JP2009260053A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 波長変換効率が高く、波長変換部材が脱落し難い発光装置を提供すること
【解決手段】 半導体発光素子１０と、半導体発光素子１０が載置される台座２０と、半導体発光素子１０が覆われ、貫通孔を有するキャップ３０と、キャップ３０の貫通孔に取り付けられ、半導体発光素子１０からの光が透過される波長変換部材４０と、を有し、波長変換部材４０は、略球形状若しくは略楕円球形状であり、かつ、キャップ３０の上面と同一若しくは上面よりも下に配置されている発光装置に関する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体発光素子を備えた発光装置に関し、特に光源からの光を効率よく外部へ取り出すことのできる発光装置に関する。

従来の光半導体素子を用いた第１の発光装置として、半導体レーザをキャンシールするものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。図８は従来の発光装置を示す断面図である。図９は従来の発光装置を示す断面図である。半導体レーザ５１０はヘッダー５２０にボンディングされている。半導体レーザ５１０からの光を透過する集光用のレンズ５４０は内側のキャン５３０に取り付けられている。内側のキャン５３０はヘッダー５２０に取り付けられており、内側のキャン５３０は外側のキャン５３５で覆われている。外側のキャン５３５は集光用レンズ５４０から透過してきた光を更に透過するガラス窓５４５を備えている。レンズ５４０及びガラス窓５４５には蛍光体は含まれておらず、ガラス材料が使用されている。レンズ５４０に蛍光体が含有されていないため、半導体レーザ５１０から出射された光のほとんどは外部に放出される。内側のキャン５３０及び外側のキャン５３５ともに均一の厚みを有している。レンズ５４０は内側のキャン５３０から外側に突出している。半導体レーザ５１０から出射された光はレンズ５４０を透過し、さらにガラス窓５４５も透過する。

また、従来のキャン型レーザの第２の半導体発光装置として、光取り出し部に蛍光物質の層を配置したものが開示されている（例えば、特許文献２参照）。図１０は従来の発光装置を示す断面図である。半導体発光装置は、半導体発光素子６１０、ステム６２０とキャン６３０を備える。半導体発光素子６１０はステム６２０にマウントされており、キャン６３０で覆われている。キャン６３０は半導体発光素子６１０からの光を透過させる取り出し窓６４０が設けられており、その取り出し窓６４０には蛍光物質層６４５が配置されている。蛍光物質層６４５は、赤色の発光を生ずるものとしてＹ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ、青色の発光を生ずるものとして（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｅｕ）_１０（ＰＯ_４）_６・Ｃｌ_２、緑色の発光を生ずるものとして３（Ｂａ，Ｍｇ，Ｅｕ，Ｍｎ）Ｏ・８Ａｌ_２Ｏ_３などが使用される。このような蛍光物質を分散させた溶剤を光取り出し窓６４０上に塗布し、乾燥させることによって、蛍光物質層６４５は形成される。溶剤の種類として、樹脂系、ゴム系、有機材料系、無機材料系、澱粉質系、タンパク質系、タール系、金属半田系などが挙げられる。

特開昭６４−５３４３６号公報 特開平１１−８７７７８号公報（特に、段落［０２５２］〜［０２６８］、図９５）

従来の第１の発光装置にあっては、レンズ５４０が内側のキャン５３０から外部に突出されているため、レンズ５４０が外部からの衝撃により極めて脱落しやすい。そのため、レンズ５４０を覆う必要が生じ、外側のキャン５３５が必須となる。

また、従来の第２の半導体発光装置は取り出し窓６４０の外側に塗布により蛍光物質層６４５を配置するため、蛍光物質層６４５が剥離し易いという問題がある。また、蛍光物質層６４５が薄いため半導体発光素子６１０からの光が蛍光物質層６４５で十分に波長変換されないという問題も有している。

以上のことから、本発明は、波長変換効率が高く、波長変換部材が脱落し難い発光装置を提供することを目的とする。

上記の問題点を解決すべく、本発明者は鋭意検討を重ねた結果、本発明を完成するに到った。

本発明は、半導体発光素子と、前記半導体発光素子が載置される台座と、前記半導体発光素子が覆われ、貫通孔を有するキャップと、前記キャップの貫通孔に取り付けられ、前記半導体発光素子からの光が透過される波長変換部材と、を有する発光装置であって、前記波長変換部材は、略球形状若しくは略楕円球形状であり、かつ、前記キャップの上面と同一若しくは上面よりも下に配置されている発光装置に関する。波長変換部材は所定の厚みを有するため、波長変換効率を高めることができる。また、波長変換部材はキャップからの突出していない構成を採ることにより、二層構造のキャップとすることなく、波長変換部材の脱落を防止することができる。さらに、略球形状にすることにより、レンズ効果が生じ、シャープな配光特性を持たせることができる。また略楕円球形状にすることにより、主に短径の方にレンズ効果が生じ、シャープな配光特性を持たせることができる。

前記貫通孔が設けられている前記キャップの上部の厚みは、前記波長変換部材の略球形状の直径と同一若しくは直径よりも大きいこと、又は、前記波長変換部材の略楕円球形状の短径と同一若しくは短径よりも大きいことが好ましい。これにより、波長変換部材で発生する熱をキャップに伝達させやすくなり、放熱性を高めることができる。また、キャップの貫通孔の表面に照射された光が反射され、光取り出し効率の向上を図ることができる。

