JP6054705B2

JP6054705B2 - 発光素子と蛍光体を用いた発光装置

Info

Publication number: JP6054705B2
Application number: JP2012234673A
Authority: JP
Inventors: 聡二大和田
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2012-10-24
Filing date: 2012-10-24
Publication date: 2016-12-27
Anticipated expiration: 2032-10-24
Also published as: JP2014086582A

Description

本発明は発光装置に関する。より詳しくは、半導体発光素子からの発光によって蛍光体を励起し、蛍光を放出させ、半導体発光素子からの発光と混合させることによって白色光等を得ることのできる発光装置に関する。

ＬＥＤ等の半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせて白色等の発光を得る光源は、近年広く普及しつつある。特に最近は高輝度化が進み、一般照明や自動車用ヘッドランプなどに応用範囲が広がっている。

特許文献１には、蛍光部材の一部にレーザ等の光を入射させ、蛍光部材の内部で複数回反射させて励起光及び蛍光を取り出す発光装置が記載されている。この構成により、蛍光部材の大型化を防ぎつつ蛍光変換効率を向上させることができる。

特開２０１２−０８９６８７

特許文献１に記載の発光装置によってある程度の高輝度化を図ることはできる。しかし、より高輝度の光源とするために複数個の励起光源を用いる場合などに、蛍光部材の形状が制約を受け、大型化が避けられない。

そこで、発明者らは上記課題を解決するために研究を行い、紫外光及び／又は可視光の波長の光を発する光源と、前記光源からの光によって励起され、前記光源からの光よりも長波長の蛍光を発する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光部材と、を備え、前記蛍光部材は、前記光源からの光が入射する第一の部分と、前記光源からの光を反射して前記蛍光を透過する波長選択性の反射膜が形成された第二の部分と、を有する第一の面と、前記第一の面とは反対側の、反射面である第二の面とを有し、前記光源からの光の光軸が前記第二の面に対して垂直ではない位置に前記光源が配置され、前記光源からの光が前記第二の面で正反射する位置に波長選択性の反射膜が形成されてており、前記第二の面は、前記第一の面に対して１０〜４５°傾斜している発光装置、という発明を得た。

本発明に係る発光装置は、光学系の設計自由度を増し、光源の構成を小型にできる。

本発明の構成を示した図である。本発明の変形例を示した図である。本発明の変形例を示した図である。本発明の変形例を示した図である。本発明の変形例を示した図である。

本発明に係る発光装置を、図１に従って説明する。図１において、下側の図は、基材５の上に蛍光体４を配置したものを上面から見た図である。上面からは、レーザ光の入射部となっている第一の部分６と、反射膜３とが蛍光体４の第一の面７上に形成されている。上側の図は、第一の部分６を含み、基材５に垂直な断面である。レーザ光を発する光源１は、その光軸が蛍光部材４の第一の面７のうち、第一の部分６に交わるように設置されている。また、蛍光部材４の第一の面７の表面には、光源から放射されるレーザの波長の光を反射し、蛍光部材４から放出される蛍光を透過させる波長選択性の反射膜３が配置された第二の部分と、反射膜３が配置されず、レーザ光の入射部となっている第一の部分６とがある。更に、蛍光部材４の第一の面７の反対側には、レーザ光の光軸に対して垂直ではない面を持つ反射面２が配置されている。なお、反射面２は、蛍光部材４表面に直接形成されたものであっても、基材５表面に形成して蛍光部材４をその上に配置することとしても良い。

基材５は、金属基板やセラミックスなどを使用できる。特に高い光反射特性、伝熱特性、加工性を併せ持つ材料を使用することが望ましい。金属としては、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｐｄなどの単体や、それらを含む合金が使用できる。セラミックスとしてはアルミナ、酸化亜鉛、ジルコニアなどの酸化物系セラミックス、窒化アルミや窒化珪素などの窒化物系セラミックス、炭化珪素、炭化タングステン-コバルト、炭化クロムなどの炭化物系セラミックスなどを使用できる。また、基材５からの放熱性を高めるために、放熱フィンを有していても良い。

反射面２は、例えば基材５の表面加工後に基材５表面へ上記材料の成膜を行うことにより形成される。なお、反射面２は、拡散反射性のものより鏡面反射性のものが望ましい。拡散反射性の反射面とすると、正反射方向以外の方向にも光源１からの光（励起光）が反射され、このうちの一部は励起光が蛍光部材４に入射した部分から戻ってしまう場合があるからである。また、反射面２に増反射や腐食防止を目的としたコーティングを施しても良い。

