JP2009170723A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】危険性の低い光を出射可能な構成を有する発光装置を提供するとともに、長寿命の発光装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る発光装置は、底面と内壁を持つ凹部を有する基台と、凹部内に設けられる半導体レーザ素子と、凹部内に設けられ、半導体レーザ素子の光を拡散する拡散部材と、半導体レーザ素子の光を吸収して異なる波長の光に変換する波長変換部材と、を具備し、半導体レーザ素子は、光軸が凹部の内壁に向くように配置され、拡散部材は、半導体レーザ素子の光軸上に配置され、波長変換部材は、凹部の開口方向に配置される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、発光素子と波長変換部材とを備えた発光装置に関するものである。

従来、発光装置の光源としては、蛍光ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプなどが用いられていた。近年、それらの光源に代わるものとして、発光ダイオードやレーザダイオードなどの発光素子を用いることが検討されている。

従来の発光装置の模式断面図を図２０に示す。例えば、図２０のように、青色レーザダイオード２２０を光源とし、蛍光体組成物２４０を用いて波長を変換させて白色光を発光させる発光デバイス２００が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２００１０号公報

しかしながら、上記の発光装置においては、以下の点について配慮がなされていなかった。
特許文献１の発光デバイスは、レーザダイオード２２０のレーザ光の出射方向と蛍光体組成物２４０からの光の放出方向とが略同一である。このため、レーザダイオード２２０からの光が蛍光体組成物２４０を透過して外部に放出される可能性があるため、紫外線、レーザ光等が人体に直接照射されるなどの危険がある。また、特許文献１の発光デバイスは、レーザダイオード２２０からの光が直接入射する位置に蛍光体組成物２４０が配置されているため、蛍光体組成物２４０が光に起因する熱により劣化してしまい、所望の光を外部に放出できなくなったり、場合によっては蛍光体組成物２４０が変色してしまい発光装置として使用できなくなったりする等の問題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、危険性の低い光を出射可能な構成を有する発光装置を提供するとともに、長寿命の発光装置を提供することを目的とする。

本発明に係る発光装置は、底面と内壁を持つ凹部を有する基台と、凹部内に設けられる半導体レーザ素子と、凹部内に設けられ、半導体レーザ素子の光を拡散する拡散部材と、半導体レーザ素子の光を吸収して異なる波長の光に変換する波長変換部材と、を具備し、半導体レーザ素子は、光軸が凹部の内壁に向くように配置され、拡散部材は、半導体レーザ素子の光軸上に配置され、波長変換部材は、凹部の開口方向に配置される。

かかる構成によれば、レーザ光が直接外部に放出されることを抑制することができる。また、半導体レーザ素子からの光による波長変換部材の劣化を抑制することができる。

また、波長変換部材には、拡散部材からの光及び／又は内壁からの反射光が照射されることが好ましい。かかる構成によれば、半導体レーザ素子からの光による波長変換部材の劣化を抑制することができる。

また、波長変換部材は、凹部を覆うように凹部開口の外周面に固定されていてもよい。かかる構成によれば、レーザ光が外部に漏れることを抑制して危険性の低い光を出射することができる。

また、凹部を覆うように固定され、凹部の開口方向に貫通孔を有するリフレクタを有し、貫通孔を塞ぐように波長変換部材が配置されていてもよい。かかる構成によれば、レーザ光が外部に漏れることを抑制して危険性の低い光を出射することができる。

また、波長変換部材は、拡散部材の一部に接していてもよい。かかる構成によれば、半導体レーザ素子からの光による波長変換部材の劣化を抑制することができる。

また、凹部の開口方向に、第２の拡散部材を備えていてもよい。かかる構成によれば、レーザ光が外部に漏れることを抑制して危険性の低い光を出射することができる。

また、本発明に係る発光装置は、台座と、台座の上に固定される半導体レーザ素子と、台座の上に固定され、半導体レーザ素子の光を拡散する拡散部材と、半導体レーザ素子及び拡散部材を覆うように台座に固定され、一部に開口部を有するキャップと、半導体レーザ素子の光を吸収して異なる波長の光に変換する波長変換部材と、を具備し、半導体レーザ素子は、光軸がキャップの内面に向くように配置され、拡散部材は、半導体レーザ素子の光軸上に配置され、波長変換部材は、キャップの開口方向に配置され、拡散部材からの光とキャップの内面からの反射光とが波長変換部材に照射される。かかる構成によれば、レーザ光が直接外部に放出されることを抑制することができる。また、半導体レーザ素子からの光による波長変換部材の劣化を抑制することができる。

また、拡散部材は、ガラス又は樹脂にフィラーが含有されていてもよい。かかる構成によれば、半導体レーザ素子からの光による波長変換部材の劣化を抑制することができる。

また、拡散部材は、半導体レーザ素子からの光を反射する材料により形成されており、半導体レーザ素子の光軸に対して傾斜あるいは湾曲した傾斜面を有していてもよい。かかる構成によれば、半導体レーザ素子からの光による波長変換部材の劣化を抑制することができる。

また、傾斜面は、凹凸を有していてもよい。かかる構成によれば、半導体レーザ素子からの光による波長変換部材の劣化を抑制することができる。

本発明によれば、安全性に優れた構造を有し、かつ長寿命の発光装置を提供することができる。

以下、本発明の発光装置を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す発光装置は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、本発明を以下のものに特定しない。また、特定的な記載がない限りは、構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を一の部材で構成することもできるし、逆に、一の要素を複数の部材で構成することもできる。