前記貫通孔は、外側に拡がるテーパー状であることが好ましい。これにより、キャップの貫通孔の表面に照射された光が外部方向へ効率よく反射され、光取り出し効率の向上を図ることができる。また、シャープな配光特性を持たせることができる。

前記テーパーは、４０度〜８０度の角度が設けられていることが好ましい。これにより光取り出し効率の向上を図るとともに、波長変換部材から放出された光がキャップ内部へ戻るのを抑制することができる。

前記貫通孔は、前記波長変換部材の略球形状の直径若しくは略楕円球形状の短径よりも小さい最小径を有していることが好ましい。これによりキャップと台座に囲まれた発光装置の内部へ波長変換部材が落とし込まれるのを防止することができる。

前記キャップは、貫通孔の内壁面に反射部材が施されていることが好ましい。これにより反射効率を向上させ、外部への光取り出し効率の向上を図ることができる。また波長変換部材を取り付ける際の緩衝層の役割を持たせることもできる。

前記キャップは、反射部材上に保護膜が形成されていてもよい。これにより反射部材の劣化を抑制することができる。

前記波長変換部材は、蛍光体が分散された無機部材を用いてもよい。これにより波長変換部材の劣化を抑制することができる。

前記波長変換部材は、低融点ガラスで固定されていてもよい。これにより波長変換部材を簡易に固定することができる。

前記波長変換部材は、光拡散部材が含有されていることが好ましい。これにより光の拡散を促進し、色むらを低減することができる。

前記波長変換部材は、５０μｍ〜３０００μｍの直径若しくは短径を有していることが好ましい。これにより小型の発光装置を製造することができる。

前記半導体発光素子は、半導体レーザであることが好ましい。これにより発光装置からの光出力を向上させることができる。また、半導体レーザからの光は指向性が強いため、半導体レーザからの光が強く照射される部分に略球形状の中心若しくは略楕円球形状の短径方向の中心を通るように波長変換部材を配置することにより半導体レーザからの光を効率よく波長変換することができる。

本発明は、上記の構成を採ることにより、波長変換効率を高めることができる。また、波長変換部材の脱落を防止した発光装置を提供することができる。さらに、シャープな配光特性を有する発光装置を提供することができる。

以下、本発明に係る発光装置及びその製造方法を、実施の形態及び実施例を用いて説明する。だたし、本発明は、この実施の形態及び実施例に限定されない。

＜第１の実施の形態＞
＜発光装置＞
第１の実施の形態に係る発光装置について説明する。図１は、第１の実施の形態に係る発光装置を示す概略斜視図である。図２は、第１の実施の形態に係る発光装置を示す概略断面図である。図３は、第１の実施の形態に係る発光装置の一部を拡大した概略断面図である。

第１の実施の形態に係る発光装置は、半導体発光素子１０と、半導体発光素子１０を載置する台座２０と、半導体発光素子１０を覆い、貫通孔を有するキャップ３０と、キャップ３０の貫通孔に取り付けられ、半導体発光素子１０からの光を透過する波長変換部材４０と、を有する。半導体発光素子１０は発光ダイオードや半導体レーザなど種々のものを利用することができる。台座２０は、半導体発光素子１０を載置する台座柱体２１と、台座柱体２１と連接する台座底部２２と、外部電極と電気的に接続するためのリード２３と、を有する。半導体発光素子１０を覆うキャップ３０は、台座底部２２と連接する。キャップ３０と台座底部２２とで半導体発光素子１０を封止しており、キャップ３０と台座底部２２とで囲まれた部分は中空である。ただし、キャップ３０と台座底部２２とで囲まれた部分に水などの液体や樹脂を充填することもできる。半導体発光素子１０とリード２３とはワイヤ（図示せず）などを用いて電気的に接続している。この電気的接続は、台座柱体２１や台座底部２２などを介して半導体発光素子１０とリード２３とを間接的に接続してもよく、半導体発光素子１０とリード２３とを直接接続してもよい。キャップ３０は台座底部２２側が開口するカップ状を成しているが、台座底部から延びる台座側壁部を設けカップ状を形成し、平板状のキャップにより半導体発光素子を囲うように形成してもよい。キャップ３０は、貫通孔を有するキャップの上部３１と、キャップの上部３１から繋がるキャップの側部３２とを有する。キャップの上部３１の貫通孔には波長変換部材４０を取り付けている。波長変換部材４０は半導体発光素子１０からの光を透過するものであり、例えば、蛍光体４１と光透過体４２とを有する。波長変換部材４０は、キャップの上部３１における上面とほぼ同一であり、外部に突出していない。ここでキャップの上面とは、貫通孔が設けられており、半導体発光素子からの光が放出される、外部と接触する面を指す。波長変換部材４０は略球形状である。略球形状には、真球状のみならず長径が短径の１．２倍以内の略楕円球形状及びこれらの一部に平面や微細な凹凸等を有している形状も含む。略球形状の直径とは、楕円球形状（但し、長径が短径の１．２倍以内）のように長径と短径とがある場合はその平均値を指す。略球形状に代えて、長径が短径の１．２倍よりも大きい略楕円球形状も使用することができる。略楕円球形状は、一部に平面や微細な凹凸、膨らみを有しているものや、直径が異なる楕円球の集合体などの形状も含む。キャップの上部３１の貫通孔はテーパーを有しており、反射部材３３を設けている。反射部材３３には更に保護膜（図示しない）を形成してもよい。

