JP2004031763A

JP2004031763A - 発光装置

Info

Publication number: JP2004031763A
Application number: JP2002187646A
Authority: JP
Inventors: Takashi Murayama; 村山　隆史; Toshio Matsushita; 松下　俊雄
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2004-01-29

Abstract

【課題】発光素子を用いた発光装置において、その動作熱を好適に冷却し、且つ光の取り出しにも優れたパッケージ、特に、高出力動作でも優れた連続動作が可能なパッケージを提供することにある。
【解決手段】容器１２内に発光素子１６が設けられた発光装置４１において、容器１２内には冷媒１５が溜められた冷媒溜まり１４を有し、前記発光素子１６が該冷媒溜まりに浸漬されて直接冷却するように載置され、容器１２には該発光素子１６を熱源として発熱された冷媒１５が冷却される冷却部１３を備え、更に該容器１２には前記発光素子１６からの光を容器外部に取り出す導光部２３を備えると共に、前記発光素子からの発光３２を導光部に取り入れる入光端部１８が、前記冷媒溜まり１４に浸漬されていることを特徴とする。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本願発明は、発光素子からの出射光を外部に取り出す機構を備えた発光装置に係り、特に発熱量の大きい高出力発光素子を好適に冷却するための機構を備えた発光装置に関する．
【０００２】
【従来の技術】
ＬＤの冷却技術には，ヒートシンクに熱を放出するといった受動的な冷却機構と，ヒートシンクに冷却水を流して直接熱を奪い取るといった能動的な冷却機構とがある．
【０００３】
従来において，ＣＡＮタイプのＬＤパッケージ（１２）のように、ヒートシンク（１１７）を介して熱伝導させて、発光素子１６からの熱が移動するヒートシンク（１１７）を冷却させる受動的な冷却機構が発光装置として採用されている（図６（ａ））。
【０００４】
このパッケージは、ＬＤ（１６）がヒートシンク（１１７）に実装され、ＬＤ（１６）からの発光（３３）を外部に取り出す窓（１４０）を備えたキャップ（２０１）により不活性ガス（２０３）中で気密封止された発光装置であり，比較的低出力のレーザーによく採用されている．
【０００５】
しかし，高出力のレーザーにおいては，素子の発光損失やジュール熱による発熱が非常に大きい．特に発熱による発光素子の温度上昇は、発光効率の低下や閾値電流の増大等、ＬＤ特性の悪化を招く原因となるため，最小限に抑える必要がある．それゆえに特にワイドバンドギャップ半導体材料などによる発光素子の開発や、さらなる光出力の高出力化には、発光装置として能動的な冷却機構が好まれる．
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
これまで能動的な冷却機構として，ヒートシンクに冷却水を流して直接熱を奪い取る機構のほか，ヒートシンクにヒートパイプを埋め込み，素子よりヒートシンクへ移動した熱を急速に他方端部の低温部に移動させて，ヒートシンクを冷却する方法も考案されていた．
【０００７】
しかし，ワイドバンドギャップ半導体材料などによる高出力発光素子では、特に発光層の温度上昇が非常に速く，安定した光出力でかつ長寿命の発光素子を実現するためには，ヒートシンク材料の肉厚さえも介さずして直接熱を急速に奪い取る機構が必要である．
これは、従来想定されていなかったワイドバンドギャップ半導体材料などによる高出力域、特にワット級の発光出力を要請する応用分野にて半導体発光素子を適用する際に、新規で、且つ発光素子応用において深刻な課題である。また、従来の光源を半導体発光素子に代替する利点は、長寿命、光源となる発光装置の容積低減であり、これらを満足する発光装置が必要となる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記事情に鑑み、ヒートシンクの熱伝導では解決できない大きな発熱量を伴う発光素子においても、十分な放熱特性を備える発光装置を提供することにある。
本発明の発光装置は、下記（１）〜（８）であることを特徴とする。
【０００９】
