JP2012053995A - 投光構造体および照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一定の大きさを持つ発光部材に対して特に、反射部材の光学的な効率が高くなる投光構造体を提供する。
【解決手段】投光構造体１０は、頂点ｔ近傍に焦点ｆが位置する深い凹面に形成された反射面１１ａを有する反射部材１１と、前記焦点ｔ及びその周辺に配置され、励起光により励起されることにより光を出射する発光部材１２と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、焦点に配置された発光部材から出射される光を反射部材により反射して放出する投光構造体および照明装置に関する。

従来、放物面等の凹面に形成された反射面を有する反射部材（反射鏡）の焦点に、蛍光体を含む発光部材を配置し、蛍光体が励起されて発光部材から出射される光を反射部材により反射し、略平行光を放出する投光構造が周知である。

従来は、特許文献１の図３等に記載されているように、浅い反射面を有する反射部材の出口に位置する焦点に発光部材が配置されている例（図５（ｂ）参照）や特許文献２の図８等に記載されているように、中程度の深さの反射面を有する反射部材の内部に位置する焦点に発光部材が配置されている例（図５（ｃ）参照）が開示されている。

特開２００５−１５００４１号公報（図３参照） 特開２００４−３５４４９５号公報（図８参照）

発光部材が完全な点光源であれば、反射面の深さが変わっても、その深さに応じて決まる焦点位置に点光源を設ければいずれの構成の投光構造体からも平行光が放出されるはずである。しかしながら、発光部材はある一定の大きさを持つ以上、光学的に理想的な完全な点光源を実現することは不可能である。いままで、このように光学的に完全に点光源ではない、ある一定の大きさを持つ発光部材に対して、反射面の深さや発光部材の位置との関係で、反射部材の光学的な効率が論じられることはなかった。

本発明は、光学的に完全に点光源ではない、ある一定の大きさを持つ発光部材に対して特に、反射部材の光学的な効率が高くなる投光構造体を提供することを目的とする。また、本発明は、そのような投光構造体を備える照明装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の投光構造体は、頂点近傍に焦点が位置する凹面に形成された反射面を有する反射部材と、前記焦点及びその周辺に配置され、励起光により励起されることにより光を出射する発光部材と、を有することを特徴としている。

この構成によると、反射面は、緩いカーブから構成される側面部分と、急なカーブから構成される頂点部分とを有する半紡錘形となり、反射面の大部分が緩いカーブとなる。このカーブが緩やかな部分に当たる光線は、発光部材の焦点位置からズレた位置から出射した光線においても、焦点位置から出射した光線に比較的近い角度で放出される。このため、完全な点光源でない、大きさを持つ発光部材に対して特に反射部材の光学的な効率を高めることが出来る。

また、本発明の投光構造体は、前記発光部材が、前記反射面の頂点部に取り付けられたことを特徴としている。この構成によると、発光部材を反射部材に直接取り付けられるので、発光部材を反射面の焦点に保持する部材が不要である。よって、発光部材および反射部材の光学的なロスが極めて小さくなる。これにより、反射面の光学的な効率の向上に寄与する。また、発光部材から発生する熱が反射部材に伝熱され、反射部材の表面から効率良く放熱される。

また、本発明の投光構造体は、前記反射面が、回転放物面に形成されていることを特徴としている。この構成によると、放出光が略平行光となるので、遠方に投光することが出来る。

また、本発明の投光構造体は、前記回転放物面が複合放物面であることを特徴としている。この構成によると、放出光の拡がりを制御して投光することが出来る。

また、本発明の投光構造体は、前記反射面が、頂点と焦点を結ぶ軸を含む面で分割した形状に形成されたことを特徴としている。この構成によると、反射面の焦点位置へのアクセスが容易になり、反射部材の光学的な効率の向上に寄与する。また、投光構造体のサイズを、反射面が回転対称面であるものに対して半分に削減出来るため、小型化を実現出来る。

また、本発明の投光構造体では、発光部材として蛍光体を含むものを好適に使用することが出来る。本発明の投光構造体を照明用途に使用するときは、放出光は白色光にするのが好ましい。例えば、蛍光と励起光を混色して白色光にして放出するものや、異なる色の蛍光の混色により白色光として放出するものが望ましい。

また、本発明の投光構造体は、前記励起光としてレーザ光を好適に使用することが出来る。これによると、発光部材の励起光が入射される部位の面積を小さくできるので、発光部材を小型化することが可能となる。

