JP2019200256A - 波長変換デバイス及び発光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性が高い波長変換デバイス及び発光デバイスを提供する。【解決手段】光源から出射された励起光Ａが入射する入射部６と、励起光Ａが波長変換された光が出射する出射部７とを有する波長変換部材１と、波長変換部材１に接するように設けられており、かつ波長変換部材１よりも熱伝導率が高い透光性放熱部材とを備え、透光性放熱部材として、波長変換部材１の入射部６に接している第１の放熱部材２Ａを有する波長変換デバイス１０であって、波長変換部材１は入射部６の少なくとも一部に凹部が形成されており、第１の放熱部材２Ａは、入射部６の凹部に対応する凸部２ａを有することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、波長変換デバイス及び発光デバイスに関する。

近年、蛍光ランプや白熱灯に変わる次世代の光源として、ＬＥＤ（発光ダイオード）やＬＤ（レーザーダイオード）を用いた発光デバイス等に対する注目が高まってきている。そのような次世代光源の一例として、青色光を出射するＬＥＤと、ＬＥＤからの光の一部を吸収して黄色光に変換する波長変換部材とを組み合わせた発光デバイスが開示されている。この発光デバイスは、ＬＥＤから出射され、波長変換部材を透過した青色光と、波長変換部材から出射された黄色光との合成光である白色光を発する。特許文献１には、上記のような波長変換を行う蛍光体層の両主面に、透光性を有する放熱層が積層された波長変換部材が提案されている。

特開２０１６−０２７６１３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の放熱層を有する波長変換部材であっても、ＬＤのような出力が大きい光源を用いた場合には、蛍光体層の温度上昇を十分に抑制することは困難であった。蛍光体層が高温になると、蛍光の発光強度の低下（温度消光）が生じる傾向がある。また、波長変換部材が熱により融解したりクラックが発生して破損するおそれがある。

本発明の目的は、放熱性が高い波長変換デバイス及び発光デバイスを提供することにある。

本発明の波長変換デバイスは、光源から出射された励起光が入射する入射部と、励起光が波長変換された光が出射する出射部とを有する波長変換部材と、波長変換部材に接するように設けられており、かつ波長変換部材よりも熱伝導率が高い透光性放熱部材とを備え、透光性放熱部材として、波長変換部材の入射部に接している第１の放熱部材を有する波長変換デバイスであって、波長変換部材は入射部の少なくとも一部に凹部が形成されており、第１の放熱部材は、入射部の凹部に対応する凸部を有することを特徴とする。

透光性放熱部材として、波長変換部材の出射部に接している第２の放熱部材を有することが好ましい。

波長変換部材が、入射部と出射部とを接続する側面を有し、透光性放熱部材として、波長変換部材の側面に接している第３の放熱部材を有することが好ましい。

波長変換部材の側面が凹部を有し、第３の放熱部材が側面の凹部に接するように設けられていることが好ましい。

第１の放熱部材が、第１の放熱部材に入射した光を散乱させることが好ましい。

波長変換部材及び透光性放熱部材を保持する枠状部材をさらに備えることが好ましい。

本発明の発光デバイスは、上記波長変換デバイスと、光源とを備える。

光源がレーザーダイオードであることが好ましい。

本発明によれば、放熱性が高い波長変換デバイス及び発光デバイスを提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る波長変換デバイスの断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る波長変換部材の模式的断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る波長変換デバイスの分解斜視図である。 本発明の第１の実施形態の変形例に係る波長変換デバイスの断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る波長変換デバイスの断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る波長変換デバイスの断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る発光デバイスの断面図である。 比較例の波長変換デバイスにおける、励起光が入射した際の温度分布図である。 本発明の第１の実施例の波長変換デバイスにおける、励起光が入射した際の温度分布図である。 本発明の第２の実施例の波長変換デバイスにおける、励起光が入射した際の温度分布図である。 本発明の第３の実施例の波長変換デバイスにおける、励起光が入射した際の温度分布図である。 本発明の第１の実施例の波長変換デバイスにおける、励起光が入射した際の温度分布図である。 本発明の第２の実施例の波長変換デバイスにおける、励起光が入射した際の温度分布図である。 本発明の第３の実施例の波長変換デバイスにおける、励起光が入射した際の温度分布図である。