＜実施の形態１＞
図１は本発明の実施の形態１に係る発光装置を模式的に示す平面図である。また、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ’線における模式的な断面図である。

本実施の形態に係る発光装置は、基台１１０と、半導体レーザ素子１２０と、拡散部材１３０と、波長変換部材１４０とから主として構成されている。
基台１１０は、平面（上面）が略正方形である薄型の直方体であり、中央部より外周方向へ片寄った位置に底面１１２と内壁１１３とを持つ凹部１１１を有している。基台１１０の凹部１１１内には、半導体レーザ素子１２０及び拡散部材１３０が設けられる。
半導体レーザ素子１２０及び拡散部材１３０は、具体的には、凹部１１１の底面１１２に固定される。半導体レーザ素子１２０は、光軸が凹部１１１の内壁１１３に向くように配置される。また、拡散部材１３０は、半導体レーザ素子１２０の光軸上に位置するように配置される。

波長変換部材１４０は、基台１１０の凹部１１１の開口方向に配置される。波長変換部材１４０としては、透光性部材に、波長変換材料の一種である蛍光体粒子を分散させたものが挙げられる。
本実施の形態に係る発光装置においては、基台１１０の凹部１１１を覆うようにリフレクタ１５０が固定されている。リフレクタ１５０は、凹部１１１の開口方向に貫通する貫通孔１５５を有している。そして、上述した波長変換部材１４０は、この貫通孔１５５を塞ぐように配置される。なお、本発明において、貫通孔１５５を波長変換部材１４０で塞ぐ形態としては、リフレクタ１５０の上面または下面から貫通孔１５５を波長変換部材１４０で覆う形態や、貫通孔１５５に波長変換部材１４０を嵌め込む形態にすることができる。

上記のような構成とすることで、半導体レーザ素子１２０から発せられた光が、直接外部に放出されることを抑制することができるとともに、波長変換部材の劣化を抑制することができる。すなわち、本実施の形態においては、半導体レーザ素子１２０の光軸が凹部１１１の内壁１１３に向くように配置されているため、半導体レーザ素子１２０からの光は直接外部に放出されることなく、内壁１１３によって反射される。また、半導体レーザ素子１２０の光軸上に拡散部材１３０が配置されることにより、半導体レーザ素子１２０から出射された光の少なくとも一部は、拡散部材１３０によって拡散されて進行方向が変わる。したがって、波長変換部材１４０には、半導体レーザ素子１２０からの光が直接照射されることなく、拡散部材１３０からの光及び／又は凹部１１１の内壁１１３からの反射光が照射される。

以下、本発明の発光装置を構成する個々の部材について説明する。

（基台）
基台１１０は、半導体レーザ素子１２０が載置可能で、半導体レーザ素子１２０が接続されるリード電極を固定保持する支持体として働き、半導体レーザ素子１２０を外部環境から保護する機能も有する。

本実施の形態において、基台１１０の材質としては、銅、鉄、コバルト、ニッケル、金、アルミニウム、真鍮、タングステン、モリブデン、コバール、ステンレス、ＣｕＷ、ＣｕＭｏ等の金属又は合金を用いて形成することが好ましい。また、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ダイヤモンドなどのセラミックを用いて形成してもよい。
また、基台１１０の表面には、Ａｇ、Ａｌ等からなる反射膜を形成してもよい。これにより、光取り出し効率を向上させることができる。

基台１１０の形状は特に限定されるものではなく、例えば、円柱、楕円柱、球、卵形、多角柱又はこれらに近似する形状等どのような形状でもよいが、半導体レーザ素子１２０及び拡散部材１３０を配置するために、その一面、すなわち表面側に凹部１１１を備えているものが好ましい。この凹部１１１の形状は、特に限定されるものではないが、底面１１２と内壁１１３とを有し、凹部１１１内の領域が、円柱、楕円柱、多角柱、逆円錐台、逆楕円錐台、逆多角形錐台形状等をなすものが好ましい。凹部１１１の大きさは、半導体レーザ素子１２０と拡散部材１３０との合計の占有面積よりも大きいことが適している。
本実施の形態に係る発光装置において、波長変換部材１４０は、凹部１１１の開口方向に配置されるため、凹部１１１の大きさは、少なくとも半導体レーザ素子１２０及び拡散部材１３０を配置できる程度の大きさであればよい。そのため、波長変換部材１４０に照射される光の密度を十分に低減できるように波長変換部材１４０を半導体レーザ素子１２０の光軸方向に間隔を取って配置する場合と比較して、発光装置の小型化が可能である。
なお、凹部１１１の内壁１１３の角度は特に限定されず、用いる半導体レーザ素子１２０と拡散部材１３０の性能、得ようとする発光装置の特性等によって適宜調整することができる。

（半導体レーザ素子）
半導体レーザ素子１２０は、基台１１０の凹部１１１内に配置される。凹部１１１内において半導体レーザ素子１２０を固定する位置は、特に限定されるものではなく、例えば、凹部１１１の底面１１２や内壁１１３、あるいは後述するリフレクタの底面に固定することができる。また、半導体レーザ素子１２０は、光軸が凹部１１１の内壁１１３あるいは底面１１２に向くように配置される。

