JP2019114706A - 発光装置の異常検出方法及び発光装置 - Google Patents

発光装置の異常検出方法及び発光装置 Download PDF

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Abstract

【課題】波長変換部材の欠損をより確実に検出することができる発光装置の異常検出方法及びその検出方法を実現し得る構成を備えた発光装置を提供することを目的とする。【解決手段】励起光を発し、パルス駆動可能に制御し得る半導体レーザ素子と、蛍光体を含み、前記励起光が照射されることにより蛍光を発する波長変換部材と、前記波長変換部材の光取り出し側に配置され、前記励起光を検出し得る受光素子とを備える発光装置の異常検出方法であって、前記半導体レーザ素子への電圧印加の開始から前記波長変換部材より取り出される光の光強度が最大となるまでの時間より短いパルス幅で印加電圧をパルス制御することにより前記半導体レーザ素子をパルス駆動してレーザ発振させ、前記励起光の光強度又は前記励起光及び前記蛍光の双方の光強度を測定し、前記測定した光強度が所定の範囲内に含まれるか否かを判断することを含む発光装置の異常検出方法。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、発光装置の異常検出方法及び発光装置に関する。
近年、半導体レーザ素子の用途として、照明、車両用ヘッドライトなどが注目されている。しかし、レーザ光は高出力であればあるほど人の目に対する危険性が増すため、レーザ光が人の目に触れる用途において、特別な安全対策が求められている。
例えば、青色レーザダイオードと波長変換部材とを組み合わせた光源であれば、波長変換部材が破損又は脱離した場合に、青色レーザ光が直接外部に出射されることになる。このため、波長変換部材の破損及び／又は脱離を検知して、レーザダイオードの発光を止めることなどの安全対策が提案されている（特許文献１〜３等）。
特開２０１３−１６８５８６号公報 特表２０１５−５０６３０１号公報 特開２０１４−１６５４５０号公報
より高い出力と信頼性とを確保し得る発光装置として、波長変換部材の欠損の発光装置の異常に対するより確実な安全対策が求められている。そのためには、このような異常の検出精度をさらに向上させることが重要である。
そこで、本発明は、波長変換部材の欠損をより高精度に検出することができる発光装置の異常検出方法及びその検出方法を実現し得る構成を備えた発光装置を提供することを目的とする。
本願は以下の発明を含む。
（１）励起光を発し、パルス駆動可能に制御し得る半導体レーザ素子と、
蛍光体を含み、前記励起光が照射されることにより蛍光を発する波長変換部材と、
前記波長変換部材の光取り出し側に配置され、前記励起光を検出し得る受光素子とを備える発光装置の異常検出方法であって、
前記半導体レーザ素子への電圧印加の開始から前記波長変換部材より取り出される光の光強度が最大となるまでの時間より短いパルス幅で印加電圧をパルス制御することにより前記半導体レーザ素子をパルス駆動してレーザ発振させ、前記励起光の光強度又は前記励起光及び前記蛍光の双方の光強度を測定し、
前記測定した光強度が所定の範囲内に含まれるか否かを判断することを含む発光装置の異常検出方法。
（２）励起光を発し、パルス駆動可能に制御し得る半導体レーザ素子と、
蛍光体を含み、前記励起光が照射されることにより蛍光を発する波長変換部材と、
前記波長変換部材の光取り出し側に配置され、光照射領域から光照射外領域へ移動可能に設置され、前記励起光に対応する波長の光を検出し得る受光素子とを備える発光装置。
本発明によれば、より確実かつ簡便な方法によって波長変換部材の欠損を検出することができ、それに対する安全対策を採ることができる発光装置の異常検出方法を提供することができる。
また、このような異常検出方法を実現し得る構成を備えた発光装置を提供することができる。
なお、波長変換部材の欠損とは、蛍光体の一部にひび割れが生じたり、蛍光体の一部が欠け落ちたり、全て脱落したりする状態を指す。
実施形態の発光装置の概略断面図である。 実施形態の発光装置の概略断面図である。 実施形態の発光装置の長パルス駆動における電源波形を示すグラフである。 実施形態の発光装置の長パルス駆動におけるレーザ光の光強度を示すグラフである。 実施形態の発光装置の長パルス駆動における白色光の光強度を示すグラフである。 実施形態の発光装置の短パルス駆動における電源波形を示すグラフである。 実施形態の発光装置の短パルス駆動におけるレーザ光の光強度を示すグラフである。 実施形態の発光装置の短パルス駆動における白色光の光強度を示すグラフである。 実施形態の発光装置のブロック図である 実施形態の発光装置の動作を説明するためのフローチャートである。 実施形態の正常な波長変換部材を備える発光装置のパルス駆動における励起光の光強度を示すグラフである。 波長変換部材の欠損を有する発光装置のパルス駆動における励起光の光強度を示すグラフである。 波長変換部材の欠損を有する発光装置のパルス駆動における励起光の光強度を示すグラフである。
