JPWO2014065051A1 - 蛍光光源装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、励起光の照射による波長変換部材の温度上昇が抑制されると共に、高い発光効率の得られる蛍光光源装置を提供することを目的とするものである。本発明の蛍光光源装置は、励起光により励起される蛍光体よりなる波長変換部材を備えた蛍光光源装置であって、前記波長変換部材が接合部材を介して熱伝導性基板と接合されており、前記波長変換部材は、熱伝導率が４．０Ｗ／ｍＫ以上であり、前記熱伝導性基板は、前記波長変換部材との熱膨張係数の差が、当該波長変換部材の熱膨張係数の±４０％以内である材料よりなり、前記接合部材が、前記波長変換部材よりも高い熱伝導率を有することを特徴とする。

Description

本発明は、蛍光光源装置に関し、更に詳しくは、例えば、レーザ光等の励起光で励起される蛍光体よりなる波長変換部材を備えた、プロジェクター用光源として好適な蛍光光源装置に関する。

従来、プロジェクター装置に用いられる緑色光源として、レーザ光源と、当該レーザ光源からのレーザ光で励起される蛍光体よりなる波長変換部材とを備えてなる蛍光光源装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
具体的に、特許文献１には、図８に示すように、プロジェクター装置の緑色光源として、青色領域で発振するレーザ光を放射するレーザ光源５１と、蛍光ホイール５２と、当該蛍光ホイール５２を回転させるためのホイールモーター５３とを備えてなる蛍光光源装置が用いられている。この蛍光ホイール５２は、レーザ光源５１からのレーザ光を透過する基材上に、当該レーザ光で励起される蛍光体よりなる波長変換部材が形成されてなるものである。
図８において、６１は、コリメートレンズであり、６２は、赤色発光ダイオードよりなる赤色光源である。また、６３Ａ，６３Ｂ，６３Ｃ，６４Ａ，６４Ｂ，６４Ｃは、集光レンズである。また、６５は、緑色光源からの光を透過し、赤色光源からの光を反射するダイクロイックレンズであり、６６は、導光装置用入射レンズである。また、６７は、反射ミラーであり、６８は、導光装置である。

このように、蛍光ホイール５２を回転させる回転機構を有する蛍光光源装置においては、蛍光ホイール５２が回転することによって、波長変換部材が空冷されている。
しかしながら、ホイールモーター５３を含む蛍光ホイール５２の駆動系の構成が煩雑であり、しかも、構成部材の劣化に起因してホイールモーター５３に長い使用寿命が得られない、という問題がある。また、蛍光ホイール５２を回転するだけでは波長変換部材を十分に冷却することができない、という問題もある。

而して、蛍光光源装置としては、回転機構を有さない構成のものが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
具体的に、特許文献２には、図９に示すように、レーザ光源からのレーザ光で励起される蛍光体よりなる波長変換部材７１と、熱膨張係数が波長変換部材とは相違する材料よりなる基板７２と、波長変換部材７１と基板７２との間に形成された硫酸バリウムよりなる熱膨張吸収層７３とを有する蛍光発光体を備えた蛍光光源装置が開示されている。
この蛍光光源装置においては、基板７２が高い熱伝導率を有する窒化アルミニウム焼結体よりなり、この基板７２における熱膨張吸収層７３の積層面に対向する面（図９における下面）には、金属よりなる放熱プレート７４が共晶接合されている。また、放熱プレート７４の基板７２との接合面に対向する面（図９における下面）には、放熱用フィン７５が固定されている。

しかしながら、熱膨張吸収層７３を有する蛍光発光体を備えた蛍光光源装置において、ガラスをバインダーとした硫酸バリウム層は熱伝導性が低いものである。そのため、波長変換部材７１においてレーザ光が照射されることによって発生する熱を、効率的に基板７２、および基板７２を介して放熱プレート７４および放熱用フィン７５に伝達して外部に放熱することができない。これにより、波長変換部材７１が高温となってしまう、という問題がある。
このように波長変換部材７１が高温となることによれば、レーザ光によって波長変換部材７１を構成する蛍光体を十分に励起させることができなくなる。また、蛍光体自体が温度上昇して温度消光による光束低下が生じ、十分な蛍光光束が得られなくなる、などの種々の弊害が生じる。

特開２０１１−１３３１６号公報 特開２０１１−１９８５６０号公報

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、励起光の照射による波長変換部材の温度上昇が抑制されると共に、高い発光効率の得られる蛍光光源装置を提供することにある。

本発明の蛍光光源装置は、励起光により励起される蛍光体よりなる波長変換部材を備えた蛍光光源装置であって、
前記波長変換部材が接合部材を介して熱伝導性基板と接合されており、
前記波長変換部材は、熱伝導率が４．０Ｗ／ｍＫ以上であり、
前記熱伝導性基板は、前記波長変換部材との熱膨張係数の差が、当該波長変換部材の熱膨張係数の±４０％以内である材料よりなり、
前記接合部材が、前記波長変換部材よりも高い熱伝導率を有することを特徴とする。