また、本発明の照明装置は、上記構成の投光構造体と、前記励起光を出射する励起光源と、を備えたことを特徴としている。この構成によると、本発明の投光構造体を、乗用車、鉄道、航空機、船舶等の移動体用の前照灯やプロジェクタ用光源として利用することが出来る。

本発明によると、完全な点光源でない、大きさを持つ発光部材に対して特に反射部材の光学的な効率を高めることが出来る。

本発明の投光構造体の一例を示す概略図 本発明の有効性を実証した実験装置の概略図 実験に用いた投光構造体の各種パラメータを示す説明図 反射面の深さを横軸、反射面効率を縦軸にとり、実験結果をプロットしたグラフ 仮想点光源から全方位に出射された光線のうち、ターゲット方向に放出される光線の割合が、反射面の深さによってどのように変化するかを示す説明図 図４から実験例１の結果を抽出したグラフ 図４から実験例２の結果を抽出したグラフ 大きさを持つ発光部材の異なる位置から特定の方向に出射された光線の軌跡が、反射部材の深さによってどのように変化するかを示す説明図 第１の実施形態による照明装置の概略構成を示す側断面図 第２の実施形態による照明装置の概略構成を示す側断面図 第３の実施形態による照明装置の概略構成を示す側断面図 第４の実施形態による照明装置の概略構成を示す側断面図

以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

＜投光構造体＞
図１は、本発明の投光構造体の一例を示す概略図である。図１に示すように、本発明の投光構造体１０は、頂点ｔ近傍に焦点ｆが位置する深い凹面に形成された反射面１１ａを有する反射部材１１と、焦点ｆ及びその周辺に配置され、励起光により励起されることにより光を出射する発光部材１２と、を有する。ここで、反射部材１１の反射面１１ａは、放物面に形成されているものとする。

まず、本発明の有効性を実証した実験について説明する。図２は、実験装置の概略図である。図３は、実験に用いた投光構造体の各種パラメータを示す説明図である。

図２に示すように、投光構造体１００は、凹面の反射面１０１ａ（図３参照）を有する反射部材１０１と、反射面１０１ａの焦点およびその周辺を占有するように配置された発光部材１０２とを備える。

図２において、Ｔは、直径５ｍ（半径２．５ｍ）の円形ターゲットである。ターゲットＴは、反射部材１０１の光線の出口１０１ｂから２５ｍ離れた地点に、出口１０１ｂと正対する向きで配置される。ターゲットＴは、反射部材１０１の中心軸と直交し、その交点はターゲットＴの中心と一致する。ターゲットＴの設置位置および大きさは、例えば、投光構造体１００を自動車のヘッドライトとして用いることを想定した時に、夜間の自動車の運転中に、運転席から確認すべき人物、障害物、標識等を想定したものとなっている。

また、図２において、１０３は、発光部材１０２に励起光を照射する励起光源である。励起光源１０３としては、半導体レーザ素子、固体レーザ、気体レーザ等といったレーザ光源や発光ダイオード等を用いることが出来る。レーザ光源は指向性が高いので、励起光源１０３として用いた場合、効率良く発光部材１０２に光を照射することが出来る。半導体レーザ素子を用いた場合、光源装置を小型にできる。また、固体レーザ、気体レーザ等を用いた場合、励起光の出力が高いので、放出光を明るく出来る。発光ダイオードを用いた場合、小型で安価に出来る。

反射部材１０１は、発光部材１０２から出射された光を反射して所定の方向に放出する。放出光の方向は、反射面１０１ａの幾何学的形状に依存する。ここでは、放物面とし、遠方に向かう略平行光を得ている。このような反射部材１０１は、例えば、反射面の形状をした凹面を備えた基材を樹脂成形し、その基材の凹面に金属層を鍍着や蒸着によって形成することで作製することが出来る。

発光部材１０２は、励起光を吸収して蛍光を発生する蛍光体の粉末をガラスや樹脂などに混ぜて固めたもの、あるいは、蛍光物質の粒子をバインダーに混ぜて塗布したもの、あるいは、蛍光体の粒子を焼結・プレス成形などで固めたものなど、蛍光体の粒子を何らかの方法でバルク状に加工したもの、あるいはバルク内に分散させたものを意味する。こうすることにより、発光部材１０２を任意の形、サイズに形成できる。蛍光体から発生した蛍光は発光部材１０２の表面に達し、そこから光線が全方位に出射（放射）される。

