JP6728931B2 - 光源装置およびプロジェクター - Google Patents

Description

本発明は、光源装置およびプロジェクターに関する。

光源装置に用いられる発光ダイオードや半導体レーザーなどの発光素子は、異物や水分の付着により信頼性が低下する。そのため、光源装置には、発光素子を外気から遮断する構造が備えられることがある。この種の構造として、例えば特許文献１に記載されているように、発光素子を実装した基板に蓋となるパッケージを接合して発光素子を封止する気密封止構造が知られている。

特許文献１の光源装置は、蛍光体を有する基板と、複数の半導体レーザー素子と、パッケージと、レーザー光を蛍光体に導くための光学系と、を備えている。この光源装置において、複数の半導体レーザー素子は、パッケージの内部に収容されている。パッケージは、銅、アルミニウム等からなる第１基材と、窒化アルミニウム等からなる第２基材と、キャップと、ガラス等からなる透光性部材と、を備えている。

特開２０１５−４５８４３号公報

特許文献１の光源装置の場合、パッケージを構成する複数の部材間の接合、もしくはパッケージを構成する部材と基板との間の接合に、ロウ付けや低融点ガラス等の接合材がよく用いられる。接合作業は高温状態で行われ、接合材は、溶融状態で接合された後、温度の降下に伴って硬化する。パッケージに一般的に用いられる部材は正の線膨張係数を持っているため、温度降下時に部材は収縮する。この過程において、ガラス等の透光性部材が破損したり、パッケージ本体から脱落したりするという課題がある。

本発明の一つの態様は、上記の課題を解決するためになされたものであり、透光性部材の破損や脱落の低減が可能な光源装置を提供することを目的の一つとする。本発明の一つの態様は、上記の光源装置を備え、信頼性の高いプロジェクターを実現することを目的の一つとする。

上記の目的を達成するために、本発明の一つの態様の光源装置は、金属材料で構成された基材と、前記基材の第１面に設けられた複数の発光素子と、前記基材の前記第１面に前記複数の発光素子を囲んで設けられたフレームと、前記フレームの前記基材が設けられた面と反対側の面に設けられ、前記複数の発光素子から射出された光を透過させる透光性部材と、を備え、前記フレームは、前記フレームの断面形状における断面係数が０．５ｍｍ^３以上、７．０ｍｍ^３以下となる寸法を有する。

本発明の一つの態様の光源装置においては、複数の発光素子が基材の第１面に設けられ、フレームが複数の発光素子を囲んで設けられ、透光性部材がフレームに対して基材と反対側に設けられている。すなわち、透光性部材と基材との間にフレームが介在している。そのため、透光性部材の内部に発生する応力がフレームにより緩和される。さらに、フレームは、フレームの断面形状における断面係数が０．５ｍｍ^３以上、７．０ｍｍ^３以下となる寸法を有するため、透光性部材の内部に発生する応力を透光性部材の最大許容応力を下回る程度に低減することができる。これにより、透光性部材の破損や脱落の低減が可能である。断面係数の数値の根拠については、後で詳しく説明する。

本発明の一つの態様の光源装置において、前記フレームの線膨張係数は、前記基材の線膨張係数より小さく、前記透光性部材の線膨張係数よりも大きくてもよい。
この構成によれば、フレームの線膨張係数は、基材の線膨張係数と透光性部材の線膨張係数との中間の値を採る。そのため、フレームは、透光性部材内部の応力をより効果的に緩和することができる。

本発明の一つの態様の光源装置において、前記フレームは、セラミック材料で構成されていてもよい。
フレームがセラミック材料で構成されている場合、一般的に、フレームの線膨張係数は、基材の線膨張係数よりも透光性部材の線膨張係数と比較的近い値を採る。そのため、フレームが透光性部材に生じる応力を十分に緩和し、透光性部材の破損や脱落を十分に低減することができる。

本発明の一つの態様の光源装置において、前記断面形状における前記第１面に垂直な方向の長さは、２．０ｍｍ以上、３．５ｍｍ以下であり、前記断面形状における前記第１面に平行な方向の長さは、１．０ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下であってもよい。
この構成によれば、フレームによって基材と透光性部材との間に発光素子を収容する空間が形成され、透光性部材に生じる応力が透光性部材の最大許容応力を下回るような断面係数の値を実現することができる。詳細な数値の根拠については、後で説明する。

本発明の一つの態様のプロジェクターは、本発明の一つの態様の光源装置と、前記光源装置から射出された光を変調する光変調装置と、前記光変調装置により変調された光を投射する投射光学系と、を備える。
本発明の一つの態様のプロジェクターは本発明の一つの態様の光源装置を備えているため、信頼性が高いプロジェクターを実現することができる。

本発明の一つの態様のプロジェクターは、前記光源装置から射出された光によって励起され、蛍光光を射出する波長変換素子をさらに備えてもよい。
この構成によれば、プロジェクターの用途に応じて所望の波長の蛍光光を射出する波長変換素子を選択することができる。そのため、本発明の一つの態様のプロジェクターは、所望の色の画像を表示することができる。

本発明の一実施形態の光源装置の斜視図である。 光源装置を分解した状態として示す斜視図である。 フレームの断面図である。 加熱後から温度低下時の光源装置の振る舞いを示す模式図である。 第１実施例のシミュレーション結果を示し、フレームの断面係数と最大引張応力との相関関係を示すグラフである。 第２実施例のシミュレーション結果を示し、フレームの断面係数と最大引張応力との相関関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態のプロジェクターの概略構成図である。

