JPWO2019159441A1 - 光波長変換装置 - Google Patents
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Abstract
光波長変換部材と放熱部材との接合強度を維持しつつ、光波長変換部材の排熱を効率的に行える光波長変換装置を提供する。本開示は、入射した光の波長を変換するように構成された光波長変換部材と、光波長変換部材よりも放熱性に優れた放熱部材と、光波長変換部材と放熱部材とを接合する接合部と、を備える光波長変換装置である。光波長変換部材は、板状のセラミックス蛍光体と、セラミックス蛍光体の放熱部材側の面に配置された反射膜と、を有する。接合部の熱伝導率は１２０Ｗ／ｍＫ以上である。接合部の融点は２４０℃以上である。
Description
本国際出願は、２０１８年２月１４日に日本国特許庁に出願された日本国特許出願第２０１８−２４２８２号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２０１８−２４２８２号の全内容を本国際出願に参照により援用する。
本開示は、光波長変換装置に関する。
ヘッドランプ、各種照明機器、レーザープロジェクター等では、発光ダイオード（ＬＥＤ、Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）や半導体レーザー（ＬＤ、Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）等の青色光を光波長変換部材である蛍光体によって波長変換することにより白色を得ている。
この蛍光体としては、樹脂系やガラス系などが知られているが、レーザーを用いた光源の高出力化に対応するため、耐久性に優れたセラミックス蛍光体が光波長変換装置に使用されつつある。
また、蛍光体は、光の照射によって発熱する。蛍光体が発熱し高温となると、蛍光体が発する光の強度（即ち、発光強度：蛍光強度）等の蛍光機能が低下する温度消光が発生する。そのため、効率よく蛍光体を発光させるためには、蛍光体から外部への排熱が必要となる。
そこで、半田を用いて光波長変換部材に放熱部材を接合した光波長変換装置が知られている（特許文献１参照）。しかし、半田の融点は２００℃以下であるため、上記光波長変換装置では、レーザー照射による蛍光体の発熱によって半田が再溶融し、放熱部材と光波長変換部材との接合強度が低下する。その結果、光波長変換部材の放熱部材からの脱離や破損といった欠陥が生じる。
また、この欠陥により、光波長変換部材から放熱部材への伝熱が不十分となり、排熱効率が低下する。このような不具合は、半田の代わりに樹脂系接着剤を用いて接合をした場合にも起こりうる。
これに対し、銀ナノ粒子を用いて光波長変換部材と放熱部材とを接合した光波長変換装置が考案されている（特許文献２参照）。
上記銀ナノ粒子を用いた光波長変換装置では、半田の再溶融に基づく欠陥の発生が抑制される。しかし、上記光波長変換装置において、光波長変換部材から放熱部材への伝熱性については改善の余地がある。
本開示の一局面は、光波長変換部材と放熱部材との接合強度を維持しつつ、光波長変換部材の排熱を効率的に行える光波長変換装置を提供することが好ましい。
本開示の一態様は、入射した光の波長を変換するように構成された光波長変換部材と、光波長変換部材よりも放熱性に優れた放熱部材と、光波長変換部材と放熱部材とを接合する接合部と、を備える光波長変換装置である。光波長変換部材は、板状のセラミックス蛍光体と、セラミックス蛍光体の放熱部材側の面に配置された反射膜と、を有する。接合部の熱伝導率は１２０Ｗ／ｍＫ以上である。接合部の融点は２４０℃以上である。
このような構成によれば、光波長変換部材と放熱部材との間の放熱経路となる接合部の熱伝達性能を高くすることができ、光波長変換部材からの排熱をより効率的に行なうことができる。
また、レーザー照射によってセラミックス蛍光体の温度が上昇することとなっても、光波長変換部材と放熱部材とを接合する接合部が溶融しにくい。そのため、レーザーの高出力域まで、高い耐熱性と接合強度とを維持できる。その結果、高出力域でも光波長変換部材と放熱部材との間の放熱経路を維持することができ、光波長変換部材からの排熱を効率的に行なえる。
本開示の一態様では、接合部は、金、銀、銅、又はこれらの組み合わせのみから構成されてもよい。このような構成によれば、光波長変換部材からの排熱を効率的に行なえる接合部を容易かつ確実に形成できる。
本開示の一態様では、接合部は、気孔を有してもよい。接合部の気孔率は、４０％以下であってもよい。このような構成によれば、接合部の伝熱性を維持しつつ、放熱部材と光波長変換部材との間の熱膨張差が緩和されるので、熱衝撃による接合部の破損を抑制することができる。
本開示の一態様では、接合部のうち、光波長変換部材と放熱部材との間に配置された接合領域の平均厚みは、１μｍ以上であってもよい。このような構成によれば、光波長変換部材と放熱部材との接合強度をより高めることができる。
