JP2013254690A - 光源装置および照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光が入射するセラミックス蛍光体から適切な出射光を効率よく得る。
【解決手段】照明装置１では、半導体レーザ１１からの青色レーザ光がセラミックス蛍光体１３に入射し、照明光が出射される。セラミックス蛍光体１３は、入射面および側面がバンドパスフィルタ１３１にて覆われる。セラミックス蛍光体１３は、サファイアの保持板２３１に挟まれるようにして保持される。保持板２３１により、セラミックス蛍光体１３にて生じる熱が効率よく除去される。バンドパスフィルタ１３１はセラミックス蛍光体１３にて生じる蛍光を反射し、蛍光を出射面へと導く。レーザ光および蛍光により疑似白色光が照明光として得られる。バンドパスフィルタ１３１により、セラミックス蛍光体１３から適切な出射光を効率よく得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源装置および照明装置に関する。

近年、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を光源とする照明装置が、オフィスや店舗等で利用されている。一方、半導体レーザ（ＬＤ：Laser Diode）は、光学ドライブの光ピックアップ、レーザプリンタ、プロジェクタ等の光源として利用されている。また、特許文献１では、半導体レーザを照明に利用する技術が開示されている。

特許文献１の光源装置では、固体光源から蛍光体層に励起光が照射される。蛍光体層は放熱基板に接合部を介して接合される。固体光源としては、半導体ダイオードや半導体レーザ等を用いることができ、蛍光体層としては、蛍光体セラミックス等が用いられる。放熱基板としては、高い光反射特性、熱伝導性を併せ持つ金属基板が用いられる。これにより、光の利用効率を高めつつ、蛍光体層からの熱の除去が実現される。

特開２０１１−１２９３５４号公報

ところで、セラミックス蛍光体にて生じる発光は全方位発光であることから、特許文献１のように入射面に向かって光を単純に反射させるのみでは、散乱光がレーザ光に比べて大きく散乱し、適切な出射光を効率よく得ることができない。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、レーザ光が入射するセラミックス蛍光体から適切な出射光を効率よく得ることを目的としている。

請求項１に記載の発明は、光源装置であって、青色レーザ光を出射する青色レーザデバイスと、前記青色レーザデバイスからの光が入射面から入射し、前記入射面とは異なる出射面から照明光を出射するセラミックス蛍光体と、前記セラミックス蛍光体に直接的に接して、または、透光部材を介して設けられ、前記セラミックス蛍光体内部を伝播する光の少なくと一部を反射して前記出射面へと導く反射部とを備える。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光源装置であって、前記反射部が、前記セラミックス蛍光体の前記入射面に直接的に接して、または、透光部材を介して設けられ、前記セラミックス蛍光体にて生じる蛍光を反射するバンドパスフィルタである。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の光源装置であって、前記セラミックス蛍光体よりも熱伝導率が高く、前記セラミックス蛍光体を保持する保持部材をさらに備え、前記セラミックス蛍光体が板状であり、前記青色レーザデバイスからの光が、前記セラミックス蛍光体を厚さ方向に通過し、前記保持部材が、前記セラミックス蛍光体の一方の主面と実質的に面接触し、前記セラミックス蛍光体に入射する光、または、前記セラミックス蛍光体から出射する光を透過する。

請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の光源装置であって、前記セラミックス蛍光体よりも熱伝導率が高く、前記セラミックス蛍光体を保持する保持部材をさらに備え、前記セラミックス蛍光体が板状であり、前記青色レーザデバイスからの光が、前記セラミックス蛍光体を厚さ方向に通過し、前記保持部材が、前記セラミックス蛍光体の両主面と実質的に面接触し、前記セラミックス蛍光体に入射する光、および、前記セラミックス蛍光体から出射する光を透過する一対の部材である。