以下、好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照する場合がある。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る波長変換デバイスの断面図である。図２は、第１の実施形態における波長変換部材の模式的断面図である。図３は、第１の実施形態に係る波長変換デバイスの分解斜視図である。

図１に示す本実施形態の波長変換デバイス１０は、光源から出射された励起光Ａの波長を変換するための波長変換デバイスである。波長変換デバイス１０は、波長変換部材１と、波長変換部材１に接するように設けられている透光性放熱部材と、波長変換部材１及び透光性放熱部材を保持する枠状部材３とを備える。本実施形態における波長変換デバイス１０は、透光性放熱部材として、図１に示す第１の放熱部材２Ａを有する。透光性放熱部材の熱伝導率は波長変換部材１の熱伝導率よりも高い。

図２に示すように、波長変換部材１は、無機バインダー４と、無機バインダー４中に分散した蛍光体粒子５とを有する。蛍光体粒子５は、励起光Ａの入射により励起し、蛍光を出射する。

無機バインダー４は、無機蛍光体等の蛍光体粒子の分散媒として用いることができるものであれば特に限定されない。無機バインダー４としては、例えば、ガラスやポリシラザン等を用いることができる。ガラスとしては、例えば、ホウ珪酸塩系ガラス、リン酸塩、スズリン酸塩系ガラス、ビスマス酸塩系ガラス等を用いることができる。

蛍光体粒子５は、励起光Ａの入射により蛍光を出射するものであれば、特に限定されるものではない。蛍光体粒子５の具体例としては、例えば、酸化物蛍光体、窒化物蛍光体、酸窒化物蛍光体、塩化物蛍光体、酸塩化物蛍光体、硫化物蛍光体、酸硫化物蛍光体、ハロゲン化物蛍光体、カルコゲン化物蛍光体、アルミン酸塩蛍光体、ハロリン酸塩化物蛍光体及びガーネット系化合物蛍光体から選ばれた１種以上等が挙げられる。励起光Ａとして青色光を用いる場合、例えば、緑色光、黄色光または赤色光を蛍光として出射する蛍光体を用いることができる。

図１及び図３に示すように、波長変換部材１は、励起光Ａが入射する入射部６と、励起光Ａが波長変換された蛍光及び励起光Ａが出射光Ｂとして出射する出射部７とを有する。さらに、波長変換部材１は、入射部６と出射部７とを接続する側面８を有する。

波長変換部材１の形状は、円錐台において対向し合う面のうち、径が小さい方の面側の全体に凹部が設けられた形状である。以下、上記のように波長変換部材における内向きの変形は、いずれも凹部と表現するものとする。本実施形態では、入射部６全体が該凹部として構成されている。上記対向し合う面のうち、径が大きい方の面が出射部７である。なお、波長変換部材１の形状は上記に限定されず、例えば、円錐台において対向し合う面のうち、径が小さい方の面の一部に凹部が設けられた形状であってもよい。あるいは、角錐台、円柱、角柱等に凹部が設けられた形状であってもよい。

第１の放熱部材２Ａは、波長変換部材１に対して凸状であり、かつ波長変換部材１の入射部６に対応する凸部２ａを有する。これにより、第１の放熱部材２Ａは、入射部６としての凹部の全面に接している。本実施形態では、第１の放熱部材２Ａの形状は円錐台である。さらに、第１の放熱部材２Ａは底部２ｂを有する。本実施形態において、底部２ｂは第１の放熱部材２Ａの底面に位置する部分である。

なお、第１の放熱部材２Ａの形状は上記に限定されず、例えば、角錐台、円錐、角錐、円柱、角柱、略半楕円体等であってもよい。あるいは、第１の放熱部材２Ａは、例えば、円盤に凹凸が設けられた形状等を有していてもよく、複数の凸部が入射部６に対応していてもよい。

励起光Ａは、第１の放熱部材２Ａを通り波長変換部材１に入射する。本実施形態では、第１の放熱部材２Ａは、第１の放熱部材２Ａに入射した光を散乱させる。そのため、励起光Ａは第１の放熱部材２Ａにおいて散乱され、入射部６全体から波長変換部材１に入射する。