（１）　図４に示すように、容器（１２）内に発光素子（１６）が設けられた発光装置（４１）において、容器（１２）内には冷媒（１５）が溜められた冷媒溜まり（４２）を有し、前記発光素子（１６）が該冷媒溜まり（４２）に浸漬されて直接冷却するように載置され、容器（１２）には該発光素子（１６）を熱源として発熱された冷媒（１５）が冷却される冷却部（１３）を備え、更に該容器１２には前記発光素子からの光を容器外部に取り出す導光部（２３）を備えると共に、前記発光素子（１６）からの発光（３２）を導光部（２３）に取り入れる入光端部（１８）が、前記冷媒溜まり（４２）に浸漬されていることを特徴とする。
【００１０】
このような構成であることにより、発光素子（１６）の動作時に発生する熱は冷媒（１５）の潜熱となって発光素子（１６）が直接冷却され、また冷媒（１５）は気化、蒸発して、冷媒溜まり（４２）から冷却部（１３）に移動し（図４中の矢印として示す）、冷却部（１３）において液化、凝集すること（図４中の円で囲まれた領域など）で、冷媒溜まりまで移動して溜まる冷却循環機構を備えるため、発光素子（１６）は効率的に冷却される。
【００１１】
その結果，発光素子１６の発光端面１９は、光３２を出射すると同時に、発光素子１６内でも比較的高温となるため、その端面１９が冷媒にさらされることで、好適に発光素子１６が冷却され、温度上昇による素子劣化の加速を抑えて、高出力、連続駆動が可能となる。
【００１２】
（２）　（１）に記載の発光装置４１において、前記入光端部１８に向かう発光素子１６の光軸３３が、前記冷媒１５内を通ることを特徴とする。この構成により、具体的には、図１（ｂ）、図２、図３（ｂ）、図４などに示すように、発光素子１６の光軸３３が、冷媒１５内を通過することで導光部２３まで伝搬することが可能となる．
【００１３】
また、光軸３３が冷媒溜まり４２の液面４３を交叉しない方向である形態、すなわち、液面４３に対しほぼ並行である形態（図２，４）、若しくは深部方向に傾斜した方向（深部方向）である形態（図３）、または、導光部２３の入光端部１８と発光素子１６の出射端面１９とを結ぶ光軸３３が、その間に液面４３が設けられないように、入光端部１８と発光端面１９とを設ける形態（図１）であることで、発光３２を屈折、散乱させる要因となる液面４３による光の損失をなくして、発光３２を効率的に容器１２外部に取り出すことが可能となる。
【００１４】
（３）　上記（１）又は（２）の発光装置４１において、前記導光部２３が、容器１２の内部と外部とで光を伝搬させると共に、容器１２の壁部の少なくとも一部に設けられた光取り出し窓部４０であることを特徴とする。この構成により、具体的には、図２、３（ｂ）、４に示すように、容器１２の一部、好ましくは冷媒溜まり４２内に発光３２を装置４１外部に取り出すための取り出し窓４０を設けることにより、比較的簡単な構造となり、発光素子１６からの発光３２を外部に取り出すことができる。
【００１５】
（４）　上記（１）又は（２）の発光装置４１において、前記導光部が、該光を伝搬して前記容器外部に取り出されるように、容器内部から容器外部に延在している導光部材４４であると共に、該容器には、延在する導光部を通す孔４５を有することを特徴とする。これにより、図１、３（ａ）に示すように、入光端部１８を発光素子１６の端面１９に近接して配置でき、また、冷媒１５及び液面４３に対する発光素子１６及び端面１９の位置、向きに依らず、効率的に光を導光部材に取り入れて、光３２を外部に取り出すことができるため、容器１２の形状など設計自由度が向上する。この時、容器１２に設けられる孔４５は、図に示すような貫通孔である場合の他に、上記取り出し窓４０などのように光３２を透過させる窓部を介して透光性窓であっても良い。また窓部を介在させる場合には、そこから発光端面１９近傍にまで延在する導光部材４４を設けて発光３２を装置４１外部に光を取り出すことができる．すなわち、容器１２内部の導光部材とする形態であっても、窓部から装置４１外部に延びて必要とする場所まで、導光部材を延在させる形態、即ち、装置１２外部の導光部材であっても、またこれらを組み合わせた形態でもよい。
【００１６】
（５）　上記（１）乃至（４）の発光装置４１において、前記導光部２３の入光端部１８が、該入光端部１８と発光素子１６の発光面１９とが離間していることを特徴とする。この構成により、具体的には図１〜４に示すように、発光端面１９が冷媒１５に対し露出していることで、発光素子１６において最も発熱の大きな端面１９が直接冷媒１５にさらされて冷却される結果、上述したように、発光素子１６の高出力、連続動作を可能とできる。
【００１７】