請求項５に記載の発明は、請求項３または４に記載の光源装置であって、前記保持部材が、サファイアにて形成される。

請求項６に記載の発明は、請求項３ないし５のいずれかに記載の光源装置であって、前記保持部材を支持する金属にて形成された支持部をさらに備える。

請求項７に記載の発明は、請求項１に記載の光源装置であって、前記セラミックス蛍光体が、セラミックス部材の一部であり、前記セラミックス蛍光体が、光軸に沿って伸び、前記セラミックス部材が、前記セラミックス蛍光体よりも屈折率が小さく、前記セラミックス蛍光体の周囲を覆って前記光軸に沿って筒状に伸びる周辺部を備え、前記光源装置が、前記セラミックス部材よりも熱伝導率が高く、前記セラミックス部材を保持する保持部材をさらに備え、前記保持部材が、前記周辺部の外側面に実質的に面接触する。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の光源装置であって、金属にて形成されたハウジングをさらに備え、前記保持部材が金属にて形成され、前記ハウジングと直接的または金属部を介して間接的に接する。

請求項９に記載の発明は、照明装置であって、請求項１ないし８のいずれかに記載の光源装置を備える。

本発明によれば、セラミックス蛍光体から適切な出射光を効率よく得ることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る照明装置を示す断面図である。 セラミックス蛍光体近傍の他の構造を示す図である。 セラミックス蛍光体近傍のさらに他の構造を示す図である。 セラミックス蛍光体近傍のさらに他の構造を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る照明装置を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る照明装置を示す断面図である。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る照明装置１を示す断面図である。図１では、断面の細部における平行斜線を省略している。照明装置１は、半導体レーザ１１と、半導体レーザ１１が実装される基板１２と、半導体レーザ１１からの光が入射するセラミックス蛍光体１３とを備える。半導体レーザ１１は、青色レーザ光を出射する青色レーザデバイスであり、本実施の形態では、半導体レーザのベアチップである。セラミックス蛍光体１３は透光性を有し、板状である。半導体レーザ１１からのレーザ光は、光軸Ｊ１に沿ってセラミックス蛍光体１３を厚さ方向に通過することにより、セラミックス蛍光体１３から照明光が出射される。

セラミックス蛍光体１３は青色レーザ光の一部を黄色光に変換し、セラミックス蛍光体１３からは、疑似白色光が出射される。セラミックス蛍光体の蛍光体成分としては、例えば、ＹＡＧ系のものが用いられるが、これに限定されない。セラミックス蛍光体１３の光の入射面（図１における下面）および外周面には、直接接するようにしてバンドパスフィルタ１３１が形成される。バンドパスフィルタ１３１は、セラミックス蛍光体１３にて発生する蛍光を反射して出射面（図１における上面）へと導く。すなわち、バンドパスフィルタ１３１は、セラミックス蛍光体１３内部を伝播する光の少なくと一部を反射して出射面へと導く反射部として機能する。

照明装置１は、基板１２が取り付けられるベース部２１と、ベース部２１の上方を覆うカバー２２と、セラミックス蛍光体１３を保持する保持部材２３と、照明光の広がりを調整するレンズ２４とをさらに備える。ベース部２１は、底部２１１と、底部２１１から上方に延びる板状の取付部２１２とを備える。取付部２１２には、基板１２が取り付けられる。カバー２２は、天蓋部２２１と、天蓋部２２１の外縁部から下方へと延びる側壁部２２２とを備える。側壁部２２２の下部は、ベース部２１の外縁部に締結される。ベース部２１およびカバー２２は金属にて形成される。換言すれば、カバー２２およびベース部２１の底部２１１にて形成されるハウジング２０は、全体が金属にて形成される。ハウジング２０内には不活性ガスが充填される。

基板１２は熱伝導性に優れた材料にて形成される。基板１２は、半導体レーザ１１および取付部２１２と実質的に面接触する。これにより、半導体レーザ１１から発生する熱が、ベース部２１の取付部２１２および底部２１１を経由して効率よく照明装置１の外部へと放出される。

