特開 2022-190313 積層構造体および熱伝導構造体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022190313

(43)【公開日】2022-12-26

(54)【発明の名称】積層構造体および熱伝導構造体

(51)【国際特許分類】

   G03B 21/14 20060101AFI20221219BHJP

【ＦＩ】

G03B21/14 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021098578

(22)【出願日】2021-06-14

(71)【出願人】

【識別番号】000002369

【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100179475

【弁理士】

【氏名又は名称】仲井 智至

(74)【代理人】

【識別番号】100216253

【弁理士】

【氏名又は名称】松岡 宏紀

(74)【代理人】

【識別番号】100225901

【弁理士】

【氏名又は名称】今村 真之

(72)【発明者】

【氏名】藤井 正寛

(72)【発明者】

【氏名】茅野 祐治

【テーマコード（参考）】

2K203

【Ｆターム（参考）】

2K203FA03

2K203FA23

2K203FA34

2K203FA44

2K203FA45

2K203FA54

2K203FA62

2K203FB03

2K203GA20

2K203LA12

2K203LA36

2K203LA37

2K203MA12

(57)【要約】

【課題】グラファイトシート内の結晶界面が熱の伝達方向に沿って劈開し、破壊し難い積層構造体を提供する。
【解決手段】積層構造体は銅で表面修飾されたグラファイト層６９を複数積層してなる第１積層体６５を有し、第１積層体６５は、グラファイト層６９の積層方向である第１方向６７に延設された銅で構成される第１柱状部７１を具備する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属材料で表面修飾されたグラファイト層を複数積層してなる第１積層体を有し、前記第１積層体は、前記グラファイト層の積層方向に延設された前記金属材料で構成される柱状部を具備することを特徴とする積層構造体。

【請求項2】

請求項１に記載の積層構造体であって、
前記柱状部は、前記第１積層体の端面の角部に配置されることを特徴とする積層構造体。

【請求項3】

請求項１に記載の積層構造体であって、
前記柱状部は、前記グラファイト層を挿通して構成されることを特徴とする積層構造体。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか一項に記載の積層構造体を備え、
熱源が前記積層構造体の一主面に接合されることを特徴とする熱伝導構造体。

【請求項5】

請求項４に記載の熱伝導構造体であって、
前記第１積層体と同じ構造の第２積層体を更に備え、
前記第１積層体の積層方向である第１方向と、前記第２積層体の積層方向である第２方向と、が交差した関係となるように、前記第１積層体と前記第２積層体とが重ねられていることを特徴とする熱伝導構造体。

【請求項6】

請求項４または５に記載の熱伝導構造体であって、
前記積層構造体に対し前記熱源の反対側に熱伝導基板が接合され、
前記熱伝導基板に対し前記積層構造体と反対側に、ヒートシンクが接合されていることを特徴とする熱伝導構造体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、積層構造体および熱伝導構造体に関するものである。

【背景技術】

【0002】

青色レーザーを照射して黄色の光を反射する波長変換部材がプロジェクターに用いられる。波長変換部材は温度が高くなると変換効率が低下する。波長変換部材の昇温を抑制するために放熱する熱伝導構造体が用いられる。

【0003】

熱伝導構造体の部品として利用される放熱接合体が特許文献１に開示されている。特許文献１によると、放熱接合体の構造はグラファイトシートを複数枚積層し、各グラファイトシートの積層面間に金属または酸化物よりなる薄膜の接合材を介在させた構造になっている。この構造にすることにより放熱接合体は高い熱伝導性と強度とを確保していた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２０－１８１９２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１の放熱接合体の母材となるグラファイトシートの内部は強度が弱い。熱伝導部材の急速な温度の上昇と降下により発生する繰り返し応力で、グラファイトシート内の結晶界面が熱の伝達方向に沿って劈開し、破壊するという課題があった。

【課題を解決するための手段】

【0006】

積層構造体は、金属材料で表面修飾されたグラファイト層を複数積層してなる第１積層体を有し、前記第１積層体は、前記グラファイト層の積層方向に延設された前記金属材料で構成される柱状部を具備する。

【0007】

熱伝導構造体は、上記に記載の積層構造体を備え、熱源が前記積層構造体の一主面に接合される。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１実施形態にかかわるプロジェクターの光学系を示す構成図。

【図2】熱伝導構造体の構成を示す概略斜視図。

【図3】積層構造体の構成を示す分解斜視図。

【図4】熱伝導構造体の構成を示す側面図。

【図5】第１積層体の断面図。

【図6】第１積層体の分解斜視図。

【図7】グラファイト層の断面図。

【図8】グラファイトシートの特性を示す図表。

【図9】第２積層体の分解斜視図。

【図10】熱伝導構造体の製造方法を示すフローチャート。

【図11】第２実施形態にかかわる積層構造体の構成を示す分解斜視図。

【図12】積層構造体の構成を示す側断面図。

【発明を実施するための形態】

【0009】

第１実施形態
本実施形態では、プロジェクターと、このプロジェクターに用いられる熱伝導構造体との特徴的な例について、図に従って説明する。プロジェクターはスクリーン上にカラー映像を表示する投写型画像表示装置である。

【0010】

図１は、プロジェクターの光学系を示す構成図である。図１に示すように、プロジェクター１は、発光装置としての第１照明装置２、第２照明装置３、色分離導光光学系４、赤色光変調装置５、緑色光変調装置６、青色光変調装置７、クロスダイクロイックプリズム８及び投写光学装置９を備える。赤色光変調装置５、緑色光変調装置６、青色光変調装置７はそれぞれ赤色光、緑色光、青色光の各色光に対応する光変調装置である。