（６）　上記（５）の発光装置４１において、前記導光部２３の入光端部１８と発光素子１６の発光端面１９との間に、発光面から放射される光を収束させて入光端部１９に入光させる光学手段２１が設けられていることを特徴とする。この構成により、具体的には、図２，３（ａ）に示すように、発光３２を集光して、入光端部１８に導く光学レンズなどの光学部材２１により、光分布を制御することにより好適に光を取り出すことが可能となる。このことは、容器外部で光を光学レンズなどにより制御する場合に比べて、出射端面１９近傍で制御できることから、光の取り出し効率を最大限に向上させることができるからである．
【００１８】
（７）　上記（１）乃至（６）の発光装置４１において、前記容器１２が、発光素子１６が載置される冷却溜まりが設けられる光熱源室１４と、前記冷媒が冷却される冷却室１３とが設けられていると共に、互いに連通して、前記光熱源室１４よりも前記冷却室１３の方が容積が大きいことを特徴とする。この構成により、具体的には図１、４に示すように、冷媒溜まり４２が設けられる光熱源室１４の容積を、冷却室１３に比較して小さくすることで、冷媒溜まり４２に冷却室１３から循環してきた冷媒１５が効率的に溜まる形態となる．すなわち、小さな容積に対し冷媒１５が溜まるため、素子動作時において一定量の冷媒溜まり４２が形成されるよう意図的に制御でき、また、発光素子１６は比較的小さな部材であるため、それを浸漬することが可能となる。
【００１９】
（８）　上記（１）〜（７）において、前記容器１２が、発光素子１６が載置される冷却溜まり４２が設けられる光熱源室１４と、前記冷媒１５が冷却される冷却室１３とが設けられていると共に、互いに連通して、該光熱源室１４から広がるように冷却室１３が接続されていることを特徴とする。この構成により、具体的には図４に示すように、光熱源室１４の断面積が、冷却室１３の断面積よりも大きくなるように連通して接続されることで、上述したように、好適に冷却され（循環され）た冷媒１５が断面積の小さな光熱源室１４に溜められて、冷媒溜まり４２が形成されることにより、冷媒溜まり４２が素子動作時に安定した深さを保つことができ、これにより、素子を浸漬した状態を保持できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明における冷媒としては、好ましくはフッ素系不活性液体、例えば住友スリーエムで製造されている商品名：フロリナートを使用できる。
【００２１】
本発明における冷媒は、上述したように、発光素子の冷却に用いるものであり、その使用において劣化しない材料であり、また発光素子材料との反応性に乏しい材料、すなわち、不活性な材料が好ましい。また、本発明の発光装置の使用温度領域（容器外の温度）において、液体である必要があり、また、発光素子の温度、特に発光面における温度において、蒸発する液体材料であることが好ましい。具体的には、使用温度領域Ｔ_ｅ、発光素子（発光面）の温度（動作温度）をＴ_ｄ、冷媒の沸点Ｔ_ｂは、動作時においてＴ_ｅ＜Ｔ_ｄ≦Ｔ_ｂの関係となる。
【００２２】
ここで、本発明の発光装置の容器は、密閉されたものであり、この時、内部の気圧を変化させることで、冷媒の沸点は、変化する為、上記条件を満たすように、容器内部の気圧を調整することにより、所望の沸点を設定して、すなわち、所望の使用温度、発光素子の動作温度を設定することもできる。
【００２３】
本発明において、冷媒と発光素子との関係は、図に示すように、発光素子全体が、冷媒内に浸漬されること、すなわち、液面よりも下に発光素子が載置され、発光素子全体を覆うように冷媒が設けられていることが好ましい。
【００２４】
本発明における導光部としては、特に限定されず、図２，３（ｂ），４に示すように、発光装置の一部が透光部材により壁面が設けられたような光取り出し窓の場合には、その窓部に硝子として、低融点硝子、コバール硝子などの透光性部材を融着、固着、嵌合固定されて発光装置に設けられていても良い。また、図１，３（ａ）に示すように、導光部が、入光端部１８を有する導光部材により、容器１２に設けられた孔４５を通して発光装置４１外部に延伸させて発光装置外部に光を取り出す形態では、光学部材として、従来知られた光ファイバを好適に用いることができ、その他、発光装置外部に導光するものであれば特に限定されず例えば、光を導光させるロッド状レンズ（収束性ロッド状レンズ）などの光学レンズ、コリメーターなどの延伸させることが可能な光学部材を用いることもできる。
【００２５】
更に、これら発光装置に設けられる導光部は、装置外部で、導光部出射端部に、別の導光部に光結合させて用いることもできる。また、入光端部の形状は、図に示すように、平坦な面状であっても良く、図３（ａ）に示すように、曲面を有し、光学レンズとして機能させても良く、テーパ状など入光端部の径が変化する形態のいずれでも良い。
