JP2012109201A - Light-emitting device, vehicular headlight, lighting device, and laser element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、励起光を蛍光体に照射することで発生する蛍光を照明光として利用する発光装置、車両用前照灯および照明装置に関するものである。 The present invention relates to a light-emitting device, a vehicle headlamp, and an illumination device that use fluorescence generated by irradiating a phosphor with excitation light as illumination light.
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。 In recent years, semiconductor light emitting devices such as light emitting diodes (LEDs) and semiconductor lasers (LDs) are used as excitation light sources, and excitation light generated from these excitation light sources is emitted to light emitting units including phosphors. Research on light-emitting devices that use fluorescence generated by the above as illumination light has become active.
このような発光装置の一例として特許文献1に開示された車両用灯具がある。この車両用灯具では、半導体発光素子と蛍光体とは離間して配置されており、両者の間に、半導体発光素子からの光を蛍光体に集光する集光レンズが設けられている。
An example of such a light emitting device is a vehicular lamp disclosed in
また、特許文献2に記載の灯具では、反射鏡の内部に蛍光体が配置されており、反射鏡に設けられた光透過部を通して反射鏡の外部から励起光を蛍光体に照射する。この構成において、励起光を蛍光体に集光するレンズが、半導体発光素子と蛍光体との間かつ反射鏡の外部に設けられている。
Further, in the lamp described in
特許文献1および2には、励起光源、集光レンズおよび発光部を直線的に配置する構成が開示されているが、このような集光レンズを用いた構成では、光路を変更することが困難であり、設計の自由度が低いという問題が生じる。設計の自由度が低いことにより、例えば、コンパクトな発光装置や特定の形状に収まる発光装置を実現することが困難になるという問題が生じる。
本発明の目的は、設計の自由度を高めることができる発光装置、車両用前照灯および照明装置を提供することにある。また、レーザ素子を備える発光装置の構成を簡略化することも本発明の目的のひとつである。 The objective of this invention is providing the light-emitting device, the vehicle headlamp, and the illuminating device which can raise the freedom degree of design. Another object of the present invention is to simplify the structure of a light-emitting device including a laser element.
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集光する凹面鏡と、上記凹面鏡によって集光された励起光を受けて蛍光を発する発光部とを備えることを特徴としている。 In order to solve the above problems, a light-emitting device according to the present invention includes an excitation light source that emits excitation light, a concave mirror that collects excitation light emitted from the excitation light source, and an excitation light that is collected by the concave mirror. And a light emitting unit that emits fluorescence when receiving light.
上記の構成によれば、励起光源からの励起光を受けて発光部が蛍光を発し、その蛍光が照明光として出射される。この構成において、励起光源から発光部に至るまでの励起光の光路上に凹面鏡を設け、凹面鏡によって励起光を集光することにより、励起光の光路を変更できる。 According to said structure, the light emission part emits fluorescence in response to the excitation light from an excitation light source, and the fluorescence is radiate | emitted as illumination light. In this configuration, the optical path of the excitation light can be changed by providing a concave mirror on the optical path of the excitation light from the excitation light source to the light emitting unit and condensing the excitation light with the concave mirror.
それゆえ、集光レンズのみを用いて励起光を集光する構成よりも発光装置の設計自由度を高めることができる。その結果、例えば、コンパクトな発光装置を実現できる。 Therefore, the degree of freedom in designing the light emitting device can be increased as compared with the configuration in which the excitation light is collected using only the condenser lens. As a result, for example, a compact light emitting device can be realized.
また、上記凹面鏡は、複数の励起光源から出射された励起光を集光することが好ましい。 Moreover, it is preferable that the concave mirror collects excitation light emitted from a plurality of excitation light sources.
上記の構成によれば、凹面鏡によって、複数の励起光源から出射された励起光を集光することができ、励起光のパワーを高めることができる。 According to said structure, the concave mirror can condense the excitation light radiate | emitted from the several excitation light source, and can raise the power of excitation light.
また、複数の上記凹面鏡および複数の上記励起光源を備え、各凹面鏡に少なくとも1つの励起光源が対応付けられていることが好ましい。 It is preferable that a plurality of concave mirrors and a plurality of excitation light sources are provided, and at least one excitation light source is associated with each concave mirror.
上記の構成によれば、複数の励起光源からの励起光が、複数の凹面鏡によってそれぞれ集光される。このように励起光源と凹面鏡とのセットを複数設けることにより、励起光のパワーを高めることができる。 According to said structure, the excitation light from a some excitation light source is each condensed with a some concave mirror. Thus, by providing a plurality of sets of excitation light sources and concave mirrors, the power of excitation light can be increased.
また、上記複数の凹面鏡は一体として形成されていることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the plurality of concave mirrors are integrally formed.
複数の凹面鏡を一体として形成することにより、凹面鏡の製造および位置決めが容易になる。 By forming a plurality of concave mirrors as one body, the concave mirrors can be easily manufactured and positioned.
また、上記発光部が発生させた蛍光を反射する反射鏡をさらに備え、上記発光部の、側面よりも面積の広い上面の上方に上記反射鏡の一部が配置されており、上記発光部は薄いか、または上記励起光が照射される上記発光部の面における上記励起光のスポットの面積が当該面の面積よりも小さいことが好ましい。 The light emitting unit further includes a reflecting mirror that reflects the fluorescence generated by the light emitting unit, and a part of the reflecting mirror is disposed above the upper surface of the light emitting unit having a larger area than the side surface. It is preferable that the area of the spot of the excitation light on the surface of the light emitting portion irradiated with the excitation light is smaller than the area of the surface.
上記の構成によれば、発光部の上面が反射鏡と対向しているため、発光部から出射した蛍光のうち、その進路を制御できる蛍光の割合を高めることができる。 According to said structure, since the upper surface of a light emission part has opposed the reflective mirror, the ratio of the fluorescence which can control the course among the fluorescence radiate | emitted from the light emission part can be raised.
この場合でも、蛍光体の側面から出射した蛍光(側方出射蛍光)は制御できない可能性が高い。 Even in this case, there is a high possibility that the fluorescence emitted from the side surface of the phosphor (side emission fluorescence) cannot be controlled.
しかし、発光部が薄いため、または励起光の照射面の面積が励起光のスポットの面積よりも大きいため、側方出射蛍光が少なくなる。それゆえ、反射鏡で制御できない蛍光を低減でき、蛍光の利用効率を高めることができる。 However, since the light emitting portion is thin or the area of the excitation light irradiation surface is larger than the area of the excitation light spot, the side emission fluorescence is reduced. Therefore, the fluorescence that cannot be controlled by the reflecting mirror can be reduced, and the utilization efficiency of the fluorescence can be increased.
なお、本明細書において「発光部が薄い」とは、発光部の上面よりも側面の方が十分に面積が小さく、蛍光の大部分が上方に放出される発光部の形状を意味する。 In this specification, “the light emitting portion is thin” means the shape of the light emitting portion in which the side surface is sufficiently smaller than the upper surface of the light emitting portion, and most of the fluorescence is emitted upward.
また、上記発光部が発生させた蛍光を反射する反射鏡をさらに備え、上記励起光源は、上記反射鏡の外部に配置されており、上記励起光を透過または通過させる窓部が上記反射鏡に設けられていることが好ましい。 The apparatus further includes a reflecting mirror that reflects the fluorescence generated by the light emitting unit, the excitation light source is disposed outside the reflecting mirror, and a window that transmits or passes the excitation light is provided in the reflecting mirror. It is preferable to be provided.
上記の構成によれば、反射鏡の外部から、反射鏡に設けられた窓部を通して発光部に励起光を照射できる。それゆえ、励起光源の配置の自由度を高めることができ、例えば、発光部の照射面に対する励起光の照射角度を好ましい角度に設定することが容易になる。 According to said structure, excitation light can be irradiated to a light emission part from the exterior of a reflective mirror through the window part provided in the reflective mirror. Therefore, the degree of freedom of arrangement of the excitation light source can be increased, and for example, the irradiation angle of the excitation light with respect to the irradiation surface of the light emitting unit can be easily set to a preferable angle.
なお、上記窓部は、開口部であってもよいし、励起光を透過可能な透明部材を有するものであってもよい。 The window may be an opening or may have a transparent member that can transmit excitation light.
また、上記発光部が発生させた蛍光を反射する反射曲面を有する反射鏡と、上記反射曲面と対向する面を有するとともに、上記発光部を支持する支持部材とをさらに備え、上記支持部材には、開口部が形成されており、上記励起光は、当該開口部を通して上記発光部に照射されることが好ましい。 The support member further includes a reflecting mirror having a reflection curved surface that reflects the fluorescence generated by the light emitting unit, and a support member that has a surface facing the reflection curved surface and supports the light emitting unit. An opening is formed, and the excitation light is preferably applied to the light emitting unit through the opening.
