JP5971180B2 - 発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザ素子と波長変換部材とを備えた発光装置に関するものである。

近年、半導体レーザ素子を光源として用いた発光装置が提案されている（特許文献１）。これらの発光装置は、貫通孔を有する支持部材と、貫通孔を塞いで配置された透光部材と、を備えており、光源からの光は透光部材を介して出射される。

特開２００８−１５３６１７号公報

従来の発光装置においては、配光特性や光取り出し効率について、さらに検討する余地がある。そこで、本発明は、配光特性及び光取り出し効率がより優れた発光装置を提供することを課題とする。

発光装置は、レーザ光を出射する半導体レーザ素子と、レーザ光により励起される蛍光体を含む波長変換部材と、貫通孔を形成する内壁を有し前記内壁において波長変換部材を支持する支持部材と、を備える。支持部材の内壁は、光入射側から光出射側に向かって順に、レーザ光の光軸と内壁とが第１角度をなす第１傾斜面と、レーザ光の光軸と内壁とが第１角度よりも大きい第２角度をなす第２傾斜面と、を有する。そして、波長変換部材は、その底部が貫通孔の光入射側端部よりも光出射側にあり、光入射側から光出射側に向かって順に、少なくとも第２傾斜面において固定された固定領域と、レーザ光の光軸と垂直をなす方向において第２傾斜面から離間した離間領域と、を有する。

第１実施形態に係る発光装置の光部品を説明するための断面図である。 第１実施形態に係る発光装置の光部品を説明するための斜視図である。 第１実施形態に係る発光装置を説明するための図である。 第２実施形態に係る発光装置を説明するため断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための、発光装置を例示するものであって、本発明は、発光装置を以下のものに特定しない。また、特定的な記載がない限りは、構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、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。

＜第１実施形態＞
図３に、第１実施形態に係る発光装置１００の概略図を示す。図１は、発光装置１００に用いられる光部品６０、光ファイバ４０及び先端部材５０の関係を説明するための断面図である。また、図２は光部品６０の斜視図であり、図２のＸ−Ｘにおける端面図が図１に相当する。

発光装置１００は、レーザ光を出射する半導体レーザ素子１１と、レーザ光により励起される蛍光体を含む波長変換部材６２と、貫通孔６１を形成する内壁を有し内壁において波長変換部材６２を支持する支持部材６６と、を備える。支持部材６６の内壁は、光入射側から光出射側に向かって順に、レーザ光の光軸６９と支持部材６６の内壁とが第１角度６７ａをなす第１傾斜面６７と、レーザ光の光軸６９と支持部材６６の内壁とが第１角度６７ａよりも大きい第２角度６８ａをなす第２傾斜面６８と、を有する。さらに、波長変換部材６２は、その底部が貫通孔６１の光入射側端部よりも光出射側にあり、光入射側から光出射側に向かって順に、波長変換部材６２が貫通孔６１の光入射側端部から離間するように少なくとも第２傾斜面６８において固定された固定領域６２Ａと、レーザ光の光軸６９と垂直をなす方向において波長変換部材６２が第２傾斜面６８から離間した離間領域６２Ｂと、を有している。

これにより、光取り出し効率及び配光特性に優れた発光装置とすることができる。以下、この点について説明する。

波長変換部材６２は貫通孔６１の内部に配置されるが、貫通孔６１の光入射側端部（図１における貫通孔の最下方の開口部）まで波長変換部材６２が設けられていると、光取り出し効率が低下してしまう。これは、波長変換部材６２の底部あるいはその近傍の蛍光体粒子にレーザ光が当たった際に、一部の光が半導体レーザ素子１１側に戻ってしまう（以下、このような光を「戻り光」という。）からである。これを抑制するには、光入射側から光出射側に向かって開口部が大きくなるように貫通孔６１を傾斜させ、かつ、貫通孔６１の光入射側端部から波長変換部材６２の底部を光出射側に離間させればよい（つまり、波長変換部材６２の底部が貫通孔６１の途中に位置するように構成すればよい）。これにより、たとえ戻り光が生じたとしても、少なくともその一部を貫通孔６１を構成する傾斜面にて光出射側に反射させることができる。