蛍光体は、用途に応じて公知の材料から選択して用いればよい。例えば、照明用途の場合には、半導体レーザ素子からの波長４０５ｎｍの光により励起され、赤色（例えば、Y₂O₂S:Eu³⁺）、緑色（例えば、ZnS:Cu、Al）、青色（例えば、（Sr,Ca,Ba,Mg）₁₀(PO₄)₆:Eu²⁺)）の蛍光を発生する蛍光体の各々を、各蛍光の混色が白色となるように割合で含むものを用いることが出来る。また、半導体レーザ素子からの波長４４５ｎｍの青色光により励起され、黄色の蛍光を発生する蛍光体（例えば、Y₃Al₅O₁₂:Ce）を用いて、青色の励起光と混色されることにより白色となるようにしても良い。

上記のように構成された実験装置を用いて次のような２つのシリーズの実験を行う。一方のシリーズを実験例１、他方のシリーズを実験例２と称する。各実験例で用いた反射部材と発光部材の各種パラメータを図３及び下表１、２にまとめる。

図３及び表１に示すように、反射部材１０１は、実験例１、２共に、反射面１０１ａが回転放物面に形成されているものであり、反射面の出口径φ１が一定（３０ｍｍ）で、反射面の深さＬ１のみが異なるバリエーションを多数用意している。表１に示すように、放物線係数ａは、放物線（ｙ＝ａｘ²）の形を規定する係数であり、反射面の深さＬ１に比例する。従って、感覚的ではあるが、反射面の深さＬ１が大きくなるほど、反射面１０１ａの形は、底の浅いお椀形（図８（ａ）参照）から中間の深さの釣り鐘形（図８（ｂ）参照）を経て、底の深い半紡錘形（図８（ｃ）参照）へと変化していくことになる。焦点距離Ｌｆは、図３に示すように、反射面（放物面）の頂点ｔから焦点ｆまでの距離であり、表１に示すように放物面の深さＬ１に反比例する。従って、反射面の深さＬ１が大きくなるほど、焦点は頂点に近づくことになる。

また、図３及び表２に示すように、発光部材１０２は、実験例１、２共に、円柱形に形成されているが、サイズが異なる。発光部材１０２のサイズは、厚みＬ２は一定（１ｍｍ）で、直径φ２のみが異なり、直径φ２は実験例１が１ｍｍ、実験例２が２ｍｍに設定されている。図３に示すように、発光部材１０２は、中心が反射面の焦点ｆに位置決めされ、円柱の軸が反射面の頂点ｔと焦点ｆを結ぶ線と一致する向きで配置される。この配置により、発光部材１０２は、反射面の焦点ｆおよびその周辺を占有している。

以上のように構成された実験装置を用いて、反射部材１０１の出口から２５ｍ離れた地点における直径５ｍの円形ターゲットに入射した光束を計測した。そして、発光部材から出射した全光束のうち、ターゲットに入射した光束の割合を、「反射面効率」と定義し、実験例１、実験例２のそれぞれについて反射面の深さＬ１（図３参照）を横軸、反射面効率を縦軸にとり、実験結果をプロットしたグラフを図４に示す。図４には、発光部材が点光源と仮定した場合の想定される反射面効率も併せて示す。

反射面の深さに対する反射面効率の関係は、仮想点光源では、図４に点線で示すように、単調増加となることが予想される。上述したように、焦点は、反射面の深さが大きくなるほど頂点に近づく。すなわち、図５（ａ）に示すように、かなり浅い反射面１０１ａでは、焦点ｆは、反射面の出口１０１ｂよりも外側にあり（Ｌｆ＞Ｌ１）、反射面１０１ａが深くになるにつれて、図５（ｂ）のように、焦点ｆが反射面の出口１０１ｂに一致する状態（Ｌｆ＝Ｌ１）を境に、図５（ｃ）のように焦点ｆが反射面の出口１０１ｂよりも内側に位置するようになり、さらに深くなると、図５（ｄ）に示すように、焦点ｆが頂点ｔの近傍に位置するようになる。そして、このような順で、焦点ｆから全方位に出射された光線のうち、反射面１０１ａに入射する光線の割合が増加する。この現象は、仮想点光源であっても、大きさを持つ発光部材であっても同じである。ただ、仮想点光源の場合は、反射部材１０１から完全な平行光が放出されるはずであるので、放出光の拡がりがなく、反射される光は１００％ターゲット方向に向かう。従って、上記のようにグラフは単調増加のグラフになる。

他方、実験例１、２のように発光部材１０２が大きさを持つ場合は、点光源とは見なせないので、放出光の拡がりが無視できず、このような単純な単調増加のグラフとはとはならない。すなわち、図４に実線（実験例１）および破線（実験例２）でそれぞれ示すようなグラフである。図６、図７に、実験例１、２のグラフをそれぞれ抽出して示すように、発光部材が大きさを持つ場合は、反射面の深さ段階によって反射面効率の変化に違いがあることが見いだされた。