半導体レーザ素子１２０は、基板上にＧａＡｌＮ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＳｉＣ、ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等の半導体を発光層として形成させたものが用いられる。半導体の構造としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やＰＮ接合を有したホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構造のものが挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によって発光波長を紫外光から赤外光まで種々選択することができる。発光層は、量子効果が生ずる薄膜とした単一量子井戸構造や多重量子井戸構造としても良い。

屋外などでの使用を考慮する場合、高輝度な発光素子を形成可能な半導体材料として窒化ガリウム系化合物半導体を用いることが好ましく、また、赤色ではガリウム・アルミニウム・砒素系の半導体やアルミニウム・インジュウム・ガリウム・燐系の半導体を用いることが好ましいが、用途によって種々利用することもできる。

窒化ガリウム系化合物半導体を使用した場合、半導体基板にはサファイヤ、スピネル、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯやＧａＮ単結晶等の材料が用いられる。結晶性の良い窒化ガリウムを量産性良く形成させるためにはＧａＮ単結晶基板を用いることが好ましい。

半導体レーザ素子１２０は、３００ｎｍ〜５００ｎｍに発光ピーク波長を持つものを使用できるが、４００ｎｍ〜４７０ｎｍに発光ピーク波長を持つものが好ましい。例えば４４５ｎｍ付近に発光ピーク波長を持つものを使用することができる。

半導体レーザ素子は発光ダイオード等と比較して光密度が高いので、半導体レーザ素子を用いると発光装置としての輝度は容易に向上するものの、光密度が高いゆえに波長変換部材１４０が局所的に発熱し、劣化、変色しやすい。本願発明は、熱による波長変換部材１４０や周辺部材への悪影響を大幅に軽減することができるので、光源として半導体レーザ素子を用いる場合に特に効果的である。

（拡散部材）
拡散部材１３０は、半導体レーザ素子１２０からの光を拡散させるものであれば、特に限定されるものではない。また、拡散だけでなく、反射させるものであれば特に限定されない。
拡散部材１３０は、少なくとも、基台１１０の凹部１１１内であって、半導体レーザ素子１２０からの光軸上に位置するように配置される。例えば、基台１１０の凹部１１１の底面１１２や内壁１１３、あるいは後述するリフレクタの底面に配置することができる。本実施の形態に係る発光装置では、拡散部材１３０は、基台１１０の凹部１１１の底面１１２に固定される。
このような拡散部材１３０を設けることで、半導体レーザ素子１２０からの光は、拡散部材１３０を介して波長変換部材１４０へ入射する。これにより、波長変換部材１４０への光の集中を軽減することができ、波長変換部材１４０の劣化を軽減することができる。また、拡散部材１３０の光拡散作用により、発光装置の色度ばらつきを抑制することができる。

拡散部材１３０としては、透光性の有機材料や無機材料を母材に、光拡散物質を分散させたものが一例として挙げられる。有機材料としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂が好ましく、無機材料としては、ガラスが好ましい。なお、耐熱性の観点からは、無機材料が好ましい。光拡散物質としては、炭化珪素、二酸化珪素、硫酸バリウム、または、ジルコニア、酸化アルミニウム、酸化チタン等の金属酸化物、または、気泡、内部が真空のガラス（中空フィラー）等が好ましい。拡散部材１３０の形状としては、柱体、錐体、錐台、半円球、平凸形状等が一例として挙げられる。
光拡散物質の形状は、六方晶形等の立方形、紡錘形、破砕形、針状もしくは柱状等の棒状等、種々の構造のものを用いることができる。光拡散物質の粒径は、半導体レーザ素子１２０の発光波長よりも大きいことが好ましい。その反面、光拡散物質の粒径が小さいほど、拡散効果を高くすることができるため、波長変換部材１４０へ均一に照射される光、色ムラを抑制することができる。なお、光拡散物質の形状、大きさ、含有量等は、用いる母材や半導体レーザ素子１２０の性能、得ようとする発光装置の特性等によって適宜調節することができる。例えば、色度ばらつきを低減するために、半導体レーザ素子１２０から遠ざかるにつれて光拡散物質の含有量を高くすることも可能である。
また、拡散部材１３０としては、上述したような透光性の母材に光拡散物質を分散させたものの他に、導光板なども用いることができる。

（反射部材）
拡散部材１３０には、反射部材１９０を設けることができる。図３は、反射部材１９０の配置例を模式的に示す平面図である。また、図４は、反射部材１９０の配置例を模式的に示す断面図である。
反射部材１９０は、拡散部材１３０から出射される光を反射させるものである。反射部材１９０は、拡散部材１３０の側面において、半導体レーザ素子１２０との対向面である受光側以外の少なくとも一部に設けることが好ましい。これにより、拡散部材１３０から内壁１１３方向に出射される光を効率よく反射させることができる。
拡散部材１３０としては、金属薄膜または誘電体多層膜等を挙げることができる。
金属薄膜は、半導体レーザ素子１２０から出射される光、および波長変換部材１４０から発する光を反射する部材（たとえば、３５０ｎｍ〜８００ｎｍの範囲に波長が有る光を反射する部材）が好ましい。また、これら各波長の光の反射量が略一定となるような部材が好ましい。具体的には、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｉｎ、Ｐｄ等の金属、Ｉｎ−Ａｇ、Ａｕ−Ａｇ等の合金等が好ましい。
誘電体多層膜は、誘電体の多層膜等で構成されるものである。例えば、半導体レーザ素子１２０からの出射光は透過可能であるが、波長変換部材１４０により変換された波長の光は透過不可とする、いわゆる波長選択性の膜である。誘電体多層膜としては、例えば、ＡｌＮ、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔｉ_３Ｏ_５、Ｔｉ_２Ｏ_３、ＴｉＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＣｅＯ_５、ＺｎＳ、ＭｇＦ_２等から構成される多層膜が挙げられる。このような膜は、半導体レーザ素子１２０との対向面である受光側にも設けることができる。これにより、波長変換部材１４０により波長が変換されると共に拡散部材１３０側へ戻ってきた光が、半導体レーザ素子１２０に進行するのを抑止できる。