本開示の一態様では、接合部のうち、光波長変換部材と放熱部材との間に配置された接合領域の平均厚みは、セラミックス蛍光体の平均厚みと接合領域の平均厚みとの合計厚みの５０％以下であってもよい。このような構成によれば、接合領域が過度に厚くなることを抑制し、放熱部材に、光波長変換部材から発生した熱をより速く伝えることができる。その結果、光波長変換部材からの排熱をより効率的に行なうことができる。
本開示の一態様は、接合部のうち、光波長変換部材及び放熱部材と接合されていない面の少なくとも一部を被覆する樹脂層をさらに備えてもよい。このような構成によれば、接合部の接合界面における酸化、硫化等を抑制することができる。その結果、光波長変換装置の耐久性を向上できる。
本開示の一態様では、樹脂層は、フッ化物系の樹脂を主成分としてもよい。このような構成によれば、樹脂層のＯ２、Ｈ２Ｓ、ＳＯ２などのガスや水分の透過性を低減できるので、より確実に光波長変換装置の耐久性を向上できる。
本開示の一態様では、放熱部材は、接合部と接合される面に配置された少なくとも１つの切欠きを有してもよい。このような構成によれば、光波長変換部材と放熱部材との接合時に、両者間の熱膨張差異に起因して発生する応力を抑制できる。そのため、接合強度が向上し、放熱性が向上する。また、高温環境下で放熱部材に発生する熱応力が低減されるので、動作中の光波長変換部材における剥離等の破損を抑制できる。
本開示の一態様では、光波長変換部材は、厚み方向から視た少なくとも１つの隅部が丸み付けられてもよい。このような構成によれば、光波長変換部材と放熱部材との接合時に、両者間の熱膨張差異に起因して発生する応力を抑制できる。そのため、接合強度が向上し、放熱性が向上する。また、レーザー照射時に光波長変換部材内に発生する応力が面方向で均一になりやすい。そのため、光波長変換部材の上面及び下面に発生する力を抑制できるので、動作中の光波長変換部材における剥離等の破損を抑制できる。
１，１Ａ，１Ｂ…光波長変換装置、２…光波長変換部材、３，３Ｂ…放熱部材、４…接合部、５…パッケージ、６…樹脂層、１０…光複合装置、１２…隅部、１３…切欠き、２０…光源ユニット、２１…セラミックス蛍光体、２２…反射膜、２３…反射防止膜、２４…中間膜、２５…ダイクロイックミラー、２６…レンズ、２７…第１青色レーザー発振器、２９…第２青色レーザー発振器。
以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
図１Ａ，１Ｂに示す光波長変換装置１は、光波長変換部材２と、放熱部材３と、接合部４とを備える。
［１−１．構成］
図１Ａ，１Ｂに示す光波長変換装置１は、光波長変換部材２と、放熱部材３と、接合部４とを備える。
＜光波長変換部材＞
光波長変換部材２は、入射した光の波長を変換する部材である。光波長変換部材２は、板状のセラミックス蛍光体２１と、反射膜２２と、反射防止膜２３と、中間膜２４とを有する。
光波長変換部材２は、入射した光の波長を変換する部材である。光波長変換部材２は、板状のセラミックス蛍光体２１と、反射膜２２と、反射防止膜２３と、中間膜２４とを有する。
（セラミックス蛍光体）
セラミックス蛍光体２１は、蛍光性を有する結晶粒子を主体とする蛍光相と、透光性を有する結晶粒子を主体とする透光相とを有するセラミックス焼結体である。
セラミックス蛍光体２１は、蛍光性を有する結晶粒子を主体とする蛍光相と、透光性を有する結晶粒子を主体とする透光相とを有するセラミックス焼結体である。
「蛍光相」とは、蛍光性を有する結晶粒子を主体とする相であり、「透光相」とは、透光性を有する結晶粒子、詳しくは蛍光相の結晶粒子とは異なる組成の結晶粒子を主体とする相である。
また、「主体」とは、各相において、最も多く存在する成分を意味する。例えば、蛍光相には、蛍光性を有する結晶粒子が５０体積％以上、好ましくは９０体積％以上含まれる。また、例えば、透光相には、透光性を有する結晶粒子が５０体積％以上、好ましくは９０体積％以上含まれる。透光相としては、例えば、アルミナ、ガラス等が使用できる。また、透光相は、単結晶であってもよい。
セラミックス蛍光体２１を構成するセラミックス焼結体の各結晶粒子やその粒界には、透光相及び透光相以外の不可避不純物が含まれていてもよい。
セラミックス蛍光体２１の材質は特に限定されないが、例えば、透光相の結晶粒子が化学式（１）Ａｌ２Ｏ３で表される組成を有し、蛍光相の結晶粒子が化学式（２）Ａ３Ｂ５Ｏ１２：Ｃｅで表される組成（つまりガーネット構造）を有するとよい。
なお、「Ａ３Ｂ５Ｏ１２：Ｃｅ」とは、Ａ３Ｂ５Ｏ１２中にＣｅが固溶し、元素Ａの一部がＣｅに置換されていることを示す。蛍光相の結晶粒子は、Ｃｅの固溶により、蛍光特性を示す。
化学式（１）中のＡ元素及び化学式（２）中のＢ元素は、それぞれ下記の元素群から選択される少なくとも１種の元素から構成されている。
Ａ：Ｓｃ、Ｙ、ランタノイド（但し、Ｃｅは除く）
（但し、Ａとして更にＧｄを含んでいてもよい）
Ｂ：Ａｌ（但し、Ｂとして更にＧａを含んでいてもよい）
