JP4946188B2 - 発光装置 - Google Patents
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Description
本発明は、上記課題を解決するためのものであり、高出力かつ長寿命の発光装置を提供することを目的とする。
(1)前記導光部材の端部に、該導光部材の端部を保持し、かつ前記波長変換部材と接触する保持部材が設けられており、
該保持部材は、その内部に挿入されて熱的に接続される熱伝導部材を有していることを特徴とするか、
(2)前記導光部材の端部に、該導光部材の端部を保持し、かつ前記波長変換部材と接触する保持部材が設けられており、
該保持部材は、その外表面に熱的に接続される第1の熱伝導部材と、該第1の熱伝導部材に熱的に接続され、前記波長変換部材とは反対側にわたって延長する第2の熱伝導部材とを有していることを特徴とする。
この発光素子においては、熱伝導部材は、ワイヤ状、パイプ状、メッシュ状、膜状又はこれらを組み合わせた形状で形成されていることが好ましい。
さらに、光源はレーザダイオードであることが好ましい。
また、熱伝導部材及び/又は保持部材は、0.1w/m・k以上の熱伝導率を有することが好ましい。
光源
光源は、後述する蛍光物質を励起することができる光を出射するものであれば、特に限定されるものではなく、例えば、半導体素子、ランプ又は電子ビーム、プラズマ、EL等をエネルギー源とするデバイス等があげられる。なかでも、300〜500nmの波長域に発光ピークがある光を発する発光素子であることが好ましく、LD、LEDが好適に用いられる。これを使用することにより、初期駆動特性に優れ、振動やオン・オフ点灯の繰り返しに強く、小型で発光出力の高い発光装置とすることができる。特に、LDは光密度が高いため、容易に輝度を向上させることができる。一方、LDは、光密度が高いために波長変換部材が発熱しやすく、劣化、変色を招く。本発明は、熱による波長変換部材への悪影響を大幅に軽減することができるため、LDを用いる場合に特に有効である。
また、光源は、1つの発光装置において、複数備えることもでき、例えば、複数の光源から1つの光ファイバ(下記で改めて説明する)に導光させることができる。これにより、導光される光の出力を向上させることができる共に、本発明が特に効果的に作用する。また、複数の光源はそれぞれ異なる波長を射出するものであってもよい。
導光部材は、光源からの光を波長変換部材に導くための透光性部材であり、長手方向に延伸するとともに、屈曲可能に構成されていることが好ましい。これにより、所望の位置に光を容易に導出することができる。なお、導光部材の断面は円形が好ましいが、これに限定されるものではない。導光部材20の径は、特に限定されないが、例えば、3000μm以下、1000μm以下、400μm以下、さらには200μm以下のものを用いることができる。一例として、具体的には、コア/クラッド=114/125(μm)、72/80(μm)等のものが挙げられる。導光部材20の径とは、その断面が円形でない場合は、断面における平均の長さとする。導光部材は、その一端が光源側に配置されており、他端が後述する波長変換部材側に配置されている。導光部材としては、例えば、光ファイバ、ホーリーファイバー等を用いてもよい。光ファイバを用いることにより、光源からの光を効率よく導出することができる。光ファイバは、通常、内側に屈折率の高いコアが、外側に屈折率の低いクラッドが配置されて構成される。導光部材の光源側の端部及び/又は波長変換部材側の端部の形状は特に限定されず、平面、凸状レンズ、凹状レンズ、部分的に凹凸を設けた形状等、種々の形状とすることができる。例えば、光ファイバを用いる場合、各端部においてコア及び/又はクラッドをこれらの形状とすることができる。
光ファイバの材料は特に限定されるものではなく、例えば、石英ガラス、プラスチック等が挙げられる。なかでも、コアの材料がピュアシリカ(純粋石英)によって構成されているものが好ましい。これにより、伝達損失を抑えることができる。
なお、光ファイバ内の一部、例えば、コア材料に、後述する蛍光物質等を含有させてもよい。
波長変換部材は、光源から出射される励起光の一部又は全部を吸収し、波長変換して所定の波長域の光、例えば、赤色、緑色、青色、さらにこれらの中間色である黄色、青緑色、橙色などに発光スペクトルを有する光を放出し得るものである。したがって、波長変換部材は、このような機能を実現することができる材料によって構成されるものであれば、その種類は限定されない。