以下、本発明の一実施形態について、図１〜図５を用いて説明する。
なお、以下の説明で用いる図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。

［光源装置］
図１は、本実施形態の光源装置の斜視図である。図２は、光源装置を分解した状態として示す斜視図である。ただし、図２では、図１で示した後述する電極の図示を省略している。
図１および図２に示すように、光源装置１は、ベース２（基材）と、複数の発光素子５と、フレーム３と、透光性部材４と、複数の電極６と、を備えている。光源装置１において、フレーム３と透光性部材４とベース２とによって囲まれ、外部空間と遮断された収容空間Ｓ（図４参照）が、ベース２の第１面２ａ側に設けられる。複数の発光素子５は、密閉された収容空間Ｓの内部に収容されている。すなわち、本実施形態の光源装置１は、複数の発光素子５が一つの共通のパッケージに収容された形態を有する。

ベース２は、第１面２ａと、第１面２ａとは反対側の第２面２ｂとを有する板状部材である。ベース２は、第１面２ａの法線方向から見た平面視において、略正方形もしくは略長方形等の四角形の形状を有する。ベース２の第１面２ａには、複数の発光素子５が設けられている。ベース２の第２面２ｂには、複数の発光素子５から発せられる熱を放出するための放熱器（図示略）が適宜設けられる。そのため、ベース２は、熱伝導率が高い金属材料で構成されている。この種の金属材料として、銅、アルミニウム等が好ましく用いられ、銅が特に好ましく用いられる。
以下、単に「平面視」と記載した場合、ベース２の第１面２ａの法線方向から見たときの平面視を意味する。

ベース２は、平面視において、正方形もしくは長方形等の四角形の１辺ｗ２，ｘ２が例えば２０ｍｍ〜５０ｍｍ程度の寸法を有する。また、ベース２の厚さｔ２は、２ｍｍ〜４ｍｍ程度である。

発光素子５として、例えば半導体レーザー、発光ダイオードなどの固体光源が用いられる。発光素子５は、光源装置１の用途に応じて任意の波長の発光素子を用いればよい。例えば、蛍光体励起用の波長４３０ｎｍ〜４９０ｎｍの青色光を射出する発光素子５として、窒化物系半導体（Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ、０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ≦１）で構成される半導体レーザーを用いることができる。また、上記の一般式に加えて、ＩＩＩ族元素の一部がホウ素原子で置換されたもの、Ｖ族元素として窒素原子の一部がリン原子、ヒ素原子で置換されたもの等を含んでもよい。

複数の発光素子５は、例えば（ｍ×ｎ）個（ｍ，ｎ：２以上の自然数）の半導体レーザーがｍ行ｎ列の格子状に配列された構成を有する。具体的には、例えば２５個の半導体レーザーが５行５列の格子状に配列されている。なお、図２では、２行３列の半導体レーザーのみを示す。発光素子５は、光射出面以外のいずれかの面がベース２の第１面２ａに当接した状態で、接合材（図示略）を介してベース２に接合されている。接合材として、例えば金−スズなどのはんだ材料が用いられる。なお、発光素子５は、ベース２の第１面２ａに直接接合されてもよいし、例えば、接合材を介してベース２の第１面２ａに接合されたサブマウントと呼ばれる中間部材に接合されてもよい。

フレーム３は、ベース２の第１面２ａに複数の発光素子５を囲んで設けられている。フレーム３は、平面視において、四角形の環状の形状を有する。フレーム３は、四角形の４辺が全て一体の部材であってもよいし、フレーム３の一部は別体の部材が接合されたものであってもよい。フレーム３は、ベース２と透光性部材４との距離（間隔）を一定に保持し、複数の発光素子５が収容される収容空間Ｓの一部に寄与する。そのため、フレーム３は、所定の剛性を有することが好ましい。また、フレーム３は、透光性部材４に発生する応力を緩和する役目を果たす。そのため、フレーム３は、ベース２の線膨張係数よりも小さく、透光性部材４の線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有する材料で構成されることが好ましい。フレーム３の材料として、アルミナ、炭化珪素、窒化珪素等のセラミック材料が好ましく用いられ、アルミナが特に好ましく用いられる。

フレーム３は、平面視において、四角形の１辺ｗ３，ｘ３が、例えば２０ｍｍ〜４０ｍｍ程度の寸法を有する。図３は、図２に示されるＡ−Ａ断面に沿ったフレームの断面図を示す。図３に示すように、フレーム３は、Ａ−Ａ断面に沿った断面形状３ｄが、正方形、長方形、台形等の四角形の形状を有する。フレーム３は、ベース２に接合される第１面３ａと、透光性部材４が接合される第２面３ｂと、を有する。第１面３ａと第２面３ｂとは、互いに平行であって、各々が平滑な面である。フレーム３は、接合材（図示略）を介してベース２の第１面２ａに接合されている。接合材として、例えばはんだ材料、低融点ガラス等が用いられる。
なお、本明細書において、フレーム３の断面形状３ｄは、フレーム３を平面視した際に、環状の平面形状の内郭の内辺と外郭の外辺とが互いに平行となる部分において、当該内辺と当該外辺に対して垂直に交差する方向に切断した断面形状を意味する。すなわち、フレーム３の断面形状３ｄは、Ａ−Ａ断面に沿ったフレーム３の断面形状である。

透光性部材４は、光透過性を有する板状部材である。透光性部材４は、平面視において、正方形、長方形を含む四角形の形状を有する。透光性部材４は、フレーム３において、ベース２が設けられた第１面３ａと反対側の面であるフレーム３の第２面３ｂに設けられている。透光性部材４は、平面視において、四角形の１辺ｗ４，ｘ４が、例えば２０ｍｍ〜４０ｍｍ程度の寸法を有しており、フレーム３の外形寸法と略同じである。透光性部材４は、０．５ｍｍ〜３．０ｍｍ程度の厚さを有する。