本実施形態のように、第１の放熱部材２Ａは、透光性アルミナからなることが好ましい。なお、第１の放熱部材２Ａは上記に限定されず、たとえば透光性マグネシア、透光性酸窒化アルミ等の透光性セラミックスからなっていてもよい。あるいは、第１の放熱部材２Ａは透光性複合部材からなっていてもよい。透光性複合部材としては、異種セラミックス複合体、熱伝導性フィラーを多量に含有したガラス等を用いてもよい。熱伝導性フィラーとしては、例えば、アルミナ、マグネシア、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム等を用いることができる。ガラスとしては、例えば、ホウ珪酸塩系ガラス、リン酸塩系ガラス、スズリン酸塩系ガラス、ビスマス酸塩系ガラス等を用いることができる。

枠状部材３は、波長変換部材１の形状に対応する形状の貫通孔３ａを有し、貫通孔３ａに面する内面において波長変換部材１を保持している。

本実施形態では、枠状部材３はアルミナからなる。それによって、波長変換部材１からの励起光Ａや蛍光の漏洩を抑制することができ、波長変換デバイス１０の発光強度を高めることができる。なお、枠状部材３の材料は上記に限定されず、例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｕ等の金属や、チタニア等のセラミックスからなっていてもよい。もっとも、波長変換デバイス１０は、枠状部材３を必ずしも有しなくともよい。

本実施形態の特徴は、透光性放熱部材の第１の放熱部材２Ａが、入射部６に対応する凸部２ａを有することにある。これにより、入射部６と第１の放熱部材２Ａとが接する面積を広くすることができる。ここで、励起光Ａが入射する入射部６付近は、最も温度が上昇し易い。この入射部６から、広い面積において、第１の放熱部材２Ａに直接的に熱を移動させることができる。従って、放熱性を効果的に高めることができる。

第１の放熱部材２Ａは、本実施形態のように、第１の放熱部材２Ａに入射した光を散乱させることが好ましい。それによって、励起光Ａを分散して波長変換部材１に入射させることができ、波長変換部材１において温度上昇し易い部分を分散させることができる。よって、局所的な温度上昇を生じ難くすることができ、温度消光を効果的に抑制することができる。さらに、本実施形態では、上記のように分散された温度上昇し易い部分の全体に第１の放熱部材２Ａが接している。これにより、波長変換部材１の温度上昇し易い部分全体から、第１の放熱部材２Ａに直接的に熱を移動させることができる。従って、放熱性をより一層高めることができる。

ここで、波長変換デバイス１０に励起光Ａが入射する方向に沿う波長変換部材１の長さを波長変換部材１の高さｈとし、同方向に沿う第１の放熱部材２Ａの長さを第１の放熱部材２Ａの高さＨとしたときに、高さの比Ｈ／ｈが、０．０１以上、０．１以上、０．３以上、特に０．５以上であることが好ましい。それによって、入射部６と第１の放熱部材２Ａとが接する面積をより一層広くすることができ、放熱性をより一層高めることができる。

図４は、第１の実施形態の変形例に係る波長変換デバイスの断面図である。

図４に示すように、第１の実施形態の変形例においては、波長変換部材１１の入射部１６の一部に凹部１６ａが設けられている。具体的には、変形例の波長変換部材１１の形状は、円錐台において対向し合う面のうち、径が小さい方の面の一部に凹部１６ａが設けられた形状である。入射部１６は、上記径が小さい方の面の一部及び凹部１６ａを含む。

第１の放熱部材１２Ａは、円盤状の底部１２ｂと、底部１２ｂ上に設けられた凸部２ａとを有する。底部１２ｂ及び凸部２ａは一体として設けられている。第１の実施形態と同様に、凸部２ａは入射部１６に対応する。なお、波長変換部材の径が小さい方の面の一部が放熱部材で覆われておらず、外部に露出している形態であってもよい。具体的には、第１の放熱部材１２Ａの底部１２ｂが、第１の実施形態と同様に、第１の放熱部材１２Ａの底面に位置する部分であってもよい。

