JP5124908B2 - Light emitting device - Google Patents
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Description
本発明は、発光素子と屈曲可能に延長した導光部材と透光性部材とを有する発光装置に関する。 The present invention relates to a light emitting device including a light emitting element, a light guide member extended in a bendable manner, and a light transmissive member.
従来から、高い出力で色情報が正確に再現されるような発光装置が求められている。今日では、その光源として、発光ダイオード(以下「LED」ともいう。)、レーザダイオード(以下「LD」ともいう。)などの発光素子を用いることが提案されている(例えば、特許文献1)。 Conventionally, there has been a demand for a light emitting device capable of accurately reproducing color information with high output. Today, it has been proposed to use a light emitting element such as a light emitting diode (hereinafter also referred to as “LED”) or a laser diode (hereinafter also referred to as “LD”) as the light source (for example, Patent Document 1).
LEDやLDは、小型で電力効率が良く、鮮やかな色で発光し、球切れなどの心配がない。特に、LDは、LEDよりも発光出力が極めて高いため、より明るい発光装置を実現することができる。 LEDs and LDs are small and power efficient, emit light in vivid colors, and do not worry about running out of balls. In particular, since the LD has a much higher light emission output than the LED, a brighter light emitting device can be realized.
しかしながら、LEDやLDからの光をエポキシ樹脂などの透光性部材を介して外部に放出する際、透光性部材が光に起因する熱により劣化してしまい、発光素子からの光を十分に外部に放出できなくなったり、場合によっては透光性部材が変色してしまい発光装置として使用できなくなったりするなどの問題があった。 However, when the light from the LED or LD is emitted to the outside through a translucent member such as an epoxy resin, the translucent member is deteriorated by the heat caused by the light, and the light from the light emitting element is sufficiently absorbed. There is a problem that it cannot be emitted to the outside, or in some cases, the translucent member is discolored and cannot be used as a light emitting device.
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。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a light-emitting device with high output and long life.
本発明は、発光素子と、発光素子からの光を入射する入射端部及び出射する出射端部を備え屈曲可能に延長した導光部材と、導光部材から出射された光を透過する透光性部材とを有する発光装置において、導光部材の出射端部側における側面を被覆するとともに導光部材の出射端部の少なくとも一部を底部とした凹部の側壁となる被覆部材を有し、透光性部材が被覆部材の端部の少なくとも一部に配置され、凹部に延在していることを特徴とする。
透光性部材は、被覆部材の端部の全部に配置されていることを特徴とする。
導光部材は、出射端面が円錐状に凹んでいることを特徴とする。
The present invention relates to a light-emitting element, a light guide member that includes an incident end portion that emits light from the light-emitting element, and an exit end portion that emits light, and bendably extended, and a translucent light that transmits light emitted from the light guide member A light emitting device having a light-sensitive member includes a covering member that covers a side surface of the light guide member on the emission end portion side and that serves as a side wall of a recess having at least a part of the light emission end portion of the light guide member as a bottom. The optical member is disposed on at least a part of the end portion of the covering member and extends in the recess.
The translucent member is arranged at the entire end of the covering member.
The light guide member is characterized in that the emission end face is recessed in a conical shape.
被覆部材は、透光性部材よりも熱伝導率が高いことが好ましい。 The covering member preferably has a higher thermal conductivity than the translucent member.
透光性部材は、発光素子からの光を異なる波長域に変換する波長変換部材を有することが好ましい。 The translucent member preferably has a wavelength conversion member that converts light from the light emitting element into different wavelength regions.
発光素子は、レーザダイオードであることが好ましい。 The light emitting element is preferably a laser diode.
本発明によれば、発光素子からの光に起因する熱による透光性部材の劣化を大幅に軽減することが可能となり、高出力かつ長寿命の発光装置を得ることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to reduce significantly the deterioration of the translucent member by the heat | fever resulting from the light from a light emitting element, and can obtain the light-emitting device of high output and long life.
以下、本発明の発光装置を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す発光装置は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、本発明を以下のものに特定しない。特定的な記載がない限りは、構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置などは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係などは、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。 Hereinafter, a light-emitting device of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the light-emitting device described below is for embodying the technical idea of the present invention, and the present invention is not limited to the following. As long as there is no specific description, the dimension, material, shape, relative arrangement, and the like of the constituent members are not intended to limit the scope of the present invention only, but are merely illustrative examples. Note that the size and positional relationship of the members shown in each drawing may be exaggerated for clarity of explanation. Furthermore, each element constituting the present invention may be configured such that a plurality of elements are constituted by the same member and the plurality of elements are shared by one member, and conversely, the function of one member is constituted by a plurality of members. It can also be realized by sharing.
