JP2012009712A - 発光装置および照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】長期間に亘り、輝度・光束を一定に維持する。
【解決手段】発光装置１０は、レーザ光を出射する半導体レーザ３と、半導体レーザ３から出射された励起光を受けて発光する発光部７と、を備え、半導体レーザ３および発光部７が、気密された気密空間Ａ１内に備えられるともに、この気密空間Ａ１には、所定の水分濃度以下の乾燥空気が充填されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、高輝度光源として機能する発光装置および照明装置に関するものである。

近年、励起光源として発光ダイオード（ＬＥＤ；Light Emitting Diode）や半導体レーザ（ＬＤ；Laser Diode）等の半導体発光素子を用い、これらの励起光源から生じた励起光を、蛍光体を含む発光部に照射することによって発生する蛍光を照明光として用いる発光装置の研究が盛んになってきている。

このような発光装置に関する技術の例として特許文献１および２に開示された灯具がある。この灯具では、高輝度光源を実現するために、励起光源として半導体レーザを用いている。半導体レーザから発振されるレーザ光は、コヒーレントな光であるため、指向性が強く、当該レーザ光を励起光として無駄なく集光し、利用することができる。このような半導体レーザを励起光源として用いた発光装置（ＬＤ発光装置と称する）を車両用ヘッドランプに好適に適用することができる。

また、特許文献２の灯具は、半導体素子を支持する支持体に接合されることにより当該半導体素子を囲む封止用キャップと、発光部を支持し、当該支持体に接合されることにより当該封止キャップを囲む外側キャップと、を備えている。言い換えれば、この灯具は、半導体素子を封止する封止用キャップの外側にもう一つのキャップ（外側キャップ）を備え、当該外側キャップには波長変換部材（蛍光体）である発光部を固定している。また、封止用キャップと支持体とで囲まれた空間（第１空間）には、不活性ガス、大気、乾燥空気などが注入されている。

これにより、上記第１空間の気密性を高めることができ、半導体素子の劣化を防ぐことができる。また、封止用キャップと外側キャップとが離間して設けられているので、半導体素子および発光部で発生した熱が、それぞれ封止用キャップおよび外側キャップを介して、個別に装置外部に逃がすことができる。これにより、発光装置は、放熱効果を向上させている。

特開２００５−１５００４１号公報（２００５年６月９日公開） 特開２００８−３０５９３６号公報（２００８年１２月１８日公開）

ところが、特許文献１の灯具は、励起光源や発光部などを光学系（発光部から出射される光を反射する反射鏡や、反射鏡からの光を透過するレンズなど）で囲む構成であるが、この光学系内部に、所定の水分濃度以下の気体（例えば乾燥空気）を充填した構成とはなっていない。

ここで、本発明者らは、励起光源や発光部などが大気下にある場合に、励起光源から励起光（例えば４７０ｎｍ以下（青色光、青紫光、紫外光など）の励起光）が発光部に向けて出射されると、励起光が出射される励起光源の表面や、励起光が照射される発光部の表面に、シロキ酸やカーボンなどからなる堆積物が付着することを確認している。この付着は、特に、励起光源や発光部が所定の水分濃度より高い気体下（例えば大気下）にある場合に生じることが確認されている。特許文献１では、光学系内部に所定の水分濃度以下の気体が充填されていないため、上記のような励起光が照射された場合、励起光が通過する励起光源の表面や発光部の表面に堆積物が付着する可能性がある。

また、特許文献２の灯具では、半導体素子が設けられた第１空間だけが気密されており、励起光が照射される発光部の表面を含む、支持体、封止用キャップおよび外側キャップで囲まれた空間（第２空間）が気密されているわけではない。このため、上記のように、この灯具でも、励起光が照射される発光部の表面に、シロキ酸やカーボンなどからなる堆積物が付着する可能性がある。

従って、特許文献１および２の灯具では、気密された空間内にない、励起光が出射あるいは照射される部材（特に、励起光が照射される発光部の表面）については、その表面に堆積物が付着し、当該堆積物が励起光の進路を遮断してしまうという問題があった。このため、上記灯具では、励起光の伝送ロスが生じる結果、発光部が発する光の光束が低下し、ひいては発光効率が低下してしまうという問題があった。つまり、特許文献１および２では、少なくとも発光部の上記表面に堆積する堆積物に起因する発光効率の低下を防ぐことが困難であり、長期間に亘り、輝度・光束を一定に維持することが可能な発光装置または照明装置を実現することが困難であった。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、その目的は、長期間に亘り、輝度・光束を一定に維持することが可能な発光装置および照明装置を提供することにある。

本発明に係る発光装置は、上記の課題を解決するために、励起光を出射する励起光源と、上記励起光源から出射された励起光を受けて発光する発光部と、を備え、上記励起光源および上記発光部が、気密された気密空間内に備えられるともに、当該気密空間には、所定の水分濃度以下の気体が充填されていることを特徴としている。

上述のように、励起光源および発光部が大気下にある場合、励起光が出射される励起光源の表面、および、励起光を受ける発光部の表面に、シロキ酸やカーボンなどの堆積物が付着する可能性がある。この付着は、特に、励起光源および発光部が所定の水分濃度より高い気体下（例えば大気下）にある場合に生じることが確認されている。

上記構成によれば、励起光源および発光部が備えられた気密空間には、所定の水分濃度以下の気体が充填されているので、上記各表面に堆積物が付着し、当該堆積物が励起光の進路を遮断してしまうといった不具合を未然に防ぐことができる。このため、上記堆積物による、励起光源が出射した励起光の出力の低下、および、発光部が発光した光の光束の低下を防ぐことができるので、発光効率の低下を防ぐことができる。

従って、本発明に係る発光装置は、長期間に亘り、輝度・光束を一定に維持することができる。すなわち、長寿命な発光装置を実現することができる。

さらに、本発明に係る発光装置では、上記発光部は、上記励起光源から出射された励起光を受光する受光面を有し、上記受光面の単位面積あたりに照射される、上記励起光の放射束が、０．１Ｗ／ｍｍ^２より大きく、上記所定の水分濃度が、１０００ｐｐｍ以下であることが好ましい。

ここで、上記光量が０．１Ｗ／ｍｍ^２を超えており、かつ、気密空間の水分濃度が１００ｐｐｍを超える場合には、上記各表面への堆積物付着が顕著に発生することが確認されている。

上記構成によれば、励起光源から出力される励起光の出力、および、当該励起光を受ける発光部の表面積とが、０．１Ｗ／ｍｍ^２よりも大きい上記光量を実現するように設計されている。また、気密空間の水分濃度を１０００ｐｐｍ以下としている。このため、上記各表面への堆積物付着を確実に防ぐことができる。

また、水分濃度が１０００ｐｐｍ以下の乾燥した気体（空気や窒素など）の露点は約−２０℃以下である。このため、−２０℃より温度の高い場所であればたとえ寒冷地において、本発明の発光装置を使用したとしても、結露を生じることない。すなわち、発光装置について、信頼性の高い動作を保障することができる。

さらに、本発明に係る発光装置では、上記所定の水分濃度が、２００ｐｐｍ以下であることが好ましい。

上記構成によれば、所定の水分濃度が１０００ｐｐｍであるときに比べてさらに小さいので、上記各表面への堆積物付着をより確実に防ぐことができる。

また、水分濃度が２００ｐｐｍ以下の乾燥した気体（空気や窒素など）の露点は−３５℃以下であるため、上記よりさらに低温の寒冷地において発光装置を使用したとしても、結露を生じることがない。従って、この場合には、実用上十分な程度に、励起光源や発光部などの主要部品の結露を防ぐことができる。

さらに、本発明に係る発光装置では、上記気体は、空気あるいは窒素であることが好ましい。

上記空気あるいは窒素は、水分濃度を制御しやすく、毒性がない。このため、これらの気体は、容易に取り扱うことができ、所望の水分濃度に調整して気密空間に充填しやすい。また、これらの気体は、安価であり、容易に入手可能であるので、安価な発光装置の提供を実現できる。

さらに、本発明に係る発光装置では、上記励起光源を支持する支持体と、上記支持体に対して、上記励起光源および上記発光部を覆うように固定される蓋部と、を備えることにより、上記気密空間が形成されることが好ましい。

上記構成によれば、支持体に蓋部を固定するだけで気密空間を形成できる。また、例えば、所定の水分濃度以下の気体が充填された空間で発光装置が製造される場合、支持体に蓋部を固定するだけで当該気体を注入することができる。このため、発光装置を容易に製造することができる。

また、支持体に蓋部を固定することにより気密空間が形成され、当該気密空間に励起光源および発光部が備えられている。すなわち、支持体および蓋部が、励起光源および発光部を囲み（封止し）一体化した構成である。このため、発光装置の耐久性が向上し、堅牢な発光装置を実現することができる。

さらに、本発明に係る発光装置は、上記気密空間内に、上記励起光源が出射した励起光を受け取り、当該励起光を出射する導光部を備え、上記発光部は、上記導光部を介して、上記励起光源から出射された励起光を受けることが好ましい。

