JP5228434B2 - 発光装置 - Google Patents
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Description
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。)等の発光素子を用いることが提案されている。また、発光素子と蛍光体とを組み合わせた白色発光装置が提案されている。
この構成により、発光素子2300からの出射光の一部は、蛍光体組成物2420により波長変換される。
図1は本発明の実施の形態1に係る発光装置を示す概略斜視図である。図2は、図1におけるII−II’線における概略断面図である。図3は、図1におけるIII−III’線における概略断面図である。
台座100は、略円盤形状の台座底部110と、台座底部110の上面に直立して配設される柱状の台座柱部120と、を有している。台座底部110の底面には、外部電極と接続されるリード130が突出している。台座柱部120の側面には、発光素子300が固定される。
さらに、本実施の形態に係る発光装置は、発光素子300の上に、台座柱部120に対して略垂直に固定される平板体200を有する。この平板体200は、中心部が発光素子300の上に位置するように配置されることが好ましい。
さらに、平板体200は、発光素子300からの光が通過する貫通孔250を有する。そして、この貫通孔250を塞ぐように、透光性部材400が平板体200の上に配置される。なお、本発明において、貫通孔250を透光性部材400で塞ぐ形態としては、平板体200の上面から貫通孔250を透光性部材400で覆う形態や、貫通孔250に透光性部材400を嵌め込む形態にすることができる。この透光性部材400内には、波長変換部材410を含有させることができる。好ましい透光性部材50としては、透光性の無機部材に、波長変換材料の一種である蛍光体粒子を分散させたものが挙げられる。
平板体200表面には、金属薄膜または誘電体多層膜からなる反射部材を有していてもよい。
また、発光素子300の出射光軸は、平板体200の貫通孔250の中心軸、及びキャップ上部510の中心軸とほぼ重なる。つまり、発光素子300から出射される光の中心軸は発光装置10の中央軸とほぼ一致する。
尚、本発明における光出射面とは、その面全てから光が出射されるものだけを意味するのではなく、面の一部から光が出射されるものも含む。
台座100は、円盤形状の台座底部110の底面(図中では下側)から鉛直方向にリード端子130が延伸されている。このリード端子130は外部電極と電気的に接続可能である。台座底部110の上面から柱状の台座柱部120が直立して配設されており、台座柱部120の側面には発光素子300がAu−Sn等の共晶接合材又は接着材を介して装着される。そして、発光素子300がワイヤー等(図示せず)を介してリード端子130と電気的に接続されており、これにより外部電極と接続可能になる。台座底部110の周縁近傍には、台座上面から垂直方向に円筒形状のキャップ500が固定されている。
したがって、台座底部110および台座柱部120からなる台座100は、熱媒体となり得るよう、その材質は熱伝導率の良いものが好ましい。具体的には、銅、鉄、コバルト、ニッケル、金、アルミニウム、真鍮、タングステン、コバール、ステンレス等の金属、または、Al2O3、SiC、AlN、ダイヤモンド等のセラミック系のもの等が挙げられる。
平板体200は、台座柱部120の上に固定される部材であって、台座柱部120に固定された発光素子300の上に位置する。平板体200は、略円盤形状を呈し、底面が発光素子300の光出射面310と対向している。また、発光素子300は、平板体200の幅方向におけるほぼ中央部に位置される。従って、平板体200は、底面の中央部より円周方向へ編心した位置において、台座柱部120の上面に固定されることになる。
さらに、透光性部材400が、この平板体200の貫通孔250を塞ぐように配置されており、平板体200の貫通孔250内を進行した光は、出光部270より透光性部材400へ入射する。ここで、「塞ぐように配置」とは、貫通孔250内に配置すること、貫通孔250を覆うように平板体200の上面側に配置すること等を含む。
また、発光素子300の光出射軸上に貫通孔250が設けられているので、発光素子300と透光性部材400との間が平板体200によって塞がれることによる光出力の低下を防止することができる。
また、平板体200及び台座柱部120は、熱膨張係数の近い材質の組み合わせが好ましい。これにより両者の接合性を高めることができる。