天蓋部２２１は開口２２３を有し、開口２２３内にセラミックス蛍光体１３が配置される。保持部材２３は、一対の保持板２３１から構成される。各保持板２３１は、サファイアにて形成され、セラミックス蛍光体１３よりも熱伝導率が高い。両保持板２３１は、天蓋部２２１の上面および下面に固定される固定枠２３２により天蓋部２２１の上面および下面に固定される。固定枠２３２は金属にて形成される。両保持板２３１は、セラミックス蛍光体１３の両主面である上面および下面に直接的または間接的に面接触し、セラミックス蛍光体１３を上下から挟むようにして保持する。なお、セラミックス蛍光体１３と保持板２３１とは、厳密な意味で面接触する必要はなく、実質的に面接触すればよい。以下の説明における他の部位に関する面接触においても同様である。

一対の保持板２３１は、セラミックス蛍光体１３に入射する光、および、セラミックス蛍光体１３から出射する光を透過する。レンズ２４は、上側の保持板２３１上に接合され、照明光の配光調整部として機能する。配光調整部としては、単一のレンズ２４以外に、微小な多数のレンズを配列したフライアイレンズや、略面状のフレネルレンズ等が用いられてもよい。

一対の保持板２３１は、固定枠２３２により、カバー２２の開口２２３の周囲の部位にも実質的に面接触する。すなわち、開口２２３の周囲の部位および固定枠２３２は、保持板２３１を支持する支持部として機能する。以下、これらの部位を「支持部２２４」と呼ぶ。熱伝導率の高い一対の保持板２３１がセラミックス蛍光体１３および支持部２２４と面接触し、かつ、支持部２２４が金属にて形成されることから、セラミックス蛍光体１３にて発生する熱は、ハウジング２０の一部であるカバー２２を介して効率よく放出される。

特に、セラミックス蛍光体１３は、バインダで固めた一般的な蛍光体に比べて熱伝導性に優れるため、セラミックス蛍光体１３を熱伝導率の高い保持部材２３にて保持することにより、セラミックス蛍光体１３から効率よく熱を除去することができる。その結果、セラミックス蛍光体１３やその周辺部品が高温になることが抑制され、照明装置１の寿命を向上することができる。

また、バンドパスフィルタ１３１がセラミックス蛍光体１３の入射面および側面に設けられることにより、蛍光が入射面とは異なる出射面側へと導かれる。その結果、レーザ光および蛍光を含む適切な照明光が効率よく出射面から出射される。セラミックス蛍光体１３からの効率のよい熱の除去および効率のよい照明光の出射は、以下の他の実施の形態においても同様である。

図２は、照明装置１のセラミックス蛍光体１３近傍の他の構造を示す図である。図２に示す例では、保持部材２３である保持板２３１として、１枚のサファイアが設けられる。保持板２３１の上面にはレンズ２４が取り付けられる。保持板２３１は、セラミックス蛍光体１３の出射側の主面に実質的に面接触し、セラミックス蛍光体１３から出射する光を透過する。保持板２３１の外縁部は、図１と同様に、固定枠２３２により開口２２３の周囲の部位に実質的に面接触する。これにより、セラミックス蛍光体１３にて発生する熱がカバー２２を介して効率よく取り除かれる。セラミックス蛍光体１３の下面は、開口２２３の周囲の部位から内方へと突出する突出部２２５により、支持される。

図３は、照明装置１のセラミックス蛍光体１３近傍のさらに他の構造を示す図である。図３に示す例においても、保持部材２３である保持板２３１として、１枚のサファイアが設けられる。レンズ２４はセラミックス蛍光体１３の上面に設けられる。保持板２３１は、セラミックス蛍光体１３の入射側の主面に実質的に面接触し、セラミックス蛍光体１３に入射する光を透過する。保持板２３１の外縁部は、図１と同様に、固定枠２３２により開口２２３の周囲の部位に実質的に面接触する。これにより、セラミックス蛍光体１３にて発生する熱がカバー２２を介して効率よく取り除かれる。セラミックス蛍光体１３の上面は、開口２２３の周囲の部位から内方へと突出する突出部２２５により、支持される。

