JP2019045552A - 波長変換素子、光源装置及びプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】熱による損傷を低減するとともに波長変換効率の低下を抑制できる、波長変換素子を提供する。また、前記波長変換素子を備える光源装置を提供する。また、前記光源装置を備えるプロジェクターを提供する。
【解決手段】本発明の波長変換素子は、励起光が入射される第１面と、第１面に対向する第２面とを有し、励起光を波長変換する波長変換層と、第２面に対向して設けられる基板と、波長変換層と基板とを接合する接合層と、を備え、接合層の内部に設けられ、波長変換層を構成する物質の熱膨張係数よりも大きく、接合層を構成する物質の熱膨張係数よりも小さい第１物質を含有する応力緩和部とを備えることを特徴とする。
【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ものである。

近年、半導体レーザー等の固体光源と、蛍光体層を備えた波長変換素子と、を組み合わせた光源装置がある。このような光源装置においては、蛍光体層の温度が上昇すると、励起光を蛍光に変換する蛍光変換効率が低下してしまう。例えば、下記特許文献１に開示の光源装置では、金属接合材によって蛍光体層を放熱基板に接合することで蛍光体の冷却効率を高めている。

この光源装置では、蛍光体層と放熱基板とで膨張係数が異なるため、蛍光体層の発熱時に熱応力で接合面が破壊するおそれがあるため、蛍光体層と放熱基板との間に蛍光体層および放熱基板の中間の膨張係数を有する物質を介在させて接合を行うようにしている。

特開２０１１−１２９３５４号公報

蛍光体層と放熱基板との間に蛍光体層および放熱基板の中間の膨張係数を有する物質を介在させて接合する場合、すなわち、蛍光体層と放熱基板との間に蛍光体層および放熱基板の中間の膨張係数を有する物質を挟み込んで接合を行う場合、当該中間の膨張係数を有する物質が、蛍光体層と放熱基板との間に、蛍光体層と放熱基板とに対向して層状に配置される可能性がある。
よって、上記光源装置では、蛍光体層と放熱基板との間に層状に、蛍光体層および放熱基板の中間の膨張係数を有する物質が配置されるため、蛍光体層において発生した熱が効率良く放熱基板側に伝導されないおそれがある。そのため、蛍光変換効率が低下するおそれがあった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、熱による損傷を低減するとともに波長変換効率の低下を抑制できる、波長変換素子を提供することを目的の一つとする。また、前記波長変換素子を備える光源装置を提供することを目的の一つとする。また、前記光源装置を備えるプロジェクターを提供することを目的の一つとする。

本発明の第１態様に従えば、励起光が入射される第１面と、前記第１面に対向する第２面とを有し、前記励起光を波長変換する波長変換層と、前記第２面に対向して設けられる基板と、前記波長変換層と前記基板とを接合する接合層と、前記接合層の内部に設けられ、前記波長変換層を構成する物質の熱膨張係数よりも大きく、前記接合層を構成する物質の熱膨張係数よりも小さい第１物質を含有する応力緩和部とを備える波長変換素子が提供される。

第１態様に係る波長変換素子によれば、接合層が第１物質を含有する応力緩和部を有しない場合と比較して、接合層において第１物質を含有する応力緩和部の膨張量が低減されることにより、接合層の膨張量と波長変換層の膨張量との差が小さくなる。これにより、波長変換層に生じる熱応力が低減されるので、熱応力による蛍光発光素子の破損が起こりにくい。
また、第１物質を含有する応力緩和部は接合層の内部に設けられるため、接合層と波長変換層との間には介在しない。すなわち、第１物質を含有する応力緩和部は、接合層と波長変換層との間に層状に設けられるものではない。そのため、基板に接触する接合層が波長変換層に直接接触するので、第１物質を含有する応力緩和部は波長変換層から接合層への熱伝導性を低下させにくく、波長変換層の温度上昇が低減される。
したがって、本第１態様に係る波長変換素子によれば、熱による損傷を低減するとともに、波長変換層の温度上昇による波長変換効率の低下を抑制できる。

上記第１態様において、前記応力緩和部は、前記第２面に対向して設けられ、シート状であるのが好ましい。

この構成によれば、接合層が第１物質を含有する応力緩和部を有しない場合と比較して、波長変換層の第２面に沿う方向の全体に亘って、接合層において応力緩和部の膨張量が低減されるので、接合層の膨張量をより低減できる。これにより、波長変換層に生じる熱応力をより低減できる。また、シート状からなる応力緩和部の厚みを接合層の厚みに比べて薄くすることにより、接合層の熱伝導性に影響を与えにくく、波長変換層の温度上昇に影響を与えにくい。なお、波長変換層で生じた熱を放熱し、波長変換層の温度上昇に影響を与えにくい態様であり、かつ、接合層に生じる熱応力を緩和できる態様であれば、応力緩和部のシート状の形態は、限定されない。
よって、熱による損傷を低減するとともに、波長変換層の温度上昇による波長変換効率の低下を抑制した波長変換素子を提供できる。

さらにシート状である前記応力緩和部は孔部を有するのが好ましい。

この構成によれば、接合層が複数の孔部に入り込んだ状態に設けられる。これにより、接合層と応力緩和部の第１物質との接触面積が増えるので、接合層および第１物質（応力緩和部）の密着性が高くなる。よって、接合層における熱応力による影響を緩和させることができる。また、応力緩和部の孔部に入り込んだ接合層を介して、波長変換層で生じた熱が基板側へと伝達されるので、応力緩和部は接合層の熱伝導性を低下させにくく、波長変換素子の波長変換層の熱による損傷を低減するとともに、波長変換層の温度上昇による波長変換効率の低下を抑制できる。
このように応力緩和部に孔部を設けることで、応力緩和部の熱伝導性、すなわち、第１物質の熱伝導性に関わらず、第１物質の熱膨張係数を考慮して、第１物質を選択できるので、より多くの物質の中から、第１物質を選択できる。