上記の構成によれば、反射鏡の反射曲面と対向する位置に支持部が配置されており、当該支持部によって発光部が支持されている。この支持部には、励起光を発光部へ照射するための開口部が設けられている。 According to said structure, the support part is arrange | positioned in the position facing the reflective curved surface of a reflective mirror, and the light emission part is supported by the said support part. The support portion is provided with an opening for irradiating the light emitting portion with excitation light.
それゆえ、反射鏡に励起光を透過させる開口部を形成する必要がなくなり、反射鏡の反射面の面積を実質的に増やすことができ、制御できる蛍光の量を増やすことができる。 Therefore, it is not necessary to form an opening for transmitting excitation light to the reflecting mirror, the area of the reflecting surface of the reflecting mirror can be substantially increased, and the amount of fluorescence that can be controlled can be increased.
また、上記反射鏡は、対称軸を回転軸として放物線または楕円を回転させることによって形成される曲面を、上記回転軸を含む平面で切断することによって得られる部分曲面の少なくとも一部を反射曲面として含んでいることが好ましい。 Further, the reflecting mirror has, as a reflecting curved surface, at least part of a partial curved surface obtained by cutting a curved surface formed by rotating a parabola or an ellipse with a symmetry axis as a rotational axis along a plane including the rotational axis. It is preferable to include.
上記の構成によれば、反射鏡は回転放物面または回転楕円面を、回転軸を含む平面で切断することによって得られる反射曲面を有している。それゆえ、発光部の蛍光を狭い立体角内に効率的に投光することができ、蛍光の利用効率をより高めることができる。また、反射鏡の残り半分に相当する部分に、パラボラ以外の構造体を配置できる。この構造体を熱伝導性の高い板とし、発光部を当接させれば、発光部の熱を効率良く放熱できる。 According to said structure, a reflective mirror has a reflective curved surface obtained by cut | disconnecting a paraboloid or a rotation ellipsoid surface by the plane containing a rotating shaft. Therefore, the fluorescence of the light emitting unit can be efficiently projected within a narrow solid angle, and the use efficiency of the fluorescence can be further increased. In addition, a structure other than the parabola can be disposed in a portion corresponding to the remaining half of the reflecting mirror. If this structure is a plate having high thermal conductivity and the light emitting part is brought into contact, the heat of the light emitting part can be efficiently radiated.
また、上記支持部材は、熱伝導性を有していることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the said supporting member has heat conductivity.
上記の構成によれば、熱伝導性を有する支持部材によって発光部の熱を効率良く放熱できる。 According to said structure, the heat | fever of a light emission part can be efficiently thermally radiated with the support member which has heat conductivity.
また、上記励起光源は、上記支持部材によって支持されていることが好ましい。 The excitation light source is preferably supported by the support member.
上記の構成によれば、熱伝導性を有する支持部材によって発光部とともに励起光源も放熱させることができ、放熱機構の簡素化を図ることができる。 According to said structure, an excitation light source can also be radiated with a light emission part with the support member which has thermal conductivity, and simplification of a thermal radiation mechanism can be aimed at.
また、上記発光装置を含む車両用前照灯および照明装置も本発明の技術的範囲に含まれる。 Further, the vehicle headlamp and the lighting device including the light emitting device are also included in the technical scope of the present invention.
本発明に係るレーザ素子は、上記の課題を解決するために、レーザ光を出射するレーザチップと、上記レーザチップから出射されたレーザ光の放射角度を制御する凹面鏡とを備えることを特徴としている。 In order to solve the above problems, a laser element according to the present invention includes a laser chip that emits laser light and a concave mirror that controls the radiation angle of the laser light emitted from the laser chip. .
上記の構成によれば、レーザ素子の内部に、レーザ光を出射するレーザチップとともに凹面鏡が設けられている。この凹面鏡によって、レーザチップから出射されたレーザ光の放射角度が制御される。その結果、レーザ素子から出射されるレーザ光を、所望の放射角度(配光分布または指向性)を有するものとすることができる。 According to said structure, the concave mirror is provided with the laser chip which radiate | emits a laser beam inside the laser element. The concave mirror controls the radiation angle of the laser light emitted from the laser chip. As a result, the laser light emitted from the laser element can have a desired radiation angle (light distribution or directivity).
その結果、レーザ光の放射角度を制御する別の光学部材を設ける必要がなくなり、レーザ素子を備える発光装置の構成を簡略化することができる。 As a result, there is no need to provide another optical member for controlling the radiation angle of the laser beam, and the configuration of the light emitting device including the laser element can be simplified.
また、上記凹面鏡は、対称軸を回転軸として放物線または楕円を回転させることによって形成される曲面の少なくとも一部を反射曲面として含んでいることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the concave mirror includes at least a part of a curved surface formed by rotating a parabola or an ellipse about the axis of symmetry as a rotation axis as a reflection curved surface.
上記の構成により、レーザチップから出射されたレーザ光を効率良く集光および制御することができ、レーザ光の放射角度の制御が容易になる。 With the above configuration, the laser light emitted from the laser chip can be efficiently collected and controlled, and the control of the radiation angle of the laser light becomes easy.
また、上記レーザチップの発光点は、上記凹面鏡の焦点位置またはその近傍に配置されていることが好ましい。 The light emitting point of the laser chip is preferably arranged at or near the focal position of the concave mirror.
上記の構成によれば、レーザチップと凹面鏡とが近接しているため、レーザチップから出射されたレーザ光が発散する前に、凹面鏡によって集光される。また、凹面鏡の焦点位置に発光点を配置すると、当該発光点から出射されるレーザ光の放射角度を高い精度で制御できる。 According to the above configuration, since the laser chip and the concave mirror are close to each other, the laser light emitted from the laser chip is condensed by the concave mirror before diverging. Further, when the light emitting point is arranged at the focal position of the concave mirror, the radiation angle of the laser light emitted from the light emitting point can be controlled with high accuracy.
また、本発明に係る発光装置は、(i)レーザ光を出射するレーザチップと、上記レーザチップから出射されたレーザ光の放射角度を制御する凹面鏡とを備えるレーザ素子と、(ii)当該レーザ素子から出射されたレーザ光を受けて蛍光を発する発光部とを備えることを特徴としている。 The light emitting device according to the present invention includes: (i) a laser element that includes a laser chip that emits laser light; and a concave mirror that controls a radiation angle of the laser light emitted from the laser chip; and (ii) the laser. And a light emitting portion that emits fluorescence upon receiving laser light emitted from the element.
上記の構成によれば、レーザ素子から出射されるレーザ光は、その放射角度が所望の角度に制御され得るものであり、レーザ光の放射角度を制御するための別の光学部材を用いずとも発光部に対して効率良くレーザ光を照射することができる。 According to the above configuration, the laser beam emitted from the laser element can be controlled to have a desired radiation angle, and without using another optical member for controlling the radiation angle of the laser beam. Laser light can be efficiently irradiated to the light emitting unit.
それゆえ、発光装置の構成を簡略化することができる。 Therefore, the configuration of the light emitting device can be simplified.
また、上記レーザ素子から出射されたレーザ光は、光学部材を介さずに上記発光部に照射されることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the laser beam emitted from the laser element is applied to the light emitting unit without passing through an optical member.
上記の構成によれば、レーザ素子に内蔵された凹面鏡のみによってレーザ光の放射角度が制御される。それゆえ、発光装置の構成を簡略化できるとともに、小型の発光装置を実現することが可能となる。 According to said structure, the radiation angle of a laser beam is controlled only by the concave mirror incorporated in the laser element. Therefore, the configuration of the light emitting device can be simplified and a small light emitting device can be realized.
また、レーザ光の放射角度を制御する光学部材をレーザ素子の外部に設ける構成と比較して、部材間の相対位置が衝撃によってずれる可能性が低減されるため、発光装置の耐衝撃性を高めることができる。 Further, compared to a configuration in which an optical member for controlling the laser beam emission angle is provided outside the laser element, the possibility that the relative position between the members is displaced due to an impact is reduced, so that the impact resistance of the light emitting device is improved. be able to.
以上のように、本発明に係る発光装置は、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集光する凹面鏡と、上記凹面鏡によって集光された励起光を受けて蛍光を発する発光部とを備える構成である。 As described above, the light emitting device according to the present invention receives the excitation light source that emits the excitation light, the concave mirror that collects the excitation light emitted from the excitation light source, and the excitation light that is collected by the concave mirror. And a light emitting unit that emits fluorescence.
それゆえ、発光装置の設計の自由度を高めることができるという効果を奏する。 Therefore, there is an effect that the degree of freedom in designing the light emitting device can be increased.
また、本発明に係るレーザ素子は、レーザ光を出射するレーザチップと、上記レーザチップから出射されたレーザ光の放射角度を制御する凹面鏡とを備える構成である。 The laser element according to the present invention includes a laser chip that emits laser light and a concave mirror that controls the radiation angle of the laser light emitted from the laser chip.
それゆえ、レーザ素子を備える発光装置の構成を簡略化することができる。 Therefore, the configuration of the light emitting device including the laser element can be simplified.
