JP2016009127A - 波長変換素子、光源装置、及びプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】波長変換層が高温になることを抑制できる波長変換素子を提供する。
【解決手段】本発明の波長変換素子は、円板と、円板の第一面上に設けられた波長変換層と、円板と波長変換層との間に設けられた反射層と、を備え、以下の（式１）を満たすことを特徴とする。
（式１）−ｄρｗ（ｒ０）／ｄｒ＜ｄρｓ（ｒ０）／ｄｒ
ただし、前記回転中心を原点とする円座標を前記円板の前記第一面と平行な面上に設定したとき、ｒ：前記円座標における動径、ｒ０：円板の半径、ρｓ（ｒ）：円板の第一面上における動径ｒの点と円板の全表面との間の、円板の内部、及び表面を経由する熱経路の熱抵抗、ρｗ（ｒ）：波長変換層の、動径ｒにおける波長変換層の厚さ方向の熱抵抗。
【選択図】図３

Description

本発明は、波長変換素子、光源装置、及びプロジェクターに関する。

例えば、特許文献１に記載されるように、励起光を受けて発光する蛍光体の層を円形状の透明基材上に配置し、その透明基材をモーターによって回転させる構成を有する光源装置が提案されている。

特開２００９−２７７５１６号公報

上記のような光源装置において、励起光を強くすると蛍光体、すなわち、波長変換層の発熱量が増加し、蛍光体の温度が上昇する。蛍光体の温度が高温になると、蛍光体の変換効率の低下や、蛍光体の破損が生じる虞があった。

本発明の一つの態様は、上記問題点に鑑みて成されたものであって、波長変換層が高温になることを抑制できる波長変換素子、そのような波長変換素子を備えた光源装置、及びそのような光源装置を備えたプロジェクターを提供することを目的の一つとする。

本発明の波長変換素子の一つの態様は、第一面を有し、回転中心の周りに回転可能な円板と、前記円板の前記第一面上に設けられた所定の厚さを有する波長変換層と、前記円板と前記波長変換層との間に設けられ、前記波長変換層が生成した光を反射する反射層と、を備え、以下の（式１）を満たすことを特徴とする。
（式１）−ｄρｗ（ｒ０）／ｄｒ＜ｄρｓ（ｒ０）／ｄｒ
ただし、前記回転中心を原点とする円座標を前記円板の前記第一面と平行な面上に設定したとき、ｒ：前記円座標における動径、ｒ０：前記円板の半径、ρｓ（ｒ）：前記円板の前記第一面上における動径ｒの点と前記円板の全表面との間の、前記円板の内部、及び表面を経由する熱経路の熱抵抗、ρｗ（ｒ）：前記波長変換層の、動径ｒにおける前記波長変換層の厚さ方向の熱抵抗。

本発明の波長変換素子の一つの態様によれば、（式１）を満たすことにより、波長変換素子の熱抵抗が、円板の外周よりも内側で最小となる。そのため、熱抵抗が最小となる箇所に励起光を照射しやすく、波長変換層の熱を効率的に放熱できる。したがって、本発明の波長変換素子の一つの態様によれば、波長変換層が高温となることを抑制できる。

前記波長変換層は、動径がｒ１よりも大きくｒ０よりも小さい範囲に含まれる領域を含むように設けられている構成としてもよい。ただし、ｒ１は、以下の（式２）を満たす。
（式２）ρｓ（ｒ１）＋ρｗ（ｒ１）＝ρｓ（ｒ０）＋ρｗ（ｒ０）
この構成によれば、波長変換層における動径がｒ１よりも大きくｒ０よりも小さい範囲に含まれる領域に励起光を照射することで、波長変換層の熱を効率的に放熱できる。

前記波長変換層は、動径がｒ１よりも大きくｒ０よりも小さい範囲内にのみ設けられている構成としてもよい。
この構成によれば、波長変換層のいずれの位置に励起光を照射した場合であっても、波長変換層の熱を効率的に放熱できる。

前記波長変換層は、動径がｒ２である位置を含むように設けられている構成としてもよい。ただし、ｒ２は、以下の（式３）を満たす。
（式３）−ｄρｗ（ｒ２）／ｄｒ＝ｄρｓ（ｒ２）／ｄｒ
この構成によれば、波長変換層における動径がｒ２である位置に励起光を照射することで、波長変換層の熱をより効率的に放熱できる。

本発明の光源装置の一つの態様は、上記の波長変換素子と、励起光を射出する光源と、前記回転中心を中心として前記円板を回転させる回転機構と、を備え、前記励起光は、前記波長変換層に対して前記反射層とは逆側から入射することを特徴とする。

本発明の光源装置の一つの態様によれば、上記の波長変換素子を備えるため、波長変換層が高温となることを抑制できる。

前記波長変換層は、動径がｒ１よりも大きくｒ０よりも小さい範囲に含まれる領域を含むように設けられ、前記波長変換層の前記励起光が照射される領域は、動径がｒ１よりも大きくｒ０よりも小さい範囲に含まれる前記領域を含んでもよい。ただし、ｒ１は、以下の（式２）を満たす。
（式２）ρｓ（ｒ１）＋ρｗ（ｒ１）＝ρｓ（ｒ０）＋ρｗ（ｒ０）
この構成によれば、波長変換層の熱を効率的に放熱できる。

前記波長変換層は、動径がｒ２である位置を含むように設けられており、前記波長変換層の前記励起光が照射される領域の動径方向の中心の動径は、ｒ２である構成としてもよい。ただし、ｒ２は、以下の（式３）を満たす。
（式３）−ｄρｗ（ｒ２）／ｄｒ＝ｄρｓ（ｒ２）／ｄｒ
この構成によれば、波長変換層の熱を効率的に放熱できる。

本発明のプロジェクターの一つの態様は、上記の光源装置と、前記光源装置から射出された光を変調する光変調素子と、前記光変調素子により変調された光を投射する投射光学系と、を備えることを特徴とする。