上記第１態様において、前記応力緩和部は、前記第２面に対向して設けられた格子状からなるのが好ましい。

格子状からなる応力緩和部は複数の孔を有するため、接合層は応力緩和部に設けられた複数の孔に入り込んだ状態に設けられる。これにより、接合層と第１物質（応力緩和部）との接触面積が増えるので、接合層および第１物質の密着性が向上する。よって、接合層における熱応力による影響を緩和させることができる。また、応力緩和部の格子状からなる形状の孔部に入り込んだ接合層を介して、波長変換層で生じた熱が基板側へと伝達されるので、応力緩和部は接合層の熱伝導性を低下させにくく、波長変換素子の波長変換層の熱による損傷を低減するとともに、波長変換層の温度上昇による波長変換効率の低下を抑制できる。
このように応力緩和部を格子状にすることで、応力緩和部の熱伝導性、すなわち、第１物質の熱伝導性に関わらず、第１物質の熱膨張係数を考慮して、第１物質を選択できるので、より多くの物質の中から、第１物質を選択できる。

上記第１態様において、前記応力緩和部は、前記第１物質として多孔質材料を含有するのが好ましい。

応力緩和部が、第１物質として多孔質材料を含有する場合には、多孔質材料（第１物質）は複数の空孔を有するため、接合層は多孔質材料に設けられた複数の空孔に入り込んだ状態に設けられる。これにより、接合層と多孔質材料との接触面積が増えるので、接合層および多孔質材料の密着性が向上する。よって、接合層における熱応力による影響を緩和させることができる。また、応力緩和部の多孔質材料の空孔に入り込んだ接合層を介して、波長変換層で生じた熱が基板側へと伝達されるので、応力緩和部は接合層の熱伝導性を低下させにくく、波長変換素子の波長変換層の熱による損傷を低減するとともに、波長変換層の温度上昇による波長変換効率の低下を抑制できる。

上記第１態様において、前記応力緩和部は、前記接合層の厚さ方向において、前記厚さ方向の中心より前記波長変換層側に位置するのが好ましい。

この構成によれば、接合層の波長変換層側に応力緩和部の第１物質が偏在するため、接合層における波長変換層近傍の膨張量が低減される。これにより、接合層が第１物質を含有する応力緩和部を有しない場合と比較して、接合層の膨張量と波長変換層の膨張量との差が小さくなって、波長変換層に生じる熱応力を低減できる。よって、熱応力による波長変換素子の破損を起こりにくくできる。

上記第１態様において、前記励起光は、前記波長変換層の前記第１面において、励起光照射領域に対して入射され、前記第１面の面法線方向に沿う方向から平面視した場合において、前記接合層の外形は、前記励起光照射領域より大きく、前記応力緩和部の外形は、前記励起光照射領域より大きく、前記接合層の外形より小さいのが好ましい。

この構成によれば、応力緩和部の外形が励起光照射領域より大きく、接合層の外形より小さい状態に設けられるので、波長変換層の端部に生じる熱応力を効率良く緩和できる。よって、熱応力の集中が緩和されるので、波長変換素子の熱応力による破損がより起こりにくくできる。

本発明の第２態様に従えば、上記第１態様の波長変換素子と、前記励起光を射出する発光素子と、を備えた光源装置が提供される。

第２態様に係る光源装置は、熱応力による波長変換素子の損傷を低減するとともに、波長変換素子の波長変換効率の低下を抑制できるので、信頼性を向上させた光源装置を提供できる。

本発明の第３態様に従えば、上記第２態様の光源装置と、前記光源装置からの照明光を画像情報に応じて変調して画像光を生成する光変調装置と、前記画像光を投射する投射光学装置と、を備えるプロジェクターが提供される。

第３態様に係るプロジェクターは、熱応力による波長変換素子の損傷が起こりにくく、波長変換素子の波長変換効率の低下を抑制した光源装置を備えるので、信頼性を向上させたプロジェクターを提供できる。

第一実施形態に係るプロジェクターの概略構成を示す図。 照明装置の概略構成を示す図。 蛍光体層の温度が上昇している場合の波長変換素子の状態説明図。 第二実施形態の波長変換素子の構成を示す断面図。 第二実施形態の波長変換素子の平面図。 第三実施形態の波長変換素子の構成を示す断面図。 第四実施形態の波長変換素子の構成を示す断面図。 実施例における熱流束分布のシミュレーション結果を示す図。 実施例における最大主応力分布のシミュレーション結果を示す図。 比較例における最大主応力分布のシミュレーション結果を示す図。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

（第一実施形態）
まず、本実施形態に係るプロジェクターの一例について説明する。
図１は、本実施形態に係るプロジェクターの概略構成を示す図である。
図１に示すように、本実施形態のプロジェクター１は、スクリーンＳＣＲ上にカラー映像を表示する投射型画像表示装置である。プロジェクター１は、照明装置２と、色分離光学系３と、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂと、合成光学系５と、投射光学装置６とを備えている。

色分離光学系３は、照明光ＷＬを赤色光ＬＲと、緑色光ＬＧと、青色光ＬＢとに分離する。色分離光学系３は、第１のダイクロイックミラー７ａ及び第２のダイクロイックミラー７ｂと、第１の全反射ミラー８ａ、第２の全反射ミラー８ｂ及び第３の全反射ミラー８ｃと、第１のリレーレンズ９ａ及び第２のリレーレンズ９ｂとを備えている。

第１のダイクロイックミラー７ａは、照明装置２からの照明光ＷＬを赤色光ＬＲと、その他の光（緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢ）とに分離する。第１のダイクロイックミラー７ａは、分離された赤色光ＬＲを透過すると共に、その他の光を反射する。第２のダイクロイックミラー７ｂは、緑色光ＬＧを反射すると共に青色光ＬＢを透過させる。

第１の全反射ミラー８ａは、赤色光ＬＲを光変調装置４Ｒに向けて反射する。第２の全反射ミラー８ｂ及び第３の全反射ミラー８ｃは、青色光ＬＢを光変調装置４Ｂに導く。緑色光ＬＧは、第２のダイクロイックミラー７ｂから光変調装置４Ｇに向けて反射される。