キャップの上部の厚み３１ａは貫通孔が設けられている近傍の厚みを指す。波長変換部材の脱落防止に寄与するからである。テーパーの角度３１ｂとは断面形状におけるキャップの上部３１の下面（上面と反対の面）からの角度を指す。貫通孔の最小径３１ｃは、貫通孔を通るようにキャップ３０と台座２０とを切断する断面における口径を指す。

以下、各構成部材について詳述する。

＜半導体発光素子＞
半導体発光素子として、半導体レーザであることが好ましい。半導体レーザは、光の指向性が高いため、光を一方向へ導波しやすく、半導体レーザから出射した光は、発光装置から効率よく外部へ取り出すことが可能となる。ただし、半導体発光素子としては発光ダイオード（ＬＥＤ）、半導体レーザ（ＬＤ）など光を発するものであれば種々のものが利用できる。第１の実施の形態では、半導体レーザを使用したものとして説明するが、これに限定されない。半導体レーザとしては、ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に活性層を形成し、この活性層が多重量子井戸構造、又は単一量子井戸構造をなすものを利用することができるが、特にこれに限定されない。また、半導体レーザは、４０５ｎｍや４４５ｎｍなどに発光ピークを持つものを使用することができるが、これに限定されない。

また、半導体レーザは第ＩＩＩ族窒化物半導体より形成されていることが好ましい。第ＩＩＩ族窒化物半導体から成る半導体レーザの具体例としてはＧａＮ、サファイア、ＳｉＣ等の基板上に下地層としてノンドープＡｌ_ｘＧａ_1-ｘＮ（０≦ｘ≦１）から成る窒化物半導体を成長させ、その上にＳｉドープＡｌ_ｘＧａ_1-ｘＮ（０＜ｘ＜１）から成るｎ型コンタクト層、ＳｉドープＩｎ_ｘＧａ_1-ｘＮ（０≦ｘ≦１）から成るクラック防止層（省略可能）、ノンドープＡｌ_ｘＧａ_1-ｘＮ（０≦ｘ≦１）とＳｉドープＧａＮとから成る超格子構造であるｎ型クラッド層、ＧａＮから成るｎ型ガイド層、井戸層ノンドープＩｎ_ｘＧａ_1-ｘＮ（０＜ｘ＜１）と障壁層Ｓｉドープ又はノンドープのＩｎ_ｘＧａ_1-ｘＮ（０＜ｘ＜１）とを有する多重量子井戸構造である活性層、ＭｇドープＡｌ_ｘＧａ_1-ｘＮ（０＜ｘ＜１）から成るキャップ層、ノンドープＧａＮから成るｐ型ガイド層、ノンドープＡｌ_ｘＧａ_1-ｘＮ（０≦ｘ≦１）とＭｇドープＧａＮとから成る超格子構造であるｐ型クラッド層、ＭｇドープＧａＮから成るｐ型コンタクト層を積層したものが挙げられる。さらに、この半導体レーザには光導波路端面の反射面にＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ等から成り２層以上の光反射膜を有することで９５％以上の反射率とする。

また、半導体レーザは放熱部材を介して台座２０に載置することが好ましい。半導体レーザの実装方法としては、フェイスダウン実装、フェイスアップ実装のいずれの構造であってもよい。フェイスダウン実装とは半導体レーザの半導体側を台座柱体に実装したものである。フェイスアップ実装とは半導体レーザの基板側を台座柱体に実装したものである。半導体レーザの個数は特に限定されず、１又は２つ以上使用することができる。複数の半導体レーザが配置される場合は、それらの波長は同じ波長帯でもよいし異なる波長帯でも良い。特にＲＧＢに対応する半導体レーザはそれぞれ異なる台座柱体上に配置してもよいし、一つの台座柱体上に配置してもよい。一つの台座柱体上に配置する場合、各半導体レーザはそれぞれ分離した状態で配置してもよく、台座柱体上に配置した１つの半導体レーザの上にさらに半導体レーザを配置するような形態でもよい。また、台座柱体上に配置した１つの半導体レーザの上に、他の半導体レーザを１つの素子として形成するような２波長集積型レーザを配置しても良いし、それらの逆でも良い。このような半導体レーザの場合にも効果的に放熱することができる。

台座柱体及び台座底部は、半導体レーザで発生した熱を外部に伝達する役割を果たすものであり、半導体レーザの基板よりも熱伝導率が高いものであることが好ましい。また、半導体レーザと熱膨張係数が近いもの、熱応力を緩和させることができるもの、その表面が有機材料で構成されておらず無機材料で構成されているもの、所定の方向に熱を逃がすことができる材料(例えば、Ｃｕ、Ｆｅ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、Ｃｕ−ダイヤモンド)のいずれかまたは全てを備えるが好ましい。これらの材料は自己形状保持力を有しているものが容易に組み立てることができるため好ましい。具体的には、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｃｕ、Ｆｅ、ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｃｕ、Ｃｕ−Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏ、Ｃｕ−ダイヤモンド、ダイヤモンド、Ｓｉ等が挙げられる。