本発明の蛍光光源装置においては、前記波長変換部材を構成する蛍光体が単結晶材料または気孔率が０．５％以下の多結晶材料よりなることが好ましい。

本発明の蛍光光源装置においては、前記熱伝導性基板が、少なくともグラファイトとアルミニウムとの複合材料よりなることが好ましい。

本発明の蛍光光源装置においては、前記熱伝導性基板が、放熱用フィンを備えているものであることが好ましい。

本発明の蛍光光源装置においては、波長変換部材が特定の熱伝導率を有し、接合部材が当該波長変換部材よりも高い熱伝導率を有することから、励起光が照射されることによって波長変換部材において発生する熱を、接合部材を介して熱伝導性基板に効率よく伝達することができる。また、熱伝導性基板が波長変換部材とほぼ同等の熱膨張係数を有する材料よりなることから、波長変換部材の熱が接合部材を介して熱伝導性基板に伝達される熱サイクルに高い信頼性が得られる。これにより、波長変換部材および熱伝導性基板が熱膨張することに起因して、熱伝導性基板と波長変換部材とに剥離が生じること、および波長変換部材にクラックが発生することなどが防止できる。
従って、本発明の蛍光光源装置によれば、波長変換部材において発生した熱を、接合部材を介して熱伝導性基板に効率よく伝達して外部に放熱することができるため、励起光の照射による波長変換部材の温度上昇を抑制し、高い発光効率を得ることができる。

本発明の蛍光光源装置においては、波長変換部材を構成する蛍光体が単結晶材料または気孔率が０．５％以下の多結晶材料よりなることから、波長変換部材を所望の熱伝導率を有する高熱伝導性のものとすることができる。また、波長変換部材が、気孔がない、あるいは気孔が殆どないものとなることから、照射される励起光の後方散乱が殆どなくなり、効率よく励起が行われる。

本発明の蛍光光源装置においては、熱伝導性基板が少なくともグラファイトとアルミニウムとの複合材料よりなることにより、当該熱伝導性基板を、高い熱伝導性と共に所望の熱膨張係数を有するものとすることができる。また、グラファイトとアルミニウムとの複合材料が金属よりも比重の小さいものであるため、波長変換部材と熱伝導性基板とが接合部材を介して接合された蛍光発光体の軽量化を図ることができる。

本発明の蛍光光源装置においては、熱伝導性基板が放熱用フィンを備えているものであることにより、放熱用フィンによる放熱作用によって熱伝導性基板により一層高い放熱作用が得られる。また、熱伝導性基板に放熱用フィンを固定するためのフィン固定用接合部材を用いる必要がないことから、放熱用フィンに対してフィン固定用接合部材を介して熱伝達をする必要がない。そのため、励起光の照射による波長変換部材の温度上昇がより一層抑制されることから、発光効率をより高めることができる。
しかも、熱伝導性基板が少なくともグラファイトとアルミニウムとの複合材料よりなる場合には、当該複合材料が比重の小さいものであるため、放熱用フィンを備えることに伴う熱伝導性基板の重量化を抑制することができる。

本発明の蛍光光源装置の構成の一例の概要を示す説明図である。 図１の蛍光光源装置における、波長変換部材と熱伝導性基板とが接合部材を介して接合された蛍光発光体の構成の第１の実施形態の概略を示す説明用斜視図である。 図２の蛍光発光体の断面を示す説明用断面図である。 図１の蛍光光源装置のレーザ光源として用いられる強励起光源装置における光源ユニットの構成の一例の概略を示す説明図である。 図２の蛍光発光体における波長変換部材を構成する蛍光体の温度消光特性を示すグラフである。 本発明の蛍光光源装置における、波長変換部材と熱伝導性基板とが接合部材を介して接合された蛍光発光体の構成の第２の実施形態の概略を示す説明用断面図である。 本発明の蛍光光源装置における、波長変換部材と熱伝導性基板とが接合部材を介して接合された蛍光発光体の構成の第３の実施形態の概略を示す説明用断面図である。 従来の蛍光光源装置の構成の一例を示す説明図である。 従来の蛍光光源装置の構成の他の例における、波長変換部材を有する蛍光発光体の構成の一例を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の蛍光光源装置の構成の一例の概要を示す説明図であり、図２は、図１の蛍光光源装置における、波長変換部材と熱伝導性基板とが接合部材を介して接合された蛍光発光体の構成の第１の実施形態の概略を示す説明用斜視図であり、図３は、図２の蛍光発光体の断面を示す説明用断面図である。
この蛍光光源装置１０は、励起光光源としてのレーザ光源３０と、当該レーザ光源３０からのレーザ光で励起される蛍光体よりなる波長変換部材２１を有する蛍光発光体２０とを備えている。また、レーザ光源３０の光出射口３０Ａから出射されたレーザ光が蛍光発光体２０に至るまでの光路上には、コリメートレンズ１２と、コリメートレンズ１２によって略平行光とされたレーザ光を透過させるダイクロックミラー１１と、透過したレーザ光を集光する集光レンズ１３，１４とがこの順に配置されている。ダイクロックミラー１１は、コリメートレンズ１２の光軸に対して例えば４５°の角度で傾斜した姿勢で配置されている。

