JP5487077B2 - 発光装置、車両用前照灯および照明装置 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の一実施形態に係るヘッドランプ1の概略構成を示す断面図である。図1に示すように、ヘッドランプ1は、レーザ素子(励起光源、半導体レーザ)2、拡大レンズ3、発光部4、パラボラミラー(反射鏡)5、金属ベース(熱伝導性部材)7、フィン8を備えている。
レーザ素子2は、励起光を出射する励起光源として機能する発光素子である。このレーザ素子2は、図1では複数設けられている。レーザ素子2を複数設ける場合、各レーザ素子2から励起光としてのレーザ光が発振される。レーザ素子2を1つのみ用いてもよいが、高出力のレーザ光を得るためには、複数のレーザ素子2を用いる方が容易である。
拡大レンズ3は、レーザ素子2から出射したレーザ光が発光部4に適切に照射されるように、当該レーザ光の照射範囲を拡大するためのレンズであり、レーザ素子2のそれぞれに配設されている。
発光部4は、レーザ素子2から出射されたレーザ光を受けて蛍光を発するものであり、レーザ光を受けて発光する蛍光体(蛍光物質)を含んでいる。具体的には、発光部4は、封止材の内部に蛍光体が分散されているもの、または蛍光体を固めたものである。発光部4は、レーザ光を蛍光に変換するため、波長変換素子であると言える。
パラボラミラー5は、発光部4が発生させた蛍光を反射し、所定の立体角内を進む光線束(照明光)を形成する。このパラボラミラー5は、例えば、金属薄膜がその表面に形成された部材であってもよいし、金属製の部材であってもよい。
金属ベース7は、発光部4を支持する板状の支持部材であり、金属(例えば、銅や鉄)からなっている。それゆえ、金属ベース7は熱伝導性が高く、発光部4の発熱を効率的に放熱することができる。なお、発光部4を支持する部材は、金属からなるものに限定されず、金属以外の熱伝導性が高い物質(ガラス、サファイアなど)を含む部材でもよい。ただし、発光部4と当接する金属ベース7の表面は反射面として機能することが好ましい。上記表面が反射面であることにより、発光部4の上面から入射したレーザ光が蛍光に変換された後に、当該反射面で反射させてパラボラミラー5へ向かわせることができる。または、発光部4の上面から入射したレーザ光を上記反射面で反射させて、再度発光部4の内部に向かわせて蛍光に変換することができる。
フィン8は、金属ベース7を冷却する冷却部(放熱機構)として機能する。このフィン8は、複数の放熱板を有するものであり、大気との接触面積を増加させることにより放熱効率を高めている。金属ベース7を冷却する冷却部は、冷却(放熱)機能を有するものであればく、後述するように、ヒートパイプ、水冷方式や、空冷方式のものであってもよい。
上述のレーザ光の好ましい入射角の範囲は、発光部4の側面から蛍光がほとんど出射されないことを前提として算出されている。そこで、発光部4の側面から蛍光がほとんど出射されない発光部4の形状について説明する。
図4は、発光部4にレーザ光を照射した状態を示す図である。図4には、円柱形状の発光部4を示している。発光部4は、レーザ光を主に受光する上面4aを有しており、上面4aと、その対向面である底面との間の距離が発光部4の厚さになる。発光部4は薄いことが好ましい。換言すれば、発光部4の側面4bの面積は小さい方が好ましい。「発光部が薄い」とは、発光部の上面よりも側面の方が十分に面積が小さく、蛍光の大部分が上方に(すなわち上面から)放出される発光部の形状を意味する。発光部4が薄いことが好ましい理由について次に説明する。
発光部4の蛍光の分布をランバーシアン分布とするために、発光部4を薄くすること以外に、発光部4の上面4aに照射されたレーザ光のスポットの面積を当該上面4aの面積よりも小さくしてもよい。すなわち、発光部4の一部(中央付近)をレーザ光で励起することで、発光部4の蛍光の分布をランバーシアン分布とすることができる。
次にレーザ光の好ましい入射角の範囲について詳細に説明する。図8(a)および(b)は、発光部4の上面4aに対するレーザ光の入射角度を説明するための図である。レーザ光の光路が幅を有さないと見なすと、図8(a)に示すように発光部4の上面4aに対するレーザ光2aの入射角度とは、上面4aに立てた垂線を基準軸(0°)とする角度θである。レーザ光の光路に幅がある場合については後述する。
