稳定地得到较高的发光效率。具体而言，根据后述的实验例可知，与在荧光板21上没有设置热扩散层23的结构相比，能够得到1.2倍以上的荧光光量。
此外，根据荧光发光层的形成材料及热扩散层的形成材料包含Al2O3、它们的线热膨胀率的差是1×10－6/K以下的结构，例如通过800～1200℃的加热处理，能够将荧光发光层22与热扩散层23通过光学接触而接合，所以能得到荧光发光层与热扩散层的接合强度较高的荧光板。
此外，荧光光源装置10由于荧光体21是设置有周期构造体层25的结构，所以不需要将热扩散层23做成形成有周期构造体的结构。因此，荧光体21的激发光受光面上的周期构造体27的形成变得容易。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述的实施方式，能够加以各种变更。
例如，荧光板从制造容易性的观点优选的是具有周期构造体层，但也可以是不设置周期构造体层而在热扩散层的表面上形成有周期构造的结构。即，也可以是将周期构造体构成在热扩散层中的结构。在设置周期构造体而成的热扩散层中，周期构造体通过蚀刻处理而形成。
具体而言，荧光板如图3所示，在构成有关图1的荧光光源装置10的荧光板21中，也可以是，不设置周期构造体层，除了将热扩散层43的表面作为激发光入射面、在该热扩散层43的表面设置周期构造体47以外、具有与构成有关该图1的荧光光源装置10的荧光板21同样的结构。
此外，周期构造体并不限定于将多个凸部周期性地排列而成的结构，也可以是将多个柱状孔周期性地排列而成的结构，此外，也可以是将多个柱状孔周期性地排列并将多个凸部周期性地排列而成的结构。
此外，荧光光源装置整体的构造并不限定于图1所示的构造，可以采用各种结构。例如，在有关图1的荧光光源装置中使用1个激发光源(例如激光二极管)的光，但也可以是激发光源有多个、在荧光板的前方配置聚光透镜而将汇聚光向荧光板照射的形态。此外，激发光并不限于激光二极管的激光，只要是放射能够将荧光板(具体而言，构成荧光板的荧光体)激发的光，可以使用各种结构。这里，作为激发光源，使用根据构成荧光板(荧光发光层)的荧光体的种类等而放射适当的波长的光的结构，例如使用放射波长445～465nm的光的结构。
以下，对为了确认本发明的作用效果而进行的实验例进行说明。
〔实验例1〕
如以下这样制作具有图1的结构的荧光发光部件(以下，也称作“荧光发光部件(1)”)。
制作出下述的荧光发光层材及热扩散层材。
[荧光发光层材]
由材质：Al2O3(50％)/YAG构成的多晶体(有关YAG的活性材料(Ce)的掺杂量：0.5mol％，空隙率0.5％以下，热传导率：20W/(m·K)，线热膨胀率：8.6×10－6/K，折射率：1.83)，厚度：0.10mm，表面(平滑面)的表面粗糙度Ra：0.3nm，表面(平滑面)中的Al2O3的露出面积率：63％
[热扩散层材]
材质：蓝宝石(单结晶体，热传导率：42W/(m·K)，线热膨胀率：7.7×10－6/K，折射率：1.76)，厚度：0.1mm，表面(平滑面)的表面粗糙度Ra：0.3nm，厚度(t)与热传导率(λ)之积的倒数(1/(t×λ))的值：119K/W
将上述的荧光发光层材及热扩散层材以各自的平滑面密接的状态层叠，通过将其层叠体在大气压环境下在温度1000℃以上的条件下加热处理，制作出在荧光发光层的表面上直接接合热扩散层而成的层叠体。对得到的层叠体进行观察时，在荧光发光层与热扩散层之间看不到剥离。此外，将得到的层叠体的荧光发光层与热扩散层的接合强度通过下述的方法测量，是1.7J/m2。
此外，在热扩散层的表面上形成由氧化锆构成的溅镀膜，通过在该溅镀膜的表面上利用纳米刻印法及干式蚀刻处理形成凹凸构造，形成了周期构造体层。得到的周期构造体层的规格是下述这样的。
[周期构造体层]
