JP2016127142A

JP2016127142A - 発光装置

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Publication number: JP2016127142A
Application number: JP2014266722A
Authority: JP
Inventors: 利章山下; Toshiaki Yamashita
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2014-12-26
Filing date: 2014-12-26
Publication date: 2016-07-11
Anticipated expiration: 2034-12-26
Also published as: JP6380096B2

Abstract

【課題】蛍光体の輝度飽和や蛍光体の発熱が大きくなることによる蛍光体（波長変換部）の発光効率低下を緩和して、これによる光損失を抑制し、発光装置全体の発光効率低下を防止する発光装置を提供する。
【解決手段】発光装置１は、半導体レーザ素子１０と、半導体レーザ素子１０から出射したレーザ光を励起光として励起光とは異なる波長の光を発する蛍光体が含まれる蛍光体含有部材２０と、を備え、蛍光体含有部材２０は、半導体レーザ素子１０から出射したレーザ光の進行方向に沿って貫通し、半導体レーザ素子１０から出射したレーザ光のうち出力が最大値を示す部分が入射する貫通部２２と、貫通部２０の側方に配置され、半導体レーザ素子１０から出射したレーザ光の一部が入射する波長変換部２４と、を有する。
【選択図】図２

Description

発光装置に関する。

発光素子から出射する光と蛍光体から出射する光とを組み合わせることにより所望の波長の光を取り出す発光装置が知られている（特許文献１参照）。

特開２００４−７１３５７号公報

しかしながら、この種の発光装置においては、発光素子から照射される光の出力（光密度）が一定以上高くなると、蛍光体の発光過程が励起エネルギー密度の上昇に追いつかなくなり、蛍光体が輝度飽和を起こすおそれがある。また、蛍光体の発熱が大きくなってその排熱が追いつかなくなるおそれもある。

上記課題は、例えば、次の手段により解決することができる。半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子から出射したレーザ光を励起光として前記励起光とは異なる波長の光を発する蛍光体が含まれる蛍光体含有部材と、を備え、前記蛍光体含有部材は、前記半導体レーザ素子から出射したレーザ光の進行方向に沿って貫通し、前記半導体レーザ素子から出射したレーザ光のうち出力が最大値を示す部分が入射する貫通部と、前記貫通部の側方に配置され、前記半導体レーザ素子から出射したレーザ光の一部が入射する波長変換部と、を有することを特徴とする発光装置。

上記した発光装置によれば、蛍光体の輝度飽和や蛍光体の発熱が大きくなることによる蛍光体（波長変換部）の発光効率低下を緩和して、これによる光損失を抑制し、発光装置全体の発光効率低下を防止することができる。

実施形態１に係る発光装置の模式的平面図である。実施形態１に係る発光装置の模式的断面図である。

［実施形態１に係る発光装置１］
図１は実施形態１に係る発光装置の模式的平面図（実施形態１に係る発光装置１を図２の上方向から見た図）であり、図２は実施形態１に係る発光装置の模式的断面図である。図１においては、理解を容易にするため、貫通部２２を破線により透過的に示している。図１、図２に示すように、実施形態１に係る発光装置１は、半導体レーザ素子１０と、半導体レーザ素子１０から出射したレーザ光を励起光として励起光とは異なる波長の光を発する蛍光体が含まれる蛍光体含有部材２０と、を備え、蛍光体含有部材２０は、半導体レーザ素子１０から出射したレーザ光の進行方向に沿って貫通し、半導体レーザ素子１０から出射したレーザ光のうち出力が最大値（ピーク値）を示す部分が入射する貫通部２２と、貫通部２２の側方に配置され、半導体レーザ素子１０から出射したレーザ光の一部が入射する波長変換部２４と、を有する発光装置である。以下、順に説明する。なお、本実施形態においては、図２における上方向のことを単に「上方向」と表すことがある。

（半導体レーザ素子１０）
半導体レーザ素子１０としては、例えば、窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子を用いることができる。また、半導体レーザ素子１０としては、高出力の半導体レーザ素子（例えば、出力が１Ｗ以上の半導体レーザ素子）を好ましく用いることができる。一般に、レーザ光はＬＥＤ光よりも光密度が高いため、蛍光体の輝度飽和は、特に高出力のレーザ光で蛍光体を励起する場合に起こりやすいが、本実施形態によれば、半導体レーザ素子１０から出射したレーザ光のうち出力が最大値（ピーク値）を示す部分が貫通部２２に入射するため、このような蛍光体の輝度飽和を緩和できる。また、蛍光体の発熱は励起光が高出力になるほど大きくなるが、本実施形態によれば、半導体レーザ素子１０から出射したレーザ光のうち出力が最大値（ピーク値）を示す部分が貫通部２２に入射するため、このような蛍光体の発熱を低減することができる。