【００２６】
本発明における光学レンズ２１としては、図２に示すように、入光端部と発光素子との間に、光結合用の光学レンズを設けても良く、例えば、球状レンズ、円柱状レンズ、球面・非球面（曲面）を有するレンズなどを用いることができる。この時、図に示すように、発光素子１６の発光端面１９は露出されて、冷媒に晒されるように、光学レンズと発光素子の発光端面とは離間されていることが好ましい。また、発光素子においては、その発光は端面１９近傍で、収束点がある場合には、その近傍で導光部の入光端部を配置すると良い。光学レンズは、導光部の入光端部に光を集光、収束させて結合効率を高めることができるものである。また、図３（ａ）に示すように、導光部の入光端部１８に、光学レンズを設ける形態、すなわち入光端部が光学レンズの機能を有する形態でも良い。
【００２７】
本発明における発光素子としては、具体的には、ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＡｌＧａＡｓＰ系のナローバンドギャップの半導体材料、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどの窒化ガリウム系のワイドバンドギャップ材料の発光素子が用いられ、発光素子の構造としては、発光素子（ＬＥＤ）、レーザ素子、スーパールミネッセントダイオード、面発光素子、面発光レーザ素子、端面発光素子などを用いることができる。また、導光部との結合効率を高める為に、発光端面１９が、半球状、曲面状、凸状などの形状であっても良い。本発明における発光素子の実装形態としては、１つの容器に１つの発光素子を有していても良く、複数の発光素子を有していても良く、複数の導波路を有する発光素子（端面発光のＬＥＤ・ＬＤなどにおいて、複数の導波路を備えるもの）、複数の発光部をその発光端面に備える面発光素子、面発光レーザ素子など、アレイ状の発光素子（端面発光、面発光）を用いることができる。
【００２８】
本発明における容器としては、銅、鉄、アルミニウムなどの金属を用いた金属製容器、樹脂材料などのプラスティック製容器、セラミックス、陶器、磁器などを用いた容器、若しくはこれらは組み合わせて複合的に用いた容器などを用いることができる。
【００２９】
本発明における支持体１７、保持体２４としては、それぞれ発光素子を載置し、その発光素子が載置された支持体を保持するものであり、その材質、形状、適用形態は特に限定されず、上記容器と同様な材料を用いることができる。また、支持体は、図２に示すように、容器内壁面に発光素子を載置して、支持体を兼ねる形態とでき、また図３（ａ）、４に示すように、支持体を介して、容器内壁面に載置されて、保持される形態でも良く、図３（ｂ）に示すように、支持体を保持する保持体でもって固定されていたも良い。また、保持体は、発光素子を載置した支持体だけでなく、導光部材を支持するように、支持台に用いることもできる。
【００３０】
本発明における容器内に備える他の機能としては、発光素子からの光を集積する光集積回路、光をスイッチングする光スイッチング回路、発光素子の駆動を制御する駆動回路（ＡＰＣなど）、発光素子の発光、温度を制御・監視・モニタリングするセンサー、及びその制御回路、監視回路（モニター回路）などを、例えば、支持体、保持体、容器内部（内壁面上）などに設けることもできる。また、波高装置４１（容器１２）には、発光素子の電源となる電極端子２２を、容器に設けた孔を介して、または、上記支持体上、若しくはその内部に電気配線を設けて、発光素子に電源供給する形態であっても良い。
【００３１】
本発明における容器内の冷媒を冷却循環させる具体的な機構としては、容器内に、冷媒を注入して、容器内にシーム溶接、レーザ溶接、硝子、はんだ、金属（合金）などの融着材料による融着（溶着）、若しくは容器の一部が嵌合させて封止される形態を用いることができる。また、支持体、保持体、電極端子、導光部材などを設ける孔においても同様な封止を用いることができる。
【００３２】
［実施形態１］
本発明の実施形態を以下に示す。図１に示すように、容器内１２に発光素子を設け、発光素子からの光を導光部１１である光ファイバーにより、容器外部に取り出す機能を有している。
【００３３】
発光素子には、冷媒１５が直接接触し、冷媒１５の潜熱により発光素子１６から熱を直接奪い、冷媒１５が気化・蒸気となって熱が容器の冷却室１３まで輸送される。冷却室１３まで達した冷媒は冷却室１３の壁面で液化・凝集し、再び光熱源である発光素子１６に到達する。このような循環機構を用いたパッケージ構造を有している。
【００３４】
