JP2015122390A

JP2015122390A - 光源装置

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Publication number: JP2015122390A
Application number: JP2013264724A
Authority: JP
Inventors: 重範仲田; Shigenori Nakada
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2013-12-21
Filing date: 2013-12-21
Publication date: 2015-07-02

Abstract

【課題】半導体発光素子の出射側で十分な冷却効果があり、光の出射効率低下の問題がなく、高価な加工を必要としない実用的な構造とする。【解決手段】半導体発光素子１の出射側に設けられた透光性部材３の端面に熱伝導性良く接合されて透光性部材３を取り囲む熱伝達体４は、半導体発光素子１の熱を放熱部５に伝える。透光性部材３の出射側に別の部材として設けられた透光性のモールド材７は、光軸Ａに対して垂直な面である場合に比べて光の入射角θが小さい角度となる形状の出射面を有する。透光性部材３は、モールド材７よりも熱伝導性の高い材料で形成されている。【選択図】図１

Description

本願の発明は、ＬＥＤや半導体レーザーのような半導体発光素子を光源として使用した光源装置に関するものである。

半導体発光素子を使用した光源装置は、ＬＥＤ（発光ダイオード）や半導体レーザーを使用した光源装置として周知である。このうち、ＬＥＤは、低消費電力、高寿命の光源であり、家庭やオフィス等での一般照明用を始めとして各種産業用でも広く使われるようになってきている。

このような半導体発光素子は、一般的に半導体を通して電流が流れることで発光する素子であり、大きな電流が流れるほど出力が大きくなる。例えばＬＥＤの光出力は、接合界面（ジャンクション）を通して流れる電流の大きさにほぼ比例する。したがって、より輝度の高い光源とするには、より多くの電流が流れるようにする必要がある。その一方、高い電流値は素子の温度上昇をもたらし、温度上昇は素子の短寿命化につながる。例えばＬＥＤの場合、一般的には、１０度温度が上昇するとＬＥＤチップの寿命は半分になると言われている。したがって、短寿命化を避けつつ高輝度の光源とするには、電流値を高くしつつも素子の温度上昇をいかに防止するか、即ち冷却がポイントになっている。

半導体発光素子を使用した光源装置は、基本的には、基板上に半導体発光素子を搭載し、基板上に設けた回路を介して給電し、発光させる構造となっている。従来、半導体発光素子の冷却については、基板側から熱を取る構造が主として採用されてきた。基板の裏側（チップとは反対側）にヒートシンクを設けたり、冷却フィンを設けたりして冷却効果を高めた構造が採用されることが多い。

その一方で、半導体発光素子の出射側（基板とは反対側）から熱を取ろうとする試みは殆どされていない。ＬＥＤのような半導体発光素子の場合、出射側はモールド樹脂で覆われた構造となっているが、モールド樹脂の熱伝導性は低く、出射側での熱放出は期待できない。僅かに特許文献１や特許文献２では、ＬＥＤチップの出射側において、モールド樹脂に代えて導光体（特許文献１）や透光性ヒートシンク（特許文献２）を設け、これによってＬＥＤチップの放熱を行う構造が開示されている。

特開２００５−７７５０５号公報特表２００９−５１３００３号公報

基板の裏側から熱を取ることも重要であるが、半導体発光素子の実装構造上、十分な冷却が難しい場合もある。また、より高輝度の光源を実現する観点から、冷却効率をさらに高めることが必要な場合もある。このため、半導体発光素子に対して出射側から熱を取る実用的な構造が望まれている。

この点に関し、特許文献１や特許文献２のように出射側に導光体や透光性ヒートシンクを設けた場合、光の出射効率低下防止の点にも留意する必要がある。
即ち、ＬＥＤを用いた光源装置では、出射効率低下を防止するため、発光素子の出射側に光の取り出し用のモールド材を配置している。モールド材は、ドーム状の出射面を有する。

周知のように、屈折率が大きい媒質から小さい媒質に光が入射した際、入射角が大きくなると光は全反射する。ＬＥＤを用いた光源装置の場合、最終的な出射空間（空気、屈折率≒１）に対し、発光素子側はそれより屈折率が高いから、出射面で全反射し易い。上記モールド材は、この問題を改善するものであり、例えば半球面のようなドーム状の出射面を有する。このようなモールド材においては、平坦面である場合に比べて光は小さな入射角で出射面に入射する。このため、出射面での全反射が少なくなり、光の取り出し効率が向上する。モールド材は、射出成型等により形成された樹脂製の光学部材である場合が多い。
このようなモールド材は確かに熱伝導性は良くないが、熱伝導性を良くするためにモールド材に代えて導光体（特許文献１）又は透光性ヒートシンク（（特許文献２）を設けてしまうと、モールド材が担ってきた光の取り出し効率向上の効果が失われてしまう。