この他、半導体発光素子に発光ダイオードを使用する場合、端面発光型のものが好適である。端面発光型ダイオードとは、発光ダイオードを構造面から分類した場合の一種で、半導体レーザと同じように活性層端面かららの光を取り出すものをいう。これは、活性層の屈折率を高くして光導波作用を起こさせることで、端面から光を出射させることを可能にしている。このように出力面積を絞ることで、半導体発光素子からの出力光を貫通孔内へ導波させやすくすることができる。ひいては、発光装置からの光取り出し効率を高めることができる。

＜台座＞
台座として、主に、半導体発光素子を載置する台座柱体と、台座柱体と連接する台座底部と、外部電極と電気的に接続するためのリードと、を有する。台座の形状はキャンタイプのものを例示しているがこれに限定されるものでなく、他の形態を採ることもできる。台座底部として、半導体発光素子が載置されている側から見て、正方形、長方形、円盤、半円、多角形等などの形状を採ることもできる。台座柱体も、一部を平面にした円柱形状、半円柱形状、直方体、立方体、およびこれらを組み合わせた形状などを採ることもできる。台座柱体と台座底部とは同一又は異なる部材でもよい。台座柱体及び台座底部に用いる部材として、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｌ、Ｗ、及びこれらの合金、真鍮、コバール、ステンレスなどの金属、又は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ダイヤモンドなどのセラミックスも用いることができる。台座柱体と台座底部は半導体発光素子から発生した熱を外部に放出する役割を持たせることが好ましい。また、台座底部にキャップを固定するため、キャップの材質との密着性も考慮して部材を決定することが好ましい。

台座底部にリードを設けるため、台座底部とリードとは絶縁部材を介して固定される。絶縁性の台座底部を用いる場合は絶縁部材を用いることなく固定することができる。絶縁部材としては、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＳｉＣ等のセラミックや、シリコーン、エポキシ、ＰＥＥＫ等の樹脂、または、低融点ガラス等を用いることができる。

＜キャップ＞
キャップは、半導体発光素子を封止するために用いられる。この封止は気密封止であることが好ましいが、所定量以上の水分や気体などが侵入しない程度の封止でもよい。キャップは上部と側部を持ち、台座底部方向に開口されているカップ形状を成す。キャップは台座底部に取り付けられる。

キャップの上部には貫通孔が設けられている。貫通孔は半導体発光素子から出射された光が通過する穴である。貫通孔は外側に拡がるテーパー状に形成されていることが好ましいが、筒状でもよい。貫通孔をテーパー状に形成することにより波長変換部材からの光を効率よく外部に放出することができるからである。そのテーパーの角度は４０度から８０度の角度であることが好ましい。貫通孔は、波長変換部材の略球形状の直径よりも小さい最小径を有していることが好ましい。これによりキャップと台座とで囲まれた内部に波長変換部材が落とし込まれるのを防止することができる。貫通孔の最小径はキャップの上部の下面に位置することが好ましいが、貫通孔内での波長変換部材の位置決めのためにキャップの上部の下面側以外の位置に最小径を設けてもよい。キャップの上方から見た貫通孔の形状としては、円形が好ましいが、楕円形、長方形、正方形、菱形、多角形等、これらに限定されない。貫通孔の大きさは半導体発光素子からの光量の９０％以上が透過する大きさ以上であればよい。特に半導体発光素子の出射光に合わせたものが好ましく、半導体発光素子として半導体レーザを用いることにより貫通孔を小さくすることができる。特に半導体レーザとキャップとの距離を近づけることにより、より貫通孔の径を小さくすることができる。

キャップのテーパーの中心軸は、半導体レーザからの光出射軸とほぼ同一であることが好ましい。キャップのテーパーの中心軸とは、テーパーに沿った延長線上の交点を通り、キャップの上面に対し垂直方向に延びる直線を指す。このテーパーの中心軸上に球状の波長変換部材の中心、若しくは、楕円球形状の短径の波長変換部材の中心を通るように配置することが好ましい。

貫通孔を設けているキャップの上部の厚みは、波長変換部材の略球形状の直径とほぼ同一である。波長変換部材の脱落を防止できると共に、薄板のものよりも波長変換できる光量を多くすることにより波長変換効率を向上することができる。貫通孔はキャップの上部のほぼ中央に設けることがバランス状好ましいが、これに限定されず中央から外れた位置でもよい。

キャップの材質としては、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びこれらの合金、コバール、真鍮等が挙げられる。キャップは抵抗溶接や半田付け等で台座に固定される。特に、熱伝導率が高く、且つ、プロジェクションを用いた抵抗溶接が可能であるＮｉや、Ｆｅ−Ｎｉ合金、コバール等が好ましい。

キャップは、光反射率を高めるため、キャップの材質よりも反射率の高い反射部材を施すこともできる。特に、キャップの貫通孔の内壁面に反射部材を施すこともできる。また、キャップの酸化劣化を防止するため、Ｎｉ、Ａｇ等のメッキを施しても良い。

