JP6444837B2 - Light source device - Google Patents
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Description
本発明は、励起光源と蛍光体を用いた光源装置に関し、特に、励起光源としてレーザー発光素子を用いた光源装置に関する。 The present invention relates to a light source device using an excitation light source and a phosphor, and more particularly to a light source device using a laser light emitting element as an excitation light source.
近年の自動車用ヘッドライトなどの光源装置では、光源の消費エネルギー低減のため、発光ダイオード(LED)やレーザーダイオード(LD)を用いた製品が提案され、一部実用化されている。特にLD光源の場合、光変換効率が高くまた発光面積が小さいので、灯具の小型化のため有利となる。LD光源を用いる光源装置では、LD素子から蛍光体へ励起光(例えば青色レーザー光)を照射し、蛍光体が励起されて発する光(例えば黄色光)と励起光とを混色させて可視光(例えば白色光)を出射させる構成となっている。 In light source devices such as automobile headlights in recent years, products using light emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LDs) have been proposed and partially put into practical use in order to reduce energy consumption of the light sources. Particularly in the case of an LD light source, the light conversion efficiency is high and the light emitting area is small, which is advantageous for downsizing of the lamp. In a light source device using an LD light source, excitation light (for example, blue laser light) is emitted from a LD element to a phosphor, and light (for example, yellow light) emitted by excitation of the phosphor is mixed with excitation light to produce visible light ( For example, white light) is emitted.
例えば特許文献1には、紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を発光する固体光源と、該固体光源からの励起光により励起され該固体光源の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する少なくとも1種類の蛍光体を含む蛍光体層と、該蛍光体層の前記励起光が入射する側の面とは反対の面側に設けられる放熱基板とを備え、前記蛍光体層は実質的に樹脂成分を含まず、前記固体光源と前記蛍光体層とが空間的に離れて配置されており、前記蛍光体層の面のうち励起光が入射する側の面とは反対側に設けられた反射面による反射を用いて蛍光を取り出す構成とした光源装置が記載されている。
For example,
LD素子と蛍光体を組み合わせた光源装置を高輝度化するためには、LD素子の出力を上げて蛍光体を励起する励起光の強度を大きくする必要がある。しかし、励起光強度を大きくすると、蛍光体の発熱量が増加し、蛍光体の温度消光による発光効率低下や、蛍光体や周辺部材の材料の変質・劣化といった問題が発生する恐れがある。 In order to increase the luminance of a light source device that combines an LD element and a phosphor, it is necessary to increase the intensity of excitation light that excites the phosphor by increasing the output of the LD element. However, when the excitation light intensity is increased, the calorific value of the phosphor increases, which may cause problems such as a decrease in light emission efficiency due to temperature quenching of the phosphor and deterioration / degradation of materials of the phosphor and peripheral members.
これに関し特許文献1に記載される光源装置では、蛍光体層を熱伝導率の高い蛍光体セラミックスとし、これを放熱基板に接合し放熱することによって蛍光体層の温度上昇を抑制している。
In this regard, in the light source device described in
しかし、セラミックスの熱膨張係数と放熱基板の熱膨張係数との間に差がある場合、環境温度の変化や励起時の蛍光体層の温度上昇によって、接合部の剥離やセラミックスの破壊が発生する恐れがある。 However, when there is a difference between the thermal expansion coefficient of ceramics and the thermal expansion coefficient of the heat dissipation substrate, peeling of the joints and destruction of the ceramics occur due to changes in the environmental temperature and temperature rise of the phosphor layer during excitation. There is a fear.
これを防止する方法として、セラミックスと放熱板の中間の熱膨張係数を有する物質を介在させる方法や、接合部材として有機接着剤などの弾性を有する物質を使用する方法があるが、これらの方法を用いた場合、放熱性が低下し励起光強度を強めることが困難になる。 As a method for preventing this, there are a method of interposing a substance having a thermal expansion coefficient between ceramics and a heat sink, and a method of using an elastic substance such as an organic adhesive as a joining member. If used, the heat dissipation is reduced, and it becomes difficult to increase the excitation light intensity.
そこで本発明は、温度上昇による接合部の剥離や蛍光体層の破壊を抑制し、かつ高い放熱性を有する光源装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a light source device that suppresses peeling of a bonded portion and destruction of a phosphor layer due to a temperature rise and has high heat dissipation.
上記課題を解決するために、本発明は、励起光を出射する光源と、励起光を受けて蛍光および拡散された励起光を出射する蛍光体層とを有し、蛍光および拡散された励起光を照射光として出射する光源装置であって、蛍光体層と接合して蛍光体層で発生した熱を放熱する放熱板を備え、蛍光体層と放熱板との接合面において、蛍光体層または放熱板の少なくとも一方に複数の凹部を形成し、凹部の少なくとも一部には接着剤が充填され、接着剤によって蛍光体層と放熱板が接着されていることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the present invention includes a light source that emits excitation light and a phosphor layer that emits fluorescence and diffused excitation light in response to the excitation light, and the fluorescence and diffused excitation light. Is a light source device that emits light as irradiation light, and includes a heat dissipation plate that is bonded to the phosphor layer and dissipates heat generated in the phosphor layer, and the phosphor layer or A plurality of recesses are formed in at least one of the heat dissipation plates, and at least a part of the recesses is filled with an adhesive, and the phosphor layer and the heat dissipation plate are bonded by the adhesive.
本発明によれば、温度上昇による接合部の剥離や蛍光体層の破壊を抑制し、かつ高い放熱性を有する光源装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the peeling of the junction part by the temperature rise and the destruction of a fluorescent substance layer can be suppressed, and the light source device which has high heat dissipation can be provided.
以下、本発明に係る光源装置の実施の形態について、図面を基に説明する。 Hereinafter, embodiments of a light source device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
実施例1では、励起光を蛍光体層に入射させ蛍光体層から反射光を取り出す反射型の光源装置の構成を説明する。 In the first embodiment, a configuration of a reflective light source device in which excitation light is incident on a phosphor layer and reflected light is extracted from the phosphor layer will be described.