この点に関し、特許文献１では、導光体１４の側面で光を全反射させて上面（出射面）に向かわせるので光の取り出し効率が高くなるとしている。しかしながら、導光体１４の側面で全反射するのは同側面への入射角が大きい光の場合のみである。ＬＥＤチップの出射面に垂直な方向に対して大きな角度で出射する光については取り出し効率が低下し易いが、そのような光は導光体１４の側面には小さい入射角で入射する為に全反射しない。したがって特許文献１の構造では十分な光の取り出し効率向上の効果は得られない。

また、特許文献２では、出射面での全反射の問題については何ら触れられていない。特許文献２は、図５や図６において、透光性ヒートシンクの出射面に突部を形成した構造を開示している。特許文献２はこれらの構造について、「屈折性レンズ８２」、「テーパ付きプリズム等の導光体８６」と説明している。特許文献２は、これらについて「透光性ヒートシンクを透過した光を集束、拡散、屈折又は導光するための光学的要素」と説明しているものの（段落００２２）、それ以上の説明は存在しない。

仮に、特許文献２の屈折性レンズ８２やテーパ付きプリズム等の導光体８６が、光の取り出し効率を向上させる効果を持っていたとしても、これらの構造は非現実的で実用性に乏しいと考えられる。即ち、透光性ヒートシンクの表面をこのような形状にするには、切削加工によらざるを得ないが、窒化アルミニウムにしろ、アルミナにしろ、酸化マグネシウムにしろ、非常に硬度の高い材料である。例えば窒化アルミニウムのモース硬度７〜９程度は、アルミナのモース硬度は８〜９程度、酸化マグネシウムのモース硬度は６〜７程度である。これら高硬度の材料を切削加工し、出射面として機能するように研磨するには、手間がかかり、非常に高価な加工となってしまう。ＬＥＤが安価な光源として普及しつつある現状を考えれば、このように高価な加工を必要とする構造は、実用的なものとは言えない。

本願の発明は、これら従来技術の各課題を考慮して為されたものであり、半導体発光素子の出射側において十分な冷却効果があり、光の取り出し効率低下の問題がなく、且つ非現実的な高価な加工を必要としない実用的な構造の光源装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、
半導体発光素子と、
半導体発光素子の出射側に設けられ、ドーム状の光出射面を有するモールド材と
を備えた光源装置であって、
半導体発光素子とモールド材の間には、モールド材よりも高い熱伝導率を有する材料で形成された透光性部材が介在されており、
透光性部材の周囲には透光性部材を取り囲むようにして熱伝達体が設けられ、熱伝達体は透光性部材の端面に熱伝導性良く接合されており、
熱伝達体によって透光性部材に対して熱的に接続された状態で放熱部が設けられており、
熱伝達体は、透光性部材よりも高い熱伝導率を有する材料で形成されている
という構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、前記請求項１の構成において、前記透光性部材との接合箇所から前記放熱部までの前記熱伝達体の長さは、中心から前記熱伝達体との接合箇所までの前記透光性部材の長さに比べて長いという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項３記載の発明は、前記請求項１又は２の構成において、前記透光性部材は前記半導体発光素子の出射面に対向した面を有し、この面の面積は、前記半導体発光素子の出射面の面積の４倍未満であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項４記載の発明は、前記請求項１乃至３いずれかの構成において、前記放熱部において水冷又は強制空冷する機構を備えているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項５記載の発明は、前記請求項１乃至４いずれかの構成において、前記熱伝達体は金属製であり、前記熱伝達体は前記透光性部材の端面をメタライズすることで接合されているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項６記載の発明は、前記請求項１乃至５いずれかの構成において、前記半導体発光素子と前記透光性部材の間の隙間には第一の充填層が形成されており、第一の充填層の材料は透光性であって、前記半導体発光素子及び前記透光性部材に対して空気よりも近い屈折率を有しており、
前記透光性部材と前記モールド材の間の隙間には、第二の充填層が形成されており、第二の充填層の材料は透光性であって、前記半導体発光素子及び前記透光性部材に対して空気よりも近い屈折率を有している。
また、上記課題を解決するため、請求項７記載の発明は、前記請求項１乃至６いずれかの構成において、前記半導体発光素子は４００ｎｍ以下の波長の光を放射するものであり、紫外域の光源用であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項８記載の発明は、前記請求項１乃至７いずれかの構成において、前記透光性部材はサファイアであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項９記載の発明は、前記請求項１乃至８いずれかの構成において、前記熱伝達体は、銅、アルミニウム又はこれらのうちの少なくとも一つを含む合金であるという構成を有する。