以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための例示であって、本発明を以下に限定するものではない。また、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするために誇張していることがある。さらに、同一の名称、符号については、原則として同一もしくは同質の部材を示しており、重複した説明は適宜省略する。
〔発光装置〕
本発明における一実施形態の発光装置１０は、図１Ａ及び１Ｂに示すように、半導体レーザ素子１１と、波長変換部材１２と、受光素子１３とを備える。このような発光装置１０は、通常、半導体レーザ素子１１を収容し、波長変換部材１２を支持するパッケージを備える。
このような構成を備えることにより、波長変換部材１２における波長変換部材１２の欠損によってレーザ光が直接外部に出射されるという発光装置１０の異常をより確実且つ容易に検出することができる。これによって、半導体レーザ素子１１の駆動を止めることなどの安全対策をより確実に講じることが可能となる。
（半導体レーザ素子１１）
半導体レーザ素子１１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。この半導体レーザ素子１１は、パルス駆動、連続駆動のいずれにも制御することができる。この実施形態の発光装置１０は、後述するとおり波長変換部材１２の欠損をより精度良く検出することができることから、その光源として、発光出力が大きく、指向性が高い半導体レーザ素子１１を用いることができる。半導体レーザ素子１１の出力は、例えば、１Ｗ〜数百Ｗの出力のものが挙げられる。
半導体レーザ素子１１のピーク波長は、波長変換部材１２と組み合わせ可能なものとして、例えば、３００ｎｍ〜５００ｎｍが挙げられる。波長変換部材１２がＹＡＧ蛍光体等の黄色蛍光体を含有する場合には、半導体レーザ素子１１は、４００ｎｍ〜４７０ｎｍに発光ピーク波長を有するものが好ましく、４２０ｎｍ〜４７０ｎｍに発光ピーク波長を有するものがより好ましい。
半導体レーザ素子１１は、発光装置１０において、後述するパッケージ１４を内に設けられるサブマウント１５に、ダイボンド部材を用いて固定することができる。ダイボンド部材は、放熱性の優れた材料を用いることが好ましく、具体的には、Ａｕ−Ｓｎ共晶、Ｉｎ合金等が挙げられる。
（パッケージ１４）
発光装置１０を構成するパッケージ１４は、半導体レーザ素子１１を収容するとともに、波長変換部材１２を支持するものである。これに限らず、半導体レーザ素子１１を収容するパッケージから離間して、波長変換部材１２を支持する部材が設けられていてもよい。
発光装置１０は、図１Ａ及び１Ｂに示すように、半導体レーザ素子１１を収容し、かつ半導体レーザ素子１１と対向する部位に波長変換部材１２を支持する複数の部材を一体化したパッケージ１４を有することが好ましい。これにより、パッケージとは別に波長変換部材１２の支持部材を設ける場合と比較して発光装置１０を小型化することができる。
パッケージ１４は、図１Ａに示すように、例えば、基部１４Ａ、キャップ１４Ｂ、下側支持部材１４Ｃ、上側支持部材１４Ｄ、ホルダ１４Ｅ等によって構成されている。
発光装置１０では、基部１４Ａの上面から直立した柱状の部材の側面にサブマウント１５が載置されている。サブマウント１５の表面には、半導体レーザ素子１１が固定されている。このように、半導体レーザ素子１１を基部１４Ａの上面側に固定されたサブマウント１５の側面に固定すると、容易に装置を小型にすることができる。
基部１４Ａの縁周近傍であって、基部１４Ａの上面側に、半導体レーザ素子１１を覆うように中空のキャップ１４Ｂが溶接等によって接合されている。キャップ１４Ｂの上面には、半導体レーザ素子１１と対向する部位において、厚さ方向に貫通して光を取り出すための貫通孔が配置されており、この貫通孔に対応する位置に厚さ方向に貫通する貫通孔が形成された下側支持部材１４Ｃが配置している。さらに、この下側支持部材１４Ｃの貫通孔を塞ぐように、波長変換部材１２及びホルダ１４Ｅが配置されている。ホルダ１４Ｅには貫通孔が設けられており、その貫通孔の内側に波長変換部材１２が固定されている。ホルダ１４Ｅは、下側支持部材１４Ｃ及び上側支持部材１４Ｄに挟まれることにより固定されている。ホルダ１４Ｅに設けられた貫通孔の内壁は、半導体レーザ素子１１側から上面側へ孔の径が大きくなるように傾斜している。これにより、貫通孔内において半導体レーザ素子１１側へ向かう光の一部を内壁で反射させて上面側へ向かわせることができるので、波長変換部材１２の光取出し効率を高めることができる。
基部１４Ａの上面側から底面側に貫通した貫通孔内に、絶縁性部材を介して複数のリード端子１６が固定されている。リード端子１６のうち基部１４Ａの上面側に延伸したインナーリード部は、ワイヤ等を介して半導体レーザ素子１１と電気的に接続されている。一方、リード端子１６のうち底面側に延伸したアウターリード部は、回路基板などに実装されて外部の電源と電気的に接続される。