（波長変換部材）
波長変換部材１４０は、半導体レーザ素子１２０からの光の一部を吸収して、それとは異なる波長の光を発することで、所望の色調の発光を得るものである。つまり、半導体レーザ素子１２０の光と、波長変換部材１４０で波長変換された光との混色光を外部に取り出すことができる。波長変換部材１４０の一例としては、透明樹脂や無機部材などの透光性部材を母材とし、そこに波長変換材料である蛍光体を分散させたものが挙げられる。

本実施の形態において、波長変換部材１４０は基台１１０の凹部１１１の開口方向に配置される。半導体レーザ素子１２０から出射される光は、その光軸と一致する領域の強度が最も大きい。従って、半導体レーザ素子１２０の光軸上とは異なる位置に波長変換部材１４０を設けることが好ましい。これにより、半導体レーザ素子１２０からの光による波長変換部材１４０の劣化を抑制することができる。

波長変換部材１４０は、必要に応じたものを選択することで、所望の波長を得ることができる。また、複数種類の波長変換部材１４０が存在してもよい。
例えば、透光性部材に含有させる波長変換材料として蛍光体を用いることで、白色光は次のようにして得られる。第１の方法は、半導体レーザ素子１２０から発光される、可視光の短波長側領域の青色光で、黄色発光の蛍光体を励起させる。これにより一部波長変換された黄色光と、変換されない青色光が混色し、補色の関係にある２色により白色光として放出される。第２の方法は、半導体レーザ素子１２０から放出される、紫外から可視光の短波長側領域の光により、Ｒ・Ｇ・Ｂ蛍光体を励起させる。波長変換された３色光が混色し、白色光として放出される。

上記の機能を実現できる代表的な蛍光体としては、銅で付括された硫化カドミウム亜鉛やセリウムで付括されたＹＡＧ系蛍光体及びＬＡＧ系蛍光体が挙げられる。特に、高輝度且つ長時間の使用時においては（Ｒｅ_１−ｘＳｍ_ｘ）_３（Ａｌ_１−ｙＧａ_ｙ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１、但し、Ｒｅは、Ｙ、Ｇｄ、Ｌａ、Ｌｕからなる群より選択される少なくとも一種の元素である。）等が好ましい。またＹＡＧ、ＬＡＧ、ＢＡＭ、ＢＡＭ：Ｍｎ、ＣＣＡ、ＳＣＡ、（Ｃａ，Ｓｒ）_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ及びＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕからなる群から選択される少なくとも１種を含む蛍光体が使用できる。光源からの励起光と、この励起光における波長変換効率の良好な蛍光物質と、を組み合わせることによって、発光出力の高い発光装置を得ることができるとともに、種々の色味の光を得て、演色性の高い出射光を得ることができる。

また、透光性部材は、少なくとも光の一部を透過する機能を有するものであって、透明色に限定しない。透光性部材は、半導体レーザ素子１２０から出射された光の吸収率が低い材料が好ましい。具体的には、石英ガラス、硼珪酸ガラス、低融点ガラス、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂等が挙げられる。

波長変換部材１４０の形状としては、円盤形状、半球形状、ボール形状、レンズ形状、円錐形状、円錐台形状など任意の形状とできる。例えば、その両端間において、一貫した大きさの径を有する環状、あるいは光進行方向につれて径が大きくなる逆テーパ形状、あるいは光進行方向につれて径の拡大率が小さくなる半円球形状や平凸形状としてもよい。また、波長変換部材１４０において、光出射側での空気との界面にて生じる屈折率差を考慮し、波長変換部材１４０の光出射側の形状を適宜選択・加工することにより、集光・拡散等の波面制御が可能となる。

本発明における波長変換部材１４０には、波長変換材料の他、粘度増量剤、光拡散物質、顔料等、使用用途に応じて適切な部材を添加することができる。光拡散物質として例えば、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、炭化珪素、二酸化珪素、重質炭酸カルシウム、軽質炭酸カルシウム、銀、および、これらを少なくとも一種以上含む混合物等を挙げることができる。これによって良好な指向特性を有する発光装置が得られる。同様に外来光や半導体レーザ素子１２０からの不要な波長をカットするフィルター効果を持たせたフィルター材として各種着色剤を添加させることもできる。

光拡散物質と、蛍光体等の波長変換材料を併用することで、半導体レーザ素子１２０及び蛍光体からの光を良好に乱反射させ、大きな粒径の蛍光体を用いることによって生じやすい色ムラを抑制することができるので、好適に使用できる。