第１のリレーレンズ９ａ及び第２のリレーレンズ９ｂは、青色光ＬＢの光路中における第２のダイクロイックミラー７ｂの後段に配置されている。

光変調装置４Ｒは、赤色光ＬＲを画像情報に応じて変調し、赤色の画像光を形成する。光変調装置４Ｇは、緑色光ＬＧを画像情報に応じて変調し、緑色の画像光を形成する。光変調装置４Ｂは、青色光ＬＢを画像情報に応じて変調し、青色の画像光を形成する。

光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂには、例えば透過型の液晶パネルが用いられている。また、液晶パネルの入射側及び射出側各々には、偏光板（図示せず。）が配置されている。

また、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂの入射側には、それぞれフィールドレンズ１０Ｒ，フィールドレンズ１０Ｇ，フィールドレンズ１０Ｂが配置されている。

合成光学系５には、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂからの各画像光が入射する。合成光学系５は、各画像光を合成し、この合成された画像光を投射光学装置６に向けて射出する。合成光学系５には、例えばクロスダイクロイックプリズムが用いられている。

投射光学装置６は、投射レンズ群からなり、合成光学系５により合成された画像光をスクリーンＳＣＲに向けて拡大投射する。これにより、スクリーンＳＣＲ上には、拡大されたカラー映像が表示される。

（照明装置）
続いて、本実施形態に係る照明装置２について説明する。図２は照明装置２の概略構成を示す図である。図２に示すように、照明装置２は、光源装置２Ａと、インテグレーター光学系３１と、偏光変換素子３２と、重畳レンズ３３とを備えている。

光源装置２Ａは、アレイ光源２１と、コリメーター光学系２２と、アフォーカル光学系２３と、第１の位相差板２８ａと、偏光分離素子５０を含む光学素子２５Ａと、第１の集光光学系２６と、波長変換素子２７と、第２の位相差板２８ｂと、第２の集光光学系２９と、拡散反射素子３０と、を有している。

光源装置２Ａにおいて、アレイ光源２１と、コリメーター光学系２２と、アフォーカル光学系２３と、第１の位相差板２８ａと、光学素子２５Ａと、第２の位相差板２８ｂと、第２の集光光学系２９と、拡散反射素子３０とは、光軸ａｘ１上に順次配置されている。波長変換素子２７と、第１の集光光学系２６と、光学素子２５Ａと、インテグレーター光学系３１と、偏光変換素子３２と、重畳レンズ３３とは、光軸ａｘ２上に順次配置されている。光軸ａｘ１と光軸ａｘ２とは、同一面内にあり、互いに直交する。光軸ａｘ２は照明装置２の照明光軸に相当する。

アレイ光源２１は、複数の半導体レーザー２１ａを備える。複数の半導体レーザー２１ａは光軸ａｘ１と直交する面内において、アレイ状に配置されている。半導体レーザー２１ａは、例えば青色の光線Ｂ（例えばピーク波長が４６０ｎｍのレーザー光）を射出する。アレイ光源２１は、複数の光線Ｂからなる光線束ＢＬを射出する。本実施形態において、半導体レーザー２１ａは特許請求の範囲の「発光素子」に相当する。

アレイ光源２１から射出された光線束ＢＬは、コリメーター光学系２２に入射する。コリメーター光学系２２は、アレイ光源２１から射出された光線Ｂを平行光に変換する。コリメーター光学系２２は、例えばアレイ状に配置された複数のコリメーターレンズ２２ａから構成されている。複数のコリメーターレンズ２２ａは、複数の半導体レーザー２１ａに対応して配置されている。

コリメーター光学系２２を通過した光線束ＢＬは、アフォーカル光学系２３に入射する。アフォーカル光学系２３は、光線束ＢＬの光束径を調整する。アフォーカル光学系２３は、例えば凸レンズ２３ａ，凹レンズ２３ｂから構成されている。

アフォーカル光学系２３を通過した光線束ＢＬは第１の位相差板２８ａに入射する。第１の位相差板２８ａは、例えば光学軸を光軸ａｘ１の周りに回転可能とされた１／２波長板である。光線束ＢＬは直線偏光である。第１の位相差板２８ａの回転角度を適切に設定することにより、第１の位相差板２８ａを透過した光線束ＢＬを、偏光分離素子５０に対するＳ偏光成分とＰ偏光成分とを所定の比率で含む光線とすることができる。

第１の位相差板２８ａを通過することでＳ偏光成分とＰ偏光成分とを含む光線束ＢＬは光学素子２５Ａに入射する。光学素子２５Ａは、例えば波長選択性を有するダイクロイックプリズムから構成されている。ダイクロイックプリズムは、光軸ａｘ１に対して４５°の角度をなす傾斜面Ｋを有している。傾斜面Ｋは、光軸ａｘ２に対しても４５°の角度をなしている。

傾斜面Ｋには、波長選択特性を有する偏光分離素子５０が設けられている。偏光分離素子５０は、光線束ＢＬを、偏光分離素子５０に対するＳ偏光成分の光線束ＢＬｓとＰ偏光成分の光線束ＢＬｐとに分離する偏光分離機能を有している。具体的に、偏光分離素子５０は、Ｓ偏光成分の光線束ＢＬｓを反射させ、Ｐ偏光成分の光線束ＢＬｐを透過させる。

また、偏光分離素子５０は光線束ＢＬとは波長帯が異なる蛍光ＹＬを、その偏光状態にかかわらず透過させる色分離機能を有している。

偏光分離素子５０から射出されたＳ偏光の光線束ＢＬｓは、第１の集光光学系２６に入射する。第１の集光光学系２６は、光線束ＢＬｓを励起光として蛍光体層３４に向けて集光させる。本実施形態において、光線束ＢＬｓは特許請求の範囲の「励起光」に相当する。

本実施形態において、第１の集光光学系２６は、例えば第１レンズ２６ａ及び第２レンズ２６ｂから構成されている。第１の集光光学系２６から射出された光線束ＢＬｓは、波長変換素子２７に集光した状態で入射する。

波長変換素子２７は、蛍光体層３４と、蛍光体層３４を支持する基板３５と、蛍光体層３４と基板３５とを接合する接合層３６と、反射部３７とを有している。本実施形態において、波長変換素子２７は特許請求の範囲の「波長変換素子」に相当する。

