特許第6623618号(P6623618)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6623618
(24)【登録日】2019年12月6日
(45)【発行日】2019年12月25日
(54)【発明の名称】光源装置及び蛍光板アッセンブリ
(51)【国際特許分類】
   F21V 29/502 20150101AFI20191216BHJP
   F21V 7/30 20180101ALI20191216BHJP
   F21V 29/70 20150101ALI20191216BHJP
   G02F 1/13357 20060101ALI20191216BHJP
   F21Y 115/30 20160101ALN20191216BHJP
【FI】
   F21V29/502 100
   F21V7/30
   F21V29/70
   G02F1/13357
   F21Y115:30
【請求項の数】4
【全頁数】20
(21)【出願番号】特願2015-164869(P2015-164869)
(22)【出願日】2015年8月24日
(65)【公開番号】特開2017-45528(P2017-45528A)
(43)【公開日】2017年3月2日
【審査請求日】2018年3月15日
(73)【特許権者】
【識別番号】000102212
【氏名又は名称】ウシオ電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000729
【氏名又は名称】特許業務法人 ユニアス国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 弘人
【審査官】 當間 庸裕
(56)【参考文献】
【文献】 国際公開第2014/065051(WO,A1)
【文献】 特開2011−198560(JP,A)
【文献】 実公昭51−006058(JP,Y1)
【文献】 特開平02−163943(JP,A)
【文献】 特開2014−137973(JP,A)
【文献】 特開平07−142665(JP,A)
【文献】 特開2006−086453(JP,A)
【文献】 特開平10−200153(JP,A)
【文献】 実開昭60−151131(JP,U)
【文献】 国際公開第2016/185860(WO,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F21V 29/502
F21V 7/30
F21V 29/70
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
励起光を発する発光素子と、
前記発光素子から発する励起光が第1面に入射されて且つ該励起光の少なくとも一部を蛍光に変換して該第1面から出射する蛍光板と、
前記蛍光板を支持して冷却する冷却体と、
溶融したハンダが固化することで形成され、前記蛍光板の第2面と前記冷却体とを固定する半田層と、を備え、
前記半田層は、前記蛍光板の前記第2面の一部と接合し、
前記蛍光板の前記第1面は、前記発光素子から発する励起光が入射される入射領域を備え、
前記蛍光板の前記第2面は、前記半田層と接合する接合領域と、前記半田層と接合しない非接合領域とから成り、
前記接合領域は、前記蛍光板の厚み方向で前記入射領域の全ての領域と重なり合うように、配置され、
前記接合領域の半田濡れ性は、前記非接合領域の半田濡れ性よりも高い、光源装置
【請求項2】
記蛍光板及び前記冷却体の少なくとも一方は、前記蛍光板の前記非接合領域が前記冷却体と接するように、前記半田層を収容する凹状の収容部を備える、請求項1に記載の光源装置。
【請求項3】
励起光が第1面に入射されて且つ該励起光の少なくとも一部を蛍光に変換して該第1面から出射する蛍光板と、
前記蛍光板を支持する支持体と、
溶融したハンダが固化することで形成され、前記蛍光板の第2面と前記支持体とを固定する半田層と、を備え、
前記半田層は、前記蛍光板の前記第2面の一部と接合し、
前記蛍光板の前記第1面は、前記励起光が入射される入射領域を備え、
前記蛍光板の前記第2面は、前記半田層と接合する接合領域と、前記半田層と接合しない非接合領域とから成り、
前記接合領域は、前記蛍光板の厚み方向で前記入射領域の全ての領域と重なり合うように、配置され、
前記接合領域の半田濡れ性は、前記非接合領域の半田濡れ性よりも高い、蛍光板アッセンブリ。
【請求項4】
前記蛍光板及び前記支持体の少なくとも一方は、前記蛍光板の前記非接合領域が前記支持体と接するように、前記半田層を収容する凹状の収容部を備える、請求項3に記載の蛍光板アッセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、入射される励起光の少なくとも一部を蛍光に変換して出射する蛍光板を備える光源装置及び蛍光板アッセンブリに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、光源装置として、励起光を発する発光素子と、発光素子から発する励起光を蛍光に変換する蛍光板と、蛍光板を支持する支持体とを備える光源装置が、知られている(例えば、特許文献1)。そして、蛍光板は、半田層と接合することにより、支持体と固定されている。ところで、励起光が蛍光板に入射すると、蛍光板が発熱するため、一般的に、蛍光板は、半田層及び支持体を経由して、冷却されている。
【0003】
しかしながら、蛍光板が冷却されていても、実際には、蛍光板の温度が支持体の温度よりも高くなっているため、蛍光板の熱膨張量が支持体の熱膨張量と相違している。そして、特許文献1に係る光源装置においては、半田層が蛍光板の裏面全体と接合しているため、蛍光板の熱膨張量と支持体の熱膨張量との相違に基づいて、蛍光板に大きな応力が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特許第5678885号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