また、波長変換部材１４０とは別に、上記のような光拡散物質を含む層を、第２の拡散部材として凹部１１１の開口方向に設けてもよい。これにより、発光装置の色度ばらつきを抑制することができる。このような層は、波長変換部材１４０と接するように設けることが好ましい。

（リフレクタ）
リフレクタ１５０は、基台１１０の上面に設けられる。具体的には、リフレクタ１５０は基台１１０の凹部１１１を覆うように、凹部開口の外周面に固定される。
また、リフレクタ１５０の略中央には、基台１１０の凹部１１１の開口方向に貫通する貫通孔１５５が形成されている。また、貫通孔１５５の両端口の内、半導体レーザ素子１２０からの出射光が入光する側を入光部１５６とし、他端側を出光部１５７とする。基台１１０の凹部１１１の開口方向へ進む光は、入光部１５６より貫通孔１５５内に進行する。貫通孔１５５内に進行した光は、直進または、貫通孔１５５の内面に１回或いは複数回反射されながら導波され、出光部１５７から出射される。
本実施の形態においては、波長変換部材１４０が、このリフレクタ１５０の貫通孔１５５を塞ぐように配置されており、リフレクタ１５０の貫通孔１５５内を進行した光は、波長変換部材１４０へ入射する。ここで、「塞ぐように配置」とは、貫通孔１５５内に配置すること、貫通孔１５５を覆うようにリフレクタ１５０の上面側に配置すること等を含む。

リフレクタ１５０に設けられる貫通孔１５５の開口形状は、円形、楕円形、長方形、正方形、菱形、多角形又はこれらの形状に近似する形状とすることができる。
リフレクタ１５０の貫通孔１５５は、半導体レーザ素子１２０からの光の入射側から出射側に向かって広口となるように傾斜あるいは湾曲した側面を有していてもよい。
図５は、リフレクタの貫通孔の一例を示す概略断面図である。リフレクタ１５０の貫通孔１５５の形状としては、例えば、貫通孔１５５内の領域が略逆円錐台形状をなすもの、つまり、入光部１５６側から出光部１５７側に向かって内径が大きくなるものが挙げられる。

このような形状の貫通孔１５５を備えることで、波長変換部材から貫通孔１５５の入光部１５６の方向へ逆戻りする光を、貫通孔１５５の側面によって反射させることができる。これにより、光取り出し効率を向上させることができるとともに、半導体レーザ素子の劣化を抑制することができる。
また、基台１１０の凹部１１１の開口方向に貫通孔１５５が設けられているので、基台１１０の凹部１１１がリフレクタ１５０によって塞がれることによる光出力の低下を防止することができる。

リフレクタ１５０における貫通孔１５５の設計は、光の取り出し効率や配光を考慮して決定すればよい。上記以外の貫通孔１５５の形状としては、入光部１５６近傍では開口径の拡大率が大きく、出光部１５７近傍ではその拡大率が小さいものでもよい。例えば、図６に示すように、貫通孔１５５内の領域がドーム形状をなすように、内面が曲面状のものが挙げられる。曲面状の傾斜部は、傾斜部で反射された光を、出光部１５７の中心方向へと屈折させることが可能になる。したがって、貫通孔１５５内での光の反射回数を低減でき、光の損失を低減することができる。この他、出射光の集光を考慮したレンズ状の傾斜部が挙げられる。

リフレクタ１５０の材質としては、銅、鉄、コバルト、ニッケル、金、アルミニウム、真鍮、タングステン、モリブデン、コバール、ステンレス、ＣｕＷ、ＣｕＭｏ等の金属又は合金、あるいは、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ダイヤモンドなどのセラミックが挙げられる。また、リフレクタ１５０および基台１１０は、異部材とは限らず、両者は同一部材とすることも可能であり、これにより製品の部品点数を削減することができる。また、リフレクタの表面には、Ａｇ、Ａｌ等からなる金属膜を形成してもよい。

＜実施の形態１の変形例＞
図７は、実施の形態１の変形例に係る発光装置の一例を模式的に示す平面図である。また、図８は、図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ’線における模式的な断面図である。
この変形例の発光装置は、前述した実施の形態１の発光装置において、複数の半導体レーザ素子１２０を備え、それぞれの出射光が拡散部材１３０に入射するように変更したものである。
基台１１０は、平面が略正方形からなる薄型の直方体であり、略中央に凹部１１１を有している。凹部１１１の底面１１２は略正方形であり、その中心に拡散部材１３０が設けられている。複数の半導体レーザ素子１２０は、拡散部材１３０を包囲するような環状に設けられ、それぞれの光軸は拡散部材１３０に向けられている。
複数の半導体レーザ素子１２０を使用する場合、発光装置としての輝度は容易に向上するものの、凹部１１１の中央部において光密度が高くなる。本変形例の発光装置においては、この凹部１１１の中央部に拡散部材１３０が配置されるため、波長変換部材１４０への悪影響を大幅に軽減することができる。
＜実施の形態２＞
図９は、本発明の実施の形態２に係る発光装置を模式的に示す平面図である。また、図１０は、図９のＸ−Ｘ’における模式的な断面図である。
本発明の実施の形態に係る発光装置は、前述した実施の形態１の発光装置と比べて、主に基台１１０の構成と波長変換部材１４０の配置が異なる。