図1は、実施例1における光源装置の構成を示す斜視図である。光源装置100は、半導体発光素子1と、集光レンズ2と、蛍光体層3と、放熱板4と、リフレクタ(反射器)5とを備えている。光源となる半導体発光素子1にはレーザーダイオード(LD)を備えており、蛍光体層3の励起光としての青色レーザー光を出射する。集光レンズ2は、半導体発光素子1の出射側に配置され、半導体発光素子1から出射された励起光(青色レーザー光)20を、上方に配置された蛍光体層3の表面に集光させる。蛍光体層3は、励起光を受けて蛍光30および拡散反射された励起光20’を出射する。
FIG. 1 is a perspective view illustrating a configuration of a light source device according to the first embodiment. The
リフレクタ5は、上方斜め前方に開口する湾曲板状に形成されていて、蛍光体層3の下方を臨むように配設されている。このリフレクタ5の上面は、蛍光体層3から出射された蛍光30および拡散反射された励起光20’を前方へ反射させる反射面5aとなっている。反射面5aは、所望の配光分布を得られるよう自由曲面状に、例えば、放物面が基調とされた形状に形成されている。この反射面5aは、蛍光体層3の後方から下方にかけて蛍光体層3を臨むように配設されており、この蛍光体層3から出射された蛍光30および拡散反射された励起光20’を、装置前方に照射光として出射する。
The
図2は、実施例1における蛍光体層3および放熱板4の断面図である。蛍光体層3は、蛍光体粒子と無機材料からなる分散媒体で構成される。蛍光体粒子は、青色光の励起によって蛍光を発する蛍光材料であり、例えば、Y3Al5O12:Ce、Y3(Al,Ga)5O12:Ce、(Y,Gd)3Al5O12:Ce、(Y,Lu)3Al5O12:Ce、(Ba,Sr)2SiO4:Eu、Ca3Sc2Si3O12:Ce、(Ca,Sr)2Si5N8:Eu、(Ca,Sr)AlSiN3:Eu、Cax(Si,Al)12(O,N)16:Eu、(Si,Al)6(O,N)8:Eu、(Ba,Sr,Ca)Si2O2N2:Eu、Ca8MgSi4O16C12:Eu、SrAl2O4:Eu、Sr4Al14O25:Eu、(Ca,Sr)S:Eu、ZnS:Cu,Al、CaGa2S4:Eu、SrGa2S4:Eu等を用いることができる。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the
分散媒体は、その内部に蛍光体粒子を分散し、蛍光体粒子の熱を拡散させる材料であり、例えば、Al2O3、MgO、SiO2、TiO2、BaSO4、SrTiO4、Y2O3、La2O3、Y3Al5O12、ダイヤモンド、各種透明ガラス等の励起光および蛍光に対して透光性を有する材料を用いることができる。 The dispersion medium is a material that disperses the phosphor particles therein and diffuses the heat of the phosphor particles. For example, Al 2 O 3 , MgO, SiO 2 , TiO 2 , BaSO 4 , SrTiO 4 , Y 2 O 3 , La 2 O 3 , Y 3 Al 5 O 12 , diamond, various transparent glasses, and other materials having transparency to excitation light and fluorescence can be used.
蛍光体層3の形成方法としては、例えば、蛍光体粒子と分散媒体粒子を所定の比率で混合し、プレス機で圧粉してペレット状にし、これを加熱炉で加熱して焼結させる方法がある。また、蛍光体層3は、蛍光体材料のみで構成され蛍光体粒子の焼結体や蛍光体材料の単結晶体であってもよい。
As a method for forming the
本実施例においては、蛍光体層3の放熱板4との接合面側には複数の凹部6を形成し、凹部6の少なくとも一部には接着剤7を充填して蛍光体層3と放熱板4を接着したことを特徴とする。蛍光体層3の接合面において、凹部6を除く平面部分の少なくとも一部は放熱板4と直接接触している。すなわち、蛍光体層3と放熱板4を直接接触させることで、蛍光体層3に励起光20が入射し、蛍光体層3から蛍光30および拡散励起光20’を出射する際に発生する熱を効率良く放熱板4に伝達させ、放熱特性を向上させることができる。
In the present embodiment, a plurality of
本実施例において、接合面に対する凹部6の占める割合(凹部面積比)に応じて接着力と放熱特性が変化する。すなわち、凹部面積比が大きい場合は接着力は増大するが放熱特性は低下し、逆に凹部面積比が小さい場合は放熱特性は向上するが接着力は低下する。よって、接着力と放熱特性の両方を満足するように凹部面積比を決定する。さらに、凹部形成によって放熱板4による反射率が変化し、結果として蛍光体層3の発光効率に影響する場合も考えられるので、これらを総合して実用特性を満足するよう凹部面積比を決定する。
In the present embodiment, the adhesive force and the heat radiation characteristics change according to the ratio (recess area ratio) of the
図3は、蛍光体層3に形成する凹部6の配置の一例を示す図で、放熱板4との接合面側から見た図である。凹部6はドット状(半球状)とし、その形成位置は、蛍光体層3の励起光照射面において、励起光の照射位置と熱拡散を考慮して決定する。まず、蛍光体層3のサイズ(図面の縦横方向サイズ)は、励起光20の照射範囲8に蛍光体層3の層厚値tを加算した領域(熱拡散の目安となる領域)9と同程度かそれより広くする。この例では、領域9より広くしている。そして凹部6の形成領域は、励起光照射範囲8を略中心としてその外側まで含むように設ける。具体的には、領域9と同程度か、領域9より広く設けることが望ましい。これにより、励起光照射範囲8で発生した熱を放熱板4に伝達する十分な経路を確保することができる。また、凹部6は、上記範囲8または領域9の外側のみに形成してもよい。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the arrangement of the
また、凹部6の少なくとも一部は、その幅(ドットの直径)wを、温度変化時に蛍光体層3と放熱板4との熱膨張係数の違いによって生じる相対ズレ量より大きくする。なぜなら、もし凹部6の幅wが相対ズレ量よりより小さい場合には、蛍光体層3と放熱板4とのズレによって接着剤7の剥離や凝集破壊を起こす可能性があるからである。
Further, at least a part of the
ここで想定される温度範囲は、本実施例の光源装置100が適用される製品の使用時、および保管時の温度範囲であり、例えば、車両用ヘッドライトであれば、−40℃〜100℃が想定される。
The temperature range assumed here is a temperature range during use and storage of a product to which the
凹部6の形成方法としては、例えば、サンドブラスト、エッチング、凹部6の幅と同程度の粒度の砥粒による研磨、切削加工、レーザー加工が利用できる。あるいは、蛍光体層3の形成工程において、プレス時に使用する金型に凸部を形成する方法も可能である。さらに、上記形成法で凹部6を形成した後、凹部形成面に平面研磨を施して平面部を形成することが望ましい。これにより蛍光体層3と放熱板4との接触面積を増やして、放熱特性を向上させることができる。
As a method for forming the