よって、本発明は、斯かる事情に鑑み、蛍光板に発生する応力を抑制することができる光源装置及び蛍光板アッセンブリを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
光源装置は、励起光を発する発光素子と、前記発光素子から発する励起光が第1面に入射されて且つ該励起光の少なくとも一部を蛍光に変換して該第1面から出射する蛍光板と、前記蛍光板を支持して冷却する冷却体と、前記蛍光板の第2面と前記冷却体とを固定する半田層と、を備え、前記半田層は、前記蛍光板の前記第2面の一部と接合する。
【0007】
また、光源装置においては、前記蛍光板の前記第1面は、前記発光素子から発する励起光が入射される入射領域を備え、前記蛍光板の前記第2面は、前記半田層と接合する接合領域を備え、前記接合領域は、前記蛍光板の厚み方向で前記入射領域の全体と重なり合うように、配置される、という構成でもよい。
【0008】
また、光源装置においては、前記蛍光板の前記第2面は、前記半田層と接合する接合領域と、前記半田層と接合しない非接合領域とから成り、前記接合領域の半田濡れ性は、前記非接合領域の半田濡れ性よりも高い、という構成でもよい。
【0009】
また、光源装置においては、前記蛍光板の前記第2面は、前記半田層と接合する接合領域と、前記半田層と接合しない非接合領域とから成り、前記蛍光板及び前記冷却体の少なくとも一方は、前記蛍光板の前記非接合領域が前記冷却体と接するように、前記半田層を収容する凹状の収容部を備える、という構成でもよい。
【0010】
また、蛍光板アッセンブリは、励起光が第1面に入射されて且つ該励起光の少なくとも一部を蛍光に変換して該第1面から出射する蛍光板と、前記蛍光板を支持する支持体と、前記蛍光板の第2面と前記支持体とを固定する半田層と、を備え、前記半田層は、前記蛍光板の前記第2面の一部と接合する。
【発明の効果】
【0011】
以上の如く、光源装置及び蛍光板アッセンブリは、蛍光板に発生する応力を抑制することができる、という優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【0012】
図1】一実施形態に係る光源装置の全体概要斜視図である。
図2】同実施形態に係る蛍光板アッセンブリの全体平面図である。
図3】同実施形態に係る蛍光板アッセンブリの要部図であって、図2のIII−III線の拡大断面図である。
図4】同実施形態に係る蛍光板の全体断面図である。
図5】発光部が一つである発光素子の場合の入射領域を説明する図であって、蛍光板の第1面の位置と光強度との関係を示す図である。
図6】発光部が複数である発光素子の場合の入射領域を説明する図であって、蛍光板の第1面の位置と光強度との関係を示す図である。
図7】発光素子が複数である場合の入射領域を説明する図であって、蛍光板アッセンブリの要部平面図である。
図8】発光素子が複数である場合の入射領域を説明する図であって、蛍光板アッセンブリの要部平面図である。
図9】同実施形態に係る蛍光板アッセンブリの製造方法を説明する図であって、要部断面図である。
図10】同実施形態に係る蛍光板アッセンブリの製造方法を説明する図であって、要部断面図である。
図11】他の実施形態に係る蛍光板アッセンブリの要部断面図である。
図12】さらに他の実施形態に係る蛍光板アッセンブリの要部断面図である。
図13】さらに他の実施形態に係る蛍光板アッセンブリの製造方法を説明する図であって、要部断面図である。
図14】同実施形態に係る蛍光板アッセンブリの製造方法を説明する図であって、要部断面図である。
図15】さらに他の実施形態に係る蛍光板アッセンブリの要部平面図である。
図16】同実施形態に係る蛍光板アッセンブリの要部図であって、図15のXVI−XVI線の拡大断面図である。
図17】さらに他の実施形態に係る蛍光板アッセンブリの要部断面図である。
図18】比較例に係る蛍光板アッセンブリの要部断面図である。
図19】実施例と比較例との評価表であって、動作時に発生する応力を示す図である。
図20】実施例と比較例との評価グラフであって、動作時に発生する応力を示す図である。
図21】実施例と比較例との評価表であって、半田接合時に発生する応力を示す図である。
図22】実施例と比較例との評価グラフであって、半田接合時に発生する応力を示す図である。
図23】実施例と比較例との評価表であって、動作時の蛍光板の温度を示す図である。
図24】実施例と比較例との評価グラフであって、動作時の蛍光板の温度を示す図である。
図25】実施例と比較例との評価表であって、動作時の蛍光板の反り変形量を示す図である。
図26】実施例と比較例との評価グラフであって、動作時の蛍光板の反り変形量を示す図である。
図27】実施例と比較例との評価表であって、半田接合時の蛍光板の反り変形量を示す図である。
図28】実施例と比較例との評価グラフであって、半田接合時の蛍光板の反り変形量を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、光源装置及び蛍光板アッセンブリにおける一実施形態について、図1図10を参酌して説明する。なお、各図(図11図18も同様)において、図面の寸法比と実際の寸法比とは、必ずしも一致していない。
【0014】
図1図3に示すように、本実施形態に係る光源装置1は、励起光を発する発光素子2と、発光素子2が発した励起光が入射される光学系3と、光学系3から出射された光が入射される蛍光板4とを備えている。蛍光板4は、発光素子2から発する励起光が入射光L1として第1面41に入射され、該励起光の少なくとも一部を蛍光に変換して該第1面41から出射光L2として出射している。
【0015】
光源装置1は、蛍光板4を支持して冷却する冷却体5と、蛍光板4の第2面42と冷却体5とを固定する半田層6とを備えている。冷却体5は、蛍光板4を支持する支持体7と、支持体7を経由して蛍光板4の熱を放出する放熱体8とを備えている。そして、半田層6は、蛍光板4の第2面42と支持体7とを固定している。なお、蛍光板4と支持体7とが半田層6で固定されているアッセンブリを、蛍光板アッセンブリ10という。
【0016】