ここで、上述した励起光源および発光部と同様、導光部が大気下にある場合も、励起光源から出射される励起光を受け取る導光部の表面、および、当該励起光が出射される導光部の別の表面に、シロキ酸やカーボンなどの堆積物が付着する可能性がある。

上記構成によれば、気密空間内に、励起光源および発光部とともに、導光部が備えられ、当該気密空間には、所定の水分濃度以下の気体が充填されているので、上記各表面に堆積物が付着し、当該堆積物が励起光の進路を遮断してしまうといった不具合を未然に防ぐことができる。従って、導光部を備えた構成であっても、当該導光部の上記各表面に堆積する堆積物によって励起光の伝送強度（光量）を低下させる（伝送ロスを生じさせる）ことなく、受け取った励起光を発光部に出射することができ、ひいては発光効率の低下を防ぐことができる。

さらに、本発明に係る照明装置は、上記の発光装置を備えることが好ましい。

上記構成によれば、上記の発光装置を備えているので、長期間に亘り、輝度・光束を一定に維持することが可能な照明装置を実現することができる。

さらに、本発明に係る照明装置は、上記の課題を解決するために、励起光を出射する励起光源と、上記励起光源から出射された励起光を受けて発光する発光部と、上記発光部が出射した光を反射することにより、所定の立体角内を進む光線束を形成し、当該光線束が進む方向に開口した開口部を有する反射鏡と、上記反射鏡の開口部に固定される、上記光線束が透過する光透過部と、を備え、上記反射鏡および上記光透過部により気密された気密空間が形成され、当該気密空間内に、上記励起光源および上記発光部が備えられるとともに、所定の水分濃度以下の気体が充填されていることを特徴としている。

上述のように、励起光源および発光部が大気下にある場合、励起光が出射される励起光源の表面、および、励起光を受ける発光部の表面に、シロキ酸やカーボンなどの堆積物が付着する可能性がある。この付着は、特に、励起光源および発光部が所定の水分濃度より高い気体下（例えば大気下）にある場合に生じることが確認されている。

上記構成によれば、励起光源および発光部が備えられた気密空間には、所定の水分濃度以下の気体が充填されているので、上記各表面に堆積物が付着し、当該堆積物が励起光の進路を遮断してしまうといった不具合を未然に防ぐことができる。このため、上記堆積物による、励起光源が出射した励起光の出力の低下、および、発光部が発光した光の光束の低下を防ぐことができるので、発光効率の低下を防ぐことができる。

従って、本発明に係る照明装置は、長期間に亘り、輝度・光束を一定に維持することができる。すなわち、長寿命な照明装置を実現することができる。

本発明に係る発光装置は、以上のように、励起光を出射する励起光源と、上記励起光源から出射された励起光を受けて発光する発光部と、を備え、上記励起光源および上記発光部が、気密された気密空間内に備えられるともに、当該気密空間には、所定の水分濃度以下の気体が充填されている構成である。

また、本発明に係る照明装置は、以上のように、励起光を出射する励起光源と、上記励起光源から出射された励起光を受けて発光する発光部と、上記発光部が出射した光を反射することにより、所定の立体角内を進む光線束を形成し、当該光線束が進む方向に開口した開口部を有する反射鏡と、上記反射鏡の開口部に固定される、上記光線束が透過する光透過部と、を備え、上記反射鏡および上記光透過部により気密された気密空間が形成され、当該気密空間内に、上記励起光源および上記発光部が備えられるとともに、所定の水分濃度以下の気体が充填されている構成である。

それゆえ、本発明に係る発光装置および発光装置は、長期間に亘り、輝度・光束を一定に維持することができるという効果を奏する。すなわち、長寿命な発光装置および照明装置を実現することができるという効果を奏する。

本発明の一実施の形態に係る発光装置の概略構成を示すものである。 本発明の一実施の形態に係る発光装置の外観を示す斜視図である。 本発明の一実施の形態に係る発光装置における半導体レーザと角錐台状光学部材との位置関係を示す斜視図である。 本発明の一実施の形態に係る発光装置を１万時間連続的に使用した場合における角錐台状光学部材の透過率の、気密空間内に充填されている気体中の水分濃度に対する依存性について調べた結果を示す図である。 （ａ）は半導体レーザの回路図であり、（ｂ）は半導体レーザの基本構造を示す斜視図である。 本発明の一実施の形態に係るヘッドランプの概略構成を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係るヘッドランプが備える光ファイバーの出射端部と発光部との位置関係を示す図である。 図６に示す反射鏡とレンズとの接合部分における反射鏡の先端部の形状を示す図であり、（ａ）は、シール材により接合された場合の反射鏡の先端部の形状を示すものであり、（ｂ）は、パッキンを用いて接合された場合の反射鏡の先端部の形状を示すものである。

〔実施の形態１〕
本発明の実施の一形態について図１〜図４に基づいて説明すれば、以下のとおりである。ここでは、本発明の照明装置の一例として、自動車用のヘッドランプを例に挙げて説明する。ただし、本発明の照明装置は、自動車以外の車両のヘッドランプとして実現されてもよいし、その他の照明装置として実現されてもよい。その他の照明装置として、例えば、サーチライト、プロジェクター、家庭用照明器具を挙げることができる。

また、ヘッドランプは、走行用前照灯（ハイビーム）の配光特性基準を満たしていてもよいし、すれ違い用前照灯（ロービーム）の配光特性基準を満たしていてもよい。

以下では、本発明の照明装置として利用可能な発光装置の一例として、発光装置１０について説明する。

（発光装置１０の外観）
まず、本実施の形態に係る発光装置１０の外観について図２を用いて説明する。図２は、本実施の形態に係る発光装置１０の外観を示す斜視図である。

発光装置１０は、半導体レーザ３（図２参照）から出射されるコヒーレントな光を発光部７（図２参照）に照射すると、発光部７が蛍光を発生し、当該光を透明蓋２３から出射するものである。同図に示すように、発光装置１０は、円柱形状となっており、半導体レーザ３を支持する台座２２と、透明性を有する透明蓋２３とを接合（嵌合）することにより、半導体レーザ３、角錐台状光学部材２１（図２参照）および発光部７を一体に気密封止（密封）して、気密空間Ａ１（図２参照）を形成している。また、発光装置１０は、半導体レーザ３に電力を供給するためのリード２４を台座２２から延出した構成となっている。

なお、ここでは、発光装置１０を円柱形状として説明するが、これに限らず、角柱形状、角錐台状、円錐台状など、半導体レーザ３、角錐台状光学部材２１および発光部７を覆うことが可能な形状であれば、どのような形状であってもよい。

（発光装置１０の構成）
次に、本実施の形態に係る発光装置１０の構成について図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係る発光装置１０の概略構成を示すものであり、図２に示すＡ−Ａ’線における断面模式図である。同図に示すように、発光装置１０は、半導体レーザ３（励起光源）、発光部７、ステム２０、角錐台状光学部材２１（導光部）、台座２２（支持体）、透明蓋２３（蓋部）およびリード２４を備えている。半導体レーザ３、角錐台状光学部材２１および発光部７によって発光装置の基本構造が形成されている。

半導体レーザ３（半導体レーザ素子）は、励起光を出射する励起光源として機能するものであり、ステム２０に実装されており、半導体レーザ３からレーザ光（励起光）が発振される。

半導体レーザ３は、１チップに６つの発光点（６ストライプ）を有するものであり、例えば、４０５ｎｍ（青紫色）のレーザ光を発振し、出力４．０Ｗ、動作電圧５Ｖ、電流２．６７Ａのものであり、直径９ｍｍのステム２０に封入されているものである。半導体レーザ３が発振するレーザ光は、４０５ｎｍに限定されず、３８０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下の波長範囲にピーク波長を有するレーザ光であればよい。なお、３８０ｎｍ以下の良質な短波長用の半導体レーザを作製することが可能であれば、本実施の形態の半導体レーザ３として、３８０ｎｍ以下で発振するように設計された半導体レーザを用いることも可能である。

本実施の形態では、図３に示すように、３つの半導体レーザ３が実装されているので（図１はそのうちの１つを図示している）、半導体レーザ３全体としての出力が１２Ｗ、消費電力が４０Ｗ（＝５Ｖ×２．６７Ａ×３個）となる。なお、励起光源として複数の半導体レーザ３を用いる必要は必ずしもなく、半導体レーザ３を１つのみ用いてもよい。しかし、高出力のレーザ光を得るためには、複数の半導体レーザ３を用いることが好ましい。なお、図３は、半導体レーザ３と角錐台状光学部材２１との位置関係を示す斜視図である。