図8(b)に示すように、レーザ光の光路に幅があり、その幅が光源からの距離に応じて変化している場合には、厳密にはレーザ光の入射角は1つには定まらない。上述したように、レーザ光の入射角の下限値は、発光部4の上面4aの中央に立てた垂線から±30°の角度範囲に窓部6を形成しないために、30°以上であることが好ましい。この観点から、レーザ光をパラボラミラー5の頂点側から照射する場合、レーザ光路の外縁に含まれる線分のうち、パラボラミラー5の開口部5bに最も近い線分の角度(図8(b)にてθで示す外縁の角度)が、30°以上であることが好ましい。
図12は、パラボラミラー5の投光特性を示す概念図である。図12に示すように、金属ベース7を下方向にしてヘッドランプ1を配置した場合、パラボラミラー5の上方向にパラボラミラー5で制御できない蛍光(符号30で示す)のほとんどが出射され、下方向にはほとんど出射されないことを本発明の発明者が見出した。
図14は、ヘッドランプ1を自動車(車両)10に適用した場合の、ヘッドランプ1の配設方向を示す概念図である。図14に示すように、ヘッドランプ1は、パラボラミラー5が鉛直下側に位置するように自動車10のヘッドに配設されることが好ましい。この配設方法では、上述のパラボラミラー5の投光特性により、自動車10の正面が明るく照らされるとともに、自動車10の前方下側を適度に明るく照らすことができる。
本発明の発光装置は、車両用前照灯のみならず、その他の照明装置に適用されてもよい。本発明の照明装置の一例として、ダウンライトを挙げることができる。ダウンライトは、家屋、乗物などの構造物の天井に設置される照明装置である。その他にも、本発明の照明装置は、車両以外の移動物体(例えば、人間・船舶・航空機・潜水艇・ロケットなど)のヘッドランプとして実現されてもよいし、サーチライト、プロジェクタ、ダウンライト以外の室内照明器具(スタンドランプなど)として実現されてもよい。
図15は、本発明の一実施例のヘッドランプ21を示す概略図である。図15に示すように、ヘッドランプ21は、複数のレーザ素子2と集光レンズ11とのセット、複数の光ファイバー(導光部材)12、拡大レンズ13、反射ミラー14、発光部4、パラボラミラー5、金属ベース7およびフィン8を備えている。
レーザ素子2は、405nmのレーザ光を出射する1W出力のものであり、合計8個設けられている。そのため、レーザ光の総出力は8Wとなる。レーザ光の成分のうち、P偏光が発光部4の表面に照射されるように設定されている。
発光部4は、白色で発光するように、3種類のRGB蛍光体が混合されている。赤色蛍光体は、CaAlSiN3:Euであり、緑色蛍光体は、β−SiAlON:Euであり、青色蛍光体は(BaSr)MgAl10O17:Euである。これら蛍光体の粉末が焼結されて固められている。
パラボラミラー5の開口部5bは、半径30mmの半円であり、パラボラミラー5の奥行きは30mmである。発光部4は、パラボラミラー5の焦点位置に配置されている。
金属ベース7は、銅からなるものであり、発光部4が配置される側の表面にアルミニウムが蒸着されている。その裏側には、長さ15mm、幅1mmのフィン8が、5mm間隔で設けられている。なお、金属ベース7とフィン8とは、一体として形成されていてもよい。
ヘッドランプ21では、発光部4が薄く、かつ発光部4の上面がパラボラミラー5の反射曲面と対向しているため、発光部4から出射した蛍光の大部分をパラボラミラー5により制御できる。その結果、パラボラミラー5で制御できない蛍光を低減でき、蛍光の利用効率を高めることができる。
図16は、本発明の別の実施例のヘッドランプ22を示す概略図である。図16に示すように、ヘッドランプ22は、複数のレーザ素子2と集光レンズ11とのセット、複数の光ファイバー12、拡大レンズ13、反射ミラー14、発光部4、パラボラミラー5、金属ベース7、フィン8およびファン15を備えている。
レーザ素子2は、450nmのレーザ光を出射する、1W出力のものであり、合計6個設けられている。そのため、レーザ光の総出力は6Wとなる。レーザ光の成分のうち、表面反射の少ないP偏光が発光部4の表面に照射されるように設定されている。
発光部4は、黄色で発光する1種類の蛍光体を含んでいる。上記蛍光体は、例えば、(Y1-x-yGdxCey)3Al5O12(0.1≦x≦0.55、0.01≦y≦0.4)である。このような黄色蛍光体の粉末が樹脂に混ぜられて塗布されている。
パラボラミラー5の開口部5bは、半径50mmの半円であり、パラボラミラー5の奥行きは45mmである。発光部4は、パラボラミラー5の焦点位置に配置されている。