透光性部材４は、複数の発光素子５から射出された光を透過させる。そのため、透光性部材４の材料としては、光透過率の高い透光性材料が好ましく用いられる。透光性部材４の具体例として、例えばＢＫ７等のホウケイ酸ガラス、石英ガラス、合成石英ガラス等を含む光学ガラス、水晶、およびサファイア等が用いられる。透光性部材４は、接合材（図示略）を介してフレーム３の第２面３ｂに接合されている。接合材として、例えばはんだ材料、低融点ガラス等が用いられる。なお、透光性部材４は、平坦な板材が用いられる他、板材の一面に、例えば集光機能を有するレンズ等の光学素子が一体成形されたものが用いられてもよい。

ベース２とフレーム３と透光性部材４とによって囲まれた収容空間Ｓは、外気から遮断された密閉空間であり、発光素子５への異物や水分の付着を低減する。収容空間Ｓは、真空であることが好ましい。もしくは、収容空間Ｓは、窒素ガスなどの不活性ガスで満たされていてもよい。なお、真空は、ＪＩＳ Ｚ ８１２６に規定されているように、通常の大気圧より低い圧力の気体で満たされた空間の状態のことである。この真空の定義において、収容空間Ｓに満たされた気体は不活性ガスであることが好ましい。

図１に示すように、フレーム３には、複数の貫通孔３ｃが設けられている。複数の貫通孔３ｃの各々には、複数の発光素子５の各々に電力を供給する電極６が設けられている。電極６の形成材料としては、例えばコバールが用いられる。電極６の表面には、例えばニッケル−金からなるめっき層が形成されている。また、収容空間Ｓには、電極６の一端と発光素子５の端子とを電気的に接続するボンディングワイヤー（図示略）が設けられている。電極６の他端は、外部回路（図示略）と接続されている。フレーム３の貫通孔３ｃの内壁と電極６との間の隙間は、封止材によって封止されている。封止材としては、例えば低融点ガラスなどが好ましく用いられる。

上記構成の光源装置１を製造する際には、例えば以下の製造方法を採ることができる。ただし、以下の製造方法は一例であって、この製造方法に限定されない。
最初に、ロウ付け、低融点ガラス溶着等の手法を用いて、フレーム３をベース２の第１面２ａに接合する。この工程での加熱温度は、例えば３００℃である。なお、３００℃の加熱温度は、各部材の接合において用いる後述する接合材の融点に基づく温度である。光源装置１全体を加熱する加熱環境における加熱環境温度は、３００℃よりも大きく設定される。

次に、はんだ、低融点ガラス等の接合材を用いて、複数の発光素子５をベース２の第１面２ａに固定する。この工程では、上述したように、サブマウントを介して複数の発光素子５をベース２に設けてもよい。フレーム３のベース２への接合工程と、発光素子５のベース２への接合工程と、の順番は、いずれが先でもよいが、フレーム３の接合工程を先に行えば、フレーム３の接合工程で発生する熱が発光素子５に加わらないようにすることができる。

次に、封止材を用いて、電極６をフレーム３の貫通孔３ｃに挿入して固定する。なお、この工程は、フレーム３をベース２に接合する工程の前に行ってもよい。
次に、ボンディングワイヤーを用いて発光素子５と電極６とを電気的に接続する。具体的には、超音波接合、熱圧着接合等の手法を用いて、ボンディングワイヤーの一端を電極６に接合し、ボンディングワイヤーの他端を発光素子５の端子に接合する。

次に、ロウ付け、低融点ガラス溶着等の手法を用いて、ベース２に接合されたフレーム３と透光性部材４とを接合する。この工程での加熱温度は、例えば３００℃である。
以上の工程により、光源装置１が完成する。

上述したように、ベース２とフレーム３との接合、および透光性部材４とフレーム３との接合は、例えば３００℃程度の温度ではんだ、低融点ガラス等の接合材を溶融させ、接合後に温度を低下させることで接合材を硬化させる。ベース２、フレーム３、および透光性部材４の材料は、全て正の線膨張係数を持っているため、上記加熱工程後に環境温度付近まで温度が低下した時にそれぞれ収縮する。図４は、ベース２、フレーム３、および透光性部材４の加熱による接合後に温度が低下した時の光源装置１を示す。

ここで、ベース２に用いられる銅、アルミニウム等の金属材料の線膨張係数は、例えば１×１０^−５〜２×１０^−５／℃程度であるのに対し、透光性部材４に用いられるガラス等の線膨張係数は、例えば０．５×１０^−６〜９×１０^−６／℃程度である。このように、ベース２と透光性部材４とでは、材料の線膨張係数が大きく異なるため、上記の温度低下の過程におけるベース２の収縮量は、透光性部材４の収縮量よりも大きい。

その結果、図４に示すように、ベース２と透光性部材４との収縮量の差によって光源装置１に反りが発生し、透光性部材４の内部に応力Ｆが発生する。このとき、応力Ｆが透光性部材４の構成材料に固有の最大許容応力を超えると、透光性部材４の破損もしくは脱落が生じる。この場合、フレーム３は、ベース２と透光性部材４との間に介在し、透光性部材４に生じる応力Ｆを緩和する作用を持つ。