接着剤7には、接合時には液体状態で凹部6に進入でき、硬化後は温度変化時の蛍光体層3と放熱板4とのズレによって剥離や凝集破壊を起こさない接着力および弾性を有する材料を用いる。例えば、シリコーン系、エポキシ系、アクリル系などの有機接着剤、半田、金属ろう材などの低融点金属接合材、低融点ガラスなどが挙げられる。
The adhesive 7 is a material that can enter the
特に有機接着剤は比較的低温で接着可能であり、製造コストや、接着時の蛍光体材料などの劣化抑制の面で望ましい。また、有機接着剤の中でも弾性率が100MPa以下の弾性接着剤は、上記ズレを柔軟に吸収することが可能であるので望ましい。 In particular, the organic adhesive can be bonded at a relatively low temperature, and is desirable in terms of manufacturing cost and suppression of deterioration of the phosphor material during bonding. Among organic adhesives, an elastic adhesive having an elastic modulus of 100 MPa or less is desirable because it can flexibly absorb the above deviation.
また、接着剤7は硬化収縮性を有する材料で、さらに、その硬化収縮量は使用が想定される最高温度における熱膨張量より大きいことが望ましい。接着剤7の収縮応力により常に蛍光体層3を放熱板4に押し付ける力が発生するので、蛍光体層3と放熱板4との接触を維持することができ、高い放熱特性を維持することができる。
The adhesive 7 is a material having curing shrinkage, and the amount of curing shrinkage is preferably larger than the amount of thermal expansion at the highest temperature expected to be used. Since the force that always presses the
また、接着剤7にはフィラーなどの固形成分を含まないことが望ましい。固形成分を含むと、蛍光体層3と放熱板4との接触を妨げる可能性がある。さらに、接着剤7は蛍光体の蛍光や励起光に対して透明な材料であることが望ましい。透明な材料を用いることで、接着剤による蛍光や励起光の吸収を抑制して発光効率の低下を抑制できる。
Further, it is desirable that the adhesive 7 does not contain a solid component such as a filler. If a solid component is included, contact between the
以上の観点から上記した接着材料を評価すると、弾性と透光性を有し、かつ耐環境性にも優れたシリコーンゴムが特に望ましい。 When the adhesive material described above is evaluated from the above viewpoint, a silicone rubber having elasticity and translucency and excellent in environmental resistance is particularly desirable.
放熱板4は、蛍光体層3で発生した熱を受け取って外部へ拡散・放熱する役目があり、金属材料や、酸化物または窒化物の焼結体や単結晶が用いられる。この中で、金属材料としてアルミニウムは、熱伝導率が高いのに加えて可視光に対する反射率が高く、放熱板による蛍光や励起光の吸収を抑制して発光効率の低下を抑制できるので、特に望ましい。また、放熱板表面の反射率を上げるために、銀や亜鉛などの金属材料をコーティングしてもよい。あるいは、熱膨張係数が小さく、かつ熱伝導率の高いAlNなどの窒化物を用いる場合には、その表面に反射率を上げるために銀や亜鉛などの金属材料をコーティングした構成としてもよい。
The heat radiating plate 4 has a role of receiving heat generated in the
蛍光体層3と放熱板4との接合方法の一例を説明する。ここでは、接着剤7として熱硬化型の有機接着剤を用いた例を説明する。
(1)まず、接着剤7を放熱板4の接合面に塗布する。
(2)接着剤が塗布された接合面に、あらかじめ凹部6が形成された蛍光体層3を貼り合わせる。
(3)貼り合わせた蛍光体層3を放熱板4に押し付けて、余分な接着剤7を押し出し、蛍光体層3の凹部6以外の平面部と放熱板4とを直接接触させる。
(4)最後に、蛍光体層3を放熱板4に押し付けたまま加熱炉に投入し、接着剤7を硬化させる。
なお、(3)の工程で、蛍光体層3の平面部と放熱板4との間に少量の接着剤7が残っていても、熱伝導性すなわち放熱特性が悪化することはないので許容される。
An example of a method for joining the
(1) First, the adhesive 7 is applied to the joint surface of the heat sink 4.
(2) The
(3) The bonded
(4) Finally, the
In the step (3), even if a small amount of the adhesive 7 remains between the flat portion of the
上記構成により、凹部に充填された接着剤によって蛍光体層と放熱板との剥離を抑制し、さらに蛍光体層と放熱板と熱膨張係数差に起因する応力を吸収して蛍光体層の破壊を抑制できる。接合面において凹部以外の部分では蛍光体層と放熱板とを直接接触できるので、高い放熱性を得ることができる。 With the above configuration, the adhesive layer filled with the concave portion suppresses the peeling between the phosphor layer and the heat sink, and further absorbs the stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the phosphor layer and the heat sink, thereby destroying the phosphor layer. Can be suppressed. Since the phosphor layer and the heat radiating plate can be in direct contact with each other at the joint surface other than the recesses, high heat dissipation can be obtained.
上記記載の光源装置において、凹部は励起光照射範囲の中心を略中心として分布していることを特徴とする。また、凹部が分布する領域の最外周で囲まれた領域の内側において、蛍光体層は放熱板に少なくとも一部が接触していることを特徴とする。 In the light source device described above, the recesses are distributed with the center of the excitation light irradiation range as a substantial center. Further, at least a part of the phosphor layer is in contact with the heat sink inside the region surrounded by the outermost periphery of the region where the recesses are distributed.