【0011】

第１照明装置２は、第１光源１１、コリメート光学系１４、第１ダイクロイックミラー１７、集光光学系１８、熱伝導構造体２２、第１レンズアレイ３９、第２レンズアレイ４１、偏光変換素子４２及び重畳レンズ４３を備える。

【0012】

第１光源１１は半導体レーザーを備える。第１光源１１は第１青色光１２を射出する。第１青色光１２は青色光のレーザー光であり、第１の波長を示す発光強度のピークの波長は約４４５ｎｍである。尚、第１青色光１２の波長は４４５ｎｍに限らず、例えば、４６０ｎｍでも良い。

【0013】

第１光源１１の光軸を第１光軸１１ａとする。第１照明装置２が射出する第１青色光１２の光軸を照明光軸１３とする。第１光軸１１ａは照明光軸１３と直交する。第１光源１１が射出する第１青色光１２はコリメート光学系１４を照射する。コリメート光学系１４は第１レンズ１５及び第２レンズ１６を備える。コリメート光学系１４は第１青色光１２を略平行にする。第１レンズ１５及び第２レンズ１６は凸レンズである。

【0014】

コリメート光学系１４を通過する第１青色光１２は第１ダイクロイックミラー１７を照射する。第１ダイクロイックミラー１７は第１光軸１１ａ及び照明光軸１３に対して４５°の角度で交わる。第１ダイクロイックミラー１７は第１青色光１２を反射し、赤色光及び緑色光を含む黄色光を通過させる。

【0015】

第１ダイクロイックミラー１７にて反射する第１青色光１２は集光光学系１８を照射する。集光光学系１８は第３レンズ１９及び第４レンズ２１を備える。第３レンズ１９及び第４レンズ２１は凸レンズである。第１青色光１２は集光光学系１８を通過して熱伝導構造体２２を照射する。

【0016】

熱伝導構造体２２は熱源としての蛍光体２３及びヒートシンク２４を備える。ヒートシンク２４は蛍光体２３を冷却する。

【0017】

第１ダイクロイックミラー１７で反射した第１青色光１２を集光光学系１８が集光して蛍光体２３を照射する。熱伝導構造体２２には第１青色光１２が入射される。蛍光体２３は第１青色光１２を黄色光２７に変換して射出する。黄色光２７には赤色光及び緑色光が含まれる。蛍光体２３が射出する黄色光２７は集光光学系１８を照射する。集光光学系１８は黄色光２７を略平行にする。このように、第１照明装置２は第１光源１１、集光光学系１８及び熱伝導構造体２２を備える。

【0018】

集光光学系１８及び第１ダイクロイックミラー１７は照明光軸１３に沿って配置される。黄色光２７は集光光学系１８及び第１ダイクロイックミラー１７を通過する。

【0019】

第２照明装置３は図中第１照明装置２の右側に配置される。第２照明装置３は第２光源２８、集光光学系２９、散乱板３１及びコリメート光学系３２を備える。

【0020】

第２光源２８は第１光源１１と同じ半導体レーザーを備える。第２光源２８は第２青色光３３を射出する。第２光源２８の光軸を第２光軸２８ａとする。第２青色光３３は第２光軸２８ａに沿って集光光学系２９、散乱板３１及びコリメート光学系３２をこの順に通過する。集光光学系２９は第２青色光３３を散乱板３１付近に集光する。集光光学系２９は第５レンズ３４及び第６レンズ３５を備える。第５レンズ３４及び第６レンズ３５は凸レンズである。

【0021】

散乱板３１は第２青色光３３を散乱する。散乱板３１は第２青色光３３の配光分布を熱伝導構造体２２から射出される黄色光２７の配光分布に似た配光分布にする。散乱板３１には、例えば、光学ガラスからなる磨りガラスが用いられる。

【0022】

コリメート光学系３２は散乱板３１からの光を略平行化する。コリメート光学系３２は第７レンズ３６及び第８レンズ３７を備える。第７レンズ３６及び第８レンズ３７は凸レンズからなる。

【0023】

コリメート光学系３２を通過する第２青色光３３は第１ダイクロイックミラー１７で反射する。第２青色光３３は第１ダイクロイックミラー１７を透過した黄色光２７と合成されて白色光３８となる。白色光３８は第２青色光３３、赤色光、緑色光が含まれる。

【0024】

照明光軸１３に沿って第１レンズアレイ３９、第２レンズアレイ４１、偏光変換素子４２及び重畳レンズ４３がこの順に配置される。第１ダイクロイックミラー１７で合成された白色光３８は第１レンズアレイ３９、第２レンズアレイ４１、偏光変換素子４２、重畳レンズ４３の順に通過する。

【0025】

第１レンズアレイ３９は白色光３８を複数の部分光束に分割する。第１レンズアレイ３９は複数の第１小レンズ３９ａを有する。複数の第１小レンズ３９ａは照明光軸１３と直交する面内にマトリックス状に配列される。

【0026】

第２レンズアレイ４１及び重畳レンズ４３は第１レンズアレイ３９の各第１小レンズ３９ａが形成する像を赤色光変調装置５、緑色光変調装置６、青色光変調装置７の画像形成領域近傍に結像させる。第２レンズアレイ４１は複数の第２小レンズ４１ａを有する。複数の第２小レンズ４１ａは照明光軸１３に直交する面内にマトリックス状に配列されている。複数の第２小レンズ４１ａは複数の第１小レンズ３９ａに対応して配置される。