平板体200の大きさは、用いる発光素子の大きさ、台座やキャップの大きさ等によって適宜調整することができる。例えば、少なくとも台座柱部120に固定可能であり、かつ、発光素子300の上を覆う程度の大きさであればよい。発光素子300からの光出射方向における平板体200の断面積が、透光性部材400の断面積よりも大きいことが好ましい。また、平板体200の直径又は幅は、キャップ側部520の内径以下の値とする。
平板体200は、キャップ側部520の内面と平板体200の側面が接する、又は近接するように大きさ、形状を調節することが好ましい。これにより、透光性部材400から発光素子300側への戻り光をさらに低減することができる。
平板体200に設けられる貫通孔250は、発光素子300から出射された光が通過する穴である。貫通孔250の開口形状は、円形、楕円形、長方形、正方形、菱形、多角形又はこれらの形状に近似する形状とすることができる。また、貫通孔250の開口形状は、発光素子300の出射光のパターン形状に合致させたものが好ましい。
平板体200の表面には、金属薄膜または誘電体多層膜からなる反射部材を有していてもよい。反射部材は、透光性部材400からの光を効率良く反射し、光の取り出し効率を向上させるものである。このため、反射部材は、少なくとも透光性部材400と平板体200との間に設けられる。具体的には、少なくとも平板体200の上面や平板体200の貫通孔250の内壁に設けられる。反射部材を設ける位置は、特に限定するものではないが、平板体200の表面が反射部材で被覆されていることが好ましい。
平板体200の表面に反射部材を設けることにより、透光性部材400からの戻り光が、平板体200で吸収されることにより生じる光の損失を低減できるため、光出力を向上させることができる。
誘電体多層膜としては、例えば、AlN、SiO2、TiO2、Ta2O5、SiO、Al2O3、Ti3O5、Ti2O3、TiO、Nb2O5、CeO5、ZnS、MgF2等から構成される多層膜が挙げられる。
なお、反射部材の厚さは特に限定するものではないが、20μm以下とすることが望ましい。
の成膜方法や、電解鍍金、無電解鍍金、カップリング剤処理、電着塗装、上記金属元素の
微粒子を含む樹脂ペーストを付着させるなどの方法により形成することができる。
発光素子300からの出射光の少なくとも一部を透過できるものとする。本実施の形態の透光性部材400は略円盤形状をなし、その径は平板体200の貫通孔250の入光部260における開口径よりも大きい。透光性部材400は、平板体200の貫通孔250を塞ぐように、ガラスや接着材等でもって平板体200に固着される。
また、透光性部材400内には、波長変換部材を含有させることができる。この場合、波長変換部材で波長変換された光の吸収率が低い透光性部材400が好ましい。具体的には、ガラスやセラミック(ZrO2、Al2O3、AlN、GaN等)、樹脂(シリコーン樹脂、エポキシ樹脂等)等が挙げられる。
波長変換部材は発光素子300から出射された光が照射されることで、波長変換した光を発する。つまり、発光素子300の光と、波長変換部材で波長変換された光との混色光を外部に取り出すことができる。換言すれば、必要に応じた波長変換部材を選択することで、所望の波長を得ることができる。また、複数種類の波長変換部材が存在してもよい。
本発明における透光性部材400には、波長変換部材の他、粘度増量剤、光拡散物質、顔料、蛍光物質等、使用用途に応じて適切な部材を添加することができる。光拡散物質として例えば、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素、二酸化珪素、重質炭酸カルシウム、軽質炭酸カルシウム、銀、および、これらを少なくとも一種以上含む混合物等を挙げることができる。これによって良好な指向特性を有する発光装置が得られる。同様に外来光や発光素子からの不要な波長をカットするフィルター効果を持たせたフィルター材として各種着色剤を添加させることもできる。
図5は、透光性部材の第一変形例を示す概略断面図である。
透光性部材は、平板体200の貫通孔250内に嵌め込まれていてもよい。この例において、透光性部材400bは、側面が平板体200によって保持された状態である。このとき、透光性部材400bは、平板体200の貫通孔250の開口形状に対応した形状であることが好ましい。
この変形例のように、透光性部材400bは、貫通孔250内の一部のみを閉塞することも可能である。この変形例の透光性部材400bは略逆円錐台形状をなし、側面の傾斜角度は、貫通孔250の壁面の傾斜角度と同一である。光進行方向において、透光性部材400bの長さは、貫通孔250の長さより短い。透光性部材400bの底面(発光素子300との対面)は、貫通孔250内に位置する。さらに透光性部材400bの上面は貫通孔250の出光部270と略同一面に位置する。