また、上記記載の光源装置において、接着剤は弾性接着剤であり硬化収縮性を有することを特徴とする。そして接着剤の硬化収縮量は、保管時および使用時に想定される最高温度における熱膨張量より大きいことを特徴とする。このような接着剤として、シリコーンゴムが好ましい。 In the light source device described above, the adhesive is an elastic adhesive and has curing shrinkage. The curing shrinkage amount of the adhesive is characterized by being larger than the thermal expansion amount at the maximum temperature assumed during storage and use. As such an adhesive, silicone rubber is preferable.
また、上記記載の光源装置において、放熱板における蛍光体層との接合面が、蛍光体層から発せられる蛍光に対して反射性を有することを特徴とする。このような放熱板として、アルミニウムが好ましい。 In the light source device described above, the bonding surface of the heat radiating plate to the phosphor layer is reflective to the fluorescence emitted from the phosphor layer. As such a heat sink, aluminum is preferable.
このように実施例1の光源装置によれば、温度上昇による蛍光体層と放熱板の接合部の剥離や蛍光体層の破壊を抑制し、かつ高い放熱性を有する光源装置を実現できる。 As described above, according to the light source device of Example 1, it is possible to realize a light source device that suppresses peeling of the bonding portion between the phosphor layer and the heat sink and destruction of the phosphor layer due to a temperature rise and has high heat dissipation.
なお、本実施例では蛍光体層3側に凹部6を形成した例を示したが、放熱板4側に凹部を形成してもよい。あるいは、蛍光体層3と放熱板4の両方に凹部を形成してもよい。
In addition, although the example which formed the recessed
実施例2では、実施例1の光源装置において蛍光体層3内に通気路を形成し、蛍光体層3と放熱板4との接着力を向上させた構成としている。なお、実施例2における光源装置の全体構成と、蛍光体層3に形成する凹部6については、実施例1(図1〜図3)と同様であり、重複する説明を省略する。
In Example 2, the light source device of Example 1 has a configuration in which an air passage is formed in the
図4は、実施例2における蛍光体層3および放熱板4の断面図であり、蛍光体層3の内部を拡大して示す。蛍光体層3は、蛍光体粒子10と分散媒体粒子11の焼結体で構成され、その内部には、上記粒子間の隙間(空孔)が連結して空気を通過させる通気路12を有する。
FIG. 4 is a cross-sectional view of the
蛍光体粒子10は、青色光の励起によって蛍光を発する蛍光材料であり、実施例1で述べた材料(例えばY3Al5O12:Ce等)を用いる。また分散媒体粒子11は、蛍光体粒子の熱を拡散させる材料であり、実施例1で述べた材料(例えばAl2O3等)を用いる。なお、蛍光体層3は、蛍光体粒子10のみで構成してもよい。
The
通気路12は粒子間の隙間が連結して蛍光体層3内を貫通した状態のものであり、蛍光体層3の焼結条件を変えること形成し、またその大きさや数を制御することができる。具体的には、焼結時の温度、または蛍光体粒子10と分散媒体粒子11の粒子径を調整することによって制御できる。焼結時の温度を低く設定するほど、または、粒子径を大きく設定するほど、粒子間の隙間が増加し、多くの通気路12を形成できる。
The air passage 12 is in a state where the gaps between the particles are connected and penetrated through the
このような通気路12を有する蛍光体層3と放熱板4との接合は、実施例1と同様に行うが、通気路12を有することで次の効果がある。蛍光体層3の内部に通気路12を有することで、蛍光体層3と放熱板4との接着時に、凹部6の内部の空気を通気路12を経由して外部へ排出しながら接着剤7を充填することができる。その結果、凹部6内における接着剤7の充填される割合(充填率)が向上し、蛍光体層3と放熱板4との接着力がより向上する。さらに硬化収縮性の接着剤を使用した場合、蛍光体層3を放熱板4に押し付ける収縮応力が増加し、蛍光体層3と放熱板4との接触面積が増加して、放熱特性をより向上させることができる。
The
このように実施例2によれば、蛍光体層に通気路を形成することで、蛍光体層と放熱板との接着力をより向上させ、温度変化に対する信頼性と放熱特性を向上させることができる。 As described above, according to Example 2, by forming a ventilation path in the phosphor layer, the adhesive force between the phosphor layer and the heat radiating plate can be further improved, and reliability with respect to temperature change and heat radiation characteristics can be improved. it can.