本発明のプロジェクターの一つの態様によれば、上記の光源装置を備えるため、波長変換層が高温となることを抑制できる。

本実施形態のプロジェクターを示す模式図である。 本実施形態の波長変換素子及びモーターを示す平面図である。 本実施形態の波長変換素子及びモーターを示す平面図であって、図２におけるIII−III断面図である。 本実施形態の円板の熱抵抗を示すグラフである。 本実施形態の波長変換層の熱抵抗を示すグラフである。 本実施形態の波長変換素子の熱抵抗を示すグラフである。 円板の熱抵抗の変化について説明するための説明図である。 実施例の円板の熱抵抗を示すグラフである。 実施例の波長変換層の熱抵抗を示すグラフである。 実施例の波長変換素子の熱抵抗を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係るプロジェクターについて説明する。
なお、本発明の範囲は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等を異ならせる場合がある。

図１は、本実施形態のプロジェクター１０００を示す模式図である。
本実施形態のプロジェクター１０００は、光源装置１００と、色分離導光光学系２００と、光変調装置４００Ｒと、光変調装置４００Ｇと、光変調装置４００Ｂと、クロスダイクロイックプリズム５００と、投射光学系６００と、を備えている。光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、及び光変調装置４００Ｂは、特許請求の範囲における光変調素子に相当する。

光源装置１００は、第１の光源装置１００ａと、第１集光レンズ６０と、拡散部材としての回転拡散板７０と、第１ピックアップ光学系８０と、第２の光源装置１００ｂと、フライアイインテグレーター９０と、偏光変換素子９３と、第２平行化レンズ９４と、を備えている。

第１の光源装置１００ａは、第１光源５０と、第１コリメーターレンズアレイ５３と、を備えている。後で説明するように、第１の光源装置１００ａは、例えば、レーザー光を射出する。

第２の光源装置１００ｂは、第２光源１０と、第２コリメーターレンズアレイ１３と、第２集光レンズ２０と、第１平行化レンズ２１と、ダイクロイックミラー２２と、第２ピックアップ光学系４０と、モーター３３と、波長変換素子３０と、を備えている。モーター３３は、特許請求の範囲における回転機構に相当する。後で説明するように、第２の光源装置１００ｂは、例えば、非レーザー光を射出する。

第１光源５０は、第１基台５１と、第１基台５１上に並べて配置された複数の第１固体発光素子５２とを備えた光源アレイである。第１固体発光素子５２は、ダイクロイックミラー２２によって反射可能な青色光を射出する光源である。本実施形態の場合、第１固体発光素子５２は、例えば、青色（発光強度のピーク：４５０ｎｍ付近）のレーザー光を射出する半導体レーザーであるが、第１固体発光素子５２は、ダイクロイックミラー２２で反射される波長の光であれば、４５０ｎｍ以外のピーク波長を有する光を射出するものであっても構わない。

第１コリメーターレンズアレイ５３は、各第１固体発光素子５２と１対１に対応した複数の第１マイクロレンズ５３０を備えている。複数の第１マイクロレンズ５３０は、第１基台５１上に並べて配置されている。各第１マイクロレンズ５３０は、対応する第１固体発光素子５２から射出される青色光の光軸上に設置され、当該青色光を平行化して射出する。これにより、第１の光源装置１００ａから、複数の青色のレーザー光が射出される。

第１コリメーターレンズアレイ５３から射出された複数の青色光、すなわち第１の光源装置１００ａから射出された複数の青色のレーザー光は、凸レンズからなる第１集光レンズ６０で集光される。第１コリメーターレンズアレイ５３と第１集光レンズ６０によって、第１光源５０から射出された複数の青色光を集光する第１集光光学系５５が形成されている。

拡散部材としての回転拡散板７０は、入射した青色光を拡散して入射側とは反対側の面から射出する透過型の回転拡散板である。回転拡散板７０は、モーター７３により回転駆動される拡散部材としての基板７１を備えている。基板７１としては、公知の拡散板、例えば、磨りガラスや、ホログラフィックディフューザー、透明基板の表面にブラスト処理を施したもの、透明基板の内部にビーズのような散乱材を分散させ、散乱材によって光を散乱させるものなどを用いることができる。本実施形態では基板７１として円板を用いているが、基板７１の形状は円板に限られない。回転拡散板７０では、基板７１を回転駆動することによって、青色光が照射された部分が、円を描くように、青色光が照射される領域Ｓ１に対して相対的に移動する。

回転拡散板７０から射出された光は、第１ピックアップ光学系８０に入射される。
第１ピックアップ光学系８０は、ダイクロイックミラー２２と回転拡散板７０との間の光の光路上に配置されている。第１ピックアップ光学系８０は、回転拡散板７０からの光が入射するピックアップレンズとしての第１レンズ８１と、第１レンズ８１から射出される光を平行化する第２レンズ８２とを含んで構成されている。第１レンズ８１は、例えば、光入射面が平面状であり、光射出面が凸の曲面状をなす平凸レンズからなる。第２レンズ８２は、例えば凸レンズからなる。第１ピックアップ光学系８０は、回転拡散板７０からの光を、略平行化してダイクロイックミラー２２に入射させる。

なお、第１ピックアップ光学系８０は、回転拡散板７０から射出される青色光の広がりに応じて、使用するレンズの屈折率や形状が決められる。また、レンズの数も２つに限られず、１つまたは３つ以上の複数個とすることもできる。

ダイクロイックミラー２２は、第１ピックアップ光学系８０から射出された光の光路上に配置されている。ダイクロイックミラー２２の第１ピックアップ光学系８０から射出された光が入射する側の面は光路方向に対して約４５°の角度をなし、フライアイインテグレーター９０の側を向いている。ダイクロイックミラー２２は、第１ピックアップ光学系８０から入射する青色光を９０°折り曲げてフライアイインテグレーター９０側に反射する。