反射部材としては、半導体発光素子から出射された光、波長変換部材から放出された光、もしくは、光拡散部材により拡散された光、を反射させる効果を持つ。キャップに反射部材を設けることで、光取り出し効率の高い発光装置を提供することができる。反射部材は、台座全面、キャップ全面に設けることもできるが、特に波長変換部材が取り付けられるキャップの貫通孔の内壁面に設けることが好ましい。

反射部材は、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｉｎ、Ｐｄ等の金属、Ｉｎ−Ａｇ、Ａｕ−Ａｇ、Ａｇ−Ｂｉ、Ａｇ−Ｎｄ−Ｃｕ、Ａｇ−Ａｕ−Ｃｕ等の合金、ＡｌＮ、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔｉ_３Ｏ_５、ＭｇＦ_２等の多層膜などを少なくとも1以上含むものが好ましい。

反射部材には更に保護膜（図示しない）を設けることもできる。保護膜は反射部材の劣化を抑制することができる。保護膜を設けることにより反射部材の酸化や硫化などの化学反応や汚染を防ぐことができる。保護膜としては、光透過率の高いものが好ましい。これは、反射部材で反射された光を効率良く外部へ取り出すことができるためである。具体的には、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＩＴＯ、ＭｇＦ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＡｌＮなどのガラスや、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＧａＮなどのセラミックス、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂などの樹脂を用いることができる。

＜波長変換部材＞
波長変換部材は、半導体発光素子から出射された光を波長変換して異なる波長の光を放出する機能を有する。発光装置からは、半導体発光素子からの光と、波長変換部材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。波長変換部材の材料や配合量を調整することにより、所望の発光色を得ることができる。また、複数種類の波長変換部材を用いてもよい。

青色を発光する半導体発光素子と、青色の光を波長変換し黄色を発光する波長変換部材とを用いることにより、白色を発光する発光装置を提供することができる。これは波長変換された黄色の光と、波長変換されない青色の光とが混合し、白色光として放出される。また、青色を発光する半導体発光素子と、青色の光を波長変換し緑色を発光する波長変換部材と、青色若しくは緑色の光を波長変換し赤色を発光する波長変換部材と、を用いることにより、白色を発光する発光装置を提供することができる。

波長変換部材は、蛍光体、蛍光顔料、蛍光染料などをガラスやセラミックス、樹脂などの光透過体と混合したものをいう。また結着剤となるガラスや樹脂を用いずに蛍光体のみを焼結したものも使用することができる。耐熱性に富むことから蛍光体が分散された無機部材、例えば蛍光体ガラスや蛍光体含有セラミックスが好ましい。

代表的な波長変換部材としては、銅で付括された硫化カドミ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_３（Ａｌ_１−ｙＧａ_ｙ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ（０≦ｙ≦１、但し、Ｒｅは、Ｙ、Ｇｄ、Ｌａ、Ｌｕ、Ｔｂ、Ｓｍ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。）で表されるＹＡＧ系蛍光体及びＬＡＧ系蛍光体、又は、サイアロン蛍光体が好ましい。また、ＭＳｉＡｌＮ_３：Ｅｕ、ＭＳｉ（Ｂ，Ａｌ）Ｎ_３：Ｅｕ（Ｍ＝Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａの少なくとも１種）で表される窒化物系蛍光体が好ましい。

波長変換部材は略球形状若しくは略楕円球形状である。略球形状には、真球状のみならず長径が短径の１．２倍以内の略楕円球形状及びこれらの一部に平面や微細な凹凸等を有している形状も含む。略球形状の直径とは、楕円球形状（但し、長径が短径の１．２倍以内）のように長径と短径とがある場合はその平均値を指す。略球形状に代えて、長径が短径の１．２倍よりも大きい略楕円球形状も使用することができる。略楕円球形状は、一部に平面や微細な凹凸、膨らみを有しているものや、直径が異なる楕円球の集合体などの形状も含む。略球形状若しくは略楕円球形状の波長変換部材を用いることによりレンズ効果が生じ発光装置から出射される光を集光することができる。これによりシャープな配光特性を持つ発光装置を提供することができる。波長変換部材の大きさはキャップの貫通孔の径と関連しており、キャップの上面から突出しない大きさである。特に、波長変換部材の略球形状の直径はキャップの上部の厚みとほぼ同じであることが、光取り出し効率の観点から好ましい。また、波長変換部材の略楕円球形状の短径はキャップの上部の厚みとほぼ同じであることが、光取り出し効率の観点から好ましい。キャップの貫通光の径に応じて適宜変更可能であるが、５０μｍ〜３０００μｍの直径若しくは短径を有することが好ましい。波長変換部材の直径若しくは短径を大きくすることにより波長変換される光量を大きくすることができる。また波長変換部材の直径若しくは短径を小さくすることにより発光装置の小型化を図ることができる。

波長変換部材は、キャップの貫通孔に低融点ガラスで固定したり、圧入したりすることもできる。

＜光拡散部材＞
波長変換部材には、光拡散部材を含有してもよい。光拡散部材は、半導体発光素子から出射された光や、波長変換部材にから出射された光を拡散させる機能を持つ。これにより、色ムラを低減し色分布の良好な光源を得ることができる。例えば、光拡散部材として、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素、二酸化珪素、重質炭酸カルシウム、軽質炭酸カルシウム、銀などを用いることができる。