また、各半導体レーザ３には、各半導体レーザ３に電力を供給するためのリード２４がそれぞれ設けられている。リード２４は、台座２２を貫くように設けられ、台座２２に支持されている。これにより、台座２２は半導体レーザ３を支持しているといえる。台座２２を貫いた部分のリード２４の周囲には、例えば後述のシール材４１（図７（ｂ）参照）を入れ込むことで、台座２２と透明蓋２３とにより形成される気密空間Ａ１の気密性を確保している。なお、台座２２が半導体レーザ３を支持する構成は、これに限らず、例えば半導体レーザ３を支持するステム２０がリード２４とともに台座２２に固定されている構成であってもよい。また、図示しないが、半導体レーザ３は、ワイヤーなどの導電部材がリード２４と電気的に接続されることにより、上記電力を供給する外部電極と電気的に接続されている。

角錐台状光学部材２１は、半導体レーザ３が発振したレーザ光を集光して発光部７（発光部７のレーザ光照射面７ａ（受光面））へと導く導光部材であり、台座２２および透明蓋２３に接続された支持部材（図示せず）によって支持されている。この支持部材は、台座２２または透明蓋２３と一体となっていてもよい（すなわち、台座２２または透明蓋２３と同じ材料で作製されていてもよい）。角錐台状光学部材２１は、半導体レーザ３が出射したレーザ光を受け取る光入射面２１１（入射端部）と当該光入射面２１１から入射したレーザ光を発光部７へ出射する光出射面２１２（出射端部）とを有している。言い換えれば、角錐台状光学部材２１は、半導体レーザ３が出射したレーザ光を受け取り、当該レーザ光を出射するものといえる。

また、角錐台状光学部材２１は、台座２２および透明蓋２３が形成する気密空間Ａ１において半導体レーザ３と光学的に結合している。角錐台状光学部材２１（気密空間Ａ１を含む）の結合効率（半導体レーザ３から出射されるレーザ光の強度を１としたときの、角錐台状光学部材２１の光出射面２１２から出射されるレーザ光の強度）は９０％である。このため、半導体レーザ３から出射された１２Ｗのレーザ光は、角錐台状光学部材２１を通過すると、光出射面２１２から１０．８Ｗのレーザ光として出射される。

さらに、角錐台状光学部材２１は、光入射面２１１から入射した各レーザ光を反射する角錐台側面２１３で囲まれた囲繞構造を有していると共に、光出射面２１２の断面積は、光入射面２１１の断面積よりも小さくなっている。角錐台状光学部材２１は、光入射面２１１から入射した各レーザ光を、角錐台側面２１３により光出射面２１２に導光する。

これにより、角錐台状光学部材２１は、光入射面２１１から入射した各レーザ光を、光入射面２１１の断面積（例えば１０ｍｍ^２）よりも小さい断面積（例えば２ｍｍ^２）を有する光出射面２１２に導光する、すなわち、各レーザ光を、光出射面２１２に集光することができる。

また、角錐台状光学部材２１は、例えば屈折率：１．４５の石英ガラスの側面に、屈折率１．３５の熱可塑性フッ素樹脂（ポリテトラフロオロエチレン：ＰＴＦＥ）がコーティングされることによって作製されている。なお、これに限らず、角錘台状光学部材２１の材質は、石英ガラス、アクリル樹脂その他の透明素材で作製されていてもよい。また、側面のコーティング材料は角錘台状光学部材２１の屈折率よりも小さいものであればよく、コーティングを施さず直接空気に接するようにしても良い。

また、光入射面２１１および光出射面２１２の形状は、平面形状であっても曲面形状であってもよい。特に、光出射面２１２の形状が、例えば光出射面２１２に対して鉛直方向に軸を持つ平凸シリンドリカルレンズを一体化した構造となっている場合、光出射面２１２から出射したレーザ光を、発光部７のレーザ光照射面７ａに分散して照射させることができる。

また、光出射面２１２とシリンドリカルレンズとを一体化した構造（すなわち、光出射面２１２が曲面形状）ではなく、これらが別体に備えられていてもよい。この場合、シリンドリカルレンズは、光出射面２１２と発光部７との間に設けられる。また、この場合の光出射面２１２は、平面形状であっても曲面形状であってもよく、曲面形状の場合、凸レンズ形状に限らず、凹レンズ形状であってもよく、凸レンズと凹レンズとを組み合わせた形状であってもよい。また、このレンズ形状は、球面、非球面、円筒状などであってもよい。すなわち、光出射面２１２から出射されるレーザ光を、レーザ光照射面７ａに分散して照射させることが可能な構成であればよい。

また、各レーザ光は、角錐台側面２１３に１回だけ反射して光出射面２１２に導光される場合、角錐台側面２１３に複数回反射して光出射面２１２に導光される場合、角錐台側面２１３に１回も反射することなく光出射面２１２に導光される場合のいずれかの光路で導光される。

なお、本実施の形態では、角錐台状光学部材２１を例にとって説明するが、光学部材の形状はこれに限られず、円錐台状、楕円錐台など様々な形状を採用することができる。

発光部７は、角錐台状光学部材２１（具体的には光出射面２１２）から出射されたレーザ光を受けて発光するものであり、レーザ光を受けて発光する蛍光体を含んでいる。言い換えれば、発光部７は、半導体レーザ３から出射されたレーザ光を受けて発光するもの、また、角錐台状光学部材２１を介して、半導体レーザ３から出射されたレーザ光を受けるものといえる。

具体的には、発光部７は、蛍光体保持物質としてのシリコーン樹脂の内部に蛍光体が分散されているものである。シリコーン樹脂と蛍光体との割合は、１０：１程度である。また、発光部７は、蛍光体を押し固めたものであってもよい。蛍光体保持物質は、シリコーン樹脂に限定されず、ガラスであってもよい。

上記蛍光体は、酸窒化物系のものであり、青色、緑色および赤色の蛍光体がシリコーン樹脂に分散されている。半導体レーザ３は、４０５ｎｍ（青紫色）のレーザ光を発振するため、発光部７に当該レーザ光が照射されると白色光が発生する。それゆえ、発光部７は、波長変換材料であるといえる。

なお、半導体レーザ３は、４５０ｎｍ（青色）のレーザ光（または、４４０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の波長範囲にピーク波長を有する、いわゆる「青色」近傍のレーザ光）を発振するものでもよく、この場合には、上記蛍光体は、黄色の蛍光体、または緑色の蛍光体と赤色の蛍光体との混合物である。黄色の蛍光体とは、５６０ｎｍ以上５９０ｎｍ以下の波長範囲にピーク波長を有する光を発する蛍光体である。緑色の蛍光体とは、５１０ｎｍ以上５６０ｎｍ以下の波長範囲にピーク波長を有する光を発する蛍光体である。赤色の蛍光体とは、６００ｎｍ以上６８０ｎｍ以下の波長範囲にピーク波長を有する光を発する蛍光体である。

上記蛍光体は、サイアロンと通称されるものが好ましい。サイアロンとは、窒化ケイ素のシリコン原子の一部がアルミニウム原子に、窒素原子の一部が酸素原子に置換された物質である。窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）にアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリカ（ＳｉＯ_２）および希土類元素などを固溶させて作ることができる。

蛍光体の別の好適な例としては、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のナノメータサイズの粒子を用いた半導体ナノ粒子蛍光体を例示することができる。

半導体ナノ粒子蛍光体の特徴の一つは、同一の化合物半導体（例えばインジュウムリン：ＩｎＰ）を用いても、その粒子径をナノメータサイズに変更することにより、量子サイズ効果によって発光色を変化させることができる点である。例えば、ＩｎＰでは、粒子サイズが３〜４ｎｍ程度のときに赤色に発光する（ここで、粒子サイズは透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）にて評価した）。

また、この半導体ナノ粒子蛍光体は、半導体ベースであるので蛍光寿命が短く、励起光のパワーを素早く蛍光として放射できるのでハイパワーの励起光に対して耐性が強いという特徴もある。これは、この半導体ナノ粒子蛍光体の発光寿命が１０ナノ秒程度と、希土類を発光中心とする通常の蛍光体材料に比べて５桁も小さいためである。

さらに、上述したように、発光寿命が短いため、レーザ光の吸収と蛍光体の発光を素早く繰り返すことができる。その結果、強いレーザ光に対して高効率を保つことができ、蛍光体からの発熱を低減させることができる。

よって、発光部７が熱により劣化（変色や変形）するのをより抑制することができる。これにより、光の出力が高い発光素子を光源として用いる場合に、発光装置（基本構造のついては後述）の寿命が短くなるのをより抑制することができる。

発光部７の形状および大きさは、例えば、３ｍｍ×１ｍｍ×１ｍｍの直方体である。この場合、半導体レーザ３からのレーザ光を受けるレーザ光照射面７ａ（光出射面２１２と対向する発光部７におけるレーザ光の受光面）の面積は、３ｍｍ^２である。日本国内で法的に規定されている車両用ヘッドランプの配光パターン（配光分布）は、鉛直方向に狭く、水平方向に広いため、発光部７の形状を、水平方向に対して横長（断面略長方形形状）にすることにより、上記配光パターンを実現しやすくなる。発光部７は、直方体でなくてもよく、レーザ光照射面７ａが楕円である筒状であってもよい。また、レーザ光照射面７ａは、平面である必要は必ずしもなく、曲面であってもよい。さらに、レーザ光照射面７ａの面積は、１〜３ｍｍ^２であることが好ましい。