本発明の発光装置は、図1に示すように、発光素子10と、導光部材20と、被覆部材30と、透光性部材40とから主として構成される。本発明の発光装置では、導光部材20の出射端部側における側面を被覆するとともに導光部材20の出射端部の少なくとも一部を底部とした凹部の側壁となる被覆部材30を有し、かつ透光性部材40がその凹部に延在するよう配置されている。これにより、導光部材20から出射した光による熱を、透光性部材40だけでなく被覆部材30にも逃がすことができるので、透光性部材40の熱による劣化、変色は大幅に軽減される。
As shown in FIG. 1, the light emitting device of the present invention is mainly composed of a
以下、本発明の発光装置を構成する主な要素について説明する。なお、本発明においては、図1に示すユニットを少なくとも2つ以上組み合わせて発光装置とすることもできる。 Hereinafter, main elements constituting the light emitting device of the present invention will be described. In the present invention, at least two units shown in FIG. 1 can be combined to form a light emitting device.
(発光素子)
発光素子10は特に限定されるものではないが、好ましくはLDやLEDを用いることができる。これら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、発光出力の高い発光装置とすることができる。
(Light emitting element)
The
特にLDを用いる場合、LD自体の発光出力が非常に高いので、発光装置としての発光出力も容易に向上するものの、出力向上により透光性部材40が劣化し、変色してしまう。さらに、透光性部材40に波長変換部材を含有させる場合、透光性部材40だけでなく波長変換部材に対しても変色などの悪影響を与える可能性がある。本願発明は、透光性部材40や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ので、LDを用いる場合に特に効果的である。
In particular, when the LD is used, the light emission output of the LD itself is very high, so that the light emission output as the light emitting device is easily improved. However, the
図1に示すように、発光素子10と導光部材20との間に、レンズ2を設けることもできる。これにより、発光素子10からの光1を集光させ、効率よく導光部材20に導出することができる。レンズ2の材料は特に限定されず、例えば無機ガラスとすることができる。ここでは一枚のレンズを用いる例を示すが、複数枚用いることも可能である。
As shown in FIG. 1, the
(導光部材)
導光部材20は、光を入射する入射端部と出射する出射端部を備え、所望の長さを有するとともにその形状を自由に変形させることができる。つまり、直角に曲げたり湾曲させたりすることができ、屈曲可能に構成されているため、所望の位置に光を導出することができる。
(Light guide member)
The
導光部材20の材質は特に限定されるものではないが、ガラスやプラスチックから構成された光ファイバを用いることが好ましい。光ファイバは、通常、屈折率の低いクラッドが屈折率の高いコアを被覆するようにして構成される。また、導光部材20の入射端部及び出射端部の形状は特に限定されず、平面、凸レンズ状、凹レンズ状、部分的に凹凸を設けた形状など、種々の形状とすることができる。
The material of the
なお、本明細書において、導光部材20の出射端部とは、必ずしも端部における光が出射する部分を限定的に指すのではなく、あくまで光が出射する側の端部を指す。具体的には、例えば、クラッドがコアを内部に被覆するように構成された光ファイバを導光部材20として用いる場合、光が出射される部分は主にコアであるが、本明細書においてはコア及びクラッドを含めた光を出射する側の端部を出射端部とする。入射端部も同様である。
In the present specification, the emission end portion of the
(透光性部材)
透光性部材40は、発光素子10からの光を透過するものであり、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などの有機部材、低融点ガラス、結晶化ガラスなどの無機部材が挙げられる。中でも、シリコーン樹脂は、ある程度の光や熱に対する耐久性と形成の容易性を有するので好ましい。透光性部材40の形状は特に限定されず、凸レンズ状など種々の形状とすることができる。
(Translucent member)
The
透光性部材40には、波長変換部材を含有させることもできる。波長変換部材は、例えば蛍光体からなり、発光素子10からの光の少なくとも一部を吸収し、異なる波長領域に波長を変換して、赤色、緑色、青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。波長変換部材を有する場合、発光素子10からの光と1以上の波長変換部材からの光が合成されたり、2以上の波長変換部材からの光が合成されたりして、白色系の色とすることもできる。なお、良好な演色性を得るためには、照射光の平均演色評価数(Ra)が70以上、さらに80以上となるような材料によって構成されることが好ましい。
The light