Eu、Ce等のランタノイド系元素で主に賦活される酸窒化物系蛍光体は、MSi2O2N2:Eu(Mは、Sr、Ca、Ba、Mg、Znから選ばれる少なくとも1種以上である。)などがある。
Eu等のランタノイド系、Mn等の遷移金属系の元素により主に付活されるアルカリ土類ハロゲンアパタイト蛍光体には、M5(PO4)3X:R(Mは、Sr、Ca、Ba、Mg、Znから選ばれる少なくとも1種以上である。Xは、F、Cl、Br、Iから選ばれる少なくとも1種以上である。Rは、Eu、Mn、EuとMn、のいずれか1以上である。)などがある。
アルカリ土類金属アルミン酸塩蛍光体には、SrAl2O4:R、Sr4Al14O25:R、CaAl2O4:R、BaMg2Al16O27:R、BaMg2Al16O12:R、BaMgAl10O17:R(Rは、Eu、Mn、EuとMn、のいずれか1以上である。)などがある。
アルカリ土類硫化物蛍光体には、La2O2S:Eu、Y2O2S:Eu、Gd2O2S:Euなどがある。
上述の蛍光体は、所望に応じてEuに代えて、又は、Euに加えてTb、Cu、Ag、Au、Cr、Nd、Dy、Co、Ni、Tiから選択される1種以上を含有させることもできる。
また、上記蛍光体以外の蛍光体であって、同様の性能、効果を有する蛍光体も使用することができる。
一般に、有機材料の透光性材料は、光により劣化しやすいが、本発明の構成は、特に、透光性材料が有機部材である場合に有効である。
なお、良好な演色性を得るためには、波長変換部材を通った後の照射光が、70以上、さらに80以上の平均演色評価数(Ra)となるような材料を選択することが好ましい。
本発明の発光装置においては、導光部材の先端、つまり光源に接続されていない側端部が、保持部材30によって支持されていることが好ましい。このような保持部材により、導光部材からの出射光を固定することが容易となる。また、その材料や形状に応じて発光効率を向上させることができるとともに、発光装置としての組み立てが容易となる。したがって、保持部材は、導光部材を支持し得るものであれば、どのような材料及び形状で構成されていてもよい。
熱伝導部材50は、保持部材を通して間接的に又は直接的に、波長変換部材40に生じた熱を吸収し、これらを外部に導いて放出し、波長変換部材40の発熱を軽減するものである。つまり、一端は保持部材に接続される。また、熱伝導部材50は、導光部材と同様に長手方向に延伸されるとともに、屈曲可能に構成してもよい。つまり、他端は、任意の方向(例えば、光源の方向)に延在している。これにより、放熱性を向上するとともに、所望の位置に光を容易に導出することができる。
さらに、図6(a)〜(d)に示すように、保持部材30の外表面及び/又は内部わたって、ワイヤ状、板状の熱伝導部材50を溶接、半田付け又は巻き付け等により密着させてもよい。
さらに、図8(a)〜(c)に示したように、保持部材30の内部に熱伝導部材50aを埋め込み、その一部を露出させて、その露出部からワイヤ状の熱伝導部材50bを延長させたものであってもよいし、図8(d)、(e)に示したように、保持部材30の部品と部品との間に熱伝導部材50aを挟持し、それにワイヤ状の熱伝導部材50bを延長させたものであってもよい。
熱伝導部材は、上述したように、一端は保持部材に熱的に接続されており、波長変換部材から相当な距離を離して延長されている。この距離が長いほど、放熱効率が良好となる。一方、他端は、そのまま断線していてもよいし、冷却部材に接続されていてもよい。例えば、冷却部材としては、当該分野で公知のヒートシンク、冷却装置等が挙げられる。これにより、より放熱効率を向上させることができる。
なお、熱伝導部材は、保持部材に熱的に接続されるのみならず、保持部材を備えない発光装置においては、波長変換部材及び/又は光ファイバに、熱伝導部材を上記に準じて配置させてもよい。
光源の射出側には、レンズが設けられていてもよい。
レンズは、光源から射出された光が、射出部に集光される限り、どのような形状でもよく、光源と射出部との間に、複数枚並べて配置してもよい。レンズは、無機ガラス、樹脂等により形成することができ、なかでも、無機ガラスが好ましい。光源とライトガイドとの間にレンズを備え、レンズを介して光源から射出された励起光をライトガイドへ導出することができることにより、光源からの射出する励起光を集光させ、効率よく導光部材に導出することができる。