また、発光部７は、透明板９の内側（光出射面２１２が位置する側）の面において、光出射面２１２と対向する位置に固定されている。

透明板９は、発光部７を支持（保持）するための透明な樹脂板であり、透明蓋２３に接続されている。透明板９は、発光部７を支持できる程度の大きさを有していればよく、例えば透明板９に固定される発光部７の表面と同程度の幅を有していればよい。透明板９は、少なくとも気密空間Ａ１を遮断しないように設けられている。この透明板９を、半導体レーザ３からのレーザ光を遮断するとともに、発光部７においてレーザ光を変換することにより生成された白色光（インコヒーレントな光）を透過する材質で形成することが好ましい。発光部７によってコヒーレントなレーザ光は、そのほとんどがインコヒーレントな白色光に変換される。しかし、何らかの原因でレーザ光の一部が変換されない場合も考えられる。このような場合でも、透明板９によってレーザ光を遮断することにより、レーザ光が外部に漏れることを防止できる。

なお、このような効果を期待せず、かつ透明板９以外の部材によって発光部７を保持する場合には、透明板９を省略することが可能である。この場合、例えば透明蓋２３における光出射面２１２と対向する位置に発光部７が固定される。

このように、発光装置１０は、光出射面２１２から出射されるレーザ光が、レーザ光照射面７ａに水平方向に拡散して照射されるため、発光部７に含まれる蛍光体の全体に亘って低エネルギー状態の電子が高エネルギー状態に効率良く励起する。本実施の形態では、発光部７から放射される光束が約２０００ｌｍ、かつ、発光部７の輝度が１００ｃｄ／ｍｍ^２という高輝度・高光束の発光装置１０を実現することができ、ひいては小型でかつ軽量な発光装置１０を実現することができる。

また、光出射面２１２から出射されたレーザ光をレーザ光照射面７ａ上の一点に集中して照射させず、角錐台状光学部材２１を介してレーザ光照射面７ａに分散して照射させるので、各半導体レーザ３から出射されたレーザ光が同一点に集中して照射されることによって発光部７が劣化してしまうことを防止することができる。従って、高光束・高輝度かつ長寿命を実現できる発光装置１０を提供することができる。

さらに、発光装置１０は、上述のように、台座２２および透明蓋２３を備えている。台座２２は、半導体レーザ３を支持する金属製の部材であり、直径２０ｍｍ（内径１８ｍｍ）の中空円筒形状である。透明蓋２３は、透明な樹脂製であり、直径２０ｍｍ（内径１８ｍｍ）の中空円筒形状である。透明蓋２３は、台座２２に対して、半導体レーザ３、角錐台状光学部材２１および発光部７を覆うように固定される。

このように、台座２２と透明蓋２３とが固定（接合）されることにより、半導体レーザ３、角錐台状光学部材２１および発光部７を囲む構成が実現される。また、台座２２と透明蓋２３とが接合されることにより、これらの部材が形成する内部空間が気密封止されることにより、気密空間Ａ１が形成される。この気密封止を実現するために、台座２２および透明蓋２３は、上記内部空間を気密封止できる材質、すなわち、台座２２と透明蓋２３との接着性に優れた材質であることが好ましい。また、半導体レーザ３や発光部７などの熱源からの伝導熱を放熱可能な材質であることが好ましい。台座２２の材質の一例として、例えばＣｕ、Ａｌ、Ｎｉ、またはＮｉとＦｅとの合金、Ｆｅ、鉄−ニッケル−コバルト合金（コバール）、ステンレススチール（ＳＵＳ）などが挙げられる。また、透明蓋２３の材質の一例として、ガラス、石英、プラスチックなどの透明樹脂等が挙げられる。なお、台座２２が透明性を有していてもよく、この場合には、透明蓋２３と同じ材質を用いて作製することができる。

台座２２および透明蓋２３は、 透明蓋２３がガラスあるいは石英の場合には低融点ガラスを間に挟んで溶着される。また、透明蓋２３がプラスチックの場合にはシリコンシール剤やエポキシ系接着剤またはアクリル系接着剤にて接着される。これにより、台座２２および透明蓋２３が形成する気密空間Ａ１の気密性を確保することができる。

また、気密空間Ａ１には、水分濃度が１０００ｐｐｍ（parts per million）以下、より好ましくは２００ｐｐｍ以下の空気（すなわち乾燥空気（ドライエア））が充填されている。空気は、水分濃度を制御しやすく、毒性がないので、容易に取り扱うことができ、上記水分濃度以下に調整して気密空間Ａ１に充填しやすい。また、空気は、安価であり、容易に入手可能であるので、安価な発光装置１０の提供を実現できる。

ここで、上述のように、本発明者らは、励起光源や発光部などが大気下にある場合に、励起光源から励起光が発光部に向けて出射されると、励起光が出射される励起光源の表面、導光部材の表面および励起光が照射される発光部の表面に、シロキ酸やカーボンなどの堆積物が付着することを確認した。特に、４７０ｎｍ以下（青色光、青紫光、紫外光など）の励起光であり、各表面に水分濃度が、１０００ｐｐｍを超えるような雰囲気ガスが接していて、かつ、発光部が励起光を受ける受光面の単位面積あたりに照射される励起光の放射束が、０．１Ｗ／ｍｍ^２を超えるような場合に顕著に発生することを確認している。

図４は、本実施の形態に係る発光装置１０を１万時間連続的に使用した場合における角錐台状光学部材２１の透過率（１万時間使用後の導光部材の透過率）の、気密空間Ａ１内に充填されている気体中の水分濃度（封入ガス中の水分量）に対する依存性について調べた結果を示す図である。

同図に示すように、本発明者らは、封入ガス中の水分濃度が１０００ｐｐｍ以下になると、光学パーツの特性劣化（角錐台状光学部材２１の透過率低下）が著しく減少し、当該水分濃度が２００ｐｐｍ以下になると、光学パーツの特性劣化がさらに減少することを見出した。図４に示すように、水分濃度が１０００ｐｐｍを超える場合（約２５００ｐｐｍのとき）の透過率が約５０％であるのに対し、水分濃度が１０００ｐｐｍのときの透過率が約８５％であり、水分濃度が２００ｐｐｍのときの透過率が約９５％であることがわかる。なお、図４のグラフは上記気体として乾燥空気を用いた場合の結果を示したものであるが、乾燥窒素（実施の形態２を参照）や、その他の不活性ガスを用いたり、気密空間Ａ１を減圧した場合であっても、図４に示す結果と同様の結果が得られた。また、図４では、導光部材として角錐台状光学部材２１を用いているが、これに限らず、その他の形状の導光部材や、実施の形態２に係るヘッドランプ１（図６参照）のように反射鏡８とレンズ１４とにより気密空間Ａ１が形成された構成であっても、図４に示す結果と同様の結果が得られた。

さらに、１万時間使用した後に、レーザ光が出射される半導体レーザ３の表面や、角錐台状光学部材２１の光入射面２１１および光出射面２１２など、発光装置１０においてレーザ光が通過する（照射される）部材の表面を調べた。その結果、特に、水分濃度が１０００ｐｐｍを超える場合で、かつ、上記表面の単位面積あたりに照射されるレーザ光の放射束が大きい部分に、上述した堆積物が付着していることが確認できた。この堆積物付着の原因としては、光化学反応や発熱などが挙げられる。ここでの光密度とは、上記表面の単位面積あたりに照射されるレーザ光の放射束を指す。

本実施の形態でいえば、気密空間Ａ１が、例えば当該気密空間Ａ１（発光装置１０）の外部と同じ大気下である場合には、半導体レーザ３の表面と、角錐台状光学部材２１の光入射面２１１および光出射面２１２と、発光部７のレーザ光照射面７ａとに上記堆積物が付着するということである。大気の水分濃度は、２５℃での常圧において、約１４０００ｐｐｍ(湿度４５％相当)〜約２７０００ｐｐｍ(湿度８５％相当)であり、１０００ｐｐｍを大きく超えている。また、本実施の形態では、半導体レーザ３の出力が１２Ｗであり、レーザ光照射面７ａの面積が３ｍｍ^２以下であるため、この場合、レーザ光照射面７ａの単位面積あたりに照射されるレーザ光の放射束（以下「光密度」と称する）は、少なくとも４Ｗ／ｍｍ^２であり、０．１Ｗ／ｍｍ^２を超えている。このため、発光装置１０において気密空間Ａ１に大気を充填させた場合には、上記各表面への堆積物付着が顕著に発生することとなる。