ここで、透光性部材40は発光素子10からの光を透過させるものであるが、一部の光は透過されずに吸収され熱に変換される。また、透光性部材40が波長変換部材を有する場合、波長変換部材が吸収した一部の光は波長変換されずに熱となる。一方、導光部材20は、光を導出するとともに屈曲可能な程度に細いので、出射端部側に配置された透光性部材40や波長変換部材への光の集中、それにともなう発熱は著しい。したがって、本発明は、好ましくは3000μm以下、より好ましくは1000μm以下、さらに好ましくは400μm以下、さらに好ましくは200μm以下の直径を有する屈曲可能な程度に細い導光部材20を用いる構成において非常に効果的である。
Here, although the
また、光による波長変換部材の熱量は、通常は、透光性部材40の熱量より遥かに大きいので、本発明は透光性部材40が波長変換部材を有する場合に特に効果的である。
Moreover, since the heat quantity of the wavelength conversion member by light is usually much larger than the heat quantity of the
本発明における透光性部材40には、任意に、SiO2などのフィラーを含有させることもできる。フィラーは、外部から照射された光を反射、散乱させるためのものである。これにより、混色が良好になるとともに色むらを低減させることができる。また、透光性部材40にフィラーを混合することにより、その粘度を調整することができるので、導光部材20や被覆部材30に容易に配置させることができる。
The
(被覆部材)
被覆部材30は、導光部材20における出射端部側の側面つまり周囲を被覆するものである。より詳細には、被覆部材30は、導光部材20の出射端部の少なくとも一部を底部とした凹部の側壁となるよう構成されている。本発明における凹部の側壁は、好ましくは0.3μm以上、より好ましくは0.6μm以上、さらに好ましくは1、2μm以上とすることができる。これにより、本発明の効果をより容易に得ることができる。導光部材20と被覆部材30で形成される凹部の底部は、平面だけでなく曲面や点状など、種々の形状とすることができる。凹部の側壁高さ及び凹部の深さは、例えば、レーザ顕微鏡、プローブ顕微鏡、段差計などを用いて測定することができる。
(Coating member)
The covering
凹部の底部は、導光部材20の出射端部のみから構成される必要はなく、少なくとも導光部材30の出射端部を含んでいればよい。例えば、導光部材20の出射端部と被覆部材30の一部が略面一になるよう、凹部の底部を構成することもできる。このような構成においても、本発明の効果を得ることができる。しかしながら、本発明の効果をより効果的かつ再現性よく得るには、凹部の底部は、実質的に導光部材20の出射端部のみから構成されることが好ましい。また、凹部の側壁は、底部に対して略垂直であることが好ましいが、傾斜していてもよい。
The bottom of the concave portion does not need to be configured only from the emission end portion of the
被覆部材30と導光部材20で構成される凹部に延在する透光性部材40は、凹部に延在するだけでなく被覆部材30の端部の少なくとも一部に配置されていることが好ましい。例えば、図2のように、被覆部材30の端部の全部に透光性部材40を配置することにより、被覆部材30の凹部側壁の部分からだけでなく、被覆部材30の端部からも、透光性部材40に生じる熱を逃がすことができる。なお、被覆部材30と導光部材20で凹部を形成しない場合、例えば、被覆部材30と導光部材20が端部において面一である場合であっても、導光部材20の端部だけでなく被覆部材30の端部の少なくとも一部に透光性部材40を配置することにより、透光性部材40に生じる熱を被覆部材30の端部から逃がすことができる。つまり、被覆部材30と導光部材20で凹部を形成しない場合であっても、透光性部材40の劣化を軽減することができる。しかしながら、図2のように、透光性部材40を凹部に延在させ且つ被覆部材30の端部の少なくとも一部に配置させることにより、より効果的に透光性部材40の劣化を軽減させることができるので好ましい。
It is preferable that the
なお、凹部の側壁となる被覆部材30と透光性部材40は熱的に接続されていればよく、必ずしも被覆部材30と透光性部材40が直接かつ完全に接していなくてもよい。例えば、凹部側壁において、被覆部材30と透光性部材40が部分的に接するような構成や、被覆部材30と透光性部材40との間に何かしらの熱伝導性部材を介して間接的に接するように構成することもできる。被覆部材30の端部と透光性部材40についても同様である。
Note that the covering
被覆部材30は、熱伝導率を有するものであればどのような材料でもよいが、特に透光性部材40の熱伝導率よりも被覆部材30の熱伝導率が高くなるよう構成することが好ましい。これにより、より積極的に被覆部材30に放熱させ、透光性部材40の熱による悪影響を軽減することができる。
The covering
被覆部材30は、0.1W/m・℃以上の熱伝導率を有するものが好ましい。また、発光素子10からの光及び/又は波長変換部材により波長変換された光のピーク波長に対して80%以上の反射率を有するものが好ましい。具体的には銀(Ag)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、ジルコニア(ZrO2)、アルミナ(Al2O3)、窒化アルミ(AlN)、硫酸バリウム(BaSO4)、カーボン、ステンレス鋼、ホウケイ酸ガラスなどが挙げられる。なかでも、ジルコニアは、反射率が高く、導光部材が通るように加工することが容易であるので好ましい。さらに、アルミナは、可視光全域に対する反射率が高く且つ熱伝導率が高いので、白色系の発光色を発する発光装置とする場合に特に好ましい。