第２光源１０は、第２基台１１と、第２基台１１上に並べて配置された複数の第２固体発光素子１２と、を備えている。第２光源１０は、特許請求の範囲における光源に相当する。
第２固体発光素子１２は、後述する波長変換素子３０に備えられた波長変換層３２を励起させる励起光を射出する。本実施形態の場合、第２固体発光素子１２は、例えば、励起光として青色（発光強度のピーク：４５０ｎｍ付近）の光を射出するＬＥＤであるが、第２固体発光素子１２は、波長変換層３２を励起させることができる波長の光であれば、４５０ｎｍ以外のピーク波長を有する光を射出するものであっても構わない。

第２コリメーターレンズアレイ１３は、各第２固体発光素子１２と１対１に対応した複数の第２マイクロレンズ１３０を備えている。複数の第２マイクロレンズ１３０は、第２基台１１上に並べて配置されている。各第２マイクロレンズ１３０は、対応する第２固体発光素子１２から射出される励起光の光軸上に設置され、当該励起光を平行化する。第２コリメーターレンズアレイ１３から射出された励起光は、凸レンズからなる第２集光レンズ２０で集光される。

第２集光レンズ２０とダイクロイックミラー２２との間の励起光の光路上には、両凹レンズからなる第１平行化レンズ２１が配置されている。第１平行化レンズ２１は、第２集光レンズ２０と、第２集光レンズ２０の焦点位置との間に配置され、第２集光レンズ２０から入射する励起光を平行化してダイクロイックミラー２２に射出する。

ダイクロイックミラー２２は、第１平行化レンズ２１から射出された光の光路上に配置されている。ダイクロイックミラー２２の、第１平行化レンズ２１から射出された光が入射する側の面は、第１平行化レンズ２１から射出された光の光路方向に対して約４５°の角度をなし、第２ピックアップ光学系４０の側を向いている。ダイクロイックミラー２２は、第１平行化レンズ２１から入射する励起光、すなわち、青色光を９０°折り曲げて第２ピックアップ光学系４０側に反射するとともに、第２ピックアップ光学系４０から入射する蛍光、すなわち、赤色光及び緑色光を透過させる。

第２ピックアップ光学系４０は、波長変換素子３０からの蛍光を略平行化した状態でダイクロイックミラー２２に入射させる。また、第２ピックアップ光学系４０の第１レンズ４１及び第２レンズ４２は、ダイクロイックミラー２２から入射する励起光を集光する機能を兼ねており、励起光を集光させた状態で波長変換素子３０に入射させる。

なお、第２ピックアップ光学系４０は、波長変換素子３０から射出される蛍光の広がりに応じて、使用するレンズの屈折率や形状が決められ、レンズの数も２つに限らず、１つまたは３つ以上の複数個とすることもできる。

図２及び図３は、本実施形態の波長変換素子３０及びモーター３３を示す図である。図２は、平面図である。図３は、図２におけるIII−III断面図である。
モーター３３は、図２及び図３に示すように、出力軸３３ａを備える。出力軸３３ａは、後述する波長変換素子３０の円板３１に同心で接続されている。モーター３３は、波長変換素子３０を回転中心Ｃまわりに回転させる。

波長変換素子３０は、励起光Ｌｅが波長変換素子３０へ入射する側に蛍光Ｌｆを射出させる反射型の波長変換素子である。波長変換素子３０は、円板３１と、波長変換層３２と、反射層３４と、を備える。
円板３１は、例えば、アルミニウム等の熱伝導率の高い金属材料等からなることが好ましく、これにより円板３１を放熱板として機能させることができる。円板３１の第２ピックアップ光学系４０側の上面３１ａには、波長変換層３２が設けられている。なお、上面３１ａは、特許請求の範囲における第一面に相当する。以降の説明では、回転中心Ｃを原点とする円座標を上面３１ａと平行な面上に設定して説明する。

波長変換層３２は、励起光が入射する領域に対応して設けられている。波長変換層３２は、図２に示すように、平面視で円板３１と同心の円環状である。波長変換層３２は、円板３１の外周から円板３１の径方向の内側に離間した位置に設けられている。本実施形態の波長変換層３２が設けられている位置については、後段において詳述する。

波長変換層３２は、例えば、蛍光体と蛍光体を保持するバインダーとを含む。
波長変換層３２の蛍光体は、第２固体発光素子１２から射出される励起光を吸収し、蛍光を発する粒子状の蛍光体粒子を有する。本実施形態の波長変換層３２の蛍光体は、例えば、波長が約４５０ｎｍの励起光（青色光）を吸収し、概ね４９０ｎｍ〜７５０ｎｍ（発光強度のピーク：５７０ｎｍ）の蛍光に変換する機能を有する。蛍光には、緑色光（波長５３０ｎｍ付近）及び赤色光（波長６３０ｎｍ付近）が含まれる。

蛍光体粒子としては、例えば、通常知られたＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系蛍光体を用いることができる。蛍光体粒子としては、例えば、平均粒径が１０μｍの（Ｙ，Ｇｄ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅで示される組成のＹＡＧ系蛍光体を用いることができる。なお、蛍光体粒子の形成材料は、１種であってもよく、２種以上の形成材料を用いて形成されている粒子を混合したものを蛍光体粒子として用いることとしてもよい。

波長変換層３２のバインダーは、例えば、樹脂、ガラス、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、炭化ケイ素、窒化アルミニウム等の無機材料からなる。
反射層３４は、円板３１と波長変換層３２との間に設けられている。反射層３４は、波長変換層３２によって生成された蛍光を反射する。

図１及び図３に示すように、波長変換素子３０には、第１レンズ４１及び第２レンズ４２によって集光された励起光Ｌｅ（青色光）が、波長変換層３２の反射層３４とは逆側の面から入射する。波長変換素子３０は、励起光Ｌｅが入射する側に向けて、波長変換層３２が発した赤色光及び緑色光の蛍光Ｌｆを射出する。波長変換素子３０では、円板３１をモーター３３によって回転駆動することで、波長変換層３２の励起光が照射された部分が、円を描くように、励起光が照射される領域Ｓ２に対して相対的に移動する。