発光素子2は、励起光としてレーザ光を出射する半導体レーザとしている。本実施形態においては、発光素子2は、一つ備えられている。なお、半導体レーザは、1つの発光部(エミッタ)を有するCANタイプ(シングルエミッタタイプ)でもよく、複数の発光部を有するアレイタイプでもよい。
【0017】
光学系3は、発光素子2から出射された励起光が入射され、該励起光を平行光にして出射している。本実施形態においては、光学系3は、コリメータレンズとしている。なお、光学系3は、必須の構成ではなく、また、励起光の進行方向を変更するミラーや、入射された励起光を集束して出射する集束レンズ等を備えていてもよい。
【0018】
放熱体8は、固定部材(例えば、螺子体)やハンダ等により、支持体7に固定されている。そして、放熱体8は、蛍光板4を冷却すべく、蛍光板4で発生した熱を、半田層6及び支持体7を経由して外部に放出する。なお、放熱体8は、放熱性に優れる材質、例えば、アルミニウム等で形成されている。
【0019】
図2及び図3に示すように、蛍光板4の第1面41及び第2面42は、それぞれ平面状に形成されている。そして、蛍光板4の第2面42は、第1面41の反対側に配置されており、支持体7の第1面71と対面するように配置されている。また、蛍光板4の第1面41及び第2面42は、平行であり、蛍光板4の厚み方向D3に対してそれぞれ直交するように配置されている。
【0020】
蛍光板4の第1面41は、発光素子2から発する励起光が入射される入射領域41aを備えている。また、蛍光板4の第2面42は、半田層6と接合する接合領域42aと、半田層6と接合しない非接合領域42bとから成っている。即ち、半田層6は、蛍光板4の第2面42の一部と接合している。
【0021】
第2面42の接合領域42aの面積は、第1面41の入射領域41aの面積よりも大きくなっている。そして、第2面42の接合領域42aは、蛍光板4の厚み方向D3で第1面41の入射領域41aの全体と重なり合うように、配置されている。本実施形態においては、蛍光板4の厚み方向D3から見て、入射領域41aは、円形状であり、接合領域42aは、矩形状である。
【0022】
支持体7は、平板状に形成されている。そして、支持体7は、第1面71側に、半田層6を収容する凹状の収容部72を備えている。収容部72は、深さ寸法が同じとなるように、形成されている。そして、収容部72の底面は、平面状に形成されている。本実施形態においては、収容部72は、直方体状の凹状に形成されている。
【0023】
収容部72は、半田層6の全体を収容している。これにより、蛍光板4の第2面42の非接合領域42bは、支持体7と接している。具体的には、蛍光板4の第2面42の非接合領域42bは、半田層6を介在することなく、支持体7の第1面71と直接に接している。
【0024】
支持体7は、放熱性を高めるために、金属や合金などの熱伝導性の高い材料で形成されている。例えば、支持体7は、Cu、Al、Mo、W、又はこれらの少なくとも一つを含む合金で形成されている。また、半田層6は、例えば、Au80%−Sn20%共晶ハンダ(以下、単に「AuSnハンダ」ともいう)や、Sn−Ag−Cu系ハンダを用いることができる。
【0025】
図3及び図4に示すように、蛍光板4は、蛍光体を有する蛍光部43と、蛍光部43よりも第2面42側に配置され、第1面41から入射した光と蛍光部43で発生した蛍光とを反射して第1面41から出射させる反射層44とを備えている。また、蛍光板4は、高い半田濡れ性を有する高濡れ性層45を備えている。そして、蛍光板4の熱膨張係数は、支持体7の熱膨張係数と異なっている。本実施形態においては、蛍光板4の熱膨張係数は、支持体7の熱膨張係数よりも小さくなっている。
【0026】
蛍光部43は、例えば、粉末状の蛍光体を分散しているガラスで形成されてもよく、蛍光体の結晶で形成されていてもよい。本実施形態においては、蛍光部43は、例えば、Alからなるマトリックス相と、Ceを含有するYAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)からなる蛍光体相とを有する無機材料で構成されたセラミックス複合体としている。
【0027】
そして、蛍光体は、励起光を吸収し、吸収した励起光とは波長が異なる光(蛍光)を出射する。本実施形態においては、発光素子2は、例えば、波長が約455nmの青色レーザ光を励起光として出射し、蛍光体は、当該励起光を吸収し、ピーク波長が約550nmの蛍光を出射する。なお、発光素子2の発する励起光の波長や蛍光体の材質は、斯かる構成に限られない。
【0028】
反射層44は、光を反射できる金属又は合金で形成されている。例えば、反射層44は、Ag、Al、Pd、Ti、又はこれらの少なくとも一つを含む合金で形成されている。これにより、蛍光板4の第1面41から入射した光と蛍光部43で発生した蛍光とは、反射層44で反射され、第1面41から出射する。
【0029】
高濡れ性層45は、半田濡れ性の高い金属又は合金で形成されている。例えば、高濡れ性層45は、Au、Sn、又はこれらの少なくとも一つを含む合金で形成されている。そして、高濡れ性層45は、蛍光板4の第2面42の一部を構成している。したがって、蛍光板4の第2面42において、高濡れ性層45で構成される領域の半田濡れ性は、それ以外(例えば反射層44)で構成される領域の半田濡れ性よりも、高くなっている。
【0030】
本実施形態においては、蛍光板4の第2面42のうち、高濡れ性層45で構成される領域は、半田層6と接合される接合領域42aと略一致している。即ち、半田層6は、蛍光板4の第2面42のうち、高濡れ性層45で構成される領域と接合している。これにより、接合領域42aの半田濡れ性は、非接合領域42bの半田濡れ性よりも高いことになる。なお、半田濡れ性の指標として、例えば、接触角が挙げられる。
【0031】
なお、蛍光板4は、蛍光部43と反射層44との間に、蛍光部43と反射層44との密着強度を高める密着層を備えていてもよい。例えば、密着層は、Ti、Cr、又はこれらの少なくとも一つを含む合金で形成される。また、蛍光板4は、反射層44の第2面42側(例えば、反射層44と高濡れ性層45との間)に、反射層44が半田接合時に半田により損傷することを抑制するバリヤ層を備えていてもよい。例えば、バリヤ層は、Ni、Pt、Pd、又はこれらの少なくとも一つを含む合金で形成される。