図４は、照明装置１のセラミックス蛍光体１３近傍のさらに他の構造を示す図である。図４に示す構造では、図１に示すセラミックス蛍光体１３の周囲からバンドパスフィルタ１３１が省かれ、下側の保持板２３１の下面にバンドパスフィルタ１３１が設けられる。セラミックス蛍光体１３は、上下から一対の保持板２３１に直接的に挟まれる。また、開口２２３の内周面２２３ａは鏡面加工される。バンドパスフィルタ１３１は、セラミックス蛍光体１３に透光部材である保持板２３１を介して間接的に接する。バンドパスフィルタ１３１および開口２２３の内周面２２３ａは、セラミックス蛍光体１３１内部を伝播する光の少なくと一部を反射して出射面へと導く反射部として機能する。

図１ないし図４に示すように、セラミックス蛍光体１３の入射面および側面に蛍光を反射する反射部が設けられることにより、照明光を効率よく入射面とは異なる出射面へと導くことができる。

図５は、本発明の第２の実施の形態に係る照明装置１ａを示す断面図である。照明装置１ａは、セラミックス蛍光体１３の周囲の構造が異なるという点を除いて、第１の実施の形態とほぼ同様であり、同様の構成要素には同符号を付している。

セラミックス蛍光体１３は円柱状のセラミックス部材１３０内に設けられる。セラミックス蛍光体１３は、セラミックス部材１３０において、光軸Ｊ１に沿って伸びる中心部である。セラミックス部材１３０では、セラミックス蛍光体１３の周囲を覆って光軸Ｊ１に沿って筒状に伸びる部位が他の材料のセラミックスにて形成される。以下、セラミックス蛍光体１３の周囲の部位を「周辺部１３２」と呼ぶ。周辺部１３２は透光性を有し、周辺部１３２の屈折率は、セラミックス蛍光体１３よりも小さい。これにより、半導体レーザ１１から出射されるレーザ光がセラミックス蛍光体１３と周辺部１３２との間で全反射しつつレンズ２４に向かって伝播する。セラミックス蛍光体１３の入射面にはバンドパスフィルタ１３１が直接的に接し、蛍光や蛍光体にて散乱したレーザ光が上面である出射面へと効率よく導かれる。

レンズ２４はカバーガラス２３３上に固定され、カバーガラス２３３は、図１の保持板２３１と同様に、開口２２３の周囲にて固定枠２３２により天蓋部２２１に固定される。

セラミックス部材１３０は、保持部材２５により保持される。保持部材２５は円筒状であり、金属にて形成される。保持部材２５は周辺部１３２の外側面に実質的に面接触する。保持部材２５は、セラミックス部材１３０よりも熱伝導率が高く、ベース部２１の取付部２１２上に取り付けられる。保持部材２５と取付部２１２も実質的に面接触する。これにより、セラミックス蛍光体１３にて発生する熱は、周辺部１３２、保持部材２５および取付部２１２を介して金属製のハウジング２０から外部へと効率よく放出される。取付部２１２には、半導体レーザ１１および基板１２も取り付けられることから、第２の実施の形態では、取付部２１２および底部２１１を介して、セラミックス部材１３０および半導体レーザ１１からの熱が効率よく放出される。

セラミックス蛍光体１３は円柱状であることから、セラミックス蛍光体１３によるレーザ光の波長変換効率が低い場合であっても、レーザ光が蛍光体を通過する距離を十分に確保することが実現される。また、保持部材２５の内周面２５ａは鏡面に加工される。蛍光や散乱したレーザ光は、セラミックス蛍光体１３と周辺部１３２との間の境界や、内周面２５ａにより反射されつつ出射面へと導かれる。換言すれば、周辺部１３２、内周面２５ａおよびバンドパスフィルタ１３１が、セラミックス蛍光体１３内部を伝播する光の少なくと一部を反射して出射側へと導く反射部として機能する。反射部は、セラミックス蛍光体１３に直接的に接して、または、周辺部１３２である透光部材を介して設けられる。なお、レーザ光に対しては、周辺部１３２や保持部材２５が反射部として機能する。これにより、入射面とは異なる出射面へと、レーザ光および蛍光が効率よく導かれ、適切な照明光が効率よく出射される。