セラミックス蛍光体２１として、上記セラミックス焼結体を使用することで、蛍光相と透光相との界面での光の散乱が起き、光の色の角度依存性を減らすことができる。その結果、色の均質性を向上できる。
（但し、Ａとして更にＧｄを含んでいてもよい）
Ｂ：Ａｌ（但し、Ｂとして更にＧａを含んでいてもよい）
セラミックス蛍光体２１として、上記セラミックス焼結体を使用することで、蛍光相と透光相との界面での光の散乱が起き、光の色の角度依存性を減らすことができる。その結果、色の均質性を向上できる。
また、上記セラミックス焼結体は、熱伝導率が優れているため、レーザー光の照射によって発生した熱を放熱部材３に排しやすい。そのため、レーザーの高出力域でも蛍光機能を維持することができる。
一方で、セラミックス蛍光体２１が単一組成であると、光の散乱が起こらないため、光の色の角度依存性が大きくなり、光の色のムラが生じるおそれがある。また、蛍光体として樹脂を用いると、熱伝導率が低下し、放熱が十分にできずに温度消光が起きるおそれがある。
セラミックス蛍光体２１の平均厚み（つまり、上面から下面までの平均距離）としては、１００μｍ以上５００μｍ以下が好ましい。
（反射膜）
反射膜２２は、セラミックス蛍光体２１の下面（つまり、放熱部材３側の面）に配置されている。
反射膜２２は、セラミックス蛍光体２１の下面（つまり、放熱部材３側の面）に配置されている。
反射膜２２は、セラミックス蛍光体２１内部で発生する光を反射することで、この光を光波長変換部材２の外部に効率よく放射させる。これにより、光波長変換部材２の発光強度が向上する。
反射膜２２の材質としては、例えば、金属アルミニウム、銀などの金属に加え、酸化ニオブ、酸化チタン、酸化ランタン、酸化タンタル、酸化イットリウム、酸化ガドリニウム、酸化タングステン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、窒化ケイ素等が採用できる。
反射膜２２の平均厚みとしては、０．１μｍ以上２μｍ以下が好ましい。
また、反射膜２２は、単層構造であってもよいし、多層構造であってもよい。
（反射防止膜）
反射防止膜２３は、セラミックス蛍光体２１の上面（つまり、放熱部材３とは反対側の面）に配置されている。
反射防止膜２３は、セラミックス蛍光体２１の上面（つまり、放熱部材３とは反対側の面）に配置されている。
反射防止膜２３は、セラミックス蛍光体２１での光の反射を抑制するための反射防止コーティング（ＡＲコーティング）である。反射防止膜２３により、セラミックス蛍光体２１に光を効率よく吸収させることができる。また、セラミックス蛍光体２１の内部で発生する光を効率よく外部に取り出すことができる。その結果、光波長変換部材２の発光強度が向上する。
反射防止膜２３の材質としては、例えば、酸化ニオブ、酸化チタン、酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、フッ化マグネシウム等が採用できる。
反射防止膜２３の平均厚みとしては、０．０１μｍ以上１μｍ以下が好ましい。
また、反射防止膜２３は、単層構造であってもよいし、多層構造であってもよい。
（中間膜）
中間膜２４は、反射膜２２の下面（つまり、セラミックス蛍光体２１側とは反対側の面）に配置されている。
中間膜２４は、反射膜２２の下面（つまり、セラミックス蛍光体２１側とは反対側の面）に配置されている。
中間膜２４は、反射膜２２と後述する接合部４との間に配置されている。つまり、接合部４は、光波長変換部材２のうち、中間膜２４と接合されている。中間膜２４により、接合部４と光波長変換部材２との接合性が向上する。
中間膜２４は、金属膜と酸化物膜とを有する。
金属膜の材質としては、例えば、金、銀、ニッケル等が採用できる。酸化物膜の材質としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化チタン等が採用できる。
中間膜２４は、金属膜としてのニッケル膜と酸化物膜としての酸化アルミニウム膜とを有することが好ましい。
中間膜２４の平均厚みとしては、０．０１μｍ以上１μｍ以下が好ましい。
図１Ａに示すように、光波長変換部材２は、厚み方向から視た少なくとも１つの隅部１２が丸み付けられているとよい。これにより、光波長変換部材２と放熱部材３との接合時に、両者間の熱膨張差異に起因して発生する応力を抑制できる。そのため、接合強度が向上し、放熱性が向上する。
また、レーザー照射時に光波長変換部材２内に発生する応力が面方向で均一になりやすい。そのため、光波長変換部材２の上面及び下面に発生する力を抑制できるので、動作中の光波長変換部材２における剥離等の破損を抑制できる。
＜放熱部材＞
放熱部材３は、光波長変換部材２よりも放熱性に優れた部材である。放熱部材３は、接合部４を介して光波長変換部材２に取り付けられている。
放熱部材３は、光波長変換部材２よりも放熱性に優れた部材である。放熱部材３は、接合部４を介して光波長変換部材２に取り付けられている。
放熱部材３により、セラミックス蛍光体２１においてレーザー光の照射によって生じた熱の排熱が促進される。これにより、高出力域でのセラミックス蛍光体２１の蛍光機能が維持される。