以下に説明する通り、本願の請求項１記載の発明によれば、半導体発光素子で生じた熱は透光性部材を介して熱伝達体に伝えられ、熱伝達体を介して放熱部に伝えられた後、放熱部で放出される。このため、半導体発光素子に高い電流を流して高輝度の光源とした場合でも半導体発光素子が限度以上に昇温するのが抑えられ、短寿命化などの問題は生じない。その一方、ドーム状の光出射面を有するモールド材が設けられているので、全反射等による光の出射効率の悪化を大きく低減できる。この際、透光性部材とは別の部材としてモールド材が設けられているので、透光性部材に対して切削加工や研磨のような加工を施す必要がなく、製造コストが非現実的なまでに高くなるといった問題はない。
また、請求項２記載の発明によれば、上記効果に加え、透光性部材との接合箇所から放熱部までの熱伝達体の長さは、中心から熱伝達体との接合箇所までの透光性部材の長さに比べて長いので、放熱部に熱を伝える効率がより高くなり、半導体発光素子の温度上昇を抑える効果がより高くなる。
また、請求項３記載の発明によれば、上記効果に加え、透光性部材の半導体発光素子の出射面に対向した面の面積は、半導体発光素子の出射面の面積の４倍未満であるので、熱伝達体に比べて熱伝導率が低い部分が小さく、このため全体の熱伝達効率が高くなる。したがって、半導体発光素子の温度上昇を抑える効果がより高くなる。
また、請求項４記載の発明によれば、上記効果に加え、放熱部において水冷又は強制空冷されるので、半導体発光素子の温度上昇を抑える効果がさらに高くなり、透光性部材が半導体発光素子の４倍未満の面積比である場合、熱の輸送効果が高い為にその効果は特に顕著である。
また、請求項５記載の発明によれば、上記効果に加え、熱伝達体は透光性部材の端面をメタライズすることで接合されているので、この部分において熱伝達性が良好であり、このため半導体発光素子の温度上昇を抑える効果がより高くなる。
また、請求項６記載の発明によれば、上記効果に加え、半導体発光素子と透光性部材の界面、及び透光性部材とモールド材との界面において、大きな屈折率差によって光が全反射したり反射率が高くなったりすることがないので、この点でさらに光の出射効率が高くなる。
また、請求項７記載の発明によれば、上記各効果を得つつ、４００ｎｍ以下の光を出力させて所望の用途に使用することができる。
また、請求項８記載の発明によれば、上記効果に加え、透光性部材がサファイアであるので、可視域から紫外域に亘る波長域の光について十分な輝度で出力することができ、またその際にも熱伝導性が悪くなることはなく、半導体発光素子の温度上昇防止の効果が同様に得られる。
また、請求項９記載の発明によれば、上記効果に加え、熱伝達体は、銅、アルミニウム又はこれらのうちの少なくとも一つを含む合金であるので、熱伝達体においてより高い熱伝導性が得られ、半導体発光素子の温度上昇防止の効果がより高くなる。

本願発明の実施形態に係る光源装置の正面断面概略図である。図１に示す光源装置の主要部の斜視概略図である。シミュレーションにおいて想定した透光性部材及び熱伝達体の寸法の条件（組合せ）を示す図である。図３に示す透光性部材と熱伝達体の寸法の各組合せにおいてシミュレーションした結果を示す図である。

次に、本願発明を実施するための形態（以下、実施形態）について説明する。
図１は、本願発明の実施形態に係る光源装置の正面断面概略図、図２は、図１に示す光源装置の主要部の斜視概略図である。尚、図２は、装置の構造の理解のため、１／４ほど切断して取り除いた破断図となっている。
図１及び図２に示す光源装置は、半導体発光素子１を備えている。半導体発光素子１は、基板２上に実装されている。

基板２の表面には、給電用のリード配線（不図示）が設けられている。半導体発光素子１は、この実施形態ではＬＥＤチップとなっており、ハンダバンプ等により半導体発光素子１の各電極がリード配線に接続されている。尚、基板２には、厚み方向に貫通する貫通穴（不図示）が設けられている。リード配線は、それぞれこの貫通穴を介して、裏面（半導体発光素子１と反対側の面）に設けられた端子に接続されている。