本実施形態において、蛍光体層３４は、複数のＹＡＧ蛍光体粒子を焼結したＹＡＧセラミック系の蛍光体からなる。蛍光体層３４は、光線束ＢＬｓが入射される入射面３４Ａと、該入射面３４Ａに対向する下面３４Ｂとを有する。

本実施形態において、蛍光体層３４は特許請求の範囲の「波長変換層」に相当し、入射面３４Ａ（図３参照）は特許請求の範囲の「第１面」に相当し、下面３４Ｂ（図３参照）は特許請求の範囲の「第２面」に相当する。

蛍光体層３４は、光線束ＢＬｓによって励起され、例えば５００〜７００ｎｍの波長域にピーク波長を有する蛍光（黄色光）ＹＬを射出する。

蛍光体層３４で生成された蛍光ＹＬのうち一部の蛍光ＹＬは、反射部３７によって反射され、蛍光体層３４の外部へと射出される。反射部３７としては反射率が高いものが好ましく、本実施形態では誘電体多層膜を用いた。このようにして、蛍光ＹＬが蛍光体層３４から第１の集光光学系２６に向けて射出される。

基板３５としては熱伝導性の高い金属であるＡｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）、Ａｇ（銀）やセラミックＡｌＮやダイヤモンド、Ａｌ２Ｏ３等を用いるのが好ましく、熱伝導性が高い点で本実施形態では基板３５として銅板を用いた。なお、基板３５の表面は接合層３６との接合力を高めるためのめっき等の表面処理が施されていてもよい。

光線束ＢＬｓの入射方向に沿う方向（上方）から波長変換素子２７を平面視した場合において、接合層３６は蛍光体層３４より外形が大きい。すなわち、接合層３６の外形は蛍光体層３４の外形より大きい状態で基板３５上に設けられている。

接合層３６としては、熱伝導性に優れた金属材料を用いるのが好ましい。本実施形態では、接合層３６の材料としてナノＡｇ粒子を用いた焼結型接合材を用いた。焼結型接合材は高い熱伝導性を有するため、蛍光体層３４と基板３５との熱伝導性を向上させる。そのため、蛍光体層３４の熱が基板３５側に効率よく放出されるので、蛍光体層３４の温度上昇が抑制されて、蛍光体層３４の波長変換効率の低下を防止できる。

ところで、蛍光体層３４に励起光（光線束ＢＬｓ）が照射されると、蛍光体層３４の温度が上昇する。図３は、蛍光体層３４の温度が上昇している場合の波長変換素子２７の状態を説明するための図である。

蛍光体層３４、基板３５および接合層３６は熱膨張係数が異なるため、励起光が照射された際、熱膨張係数の差に応じた熱応力が発生する。なお、熱膨張係数とは、線膨張係数と体積膨張係数とを含む概念であるが、本実施形態において、蛍光体層３４、基板３５および接合層３６の厚みは薄いため、以下では熱膨張係数を線膨張係数として説明する。

具体的に、基板３５の線膨張係数と接合層３６の線膨張係数との差に比べて、接合層３６の線膨張係数と蛍光体層３４の線膨張係数との差は大きくなる。そのため、図３に示すように、熱による接合層３６の膨張量（伸び量）は、蛍光体層３４の膨張量（伸び量）よりも大きくなる。このとき、蛍光体層３４に発生した熱応力によって、蛍光体層３４が破断或いは基板３５から剥離するおそれがある。

これに対し、本実施形態の波長変換素子２７は、基板３５と蛍光体層３４とを接合する接合層３６の内部に応力緩和部３６ａ（第１物質３６ａ）を含有させることで、蛍光体層３４に発生する熱応力を低減させるようにしている。

具体的に第１物質３６ａ（応力緩和部３６ａ）の線膨張係数は、蛍光体層３４を構成する物質（ＹＡＧ）の線膨張係数（８×１０^−６／Ｋ）よりも大きく、接合層３６を構成する物質（焼結金属Ａｇ）の線膨張係数（１９×１０^−６／Ｋ）よりも小さい。本実施形態では、第１物質３６ａとして、鋼（線膨張係数：１２．１×１０^−６／Ｋ）を接合層３６に含有させた。

なお、第１物質３６ａの材料は鋼に限定されず、例えば、チタン（線膨張係数：８．４〜８．６×１０^−６／Ｋ）、硬質ガラス（線膨張係数：８．５×１０^−６／Ｋ）、アランダム（線膨張係数：８．７×１０^−６／Ｋ）、白金（線膨張係数：８．８〜９．０×１０^−６／Ｋ）、ジルコニア（線膨張係数：８．８×１０^−６／Ｋ）、煉瓦（線膨張係数：９．５×１０^−６／Ｋ）、酸化マグネシウム（線膨張係数：９．７×１０^−６／Ｋ）、石英（線膨張係数：１０．３×１０^−６／Ｋ）を用いてもよい。

また、ステンレス鋼（ＳＵＳ４１０、線膨張係数：１０．４×１０^−６／Ｋ）、炭素鋼（線膨張係数：１０．８×１０^−６／Ｋ）、鉄（線膨張係数：１１．８〜１２．１×１０^−６／Ｋ）、パーマロイ（線膨張係数：１２×１０^−６／Ｋ）、コンクリート（線膨張係数：１２×１０^−６／Ｋ）、アンチモン（線膨張係数：１２×１０^−６／Ｋ）、コバルト（線膨張係数：１２．４×１０^−６／Ｋ）、インコネル（線膨張係数：１２．６〜１３．３×１０^−６／Ｋ）、ニッケル（線膨張係数：１２．８〜１３．４×１０^−６／Ｋ）を用いてもよい。

また、ビスマス（線膨張係数：１３．３×１０^−６／Ｋ）、ハステロイ（線膨張係数：１３．９×１０^−６／Ｋ）、金（線膨張係数：１４．２〜１４．３×１０^−６／Ｋ）、銅（線膨張係数：１６．５〜１６．８×１０^−６／Ｋ）、ベリリウム銅（線膨張係数：１７．１×１０^−６／Ｋ）、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、線膨張係数：１３．９×１０^−６／Ｋ）、リン青銅（線膨張係数：１８．２×１０^−６／Ｋ）などを用いてもよい。