一方、波長変換部材６２には、レーザ光の光軸６９と垂直な方向において、貫通孔６１と離間する領域を設けることが好ましい。これにより、貫通孔６１の傾斜面に当たった光が波長変換部材６２に再度入ることなく上方に取り出すことができるので、良好な配光特性を得ることができる。

そこで、本実施形態では、貫通孔６１に、光軸６９となす角度が小さい第１傾斜面６７と、光軸６９となす角度が大きい第２傾斜面６８とを設けている。まず、光軸６９とのなす角度が小さい第１傾斜面６７により、貫通孔６１の光軸６９方向における長さを比較的大きくとることができる。これにより、貫通孔６１の途中において波長変換部材６２の底部を位置させることができるので、戻り光による光取り出しの低下を抑制することができる。さらに、光軸６９とのなす角度が大きい第２傾斜面６８により、光軸６９と垂直な方向において、波長変換部材６２と支持部材６６の内壁とを離間させることができるので、配光特性も向上させることができる。つまり、発光装置１００では、比較的簡単な構成にも関わらず、光取り出し効率と配光特性を両立させることができるのである。ここで、光入射側とは半導体レーザ素子１１からの光が入射する側を指し、光出射側とは光が出射する側を指すものとする。

以下に、発光装置１００及びそれに用いられる各部材について具体的に説明する。
（発光装置１００）

図３に示すように、発光装置１００は、光源１０と、光源１０からの光を集光させるレンズ２０と、光源１０からの光を光ファイバ４０に接続させるためのコネクタ３０と、光ファイバ４０と、光ファイバ４０の先端部分を保持する先端部材５０と、前記先端部材５０と接続された光部品６０と、を有している。また、光源１０からの光の一部は、光ファイバ３０により、光部品６０に導入され、最終的には、光源１０からの光と、波長変換部材６２に含有されている蛍光体の光との混色光が取り出される。
（光源１０）

光源１０は、板状のステム１２と、ステム１２と絶縁され且つステム１２を貫通して固定されたリード１３と、ステム１２に設けられたヒートシンク１４と、ヒートシンク１４に載置された半導体レーザ素子１１と、を備える。半導体レーザ素子１１から出射するレーザ光は指向性が高いため、比較的容易に貫通孔６１に導くことができる。半導体レーザ素子１１は特に限定されないが、ここでは、窒化物半導体からなる青色発光のものを用いている。

半導体レーザ素子１１は通電により熱を生じるが、この熱はヒートシンク１４及びステム１２を介して外部に放散される。
（支持部材６６）

図１に示すように、支持部材６６は、貫通孔を有する基体６３と、貫通孔の表面に形成された反射膜６４と、反射膜６４の表面に形成された保護膜６５と、を有する。支持部材６６には、レーザ光が通過する貫通孔６１が設けられているが、貫通孔６１は波長変換部材６２によって塞がれている。すなわち、半導体レーザ素子１１からの光は支持部材６６の貫通孔６１を通り、波長変換部材６２を介して外部に取り出されることになる。

支持部材６６の内壁には、光入射側には光軸６９に対して第１角度６７ａをなす第１傾斜面６７が設けられ、光出射側には光軸６９に対して第１角度６７ａよりも大きい第２角度６８ａをなす第２傾斜面６８が設けられている。ここで、本実施形態では、基体６３の内壁に反射膜６４及び保護膜６５が形成されているが、この場合は最外層の保護膜６５の表面が第１傾斜面６７及び第２傾斜面６８を構成することになる。もちろん、反射膜６４及び保護膜６５を設けずに、基体６３自体を支持部材６６とすることもできる。この場合は、基体６３の内壁が第１傾斜面６７及び第２傾斜面６８を構成することになる。

貫通孔６１には、光軸６９との角度が小さい第１傾斜面６７を設けているので、貫通孔６１を比較的長く形成することができる。これにより、波長変換部材６２の底部を貫通孔６１の入口から離間させやすくなるので、戻り光を光出射側に再度向けることができる。