より詳細には、第１段階として、反射面の深さが浅い範囲では、反射面効率は反射面の深さの増加に伴って増加していき（同図に“浅い”と示した範囲参照）、ある深さで極大を記録した後、第２段階として、反射面の深さが中程度の範囲では、反射面効率は反射面の深さの増加に伴って減少していき（同図に“中間”と示した範囲参照）、ある深さで極小を記録した後、第３段階として、反射面の深さが深い範囲では、再び反射面効率は反射面の深さの増加に伴って増加していく（同図に“深い”と示した範囲参照）。

なお、反射面効率が極大となる点と極小となる点は、実験によって定まるものであって、理論的に求まるものではない。また、グラフが途切れているのは、焦点が頂点に近づいていくと、大きさを持つ発光部材が反射面に当接し、それ以上頂点に近い位置に発光部材を配置することが出来なくなることを意味する。従って、途切れた点は反射面の深さの事実上の上限である。

このような特異な現象は、次のような理由によるものと推測される。

まず、放物線の深さと放物線の形について検討する。一般式ｙ＝ａｘ²で表された放物線では、ｘ＝ｐでの曲率ｋは、ｋ＝２ａ／（１＋（２ａｐ）²）^2/3で表される。放物線係数ａは、反射面の深さＬ１（図３参照）に比例するので、感覚的には、反射面の深さＬ１が大きくなると、頂点（ｘ＝０）を中心としてその周辺に曲率が大きな部分が現れ、その曲率が大きな部分は、反射面の深さが大きくなるほど、頂点付近に収束するように縮小していく。

このような検討の下、具体的な反射面の形に基づいて説明する。図８は、発光部材から特定の方向に出射される光のうち、発光部材の両端に位置する部位から出射された光線の軌跡を示している。図８には、焦点位置の仮想点光源からその方向に出射される光線の軌跡も点線で併せて示す。図８の各図に実線で示すように、発光部材１０２が理想的な点光源ではなくて大きさを有する場合、発光部材１０２から出射される光線は、焦点ｆからズレた位置から出射される。

反射面の深さが“浅い”範囲では、図８（ａ）に示すように、全体的に放物線のカーブが比較的緩やかなお椀形となり、光線が当たる位置によらず、焦点ｆからズレた位置から出た光線は、仮想点光源から出射した光線に比較的近い角度で放出される。このため、ターゲットを外す光線が少なくなり、反射面の深さの増加とともに反射面効率が増加していくという傾向が現れるものと考えられる。

また、反射面の深さが“深い”範囲では、図８（ｃ）に示すように、緩いカーブから構成される側面部と、急なカーブから構成される頂点部とを有する半紡錘形となり、反射面の大部分が緩いカーブとなる。このカーブが緩やかな部分に当たる光線は、焦点ｆからズレた位置から出射した光線も、仮想点光源から出射した光線に比較的近い角度で放出される。このため、ターゲットを外す光線が少なくなり、反射面の深さの増加とともに反射面効率が増加していくという傾向が現れるものと考えられる。

これに対して、反射面の深さが“中間”の範囲では、図８（ｂ）に示すように、“深い”反射面（図８（ｃ）参照）に比べて、カーブが緩やかな部分の割合が少ない釣り鐘形となる。カーブが急な部分に当たった光線は、光線の当たる位置によって反射方向が左右され、焦点位置からのズレによる平行光からのズレか大きくなる。このため、ターゲットを外す光線が多くなり、反射面の深さの増加に伴って反射面効率が減少するという、逆の傾向が現れるものと考えられる。

図１に一例を示すように、本発明の投光構造体１０は、“深い”反射面を有する半紡錘形の反射部材１０１（図８（ｃ）参照）の中でも、特に、焦点ｆが頂点ｔ近傍に位置する反射部材１１を備える。例えば、反射面１１ａのアスペクト比（Ｌ１／φ１）が概ね１以上で、かつ、焦点距離（Ｌｆ）が概ね２ｍｍ以下となる範囲である。なお、これらの数値は概念を具体的に表現したものではあるが、本発明の投光構造体１０で用いられる反射部材１１の反射面１１ａの特性は、これらの数値に限定されない。従って、本発明の投光構造体１０によると、完全な点光源でない、大きさを持つ発光部材１２３に対して特に反射部材１１の光学的な効率を高めることが可能となる。

