JP2016154063A - 波長変換部材、光源、及びランプ - Google Patents

波長変換部材、光源、及びランプ Download PDF

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宣明 長尾
純久 長崎
Sumihisa Nagasaki
純久 長崎
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Tadashi Morimoto
廉 森本
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一彦 山中
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Abstract

【課題】発光効率を向上できるようにする。【解決手段】波長変換部材10Aは、半導体発光素子11からの光をより長波長の光に変換する蛍光体層12と、蛍光体層12の発光波長の光を透過する保持材13とを備えている。保持材13は、蛍光体層の側面を取り囲むように配置されている。【選択図】図1

Description

本発明は、波長変換部材、光源、及びランプに関する。
従来、半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子から射出されたレーザ光により発光する発光部と、発光部と対向する発光部対向面を有し、発光部対向面を通して発光部の熱を受け取る熱伝導部材と、発光部と発光部対向面との間に設けられ、発光部の熱を発光部対向面に伝導させる間隙層とを備え、間隙層が、少なくとも無機非晶質材料を含んでいるヘッドランプがある(例えば、特許文献1を参照。)。
特開2013−4479号公報
しかしながら、従来の技術には、発光効率又は信頼性のさらなる向上が求められている。
本開示の課題は、発光効率及び信頼性の少なくとも一方を向上させることである。
本開示の一態様に係る波長変換部材は、半導体発光素子からの光をより長波長の光に波長変換する蛍光体層と、蛍光体層の発光波長の光を透過する保持材とを備え、保持材が、蛍光体層の側面を取り囲むように配置されている。
本開示の波長変換部材によれば、発光効率及び信頼性の少なくとも一方を向上させることができる。
一実施形態に係る光源を示す概略図である。 一実施形態に係る光源の変形例を示す概略図である。 一実施形態に係る光源の変形例を示す概略図である。 一実施形態に係るランプを示す概略図である。 一実施形態に係るランプの変形例を示す概略図である。 一実施形態に係るランプの変形例を示す概略図である。 一実施形態に係るランプの変形例を示す概略図である。 一実施形態に係る車両を示す概略図である。 一実施例の波長変換部材を示す概略図である。 一実施例の解析方法を説明するための図である。 一実施例の解析結果を示す図である。 一実施例における保持材のサイズと温度との関係を示すグラフである。 一実施例における保持材と蛍光体層との面積比と温度との関係を示すグラフである。 一実施例における保持材の膜厚と温度との関係を示すグラフである。 一実施例における保持材と蛍光体層との膜厚比と温度との関係を示すグラフである。 一実施例における保持材と蛍光体層との体積比と温度との関係を示すグラフである。
本開示の第1の側面に係る波長変換部材は、半導体発光素子からの光をより長波長の光に波長変換する蛍光体層と、蛍光体層の発光波長の光を透過する保持材と、を備え、保持材が、蛍光体層の側面を取り囲むように配置されている。
本開示の第2の側面に係る波長変換部材は、第1の側面に係る波長変換部材において、蛍光体層の発光波長の光を反射する反射層をさらに備えていてもよい。
本開示の第3の側面に係る波長変換部材は、第2の側面に係る波長変換部材において、反射層が、蛍光体層の底部に接触するように配置されていてもよい。
本開示の第4の側面に係る波長変換部材は、第2の側面に係る波長変換部材において、反射層が、保持材の側面を取り囲むように配置されていてもよい。