本実施形態において、蛍光体層３４内には、複数の応力緩和部３６ａ（第１物質３６ａ）が埋め込まれている。各応力緩和部３６ａ（第１物質３６ａ）は、接合層３６の厚さ方向（図３の符号Ｄで示す方向）において、該厚さ方向Ｄの中心Ｃより蛍光体層３４側に位置している。すなわち、各応力緩和部３６ａ（第１物質３６ａ）は、接合層３６の蛍光体層３４側に偏在した状態で該接合層３６に含有されている。

第１物質３６ａを含有する接合層３６の線膨張係数は、第１物質３６ａを含有しない場合に比べて相対的に高くなる。そのため、励起光の照射時において、第１物質３６ａを含有した接合層３６は膨張量が低減される。

上述のように本実施形態では、接合層３６の蛍光体層３４側に第１物質３６ａが偏在するため、接合層３６の蛍光体層３４近傍における膨張量が効率良く低減する。これにより、接合層３６の膨張量と蛍光体層３４の膨張量との差が小さくなって、蛍光体層３４に生じる熱応力を低減させることができる。よって、熱応力による波長変換素子２７の破損が起こりにくい。

また、第１物質３６ａは接合層３６に含有されるため、接合層３６と蛍光体層３４との間には介在しない。そのため、接合層３６が蛍光体層３４に直接接触するので、第１物質３６ａは蛍光体層３４から接合層３６への熱伝導性を低下させにくく、蛍光体層３４の温度上昇が低減される。

図２に戻って、蛍光体層３４から射出された蛍光ＹＬは、非偏光光である。蛍光ＹＬは、第１の集光光学系２６を通過した後、偏光分離素子５０に入射する。そして、この蛍光ＹＬは、偏光分離素子５０からインテグレーター光学系３１に向けて進む。

一方、偏光分離素子５０を透過したＰ偏光の光線束ＢＬｐは、第２の位相差板２８ｂによって右回り円偏光の青色光ＢＬｃ１に変換され、第２の集光光学系２９に入射する。第２の位相差板２８ｂは、１／４波長板から構成されている。
第２の集光光学系２９は、例えばレンズ２９ａから構成され、青色光ＢＬｃ１を集光させた状態で拡散反射素子３０に入射させる。

拡散反射素子３０は、第２の集光光学系２９から射出された青色光ＢＬｃ１を偏光分離素子５０に向けて拡散反射させる。拡散反射素子３０としては、青色光ＢＬｃ１をランバート反射させつつ、且つ、偏光状態を乱さないものを用いることが好ましい。

以下、拡散反射素子３０によって拡散反射された光を青色光ＢＬｃ２と称する。本実施形態によれば、青色光ＢＬｃ１を拡散反射させることで略均一な照度分布の青色光ＢＬｃ２が得られる。右回り円偏光の青色光ＢＬｃ１は左回り円偏光の青色光ＢＬｃ２として反射される。

青色光ＢＬｃ２は第２の集光光学系２９によって平行光に変換された後に再び第２の位相差板２８ｂを透過してＳ偏光の青色光ＢＬｓ１に変換される。青色光ＢＬｓ１は、偏光分離素子５０によってインテグレーター光学系３１に向けて反射される。

青色光ＢＬｓ１及び蛍光ＹＬは、偏光分離素子５０から互いに同一方向に向けて射出され、青色光ＢＬｓ１と蛍光（黄色光）ＹＬとが混ざった白色の照明光ＷＬが生成される。

照明光ＷＬは、インテグレーター光学系３１に向けて射出される。インテグレーター光学系３１は、例えば、レンズアレイ３１ａ，レンズアレイ３１ｂから構成されている。レンズアレイ３１ａ，３１ｂは、複数の小レンズがアレイ状に配列されたものからなる。

インテグレーター光学系３１を透過した照明光ＷＬは、偏光変換素子３２に入射する。偏光変換素子３２は、偏光分離膜と位相差板とから構成されている。偏光変換素子３２は、非偏光の蛍光ＹＬを含む照明光ＷＬを直線偏光に変換する。

偏光変換素子３２を透過した照明光ＷＬは、重畳レンズ３３に入射する。重畳レンズ３３はインテグレーター光学系３１と協同して、被照明領域における照明光ＷＬによる照度の分布を均一化する。このようにして、照明装置２は照明光ＷＬを射出する。

本実施形態の光源装置２Ａによれば、接合層３６中に、蛍光体層３４と該接合層３６との間の線膨張係数（熱膨張係数）を有する第１物質３６ａを含有するので、蛍光体層３４と接合層３６との線膨張係数（熱膨張係数）差による波長変換素子２７の破損、具体的には蛍光体層３４の破損或いは剥離が起こりにくい。

また、接合層３６の蛍光体層３４側に第１物質３６ａ（応力緩和部３６ａ）が偏在するため、接合層３６の蛍光体層３４近傍の膨張量が効率良く低減する。これにより、接合層３６の膨張量と蛍光体層３４の膨張量との差が小さくなって、蛍光体層３４に生じる熱応力を低減できる。よって、熱応力による波長変換素子２７の破損が起こりにくい。

また、第１物質３６ａは接合層３６に含有されるため、接合層３６と蛍光体層３４との間には介在しない。すなわち、第１物質３６ａを含有する応力緩和部３６ａは、接合層３６と蛍光体層３４との間に層状に設けられるものではない。そのため、接合層３６が直接的に蛍光体層３４に接触するので、第１物質３６ａは蛍光体層３４から接合層３６への熱伝導性を低下させにくく、蛍光体層３４の温度上昇を低減できる。

したがって、本実施形態の波長変換素子２７によれば、熱による損傷を低減するとともに、蛍光体層３４の温度上昇による波長変換効率の低下を抑制できる。

また、光源装置２Ａを含む本実施形態の照明装置２は照明光ＷＬを安定して射出することができる。したがって、この照明装置２を備えた本実施形態のプロジェクター１は、信頼性に優れたものとなる。

（第二実施形態）
続いて、第二実施形態に係る照明装置について説明する。本実施形態と第一実施形態とは、波長変換素子の構成において異なり、それ以外の構成は共通である。そのため、以下の説明では、第一実施形態と共通の構成及び部材については同じ符号を付し、その詳細については省略若しくは簡略化する。