そして、蛍光発光体２０は、図２および図３に示すように、矩形平板状の熱伝導性基板２６上に、矩形平板状の波長変換部材２１が、接合部材を介して接合されてなる構成のものである。熱伝導性基板２６と波長変換部材２１との間には、接合部材よりなる矩形平板状の接合部材層２９が形成されている。
この蛍光発光体２０は、波長変換部材２１の表面（図３における上面）が、レーザ光源３０の光出射口３０Ａに対向するように配置されており、当該表面によって励起光が照射される被照射面が構成されている。

波長変換部材２１は、熱伝導率が４．０Ｗ／ｍＫ以上である蛍光体よりなるものである。 波長変換部材２１の熱伝導率が４．０Ｗ／ｍＫ未満である場合には、波長変換部材において励起光の照射によって発生した熱を効率よく熱伝導性基板２６に伝達することができず、波長変換部材が高温となり、十分な蛍光への交換（以下、「蛍光変換効率」という。）が得られなくなる。

この波長変換部材２１を構成する蛍光体は、単結晶材料または気孔率が０．５％以下の多結晶材料よりなるものであることが好ましい。
波長変換部材２１として、単結晶材料または気孔率が０．５％以下の多結晶材料よりなる蛍光体を用いることで、波長変換部材２１を所望の熱伝導率を有する高熱伝導性のものとすることができる。その理由は、単結晶材料は気孔がなく、また多結晶材料は気孔が殆どないため、気孔に熱伝導率の低い空気が存在することに起因して熱伝導性が大幅に低下することがないためである。
また、単結晶材料または多結晶材料よりなる波長変換部材２１は、気孔がない、あるいは気孔が殆どなく、照射される励起光の後方散乱が殆どないため、励起光が効率よく波長変換部材２１内部に侵入でき、よって効率よく蛍光体が励起される。
ここに、波長変換部材として気孔率が０．５％を超える多結晶材料を用いた場合には、後述の実験例から明らかなように、所望の熱伝導率が得られない、すなわち熱伝導率が４．０Ｗ／ｍＫ未満となる。

単結晶材料としては、例えば坩堝の中で溶融状態とされた原材料に、種子結晶を接触させて鉛直方向に保持しつつ回転させながら引き上げることによって結晶（単結晶）を成長させるチョクラルスキー法（ＣＺ法）によって得られたものが用いられる。
ここに、原材料および種子結晶としては、種々のものを用いることができる。

多結晶材料としては、ボールミルなどの粉砕機を用いて原材料（母材、焼成助剤および必要に応じて賦活剤）を粉砕して粒径をサブミクロン以下とし、得られた原料の微粉末からスリップキャスト法によって焼結体を形成した後、得られた焼成体に熱間等方圧加圧加工を施したものが用いられる。
ここに、原材料としては、焼結可能なものであれば、種々のものを用いることができる。

波長変換部材２１を構成する単結晶材料および多結晶材料は、希土類化合物が賦活剤としてドープ（賦活）されたものであることが好ましい。
希土類化合物としては、例えばセリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）およびサマリウム（Ｓｍ）などが挙げられる。
希土類化合物のドープ量は、例えばドープされる希土類化合物の種類などに応じて適宜に定められるが、例えば０．５ｍｏｌ％程度である。

波長変換部材２１を構成する蛍光体の具体例としては、例えばイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｙ₃ Ａｌ₅ Ｏ₁₂）にセリウムがドープされた結晶材料（ＹＡＧ：Ｃｅ）、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｙ₃ Ａｌ₅ Ｏ₁₂）にプラセオジムがドープされた結晶材料（ＹＡＧ：Ｐｒ）、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｙ₃ Ａｌ₅ Ｏ₁₂）にサマリウムがドープされた結晶材料（ＹＡＧ：Ｓｍ）、およびルテチウム・アルミニウム・ガーネット（Ｌｕ₃ Ａｌ₅ Ｏ₁₂）にセリウムがドープされた結晶材料（ＬｕＡＧ：Ｃｅ）などが挙げられる。

波長変換部材２１の厚みは、３０〜２００μｍであることが好ましく、更に好ましくは５０〜１５０μｍである。
波長変換部材２１の厚みが過小である場合には、励起光が透過してしまうために、波長変換部材２１において励起光を十分に吸収することができず、蛍光の変換量が小さくなるおそれがある。一方、波長変換部材２１の厚みが過大である場合には、波長変換部材２１の熱抵抗により、励起光が照射されることによって発生する熱が波長変換部材２１に蓄積されて高温となるおそれがある。