この発光装置１０では、波長変換部材１２からの熱は、ホルダ１４Ｅ、上側支持部材１４Ｄ及び下側支持部材１４Ｃ、キャップ１４Ｂを経由して基部１４Ａへと伝熱される。一方、半導体レーザ素子１１からの熱も、サブマウント１５を経由して基部１４Ａへと伝熱される。従って、パッケージ１４は、放熱部材として用いられ、熱伝導性が良好な材料からなることが好ましい。ここで、熱伝導率が良好とは、２０℃における熱伝導率が数Ｗ／ｍ・ｋ以上のものが好ましく、１０Ｗ／ｍ・ｋ以上、２５Ｗ／ｍ・ｋ以上がより好ましく、５０Ｗ／ｍ・ｋ以上がさらに好ましい。この場合、キャップ１４Ｂ、下側支持部材１４Ｃ、上側支持部材１４Ｄ及びホルダ１４Ｅは、波長変換部材１２よりも熱伝導率の大きな材料により形成されていることが好ましい。これにより、波長変換部材１２の熱を効率的に放熱することができる。パッケージ１４は、耐熱性の良好な材料からなることが好ましい。ここで、耐熱性が良好とは、融点が数百℃以上のものが好ましく、１０００℃以上がより好ましく、１５００℃以上がさらに好ましい。
基部１４Ａは、導電性、絶縁性等種々の材料によって形成することができる。例えば、Ｃｕ、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｆｅ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｈ、コバール、真鍮、ＣｕＷ、ＣｕＭｏ等の金属などを用いることができる。これらの金属を母材とし、その表面の全面又は一部にＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ等でメッキが施されていてもよい。なかでも、表面が金メッキされた銅又は銅合金により形成されているものが好ましい。
キャップ１４Ｂ、下側支持部材１４Ｃ及び上側支持部材１４Ｄは、ＳＵＳ、コバール、ＣｕＷ、Ｎｉ、Ｃｏ，Ｆｅ、真鍮等を用いることができる。特に、熱伝導率が高いＳＵＳ、コバール等が好ましい。これらの部材の表面にＮｉ等のメッキが施されていてもよい。
ホルダ１４Ｅの材料としては、炭化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル等のセラミックスのほか、タングステン、タンタル、モリブデン、コバール等の高融点金属などが挙げられる。なかでも、熱伝導率及び反射率が比較的高い酸化アルミニウムを含むセラミックスにより形成されたものが好ましい。
パッケージ１４の形状、大きさ等は、使用目的、意図する作用及び／又は効果によって、適宜設定することができる。
なお、半導体レーザ素子を載置するサブマウント１５は、基部１４Ａと絶縁するために、炭化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム等の高熱伝導率で絶縁性である材料を用いることが好ましい。
（波長変換部材１２）
波長変換部材１２は、半導体レーザ素子１１が出射するレーザ光の略全部を入射することができるように、半導体レーザ素子１１の励起レーザ光の出射端の前方に配置されている。レーザ光の経路上にレーザ光を反射する反射部材を配置する場合は、半導体レーザ素子１１の光出射端面の前方以外の場所に波長変換部材１２を配置してもよい。波長変換部材１２は、半導体レーザ素子１１からの光を励起光として他の波長の光（蛍光）を発光することが可能な蛍光体を含む。この実施形態の発光装置１０は、パッケージ１４のホルダ１４Ｅの貫通孔を塞ぐように波長変換部材１２が設けられている。これにより、半導体レーザ素子１１の光と波長変換部材１２で波長変換された光との混色光、例えば、白色光を、発光装置１０の発光として外部に取り出すことができる。半導体レーザ素子の種類及び蛍光体の種類を選択することにより、取り出したい光の色を適宜調整することができる。
波長変換部材１２は、半導体レーザ素子１１からの光が入射する光入射面と、光入射面とは異なる面である光取り出し面とを有することができる。このような透過型の波長変換部材１２を用いる場合は、光入射面と光取り出し面が同じ面である反射型の波長変換部材を用いる場合よりも、波長変換部材が欠損した際にレーザ光が直接外部に取り出される可能性が高い。このため、波長変換部材１２の欠損の高精度な検出がより求められる。
蛍光体としては、例えば、用いる励起光の波長、得ようとする光の色などを考慮して、公知のもののいずれをも用いることができる。具体的には、セリウムで賦活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）、セリウムで賦活されたルテチウム・アルミニウム・ガーネット（ＬＡＧ）、ユウロピウム及び／又はクロムで賦活された窒素含有アルミノ珪酸カルシウム（ＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2）、ユウロピウムで賦活されたシリケート（（Ｓｒ，Ｂａ）2ＳｉＯ4）、βサイアロン蛍光体、ＫＳＦ系蛍光体（Ｋ2ＳｉＦ6：Ｍｎ）などが挙げられる。なかでも、耐熱性を有するＹＡＧ蛍光体を用いることが好ましい。
蛍光体は、１種で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