ここで、本発明者は、フレーム３による応力Ｆの緩和効果がフレーム３の断面形状に依存することに着目し、透光性部材４の破損や脱落を抑制する観点から、最適なフレーム３の断面形状を検討し、本実施形態の光源装置１に想到した。

以下、本発明者の検討結果について説明する。

［第１実施例］
図５は、本発明者が行った第１実施例のシミュレーション結果を示すグラフである。図５は、フレーム３の断面係数Ｚと透光性部材４に発生する最大引張応力との相関関係を示す。図５において、横軸は断面係数Ｚ［ｍｍ^３］であり、縦軸は透光性部材４における最大引張応力［ＭＰａ］である。断面係数Ｚは、荷重を受けた際の部材の曲がりやすさを示す指標であり、例えば材料力学等の分野でよく用いられる。

以下にシミュレーション条件を示す。以下の寸法を示す符号は図２および図３に示されている。
ベース２の材料：銅
ベース２の平面寸法：ｘ２＝ｗ２＝４０［ｍｍ］
ベース２の厚さ：ｔ２＝３［ｍｍ］
フレーム３の材料：アルミナ
フレーム３の平面寸法（外形）：ｘ３＝ｗ３＝３０［ｍｍ］
フレーム３の幅：ｂ［ｍｍ］
フレーム３の高さ：ｈ［ｍｍ］
透光性部材４の材料：ＢＫ７（ホウケイ酸ガラス）
透光性部材４の平面寸法：ｘ４＝ｗ４＝３０［ｍｍ］
透光性部材４の厚さ：０．７［ｍｍ］

上記条件において、フレーム３の幅ｂが１．０ｍｍ、２．０ｍｍ、および３．０ｍｍである場合の各々について、フレーム３の高さｈを０．５ｍｍから５．０ｍｍの範囲内で変化させることで断面係数Ｚを変化させた。

また、温度に関する条件として、光源装置１におけるベース２、フレーム３、および透光性部材４の接合時の加熱温度（接合材の融点）を３００℃とし、加熱後に光源装置１の温度が低下し、温度低下後の光源装置１の温度を２５℃（環境温度）としている。すなわち、光源装置１の温度の変化量ΔＴは、２７５℃である。

本実施例において、フレーム３の断面形状３ｄは、略長方形であり、フレーム３の断面形状３ｄにおける断面係数Ｚは、幅ｂおよび高さｈを用いて、Ｚ＝ｂ×ｈ^２／６で表される。

上記の各材料の物性値を表１に示す。

シミュレーションによる最大引張応力を表２〜表４に示す。表２は、フレーム３の幅ｂが１．０ｍｍである場合の最大引張応力の結果である。表３は、フレーム３の幅ｂが２．０ｍｍである場合の最大引張応力の結果である。表４は、フレーム３の幅ｂが３．０ｍｍである場合の最大引張応力の結果である。図５に、表２〜表４に示された断面係数Ｚと最大引張応力との関係が示されている。なお、表２〜表４における断面係数Ｚおよび最大引張応力の数値について、小数第３位を四捨五入して小数第２位まで示している。

まず、フレーム３の幅ｂについて説明する。
上述した光源装置１の製造方法において、フレーム３は、ベース２の第１面２ａに接合された後、ベースが接合された第１面３ａとは反対側の第２面３ｂに、透光性部材４が接合される際に、透光性部材４は、加熱状態でベース２およびフレーム３側に押圧されながら接合される。この押圧の際に、フレーム３の幅ｂが１．０ｍｍよりも小さいと、フレーム３が押圧の圧力に耐えられず、フレーム３が破損してしまう虞がある。また、フレーム３自体の製造において、電極６を挿通するための貫通孔３ｃを形成する際に、フレーム３の幅ｂが小さすぎて同様にフレーム３が破損してしまう虞がある。したがって、フレーム３の幅ｂの下限値は、１．０ｍｍであることが好ましい。

また、上述の通り、光源装置１において、ベース２の第１面２ａ側に複数の発光素子５が設けられる。光源装置１は、複数の発光素子５を設けることによる高輝度化を達成しつつ、光源装置１の小型化、および複数の発光素子５による発熱の低減（放熱性の向上）が図られることが望まれている。本実施例の光源装置１において、複数の発光素子５がベース２に設けられる場合に、フレーム３の幅ｂを３．０ｍｍよりも大きくした場合、発光素子５同士の間隔を狭くすることとなり、単位面積あたりの発熱量が大きくなって、放熱性が低下し光源装置１の劣化を招く虞がある。したがって、フレーム３の幅ｂの上限値は、３．０ｍｍであることが好ましい。

以上により、フレーム３の幅ｂが１．０以上、３．０ｍｍ以下である（１．０≦ｂ≦３．０）範囲で、フレーム３の高さｈおよび断面係数Ｚを設定すればよい。

図５に示すように、最大引張応力は、フレーム３の断面係数Ｚが０から所定の値までの間において減少する傾向にあり、断面係数Ｚが所定の値以上の範囲において増加する傾向にある。この傾向は、フレーム３の幅ｂが１．０ｍｍ、２．０ｍｍ、３．０ｍｍの全てにおいて見ることができる。ここで、本実施例における透光性部材４の材料であるＢＫ７の引張強度は、１００ＭＰａである。そのため、フレーム３は、最大引張応力が１００ＭＰａ以下である条件を満たす断面係数を有していれば、透光性部材４の破損や脱落を低減することができる。