図４は本実施形態の波長変換素子２７Ａの構成を示す断面図である。
図４に示すように、本実施形態の波長変換素子２７Ａは、蛍光体層３４と、基板３５と、第１物質１３６ａ（応力緩和部１３６ａ）を含有する接合層１３６と、反射部３７とを有している。

本実施形態において、応力緩和部１３６ａ（第１物質１３６ａ）は蛍光体層３４の下面３４Ｂに対向して設けられたシート状からなる。なお、シート状とは厚みの薄い層状からなるものを意味する。すなわち、応力緩和部１３６ａは薄い層状からなるものであれば湾曲した形状や一部が折れ曲がった形状であってもよい。

本実施形態の第１物質１３６ａの線膨張係数は、蛍光体層３４を構成する物質の線膨張係数よりも大きく、接合層３６を構成する物質の線膨張係数よりも小さい。

また、応力緩和部１３６ａは複数の孔部１３７を有する。孔部１３７は応力緩和部１３６ａを貫通する貫通孔である。接合層１３６は、応力緩和部１３６ａに設けられた複数の孔部１３７に入り込んだ状態に設けられている。

これにより、接合層１３６と第１物質１３６ａ（応力緩和部１３６ａ）との接触面積が増えるので、接合層１３６および第１物質１３６ａ（応力緩和部１３６ａ）の密着性が高くなる。よって、接合層１３６における熱応力による影響を緩和させることができる。また、応力緩和部１３６ａの孔部１３７に入り込んだ接合層１３６を介して、蛍光体層３４で生じた熱が基板３５側へと伝達されるので、応力緩和部１３６ａは接合層１３６の熱伝導性を低下させにくく、波長変換素子２７Ａの蛍光体層３４の熱による損傷を低減するとともに、蛍光体層３４の温度上昇による波長変換効率の低下を抑制できる。

このように応力緩和部１３６ａに孔部１３７を設けることで、応力緩和部１３６ａの熱伝導性、すなわち、第１物質１３６の熱伝導性に関わらず、第１物質１３６の熱膨張係数を考慮して、第１物質１３６を選択できるので、より多くの物質の中から、第１物質１３６を選択できる。

第１物質１３６ａ（応力緩和部１３６ａ）は、接合層１３６の厚さ方向（図４の符号Ｄ１で示す方向）において、該厚さ方向の中心Ｃ１より蛍光体層３４側に位置している。すなわち、第１物質１３６ａは、接合層１３６の蛍光体層３４側に偏在した状態で該接合層１３６に含有されている。

このようなシート状からなる応力緩和部１３６ａ（第１物質１３６ａ）を含有する接合層１３６は、複数の第１物質３６ａを離散的に含有させた第一実施形態の構成に比べて、蛍光体層３４の下面３４Ｂに沿う方向の全体に亘って線膨張係数が相対的に高くなる。

本実施形態の第１物質１３６ａは、励起光の照射時に、接合層１３６の膨張量をより低減させる。これにより、接合層１３６の膨張量と蛍光体層３４の膨張量との差がより小さくなるので、蛍光体層３４に生じる熱応力をより低減させることができる。

図５は本実施形態の波長変換素子２７Ａを入射面３４Ａの面法線方向に沿う方向から平面視した構成を示す平面図である。
図５に示すように、波長変換素子２７Ａを平面視した場合において、光線束ＢＬｓ（励起光）は、蛍光体層３４の入射面３４Ａの励起光照射領域４０に入射される。接合層１３６は、励起光照射領域４０または蛍光体層３４より外形が大きい。また、応力緩和部１３６ａ（第１物質１３６ａ）は、励起光照射領域４０または蛍光体層３４より外形が大きい。すなわち、接合層１３６および該接合層１３６に含有された第１物質１３６ａ（応力緩和部１３６ａ）は、励起光照射領域４０または蛍光体層３４の外形より大きく、接合層１３６の外形より小さい状態となっている。

一般的に熱応力は蛍光体層３４の端部に集中し易い。本実施形態によれば、第１物質１３６ａが、励起光照射領域４０または蛍光体層３４よりも外側にはみ出すように設けられるので、蛍光体層３４の端部の接合層１３６の膨張量を減らすことで該蛍光体層３４の端部に生じる熱応力を効率良く緩和することができる。よって、熱応力の集中が緩和されるので、波長変換素子２７Ａの熱応力による破損がより起こりにくくなる。

また、シート状からなる応力緩和部１３６ａ（第１物質１３６ａ）の厚みは接合層１３６の厚みに比べて薄いので、接合層１３６の熱伝導性に影響を与えにくく、蛍光体層３４の温度上昇に影響を与えにくい。よって、熱による損傷を低減するとともに、蛍光体層３４の温度上昇による波長変換効率の低下を抑制した波長変換素子２７Ａを提供できる。さらに、本実施形態では、応力緩和部１３６ａ（第１物質１３６ａ）に複数の孔部１３７を設けたので、応力緩和部１３６ａの孔部１３７に入り込んだ接合層１３６を介して、蛍光体層３４で生じた熱が基板３５側へと伝達されるので、応力緩和部１３６ａは接合層１３６の熱伝導性を低下させにくく、波長変換素子２７Ａの蛍光体層３４の熱による損傷を低減するとともに、蛍光体層３４の温度上昇による波長変換効率の低下を抑制できる。

このように応力緩和部１３６ａに孔部１３７を設けることで、応力緩和部１３６ａの熱伝導性、すなわち、第１物質１３６ａの熱伝導性に関わらず、第１物質１３６ａの熱膨張係数を考慮して、第１物質１３６ａを選択できるので、より多くの物質の中から、第１物質１３６ａを選択できる。

以上のように本実施形態の波長変換素子２７Ａにおいても、熱による損傷を低減するとともに、蛍光体層３４の温度上昇による波長変換効率の低下を抑制することができる。

（第三実施形態）
続いて、第三実施形態に係る照明装置について説明する。本実施形態と第一実施形態とは、波長変換素子の構成において異なり、それ以外の構成は共通である。そのため、以下の説明では、第一実施形態と共通の構成及び部材については同じ符号を付し、その詳細については省略若しくは簡略化する。