光軸６９と第１傾斜面６７とがなす第１角度６７ａの大きさは特に限定されるものではないが、１０度以上５０度未満、好ましくは２０度以上５０度未満、さらに好ましくは２０度以上３０度未満とすることができる。角度が小さいと第１傾斜面６７を反射面として機能させることが難しくなり、角度が大きいと貫通孔６１自体の長さを確保することが難しくなるためである。

また、第１傾斜面６７よりも光出射側には、第１角度６７ａよりも大きい第２角度６８ａを有する第２傾斜面６８が形成されている。これにより、支持部材６６を光出射側から見た場合において、第２傾斜面６８が占める割合を大きくとることができるので、結果として、波長変換部材６２をその内側に余裕をもって配置することができる。これにより、光軸６９と垂直をなす方向において波長変換部材６２と第２傾斜面６８とを離間させることができるので、良好な配光特性を維持することができる。

光軸６９と第２傾斜面６８とがなす第２角度６８ａの大きさは特に限定されるものではないが、２０度以上６０度未満、好ましくは３０度以上５０度未満、さらに好ましくは３０度以上４５度未満とすることができる。角度が小さいと第２傾斜面と波長変換部材６２とが近接しすぎたり接触したりして配光特性が悪化し、角度が大きいと前方に光を反射し難くなってかえって配光特性を悪化させてしまうからである。

貫通孔６１の光入射側の開口径は、５０〜６００μｍ、好ましくは１００〜４００μｍ、さらに好ましくは１５０〜３００μｍとすることができる。開口径が小さいとレーザ光が貫通孔６１内へ進入できなくなり、開口径が大きいと戻り光を抑制することができないためである。

基体６３の材料としては、鉄及び鉄合金等があげられる。この中でも、後述する波長変換部材６２のバインダーとしてホウケイ酸ガラスを用いる場合は、熱膨張係数を合わせるという観点から、コバール（鉄・コバルト合金）が好ましい。

なお、基体６３を図１のような形状とするには、例えば、円柱状の部材を旋盤を用いて所定の形状に研削すればよい。

反射膜６４の材料としては、例えば、銀又はアルミニウムを含む材料とすることができるが、特に銀を含む材料であることが好ましい。銀は硫化などにより変色しやすいが、反射率に優れるので、保護膜６５によりその変色を抑制できれば、光出力の低下を大幅に抑えることができるからである。なお、反射膜６４は、スパッタ等の公知の方法を用いて形成することができる。

反射膜６４の膜厚は、好ましくは０．１〜１０μｍ、さらに好ましくは０．３〜５μｍ、より好ましくは０．７〜３μｍとすることができる。反射膜６４が薄すぎると熱により劣化しやすくなり、厚すぎると作業効率が落ちてしまうからである

保護膜６５は、反射膜６４の劣化を抑制するためのものであり、光透過率の高い材料で形成されることが好ましい。これにより、反射膜６４で反射した光を効率良く外部へ取り出すことができる。具体的には、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル、好ましくは酸化ケイ素又は酸化アルミニウム、さらに好ましくは酸化ケイ素を用いることができる。これらの材料を用いることで高いレベルで安定した出力特性が得られるからである。なお、反射膜６４の全てを覆うように保護膜６５を形成することが好ましい。なお、保護膜６５は、スパッタ等の公知の方法を用いて形成することができる。
（波長変換部材６２）

図１に示すように、支持部材６６の内壁には、波長変換部材６２が載置されている。波長変換部材６２には、蛍光体の粒子が複数含まれており、レーザ光により励起された光とレーザ光そのものの光との混色により所望の色を再現することができる。

本実施形態において、波長変換部材６２は、第１傾斜面６７及び第２傾斜面６８に固定される固定領域６２Ａを有している。これにより、波長変換部材６２と支持部材６６との接触面積を増加させることができるので、両者を強固に固定することができる。さらに、波長変換部材６２は、第２傾斜面から離間した離間領域１１Ｂを有するが、これにより配光特性を向上させることできることについては前述のとおりであるので繰り返さない。