これらの蛍光体を利用することにより、可視波長の励起光及び蛍光の混色光（例えば白色光）を出射する発光装置、紫外光の励起光に励起されて可視波長の蛍光を出射する発光装置等とすることができる。青色発光素子に組み合わせて白色発光させる蛍光体としては、青色で励起されて黄色のブロードな発光を示す蛍光体が挙げられる。
波長変換部材１２は、蛍光体を含有するガラス、セラミックス等によって構成することができる。具体的には、セラミックスとしては、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、酸化ジルコニウム、酸化バリウム、酸化チタン、酸化イットリウム、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等が挙げられる。これらは単独で又は２種以上を組み合わせて用いてもよい。なかでも、透光性が良好であり、融点及び熱伝導性等の観点から、酸化アルミニウムを含むものが好ましい。波長変換部材は、単層構造及び積層構造のいずれでもよい。
このような材料により波長変換部材１２を構成することにより、レーザ光を照射することにより蛍光体が高温になった場合でも、波長変換部材１２自体が融解することを抑制することができ、ひいては波長変換部材１２の変形及び変色を回避することができる。よって、長期間、光学特性を劣化させることなく維持することができる。また、熱伝導率に優れるものを用いることにより、蛍光体が発する熱を効率よく放出することができるため、蛍光体の温度上昇による光変換効率を低下しにくくすることができる。
波長変換部材１２は、必要に応じて、光散乱材を含んでいてもよい。
（受光素子１３）
受光素子１３は、波長変換部材１２の光取り出し側に配置され、半導体レーザ素子１１が発する励起光を入射し得る部位に配置され、励起光を検出し得る素子である。例えば、上述したように、白色の光を得るための発光装置１０では、受光素子１３は、青色の光を検出することができるものが挙げられる。
受光素子としては、半導体受光素子であるＳｉフォトダイオード等のほか、光電管、光電子増倍管等を用いることができる。
受光素子１３は、特定のバンドパスフィルタを併用する等して特定の波長域にのみ感応する特性をもたせたものでもよいが、後述するように、本実施形態では、蛍光体が完全に発光する前の、励起光が主である光が受光素子１３に照射される。このため、受光素子１３として励起光以外の波長帯に受光感度を有するものを用いたとしても、検出精度は低下し難い。したがって、受光素子１３として、例えば可視光全般を受光可能であるもの等、受光可能波長域が広いものを使用してもよい。
受光素子１３は、用いる半導体レーザ素子１１が発する励起光を光電変換して検出することが可能であるものを用いる。本明細書において、特定の色の光を光電変換して検出することが可能とは、その光の波長スペクトルのうち少なくとも一部の波長に対して、典型的には少なくともピーク波長に対して、感度を有することを指す。例えばフォトダイオードであれば、その光のピーク波長に対する受光感度（Ａ／Ｗ）が０．１以上のものが好ましく、０．２以上のものがより好ましい。
受光素子１３は、図１Ａに示すように発光装置１０の光照射領域から、図１Ｂに示すように光照射外領域へ移動可能に設置されていることが好ましい。つまり、受光素子１３は、半導体レーザ素子１１のパルス駆動により励起光等の光強度を測定した後に、照射外領域に移動させることができるように移動手段を伴って設置されていることが好ましい。このような移動手段としては、例えば、ステッピングモーターが挙げられる。移動手段には、そのほか、当該分野で公知の手段を利用することができる。なお、本明細書において、励起光等の光強度とは、励起光等の光強度又は励起光及び蛍光の双方の光強度を指す。
このように、本実施形態の発光装置１０では、励起光を検出し得る受光素子１３を、波長変換部材１２の光取り出し側に備えることにより、波長変換部材１２の欠損等の異常を高精度に検知することができる。その結果、半導体レーザ素子１１の駆動を停止するなどして発光装置１０の発光を停止することができるため、安全性が高い発光装置１０を得ることができる。
（制御手段）
発光装置１０は、励起光等の光強度を検出する受光素子１３の検出値に基づいて、半導体レーザ素子１１への電圧印加を止めることが可能な制御手段を有することができる。これにより、発光装置１０の異常が検出されれば、例えば半導体レーザ素子１１の通常駆動の開始を許可しないなど、半導体レーザ素子１１の動作を停止させることができるため、レーザ光の外部放出を回避することができる。
制御手段は、図３に示すように、図１Ａに示す発光装置において、受光素子１３で検知された励起光等の光強度が所定の範囲内に含まれるか否かを判定する判定部１７と、この判定部１７からの判定出力に基づいて半導体レーザ素子を駆動するための電源１８を制御する制御部１９とを含む。
これによって、受光素子１３で検出された励起光等の光強度が、所定の範囲内を外れた場合に、何らかの原因で波長変換部材が欠損したと判断され、半導体レーザ素子１１の駆動が停止される。所定の範囲は、例えば、複数の正常品について励起光等の光強度の最大値を測定し、それらの平均値と標準偏差（σ）を算出し、標準偏差の任意の倍数（例えば５σ）を平均値に加算した値を上限値として設定することができる。例えば、正常品における励起光等の光強度の最大値の１．３倍未満の範囲を所定の範囲とすることができる。
