JP2013211252A - 固体照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型、軽量、低発熱であり、安全性が高められた固体照明装置を提供する。
【解決手段】固体照明装置は、光源部１０と、導光部２０と、発光部３０と、を有する。光源部１０は、半導体レーザー１１と、駆動回路１２と、を有する。また、光源部１０は、青色〜青紫色の波長範囲の複数のレーザー光を放出する。導光部２０は、複数のレーザー光をそれぞれ導光する複数の導波路を有する。発光部１０は、第１の面を有する熱伝導部３４と、第１の面の中央部に設けられた波長変換層３２と、光学部３０と、を有する。複数のレーザー光Ｇ１を吸収した波長変換層３２から放出された波長変換光と、複数のレーザー光と、は、光学部３０の上面から放出される。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、固体照明装置に関する。

固体発光素子を用いた白色固体照明(ＳＳＬ: Solid-State Lighting)装置は、ＬＥＤ(Light Emitting Diode)が主流である。

しかし、蛍光体を有する白色発光部とＬＥＤチップとは近接して設けられることが多い。このため、ＬＥＤチップと蛍光体層からの放熱とＬＥＤのチップへの給電のための基板が必要である。

また、高輝度ＬＥＤは、チップサイズが０．５ｍｍ×０．５ｍｍ以上であり、かつ、ランバート（Lambert）分布であり発光放射角が広い。このため、光が発散しやすく、離れた蛍光体層を効率よく照射することが困難である。

液晶プロジェクタ、舞台照明、街路灯、サーチライト、ヘッドライト、などの照明装置には、高輝度大光量光源が必要である。しかしながら、小型、軽量、低発熱量である発光部を、ＬＥＤで構成することは困難である。

特開２００７−５２９５７号公報

小型、軽量、低発熱であり、安全性が高められた固体照明装置を提供する。

実施形態の固体照明装置は、光源部と、導光部と、発光部と、を有する。前記光源部は、半導体レーザーと、前記半導体レーザーを制御する駆動回路と、を有する。また、前記光源部は、青色〜青紫色の波長範囲の複数のレーザー光を放出する。前記導光部は、前記複数のレーザー光をそれぞれ導光する複数の導波路を有する。前記発光部は、第１の面を有する熱伝導部と、前記第１の面の中央部に設けられた波長変換層と、光学部と、を有する。前記光学部は、前記波長変換層と、前記第１の面および前記波長変換層の上に設けられ、上面と側面と下面とを有する。前記複数の導波路の一方の端部は上方からみて前記中央部の外側にそれぞれ配置され、前記一方の端部から前記光学部にそれぞれ入射した前記複数のレーザー光は導光されたのち前記波長変換層を照射する。前記複数のレーザー光を吸収した前記波長変換層から放出された波長変換光と、前記複数のレーザー光と、は、前記光学部の前記上面から放出される。

小型、軽量、低発熱であり、安全性が高められた固体照明装置が提供される。

第１の実施形態にかかる固体照明装置の構成を示す模式斜視図である。 第２のコネクタと熱伝導部との嵌合を説明する模式斜視図である。 図３（ａ）は発光部の模式斜視図、図３（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図３（ｃ）は発光部の変形例の模式斜視図、である。 図４（ａ）は第２の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図、図４（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った発光部近傍の模式断面図、である。 固体照明装置の応用例の一例であるプロジェクタの構成を示す模式図である。 プロジェクタの機能を示すブロック図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、第１の実施形態にかかる固体照明装置の構成を示す模式斜視図である。
固体照明装置は、光源部１０と、導光部２０と、発光部３０と、を有している。

光源部（ライトエンジン）１０は、半導体レーザー１１と、駆動回路１２と、を有する。半導体レーザー１１は、窒化物系半導体材料からなり、青色〜青紫色の波長範囲のレーザー光を放出する。固体発光素子を半導体レーザーとすると、光ファイバーなどに高輝度で効率良く結合させることができる。半導体レーザーのチップの端面の発光点は１０μｍ以下のサイズであり、その放射角(ビーム広がり角:beam divergence)も２５度×４０度程度と狭いからである。

駆動回路１２は、半導体レーザー１１に所定の電圧または電流を供給する。また、所定の光出力となるような制御回路を有することもできる。さらに、戻り光を検出し、たとえば、異常を検出した場合に半導体レーザー１１の駆動を停止する機能を有することもできる。

また、光源部１０は、半導体レーザー１１からのレーザー光を、伝送する光ファイバー１４と、レーザー光を光ファイバー１４の端部に集光するためのレンズなどの光結合部１３を有することができる。さらに、放出光の異常検出のための戻り光ＲＬ１を検出する光センサーを有することができる。