上述した保持部材に取り付ける場合に限らず、本発明の発光装置には、適切な位置に各種機能膜/部材を取り付けることが好ましい。ここでの機能膜/部材としては、例えば、波長変換光反射膜、励起光反射膜、拡散防止部材、拡散部材、遮断部材等が挙げられる。
本発明の発光装置は、図1及び図2に示したように、1つの光源と、一本の導光部材と、1つの波長変換部材と、1つの熱伝導部材から構成されていてもよいし、このような一単位の発光装置を複数個搭載した発光装置としてもよい。
また、1つの光源に複数本の導光部材と、それに対応した波長変換部材とを備えるように構成してもよい。さらに、複数の光源と、1つの導光部材と、1つの波長変換部材で波長変換する構成を有していてもよい。また、1つの光源に複数本の導光部材と、これら光ファイバからの光を1つの波長変換部材で波長変換する構成を有していてもよい。さらに、複数の光源と、それに対応する複数本の導光部材と、これら導光部材からの光を1つの波長変換部材で波長変換する構成を有していてもよい。また、これらの発光装置を組み合わせて1つの発光装置として利用してもよい。
本発明の発光装置は、例えば、通常の照明器具、車両搭載用の照明(具体的には、ヘッドライト用、テールランプ用光源等)、内視鏡装置、ファイバースコープ、電流の漏洩や発熱等を回避したい部材における光源、点光源を要求する場所や光源の取り替えが困難な場所などで使用する発光装置等として利用することができる。
したがって、この発光装置は、撮像部材(つまり、光学像を電気信号に変換する電子部品(受光素子))、具体的には、CCD(charge-coupled device)、CMOS(CMOS image sensor)等を利用した撮像素子、電気信号を画像信号に変換する画像信号処理装置、電気信号又は測定値等を表示するインジケータ、画像信号を出力して画像を映し出すディスプレイ、各種の処理及び計算を行うコンピュータ等とともに使用することができる。特に、撮像部材として撮像素子を用いる場合には、被写体の光学像を、扱いやすいものとすることができる。
さらに、本発明の発光装置は、可視光通信にも使用することができる。つまり、上述した発光装置により得られる可視光を利用し、例えば、発光装置に通信機能を付加することによりワイヤレス環境を構築することができる。これにより、光源を用いて、数百MHzという変調速度を実現することができる。
実施例1
この発光装置は、図1に示したように、光源10と、導光部材20と、保持部材30と、波長変換部材40、熱伝導部材50とを備えて構成される。
この発光装置では、光源10として445nm近傍に発光ピーク波長を有するGaN(窒化ガリウム)系の半導体からなるLDを用いた。
保持部材30としては、フェルールとして、図4(a)に示したように、ニッケルからなる直径0.7mmのものを用い、内部に、光ファイバ20とともに、熱伝導部材50として、銅製の金属ワイヤ(直径0.16mm)を備えたものを用いた。また、フェルールの端面には反射膜として銀を成膜した。なお、この保持部材30及び熱伝導部材50は、これらを、複数ケーブルのように光ファイバ20とともに線引きしたものを用いた。熱伝導部材50の他端は、光源10に沿わせ、光源とともに冷却装置に接続している。
この発光装置では、光源から射出された励起光1は、レンズ2を透過して射出部に集光され、集光された励起光1は、光ファイバ20を通して、波長変換部材40の蛍光物質に照射されて波長が変換されることにより、光2を照射した。このような光2は、白色に発光しており、平均演色評価数(Ra)が80以上である。
また、熱伝導部材50により、放熱効果が向上し、波長変換部材40における蛍光物質の発熱をより軽減させることができる。その結果、発光出力の高い信頼性のある発光装置を得ることができる。
この発光装置は、図4(a)の変形として、ワイヤ状の熱導電部材50を、図9(b)に示したように、複数本(例えば、7本、14本)、波長変換部材中に突出しないで設けた以外は、実質的に実施例1の発光装置と同様の構成である。
ただし、光ファイバとして、Agメッキ付石英製のSI型光ファイバを用いた。また、ワイヤ状の熱導電部材50は、直径0.16mm、スズメッキ付軟銅を用いた。
比較のために、ワイヤ状の熱導電部材を設けない以外、上述と同様の構成の発光装置を形成した。
図9(a)によれば、ワイヤ状の熱導電部材0本(破線)、7本(一点破線)、14本(実線)と、熱導電部材の数が増加するにつれて、波長変換部材40の熱による劣化を大幅に軽減させることができ、その結果、より大きな光出力を得ることができることがわかった。