本発明の実施の一形態について図1〜図9に基づいて説明すれば、以下のとおりである。 The following describes one embodiment of the present invention with reference to FIGS.
<ヘッドランプ1の構成>
図1は、本発明の一実施形態に係るヘッドランプ1の概略構成を示す断面図である。図1に示すように、ヘッドランプ1は、レーザ素子(励起光源、半導体レーザ)2、ビーム成形レンズ3、発光部4、パラボラミラー(反射鏡)5、金属ベース(熱伝導性部材、支持部材)7、フィン(冷却部)8を備えている。
<Configuration of
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a
(レーザ素子2)
レーザ素子2は、励起光を出射する励起光源として機能する発光素子である。このレーザ素子2は、複数設けられていてもよい。この場合、複数のレーザ素子2のそれぞれから励起光としてのレーザ光が発振される。レーザ素子2を1つのみ用いてもよいが、高出力のレーザ光を得るためには、複数のレーザ素子2を用いる方が容易である。
(Laser element 2)
The
レーザ素子2は、1チップに1つの発光点を有するものであってもよく、1チップに複数の発光点を有するものであってもよい。レーザ素子2のレーザ光の波長は、例えば、405nm(青紫色)または450nm(青色)であるが、これらに限定されず、発光部4に含める蛍光体の種類に応じて適宜選択されればよい。
The
また、励起光源(発光素子)として、レーザ素子の代わりに、発光ダイオード(LED)を用いることも可能である。 Moreover, it is also possible to use a light emitting diode (LED) instead of a laser element as an excitation light source (light emitting element).
(ビーム成形レンズ3)
ビーム成形レンズ3は、レーザ素子2から出射したレーザ光が凹面鏡9に円形のスポットとして照射されるように、当該レーザ光を成形するためのレンズであり、レーザ素子2のそれぞれに配設されている。
(Beam shaping lens 3)
The
通常、レーザ素子から出射されるレーザ光は、広い角度で発散する(楕円のスポットを形成する)ため、凹面鏡9によって効率良く集光するためには、レーザ光の放射角を制御(ビーム成形)することが好ましい。特に、複数のレーザ素子2からのレーザ光を凹面鏡9で集光する場合は、ある程度レーザ光の照射範囲を絞らなければ、一点に集光することは難しい。このような理由からビーム成形レンズ3を設けることが好ましい。
Usually, the laser light emitted from the laser element diverges at a wide angle (forms an elliptical spot). Therefore, in order to condense efficiently by the
ただし、レーザ素子2と凹面鏡9とを一対一で設ける場合や、凹面鏡9の構造が複数のスポットに対応している場合などでは、ビーム成形レンズ3を省略してもよい。
However, the
(凹面鏡9)
凹面鏡9は、レーザ素子2から出射されたレーザ光を集光し、発光部4へと導く反射鏡であり、その反射面が凹面になっているものである。
(Concave mirror 9)
The
ビーム成形レンズ3によって成形された円形のレーザ光スポットが凹面鏡9の反射面に照射されると、レーザ光が集光されつつ発光部4に向けて反射される。それゆえ、凹面鏡9は、レーザ光を集光する機能とともにレーザ光の光路を変更する機能を有する。この点が、集光する機能しか有さない集光レンズとの機能的な相違点である。
When the circular laser beam spot formed by the
上述のようにビーム成形レンズ3を用いれば、複数のレーザ光線を凹面鏡9で集光することが容易になるが、凹面鏡9の設計を複数のスポットに適したもの(例えば、ひずみを有する形状)にすることでビーム成形レンズ3を省略してもよい。例えば、複数のレーザ素子2からのレーザ光を集光する場合には、各レーザ光線束に対応するマイクロミラーの集合として凹面鏡9を形成してもよい。
If the
凹面鏡9は、樹脂成形されたベース部材の表面に金属コーティングが施されたものであってもよいし、反射面を有する金属からなるものであってもよい。樹脂成形により凹面鏡9を製造すれば、複雑な形状のものを容易かつ安価に製造できる。ただし、反射率が低い場合には、レーザ光によって凹面鏡9が熱をもつ可能性があるため、凹面鏡9の反射率は高い方が好ましい。
The
なお、集光レンズを製造する場合には、通常、レーザ光の熱に対する耐熱性を考慮してガラスで形成され、その表面にコーティングが施される。そのため、集光レンズは、比較的高価なものとなる。 In the case of manufacturing a condensing lens, it is usually formed of glass in consideration of heat resistance against the heat of laser light, and the surface thereof is coated. Therefore, the condensing lens is relatively expensive.
また、レーザ素子2、凹面鏡9および発光部4の位置関係は、図1に示すものに限定されず、レーザ素子2によって図1における上方向から下方向にレーザ光を出射し、図1の上向きに凹の凹面鏡9によってレーザ光を反射し、発光部4に照射してもよい。
The positional relationship among the
(発光部4)
発光部4は、レーザ素子2から出射され、凹面鏡9によって反射されたレーザ光を受けて蛍光を発するものであり、レーザ光を受けて発光する蛍光体(蛍光物質)を含んでいる。具体的には、発光部4は、封止材の内部に蛍光体が分散されているもの、または蛍光体を固めたものである。発光部4は、レーザ光を蛍光に変換するため、波長変換素子であると言える。
(Light emitting part 4)
The
この発光部4は、金属ベース7の上かつパラボラミラー5のほぼ焦点位置に配置されている。そのため、発光部4から出射した蛍光は、パラボラミラー5の反射曲面に反射することで、その光路が制御される。発光部4の上面にレーザ光の反射を防止する反射防止構造が形成されていてもよい。
The
なお、発光部4を焦点位置からずれた位置に配置することで、意図的に照明光の照射範囲を広げてもよい。
Note that the illumination light irradiation range may be intentionally expanded by disposing the
発光部4の蛍光体として、例えば、酸窒化物系蛍光体(例えば、サイアロン蛍光体)またはIII−V族化合物半導体ナノ粒子蛍光体(例えば、インジュウムリン:InP)を用いることができる。これらの蛍光体は、レーザ素子2から発せられた高い出力(および/または光密度)のレーザ光に対しての熱耐性が高く、レーザ照明光源に最適である。ただし、発光部4の蛍光体は、上述のものに限定されず、窒化物蛍光体など、その他の蛍光体であってもよい。
As the phosphor of the
また、ヘッドランプの照明光は、所定の範囲の色度を有する白色にしなければならないことが、法律により規定されている。そのため、発光部4には、照明光が白色となるように選択された蛍光体が含まれている。
In addition, the law stipulates that the illumination light of the headlamp must be white having a predetermined range of chromaticity. For this reason, the
例えば、青色、緑色および赤色の蛍光体を発光部4に含め、405nmのレーザ光を照射すると白色光が発生する。または、黄色の蛍光体(または緑色および赤色の蛍光体)を発光部4に含め、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)を照射することでも白色光が得られる。
For example, when blue, green, and red phosphors are included in the
発光部4の封止材は、例えば、ガラス材(無機ガラス、有機無機ハイブリッドガラス)、シリコーン樹脂等の樹脂材料である。ガラス材として低融点ガラスを用いてもよい。封止材は、透明性の高いものが好ましく、レーザ光が高出力の場合には、耐熱性の高いものが好ましい。
The sealing material of the
(パラボラミラー5)
パラボラミラー5は、発光部4が発生させた蛍光を反射し、所定の立体角内を進む光線束(照明光)を形成する。このパラボラミラー5は、例えば、金属薄膜がその表面に形成された部材であってもよいし、金属製の部材であってもよい。
(Parabolic mirror 5)
The
図2は、パラボラミラー5の回転放物面を示す概念図であり、図3(a)はパラボラミラー5の上面図、(b)は正面図、(c)は側面図である。図3(a)〜(c)は、図面をわかりやすく例示するよう直方体の部材の内部をくり抜くことでパラボラミラー5を形成した例を示している。
2 is a conceptual diagram showing a paraboloid of the
図2に示すように、パラボラミラー5は、放物線の対称軸を回転軸として当該放物線を回転させることによって形成される曲面(放物曲面)を、上記回転軸を含む平面で切断することによって得られる部分曲面の少なくとも一部をその反射面に含んでいる。図3(a)および(c)において、符号5aで示す曲線が放物曲面を示している。また、図3(b)に示すように、パラボラミラー5を正面から見た場合、その開口部5b(照明光の出口)は半円である。
As shown in FIG. 2, the
このような形状のパラボラミラー5が、発光部4の、側面よりも面積の広い上面の上方にその一部が配置されている。すなわち、パラボラミラー5は、発光部4の上面を覆う位置に配置されている。別の観点から説明すれば、発光部4の側面の一部は、パラボラミラー5の開口部5bの方向を向いている。
Part of the
発光部4とパラボラミラー5との位置関係を上述のものにすることで、発光部4の蛍光を狭い立体角内に効率的に投光することができ、その結果、蛍光の利用効率を高めることができる。
By making the positional relationship between the
また、レーザ素子2および凹面鏡9は、パラボラミラー5の外部に配置されており、パラボラミラー5には、凹面鏡9によって反射されたレーザ光を透過または通過させる窓部6が形成されている。この窓部6は、開口部であってもよいし、レーザ光を透過可能な透明部材を含むものであってもよい。例えば、レーザ光を透過し、白色光(発光部4の蛍光)を反射するフィルターを設けた透明板を窓部6として設けてもよい。この構成では、発光部4の蛍光が窓部6から漏れることを防止できる。
The
凹面鏡9を複数設ける場合には、各凹面鏡9に対応した複数の窓部6が設けられていてもよい。
When a plurality of
なお、パラボラミラー5の一部にパラボラではない部分を含めてもよい。また、本発明の発光装置が有する反射鏡は、閉じた円形の開口部を有するパラボラミラーまたはその一部を含むものであってもよい。また、上記反射鏡は、パラボラミラーに限定されず、楕円面ミラーや半球面ミラーであってもよい。すなわち、上記反射鏡は、回転軸を中心として図形(楕円、円、放物線)を回転させることによって形成される曲面の少なくとも一部をその反射面に含んでいるものであればよい。
A part that is not a parabola may be included in a part of the