本実施の形態において、基台１１０は、平面が略長方形の直方体である。基台１１０の中央に、逆角錐台形状の第１の凹部１１４が設けられており、第１の凹部底面の中央に、底面が略長方形からなる直方体である第２の凹部１１７が設けられている。この第２の凹部１１７の底面に半導体レーザ素子１２０及び拡散部材１３０が配置されている。第１の凹部１１４の内壁は、上端側ほど広口となるように傾斜しており、リフレクタとしての機能を有している。半導体レーザ素子１２０及び拡散部材１３０は、略長方形の第２の凹部１１７の底面において、互いに離間して長手方向に並列するように配置される。半導体レーザ素子１２０の光軸は、第２の凹部１１７の底面の長手方向と略平行である。波長変換部材１４０は、第２の凹部１１７の一部を覆うように、第１の凹部１１４の底面に固定される。

本実施の形態の発光装置は、第１の凹部１１４を覆うように光透過体１６０が基台１１０の上面に設けられている。これにより、光透過体１６０、第１の凹部１１４及び第２の凹部１１７によって構成される空間が形成され、この空間内に半導体レーザ素子１２０、拡散部材１３０及び波長変換部材１４０が配置されることになる。したがって、これらの部材を外部から保護することができる。

上記の光透過体１６０は、少なくとも光の一部を透過するものであればよい。光透過体１６０は、半導体レーザ素子１２０及び波長変換部材１４０から出射された光の吸収率が低い材料が好ましい。具体的には、石英ガラス、硼珪酸ガラス、低融点ガラス、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂等が挙げられる。

波長変換部材１４０の形状は、円盤形状、半球形状、ボール形状、レンズ形状、円錐形状、円錐台形状、角錐形状、角錐台形状、角柱形状など任意の形状とすることができる。波長変換部材１４０の形状は、第２の凹部１１７の一部または全部を覆うように、第１の凹部１１４の底面に固定することができる形状であれば特に限定されない。
図１１は、本実施の形態に係る波長変換部材の変形例を示した平面図である。また、図１２は、図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ’線における模式的な断面図である。波長変換部材１４０は、その形状を第２の凹部１１７よりも大きい楕円盤形状として、第２の凹部１１７の全部を覆うように配置してもよい。このようにすることで、波長変換部材１４０を介して出射される光のみを外部へ取り出すことができる。

また、第１の凹部１１４の内壁１１６は、リフレクタとしての機能を有する。従って、第１の凹部１１４の内壁１１６は、その上面が波長変換部材１４０よりも上に位置する程度の高さであることが好ましい。

＜実施の形態３＞
図１３は、本発明の実施の形態３に係る発光装置を模式的に示す平面図である。また、図１４は、図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ’線における模式的な断面図である。
本発明の実施の形態に係る発光装置は、前述した実施の形態２の発光装置と比べて、主に基台の構成が異なる。

本実施の形態において、基台１１０は平面が略長方形の直方体であり、基台１１０の中央には、底面１１２が略長方形からなる凹部１１１が設けられている。
基台１１０の凹部１１１は、底面１１２の形状及び上端側の開口形状が略長方形からなる角錐台形状をなしており、その内壁１１３は、底面１１２から離れるほど広口となるように傾斜している。従って、凹部１１１の内壁１１３方向に進行する光を、開口方向へ効率よく反射させることができる。

半導体レーザ素子１２０及び拡散部材１３０は、略長方形の基台１１０の凹部１１１の底面１１２において、互いに離間して長手方向に並列するように配置される。また、半導体レーザ素子１２０の光軸は、凹部１１１の底面１１２の長手方向と略平行である。

本実施の形態において、拡散部材１３０は、上面及び下面を有する円柱形状または角柱形状である。この拡散部材１３０の上面に、波長変換部材１４０が固定される。
波長変換部材１４０は、拡散部材１３０の上面と接する面を有する形状であれば特に限定するものではない。具体的には、柱体、錐体、錐台、半円球、平凸形状等が一例として挙げられるが、円柱形状にすれば発光装置の色度ばらつきを低減することができるので好ましい。
また、波長変換部材１４０と拡散部材１３０は、略同一の平面形状であることが好ましい。

さらに、本実施の形態の発光装置は、基台１１０の凹部１１１を覆うように光透過体１６０が設けられている。これにより、光透過体１６０及び基台１１０の凹部１１１によって構成される空間が形成され、この空間内に半導体レーザ素子１２０、拡散部材１３０及び波長変換部材１４０が配置されることになる。したがって、これらの部材を外部から保護することができる。

また、本実施の形態の発光装置において、波長変換部材１４０は、図１５に示すように、拡散部材１３０の側面のうち、半導体レーザ素子１２０と対向する領域以外の側面に延在するように設けてもよい。これにより、拡散部材１３０の側面から出射する光が波長変換部材１４０に入射する。

＜実施の形態３の変形例＞
図１６は、本発明の実施の形態３の変形例に係る発光装置を模式的に示す断面図である。
この変形例の発光装置は、主に、台座１７０と、半導体レーザ素子１２０と、拡散部材１３０と、波長変換部材１４０と、キャップ１８０と、を備える。