制御手段は、停止信号を電源に出力することに代えて、電源の供給路に自己保持型のリレースイッチを介在させ、電力供給自体を遮断するようにしてもよい。
（その他の部材）
この実施形態の発光装置は、例えば、光反射部材、レンズ（集光レンズ２０、コリメートレンズ等）、ファイバー等の部材を単独で又は組み合わせて用いてもよい。また、波長変換部材１２を経た後の光を、レンズ等を用いて集光してもよい。このような部材を利用することにより、発光装置１０が発する光のスポットのサイズ及び形状を調整することができる。
〔発光装置の異常検出方法〕
本実施形態の発光装置の異常検出方法では、上述したような発光装置１０を用いる。
まず、この発光装置１０における半導体レーザ素子１１を所定のパルス幅でパルス駆動してレーザ発振させる。次いで、発振されたレーザ光が励起光として波長変換部材１２に到達し、その一部が波長変換部材１２から外に出るため、この励起光等の光強度を測定する。その後、励起光の測定した光強度が所定の範囲内に含まれるか否かを判断する。
これによって、発光装置１０の異常、具体的には波長変換部材が欠損することにより、正常時よりも強い励起光が外部に取り出されるという異常を検出することができる。パルス駆動させることにより、実質的に蛍光が混合されていない励起光成分のみの光の強度を測定することができるため、波長変換部材１２の軽微な欠損であっても異常であると判定することが可能となる。
このような発光装置１０の異常検出方法は、光源としての通常点灯の前に行ってもよいし、点灯の途中に行ってもよい。後述するように、異常検出の際の消灯時間をナノ秒（ｎｓ）程度など十分に短くすれば、一般にヒトの目ではちらつきなどとして認識されず、通常の点灯との違いを認識しないため、通常点灯の途中に行うことができる。ただし、後述するように、受光素子１３の配置によっては、光源としての通常点灯の前に行うことが好ましい。
なお、図１Ａに示すように受光素子１３を波長変換部材１２からの光を塞ぐ位置に配置して異常検出方法を行う場合は、発光装置１０の異常検出方法が終了した後においては、図１Ｂに示すように、受光素子１３は、光の照射領域外に移動する。そして、発光装置１０の駆動をパルス駆動から連続駆動に切り替える等して、通常点灯を行う。
（レーザ発振）
異常検出方法においては、半導体レーザ素子１１をレーザ発振させるために、半導体レーザ素子１１をパルス駆動する。つまり、半導体レーザ素子１１に印加する電圧を所定のパルス幅でパルス制御することによりパルス駆動する。パルス駆動は、通常、制御回路によって制御される。
所定のパルス幅とは、半導体レーザ素子１１への電圧印加の開始から、半導体レーザ素子１１から出射された励起光が波長変換部材１２に照射され、波長変換部材１２に含有される蛍光体によって波長変換された後、波長変換部材１２から取り出される光の光強度が最大となるまでの時間より短いパルス幅とすることが挙げられる。また、後述のとおり、波長変換部材１２から取り出される光の光強度が最大となるまでの時間には、蛍光体の応答速度が関係していると推測されるため、別の観点から、蛍光体の応答時間よりも短いパルス幅でもよい。蛍光体の応答時間とは、蛍光体に励起光が照射されてから蛍光が最大強度となるまでの時間を指す。
特に、半導体レーザ素子１１への電圧印加の開始から、波長変換部材から取り出される光の光強度が最大値の半分に到達するまでの時間又はそれよりも短いパルス幅で行うことが好ましい。これにより、測定する光に含まれる蛍光成分をより小さくすることができる。具体的には、印加電圧のパルス制御を、５〜５０ｎｓのパルス幅で行うことが挙げられる。この範囲の短いパルス幅とすることにより、発光装置１０が発する光における蛍光の割合を小さくすることができるため、より高精度で励起光の強弱を判定することができる。さらには、５〜２０ｎｓのパルス幅で行うことが好ましい。なお、本明細書において電圧印加におけるパルス幅とは、電圧の印加開始から電圧をゼロに戻すまでの時間（オン時間）を指す。
半導体レーザ素子のパルス駆動は、１周期、つまり、所定のパルス幅での電圧印加により１度だけ点灯してもよいが、検知精度を向上させるためには複数周期を繰り返すことが好ましい。例えば、５〜１０周期程度のパルス電圧印加が挙げられる。この場合、電圧をゼロに戻してから再び電圧印加を開始するまでの時間（オフ時間）は、オン時間、すなわちパルス幅と同程度としてもよい。例えば、オフ時間は１０〜３０ｎｓとする。具体的には５〜２０ｎｓのパルス幅と、１０〜３０ｎｓのパルス幅との２周期でパルス制御を繰り返すことができる。３周期以上でパルス制御を繰り返してもよい。