半導体レーザ素子１０は単数でもよいし複数でもよい。複数の半導体レーザ素子１０を用いる場合は、蛍光体含有部材２０に設ける貫通部２２を、半導体レーザ素子１０の数にあわせて複数設けることができる。複数の半導体レーザ素子１０を用いる場合は、１つの半導体レーザ素子１０を用いる場合と比べて、１つの蛍光体含有部材２０に照射される光出力の合計が大きくなるため、本実施形態をより好ましく適用することができる。

（蛍光体含有部材２０）
蛍光体含有部材２０は、半導体レーザ素子１０から出射したレーザ光を励起光として励起光とは異なる波長の光を発する蛍光体を含有する部材である。蛍光体含有部材２０は、半導体レーザ素子１０から出射したレーザ光の進行方向に沿って貫通し、半導体レーザ素子１０から出射したレーザ光のうち出力が最大値（ピーク値）を示す部分が入射する貫通部２２と、貫通部２２の側方に配置され、半導体レーザ素子１０から出射したレーザ光の一部が入射する波長変換部２４と、を有している。以下では、まず貫通部２２について説明し、続けて、波長変換部２４について説明する。

（貫通部２２）
貫通部２２は、半導体レーザ素子１０から出射したレーザ光の進行方向に沿って蛍光体含有部材２０を貫通する部分である。すなわち、貫通部２２は、光入射側の開口から光出射側の開口までがレーザ光の進行方向に沿って形成されており、貫通部２２の光入射側の開口と光出射側の開口はレーザ光の進行方向上に位置している。なお、貫通部２２は、レーザ光の進行方向に沿って形成されるが、特に、レーザ光の光軸Ｘに沿って形成されていること（実質的に光軸Ｘに沿って形成されている場合を含む。）が好ましい。貫通部２２内には蛍光体が含まれていない（実質的に含まれていない場合を含む。）。

貫通部２２には、半導体レーザ素子１０から出射したレーザ光のうち出力が最大値（ピーク値）を示す部分が入射する。その他の部分は貫通部２２に入射してもよいし入射しなくてもよいが、貫通部２２には、半導体レーザ素子１０から出射したレーザ光のうち出力が最大値（ピーク値）の８０％以上を示す部分が入射することが好ましい。また、レーザ光のうち出力が最大値（ピーク値）の７０％以上を示す部分が入射することがより好ましく、最大値（ピーク値）の５０％以上を示す部分が入射することがさらに好ましい。このようにすれば、より一層、蛍光体の輝度飽和と蛍光体の発熱を緩和することができる。

貫通部２２の形状は、例えば円筒状などにすることができるが、特に限定されない。貫通部２２の上面から見た形状は、図１のような円形の他に、例えば、楕円、正方形、長方形などの様々な形状とすることができる。貫通部２２の断面形状は、側面が光軸Ｘ方向に平行である形状に限定されず、例えば、光出射方向に向かってテーパー状に広がっている形状となっていてもよい。このようなテーパー状は形成しやすいという点で好ましい。

貫通部２２の形成方法は、特に限定されるものではないが、蛍光体含有部材２０の母材が樹脂などである場合は、貫通部２２を備えるよう印刷やパターニングにより蛍光体含有部材２０を形成することができる。また、蛍光体含有部材２０の母材が蛍光体やセラミックス等の焼結体である場合は、焼結体を作製した後、ドリルなどによって焼結体に穴開け加工を行うことで、貫通部２２を形成することができる。

貫通部２２の幅（図２における横方向の大きさ）は、貫通部２２を形成しやすいよう、２０μｍ以上にすることが好ましく、５０μｍ以上にすることがさらに好ましい。貫通部２２の幅とは、例えば、貫通部２２が円筒状の場合は内径のことをいう。貫通部２２の断面形状がテーパー状の場合は、貫通部２２における最も狭い部分の幅が２０μｍ以上であることが好ましく、５０μｍ以上であることがさらに好ましい。

貫通部２２の幅は、特に限定されるものではないが、半導体レーザ素子１０から出射したレーザ光のビーム径の５％以上５０％以下であることが好ましい。このようにすれば、半導体レーザ素子１０から出射したレーザ光のうち出力が最大値（ピーク値）を示す部分が、貫通部２２に入射しやすくなる一方、波長変換部２４に入射し難くなる。なお、貫通部２２はレーザ光のうち一部が入射する部分であるので、レーザ光のビーム径が小さいほど貫通部２２も小さくなる。したがって、例えば、半導体レーザ素子１０の近くに蛍光体含有部材２０を配置するなど、蛍光体含有部材２０に照射されるレーザ光のビーム径を小さくすると、極めて小さい貫通部２２を形成する必要があり、貫通部２２の形成が困難になる場合がある。この場合には、半導体レーザ素子１０と貫通部２２との間にレンズを設けて蛍光体含有部材２０に照射されるレーザ光のビーム径を大きくすることが好ましい。また、半導体レーザ素子１０と貫通部２２との間の距離を長くすることにより、レーザ光のビーム径を大きくしてもよい。