【0032】
ここで、蛍光板4の第1面41における入射領域41aについて、図5図8を参酌して説明する。
【0033】
まず、発光素子2が1つの発光部(エミッタ)を有する場合には、図5に示すように、入射領域41aは、当該発光素子2から出射して蛍光板4の第1面41に入射される光の光強度が最大値に対して1/e(=0.1353)以上の値である領域とする。また、発光素子2が複数の発光部を有する場合には、図6に示すように、入射領域41aは、当該発光素子2の複数の発光部から出射して蛍光板4の第1面41に入射される合成光の光強度が最大値に対して1/e(=0.1353)以上の値である領域とする。
【0034】
次に、発光素子2が複数備えられている場合には、図7及び図8に示すように、入射領域41aは、各発光素子2ごとの個別入射領域41bを合わせた領域とする。なお、個別入射領域41bは、図5及び図6に示すように、一つの発光素子2における入射領域である。したがって、図7に示すように、個別入射領域41bが分断している場合には、入射領域41aは、複数の領域から成り、また、図8に示すように、個別入射領域41bがそれぞれ連なっている場合には、入射領域41aは、一つの領域から成る。
【0035】
なお、入射領域41aの面積が大きい場合には、蛍光板4の発熱する領域が分散するため、例えば、蛍光板4が局所的に高温になることを抑制することができる。また、入射領域41aの面積が小さい場合には、蛍光板4から出射する蛍光の発光面積が小さくなるため、例えば、蛍光板4から出射する蛍光の輝度を確保することができ、また、例えば、蛍光板4から下流側の光学系等のサイズを小型化することができる。
【0036】
本実施形態に係る光源装置1及び蛍光板アッセンブリ10の構成については以上の通りであり、次に、本実施形態に係る蛍光板アッセンブリ10の製造方法について、図9及び図10を参酌して説明する。
【0037】
図9に示すように、支持体7の第1面71側に、凹状の収容部72を形成する。例えば、収容部72は、レーザ加工や、レジストパターンを設けた後にエッチング処理等により、形成することができる。収容部72の深さは、例えば、30μmとすることができる。
【0038】
次に、収容部72の内部に、半田前駆層60を形成する。半田前駆層60がAuSnハンダである場合には、マスク蒸着法等により、半田前駆層60全体のAuとSnの重量比率が所望の値(例えば、Auを80%とし、Snを20%とする)となるような層を収容部72の内部に形成すればよい。また、半田前駆層60がSn−Ag−Cu系のハンダである場合には、ハンダペーストを用いてスクリーン印刷法により、収容部72の内部に、半田前駆層60を形成してもよい。
【0039】
そして、支持体7の上に半田前駆層60を介在させて蛍光板4を載置し、リフロー炉等で加熱することにより、半田前駆層60を溶融させ、その後、冷却する。そして、図10に示すように、溶融したハンダが固化することで、蛍光板4と支持体7とにそれぞれ接合された半田層6が形成され、蛍光板アッセンブリ10が完成する。なお、半田前駆層60がAuSnハンダである場合には、加熱温度は約320℃であり、半田前駆層60がSn−Ag−Cu系のハンダである場合には、加熱温度は約260℃である。
【0040】
ところで、半田層6の全体を収容部72の内部に収容するために、半田前駆層60の体積は、収容部72の体積(空間の体積)の100%以下であることが好ましい。一方、半田層6が収容部72の内部を充たし、半田層6が蛍光板4の第2面42と接合するために、半田前駆層60の体積は、収容部72の体積の90%以上であることが好ましい。
【0041】
なお、半田前駆層60の体積が収容部72の体積の100%未満であって、半田層6が収容部72の内部を充たす場合には、収容部72が半田層6により収縮する応力を受ける。したがって、当該応力を受けることを抑制するために、半田前駆層60の体積は、収容部72の体積の95%以上であることが好ましい。
【0042】
以上より、本実施形態に係る光源装置1及び蛍光板アッセンブリ10によれば、発光素子2が発光する動作時には、発光素子2からの励起光が蛍光板4に入射し、蛍光板4が励起光の少なくとも一部を蛍光に変換して出射するため、蛍光板4が発熱する。そして、一般的には、蛍光板4の温度が冷却体5(具体的には、支持体7)の温度と相違するため、蛍光板4の熱膨張量が冷却体5(具体的には、支持体7)の熱膨張量と相違する。これにより、動作時に、蛍光板4に応力が発生する。
【0043】
そこで、本実施形態に係る光源装置1は、励起光を発する発光素子2と、前記発光素子2から発する励起光が第1面41に入射されて且つ該励起光の少なくとも一部を蛍光に変換して該第1面41から出射する蛍光板4と、前記蛍光板4を支持して冷却する冷却体5と、前記蛍光板4の第2面42と前記冷却体5とを固定する半田層6と、を備え、前記半田層6は、前記蛍光板4の前記第2面42の一部と接合する。
【0044】
また、本実施形態に係る蛍光板アッセンブリ10は、励起光が第1面41に入射されて且つ該励起光の少なくとも一部を蛍光に変換して該第1面41から出射する蛍光板4と、前記蛍光板4を支持する支持体7と、前記蛍光板4の第2面42と前記支持体7とを固定する半田層6と、を備え、前記半田層6は、前記蛍光板4の前記第2面42の一部と接合する。
【0045】
斯かる構成によれば、半田層6が蛍光板4の第2面42の一部と接合している構成であるため、半田層6が蛍光板4の第2面42の全体と接合している構成と比較して、動作時に、蛍光板4に発生する応力を抑制することができる。したがって、動作時に、例えば、蛍光板4が破損することを抑制することができる。また、例えば、動作時に、蛍光板4と半田層6との接合や、半田層6と冷却体5(具体的には、支持体7)との接合が分断されることを抑制することができる。
【0046】