波長変換素子３０から射出された光は、図１に示すように、第２ピックアップ光学系４０で平行化され、ダイクロイックミラー２２に入射する。ダイクロイックミラー２２は、第２ピックアップ光学系４０から入射する光のうち、励起光（青色光）を反射して除去し、緑色光及び赤色光を透過させる。これにより、第２の光源装置１００ｂから、緑色光及び赤色光が射出される。

また、ダイクロイックミラー２２には第１光源５０から射出された青色光が入射し、第１光源５０から射出された青色光は第２ピックアップ光学系４０から射出された光の光軸と平行な方向に反射される。これにより、第２ピックアップ光学系４０から射出された緑色光及び赤色光と、第１ピックアップ光学系８０から射出された青色光とが合成されて白色光となる。

ダイクロイックミラー２２で合成された緑色光、赤色光及び青色光は、第１フライアイレンズアレイ９１及び第２フライアイレンズアレイ９２からなるフライアイインテグレーター９０に入射する。フライアイインテグレーター９０から射出された緑色光、赤色光及び青色光は、偏光変換素子９３によって、一の方向に偏光した直線偏光に変換され、第２平行化レンズ９４により平行化され、光源装置１００から射出される。なお、フライアイインテグレーター９０及び偏光変換素子９３は、例えば特開平８−３０４７３９号公報にその詳細が開示されている公知の技術であるため、詳細な説明は省略する。

色分離導光光学系２００は、ダイクロイックミラー２１０、ダイクロイックミラー２２０、反射ミラー２３０、反射ミラー２４０、反射ミラー２５０及びリレーレンズ２６０を備えている。色分離導光光学系２００は、光源装置１００からの光を赤色光、緑色光及び青色光に分離し、赤色光、緑色光及び青色光をそれぞれ光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、光変調装置４００Ｂに導光する機能を有する。

ダイクロイックミラー２１０、ダイクロイックミラー２２０は、基板上に、所定の波長領域の光を反射して、他の波長領域の光を透過させる誘電体多層膜からなる波長選択透過膜が形成されたミラーである。具体的には、ダイクロイックミラー２１０は、青色光を透過させ、赤色光及び緑色光を反射する。ダイクロイックミラー２２０は、緑色光を反射して、赤色光を透過させる。

反射ミラー２３０、反射ミラー２４０、反射ミラー２５０は、入射した光を反射するミラーである。具体的には、反射ミラー２３０は、ダイクロイックミラー２１０を透過した青色光を反射する。反射ミラー２４０、反射ミラー２５０は、ダイクロイックミラー２２０を透過した赤色光成分を反射する。

ダイクロイックミラー２１０を透過した青色光は、反射ミラー２３０で反射され、青色光用の光変調装置４００Ｂの画像形成領域に入射する。ダイクロイックミラー２１０で反射された緑色光は、ダイクロイックミラー２２０でさらに反射され、緑色光用の光変調装置４００Ｇの画像形成領域に入射する。ダイクロイックミラー２２０を透過した赤色光は、入射側の反射ミラー２４０、リレーレンズ２６０、射出側の反射ミラー２５０を経て赤色光用の光変調装置４００Ｒの画像形成領域に入射する。

光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、光変調装置４００Ｂは、通常知られたものを用いることができ、例えば、液晶素子４１０と液晶素子４１０を挟持する入射側偏光素子４２０と、射出側偏光素子４３０とを有した、透過型の液晶ライトバルブ等の光変調装置により構成される。入射側偏光素子４２０と、射出側偏光素子４３０とは、例えば透過軸が互いに直交する構成、すなわち、クロスニコル配置となっている。

光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、及び光変調装置４００Ｂは、入射された色光を画像情報に応じて変調してカラー画像を形成するものであり、光源装置１００の照明対象となる。光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ及び光変調装置４００Ｂによって、入射された各色光の光変調が行われる。

例えば、光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、光変調装置４００Ｂは、一対の透明基板に液晶を密閉封入した透過型の光変調装置であり、ポリシリコンＴＦＴをスイッチング素子として、与えられた画像情報に応じて、入射側偏光素子４２０から射出された１種類の直線偏光の偏光方向を変調する。

クロスダイクロイックプリズム５００は、射出側偏光素子４３０から射出された色光毎に変調された光学像を合成してカラー画像を形成する光学素子である。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せた平面視略正方形状をなしている。直角プリズムを貼り合せた略Ｘ字状の界面には、誘電体多層膜が形成されている。略Ｘ字状の一方の界面に形成された誘電体多層膜は、赤色光を反射するものであり、他方の界面に形成された誘電体多層膜は、青色光を反射するものである。これらの誘電体多層膜によって赤色光及び青色光は曲折され、赤色光の進行方向及び青色光の進行方向が緑色光の進行方向に揃えられることにより、３つの色光が合成される。

クロスダイクロイックプリズム５００から射出されたカラー画像は、投射光学系６００によって拡大投射され、スクリーンＳＣＲ上で画像を形成する。

次に、波長変換素子３０の熱抵抗について詳細に説明する。
本実施形態の波長変換素子３０は、以下の（式１）を満たす。
（式１）−ｄρｗ（ｒ０）／ｄｒ＜ｄρｓ（ｒ０）／ｄｒ
ただし、ｒは円座標における動径である。ｒ０は、円板３１の半径である。ρｓ（ｒ）は、円板３１の上面３１ａ上における動径ｒの点（例えば、図３の点Ｐ）と円板３１の全表面との間の、円板３１の内部、及び表面を経由する熱経路の熱抵抗である。ρｗ（ｒ）は、波長変換層３２の、動径ｒにおける波長変換層３２の厚さ方向の熱抵抗である。