The covering
また、被覆部材30は、単一の部材である必要はなく、複数の部材から構成することもできる。例えば、導光部材20の出射端部側おける側面を被覆する第1の部材と、導光部材20の出射端部の少なくとも一部を底部とした凹部の側壁となる第2の部材と、から被覆部材20を構成させてもよい。第2の部材は、第1の部材よりも熱伝導率の高い部材であることが好ましい。これにより、透光性部材40から被覆部材30への放熱性をより向上させることができる。
Moreover, the covering
被覆部材30は、透光性部材40を配置する面に、ミラーをつけて鏡面反射をさせるか、所定の凹凸を形成して光を乱反射させるなどの加工をしてもよい。これにより、発光素子の光及び/又は波長変換された光が反射によって導光部材20側に戻ってきた場合に、被覆部材30によって再度反射させることにより、発光素子からの光及び/又は波長変換された光を有効に外部に取り出すことができる。また、凹凸が形成されている場合には、透光性部材40の被覆部材30への密着性が向上し、透光性部材40の放熱を増大させるとともに、透光性部材40の剥がれや劣化を防止することができる。なお、鏡面反射及び/又は凹凸を有する面は、被覆部材30のみならず、導光部材20の出射端部の少なくとも一部に設けてもよい。
The covering
以下に、本発明の一実施の形態について説明する。 An embodiment of the present invention will be described below.
(実施の形態)
本実施の形態の発光装置は、図1に示すように、発光素子10と、導光部材20と、被覆部材30と、透光性部材40から主に構成されている。発光素子10の前面には、発光素子10からの光1を集光するためのレンズ2を設けてある。
(Embodiment)
As shown in FIG. 1, the light-emitting device according to the present embodiment mainly includes a light-emitting
発光素子10として445nm近傍に発光ピーク波長を有するGaN系の半導体からなるLD、導光部材20として石英製のSI型114(μm:コア径)/125(μm:クラッド径)光ファイバ、被覆部材30としてジルコニア(ZrO2)からなる直系0.7mmのもの、透光性部材40としてシリコーン樹脂を用いた。さらに、透光性部材40には、シリコーン樹脂1.1gに対して、波長変換部材として、緑色に発光するLu3Al5O12:Ce、0.54gと、赤色に発光する(Sr、Ca)2Si5N8:Eu、0.1gの2種の蛍光体が含有されている。なお、本実施の形態において、ジルコニアはシリコーン樹脂に比べて3倍程度高い熱伝導率を有する。
The
図2に示すよう、本実施の形態では、導光部材20の出射端部全域を一平面の底部とし、被覆部材30を側壁とした凹部が設けられている。凹部を形成するには、例えば、導光部材20と被覆部材30が異なる材料からなることを利用し、研磨剤などを用いて選択的に導光部材20を研磨することにより形成することができる。ここでは、被覆部材30の端部から略1.6μm凹んだ凹部を形成した。
As shown in FIG. 2, in the present embodiment, a concave portion is provided in which the entire emission end portion of the
このようにして凹部を設けた後、導光部材20及び被覆部材30の出射端部側に透光性部材40をポッティングにより配置した。ここでは、より完全に透光性部材40を凹部内に延在させるために、ポッティング後に減圧処理を施した。
Thus, after providing a recessed part, the
比較例として、出射端部側において導光部材20と被覆部材30が一平面つまり面一である以外同様の構成の発光装置を作製した。
As a comparative example, a light emitting device having the same configuration was manufactured except that the
図3に、本実施の形態の発光装置と比較例の発光装置において、LDを80〜430mAで駆動させて、その特性を評価した。図3に示したように、本実施の形態の発光装置は、比較例の発光装置に比較して光束の最高値が20%程度向上し、発光出力が向上することが確認された。図3によれば、比較例の発光装置は、駆動電流が約370mAを境に、急激に光束が低下した。この主な理由は、透光性部材40が熱により劣化し変色してしまったためである。それに対して本実施の形態においては、駆動電流が約420mAまで飽和することなく光束が向上することが確認された。以上の結果から、本発明の発光装置では、比較例に比較して、透光性部材40がより劣化しにくいことがわかった。
In FIG. 3, in the light emitting device of this embodiment and the light emitting device of the comparative example, the LD was driven at 80 to 430 mA, and the characteristics were evaluated. As shown in FIG. 3, it was confirmed that the light emitting device of the present embodiment improved the maximum luminous flux by about 20% compared with the light emitting device of the comparative example and improved the light emission output. According to FIG. 3, in the light emitting device of the comparative example, the luminous flux suddenly decreased at the drive current of about 370 mA. The main reason is that the