材质：氧化锆，周期构造体的形状：凸部的高度(h)＝360nm，周期(d)＝460nm，纵横比(h/d)＝0.6，基底部的厚度(凸部以外的厚度)：360nm
如以下这样，在荧光发光层的背面上形成由光反射层及接合层构成的高热传导层，在得到的接合层上接合散热基板。
使作为光反射层的Ag或Al蒸镀到荧光发光层上，为了防止该蒸镀膜的氧化或硫化，通过将Cr、Ni蒸镀或鍍金而形成保护膜，由此形成光反射层。在该光反射层的保护膜上，通过钎焊而形成接合层，接合在散热基板上。
得到的高热传导层及散热基板的规格是下述这样的。
[高热传导层]
光反射膜：增反射银膜(热传导率429W/(m·K))，厚度150nm
接合部件：AuSn钎焊(热传导率60W/(m·K))，厚度15μm
[散热基板]
材质：Cu，厚度：2mm
此外，制作出除了在荧光发光部件(1)中没有设置热扩散层以外具有与该荧光发光部件(1)同样结构的比较用的荧光发光部件(以下，也称作“比较用荧光发光部件(1)”)。
对于制作出的荧光发光部件(1)及比较用荧光发光部件(1)，分别向荧光板的表面(周期构造体层的表面)的中央区域照射激发用激光，测量该表面中的荧光输出量。并且，基于得到的荧光输出量的测量值，计算以比较用荧光发光部件(1)的荧光输出量为基准设为1的情况下的荧光发光部件(1)的荧光输出量的比例(以下也称作“荧光输出改善比例”)，是1.56。
〔实验例2〕
制作出除了在实验例1的荧光发光部件(1)中使热扩散层的厚度为0.33mm以外、具有与该荧光发光部件(1)同样结构的荧光发光部件(以下也称作“荧光发光部件(2)”)。在得到的荧光发光部件(2)中，有关热扩散层的厚度(t)与热传导率(λ)的积的倒数(1/(t×λ))的值是72K/W。
并且，对于得到的荧光发光部件(2)，通过与实验例1同样的方法，计算将比较用荧光发光部件(1)的荧光输出量作为基准而设为1的情况下的荧光发光部件(2)的荧光输出量的比例(荧光输出改善比例)，是1.62。
〔实验例3〕
制作出除了在实验例1的荧光发光部件(1)中使热扩散层的厚度为0.60mm以外、具有与该荧光发光部件(1)同样结构的荧光发光部件(以下也称作“荧光发光部件(3)”)。在得到的荧光发光部件(3)中，有关热扩散层的厚度(t)与热传导率(λ)之积的倒数(1/(t×λ))的值是40K/W。
对于得到的荧光发光部件(3)，通过与实验例1同样的方法，计算将比较用荧光发光部件(1)的荧光输出量作为基准而设为1的情况下的荧光发光部件(3)的荧光输出量的比例(荧光输出改善比例)，是1.74。
根据这些实验例1～实验例3的结果确认了：在具备在激发光入射侧设置有周期构造体的荧光板、以及配设在该荧光板的与激发光入射侧的一面对置的另一面侧的散热基板的荧光光源装置中，通过在该荧光板的激发光入射侧设置热扩散层，能得到较高的荧光输出(荧光光量)。即，确认了通过本发明的荧光光源装置能得到较高的发光效率。此外，特别在厚度(t)与热传导率(λ)之积的倒数(1/(t×λ))的值处于10～350K/W的范围内的情况下，确认了与没有设置热扩散层的荧光光源装置相比能得到1.2倍以上的更高的荧光输出(荧光光量)。
〔实验例4〕
除了在实验例1中将荧光发光层材变更为下述的规格以外，与实验例1同样地制作出荧光发光层材和热扩散层材的层叠体。
[荧光发光层材]
材质：由Al2O3(60％)/YAG构成的多晶体(有关YAG的活性材料(Ce)的掺杂量：0.5mol％，空隙率0.5％以下，热传导率：22W/(m·K)，线热膨胀率：6.2×10－6/K，折射率：1.78)，厚度：0.10mm，表面(平滑面)的表面粗糙度Ra：0.3nm，表面(平滑面)中的Al2O3的露出面积率：77％
对得到的层叠体进行观察，在荧光发光层与热扩散层之间没有看到剥离。此外，将得到的层叠体中的荧光发光层与热扩散层的接合强度通过与实验例1同样的方法进行测量，是1.83J/m2。
〔实验例5〕