ヘッドランプ22では、レーザ光が発光部4の上面4aに対して63°の角度で照射される。この角度は、ブリュースター角付近であるため、発光部4の上面4aにおけるレーザ光の表面反射を効果的に抑制できる。
図17は、本発明の別の実施例のヘッドランプ23を示す概略図である。図17に示すように、ヘッドランプ23は、複数のレーザ素子2と拡大レンズ3とのセット、発光部4、パラボラミラー5、金属ベース7および水冷パイプ(冷却部)16を備えている。
発光部4に関する、実施例1との相違点のひとつは、発光部4の上面4a(レーザ光照射面)の面積が、レーザ光のスポットの面積よりも大きいことである。発光部4の形状は、直径10mmで、厚さ0.1mmの円盤状である。実施例1と同様の3種類の蛍光体の粉末が樹脂に均一に混ぜ込まれて塗布されている。この発光部4に直径2mmの円形のスポットとしてレーザ光が照射される。レーザ光の照射位置は、パラボラミラー5のほぼ焦点位置であり、かつ発光部4の上面4aのほぼ中央である。
実施例1とのもうひとつの大きな相違点は、金属ベース7の内部に水冷パイプ16が通っている点である。水冷パイプ16の内部には冷却水が流れており、この冷却水を循環させることによって金属ベース7を冷却できる。その結果、金属ベース7による発光部4の放熱効率を高めることができる。なお、金属ベース7が、銅からなるものであり、発光部4が配置される側の表面にアルミニウムが蒸着されている点は、実施例1と同様である。
パラボラミラー5の開口部5bは、半径30mmの半円であり、パラボラミラー5の奥行きは30mmである。発光部4は、パラボラミラー5の焦点位置に配置されている。
図19は、本発明の別の実施例のヘッドランプ24を示す概略図である。ヘッドランプ24は、アレイレーザ41、導光部42、発光部4、パラボラミラー5、金属ベース7およびフィン8を備えている。
パラボラミラー5の開口部5bは、半径30mmの半円であり、パラボラミラー5の奥行きは30mmである。発光部4は、パラボラミラー5の焦点位置に配置されている。
発光部4は、直径2mm、厚さ0.2mmの円盤状である。発光部4の組成は実施例1と同様であり、蛍光体の粉末が焼結されて固められている。
ヘッドランプ24では、導光部42を用いているため、アレイレーザ41の複数のレーザ光線を集光し、所望の角度で発光部4に照射することが容易になる。さらに、蛍光の約50%を受けるパラボラミラー5の反射曲面の領域外に導光部42を挿入する窓部6が形成されているため、蛍光のロスが少ない効率的な投光を実現できる。
図20は、本発明の別の実施例のヘッドランプ25を示す概略図である。図20に示すように、ヘッドランプ25は、複数のレーザ素子2と集光レンズ11とのセット、複数の光ファイバー12、発光部4、パラボラミラー5、金属ベース7およびフィン8を備えている。
図21は、本発明の一実施例の照明装置26を示す概略図である。図21に示すように、照明装置26は、複数のレーザ素子2と集光レンズ11とのセット、複数の光ファイバー12、拡大レンズ13、反射ミラー14、発光部4、楕円ミラー(反射鏡)51、金属ベース7、フィン8およびロッドレンズ43を備えている。
本発明は上述した実施形態および各実施例に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施例にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
2 レーザ素子(励起光源)
4 発光部
4a 上面
4c スポット
5 パラボラミラー(反射鏡)
6 窓部
7 金属ベース(熱伝導性部材、支持部材)
8 フィン(冷却部)
10 自動車(車両)
15 ファン(冷却部)
16 水冷パイプ(冷却部)
21 ヘッドランプ(発光装置、車両用前照灯)
22 ヘッドランプ(発光装置、車両用前照灯)
23 ヘッドランプ(発光装置、車両用前照灯)
24 ヘッドランプ(発光装置、車両用前照灯)
25 ヘッドランプ(発光装置、車両用前照灯)
26 照明装置(発光装置)
27 ヘッドランプ(発光装置、車両用前照灯)
41 アレイレーザ(励起光源)
42 導光部
51 楕円ミラー(反射鏡)
51a 窓部
52 パラボラミラー(反射鏡)
51a 窓部
71 金属板(熱伝導性部材、支持部材)
Claims (14)
- 励起光を出射する励起光源と、
上記励起光源から出射された励起光を受けて蛍光を発する発光部と、