円盤形状の台座１７０の上には、半導体レーザ素子１２０及び拡散部材１３０が固定される。また、半導体レーザ素子１２０及び拡散部材１３０を覆うように、キャップ１８０が、台座１７０の上面の縁周近傍に抵抗溶接等により溶接されている。キャップの内部において、半導体レーザ素子１２０は、光軸がキャップの内面に向くように配置され、拡散部材１３０は、半導体レーザ素子１２０の光軸上に配置される。キャップ１８０は一部に開口部を有している。波長変換部材１４０は、キャップ１８０の開口方向に配置される。これにより、拡散部材１３０からの光とキャップ１８０の内面からの反射光とが波長変換部材１４０に照射される。

台座１７０の材質は、銅、鉄、コバルト、ニッケル、金、アルミニウム、真鍮、タングステン、モリブデン、コバール、ステンレス、ＣｕＭｏ、ＣｕＷ等の金属もしくは合金、または、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ダイヤモンド等が挙げられる。キャップ１８０の材質は、ニッケル、コバルト、鉄、真鍮、ステンレス、ニッケルと鉄との合金、鉄−ニッケル−コバルト合金（コバール）等が挙げられる。台座１７０及びキャップ１８０は、例えば抵抗溶接によって接合されることより、抵抗溶接の溶接性を良好にする材料が好ましい。

実施の形態３の変形例において、キャップ１８０は、例えば、円筒形状のキャップ側部１８２と、キャップ側部１８２の上端を覆う環状のキャップ上部１８１とから構成される。半導体レーザ素子１２０の光軸は、キャップ側部１８２の内面に向けられている。また、キャップ上部１８１の中央部に、キャップ上部１８１の厚さ方向において、キャップ１８０の内外と貫通する開口部１８５が形成されている。また、キャップ上部１８１の開口部１８５を塞ぐように光透過体１６０が配置される。光透過体１６０は、シリコーン樹脂、セラミック、低融点ガラス、半田等の接着部材により固着されており、これにより、キャップ１８０内部が封止された状態となる。

以下に、波長変換部材をキャップ１８０の開口方向に配置する形態の例について説明する。

図１６に示す発光装置は、波長変換部材１４０を拡散部材１３０の上に固着している。この場合、波長変換部材１４０は、拡散部材１３０の上面と接する面を有する形状であれば特に限定するものではない。具体的には、柱体、錐体、錐台、半円球、平凸形状等が一例として挙げられるが、円柱形状にすれば発光装置の色度ばらつきを低減することができるので好ましい。また、波長変換部材１４０と拡散部材１３０は、略同一の平面形状であることが好ましい。

また、図１７に示す発光装置は、光透過体１６０の代わりに、波長変換部材１４０をキャップの開口部１８５を塞ぐように配置している。これにより、台座１７０、キャップ１８０及びキャップ１８０の開口部１８５を塞ぐように配置された波長変換部材１４０によって構成される空間が形成され、この空間内を進む光のうち、開口部１８５に配置された波長変換部材１４０を通過する光のみ外部に取り出すことができる。

＜実施の形態４＞
図１８は、本発明の実施の形態４に係る発光装置を示す模式的に示す断面図である。
本発明の実施の形態に係る発光装置は、前述した実施の形態１及び２の発光装置と比べて、拡散部材の構成が異なる。

本実施の形態において、拡散部材１３０は、金属により形成され、半導体レーザ素子１２０との対向面である受光側に、半導体レーザ素子１２０の光軸に対して傾斜あるいは湾曲した傾斜面１３２を有している。傾斜面１３２の形状は、光学特性を考慮して適宜選択することができる。
このような拡散部材１３０を用いることにより、半導体レーザ素子１２０からの光が波長変換部材１４０に直接入射されるのではなく、一旦拡散部材１３０の傾斜面１３２により反射されてから波長変換部材１４０へ入射するので、波長変換部材１４０への光の集中を軽減することができ、波長変換部材１４０の劣化を軽減することができる。

本実施の形態における拡散部材１３０は、半導体レーザ素子１２０から出射される光、および波長変換部材１４０から発する光を反射する部材（たとえば、３５０ｎｍ〜８００ｎｍの範囲に波長が有る光を反射する部材）により形成されることが好ましい。具体的な材料としては、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｉｎ、Ｐｄ等の金属、Ｉｎ−Ａｇ、Ａｕ−Ａｇ等の合金等を挙げることができる。また、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）等のセラミック、硫酸バリウム（ＢａＳＯ_４）等を用いてもよい。本実施の形態における拡散部材１３０は、少なくとも傾斜面１３２がこのような材料により構成されていればよい。

また、拡散部材１３０の傾斜面１３２には、凹凸を有する面とすることができる。傾斜面１３２に設ける凹凸としては、少なくとも半導体レーザ素子１２０からの光を反射することができる程度の高低差が規則的又は不規則的に形成されているものが挙げられる。このような凹凸を設けることで、半導体レーザ素子１２０から出射された光の密度をより低減させることができ、高いコヒーレンス性を有した状態で反射されてしまうことを防止することができる。また、傾斜面１３２にこのような凹凸を設けることにより、発光装置の色度ばらつきを抑制することができる。このような凹凸面は、拡散部材１３０の傾斜面１３２だけに限らず、基台１１０の凹部１１１の内壁１１３にも施すことができる。