＜発光装置の作用＞
波長変換部材には無機物質である蛍光体をガラスなどの光透光体に分散混合しているものを用いる。半導体レーザから出射された光が波長変換部材に照射され、波長変換部材に含有されている蛍光体に照射される。蛍光体に照射された光は異なる波長に発光するか若しくは反射される。蛍光体からの光の一部はそのまま外部に放出され、また、一部はキャップの貫通孔の内壁面に照射される。キャップの貫通孔にはテーパーが設けられているため、蛍光体からの光の一部はそのテーパーにより外部に放出される。また、キャップの貫通孔の内壁面が外側に拡がるテーパーになっていること、波長変換部材が略球形状であることから波長変換部材の界面で全反射が生じやすい。これにより波長変換部材中を通過する光の移動距離が短くなり、波長変換部材に蓄積される熱量を大幅に低減することができる。また、波長変換部材は略球形状となっていることからレンズ効果が生じ、波長変換部材からの光は集光される。また、キャップの貫通孔がテーパーとなっていることからも貫通孔に照射された光は集光される。よって、シャープな配光特性を持つ発光装置を提供することができる。

＜第２の実施の形態＞
第２の実施の形態に係る発光装置について説明する。図４は、第２の実施の形態に係る発光装置を示す概略斜視図である。図５は、第２の実施の形態に係る発光装置を示す概略断面図である。第１の実施の形態と重複するところもあり、一部説明を省略することもある。

第２の実施の形態に係る発光装置は、半導体発光素子１１０と、半導体発光素子１１０を載置する台座１２０と、半導体発光素子１１０を覆い、貫通孔を有するキャップ１３０と、キャップ１３０の貫通孔に取り付けられ、半導体発光素子１１０からの光を透過する波長変換部材１４０と、を有する。半導体発光素子１１０は２個以上の複数個用いるが１個でもよい。台座１２０は、半導体発光素子１１０を載置する台座柱体１２１と、台座柱体１２１と連接する台座底部１２２と、外部電極と電気的に接続するためのリード１２３と、を有する。複数個の半導体発光素子１１０はキャップ１４０の上部に対して略平行になるよう台座柱体１２１に並列配置する。台座柱体１２１の半導体発光素子１１０を載置している面と、略楕円球形状の長径方向とは、略平行とする。これによって略楕円球形状の長径方向に半導体発光素子１１０が複数個並べることができる。半導体発光素子１１０を覆うキャップ１３０は、台座底部１２２と連接する。キャップ１３０と台座底部１２２とで半導体発光素子１１０を封止している。キャップ１３０の上部の貫通孔は略楕円形状である。キャップ１３０の上部の貫通孔は上面と下面とが大きさの異なる略楕円形状を成しており、貫通孔は外側に拡がるテーパーを形成している。キャップ１３０の上部の貫通孔には波長変換部材１４０を取り付けている。波長変換部材１４０は半導体発光素子１１０からの光を透過するものであり、例えば、蛍光体１４１と光透過体１４２とを有する。波長変換部材１４０は、キャップの上部における上面よりも低く、外部に突出していない。波長変換部材１４０は略楕円球形状である。キャップ１３０の上部の厚みは波長変換部材の略楕円球形状の短径よりも大きい。

波長変換部材をキャップの上面よりも低くすることができるため、より波長変換部材の脱落を防止することができる。また、キャップの貫通孔の内壁面の面積が広くなるため、より集光し易く、シャープな配光特性を持つ発光装置を提供することができる。さらに、複数個の半導体発光素子を使用するため、高出力の発光装置を提供することができる。

＜第３の実施の形態＞
第３の実施の形態に係る発光装置について説明する。図６は、第３の実施の形態に係る発光装置を示す概略断面図である。第１の実施の形態と重複するところもあり、一部説明を省略することもある。

第３の実施の形態に係る発光装置は、半導体発光素子２１０と、半導体発光素子２１０を載置する台座２２０と、半導体発光素子２１０を覆い、貫通孔を有するキャップ２３０と、キャップ２３０の貫通孔に取り付けられ、半導体発光素子２１０からの光を透過する波長変換部材２４０と、を有する。台座２２０は、半導体発光素子２１０を載置する台座柱体２２１と、台座柱体２２１と連接する台座底部２２２と、外部電極と電気的に接続するためのリード２２３と、を有する。半導体発光素子２１０を覆うキャップ２３０は、台座底部２２２と連接する。台座柱体２２１は放熱性を高めるため、広面積にすることが好ましい。キャップ２３０と台座底部２２２とで半導体発光素子２１０を封止している。キャップ２３０の貫通孔の内壁面及び上面に反射部材２３３を設けている。反射部材２３３を覆うように保護膜を設けることもできる。キャップ２３０の上部の貫通孔には波長変換部材２４０を取り付けている。波長変換部材２４０は半導体発光素子２１０からの光を透過するものであり、例えば、蛍光体２４１と光透過体２４２とを有する。波長変換部材２４０は、キャップの上部における上面よりも低く、外部に突出していない。また、波長変換部材２４０は、キャップ２３０の上部における下面よりも上方に位置している。これによりキャップ２３０の貫通孔の最小径をより小さくすることができ、キャップ２３０及び台座２２０で囲まれた内部への戻り光を低減することができる。波長変換部材２４０は略球形状である。キャップ２３０の上部の厚みは波長変換部材の直径よりも大きい。波長変換部材２４０の固定は低融点ガラス（図示しない）で固定することもできる。