また、波長変換部材２１には、接合部材との接合性、および蛍光光源装置１０の構成上の観点から、図３に示すように、裏面（図３における下面）の全面に、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂ ）膜（図示せず）を介して、反射膜層２２、保護膜層２３，２４および半田濡れ膜層２５が積層された金属膜が形成されていることが好ましい。
この金属膜において、反射膜層２２は、例えば銀（Ａｇ）よりなり、保護膜層２３は、例えばチタン（Ｔｉ）よりなり、保護膜層２４は、例えば白金（Ｐｔ）よりなり、半田濡れ膜層２５は、例えば金（Ａｕ）よりなる。また、金属膜を構成する反射膜層２２、保護膜層２３，２４および半田濡れ膜層２５は、各々、例えばスパッタ法によって形成することができる。
ここに、波長変換部材２１と熱伝導性基板２６との間に二酸化ケイ素膜および金属膜が設けられている場合であっても、二酸化ケイ素膜の厚みは１０ｎｍと十分薄いため熱抵抗は無視することができ、また金属膜の各層を構成する金属膜も数百ｎｍ程度と薄く、しかも良好な熱伝導率を有するものであることから、熱伝導性基板２６に対する波長変換部材２１からの熱伝達に弊害が生じることがない。
この図の例において、二酸化ケイ素膜の厚みは、１０ｎｍである。また、金属膜を構成する各層の厚みは、反射膜層２２が１１０ｎｍ、保護膜層２３が１００ｎｍ、保護膜層２４が２００ｎｍおよび半田濡れ膜層２５が５００ｎｍである。また、波長変換部材２１の表面は、被照射面として機能すると共に、光出射面としても機能する。

熱伝導性基板２６は、高い熱伝導性を有すると共に、波長変換部材２１との熱膨張係数の差が、当該波長変換部材２１の熱膨張係数の±４０％以内である材料（以下、「基板材料」という。）よりなるものである。この基板材料において、波長変換部材２１との熱膨張係数の差は、波長変換部材２１の熱膨張係数の±２０％以内であることが好ましく、波長変換部材２１の熱膨張係数の±１５％以内であることが更に好ましい。
すなわち、基板材料の熱膨張係数は、波長変換部材２１の熱膨張係数をＣ〔／Ｋ〕とすると、０．６Ｃ〜１．４Ｃ〔／Ｋ〕であることが必要とされ、好ましくは０．８Ｃ〜１．２Ｃ〔／Ｋ〕であり、更に好ましくは０．８５Ｃ〜１．１５Ｃ〔／Ｋ〕である。
熱伝導性基板２６を構成する材料の熱膨張係数が過小および過大である場合、すなわち熱伝導性基板２６を構成する材料における波長変換部材２１の熱膨張係数との差が過大である場合には、熱膨張に起因して、熱伝導性基板と波長変換部材２１とが剥離したり、波長変換部材２１にクラックが生じたりするおそれがある。
ここに、波長変換部材２１の熱膨張係数は、当該波長変換部材２１を構成する蛍光体としてＹＡＧ、ＬｕＡＧを用いた場合には、８．０×１０^-6／Ｋである。

基板材料の好ましい具体例としては、グラファイトとアルミニウムとの複合材料（以下、「グラファイト複合材」ともいう。）が挙げられる。
ここに、グラファイト複合材の熱膨張係数は、７×１０^-6〜８×１０^-6／Ｋであり、また、熱伝導率は１６８〜４２５Ｗ／ｍＫである。

グラファイト複合材は、溶湯鍛造法によって得られるものである。
具体的には、グラファイト複合材は、グラファイトブロックを、溶融したアルミニウム金属に浸漬し、その溶融アルミニウム金属に高い圧力をかけることによって当該グラファイトブロックに存在する気孔に強制的に溶融アルミニウム金属を圧入・含浸し、その後冷却することによって製造することができる。このような製造方法によれば、得られる特定グラファイト複合材を、緻密で鋳巣（空洞）の少ない鋳造物とすることができる。

基板材料としては、グラファイト複合材の他、例えば溶湯鍛造法によって得られる炭化ケイ素とアルミニウムとの複合材料、銅タングステン合金、モリブデン、ダイヤモンド銅複合体およびアルミダイヤモンド複合体などを用いることができる。
ここに、炭化ケイ素とアルミニウムとの複合材料の熱膨張係数は、６×１０^-6〜７×１０^-6／Ｋであり、また、熱伝導率は２７６Ｗ／ｍＫである。銅タングステン合金の熱膨張係数は、６．４×１０^-6／Ｋであり、また、熱伝導率は１６７Ｗ／ｍＫである。モリブデンの熱膨張係数は、４．８×１０^-6／Ｋであり、また、熱伝導率は１３８Ｗ／ｍＫである。ダイヤモンド銅複合体の熱膨張係数は、６×１０^-6／Ｋであり、また、熱伝導率は５５０Ｗ／ｍＫである。アルミダイヤモンド複合体の熱膨張係数は、７．５×１０^-6／Ｋであり、また、熱伝導率は５００Ｗ／ｍＫである。