本開示の第5の側面に係る波長変換部材は、第1〜4のいずれかの側面に係る波長変換部材において、蛍光体層が、蛍光体粉体と、結着材料とを含んでいてもよい。
本開示の第6の側面に係る波長変換部材は、第1〜5のいずれかの側面に係る波長変換部材において、蛍光体層における保持材に接触する面の面積が、保持材に接触しない面の面積より大きくてもよい。
本開示の第7の側面に係る波長変換部材は、第1〜6のいずれかの側面に係る波長変換部材において、保持材が、無機材料から構成されていてもよい。
本開示の第8の側面に係る光源は、半導体発光素子と、本開示の第1〜7のいずれかの側面に係る波長変換部材とを備えている。
本開示の第9の側面に係るランプは、半導体発光素子と、ミラーと、本開示の第1〜7のいずれかの側面に係る波長変換部材とを備えている。
本開示の第10の側面に係るランプは、第9の側面に係るランプにおいて、波長変換部材の一部がミラーと接触していてもよい。
(一実施形態)
図1は、一実施形態に係る光源20Aの概略構成を示している。本実施形態の光源20Aは、波長変換部材10Aと、半導体発光素子11とを備えている。半導体発光素子11は、例えば、発光ダイオード(LED)、スーパールミネッセントダイオード(SLD)又はレーザダイオード(LD)とすることができる。本実施形態では、一例として半導体発光素子11がLDである場合を説明する。半導体発光素子11は、一つのLDであってもよく、複数のLDを光学的に結合させたものでもよい。半導体発光素子11が射出する光は、青紫光であっても、青色光であっても、他の波長の光であってもよい。また、半導体発光素子11は、複数波長の光を射出してもよい。
本開示において、青紫光とは、ピーク波長が380nm以上420nm以下の光をいい、青色光とは、ピーク波長が420nm以上480nm以下の光をいう。
波長変換部材10Aと半導体発光素子11との間には、半導体発光素子11の光を波長変換部材10Aに導く入射光学系14が設けられていてもよい。入射光学系14は、例えば、レンズ、ミラー及びは光ファイバの少なくとも1つを備えていてもよい。
波長変換部材10Aは、蛍光体層12と、蛍光体層12を保持する保持材13とを具備する。波長変換部材10Aは、例えば、厚い円盤状である。波長変換部材10Aは、他の形状であってもよい。例えば波長変換部材10Aは、矩形板状又は正方形板状であってもよい。
蛍光体層12は、例えば、円柱状である。蛍光体層12は、他の形状であってもよい。例えば蛍光体層12は、角柱状、矩形板状又は正方形板状上であってもよい。蛍光体層12は、半導体発光素子11からの光をより長波長の光に波長変換する。蛍光体層12は、入射した光により励起され、入射光よりも長波長の蛍光光を発光する蛍光体を含む層であってもよい。蛍光体層12は、例えば多数の蛍光体の粒子を含む蛍光体粉体と結着材料とを備えていてもよい。蛍光体の種類は、入射光の波長及び必要とする出射光の波長に応じて適宜選択することができる。例えば、半導体発光素子11が青紫光を射出する場合、蛍光体層12は、白色光を生成するために、例えば、黄色蛍光体及び青色蛍光体を備えていてもよい。本開示において、黄色蛍光体とは、発光スペクトルのピーク波長が540nm以上590nm以下である蛍光体をいう。また、本開示において、青色蛍光体とは、発光スペクトルのピーク波長が420nm以上480nm以下である蛍光体をいう。また、半導体発光素子11が青色光を射出する場合、蛍光体層12は、例えば、黄色蛍光体を含む構成とすることができる。
結着材料は、蛍光体粒子間に配置され、蛍光体粒子を結着する。結着材料は、例えば、無機材料とすることができる。結着材料は、樹脂、ガラス又は透明結晶などの媒体であってもよい。但し、蛍光体層12は結着材料を含んでいる必要はなく、例えば蛍光体セラミックス等の蛍光体焼結体であってもよい。