【0027】

第１レンズアレイ３９により分割された各部分光束を偏光変換素子４２が直線偏光光に変換する。偏光変換素子４２は偏光分離層、反射層及び位相差板を有する。偏光分離層は黄色光２７に含まれる偏光成分のうち一方の直線偏光成分をそのまま透過させるとともに他方の直線偏光成分を反射層に向けて反射させる。反射層は偏光分離層で反射された他方の直線偏光成分を照明光軸１３と平行な方向に反射する。位相差板は反射層で反射された他方の直線偏光成分を一方の直線偏光成分に変換する。

【0028】

重畳レンズ４３は、偏光変換素子４２からの各部分光束を集光して赤色光変調装置５、緑色光変調装置６及び青色光変調装置７の画像形成領域近傍で互いに重畳させる。第１レンズアレイ３９、第２レンズアレイ４１及び重畳レンズ４３は、白色光３８に含まれる黄色光２７の面内光強度分布を均一にするインテグレーター光学系を構成する。重畳レンズ４３を通過した白色光３８は色分離導光光学系４に入力される。

【0029】

色分離導光光学系４は、第２ダイクロイックミラー４４、第３ダイクロイックミラー４５、第１反射ミラー４６、第２反射ミラー４７、第３反射ミラー４８、第１リレーレンズ４９及び第２リレーレンズ５１を備える。重畳レンズ４３を通過した白色光３８を色分離導光光学系４が赤色光５２、緑色光５３及び第３青色光５４に分離する。色分離導光光学系４は赤色光５２を赤色光変調装置５へ、緑色光５３を緑色光変調装置６へ、第３青色光５４を青色光変調装置７へそれぞれ導光する。第３青色光５４は第２青色光３３に相当する光である。

【0030】

色分離導光光学系４と赤色光変調装置５との間には第１フィールドレンズ５５が配置される。色分離導光光学系４と緑色光変調装置６との間には第２フィールドレンズ５６が配置される。色分離導光光学系４と青色光変調装置７との間には第３フィールドレンズ５７が配置される。

【0031】

第２ダイクロイックミラー４４は赤色光５２を通過させ、緑色光５３及び第３青色光５４を反射するダイクロイックミラーである。第３ダイクロイックミラー４５は緑色光５３を反射して、第３青色光５４を通過させるダイクロイックミラーである。第１反射ミラー４６は赤色光５２を反射する反射ミラーである。第２反射ミラー４７及び第３反射ミラー４８は第３青色光５４を反射する反射ミラーである。

【0032】

第２ダイクロイックミラー４４を通過した赤色光５２は第１反射ミラー４６で反射され、第１フィールドレンズ５５を通過して赤色光５２用の赤色光変調装置５の画像形成領域に入射する。

【0033】

第２ダイクロイックミラー４４で反射された緑色光５３は第３ダイクロイックミラー４５でさらに反射され、第２フィールドレンズ５６を通過して緑色光５３用の緑色光変調装置６の画像形成領域に入射する。

【0034】

第２ダイクロイックミラー４４で反射された第３青色光５４は第３ダイクロイックミラー４５を通過する。第３ダイクロイックミラー４５を通過した第３青色光５４は第１リレーレンズ４９、第２反射ミラー４７、第２リレーレンズ５１、第３反射ミラー４８、第３フィールドレンズ５７を経て第３青色光５４用の青色光変調装置７の画像形成領域に入射する。

【0035】

赤色光変調装置５、緑色光変調装置６及び青色光変調装置７は入射された各色光を画像情報に応じて変調して各色光に対応する画像光を形成する。赤色光変調装置５は熱伝導構造体２２で波長変換された黄色光２７に含まれる赤色光５２を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する。緑色光変調装置６は熱伝導構造体２２で波長変換された黄色光２７に含まれる緑色光５３を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する。青色光変調装置７は第２光源２８から射出された第２青色光３３に対応する第３青色光５４を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する。

【0036】

尚、図示を省略したが、第１フィールドレンズ５５と赤色光変調装置５との間には入射側偏光板が配置される。赤色光変調装置５とクロスダイクロイックプリズム８との間には射出側偏光板が配置される。同様に、第２フィールドレンズ５６と緑色光変調装置６との間には入射側偏光板が配置される。緑色光変調装置６とクロスダイクロイックプリズム８との間には射出側偏光板が配置される。第３フィールドレンズ５７と青色光変調装置７との間には入射側偏光板が配置される。青色光変調装置７とクロスダイクロイックプリズム８との間には射出側偏光板が配置される。

【0037】

クロスダイクロイックプリズム８は赤色光変調装置５、緑色光変調装置６及び青色光変調装置７から射出された各画像光を合成してカラーの画像光を形成する光学素子である。クロスダイクロイックプリズム８は、４つの直角プリズムを貼り合わせた平面視略正方形状をなし、直角プリズム同士を貼り合わせた略Ｘ字状の界面には、誘電体多層膜が形成されている。

【0038】

赤色の画像光は赤色光変調装置５からクロスダイクロイックプリズム８へ進行する。緑色の画像光は緑色光変調装置６からクロスダイクロイックプリズム８へ進行する。青色の画像光は青色光変調装置７からクロスダイクロイックプリズム８へ進行する。各色の画像光はクロスダイクロイックプリズム８にて合成されてカラーの画像光になる。