(金属ベース7)
金属ベース7は、発光部4を支持する板状の支持部材であり、金属(例えば、銅や鉄)からなっている。それゆえ、金属ベース7は熱伝導性が高く、発光部4の熱を効率的に放熱することができる。なお、発光部4を支持する部材は、金属からなるものに限定されず、金属以外の熱伝導性が高い物質(ガラス、サファイアなど)を含む部材でもよい。ただし、発光部4と当接する金属ベース7の表面は反射面として機能することが好ましい。上記表面が反射面であることにより、発光部4の上面から入射したレーザ光が蛍光に変換された後に、当該反射面で反射させてパラボラミラー5へ向かわせることができる。または、発光部4の上面から入射したレーザ光を上記反射面で反射させて、再度発光部4の内部に向かわせて蛍光に変換することができる。
(Metal base 7)
The
金属ベース7は、パラボラミラー5によって覆われているため、金属ベース7は、パラボラミラー5の反射曲面(放物曲面)と対向する面を有していると言える。金属ベース7の発光部4が設けられている側の表面は、パラボラミラー5の回転放物面の回転軸と概ね平行であり、当該回転軸を概ね含んでいることが好ましい。
Since the
(フィン8)
フィン8は、金属ベース7を冷却する冷却部(放熱機構)として機能する。このフィン8は、複数の放熱板を有するものであり、大気との接触面積を増加させることにより放熱効率を高めている。金属ベース7を冷却する冷却部は、冷却(放熱)機能を有するものであればく、後述するように、ヒートパイプや、水冷方式、空冷方式のものであってもよい。
(Fin 8)
The
<発光部4の形状>
(発光部4の厚み)
図4は、発光部4にレーザ光を照射した状態を示す図である。図4には、円柱形状の発光部4を示している。発光部4は、レーザ光を主に受光する上面4aを有しており、上面4aと、その対向面である底面との間の距離が発光部4の厚さになる。発光部4は薄いことが好ましい。換言すれば、発光部4の側面4bの面積は小さい方が好ましい。「発光部が薄い」とは、発光部の上面よりも側面の方が十分に面積が小さく、蛍光の大部分が上方に(すなわち上面から)放出される発光部の形状を意味する。発光部4が薄いことが好ましい理由について次に説明する。
<Shape of the
(Thickness of the light emitting part 4)
FIG. 4 is a diagram illustrating a state in which the
図5は、直径2mmの発光部4の厚みと光放射特性との関係を示すグラフである。図5に示すように、発光部4が薄い場合(例えば、厚さ0.2mmの場合)には、側面4bの面積が小さいため、蛍光の大部分が発光部4の真上方向に出ており、発光部4の上面4aに立てた垂線から90°(θ=±90°)の方向に蛍光の放射がほとんどなく、蛍光の分布はランバーシアン分布(図5のグラフにおいて実線で示すコサインθの分布)となる。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the thickness of the
一方、発光部4が厚い場合(例えば、厚さ1.0mmの場合)には、発光部4の上面4aに立てた垂線から90°(θ=±90°)の方向に蛍光の放射が生じており、蛍光の分布はランバーシアン分布にはなっていない。すなわち、発光部4の側面4bから出射される蛍光の割合が高まる。
On the other hand, when the
発光部4の側面4bから出射された蛍光の一部は、パラボラミラー5に当たらずに、パラボラミラー5の開口部5bから出射され、空間に散っていく(図8参照)。そのため、発光部4の側面4bから出射される蛍光の割合が高まると、パラボラミラー5で制御できない蛍光が多くなり、蛍光の利用効率(およびレーザ光の利用効率)が低下する。
A part of the fluorescence emitted from the
従って、発光部4の厚みを薄くすることで、パラボラミラー5で制御できない蛍光の割合を低下させることができ、蛍光の利用効率を高めることができる。
Therefore, by reducing the thickness of the
図5に示すように、発光部4の直径を2mmに固定し、その厚みを1.0〜0.2mmまで段階的に薄くしていくと、厚みが0.2mm以下になったときに、蛍光の分布はランバーシアン分布となる。
As shown in FIG. 5, when the diameter of the
それゆえ、発光部4の厚みは、当該発光部4を厚み方向に対して垂直な方向(側面)から見たときの幅のうちの最大の幅の10分の1以下であることが好ましい。発光部4が円柱の場合には、上記最大の幅は、直径となる。発光部4が直方体の場合には、上記最大の幅は、発光部4の上面(長方形)の対角線となる。
Therefore, it is preferable that the thickness of the
なお、発光部4が薄すぎた場合には、照明光として十分な光量が得られないことがある。そのため、発光部4の厚みの下限値は、所望の光量が得られる厚みの最低値である。極論を言えば、発光部4の厚みの下限値は、蛍光体の層が最低1層存在する厚みであり、例えば、10μmである。また、発光部4の厚みの上限値(絶対値)は、発光部4の放熱効率も考慮して決定することが好ましい。発光部4の厚みが大きくなると、金属ベース7に接する側とは反対側の部分における放熱効率が低下するためである。
In addition, when the
(発光部4のレーザ光照射面の面積)
発光部4の蛍光の分布をランバーシアン分布とするために、発光部4を薄くすること以外に、レーザ光が照射される発光部4のレーザ光照射面(上面4aまたは底面)に照射されたレーザ光のスポットの面積を当該レーザ光照射面の面積よりも小さくしてもよい。すなわち、発光部4の一部(中央付近)をレーザ光で励起することで、発光部4の蛍光の分布をランバーシアン分布とすることができる。
(Area of laser light irradiation surface of light emitting unit 4)
In order to change the fluorescence distribution of the
図6は、発光部4の上面4aに照射されたレーザ光のスポット4cを示す図である。図6に示すように、上面4aの面積をレーザ光のスポット4cの面積よりも大きくすることにより、発光部4の厚みに関わらず、発光部4の蛍光の分布がランバーシアン分布になる。これは、発光部4の側方へ進行する蛍光が、進行中に発光部4の内部で拡散されることなどにより、結果的に発光部4の側面から出射されないためであると考えられる。
FIG. 6 is a diagram showing a
レーザ光のスポットの面積とレーザ光照射面の面積との比は、レーザ光が発光部4の側面から漏れない程度に小さければよい。なお、レーザ光照射面の面積の上限は特にない。
The ratio of the area of the laser light spot to the area of the laser light irradiation surface should be small so that the laser light does not leak from the side surface of the
<パラボラミラー5の投光特性>
図7は、パラボラミラー5の投光特性を示す概念図である。図7に示すように、金属ベース7を下方向にしてヘッドランプ1を配置した場合、パラボラミラー5の上方向にパラボラミラー5で制御できない蛍光(符号30で示す)のほとんどが出射され、下方向にはほとんど出射されないことを本発明の発明者が見出した。
<Light projection characteristics of
FIG. 7 is a conceptual diagram showing the light projection characteristics of the
図8は、パラボラミラー5の投光特性の原理を説明するための図である。図8に示すように、発光部4の上面から出射し、パラボラミラー5に反射した蛍光(符号31で示す)は、狭い立体角内において前方に出射される。
FIG. 8 is a diagram for explaining the principle of the light projection characteristics of the
一方、発光部4の側面から出射した蛍光(符号30で示す)の一部は、パラボラミラー5には当たらずに所定の立体角から外れて斜め上方向に出射する。また、発光部4の側面から金属ベース7の表面に対して平行に出射した蛍光は、平行光となって前方へ出射する。それゆえ、パラボラミラー5で制御できない蛍光は、ヘッドランプ1の下方向には、ほとんど出射されない。この投光特性を利用すれば、パラボラミラー5で制御できない蛍光を利用してヘッドランプ1のパラボラミラー5側を照らすこともできる。
On the other hand, a part of the fluorescence (indicated by reference numeral 30) emitted from the side surface of the
<ヘッドランプ1の配設方法>
図9は、ヘッドランプ1を自動車(車両)10の前照灯に適用した場合の、ヘッドランプ1の配設方向を示す概念図である。図9に示すように、ヘッドランプ1は、パラボラミラー5が鉛直下側に位置するように自動車10のヘッドに配設されてもよい。この配設方法では、上述のパラボラミラー5の投光特性により、自動車10の正面が十分に明るく照らされるとともに、自動車10の前方下側も明るくなる。
<Method of disposing
FIG. 9 is a conceptual diagram showing the direction in which the
このように、本発明の車両は、車両用前照灯を備えた車両である。上記車両用前照灯は、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集光する凹面鏡と、上記凹面鏡によって集光された励起光を受けて蛍光を発する発光部と、上記発光部が発生させた蛍光を反射する反射曲面を有する反射鏡と、上記反射曲面と対向する面を有するとともに、上記発光部を支持する支持部材とを備えている。上記車両用前照灯は、上記反射曲面が鉛直下側に位置するように上記車両に配設されている。 Thus, the vehicle of this invention is a vehicle provided with the vehicle headlamp. The vehicle headlamp includes an excitation light source that emits excitation light, a concave mirror that condenses the excitation light emitted from the excitation light source, and a light emitting unit that emits fluorescence by receiving the excitation light collected by the concave mirror And a reflecting mirror having a reflecting curved surface that reflects the fluorescence generated by the light emitting unit, and a support member that has a surface facing the reflecting curved surface and supports the light emitting unit. The vehicle headlamp is disposed in the vehicle such that the reflection curved surface is positioned vertically downward.