ここで、円板３１の表面とは、円板３１の上面３１ａと、上面３１ａに対向する下面３１ｂと、上面３１ａ及び下面３１ｂと交差する側面３１ｃと、を含む。
以下の説明においては、ρｓを円板３１の熱抵抗と呼び、ρｗを波長変換層３２の熱抵抗と呼ぶ。

ｄρｓ（ｒ０）／ｄｒは、動径ｒ０、すなわち、円板３１の外周における円板３１の熱抵抗ρｓの、動径ｒに関する微分係数である。ｄρｗ（ｒ０）／ｄｒは、動径ｒ０、すなわち、円板３１の外周における波長変換層３２の熱抵抗ρｗの、動径ｒに関する微分係数である。

図４は、動径ｒに対する円板３１の熱抵抗ρｓの変化を示すグラフである。図５は、動径ｒに対する波長変換層３２の熱抵抗ρｗの変化を示すグラフである。図６は、動径ｒに対する波長変換素子３０の熱抵抗ρの変化を示すグラフである。
円板３１の熱抵抗ρｓは、図４に示すように、円板３１の外周よりも径方向内側の動径ｒａにおいて、最小値ρｓａとなる。

円板３１の熱抵抗ρｓは、０≦ｒ≦ｒａの範囲において単調減少し、ｒａ＜ｒの範囲において単調増加する。図４に示す例においては、円板３１の熱抵抗ρｓを示す曲線は、例えば、二次方程式で近似することができる。動径ｒ０、すなわち、円板３１の外周における円板３１の熱抵抗ρｓの微分係数は、正の値となる。

円板３１の熱抵抗ρｓが、図４に示すように、外周よりも内側で最小となるように曲線的に変化をすることは、本発明者らによって新たに得られた知見である。円板３１の熱抵抗ρｓが、外周よりも内側において最小となる原理について、図７を用いて説明する。

図７は、円板３１の熱抵抗の変化について説明する図である。図７においては、点Ｐ１、点Ｐ２、及び点Ｐ３に、それぞれ波長変換層１３２ａ、波長変換層１３２ｂ、及び波長変換層１３２ｃが設けられた場合を示している。図７において円板３１の内部に示す矢印は、点Ｐ１、点Ｐ２、及び点Ｐ３からの放熱を模式的に示している。点Ｐ１、点Ｐ２、及び点Ｐ３の動径ｒは、この順に小さくなる。つまり、点Ｐ１の動径ｒが最も大きい。点Ｐ１は、ほぼ円板３１の外周に位置する点であるものとする。また、点Ｐ２は、図４において円板３１の熱抵抗が最小となる点に相当する、とする。

円板３１上には円環状の波長変換層３２が設けられており、円板３１のうち波長変換層３２の直下の温度が最も高い。波長変換層３２が発する熱の放散について考える場合、円板３１の周囲の空気への放熱と円板３１の内部での熱移動と、を考慮する必要がある。

円板３１から空気への放熱性能は、温度差と面積と空気への熱伝達率の積で決まる。円板３１から空気への熱伝達率は動径ｒによらず一定であるため、放熱面積が大きい外周部において温度差がある方が、放熱面積が小さい内周部において温度差がある場合よりも放熱性能が高くなる。すなわち、熱抵抗は、動径ｒが小さいほど大きくなる。

一方で、円板３１の外周よりも内側である点Ｐ２及び点Ｐ３の熱は、矢印で示したように、円板３１の内部で動径方向の両側に向かって移動する。これに対して、点Ｐ１の熱は、点Ｐ１がほぼ円板３１の外周の点であるため、円板３１の径方向の内側に向かってしか移動しない。このように、円板３１の外周よりも内側の方が、放熱経路が多くなる。

円板３１から空気への放熱と円板３１の内部での熱移動とを合わせると、次のような結果が得られる。円板３１の外周の点Ｐ１においては、上面３１ａ上の放熱面積は大きくなるものの、円板３１の放熱経路が内側方向の一方のみであるため、点Ｐ２に比べ放熱されにくく、熱抵抗が大きくなる。また、点Ｐ３における放熱面積は点Ｐ２における放熱面積よりも小さくなるため、点Ｐ３における熱抵抗は点Ｐ２よりも大きくなる。したがって、円板３１の熱抵抗ρｓは、上面３１ａ上の放熱面積がある程度大きく、かつ、円板３１内の放熱経路を動径方向の両側に確保できる、外周よりもわずかに内側の点Ｐ２において、最小となる。

なお、円板３１の動径方向の熱伝導が重要であるため、円板３１の熱抵抗ρｓは、円板３１の厚さが大きいほど小さくなる。本実施形態においては、円板３１の厚さ及び熱伝導率は一様である。

波長変換層３２の熱抵抗ρｗは、図５に示すように、円板３１の外周、すなわち、動径ｒ０に向かうに従って、曲線的に単調減少する。これは、円板３１の外周に向かう程、動径ｒにおける波長変換層３２の表面積、すなわち、動径ｒにおける波長変換層３２の円周が大きくなり、放熱面積が増加するためである。これにより、動径ｒ０、すなわち、円板３１の外周における波長変換層３２の熱抵抗ρｗの微分係数は、負の値となる。

なお、波長変換層３２の厚さは、励起光が照射される領域のサイズに比べて十分小さいため、波長変換層３２における熱伝導は、波長変換層３２の厚さ方向が主である、とみなしてよい。そのため、波長変換層３２の熱抵抗ρｗは、波長変換層３２の厚さが大きいほど、大きくなり、波長変換層３２の熱伝導率が大きいほど、小さくなる。本実施形態においては、波長変換層３２の厚さ及び熱伝導率は一様である。

波長変換素子３０の熱抵抗ρは、円板３１の熱抵抗ρｓと、波長変換層３２の熱抵抗ρｗと、円板３１の表面と接する空気の熱抵抗と、を合わせた熱抵抗となる。なお、空気の熱抵抗は円板３１における動径ｒによらずほぼ一定であると見なせるため、本明細書においては、図４に示した円板３１の熱抵抗ρｓと、図５に示した波長変換層３２の熱抵抗ρｗと、を合わせた値を波長変換素子３０の熱抵抗ρとする。