上述したようなパルス制御を行うに際して、予め、用いる半導体レーザ素子１１を電圧を連続的に印加することにより点灯させ、電圧の印加開始から半導体レーザ素子から出射される励起光等の光強度の経時変化を測定し、光強度が最大となるまでの時間を確認することが好ましい。これにより、実測値を元に異常検出方法に必要なパルス幅を求めることができる。なお、電圧を連続的に印加するとは、電圧をゼロにせず印加し続けることを指す。半導体レーザ素子１１に印加する電圧は、オーバーシュート対策として段階的に上昇させてもよい。
さらに、用いる半導体レーザ素子１１と波長変換部材１２の組み合わせにおいて、半導体レーザ素子１１を電圧を連続的に印加することにより点灯させ、波長変換部材１２から取り出される光の光強度の経時変化を測定することが好ましい。あるいは、励起光を遮るバンドパスフィルタを用いる等により蛍光のみの光強度を測定してもよい。これにより、半導体レーザ素子１１への電圧印加開始から、波長変換部材１２から取り出される光の光強度の経時変化を確認することができる。また、半導体レーザ素子１１への電圧印加開始から、波長変換部材１２から取り出される光の光強度が最大となるまでの時間を確認することができる。
このように実測値を得ることにより、異常検出方法に必要なパルス幅をより高精度で特定することができる。なお、実測値は、試験用の半導体レーザ素子等を用いることにより得てもよい。
（励起光等の光強度の測定）
上述したように、所定のパルス駆動によって半導体レーザ素子１１をレーザ発振させた後、波長変換部材１２から出射される励起光等の光強度を測定する。
つまり、一般に、半導体レーザ素子は、図２Ａに示すようなパルス幅で電圧を印加すると、図２Ｂに示すように、半導体レーザ素子から出射される励起光は、電圧の印加開始から若干遅れて発振される。半導体レーザ素子への電圧印加開始から、半導体レーザ素子が発した光の光強度が最大となるまでの時間、すなわち半導体レーザ素子の応答遅延時間は、例えば５ｎｓ以下である。一方、例えば、半導体レーザ素子と波長変換部材１２を組み合わせた発光装置では、図２Ｃに示すように、波長変換部材から取り出される光（例えば白色光）の光強度は徐々に増加し、最大値に到達する。波長変換部材から取り出される光の光強度が最大となるまでの時間、すなわち発光装置の応答遅延時間は、例えば３００〜４００ｎｓ程度である。このように発光装置の応答遅延時間が半導体レーザ素子の応答遅延時間よりも長くなる理由は、半導体レーザ素子の応答速度と蛍光体の応答速度の差があるためや、波長変換部材に含有される蛍光体のすべてが励起されるまでにある程度時間を要するためであると考えられる。
これら電圧印加、励起光及び白色光の出射タイミングの違い、つまり、半導体レーザ素子と波長変換部材の応答速度の差を利用することにより、励起光等の光強度の測定によって、波長変換部材からの励起光の漏れの程度を高精度に検出することが可能となる。図２Ｄ〜図２Ｅに、図２Ａ〜図２Ｃよりも短いパルス幅で電圧を印加する場合の、電源波形、レーザ光、白色光、をそれぞれ示す。図２Ｄ〜図２Ｅに示すように、半導体レーザ素子を十分に短いパルス幅で駆動させることにより、発光装置の応答遅延時間内の光を容易に測定することができる。この光は完全発光時と比較して蛍光が少なく励起光が相対的に多い光であるので、完全発光時に測定するよりも精度良く励起光の強弱を判定することができる。
上述したような励起光等の光強度を測定するために、励起光を検出し得る受光素子を利用する。受光素子は、波長変換部材１２からの光が到達する位置に配置する。
受光素子は、波長変換部材１２からの光の強度が大きくなる位置に配置するほど検出精度が高くなる。このため、図１Ｂに示すように、波長変換部材１２の直上に、受光素子１３を配置することが好ましい。しかし、このような受光素子１３の配置は、発光装置１０の通常の使用の場合には、大幅な光取り出し効率の低下を招くこととなる。このようなことから、励起光等の光強度の測定時にのみ、受光素子１３を波長変換部材１２の直上に配置し、その後の半導体レーザ素子１１の定格駆動時には、受光素子１３を、光照射領域外に移動させることが好ましい。これによって、定格駆動時における発光装置１０の光取り出し効率の低下を回避して、より確実な光漏れの検知を行うことができる。
（光強度の判断）
上述したように測定した励起光等の光強度が所定の範囲内に含まれるか否かを判断する。ここでの所定の範囲内とは、光漏れが発生していない正常な発光装置１０を用いて、同様の方法により、半導体レーザ素子１１をパルス駆動し、波長変換部材１２から取り出される励起光等の光強度を測定することによって得られた値に基づいて決定することができる。このように決定した所定の範囲よりも、高い値を示す場合には、波長変換部材１２における何らかの欠損が発生し、励起光が漏れていると判断することができる。例えば、正常な発光装置１０の光強度の１１０％以上の光強度を光漏れが発生した異常な値とすることができる。発光装置１０が発する光の光強度が安全であると考えられる範囲に留まっていればよいため、正常な発光装置１０の光強度の１２０％以上の光強度又は１３０％以上の光強度を異常値とすることも可能である。また、別の観点から、光漏れが発生している発光装置では、半導体レーザ素子への電圧印加直後の光強度が、その後よりも大きい傾向があることから、１回の電圧印加で測定される光強度の初期値がその後よりも高い場合に、正常な発光装置でないと判断してもよい。