次に、フレーム３の高さｈの好ましい範囲について検討する。
発光素子５としての半導体レーザーを、半導体レーザーの光射出端面がベース２の第１面２ａと垂直になるように配置した場合、半導体レーザーから水平方向に射出された光を透光性部材４に向けて折り曲げるための光学部材、例えばプリズム（図示略）が必要になる。そのため、この配置では、半導体レーザーの第１面２ａからの高さを低くできるが、収容空間Ｓにプリズムを収納するための高さを２ｍｍ以上確保する必要がある。また、半導体レーザーを、半導体レーザーの光射出端面がベースの第１面２ａと平行になるように配置した場合、半導体レーザーからの光がベースの第１面２ａに対して垂直な方向に射出されるため、上記のプリズム等の光学部材は不要である。ただし、この配置では、半導体レーザーの第１面２ａからの高さが大きくなり、収容空間Ｓの高さが２ｍｍ以上必要となる。

シミュレーション結果に基づくと、フレーム３の高さｈが１．０ｍｍである場合、フレーム３の幅ｂによっては、最大引張応力が１００ＭＰａ以下である条件を満足する。しかしながら、上記の構造的な収納空間Ｓの高さを考慮すると、フレーム３の高さｈの下限値は、２．０ｍｍとすることが好ましい。

一方、フレーム３の高さｈの上限値は、複数の発光素子５としての複数の半導体レーザーの半導体レーザー同士の間隔、および半導体レーザーから射出され入射する光を平行化するコリメーターレンズの配置等に基づいて、１０ｍｍ以下程度とすることが好ましい。コリメーターレンズは、例えば、透光性部材４に隣接して設けられたり、透光性部材４の一部として構成されたりする。一方で、シミュレーション結果に基づくと、表２〜表４におけるフレーム３の幅ｂが１．０ｍｍ、２．０ｍｍ、および３．０ｍｍである全ての場合において、フレーム３の高さｈが４．０ｍｍである場合の最大引張応力は１００ＭＰａ以下となる条件を満足せず、高さｈを４．０ｍｍよりも小さくする必要がある。したがって、表２〜表４におけるフレーム３の幅ｂが１．０ｍｍ、２．０ｍｍ、および３．０ｍｍである全ての場合において、最大引張応力が１００ＭＰａ以下となるフレーム３の高さは、３．５ｍｍである。このことから、フレーム高さｈの上限値は、表２〜表４のシミュレーション結果に基づき、３．５ｍｍとすることが好ましい。
以上の検討結果から、フレーム３の高さｈは、２．０ｍｍ以上、３．５ｍｍ以下である（２．０≦ｈ≦３．５）ことが好ましい。

したがって、表２〜表４のシミュレーション結果と、上述のフレーム３の幅および高さの各上限値および各下限値とに基づき、最大引張応力が１００ＭＰａ以下となる条件を満たす断面係数Ｚ［ｍｍ^３］は、０．５以上、７．０以下である（０．５≦Ｚ≦７．０）ことが好ましい。

以上のシミュレーション結果をまとめると、フレーム３の高さｈが２．０ｍｍ以上、３．５ｍｍ以下であり、フレーム３の幅ｂが１．０ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下であるようにフレーム３の断面形状３ｄを設計することにより、断面係数Ｚを０．５ｍｍ^３以上、７．０ｍｍ^３以下に設定できる。すなわち、フレーム３の断面形状３ｄにおいて、ベース２の第１面２ａに垂直な方向の長さ（高さｈ）は、２．０ｍｍ以上、３．５ｍｍ以下であり、フレーム３の断面形状３ｄにおいて、ベース２の第１面２ａに平行な方向の長さ（幅ｂ）は、１．０ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下である場合、透光性部材４における最大引張応力は、光学ガラスの引張強度１００ＭＰａ以下となる。これにより、透光性部材４に生じる応力Ｆを許容応力以下に抑えることができ、その結果、透光性部材４の破損や脱落を低減することができる。

なお、上記のシミュレーションでは、フレーム３の一辺の長さｗ３，ｘ３がそれぞれ３０ｍｍとしているが、本発明者は、フレーム３の一辺の長さｗ３，ｘ３がそれぞれ２０ｍｍ〜４０ｍｍの範囲となれば、フレーム３の一辺の長さｗ３，ｘ３がそれぞれ３０ｍｍである場合と同様のシミュレーション結果が得られることを確認している。

［第２実施例］
図６は、本発明者が行った第２実施例のシミュレーション結果を示すグラフである。図６は、図５と同様に、フレーム３の断面係数Ｚと透光性部材４に発生する最大引張応力との相関関係を示す。図６において、横軸はフレーム３の断面係数［ｍｍ^３］であり、縦軸は透光性部材４における最大引張応力［ＭＰａ］である。

第１実施例では、透光性部材４の材料としてＢＫ７（ホウケイ酸ガラス）を用いたが、第２実施例では、透光性部材の材料として石英ガラスを用いた点が第１実施例と異なる。石英ガラスの物性値は、密度：２．２ｇ／ｃｍ^３、ポアソン比：０．１８、ヤング率７４０００ＭＰａ、線膨張係数５．８×１０^−７／℃、引張強度６０ＭＰａ、である。このように、石英ガラスは、ＢＫ７よりも強度が低い。そのため、光源装置１の製造方法における温度低下による各部材の収縮量を抑えるために、第２実施例では、第１実施例よりも低融点の接合材の使用を想定し、すなわち、ベース２、フレーム３、および透光性部材４の接合時の加熱温度（接合材の融点）を２２０℃とし、温度低下後の光源装置１の温度を第１実施例と同様に環境温度の２５℃としている。すなわち、光源装置１の温度の変化量ΔＴを１９５℃に変更した。その他のシミュレーション条件は、第１実施例と共通である。