熱伝導性基板２６は、接合部材との接合性の観点から、図３に示すように、基板材料よりなる基材２６Ａの表面（図３における上面）に、保護膜層２７および半田濡れ膜層２８がこの順に積層された金属膜が形成されたものであることが好ましい。
この金属膜において、保護膜層２７は、例えば無電解めっき法によって形成されたニッケル−リンめっき膜（Ｎｉ−Ｐ膜）よりなり、半田濡れ膜層２８は、例えばめっき法によって形成された金（Ａｕ）膜よりなる。
ここに、熱伝導性基板２６が金属膜が設けられたものであっても、金属膜の各層を構成する金属が良好な熱伝導率を有するものであることから、熱伝導性基板２６に対する波長変換部材２１からの熱伝達に弊害が生じることがない。
この図の例において、熱伝導性基板２６は、基板材料よりなる基材２６Ａの外表面全面（表面、裏面および側面）が、保護膜層２７および半田濡れ膜層２８よりなる金属膜で覆われてなるものである。この金属膜を構成する各層の厚みは、保護膜層２７が２μｍ、半田濡れ膜層２８が０．１μｍである。

熱伝導性基板２６における基材２６Ａの厚みは、排熱性の観点から、当該基材２６Ａを構成する基板材料の熱伝導率に応じて適宜に定められる。
具体的に、基板材料がグラファイト複合材である場合において、基材２６Ａの厚みは、１．０〜２.０μｍであることが好ましい。
また、熱伝導性基板２６における表面（図３のにおける上面）の面積は、排熱性などの観点から、波長変換部材２１における裏面の面積よりも大きいことが好ましい。

接合部材は、波長変換部材２１よりも高い熱伝導率を有するものである。
接合部材の熱伝導率が波長変換部材２１の熱伝導率以下である場合には、波長変換部材２１において励起光の照射によって発生した熱を効率よく熱伝導性基板２６に対して伝達することができないため、波長変換部材２１が高温となり、十分な蛍光交換効率が得られなくなる。

接合部材としては、フラックスフリー半田が用いられる。
ここに、フラックスフリー半田の熱伝導率は、４０〜５５Ｗ／ｍＫである。

この接合部材による波長変換部材２１と熱伝導性基板２６との接合は、例えばリフロー炉を用い、接合部材としてのフラックスフリー半田シートを、必要に応じて二酸化ケイ素膜および金属膜が形成された波長変換部材２１と、熱伝導性基板２６との間に挟み、蟻酸ガスまたは水素ガスの雰囲気中において加熱を行うリフロー方式によって行うことができる。
このように、蟻酸または水素の還元力を利用してフラックスフリー半田シートの表面酸化膜を除去してリフローを行う接合方法によれば、形成される接合部材層２９にボイドが生じることがなく、良好な熱伝導性が得られる。

リフロー方式による波長変換部材２１と熱伝導性基板２６との接合に供する接合部材（フラックスフリー半田シート）の厚みは、例えば５０μｍである。
また、形成される接合部材層２９は、波長変換部材２１および熱伝導性基板２６との接合性、接合部材層２９による排熱性および熱伝導性基板２６への熱伝達性などの観点から、表面（図３における上面）の面積が波長変換部材２１の裏面の面積よりも大きく、かつ裏面（図３における下面）の面積が熱伝導性基板２６の表面の面積よりも小さいことが好ましい。

波長変換部材２１に対して励起光を照射するレーザ光源３０としては、例えば、図４に示すような複数（図４の例においては１４個）のレーザ発光素子３２を備えたレーザ光源ユニット３１を複数（この例においては、５個）備えた強励起光源装置が用いられる。

この強励起光源装置のレーザ光源ユニット３１においては、１４個のレーザ発光素子３２が２列に配列されており、各列を構成する７個のレーザ発光素子３２の各々が、光出射面が対向するように配置されている。これらの１４個のレーザ発光素子３２の各々の光出射面の前方には、コリメートレンズ３３が配設されており、これらの複数のコリメートレンズ３３の各々によって略平行光とされたレーザ光を同一方向に進むように屈曲させる折り返しミラー３４が設けられている。また、複数の折り返しミラー３４の各々によって反射された光を集光する集光レンズ３５と、この集光レンズ３５で集光されたレーザ光が一端に入射する導光部材３６とが設けられている。導光部材３６としては、例えば直径１．５ｍｍの石英ファイバが用いられている。
そして、５個のレーザ光源ユニット３１の導光部材３６を構成する石英ファイバが結束されており、これにより、結束された５本の石英ファイバの他端によって強励起光源装置よりなるレーザ光源３０の光出射口３０Ａが構成されている。