ところで、半田層6が蛍光板4及び冷却体5(具体的には、支持体7)と接合する際には、半田前駆層60、蛍光板4、及び冷却体5(具体的には、支持体7)がハンダの溶融温度以上の温度(例えば、260〜320℃)に加熱される。そして、半田層6(半田前駆層60)、蛍光板4、及び冷却体5(具体的には、支持体7)がそれぞれ常温(例えば、20〜30℃)まで冷却されることで、半田層6が蛍光板4及び冷却体5(具体的には、支持体7)とそれぞれ接合する。
【0047】
そこで、本実施形態に係る光源装置1及び蛍光板アッセンブリ10においては、前記蛍光板4の熱膨張係数は、前記冷却体5(具体的には、支持体7)の熱膨張係数と、異なる、という構成である。
【0048】
斯かる構成によれば、蛍光板4の熱膨張係数が、冷却体5(具体的には、支持体7)の熱膨張係数と異なるため、ハンダの溶融温度以上の温度から常温になる際の、蛍光板4の熱収縮量が冷却体5(具体的には、支持体7)の熱収縮量と相違する。これにより、動作時だけでなく、半田層6が蛍光板4及び冷却体5(具体的には、支持体7)と接合する半田接合時にも、蛍光板4に応力が発生する。
【0049】
そこで、半田層6が蛍光板4の第2面42の一部と接合している構成であるため、半田層6が蛍光板4の第2面42の全体と接合している構成と比較して、半田接合時にも、蛍光板4に発生する応力を抑制することができる。したがって、例えば、半田接合時にも、蛍光板4が破損することを抑制することができる。また、例えば、半田接合時に、蛍光板4と半田層6との接合不良や、半田層6と冷却体5(具体的には、支持体7)との接合不良が発生することを抑制することができる。
【0050】
また、本実施形態に係る光源装置1及び蛍光板アッセンブリ10においては、前記蛍光板4の前記第1面41は、前記発光素子2から発する励起光が入射される入射領域41aを備え、前記蛍光板4の前記第2面42は、前記半田層6と接合する接合領域42aを備え、前記接合領域42aは、前記蛍光板4の厚み方向D3で前記入射領域41aの全体と重なり合うように、配置される、という構成である。
【0051】
斯かる構成によれば、蛍光板4の第1面41の入射領域41aは、発光素子2から発する励起光が入射される。そして、半田層6が蛍光板4の第2面42の一部と接合しているため、蛍光板4の第2面42は、半田層6と接合する接合領域42aを備えている。そして、接合領域42aが、蛍光板4の厚み方向D3で、入射領域41aの全体と重なり合っているため、蛍光板4の発熱する領域は、蛍光板4の厚み方向D3で、接合領域42aと重なり合っている。
【0052】
これにより、半田層6及び冷却体5(具体的には、支持体7)を経由して、蛍光板4から発生した熱を効率よく外部に放出することができる。したがって、例えば、放熱特性を向上させることができる。また、例えば、蛍光板4及び半田層6が高温になることを抑制できるため、半田層6が塑性変形することも抑制できる。
【0053】
また、本実施形態に係る光源装置1及び蛍光板アッセンブリ10においては、前記蛍光板4の前記第2面42は、前記半田層6と接合する接合領域42aと、前記半田層6と接合しない非接合領域42bとから成り、前記接合領域42aの半田濡れ性は、前記非接合領域42bの半田濡れ性よりも高い、という構成である。
【0054】
斯かる構成によれば、半田層6が蛍光板4の第2面42の一部と接合しているため、蛍光板4の第2面42は、半田層6と接合する接合領域42aと、半田層6と接合しない非接合領域42bとから成る。そして、接合領域42aの半田濡れ性が、非接合領域42bの半田濡れ性よりも高いため、半田層6は、蛍光板4の第2面42の半田濡れ性の高い接合領域42aと接合することになる。したがって、蛍光板4の第2面42の所望の領域の半田濡れ性を高くすることで、当該所望の領域を接合領域42aにすることができる。
【0055】
また、本実施形態に係る光源装置1及び蛍光板アッセンブリ10においては、前記蛍光板4の前記第2面42は、前記半田層6と接合する接合領域42aと、前記半田層6と接合しない非接合領域42bとから成り、前記蛍光板4及び前記冷却体5(具体的には、前記支持体7)の少なくとも一方(具体的には、前記支持体7)は、前記蛍光板4の前記非接合領域42bが前記冷却体5(具体的には、前記支持体7)と接するように、前記半田層6を収容する凹状の収容部72を備える、という構成である。
【0056】
斯かる構成によれば、半田層6が蛍光板4の第2面42の一部と接合しているため、蛍光板4の第2面42は、半田層6と接合する接合領域42aと、半田層6と接合しない非接合領域42bとから成る。そして、蛍光板4及び冷却体5(具体的には、支持体7)の少なくとも一方(具体的には、支持体7)は、凹状の収容部72を備えており、半田層6は、収容部72に収容されている。これにより、蛍光板4の非接合領域42bが冷却体5(具体的には、支持体7)と接している。
【0057】
ところで、動作時に、所定の条件において、蛍光板4は、第1面41が凸状で且つ第2面42が凹状に、反るように変形しようとする(図17の一点鎖線矢印参照)。なお、当該反りの変形は、例えば、発光素子2と蛍光板4との光学的な位置をずらすことになるため、光学的特性が設計値からずれてしまうという問題を生じさせる。
【0058】
しかしながら、蛍光板4の非接合領域42bが冷却体5(具体的には、支持体7)と接しているため、動作時に、蛍光板4が反るように変形することを抑制することができる。したがって、例えば、光学的特性が設計値からずれてしまうことを抑制することができる。
【0059】
また、本実施形態に係る光源装置1及び蛍光板アッセンブリ10においては、前記蛍光板4の熱膨張係数は、前記冷却体5(具体的には、前記支持体7)の熱膨張係数よりも小さい、という構成である。
【0060】
斯かる構成によれば、動作時だけでなく、半田接合時にも、蛍光板4は、第1面41が凸状で且つ第2面42が凹状に、反るように変形しようとする(図17の一点鎖線矢印参照)。しかしながら、蛍光板4の非接合領域42bが冷却体5(具体的には、支持体7)と接しているため、半田接合時にも、蛍光板4が反るように変形することを抑制することができる。したがって、例えば、光学的特性が設計値からずれてしまうことを抑制することができる。
【0061】
ここで、蛍光板4が、第1面41が凸状で且つ第2面42が凹状に、反るように変形しようとする条件について説明する。