なお、本実施例においては、蛍光体層3の焼結条件を制御して形成される空隙の一部を放熱板との接合に用いる凹部6として利用することも可能である。これによれば、凹部6を別途機械加工等により形成する工程を省くことができる。
In this embodiment, a part of the gap formed by controlling the sintering condition of the
実施例3では、実施例1の光源装置において蛍光体層3に形成する凹部の形状をライン状溝とし、蛍光体層3と放熱板4との接着力を向上させた構成としている。なお、実施例3における光源装置の全体構成と、蛍光体層3と放熱板4の構造は実施例1(図1、図2)と同様であり、重複する説明を省略する。
In Example 3, the shape of the recess formed in the
図5は、実施例3における蛍光体層3に形成する凹部の配置の一例を示す図で、放熱板4との接合面側から見た図である。蛍光体層3の接合面には、接合面の端部に貫通するライン状の凹部(凹溝)13を形成している。凹部13は格子状パターンとし、凹部13の少なくとも一部には接着剤7を充填して放熱板4と接着する。その際、蛍光体層3の接合面において凹部を除く平面部分は放熱板4と直接接触させて、放熱特性を向上させる。
FIG. 5 is a diagram showing an example of the arrangement of the concave portions formed in the
凹部(凹溝)13の形成位置(励起光照射範囲8、熱拡散領域9との関係)や凹部13の幅wについては、実施例1における凹部6の条件と同様である。なお、図5では凹部13の形状を格子状パターンとしたが、1方向のみのライン状パターンや、3方向以上のラインの組み合わせパターンや、励起光照射範囲8を略中心とした放射線状パターンであってもよい。
The formation position of the concave portion (concave groove) 13 (relationship with the excitation
凹部13の形成方法としては、例えば、凹部の幅と同程度の粒度の砥粒を用いて凹部の貫通方向のみに研磨を施す方法が挙げられる。これ以外にも、サンドブラスト、エッチングのパターン形成、切削加工、レーザー加工、蛍光体層形成工程においてプレス時に使用する金型に凸部を形成する方法が挙げられる。さらに、上記形成法で凹部を形成した後、凹部形成面に平面研磨を施すことが望ましい。これにより放熱板4との接触面積を増やして放熱性を向上させることができる。
As a method for forming the
実施例3におけるライン状の凹部13の効果について説明する。蛍光体層3の端部に貫通する凹部を有することで、蛍光体層3と放熱板4との接着時に、凹部6の内部の空気を蛍光体層3の端部に向けて排出しながら接着剤7を充填することができる。その結果、凹部13に接着剤7が充填される割合(充填率)が向上し、放熱板4に対する蛍光体層3の接着力が向上する。さらに硬化収縮性の接着剤を使用した場合、蛍光体層3を放熱板に押し付ける収縮応力が増加し、蛍光体層3と放熱板4との接触面積を向上させて、高い放熱性を得ることができる。
The effect of the line-shaped recessed
次に、実施例3の変形例について説明する。
図6は、蛍光体層3に形成する凹部の配置の一変形例を示す図である。凹部13の幅wは、中心から外側に位置するものほど大きく設定している。これは、蛍光体層3と放熱板4との熱膨張係数の違いによって温度変化時に発生する相対ズレ量が、外側に位置するものほど大きくなることを考慮したからである。
Next, a modification of the third embodiment will be described.
FIG. 6 is a view showing a modification of the arrangement of the recesses formed in the
図6の場合、励起光照射範囲8の中心付近は凹部13の幅が狭く、蛍光体層3と放熱板4との接触面積が広いので、高い放熱性が得られる。一方、励起光照射範囲8の中心から離れた位置では、凹部13の幅を広く設定されているので、十分な接着力が確保される。
In the case of FIG. 6, since the width of the
なお、図6に示したように凹部13の幅wを接合面の位置に応じて変化させる方法は、前記実施例1にも適用できる。すなわち、図3におけるドット状の凹部6の幅(直径)wを励起光照射範囲8の中心からの距離に応じて拡大すればよい。さらには、凹部を励起光照射範囲8を中心とする複数の円環状とし、中心からの距離に応じてその幅を拡大したものでもよい。
Note that the method of changing the width w of the
図7は、蛍光体層3に形成する凹部の配置の他の変形例を示す図である。蛍光体層3に形成する凹部(凹溝)13は、励起光照射範囲8においては、励起光照射範囲8の短辺方向に平行に形成している。これは、凹部に起因して生じる蛍光体層3からの発光ムラを低減するためである。これについて説明すると、蛍光体層3の膜厚が薄い場合や光透過率が高い場合は、蛍光体層3の発光領域から放射される光が、凹部に起因してムラを有する場合がある。これに対し図7のように凹部13を形成すると、発光領域全体に対する凹部の溝数が増加し、凹部に起因する明暗が発光領域内で細かく分散され、光放射パターンのムラとして視認されにくくできる効果がある。
FIG. 7 is a view showing another modified example of the arrangement of the concave portions formed in the
なお、図7では、励起光照射範囲8の外側の領域においては、励起光照射範囲8の短辺方向に垂直な方向(図面横方向)にも凹部13を形成しているが、励起光照射範囲8の短辺方向に平行な方向(図面縦方向)のみに形成してもよい。
In FIG. 7, in the region outside the excitation
さらに、凹部に起因した光放射パターンのムラの方向が、光源装置の光放射方向に平行になるように励起光照射範囲8の方向を設定することが望ましい。もし光源装置の光放射方向に垂直にムラが存在する場合、ムラに起因した明暗パターンによる錯覚で遠近感に影響を与える可能性があるからである。
Furthermore, it is desirable to set the direction of the excitation
上記記載の光源装置においては、励起光照射範囲に対向する領域の内部において、凹部が、励起光照射範囲の短辺方向に平行に長辺を有することを特徴とする。また、励起光照射範囲に対向する領域の内部において、凹部が、励起光照射範囲の短辺方向に平行に連なるように分布することを特徴とする。 In the light source device described above, the concave portion has a long side parallel to the short side direction of the excitation light irradiation range inside the region facing the excitation light irradiation range. In addition, the concave portions are distributed inside the region facing the excitation light irradiation range so as to be continuous in parallel with the short side direction of the excitation light irradiation range.
また、上記記載の光源装置において、光源装置から放射されるパターンにおいて、光放射方向に平行な方向が、蛍光体層表面における励起光照射範囲の短辺方向に対応するように放射光学系が配置されていることを特徴とする。 In the light source device described above, the radiation optical system is arranged so that the direction parallel to the light emission direction corresponds to the short side direction of the excitation light irradiation range on the phosphor layer surface in the pattern emitted from the light source device. It is characterized by being.
