JP4689579B2 - 発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光装置に関し、特に、照明に用いることのできる発光装置に関するものである。

近年、白熱電球や蛍光灯といった従来からの発光装置による照明装置に代わり、半導体発光素子と蛍光体とを用いた固体照明装置が開発されている。

蛍光体と半導体発光素子とを組み合わせた発光装置の例としては、ＧａＮ系半導体からなる青色の発光ダイオードと、黄色で発光するＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）蛍光体とを組み合わせた蛍光体発光装置が知られている。この蛍光体発光装置では、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）からの中心波長４５０ｎｍ付近の青色発光と、この発光を受けた蛍光体からの発光（波長５６０ｎｍ付近にピークを持つようなスペクトル分布の発光）とを混色することで白色光（変換光）を取り出している。従来のこの種の蛍光体発光装置では、半導体発光素子の周囲に蛍光体中に分散させた樹脂からなる蛍光体層の中に半導体発光素子を埋め込んだ構成となっている。

従来の発光装置の一例は、たとえば特開２００５-１９１４８３号公報（特許文献１）に開示されている。図４は、特開２００５-１９１４８３号公報に開示された従来の発光装置の構成を概略的に示す断面図である。図４を参照して、この公報に開示された発光装置は、半導体レーザチップ１０１と、そのレーザチップ１０１からのレーザ光を受けて反射する反射部材１０３と、レーザチップ１０１および反射部材１０３を内部に収容するパッケージ１０４とを備え、レーザチップ１０１からのレーザ光を反射部材１０３によって反射してパッケージ１０４の開口から出射するよう構成されている。反射部材１０３は、レーザチップ１０１からのレーザ光によって励起されてレーザ光よりも波長の長い蛍光を生成する。

なおパッケージ１０４の開口には透光性の保護板１０５で塞がれており、保護板１０５の内面中央には反射板１０８が取り付けられている。
特開２００５-１９１４８３号公報

しかし、特開２００５-１９１４８３号公報で開示されているような従来の発光素子を作成し検討したところ、反射部材１０３で生成される蛍光がレーザチップ１０１を透過するとき、レーザチップ１０１の本体や電極部などによる蛍光の散乱や吸収などのロスが発生することがわかった。このため、蛍光の取り出し効果が大きくは向上しないという問題があることがわかった。

本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、蛍光を効率良く取り出すことができる発光装置を提供することである。

本発明の発光装置は、半導体レーザ素子を光源として有する光源部と、その光源部からの発光を受けて光源と波長の異なる蛍光光を生成する蛍光体層を有する波長変換部とを備え、その波長変換部で生成された蛍光光は、波長変換部における、光源からの発光の入射側と同じ側から放出され、かつ蛍光体層から出射領域へ至る範囲の外に光源部が置かれることを特徴とするものである。

本発明の発光装置によれば、光源として半導体レーザが用いられている。この半導体レーザのレーザ光は広がらないため、半導体レーザを波長変換部から離れた位置に設置してもレーザ光をロス無く波長変換部に直接照射することができる。これにより、波長変換部からの蛍光光の出射を遮らない位置に光源部を置くことができる。

また光源部が、波長変換部からの蛍光光の出射を遮らない位置に設置されているため、出射されるべき蛍光光が光源部を透過することは無い。このため、蛍光光が光源部を透過することによる蛍光光の散乱や吸収などのロスが発生することも無い。よって蛍光光を出射部から効率良く出射させることができ、蛍光光の取り出し効率を従来例よりも向上させることができる。

また波長変換部で生成された蛍光光が波長変換部を透過しないため、散乱・吸収などの損失を受けることがなくなり、蛍光光を効率良く取り出すことができる。

上記の発光装置において好ましくは、光源部から波長変換部への光の入射方向と、波長変換部からの蛍光光の出射方向とが異なる。

これにより光源部が波長変換部からの蛍光光の出射を遮ることはない。
上記の発光装置において好ましくは、光源部からの光の入射側とは反対側である蛍光体層の裏側に設けられた反射鏡がさらに備えられている。

これにより波長変換部で生成された蛍光光が波長変換部を透過しないように構成することができる。

上記の発光装置において好ましくは、蛍光体層および反射鏡が凹面状になっている。
このように蛍光体層および反射鏡が湾曲した凹面状になっているので、波長変換部により蛍光の放射角を制御することができる。