（波長変換部２４）
波長変換部２４には、半導体レーザ素子１０から出射したレーザ光の一部が入射する。このように、蛍光体を含む波長変換部２４にレーザ光の一部を入射させることにより、波長変換部２４に入射した光が蛍光体によって波長変換される。波長変換された光は、波長変換されなかった光とともに発光装置１から取り出される。

波長変換部２４は、貫通部２２の側方に配置され、好ましくは、貫通部２２の側方において貫通部２２に接するよう、すなわち、貫通部２２の内壁が波長変換部２４の側壁となり貫通部２２内において波長変換部２４の側壁が露出するよう配置される。

波長変換部２４としては、具体的には、蛍光体を含有する透光性部材４０などである。蛍光体を含有する透光性部材４０は、例えば、半導体レーザ素子１０の光と蛍光体の光とを透過する母材（例：ガラス、サファイア、樹脂）中に蛍光体が分散された部材、あるいは蛍光体の粒子同士が微小なバインダ粒子等により結着された焼結体などである。蛍光体は、半導体レーザ素子１０のレーザ光を波長変換する物質であり、具体的には、半導体レーザ素子１０から出射したレーザ光を励起光として励起光とは異なる波長の光を発する物質である。なお、例えば、半導体レーザ素子１０として青色の光を発する窒化物半導体レーザ素子１０を用いるとともに、蛍光体としてＹＡＧ等の黄色蛍光体やＣＡＳＮ等の赤色蛍光体などを用いれば、発光装置１から白色光を取り出すことができる。波長変換部２４には２種以上の蛍光体が混合されていてもよい。

以上説明したように、実施形態１に係る発光装置１によれば、半導体レーザ素子１０から出射したレーザ光のうち出力が最大値（ピーク値）を示す部分が貫通部２２に入射するものとされるため、レーザ光のうち貫通部２２に入射する部分よりもエネルギー（光密度）が低いレーザ光（励起光）が蛍光体（波長変換部２４）に照射される。したがって、実施形態１に係る発光装置１によれば、蛍光体の輝度飽和や蛍光体の発熱が大きくなることによる蛍光体（波長変換部２４）の発光効率低下を緩和して、これによる光損失を抑制し、発光装置１全体の発光効率低下を防止することができる。

なお、実施形態１に係る発光装置１は、さらに、例えば次の部材を備えることができる。

（拡散部材３０）
例えば、実施形態１に係る発光装置１は、蛍光体含有部材２０の光入射側の反対側（好ましくは蛍光体含有部材２０の上面全面、すなわち、波長変換部２４の上面から、貫通部２２の上面にかけての領域）に拡散部材３０を有していてもよい。このような位置に拡散部材３０を設ければ、貫通部２２から出射する光と波長変換部２４から出射する光とが拡散部材３０において拡散されるため、発光装置１全体から出射される光の色むらを低減することができる。すなわち、貫通部２２から出射する光には蛍光体により波長変換されていない光が多く含まれている一方、波長変換部２４から出射する光には蛍光体により波長変換された光が多く含まれているため、貫通部２２から出射する光と波長変換部２４から出射する光は色が異なっているが、上記の位置に拡散部材３０を設けて貫通部２２から出射する光と波長変換部２４から出射する光とを拡散させれば、発光装置１全体から取り出される光の色むらを低減することができる。なお、拡散部材３０としては、例えば、高融点ガラスなどにシリカやアルミナなどのフィラーを配合したものを利用することができる。

（透光性部材４０）
実施形態１に係る発光装置１は、貫通部２２内に透光性部材４０を有していてもよい。貫通部２２内に透光性部材４０を設ければ、貫通部２２の側面側に配置されている波長変換部２４で生じた熱を透光性部材４０を介して発光装置１の外部に逃すことができるため、放熱性が向上し、より一層、発光装置１全体の発光効率低下を防止することができる。なお、透光性部材４０は高融点材料（例：高融点ガラス）であることが好ましい。透光性部材４０に高融点材料を用いれば、レーザ光の照射による透光性部材４０の劣化を抑制することができるからである。