本実施の形態では、半導体レーザ３の出力および発光部７の大きさ（レーザ光照射面７ａの面積）が、０．１Ｗ／ｍｍ^２より大きい光密度を実現している。このため、気密空間Ａ１に、水分濃度が１０００ｐｐｍ以下の乾燥空気を充填することにより、上記各表面に堆積物が付着し、当該堆積物がレーザ光の進路を遮断してしまうといった不具合を未然に防ぐことができる。従って、発光装置１０では、堆積物付着によるレーザ光の伝送ロスが生じないので、発光部７が発する光の光束の低下を防ぎ、ひいては発光効率の低下を防ぐことができる。

また、水分濃度が１０００ｐｐｍ以下の乾燥空気の露点は約−２０℃以下である。このため、−２０℃より温度の高い場所であればたとえ寒冷地において、本実施の形態に係る発光装置１０、およびそれを備えた照明装置（例えば自動車用のヘッドランプ）を使用したとしても、結露を生じることない。すなわち、発光装置１０および上記照明装置について、信頼性の高い動作を保障することができる。

さらに、乾燥空気の水分濃度が２００ｐｐｍ以下であることがより好ましい。この場合の乾燥空気の露点は−３５℃以下であるため、さらに低温の寒冷地において発光装置１０および上記照明装置を使用したとしても、結露を生じることがない。従って、この場合には、実用上十分な程度に、主要部品（半導体レーザ３、角錐台状光学部材２１、発光部７など）の結露を防ぐことができる。

また、台座２２と透明蓋２３とが接合することによりその内部空間を気密封止している。言い換えれば、半導体レーザ３、角錐台状光学部材２１および発光部７が、気密された気密空間Ａ１に備えられている。このため、内部空間（気密空間Ａ１）に埃が入り込むことを防ぐことができるので、半導体レーザ３から出射されたレーザ光（あるいは角錐台状光学部材２１から出射されたレーザ光）が埃にあたって散乱することによる発光効率の低下を防ぐことができる。

以上のように、発光装置１０は、半導体レーザ３および発光部７が、気密された気密空間Ａ１内に備えられるともに、当該気密空間Ａ１には、所定の水分濃度以下の気体が充填されている構成である。これにより、堆積物の付着に起因した発光効率の低下を防ぐことができるので、長期間に亘り、輝度・光束を一定に維持することが可能な発光装置１０を実現することができる。

また、半導体レーザ３から出射された励起光を受光するレーザ光照射面７ａの単位面積あたりに照射される、レーザ光の単位時間あたりの光量（光密度）が、０．１Ｗ／ｍｍ^２より大きくなるように設計され、気密空間の水分濃度１０００ｐｐｍ以下（より好ましくは２００ｐｐｍ以下）としている。このため、レーザ光照射面７ａなどへの堆積物付着を確実に防ぐことができる。

また、台座２２に透明蓋２３を固定するだけで気密空間Ａ１を形成できる。さらに、所定の水分濃度（１０００ｐｐｍ）以下の気体が充填された空間で発光装置１０が製造される場合には、台座２２に透明蓋２３を固定するだけで当該気体を注入することができる。このため、発光装置１０を容易に製造することができる。

また、台座２２および透明蓋２３により、少なくとも半導体レーザ３および発光部７が一体に封止されているので、発光装置１０の耐久性が向上し、堅牢な発光装置１０を実現することができる。

また、気密空間Ａ１内に、半導体レーザ３および発光部７とともに、角錐台状光学部材２１が備えられ、気密空間Ａ１には、所定の水分濃度以下の気体が充填されているので、光入射面２１１および光出射面２１２に堆積物が付着し、当該堆積物がレーザ光の進路を遮断してしまうといった不具合を未然に防ぐことができる。従って、角錐台状光学部材２１を備えた構成であっても、光入射面２１１および光出射面２１２に堆積する堆積物によってレーザ光の伝送強度（光量）を低下させる（伝送ロスを生じさせる）ことなく、受け取ったレーザ光を発光部７に出射することができ、ひいては発光効率の低下を防ぐことができる。

さらに、発光装置１０が例えば自動車用のヘッドランプに適用された場合には、長期間に亘り、輝度・光束を一定に維持することが可能なヘッドランプを実現することができる。また、上述のように、発光部７から放射される光束が約２０００ｌｍ、かつ、発光部７の輝度が１００ｃｄ／ｍｍ^２という高輝度・高光束の発光装置１０であるため、発光装置１０を備えたヘッドランプの小型化することができ、軽量化を図ることができる。

また、発光装置１０をヘッドランプに備えるだけでよく、半導体レーザ３、角錐台状光学部材２１および発光部７を別々に設ける必要がないので、ヘッドランプの製造を容易に行うことができる。なお、例えば図５に示す発光部７の位置に本実施の形態の発光部７が備えられるように、反射鏡８内に発光装置１０が位置決めされることにより、発光装置１０がヘッドランプに適用される。この場合、発光装置１０は、反射鏡８から延出する棒状または筒状の部材によって固定される。

（半導体レーザ３の構造）
ここで、半導体レーザ３の基本構造について説明する。図４（ａ）は、半導体レーザ３の回路図を模式的に示したものであり、図４（ｂ）は、半導体レーザ３の基本構造を示す斜視図である。同図に示すように、半導体レーザ３は、カソード電極１９、基板１８、クラッド層１１３、活性層１１１、クラッド層１１２、アノード電極１７がこの順に積層された構成である。

基板１８は、半導体基板であり、本願のように蛍光体を励起する為の青色〜紫外の励起光を得る為にはＧａＮ、サファイア、ＳｉＣを用いることが好ましい。一般的には、半導体レーザ用の基板としては、その他には、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｉＣ等のＩＶ属半導体、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂおよびＡｌＮに代表されるＩＩＩ−Ｖ属化合物半導体、ＺｎＴｅ、ＺｅＳｅ、ＺｎＳおよびＺｎＯ等のＩＩ−ＶＩ属化合物半導体、ＺｎＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＣｒＯ_２およびＣｅＯ_２等の酸化物絶縁体、並びに、ＳｉＮなどの窒化物絶縁体のいずれかの材料が用いられる。

アノード電極１７は、クラッド層１１２を介して活性層１１１に電流を注入するためのものである。

カソード電極１９は、基板１８の下部から、クラッド層１１３を介して活性層１１１に電流を注入するためのものである。なお、電流の注入は、アノード電極１７・カソード電極１９に順方向バイアスをかけて行う。

活性層１１１は、クラッド層１１３及びクラッド層１１２で挟まれた構造になっている。

また、活性層１１１およびクラッド層の材料としては、青色〜紫外の励起光を得る為にはＡｌＩｎＧａＮから成る混晶半導体が用いられる。一般に半導体レーザの活性層・クラッド層としては、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐ、Ｎ、Ｓｂを主たる組成とする混晶半導体が用いられ、そのような構成としても良い。また、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓ、Ｓｅ、ＴｅおよびＺｎＯ等のＩＩ−ＶＩ属化合物半導体によって構成されていてもよい。

また、活性層１１１は、注入された電流により発光が生じる領域であり、クラッド層１１２及びクラッド層１１３との屈折率差により、発光した光が活性層１１１内に閉じ込められる。

さらに、活性層１１１には、誘導放出によって増幅される光を閉じ込めるために互いに対向して設けられる表側へき開面１１４・裏側へき開面１１５が形成されており、この表側へき開面１１４・裏側へき開面１１５が鏡の役割を果す。

ただし、完全に光を反射する鏡とは異なり、誘導放出によって増幅される光の一部は、活性層１１１の表側へき開面１１４・裏側へき開面１１５（本実施の形態では、便宜上表側へき開面１１４とする）から出射され、励起光Ｌ０となる。なお、活性層１１１は、多層量子井戸構造を形成していてもよい。

なお、表側へき開面１１４と対向する裏側へき開面１１５には、レーザ発振のための反射膜（図示せず）が形成されており、表側へき開面１１４と裏側へき開面１１５との反射率に差を設けることで、低反射率端面である、例えば、表側へき開面１１４より励起光Ｌ０の大部分を発光点１０３から照射されるようにすることが出来る。

クラッド層１１３・クラッド層１１２および活性層１１１などの各半導体層との膜形成については、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法やＭＢＥ（分子線エピタキシー）法、ＣＶＤ（化学気相成長）法、レーザアブレーション法、スパッタ法などの一般的な成膜手法を用いて構成できる。各金属層の膜形成については、真空蒸着法やメッキ法、レーザアブレーション法、スパッタ法などの一般的な成膜手法を用いて構成できる。

（発光部７の発光原理）
次に、半導体レーザ３から発振されたレーザ光による蛍光体の発光原理について説明する。

まず、半導体レーザ３から発振されたレーザ光が発光部７に含まれる蛍光体に照射されることにより、蛍光体内に存在する電子が低エネルギー状態から高エネルギー状態（励起状態）に励起される。

その後、この励起状態は不安定であるため、蛍光体内の電子のエネルギー状態は、一定時間後にもとの低エネルギー状態（基底準位のエネルギー状態または励起準位と基底準位との間の準安定準位のエネルギー状態）に遷移する。