つまり、図３及び図４に示すように、ステップＳ１において、使用者が所定の操作を行うことにより、制御部から電源に駆動信号が出力され、電源によって半導体レーザ素子にパルス電圧が印加される。これにより、半導体レーザ素子がパルス駆動する。
半導体レーザ素子１１から発振された励起光は、波長変換部材１２に照射され、波長変換部材１２に含有される蛍光体により、それよりも長い波長を有する蛍光に変換される。また、半導体レーザ素子１１から発振された励起光の他の一部は、蛍光体により波長変換されずに、波長変換部材１２の外に取り出される。これにより、波長変換部材１２から取り出される発光装置１０の発光は、蛍光と励起光との混合により、例えば白色光として取り出される。
ステップＳ２において、受光素子１３により、励起光等の光強度が測定される。そして、ステップＳ３において、測定した光強度が所定の範囲内に含まれるか否かが判断される。所定の範囲内である場合には、ステップＳ４に進み、半導体レーザ素子が通常駆動される。その後、ステップＳ１に戻り、ステップＳ２及びＳ３を繰り返してもよい。
一方、波長変換部材１２が何らかの原因で欠損している場合、半導体レーザ素子１１から発振されたレーザ光は、波長変換部材１２に照射されても蛍光体によって蛍光に変換されることなく励起光のまま外部に出射される成分が増大する。この場合、測定した励起光等の光強度が所定の範囲ではなくなるため、所定の範囲内でないと判断された場合は、ステップＳ５に進み、半導体レーザ素子１１への電圧印加が停止する。あるいは、半導体レーザ素子１１の通常駆動を許可しない。
このような方法によって、波長変換部材１２に割れ又は脱落等の欠損が発生した発光装置１０の異常を高精度に検知することができる。その結果、半導体レーザ素子１１の駆動を停止するなどを行うことができる。
なお、半導体レーザ素子１１への電圧印加の開始から、測定した光強度が所定の範囲内に含まれるか否かの判断の終了までの時間は、５ミリ秒（ｍｓ）以下とすることが好ましい。このように異常検出方法の実行時間をヒトの目が認識できる時間以下とすることにより、ヒトの目にちらつきなどとして認識されないため、通常点灯の途中に行ってもよい。
（実験例）
図１Ａで示す正常な波長変換部材１２を備える発光装置１０と、種々の波長変換部材の欠損を有する発光装置Ａ〜Ｊとを用いて、励起光等の光強度の変化を測定した。ここでは、半導体レーザ素子１１として、発振波長（ピーク波長）が約４５０ｎｍの青色レーザ光を発振する青色レーザ素子を用いた。測定条件は、バイアス電流を２００ｍＡ、振幅を１０Ｖとした。半導体レーザ素子１１の立ち上がり時間（応答遅延時間）は約２ｎｓであった。
波長変換部材１２は、ＹＡＧ蛍光体を含有するセラミックを用いた。
本実験例では、受光素子１３を設置する代わりに、放射感度が４００〜７００ｎｍの波長域の全体において１ｍＡ／Ｗ以上である光オシロスコープを用いて測定した。
正常な波長変換部材１２を備える発光装置１０の立ち上がり時間（応答遅延時間）は約３５０ｎｓであった。
これらの発光装置１０において、半導体レーザ素子１１への電圧印加の開始から波長変換部材１２より取り出される光等の光強度が最大となるまでの時間より短いパルス幅として、パルス幅１０ｎｓとし、オフ時間を２０ｎｓとして、５周期で、半導体レーザ素子１１にパルス制御で電圧を印加した。
これによって、半導体レーザ素子１１をレーザ発振させてフォトダイオードにより光強度を測定した。
以下の表にそれらの結果を示す。以下の表においては、図１Ａの発光装置１０の波長変換部材１２の光取出し面側から見た概略図によって、上側支持部材１４Ｄに固定された波長変換部材１２及びホルダ１４Ｅの欠損を示す。なお、発光装置Ｃ〜Ｊにおいては、ホルダ１４Ｅの欠損により、その下に配置された下側支持部材１４Ｃの一部が露出しており、各概略図において下側支持部材１４Ｃをその表面の凹凸とともに表す。また、以下の表において、光強度とは、後述する図５Ａに示すように発光装置１０の光強度の最大値を１．０として、それに対する相対的な光強度の最大値を示す。
このような結果から、測定した光強度によって正常品と異常品とを区別できるか否かを判断し、発光装置の異常検出の適否を確認した。まず、上の表に記載した発光装置１０及びその同等品を複数測定した。それら正常品の光強度の最大値の平均値は約０．９１であり、標準偏差（σ）は約０．０８であり、平均値に標準偏差の５倍の値（５σ）を加算した値は約１．３２であった。程度の差はあるが波長変換部材に何らかの欠損がある発光装置Ａ〜Ｊの場合には、いずれも、１．３２以上の光強度を示したことから、正常品の光強度と異常品の光強度の差は誤差ではない程度に大きいと判断した。したがって、例えば、光強度の最大値について、１．３２未満を所定の範囲、すなわち正常範囲とし、それより大きければ異常であると設定することができる。
また、表に示す発光装置のうち、正常な波長変換部材を備える発光装置１０、発光装置Ａ及び発光装置Ｇについて、測定した光強度の経時変化を図５Ａ〜５Ｃにそれぞれ示す。図５Ａ〜５Ｃにおいて、横軸は経過時間であり、単位はナノ秒である。また、縦軸は光強度であり、単位は任意単位であって、図５Ａ〜５Ｃにおいて同じ数値は同じ強度であることを示す。