レーザー光は、複数のビームを含む。複数のビームは、１つの半導体レーザーの出力を分岐してもよいし、独立のビームでもよい。複数の半導体レーザー１１から放出される複数のビームを用いると、より高い出力とすることができる。

導光部２０は、複数の導波路を有することができる。それぞれの導波路は、複数のレーザー光Ｇ１のうちのそれぞれを発光部３０へ伝送する。

発光部３０は、熱伝導部３４と、波長変換層３２と、光学部３９と、を有する。波長変換層３２は、熱伝導部３４の第１の面３４ａの中央部に設けられる。光学部３９は、第１の面３４ａおよび波長変換層３２の上に設けられ、上面と側面と下面とを有する。複数の導波路のそれぞれの一方の端部は、上方からみて中央部の外側に配置される。また、それぞれの一方の端部から光学部３９に入射した複数のレーザー光Ｇ１のそれぞれは導光されたのち波長変換層３２を照射する。

レーザー光の波長よりも長い波長を有する波長変換光は、複数のレーザー光を吸収した波長変換層３２から放出される。複数のレーザー光と、波長変換光と、の混合光は、光学部３９の上面から放出される。

なお、図１に示す第１の実施形態では、導波路が光ファイバーを含むものとし、導光部２０が多芯光ファイバーであるものとするが本発明はこれに限定されない。また、レーザー光は、光学部３９の裏面側から入射するものとする。

また、導光部２０は、発光部の側のコネクタ２６と、コネクタ２６と嵌合されるコネクタ２３と、光源部１０と嵌合されるコネクタ２２と、をさらに有することができる。このようにすると、発光部３０と、光源部１０と、の距離が変わった場合、この距離に応じた光ファイバー２５の長さとすればよい。導波路は、第１のファイバーフェルール２９からなる一方の端部と、第２のファイバーフェルール２８と、光ファイバー２４と、を有する。第１のファイバーフェルール２９と第２のファイバーフェルール２８とは光結合する。

コネクタ２６は、嵌合部２７と、嵌合部２７を囲むように設けられた複数の開口部２６ａと、を有する。開口部２６ａには、第２のファイバーフェルール２８がそれぞれ挿入されている。

複数の第２のファイバーフェルール２８は、コネクタ２６の周辺領域に同心円状に等間隔で配置される。また、複数の第１のファイバーフェルール２９も同心円状に等間隔で配置される。第１のファイバーフェルール２９のそれぞれの直径を第２のファイバーフェルール２８のそれぞれの直径よりも大きくするとレーザー光は第１のファイバーフェルール２９に高い効率で入射する。なお、第１のファイバーフェルール２９の位置は、ストッパなどで制御可能である。その固定には、耐熱性接着剤やレーザー溶接などを用いることができる。

発光部３０は、波長変換光層（蛍光体層）３２と、熱伝導部３４と、光学部３９と、を有する。波長変換層３２は、熱伝導部３４の第１の面３４ａの中央部に設けられる。また、第１のファイバーフェルール２９が挿入される開口部３４ｃが、波長変換層３２の周囲に等間隔で配置される。たとえば、レーザー光が、青〜青紫光の波長範囲である場合、波長変換層３２を黄色蛍光体からなるものとすると、波長変換光として黄色光を得ることができる。この結果、混合光を白色光近傍とすることができる。

熱伝導部３４は、たとえば、高熱伝導率を有する金属などからなる。また、その第１の面３４ａは、青色光波長において、反射率が８０％以上、好ましくは９０％以上と高いことが好ましい。

図２は、第１のコネクタと熱伝導部との嵌合を説明する模式斜視図である。
熱伝導率が高い金属などからなる熱伝導部３４の第２の面３４ｂの側には、嵌合部３４ｄが設けられる。本図では、コネクタ２６が、凸状の嵌合部２７を有しており、熱伝導部３４は凹状の嵌合部３４ｄを有している。このため、コネクタ２６と、熱伝導部３４ｃと、の間で容易に着脱可能である。嵌合部の凹凸は逆に設けられてもよく、凹凸ではなく、たとえば、バネを用いてもよい。

第１の面３４ａの中央部には、円形の薄い反射材料とＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet)などからなる波長変換層３２が形成されている。第１のファイバーフェルール２９から出射するレーザー光Ｇ１をこの波長変換層３２に照射すると、高輝度白色発光層として作用する。