この実施形態の光源装置は、冷却構造に特徴点があるので、半導体発光素子１としては任意のものを使用し得るが、この実施形態では、４００ｎｍ以下の紫外光を放射するＬＥＤ（紫外線ＬＥＤ）チップが半導体発光素子１として使用されている。これは、フォトレジストのような感光材料の露光用であって、特に高輝度が可能な実施形態の光源装置を使用することを想定していることによる。

４００ｎｍ以下の紫外光を放射するＬＥＤチップとしては、発光層と障壁層とが交互に周期的に積層された多重量子井戸構造を有する素子が好適に使用できる。多重量子井戸は、ＧａＩｎＮ系、ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ系等、必要な波長域に応じて任意のものを使用することができる。また、素子構造についても、ラテラル（縦型）構造、フリップチップ（横型）構造など、任意の構造を採用し得る。尚、ＬＥＤチップである半導体発光素子１の外形は、図２に示すように方形の板状であるが、円板状のものが使用されることもある。

実施形態の光源装置では、半導体発光素子１の出射側において高い冷却効果を得るため、透光性部材３と、熱伝達体４と、放熱部５とを備えている。
透光性部材３は、半導体発光素子１を出射側で覆うカバー状のものである。この実施形態では、透光性部材３は、一辺の長さが半導体発光素子１よりも少し大きい方形の板状の部材となっている。

透光性部材３は、半導体発光素子１が放射する光の波長において十分に透明であることが必要で、したがって結晶材料である場合が多い。加えて、透光性部材３は、十分に高い熱伝導率を有することが必要である。この実施形態では、透光性部材３の材料としてはサファイアが使用されている。サファイアは、紫外域から可視域に亘って高い光透過率を有し、熱伝導率も４２Ｗ／ｍＫ（室温）と、透光性材料としては高い値を有している。この他、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）等を使用しても好適である。酸化マグネシウムの熱伝導率は５９Ｗ／ｍＫ、ニオブ酸リチウムの熱伝導率は３８Ｗ／ｍＫであり（いずれも室温）、同様に紫外域から赤外域において高い光透過率を有する。

実施形態の光源装置は、上記のような透光性部材３で半導体発光素子１を覆いつつも、透光性部材３をヒートシンクとして使用するのではなく（即ち、透光性部材３自体に熱を溜めてそこから放熱させるのではなく）、透光性部材３とは別の部材として放熱部５を設け、そして透光性部材３よりも高い熱伝達率を有する熱伝達体４を放熱部５との間に介在させて熱的に接続する（即ち、放熱部５に熱を伝える）構造を採用している。

具体的に説明すると、図２に示すように、熱伝達体４は、半導体発光素子１から出射される光を遮らないように、透光性部材３の周囲を取り囲んだ部材となっている。熱伝達体４は、全体としては方形の板状の部材であり、透光性部材３の外形に適合した方形の開口を中央に有する。透光性部材３は、この開口に嵌め込まれた状態で設けられている。尚、図１に示すように、熱伝達体４は、基板２に固定された各支柱２１によって支持されている。この実施形態では、熱伝達体４は、透光性部材３から熱を周囲に拡散させるので、ヒートスプレッダとも呼び得る部材である。
熱伝達体４は、透光性である必要はなく、この実施形態では銅のような熱伝導性の高い金属で形成されている。また、透光性部材３と熱伝達体４とは、メタライズなどの方法により熱伝導性良く接合されている。例えば、マンガンやモリブデンなどの金属ペースを透光性部材３の端面（側面）に塗って焼成し、端面に金属層を形成した後、熱伝達体４の内周面に対してろう付け等の方法で接合する。

放熱部５は、この実施形態では、放熱フィンとなっている。放熱フィンより成る放熱部５は、銅のような金属製であり、熱伝達体４と一体に成形されるか、熱伝達体４に対してろう付け等の方法で接合された部位である。図２では放熱部５の図示は省略されているが、この実施形態では、方形の熱伝達体４の各辺（側面）に形成されている。但し、向かい合う二つの辺のみに形成されていても良い。

また、半導体発光素子１の上面（出射側の表面）に対して透光性部材３は接近して配置されており、両者の隙間には樹脂６１が充填されている（以下、このように樹脂が充填された隙間を第一の充填層という）。第一の充填層６１の材料には、従来の光源装置でモールド樹脂として使用されていたのと同じ材料を使用することができ、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂などを使用することができる。いずれにしても、第一の充填層６１の材料は熱伝導性が低い場合が多いので、できる限り薄い層とすることが望ましく、例えば50μｍ以下、更に望ましくは10μｍ以下の程度の厚さとする。