【0039】

クロスダイクロイックプリズム８から射出されたカラーの画像光を投写光学装置９がスクリーン５８に拡大投写する。スクリーン５８上にはカラーの画像が形成される。

【0040】

このように、プロジェクター１は第１照明装置２、第２照明装置３、色分離導光光学系４、赤色光変調装置５、緑色光変調装置６、青色光変調装置７及び投写光学装置９を備える。

【0041】

図２に示すように、第１実施形態の熱伝導構造体２２は、蛍光体２３と、蛍光体２３と接合された熱拡散部６３と、熱拡散部６３に接合された熱伝導基板６４と、熱伝導基板６４に接合されたヒートシンク２４と、を備えている。

【0042】

熱伝導構造体２２は熱拡散部６３の表面の中央に蛍光体２３を備える。蛍光体２３は、第１光源１１からの第１青色光１２を波長変換する。蛍光体２３は第１青色光１２によって励起されて第２の波長帯の黄色光２７を射出する。蛍光体２３に第１青色光１２が入射する面は黄色光２７が射出される射出面でもある。黄色光２７は赤色光５２及び緑色光５３を含む黄色の光である。蛍光体２３は、例えば、ＹＡＧ系蛍光体である（Ｙ，Ｇｄ）₃（Ａｌ，Ｇａ）₅Ｏ₁₂：Ｃｅを含有する。蛍光体２３の大きさは、例えば、平面視で４ｍｍ×４ｍｍである。

【0043】

熱拡散部６３は蛍光体２３よりも平面視の大きさが大きい。熱拡散部６３は積層構造体としての第１積層体６５及び第２積層体６６を有する。熱拡散部６３の大きさは、例えば、平面視で８ｍｍ×８ｍｍである。熱拡散部６３の厚みは、例えば、１ｍｍである。第１積層体６５では複数のグラファイト層がＸ方向に積層されて構成される。第２積層体６６では複数のグラファイト層がＹ方向に積層されて構成される。

【0044】

熱伝導基板６４は平面形状が長方形の板である。熱伝導基板６４は銅、または炭素と銅との複合材料、によって構成される。熱伝導基板６４は、ヒートシンク２４に接合されて、蛍光体２３によって発生した熱を効率よく冷却する。これにより、蛍光体２３の発光効率の低下を防止することができる。

【0045】

ヒートシンク２４には板状のフィン２４ａが複数配置される。熱伝導基板６４はヒートシンク２４と密着しており、熱伝導基板６４の熱はヒートシンク２４に伝導し易くなっている。ヒートシンク２４は熱伝導性の良い材質であれば良く特に限定されない。本実施形態では、例えば、ヒートシンク２４にはアルミニウムが用いられる。

【0046】

図３に示すように、第１積層体６５と第２積層体６６とは、第１積層体６５の積層方向である第１方向６７と、第２積層体６６の積層方向である第２方向６８とが、交差した関係となるように重ねられて配置されている。第１積層体６５と第２積層体６６とは同じ構造になっている。第１方向６７と第２方向６８とが成す角度は特に限定されないが、本実施形態では、例えば、９０度である。

【0047】

この構成によれば、第１積層体６５の積層方向である第１方向６７と、第２積層体６６の積層方向である第２方向６８と、が交差するように第１積層体及び第２積層体が重ねられている。第１積層体６５は第１方向６７と直交する方向に熱を急速に拡散させる。第１積層体６５の伝熱方向は第２方向６８である。第２積層体６６は第２方向６８と直交する方向に熱を急速に拡散させる。第２積層体６６の伝熱方向は第１方向６７である。このため、熱源である蛍光体２３からの熱を交差する第１方向６７及び第２方向６８に急速に広げて拡散させることができる。熱伝導基板６４を介して広がった熱をヒートシンク２４に伝えることにより、効率的に放熱し冷却することができる。

【0048】

蛍光体２３による波長変換に伴い発生する熱は、蛍光体２３を点光源として発光させると１点に集中するため極めて高い温度になる。蛍光体２３は、例えば、２００℃以上の温度になると、分子構造が変化して急速に波長変換効率が低下する。この現象を熱崩壊という。

【0049】

第１積層体６５及び第２積層体６６は蛍光体２３の熱を効率的に拡散させて、熱源である蛍光体２３の過昇温を防止し、蛍光体２３の熱崩壊を抑制する。蛍光体２３の過昇温を防止することにより、励起光量の低下を抑制することができる。その結果、蛍光体２３の光の変換効率が低下することを抑えることができる。

【0050】

第１積層体６５及び第２積層体６６は金属材料で表面修飾されたグラファイト層６９を複数積層してなる。第１積層体６５及び第２積層体６６は、グラファイト層６９と金属材料とが積層されている。第１積層体６５におけるグラファイト層６９のピッチ幅と、第２積層体６６におけるグラファイト層６９のピッチ幅とは、同じである。第１積層体６５及び第２積層体６６は黒鉛の結晶がシート状に形成されたグラファイトシートを備える。グラファイトは層状の六方晶構造である。グラファイトシートは粉砕した石炭をシート状にプレスして焼成して形成される。グラファイトシートは面方向の熱伝導率が銀、銅、アルミよりも優れている。