上記の発光装置において好ましくは、半導体レーザ素子が、青、青紫および紫外に相当するいずれかの波長の光を発するものである。

このように半導体レーザ素子を出射光に合わせて適宜選択することができる。
上記の発光装置において好ましくは、蛍光体が、光源部からの発光を受けて青色、緑色、黄色および赤色よりなる群から選ばれる一つ以上の色の蛍光を発生するように構成されている。

これにより、出射光の発色を制御することができる。
上記の発光装置において好ましくは、光源部は、半導体レーザ素子からの発光光を波長変換部へ導くための光学部品を有している。

これにより半導体レーザ素子のレイアウト設計の自由度が増し、設計が容易となる。また、光源部の半導体レーザを一定温度に保つことができ、安定した半導体レーザ特性を維持することもできる。

以上説明したように、本発明によれば、半導体レーザを光源とする光源部が波長変換部からの蛍光光の出射を遮らない位置に置かれているため、蛍光光の取り出し効率を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における発光装置の構成を概略的に示す断面図である。図１を参照して、本実施の形態の発光装置は、半導体レーザ１と、反射鏡２と、蛍光体層３と、ケース４と、出射プレート５と、固定治具７とを有している。光源部としての半導体レーザ１は、ｎ型クラッド層と、活性層と、ｐ型クラッド層と、ｎ型電極と、ｐ型電極とを主に有している。活性層はｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に配置されている。ｎ型電極はｎ型クラッド層に電気的に接続されており、ｐ型電極はｐ型クラッド層に電気的に接続されている。この半導体レーザ１は、たとえば波長４０５ｎｍのレーザ光を発するＧａＮ系半導体レーザであり、そのレーザ光が蛍光体層３へ放射されるよう固定治具７によって固定されている。

波長変換部としての蛍光体層３は、半導体レーザ１からの波長４０５ｎｍの光を吸収して赤色（Ｙ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ³⁺）、緑色（ＺｎＳ：Ｃｕ、Ａｌ）、青色（（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）₁₀（ＰＯ₄）₆：Ｅｕ²⁺）の蛍光を発生する蛍光体の各々が分散されたシリカ系樹脂からなっている。これらの蛍光体の各々は各蛍光の混色が白色となるような割合で含まれている。なお、（Ｙ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ³⁺）の表記はＥｕ³⁺で付活されたＹ₂Ｏ₂Ｓよりなる蛍光体を意味し、（ＺｎＳ：Ｃｕ、Ａｌ）の表記はＣｕ、Ａｌで付活されたＺｎＳよりなる蛍光体を意味し、（（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）₁₀（ＰＯ₄）₆：Ｅｕ²⁺）の表記はＥｕ²⁺で付活された（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）₁₀（ＰＯ₄）₆よりなる蛍光体を意味する。

この蛍光体層３は蛍光体層３で生成された蛍光光を透過しないように構成されている。ここで、蛍光体層３が蛍光光を透過しないというのは、半導体レーザ１からのレーザ光が蛍光体層３に入射する側と同じ側から蛍光を取り出すという意味である。したがって本実施の形態では、蛍光体層３のレーザ光を照射される面とは反対側の面に反射鏡２が設けられており、これにより蛍光光が蛍光体層３を透過することが防止され、全ての蛍光光がレーザ光の入射側と同じ側から取り出される。この反射鏡２と蛍光体層３とはたとえば放物面状をなしている。この反射鏡２は、たとえば湾曲ガラスと、その湾曲ガラスの内側面に励起光および蛍光光が透過しないよう蒸着されたアルミニウム層とにより構成されている。蛍光体層３はこの反射鏡２に塗布することにより形成されてもよい。

蛍光体層３と反射鏡２とはケース４内に支持されている。このケース４の開口は透光性の出射プレート５で塞がれている。

半導体レーザ１は、蛍光体層３からの蛍光光の出射を遮らない位置に置かれている。つまり、蛍光体層３から発せられた蛍光光は出射プレート５を透過して外部へ出射されるが、蛍光体層３から出射プレート５へ至る蛍光光の出射領域（図中破線で示した領域）内に位置しないように半導体レーザ１が配置されている。また、半導体レーザ１から蛍光体層３へのレーザ光の入射方向と蛍光体層３からの蛍光光の出射方向とが異なる方向となる。