一方、この実施形態の光源装置は、透光性部材３の上側（出射側）にモールド材７を備えている。モールド材７は、透光性部材３とは別の光学部材として設けられたもので、透光性部材３の配置に伴って生じる出射効率の悪化を解消するための部材である。
透光性部材３は、前述したように光透過特性と熱伝達特性を優先して材料が選定されている。例えば透光性部材３がサファイアである場合、サファイアの屈折率は、前述したように１．７〜１．８程度であるので、空気（屈折率≒１）との間では屈折率差が生じる。

実施形態の光源装置は、この点を考慮し、透光性部材３とは別にモールド材７を設けている。モールド材７は、図２に示すように、半球レンズとなっている。半球レンズより成るモールド材７は、半導体発光素子１の光軸Ａと同軸上に配置されている（即ち、球の中心は光軸Ａ上にある）。尚、透光性部材３も、半導体発光素子１の光軸Ａと同軸上の位置に配置されている。

モールド材７としては、シリコーン樹脂、環状オレフィンポリマー、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂などを使用することができる。また、ガラス製であっても良い。ガラス製の場合、ＢＫ７や石英などが使用される。これら材料のうちから紫外域から可視域にかけて良好な透過特性を有するものが好適に使用され、目的や仕様に合わせて適宜選択される。例えば、シリコーン樹脂であれば、紫外線への耐久性が求められる場合にはメチルフェニルシリコーンよりもメチルシリコーンが好適に使用できる。

また、透光性部材３とモールド材７との間には、第二の充填層６２が形成されている。透光性部材３の上面（出射面）とモールド材７の下面（入射面）はお互いに平坦面であり、僅かな隙間を形成して平行に向かい合っている。この隙間に、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂等の樹脂材料が充填されて第二の充填層６２が形成されている。第一の充填層６１と同様、第二の充填層６２もできる限り薄い層とされる。

このような実施形態の光源装置において、半導体発光素子１からは、若干拡散しながら光が出射される。即ち、光軸Ａ方向に向かう光の量が一番多いものの、光軸Ａに対して角度を持った方向にも光は出射される。角度が大きくなるにつれて当該方向に向かう光は少なくなるものの、出射される光は広がって進む光（拡散光）である。
このような出射光は、第一の充填層６１、透光性部材３及び第二の充填層６２を順に透過してモールド材７に入射する。そして、モールド材７を透過して出射面から出射する。この際、図１に示すように、モールド材７の出射面は球面となっているので、モールド材７の媒質中の進んできた光の出射面に対する入射角θは、０度又はそれに近い小さい角度となる。モールド材７の材料が空気に対してある程度の屈折率差を持っていたとしても、全反射したり反射率が大きくなったりすることはなく、図１中に矢印Ｌで示すように、光は出射面から前方に出射される。

尚、このような取り出し効率向上の効果は、出射面が光軸Ａに垂直な平面である場合の入射角に比べて小さな入射角になるような出射面の形状であれば良く、半球面でなくとも良い場合がある。例えば、厳密に半球でなくとも、軸の長さが全球の１／３や１／４の球面であってもよく、収差補正を考慮した非球面であっても良い。また、一部に平面を有する凸面であってもよく、平面を組み合わせた凸面であっても良い。

また、第一の充填層６１及び第二の充填層６２も、光の出射効率低下を防止する観点で設けられている。半導体発光素子１の出射面や透光性部材の入射面は、ともに平坦面であり平行に対向している。この際、両者を完全に密着させることは困難で、界面に隙間や微小な空間が形成される。これら隙間や空間は空気であり、大きな屈折率差が生じる。充填層６１，６２でこれら隙間や空間を埋めると、大きな屈折率差の箇所がなくなるので、全反射したり反射率が高くなったりすることがなくなる。したがって、第一の充填層６１は、半導体発光素子１及び透光性部材３との間の屈折率差が空気の場合と比べて小さいものであることが必要で、同様に第二の充填層６２の材料は、透光性部材３及びモールド材７との間の屈折率差が空気の場合と比べて小さいものであることが必要である。前述したシリコーン樹脂やエポキシ樹脂の場合、屈折率が１．４〜１．５程度であり、通常これらの条件を満足する。

尚、第一の充填部６１や第二の充填部６２は、接着層として形成されると好適である。特に、第二の充填部６２については、モールド材７は下面（平坦面）で固定されることが望ましい部材であるため、第二の充填部６２によりモールド材７を透光性部材３に対して接着する構造であると、他に固定手段を設ける必要がないので好適である。