この発光装置は、図6(b)に示すように、フェルール30aとそれを支持するフランジ30bとからなる保持部材30を用い、熱伝導部材50として、銅製の金属ワイヤ(直径0.16mm)をフェルール30aの外表面に巻き付けるとともに、フランジ30bの外周に沿って、波長変換部材40とは反対側に延長させたものを用いる以外、実施例1と同様に発光装置を形成する。
得られた発光装置は、実施例1と同様に、波長変換部材40の熱による劣化を大幅に軽減させることができる。その結果、発光出力の高い信頼性のある発光装置とすることができる。
この発光装置は、図7(b)に示すように、フェルール30aとそれを支持するフランジ30bとからなる保持部材30を用い、熱伝導部材50として、光ファイバ20の表面を銅によりメタライズし、熱引きすることにより光ファイバ20の外表面を被覆した膜状の熱伝導部材50を用いる以外、実施例1と同様に発光装置を形成する。
得られた発光装置は、実施例1と同様に、波長変換部材40の熱による劣化を大幅に軽減させることができる。その結果、発光出力の高い信頼性のある発光装置とすることができる。
この発光装置は、図8(b)に示すように、銀からなる熱伝導部材50aの表面をクロムメッキした保持部材30、アルミニウムからなる熱伝導部材50aの表面を陽極酸化してアルマイトで被覆した保持部材30を、それぞれ用いる以外、実施例1と同様に発光装置を形成する。なお、熱伝導部材50aは、その一部表面を露出させ、そこに熱導電部材50bとして銅製のワイヤ(直径0.16m)を半田付けした。
得られた発光装置は、実施例1と同様に、波長変換部材40の熱による劣化を大幅に軽減させることができる。その結果、発光出力の高い信頼性のある発光装置とすることができる。
この発光装置は、図2に示したように、光源10と、光ファイバ20と、保持部材30と、波長変換部材40、熱伝導部材50とを備えて構成されており、熱伝導部材50の他端は光源10とは別個に冷却装置(図示せず)に接続されている以外、実施例1と同様の構成を有する。
得られた発光装置は、実施例1よりも、さらに波長変換部材40の熱による劣化を大幅に軽減させることができる。その結果、発光出力の高い信頼性のある発光装置とすることができる。
2 光
10 光源
20 導光部材
30 保持部材
30a フェルール
30b フランジ
30c リフレクタ
40 波長変換部材
40A 最も光源に近い層、最も内側の層
40B 最も光源に遠い層、最も外側の層
50、50a、50b 熱伝導部材
Claims (8)
- 光源と、
前記光源からの光を導光する屈曲可能な導光部材と、
前記導光部材により導光された光の少なくとも一部を吸収して異なる波長の光に変換する波長変換部材とを有する発光装置であって、
前記導光部材の端部に、該導光部材の端部を保持し、かつ前記波長変換部材と接触する保持部材が設けられており、
該保持部材は、その内部に挿入されて熱的に接続される熱伝導部材を有していることを特徴とする発光装置。 - 光源と、
前記光源からの光を導光する屈曲可能な導光部材と、
前記導光部材により導光された光の少なくとも一部を吸収して異なる波長の光に変換する波長変換部材とを有する発光装置であって、
前記導光部材の端部に、該導光部材の端部を保持し、かつ前記波長変換部材と接触する保持部材が設けられており、
該保持部材は、その外表面に熱的に接続される第1の熱伝導部材と、該第1の熱伝導部材に熱的に接続され、前記波長変換部材とは反対側にわたって延長する第2の熱伝導部材とを有していることを特徴とする発光装置。 - 前記熱伝導部材は、一端が前記保持部材に接続され、他端が冷却部材に接続されている請求項1又は2に記載の発光装置。
- 前記光源はレーザダイオードである請求項1〜3のいずれか1つに記載の発光装置。
- 前記熱伝導部材、前記保持部材又は前記熱伝導部材及び前記保持部材は、0.1w/m・k以上の熱伝導率を有する請求項1〜4のいずれか1つに記載の発光装置。
- 前記熱伝導部材は、ワイヤ状、パイプ状、メッシュ状、膜状又はこれらを組み合わせた形状で形成されてなる請求項1に記載の発光装置。
- 前記熱伝導部材は、その端部が前記保持部材の端部と一致する請求項1〜6のいずれか1つに記載の発光装置。
- 前記熱伝導部材は、前記保持部材を貫通して前記波長変換部材内に挿入されている請求項1に記載の発光装置。
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