次に、本実施の形態の発光装置における発光の動作について説明する。
図１を参照して、まず半導体レーザ１のｎ型電極およびｐ型電極に駆動電圧が印加されると、半導体レーザ１の活性層からレーザ光が放出される。このレーザ光は蛍光体層３に照射される。これにより、蛍光体層３中の各蛍光体から赤色、緑色、青色の各色の蛍光が発生し、これら各蛍光の混合からなる白色の蛍光光が生じる。放出された白色の蛍光光は蛍光体層３と反射鏡２との湾曲された形状によって配光されて出射プレート５へ向かう。この白色の蛍光光が出射プレート５を透過してケース４の外部へ出射される。

本実施の形態によれば、光源として半導体レーザ１が用いられている。この半導体レーザ１のレーザ光は広がらないため、半導体レーザ１を蛍光体層３から離れた位置に設置してもレーザ光をロス無く蛍光体層３に照射することができる。これにより、蛍光体層３からの蛍光光の出射を遮らない位置に半導体レーザ１を配置することができる。

また半導体レーザ１が、蛍光体層３からの蛍光光の出射を遮らない位置に設置されているため、出射プレート５から出射されるべき蛍光光が半導体レーザ１を透過することは無い。このため、蛍光光が半導体レーザ１を透過することによる蛍光光の散乱や吸収などのロスが発生することも無い。よって蛍光光を出射プレート５から効率良く出射させることができ、蛍光光の取り出し効率を従来例よりも向上させることができる。

また反射鏡２が設けられているため、蛍光体層３で生成された蛍光光が蛍光体層３を透過しない。このため、蛍光光の散乱・吸収などの損失を受けることがなくなり、蛍光光を効率良く取り出すことができる。

また蛍光体層３と反射鏡２との形状を制御することで、蛍光光の放射角を制御することもできる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における発光装置の構成を概略的に示す断面図である。図２を参照して、本実施の形態の発光装置の構成は、実施の形態１の構成と比較して、光源として２個の半導体レーザ１、１が設けられている点と、蛍光光の出射部にレンズ６が設けられている点と、蛍光体層３および反射鏡２が半球殻（お椀型）状である点とにおいて主に異なっている。

光源部としての２個の半導体レーザ１、１の各々は、蛍光体層３の同じ側の面にレーザ光を照射するように配置されている。また２個の半導体レーザ１、１の各々は、波長変換部としての蛍光体層３からの蛍光光の出射を遮らない位置に置かれている。つまり、蛍光体層３から発せられた蛍光光は出射プレート５を透過して外部へ出射されるが、蛍光体層３から出射プレート５へ至る蛍光光の出射領域（図中破線で示した領域）内に位置しないように半導体レーザ１が配置されている。

なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を省略する。

次に、本実施の形態の発光装置における発光の動作について説明する。
図２を参照して、まず２個の半導体レーザ１、１の各々のｎ型電極およびｐ型電極に駆動電圧が印加されると、２個の半導体レーザ１、１の各々の活性層からレーザ光が放出される。このレーザ光は蛍光体層３の同じ側の面に照射される。これにより、蛍光体層３中の各蛍光体から赤色、緑色、青色の各色の蛍光が発生し、これら各蛍光の混合からなる白色の蛍光光が生じる。放出された白色の蛍光光は蛍光体層３と反射鏡２との湾曲された形状によって配光されてレンズ６へ向かう。この白色の蛍光光がレンズ６を透過することにより蛍光光の放射パターンが制御されてケース４の外部へ出射される。

本実施の形態においても、実施の形態１と同様、光源として２個の半導体レーザ１、１が用いられているため、蛍光体層３からの蛍光光の出射を遮らない位置に２個の半導体レーザ１、１の各々を配置することができる。

また２個の半導体レーザ１、１の各々が、蛍光体層３からの蛍光光の出射を遮らない位置に設置されているため、実施の形態１と同様、蛍光光をレンズ６から効率良く出射させることができ、蛍光光の取り出し効率を従来例よりも向上させることができる。

また反射鏡２が設けられているため、蛍光体層３で生成された蛍光光が蛍光体層３を透過しない。このため、蛍光光の散乱・吸収などの損失を受けることがなくなり、蛍光光を効率良く取り出すことができる。