波長変換素子３０の熱抵抗ρは、動径ｒが大きくなるにしたがって単調減少するか、または、円板３１の熱抵抗ρｓと同様に動径ｒ０よりも内側において最小となるように変化するか、のいずれかである。

ここで、本実施形態においては、波長変換素子３０は、上記（式１）を満たすため、動径ｒ０における円板３１の熱抵抗ρｓの微分係数は、動径ｒ０における波長変換層３２の熱抵抗ρｗの微分係数の絶対値、すなわち、（式１）においては−ｄρｗ（ｒ０）／ｄｒよりも大きい。したがって、波長変換素子３０の熱抵抗ρの動径ｒ０における微分係数ｄρ（ｒ０）／ｄｒは、図６に示すように、正の値となる。さらに、動径がｒａ以下の場合は、熱抵抗ρｓの微分係数も熱抵抗ρｗの微分係数も負である。これにより、本実施形態の波長変換素子３０の熱抵抗ρは、動径ｒ０よりも内側において最小となるように変化する。

波長変換素子３０の熱抵抗ρが動径ｒ０よりも内側において最小となる条件、すなわち、（式１）は、上述した円板３１の熱抵抗ρｓが図４に示すように変化するという新たな知見に基づいて得られたものである。

次に、本実施形態において波長変換層３２が設けられている位置について詳細に説明する。
波長変換層３２は、図３に示すように、回転中心Ｃからの距離がｒ１よりも大きく、円板３１の半径ｒ０よりも小さい範囲、すなわち領域ＡＲ３に含まれる領域を含むように設けられている。ただし、ｒ１は、以下の（式２）を満たす。
（式２）ρｓ（ｒ１）＋ρｗ（ｒ１）＝ρｓ（ｒ０）＋ρｗ（ｒ０）

（式２）は、動径ｒ１における波長変換素子３０の熱抵抗ρは、動径ｒ０における波長変換素子３０の熱抵抗ρと同じである、ということを表している。図６においては、動径ｒ１における波長変換素子３０の熱抵抗ρと動径ｒ０における波長変換素子３０の熱抵抗ρとは、共にρ１である。これより、領域ＡＲ３は、波長変換素子３０の熱抵抗ρが、動径ｒ０、すなわち、円板３１の外周における熱抵抗ρの値ρ１よりも小さくなる領域である。

なお、（式２）は、（式１）を満たす本実施形態の波長変換素子３０においてのみ成立する式である。（式１）を満たさない場合には、波長変換素子の熱抵抗ρは、動径ｒに対して単調減少するため、熱抵抗ρが動径ｒ０における熱抵抗ρと同じとなる動径ｒは存在しないためである。

また、本実施形態においては、波長変換層３２は、回転中心Ｃからの距離がｒ２である位置ＡＲ２を含むように設けられている。ただし、ｒ２は、以下の（式３）を満たす。
（式３）−ｄρｗ（ｒ２）／ｄｒ＝ｄρｓ（ｒ２）／ｄｒ

（式３）は、動径ｒ２は、円板３１の熱抵抗ρｓの微分係数と波長変換層３２の熱抵抗ρｗの微分係数との和がゼロになる動径である、ということを表している。すなわち、動径ｒ２は、波長変換素子３０の熱抵抗ρの微分係数が、ゼロとなる動径である。したがって、（式１）を満たす本実施形態の波長変換素子３０においては、動径ｒ２は、波長変換素子３０の熱抵抗ρが最小のρ２となる動径である。

本実施形態において波長変換層３２は、回転中心Ｃからの径方向の距離がｒ１となる位置ＡＲ１よりも円板３１の径方向の外側で、かつ、円板３１の外周の内側となるように設けられている。言い換えると、波長変換層３２は、領域ＡＲ３内にのみ設けられている。また、本実施形態においては、例えば、励起光Ｌｅの中心が動径ｒ２の位置に照射されるように設計されている。言い換えると、本実施形態において、波長変換層３２の励起光Ｌｅが照射される領域の動径方向の中心の動径は、ｒ２である。

本実施形態によれば、上記の（式１）を満たすことにより、波長変換素子３０の熱抵抗ρが円板３１の外周よりも内側において最小となる。そのため、熱抵抗ρが最小となる箇所に励起光Ｌｅを照射しやすく、結果として波長変換層３２の熱を効率的に放熱できる。これにより、波長変換層３２が高温となることを抑制できる。したがって、本実施形態によれば、波長変換層３２の変換効率の低下や、波長変換層３２の破損を抑制でき、信頼性に優れた波長変換素子、光源装置、及びプロジェクターが得られる。

また、従来の波長変換素子は、上記の（式１）を満たさないため、波長変換素子の熱抵抗は、円板の外周に向かうにしたがって単調減少する。これにより、円板の外周において波長変換素子の熱抵抗が最小となる。したがって、従来の波長変換素子においても、円板の外周に励起光が照射されるように設計すれば効率よく放熱することも可能であるが、そのように設計すると励起光の一部が円板から外れ、光の利用効率が低下してしまう。
これに対して本実施形態によれば、円板３１の外周の内側において波長変換素子３０の熱抵抗ρが最小となるため、励起光Ｌｅが円板３１から外れて光の利用効率が低下することを抑制しつつ、波長変換層３２の熱を効率的に放熱できる。

また、本実施形態によれば、波長変換層３２は、回転中心Ｃからの距離が（式２）を満たすｒ１よりも大きく、円板３１の半径ｒ０よりも小さい領域ＡＲ３に含まれる領域を含むように設けられている。領域ＡＲ３における波長変換素子３０の熱抵抗ρは、円板３１の外周における波長変換素子３０の熱抵抗ρよりも小さいため、波長変換層３２のうち領域ＡＲ３に含まれる領域に励起光Ｌｅを照射することで、波長変換層３２の熱を効率的に放熱でき、波長変換層３２が高温となることを抑制できる。