放熱部材３の材質としては、銅、アルミニウム、窒化アルミニウム等が採用できる。これらの中でも銅が好ましい。なお、放熱部材３は、金属で構成された本体部と、本体部の表面に形成された酸化被膜とを有していてもよい。この酸化被膜により、接合部４との接合強度が高められる。
放熱部材３は、例えば板状に構成される。また、放熱部材３は、板状部と、板状部から突出する少なくとも１つの放熱フィンとを有していてもよい。放熱部材３の板状部の平均厚みとしては、０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下が好ましい。
放熱フィンと板状部との接合方法としては、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）を用いるとよい。ＦＳＷは、被接合材を一体化させる接合法であり、接合界面での熱抵抗の上昇を抑えられる。そのため、放熱効果の低減が抑制できる。
＜接合部＞
接合部４は、光波長変換部材２と放熱部材３とを接合している。本実施形態では、接合部４は、光波長変換部材２の中間膜２４の下面と、放熱部材３の上面（つまり、光波長変換部材２側の面）との間に配置され、これら２つの面を接合している。
接合部４は、光波長変換部材２と放熱部材３とを接合している。本実施形態では、接合部４は、光波長変換部材２の中間膜２４の下面と、放熱部材３の上面（つまり、光波長変換部材２側の面）との間に配置され、これら２つの面を接合している。
接合部４の融点は、２４０℃以上である。接合部４の融点が２４０℃未満であると、レーザーの高出力域において、光波長変換部材２からの熱で接合部４が溶融し、脱離、破損等の欠陥が発生する。なお、接合部４の融点としては、３００℃以上が好ましく、５００℃以上がより好ましく、８００℃以上がさらに好ましい。
接合部４の熱伝導率は、１２０Ｗ／ｍＫ以上である。接合部４の熱伝導率が１２０Ｗ／ｍＫ未満であると、光波長変換部材２からの排熱をより効果的に行う点において不足が生じるおそれがあり、レーザーの高出力域で蛍光機能が低下するおそれがある。なお、接合部４の熱伝導率としては、１５０Ｗ／ｍＫ以上が好ましい。
接合部４の熱伝導率は、例えば、パルス光サーモリフレクタンス法によって測定できる。具体的には、光波長変換装置１を入射面に対し斜めに切断し、接合部４を露出させる。露出した部分にパルス光とレーザー光とを照射し、反射するレーザー光を測定することで、接合部４の熱抵抗が得られる。得られた熱抵抗と接合部４の面積及び厚みとから熱伝導率が算出される。
接合部４の材質は、少なくとも接合部４の融点が上記条件を満たすことができれば特に限定されない。ただし、接合部４の融点及び熱伝導率が上記条件を満たすことがより好ましい。さらに、上記条件を満たすために、接合部４は、金、銀、銅、又はこれらの組み合わせのみから構成されるとよい。
接合部４は、気孔を有するとよい。接合部４が気孔を有することにより、放熱部材３と光波長変換部材２との間の熱膨張差が緩和されるので、熱衝撃による接合部４の破損を抑制することができる。
気孔を有する接合部４は、例えば、上述した金属のナノ粒子を焼結することで得られる。ここでいうナノ粒子とは、ナノサイズオーダーの粒子を含む、平均粒径が数ナノメートルから数マイクロメートルの粒子群である。そして、接合部４としては、金属のナノ粒子の焼結体が好ましい。この焼結体では、焼結により互いに結合したナノ粒子間の空隙によって気孔が構成される。なお、気孔の最大幅（つまり、最大気孔径）は、５μｍ以下が好ましい。
接合部４の気孔率としては、１％以上４０％以下が好ましい。気孔率が１％未満であると、放熱部材３と光波長変換部材２との間の熱膨張差の緩和効果が得られないおそれがある。一方、気孔率が４０％を超えると、接合部４の伝熱性の低下に伴って、光波長変換部材２の排熱効率が低下するおそれがある。
なお、「気孔率」は、例えば接合部４の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察して得られる観察断面において、気孔の占める面積割合（つまり、気孔と材料層との合計面積に対する気孔の合計面積の割合）として求められる。
接合部４の上面（つまり、光波長変換部材２側の面）は、光波長変換部材２の下面全体に接合している。また、本実施形態では、接合部４は、光波長変換部材２と放熱部材３とに挟まれた領域（つまり、放熱部材３の上面の一部）のみに層状に配置されている。
ただし、接合部４は、光波長変換部材２の下面よりも大きい範囲で配置されてもよく、放熱部材３の上面全体を覆うように配置されてもよい。また、接合部４は、図２に示すように、光波長変換部材２の側面（つまり、厚み方向と平行な面）を覆うように配置されていてもよい。接合部４が光波長変換部材２の側面を覆う場合、接合部４は光波長変換部材２の上面（つまり、反射防止膜２３の上面）の一部を覆ってもよい。