なお、ヘッドランプ1を自動車用の走行用前照灯(ハイビーム)に適用してもよいし、すれ違い用前照灯(ロービーム)に適用してもよい。
The
<本発明の適用例>
本発明の発光装置は、車両用前照灯のみならず、その他の照明装置に適用されてもよい。本発明の照明装置の一例として、ダウンライトを挙げることができる。ダウンライトは、家屋、乗物などの構造物の天井に設置される照明装置である。その他にも、本発明の照明装置は、車両以外の移動物体(例えば、人間・船舶・航空機・潜水艇・ロケットなど)のヘッドランプとして実現されてもよいし、サーチライト、プロジェクタ、ダウンライト以外の室内照明器具(スタンドランプなど)として実現されてもよい。
<Application example of the present invention>
The light emitting device of the present invention may be applied not only to a vehicle headlamp but also to other lighting devices. A downlight can be mentioned as an example of the illuminating device of this invention. A downlight is a lighting device installed on the ceiling of a structure such as a house or a vehicle. In addition, the lighting device of the present invention may be realized as a headlamp of a moving object other than a vehicle (for example, a human, a ship, an aircraft, a submersible, a rocket, etc.), or other than a searchlight, a projector, or a downlight. It may be realized as an indoor lighting fixture (such as a stand lamp).
次に本発明のより具体的な実施例について図10〜図14に基づいて説明する。なお、上述の実施形態における部材と同様の部材には同様の符号を付し、その説明を省略する。また、ここに記載された材質、形状、および各種の数値は、あくまで一例であり、本発明を限定するものではない。 Next, a more specific embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the member similar to the member in the above-mentioned embodiment, and the description is abbreviate | omitted. Moreover, the material, shape, and various numerical values described here are merely examples, and do not limit the present invention.
〔実施例1〕
図10は、本発明の一実施例のヘッドランプ21を示す概略図である。図10に示すように、ヘッドランプ21は、レーザ素子2、凹面鏡91、発光部4、パラボラミラー5、金属ベース7およびフィン8を備えている。
[Example 1]
FIG. 10 is a schematic view showing a
(凹面鏡91)
凹面鏡91は、複数の凹面鏡91aを有する凹面鏡の集合体であり、樹脂製の凹面の表面にアルミニウムがコーティングされている。図11は、凹面鏡91の構造を示す上面図である。
(Concave mirror 91)
The
図11に示すように、複数の凹面鏡91aは、パラボラミラー5の頂点の近傍においてパラボラミラー5の外縁に沿って配置されている。凹面鏡91aの内部には、それぞれレーザ素子2が1つずつ配置されており、レーザ素子2から出射されたレーザ光が、当該レーザ素子2を覆う凹面鏡91aによって集光および反射され、発光部4へと照射される。その結果、複数のレーザ素子2から出射されたレーザ光がそれぞれ発光部4に照射される。
As shown in FIG. 11, the plurality of
複数の凹面鏡91aは、連続しており、一体として形成されている。このように複数の凹面鏡を一体として形成することにより、一回の成形で製造できるため製造が容易になるとともに、複数の凹面鏡をそれぞれ位置決めする場合よりも、位置決めが容易になる。
The plurality of
ただし、複数の凹面鏡を別個に設けてもよい。その場合には、ヘッドランプをコンパクトにするために、複数の凹面鏡の間隔を無意味に空けない方が好ましい。 However, a plurality of concave mirrors may be provided separately. In that case, in order to make the headlamp compact, it is preferable not to make the intervals between the plurality of concave mirrors meaningless.
また、図11に示す凹面鏡91は、5個の凹面鏡91aを有しているが、凹面鏡91aの数は5個に限定されず、所望のレーザ出力が得られるように適宜設定されればよい。
The
また、レーザ素子2は、所定の角度範囲内(図10では上方向)にレーザ光を出射するため、凹面鏡91aがレーザ素子2を側面方向(レーザ光の光軸に対して垂直な方向)から覆う必要はなく、レーザ光の光路上に凹面鏡91aの反射面が配置されていればよい。
Since the
(レーザ素子2の詳細)
レーザ素子2は、405nmのレーザ光を出射する1W出力のものであり、5個の凹面鏡91aの内部に1つずつ設けられている。そのため、レーザ光の総出力は5Wとなる。レーザ素子2から出射されたレーザ光は、集光レンズを介さずに凹面鏡91に照射される。
(Details of laser element 2)
The
このレーザ素子2は、金属ベース7の上に配置されている。金属ベース7は熱伝導性を有しているため、レーザ素子2の熱を金属ベース7によって効率的に放熱することができる。金属ベース7の上には発光部4も配置されているため、レーザ素子2の放熱機構と発光部4の放熱機構とを共通化できる。
The
(発光部4の詳細)
発光部4は、白色で発光するように、3種類のRGB蛍光体が混合されている。赤色蛍光体は、CaAlSiN3:Euであり、緑色蛍光体は、β−SiAlON:Euであり、青色蛍光体は(BaSr)MgAl10O17:Euである。これら蛍光体の粉末が焼結されて固められている。
(Details of the light emitting unit 4)
The
発光部4の形状は、例えば、直径2mmで、厚さ0.1mmの円盤状である。
The shape of the
(パラボラミラー5の詳細)
パラボラミラー5の開口部5bは、半径25mmの半円であり、パラボラミラー5の奥行きは45mmである。発光部4は、パラボラミラー5の焦点位置に配置されている。
(Details of Parabolic Mirror 5)
The
パラボラミラー5には、各レーザ素子2から出射され、凹面鏡91によって集光および反射された複数のレーザ光線束に対応する複数の窓部6が形成されている。
The
窓部6の形成位置(これによってレーザ光の照射角度がほぼ規定される)は、特に限定されないが、パラボラミラー5の反射効率が低下しないように、および発光部4の表面におけるレーザ光の表面反射が増加しないように窓部6の形成位置を決定することが好ましい。
The position where the window portion 6 is formed (the irradiation angle of the laser beam is substantially defined thereby) is not particularly limited, but the surface of the laser beam on the surface of the
(金属ベース7の詳細)
金属ベース7は、銅からなるものであり、発光部4が配置される側の表面にアルミニウムが蒸着されている。その裏側には、長さ30mm、幅1mmのフィン8が、5mm間隔で設けられている。なお、金属ベース7とフィン8とは、一体として形成されていてもよい。
(Details of metal base 7)
The
(ヘッドランプ21の効果)
ヘッドランプ21では、凹面鏡91によってレーザ素子2からのレーザ光が集光され、折り返されて発光部4に照射される。それゆえ、レーザ光路の設計の自由を高めることができ、その結果、ヘッドランプ21の小型化を図ることができる。
(Effect of headlamp 21)
In the
さらに、ヘッドランプ21では、発光部4が薄く、かつ発光部4の上面がパラボラミラー5の反射曲面と対向しているため、発光部4から出射した蛍光の大部分をパラボラミラー5により制御できる。その結果、パラボラミラー5で制御できない蛍光を低減でき、蛍光の利用効率を高めることができる。
Further, in the
〔実施例2〕
図12は、本発明の別の実施例のヘッドランプ22を示す概略図である。図12に示すように、ヘッドランプ22は、複数のレーザ素子2とビーム成形レンズ3とのセット、凹面鏡9、発光部4、パラボラミラー5、金属ベース7およびフィン8を備えている。
[Example 2]
FIG. 12 is a schematic view showing a headlamp 22 according to another embodiment of the present invention. As shown in FIG. 12, the headlamp 22 includes a set of a plurality of
実施例1との大きな違いは、複数のレーザ光線を1つの凹面鏡により集光しており、各レーザ素子2にはビーム成形レンズ3が設けられている点である。凹面鏡9は、実施例1と同様に樹脂製の凹面の表面にアルミニウムがコーティングされているものである。