図５Ａに示すように、正常な波長変換部材を備える発光装置１０では、電圧印加の初期（例えば、５ｎｓ以内）において測定される励起光等の光強度（例えば、０．８）が、それに遅れて測定される励起光等の光強度とほぼ同等であるのに対して、図５Ｂ及びＣのように、波長変換部材に欠損した発光装置Ａ及びＧでは、電圧印加の初期において測定される励起光等の光強度が、発光装置１０のそれよりも高い値で測定された（それぞれ１．７及び４．１）。また、これらの発光装置Ａ及びＧにおいて、パルス制御の初期から遅れて測定される励起光等の光強度は、初期の光強度に比較して相当低い値で測定された（それぞれ１．２及び１．８）。
このように、本実施形態の発光装置の異常検出方法では、励起光を検出し得る受光素子によって、波長変換部材の欠損という異常を高精度に検知することができる。その結果、半導体レーザ素子の駆動を停止するなどして発光装置の発光を停止することができる。
本発明の発光装置は、各種表示装置、照明器具、液晶ディスプレイ、プロジェクタ装置、内視鏡、車載用ヘッドライト等の光源に好適に利用することができる。
１０ 発光装置
１１ 半導体レーザ素子
１２ 波長変換部材
１３ 受光素子
１４ パッケージ
１４Ａ 基部
１４Ｂ キャップ
１４Ｃ 下側支持部材
１４Ｄ 上側支持部材
１４Ｅ ホルダ
１５ サブマウント
１６ リード端子
１７ 判定部
１８ 電源
１９ 制御部
２０ 集光レンズ

Claims (12)

  1. 励起光を発し、パルス駆動可能に制御し得る半導体レーザ素子と、
    蛍光体を含み、前記励起光が照射されることにより蛍光を発する波長変換部材と、
    前記波長変換部材の光取り出し側に配置され、前記励起光を検出し得る受光素子とを備える発光装置の異常検出方法であって、
    前記半導体レーザ素子への電圧印加の開始から前記波長変換部材より取り出される光の光強度が最大となるまでの時間より短いパルス幅で印加電圧をパルス制御することにより前記半導体レーザ素子をパルス駆動してレーザ発振させ、前記励起光の光強度又は前記励起光及び前記蛍光の双方の光強度を測定し、
    前記測定した光強度が所定の範囲内に含まれるか否かを判断することを含む発光装置の異常検出方法。
  2. 前記印加電圧のパルス制御を、前記半導体レーザ素子への電圧印加から前記波長変換部材より取り出される光の光強度が最大値の半分に到達するまでの時間より短いパルス幅で行う請求項１に記載の発光装置の異常検出方法。
  3. 前記印加電圧のパルス制御を、パルス幅５〜５０ｎｓで行う請求項１又は２に記載の発光装置の異常検出方法。
  4. 前記印加電圧のパルス制御を、パルス幅５〜２０ｎｓ、オフ時間１０〜３０ｎｓを１周期として、２以上の周期で繰り返し行う請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光装置の異常検出方法。
  5. 前記励起光の光強度又は前記励起光及び前記蛍光の双方の光強度を測定する前に、前記波長変換部材より取り出される光の光強度が最大となるまでの時間を測定し、該測定により特定された時間を基準として前記パルス駆動を設定することを含む請求項１〜４のいずれか１つに記載の発光装置の異常検出方法。
  6. 前記発光装置は、前記半導体レーザ素子を収容し、前記波長変換部材を支持するパッケージをさらに備え、
    前記受光素子は、前記パッケージ外に配置されている請求項１〜５のいずれか１つに記載の発光装置の異常検出方法。
  7. 前記受光素子は、前記波長変換部材から取り出される光の照射領域から照射外領域への移動が可能に設置されている請求項１〜６のいずれか１つに記載の発光装置の異常検出方法。
  8. 前記受光素子を、前記半導体レーザ素子のパルス駆動により前記励起光の光強度又は前記励起光及び前記蛍光の双方の光強度を測定した後に、前記照射外領域へ移動させることを含む請求項７に記載の発光装置の異常検出方法。
  9. 前記半導体レーザ素子への電圧印加の開始から、前記測定した光強度が所定の範囲内に含まれるか否かの判断の終了までの時間が、５ｍｓ以下である請求項１〜８のいずれか１つに記載の発光装置の異常検出方法。
  10. 励起光を発し、パルス駆動可能に制御し得る半導体レーザ素子と、
    蛍光体を含み、前記励起光が照射されることにより蛍光を発する波長変換部材と、
    前記波長変換部材の光取り出し側に配置され、光照射領域から光照射外領域へ移動可能に設置され、前記励起光に対応する波長の光を検出し得る受光素子とを備える発光装置。
  11. 前記半導体レーザ素子を収容し、前記波長変換部材を支持するパッケージをさらに備え、
    前記受光素子は、前記パッケージ外に配置されている請求項１０に記載の発光装置。
  12. 前記波長変換部材は、前記半導体レーザ素子からの光が入射する光入射面と、前記光入射面とは異なる面である光取り出し面とを有する請求項１０又は１１に記載の発光装置。
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