このように、高エネルギー状態に励起された電子が、低エネルギー状態に遷移することによって蛍光体が発光する。

白色光は、等色の原理を満たす３つの色の混色、または補色の関係を満たす２つの色の混色で構成でき、この原理・関係に基づき、半導体レーザ３から発振されたレーザ光の色と蛍光体が発する光の色とを、上述のように組み合わせることにより白色光を発生させることができる。

〔実施の形態２〕
本発明の他の実施の形態について図６〜図８に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、実施の形態１と同様の部材に関しては、同じ符号を付し、その説明を省略する。また、以下では、図６に示す光ファイバー５が複数の束（すなわち複数の出射端部５ａを備えた構成）であるものとして説明しているが、これに限らず、光ファイバー５が１つのみ（すなわち出射端部５ａが１つのみ）からなっていてもよい。

（ヘッドランプ１の構成）
まず、本実施の形態に係るヘッドランプ１（照明装置）の構成について図６を用いて説明する。図６は、ヘッドランプ１の概略構成を示す断面図である。同図に示すように、照明装置の一例であるヘッドランプ１は、半導体レーザ収納部２、光ファイバー５（導光部）、フェルール６、発光部７、反射鏡８およびレンズ１４（光透過部）を備えている。半導体レーザ収納部２、光ファイバー５、フェルール６および発光部７によって発光装置の基本構造が形成されている。なお、ヘッドランプ１は、レンズ１４を備えているが、例えばセミシールドビームヘッドランプに本発明を適用した場合にはレンズ１４を省略できる。

半導体レーザ収納部２は、励起光を出射する励起光源として機能し、複数の半導体レーザ３（励起光源）（図示せず）を収納する筐体であり、反射鏡８を貫くことにより反射鏡８に支持されている。また、半導体レーザ収納部２は、レーザ光が出射される方向（光ファイバー５および発光部７が設けられている側）に開口している。このため、半導体レーザ３は、光ファイバー５および発光部７と同じ空間（気密空間Ａ１）に備えられた構成を実現している。

本実施の形態では、気密空間Ａ１には、水分濃度が１０００ｐｐｍ以下、より好ましくは２００ｐｐｍ以下の窒素（すなわち乾燥窒素）が充填されている。上述のように、本発明者らは、気密空間Ａ１に窒素を充填させた場合であっても、図４に示す結果と同様の結果が得られることを確認している。また、窒素は、水分濃度を制御しやすく、毒性がないので、容易に取り扱うことができ、上記水分濃度以下に調整して気密空間Ａ１に充填しやすい。また、窒素は、安価であり、容易に入手可能であるので、安価なヘッドランプ１の提供を実現できる。

また、半導体レーザ３に電力を供給するために、半導体レーザ３のリード２４（図示せず）には電源コード２６が接続されている。なお、半導体レーザ３の構成については、発光装置１０が備える半導体レーザ３と同じであるので、ここではその説明を省略する。

なお、ここでは、半導体レーザ収納部２の一部が、反射鏡８およびレンズ１４が形成する気密空間Ａ１に含まれる構成となっているが、これに限らず、半導体レーザ収納部２を気密空間Ａ１に完全に入れ込む構成としてもよい。この場合には、電源コード２６が反射鏡８を貫く構成となる。さらに、半導体レーザ収納部２内部が密封された構成（すなわち開口部を備えない構成）となっており、光ファイバー５が半導体レーザ収納部２の壁面を貫くように設けられた構成であってもよい。この構成の場合であっても、半導体レーザ収納部２内部と気密空間Ａ１とが光ファイバー５を介して繋がっているので、半導体レーザ収納部２内部（すなわち半導体レーザ３）が気密空間Ａ１と同じ空間にあるといえる。

光ファイバー５は、半導体レーザ３が発振したレーザ光を発光部７へと導く導光部材であり、複数の光ファイバーの束である。この光ファイバー５は、上記レーザ光を受け取る複数の入射端部５ｂと、入射端部５ｂから入射したレーザ光を出射する複数の出射端部５ａとを有している。言い換えれば、光ファイバー５は、半導体レーザ３が出射したレーザ光を受け取り、当該レーザ光を出射するものといえる。出射端部５ａは、レーザ光照射面７ａに接触していてもよいし、僅かに間隔をおいて配置されてもよい。

複数の出射端部５ａは、発光部７のレーザ光照射面７ａ（図７参照）における互いに異なる領域に対してレーザ光を出射する。換言すれば、複数の出射端部５ａは、発光部７の互いに異なる部分に対してレーザ光を出射する。これにより、レーザ光照射面７ａに、レーザ光を一点に集中して照射させず、分散して照射させることが可能となる。

より詳細には、複数の出射端部５ａから出射されるレーザ光がそれぞれ有する光強度分布における最も光強度の大きい部分（最大光強度部分）が、発光部７の互いに異なる部分に対して照射されていればよい。

ここで、１つの出射端部５ａから出射されたレーザ光は、所定の角度で広がりつつレーザ光照射面７ａに到達する。また、複数の出射端部５ａからレーザ光が出射されると、レーザ光照射面７ａには複数の照射領域が形成される。そのため、複数の光ファイバー５の出射端部５ａが、レーザ光照射面７ａに対して平行な平面において並んで配置されていたとしても、これら出射端部５ａからのレーザ光によって形成される照射領域が、互いに重なることがある。

このような場合でも、出射端部５ａから出射されるレーザ光の光強度分布における最も光強度が大きいところ（各レーザ光がレーザ光照射面７ａに形成する照射領域の中央部分（最大光強度部分））が、発光部７のレーザ光照射面７ａの互いに異なる部分に対して出射されれば、レーザ光照射面７ａに対してレーザ光を２次元平面的に分散して照射することができる。

すなわち、複数の出射端部５ａのうちの１つから出射されたレーザ光が発光部７に照射されることによって形成される投影像において最も光強度が大きい部分である最大光強度部分の位置が、他の出射端部５ａに由来する投影像の最大光強度部分の位置と異なっていればよい。それゆえ、照射領域を互いに完全に分離する必要は必ずしもなく、レーザ光を一点に集中して照射させない構成であればよい。

光ファイバー５は、中芯のコアを、当該コアよりも屈折率の低いクラッドで覆った２層構造をしている。コアは、レーザ光の吸収損失がほとんどない石英ガラス（酸化ケイ素）を主成分とするものであり、クラッドは、コアよりも屈折率の低い石英ガラスまたは合成樹脂材料を主成分とするものである。例えば、光ファイバー５は、コアの径が２００μｍ、クラッドの径が２４０μｍ、開口数ＮＡが０．２２の石英製のものであるが、光ファイバー５の構造、太さおよび材質は上述のものに限定されず、光ファイバー５の長軸方向に対して垂直な断面は矩形であってもよい。

なお、導光部材として光ファイバー以外の部材、または光ファイバーと他の部材とを組み合わせたものを用いてもよい。この導光部材は、半導体レーザ３が発振したレーザ光を受け取る少なくとも１つの入射端部と当該入射端部から入射したレーザ光を出射する複数の出射端部とを有するものであればよい。例えば、少なくとも１つの入射端部を有する入射部、および複数の出射端部を有する出射部を光ファイバーとは別の部材として形成し、これら入射部および出射部を光ファイバーの両端部に接続してもよい。

また、光ファイバー５は、半導体レーザ３から出射されるレーザ光をもれなく導光できるように、入射端部５ｂが半導体レーザ３の近傍となるように設けられている。光ファイバー５は、例えば反射鏡８または半導体レーザ収納部２から延出する棒状または筒状の部材によって固定されている。

図７は、出射端部５ａと発光部７との位置関係を示す図である。同図に示すように、フェルール６は、光ファイバー５の複数の出射端部５ａを発光部７のレーザ光照射面７ａに対して所定のパターンで保持する。このフェルール６は、出射端部５ａを挿入するための孔が所定のパターンで形成されているものでもよいし、上部と下部とに分離できるものであり、上部および下部の接合面にそれぞれ形成された溝によって出射端部５ａを挟み込むものでもよい。フェルール６の材質は、特に限定されず、例えばステンレススチールである。なお、図７では、半導体レーザ３の個数（すなわち光ファイバー５の個数）にあわせて出射端部５ａを３つ示しているが、出射端部５ａの数は３つに限定されない。

発光部７は、光ファイバー５（具体的には出射端部５ａ）から出射されたレーザ光を受けて発光するものであり、レーザ光を受けて発光する蛍光体を含んでいる。発光部７は、例えば直径１ｍｍおよび高さ（母線）３ｍｍの円柱形状となっており、出射端部５ａから出射されたレーザ光を、当該円柱の側面（光出射面２１２と対向する発光部７におけるレーザ光の受光面（レーザ光照射面７ａ））において受ける。

また、発光部７は、例えばフェルール６に接合された支持部材（図示せず）に接合されることにより、当該支持部材に支持されている。なお、発光部７が支持される構成は、これに限らず、フェルール６に直接接合される構成や、反射鏡８に接合され、レンズ１４と略平行に設けられた透明板に接合される構成などにより実現されてもよい。この場合、発光部７は、透明板の内側（出射端部５ａが位置する側）の面において、出射端部５ａと対向する位置に固定されている。また、この透明板は、発光装置１０の透明板９と同じ材料を用いて作製されている。