実施例4では、凹部に起因した光放射パターンのムラを光散乱材料等を用いて低減する構成について説明する。なお、実施例4における光源装置の全体構成と、蛍光体層3に形成する凹部6については、実施例1と同様であり、重複する説明を省略する。
In the fourth embodiment, a configuration for reducing the unevenness of the light radiation pattern caused by the recess using a light scattering material or the like will be described. In addition, about the whole structure of the light source device in Example 4, and the recessed
図8は、実施例4における蛍光体層3および放熱板4の断面図であり、凹部6の内部を拡大して示す。凹部6の内部には光散乱粒子14を設置し、接着剤7を充填する構成とする。光散乱粒子14によって光散乱量が増加するので、凹部6を形成したことによって低下した光散乱量を補うことができる。凹部6の内側に設置された光散乱粒子14は、蛍光体層3と放熱板4との接合面には突出さないことが望ましい。これは、光拡散粒子14が突出した場合、蛍光体層3と放熱板4との接触を妨げ、放熱性の低下をもたらすからである。
FIG. 8 is a cross-sectional view of the
光散乱粒子14は、蛍光体から発せられた光を拡散反射する材料であり、実施例1で述べた分散媒体(例えばAl2O3など)からなる粒子を用いることができる。または、蛍光体層3の励起光に対する透過率が高く、励起光が凹部6まで到達する場合は、光散乱粒子14に蛍光体粒子を含有してもよい。これにより、蛍光体層3で蛍光に変換されなかった励起光を吸収して蛍光に変換することができる。
The
凹部6への光散乱粒子14の設置方法の一例を説明する。
(1)まず、光拡散粒子14の粉末と硬化前の接着剤7を混合してペーストを作製する。
(2)作製したペーストを、蛍光体層3の凹部6が形成された面に塗布し、凹部の内部にペーストを充填する。
(3)スキージ等を用いて蛍光体層3における放熱板4との接合面上のペーストを除去する。
(4)その後、実施例1での説明と同様に接合面に接着剤7を塗布して蛍光体層3と放熱板4と接合する。
An example of a method for installing the
(1) First, a powder is prepared by mixing the powder of the
(2) The prepared paste is applied to the surface of the
(3) The paste on the bonding surface of the
(4) After that, the adhesive 7 is applied to the joint surface in the same manner as described in the first embodiment, and the
このように実施例4の光源装置によれば、凹部に起因した光放射パターンのムラを低減することができる。なお、図8では蛍光体層3に凹部6を形成した例を示したが、放熱板4に凹部を形成してもよい。
As described above, according to the light source device of the fourth embodiment, it is possible to reduce the unevenness of the light emission pattern due to the concave portion. In addition, although the example which formed the recessed
以下、図8と同様に凹部に起因した光放射パターンのムラを低減する変形例を説明する。
図9は、蛍光体層3および放熱板4の変形例を示す断面図である。蛍光体層3の放熱板4との接合面側には光散乱層15を形成し、凹部6は光散乱層15に形成している。凹部6の深さは、光散乱層15を貫通しない大きさとする。光散乱層15は、蛍光体層3の励起光入射面で発した蛍光を散乱反射することで、凹部6へ到達する蛍光を低減し、蛍光体層3から放射される光のムラを低減する。
Hereinafter, similarly to FIG. 8, a modified example that reduces unevenness of the light emission pattern caused by the concave portion will be described.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a modification of the
光散乱層15は、蛍光体層3を構成する材料に近い熱膨張係数を有する材料で構成され、蛍光体から発せられる蛍光に対して蛍光体層3より高い光散乱性を有する。光散乱層15の構成としては、例えば、蛍光体層3を構成する材料と同じ材料からなる粒子の焼結体とし、粒子の粒度分布が蛍光体層3に用いられているものと異なるものを用いることができる。また、蛍光体層3に用いられている蛍光体材料と同じ母体材料で、発光中心元素を含まない材料を用いてもよい。
The
光散乱層15が形成された蛍光体層3の作成方法の一例を説明する。
(1)まず、蛍光体層3の粉末を成型するプレス用の金型に、光散乱層15を構成する材料粉末を投入する。
(2)次に、投入した粉末の上に、光散乱層15以外の部分を構成する材料粉末を投入する。
(3)これをプレス機で圧粉してペレット状にし、その後、加熱炉で加熱して焼結させる。これにより、光散乱層15が形成された蛍光体層3を得ることができる。
An example of a method for producing the
(1) First, the material powder constituting the
(2) Next, the material powder constituting the portion other than the
(3) This is pressed into a pellet by a press machine, and then heated and sintered in a heating furnace. Thereby, the
なお、図9では光散乱層15に凹部6を形成した例を示したが、放熱板4に凹部を形成してもよい。
Although FIG. 9 shows an example in which the
上記記載の光源装置においては、蛍光体層の放熱板に面する側に、蛍光体層から発せられる蛍光に対して光散乱性を有する光散乱層を備え、光散乱層は蛍光体層より光散乱性が高いことを特徴とする。 In the light source device described above, a light scattering layer having a light scattering property with respect to fluorescence emitted from the phosphor layer is provided on the phosphor layer facing the heat dissipation plate, and the light scattering layer is lighter than the phosphor layer. It is characterized by high scattering.
図10は、蛍光体層3および放熱板4の他の変形例を示す断面図である。蛍光体層3の放熱板4との接合面側には光透過層16を形成し、凹部6は光透過層16に形成している。凹部6の深さは、光透過層16を貫通しない大きさとする。さらに、凹部6には、蛍光体から発せられる蛍光に対して透光性を有する透光性接着剤17を充填している。このような構成とすることで、光透過層16および凹部6は同程度に蛍光を透過するので、凹部6に起因する光放射パターンのムラを低減できる。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing another modification of the
光透過層16は、蛍光体層3を構成する材料に近い熱膨張係数を有する材料で構成され、蛍光体から発せられる蛍光に対して蛍光体層3より高い光透過性を有する。光透過層16の構成としては、例えば、蛍光体層3を構成する材料と同じ材料からなる粒子の焼結体とし、緻密性が蛍光体層3より高くなるように粒度分布が小さい粒子を用いることができる。また、蛍光体層3に用いられている蛍光体材料と同じ母体材料で、発光中心を除いた材料を用いてもよい。さらに、緻密性を向上させるために融点を低下させるフラックスを添加してもよい。
The
光透過層16の他の構成として、蛍光体層3はその内部に空隙を有する焼結体として、光透過層16は上記空隙内を空気より屈折率が高く蛍光に対して透過性を有する透明材料で充填した構成とすることができる。空隙を上記透明材料で充填することで、蛍光に対する透過性を得ることができる。上記透明材料としては、充填時に液体状態となり上記空隙に侵入できる材料であり、例えば、シリコーン系、エポキシ系、アクリル系などの有機接着剤、低融点ガラスなどが挙げられる。
As another configuration of the
透光性接着剤17は、接合時に液体状態となり凹部6に進入できる材料であり、硬化後は温度変化時の蛍光体層3と放熱板4とのズレによって剥離や凝集破壊を起こさない接着力および弾性を有し、かつ、励起光に対して透光性を有する材料である。例えば、シリコーン系、エポキシ系、アクリル系などの有機接着剤、低融点ガラスなどが挙げられる。
The
特に有機接着剤は比較的低温で接着可能であり、製造コストや接着時の蛍光体材料などの劣化抑制の面で望ましい。また、有機接着剤の中でもシリコーンゴムなどの弾性率が100MPa以下の弾性接着剤は、上記ズレを柔軟に吸収することが可能であるので望ましい。 In particular, the organic adhesive can be bonded at a relatively low temperature, and is desirable in terms of manufacturing cost and suppression of deterioration of the phosphor material during bonding. Among organic adhesives, an elastic adhesive having an elastic modulus of 100 MPa or less, such as silicone rubber, is desirable because it can absorb the above-mentioned displacement flexibly.