【0051】

第１積層体６５は、グラファイト層６９の積層方向である第１方向６７に延設された金属材料で構成される柱状部としての第１柱状部７１を具備する。第１積層体６５を表面修飾する金属材料と第１柱状部７１を構成する金属材料とは同じ金属材料である。

【0052】

第２積層体６６は、グラファイト層６９の積層方向である第２方向６８に延設された金属材料で構成される第２柱状部７２を具備する。第２積層体６６を表面修飾する金属材料と第２柱状部７２を構成する金属材料とは同じ金属材料である。

【0053】

第１柱状部７１及び第２柱状部７２を構成する金属材料は熱伝導が良く、グラファイト層６９を表面装飾できれば良く、特に限定されない。本実施形態では、例えば、第１柱状部７１及び第２柱状部７２を構成する金属材料に銅または銅を主体とする金属が用いられる。

【0054】

第１積層体６５の構成によれば、グラファイト層６９の表裏は金属材料で表面修飾される。グラファイト層６９の表面が金属材料で表面修飾されることにより、グラファイト層６９が破壊されることを抑えることが可能となる。さらに、金属材料の表面修飾によりグラファイト層６９を積層することができる。グラファイト層６９ではグラファイトシートが金属膜に挟まれている。このため、グラファイト層６９ではグラファイトシートの表面及び裏面が延在する方向に変化することを金属膜が規制する。グラファイト層６９の積層方向には金属材料で構成される第１柱状部７１が設置される。このため、積層構造体である第１柱状部７１が積層方向である第１方向６７に変位することを第１柱状部７１が規制する。

【0055】

第１積層体６５に急速な温度の上昇と降下とが反復され、繰り返し応力が発生するときにも、グラファイト層６９の変位を金属膜及び第１柱状部７１が規制する。このため、グラファイト層６９内の結晶界面が熱の伝達方向である第２方向６８に沿って劈開し、破壊することを抑制することができる。

【0056】

第２柱状部７２は第１柱状部７１と同じ構造である。従って、第２柱状部７２においてもグラファイト層６９内の結晶界面が熱の伝達方向である第１方向６７に沿って劈開し、破壊することを抑制することができる。

【0057】

第１柱状部７１は、第１積層体６５の端面の角部に配置される。詳しくは、第１柱状部７１は第１積層体６５のＹ正方向側の端面のＺ正方向側の角部に配置される。さらに、第１柱状部７１は第１積層体６５のＹ負方向側の端面のＺ正方向側の角部に配置される。

【0058】

この構成によれば、第１柱状部７１が第１積層体６５の端面の角部に配置される。第１柱状部７１の近くではグラファイト層６９の変位が規制される。従って、第１積層体６５の角からグラファイト層６９が劈開することを抑制できる。第１柱状部７１はグラファイト層６９よりも伝熱速度が遅い。第１積層体６５の中央に蛍光体２３があるとき、蛍光体２３の近くにグラファイト層６９があるときの方が、蛍光体２３の近くに第１柱状部７１があるときに比べて早く伝熱して冷却することができる。

【0059】

第２柱状部７２は、第２積層体６６の端面の角部に配置される。詳しくは、第２柱状部７２は第２積層体６６のＸ正方向側の端面のＺ負方向側の角部に配置される。さらに、第２柱状部７２は第２積層体６６のＸ負方向側の端面のＺ負方向側の角部に配置される。

【0060】

第２積層体６６は第１積層体６５と同様の構造であるため、第２積層体６６の角からグラファイト層６９が劈開することを抑制できる。

【0061】

図４に示すように、蛍光体２３と第１積層体６５とは第１接合材７３によって接合されている。第１積層体６５と第２積層体６６とは第２接合材７４によって接合されている。第２積層体６６と熱伝導基板６４とは、第３接合材７５によって接合されている。熱伝導基板６４とヒートシンク２４とは第４接合材７６によって接合されている。第１接合材７３、第２接合材７４、第３接合材７５及び第４接合材７６には、例えば、銀ナノ粒子を含む接合材等が用いられる。

【0062】

第１積層体６５及び第２積層体６６に対し蛍光体２３の反対側に熱伝導基板６４が接合される。熱伝導基板６４に対し第１積層体６５及び第２積層体６６の反対側に、ヒートシンク２４が接合されている。

【0063】

この構成によれば、第２積層体６６の蛍光体２３とは反対側に熱伝導基板６４が接合されているので、第１積層体６５及び第２積層体６６によって第１方向６７及び第２方向６８に拡散した熱を、熱伝導基板６４を介してヒートシンク２４から外部に放熱することができる。熱伝導基板６４にヒートシンク２４が接合されているので、効率よく放熱させることができる。

【0064】

熱伝導構造体２２では蛍光体２３が第１積層体６５の一主面６５ａに接合される。第１積層体６５のような薄板の面のうち他の面よりもはるかに面積の大きい面を「主なる面」すなわち「主面」と呼ぶ。主面には表面及び裏面の２つの面が含まれる。蛍光体２３は第１積層体６５の主面の１つに接合される。

【0065】

この構成によれば、熱伝導構造体２２は第１積層体６５を備える。蛍光体２３が第１積層体６５の一主面６５ａに接合される。蛍光体２３の熱は第１積層体６５によりＹ方向に拡散される。これにより、蛍光体２３は早く冷却される。第１積層体６５はグラファイト層６９内の結晶界面が熱の伝達方向に沿って劈開し、破壊することを抑制することができる。従って、熱伝導構造体２２は信頼性の高い構造体とすることができる。