このように、ヘッドランプ１は、実施の形態１と同様、出射端部５ａから出射されるレーザ光が、レーザ光照射面７ａに水平方向に拡散して照射されるため、発光部７に含まれる蛍光体の全体に亘って低エネルギー状態の電子が高エネルギー状態に効率良く励起する。本実施の形態においても、発光部７から放射される光束が約２０００ｌｍ、かつ、発光部７の輝度が１００ｃｄ／ｍｍ^２という高輝度・高光束の発光装置を有するヘッドランプ１を実現することができる。

反射鏡８は、発光部７から出射した蛍光を反射することにより、所定の立体角内を進む光線束を形成するものである。すなわち、反射鏡８は、発光部７からの光を反射することにより、ヘッドランプ１の前方へ進む光線束を形成する。この反射鏡８は、例えば、金属薄膜がその表面に形成された曲面形状（カップ形状）の部材であり、反射した光の進行方向に開口している。言い換えれば、反射鏡８は、光線束の進む方向に開口した開口部を有するものといえる。

反射鏡８の開口部の面積（レンズの面積）は、例えば３００ｍｍ^２（もしくは１００ｍｍ^２）以上２０００ｍｍ^２より小さく（開口部の直径（光学系直径）１９．５ｍｍ以上５０ｍｍより小さく）なるように設計されている。すなわち、反射鏡８にて反射した光が出射される方向（車両の真正面）から見たときの反射鏡８の大きさが３００ｍｍ^２以上２０００ｍｍ^２より小さくなるように設計されている。また、開口部の面積は、この範囲に限らず、５００ｍｍ^２以上１５００ｍｍ^２より小さく（開口部の直径（光学系直径）２５．２ｍｍ以上４３．７ｍｍより小さく）なるように設計されていてもよい。なお、開口部とは、反射鏡８にて反射した光の進行方向に対して垂直な平面（反射鏡８の、ヘッドランプ１（自装置）の外部に出射される光の進行方向に垂直な平面）で、かつ、レンズ１４が固定された面ともいえる。

レンズ１４は、発光部７から出射された光を集光し、集光した光をヘッドランプ１の前方へ投影するものであり、反射鏡８の開口部に備えられている。言い換えれば、レンズ１４は、反射鏡８の開口部に固定される、上記光線束が透過する部材であるといえる。本実施の形態では、金属製の反射鏡８と、透明性を有するレンズ１４とを接合することにより、半導体レーザ３、光ファイバー５および発光部７を一体に気密封止（密封）している。なお、レンズ１４の代わりに、例えば発光装置１０の透明板９が備えられてもよい。すなわち、反射鏡８と接合されることで、半導体レーザ３、光ファイバー５および発光部７を一体に気密封止できる構成であればよい。

ここで、反射鏡８とレンズ１４との接合例について、図８を用いて説明する。図８は、図６に示す反射鏡８とレンズ１４との接合部分Ｂにおける反射鏡８の先端部の形状を示す図であり、図８（ａ）は、シール材４１により接合された場合の反射鏡８の先端部の形状を示すものであり、図８（ｂ）は、パッキン４２を用いて接合された場合の反射鏡８の先端部の形状を示すものである。

図８（ａ）に示すように、反射鏡８の先端部８ａは、反射鏡８の内側（レンズ１４が取り付けられる側）が切断され、先端部８ａ以外の反射鏡８の厚さよりも細く作製されている。この先端部８ａの切断された部分に、レンズ１４の先端部と、当該先端部を囲むようにシール材４１とを挿入する。シール材４１としては、例えば、耐水性、耐熱性、耐候性および接着性に優れたシリコンシーラントが用いられる。シール材４１は、上記切断された部分へ挿入されると、硬化してゴム状となり、反射鏡８とレンズ１４とを隙間なく接着させる。すなわち、反射鏡８とレンズ１４との界面（接触部位）は、シール材４１によって接着される。このように、反射鏡８の先端部８ａとレンズ１４の先端部とをシール材４１にて接着することにより、気密空間Ａ１の気密性を確保することが可能となる。

また、図８（ｂ）では、反射鏡８の先端部８ａの外側が切断され、その切断された部分に（すなわち先端部８ａの外周に沿って）螺旋状の溝を形成することにより、先端部８ａに雄ねじが形成されている。また、ねじ付きリング４３は、反射鏡８の開口部における外周とほぼ同じ内径を有する環状部材であり、先端部８ａに形成された雄ねじと嵌合するように、その内側に雌ねじとしての溝が形成されているものである。すなわち、このねじ付きリング４３を先端部８ａにねじ込むことにより、ねじ付きリング４３と先端部８ａとが嵌合される。

ねじ付きリング４３を先端部８ａにねじ込む途中に反射鏡８の内側に形成される、先端部８ａとねじ付きリング４３との間の空間に、レンズ１４の外周部とパッキン４２とを挿入する。パッキン４２は、レンズ１４の外周部が先端部８ａとねじ付きリング４３とに接触しないようにするために、その外周に沿うように設けられる。上記空間内にレンズ１４とパッキン４２とが挿入された後、さらにねじ付きリング４３をねじ込むことで、反射鏡８とレンズ１４とにより気密空間Ａ１が形成される。すなわち、反射鏡８とレンズ１４との界面は、パッキン４２を介して接着されているといえる。

なお、パッキン４２としては、例えば、断面がＯ形（円形）の環型をした密封用（シール用）部材であるＯリング（O-ring）が用いられる。また、このＯリングの材質としては、ゴム、テフロン（登録商標）などが挙げられる。また、ねじ付きリング４３は、反射鏡８と同じ材質であるが、先端部８ａにねじ込むことが可能な部材であればその材質はどのようなものであってもよい。

このように、反射鏡８の先端部８ａとレンズ１４の外周部とをパッキン４２を介してねじ止めすることにより、気密空間Ａ１の気密性を確保することが可能となる。なお、図８（ｂ）では、レンズ１４は、片側のみ凸レンズとした構成となっているが、図６および図８（ａ）と同様、両面を凸レンズとしたものを用いてもよい。

また、気密空間Ａ１の気密性を確保するために、図８（ａ）および図８（ｂ）の何れの構成を用いてもよいが、レンズ１４の交換など、反射鏡８とレンズ１４とを分解することを考慮する場合には、図８（ｂ）のパッキン４２を介してねじ止めを行う構成を用いた方がよい。

なお、半導体レーザ収納部２は、反射鏡８を貫くことにより反射鏡８に支持されているが、これらの部材を図８（ａ）および図８（ｂ）と同様に接合することにより、気密空間Ａ１の気密性を確保するようにしてもよい。すなわち、半導体レーザ収納部２および反射鏡８の各界面の間に、シール材４１を挿入するか、パッキン４２を介してねじ止めすることにより、半導体レーザ収納部２と反射鏡８とを接合してもよい。また、半導体レーザ収納部２全体が反射鏡８内（気密空間Ａ１）に入れ込まれた構成の場合には、電源コード２６だけを反射鏡８から引き出し、当該引き出された部分を、例えばシール材４１で密閉するようにしてもよい。

さらに、半導体レーザ収納部２が反射鏡８の外部に設けられるようにした場合には、半導体レーザ収納部２内部が密封されており、当該内部に光ファイバー５の入射端部５ｂが入り込み、光ファイバー５が反射鏡８を貫くように構成されている。この場合にも、反射鏡８と光ファイバー５との界面をシール材４１などで接着するようにすることで、気密空間Ａ１の気密性を確保することが可能である。

このように、反射鏡８とレンズ１４とが接合されることにより、少なくとも半導体レーザ３、光ファイバー５および発光部７を囲む構成が実現される。また、反射鏡８とレンズ１４とが接合されることにより、これらの部材が形成する内部空間が気密封止されることにより、気密空間Ａ１が形成される。言い換えれば、反射鏡８およびレンズ１４により気密された気密空間Ａ１が形成され、当該気密空間Ａ１内に、半導体レーザ３、光ファイバー５および発光部７が備えられているといえる。このため、内部空間（気密空間Ａ１）に埃が入り込むことを防ぐことができるので、半導体レーザ３から出射されたレーザ光（あるいは光ファイバー５から出射されたレーザ光）が埃にあたって散乱することによる発光効率の低下を防ぐことができる。

また、気密空間Ａ１には、水分濃度が１０００ｐｐｍ以下、より好ましくは２００ｐｐｍ以下の乾燥窒素が充填されている。言い換えれば、反射鏡８およびレンズ１４が形成する囲繞構造の内部は、気密されているとともに、所定の水分濃度の気体が充填されている構成であるといえる。