また、図２に示すように、発光素子１６と導光部１１（光ファイバー）とは離間されていても良く、発光素子１６と導光部の入光端部１８との間に光を収束する光学レンズ２１などの光学手段を設けても良い。図３に示すように、導光部１１（光ファイバー）を発光素子の発光端面に光学部材（集光用）３１を介して直接設置しても良い。
【００３５】
［実施形態２］
本発明の実施形態を以下に示す。
【００３６】
図４に示すように、容器内に設けられた導光部１１が、容器に設けられた光取り出し窓であることを特徴としている。また、光取り出し窓を介して容器外部に光を取り出す際に、その窓からの光を光源とする用途に供しても良く、外部導光部を容器外部に近接、もしくは取り出し窓に光学的に接続して、導光部１１からの光を利用する形態が可能である。
【００３７】
また、上記の実施形態において、発光素子１６からの光は、導光部１１に達するまでの間に光学的な手段により収束しても良く、容器内に複数の発光素子、複数の発光点を有する場合には、それぞれの発光を容器内外に設けられた別々の導光部・導光材料により光をとりだし、容器内外で光を集光させ、高出力の発光装置として用いることができる。
【００３８】
【発明の効果】
本実施形態では、従来のヒートシンクなどを用いた固体内（発光素子内も含む）熱伝導による冷却方法に比べ冷却効率が向上し、ワット級の光出力の連続発振が確認された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る発光装置の模式断面図。
【図２】本発明の一実施形態に係る発光素子及び導光部（光取り出し窓と光ファイバー）を部分拡大して示す模式断面図。
【図３】本発明の一実施形態に係る発光素子及び導光部（光ファイバーとの光学系接続）を部分拡大して示す模式断面図。
【図４】本発明の一実施形態に係る発光装置の模式断面図。
【図５】従来例の発光装置としてを説明する図（ＣＡＮタイプの発光装置の模式的断面図（ａ）、ヒートパイプを備えたヒートシンクに発光素子を実装した発光装置の模式図（ｂ））。
【符号の説明】
１２・・・容器、１３・・・冷却室、１４・・・光熱源室、１５・・・冷媒、１６・・・発光素子、１７・・・支持体、１８・・・入光端部、１９・・・発光端面、２１・・・光学レンズ、２２・・・電極端子、２３・・・導光部、２４・・・保持体、３１・・・光学部材（集光用）、３２・・・光束
３３・・・光軸、４０・・・光取り出し窓、４１・・・発光装置、４２・・・冷媒溜まり、４３・・・液面、４４・・・導光部材、４５・・・孔、２０１・・・封止体（周囲体）、２０２・・・ヒートパイプ、２０３・・・封止部材（気体）

Claims

容器内に発光素子が設けられた発光装置において、
容器内には冷媒が溜められた冷媒溜まりを有し、前記発光素子が該冷媒溜まりに浸漬されて直接冷却するように載置され、容器には該発光素子を熱源として発熱された冷媒が冷却される冷却部を備え、更に該容器には前記発光素子からの光を容器外部に取り出す導光部を備えると共に、
前記発光素子からの発光を導光部に取り入れる入光端部が、前記冷媒溜まりに浸漬されていることを特徴とする発光装置。
前記入光端部に向かう発光素子の光軸が、前記冷媒内を通ることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
前記導光部が、容器の内部と外部とで光を伝搬させると共に、容器の壁部の少なくとも一部に設けられた光取り出し窓部であることを特徴とする請求項１又は２記載の発光装置。
前記導光部が、該光を伝搬して前記容器外部に取り出されるように、容器内部から容器外部に延在している導光部材であると共に、該容器には、延在する導光部を通す孔を有することを特徴とする請求項１又は２記載の発光装置。
前記導光部の入光端部が、該入光端部と発光素子の発光面とが離間していることを特徴とする請求項１乃至４記載の発光装置。
前記導光部の入光端部と発光素子の発光面との間に、発光面から放射される光を収束させて入光端部に入光させる光学部材が設けられていることを特徴とする請求項５記載の発光装置。
前記容器が、発光素子が載置される冷却溜まりが設けられる光熱源室と、前記冷媒が冷却される冷却室とが設けられていると共に、互いに連通して、前記光熱源室よりも前記冷却室の方が容積が大きいことを特徴とする請求項１乃至６記載の発光装置。
前記容器が、発光素子が載置される冷却溜まりが設けられる光熱源室と、前記冷媒が冷却される冷却室とが設けられていると共に、互いに連通して、該光熱源室から広がるように冷却室が接続されていることを特徴とする請求項１乃至６記載の発光装置。