＜投光構造体を備えた照明装置＞
次に、本発明の投光構造体を用いた照明装置の実施形態を説明する。

次に、照明装置の第１の実施形態について説明する。図９は、第１の実施形態による照明装置の概略構成を示す側断面図である。

図９に示すように、本実施の形態の照明装置１は、本発明の投光構造体２０と、複数の半導体レーザ素子（励起光源）１３と、各半導体レーザ素子１３に対応して設けられ半導体レーザ素子１３から発振されるレーザ光を光ファイバ１５の入射端に集光する複数の集光レンズ１４と、各半導体レーザ素子１３および各集光レンズ１４に対応して設けられ集光されたレーザ光を導光して出射する複数の光ファイバ１５と、複数の光ファイバ１５から出射される複数のレーザ光を平行光とするコリメートレンズ１６と、平行光とされた光を反射する反射板１７と、を有した構成である。

本実施の形態では、半導体レーザ素子１３は、１Ｗ出力の４０５ｎｍのレーザ光を発振するＧａＮ系半導体レーザ素子を用いている。また、半導体レーザ素子１３の個数は、８個とする。

コリメートレンズ１６は、結束された光ファイバ１５の出射端から出射されたレーザ光の光軸Ｌ１に直交するように配置されている。反射板１７は、反射部材１１の側面部に設けられた透孔１１ｃよりも前方に位置している。反射板１７の垂直軸からの傾き（図９中に符号αで示す）は、反射されたレーザ光の光軸Ｌ２が透孔１１ｃを通過して反射部材１１の頂点付近を指向するような角度に設定される。

投光構造体２０は、頂点近傍に焦点が位置する深い凹面に形成された回転放物面の反射面２１ａを有する反射部材２１と、反射部材２１の頂点部に取り付けられ、励起光により励起されることにより光を出射する発光部材２２と、を有する。

反射部材２１は、発光部材２２から出射された光を反射して前方（図左方）に略平行光を放出する。このような反射部材２１は、例えば、反射面の形状をした凹面を備えた基材を樹脂成形し、その基材の凹面に金属層を鍍着や蒸着によって形成することで作製することが出来る。発光部材２１は、側面部に、レーザ光を反射面２１ａの頂点部に向けて照射するための透孔２１ｃを有する。本発明の投光構造体では、反射部材が半紡錘形であるため、反射部材は、側面部にそのような透孔を設けるのに適した形である。

本実施の形態では、反射面２１ａのサイズは、出口径が４０ｍｍ、深さが９５ｍｍである。

発光部材２２は、励起光を吸収して蛍光を発生する蛍光体の粉末を透明樹脂やガラス中に均一分散させた固形物を好適に使用できる。こうすることにより、発光部材２２を任意の形、サイズに形成できる。蛍光体から発生した蛍光は発光部材２２の表面に達し、そこから光線が全方位に出射（放射）される。

本実施の形態では、発光部材２２は円柱形であり、サイズは、直径が３ｍｍ、厚みが１ｍｍである。

発光部材２２は、その底面部を用いて、反射面２１ａの頂点部に高熱伝導性接着剤により取り付けられる。高熱伝導性接着剤を使用するのは、発光部材２２の発熱を反射部材２１に伝熱させて放熱を促進するためである。なお、発光部材２２の底面を反射面１１ａの頂点部のすり鉢状の面に合わせてドーム状の面に形成すると、接着剤の使用量を少なく出来る。

このように発光部材２２を反射部材２１に直接取り付けることにより、反射部材２１自体で発光部材２２を保持出来るので、別の保持部材が不要となり、発光部材２２から出射される光束と反射部材２１から放出される光束のロスが極めて小さい。つまり、発光部材２２および反射部材２１の光学的なロスが極めて小さくなる。これにより、反射面２１ａの光学的な効率の向上に寄与する。なお、蛍光体の粉末を分散媒となる溶融樹脂に均一に混合し、このゲル状物を、出口を上にして垂直に立てた状態に固定した反射部材２１の反射面２１ａの頂点部に適量垂らし、固着させることにより、上記のサイズに近い発光部材２２を接着剤を用いずに設けることが可能である。

また、本実施の形態では、蛍光体は、半導体レーザ素子１３からの波長４０５ｎｍの光により励起され、赤色（例えば、Y₂O₂S:Eu³⁺）、緑色（例えば、ZnS:Cu、Al）、青色（例えば、（Sr,Ca,Ba,Mg）₁₀(PO₄)₆:Eu²⁺)）の蛍光を発生する蛍光体の各々を、各蛍光の混色が白色となるように割合で含むものを用いている。