【0066】

次に、第１積層体６５及び第２積層体６６の構成について説明する。

【0067】

図５は図３の第１積層体６５をＡＡ′線に沿う断面から見た図である。図５及び図６に示すように、第１積層体６５は、複数のグラファイト層６９が第１金属材料７７を介して積層されている。具体的には、第１積層体６５は、図５に示すように、略矩形板状のグラファイト層６９が、図６に示すように、Ｘ方向に複数積層されている。即ち、複数のグラファイト層６９が、第１方向６７に積層されている。尚、図６では、複数のグラファイト層６９を接合するための第１金属材料７７の図示は省略している。

【0068】

図７は図６のグラファイト層６９をＢＢ′線に沿う断面から見た図である。グラファイト層６９は、図５及び図７に示すように、グラファイトシート７８の表面が第２金属材料７９で表面修飾されている。即ち、グラファイトシート７８はメタライジングされている。表面修飾の方法としては、例えば、第２金属材料７９として銅を用いて、電解メッキを施す方法が挙げられる。電解メッキの厚みは、例えば、０．１μｍである。

【0069】

グラファイトシート７８が銅によって表面修飾されていることにより、熱の拡散を均一にすることができる。更に、グラファイト層６９を積層させて第１積層体６５及び第２積層体６６を形成した際の積層体間の熱抵抗を小さくすることができる。

【0070】

図８に示すように、グラファイトシート７８の熱伝導率は、１６００Ｗ／ｍ・Ｋであり、比較的熱伝導率は高い。例えば、銅の熱伝導率は、４００Ｗ／ｍ・Ｋである。一方、グラファイトシート７８の線膨張係数は、０．９３ｐｐｍ／℃であり、金や銅等の金属と比べて小さく、比抵抗も大きい。よって、グラファイトシート７８は、効率的に熱を伝えることができることに加えて、接合による歪や応力を抑制し、導電性を確保する上で有効な材料である。

【0071】

図９に示すように、第２積層体６６は、複数のグラファイト層６９が第１金属材料７７を介して積層されている。具体的には、第２積層体６６は、複数のグラファイト層６９が、Ｙ方向に積層されている。複数のグラファイト層６９が第２方向６８に積層されている。尚、図９では、複数のグラファイト層６９を接合するための第１金属材料７７の図示は省略している。

【0072】

次に、熱伝導構造体２２の製造方法について説明する。

【0073】

まず、第１積層体６５の形成方法及び第２積層体６６の形成方法について説明する。尚、第１積層体６５及び第２積層体６６は、同様の製造方法によって形成されるため、第１積層体６５の製造方法を主に説明する。

【0074】

図１０に示すように、ステップＳ１１では、グラファイトシート７８の表面に表面修飾を施す。表面修飾はメタライジングである。表面修飾としては、後工程にて形成する銅との親和性を高めるために、銅を用いてメッキしたり、チタンや銅を用いてスパッタを行ったりする方法が挙げられる。

【0075】

ステップＳ１２では、グラファイト層６９を積層する。グラファイト層６９とグラファイト層６９との間に、銅等の金属粉や箔が配置される。グラファイト層６９及び銅等の金属粉や箔が積層されて加圧される。銅箔を用いる場合は、厚みが２０μｍ程度のものを用意し、グラファイト層６９と銅箔とを交互に重ねて積層する。グラファイト層６９と銅箔とを交互に重ねることにより、グラファイト層６９の体積分率を６０％以上とし、積層体の熱伝導率を１０００Ｗ／ｍ・Ｋとすることができる。尚、金属粉や金属箔を用いず、厚めに表面修飾したグラファイト層６９を積層するようにしてもよい。金属粉や金属箔を用いないことで、グラファイト層６９の体積含有率を増加させ、更に、積層体の熱伝導率を、グラファイトシート７８そのものに１６００Ｗ／ｍ・Ｋにまで高くすることができる。グラファイト層６９を積層した後で端面の角部が２か所削られる。削る方法には、例えば、回転砥石を角部に当てて回転砥石と積層したグラファイト層６９とを相対移動させて角部を削る研削方法を用いることができる。

【0076】

銅線の断面形状が三角形に形成される。銅線の形成には引き抜き加工でも良く、金型を用いて鍛造加工をしても良い。断面の三角形の銅線が所定の長さに切断されて第１柱状部７１となる。積層されたグラファイト層６９の端面の２か所の角部に第１柱状部７１が配置される。

【0077】

ステップＳ１３では、第１積層体６５の材料を焼結する。具体的には、加圧したグラファイト層６９と第１金属材料７７とを、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ：Ｓｐａｒｋ Ｐｌａｓｍａ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）する。放電プラズマ焼結では、電流を流しながら、そのジュール熱で真空中の積層体を焼結するので、より効果的に、ボイドが少なく品質の高い焼結が可能である。尚、グラファイトシート７８は導電性が高いので、放電プラズマ焼結が可能となる。以上により、第１積層体６５となる前の積層体前駆体が形成される。

【0078】

ステップＳ１４では、積層体前駆体が切断されて個片化される。焼結した積層体前駆体は第１積層体６５の大きさに切断される。個片化された積層体前駆体が第１積層体６５となる。