第１の実施形態では、複数の導波路の一方の端部である第１のファイバーフェルール２９のそれぞれが、高輝度白色発光領域の外側に配置されることと、高輝度白色発光層が熱伝導部３４の母材に直接形成されることと、が特徴である。すなわち、第１のファイバーフェルール２９を波長変換層３２の外側に多数配置することで、一領域発光の大光量化が図れる。

また、蛍光体の発熱は高輝度化に伴い無視できなくなる。発熱量を低減するには、薄い蛍光体層を高熱伝導性母材に直接形成する必要がある。ところが、蛍光体の発光方向と、ファイバーフェルールからの出力方向と、が同じなので、青色光を波長変換層３２に効率よく照射できない。このため、光学部３９を設ける。

光学部３９は、側面に全反射の斜面を形成し、さらに上面で全反射させて、波長変換層３２に複数の青色レーザー光を集中照射する構造を有する。もし、導光した青色レーザー光を直接蛍光体に当てて透過させると、せっかく変換した白色光が導光方向に戻ってしまい、効率が低下する。すなわち、波長変換光と青色散乱光とは、指向性がないので、光ファイバーに戻らないように制御することが難しいからである。現実的な省エネルギーを考慮すると、少なくとも、戻り光を全白色光の１０％以下に抑える必要がある。

また、導光部２０に光ファイバーを用いると、その直径が小さいので、いったん拡散された白色光のほんの一部しか戻らない。ただし、高輝度大光量光源では、複数の光ファイバーを使うので、光ファイバーの断面積に本数を乗じた面積が戻り光の入光面積になり、その分、戻り光の割合が増える。それでもしかし、中央での拡散白色発光に対して、その外周に光ファイバー開口を配置するので、距離を離すことができる。距離が離れれば、拡散光に対しては、入射光量は大幅に低減できる。すなわち、指向性の高い青色レーザー光は、狭い導波路で波長変換層３２を照射するように導光し、いったん、白色光に変換されれば、導波路には戻りにくい。このため、第１の実施形態では、白色光の取り出し効率を向上できる。

図３（ａ）は発光部の模式斜視図、図３（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図３（ｃ）は発光部の変形例の模式斜視図、である。
図３（ａ）、（ｂ）のように、光学部３９には、上面３９ｄと、側面と、下面３９ｅと、を有する。さらに、側面は、外側の第１の斜面３９ｂと、内側の第２の斜面３９ｃと、を含む。第１の斜面３０ｂは、第１のファイバーフェルール２９から出射したレーザー光ｇ１を反射し、波長変換層３２に向けて導光する。また、第２の斜面３９は、第１の斜面３０ｂで反射されたレーザー光を導光し効率よく波長変換層３２を照射する。青色レーザー光は、第２の斜面３９ｃで形成された空隙３９ａを通って、波長変換層３２を集中的に照射する。

他方、波長変換層３２に青色レーザー光を照射して発生した青色散乱拡散光と波長変換された黄色光ｇ２の配光の主要部分は、波長変換層３２の上の平略坦な上面３９ｄから取り出される（ＧＴ）。この内部の空隙３９ａの形状は、必要に応じて種々変形が可能である。

また、光学部３９がガラスからなる場合、不活性ガス雰囲気内で、光学部３９と熱伝導部３４とを共晶金属などからなるハンダ材５５などを用いて接着することができる。このようにすると、空隙３９ａの内部に不活性ガスを満たし、波長変換層３２を気密封止できる。この構造により、波長変換層３２の劣化を防止できる。つまり、機械的強度も含め、ロバストで高い信頼性を有する発光部３０を実現できる。

さらに、図３（ｃ）のように、光学部３９、あるいは、熱伝導部３４は多角形とすることもできる。発光部３０は円形でも、光学部３９や母材は平面部が多い方が部品自身の加工が楽であり、コストを低減できる。また、他の部品との組み合わせる場合も、アセンブリが楽である。この点でも、製造コストを低減できる。

もし、ＬＥＤ、ハロゲン電球、ＨＩＤ（High Intensity Discharge)などの高輝度大光量光源を用いる灯具およびプロジェクタなどの照明装置は、その光源の発熱のため、筐体のサイズが大きくなる。特に、プロジェクタは、冷却ファンなどを含み、液晶やレンズなどの光学部品、および、回路などが筐体に一体的に内蔵している。これらの高価な部品の放熱対策も必要になる。また、机の上にプロジェクタを置いた場合、冷却ファンからの排熱が不快であり、ファンの音がうるさい。これに対して、第１の実施形態では、放熱が容易で、小型軽量の大光量高輝度照明装置を提供することができる。

また、第１の実施形態の固体照明装置は、１０００ルーメンを超える光束を数ｍｍ以下の直径で発光し、大光量高輝度白色光源を実現できる。発光部３０における発熱領域は、蛍光体層３２のみであり、小型で軽量な白色発光領域を実現できる。