本実施形態において、保持材13は、蛍光体層12の側面を取り囲むように接して配置されている。本開示において、蛍光体層12の側面とは、半導体発光素子11からの光が入射する光入射面を取り囲み、入射面と交差する方向の面をいう。蛍光体層12における保持材13と接触する面の面積を、保持材13と接触しない面の面積よりも大きくしてもよい。例えば、図1に示すような場合には蛍光体層12の側面の面積を、蛍光体層12の両端面の面積の和よりも大きくしてもよい。このようにすれば、蛍光体層12の放熱を促進することができる。保持材13は、例えば、蛍光体層12が円柱状の場合には、中心軸が蛍光体層12の中心軸とほぼ一致し、高さが蛍光体層12とほぼ等しく、厚い側壁を有する円筒状とすることができる。但し、保持材13は、他の形状であってもよい。
保持材13の熱伝導率は42W/m℃以上であってもよい。保持材13は、例えば、無機材料から構成されていてもよい。保持材13は、樹脂、ガラス又は透明結晶などから構成されるものであってもよい。保持材13として例えばサファイア基板等を用いることができる。保持材13は、蛍光体層12の発光波長の光を透過する。これにより、光取出し効率を向上させることができる。但し、保持材13は、半導体発光素子11の発光波長の光を吸収又は反射するものであってもよい。保持材13が、半導体発光素子11の発光波長の光を透過する場合には、蛍光体層12の光入射面を保持材13が覆っていてもよい。また、保持材13が半導体発光素子11の発光波長の光を透過する場合であっても、透過しない場合であっても、蛍光体層12の光入射面とは反対の面を保持材13が覆っていてもよい。
次に、本実施形態の光源の動作について説明する。ここでは一例として半導体発光素子11が青紫色光を射出するLDであり、蛍光体層12が黄色蛍光体と青色蛍光体とを含む場合について説明を行う。半導体発光素子11から射出された光は、入射光学系14を通り、波長変換部材10Aの蛍光体層12に入射する。この入射光により、蛍光体層12の蛍光体が励起されて、蛍光光である黄色光及び青色光を射出する。これらの射出された黄色光及び青色光が混合されて白色光となる。蛍光体は発光する際に発熱する。蛍光体から発生した熱は、蛍光体層12と保持材13との接触面から保持材13側に伝導し、蛍光体の放熱が促進される。
上述したように、本実施形態の波長変換部材10Aは、保持材13が蛍光体層12の側面を取り囲んでいる。このため、蛍光体の放熱が促進され、発光効率及び信頼性の少なくとも一方が向上する。
上述した波長変換部材10Aに代えて、図2に示すように、反射層15を有する波長変換部材10Bを用いることもできる。
波長変換部材10Bにおいて反射層15は、蛍光体層12の底部に接触するように配置されている。本開示において、蛍光体層12の底部とは、半導体発光素子11からの光が入射する面と反対側の面をいう。反射層15の平面形状は、蛍光体層12の底部の平面形状と同じ形状としてもよい。例えば、蛍光体層12が円柱状の場合、反射層15を円盤状としてよい。但し、反射層15の平面形状が、蛍光体層12の底部の平面形状と一致していなくてもよい。
次に、波長変換部材10Bを用いた光源20Bの動作を説明する。半導体発光素子11から射出された光は、入射光学系14を通り、波長変換部材10Bの蛍光体層12に入射する。この入射光により、蛍光体層12の蛍光体が励起されて蛍光光である黄色光及び青色光が射出される。これらの黄色光及び青色光が混合されて白色光となる。波長変換部材10Bにおいては、蛍光体層12から射出された黄色光及び青色光は反射層15によって反射される。波長変換部材10Bにおいても波長変換部材10Aと同様の効果を得ることができる。
また、上述した波長変換部材10Aに代えて、図3に示すように、保持材13の側面を取り囲むように配置した反射層16を有する波長変換部材10Cを用いることもできる。本開示において、保持材13の側面とは、保持材13における蛍光体層12と接する面(内側面)と反対側の面(外側面)をいう。反射層16は、蛍光体層12の側面を完全に覆っていなくてもよい。