このような構成の蛍光光源装置１０においては、レーザ光源３０を構成する５個のレーザ光源ユニット３１の各々において、１４個のレーザ発光素子３２から出射されたレーザ光が、コリメートレンズ３３によって略平行光とされた後、折り返しミラー３４によって集光レンズ３５に向かって反射される。そして、折り返しミラー３４の反射光が集光レンズ３５によって集光されて、導光部材３６の一端に入射する。このようにして５個の光源ユニット３１を構成する導光部材３６の各々に入射されたレーザ光が、これらの５個の導光部材３６（石英ファイバ）の他端によって構成された光出射口３０Ａから励起光として出射される。
そして、図１に示したように、レーザ光源３０の光出射口３０Ａから出射されたレーザ光は、コリメートレンズ１２によって略平行光とされ、集光レンズ１３，１４によって集光されて、蛍光発光体２０を構成する波長変換部材２１の表面（被照射面）に照射されることにより、蛍光に変換される。
このようにして、波長変換部材２１にレーザ光が照射されることによって発光した蛍光が、蛍光光源装置１０から出射されて、例えばプロジェクター装置の光源光として利用される。

蛍光光源装置１０においては、レーザ光源３０を構成する強励起光源装置において、複数のレーザ光源ユニット３１の各々を構成するレーザ発光素子３２として、例えば波長４４５ｎｍのレーザ光を出力１．６Ｗで出射するものを用いた場合には、波長変換部材２１に対して、高エネルギー密度の励起光が照射されることとなる。具体的には、波長変換部材２１を構成する蛍光体を励起するエネルギーは約１００Ｗ（励起密度は約２０Ｗ／ｍｍ² ）となる。
ここに、例えば図８に示すような構成の従来公知の蛍光ホイールを備えた蛍光光源装置の一般的な励起密度が５Ｗ／ｍｍ² であることから、蛍光光源装置１０は、蛍光ホイールを備えた蛍光光源装置に比して４倍の励起密度を有する光で波長変換部材２１を構成する蛍光体を励起させることになる。
一方、約１００Ｗのエネルギーを有する光が励起光として照射される条件においては、波長変換部材２１における蛍光変換効率が５０％であることから、励起光のエネルギーの半分程度が熱となってしまう。しかも、波長変換部材２１における蛍光変換効率は、図５に示すように、波長変換部材２１の温度が高くなるに従って低くなり、この温度消光によって光束低下が生じてしまう。
ここに、図５は、波長変換部材２１を構成する蛍光体の温度（波長変換部材温度）と蛍光光束量相対値との関係を示している。

而して、蛍光光源装置１０においては、波長変換部材２１が４．０Ｗ／ｍＫ以上の特定の熱伝導率を有し、接合部材が波長変換部材２１よりも高い熱伝導率を有することから、励起光が照射されることによって波長変換部材２１において発生した熱が、接合部材を介して熱伝導性基板２６に効率よく伝達される。また、熱伝導性基板２６が、波長変換部材２１とほぼ同等の熱膨張係数を有する基板材料よりなることから、波長変換部材２１の熱が接合部材を介して熱伝導性基板２６に伝達される熱サイクルに高い信頼性が得られる。
このように、蛍光発光体２０が、優れた排熱構造を有するものであることから、励起光の照射による波長変換部材２１の温度上昇を抑制することができる。そのため、励起光が照射された状態の波長変換部材２１の温度を、波長変換部材２１を構成する蛍光体の温度消光による光束低下が１０％以内とされる温度、具体的には、２００℃以下、好ましくは１５０℃以下とすることができることから、高い発光効率を得ることができる。
また、蛍光光源装置１０においては、波長変換部材２１および熱伝導性基板２６が熱膨張することに起因して、熱伝導性基板２６と波長変換部材２１とに剥離が生じること、および波長変換部材２１にクラックが発生することなどの弊害が生じることがない。

本発明においては、上記の実施の形態に限定されず、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、蛍光発光体は、熱伝導率が４．０Ｗ／ｍＫ以上の波長変換部材が、当該波長変換部材よりも高い熱伝導率を有する接合部材を介して、基板材料よりなる熱伝導性基板に接合されてなる構成を有するものであればよい。
具体的には、例えば熱伝導性基板は、放熱用フィンを備えてなるものであってもよく（図７参照）、また基板材料よりなる基材の表面のみに金属膜が設けられているものであってもよい（図６および図７参照）。
熱伝導性基板が放熱用フィンを備えている場合には、放熱用フィンによる放熱作用によって熱伝導性基板により一層高い放熱作用が得られる。また、熱伝導性基板に放熱用フィンを固定するためにグリスなどの熱伝導性を有するフィン固定用接合部材を用いる必要がないことから、放熱用フィンに熱伝導性接合部材を介して熱伝達をする必要がない。従って、励起光の照射による波長変換部材の温度上昇を一層抑制することができ、よって発光効率をより高めることができる。
しかも、熱伝導性基板が少なくともグラファイト複合材よりなるものである場合には、放熱用フィンを備えることに伴う熱伝導性基板の重量化を抑制することができる。その理由は、グラファイト複合材が、一般的に放熱用フィンの構成材料として用いられている銅などの金属に比して比重が小さいものだからである。ここに、グラファイト複合材の比重は、銅の１/４程度である。