また、蛍光部材４に対して反射率の高い材料を蒸着等の手法で成膜して反射面２を形成することもできる。

反射膜３は蛍光部材４の表面であって励起光の入射面と同じ側に形成される。励起光が蛍光部材４に入射するために反射膜３は入射光の光軸を避ける必要がある。反射膜３は誘電体多層膜によって、光源から発せられる励起光に対して反射性を有し、かつ、蛍光部材４が発する蛍光に対して透過性を持たせる。

光源１は、紫外光から青色光領域に発光波長をもつ発光ダイオードやレーザーダイオードなどが使用可能である。本発明は励起光強度が高い光源を使用する場合にその効果が顕著に現れるため、例えばＧａＮ系材料を用いたピーク波長約４５０ｎｍの青色光を発するレーザーダイオードが好適である。

蛍光部材４に含まれる蛍光体として、光源１から放射される紫外光から青色光領域の光を吸収し、光源１からの光より長波長の光を発するものを用いる。例えば、赤色用にはＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ^２＋、（Ｃａ，Ｓｒ）ＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ^２＋、Ｃａ_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ^２＋、（Ｃａ，Ｓｒ）_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ^２＋、ＫＳｉＦ_６：Ｍｎ^４＋、ＫＴｉＦ_６：Ｍｎ^４＋が、黄色用にはＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋、（Ｓｒ，Ｂａ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋，Ｃａ（Ｓｉ，Ａｌ）_１２（Ｏ，Ｎ）_１６：Ｅｕ^２＋、緑色用にはＬｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋、Ｙ_３（Ｇａ，Ａｌ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋、Ｃａ_３Ｓｃ_２Ｓｉ_３Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋、ＣａＳｃ_２Ｏ_４：Ｅｕ^２＋、（Ｂａ，Ｓｒ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋、Ｂａ_３Ｓｉ_６Ｏ_１２Ｎ_２：Ｅｕ^２＋、（Ｓｉ，Ａｌ）_６（Ｏ，Ｎ）_８：Ｅｕ^２＋等を用いることができる。蛍光部材４に含まれる蛍光体の種類は複数であってもよい。

また、蛍光部材４の組成としては、上記蛍光体の粉末をガラス中に分散させたものや、ガラス母体に発光中心イオンを添加したガラス蛍光体、樹脂などの結合部材を含まない蛍光体セラミックス等を用いることができる。蛍光体粉末をガラス中に分散させたものの具体例としては、上に列挙した組成の蛍光体粉末をＰ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３などの成分を含むガラス中に分散したものが挙げられる。ガラス母体に発光中心イオンを添加したガラス蛍光体としては、Ｃｅ^３＋やＥｕ^２＋を賦活剤として添加したＣａ−Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ系やＹ−Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ系などの酸窒化物系ガラス蛍光体が挙げられる。蛍光体セラミックスとしては、上に列挙した組成の蛍光体組成からなり、樹脂成分を実質的に含まない焼結体が挙げられる。これらの中でも透光性を有する蛍光体セラミックスを使用することが望ましい。これは、焼結体中に光の散乱の原因となるポアや粒界の不純物がほとんど存在しないために透光性を有するに至った蛍光体セラミックスである。ポアや不純物は熱拡散を妨げる原因にもなるため、透光性セラミックスは高い熱伝導率を示す。このため、蛍光体セラミックスを蛍光部材４として利用した場合には励起光や蛍光を拡散により失うことなく蛍光部材４から取り出して利用でき、さらに蛍光部材４で発生した熱を効率良く拡散することができる。透光性を示さない焼結体でも出来るだけポアや不純物の少ないものが望ましい。ポアの残存量を評価する指標としては蛍光体セラミックスの比重の値を用いることができ、その値が計算される理論値に対して９５％以上のものが望ましい。

蛍光部材４の形状として、図２（ａ）〜（ｄ）に示されるような、第一の面７に垂直な断面が三角形、長方形、楕円曲線を含む面などが好適である。特に、放物線を有する面や楕円曲線を含む面であって、蛍光体の内部にその焦点があるものが望ましい。複数の光源を用いる場合に、それらの光源１からのレーザ光がその焦点に集まるようにレーザ光の照射方向や照射位置を制御することができ、その焦点からより輝度の高い光を取り出せるからである。また、蛍光部材４の形状及び反射面２と反射膜３の位置は、反射面２を正反射した光源１からの光の光軸が反射膜３と交点を有するように定めればよい。