次に、波長変換部材10Cを用いた光源20Cの動作を説明する。半導体発光素子11から射出された光は、入射光学系14を通り、波長変換部材10Cの蛍光体層12に入射する。この入射光により、蛍光体層12の蛍光体が励起されて黄色光及び青色光が射出される。これらの黄色光及び青色光が混合されて白色光となる。波長変換部材10Cにおいては、蛍光体層12にから射出された黄色光及び青色光は反射層16によって反射される。波長変換部材10Cにおいても波長変換部材10Aと同様の効果を得ることができる。なお、保持材13の側面と、蛍光体層12の底部の両方に反射層を設けてもよい。
本実施形態の光源は、図4に示すようなランプ40Aに用いることができる。ランプ40Aは、例えば車両用ヘッドランプとすることができ、特殊照明とすることもでき、ヘッドアップディスプレイ又はプロジェクタ用のランプとすることもできる。
ランプ40Aは、半導体発光素子11と波長変換部材10Aとの間に設けられたミラー42を有している。ミラー42は、波長変換部材10Aから光出射方向とは異なる方向に向かう光を反射して光出射方向に向かうようにする。ミラー42は、例えば凹面鏡とすることができる。ミラー42は、半導体発光素子11から波長変換部材10Aへ向かう光が透過する透過部42aを有する。ミラー42の光透過部42aを除く部分には、アルミニウム(Al)又は銀(Ag)等からなる金属膜若しくは表面に保護膜が形成された反射膜が設けられている。半導体発光素子11から射出された光は、入射光学系14及び光透過部42aを通り、波長変換部材10Aの蛍光体層12に入射する。この入射光により、蛍光体層12の蛍光体が励起されて黄色光及び青色光が射出される。これらの黄色光及び青色光が混合されて白色光となる。波長変換部材10Aにより生成された白色光の一部は、前方(ミラー42と反対側)に向かい、残部はミラー42側に向かう。ミラー42側に向かった白色光は、ミラー42において反射され前方に向かう。
ランプ40Aは、いわゆるリフレクタータイプであってもよく、プロジェクタータイプであってもよい。ミラー42を含む出射光学系のいずれかの部分に波長カットフィルターを設け、半導体発光素子11からの青紫光が外部に出射しないように吸収又は反射してもよい。
本実施形態の光源は、図5に示すような、ランプ40Bに用いることもできる。ランプ40Bは、ミラー42が波長変換部材10Aの少なくとも一部と接している。ミラー42は、波長変換部材10Aの外縁部において波長変換部材10Aの底面と接していてもよく、波長変換部材10Aの側面と接していてもよい。ランプ40Bにおいては、波長カットフィルターを波長変換部材10Aの半導体発光素子11からの光が入射する面と反対側の面(底面)に設けてもよい。
波長変換部材10Aに代えて、蛍光体層12の底部に接触するように配置された反射層15を有する波長変換部材10Bを用い、図6に示すようなランプ40C又は図7に示すようなランプ40Dとしてもよい。ランプ40C及び40Dにおいては、蛍光体層12において生成された白色光は、直接又は反射層15において反射されてミラー42に向かい、ミラー42で反射されて前方に向かう。波長変換部材10Bに代えて、保持材13の側面を取り囲むように配置した反射層16を有する波長変換部材10Cを用いることもできる。さらに、蛍光体層12の底部及び保持材13の側面の両方に反射層が設けられた波長変換部材を用いることもできる。
本実施形態のランプは、図8に示すように車両80に用いることができる。車両80は、ランプ81と電力供給源82とを有している。車両80は、例えばエンジン等の駆動源によって回転駆動される発電機83を備えていてもよい。発電機83により生成した電力は、電力供給源82に蓄えられる。電力供給源82は、2次電池とすることができる。ランプ81は、半導体発光素子11と、波長変換部材10Aと、ミラー42とを有するランプ40Aとすることができる。また、本実施形態において示した他のランプを用いることができる。例えば、波長変換部材10Aに代えて波長変換部材10B又は波長変換部材10Cを有するランプを用いることもできる。車両80は、例えば、自動車、2輪車又は特殊車両である。さらに、車両80は、エンジン車、電気車、又はハイブリッド車であってもよい。