また蛍光体層３と反射鏡２との形状を制御することで、蛍光光の放射角を制御することもできる。またレンズ６を用いているため、レンズ６により白色光の放射パターンを制御することができる。

（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３における発光装置の構成を概略的に示す断面図である。図３を参照して、本実施の形態の発光装置の構成は、実施の形態１の構成と比較して、光源部が半導体レーザ１、非球面レンズ１０ａおよび光ファイバー１０ｂを有している点と、蛍光体層（波長変換部）３および反射鏡２が多角形で囲まれた凹面状である点とにおいて主に異なっている。

多角形で囲まれた凹面状の蛍光体層３および反射鏡２は、たとえば、蛍光体層３を多角形状の反射鏡２の上に塗布することにより構成されていてもよい。

光源部は、半導体レーザ１から出たたとえば波長４０５ｎｍのレーザ光が非球面レンズ１０ａを介して光ファイバー１０ｂに入射するように構成されている。また光源部は、光ファイバー１０ｂによって導かれたレーザ光が蛍光体層３へ放射するように配置されている。また半導体レーザ１、非球面レンズ１０ａおよび光ファイバー１０ｂの接合部は外部環境による影響を受けにくいように１つのモジュール部１０内に収められている。

光源部に含まれる半導体レーザ１、非球面レンズ１０ａおよび光ファイバー１０ｂの各々は、蛍光体層３からの蛍光光の出射を遮らない位置に置かれている。つまり、蛍光体層３から発せられた蛍光光は出射プレート５を透過して外部へ出射されるが、蛍光体層３から出射プレート５へ至る蛍光光の出射領域（図中破線で示した領域）内に位置しないように光源部が配置されている。

なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を省略する。

次に、本実施の形態の発光装置における発光の動作について説明する。
図３を参照して、まず半導体レーザ１のｎ型電極およびｐ型電極に駆動電圧が印加されると、半導体レーザ１の活性層からレーザ光が放出される。放出されたレーザ光は、非球面レンズ１０ａを介して光ファイバー１０ｂに入射し、光ファイバー１０ｂによって導かれた後に蛍光体層３に照射される。これにより、蛍光体層３中の各蛍光体から赤色、緑色、青色の各色の蛍光が発生し、これら各蛍光の混合からなる白色の蛍光光が生じる。放出された白色の蛍光光は蛍光体層３と反射鏡２との形状によって配光され出射プレート５へ向かう。この白色の蛍光光が出射プレート５を透過してケース４の外部へ出射される。

本実施の形態においても、実施の形態１と同様、光源として半導体レーザ１が用いられているため、蛍光体層３からの蛍光光の出射を遮らない位置に半導体レーザ１を配置することができる。

また光源部に含まれる半導体レーザ１、非球面レンズ１０ａおよび光ファイバー１０ｂの各々が、蛍光体層３からの蛍光光の出射を遮らない位置に設置されているため、実施の形態１と同様、蛍光光を出射プレート５から効率良く出射させることができ、蛍光光の取り出し効率を従来例よりも向上させることができる。

また半導体レーザ１から発せられたレーザ光は、レンズで集光したり、光ファイバーで導いたりしやすい。このため、非球面レンズ１０ａや光ファイバー１０ｂを用いることで、蛍光体層３から離れた位置に半導体レーザ１を配置することも可能となる。これにより、蛍光体層３や反射鏡２からの発熱の影響を半導体レーザ１が受けない構造にすることができる。また半導体レーザ１を含むモジュール部１０にペルチェ素子（Peltier device）を設置し、半導体レーザ１を一定温度に保つことで安定した半導体レーザ特性を維持することもできるようになる。また、半導体レーザ１を設置する際、自由なレイアウト設計が可能となり、光源として用いられている半導体レーザ１の交換を容易にするようなレイアウトも可能となる。

また反射鏡２が設けられているため、蛍光体層３で生成された蛍光光が蛍光体層３を透過しない。このため、蛍光光の散乱・吸収などの損失を受けることがなくなり、蛍光光を効率良く取り出すことができる。

また蛍光体層３と反射鏡２との形状を制御することで、蛍光光の放射角を制御することもできる。

実施の形態３においては非球面レンズ１０ａや光ファイバー１０ｂが使用されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、光を導く光学部品であれば用いることができる。たとえば空間に放出されたレーザ光を鏡の反射を利用して蛍光体層３へ照射するような部材などが用いられてもよい。