透光性部材４０には拡散物質が含まれていることが好ましい。このようにすれば、貫通部２２を通るレーザ光、すなわち波長変換されていない光が拡散物質によって拡散されるため、発光装置１全体から出射される光の色むらを低減することができる。また、透光性部材４０に拡散物質を含めれば、貫通部２２に入射した光の一部が拡散により波長変換部２４に入射し、拡散された光の一部が波長変換部２４において波長変換されるようになるため、波長変換部２４における蛍光体の量を減らしても、波長変換部２４から出射される光の色度を拡散物質を含有しない場合と同程度の色度に保つことが可能となる。波長変換部２４に含まれる蛍光体の量が減ると、波長変換部２４の発熱量が低下するため、より一層、蛍光体（波長変換部２４）の発光効率低下をより緩和することができる。なお、上述した拡散部材３０を設けるとともに、透光性部材４０に拡散物質を含有させれば、拡散部材３０だけではなく透光性部材４０内の拡散物質によっても貫通部２２を通るレーザ光を拡散することが可能となるため、拡散部材３０に含ませるフィラーの量を減らすことができる。拡散物質としては、拡散部材３０内のフィラーと同様のものを利用することができ、例えばシリカやアルミナなどを利用することができる。拡散物質を透光性部材４０内に含める場合は、拡散物質を含む透光性部材４０を貫通部２２の形状にあわせて先に形成し、その後、その側方を被覆するように波長変換部２４を形成することができる。

（放熱部材５０）
実施形態１に係る発光装置１は、蛍光体含有部材２０の光入射側に透光性の放熱部材５０を有していてもよい。このように放熱部材５０を設ければ、蛍光体で生じた熱を効率的に熱引きして、蛍光体（波長変換部２４）の発光効率低下をより緩和することができる。透光性の放熱部材５０としては、例えばサファイアを用いることができる。

（フィルタ６０）
実施形態１に係る発光装置１は、蛍光体含有部材２０の光入射側に、半導体レーザ素子１０から出射したレーザ光を透過する一方、蛍光体含有部材２０から出射した光を反射するフィルタ６０を有していてもよい。このようなフィルタ６０を設ければ、蛍光体含有部材２０から半導体レーザ素子１０への戻り光を低減することができるため、発光装置１全体の光取り出し効率低下をより効果的に防止することができる。フィルタ６０は、誘電体多層膜からなることができ、材料としては、例えばＳｉＯ_２とＴｉＯ_２を所定の膜厚で交互に積層したものが挙げられる。

（支持部材７０、載置体８０、リード９０、キャップ１００）
その他、発光装置１は、例えば、支持部材７０、支持部材７０上に設けられ半導体レーザ素子１０が載置される載置体８０、半導体レーザ素子１０に対して給電するリード９０、半導体レーザ素子１０を封止するキャップ１００などを備えていてもよい。リード９０、支持部材７０、載置体８０としては例えば銅、真鍮、タングステン、アルミニウム、銅・タングステン合金を用いることができる。キャップ１００としては例えば金属（ステンレス、銅、真鍮、コバール、アルミニウム、銀等）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、炭化珪素（ＳｉＣ）、ＣｕＷ、Ｃｕダイヤモンド、ダイヤモンドを用いることができる。

以上、実施形態について説明したが、これらの説明は一例に関するものであり、特許請求の範囲に記載された構成を何ら限定するものではない。

１発光装置
１０半導体レーザ素子
２０蛍光体含有部材
２２貫通部
２４波長変換部
３０拡散部材
４０透光性部材
５０放熱部材
６０フィルタ
７０支持部材
８０載置体
９０リード
１００キャップ
Ｘ半導体レーザ素子から出射したレーザ光の光軸

Claims

半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子から出射したレーザ光を励起光として前記励起光とは異なる波長の光を発する蛍光体が含まれる蛍光体含有部材と、を備え、
前記蛍光体含有部材は、
前記半導体レーザ素子から出射したレーザ光の進行方向に沿って貫通し、前記半導体レーザ素子から出射したレーザ光のうち出力が最大値を示す部分が入射する貫通部と、
前記貫通部の側方に配置され、前記半導体レーザ素子から出射したレーザ光の一部が入射する波長変換部と、
を有することを特徴とする発光装置。
前記蛍光体含有部材の光入射側の反対側に拡散部材を有することを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記貫通部内に透光性部材を有することを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
前記透光性部材は高融点材料であることを特徴とする請求項３に記載の発光装置。
前記透光性部材に拡散物質が含まれていることを特徴とする請求項３または４に記載の発光装置。
前記蛍光体含有部材の光入射側に透光性の放熱部材を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の発光装置。
前記蛍光体含有部材の光入射側にフィルタを有し、
前記フィルタは、前記半導体レーザ素子から出射したレーザ光を透過する一方、前記蛍光体含有部材から出射した光を反射することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の発光装置。