また、本実施形態によれば、波長変換層３２は領域ＡＲ３内にのみ設けられているため、波長変換層３２のいずれの箇所に励起光Ｌｅを照射した場合であっても、励起光Ｌｅが照射された箇所における波長変換素子３０の熱抵抗ρは外周における熱抵抗ρよりも小さく、波長変換層３２の熱を効率的に放熱できる。

また、本実施形態によれば、波長変換層３２は、動径が（式３）を満たすｒ２である位置ＡＲ２を含むように設けられている。つまり、波長変換素子３０の熱抵抗ρが最小となる位置に、波長変換層３２が設けられている。そこで、波長変換層３２の励起光Ｌｅが照射される領域の動径方向の中心の動径をｒ２とすることにより、発熱量が最も高い領域を波長変換素子３０の熱抵抗ρが最小となる位置に配置することができる。これにより、波長変換層３２の熱をより効率的に放熱でき、波長変換層３２が高温となることをより抑制できる。

なお、本実施形態においては、以下の構成を採用することもできる。

上記説明においては、波長変換層３２が領域ＡＲ３内にのみ設けられた構成としたがこれに限られない。本実施形態においては、波長変換層３２は、位置ＡＲ１より径方向の内側から領域ＡＲ３にまたがって設けられていてもよいし、円板３１の上面３１ａの全体に設けられていてもよい。

また、本実施形態においては、波長変換層３２の励起光Ｌｅが照射される領域は、動径がｒ１より大きく、ｒ０より小さい領域でもよい。この構成によれば、円板３１の外周の熱抵抗ρよりも熱抵抗ρが小さい領域に発熱領域が位置するため、波長変換層３２の熱を効率的に放熱できる。

本実施形態においては、波長変換層３２は蛍光体のみからなる構成であってもよい。
本実施形態においては、反射層３４は、円板３１の上面３１ａの全体に設けられていてもよい。
また、本実施形態においては、円板３１が、波長変換層３２の発する蛍光Ｌｆを反射する材料で構成され、反射層として機能する構成としてもよい。

本実施例においては、動径ｒに対する波長変換素子の熱抵抗ρの変化をシミュレーションにより求めた。

円板の熱抵抗ρｓは、円板の温度分布から求めることができる。発熱部位の発熱量をＷｗとし、円板の平均温度をＴａｖｅとし、発熱部位の温度をＴｍａｘとすれば、円板の熱抵抗ρｓは（式４）によって与えられる。
（式４）ρｓ＝（Ｔｍａｘ−Ｔａｖｅ）／Ｗｗ

シミュレーションでは、円板の半径ｒ０、円板の厚さＴｓ、円板の熱伝導率λｓ、円板から空気への熱伝達率ｈ、発熱部位の発熱量Ｗｗ、発熱部位の動径ｒ、をパラメーターとして用いた。具体的には、ｒ０＝６０（ｍｍ）、Ｔｓ＝１（ｍｍ）、ｈ＝７２（Ｗ／（ｍ^２Ｋ））、Ｗｗ＝１（Ｗ）とした。また、円板の回転中心を中心とする半径ｒのリングを発熱部位とした。種々のｒに対して円板の温度分布を求めることにより、円板の熱抵抗ρｓをｒの関数として求めることができる。このようにして、円板の熱伝導率λｓが、１０Ｗ／ｍＫ、５０Ｗ／ｍＫ、１４７Ｗ／ｍＫのそれぞれの場合について円板の熱抵抗ρｓをｒの関数として求めた。

波長変換層の熱抵抗ρｗは、波長変換層の厚さをＴｐ、波長変換層の熱伝導率をλｗ、リング状の発熱部位の幅をＷｐとすれば、（式５）によって与えられる。
（式５）ρｗ＝Ｔｐ／（２πｒ×Ｗｐ×λｗ）

波長変換層は、蛍光体とバインダーとを含む構成として、波長変換層の熱伝導率λｗが、０．２Ｗ／ｍＫ、１Ｗ／ｍＫのそれぞれの場合について、波長変換層の熱抵抗ρｗをｒの関数として求めた。なお、Ｔｐ＝０．１（ｍｍ）、Ｗｐ＝１（ｍｍ）とした。熱伝導率λｗが０．２Ｗ／ｍＫの場合は、バインダーを樹脂とした場合に相当し、１Ｗ／ｍＫの場合は、バインダーをガラスとした場合に相当する。

図８は、円板の熱抵抗ρｓを示すグラフである。図８において、縦軸は、円板の熱抵抗ρｓ［℃／Ｗ］について示し、横軸は、円板の半径ｒ０で規格化された動径ｒｎ、すなわち、動径ｒ／円板の半径ｒ０について示している。
図８に示すように、円板の熱抵抗ρｓは、円板の熱伝導率λｓがいずれの場合であっても、外周よりも内側、すなわち、規格化された動径ｒｎが１より小さい範囲内で、最小となることが確かめられた。

図９は、波長変換層の熱抵抗ρｗを示すグラフである。図９において、縦軸は、波長変換層の熱抵抗ρｓ［℃／Ｗ］について示し、横軸は、規格化された動径ｒｎについて示している。
図９に示すように、波長変換層の熱伝導率λｗがいずれの場合であっても、波長変換層の熱抵抗ρｗは、円板の外周に向かうにしたがって単調減少することが確かめられた。

次に、求めた円板の熱抵抗ρｓと波長変換層の熱抵抗ρｗとのうち、（式１）を満たす組み合わせを選んで足し合わせ、波長変換素子の熱抵抗ρを求めた。結果を図１０に示す。

図１０は、波長変換素子の熱抵抗ρを示すグラフである。図１０において、縦軸は、波長変換素子の熱抵抗ρ［℃／Ｗ］について示し、横軸は、規格化された動径ｒｎについて示している。図１０においては、（式１）を満たす組み合わせの一例として、円板の熱伝導率λｓを１４７Ｗ／ｍＫ、波長変換層の熱伝導率λｗを１Ｗ／ｍＫとした場合の波長変換素子の熱抵抗ρを示している。この場合において、円板の材質はアルミニウム合金であり、波長変換層のバインダーの材質はガラスである。