上述した実施形態の光源装置の動作において、半導体発光素子１で生じた熱は、第一の充填層６１を通して透光性部材３に伝えられる。透光性部材３は、この熱を熱伝達体４に伝え、熱伝達体４は、熱を放熱部５に伝える。放熱部５は、自然空冷又は強制空冷されるようになっており、放熱部５から熱が放出される。このため、半導体発光素子１に高い電流を流して高輝度の光源とした場合でも半導体発光素子１が限度以上に昇温するのが抑えられ、短寿命化などの問題は生じない。

このような冷却構造は、第一の充填層６１や第二の充填層６２に熱伝導性の低い樹脂材料を使用している場合にも顕著な効果がある。これらの層の材料には、良好な光透過特性を有するものが使用されるが、温度上昇により黒化などの変色が生じ易い。更に樹脂の厚みムラやチップ内発熱分布のムラ等により樹脂層において局所的なヒートスポットが発生する場合もある。一度変色が生じると、その箇所でより熱を吸収し易くなり、さらに変色が進むという悪循環となる。そして、光透過率が限度以上に悪くなり、使用不能となる。実施形態の光源装置では、透光性部材３及び熱伝達体４により迅速に熱が放熱部５に送られて取り去られるので、この種の問題は生じない。

上記構造において、熱伝達体４は、透光性部材３を介して送られる半導体発光素子１の熱を迅速に放熱部５に送るために使用されている。したがって、熱伝達体４は、透光性部材３よりも高い熱伝導率を有することが必要である。もし、熱伝達体４が透光性部材３のよりも低い熱伝導率の材料で形成されているならば、熱伝達体４を設ける意味はなく、透光性部材３をより大きくしておけば足りる。即ち、実施形態では、大きな透光性部材３を設ける代わりにより高い熱伝導率の熱伝達体４に部分的に置き換え、放熱部５により迅速に熱を伝えることで全体として冷却効率を高めている。

その一方、実施形態の光源装置において、最終的な出射面に対する光の入射角は、上記のようにモールド材７において小さい角度に補正されるので、全反射等による光の出射効率の低下の問題はない。この際、実施形態の光源装置では、透光性部材とは別の部材としてモールド材を設けるので、透光性部材に対して切削加工や研磨のような加工を施す必要がない。モールド材７は、透光性部材３とは別の部材であるので、環状オレフィン樹脂やシリコーン樹脂のような加工し易い透光性材料を使用することが可能で、射出成型などにより上記半球状のような所望の形状とすることができる。したがって、サファイアのような硬度の高い材料を透光性部材として採用しても、製造コストが非現実的なまでに高くなるといった問題はない。

即ち、実施形態の光源装置は、透光性と熱の伝達は透光性部材３に担わせ、放熱部５への熱伝達をより向上させる部材として熱伝達体４を配置しつつ、光の出射効率低下防止の機構はモールド材７に担わせている。このように、各機能について個別に部材を配置することで、冷却効率の向上と光の出射効率低下防止とを両立させており、これが実施形態の光源装置の大きな特徴点となっている。

尚、熱伝達体４が透光性部材３を部分的に熱伝導率の高い材料で置換する意義を有すると説明したが、この観点からは、熱の伝達経路における熱伝達体４の長さは、透光性部材３のそれに比べて長くすることが好ましい。熱の伝達経路における長さ（以下、熱伝達長さという）を、図１に符合Ｄ１及びＤ２で示す。Ｄ１が透光性部材３の熱伝達長さ、Ｄ２が熱伝達体４の熱伝達長さである。透光性部材３については、中心から熱伝達体４との接合箇所までの長さが熱伝達長さＤ１である。図１に示すように、この実施形態ではＤ２＞Ｄ１となっている。

冷却効率を全体としてより高める観点からは、Ｄ２をより長くすると好適であると言えるが、Ｄ２を長くし過ぎると、光の取り出しに支障が出ることもあり得る。即ち、半導体発光素子１から出射される光は、前述したように拡散光であるので、Ｄ２が長くＤ１が短いと（即ち、透光性部材３が小さいと）、熱伝達体４によって出射光が遮られる問題が生じ得る。