波長変換部材をキャップの上面よりも低くすることができるため、より波長変換部材の脱落を防止することができる。また、キャップの貫通孔の内壁面の面積が広くなるため、より集光し易く、シャープな配光特性を持つ発光装置を提供することができる。

＜第４の実施の形態＞
第４の実施の形態に係る発光装置について説明する。図７は、第４の実施の形態に係る発光装置を示す概略断面図である。第１の実施の形態と重複するところもあり、一部説明を省略することもある。

第４の実施の形態に係る発光装置は、半導体発光素子３１０と、半導体発光素子３１０を載置する台座３２０と、半導体発光素子３１０を覆い、貫通孔を有するキャップ３３０と、キャップ３３０の貫通孔に取り付けられ、半導体発光素子３１０からの光を透過する波長変換部材３４０と、を有する。台座３２０は、外部電極と電気的に接続できるように回路パターンが配線されており、半導体発光素子３１０と台座３２０とはワイヤや半田などで電気的に接続される。半導体発光素子３１０は半導体レーザを使うこともできる。半導体発光素子３１０を覆うキャップ３３０は、台座３２０に固定する。キャップ３３０と台座３２０とで半導体発光素子３１０を封止している。キャップ３３０の貫通孔の内壁面及び上面に反射部材を設けたり、反射部材を覆うように保護膜を設けたりすることもできる。ここでキャップの上面とは、上述したように、貫通孔が設けられており、半導体発光素子からの光が放出される、外部と接触する面を指す。ここでは台座３２０から垂直に延びる面が上面となる。またキャップ３３０の上部とは貫通孔を設けている面側を指す。キャップ３３０の貫通孔には波長変換部材３４０を取り付けている。波長変換部材３４０は半導体発光素子３１０からの光を透過したり波長変換したりする。波長変換部材３４０は略球形状である。波長変換部材３４０は、キャップ３４０の上部における上面よりも低く、外部に突出していない。また、波長変換部材３４０は、キャップ３３０の上部における下面よりも上方に位置している。これによりキャップ３３０の貫通孔の最小径をより小さくすることができ、キャップ３３０及び台座３２０で囲まれた内部への戻り光を低減することができる。キャップ３３０の上部の厚みは波長変換部材の直径よりも大きい。

この発光装置はサイドビュータイプであるため、台座に対して略平行方向に光を放出することができる。波長変換部材をキャップの上面よりも低くすることができるため、より波長変換部材の脱落を防止することができる。また、キャップの貫通孔の内壁面の面積が広くなるため、より集光し易く、シャープな配光特性を持つ発光装置を提供することができる。

＜実施例１＞
実施例１に係る発光装置について説明する。図１は、第１の実施の形態に係る発光装置を示す概略斜視図である。図２は、第１の実施の形態に係る発光装置を示す概略断面図である。図３は、第１の実施の形態に係る発光装置の一部を拡大した概略断面図である。

実施例１に係る発光装置は、半導体発光素子１０と、半導体発光素子１０を載置する台座２０と、半導体発光素子１０を覆い、貫通孔を有するキャップ３０と、キャップ３０の貫通孔に取り付けられ、半導体発光素子１０からの光を透過する波長変換部材４０と、を有する発光装置である。

半導体発光素子１０に発光ピーク波長が４４５ｎｍのＧａＮ系の半導体レーザを用いる。

台座２０は台座柱体２１と台座底部２２とリード２３とを有しており、３本のリード２３は台座底部２２に対して垂直に配置する。リード２３は低融点ガラスにより台座底部２２に固定され、外部電極と電気的に接続可能である。台座柱体２１はＣｕを主成分とし、台座底部２２はＦｅを主成分とするものを使用する。半導体発光素子１０は台座柱体２１に載置しており、半導体発光素子１０とリード２３とはワイヤを介して電気的に接続している。

キャップ３０は台座底部２２に固定する。キャップ３０はカップ形状を成しており、キャップの上部３１とキャップの側部３２とを有する。キャップの上部３１の厚みはキャップの側部３２の厚みよりも大きい。キャップ３０の貫通孔にテーパーを形成しており、テーパーの角度３１ｂは６０度である。キャップ３０はコバールを使用する。キャップ３０の貫通孔の内壁面には反射部材３３を設けている。反射部材３３はＴｉ、Ａｇ、Ａｌの順に積層しており、反射部材３３にはＳｉＯ_２の保護膜（図示しない）を形成している。キャップの上部３１に貫通孔を設け、貫通孔内に波長変換部材４０を配置している。波長変換部材４０は低融点ガラスを用いて固定しているが、低融点ガラスを用いなくてもよい。

波長変換部材４０は略球形状であり、光透過体４２中に蛍光体４１及び光拡散部材を均一に分散している。波長変換部材４０の略球形状の直径はキャップの上部の厚み３１ａとほぼ同一であり、波長変換部材４０はキャップの上部３１の上面から突出しないように配置している。キャップ３０の貫通孔の最小径３１ｃは波長変換部材４０の略球形状の直径よりも小さく、一方、キャップ３０の貫通孔の最大径は波長変換部材４０の略球形状の直径よりも大きい。蛍光体４１は（Ｙ，Ｇｄ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ、Ｌｕ_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅを用い、光透過体４２は無機ガラスを用い、光拡散部材はＳｉＯ_２を用いる。