図６は本実施形態の波長変換素子２７Ｂの構成を示す断面図である。
図６に示すように、本実施形態の波長変換素子２７Ｂは、蛍光体層３４と、基板３５と、第１物質２３６ａを含有する接合層２３６と、反射部３７とを有している。なお、本実施形態の第１物質２３６ａの線膨張係数は、蛍光体層３４を構成する物質の線膨張係数よりも大きく、接合層２３６を構成する物質の線膨張係数よりも小さい。

本実施形態において、接合層２３６に含有される第１物質２３６ａは蛍光体層３４の下面３４Ｂに対向する格子状からなる。具体的に、第１物質２３６ａは複数の線状部材を格子状に編み込んだメッシュ構造からなる。そのため、第１物質２３６ａは複数の孔２３７を有している。接合層２３６は、第１物質２３６ａに設けられた複数の孔２３７に入り込んだ状態に設けられている。

これにより、接合層２３６と第１物質２３６ａとの接触面積が増えるので、接合層２３６および第１物質２３６ａの密着性が向上する。これにより、第１物質２３６ａは、接合層２３６の膨張量を効率良く低減させることができる。

第１物質２３６ａは、接合層２３６の厚さ方向（図６の符号Ｄ２で示す方向）において、該厚さ方向の中心Ｃ２より蛍光体層３４側に位置している。すなわち、第１物質２３６ａは、接合層２３６の蛍光体層３４側に偏在した状態で該接合層２３６に含有されている。

このような格子状からなる第１物質２３６ａを含有する接合層２３６は、第一実施形態の構成に比べて、蛍光体層３４の下面３４Ｂに沿う方向の全体に亘って線膨張係数が相対的に高くなる。そのため、励起光の照射時において、接合層２３６は膨張量をより低減できる。これにより、蛍光体層３４に生じる熱応力を効率良く低減できる。

本実施形態においても、応力緩和部２３６ａ（第１物質２３６ａ）が蛍光体層３４の外形より大きく、接合層１３６の外形より小さい状態に設けられるので、蛍光体層３４の端部に生じる熱応力の集中が緩和される。

さらに、本実施形態では、格子状からなる応力緩和部２３６ａ（第１物質２３６ａ）に複数の孔２３７を設けたので、応力緩和部２３６ａの孔２３７に入り込んだ接合層２３６を介して、蛍光体層３４で生じた熱が基板３５側へと伝達されるので、応力緩和部２３６ａは接合層２３６の熱伝導性を低下させにくく、波長変換素子２７Ｂの蛍光体層３４の熱による損傷を低減するとともに、蛍光体層３４の温度上昇による波長変換効率の低下を抑制できる。
このように応力緩和部２３６ａを格子状（メッシュ状）とすることで、応力緩和部２３６ａの熱伝導性、すなわち、第１物質２３６ａの熱伝導性に関わらず、第１物質２３６ａの熱膨張係数を考慮して、第１物質２３６ａを選択できるので、より多くの物質の中から、第１物質２３６ａを選択できる。

以上のように本実施形態の波長変換素子２７Ｂにおいても、熱による損傷を低減するとともに、蛍光体層３４の温度上昇による波長変換効率の低下を抑制することができる。

（第四実施形態）
続いて、第三実施形態に係る照明装置について説明する。本実施形態と第一実施形態とは、波長変換素子の構成において異なり、それ以外の構成は共通である。そのため、以下の説明では、第一実施形態と共通の構成及び部材については同じ符号を付し、その詳細については省略若しくは簡略化する。

図７は本実施形態の波長変換素子２７Ｃの構成を示す断面図である。
図７に示すように、本実施形態の波長変換素子２７Ｃは、蛍光体層３４と、基板３５と、第１物質３３６ａを含有する接合層３３６と、反射部３７とを有している。なお、本実施形態の第１物質３３６ａの線膨張係数は、蛍光体層３４を構成する物質の線膨張係数よりも大きく、接合層３３６を構成する物質の線膨張係数よりも小さい。

本実施形態において、接合層３３６に含有される第１物質３３６ａ（応力緩和部３３６ａ）は多孔質材料からなり、多数の空孔３３７を有している。接合層３３６は第１物質３３６ａに設けられた複数の空孔３３７に入り込んだ状態に設けられる。

これにより、接合層３３６と第１物質３３６ａとの接触面積が増えるので、接合層３３６および第１物質３３６ａの密着性が向上している。よって、第１物質３３６ａは、接合層３３６の膨張量を効率良く低減させることができる。
なお、多孔質材料（第１物質３３６ａ）における空孔３３７の割合を調整することで、空孔３３７に充填される接合層３３６の量を調整できるので、応力緩和部３３６ａ（第１物質３３６ａ）の線膨張係数を調整できるとともに、接合層３３６の線膨張係数を調整できる。

第１物質３３６ａは、接合層３３６の厚さ方向（図７の符号Ｄ３で示す方向）において、該厚さ方向の中心Ｃ３より蛍光体層３４側に位置している。すなわち、第１物質３３６ａは、接合層３３６の蛍光体層３４側に偏在した状態で該接合層３３６に含有されている。

このような多孔質材料からなる第１物質３３６ａを用いることで、励起光の照射時において、接合層３３６の膨張量が低減するので、蛍光体層３４に生じる熱応力を効率良く低減できる。

さらに、本実施形態では、応力緩和部３３６ａ（第１物質３３６ａ）が多孔質材料であるので、応力緩和部３３６ａの空孔３３７に入り込んだ接合層３３６を介して、蛍光体層３４で生じた熱が基板３５側へと伝達されるので、応力緩和部３３６ａは接合層３３６の熱伝導性を低下させにくく、波長変換素子２７Ｃの蛍光体層３４の熱による損傷を低減するとともに、蛍光体層３４の温度上昇による波長変換効率の低下を抑制できる。

以上のように本実施形態の波長変換素子２７Ｃにおいても、熱による損傷を低減するとともに、蛍光体層３４の温度上昇による波長変換効率の低下を抑制することができる。

なお、本発明は上記実施形態の内容に限定されることはなく、発明の主旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