半導体発光素子１からの出射光の遮りがないようにする観点から、透光性部材３の幅（図１にＷ１で示す）は、半導体発光素子１の出射面の幅（図１にＷ０で示す）に対して、等倍以上であることが好ましい。
その一方、透光性部材３の幅Ｗ１を大きくし過ぎると（Ｄ１を長くし過ぎると）、熱伝達体４に比べて熱伝導率が低い部分が長くなってしまうので、全体の冷却効率を向上させる観点から、透光性部材３の幅Ｗ１は、半導体発光素子１の出射面の幅Ｗ０の２倍未満とすることが好ましい。

面積比で言うと、透光性部材３の半導体発光素子１に対向した面の大きさは、半導体発光素子１の透光性部材３に対向した面に対して４倍未満とすることが好ましい。
上記の点を確認したシミュレーションの結果について、実施例の説明も兼ねて以下に説明する。

発明者は、透光性部材や熱伝達体の最適な寸法について検討するため、冷却に関するシミュレーションを行った。このシミュレーションでは、透光性部材はサファイア（熱伝導率４２Ｗ／ｍＫ）、熱伝達体は銅（熱伝導率３９８Ｗ／ｍＫ）とし、厚さはともに０．５ｍｍとした。半導体発光素子は、１．０ｍｍ角で厚さ０．１ｍｍのＬＥＤチップを想定した。このＬＥＤチップの発熱量は、０．７５Ｗであると仮定した。また、ＬＥＤチップと基板との間に６．８ｍｍ角で厚さ０．５ｍｍのパッケージ材があるとし、その熱伝導率は５０ＷｍＫ、熱抵抗は４．４℃／Ｗとした。基板については、アルミニウム製で（熱伝導率１３０Ｗ／ｍＫ）、６．８ｍｍ角、厚さ１．０ｍｍとした。尚、基板の裏面（下面）での熱伝達係数を１０００Ｗ／ｍ^２Ｋとし、この程度の熱の放散が裏面からあると仮定した。

また、透光性部材の上側のモールド材については、ＢＫ７のようなガラス製とし、熱伝導率は、１Ｗ／ｍＫとした。半球状の出射面からの熱の放散については、５Ｗ／ｍ^２Ｋの熱伝達係数とした。
尚、第一の充填層及び第二の充填層はともにシリコーン樹脂（熱伝導率０．１５Ｗ／ｍＫ）とし、厚さは０．００５ｍｍとした。

以上の条件を前提とし、透光性部材及び熱伝達体の大きさを変えながら（厚さは一定）、半導体発光素子の上面（出射面）上での温度分布をシミュレーションした。
図３は、このシミュレーションにおいて想定した透光性部材及び熱伝達体の寸法の条件（組合せ）を示している。シミュレーションでは、透光性部材を内側に嵌め込んだ熱伝達体の外形が１４ｍｍ角で一定になるようにし、透光性部材と熱伝達体の寸法比を変更した。即ち、図１に示すＤ１とＤ２の比率を変更した（Ｄ１＋Ｄ２＝１４ｍｍで固定）。

図３中、透光性部材の寸法は１／４角で表しており、図１のＤ１に相当している。また、熱伝達体４も１／４角であり、１／４角の長さから透光性部材の分を引いた長さ（図１のＤ２に相当）で表している。No.１は、熱伝達体を設けずにすべて透光性部材とした場合、No.２は、透光性部材を１．４ｍｍ角とし、残りを熱伝達体とした場合、No.３は透光性部材を２ｍｍ角とし、残りを熱伝達体とした場合、No.４は、透光性部材を６ｍｍ角とし、残りを熱伝達体とした場合である。尚、「素子寸法比」とあるのは、半導体発光素子に対する比である。ここでは、半導体発光素子は１．０ｍｍ角であるので、透光性部材については、No.1：１４倍、No.2：１．４倍、No.3：２倍、No.4：６倍となる。熱伝達体（の熱伝達長さＤ２）について「透光性部材寸法比」とあるのは、透光性部材に対する比であり、No.1：０倍、No.2：９倍、No.3：６倍、No.4：１．３３倍となる。

図４は、図３に示す透光性部材と熱伝達体の寸法の各組合せにおいてシミュレーションした結果を示す図である。このシミュレーションでは、熱伝達体の端面が２０℃に保たれることを条件とした。この条件は、水冷又は強制空冷の場合を想定したものである。
図４中のNo.１〜４は、図３の表中のNo.１〜４に対応しており、それぞれの寸法比におけるシミュレーション結果を示す。図４中の（１）は、半導体発光素子の上面（出射面）での温度分布を示し、（２）は第一の充填層の上面での温度分布を示す。図４の横軸は、光軸からの距離で位置を示しており、光軸上が０ｍｍである。また、縦軸はそれぞれ温度（℃）である。