本実施の形態の照明装置１によると、本発明の投光構造体２０を備えるので、完全な点光源でない、大きさを持つ発光部材２２に対して特に反射部材２１の光学的な効率を高めることが出来、遠方の照射対象を明るく照らすことが可能となる。また、励起光源としてレーザ光を用いるので、照明装置をコンパクトに出来る。

本実施の形態の照明装置によると、発光部材２２が高熱伝導性接着剤層を介して反射面２１ａに接しているので、発光部材２２の熱を反射部材２１を介して放熱することが可能である。従って、発光部材２２の放熱構造を別に設けなくても、蛍光体の温度消光を低減することが出来る。

次に、照明装置の第２の実施形態について説明する。図１０は、第２の実施形態による照明装置の概略構成を示す側断面図である。

本実施の形態の照明装置２では、本発明の投光構造体３０を構成する反射部材３１として、図１０に示すように、反射面３１ａが、回転放物面の頂点と焦点を結ぶ軸を含む面で分割した形状のものを採用している。反射部材３１は、金属製の基板３３上に設置される。

反射部材３１は、発光部材３２から出射された光を反射して前方（図左方）に略平行光を放出する。このような反射部材３１は、例えば、反射面の形状をした凹面を備えた基材を樹脂成形し、その基材の凹面に金属層を鍍着や蒸着によって形成することで作製することが出来る。反射部材３１は、側面部に、レーザ光を反射面３１ａの頂点部に向けて照射するための透孔３１ｃを有する。本発明の投光構造体では、反射部材が半紡錘形であるため、反射部材の側面部にそのような透孔を設けるのに適している。

本実施の形態では、反射部材３１のサイズは、出口は半径２０ｍｍの半円で、深さは９５ｍｍである。ちょうど、第１の実施形態で使用した反射部材１１の半分のサイズである。

本実施の形態では、発光部材３２は、第１の実施形態の発光部材２１と同一のものを使用している。

発光部材３２は、その側面部を用いて、反射面３１ａの頂点部に高熱伝導性接着剤により取り付けられる。なお、発光部材３２の底面部を用いて、基板３３上に高熱伝導性接着剤により取り付けるようにしても良い。この場合は、接着面積が多くなるので発光部材１２を確実に取り付けることが出来る。本実施の形態では、図示のごとく、発光部材３２のレーザ光の入射面（図中の上面）が、反射部材３１の側面と対向する向きであるので、反射部材３１の側面外側から透孔３１ｃを通して入射されるレーザ光の入射角を鋭角にすることが容易である。

本実施の形態の照明装置２のその他の構成は、第１の実施形態と同一である。

特に、本実施の形態の照明装置２によると、第１の実施形態の照明装置１と同様の効果を奏する他、次のような独特の効果を奏する。

本実施の形態の照明装置２によると、反射部材３１の反射面３１ａが回転放物面の半分のサイズなので、照明装置を一層コンパクトに出来る。

また、本実施の形態の照明装置２によると、発光部材３２の発熱を、反射部材３１だけでなく、金属製の基板３３を介しても放熱することが可能である。よって、蛍光体の温度消光をより効果的に低減することが出来る。

次に、照明装置の第３の実施形態について説明する。図１１は、第３の実施形態による照明装置の概略構成を示す側断面図である。

図１１に示すように、本実施の形態の照明装置３は、本発明の投光構造体４０と、複数の半導体レーザ素子（励起光源）４３と、各半導体レーザ素子４３に対応して設けられ半導体レーザ素子４３から発振されるレーザ光を光ファイバ４５の入射端に集光する複数の集光レンズ４４と、各半導体レーザ素子４３および各集光レンズ４４に対応して設けられ集光されたレーザ光を導光して出射する複数の光ファイバ４５と、複数の光ファイバ４５から出射される複数のレーザ光を平行光とするコリメートレンズ４６と、を有した構成である。

本実施の形態では、半導体レーザ素子４３は、１Ｗ出力の４４５ｎｍのレーザ光を発振するＧａＮ系半導体レーザ素子を用いている。また、半導体レーザ素子４３の個数は、６個とする。なお、第１の実施の形態の照明装置１のように、半導体レーザ素子４３として、１Ｗ出力の４０５ｎｍのレーザ光を発振するＧａＮ系半導体レーザ素子を用いても良い。

コリメートレンズ４６は、結束された光ファイバ４５の出射端から出射されたレーザ光の光軸Ｌ１に直交するように配置されている。コリメートレンズ４６に集光されたレーザ光は、透孔４１ｃを通過して反射部材４１の頂点付近を指向するような角度に設定される。