本発明においては、蛍光体層３および反射鏡２の形状は、実施の形態１〜３に示された形状に限定されるものではない。また蛍光体層３および反射鏡２の形状と図２に示されたレンズ６との組み合わせによって出射光の状態を変化させることも可能である。

また本発明においては、半導体レーザが１個以上であればその個数には限定がない。
また実施の形態１〜３では、波長４０５ｎｍといった青紫色の光を赤色、緑色、青色に変換して混色することにより白色の蛍光光を得る構成を示したが、本発明はこの光源の波長と蛍光体との組み合わせに限定されるものではない。たとえば、光源の波長として４６０ｎｍの青色光を発する半導体レーザ１と、黄色あるいは緑色と赤色との蛍光を発生する蛍光体とが組み合わされてもよく、また光源の波長として波長３６０ｎｍの紫外光を発する半導体レーザ１と、赤色（Ｙ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ）、緑色（ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ）、青色（ＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ）などの蛍光体とが組み合わされてもよい。なお（ＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ）の表記はＥｕで付活されたＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇よりなる蛍光体を意味する。

また上記に限定されず、半導体レーザの発する色としての青、青紫、紫外と、蛍光体がレーザ光を受けて発光する色として青色、緑色、黄色、赤色とが任意に組み合わされてもよい。

実施の形態１〜３においては反射鏡２を用いているが、蛍光体層３が半導体レーザ１から発せられたレーザ光を透過しないように構成されていれば反射鏡２はなくてもよい。蛍光体層（波長変換部）３は蛍光体を分散させた樹脂で構成されているが、蛍光体層（波長変換部）３の厚さ、分散された蛍光体の濃度などの条件によりレーザ光の入射側とは反対側に蛍光が出ることを防止することもできる。たとえば、白色光を取り出すための蛍光体で蛍光体厚さｄ＝１ｍｍのとき透過率は０になる。また、蛍光体／樹脂分散量比（ｍｇ／ｍｇ）のとき透過率は０．２５〜０．５である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、照明に用いることのできる発光装置に特に有利に適用することができる。

本発明の実施の形態１における発光装置の構成を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態２における発光装置の構成を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態３における発光装置の構成を概略的に示す断面図である。 特開２００５-１９１４８３号公報に開示された発光装置の構成を概略的に示す断面図である。

符号の説明

１ 半導体レーザ、２ 反射鏡、３ 蛍光体層、４ ケース、５ 出射プレート、６ レンズ、７ 固定治具、１０ モジュール部、１０ａ 非球面レンズ、１０ｂ 光ファイバー。

Claims (8)

1. 半導体レーザ素子を光源として有する光源部と、
   前記光源部からの発光を受けて前記光源と波長の異なる蛍光光を生成する蛍光体層を有する波長変換部とを備え、
   前記波長変換部で生成された蛍光光は、前記波長変換部における、前記光源からの発光の入射側と同じ側から放出され、かつ前記蛍光体層から出射領域へ至る範囲の外に前記光源部が置かれることを特徴とする、発光装置。
2. 前記光源部から前記波長変換部への光の入射方向と、前記波長変換部からの蛍光光の出射方向とが異なることを特徴とする、請求項１記載の発光装置。
3. 前記光源部からの光の入射側とは反対側である前記蛍光体層の裏側に設けられた反射鏡をさらに備えたことを特徴とする、請求項１または２記載の発光装置。
4. 前記蛍光体層および前記反射鏡が凹面状になっていることを特徴とする、請求項３記載の発光装置。
5. 前記半導体レーザ素子が、青、青紫および紫外に相当するいずれかの波長の光を発するものであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか記載の発光装置。
6. 前記蛍光体が、前記光源部からの発光を受けて青色、緑色、黄色および赤色よりなる群から選ばれる一つ以上の色の蛍光を発生するように構成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか記載の発光装置。
7. 前記光源部は、前記半導体レーザ素子からの発光光を前記波長変換部へ導くための光学部品を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか記載の発光装置。
8. 前記光源部からの発光光が、ケースの切欠を通じて前記ケース内に配置された前記蛍光体層を有する前記波長変換部に照射されるように構成されている、請求項１〜７のいずれか記載の発光装置。

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