本発光装置が駆動されると、まず光源１から放射されたレーザ光は蛍光部材４の第一の部分６を通じて蛍光部材４の中に入射する。レーザ光は蛍光部材４に含まれる蛍光材料を励起し、蛍光部材４に蛍光を放射させつつ反射面２に到達する。反射面２はレーザ光に対して垂直ではないため、レーザ光は波長選択性の反射膜３が配置されている第一の面７上の第二の部分へ向かう。このレーザ光は、反射膜３によって再度反射され、蛍光部材４の中を通ってもう一度反射面２に到達し、反射される。このように、レーザ光は反射膜３と反射面２の間で幾度も反射され、両者の間を往復しつつ蛍光部材４を励起し、蛍光を放射させる。レーザ光の進行に伴って蛍光部材４から放射される蛍光は、反射膜３に遮られずに外部に放出され、他の光学系によって適切に利用される。

図２（ａ）は、蛍光部材４の形状が第一の面７に垂直な断面に対して長方形の場合である。この長方形の形状は、高さ（蛍光部材４の厚さ）が０．０３〜１．０ｍｍ、蛍光部材４の第二の部分６（光源１からの光が入射する部分）の広さが直径０．０３〜０．５ｍｍ、光源の数が１〜８個、各光源から光が蛍光部材４に入射する角度が１０〜８０°程度が望ましい。高さ、第２の部分の広さ、光源の数がこの範囲から外れると、発光装置としては小さく、又は、大きくなりすぎ、扱いにくくなるからである。また、各光源から光が蛍光部材４に入射する角度がこの範囲から外れると、発光装置として高い出力が得られない場合があるからである。

図２（ｂ）は、（ａ）と同じく蛍光部材４の形状が第一の面７に垂直な断面に対して長方形の場合である。（ａ）と違う点は、断面長方形の蛍光部材４を２以上組み合わせ、かつ、複数の光源１を使用している点である。蛍光部材４の第２の部分（光源１からの光が入射する部分）の面積を複数の光源１で共通化し、蛍光部材４の大きさを小さくすることができる利点がある。

図２（ｃ）は、蛍光部材４の形状が第一の面７に垂直な断面に対して三角形の場合である。また、この際に、光源１を複数設置している。この三角形の形状は、高さ（蛍光部材４の厚さ）０．０３〜１．０ｍｍ程度、第一の面と斜面とがなす角度が１０〜４５°、各光源が蛍光部材４に入射する角度が２０〜８０°程度が望ましい。望ましい理由は、図２(ａ）の構成の場合と同様である。また、各光源の光軸の交点は、蛍光部材４に対する入射面又はその近傍に存在することが望ましい。蛍光部材４に対する入射部となる第二の部分６の面積を小さくするためである。この第二の部分６の面積は、光源１をいくつ使用するか、及び、各光源の照射面積やスポットサイズ次第であるが、直径０．５ｍｍ程度が望ましい。

図２（ｄ）は、蛍光部材４の形状が第一の面７に垂直な断面に対して楕円曲面を含む場合である。特に、第一の面７に対して、垂直方向からレーザ光が入射する場合に、レーザ光が垂直に反射するのではなく蛍光部材４の中を通る方向に反射するように楕円曲面形状の反射面３を選択する。蛍光部材４の寸法等は、高さ（蛍光部材４の厚さ）が０．０３〜１．０ｍｍ、蛍光部材４の第２の部分（光源１からの光が入射する部分）の広さが直径０．０３〜０．５ｍｍ、光源の数が１〜８個、各光源が蛍光部材４に入射する角度が１０〜８０°程度が望ましい。望ましい理由は、図２(ａ）の構成の場合と同様である。

１光源
２反射面
３反射膜
４蛍光部材
５基材
６第二の部分
７第一の面

Claims

紫外光及び／又は可視光の波長の光を発する光源と、
前記光源からの光によって励起され、前記光源からの光よりも長波長の蛍光を発する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光部材と、
を備え、
前記蛍光部材は、前記光源からの光が入射する第一の部分と、前記光源からの光を反射して前記蛍光を透過する波長選択性の反射膜が形成された第二の部分と、を有する第一の面と、
前記第一の面とは反対側の、反射面である第二の面とを有し、
前記光源からの光の光軸が前記第二の面に対して垂直ではない位置に前記光源が配置され、
前記光源からの光が前記第二の面で正反射する位置に波長選択性の反射膜が形成されており、
前記第二の面は、前記第一の面に対して１０〜４５°傾斜している
発光装置。