ここで、図８において、熱伝導率λｓが１４７Ｗ／ｍＫの場合の動径ｒｎ＝１における熱抵抗ρｓの微分係数は、１．１９であった。図９において、熱伝導率λｗが１Ｗ／ｍＫの場合の動径ｒｎ＝１における熱抵抗ρｗの微分係数は、−０．２７であった。したがって、円板の熱伝導率λｓを１４７Ｗ／ｍＫ、波長変換層の熱伝導率λｗを１Ｗ／ｍＫとした場合、波長変換素子は（式１）を満たす。

図１０に示すように、波長変換素子の熱抵抗ρが最小となる位置ＡＲ２が、外周よりも内側、すなわち、動径ｒｎが１より小さい位置に存在することが確かめられた。具体的には、動径ｒｎが約０．８５となる位置で、熱抵抗ρが最小となることが確かめられた。

また、円板の外周における波長変換素子の熱抵抗ρと同じ熱抵抗ρとなる位置ＡＲ１の動径ｒｎは０．７２であることが分かった。したがって、領域ＡＲ３は、０．７２＜ｒｎ＜１となる範囲である。

以上のことから、（式１）を満たすことで、波長変換素子の熱抵抗ρが、外周よりも内側で最小となることが確かめられた。

なお、上記の実施例においては、円板の材質をアルミニウム合金とし、波長変換層のバインダーの材質をガラスとした場合についてのみ波長変換素子の熱抵抗ρを示したが、円板及び波長変換層の材質は、これに限られるものではない。（式１）を満たす範囲内において、円板及び波長変換層の材質がいかなる材質であっても、波長変換素子の熱抵抗ρが外周よりも内側において最小となることを実現可能である。例えば、円板の材質としては、銅、銀等であってもよいし、波長変換層のバインダーの材質としては、樹脂、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、炭化ケイ素、窒化アルミニウム等であってもよい。また、波長変換層としては、バインダーを用いない焼結体、あるいは多結晶体、単結晶体等を用いてもよい。

１０…第２光源（光源）、３０…波長変換素子、３１…円板、３１ａ…上面（第一面）、３２，１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃ…波長変換層、３４…反射層、１００…光源装置、４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂ…光変調装置（光変調素子）、６００…投射光学系、１０００…プロジェクター、Ｃ…回転中心、Ｌｅ…励起光、Ｐ，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３…点、ｒ０…半径

Claims (8)

1. 第一面を有し、回転中心の周りに回転可能な円板と、
   前記円板の前記第一面上に設けられた所定の厚さを有する波長変換層と、
   前記円板と前記波長変換層との間に設けられ、前記波長変換層が生成した光を反射する反射層と、
   を備え、
   以下の（式１）を満たすことを特徴とする波長変換素子。
   （式１）−ｄρｗ（ｒ０）／ｄｒ＜ｄρｓ（ｒ０）／ｄｒ
   ただし、
   前記回転中心を原点とする円座標を前記円板の前記第一面と平行な面上に設定したとき、
   ｒ：前記円座標における動径、
   ｒ０：前記円板の半径、
   ρｓ（ｒ）：前記円板の前記第一面上における動径ｒの点と前記円板の全表面との間の、前記円板の内部、及び表面を経由する熱経路の熱抵抗、
   ρｗ（ｒ）：前記波長変換層の、動径ｒにおける前記波長変換層の厚さ方向の熱抵抗。
2. 前記波長変換層は、動径がｒ１よりも大きくｒ０よりも小さい範囲に含まれる領域を含むように設けられている、請求項１に記載の波長変換素子。
   ただし、ｒ１は、以下の（式２）を満たす。
   （式２）ρｓ（ｒ１）＋ρｗ（ｒ１）＝ρｓ（ｒ０）＋ρｗ（ｒ０）
3. 前記波長変換層は、動径がｒ１よりも大きくｒ０よりも小さい範囲内にのみ設けられている、請求項２に記載の波長変換素子。
4. 前記波長変換層は、動径がｒ２である位置を含むように設けられている、請求項２または３に記載の波長変換素子。
   ただし、ｒ２は、以下の（式３）を満たす。
   （式３）−ｄρｗ（ｒ２）／ｄｒ＝ｄρｓ（ｒ２）／ｄｒ
5. 請求項１に記載の波長変換素子と、
   励起光を射出する光源と、
   前記回転中心を中心として前記円板を回転させる回転機構と、
   を備え、
   前記励起光は、前記波長変換層に対して前記反射層とは逆側から入射することを特徴とする光源装置。
6. 前記波長変換層は、動径がｒ１よりも大きくｒ０よりも小さい範囲に含まれる領域を含むように設けられ、
   前記波長変換層の前記励起光が照射される領域は、動径がｒ１よりも大きくｒ０よりも小さい範囲に含まれる前記領域を含む、請求項５に記載の光源装置。
   ただし、ｒ１は、以下の（式２）を満たす。
   （式２）ρｓ（ｒ１）＋ρｗ（ｒ１）＝ρｓ（ｒ０）＋ρｗ（ｒ０）
7. 前記波長変換層は、動径がｒ２である位置を含むように設けられており、
   前記波長変換層の前記励起光が照射される領域の動径方向の中心の動径は、ｒ２である、請求項６に記載の光源装置。
   ただし、ｒ２は、以下の（式３）を満たす。
   （式３）−ｄρｗ（ｒ２）／ｄｒ＝ｄρｓ（ｒ２）／ｄｒ
8. 請求項５から７のいずれか一項に記載の光源装置と、
   前記光源装置から射出された光を変調する光変調素子と、
   前記光変調素子により変調された光を投射する投射光学系と、
   を備えることを特徴とするプロジェクター。