接合部４のうち、光波長変換部材２と放熱部材３との間に配置された接合領域の平均厚みとしては、１μｍ以上が好ましい。上記接合領域の平均厚みが１μｍ未満であると、接合部４による接合強度が不十分となるおそれがある。また、光波長変換部材２と放熱部材３との間の放熱経路を十分に確保できないおそれがある。
また、上記接合領域の平均厚みとしては、セラミックス蛍光体２１の平均厚みと上記接合領域の平均厚みとの合計厚みの５０％以下が好ましい。上記接合領域の平均厚みが上記合計厚みの５０％を超えると、セラミックス蛍光体２１から放熱部材３までの距離がセラミックス蛍光体２１の厚みに対して大きくなり、放熱部材３に対して、光波長変換部材２から発生した熱をより速く伝えることが困難となり、排熱効率が低下するおそれがある。
＜光複合装置＞
図３に示す光複合装置１０は、光波長変換装置１と、光波長変換装置１が収容されたパッケージ５とを備える。
図３に示す光複合装置１０は、光波長変換装置１と、光波長変換装置１が収容されたパッケージ５とを備える。
パッケージ５は、箱状の容器、又は板状の基板である。パッケージ５は、例えば、アルミナ等のセラミックスを主成分としている。なお、「主成分」とは、例えば８０質量％以上含まれている成分を意味する。パッケージ５には、ＬＥＤ、ＬＤ等の発光素子を搭載する発光素子搭載領域が設けられていてもよい。
光複合装置１０は、図４に示す光源ユニット２０に用いられる。光源ユニット２０は、光複合装置１０と、発光素子等を備えた周知の複数の青色レーザー発振器（つまり、第１青色レーザー発振器２７及び第２青色レーザー発振器２９）と、ダイクロイックミラー２５と、レンズ２６とを備えている。
光源ユニット２０では、第１青色レーザー発振器２７から光波長変換装置１に対して、図４の右方向に第１青色光Ｂ１が照射される。第１青色光Ｂ１は、光波長変換装置１にて波長変換されると共に反射され、黄色光Ｙとして、図４の左方向に出力される。黄色光Ｙは、図４の左右方向に対して４５°傾斜したダイクロイックミラー２５にて反射され、レンズ２６に出力される。
また、第２青色レーザー発振器２９からレンズ２６に向かって図４の上方向に照射された第２青色光Ｂ２は、ダイクロイックミラー２５を透過して、レンズ２６にそのまま出力される。
これにより、レンズ２６において、第１青色光Ｂ１と黄色光Ｙとが混合され、白色光が生成される。その結果、光源ユニット２０では、レンズ２６から図４の上方に向かって白色光が出力される。
［１−２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）接合部４の融点が２４０℃以上であるため、レーザー照射によってセラミックス蛍光体２１の温度が上昇し高温となっても、光波長変換部材２と放熱部材３とを接合する接合部４が溶融しにくい。そのため、レーザーの高出力域まで、高い耐熱性と接合強度とを維持できる。その結果、高出力域でも光波長変換部材２と放熱部材３との間の放熱経路を維持することができ、光波長変換部材２からの排熱を効率的に行なえる。
（１ｂ）接合部４の熱伝導率が１２０Ｗ／ｍＫ以上であるため、光波長変換部材２と放熱部材３との間の放熱経路となる接合部４の熱伝達性能を高くすることができ、光波長変換部材２からの排熱をより効率的に行なうことができる。
［２．第２実施形態］
［２−１．構成］
図５Ａ，５Ｂに示す光波長変換装置１Ａは、光波長変換部材２と、放熱部材３と、接合部４と、樹脂層６とを備える。
［２−１．構成］
図５Ａ，５Ｂに示す光波長変換装置１Ａは、光波長変換部材２と、放熱部材３と、接合部４と、樹脂層６とを備える。
光波長変換部材２、放熱部材３及び接合部４は、図１Ａ，１Ｂの光波長変換装置１と同じものであるため、同一の符号を付して説明を省略する。
樹脂層６は、接合部４のうち、光波長変換部材２及び放熱部材３と接合されていない面の少なくとも一部を被覆（つまりコーティング）する。
図５Ａでは、樹脂層６は、接合部４の側面全体と、光波長変換部材２の側面の一部とを被覆している。また、樹脂層６は、放熱部材３の上面の一部も被覆している。具体的には、図５Ａの樹脂層６は、放熱部材３の上面から、セラミックス蛍光体２１の側面まで到達している。
また、樹脂層６は、光波長変換部材２の側面全体を被覆してもよい。さらに、図５Ｂに示すように、樹脂層６は、光波長変換部材２の側面全体に加え、光波長変換部材２の上面（つまり反射防止膜２３の上面）の一部を被覆してもよい。
樹脂層６の主成分としては、フッ化物系の樹脂が好ましい。フッ化物系の樹脂を用いることで、樹脂層６のＯ２、Ｈ２Ｓ、ＳＯ２などのガスや水分の透過性を低減でき、接合部４の界面の酸化（特に銅の場合）、硫化（特に銀の場合）等を効果的に抑制できる。
［２−２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（２ａ）樹脂層６によって、接合部４の接合界面における酸化、硫化等を抑制することができる。その結果、光波長変換装置１Ａの耐久性を向上できる。
（２ｂ）樹脂層６によって光波長変換部材２の側面を覆うことで、光波長変換部材２の酸化、硫化等も抑制できる。その結果、光波長変換部材２の劣化による蛍光強度の低下を抑制できる。