除了在实验例1中将荧光发光层材变更为下述的规格以外，与实验例1同样地制作出荧光发光层材和热扩散层材的层叠体。
[荧光发光层材]
材质：由Al2O3(75％)/YAG构成的多晶体(有关YAG的活性材料(Ce)的掺杂量：0.5mol％，空隙率0.5％以下，热传导率：25W/(m·K)，线热膨胀率：6.05×10－6/K，折射率：1.76)，厚度：0.10mm，表面(平滑面)的表面粗糙度Ra：0.3nm，表面(平滑面)中的Al2O3的露出面积率：98％
对得到的层叠体进行观察，在荧光发光层与热扩散层之间没有看到剥离。此外，将得到的层叠体中的荧光发光层与热扩散层的接合强度通过与实验例1同样的方法进行测量，是2.01J/m2。
[比较实验例]
除了在实验例1中将荧光发光层材变更为下述的规格以外，与实验例1同样地制作出荧光发光层材和热扩散层材的层叠体。
[荧光发光层材]
材质：由Al2O3(40％)/YAG构成的多晶体(有关YAG的活性材料(Ce)的掺杂量：0.5mol％，空隙率0.5％以下，热传导率：17W/(m·K)，线热膨胀率：6.4×10－6/K，折射率：1.79)，厚度：0.10mm，表面(平滑面)的表面粗糙度Ra：0.3nm，表面(平滑面)中的Al2O3的露出面积率：49％
对得到的层叠体进行观察，在荧光发光层与热扩散层之间没有看到剥离。此外，将得到的层叠体中的荧光发光层与热扩散层的接合强度通过与实验例1同样的方法进行测量，是1.58J/m2。
标号说明
10 荧光光源装置
11 激发光源
15 荧光发光部件
18 准直透镜
21 荧光板
22 荧光发光层
23 热扩散层
25 周期构造体层
26 基底部
27 周期构造体
28 凸部
31 散热基板
32 高热传导层
33 光反射层
35 接合层
43 热扩散层
47 周期构造体
51 荧光板
52 接合部

Claims (20)

1.一种荧光光源装置，其特征在于，
具备荧光板，所述荧光板具有由多晶体构成的荧光发光层，在该荧光发光层的激发光入射侧形成有周期构造体，
上述荧光板具有：热扩散层，直接接合而设置在上述荧光发光层的激发光入射侧的表面上，具有比上述荧光发光层大的热传导率；以及高热传导层，设置在上述荧光发光层的与激发光入射侧相反侧的背面，
上述高热传导层通过光反射层、以及由金属形成的接合层构成，
上述荧光板以将配置在上述高热传导层侧的散热基板的表面的一部分覆盖的方式设置。
2.如权利要求1所述的荧光光源装置，其特征在于，
上述荧光发光层的形成材料及上述热扩散层的形成材料包含Al2O3，上述荧光发光层的形成材料与上述热扩散层的形成材料的线热膨胀率的差是1×10－6/K以下。
3.如权利要求2所述的荧光光源装置，其特征在于，
上述荧光发光层的形成材料由Al2O3和无机荧光体的多晶体构成。
4.如权利要求2所述的荧光光源装置，其特征在于，
上述荧光发光层的与上述热扩散层接合的接合面中的Al2O3的露出面积率是50％以上。
5.如权利要求3所述的荧光光源装置，其特征在于，
上述荧光发光层的与上述热扩散层接合的接合面中的Al2O3的露出面积率是50％以上。
6.如权利要求2所述的荧光光源装置，其特征在于，
上述热扩散层的形成材料是蓝宝石。
7.如权利要求3所述的荧光光源装置，其特征在于，
上述热扩散层的形成材料是蓝宝石。
8.如权利要求4所述的荧光光源装置，其特征在于，
上述热扩散层的形成材料是蓝宝石。
9.如权利要求5所述的荧光光源装置，其特征在于，
上述热扩散层的形成材料是蓝宝石。
10.如权利要求1所述的荧光光源装置，其特征在于，
上述热扩散层及上述高热传导层的形成材料与上述荧光发光层的形成材料相比热传导率大。
11.如权利要求1所述的荧光光源装置，其特征在于，
上述高热传导层的形成材料与上述热扩散层的形成材料相比热传导率大。
12.如权利要求1所述的荧光光源装置，其特征在于，