以下、実施例を用いて本実施形態の波長変換部材の特性についてさらに詳細に説明する。
(一実施例)
図9は、一実施例の波長変換部材91の概略構成を示している。本実施例の波長変換部材91は、サファイア基板である保持材93の一方の面(上面)に蛍光体層92が埋め込まれている。蛍光体層92の大きさを一定とし、保持材93の大きさを変化させて波長変換部材91の熱特性をシミュレーション解析した。
蛍光体層92は、蛍光体としてY3Al512:Ce(以下、YAG)を用い、結着材料としてガラスを用いた。蛍光体層92は、縦0.4mm、横0.8mm、高さ0.1mmで、体積が0.032mm3の直方体とした。蛍光体層92の半導体発光素子からの光が照射される面(上面)は、縦0.4mm、横0.8mmで、面積が0.32mm2の長方形である。蛍光体層92の熱伝導率は7.75W/m℃、輻射率は0.9、熱伝達係数は1×10-5W/mm2℃とした。
保持材93は、縦L、横L、高さ(膜厚)Tsapの直方体とし、L又はTsapの値を変化させることにより保持材93の大きさを変化させた。保持材93の上面は正方形であり、そのサイズSsapは、蛍光体層92の上面も含めて、縦L、横Lである。保持材93の20℃における熱伝導率は42W/m℃、100℃における熱伝導率は25W/m℃、輻射率は0.02、熱伝達係数は1×10-5W/mm2℃とした。
この波長変換部材91に入射パワー5Wのレーザ光を照射した場合の熱特性を、保持材93の縦及び横の長さLを変えてシミュレーション解析した。本シミュレーションでは、全てヘキサゴナルメッシュで界面の節点を共有した(図10を参照。)。図11に示すように、熱は、光が照射された部分から周囲に広がる。
図12は、保持材93の高さTsapを5mmとし、Lを変化させた場合における保持材93のサイズと温度との関係を示すグラフである。図12において、横軸は保持材93の上面の一辺の長さL(mm)としている。保持材93の上面サイズが25mm2、100mm2、400mm2、900mm2、1600mm2及び3600mm2の場合、蛍光体層92の温度は、それぞれ、881℃、433℃、208℃、145℃、115℃及び93℃となった。また、保持材93の上面サイズが25mm2、100mm2、400mm2、900mm2、1600mm2及び3600mm2の場合、保持材93の温度は、それぞれ、815℃、367℃、140℃、81℃、57℃及び38℃となった。保持材93の上面サイズを400mm2以上とすることにより、蛍光体層92及び保持材93の温度を著しく低減することができる。
図13は、保持材93の高さTsapを5mmとし、Lを変化させた場合における保持材93と蛍光体層92との面積比と温度との関係を示すグラフである。保持材93の上面サイズSsapを蛍光体層92の上面サイズSphosで割った値Ssap/Sphosが78、313、1250、2813、5000及び11250場合、蛍光体層92の温度は、それぞれ、881℃、433℃、208℃、145℃、115℃及び93℃となった。また、保持材93の上面サイズが25mm2、100mm2、400mm2及び900mm2の場合、保持材93の温度は、それぞれ、815℃、367℃、140℃、81℃、57℃及び38℃となった。Ssap/Sphosを1250以下とすることにより、蛍光体層92及び保持材93の温度を著しく低減することができる。これにより、発光効率及び信頼性の少なくとも一方を向上させることが可能となる。
図14は、保持材93の縦及び横の長さLを40mmとし、膜厚Tsapを変化させた場合における保持材93の膜厚Tsapと温度との関係を示すグラフである。膜厚Tsapが0.5mm、1.0mm、2.0mm、3.0mm及び5.0mmの場合、蛍光体層92の温度は、それぞれ、170℃、142℃、128℃、122℃及び115℃となった。また、膜厚Tsapが0.5mm、1.0mm、2.0mm、3.0mm及び5.0mmの場合、保持材93の温度は、それぞれ、61℃、62℃、62℃、60℃及び57℃となった。保持材93の厚さを2mm以上とすることにより、蛍光体層92の温度を著しく低減することができる。