半導体発光素子１０から出射された光はキャップ３０の貫通孔に設けられた波長変換部材４０に照射される。半導体発光素子１０からの光の一部は蛍光体４１の波長変換に使用される。また、半導体発光素子１０からの光の一部は蛍光体４１により反射される。さらに半導体発光素子１０からの光の一部は熱に変換される。このように、蛍光体４１や光拡散部材等により反射を繰り返して外部に放出される半導体発光素子１０からの光の一部と、蛍光体４１により半導体発光素子１０と異なる波長の光に変換された光と、が混合して混色光が放出される。波長変換部材４０は球形状を成していることからレンズ効果を有する。そのため波長変換部材４０から放出された光の一部は集光した配光特性を有する。また、波長変換部材４０から放出された光はキャップ３０の貫通孔の内壁面に照射され外部に放出される。そのためキャップ３０の貫通孔の内壁面に照射された光の一部は集光した配光特性を有する。特にキャップ３０の貫通孔にテーパーを設けることによって、より集光した配光特性を有する。従って、発光装置はシャープな配光特性を有する白色光を放出する。

本発明の発光装置は、内視鏡用光源、車載用ヘッドライド、検査機光源、センサー光源、ディスプレイバックライト等に用いられる光源に利用することができる。

第１の実施の形態に係る発光装置を示す概略斜視図である。 第１の実施の形態に係る発光装置を示す概略断面図である。 第１の実施の形態に係る発光装置の一部を拡大した概略断面図である。 第２の実施の形態に係る発光装置を示す概略斜視図である。 第２の実施の形態に係る発光装置を示す概略断面図である。 第３の実施の形態に係る発光装置を示す概略断面図である。 第４の実施の形態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断面図である。 従来の発光装置を示す断面図である。 従来の発光装置を示す断面図である。

符号の説明

１０、１１０、２１０、３１０ 半導体発光素子
２０、１２０、２２０、３２０ 台座
２１、１２１、２２１ 台座柱体
２２、１２２、２２２ 台座底部
２３、１２３、２２３ リード
３０、１３０、２３０、３３０ キャップ
３１ キャップの上部
３１ａ キャップの上部の厚み
３１ｂ テーパーの角度
３１ｃ 貫通孔の最小径
３２ キャップの側部
３３、２３３ 反射部材
４０、１４０、２４０、３４０ 波長変換部材
４１、１４１、２４１ 蛍光体
４２、１４２、２４２ 光透過体
５１０ 半導体レーザ
５２０ ヘッダー
５３０ 内側のキャン
５３５ 外側のキャン
５４０ レンズ
５４５ ガラス窓
６１０ 半導体発光素子
６２０ ステム
６３０ キャン
６４０ 取り出し窓
６４５ 蛍光物質層

Claims (12)

1. 半導体発光素子と、
   前記半導体発光素子が載置される台座と、
   前記半導体発光素子が覆われ、貫通孔を有するキャップと、
   前記キャップの貫通孔に取り付けられ、前記半導体発光素子からの光が透過される波長変換部材と、を有する発光装置であって、
   前記波長変換部材は、略球形状若しくは略楕円球形状であり、かつ、前記キャップの上面と同一若しくは上面よりも下に配置されていることを特徴とする発光装置。
2. 前記貫通孔が設けられている前記キャップの上部の厚みは、前記波長変換部材の略球形状の直径と同一若しくは直径よりも大きいこと、又は、前記波長変換部材の略楕円球形状の短径と同一若しくは短径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記貫通孔は、外側に拡がるテーパー状であることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の発光装置。
4. 前記テーパーは、４０度〜８０度の角度が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の発光装置。
5. 前記貫通孔は、前記波長変換部材の略球形状の直径又は略楕円球形状の短径よりも小さい最小径を有していることを特徴とする請求項１乃至請求項４の少なくともいずれか一項に記載の発光装置。
6. 前記キャップは、貫通孔の内壁面に反射部材が施されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５の少なくともいずれか一項に記載の発光装置。
7. 前記キャップは、反射部材上に保護膜が形成されていることを特徴とする請求項６に記載の発光装置。
8. 前記波長変換部材は、蛍光体が分散された無機部材が用いられていることを特徴とする請求項１乃至請求項７の少なくともいずれか一項に記載の発光装置。
9. 前記波長変換部材は、低融点ガラスで固定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項８の少なくともいずれか一項に記載の発光装置。
10. 前記波長変換部材は、光拡散部材が含有されていることを特徴とする請求項１乃至請求９の少なくともいずれか一項に記載の発光装置。
11. 前記波長変換部材は、５０μｍ〜３０００μｍの直径若しくは短径を有していることを特徴とする請求項１乃至請求項１０の少なくともいずれか一項に記載の発光装置。
12. 前記半導体発光素子は、半導体レーザであることを特徴とする請求項１乃至請求項１１の少なくともいずれか一項に記載の発光装置。

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