図６は、本発明の第３の実施の形態に係る照明装置１ｂを示す断面図である。照明装置１ｂは、半導体レーザ１１の配置およびセラミックス蛍光体１３の形状および配置が異なるという点を除いて、第１の形態とほぼ同様であり、同様の構成には同符号を付している。

照明装置１ｂでは、ハウジング２０の高さが低く、ベース部２１は板状である。半導体レーザ１１は基板１２を介してベース部２１上に取り付けられる。セラミックス蛍光体１３は、光軸Ｊ１および図６の上下方向に平行な面による断面形状が直角二等辺三角形である。直角二等辺三角形の斜辺に対応する面は、保持部材２６に面接触する。

保持部材２６は金属にて形成され、セラミックス蛍光体１３よりも熱伝導率が高い。保持部材２６の光軸Ｊ１および図６の上下方向に平行な面による断面形状は直角二等辺三角形である。直角二等辺三角形の斜辺に対応する傾斜面２６ａは、セラミックス蛍光体１３と面接触する。保持部材２６の法線が下方を向く面は、ベース部２１と面接触する。

セラミックス蛍光体１３の法線が半導体レーザ１１に向かう面上にはバンドパスフィルタ１３１が直接的に接して設けられる。バンドパスフィルタ１３１は、図６の紙面の奥側および手前側の面にも設けられる。すなわち、バンドパスフィルタ１３１は、セラミックス蛍光体１３の出射面および反射面以外の全ての面に設けられる。半導体レーザ１１からの光は、バンドパスフィルタ１３１を介してセラミックス蛍光体１３に入射し、斜辺に対応する面にて反射されて法線が上方を向く出射面から照明光として上方へと出射される。照明光はレンズ２４を介して照明装置１ｂの外部へと導かれる。レンズ２４はカバーガラス２３３上に取り付けられ、レンズ２４およびカバーガラス２３３のカバー２２への固定方法は、第２の実施の形態と同様である。

第３の実施の形態においても、セラミックス蛍光体１３が熱伝導率の高い金属にて形成された保持部材２６と面接触し、保持部材２６が金属のハウジング２０と面接触することから、セラミックス蛍光体１３にて発生する熱が効率よく外部へと放出される。半導体レーザ１１も熱伝導率の高い基板１２を介してハウジング２０に取り付けられることから、半導体レーザ１１にて発生する熱も効率よく外部へと放出される。また、プリズム型のセラミックス蛍光体１３を用いることにより、光軸Ｊ１を折り曲げて照明装置１ｂの高さを低く抑えることができる。

保持部材２６の傾斜面２６ａは、鏡面加工されている。これにより、セラミックス蛍光体１３に入射した光により生じる蛍光は、バンドパスフィルタ１３１および傾斜面２６ａにより上面である出射面へと導かれる。その結果、適切な照明光が効率よく出射面から出射される。

保持部材２６は、サファイアやセラミックスにて形成されてもよい。また、セラミックス蛍光体１３と保持部材２６との間に、蛍光の反射をより高めるための専用の反射板や反射膜等の反射体が挟まれてもよい。反射体は金属等により形成される。

上記第１ないし第３の実施の形態では、セラミックス蛍光体１３が熱伝導率の高い保持部材を介して、金属にて形成されるハウジング２０に直接的、または、金属部を介して間接的に接するため、セラミックス蛍光体１３の熱がハウジング２０を介して効率よく外部に放出することができる。また、上記第１ないし第３の実施の形態では、セラミックス蛍光体１３の出射面以外の面に、鏡面やバンドパスフィルタ等の反射部が設けられることにより、蛍光や蛍光体にて散乱したレーザ光が閉じ込められるようにして出射面へと導かれる。これにより、効率よく照明光が得られる。

透光性を有する保持部材２３は、サファイアの他に、熱伝導率が高いダイヤモンド、窒化ガリウム、透明アルミナセラミックス等により形成されてもよい。セラミックス蛍光体１３の側面や他の面に接する不透明な保持部材２５，２６は、例えば、銀、銅、アルミニウム、シリコン、窒化アルミニウム、真鍮、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、または、カーボンナノチューブを含有する複合材料等により形成されてもよい。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