【0062】
まず、ハンダの溶融温度時には、蛍光板4及び支持体7に応力が発生していないと考えられるため、以下の式1を満たす場合に、蛍光板4は、第1面41が凸状で且つ第2面42が凹状に、反るように変形することになる。なお、下記式1を満たさない場合には、反対に、蛍光板4は、第1面41が凹状で且つ第2面42が凸状に、反るように変形することになる。
【0063】
α4 * ΔT4 < α7 * ΔT7 …(式1)
α4は、蛍光板4の熱膨張係数であり、α7は、支持体7の熱膨張係数であり、ΔT4は、ハンダの溶融温度と蛍光板4の実際の温度との差、ΔT7は、ハンダの溶融温度と支持体7の実際の温度との差である。
【0064】
動作時には、一般的に、蛍光板4の温度が、支持体7の温度よりも高くなるため、ΔT4<ΔT7となる。したがって、蛍光板4の熱膨張係数α4が支持体7の熱膨張係数α7よりも小さい(α4<α7)場合は、上記式1を満たし、反対に、蛍光板4の熱膨張係数α4が支持体7の熱膨張係数α7よりも大きい(α4>α7)場合は、蛍光板4の温度と支持体7の温度との関係で、上記式1を満たす場合と、上記式1を満たさない場合がある。
【0065】
また、半田接合時には、蛍光板4の温度と支持体7の温度とが同じ(例えば、室温)になるため、ΔT4=ΔT7となる。したがって、蛍光板4の熱膨張係数α4が支持体7の熱膨張係数α7よりも小さい(α4<α7)場合は、上記式1を満たし、反対に、蛍光板4の熱膨張係数α4が支持体7の熱膨張係数α7よりも大きい(α4>α7)場合は、上記式1を満たさない。
【0066】
なお、光源装置及び蛍光板アッセンブリは、上記した実施形態の構成に限定されるものではなく、また、上記した作用効果に限定されるものではない。また、光源装置及び蛍光板アッセンブリは、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、下記する各種の変更例に係る構成や方法等を任意に一つ又は複数選択して、上記した実施形態に係る構成や方法等に採用してもよいことは勿論である。
【0067】
上記実施形態に係る蛍光板アッセンブリ10においては、支持体7は、半田層6を収容する凹状の収容部72を備えている、という構成である。しかしながら、蛍光板アッセンブリは、斯かる構成に限られない。例えば、図11に示すように、蛍光板アッセンブリ10においては、蛍光板4は、半田層6を収容する凹状の収容部46を備えている、という構成でもよい。また、例えば、蛍光板4及び支持体7は、それぞれ半田層6を収容する凹状の収容部46,72を備えている、という構成でもよい。
【0068】
また、上記実施形態に係る蛍光板アッセンブリ10においては、収容部72の底面は、平面状に形成されている、という構成である。しかしながら、蛍光板アッセンブリは、斯かる構成に限られない。例えば、図12に示すように、蛍光板アッセンブリ10においては、収容部72の底面は、曲面状(具体的には、球面状)に形成されている、という構成でもよい。また、例えば、図13及び図14に示すように、蛍光板アッセンブリ10においては、収容部72は、支持体7の第1面71に面する第1凹部72aと、第1凹部72aの底面に配置される、第2凹部72bとを備える、という構成でもよい。
【0069】
図13に示すように、半田前駆層60の体積は、収容部72の体積の100%未満(例えば、第1凹部72aの体積+第2凹部72bの体積の90〜95%)とする。また、蛍光板4の所望の領域は、高濡れ性層45とする。そして、加熱することにより、半田前駆層60を溶融させ、その後、冷却する。このとき、溶融したハンダは、表面張力があるため、蛍光板4の高濡れ性層45と密着状態を保ちつつ固化する。
【0070】
したがって、図14に示すように、蛍光板4の第2面42のうち、高濡れ性層45の領域が、半田層6と接合し、接合領域42aとなる。また、半田層6の一部は、第2凹部72bに収容されるため、半田層6が収容部72の外部に形成されることはない。これにより、半田層6の全体を収容部72に収容させることができる。
【0071】
また、上記実施形態に係る光源装置1においては、発光素子2は、一つ備えられている、という構成である。しかしながら、光源装置は、斯かる構成に限られない。例えば、光源装置においては、発光素子2は、二つ以上備えられている、という構成でもよい。そして、例えば、図15及び図16に示すように、蛍光板アッセンブリ10は、二つの発光素子2から出射される励起光に対応して、二つの個別入射領域41b,41bから成る入射領域41aと、二つの半田層6,6とを備えていてもよい。
【0072】
また、上記実施形態に係る蛍光板アッセンブリ10においては、半田層6は、支持体7の収容部72に配置されている、即ち、支持体7の内部に配置されている、という構成である。しかしながら、蛍光板アッセンブリは、斯かる構成に限られない。例えば、蛍光板アッセンブリ10においては、図17に示すように、半田層6は、蛍光板4及び支持体7の外部に配置されている、即ち、蛍光板4の第2面42及び支持体7の第1面71は、それぞれ平面状に形成され、半田層6を収容する収容部を備えていない、という構成でもよい。
【0073】
また、上記実施形態に係る蛍光板アッセンブリ10においては、接合領域42aは、蛍光板4の厚み方向D3から見て、矩形状である、という構成である。しかしながら、蛍光板アッセンブリは、斯かる構成に限られない。例えば、蛍光板アッセンブリにおいては、蛍光板4の厚み方向D3から見て、接合領域42aは、円形状である入射領域41aに対応して、円形状である、という構成でもよい。
【0074】
また、上記実施形態に係る光源装置1においては、冷却体5は、支持体7及び放熱体8を備えている、という構成である。しかしながら、光源装置は、斯かる構成に限られない。例えば、光源装置においては、冷却体5は、支持体7を備えておらず、放熱体8のみ備えており、蛍光板4は、半田層6により、放熱体8と固定されている、という構成でもよい。
【0075】