投光構造体４０は、頂点近傍に焦点が位置する深い凹面に形成された回転放物面の反射面４１ａを有する反射部材４１と、反射部材４１の頂点部に取り付けられ、励起光により励起されることにより光を出射する発光部材４２と、を有する。

反射部材４１は、発光部材４２から出射された光を反射して前方（図左方）に略平行光を放出する。このような反射部材４１は、例えば、反射面の形状をした凹面を備えた基材を樹脂成形し、その基材の凹面に金属層を鍍着や蒸着によって形成することで作製することが出来る。発光部材４１は、頂点部に、レーザ光を反射面４１ａの頂点部に向けて照射するための透孔４１ｃを有する。

本実施の形態では、反射面４１ａのサイズは、出口径が５０ｍｍ、深さが１２０ｍｍである。また、透孔４１ｃは、直径４ｍｍ未満の丸孔である。

発光部材４２は、励起光を吸収して蛍光を発生する蛍光体の粉末を透明樹脂やガラス中に均一分散させた固形物を好適に使用できる。こうすることにより、発光部材４２を任意の形、サイズに形成できる。蛍光体から発生した蛍光は発光部材４２の表面に達し、そこから光線が全方位に出射（放射）される。

本実施の形態では、発光部材４２は円柱形であり、サイズは、直径が４ｍｍ、厚みが１ｍｍである。

発光部材４２は、その底面部を用いて、反射面４１ａの頂点部の透孔４１ｃの周囲部に高熱伝導性接着剤により取り付けられる。高熱伝導性接着剤を使用するのは、発光部材４２の発熱を反射部材４１に伝熱させて放熱を促進するためである。なお、発光部材４２の底面を反射面４１ａの頂点部のすり鉢状の面に合わせてドーム状の面に形成すると、接着剤の使用量を少なく出来る。

このように発光部材４２を反射部材４１に直接取り付けることにより、別の保持部材が不要となり、発光部材４２や反射部材４１の光学的なロスが極めて小さくなる。これにより、反射面の光学的な効率の向上に寄与する。なお、蛍光体の粉末を分散媒となる溶融樹脂に均一に混合し、このゲル状物を、反射面の出口４１ｂを上にして垂直に立てた状態に固定した反射部材４１の反射面４１ａの頂点部に適量垂らし、固着させることにより、上記のサイズに近い発光部材４２を接着剤を用いずに設けることが可能である。

また、本実施の形態では、蛍光体は、半導体レーザ素子４３からの波長４４５ｎｍの青色光により励起され、黄色の蛍光を発生する蛍光体（例えば、Y₃Al₅O₁₂:Ce）を用いている。この蛍光体から発生される黄色の蛍光は、青色の励起光と混色されることにより白色となる。本実施の形態では、レーザ光の光軸Ｌ１方向には、発光部材４２以外にはなにもないので、蛍光体に吸収されない励起光を利用しやすい。

なお、半導体レーザ素子４３として波長４０５ｎｍｍのＧａＮ系半導体レーザ素子を用いる場合は、蛍光体は、第１の実施形態と同様に、波長４０５ｎｍの光により励起され、赤色（例えば、Y₂O₂S:Eu³⁺）、緑色（例えば、ZnS:Cu、Al）、青色（例えば、（Sr,Ca,Ba,Mg）₁₀(PO₄)₆:Eu²⁺)）の蛍光を発生する蛍光体の各々を、各蛍光の混色が白色となるように割合で含むもの用いれば良い。

特に、本実施の形態の照明装置３によると、第１の実施形態の照明装置１と同様の効果を奏する他、次のような独特の効果を奏する。

本実施の形態の照明装置３によると、透孔４１ｃが反射部材４１の頂点部に設けられているので、透孔が側面部にあるものより反射部材の光学的なロスが小さくなる。

次に、照明装置の第４の実施形態について説明する。図１２は、第４の実施形態による照明装置の概略構成を示す側断面図である。

本実施の形態の照明装置４では、本発明の投光構造５０を構成する反射部材５１として、図１２に示すように、反射面５１ａが、回転放物面の頂点と焦点を結ぶ軸を含む面で分割した形状のものを採用している。反射部材５１は、金属製の基板５３上に設置される。

反射部材５１は、発光部材５２から出射された光線を反射して前方に平行光を放出する。このような反射部材５１は、例えば、反射面の形状をした凹面を備えた基材を樹脂成形し、その基材の凹面に金属層を鍍着や蒸着によって形成することで作製することが出来る。

本実施の形態では、反射部材５１のサイズは、出口は半径２５ｍｍの半円で、深さは１２０ｍｍである。ちょうど、第３の実施形態で使用した反射部材４１の半分のサイズである。