図４（ａ）は第２の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図、図４（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った発光部近傍の模式断面図、である。
第２の実施形態では、導波路は、光ファイバー２４を含み、導光部２０は、多芯ファイバー束を含むものとする。レーザー光ｇ３は、導波路の一方の端部から光学部４９の側面４９ｄへ導入される。側面入射構造は、光学部４９の設計が容易であり、波長変換層３２からの放熱が効率的である特徴を有する。すなわち、第１の実施形態の裏面入射構造では、第１のファイバーフェルール２９の延在する方向と波長変換層３２における発生熱の排出方向が同一であるため、放熱性を低下させる。

また、図３（ｂ）のように、光学部４９は、屈折率の高いコア部４９ａを屈折率の低いガラスからなるクラッド部４９ｂで上下から挟んだ構造とする。このため、指向性の高いレーザー光はコア部４９ａを伝搬し、ハンダ材５５や光学部４９の上面４９ｅの傷や汚れの影響を受けない。また、平面構造のため、量産化および低コスト化が容易である。

本実施形態では、空隙側の内部斜面の代わりに、コア部４９ａの先端部にテーパ部４９ｃを設けている。テーパ部４９ｃを設けることにより、レーザー光が上下の異なる屈折率界面において全反射して導光し、波長変換層３２の上面のテーパ部４９ｃで、下向きとなり、波長変換層３２に効率的に照射される。このテーパ部４９ｃの形状によって照射の分布を制御できる。したがって、微小発光面の輝度を制御できる。クラッド部４９ａとコア部４９ｂとの屈折率差は、比較的小さくて済むため、波長変換層３２での白色発光の配光には、ほとんど影響がない。

図５は、固体照明装置の応用例の一例であるプロジェクタの構成を示す模式図である。
発熱の大きい半導体レーザーと、駆動回路と、は、光源部１０に収納されている。光ファイバー２４などの導光部２０により、光源部１０と接続された発光部３０は、大光量高輝度発光が可能であるにもかかわらず、小型軽量で低発熱とできる。光源部１０を、たとえば、机の下などに設置すれば、机上は広くなり、冷却ファンによる排熱や騒音を抑制できる。

映像をスクリーン６４に投影する投影部６０には、発光部の前に液晶デバイスやデジタルミラーデバイスなどからなるシャッターが設けられる。液晶デバイスは、消費電力が低いので、発熱は少ない。また、マイクロ波でワイアレス給電する場合、光ファイバー２４には光信号伝送用のコネクタを設ければよい。もちろん、電気信号伝送用のコネクタを設けることもできる。発光部３０は自在に首の角度を調整できるように、自在パイプの中に光ファイバー束を通すと、照射位置の調整がワンタッチで可能である。

図６は、プロジェクタの機能を示すブロック図である。
プロジェクタは、投影部６０と、固体照明装置５と、掃引信号駆動部７１と、戻り光センサー部７３と、映像信号駆動部７２と、を有する。投影部６０は、映像部６３と、掃引光学部６１と、外部信号センサー部６２と、を有する。また、映像部６３は、液晶シャッターやデジタルミラーデバイスを有してもよい。

光源部１０から放出されたレーザー光Ｇ１は、導光部２０を伝搬し、発光部３０へ入射する。発光部３０から放出された白色光ＷＬは、映像部６３に対するプロジェクション用のバックライトとして作用する。あるいは、光源部１０は、掃引光学部６１へレーザー光Ｇ２を伝送することもできる。

光学部３０からの戻り光ＲＬ１は、導光部２０を通り、戻り光センサー部７３へ入射する。戻り光ＲＬ１は、光学部３９で反射されたレーザー光および波長変換光を含む。たとえば、戻り光の黄色光成分の強度が、青色光成分の強度に対して低下した場合、戻り光センサー部７３がこの低下を検出し、半導体レーザー１１の駆動を停止することができる。すなわち、固体照明装置５は、放出光が異常モードになったことを検出する自己診断機能を有するので、青色光などが過剰に放出されことを防ぎ安全を確保することができる。

映像部６３には、映像信号駆動部７２からの映像信号Ｓ１が入力され、スクリーン６４に向けて映像を投影する。あるいは、掃引光学部６１へは、掃引信号駆動部７１からの掃引信号Ｓ２が入力される。