また、透光性接着剤17は硬化収縮性を有する材料で、さらに、その硬化収縮量は使用が想定される最高温度における熱膨張量より大きいことが望ましい。透光性接着剤17の収縮応力により常に蛍光体層3を放熱板4に押し付ける力が発生するので、蛍光体層3と放熱板4との接触を維持することができ、高い放熱性を維持することができる。
Further, the
また、透光性接着剤17にはフィラーなどの固形成分を含まないことが望ましい。固形成分を含むと、蛍光体層3と放熱板4との接触を妨げる可能性があるからである。
Moreover, it is desirable that the
以上の観点から透光性接着剤17として、弾性、透光性を有し、かつ、耐環境性にも優れたシリコーンゴムが望ましい。
In view of the above, the
上記記載の光源装置においては、蛍光体層の放熱板に面する側に、蛍光体層から発せられる蛍光に対して光透過性を有する光透過層を備え、光透過層は蛍光体層より光透過性が高いことを特徴とする。 In the above-described light source device, the phosphor layer is provided with a light transmissive layer having light permeability with respect to the fluorescence emitted from the phosphor layer on the side facing the heat dissipation plate, and the light transmissive layer is lighter than the phosphor layer. It is characterized by high permeability.
上記記載の光源装置においては、接着剤が蛍光体層から発せられる蛍光に対して透光性を有することを特徴とする。 In the light source device described above, the adhesive has a light-transmitting property with respect to the fluorescence emitted from the phosphor layer.
以上のように実施例4の光源装置によれば、光散乱粒子、光散乱層、あるいは光透過層を設けることで、凹部に起因した光放射パターンのムラを低減することができる。 As described above, according to the light source device of Example 4, by providing the light scattering particles, the light scattering layer, or the light transmission layer, it is possible to reduce the unevenness of the light radiation pattern due to the recesses.
実施例5では、励起光を放熱板側から入射させ蛍光体層から透過光を取り出す透過型の光源装置の構成を説明する。 In the fifth embodiment, a configuration of a transmission type light source device in which excitation light is incident from the heat radiation plate side and transmitted light is extracted from the phosphor layer will be described.
図11は、実施例5における光源装置の構成を示す斜視図である。実施例1(図1)と同一の要素には同一の符号を付し、その説明は簡単に行う。光源装置100’は、半導体発光素子1と、集光レンズ2と、蛍光体層3と、透光性放熱板18と、リフレクタ(反射器)5とを備えている。半導体発光素子1は蛍光体層3の励起光としての青色レーザー光を出射する。集光レンズ2は、半導体発光素子1から出射された励起光20を、下方に配置された透光性放熱板18と蛍光体層3との接合面に集光させる。リフレクタ5は、蛍光体層3の下方を臨むように配設され、反射面5aにより、蛍光体層3から出射された蛍光30および拡散透過された励起光20’を前方へ反射させる構成となっている。
FIG. 11 is a perspective view illustrating the configuration of the light source device according to the fifth embodiment. The same elements as those in the first embodiment (FIG. 1) are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be simply given. The
図12は、実施例5における蛍光体層3および透光性放熱板18の断面図である。透光性放熱板18は、励起光20を透過し、かつ、蛍光体層3で発生した熱を受け取って外部へ拡散・放熱するものであり、透明無機材料の単結晶やガラスで構成される。特に、透明無機材料としてサファイアは、熱伝導率が高いので望ましい。
FIG. 12 is a cross-sectional view of the
透光性放熱板18の接合面側には複数の凹部19が形成されている。凹部19の少なくとも一部には透光性接着剤17が充填されて、蛍光体層3と透光性放熱板18を接着している。透光性接着剤17の構成材料については、実施例4(図10)で説明したものと同一であるので、説明を省略する。透光性放熱板18の接合面において凹部19を除く平面部分の少なくとも一部は蛍光体層3と直接接触している。蛍光体層3と透光性放熱板18が直接接触しているので、蛍光体層3の熱を効率良く透光性放熱板18に伝達させ、放熱特性を向上させることができる。
A plurality of
本実施例においても、接合面に対する凹部19の占める割合(凹部面積比)に応じて接着力と放熱特性が変化する。よって、実施例1と同様に、接着力と放熱特性の両方を満足するように凹部面積比を決定する。
Also in the present embodiment, the adhesive force and the heat dissipation characteristics change according to the ratio (concave area ratio) of the
図13は、透光性放熱板18に形成する凹部19の配置の一例を示す図で、蛍光体層3との接合面側から見た図である。この例では、凹部19の形状は、蛍光体層3の接合面の端部に貫通する格子状パターンとしている。パターンの中心は、蛍光体層3に対する励起光照射範囲8を略中心として形成している。蛍光体層3のサイズは励起光照射範囲8と同程度か、これより広く、かつ、凹部19は、上記範囲8と同程度か、これより広く設けられることが望ましい。これにより励起光照射範囲8で発生した熱を透光性放熱板17に放熱する十分な経路を確保することができる。また、凹部19は、上記範囲8の外側のみに形成されている。これにより、蛍光体層3を透過してリフレクタ5に放射される励起光が凹部19のパターンに起因して発生する放射分布ムラを抑制できる。
FIG. 13 is a view showing an example of the arrangement of the
凹部19の幅wは、前記実施例3(図6)と同様に、中心から外側に位置するものほど広く設定している。これは、蛍光体層3と透光性放熱板18との熱膨張係数の違いによって温度変化時に発生する相対ズレ量が、外側に位置するものほど大きくなることを考慮したからである。
The width w of the
凹部19の形成方法としては、例えば、サンドブラスト、エッチングのパターン形成、切削加工、レーザー加工が挙げられる。さらに、上記形成法で凹部を形成した後、凹部形成面に平面研磨を施すことが望ましい。これにより蛍光体層3との接触面積を増やして放熱性を向上させることができる。
Examples of the method of forming the
このように実施例5の光源装置によれば、透過型の光源装置においても、温度変化による接合部の剥離やセラミックスの破壊を抑制し、かつ高い放熱性を得ることができる。 As described above, according to the light source device of Example 5, even in the transmission type light source device, it is possible to suppress the peeling of the joint portion and the destruction of the ceramic due to the temperature change and to obtain high heat dissipation.