A major difference from the first embodiment is that a plurality of laser beams are condensed by one concave mirror, and each
(レーザ素子2の詳細)
レーザ素子2は、450nmのレーザ光を出射する、1W出力のものであり、合計8個設けられている。そのため、レーザ光の総出力は8Wとなる。4個のレーザ素子2からなる列が2列、パラボラミラー5の頂点付近に形成されている。図12では、列を横方向から見ているため2個のレーザ素子2しか示されていない。
(Details of laser element 2)
The
レーザ素子2の配列方法は、上述のものに限定されず、例えば、2個、3個、2個のレーザ素子2をそれぞれ含む列を3列形成してもよい。この場合、合計7個のレーザ素子2を配置することになる。なお、レーザ素子2とレーザ素子2とが熱的に干渉することを防止するために、ある程度間隔をおいてレーザ素子2を配置することが好ましい。
The arrangement method of the
レーザ素子2から出射されたレーザ光は、凹面鏡9に照射されたときのスポットが円形となるようにビーム成形レンズ3によって成形される。成形されたレーザ光は、凹面鏡9の反射面に照射され、発光部4の全体にレーザ光が照射されるように凹面鏡9によって照射範囲が制御される。
The laser beam emitted from the
また、レーザ光は、発光部4の上面に対して45°の入射角で照射される。それゆえ、発光部4の表面におけるレーザ光の表面反射を低減できる。
Further, the laser beam is irradiated at an incident angle of 45 ° with respect to the upper surface of the
(発光部4の詳細)
発光部4は、黄色で発光する1種類の蛍光体を含んでいる。上記蛍光体は、例えば、(Y1-x-yGdxCey)3Al5O12(0.1≦x≦0.55、0.01≦y≦0.4)である。このような黄色蛍光体の粉末が焼結されて固められている。
(Details of the light emitting unit 4)
The
発光部4の形状は、例えば、直径2mmで、厚さ0.2mmの円盤状である。
The shape of the
(パラボラミラー5の詳細)
パラボラミラー5の開口部5bは、半径30mmの半円であり、パラボラミラー5の奥行きは30mmである。発光部4は、パラボラミラー5の焦点位置(パラボラミラー5の頂点から7.5mmの位置)に配置されている。
(Details of Parabolic Mirror 5)
The
窓部6は、凹面鏡9によって反射される複数のレーザ光線束にそれぞれ対応するものが複数設けられてもよいし、複数のレーザ光線束が互いに近接している場合には、幅広の窓部6を1つ設けてもよい。
A plurality of windows 6 corresponding to the plurality of laser beam bundles reflected by the
〔実施例3〕
図13は、本発明の別の実施例のヘッドランプ23を示す概略図である。図13に示すように、ヘッドランプ23は、複数のレーザ素子2と集光レンズ11とのセット、複数の光ファイバー12、凹面鏡9、発光部4、パラボラミラー5および金属ベース7を備えている。
Example 3
FIG. 13 is a schematic view showing a
集光レンズ11は、レーザ素子2から発振されたレーザ光を、光ファイバー12の一方の端部である入射端部に入射させるためのレンズである。レーザ素子2と集光レンズ11とのセットは、複数の光ファイバー12のそれぞれと一対一で対応付けられている。すなわち、レーザ素子2は、集光レンズ11を介して光ファイバー12と光学的に結合されている。
The condensing
光ファイバー12は、レーザ素子2が発振したレーザ光を凹面鏡9へと導く導光部材である。この光ファイバー12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層構造を有しており、入射端部から入射したレーザ光は、光ファイバー12の内部を通り、他方の端部である出射端部12aから出射する。光ファイバー12の出射端部12aはフェルール等により束ねられている。
The
光ファイバー12の出射端部12aから出射から出射したレーザ光は、凹面鏡9によって反射されることで光路を変更するとともに集光され、金属ベース7の開口部7aを通って発光部4に照射される。
The laser beam emitted from the emission from the emission end 12 a of the
このようにヘッドランプ23では、金属ベース7に開口部7aが設けられており、この開口部7aを通して、発光部4の底面からレーザ光を照射する。
Thus, in the
それゆえ、パラボラミラー5に窓部6を形成する必要がなくなり、パラボラミラー5の反射曲面の面積を実質的に増やすことができ、制御できる蛍光の量を増やすことができる。
Therefore, it is not necessary to form the window 6 in the
なお、金属ベース7の材質は、実施例1と同様である。また、発光部4は、図13に示すように金属ベース7の開口部7aの断面積よりも大きく、当該開口部7aを覆うように配置されていてもよいし、開口部7aとほぼ同じ大きさの発光部4が当該開口部7aにはめ込まれていてもよい。
The material of the
(レーザ素子2の詳細)
レーザ素子2は、405nmのレーザ光を出射する、1W出力のものであり、合計10個設けられている。そのため、レーザ光の総出力は10Wとなる。
(Details of laser element 2)
The
なお、レーザ素子2を1つのみ設けてもよいし、複数のレーザ素子2からのレーザ光を、光ファイバー12を介さずにビーム成形レンズ3を介して凹面鏡9に照射してもよい。また、光ファイバー12の出射端部12aの近傍にレンズを配し、出射端部12aから出射されるレーザ光の形状および拡がりを制御してもよい。
Note that only one
(発光部4の詳細)
実施例1と同様の3種類の蛍光体が樹脂に均一に混ぜ込まれて塗布されている。発光部4の形状は、直径5mmで、厚さ0.1mmの円盤状である。この発光部4に直径2mmの円形のスポットとしてレーザ光が照射される。レーザ光の照射位置は、パラボラミラー5のほぼ焦点位置であり、かつ発光部4の上面4aのほぼ中央である。
(Details of the light emitting unit 4)
Three types of phosphors similar to those in Example 1 are uniformly mixed and applied to the resin. The shape of the
このように発光部4の上面4aの面積がレーザ光のスポットの面積より大きいため、発光部4の側面から出射する蛍光がほとんどなくなる。そのため、パラボラミラー5で制御できない蛍光を低減でき、蛍光の利用効率を高めることができる。
Thus, since the area of the
(凹面鏡9の詳細)
凹面鏡9は、表面が銀コーティングされた金属製のミラーである。
(Details of concave mirror 9)
The
(パラボラミラー5の詳細)
パラボラミラー5の開口部5bは、半径30mmの半円であり、パラボラミラー5の奥行きは30mmである。発光部4は、パラボラミラー5のほぼ焦点位置に配置されている。
(Details of Parabolic Mirror 5)
The
〔実施例4〕
図14は、本発明の一実施例の光源24を示す概略図である。光源24は、複数のレーザ素子2と集光レンズ11とのセット、複数の光ファイバー12、凹面鏡9、発光部4、楕円ミラー51、金属ベース7、フィン8およびロッドレンズ14を備えている。
Example 4
FIG. 14 is a schematic view showing a
実施例1との最大の違いは、光源24では、反射鏡がパラボラミラーではなく楕円ミラー(楕円面鏡)である点である。発光部4は、楕円ミラー51の第1焦点位置に配置される。楕円ミラー51によって反射された蛍光は、ロッドレンズ14の一方の端部に形成された入射面14aに入射し、ロッドレンズ14の内部を導光し、他方の端部に形成された出射面14bから出射される。入射面14aは、楕円ミラー51の第2焦点位置に配置される。
The biggest difference from the first embodiment is that, in the
ロッドレンズ14は、オプティカルインデレクターとして機能するものであり、光束の角度成分を混ぜ合わせることによって照度むら、色むら、ちらつきなどを低減できる。このロッドレンズ14は、円柱状でも角柱状でもよく、所望される照明光のスポットの形状に合わせて選択すればよい。
The
このようなロッドレンズ14を用いた構成は、プロジェクタ用の照明系光源として好適に利用することができる。
Such a configuration using the
楕円ミラー51を用いる構成でも、凹面鏡9によってレーザ光を集光および反射することで、レーザ光の光路を変更でき、光源の設計自由度を高めることができる。
Even in the configuration using the
〔実施例5〕
図15は、本発明のさらに別の実施例に係るヘッドランプ(発光装置)25の構成を示す概略図である。ヘッドランプ25は、励起光源としてレーザ素子200を備えており、上述の実施例における凹面鏡9に対応する凹面鏡がレーザ素子200の内部に設けられている。
Example 5
FIG. 15 is a schematic diagram showing a configuration of a headlamp (light emitting device) 25 according to still another embodiment of the present invention. The
(ヘッドランプ25の構成)
図15に示すように、ヘッドランプ25は、レーザ素子(励起光源)200、発光部4、パラボラミラー5、金属ベース7および傾斜部15を備えている。レーザ素子200から出射されたレーザ光が発光部4に照射されることにより蛍光が生じる。生じた蛍光はパラボラミラー5によって反射されることでその光路が制御され、照明光として外部へ出射される。
(Configuration of the headlamp 25)