シミュレーションによる最大引張応力を表５〜表７に示す。表５はフレーム３の幅ｂが１．０ｍｍである場合の最大引張応力の結果であり、表６はフレーム３の幅ｂが２．０ｍｍである場合の最大引張応力の結果であり、表７はフレーム３の幅ｂが３．０ｍｍである場合の最大引張応力の結果である。図６において、表５〜表７に示された断面係数Ｚと最大引張応力との関係が示されている。表５〜７における断面係数Ｚおよび最大引張応力の数値は、表２〜４と同様に、少数第３位を四捨五入して少数第２位まで示している。

図６に示すように、最大引張応力は、第１実施例と同様に第２実施例においても、フレーム３の断面係数Ｚが０から所定の値までの間において減少する傾向にあり、断面係数Ｚが所定の値以上の範囲において増加する傾向にある。この傾向は、フレーム３の幅ｂが１．０ｍｍ、２．０ｍｍ、３．０ｍｍの全てにおいて見ることができる。ここで、本実施例における透光性部材４の材料である石英ガラスの引張強度は、６０ＭＰａである。そのため、フレーム３が、最大引張応力が６０ＭＰａ以下である条件を満たす断面係数を有していれば、透光性部材４の破損や脱落を低減することができる。

したがって、表５〜表７のシミュレーション結果と、上述のフレーム３の幅および高さの各上限値および各下限値とに基づき、最大引張応力が６０ＭＰａ以下となる条件を満たす断面係数Ｚ［ｍｍ^３］は、０．５以上、７．０以下である（０．５≦Ｚ≦７．０）ことが好ましい。すなわち、フレーム３の断面形状３ｄにおいて、ベース２の第１面２ａに垂直な方向の長さ（高さｈ）は、２．０ｍｍ以上、３．５ｍｍ以下であり、フレーム３の断面形状３ｄにおいて、ベース２の第１面２ａに平行な方向の長さ（幅ｂ）は、１．０ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下である場合、透光性部材４における最大引張応力は、石英ガラスの引張強度６０ＭＰａ以下となる。

上述したように、本実施例における断面係数Ｚの好ましい範囲は、第１実施例と同じ結果であった。したがって、ＢＫ７よりも強度が小さい石英ガラスからなる透光性部材４を用いた場合であっても、低融点の接合材を用いることにより、各部材における収縮量をＢＫ７の場合よりも小さくし、透光性部材４の破損や脱落を低減できることがわかった。

第１、第２実施例においては、透光性部材４としてＢＫ７もしくは石英ガラスを用いた例を示したが、その他、透光性部材４として、例えばソーダガラス、低膨張ホウケイ酸塩ガラス等の表面に強化加工を施した強化ガラスを用いることもできる。また、同様に、光学ガラス（ＢＫ７）、石英ガラスよりも引張強度が大きい水晶、およびサファイアを用いることができる。その場合、フレーム３の幅ｂが、第１実施例および第２実施例と同様に、１．０ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下の範囲において、フレーム３の高さｈの上限値を、３．５ｍｍよりも大きく設定することもできる。

［プロジェクター］
以下に、本実施形態に係るプロジェクターの一例について説明するが、本実施形態はこれらに限定されない。

図７は、本実施形態に係るプロジェクター１０００を示す概略構成図である。
図７に示すように、プロジェクター１０００は、照明装置１００、色分離導光光学系２００、光変調装置としての３つの液晶ライトバルブ４００Ｒ、液晶ライトバルブ４００Ｇ、液晶ライトバルブ４００Ｂ、クロスダイクロイックプリズム５００および投射光学系６００を備える。

照明装置１００は、光源装置１、集光光学系８０、波長変換素子９０、コリメート光学系１１０、第１レンズアレイ１２０、第２レンズアレイ１３０、偏光変換素子１４０、および重畳レンズ１５０を備える。

光源装置１は、上述の光源装置１を用いることができる。光源装置１は、例えば青色光Ｂを集光光学系８０に向けて射出する。

集光光学系８０は、第１レンズ８２および第２レンズ８４を備える。集光光学系８０は、光源装置１から波長変換素子９０までの光路中に配置され、全体として青色光Ｂを略集光した状態で後述する波長変換層９２に入射させる。第１レンズ８２および第２レンズ８４は、凸レンズで構成される。

波長変換素子９０は、いわゆる透過型の波長変換素子であり、モーター９８により回転可能な円板９６の一部に、単一の波長変換層９２が円板９６の周方向に沿って連続して形成されてなる。波長変換素子９０は、青色光Ｂを赤色光Ｒと緑色光Ｇとを含む蛍光光に変換し、蛍光光を青色光Ｂが入射する側とは反対側に向けて射出する構成となっている。

円板９６は、青色光Ｂを透過する材料で構成される。円板９６の材料としては、例えば、石英ガラス、水晶、サファイア、光学ガラス、透明樹脂等を用いることができる。

光源装置１からの青色光Ｂは、円板９６側から波長変換素子９０に入射する。
波長変換層９２は、青色光Ｂを透過し、赤色光Ｒおよび緑色光Ｇを反射するダイクロイック膜９４を介して円板９６上に形成されている。ダイクロイック膜９４は、例えば誘電体多層膜で構成される。