透光性部材400bの貫通孔250内での載置位置は、その底面を貫通孔250内にするのみならず、透光性部材400bの底面が入光部260と略同一面となるようにしてもよい。このように、平板体200の貫通孔250内に透光性部材400bを装着することで、放射角度を制御することができる。
図6は、透光性部材の第二変形例を示す概略断面図である。
第二変形例の透光性部材400cは、その形状が球体をなす。この透光性部材400cにおける径は、貫通孔250の入光部260における径よりも大きいものとする。球形状の透光性部材400cは、テーパ状である貫通孔250の壁面に狭着され、載置される。
図6に示す透光性部材400cでは、その最低面が入光部260と同一平面上になるよう位置しているが、透光性部材400cの載置位置はこれに限らない。透光性部材400cが発光素子300に接触しなければ、その一部が貫通孔250の外部へ突出していても構わない。
発光素子300としては発光ダイオード、半導体レーザ素子など種々のものが利用できる。半導体レーザ光は指向性が高いため、光を一方向へ導波しやすい。したがって、半導体レーザ素子からの出射光を高効率で発光装置10の外部へ取り出すことが可能となる。半導体レーザ素子としては特に限定せずn型半導体層とp型半導体層との間に活性層を形成し、この活性層が多重量子井戸構造、又は単一量子井戸構造をなすものである。また、青色系半導体レーザ素子であれば、III−V族窒化物半導体より形成されるのが好ましい。
特に、半導体レーザは発光ダイオードに比較して光密度が高いので、半導体レーザを用いると発光装置としての輝度は容易に向上するものの、光密度が高いゆえに透光性部材400が局所的に発熱し、劣化、変色しやすい。本願発明は、熱による透光性部材400や周辺部材への悪影響を大幅に軽減することができるので、発光素子300として半導体レーザを用いる場合に特に効果的である。
キャップは、台座に設けられ、少なくとも発光素子及び透光性部材の周囲を囲むものである。これにより、発光素子及び透光性部材を外部から保護することができる。台座およびキャップの形状は、発光素子及び透光性部材を保護できる形状であれば特に限定されない。
さらに、キャップ500には、キャップ500に形成された開口部550を塞ぐように光透過体600を有しており、開口部550内を進行した光が光透過体600を介して外部に放出される。
また、開口部の数については、本実施形態では1つの貫通孔を形成したものを例示しているが、これに限らず、2以上の複数個設けてもよい。例えば、複数の発光素子を用いる場合などは、貫通孔を複数形成してそれぞれの光を独立して放出させるようにすることもできる。
図7は、本発明の実施の形態2に係る発光装置を示す概略断面図である。
本発明の実施の形態2に係る発光装置は、前述した実施の形態1の発光装置と比べて、キャップと光透過体の構成が異なる。
図8は、本発明の実施の形態3に係る発光装置を示す概略断面図である。
本実施の形態に係る発光装置は、前述した実施の形態1の発光装置と比べて、台座の形状と、平板体200、発光素子300、透光性部材400の配置が異なる。
限定されないことは言うまでもない。
図9は、実施例1に係る発光装置を示す概略断面図である。
この発光装置は、リード130と台座底部110と台座柱部120により構成される台座と、発光素子300と、平板体200と、透光性部材400と、を備えて構成される。
台座底部110、台座柱部120は、それぞれSPC、銅(Cu)を用いる。リード130は、低融点ガラスによって台座底部110に固定される。
発光素子300としては、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発光素子であるレーザダイオードを用いる。
平板体200としては、円盤形状のCuを用いる。この平板体200は、略中央に貫通孔250を備える。貫通孔250は平板体200を上下に貫通しており、開口径は一定である。平板体200の表面には、Agからなる反射部材を形成する。
透光性部材400としては、ガラス材料に蛍光体を分散させたものを用いる。蛍光体としては、YAGとLAGを使用する。透光性部材400は、円盤形状に成型し、シリコーン樹脂を用いて平板体200に接着させる。
以上のようにして作成された発光装置は、発光素子300が出射する光と、透光性部材の波長変換部材によって変換される光との混色により白色が得られる。
図10は、比較例1に係る発光装置を示す概略断面図である。
比較例1の発光装置は、実施例1の発光装置と比べて、平板体を有していない点と、透光性部材2400が台座底部2110に固定されるキャップ2500に接着される点が異なる。