As shown in FIG. 15, the
レーザ素子200は、レーザ光を当該レーザ素子200の外部へ出射するためのレーザ光出射窓209(図16参照)を備えており、このレーザ光出射窓209がパラボラミラー5の開口部に挿入されている。レーザ光出射窓209を通してレーザ素子200から出射されたレーザ光は、他の光学部材を介さずに発光部4に直接照射される。
The
具体的には、パラボラミラー5の上記開口部は、当該パラボラミラー5の底部(図15におけるパラボラミラー5と金属ベース7との接続部)付近に形成されている。そして、レーザ素子200のレーザ光の光軸は、金属ベース7の表面(パラボラミラー5の反射曲面と対向する面)に対してほぼ平行である。
Specifically, the opening of the
それゆえ、金属ベース7の表面に薄い発光部4を載置した場合には、発光部4にレーザ光が効率良く照射されない。この問題を解決するために、ヘッドランプ25では、傾斜部15によって、レーザ素子200のレーザ光の光軸に対して0°よりも大きい所定の角度(例えば、45°)で発光部4を保持する。この構成により、発光部4にレーザ光が効率良く照射される。
Therefore, when the thin
すなわち、傾斜部15は、レーザ素子200のレーザ光の光軸に対する発光部4の表面の角度を所定の角度に維持する角度維持部として機能する。
That is, the
また、別の観点から表現すれば、発光部4の上面に立てた垂線は、金属ベース7の表面に立てた垂線よりも、パラボラミラー5の開口部とは反対側に傾いている。
From another point of view, the vertical line standing on the upper surface of the
このように発光部4が傾いていることにより、発光部4の側面から出射する蛍光のうち、パラボラミラー5によって制御される蛍光の割合が高める。逆に言えば、パラボラミラー5に当たらずに外部に散っていく蛍光が低減される。それゆえ、蛍光の利用効率を高めることができる。
As the
なお、傾斜部15を設けずに、発光部4を金属ベース7の表面に載置するとともに、レーザ光を金属ベース7の表面に対して斜め上方から照射してもよい。
The
(レーザ素子200の構成)
図16は、レーザ素子200の内部構成を示す図である。図17は、レーザ素子200の構成を示す斜視図である。図16および図17に示すように、レーザ素子200は、レーザチップ201、凹面鏡202、金属薄膜203、絶縁性ヒートシンク204、金ワイヤ205、台座部206、リードピン207、キャップ部208およびレーザ光出射窓209を備えている。
(Configuration of laser element 200)
FIG. 16 is a diagram showing an internal configuration of the
(レーザチップ201)
レーザチップ201は、レーザ光を出射する半導体素子(レーザダイオード)である。図18は、レーザチップ201の発光点と、凹面鏡202の焦点との位置関係を示す図である。図18に示すように、レーザチップ201は、活性層201bを備えている。この活性層201bは、金ワイヤ(ボンディングワイヤ)205を介して供給された電流により光が生じる領域であり、発生した光は発光点201aからレーザ光として出射される。
(Laser chip 201)
The
レーザチップ201の長手方向の長さは、例えば、0.5〜1.0mmであり、幅方向の長さは、例えば、0.3〜0.5mmであり、高さは、例えば、0.1〜0.2mmである。
The length in the longitudinal direction of the
(凹面鏡202)
凹面鏡202は、凹面の反射面を有し、レーザチップ201から出射されたレーザ光を反射面で反射することにより、当該レーザ光の光路および放射角度(指向性)を制御する。
(Concave mirror 202)
The
凹面鏡202は、対称軸を回転軸として放物線または楕円を回転させることによって形成される曲面の少なくとも一部を反射曲面として含んでいる。より詳細には、凹面鏡202は、対称軸を回転軸として放物線または楕円を回転させることによって形成される曲面を、上記回転軸を含む平面で切断することによって得られる部分曲面を反射曲面として有している。つまり、凹面鏡202は、パラボラミラー、楕円ミラーまたはこれらの一部であってもよい。また、凹面鏡202は自由曲面ミラーであってもよく、その形状は特に限定されない。なお、自由曲面ミラーでは、自由に放射分布を制御できる。
The
図17に示す例では、凹面鏡202を上方から見ると、凹面鏡202の反射曲面は半円である。上記半円の半径は、例えば、0.2〜0.4mmである。
In the example shown in FIG. 17, when the
凹面鏡202の材質は、凹面鏡9の材質と同様のものでもよく、例えば、アルミニウム製である。ただし、凹面鏡202は、レーザ素子200に内蔵される(パッケージされる)ため、凹面鏡9よりも小さいものである。それゆえ、小型の凹面鏡として製造が容易な材質および構造を選択することが好ましい。
The material of the
図18に示すように、レーザチップ201の発光点201aは、凹面鏡202の焦点位置またはその近傍に配置されている。それゆえ、発光点201aから出射したレーザ光は、凹面鏡202によって効率良く集光され、当該レーザ光の放射角が制御(ビーム成形)される。
As shown in FIG. 18, the
また、レーザチップ201および凹面鏡202は、絶縁性ヒートシンク204の上面に蒸着された金属薄膜203の上に半田付けされている。すなわち、レーザチップ201および凹面鏡202は、共通の基板表面に対して固定されている。そのため、レーザチップ201と凹面鏡202との相対位置関係は、強固に維持されており、外部からの衝撃を受けても上記相対位置関係は変化しにくい。
The
レーザ素子200を製造するときには、レーザチップ201と凹面鏡202との相対位置および相対角度を高精度で調整することが好ましい。そのために、高精度の実装装置を用いて高い機械精度にてパッシブアライメントを行ってもよい。また、レーザチップ201を微小な出力で光らせ、凹面鏡202で反射したレーザ光のスポットの位置および形状をモニターしながら凹面鏡202の位置を決めるアクティブアライメントを行ってもよい。アクティブアライメントの方がパッシブアライメントよりも高精度で位置合わせを行うことができる。
When manufacturing the
(その他の部材)
絶縁性ヒートシンク204は、レーザチップ201が生み出した熱を吸収し、放熱する放熱部材であり、台座部206の上に設置されている。この絶縁性ヒートシンク204は、例えば、窒化アルミニウム(AlN)または炭化ケイ素(SiC)を含んでいる。
(Other parts)
The insulating
リードピン207は、台座部206を貫通して延びており、外部の電源と導電可能に接続されている。このリードピン207、およびリードピン207に接続された金ワイヤ205を介してレーザチップ201に駆動電流が供給される。
The
レーザチップ201の下部電極部(アノード電極)は、金属薄膜203と導電可能に接続されており、金属薄膜203と台座部206とは、金ワイヤ205によって導電可能に接続されている。
The lower electrode portion (anode electrode) of the
台座部206上に載置されたレーザチップ201、凹面鏡202および絶縁性ヒートシンク204等の部材は、台座部206とキャップ部208とによってパッケージされている。
Members such as the
キャップ部208には、レーザ光出射窓209が形成されており、このレーザ光出射窓を透過してレーザ光がレーザ素子200の外部へ出射される。
A laser
(レーザ素子200の作用効果)
図19は、レーザ素子200におけるレーザ光の光路を示す図である。図19に示すように、レーザチップ201から出射されたレーザ光は、凹面鏡202によって反射されることで、その光路の方向および放射角度が制御される。そして、凹面鏡202に反射したレーザ光は、レーザ光出射窓209を透過して外部へ出射される。
(Operational effect of the laser element 200)
FIG. 19 is a diagram showing an optical path of laser light in the
通常、レーザチップから出射されるレーザ光は、広い角度で発散し、楕円のスポットを形成する。例えば、半値幅8°〜20°の楕円のスポットが形成される。 Normally, laser light emitted from a laser chip diverges at a wide angle to form an elliptical spot. For example, an elliptical spot having a half width of 8 ° to 20 ° is formed.
しかし、図18に示すように、レーザチップ201の発光点201aを凹面鏡202の焦点位置付近に配置することにより、発光点201aから出射したレーザ光が発散する前に集光でき、当該レーザ光の光路の方向および放射角度を効率良く制御できる。
However, as shown in FIG. 18, by arranging the
そのため、レーザ素子200から出射されたレーザ光は、狭い立体角内を進行するものとなる。換言すれば、レーザ素子200から出射されたレーザ光の放射角度が小さくなる。例えば、放射角度±2.5°以内に95%のエネルギーが集中するレーザ光を実現できる。
Therefore, the laser light emitted from the
従って、レーザ光の放射角度を制御するための光学部材を別途設ける必要がなくなり、ヘッドランプの構成を簡略化することができる。その結果、小型のヘッドランプを実現することが可能となる。 Therefore, it is not necessary to separately provide an optical member for controlling the laser beam emission angle, and the configuration of the headlamp can be simplified. As a result, a small headlamp can be realized.