図４（１）に示すように、熱伝達体を設けずにすべて透光性部材とした場合、半導体発光素子では、光軸上で７２℃程度の温度に達し、周辺部例えば光軸から３．４ｍｍの位置では３２℃程度に達する。一方、熱伝達体を設けた場合、光軸上では６０〜６５℃程度に抑えられ、周辺部例えば光軸から３．４ｍｍの位置では２３℃程度に抑えられる。
また、図４（２）に示すように、第一の充填層の上面では、熱伝達体を設けない場合、光軸上で４９℃程度に達し、周辺部にかけて除去に低下する温度分布となる。一方、熱伝達体を設けた場合、光軸上の温度は３２〜４０℃程度に抑えられ、周辺部にかけても温度は２０〜３０℃前後の低い温度に抑えられることがわかる。

このようにすべてを透光性部材とせず（大きな透光性部材を使用せず）、一部を熱伝導性の高い熱伝達体に置き換えることで、冷却効率が向上し、半導体発光素子や第一の充填層の温度上昇が大幅に抑えられることが確認された。特に、透光性部材を半導体発光素子に対して１．４倍（面積比で１．９６倍）として小さくすると、図４に示すように顕著な効果が得られる。透光性部材の寸法比を２倍程度にしても同程度の効果となっているが、発明者が確認したところでは、２倍程度を境に温度上昇抑制の効果が下がり始める。したがって、透光性部材の半導体発光素子に対する寸法比は２倍未満（面積比で４倍未満）とすることがより好ましい。

また、上記実施例で説明したように、実施形態の冷却構造は、放熱部において強制空冷の機構や水冷の機構を備えるとより好適である。強制空冷は、ファンによる送風路上に放熱部が位置するように光源装置を配置することで達成できる。水冷は、放熱部に水冷パイプを接合したり、内部に通水路を形成したりすることで達成できる。いずれも当業者において容易であるので、詳細な説明は省略する。

実施形態の光源装置は、より大きな光出力が必要な用途に好適に使用され、例えば感光材料の露光のような工業プロセスのための光源装置、プロジェクタやデジタル映写機のようなスクリーン投影用の光源装置として好適に使用できる。

１半導体発光素子
２基板
３透光性部材
４熱伝達体
５放熱部
６１第一の充填部
６２第二の充填部
７モールド材

Claims

半導体発光素子と、
半導体発光素子の出射側に設けられ、ドーム状の光出射面を有するモールド材と
を備えた光源装置であって、
半導体発光素子とモールド材の間には、モールド材よりも高い熱伝導率を有する材料で形成された透光性部材が介在されており、
透光性部材の周囲には透光性部材を取り囲むようにして熱伝達体が設けられ、熱伝達体は透光性部材の端面に熱伝導性良く接合されており、
熱伝達体によって透光性部材に対して熱的に接続された状態で放熱部が設けられており、
熱伝達体は、透光性部材よりも高い熱伝導率を有する材料で形成されていることを特徴とする光源装置。
前記透光性部材との接合箇所から前記放熱部までの前記熱伝達体の長さは、中心から前記熱伝達体との接合箇所までの前記透光性部材の長さに比べて長いことを特徴とする請求項１記載の光源装置。
前記透光性部材は前記半導体発光素子の出射面に対向した面を有し、この面の面積は、前記半導体発光素子の出射面の面積の４倍未満であることを特徴とする請求項１又は２記載の光源装置。
前記放熱部において水冷又は強制空冷する機構を備えていることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の光源装置。
前記熱伝達体は金属製であり、前記熱伝達体は前記透光性部材の端面をメタライズすることで接合されていることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の光源装置。
前記半導体発光素子と前記透光性部材の間の隙間には第一の充填層が形成されており、第一の充填層の材料は透光性であって、前記半導体発光素子及び前記透光性部材に対して空気よりも近い屈折率を有しており、
前記透光性部材と前記モールド材の間の隙間には、第二の充填層が形成されており、第二の充填層の材料は透光性であって、前記半導体発光素子及び前記透光性部材に対して空気よりも近い屈折率を有していることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の光源装置。
前記半導体発光素子は４００ｎｍ以下の波長の光を放射するものであり、紫外域の光源用であることを特徴とする請求項１乃至６記載の光源装置。
前記透光性部材はサファイアであることを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載の光源装置。
前記熱伝達体は、銅、アルミニウム又はこれらのうちの少なくとも一つを含む合金であることを特徴とする請求項１乃至８いずれかに記載の光源装置。