本実施の形態では、実施の形態１と同様、半導体レーザ３の出力および発光部７の大きさ（レーザ光照射面７ａの面積）が、０．１Ｗ／ｍｍ^２より大きい光密度を実現している。このため、実施の形態１にて説明したように、気密空間Ａ１に、水分濃度が１０００ｐｐｍ以下、より好ましくは２００ｐｐｍ以下の乾燥窒素を充填した場合であっても、半導体レーザ３のレーザ光を出射する表面、光ファイバー５の出射端部５ａおよび入射端部５ｂの表面、並びに、レーザ光が照射される発光部７の表面への堆積物の付着を防止することができる。従って、ヘッドランプ１では、堆積物がレーザ光の進路を遮断してしまうといった不具合を未然に防ぐことができるので、堆積物付着によるレーザ光の伝送ロスが生じず、発光部７が発する光の光束の低下を防ぎ、ひいては発光効率の低下を防ぐことができる。

また、実施の形態１と同様、水分濃度が１０００ｐｐｍ以下である場合の乾燥窒素の露点は−２０℃である。このため、−２０℃より温度の高い場所であればたとえ寒冷地において、本実施の形態に係るヘッドランプ１を使用したとしても、結露を生じることない。すなわち、ヘッドランプ１について、信頼性の高い動作を保障することができる。

さらに、水分濃度が２００ｐｐｍ以下である場合の乾燥窒素の露点は−３５℃以下であるため、さらに低温の寒冷地においてヘッドランプ１を使用したとしても、結露を生じることがない。従って、この場合には、実用上十分な程度に、主要部品（半導体レーザ３、光ファイバー５、発光部７、反射鏡８、レンズ１４など）の結露を防ぐことができる。

以上のように、ヘッドランプ１は、反射鏡８およびレンズ１４により気密された気密空間Ａ１が形成され、当該気密空間Ａ１内に、少なくとも半導体レーザ３および発光部７が備えられるとともに、所定の水分濃度以下の気体が充填されている構成である。これにより、堆積物の付着に起因した発光効率の低下を防ぐことができるので、長期間に亘り、輝度・光束を一定に維持することが可能なヘッドランプ１を実現することができる。

なお、ヘッドランプ１は、上記部材の他、ハウジング、エクステンションおよび外部レンズを備えた構成であってもよい。この場合、ハウジングは、ヘッドランプ１の本体を形成しており、反射鏡８等を収納している部材である。エクステンションは、反射鏡８の前方の側部に設けられており、ヘッドランプ１の内部構造を隠して見栄えを良くするとともに、反射鏡８と車体との一体感を高めている。このエクステンションも反射鏡８と同様に金属薄膜がその表面に形成された部材である。外部レンズは、ハウジングの開口部に設けられており、ヘッドランプ１を密封している部材である。発光部７が発した光は、外部レンズを通ってヘッドランプ１の前方へ出射される。

〔気密空間Ａ１に充填される気体について〕
ここで、気密空間Ａ１に充填される気体として、実施の形態１では空気、実施の形態２では窒素を用いた例を挙げて説明したが、これに限らず、アルゴンガスなどの不活性ガスを用いてもよい。すなわち、上記充填される気体は、水分濃度を制御しやすく、容易に入手可能で、毒性がないといった条件を満たせば、どのような気体であってもよい。

ただし、気密空間Ａ１に水素を充填した場合、半導体レーザ３に用いられるＧａＮ中の不純物(ドーパント)と結びつき、半導体レーザ３を不活性化させてしまい、半導体レーザ３の特性を悪化させてしまう。また、気密空間Ａ１を真空雰囲気とした場合、気密空間Ａ１が破られると、水分を含む周囲雰囲気を一気に吸い込んでしまうため、急激に、光学パーツの表面に堆積物が付着してしまい、発光効率を低下させてしまう。従って、半導体レーザ３の特性の悪化や、気密空間Ａ１が破られたときの急激な発光効率の低下を考慮する場合には、気密空間Ａ１に水素を用いたり、気密空間Ａ１を真空雰囲気とすることは避けた方が好ましい。なお、光学パーツとは、レーザ光を照射する半導体レーザ３の表面、角錐台状光学部材２１の光入射面２１１および光出射面２１２、光ファイバー５の出射端部５ａおよび入射端部５ｂ、発光部７のレーザ光照射面７ａなどを指す。

〔本発明の別表現〕
なお、本発明は、以下のようにも表現できる。

本発明に係る発光装置は、ＧａＮ系の発光ダイオードや半導体レーザ素子からなる固体素子励起光源と、励起光源から放射される励起光を集光・導光する手段と、点状蛍光体発光部と、を組み合わせた高輝度・高光束な固体素子光源に関するものであり、前記励起光源と、集光・導光手段と蛍光体発光部とが一体に封止・密封されていることを特徴とする。

また、本発明に係る発光装置は、前記一体に封止・密封する手段として、光学系部材である反射鏡・レンズを用いてもよい。

また、本発明に係る発光装置は、封止・密封の雰囲気は水分濃度が１０００ｐｐｍ以下の乾燥空気（ドライエア）がもっとも適当であり、その他に水分濃度が１０００ｐｐｍ以下の真空や窒素雰囲気であってもよい。

〔補足〕
本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施の形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

例えば、励起光源として高出力のＬＥＤを用いてもよい。この場合には、４５０ｎｍの波長の光（青色）を出射するＬＥＤと、黄色の蛍光体、または緑色および赤色の蛍光体とを組み合わせることにより白色光を出射する発光装置を実現できる。

また、励起光源として、半導体レーザ以外の固体レーザ、例えば高出力の発振が可能な発光ダイオードを用いてもよい。ただし、半導体レーザを用いる方が、励起光源を小型化できるため好ましい。

また、半導体レーザ３からのレーザ光が発光部７のレーザ光照射面７ａに適切に照射されるように半導体レーザ３と発光部７とだけを一体に封止した構成（角錐台状光学部材２１および光ファイバー５を必要としない構成）であってもよい。

また、半導体レーザ３と、角錐台状光学部材２１の光入射面２１１または光ファイバー５の入射端部５ｂとの間には、非球面レンズが備えられていてもよい。この非球面レンズは、半導体レーザ３から発振されたレーザ光を、角錐台状光学部材２１の光入射面２１１（または光ファイバー５の入射端部５ｂ）に入射させるためのレンズである。例えば、非球面レンズとして、アルプス電気製のＦＬＫＮ１ ４０５を用いることができる。上述の機能を有するレンズであれば、非球面レンズの形状および材質は特に限定されないが、４０５ｎｍ近傍の透過率が高く、かつ耐熱性のよい材料であることが好ましい。

また、反射鏡８の開口部は、車両の真正面からみたとき円形であるが、これに限らず、反射鏡８により反射した光が効率よく外部に出射されるのであれば、楕円や矩形などであってもよい。

本発明は、長期間に亘り、高輝度・高光束を一定に維持することが可能な発光装置および照明装置であり、特に車両用のヘッドランプに適用することができる。

１ ヘッドランプ（照明装置）
３ 半導体レーザ（励起光源）
７ 発光部
７ａ レーザ光照射面（受光面）
８ 反射鏡
１０ 発光装置
１４ レンズ（光透過部）
２１ 角錐台状光学部材（導光部）
２２ 台座（支持体）
２３ 透明蓋（蓋部）
Ａ１ 気密空間

Claims (8)

1. 励起光を出射する励起光源と、
   上記励起光源から出射された励起光を受けて発光する発光部と、を備え、
   上記励起光源および上記発光部が、気密された気密空間内に備えられるともに、当該気密空間には、所定の水分濃度以下の気体が充填されていることを特徴とする発光装置。
2. 上記発光部は、上記励起光源から出射された励起光を受光する受光面を有し、
   上記受光面の単位面積あたりに照射される励起光の放射束が、０．１Ｗ／ｍｍ^２より大きく、
   上記所定の水分濃度が、１０００ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 上記所定の水分濃度が、２００ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
4. 上記気体は、空気あるいは窒素であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の発光装置。
5. 上記励起光源を支持する支持体と、
   上記支持体に対して、上記励起光源および上記発光部を覆うように固定される蓋部と、を備えることにより、上記気密空間が形成されることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の発光装置。
6. 上記気密空間内に、上記励起光源が出射した励起光を受け取り、当該励起光を出射する導光部を備え、
   上記発光部は、上記導光部を介して、上記励起光源から出射された励起光を受けることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の発光装置。
7. 請求項１から６の何れか１項に記載の発光装置を備える照明装置。
8. 励起光を出射する励起光源と、
   上記励起光源から出射された励起光を受けて発光する発光部と、
   上記発光部が出射した光を反射することにより、所定の立体角内を進む光線束を形成し、当該光線束が進む方向に開口した開口部を有する反射鏡と、
   上記反射鏡の開口部に固定される、上記光線束が透過する光透過部と、を備え、
   上記反射鏡および上記光透過部により気密された気密空間が形成され、当該気密空間内に、上記励起光源および上記発光部が備えられるとともに、所定の水分濃度以下の気体が充填されていることを特徴とする照明装置。
   

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