以上の実施の形態では、導光部材20の出射端部を一平面としたが、例えば断面がV字型になるよう円錐状に凹ませた出射端部としても、発光出力が向上することを確認した。また、透光性部材40に波長変換部材を含有させて構成しているが、波長変換部材を含有させずに用いても本発明の効果を得ることができる。さらに、リフレクターを設けて、透光性部材40からの光を強制的に所望の方向へ反射させることもできる。
In the above embodiment, the
本発明の発光装置は、照明器具、車両搭載用照明、ディスプレイ、インジケータなどに利用することができる。また、生体内部を撮像する内視鏡装置、狭い隙間及び暗い空間を照明することができるファイバースコープなど、各種工業用の装置にも利用することができる。 The light-emitting device of the present invention can be used for lighting fixtures, vehicle-mounted lighting, displays, indicators, and the like. Further, the present invention can also be used for various industrial apparatuses such as an endoscope apparatus that images the inside of a living body, and a fiberscope that can illuminate a narrow gap and a dark space.
1・・・光
2・・・レンズ
10・・・発光素子
20・・・導光部材
30・・・被覆部材
40・・・透光性部材
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記発光装置は、導光部材の出射端部側における側面を被覆するとともに導光部材の出射端部の少なくとも一部を底部とした凹部の側壁となる被覆部材を有し、
凹部の底部は、実質的に導光部材の出射端部のみからなり、
前記透光性部材は、前記被覆部材の端部の少なくとも一部に配置され、前記凹部に延在しており、
前記被覆部材は、前記透光性部材よりも熱伝導率が高いことを特徴とする発光装置。 A light-emitting element; a light guide member that includes an incident end portion that emits light from the light-emitting element and an exit end portion that emits light; and a bendable extension member; and a wavelength conversion member that converts light from the light-emitting element into different wavelength ranges. A light-emitting device having a translucent member,
The light-emitting device includes a covering member that covers the side surface on the emission end portion side of the light guide member and serves as a side wall of a recess having at least a part of the emission end portion of the light guide member as a bottom,
The bottom of the recess is substantially composed only of the light exit end of the light guide member,
The translucent member is disposed on at least a part of the end portion of the covering member, and extends in the recess.
The light-emitting device , wherein the covering member has higher thermal conductivity than the translucent member .
前記発光素子は、レーザダイオードであり、
前記凹部の側壁は、底部に対して略垂直であることを特徴とする発光装置。 In the light-emitting device in any one of Claims 1-3,
The light emitting device, Ri Oh laser diode,
Side wall of the recess, the light emitting device according to claim substantially perpendicular der Rukoto to the bottom.
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