図15は、保持材93の縦及び横の長さLを40mmとし、膜厚Tsapを変化させた場合における保持材93と蛍光体層92との膜厚比と温度との関係を示すグラフである。保持材93の膜厚Tsapを蛍光体層92の膜厚Tphosで割った値Tsap/Tphosが50、30、20、10及び5である場合、蛍光体層92の温度は、それぞれ、170℃、142℃、128℃、122℃及び115℃となった。また、Tsap/Tphosが50、30、20、10及び5である場合、保持材93の温度は、それぞれ、61℃、62℃、62℃、60℃及び57℃となった。Tsap/Tphosを20以上とすることにより、蛍光体層92の温度を著しく低減することができる。
図16は、保持材93の縦及び横の長さLを40mmとし、膜厚Tsapを変化させた場合における保持材93と蛍光体層92との体積比と温度との関係を示すグラフである。保持材93の体積を蛍光体層92の体積で割った値が250000、150000、100000、50000及び25000である場合、蛍光体層92の温度は、それぞれ、170℃、142℃、128℃、122℃及び115℃となった。また、保持材93の体積を蛍光体層92の体積で割った値が250000、150000、100000、50000及び25000である場合、保持材93の温度は、それぞれ、61℃、62℃、62℃、60℃及び57℃となった。保持材93の体積を蛍光体層92の体積で割った値を100000以上とすることにより、蛍光体層92の温度を著しく低減することができる。これにより、発光効率及び信頼性の少なくとも一方を向上させることが可能となる。
本開示の波長変換部材は、例えば、特殊照明、ヘッドアップディスプレイ、プロジェクタ及び車両用ヘッドランプなどの光源に用いることができる。
10A 波長変換部材
10B 波長変換部材
10C 波長変換部材
11 半導体発光素子
12 蛍光体層
13 保持材
14 入射光学系
15 反射層
16 反射層
20A 光源
20B 光源
20C 光源
40A ランプ
40B ランプ
40C ランプ
40D ランプ
42 ミラー
42a 透過部
80 車両
81 ランプ
82 電力供給源
83 発電機
91 波長変換部材
92 蛍光体層
93 保持材

Claims (10)

  1. 半導体発光素子からの光をより長波長の光に変換する蛍光体層と、
    前記蛍光体層の発光波長の光を透過する保持材と、を備え、
    前記保持材が、前記蛍光体層の側面を取り囲むように配置された、波長変換部材。
  2. 前記蛍光体層の発光波長の光を反射する反射層をさらに備えた、請求項1に記載の波長変換部材。
  3. 前記反射層が、前記蛍光体層の底部に接触するように配置された、請求項2に記載の波長変換部材。
  4. 前記反射層が、前記保持材の側面を囲むように配置された、請求項2に記載の波長変換部材。
  5. 前記蛍光体層が、蛍光体粉体と、結着材料とを含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の波長変換部材。
  6. 前記蛍光体層における前記保持材と接触する面の面積が、前記保持材と接触しない面の面積よりも大きい、請求項1〜5のいずれか1項に記載の波長変換部材。
  7. 前記保持材が、無機材料から構成されている請求項1〜6のいずれか1項に記載の波長変換部材。
  8. 半導体発光素子と、請求項1〜7のいずれか1項に記載の波長変換部材とを備えている光源。
  9. 半導体発光素子と、ミラーと、請求項1〜7のいずれか1項に記載の波長変換部材とを備えているランプ。
  10. 前記波長変換部材の一部が前記ミラーと接触している、請求項9に記載のランプ。
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