波長変換層９２は、光源装置１からの波長が約４４５ｎｍの青色光Ｂの一部を蛍光光に変換して射出し、かつ、青色光Ｂの残りの一部を変換せずに通過させる。すなわち、波長変換層９２は、光源装置１から射出された光によって励起され、蛍光光を射出する。このように、励起光を射出する光源装置１と波長変換層９２とを用いて所望の色光を得ることができる。波長変換層９２は、例えばＹＡＧ系蛍光体の一例である（Ｙ、Ｇｄ）_３（Ａｌ、Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅと有機バインダーとを含有する層で構成される。

コリメート光学系１１０は、各々が凸レンズからなる第１レンズ１１２と第２レンズ１１４を備える。コリメート光学系１１０は、波長変換素子９０からの光を略平行化する。

第１レンズアレイ１２０は、コリメート光学系１１０からの光を複数の部分光束に分割するための複数の第１小レンズ１２２を有する。第１レンズアレイ１２０は、照明光軸１００ａｘと直交する面内にマトリクス状に配列された複数の第１小レンズ１２２を有する。

第２レンズアレイ１３０は、照明光軸１００ａｘに直交する面内にマトリクス状に配列された複数の第２小レンズ１３２を有する。複数の第２小レンズ１３２は、第１レンズアレイ１２０の複数の第１小レンズ１２２に対応して設けられている。第２レンズアレイ１３０は、重畳レンズ１５０とともに、第１レンズアレイ１２０の各第１小レンズ１２２の像を液晶ライトバルブ４００Ｒ、液晶ライトバルブ４００Ｇ、液晶ライトバルブ４００Ｂの画像形成領域の近傍に結像させる。

偏光変換素子１４０は、第１レンズアレイ１２０により分割された各部分光束の偏光方向を、偏光方向の揃った略１種類の直線偏光光として射出する偏光変換素子である。偏光変換素子１４０は、偏光分離層と反射層と位相差板とを有する。偏光分離層は、波長変換素子９０からの光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し、他方の直線偏光成分を照明光軸１００ａｘに垂直な方向に反射する。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１００ａｘに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。

重畳レンズ１５０は、偏光変換素子１４０からの各部分光束を集光して液晶ライトバルブ４００Ｒ、液晶ライトバルブ４００Ｇ、液晶ライトバルブ４００Ｂの画像形成領域近傍に重畳させる。

第１レンズアレイ１２０、第２レンズアレイ１３０および重畳レンズ１５０は、波長変換素子９０からの光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。

色分離導光光学系２００は、ダイクロイックミラー２１０、ダイクロイックミラー２２０、反射ミラー２３０、反射ミラー２４０、反射ミラー２５０、リレーレンズ２６０、およびリレーレンズ２７０を備える。色分離導光光学系２００は、照明装置１００からの光を赤色光Ｒ、緑色光Ｇおよび青色光Ｂに分離し、赤色光Ｒ、緑色光Ｇおよび青色光Ｂの各々の色光を照明対象となる液晶ライトバルブ４００Ｒ、液晶ライトバルブ４００Ｇ、液晶ライトバルブ４００Ｂに導光する。

色分離導光光学系２００と、液晶ライトバルブ４００Ｒ、液晶ライトバルブ４００Ｇ、液晶ライトバルブ４００Ｂとの間には、フィールドレンズ３００Ｒ、フィールドレンズ３００Ｇ、フィールドレンズ３００Ｂが配置されている。

ダイクロイックミラー２１０は、赤色光Ｒ成分を通過させ、ダイクロイックミラー２２０に向けて、緑色光Ｇ成分および青色光Ｂ成分を反射する。ダイクロイックミラー２２０は、フィールドレンズ３００Ｇに向けて緑色光Ｇ成分を反射して、青色光Ｂ成分を通過させる。

ダイクロイックミラー２１０を通過した赤色光Ｒは、反射ミラー２３０で反射され、フィールドレンズ３００Ｒを通過して赤色光Ｒ用の液晶ライトバルブ４００Ｒの画像形成領域に入射する。

ダイクロイックミラー２１０で反射された緑色光Ｇは、ダイクロイックミラー２２０でさらに反射され、フィールドレンズ３００Ｇを通過して緑色光Ｇ用の液晶ライトバルブ４００Ｇの画像形成領域に入射する。

ダイクロイックミラー２２０を通過した青色光Ｂは、リレーレンズ２６０、入射側の反射ミラー２４０、リレーレンズ２７０、出射側の反射ミラー２５０、フィールドレンズ３００Ｂを経て、青色光Ｂ用の液晶ライトバルブ４００Ｂの画像形成領域に入射する。

液晶ライトバルブ４００Ｒ、液晶ライトバルブ４００Ｇ、液晶ライトバルブ４００Ｂは、光源装置１から射出された光を変調する。これらの液晶ライトバルブは、入射された色光を画像情報に応じて変調してカラー画像を形成するものであり、照明装置１００の照明対象となる。

また、図示は省略したが、液晶ライトバルブ４００Ｒの光入射側と光射出側にはそれぞれ、入射側偏光板と射出側偏光板とが設けられている。液晶ライトバルブ４００Ｇ、液晶ライトバルブ４００Ｂに関しても同様である。

クロスダイクロイックプリズム５００は、液晶ライトバルブ４００Ｒ，液晶ライトバルブ４００Ｇ，液晶ライトバルブ４００Ｂの各々から射出された画像光を合成してカラー画像を形成する。クロスダイクロイックプリズム５００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。