【0079】

ステップＳ１５では、第１積層体６５に表面修飾を施す。ステップＳ１４にて積層体前駆体を切断して個片化したことにより、グラファイトシート７８の端面が露出する。露出した端面では脆弱なグラファイトシート７８が壊れ易い。再度、第１積層体６５に銅等の第１金属材料７７で第１積層体６５が表面修飾されて、グラファイトシート７８の端面の露出が抑制される。再度、表面修飾を施すことにより、第１積層体６５と第２積層体６６とを接合した際に、密着性を向上させ、熱を拡散しやすくすることができる。

【0080】

次に、熱伝導基板６４の形成方法について説明する。ステップＳ２１では、熱伝導基板６４を形成する。熱伝導基板６４は銅、または炭素と銅との複合材料の板を所定の大きさに切断して形成される。ステップＳ２２では、熱伝導基板６４が表面洗浄される。

【0081】

ステップＳ３１では、第１積層体６５と第２積層体６６とが重ね合わされて接合される。具体的には、第１積層体６５の積層方向と、第２積層体６６の積層方向と、が交差するように第１積層体６５と第２積層体６６とが重ねられて配置される。第１積層体６５と第２積層体６６とは、銀ナノ粒子等の第２接合材７４を挟んで積層され加熱及び加圧される。次に、熱拡散部６３と熱伝導基板６４とが、第３接合材７５を介して接合される。第２接合材７４には銅粉や銅箔を用いても良い。

【0082】

次に、蛍光体２３の形成方法について説明する。ステップＳ４１では、蛍光体２３を形成する。蛍光体２３は、例えば、材料を燃焼合成して形成される。ステップＳ４２では、蛍光体２３を表面洗浄する。

【0083】

ステップＳ５１では、蛍光体２３と第１積層体６５とが接合される。蛍光体２３と熱拡散部６３とが銀ナノ粒子を含む第１接合材７３で接合される。

【0084】

ステップＳ５２では、第２積層体６６と熱伝導基板６４とが銀ナノ粒子を含む第３接合材７５で接合される。次に、熱伝導基板６４とヒートシンク２４とが銀ナノ粒子を含む第４接合材７６で接合される。以上により、熱伝導構造体２２が完成する。

【0085】

また、本実施形態の熱伝導構造体２２の製造方法は、グラファイトシート７８に第２金属材料７９を表面修飾してグラファイト層６９を形成する工程と、グラファイト層６９を積層して、第１積層体６５及び第２積層体６６を形成する工程と、第１積層体６５及び第２積層体６６を、それぞれ第１金属材料７７で表面修飾する工程と、を有する。さらに、熱伝導構造体２２の製造方法は、第１積層体６５の積層方向である第１方向６７と、第２積層体６６の積層方向である第２方向６８と、が交差した関係となるように、第１積層体６５と第２積層体６６とを配置する工程と、第１積層体６５に第１接合材７３を介して蛍光体２３を接合する工程と、第２積層体６６に第３接合材７５を介して熱伝導基板６４を接合する工程と、を有する。第１積層体６５を形成する工程では第１柱状部７１が接合される。第２積層体６６を形成する工程では第２柱状部７２が接合される。

【0086】

この方法によれば、第１積層体６５が第１方向６７に変化することを第１柱状部７１が規制する。第２積層体６６が第２方向６８に変化することを第２柱状部７２が規制する。従って、後工程において、グラファイト層内の結晶界面が熱の伝達方向に沿って劈開し、破壊することを抑制することができる。その結果、生産性良く熱伝導構造体２２を製造することができる。

【0087】

第２実施形態
本実施形態が第１実施形態と異なるところは、第１柱状部７１及び第２柱状部７２の形態が異なる点にある。尚、第１実施形態と同一の構成については同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

【0088】

図１１に示すように、熱伝導構造体８１は熱拡散部６３に相当する熱拡散部８２を備える。熱拡散部８２は積層構造体としての第１積層体８３を備える。第１積層体８３は第１方向６７の両側に配置される銅板８４に挟まれている。

【0089】

第１積層体８３は複数のグラファイト層８５と複数の銅箔８６とを備える。グラファイト層８５と銅箔８６とが交互に複数積層されている。グラファイト層８５には複数の穴８５ａが形成される。各グラファイト層８５は金属材料である銅で表面修飾される。表面装飾方法は第１実施形態のグラファイト層６９と同じである。

【0090】

グラファイト層８５及び銅箔８６の枚数は特に限定されないが、本実施形態では、例えば、グラファイト層８５は２８６枚である。銅箔８６は２８７枚である。銅板８４、グラファイト層８５及び銅箔８６の厚みは特に限定されないが、本実施形態では、例えば、銅板８４の厚みは０．５ｍｍである。グラファイト層８５の厚みは２５μｍである。銅箔８６の厚みは１０μｍである。第１積層体８３の厚みは約１０ｍｍである。穴８５ａの直径及び間隔は限定されないが、本実施形態では、例えば、穴８５ａの直径は１００μｍである。穴８５ａは等間隔に配置され、穴８５ａのピッチは３００μｍである。

【0091】

グラファイト層８５の穴８５ａの加工方法は、特に限定されないが、本実施形態では、例えば、複数の穴が形成されたステンレスのメタルマスクとグラファイトシート７８とが重ねられる。メタルマスクと重なったグラファイトシート７８に酸素プラズマを照射することより穴あけ加工がなされた。次に、銅メッキにてグラファイトシート７８が表面装飾される。

