JP6444837B2 - 光源装置 - Google Patents

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。

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。

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。

特開２０１１−１２９３５４号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

実施例１における光源装置の構成を示す斜視図である。 蛍光体層３および放熱板４の断面図である。 蛍光体層３に形成する凹部６の配置の一例を示す図である。 実施例２における蛍光体層３および放熱板４の断面図である。 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ある。 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。 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。 実施例４における蛍光体層３および放熱板４の断面図である。 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および放熱板４の他の変形例を示す断面図である。 実施例５における光源装置の構成を示す斜視図である。 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に形成する凹部１９の配置の一例を示す図である。

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。

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。

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。

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。

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、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ、Ｙ_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ、（Ｙ，Ｇｄ）_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ、（Ｙ，Ｌｕ）_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ、（Ｂａ，Ｓｒ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ、Ｃａ_３Ｓｃ_２Ｓｉ_３Ｏ_１２：Ｃｅ、（Ｃａ，Ｓｒ）_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ、（Ｃａ，Ｓｒ）ＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ、Ｃａｘ（Ｓｉ，Ａｌ）_１２（Ｏ，Ｎ）_１６：Ｅｕ、（Ｓｉ，Ａｌ）_６（Ｏ，Ｎ）_８：Ｅｕ、（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ）Ｓｉ_２Ｏ_２Ｎ_２：Ｅｕ、Ｃａ_８ＭｇＳｉ_４Ｏ_１６Ｃ_１２：Ｅｕ、ＳｒＡｌ_２Ｏ_４：Ｅｕ、Ｓｒ_４Ａｌ_１４Ｏ_２５：Ｅｕ、（Ｃａ，Ｓｒ）Ｓ：Ｅｕ、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ、ＣａＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ、ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ等を用いることができる。

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、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＢａＳＯ_４、ＳｒＴｉＯ_４、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：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Ａｌ_２Ｏ_３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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ａｌ_２Ｏ_３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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Claims (3)

1. 励起光を出射する光源と、前記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、前記蛍光および前記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、
   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。
2. 励起光を出射する光源と、前記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、前記蛍光および前記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、
   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。
3. 請求項１または２に記載の光源装置において、
   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。

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