また、レーザチップ201および凹面鏡202の位置は、共通の基板としての絶縁性ヒートシンク204に対して固定されている。そのため、ヘッドランプ25が外部からの衝撃により振動したとしても、レーザチップ201と凹面鏡202との相対位置関係は変化しにくい。それゆえ、衝撃に対して耐性の高いヘッドランプを実現できる。
The positions of the
〔実施例6〕
図20は、本発明のさらに別の実施例に係るヘッドランプ(発光装置)26の構成を示す概略図である。ヘッドランプ26では、ヘッドランプ25と同様にレーザ素子200を励起光源として備えているが、レーザ素子200および発光部4の配置がヘッドランプ25における配置と異なっている。
Example 6
FIG. 20 is a schematic view showing a configuration of a headlamp (light emitting device) 26 according to still another embodiment of the present invention. The
図20に示すように、ヘッドランプ26では、レーザ素子200は、金属ベース7に形成された開口部にはめ込まれており、発光点201aは、当該開口部において露出している。レーザ素子200のレーザ光の光軸は、パラボラミラー5の反射面に向けられており、金属ベース7の表面に対して略垂直である。
As shown in FIG. 20, in the
発光部4は、レーザ素子200のレーザ光出射窓209(すなわち、レーザ光出射部)の近傍に配置されている。具体的には、発光部4は、金属ベース7のパラボラミラー5と対向する表面かつ上記開口部をふさぐ位置に配置されている。上記開口部に位置するレーザ光出射窓209から出射されたレーザ光は、発光部4に直接照射され、生成された白色光はパラボラミラー5の反射面に向かう。そして、当該白色光は、パラボラミラー5によって反射されることで、その光路が制御され、ヘッドランプ26の前方へと出射される。
The
なお、発光部4は、図20に示すように金属ベース7の開口部の断面積よりも大きく、当該開口部を覆うように配置されていてもよいし、開口部とほぼ同じ大きさの発光部4が当該開口部にはめ込まれていてもよい。
As shown in FIG. 20, the
〔実施例7〕
上述の実施例5・6では、1つのレーザ素子200において、レーザチップ201および凹面鏡202の対が1対設けられていたが、1つのレーザ素子においてレーザチップ201および凹面鏡202の対が複数設けられていてもよい。
Example 7
In the fifth and sixth embodiments described above, one pair of the
図21は、レーザ素子の変更例を示す斜視図である。図21に示す例では、1つのレーザ素子220に、レーザチップ201および凹面鏡202の対が4対設けられている。各レーザチップ201の発光点201aからレーザ光が出射されると、対応する凹面鏡202によって反射されることで、当該レーザ光の光路の方向および放射角度が制御される。
FIG. 21 is a perspective view showing a modified example of the laser element. In the example shown in FIG. 21, four pairs of the
このようにレーザチップ201および凹面鏡202の対を複数設ける場合には、凹面鏡202のそれぞれに反射したレーザ光が、所定の位置(例えば、発光部4の表面)に集まるように凹面鏡202の配置(特に、複数の凹面鏡202間の相対角度)を調節する。
When a plurality of pairs of the
例えば、レーザチップ201および凹面鏡202が設けられる金属薄膜203の表面を凹面にし、各凹面鏡202がレーザ光を反射することによって形成されるレーザ光の光軸が発光部4の表面で交差するようにしてもよい。
For example, the surface of the metal
レーザチップ201および凹面鏡202の対を複数設けることにより、個々のレーザチップ201のレーザ出力が低い場合でも、高出力のレーザ光を実現できる。
By providing a plurality of pairs of the
図22は、レーザ素子の別の変更例を示す斜視図である。図22に示すように、複数の発光点233aを有するレーザチップ233を設けてもよい。また、複数の凹面鏡202が一体として形成された凹面鏡231を設けてもよい。凹面鏡231は、複数の凹面232を有しており、各凹面232の焦点位置またはその近傍に発光点233aが配置されている。
FIG. 22 is a perspective view showing another modified example of the laser element. As shown in FIG. 22, a
このように複数の発光点を有するレーザチップを設けるか、または、複数の凹面鏡を一体として形成することにより、複数のレーザチップおよび凹面鏡をそれぞれ位置決めする場合よりも、位置決めが容易になり、その結果、レーザ素子の製造が容易になる。 By providing a laser chip having a plurality of light emitting points in this way, or by forming a plurality of concave mirrors integrally, positioning becomes easier than when positioning a plurality of laser chips and concave mirrors respectively. This makes it easier to manufacture the laser element.
本発明は上述した実施形態および各実施例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り、異なる実施例にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications can be made within the scope shown in the claims, and obtained by appropriately combining technical means disclosed in different examples. Such embodiments are also included in the technical scope of the present invention.
本発明は、発光装置や照明装置、特に車両用等のヘッドランプに適用することができ、これらの蛍光利用効率を高めることができる。 The present invention can be applied to a light emitting device and a lighting device, particularly a headlamp for a vehicle or the like, and can improve the use efficiency of these fluorescence.
1 ヘッドランプ(発光装置、車両用前照灯)
2 レーザ素子(励起光源)
4 発光部
4a 上面
4c スポット(励起光のスポット)
5 パラボラミラー(反射鏡)
6 窓部
7 金属ベース(熱伝導性部材、支持部材)
7a 開口部
9 凹面鏡
10 自動車(車両)
21 ヘッドランプ(発光装置、車両用前照灯)
22 ヘッドランプ(発光装置、車両用前照灯)
23 ヘッドランプ(発光装置、車両用前照灯)
24 光源(発光装置、照明装置)
25 ヘッドランプ(発光装置、車両用前照灯)
26 ヘッドランプ(発光装置、車両用前照灯)
51 楕円ミラー
91 凹面鏡
91a 凹面鏡
200 レーザ素子
201 レーザチップ
201a 発光点
202 凹面鏡
220 レーザ素子
231 凹面鏡
232 凹面
233 レーザチップ
233a 発光点
1 Headlamp (light emitting device, vehicle headlamp)
2 Laser element (excitation light source)
4 Light-emitting
5 Parabolic mirror (reflector)
6
21 Headlamp (light emitting device, vehicle headlamp)
22 Headlamp (light emitting device, vehicle headlamp)
23 Headlamp (light emitting device, vehicle headlamp)
24 Light source (light emitting device, lighting device)
25 Headlamp (light emitting device, vehicle headlamp)
26 Headlamp (light emitting device, vehicle headlamp)
51
Claims (17)
上記励起光源から出射された励起光を集光する凹面鏡と、
上記凹面鏡によって集光された励起光を受けて蛍光を発する発光部とを備えることを特徴とする発光装置。 An excitation light source that emits excitation light;
A concave mirror that collects the excitation light emitted from the excitation light source;
A light-emitting device comprising: a light-emitting unit that emits fluorescence in response to excitation light collected by the concave mirror.
上記発光部の、側面よりも面積の広い上面の上方に上記反射鏡の一部が配置されており、
上記発光部は薄いか、または上記励起光が照射される上記発光部の面における上記励起光のスポットの面積が当該面の面積よりも小さいことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の発光装置。 A reflection mirror that reflects the fluorescence generated by the light emitting unit;
A part of the reflecting mirror is arranged above the upper surface of the light emitting unit, which is wider than the side surface,
The light emitting portion is thin, or the area of the spot of the excitation light on the surface of the light emitting portion irradiated with the excitation light is smaller than the area of the surface. The light emitting device according to item.
上記励起光源は、上記反射鏡の外部に配置されており、
上記励起光を透過または通過させる窓部が上記反射鏡に設けられていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の発光装置。 A reflection mirror that reflects the fluorescence generated by the light emitting unit;
The excitation light source is disposed outside the reflecting mirror,
The light emitting device according to claim 1, wherein a window portion through which the excitation light is transmitted or passed is provided in the reflecting mirror.
上記反射曲面と対向する面を有するとともに、上記発光部を支持する支持部材とをさらに備え、
上記支持部材には、開口部が形成されており、上記励起光は、当該開口部を通して上記発光部に照射されることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の発光装置。 A reflecting mirror having a reflecting curved surface that reflects the fluorescence generated by the light emitting unit;
A support member that has a surface facing the reflection curved surface and supports the light emitting unit;
The light emitting device according to claim 1, wherein an opening is formed in the support member, and the excitation light is applied to the light emitting part through the opening. .
上記レーザチップから出射されたレーザ光の放射角度を制御する凹面鏡とを備えることを特徴とするレーザ素子。 A laser chip that emits laser light;
A laser element comprising: a concave mirror that controls a radiation angle of laser light emitted from the laser chip.
上記レーザ素子から出射されたレーザ光を受けて蛍光を発する発光部とを備えることを特徴とする発光装置。 The laser device according to any one of claims 13 to 15,
A light emitting device comprising: a light emitting unit that emits fluorescence upon receiving laser light emitted from the laser element.
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