また、上記実施形態に係る光源装置1及び蛍光板アッセンブリ10においては、蛍光板4の接合領域42aは、蛍光板4の厚み方向D3で蛍光板4の入射領域41aの全体と重なり合うように、配置されている、という構成である。しかしながら、光源装置及び蛍光板アッセンブリは、斯かる構成に限られない。例えば、光源装置及び蛍光板アッセンブリにおいては、蛍光板4の接合領域42aは、蛍光板4の厚み方向D3で蛍光板4の入射領域41aの一部とのみ重なり合うように、配置されている、という構成でもよい。
【0076】
また、上記実施形態に係る光源装置1及び蛍光板アッセンブリ10においては、蛍光板4の接合領域42aは、蛍光板4の入射領域41aの面積よりも大きい、という構成である。しかしながら、光源装置及び蛍光板アッセンブリは、斯かる構成に限られない。例えば、蛍光板4の接合領域42aは、蛍光板4の入射領域41aの面積と同じ、という構成でもよく、また、光源装置及び蛍光板アッセンブリにおいては、蛍光板4の接合領域42aは、蛍光板4の入射領域41aの面積よりも小さい、という構成でもよい。
【0077】
また、上記実施形態に係る蛍光板アッセンブリ10においては、蛍光板4の接合領域42aの半田濡れ性は、非接合領域42bの半田濡れ性よりも高い、という構成である。しかしながら、蛍光板アッセンブリは、斯かる構成に限られない。例えば、蛍光板アッセンブリにおいては、蛍光板4の接合領域42aの半田濡れ性は、非接合領域42bの半田濡れ性と同じ、という構成でもよく、蛍光板4の接合領域42aの半田濡れ性は、非接合領域42bの半田濡れ性よりも低い、という構成でもよい。
【0078】
また、上記実施形態に係る蛍光板アッセンブリ10においては、蛍光板4の熱膨張係数は、支持体7の熱膨張係数よりも小さい、という構成である。しかしながら、蛍光板アッセンブリは、斯かる構成に限られない。例えば、蛍光板アッセンブリにおいては、蛍光板4の熱膨張係数は、支持体7の熱膨張係数よりも大きい、という構成でもよく、また、蛍光板4の熱膨張係数は、支持体7の熱膨張係数と同じ、という構成でもよい。
【実施例】
【0079】
本発明の構成と効果を具体的に示すため、蛍光板アッセンブリの実施例とその比較例とについて、図1図3及び図15図28を参酌して、以下に説明する。
【0080】
各構成の共通する寸法は、以下の通りである。
<蛍光板4>
蛍光板4の寸法は、縦5mm×横5mm×厚み0.13mmである。
入射領域41aは、直径2mmの円形状である。なお、実施例2についてのみ、入射領域41aは、二つの個別入射領域41b,41bを有し、各個別入射領域41bは、直径1.41mmの円形状である。
<半田層6>
半田層6の厚み寸法は、30μmである。
<支持体7>
支持体7の寸法は、縦17mm×横17mm×厚み3mmである。なお、比較例2についてのみ、支持体7の寸法は、縦17mm×横17mm×厚み1mmである。
【0081】
実施例1〜3の構成は、以下の通りである。
<実施例1>
実施例1は、図1図3に示した上記実施形態に係る蛍光板アッセンブリ10である。
支持体7は、深さが30μmである収容部72を備えており、蛍光板4の第2面42の非接合領域42bは、支持体7の第1面71に接触している。
蛍光板4の厚み方向D3から見た接合領域42a(半田層6)の形状は正方形で、正方形の一辺の長さを変えて、各種検証値を求めた。
なお、実施例1−1は、接合領域42aの寸法が縦3.2mm×横3.2mmであり、接合領域42aが、蛍光板4の厚み方向D3で入射領域41aの全体と重なり合っている。また、実施例1−2は、接合領域42aの寸法が縦1.6mm×横1.6mmであり、接合領域42aが、蛍光板4の厚み方向D3で入射領域41aの一部のみと重なり合っている。
<実施例2>
実施例2は、図15及び図16に示した蛍光板アッセンブリ10である。
支持体7は、深さが30μmである収容部72,72を二つ備えており、蛍光板4の第2面42の非接合領域42bは、支持体7の第1面71に接触している。
蛍光板4の厚み方向D3から見た各接合領域42a(各半田層6)の形状は正方形で、正方形の一辺の長さを変えて、各種検証値を求めた。
なお、実施例2−1は、各接合領域42aの寸法が縦2.2mm×横2.2mmであり、接合領域42aが、蛍光板4の厚み方向D3で入射領域41aの全体と重なり合っている。また、実施例2−2は、接合領域42aの寸法が縦1.1mm×横1.1mmであり、接合領域42aが、蛍光板4の厚み方向D3で入射領域41aの一部のみと重なり合っている。
<実施例3>
実施例3は、図17に示した蛍光板アッセンブリ10である。
支持体7は、収容部72を備えておらず、半田層6は、蛍光板4及び支持体7の外部に配置されており、蛍光板4の第2面42の非接合領域42bは、支持体7の第1面71と離間している。
蛍光板4の厚み方向D3から見た接合領域42a(半田層6)の形状は正方形で、その寸法は、縦3.2mm×横3.2mmである。
【0082】
比較例1〜2の構成は、以下の通りである。
<比較例1>
比較例1は、図18に示した蛍光板アッセンブリ100である。
支持体7は、収容部72を備えておらず、半田層6は、蛍光板4及び支持体7の外部に配置されている。
半田層6は、蛍光板4の第2面42の全体と接合しており、蛍光板4の厚み方向D3から見た接合領域42a(半田層6)は、蛍光板4と同じ形状(正方形)で且つ同じ寸法(縦5.0mm×横5.0mm)である。
<比較例2>
比較例2は、比較例1に対して、上記したように、支持体7の厚み寸法が1mmである点が異なる蛍光板アッセンブリ100である。
【0083】
各構成の材質等は、以下の通りである。
<蛍光板4>
蛍光板4は、YAG/Alセラミクス複合体とし、熱膨張係数は、8.6×10−6/Kであり、縦弾性係数は、363GPaであり、ポアソン比は、0.3であり、熱伝導率は、24W/(m・K)である。
<半田層6>
半田層6は、AuSnハンダ(Sn20wt%)とし、熱膨張係数は、16×10−6/Kであり、25℃時における縦弾性係数は、59GPaであり、50℃時における縦弾性係数は、57GPaであり、100℃時における縦弾性係数は、45GPaであり、ポアソン比は、0.4であり、熱伝導率は、57W/(m・K)であり、融点は、280℃である。
<支持体7>