【0092】

図１２では、図を見やすくするために、グラファイト層８５を８枚に減らしてある。図１２に示すように、銅板８４、グラファイト層８５及び銅箔８６は積層した状態で加圧して加熱される。その結果、銅板８４、グラファイト層８５及び銅箔８６は焼結される。焼結する過程において、銅箔８６が溶融して銅が毛細管現象により穴８５ａに入り込む。

【0093】

銅板８４、グラファイト層８５及び銅箔８６は冷却される。穴８５ａに入った銅が固化して柱状部８７を形成する。その結果、第１積層体８３は、グラファイト層８５の積層方向である第１方向６７に延設された銅で構成される柱状部８７を具備する。

【0094】

この構成によれば、グラファイト層８５の表裏は金属材料である銅で表面修飾される。グラファイトシート７８に銅を表面修飾することにより、グラファイト層８５が破壊されることを抑えることが可能となる。さらに、銅の表面修飾によりグラファイト層８５を積層することができる。グラファイト層８５ではグラファイトシート７８が金属である銅の膜に挟まれている。このため、グラファイト層８５ではグラファイトシート７８の表面及び裏面が延在する方向に変化することを銅の膜が規制する。グラファイト層８５の積層方向には銅で構成される柱状部８７が設置される。このため、第１積層体８３が積層方向である第１方向６７に変位することを柱状部８７が規制する。

【0095】

第１積層体８３に急速な温度の上昇と降下とが反復され、繰り返し応力が発生するときにも、グラファイト層８５の変位を銅の膜及び柱状部８７が規制する。このため、グラファイト層８５内の結晶界面が熱の伝達方向８８に沿って劈開し、破壊することを抑制することができる。

【0096】

第１積層体８３では柱状部８７はグラファイト層８５を挿通して構成される。この構成によれば、柱状部８７がグラファイト層８５を挿通する。グラファイト層８５の表面８５ｂに位置する銅箔８６と裏面８５ｃに位置する銅箔８６とが柱状部８７により連結される。柱状部８７の近くで第１積層体８３を切断してもグラファイト層８５がはがれることを柱状部８７が抑制する。従って、切断する予定の場所の近くに柱状部８７を配置することにより、切断時におけるグラファイト層８５のはがれを抑制することができる。

【0097】

グラファイト層８５の熱は平面方向に広がる。第１積層体８３はグラファイト層８５を第１方向６７に積層して形成されている。第１実施形態のように積層方向の異なる第１積層体６５と第２積層体６６とを重ねた熱拡散部６３に比べて、熱伝導構造体８１は生産性良く製造することができる。

【0098】

第３実施形態
前記第１実施形態では熱源として蛍光体２３を例に説明したが、これに限定されず、例えば、ランプやその他発光体等の放熱に熱伝導構造体２２を用いてもよい。

【0099】

第４実施形態
前記第１実施形態では、積層体前駆体を形成してから切断して個片化した。予め個片化した大きさのグラファイト層６９を積層して第１積層体６５を形成してもよい。

【0100】

第５実施形態
前記第１実施形態では、第１積層体６５と第２積層体６６とを、別々の積層体前駆体から形成した。同じ積層体前駆体から第１積層体６５及び第２積層体６６を切り出すようにしてもよい。

【0101】

第６実施形態
前記第１実施形態では、グラファイト層６９にグラファイトシート７８を用いた。他にも、グラファイト層６９に剥片化したグラファイト粉末を繋げて熱伝導率を向上したものや、カーボンナノチューブの結晶方向や繊維の方向を配向させて揃えたものを用いてもよい。それらとグラファイトシート７８とを組み合わせて複合化してグラファイト層６９が形成されてもよい。

【0102】

第７実施形態
前記第１実施形態では、グラファイト層６９の表面修飾に銅を用いた。グラファイト層６９の表面修飾に金や銀等の高熱伝導の金属材料を用いてもよい。また、スパッタにより表面修飾を行う場合、下地の金属にチタン、タングステンチタン、窒化チタン等の薄膜が用いられても良い。金属膜の密着性を向上することができる。スパッタの前にアルゴン原子による逆スパッタが行われても良い。表面が荒らされるため、金属膜の密着性を更に高めることができる。

【0103】

前記第１実施形態では、２つの第１柱状部７１が第１積層体６５の端面の角部に配置された。第１積層体６５及び第２積層体６６に配置される第１柱状部７１の数は１つでも良く、３つまたは４つでも良い。第１柱状部７１の数が１つのとき生産性良く第１積層体６５及び第２積層体６６を製造できる。第１柱状部７１の数が３つまたは４つのときには、２つのときに比べて、グラファイト層６９内の結晶界面が熱の伝達方向に沿って劈開し、破壊することをさらに抑制することができる。

【0104】

第８実施形態
前記第２実施形態では、複数の穴８５ａのピッチを同じにした。穴８５ａのピッチは場所により異ならせるようにしてもよい。蛍光体２３の近くの穴８５ａのピッチを、蛍光体２３から離れた穴８５ａのピッチよりも小さくする。蛍光体２３に近い方の穴８５ａのピッチが小さく、蛍光体２３から離れた穴８５ａのピッチは長くする。これによれば、蛍光体２３の温度変化に対して第１積層体８３の強度を向上させることができる。

【符号の説明】

【0105】

２３…熱源としての蛍光体、２４…ヒートシンク、６４…熱伝導基板、６５，８３…積層構造体としての第１積層体、６５ａ…一主面、６６…第２積層体、６７…第１方向、６８…第２方向、６９，８５…グラファイト層、７１…柱状部としての第１柱状部、８７…柱状部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】