本変形例においても、入射部１６と第１の放熱部材１２Ａとが接する面積を広くすることができ、放熱性を効果的に高めることができる。さらに、第１の放熱部材１２Ａの底部１２ｂが、枠状部材３に接する。それによって、放熱性をより一層高めることができる。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係る波長変換デバイスの断面図である。本実施形態の波長変換デバイスは、透光性放熱部材として、第１の放熱部材２Ａに加えて、第２の放熱部材２２Ｂを有する。第１の放熱部材２Ａ及び第２の放熱部材２２Ｂは一体ではなく、それぞれ独立して配置されている。第２の放熱部材２２Ｂは出射部７の全面に接している。それによって、放熱性をより一層高めることができる。

第２の放熱部材２２Ｂは、枠状部材３に接しており、枠状部材３により直接的に保持されている。それによって、放熱性を効果的に高めることができる。

なお、第２の放熱部材２２Ｂは、出射部７の一部に接していてもよい。また、第２の放熱部材２２Ｂは、枠状部材３に接していなくてもよい。

（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態に係る波長変換デバイスの断面図である。本実施形態の波長変換デバイスは、透光性放熱部材として、第１の放熱部材２Ａ及び第２の放熱部材２２Ｂに加えて、第３の放熱部材３２Ｃを有する。第１の放熱部材２Ａ、第２の放熱部材２２Ｂ及び第３の放熱部材３２Ｃは一体ではなく、それぞれ独立して配置されている。第３の放熱部材３２Ｃの形状は略リング状である。第３の放熱部材３２Ｃは、励起光Ａが波長変換デバイスに入射する方向を中心軸とする周回方向の全体において、波長変換部材３１の側面３８に接している。それによって、放熱性をより一層高めることができる。

本実施形態の波長変換部材３１の側面３８は、上記周回方向の全体に至るように設けられた凹部３８ａを有する。第３の放熱部材３２Ｃは、凹部３８ａに接している。それによって、第３の放熱部材３２Ｃと波長変換部材３１とが接する面積を広くすることができる。加えて、第１の放熱部材２Ａと第３の放熱部材３２Ｃとの距離を短くすることができる。これにより、放熱性をより一層高めることができる。さらに、第３の放熱部材３２Ｃは枠状部材３に接している。それによって、放熱性を効果的に高めることができる。

（第４の実施形態）
図７は、第４の実施形態に係る発光デバイスの断面図である。図７に示すように、発光デバイス４０は、第１の実施形態の波長変換デバイス１０と、励起光Ａを出射する光源４１とを備える。本実施形態の光源４１はレーザーダイオードである。なお、光源４１は上記に限定されず、例えば、発光ダイオード等であってもよい。

ここで、図７に示す発光デバイス４０は一例であって、光源４１は第１の放熱部材２Ａに接していてもよい。光源４１は波長変換部材１の入射部６側に配置されていればよい。なお、光源４１と波長変換デバイス１０の間の光路上にレンズを設置してもよい。

発光デバイス４０は、第１の実施形態の波長変換デバイス１０を有するため、放熱性を効果的に高めることができる。よって、本実施形態のように高出力な光源４１を用いても、温度消光を効果的に抑制することができ、かつ発光デバイス４０の温度上昇による破損を効果的に生じ難くすることができる。

（実施例）
以下、第１の実施形態の構成を有する第１の実施例の波長変換デバイス、第２の実施形態の構成を有する第２の実施例の波長変換デバイス及び第３の実施形態の構成を有する第３の実施例の波長変換デバイス並びに比較例の波長変換デバイスにおける、励起光が入射した際の温度分布を比較する。なお、比較例は、透光性放熱部材が設けられていない点及び波長変換部材に凹部が設けられていない点において各実施例と異なる。

第１の実施例、第２の実施例、第３の実施例及び比較例の波長変換デバイスの温度分布は、下記の表１の条件になるようにシミュレートを行い測定した。なお、表１においては、第１の放熱部材、第２の放熱部材及び第３の放熱部材を、透光性放熱部材としてまとめて記載している。各実施例及び比較例における波長変換部材の蛍光体粒子の総量が同じ量となるように、各実施例及び比較例における波長変換部材の蛍光体濃度を設定した。これに伴い、各実施例及び比較例における波長変換部材の熱伝導率、散乱係数及び吸収係数もそれぞれ異なっている。蛍光体にはＹＡＧ蛍光体粒子（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）、放熱部材には透光性アルミナを想定し、それぞれシミュレートを行った。なお、それぞれのシミュレートにおける励起光の出力および照射スポットサイズは等しくした。