［３．第２実施形態］
［３−１．構成］
図６Ａ，６Ｂに示す光波長変換装置１Ｂは、光波長変換部材２と、放熱部材３Ｂと、接合部４とを備える。
［３−１．構成］
図６Ａ，６Ｂに示す光波長変換装置１Ｂは、光波長変換部材２と、放熱部材３Ｂと、接合部４とを備える。
光波長変換部材２及び接合部４は、図１Ａ，１Ｂの光波長変換装置１と同じものであるため、同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態の放熱部材３Ｂは、接合部４と接合される面（つまり上面）に配置された切欠き１３を有する。本実施形態では、切欠き１３は、光波長変換部材２の周囲に配置され、接合部４とは反対側に凹んだ環状の溝である。
切欠き１３は、内縁が光波長変換部材２及び接合部４の側面と面一となるように形成されている。切欠き１３は、光波長変換部材２及び接合部４と厚み方向に重ならない位置に配置されている。つまり、切欠き１３は、接合部４と接合されておらず、放熱部材３Ｂの上面において露出している。
なお、切欠き１３は、光波長変換部材２及び接合部４と重なる位置に設けられてもよい。また、切欠き１３は、環状に限定されない。さらに、放熱部材３Ｂは、複数の切欠き１３を有してもよい。
［３−２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（３ａ）放熱部材３Ｂの切欠き１３によって、光波長変換部材２と放熱部材３Ｂとの接合時に、両者間の熱膨張差異に起因して発生する応力を抑制できる。そのため、接合強度が向上し、放熱性が向上する。また、高温環境下で放熱部材３Ｂに発生する熱応力が低減されるので、動作中の光波長変換部材２における剥離等の破損を抑制できる。
［４．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。
（４ａ）上記実施形態の光波長変換装置１，１Ａ，１Ｂにおいて、光波長変換部材２は、必ずしも反射防止膜２３及び中間膜２４を有しなくてもよい。
また、光波長変換部材２は、セラミックス蛍光体２１、反射膜２２、反射防止膜２３、及び中間膜２４以外の膜又は層を有してもよい。例えば、光波長変換部材２は、中間膜２４と接合部４との間に配置される補助接合層を有してもよい。この補助接合層は、中間膜２４と接合部４との接合強度を向上させる目的で設けられ、例えば金属で形成される。
（４ｂ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。
［５．実施例］
以下に、本開示の効果を確認するために行った試験の内容とその評価とについて説明する。
以下に、本開示の効果を確認するために行った試験の内容とその評価とについて説明する。
＜実施例１＞
（セラミックス蛍光体の作製）
Ａｌ２Ｏ３（平均粒径０．２μｍ）、Ｙ２Ｏ３(平均粒径１．２μｍ)、Ｇｄ２Ｏ３(平均粒径１．１μｍ)、及びＣｅＯ２(平均粒径１．５μｍ)の粒子を、Ａ３Ｂ５Ｏ１２：Ｃｅ量が焼結体全体の３０体積％になるように秤量した。
（セラミックス蛍光体の作製）
Ａｌ２Ｏ３（平均粒径０．２μｍ）、Ｙ２Ｏ３(平均粒径１．２μｍ)、Ｇｄ２Ｏ３(平均粒径１．１μｍ)、及びＣｅＯ２(平均粒径１．５μｍ)の粒子を、Ａ３Ｂ５Ｏ１２：Ｃｅ量が焼結体全体の３０体積％になるように秤量した。
これらの粒子をエタノールと共にボールミル中に投入し、１６時間粉砕混合を行った。得られたスラリーを乾燥及び造粒し、得られた造粒粉をプレス成形した。さらに、得られた成形体を大気雰囲気中で、焼成温度を１６００℃、保持時間を１０時間として焼成を行い、セラミックス蛍光体を作製した。得られたセラミックス蛍光体の相対密度は９９％以上で十分に緻密化されていた。なお、相対密度は、ＪＩＳ−Ｒ１６３４（１９９８）に準拠して測定した気孔率に基づいて求めた。
（反射膜及び反射防止膜の形成）
得られたセラミックス蛍光体を１６ｍｍ角の平均厚さ２００μｍの板状に加工した。このセラミックス蛍光体の上面に反射防止膜を形成すると共に、下面に反射膜及び中間膜を形成し、光波長変換部材を得た。
得られたセラミックス蛍光体を１６ｍｍ角の平均厚さ２００μｍの板状に加工した。このセラミックス蛍光体の上面に反射防止膜を形成すると共に、下面に反射膜及び中間膜を形成し、光波長変換部材を得た。
なお、反射防止膜としてＳｉＯ２層とＴａ２Ｏ５層とからなる複層コーティング、反射膜としてＴｉＯ２層とＡｇ層とからなる複層コーティング、中間膜としてＮｉ層とＡｌ２Ｏ３層とからなる複層コーティングを施した。
（光波長変換部材と放熱部材との接合）
上記工程で得られた光波長変換部材を３．５ｍｍ角に切断した。また、銅製の放熱部材を１２ｍｍ角の平均厚さ２ｍｍの板状に切断した。
上記工程で得られた光波長変換部材を３．５ｍｍ角に切断した。また、銅製の放熱部材を１２ｍｍ角の平均厚さ２ｍｍの板状に切断した。
切断した光波長変換部材と放熱部材との間に、銀ナノ粒子、銅ナノ粒子、又は銀ナノ粒子と銅ナノ粒子との混合粒子を焼結することによって接合部を形成し、試料１〜３の光波長変換装置を得た。なお、表１には、各試料における接合部の融点と熱伝導率とを示す。