発光部材５２は、第３の実施形態の発光部材４２と同一である。発光部材５２は、その側面部を用いて、反射面５１ａの頂点部に高熱伝導性接着剤により取り付けられる。なお、発光部材５２の底面部を用いて、基板５３上に高熱伝導性接着剤により取り付けるようにしても良い。この場合は、接着面積が多くなるので発光部材５２を確実に取り付けることが出来る。

基板５３は、レーザ光を反射面５１ａの頂点部に向けて照射するための透孔５３ａを有する。本実施の形態では、透孔５３ａは、直径４ｍｍ未満の丸孔である。

本実施の形態の照明装置４のその他の構成は、第３の実施形態と同一である。なお、図１２において、５４は、コリメートレンズ４６により平行光とされたレーザ光を反射して透孔５３ａを通過させるための反射板である。

特に、本実施の形態の照明装置４によると、第１の実施形態の照明装置１と同様の効果を奏する他、次のような独特の効果を奏する。

本実施の形態の照明装置４によると、反射部材５１の反射面５１ａが回転放物面の半分のサイズなので、照明装置を一層コンパクトに出来る。

また、本実施の形態の照明装置４によると、発光部材５２の発熱を、反射部材５１だけでなく、金属製の基板５３を介しても放熱することが可能である。よって、蛍光体の温度消光をより効果的に低減することが出来る。

また、本実施の形態の照明装置４によると、反射部材５１に透孔がなく、反射面５１ａを無欠の状態で利用できるので、反射部材５１の光学的なロスがほとんどない。

＜照明装置の応用例＞
上記実施形態の照明装置によると、白色光を略平行光として投光することが出来る。従って、移動体用の前照灯として利用価値が高い。ここでいう移動体としては、自転車、乗用車、鉄道等の車両の他、航空機、船舶、潜水艇等が含まれる。

＜投光構造体の変形例＞
上記の実施形態では、本発明の投光構造体に用いる反射部材は、放物面の反射面を有するものとして説明してきたが、本発明が適用される反射部材はこれには限定されず、頂点近傍に焦点を有する深い凹面の反射面を有するものであれば同様に適用が可能である。また、放物面を複合した反射面を有する反射部材を用いることも出来る。例えば、ＣＰＣ（Compound Parobora Consentrator）型のミラーを用いることが出来る。

以上、具体的実施の形態を挙げて本発明による照明装置を説明したが、本発明は励起光源の種類、励起光の波長および出力、蛍光体の種類、レーザ光を蛍光体に導く方法に依存しないものである。

例えば、上記の実施形態では、励起光源として半導体レーザ素子を用いた場合を説明したが、発光ダイオード、固体レーザ、気体レーザを用いることも可能である。

また、上記の実施形態では、複数の半導体レーザ素子は固有波長が同一のもので統一した場合を説明したが、異なる固有波長をもつ半導体レーザ素子を組み合わせて使用し、照明光として必要な色味を実現するようにしてもよい。例えば、半導体レーザ素子として４０５ｎｍ（青紫色）、６５０ｎｍ（赤色）の二種類の固有波長を使用し、蛍光体としてSiAlON（青緑色）を使用し、４０５ｎｍのレーザ光でSiAlON蛍光体を励起して青緑色に発光するが、赤みが足りない分を６５０ｎｍの半導体レーザ素子で補うようなものが考えられる。

本発明は、前照灯、スポットライト用光源等の各種照明装置に利用することができる。

１〜４ 照明装置
１０、２０、３０、４０、５０ 導光構造体
１１、２１、３１、４１、５１ 反射部材
１２、２２、３２、４２、５２ 発光部材
１３、４３ 半導体レーザ素子（励起光源）

Claims (8)

1. 頂点近傍に焦点が位置する深い凹面に形成された反射面を有する反射部材と、前記焦点及びその周辺に配置され、励起光により励起されることにより光を出射する発光部材と、を有することを特徴とする投光構造体。
2. 前記発光部材が、前記反射面の頂点部に取り付けられたことを特徴とする請求項２に記載の投光構造体。
3. 前記反射面が、回転放物面に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の投光構造体。
4. 前記回転放物面が、複合放物面であることを特徴とする請求項３に記載の投光構造体。
5. 前記反射面が、頂点と焦点を結ぶ軸を含む面で分割した形状に形成されたことを特徴とする請求項３または４に記載の投光構造体。
6. 前記発光部材は、蛍光体を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の投光構造体。
7. 前記励起光が、レーザ光であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の投光構造体。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の投光構造体と、前記励起光を出射する励起光源と、を備えた照明装置。

Images