支持部材６６の内壁に波長変換部材６２を載置するには、例えば、融着を用いることができる。この場合、一定以上の温度雰囲気において、支持部材６６と波長変換部材６２とに圧力をかけることにより両者をダイレクトに接続することができる。

波長変換部材６２の厚み（光軸６９方向の厚み）や、これに含まれる蛍光体の濃度は特に限定されないが、最終的に得られる光（つまり、レーザ光と蛍光体からの光との混色光）の色や配光などを考慮して決定すればよい。

本実施形態では、波長変換部材６２は、蛍光体の粒子と、それらを結着させるバインダーと、を含む。ここでは、蛍光体としてＹＡＧ系蛍光体を用い、バインダーとしてホウケイ酸ガラスを用いている。波長変換部材６２に蛍光体を含有させることにより、光源からの光を異なる波長の光に変換させることができるので、光部品６０を発光装置１００に組み込んだ場合に、例えば、光源からの光（青色）と蛍光体からの光（黄色）との混色光（白色）を取り出すことができる。蛍光体の種類としては、ＹＡＧ系蛍光体の他に、ＬＡＧ系蛍光体もしくはＴＡＧ系蛍光体またはそれらの混合物を用いることができる。

＜第２実施形態＞
図４に、第２実施形態に係る発光装置２００の構成を説明するための断面図を示す。発光装置２００は、光源１０と波長変換部材６２との間にコネクタ３０、光ファイバ４０及び先端部材５０が設けられておらず、支持部材６６がステム１２に直接接続されている点以外は、発光装置１００と実質的に同じである。このような構成であっても、支持部材６６と波長変換部材６２とを特定の関係とすることにより、光取り出し効率と配光特性とを両立させることができる

なお、発光装置２００では、光源１０と波長変換部材６２との間に他の部材を介在させていないが、例えば両者の間にレーザ光を集光するレンズを設けることもできる。また、発光素子２００では、発光装置１００と同様に、支持部材６６は基体６３と反射膜６４と保護膜６５とを有するが、図４ではそれらをまとめて支持部材６６としている。

本発明は、半導体レーザ素子及び波長変換部材を用いるすべての発光装置に利用することができる。

１０・・・光源
１１・・・半導体レーザ素子
１２・・・ステム
１３・・・リード
１４・・・ヒートシンク
２０・・・レンズ
３０・・・コネクタ
４０・・・光ファイバ
５０・・・先端部材
６０・・・光部品
６１・・・貫通孔
６２・・・波長変換部材
６２Ａ・・・固定領域
６２Ｂ・・・離間領域
６３・・・基体
６４・・・反射膜
６５・・・保護膜
６６・・・支持部材
６７・・・第１傾斜面
６７ａ・・・第１角度
６８・・・第２傾斜面
６８ａ・・・第２角度
６９・・・光軸
１００、２００・・・発光装置

Claims (3)

1. レーザ光を出射する半導体レーザ素子と、前記レーザ光により励起される蛍光体を含む波長変換部材と、貫通孔を形成する内壁を有し前記内壁において前記波長変換部材を支持する支持部材と、を備える発光装置であって、
   前記支持部材の内壁は、光入射側から光出射側に向かって順に、前記レーザ光の光軸と前記内壁とが第１角度をなす第１傾斜面と、前記レーザ光の光軸と前記内壁とが前記第１角度よりも大きい第２角度をなす第２傾斜面と、を有し、
   前記波長変換部材は、その底部が前記貫通孔の光入射側端部よりも光出射側にあり、光入射側から光出射側に向かって順に、少なくとも前記第２傾斜面において固定された固定領域と、前記レーザ光の光軸と垂直をなす方向において前記第２傾斜面から離間した離間領域と、を有する、ことを特徴とする発光装置。
2. 前記固定領域は、前記第１傾斜面及び前記第２傾斜面を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記支持部材は、基体と、前記基体の表面に形成された銀又はアルミニウムの少なくとも一方を含む反射膜と、前記反射膜の表面に形成された保護膜と、を有し、
   前記保護膜の表面が前記第１傾斜面及び前記第２傾斜面となる、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の発光装置。

Images