（耐レーザー出力性能）
各試料に対して、４６５ｎｍの波長を有するレーザー光（つまり青色ＬＤ光）を、レンズで１ｍｍ幅まで集光して照射した。そして、各試料にて反射した光に対し、分光放射照度計（コニカミノルタ社製の「ＣＬ−５００Ａ」）によってＸ方向の色度値を測定した。この測定の際には、青色ＬＤ光を照射する出力密度を、０Ｗ／ｍｍ２から２００Ｗ／ｍｍ２まで徐々に増加させた。
各試料に対して、４６５ｎｍの波長を有するレーザー光（つまり青色ＬＤ光）を、レンズで１ｍｍ幅まで集光して照射した。そして、各試料にて反射した光に対し、分光放射照度計（コニカミノルタ社製の「ＣＬ−５００Ａ」）によってＸ方向の色度値を測定した。この測定の際には、青色ＬＤ光を照射する出力密度を、０Ｗ／ｍｍ２から２００Ｗ／ｍｍ２まで徐々に増加させた。
出力密度が５Ｗ／ｍｍ２時の色度値に対して、色度値が６０％以下になった出力密度を温度消光が生じた出力密度と判断し、この出力密度を各試料における耐レーザー出力性能とした。結果を表１に示す。耐レーザー出力性能としては、９０Ｗ／ｍｍ２以上が良好と判断できる。
（気孔率）
各試料の接合部を切断した断面をＳＥＭで観察し、５０００倍の断面画像を得た。この断面画像に対し、画像解析ソフト「ＷｉｎＲＯＯＦ」を使用し、材料層と気孔とで２値化する処理を行った。この２値化した画像から気孔の面積比を算出し、接合部の気孔率とした。結果を表１に示す。
各試料の接合部を切断した断面をＳＥＭで観察し、５０００倍の断面画像を得た。この断面画像に対し、画像解析ソフト「ＷｉｎＲＯＯＦ」を使用し、材料層と気孔とで２値化する処理を行った。この２値化した画像から気孔の面積比を算出し、接合部の気孔率とした。結果を表１に示す。
（耐熱性）
各資料に対し雰囲気温度を−５０℃から１５０℃まで繰り返し変化させる熱サイクルを実施した。１０００サイクル後に、上記耐レーザー出力性能を評価し、熱サイクル実施前の耐レーザー出力性能に対する、熱サイクル実施後の耐レーザー出力性能の比を求めた。この比としては、８０％以上が好ましい。
各資料に対し雰囲気温度を−５０℃から１５０℃まで繰り返し変化させる熱サイクルを実施した。１０００サイクル後に、上記耐レーザー出力性能を評価し、熱サイクル実施前の耐レーザー出力性能に対する、熱サイクル実施後の耐レーザー出力性能の比を求めた。この比としては、８０％以上が好ましい。
＜比較例＞
実施例１と同じ光波長変換部材と放熱部材とを用意し、シリコーンペースト（熱伝導率０．９Ｗ／ｍＫ）、銀を含む導電ペースト（熱伝導率１４Ｗ／ｍＫ）、又は半田（熱伝導率６０Ｗ／ｍＫ）を用いて接合部を形成し、試料４〜６の光波長変換装置を得た。各試料における耐レーザー出力性能及び気孔率の測定結果を表１に示す。
実施例１と同じ光波長変換部材と放熱部材とを用意し、シリコーンペースト（熱伝導率０．９Ｗ／ｍＫ）、銀を含む導電ペースト（熱伝導率１４Ｗ／ｍＫ）、又は半田（熱伝導率６０Ｗ／ｍＫ）を用いて接合部を形成し、試料４〜６の光波長変換装置を得た。各試料における耐レーザー出力性能及び気孔率の測定結果を表１に示す。
＜実施例２＞
実施例１と同じ光波長変換部材と放熱部材とに対し、銀ナノ粒子を用い気孔率を実施例１と変えた接合部を形成し、試料７〜１２の光波長変換装置を得た。各試料における耐レーザー出力性能及び気孔率の測定結果を表１に示す。
実施例１と同じ光波長変換部材と放熱部材とに対し、銀ナノ粒子を用い気孔率を実施例１と変えた接合部を形成し、試料７〜１２の光波長変換装置を得た。各試料における耐レーザー出力性能及び気孔率の測定結果を表１に示す。
＜実施例３＞
Ａｌ２Ｏ３（平均粒径０．２μｍ）、Ｙ２Ｏ３(平均粒径１．２μｍ)、Ｇｄ２Ｏ３(平均粒径１．１μｍ)、ＣｅＯ２(平均粒径１．５μｍ)、Ｌｕ２Ｏ３(平均粒径１．１μｍ)、Ｓｃ２Ｏ３(平均粒径１．２μｍ)、及びＧａ２Ｏ３(平均粒径１．１μｍ)の粒子を、Ａ３Ｂ５Ｏ１２：Ｃｅ量が焼結体全体の３０体積％になり、かつ、表１に示す組成となるように秤量した以外は、実施例１と同様の手順で試料１３〜２４の光波長変換装置を得た。各試料における耐レーザー出力性能及び気孔率の測定結果を表１に示す。
Ａｌ２Ｏ３（平均粒径０．２μｍ）、Ｙ２Ｏ３(平均粒径１．２μｍ)、Ｇｄ２Ｏ３(平均粒径１．１μｍ)、ＣｅＯ２(平均粒径１．５μｍ)、Ｌｕ２Ｏ３(平均粒径１．１μｍ)、Ｓｃ２Ｏ３(平均粒径１．２μｍ)、及びＧａ２Ｏ３(平均粒径１．１μｍ)の粒子を、Ａ３Ｂ５Ｏ１２：Ｃｅ量が焼結体全体の３０体積％になり、かつ、表１に示す組成となるように秤量した以外は、実施例１と同様の手順で試料１３〜２４の光波長変換装置を得た。各試料における耐レーザー出力性能及び気孔率の測定結果を表１に示す。
＜実施例４＞
セラミックス蛍光体の平均厚み及び接合部の接合領域における平均厚みを表１に示すように変えた以外は、実施例１と同様の手順で試料２５〜３０の光波長変換装置を得た。各試料における耐レーザー出力性能及び気孔率の測定結果を表１に示す。なお、試料３０は、接合部の強度不足により、耐レーザー出力性能が測定不能であった。