例えば、上述の照明装置では、半導体レーザ１１として、いわゆる缶タイプの青色レーザデバイスが利用されてもよい。半導体レーザ１１として、発光点が配列されたものや発光部が線状のものが利用されてもよい。また、ハウジング２０やセラミックス蛍光体１３等の各部材の形状は様々に変更されてよい。上記照明装置の構造は、照明装置以外の装置の光源装置として利用されてもよい。

上記実施形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。

１，１ａ，１ｂ 照明装置
１１ 半導体レーザ
１３ セラミックス蛍光体
２０ ハウジング
２３，２５，２６ 保持部材
２５ａ 内周面
２６ａ 傾斜面
１３０ セラミックス部材
１３１ バンドパスフィルタ
１３２ 周辺部
２２３ａ 内周面
２３１ 保持板

Claims (9)

1. 光源装置であって、
   青色レーザ光を出射する青色レーザデバイスと、
   前記青色レーザデバイスからの光が入射面から入射し、前記入射面とは異なる出射面から照明光を出射するセラミックス蛍光体と、
   前記セラミックス蛍光体に直接的に接して、または、透光部材を介して設けられ、前記セラミックス蛍光体内部を伝播する光の少なくと一部を反射して前記出射面へと導く反射部と、
   を備えることを特徴とする光源装置。
2. 請求項１に記載の光源装置であって、
   前記反射部が、前記セラミックス蛍光体の前記入射面に直接的に接して、または、透光部材を介して設けられ、前記セラミックス蛍光体にて生じる蛍光を反射するバンドパスフィルタであることを特徴とする光源装置。
3. 請求項２に記載の光源装置であって、
   前記セラミックス蛍光体よりも熱伝導率が高く、前記セラミックス蛍光体を保持する保持部材をさらに備え、
   前記セラミックス蛍光体が板状であり、前記青色レーザデバイスからの光が、前記セラミックス蛍光体を厚さ方向に通過し、
   前記保持部材が、前記セラミックス蛍光体の一方の主面と実質的に面接触し、前記セラミックス蛍光体に入射する光、または、前記セラミックス蛍光体から出射する光を透過することを特徴とする光源装置。
4. 請求項２に記載の光源装置であって、
   前記セラミックス蛍光体よりも熱伝導率が高く、前記セラミックス蛍光体を保持する保持部材をさらに備え、
   前記セラミックス蛍光体が板状であり、前記青色レーザデバイスからの光が、前記セラミックス蛍光体を厚さ方向に通過し、
   前記保持部材が、前記セラミックス蛍光体の両主面と実質的に面接触し、前記セラミックス蛍光体に入射する光、および、前記セラミックス蛍光体から出射する光を透過する一対の部材であることを特徴とする光源装置。
5. 請求項３または４に記載の光源装置であって、
   前記保持部材が、サファイアにて形成されることを特徴とする光源装置。
6. 請求項３ないし５のいずれかに記載の光源装置であって、
   前記保持部材を支持する金属にて形成された支持部をさらに備えることを特徴とする光源装置。
7. 請求項１に記載の光源装置であって、
   前記セラミックス蛍光体が、セラミックス部材の一部であり、
   前記セラミックス蛍光体が、光軸に沿って伸び、
   前記セラミックス部材が、前記セラミックス蛍光体よりも屈折率が小さく、前記セラミックス蛍光体の周囲を覆って前記光軸に沿って筒状に伸びる周辺部を備え、
   前記光源装置が、前記セラミックス部材よりも熱伝導率が高く、前記セラミックス部材を保持する保持部材をさらに備え、
   前記保持部材が、前記周辺部の外側面に実質的に面接触することを特徴とする光源装置。
8. 請求項７に記載の光源装置であって、
   金属にて形成されたハウジングをさらに備え、
   前記保持部材が金属にて形成され、前記ハウジングと直接的または金属部を介して間接的に接することを特徴とする光源装置。
9. 照明装置であって、
   請求項１ないし８のいずれかに記載の光源装置を備えることを特徴とする照明装置。

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