なお、本実施例では透光性放熱板18に凹部19を形成した例を示したが、蛍光体層3に凹部を形成してもよい。また、本実施例では凹部を格子状に形成した例を示したが、実施例1に示したような複数のドット状の凹部で構成したり、あるいは励起光照射範囲8の中心を略中心とした複数の円環状の凹部で構成してもよい。また、本実施例では励起光照射範囲8の内部に凹部19を形成しない例を示したが、凹部19のパターンに起因して発生する放射分布ムラが製品上問題ない程度であれば、励起光照射範囲8の内部に凹部19を形成してもよい。
In addition, although the example which formed the recessed
本発明は、上記した各実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and includes various modifications. The above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Further, it is possible to add, delete, and replace the configurations of other embodiments with respect to a part of the configurations of the embodiments.
1:半導体発光素子、
2:集光レンズ、
3:蛍光体層、
4:放熱板、
5:リフレクタ、
6:凹部、
7:接着剤、
8:励起光照射範囲、
9:熱拡散の目安となる領域、
10:蛍光体粒子、
11:分散媒体粒子、
12:通気路、
13:凹部、
14:光散乱粒子、
15:光散乱層、
16:光透過層、
17:透光性接着剤、
18:透光性放熱板、
19:凹部、
100:光源装置。
1: Semiconductor light emitting device,
2: Condensing lens,
3: phosphor layer,
4: Heat sink,
5: Reflector,
6: recess,
7: Adhesive,
8: Excitation light irradiation range,
9: Area that is a measure of thermal diffusion,
10: phosphor particles,
11: Dispersion medium particles,
12: Ventilation path
13: recess,
14: Light scattering particles,
15: light scattering layer,
16: light transmission layer,
17: Translucent adhesive,
18: Translucent heat sink,
19: recess,
100: Light source device.
Claims (3)
前記蛍光体層と接合して該蛍光体層で発生した熱を放熱する放熱板を備え、
前記蛍光体層と前記放熱板との接合面において、前記蛍光体層または前記放熱板の少なくとも一方に複数の凹部を形成し、該凹部の少なくとも一部には接着剤が充填され、該接着剤によって前記蛍光体層と前記放熱板が接着されるとともに、
前記凹部の少なくとも一部は、その幅が、前記蛍光体層と前記放熱板との熱膨張係数の違いに起因して、保管時および使用時に想定される温度範囲で生じる相対ズレ量より大きく、
かつ、前記凹部の幅は、前記光源からの励起光の照射範囲の中心から外側に位置するものほど大きく形成していることを特徴とする光源装置。 A light source device that has a light source that emits excitation light and a phosphor layer that emits fluorescence and diffused excitation light in response to the excitation light, and emits the fluorescence and the diffused excitation light as irradiation light There,
A heat sink that dissipates heat generated in the phosphor layer by joining with the phosphor layer,
A plurality of recesses are formed in at least one of the phosphor layer or the heat radiating plate at a joint surface between the phosphor layer and the heat radiating plate, and at least a part of the recess is filled with an adhesive, It said radiator plate and said phosphor layer is bonded by Rutotomoni,
At least a part of the concave portion has a width larger than a relative deviation amount generated in a temperature range assumed during storage and use due to a difference in thermal expansion coefficient between the phosphor layer and the heat radiating plate,
And the width | variety of the said recessed part is formed so large that it is located outside the center of the irradiation range of the excitation light from the said light source, It is characterized by the above-mentioned .
前記蛍光体層と接合して該蛍光体層で発生した熱を放熱する放熱板を備え、A heat sink that dissipates heat generated in the phosphor layer by joining with the phosphor layer,
前記蛍光体層と前記放熱板との接合面において、前記蛍光体層または前記放熱板の少なくとも一方に複数の凹部を形成し、該凹部には接着剤が充填され、該接着剤によって前記蛍光体層と前記放熱板が接着されるとともに、A plurality of recesses are formed in at least one of the phosphor layer or the heat dissipation plate at a joint surface between the phosphor layer and the heat dissipation plate, and the recess is filled with an adhesive. The layer and the heat sink are bonded,
前記蛍光体層の内部には、前記蛍光体層と前記放熱板との接着時に、前記凹部の内部の空気を通過させ外部へ排出しながら前記接着剤を充填させるための通気路を有することを特徴とする光源装置。The inside of the phosphor layer has a ventilation path for filling the adhesive while allowing the air inside the recess to pass through and discharging to the outside when the phosphor layer and the heat radiating plate are bonded. A light source device.
前記凹部の内部に、前記蛍光体層から発せられる蛍光に対して光散乱性を有するとともに、励起光を吸収して蛍光に変換する蛍光体粒子を含有させた光散乱粒子を設置したことを特徴とする光源装置。 The light source device according to claim 1 or 2,
A light scattering particle containing phosphor particles that have a light scattering property with respect to the fluorescence emitted from the phosphor layer and that absorbs excitation light and converts it into fluorescence is disposed inside the recess. A light source device.
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