また、波長変換部材には、表面（被照射面）以外の外表面の全面に、金属膜が形成されていてもよい（図７参照）。
波長変換部材の側面に反射膜層を含む金属膜が形成されている場合には、波長変換部材において得られた蛍光が側面から出射されることを防止することができるため、得られた蛍光をより効率的に利用することができる。

本発明の他の実施の形態の具体例としては、図６および図７に示すような蛍光発光体を備えてなる蛍光光源装置が挙げられる。
これらの図６および図７に係る蛍光光源装置においては、図１〜図３に係る蛍光光源装置と同様に、励起光の照射による波長変換部材の温度上昇を抑制することができ、高い発光効率を得ることができる。

ここに、図６の蛍光発光体４１は、基板材料よりなる基材２６Ａの表面（図６における上面）のみに金属膜が設けられている熱伝導性基板４２を有する構成のものである。なお、金属膜は、例えば図１〜図３に係る蛍光光源装置１０の熱伝導性基板２６に設けられている金属膜と同様の構成を有するものである。
この図６の蛍光発光体４１を有する蛍光光源装置は、蛍光発光体４１において、基板材料よりなる基材２６Ａの表面のみに金属膜が設けられている熱伝導性基板４２が用いられていること以外は図１〜図３に係る蛍光光源装置１０と同様の構成を有するものである。

また、図７の蛍光発光体４４は、熱伝導性基板４５が裏面側（図７における下面側）に放熱用フィン４６を備えている構成のものである。また、熱伝導性基板４５は、基板材料よりなる基材４５Ａの表面（図７における上面）のみに金属膜が設けられたものである。なお、金属膜は、例えば図１〜図３に係る蛍光光源装置１０の熱伝導性基板２６に設けられている金属膜と同様の構成を有するものである。また、波長変換部材２１における表面（被照射面）以外の外表面（裏面および側面）の全面に、金属膜が形成されている。なお、金属膜は、例えば図１〜図３に係る蛍光光源装置１０の波長変換部材２１に形成されている金属膜と同様の構成を有するものである。
この図７の蛍光発光体を有する蛍光光源装置は、蛍光発光体４４において、裏面側に放熱用フィン４６を備えてなる熱伝導性基板４５が用いられていると共に、波長変換部材２１の表面（被照射面）以外の外表面の全面に、金属膜が形成されていること以外は図６に係る蛍光光源装置と同様の構成を有するものである。

また、蛍光光源装置全体の構造は、図１に示すものに限定されず、種々の構成を採用することができる。
例えば、図１に係る蛍光光源装置１０では、１つのレーザ光源（例えば、レーザダイオード）の光を用いているが、レーザ光源が複数あり、波長変換部材の前に集光レンズを配置して、集光光を波長変換部材に照射する形態であってもよい。また、励起光はレーザ光源の光に限るものではなく、波長変換部材を励起できるものであれば、ＬＥＤの光を集光したものでもよく、更には、水銀、キセノン等が封入されたランプからの光であってもよい。尚、ランプやＬＥＤのように放射波長に幅を持つ光源を利用した場合、励起光の波長はランプ等から放射される主たる放射波長の領域である。ただし、本発明においては、これに限定されるものではない。

以下、本発明の作用効果を確認するために行った実験例について説明する。

〔実験例１〕
先ず、外径１８ｍｍ、厚み１００μｍであって、表１に示す気孔率を有するＬｕＡＧ：Ｃｅ多結晶材料（熱膨張係数８．０×１０^-6／Ｋ）７種類を用意した。これらの７種類の多結晶材料を、ダイシングソーによってカットすることにより、縦３ｍｍ、横１．７ｍｍ、厚み１３０μｍの矩形平板状の形状を有する波長変換部材を得た。
そして、得られた７種類の波長変換部材の各々を用いて、図２および図３の構成を有する７種類の蛍光発光体（以下、「実験用蛍光発光体（１）」〜「実験用蛍光発光体（７）」ともいう。）を作製した。
実験用蛍光発光体（１）〜実験用蛍光発光体（７）においては、熱伝導性基板として、縦２５ｍｍ、横２５ｍｍ、厚み１．６ｍｍの矩形平板状の形状を有し、グラファイトとアルミニウムとの複合材（熱膨張係数７．０×１０^-6／Ｋ）よりなるものを用いた。また、接合部材としては、縦３．５ｍｍ、横２．２ｍｍ、厚み５０μｍのフラックスフリー半田シート（熱伝導率５５Ｗ／ｍＫ）を用いた。