また、波長変換部材の高さｈと第１の放熱部材の高さＨの比Ｈ／ｈ＝０．７とした。第１の放熱部材の底部の表面積Ｓｂは０．００７９ｍｍ^２、第１の放熱部材の波長変換部材に接している凸部の表面積Ｓａは０．０５３３ｍｍ^２となり、両者の比はＳｂ／Ｓａ＝０．１４となった。

図８は、比較例の波長変換デバイスにおける、励起光が入射した際の温度分布図である。図９は、第１の実施例の波長変換デバイスにおける、励起光が入射した際の温度分布図である。図１０は、第２の実施例の波長変換デバイスにおける、励起光が入射した際の温度分布図である。図１１は、第３の実施例の波長変換デバイスにおける、励起光が入射した際の温度分布図である。なお、図８〜図１１においては、波長変換デバイスの断面図を２分割した状態の温度分布を示し、白色に近い程高温であることを示す。

図８と、図９〜図１１とを比較すると、第１の実施例、第２の実施例及び第３の実施例のいずれにおいても、比較例より全体として低温となっており、効果的に放熱されていることがわかる。

さらに、下記の図１２〜図１４を参照して、第１の実施例、第２の実施例及び第３の実施例を比較する。なお、図１２〜図１４においては、それぞれ図９〜図１１よりも表示する明度を高くしている。

図１２は、第１の実施例の波長変換デバイスにおける、励起光が入射した際の温度分布図である。図１３は、第２の実施例の波長変換デバイスにおける、励起光が入射した際の温度分布図である。図１４は、第３の実施例の波長変換デバイスにおける、励起光が入射した際の温度分布図である。

図１２〜図１４に示すように、第１の放熱部材、第２の放熱部材及び第３の放熱部材を有する第３の実施例の波長変換デバイス、第１の放熱部材及び第２の放熱部材を有する第２の実施例の波長変換デバイス、第１の放熱部材を有する第１の実施例の波長変換デバイスの順に、放熱性が高いことがわかる。

１…波長変換部材
２Ａ…第１の放熱部材
２ａ…凸部
２ｂ…底部
３…枠状部材
３ａ…貫通孔
４…無機バインダー
５…蛍光体粒子
６…入射部
７…出射部
８…側面
１０…波長変換デバイス
１１…波長変換部材
１２Ａ…第１の放熱部材
１２ｂ…底部
１６…入射部
１６ａ…凹部
２２Ｂ…第２の放熱部材
３１…波長変換部材
３２Ｃ…第３の放熱部材
３８…側面
３８ａ…凹部
４０…発光デバイス
４１…光源
Ａ…励起光
Ｂ…出射光

Claims (8)

1. 光源から出射された励起光が入射する入射部と、前記励起光が波長変換された光が出射する出射部とを有する波長変換部材と、
   前記波長変換部材に接するように設けられており、かつ前記波長変換部材よりも熱伝導率が高い透光性放熱部材とを備え、
   前記透光性放熱部材として、前記波長変換部材の前記入射部に接している第１の放熱部材を有する波長変換デバイスであって、
   前記波長変換部材は前記入射部の少なくとも一部に凹部が形成されており、
   前記第１の放熱部材は、前記入射部の凹部に対応する凸部を有する、波長変換デバイス。
2. 前記透光性放熱部材として、前記波長変換部材の前記出射部に接している第２の放熱部材を有する、請求項１に記載の波長変換デバイス。
3. 前記波長変換部材が、前記入射部と前記出射部とを接続する側面を有し、
   前記透光性放熱部材として、前記波長変換部材の前記側面に接している第３の放熱部材を有する、請求項１または２に記載の波長変換デバイス。
4. 前記波長変換部材の前記側面が凹部を有し、
   前記第３の放熱部材が前記側面の前記凹部に接するように設けられている、請求項３に記載の波長変換デバイス。
5. 前記第１の放熱部材が、前記第１の放熱部材に入射した光を散乱させる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の波長変換デバイス。
6. 前記波長変換部材及び前記透光性放熱部材を保持する枠状部材をさらに備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載の波長変換デバイス。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の波長変換デバイスと、
   光源とを備える、発光デバイス。
8. 前記光源がレーザーダイオードである、請求項７に記載の発光デバイス。