支持体7は、Cuで形成されており、20℃時における熱膨張係数は、16.5×10−6/Kであり、227℃時における熱膨張係数は、18.3×10−6/Kであり、縦弾性係数は、119GPaであり、ポアソン比は、0.326であり、27℃時における熱伝導率は、398W/(m・K)であり、227℃時における熱伝導率は、388W/(m・℃)である。
<放熱体8>
放熱体8は、アルミ合金(A6061)で形成されており、熱伝導率は、156W/(m・K)である。
【0084】
<半田接合時の応力、半田接合時の反り変形量>
支持体7に半田前駆層60を形成した後に、蛍光板4を載置した状態で温度320℃まで加熱してハンダを溶融させ、その後の冷却過程において温度280℃で蛍光板4と支持体7とが固着し、その状態から室温を想定した20℃まで温度が低下した際の、蛍光板4に発生する応力と、蛍光板4の反り変形量とを有限要素法により求めた。
蛍光板4に発生する応力は、応力が最大となる蛍光板4の中央の位置の応力を求めた。
蛍光板4の反り変形量は、蛍光板4の厚み方向D3における、蛍光板4の第2面42の変位量の最大値と最小値との差を求めた。
【0085】
<動作時の応力、動作時の反り変形量、動作時の蛍光板の温度>
放熱体8の下面(支持体7と接している面と反対側の面)が50℃で一定となるように放熱体8が冷却されており、蛍光板4の第1面41に励起光を入射し、入射領域41aで50Wの発熱がある際の、蛍光板4に発生する応力と、蛍光板4の反り変形量と、蛍光板4の温度とを有限要素法により求めた。
蛍光板4に発生する応力は、応力が最大となる蛍光板4の中央の位置の応力を求めた。
蛍光板4の反り変形量は、蛍光板4の厚み方向D3における、蛍光板4の第2面42の変位量の最大値と最小値との差を求めた。
蛍光板4の温度は、蛍光板4のうち温度が最大となる位置の温度を求めた。
【0086】
<評価結果>
図19及び図20に示すように、実施例1〜3は、比較例1に対して、動作時に蛍光板4に発生する応力を抑制することができている。このように、半田層6が蛍光板4の第2面42の一部と接合する構成とすることで、半田層6が蛍光板4の第2面42の全体と接合している構成と比較して、動作時に、蛍光板4に発生する応力を抑制することができる。
【0087】
なお、図20図22図24図26図28も同様)において、実施例1の検証値は、丸印(●)E1−1,E1−2及び実線E1で示し、実施例2の検証値は、三角印(▲)E2−1,E2−2及び破線E2で示し、実施例3の検証値は、四角印(■)E3で示し、比較例1及び2の検証値は、バツ印(×)C1,C2で示している。なお、実施例1−1,1−2,2−1,2−2の検証値は、それぞれE1−1,E1−2,E2−1,E2−2である。
【0088】
また、図21及び図22に示すように、実施例1〜3は、比較例1に対して、半田接合時に蛍光板4に発生する応力を抑制することができている。このように、半田層6が蛍光板4の第2面42の一部と接合する構成とすることで、半田層6が蛍光板4の第2面42の全体と接合している構成と比較して、半田接合時にも、蛍光板4に発生する応力を抑制することができる。
【0089】
また、光源装置1及び蛍光板アッセンブリ10のより好ましい実施例について、以下に説明する。
【0090】
まず、実施例1−1、実施例2−1、及び実施例3においては、接合領域42aは、蛍光板4の厚み方向D3で、入射領域41aの全体と重なり合う、という構成である。それに対して、実施例1−2及び実施例2−2は、接合領域42aは、蛍光板4の厚み方向D3で、入射領域41aの一部とのみ重なり合う、という構成である。
【0091】
そして、図23及び図24に示すように、実施例1−1、実施例2−1、及び実施例3は、実施例1−2及び実施例2−2に対して、動作時に蛍光板4の温度が上昇することを抑制することができている。これにより、光源装置1及び蛍光板アッセンブリ10においては、接合領域42aは、蛍光板4の厚み方向D3で、入射領域41aの全体と重なり合う、という構成であることが好ましい。
【0092】
また、実施例1及び実施例2においては、支持体7は、蛍光板4の非接合領域42bと接するように、半田層6を収容する凹状の収容部72を備える、という構成である。それに対して、実施例3は、支持体7が収容部72を備えておらず、蛍光板4の非接合領域42bと支持体7とが離間している、という構成である。
【0093】
そして、図25及び図26に示すように、実施例1及び実施例2は、実施例3に対して、動作時に蛍光板4が反るように変形することを抑制することができている。さらに、図27及び図28に示すように、実施例1及び実施例2は、実施例3に対して、半田接合時にも蛍光板4が反るように変形することを抑制することができている。これにより、光源装置1及び蛍光板アッセンブリ10においては、蛍光板4及び冷却体5(支持体7)の少なくとも一方(支持体7)は、蛍光板4の非接合領域42bが冷却体5(支持体7)と接するように、半田層6を収容する凹状の収容部72を備える、という構成であることが好ましい。
【0094】
なお、比較例2は、支持体7の厚みを薄くすることで、図19図22に示すように、使用時及び半田接合時に、蛍光板4に発生する応力を抑制することができている。しかしながら、比較例2は、図25図28に示すように、反りに対する剛性が低下するため、反りの変形量が非常に大きくなり、また、図23及び図24に示すように、熱が支持体7で十分に拡散しないため、動作時に蛍光板4の温度が上昇することをあまり抑制できていない。
【符号の説明】
【0095】
1…光源装置、2…発光素子、3…光学系、4…蛍光板、5…冷却体、6…半田層、7…支持体、8…放熱体、10…蛍光板アッセンブリ、41…第1面、41a…入射領域、41b…個別入射領域、42…第2面、42a…接合領域、42b…非接合領域、43…蛍光部、44…反射層、45…高濡れ性層、46…収容部、71…第1面、72…収容部、72a…第1凹部、72b…第2凹部、60…半田前駆層、L1…入射光、L2…出射光
図1
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