作製した実験用蛍光発光体（１）〜実験用蛍光発光体（７）を、図１の構成を有する蛍光光源装置における蛍光発光体として用い、実験用蛍光発光体（１）〜実験用蛍光発光体（７）の各々に対して、温度２５℃の環境条件下において、レーザ光源から、蛍光体を励起するエネルギーが約１００Ｗ（励起密度は約２０Ｗ／ｍｍ² ）の励起光を照射した。そして、熱伝導性基板の温度（表面温度）を熱電対によって測定し、得られた測定値と、各蛍光発光体を構成する波長変換部材の熱抵抗とに基づいて波長変換部材の温度を算出した。結果を、波長変換部材の熱伝導率と共に表１に示す。
ここに、レーザ光源としては、図４の構造を有する強励起光源装置を用いた。この強励起光源装置においては、レーザ発光素子３２として、波長４４５ｎｍのレーザ光を出力１．６Ｗで出射するものを用い、また、導光部材３６として、直径１．５ｍｍの石英ファイバよりなるものを用いた。

以上の結果から、波長変換部材を構成する多結晶材料の気孔率が大きくなるに従って、気孔に熱伝導率（０．０２４１Ｗ／ｍＫ）の低い空気が存在することに起因して、波長変換部材の熱伝導率が大幅に低下してしまうことが明らかとなった。
また、波長変換部材の熱伝導率を４．０Ｗ／ｍＫ以上とすることにより、励起光が照射された状態の波長変換部材の温度を２００℃以下とすることができることが明らかとなった。また、波長変換部材の熱伝導率を４．０Ｗ／ｍＫ以上とするためには、蛍光体を構成する結晶材料（多結晶材料）の気孔率を０．５％以下とすることが必要であることが明らかとなった。
すなわち、本発明に係る蛍光発光体（１）〜蛍光発光体（４）によれば、励起光の照射による波長変換部材の温度上昇が抑制できることが確認された。

１０ 蛍光光源装置
１１ ダイクロックミラー
１２ コリメートレンズ
１３，１４ 集光レンズ
２０ 蛍光発光体
２１ 波長変換部材
２２ 反射膜層
２３，２４ 保護膜層
２５ 半田濡れ膜層
２６ 熱伝導性基板
２６Ａ 基材
２７ 保護膜層
２８ 半田濡れ膜層
２９ 接合部材層
３０ レーザ光源
３０Ａ 光出射口
３１ レーザ光源ユニット
３２ レーザ発光素子
３３ コリメートレンズ
３４ 折り返しミラー
３５ 集光レンズ
３６ 導光部材
４１ 蛍光発光体
４２ 熱伝導性基板
４４ 蛍光発光体
４５ 熱伝導性基板
４５Ａ 基材
４６ 放熱用フィン
５１ レーザ光源
５２ 蛍光ホイール
５３ ホイールモーター
６１ コリメートレンズ
６２ 赤色光源
６３Ａ，６３Ｂ，６３Ｃ，６４Ａ，６４Ｂ，６４Ｃ 集光レンズ
６５ ダイクロイックレンズ
６６ 導光装置用入射レンズ
６７ 反射ミラー
６８ 導光装置
７１ 波長変換部材
７２ 基板
７３ 熱膨張吸収層
７４ 放熱プレート
７５ 放熱用ヒートシンク

本発明の蛍光光源装置は、励起光により励起される蛍光体よりなる波長変換部材を備えた蛍光光源装置であって、
前記波長変換部材が、励起光が照射される被照射面と反対側の面において、半田よりなる接合部材を介して熱伝導性基板と接合されており、
前記波長変換部材は、熱伝導率が４．０Ｗ／ｍＫ以上であり、
前記接合部材が、前記波長変換部材よりも高い熱伝導率を有しており、当該接合部材によって形成された接合部材層の面積が、前記波長変換部材の面積よりも大きく、かつ、前記熱伝導性基板の面積よりも小さいことを特徴とする。
本発明の蛍光光源装置においては、前記熱伝導性基板は、前記波長変換部材との熱膨張係数の差が、当該波長変換部材の熱膨張係数の±４０％以内である材料よりなることが好ましい。

Claims (4)

1. 励起光により励起される蛍光体よりなる波長変換部材を備えた蛍光光源装置であって、
   前記波長変換部材が接合部材を介して熱伝導性基板と接合されており、
   前記波長変換部材は、熱伝導率が４．０Ｗ／ｍＫ以上であり、
   前記熱伝導性基板は、前記波長変換部材との熱膨張係数の差が、当該波長変換部材の熱膨張係数の±４０％以内である材料よりなり、
   前記接合部材が、前記波長変換部材よりも高い熱伝導率を有することを特徴とする蛍光光源装置。
2. 前記波長変換部材を構成する蛍光体が単結晶材料または気孔率が０．５％以下の多結晶材料よりなることを特徴とする請求項１に記載の蛍光光源装置。
3. 前記熱伝導性基板が、少なくともグラファイトとアルミニウムとの複合材料よりなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蛍光光源装置。
4. 前記熱伝導性基板が、放熱用フィンを備えているものであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の蛍光光源装置。
   

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