＜実施の形態５＞
図１９は、本発明の実施の形態５に係る発光装置を示す概略断面図である。
本発明の実施の形態に係る発光装置は、前述した実施の形態４の発光装置と比べて、拡散部材１３０及び基台１１０を、同一部材を用いて一体部品として形成している点が異なる。
すなわち、本実施の形態に係る発光装置は、基台１１０の凹部１１１の内壁１１３に、半導体レーザ素子１２０の光軸に対して傾斜あるいは湾曲した傾斜面１３２が形成されている。この傾斜面１３２は、半導体レーザ素子１２０からの光を反射又は拡散することが可能である。
本実施の形態の発光装置においては、実施の形態４の発光装置と同等の効果を得ることができるとともに、製品の部品点数を削減することができる。また、本実施の形態においても、傾斜面１３２に凹凸を設けてもよい。

また、凹部１１１の内壁１１３に形成された傾斜面１３２に、別部材として光拡散物質等を設けてもよい。これにより、半導体レーザ素子１２０からの光を、コヒーレンス性のより低い状態として反射することができる。

本発明の発光装置は、照明器具、車両搭載用照明、ディスプレイ、インジケータ等に利用することができる。

本発明の実施の形態１に係る発光装置を模式的に示す平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ’線における模式的な断面図である。 反射部材１９０の配置例を模式的に示す平面図である。 反射部材１９０の配置例を模式的に示す断面図である。 本発明の発光装置におけるリフレクタの貫通孔の一例を示す概略断面図である。 本発明の発光装置におけるリフレクタの貫通孔の一例を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態１の変形例に係る発光装置の一例を模式的に示す平面図である。 図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ’線における模式的な断面図である。 本発明の実施の形態２に係る発光装置を模式的に示す平面図である。 図９のＸ−Ｘ’線における模式的な断面図である。 本発明の発光装置における波長変換部材の変形例を示した平面図である。 図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ’線における模式的な断面図である。 本発明の実施の形態３に係る発光装置を模式的に示す平面図である。 図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ’線における模式的な断面図である。 本発明の発光装置における波長変換部材の変形例を示した平面図である。 本発明の実施の形態３の変形例に係る発光装置を模式的に示す断面図である。 本発明の実施の形態３の変形例における波長変換部材の配置例を模式的に示す断面図である。 本発明の実施の形態４に係る発光装置を示す模式的に示す断面図である。 本発明の実施の形態５に係る発光装置を示す概略断面図である。 従来の発光装置を示す概略断面図である。

符号の説明

１００ 発光装置
１１０ 基台
１１１ 凹部
１１２ 底面
１１３ 内壁
１１４ 第１の凹部
１１７ 第２の凹部
１２０ 半導体レーザ素子
１３０ 拡散部材
１３２ 傾斜面
１４０ 波長変換部材
１５０ リフレクタ
１５５ 貫通孔
１５６ 入光部
１５７ 出光部
１６０ 光透過体
１７０ 台座
１８０ キャップ
１９０ 反射部材
２００ 発光デバイス
２１０ サブマウントヒートシンク
２２０ 半導体レーザ素子
２４０ 蛍光体組成物
２６０ 透明キャップ
２７０ 基部
２８０ ケーシング壁部
２９８ ドームレンズ

Claims (10)

1. 底面と内壁を持つ凹部を有する基台と、
   前記凹部内に設けられる半導体レーザ素子と、
   前記凹部内に設けられ、前記半導体レーザ素子の光を拡散する拡散部材と、
   前記半導体レーザ素子の光を吸収して異なる波長の光に変換する波長変換部材と、
   を具備し、
   前記半導体レーザ素子は、光軸が前記凹部の内壁に向くように配置され、
   前記拡散部材は、前記半導体レーザ素子の光軸上に配置され、
   前記波長変換部材は、前記凹部の開口方向に配置されることを特徴とする発光装置。
2. 前記波長変換部材には、前記拡散部材からの光及び／又は前記内壁からの反射光が照射されることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記波長変換部材は、前記凹部を覆うように前記凹部の外周面に固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光装置。
4. 前記凹部を覆うように固定され、前記凹部の開口方向に貫通孔を有するリフレクタを有し、
   前記貫通孔を塞ぐように前記波長変換部材が配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光装置。
5. 前記波長変換部材は、前記拡散部材の一部に接していることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光装置。
6. 前記凹部の開口方向に、第２の拡散部材を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発光装置。
7. 台座と、
   前記台座の上に固定される半導体レーザ素子と、
   前記台座の上に固定され、前記半導体レーザ素子の光を拡散する拡散部材と、
   前記半導体レーザ素子及び前記拡散部材を覆うように前記台座に固定され、一部に開口部を有するキャップと、
   前記半導体レーザ素子の光を吸収して異なる波長の光に変換する波長変換部材と、
   を具備し、
   前記半導体レーザ素子は、光軸が前記キャップの内面に向くように配置され、
   前記拡散部材は、前記半導体レーザ素子の光軸上に配置され、
   前記波長変換部材は、前記キャップの開口方向に配置され、前記拡散部材からの光と前記キャップの内面からの反射光とが前記波長変換部材に照射されることを特徴とする発光装置。
8. 前記拡散部材は、ガラス又は樹脂にフィラーが含有されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の発光装置。
9. 前記拡散部材は、前記半導体レーザ素子からの光を反射する材料により形成されており、前記半導体レーザ素子の光軸に対して傾斜あるいは湾曲した傾斜面を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の発光装置。
10. 前記傾斜面は、凹凸を有していることを特徴とする請求項９に記載の発光装置。

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