セラミックス蛍光体の平均厚み及び接合部の接合領域における平均厚みを表１に示すように変えた以外は、実施例１と同様の手順で試料２５〜３０の光波長変換装置を得た。各試料における耐レーザー出力性能及び気孔率の測定結果を表１に示す。なお、試料３０は、接合部の強度不足により、耐レーザー出力性能が測定不能であった。
＜実施例５＞
接合部の側面をフッ素系の樹脂層で被覆した点以外は、実施例１と同様の手順で試料３１の光波長変換装置を得た。また、放熱部材の上面に切欠きを設けた点以外は、実施例１と同様の手順で試料３２の光波長変換装置を得た。さらに、光波長変換部材の厚み方向から視た隅部に半径５ｍｍのＲ加工をした点以外は、実施例１と同様の手順で試料３３の光波長変換装置を得た。
接合部の側面をフッ素系の樹脂層で被覆した点以外は、実施例１と同様の手順で試料３１の光波長変換装置を得た。また、放熱部材の上面に切欠きを設けた点以外は、実施例１と同様の手順で試料３２の光波長変換装置を得た。さらに、光波長変換部材の厚み方向から視た隅部に半径５ｍｍのＲ加工をした点以外は、実施例１と同様の手順で試料３３の光波長変換装置を得た。
さらに、上記樹脂層と上記切欠きとを組み合わせた試料３４の光波長変換装置、上記樹脂層と上記Ｒ加工とを組み合わせた試料３５の光波長変換装置、及び上記樹脂層と上記切欠きと上記Ｒ加工とを組み合わせた試料３６の光波長変換装置を得た。各試料における耐レーザー出力性能及び気孔率の測定結果を表１に示す。
＜考察＞
表１に示すように、接合部の熱伝導率が１２０Ｗ／ｍＫ以上かつ融点が２４０℃以上の実施例１〜４では、耐レーザー出力性能が良好であり、レーザーの高出力域まで対応できることがわかる。一方、接合部の熱伝導率が１２０Ｗ／ｍＫ未満かつ融点が２４０℃未満の比較例では、レーザーの高出力域で温度消光が発生し、高出力域への対応ができない。
実施例２の結果から、接合部の気孔率を４０％以下とすることで、より高出力域に対応できることがわかる。また、実施例３の結果から、様々な組成のセラミックス蛍光体において高出力域への対応が可能なことがわかる。
さらに、実施例４の結果から、セラミックス蛍光体と接合領域との合計厚みに対する、接合部の接合領域における平均厚みの比率（表１中の「接合部の平均厚み比」）を５０％以下とすることで、より高出力域に対応できることがわかる。
また、実施例５の結果から、接合部を樹脂層で被覆することで、高温で長時間加熱された後の耐レーザー出力性能の低下を抑制できることがわかる。また、切欠き及びＲ加工によって、光波長変換装置の接合強度が向上し、耐レーザー出力性能が向上することがわかる。
Claims (9)
- 入射した光の波長を変換するように構成された光波長変換部材と、
前記光波長変換部材よりも放熱性に優れた放熱部材と、
前記光波長変換部材と前記放熱部材とを接合する接合部と、
を備え、
前記光波長変換部材は、
板状のセラミックス蛍光体と、
前記セラミックス蛍光体の前記放熱部材側の面に配置された反射膜と、
を有し、
前記接合部の熱伝導率は１２０Ｗ／ｍＫ以上であり、
前記接合部の融点は２４０℃以上である、光波長変換装置。 - 前記接合部は、金、銀、銅、又はこれらの組み合わせのみから構成される、請求項１に記載の光波長変換装置。
- 前記接合部は、気孔を有し、
前記接合部の気孔率は、４０％以下である、請求項１又は請求項２に記載の光波長変換装置。 - 前記接合部のうち、前記光波長変換部材と前記放熱部材との間に配置された接合領域の平均厚みは、１μｍ以上である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光波長変換装置。
- 前記接合部のうち、前記光波長変換部材と前記放熱部材との間に配置された接合領域の平均厚みは、前記セラミックス蛍光体の平均厚みと前記接合領域の平均厚みとの合計厚みの５０％以下である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光波長変換装置。
- 前記接合部のうち、前記光波長変換部材及び前記放熱部材と接合されていない面の少なくとも一部を被覆する樹脂層をさらに備える、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光波長変換装置。
- 前記樹脂層は、フッ化物系の樹脂を主成分とする、請求項６に記載の光波長変換装置。
- 前記放熱部材は、前記接合部と接合される面に配置された少なくとも１つの切欠きを有する、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の光波長変換装置。
- 前記光波長変換部材は、厚み方向から視た少なくとも１つの隅部が丸み付けられる、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の光波長変換装置。
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