本比較例において、キャップ2500は、円筒形状のキャップ側部2520と、その上端を覆う環状のキャップ上部2510とから構成されている。このキャップ2500は、発光素子2300及び発光素子2300が固定された台座柱部2120を覆うように、台座底部2110の上面に固定される。キャップ2500の材料としては、ニッケルを用いる。このキャップ2500は、抵抗溶接によって台座底部2110に固定する。キャップ上部2510のほぼ中央に、キャップの内外と開通した開口部2550を有し、この開口部550を塞ぐように透光性部材2400をシリコーン樹脂によって固定する。
図12は、実施例1及び比較例1に係る発光装置の測定結果を示す図である。図12の横軸は発光素子から出射される光出力を示し、縦軸は光束を示す。
実施例1に係る発光装置は、比較例1に係る発光装置よりも、400mW時において光束が約130%向上している。このように、従来の発光装置よりも本発明に係る発光装置の方が、光出力の向上を図ることができる。
図11は、比較例2に係る発光装置を示す概略断面図である。
比較例2の発光装置は、実施例1の発光装置と比べて、平板体を有していない点と、透光性部材2400が台座柱部2120に固定される点が異なる。
本比較例において、透光性部材2400は、中心部が発光素子2300の上に位置し、周縁部における底面が台座柱部2120の上面にシリコーン樹脂によって固定される。
図13は、実施例1及び比較例1に係る発光装置の測定結果を示す図である。図13の横軸は発光素子から出射される光出力を示し、縦軸は光束を示す。
実施例1に係る発光装置は、比較例2に係る発光装置よりも、400mW時において光束が約140%向上している。
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等にも利用することができる。
100、2100 台座
110、2110 台座底部
120、2120 台座柱部
130、2130 リード
200 平板体
250 貫通孔
260 入光部
270 出光部
300、2300 発光素子
310、2310 光出射面
400、2400 透光性部材
410、2410 波長変換部材
2420 蛍光体組成物
500、2500 キャップ
510、2510 キャップ上部
520、2520 キャップ側部
550、2550 開口部
600、2600 光透過体
610 光透過体の上部
620 光透過体の側部
Claims (5)
- 台座と、半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子からの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蛍光体を含有する透光性部材と、を備える発光装置であって、
前記台座の上面には、台座柱部が設けられ、
前記台座柱部の側面には、前記半導体レーザ素子の光出射面が前記台座柱部の上面側となるように前記半導体レーザ素子が固定され、
前記台座柱部の前記半導体レーザ素子が固定された側面から連続する上面には、前記半導体レーザ素子からの光が通過する貫通孔を有し、前記透光性部材で波長変換された光を反射可能である平板体が設けられており、
前記台座柱部の上面と前記平板体の下面とが接合されており、
前記透光性部材は、前記貫通孔の出光部を塞ぐように配置されることを特徴とする発光装置。 - 前記透光性部材からの光を透過する光透過体と、
前記台座に固定され、前記光透過体を支持するキャップと、を有し、
前記光透過体及び前記キャップは、前記半導体レーザ素子、前記台座柱部、前記平板体及び前記透光性部材を覆っており、
前記平板体の側面は、前記キャップの内面及び前記光透過体の内面に接しており、
前記キャップの上端は、平板体の上面よりも下に位置することを特徴とする請求項1に記載の発光装置。 - 前記貫通孔は、前記半導体レーザ素子からの光の入射側から出射側に向かって広口となるように傾斜あるいは湾曲した側面を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の発光装置。
- 前記貫通孔は、逆円錐台であることを特徴とする請求項3に記載の発光装置。
- 前記キャップは、円筒形状であり、
前記光透過体は、前記キャップ上端に設けられる円筒形状の側部と、該側部を覆う環状の上部と、を備えることを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項に記載の発光装置。
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