また、信号伝送系を光のみにする場合、高出力レーザーの出力の一部を利用して発光ヘッド側で光発電を行い、制御信号用電力も光ファイバーなどで伝送することも可能である。

第１および第２の実施形態にかかる固体照明装置５は、小型、軽量、低発熱であり、安全性を高めることが容易である。また、光ファイバーケーブルでレーザー光を発光部まで導光させる照明システムとしたことで、ＬＥＤや、フィラメント電球・ＨＩＤランプなどを用いた照明システムと異なり照明の発光部近傍に電気配線する必要がなくなる。また、固体照明装置の応用は、プロジェクタに限定されない。舞台照明、街路灯、サーチライト、ヘッドライト、水中照明、などに広く用いることができる。たとえば、舞台照明の場合、プロジェクションやスポット照明に使用できる。この場合、微小発光部のローカル部分の色や輝度を調光でき、分解能は低いが演出としては大きな効果が得られる。また、固体照明装置は、防水防爆対策や特殊装備の着用などを必要とする環境箇所・電気配線が困難な箇所にも設置することができる。

発光部の発熱が大きい照明装置の場合、スポットやプロジェクション型の舞台照明とレーザー光掃引による演出とは、別の大型装置を用いる必要があった。これに対して、第１および第２の実施形態によれば、１台の小型ヘッドを用いて、両方の機能を実現することができる。このため、舞台やスタジオのコンセプトを大きく変えることができ、その効果は大きい。

また、外部信号光センサー部６２が赤外線などの外部光信号を検出すると、光源部１０に向けて、赤外線や電気などの信号ＲＬ２を伝送し、半導体レーザー１１のオンまたはオフに制御することができる。このような固体照明装置は、防爆設備用照明や画像録画可能な防犯照明などとして用いることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

５ 固体照明装置、１０ 光源、１１ 半導体レーザー、１２ 駆動回路、２０ 導光部、３０ 発光部、３２ 波長変換層、３４ 熱伝導部、３４ｃ 開口部、３９ 光学部、３９ｄ （光学部の）上面、３９ｅ （光学部の）下面、４９ 光学部、４９ｄ （光学部）の側面、４９ｅ （光学部の）上面、４９ｆ （光学部）の下面、５５ 半田材

Claims (7)

1. 半導体レーザーと、前記半導体レーザーを制御する駆動回路と、を有する光源部であって、青色〜青紫色の波長範囲の複数のレーザー光を放出する光源部と、
   前記複数のレーザー光をそれぞれ導光する複数の導波路を有する導光部と、
   第１の面を有する熱伝導部と、前記第１の面の中央部に設けられた波長変換層と、前記第１の面および前記波長変換層の上に設けられ上面と側面と下面とを有する光学部と、を有する発光部であって、前記複数の導波路の一方の端部は上方からみて前記中央部の外側にそれぞれ配置され、前記一方の端部から前記光学部にそれぞれ入射した前記複数のレーザー光は導光されたのち前記波長変換層を照射する発光部と、
   を備え、
   前記複数のレーザー光を吸収した前記波長変換層から放出された波長変換光と、前記複数のレーザー光と、は、前記光学部の前記上面から放出される固体照明装置。
2. 前記熱伝導部の前記第１の面には、前記波長変換層を囲む複数の開口部が設けられ、
   前記一方の端部のそれぞれは、前記複数の開口部の内部にそれぞれ配置され、
   前記複数のレーザー光は、前記光学部の前記下面の側へそれぞれ入射する請求項１記載の固体照明装置。
3. 前記光学部に入射した前記複数のレーザー光は、前記光学部の前記側面のうち、傾斜した領域で反射されたのち前記波長変換層をそれぞれ照射する請求項２記載に固体照明装置。
4. 前記複数の導波路の前記一方の端部は、前記光学部の前記側面の側にそれぞれ配置され、
   前記複数のレーザー光は、前記光学部の内部へそれぞれ入射する請求項１記載の固体照明装置。
5. 前記発光部からの戻り光を検出する光センサーをさらに備え、
   前記戻り光は、前記複数の導波路のうちの少なくとも１つを伝搬したのち前記光センサーに入射し、
   前記戻り光を構成する前記波長変換光と前記複数のレーザー光との強度比率が所定の範囲外となると、前記駆動回路は前記半導体レーザーの駆動を停止する請求項１〜４のいずれか１つに記載の固定照明装置。
6. 前記熱伝導部の前記第１の面は、高反射面である請求項１〜５のいずれか１つに記載の固体照明装置。
7. 前記熱伝導部の前記第１の面のうち前記中央部の外側の領域と、前記光学部の前記下面と、を接着する半田層をさらに備え、
   前記光学部の下面は、前記波長変換層と対向する領域に凹部を有する請求項１〜６のいずれか１つに記載の固体照明装置。

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