例えば、上記実施形態では、接合層に含有する第１物質の熱膨張係数として線膨張係数を用いたが、代わりに体積膨張係数を用いもよい。すなわち、接合層に含有される応力緩和部の第１物質の体積膨張係数は、蛍光体層を構成する物質の体積膨張係数よりも大きく、接合層を構成する物質の体積膨張係数よりも小さければよい。

また、上記実施形態では、３つの光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂを備えるプロジェクター１を例示したが、１つの光変調装置でカラー映像を表示するプロジェクターに適用することも可能である。また、光変調装置として、デジタルミラーデバイスを用いてもよい。

また、上記実施形態では本発明による光源装置をプロジェクターに搭載した例を示したが、これに限られない。本発明による光源装置は、照明器具や自動車のヘッドライト等にも適用することができる。

（実施例）
本発明者は、実施例と比較例とを比較し、本発明の有効性について確認した。実施例では、シミュレーションモデルとして、第１物質を含有する接合層によりＹＡＧセラミック系の蛍光体を基板に固定した波長変換素子を用いた。

例えば、接合層を構成する物質を焼結金属Ａｇ（線膨張係数：１９×１０^−６／Ｋ）、第１物質を鋼（線膨張係数：１２．１×１０^−６／Ｋ）、蛍光体層を構成する物質をＹＡＧセラミック（線膨張係数：８×１０^−６／Ｋ）とした。なお、第１物質は３．４ｍｍ角のシート状からなり、複数の孔部（貫通孔）が形成されることで格子状となっている。

また、比較例では、実施例の構成から第１物質を省略したものをシミュレーションモデルとした。すなわち、比較例のシミュレーションモデルでは、接合層が第１物質を含有していない。

そして、実施例のモデルについて、蛍光体層の一方面（基材との接合面と反対側）側に励起光を入射させた際の熱流束分布と最大主応力分布とをシミュレーションで求めた。また、比較例のモデルについて、蛍光体層の一方面側に励起光を入射させた際の最大主応力分布をシミュレーションで求めた。

図８は実施例における熱流束分布のシミュレーション結果を示す図である。なお、図８において、色が濃くなるほど熱の移動量が多くなることを意味する。

図８に示されるように、実施例のシミュレーションモデルにおいて、蛍光体層６０の光入射面６０Ａで発生した熱は、第１物質６１に形成した複数の孔部６２内に入り込んだ接合層６３を介して基板６４側に伝達されることを確認できた。これは、仮に第１物質６１の熱伝導率が低い場合でも、接合層６３の熱が孔部６２内を迂回して基板６４側に伝達できることを意味する。

すなわち、孔部６２を形成することで、第１物質６１による接合層６３の熱伝導性への影響を小さくできることを確認できた。
したがって、仮に熱伝導性の高くない材料であっても孔部を形成することで第１物質として利用可能となる場合がある。つまり、孔部との組み合わせによって第１物質の材料選択の幅が広がることを確認できた。

図９Ａは実施例における最大主応力分布のシミュレーション結果を示す図である。また、図９Ｂは比較例における最大主応力分布のシミュレーション結果を示す図である。なお、図９Ａに示される最大主応力は１５７．８１１ＭＰａであり、図９Ｂに示される最大主応力は１８９．７０９ＭＰａである。

図９Ａおよび図９Ｂに示されるように、比較例によれば蛍光体層の縁部に応力集中が生じるものの、実施例によれば蛍光体層の縁部の応力集中（最大主応力）を緩和できることを確認できた。これにより、接合層に第１物質を含有させることで、蛍光体層に発生する熱応力を低減できることを確認できた。すなわち、熱応力による波長変換素子の破損を起こり難くできることを確認できた。

１…プロジェクター、２Ａ…光源装置、４Ｂ，４Ｇ，４Ｒ…光変調装置、６…投射光学装置、２１ａ…半導体レーザー（発光素子）、２７，２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃ…波長変換素子、３４…蛍光体層、３４Ａ…入射面（第１面）、３４Ｂ…下面（第２面）、３５…基板、３６，１３６，２３６，３３６…接合層、３６ａ，６１，１３６ａ，２３６ａ，３３６ａ…応力緩和部（第１物質）、４０…励起光照射領域、１３７…孔部、Ｃ，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…中心、Ｄ，Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３…厚さ方向、ＹＬ…蛍光、ＢＬｓ…光線束（励起光）。

Claims (9)

1. 励起光が入射される第１面と、前記第１面に対向する第２面とを有し、前記励起光を波長変換する波長変換層と、
   前記第２面に対向して設けられる基板と、
   前記波長変換層と前記基板とを接合する接合層と、
   前記接合層の内部に設けられ、前記波長変換層を構成する物質の熱膨張係数よりも大きく、前記接合層を構成する物質の熱膨張係数よりも小さい第１物質を含有する応力緩和部と、を備えることを特徴とする波長変換素子。
2. 前記応力緩和部は、前記第２面に対向して設けられ、シート状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。
3. シート状である前記応力緩和部は孔部を有することを特徴とする請求項２に記載の波長変換素子。
4. 前記応力緩和部は、前記第２面に対向して設けられ、格子状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。
5. 前記応力緩和部は、前記第１物質として多孔質材料を含有することを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
6. 前記応力緩和部は、前記接合層の厚さ方向において、前記厚さ方向の中心より前記波長変換層側に位置することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の波長変換素子。
7. 前記励起光は、前記波長変換層の前記第１面において、励起光照射領域に対して入射され、前記第１面の面法線方向に沿う方向から平面視した場合において、
   前記接合層の外形は、前記励起光照射領域より大きく、
   前記応力緩和部の外形は、前記励起光照射領域より大きく、前記接合層の外形より小さいことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の波長変換素子。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の波長変換素子と、
   前記励起光を射出する発光素子と、
   を備えることを特徴とする光源装置。
9. 請求項８に記載の光源装置と、
   前記光源装置からの光を画像情報に応じて変調して画像光を生成する光変調装置と、
   前記画像光を投射する投射光学装置と、
   を備えることを特徴とするプロジェクター。