上記発光部が発生させた蛍光を投光する投光部とを備え、
上記発光部から発せられる蛍光の分布がランバーシアン分布であり、
かつ上記発光部から出射する蛍光の利用効率が高まるように、上記励起光が照射される上記発光部の面である励起光照射面に対する上記励起光の入射角が設定されており、
上記励起光は、上記励起光照射面に対して、P偏光であり、
上記入射角は、上記励起光照射面に立てた垂線を基準として60°以上65°以下の範
囲であり、
上記発光部の厚みは、当該発光部を厚み方向に対して垂直な方向から見たときの幅のうちの最大の幅の10分の1以下であり、
上記投光部は、反射鏡を含み、当該反射鏡は、放物線の対称軸を回転軸として放物線を回転させることによって形成される曲面を、上記回転軸を含む平面で切断することによって得られる部分曲面の少なくとも一部を含んでおり、
上記励起光照射面を上面としたときの上記発光部の側面の一部は、上記反射鏡の開口部の方向を向いていることを特徴とする発光装置。 - 励起光を出射する励起光源と、
上記励起光源から出射された励起光を受けて蛍光を発する発光部と、
上記発光部が発生させた蛍光を投光する投光部とを備え、
上記発光部において、上記励起光を受ける面である励起光照射面と上記蛍光を主に発する面とが同一であり、
上記励起光照射面は、平面であり、
上記発光部の厚みは、当該発光部を厚み方向に対して垂直な方向から見たときの幅のうちの最大の幅の10分の1以下であり、
上記励起光照射面に対する上記励起光の入射角は、上記励起光照射面に立てた垂線を基準として30°以上80°以下の範囲であることを特徴とする発光装置。 - 励起光を出射する励起光源と、
上記励起光源から出射された励起光を受けて蛍光を発する発光部と、
上記発光部が発生させた蛍光を投光する投光部とを備え、
上記発光部において、上記励起光を受ける面である励起光照射面と上記蛍光を主に発する面とが同一であり、
上記励起光照射面は、平面であり、
上記励起光照射面に照射された上記励起光のスポットの面積が、当該励起光照射面の面積よりも小さく、
上記励起光照射面に対する上記励起光の入射角は、上記励起光照射面に立てた垂線を基準として30°以上80°以下の範囲であることを特徴とする発光装置。 - 上記入射角は、上記励起光照射面に立てた垂線を基準として40°以上70°以下の範囲であることを特徴とする請求項2または3に記載の発光装置。
- 上記励起光は、上記励起光照射面に対して、P偏光であ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。
- 上記入射角は、上記励起光照射面に立てた垂線を基準として60°以上65°以下の範囲であることを特徴とする請求項2〜5のいずれか1項に記載の発光装置。
- 上記投光部は、反射鏡を含み、当該反射鏡は、放物線の対称軸を回転軸として放物線を回転させることによって形成される曲面を、上記回転軸を含む平面で切断することによって得られる部分曲面の少なくとも一部を含んでいることを特徴とする請求項2〜6のいずれか1項に記載の発光装置。
- 上記発光部は、熱伝導性部材によって支持されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の発光装置。
- 上記励起光源は、上記投光部の外部に配置されており、
上記励起光を透過または通過させる窓部が上記投光部に設けられていることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の発光装置。 - 上記励起光の照射範囲を拡大して上記発光部に照射する拡大レンズをさらに備えることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の発光装置。
- 上記励起光源から出射された励起光を集光しつつ上記発光部へと導く導光部が上記窓部を貫通して配されていることを特徴とする請求項9に記載の発光装置。
- 上記励起光源から出射された励起光を上記発光部へと導く光ファイバーが配されていることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の発光装置。
- 請求項1〜12のいずれか1項に記載の発光装置を含むことを特徴とする車両用前照灯。
- 請求項1〜12のいずれか1項に記載の発光装置を含むことを特徴とする照明装置。
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