投射光学系６００は、液晶ライトバルブ４００Ｒ、液晶ライトバルブ４００Ｇ、液晶ライトバルブ４００Ｂによって形成されたカラー画像をスクリーンＳＣＲ上に投射する。

プロジェクター１０００は、前述の光源装置１を備えるため、信頼性が高く、かつ、所望の明るさの画像を表示することができる。また、プロジェクター１０００は、波長変換素子９０を備えるため、所望の色の画像を表示することができる。なお、蛍光体として、黄色以外の蛍光光を発する蛍光体を用いてもよい。例えば、赤色の蛍光光を発する蛍光体を用いたり、緑色の蛍光光を発する蛍光体を用いたりしてもよい。プロジェクターの用途に応じて、任意の色の蛍光光を発する波長変換素子を選択することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記実施形態では、断面形状３ｄが長方形（幅：ｂ、高さｈ）のフレーム３を用いた例を示したが、フレームの断面形状は長方形以外の四角形であってもよい。例えばフレームの断面形状が、第１面から第２面に向けて先細りのテーパを有する場合、断面形状を、上底：ａ、下底：ｂ、高さ：ｈの寸法を有する台形とみなし、Ｚ＝ｈ^２（ａ^２＋４ａｂ＋ｂ^２）／｛１２（ａ＋２ｂ）｝で示される断面係数Ｚを用いてもよい。ただし、テーパの度合いが僅かであり、ａの値とｂの値とがほとんど変わらない場合、台形ではなく、幅がａもしくはｂであり、高さがｈの長方形で断面形状を近似してもよい。あるいは、幅がａの値とｂの値との平均値であり、高さがｈの長方形で断面形状を近似してもよい。

また、フレーム３の第２面３ｂに透光性部材４が接合された構成に代えて、フレームの内周側に、第２面よりも第１面側に１段下がった段部が形成され、その段部に透光性部材４が嵌め込まれた状態でフレームと接合された構成であってもよい。その場合、フレームの断面形状は、四角形の一つの角部を四角形に切り欠いた形状となる。この場合、フレームの高さに対する透光性部材の厚さは十分小さく、フレームの断面形状全体の大きさに対する切り欠き部分の大きさは十分小さいと考えられることから、切り欠き部分を無視した長方形として断面形状を近似してもよい。

また、フレームは、全てが一体に構成されていなくてもよく、複数の部材が高さｈの方向に積層されたものであってもよい。例えば、電極６が挿入された貫通孔の位置で２分割された２つの部材から構成されたものであってもよい。その場合、フレーム全体としての断面形状が例えば長方形であれば、長方形に対応する断面係数に基づけばよい。

上記実施形態において、透過型のプロジェクターに本発明を適用した場合の例について説明したが、本発明は、反射型のプロジェクターにも適用することも可能である。ここで、「透過型」とは、液晶パネル等を含む液晶ライトバルブが光を透過するタイプであることを意味する。「反射型」とは、液晶ライトバルブが光を反射するタイプであることを意味する。なお、光変調装置は、液晶ライトバルブに限られず、例えばデジタルマイクロミラーデバイスを用いてもよい。

また、上記実施形態において、３つの液晶パネル４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂを用いたプロジェクター１０００の例を挙げたが、本発明は、１つの液晶ライトバルブのみを用いたプロジェクター、４つ以上の液晶ライトバルブを用いたプロジェクターにも適用可能である。

また、上記実施形態では、透過型の波長変換素子を備えた光源装置の例を示したが、反射型の波長変換素子を備えた光源装置であってもよい。さらに、光源装置が波長変換素子を備えた例を示したが、波長変換素子を備えていなくてもよい。このような場合には、プロジェクターの光源装置として、赤色光を射出する光源装置、緑色光を射出する光源装置、青色光を射出する光源装置、のうち少なくとも一つに上記光源装置が用いられればよい。

さらに、上記実施形態では、本発明による光源装置をプロジェクターに搭載した例を示したが、これに限定されない。本発明による光源装置は、照明器具や自動車のヘッドライト等にも適用することができる。

１…光源装置、２…ベース（基材）、２ａ…第１面、３…フレーム、４…透光性部材、５…発光素子、９０…波長変換素子、４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂ…液晶ライトバルブ（光変調装置）、６００…投射光学系、１０００…プロジェクター。

Claims (6)

1. 金属材料で構成された基材と、
   前記基材の第１面に設けられた複数の発光素子と、
   前記基材の前記第１面に前記複数の発光素子を囲んで設けられたフレームと、
   前記フレームの前記基材が設けられた面と反対側の面に設けられ、前記複数の発光素子から射出された光を透過させる透光性部材と、を備え、
   前記フレームは、前記フレームの断面形状における断面係数が０．５ｍｍ^３以上、７．０ｍｍ^３以下となる寸法を有し、
   前記断面形状における前記第１面に垂直な方向の長さは、２．０ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下であり、
   前記断面形状における前記第１面に平行な方向の長さは、１．０ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下である、光源装置。
2. 前記フレームの線膨張係数は、前記基材の線膨張係数よりも小さく、前記透光性部材の線膨張係数よりも大きい、請求項１に記載の光源装置。
3. 前記フレームは、セラミック材料で構成されている、請求項１または請求項２に記載の光源装置。
4. 前記断面形状における前記第１面に垂直な方向の長さをｈとし、前記断面形状における前記第１面に平行な方向の長さをｂとし、前記断面係数をＺとしたとき、
   前記断面係数は、下記の（１）式で表される、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の光源装置。
   Ｚ＝ｂ×ｈ ^２ ／６ …（１）
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の光源装置と、
   前記光源装置から射出された光を変調する光変調装置と、
   前記光変調装置により変調された光を投射する投射光学系と、を備えた、プロジェクター。
6. 前記光源装置から射出された光によって励起され、蛍光光を射出する波長変換素子をさらに備えた、請求項５に記載のプロジェクター。

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