上述热扩散层当设该热扩散层的厚度为t〔m〕，设该热扩散层的形成材料的热传导率为λ〔W/(m·K)〕时，厚度与形成材料的热传导率之积的倒数(1/(t×λ))的值满足10～350(K/W)。
13.一种荧光光源装置的制造方法，是制造权利要求2所述的荧光光源装置的方法，其特征在于，
具有：
准备与上述热扩散层接合的表面的表面粗糙度是0.01nm以上1nm以下的荧光发光层材、以及与上述荧光发光层接合的表面的表面粗糙度是0.01nm以上1nm以下的热扩散层材的工序；以及
将上述荧光发光层材及上述热扩散层材通过在使各自的表面密接的状态下加热到800～1200℃而进行接合的工序。
14.一种荧光光源装置的制造方法，是制造权利要求3所述的荧光光源装置的方法，其特征在于，
准备与上述热扩散层接合的表面的表面粗糙度是0.01nm以上1nm以下的荧光发光层材、以及与上述荧光发光层接合的表面的表面粗糙度是0.01nm以上1nm以下的热扩散层材的工序；以及
将上述荧光发光层材及上述热扩散层材通过在使各自的表面密接的状态下加热到800～1200℃而进行接合的工序。
15.一种荧光光源装置的制造方法，是制造权利要求4所述的荧光光源装置的方法，其特征在于，
准备与上述热扩散层接合的表面的表面粗糙度是0.01nm以上1nm以下的荧光发光层材、以及与上述荧光发光层接合的表面的表面粗糙度是0.01nm以上1nm以下的热扩散层材的工序；以及
将上述荧光发光层材及上述热扩散层材通过在使各自的表面密接的状态下加热到800～1200℃而进行接合的工序。
16.一种荧光光源装置的制造方法，是制造权利要求5所述的荧光光源装置的方法，其特征在于，
准备与上述热扩散层接合的表面的表面粗糙度是0.01nm以上1nm以下的荧光发光层材、以及与上述荧光发光层接合的表面的表面粗糙度是0.01nm以上1nm以下的热扩散层材的工序；以及
将上述荧光发光层材及上述热扩散层材通过在使各自的表面密接的状态下加热到800～1200℃而进行接合的工序。
17.一种荧光光源装置的制造方法，是制造权利要求6所述的荧光光源装置的方法，其特征在于，
准备与上述热扩散层接合的表面的表面粗糙度是0.01nm以上1nm以下的荧光发光层材、以及与上述荧光发光层接合的表面的表面粗糙度是0.01nm以上1nm以下的热扩散层材的工序；以及
将上述荧光发光层材及上述热扩散层材通过在使各自的表面密接的状态下加热到800～1200℃而进行接合的工序。
18.一种荧光光源装置的制造方法，是制造权利要求7所述的荧光光源装置的方法，其特征在于，
准备与上述热扩散层接合的表面的表面粗糙度是0.01nm以上1nm以下的荧光发光层材、以及与上述荧光发光层接合的表面的表面粗糙度是0.01nm以上1nm以下的热扩散层材的工序；以及
将上述荧光发光层材及上述热扩散层材通过在使各自的表面密接的状态下加热到800～1200℃而进行接合的工序。
19.一种荧光光源装置的制造方法，是制造权利要求8所述的荧光光源装置的方法，其特征在于，
准备与上述热扩散层接合的表面的表面粗糙度是0.01nm以上1nm以下的荧光发光层材、以及与上述荧光发光层接合的表面的表面粗糙度是0.01nm以上1nm以下的热扩散层材的工序；以及
将上述荧光发光层材及上述热扩散层材通过在使各自的表面密接的状态下加热到800～1200℃而进行接合的工序。
20.一种荧光光源装置的制造方法，是制造权利要求9所述的荧光光源装置的方法，其特征在于，
准备与上述热扩散层接合的表面的表面粗糙度是0.01nm以上1nm以下的荧光发光层材、以及与上述荧光发光层接合的表面的表面粗糙度是0.01nm以上1nm以下的热扩散层材的工序；以及
将上述荧光发光层材及上述热扩散层材通过在使各自的表面密接的状态下加热到800～1200℃而进行接合的工序。
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