JP6103998B2 - 発光装置 - Google Patents
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Description
本発明は、発光装置に関する。
近年、発光装置の光源としてレーザ光源が用いられているものがある。そのような発光装置には、例えば、レーザ光源からの出射光をレンズを用いて集光し、集光した光を、励起光として蛍光体を含む波長変換材に入射させ、レーザ光源からの励起光と蛍光体からの蛍光を混合させることで所望の色の光を得るものがある（特許文献１）。
光源からの光を、蛍光体を含む波長変換材に入射させる発光装置においては、励起光によって蛍光体が励起される際に熱が生ずる。特許文献１に開示されているような発光装置では、波長変換材料を含む透光性部材を支持する支持構造が複数の部材からなっており、透光性部材から発光装置外への熱経路上に部材間の界面が多数存在するために当該経路における熱抵抗が高くなっていた。そのため、透光性部材からの放熱性が悪くなり、透光性部材の温度上昇のために蛍光体の励起効率の低下が発生していた。また、レーザ光源に対する透光性部材のアラインメント及び透光性部材への光の入射孔のアラインメントが困難であるという問題もあった。
本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、透光性部材からの放熱性が高く、かつ透光性部材及び透光性部材への光の入射孔のアラインメントが容易である発光装置を提供することを目的とする。
本発明の発光装置は、基体と、当該基体に保持されている発光素子と、当該基体に保持され当該発光素子の上方に配されて当該発光素子からの出射光を集光するレンズと、当該基体上に配されている第１の筒部材と、当該第１の筒部材と嵌合している第２の筒部材と、当該第２の筒部材内に挿入されることで当該第２の筒部材と嵌合しており、当該レンズにより集光された光が通過する貫通孔を有している保持体と、当該保持体上に当該貫通孔を塞ぐように形成されている透光性部材と、を備え、当該第２の筒部材は、その外側面に突出した放熱部を有し、当該保持体は、上部のフランジ部と、下部の挿入嵌合部とで構成された単一部材の構造体であり、当該フランジ部の下面は、当該第２の筒部材の上面に配置され、当該挿入嵌合部の外側面は、当該第２の筒部材の内側面に嵌合しており、当該第２の筒部材の少なくとも当該放熱部が形成されている領域の内側面まで延在していることを特徴とする。
以下に、本発明の実施例１に係る発光装置１０について、図１Ａ及び図１Ｂを参照しつつ説明する。図１Ａは、発光装置１０上面図である。図１Ｂは、図１Ａの１Ｂ−１Ｂ線に沿った断面図である。図１Ｂにおいて、発光装置１０内の後述する発光素子から出射し、後述する透光性部材に入射する光の経路を、実線矢印（細線）で示し、発光素子の出射光の光軸をａｘとしている。また、後述する透光性部材において発生した熱の放熱経路を実線矢印（太線）で示す。
基体１１は、ステム１３を支持する第１の内壁部１１ａ、及び第１の内壁部の上方領域に配されておりレンズ１５を支持する第２の内壁部１１ｂを有する円筒状の中空筒形状を有している。
ステム１３は、基体１１の内壁部１１ａに、例えば溶接または接着により固定されており、円盤状のステム底部１７及びステム底部１７の上面から突出している柱状のステム柱体１９からなっている。発光素子２１は、レーザ光（例えば、波長３８０〜４７３ｎｍであり、好ましくは４４５ｎｍ）を出射するＬＤ素子であり、ステム柱体１９の側面に、上方に向けて光を出射するように配されている。ステム柱体１９の上方すなわち光出射方向には、レンズ１５が配されている。レンズ１５は、第２の内壁部１１ｂに固定されており、発光素子２１から出射したレーザ光を収束する、例えば凸レンズである。
第１の筒部材２３は、レンズ１５の上方に配されレンズ１５によって収束されたレーザ光が通過する円柱状の中空部を有する円筒形の部材である。第１の筒部材２３は、基体１１の上面に、例えば、溶接または接着等で固定されている。
第２の筒部材２５は、レンズ１５によって収束されたレーザ光が通過する円柱状の中空部を有する円筒形の部材であり、外側面から円環状の放熱突起２５ａが突出している。第２の筒部材２５は、その下部にて第１の筒部材２３に、第１の筒部材２３の内側面と第２の筒部材２５の外側面が接して嵌合するように接合されており、第１の筒部材に、例えば、溶接または接着等で固定されている。放熱突起２５ａは、発光装置１０を他の構造体に搭載する場合に、当該構造体に付随している放熱治具等の当該構造体の放熱経路を形成する部材（図示せず）に接触させられる放熱部である。
なお、基体１１、第１の筒部材２３及び第２の筒部材２５は、例えば、ニッケル、コバルト、鉄、真鍮、ステンレス鋼、ニッケル−鉄合金、鉄−ニッケル−コバルト合金、アルミニウム、銅、カーボン等の熱伝導性が良好な材料で形成されている。
保持体２７は、上面に凹部２９を有する円筒形の部材である。凹部２９の底面の中央には、レンズ１５によって収束されたレーザ光が通過する楕円柱状の入射孔３１が形成されている。入射孔３１の下方には、入射孔３１とともに貫通孔３３を形成する導光孔３５が形成されている。すなわち、保持体２７は、単一部材からなる中空円筒状の構造体である。保持体２７は、保持体２７の外側面と第２の筒部材２５の内側面とが接するように第２の筒部材２５と嵌合するように接合されている。保持体２７は、外側面の上部にフランジ２７ａを有しており、フランジ２７ａは、第２の筒部材２５への保持体２７の挿入嵌合におけるストッパとしての役割を果たしている。なお、保持体２７は、例えば、ニッケル、コバルト、鉄、真鍮、ステンレス鋼、ニッケル−鉄合金、鉄−ニッケル−コバルト合金、アルミニウム、銅、カーボン等の熱伝導性の良好な材料で一体成形されている。溶接によって基体１１、第１の筒部材２３、第２の筒部材２５、保持体２７を接続する場合には、これらの部分が同一の材料によって形成されることが好ましい。
透光性部材４１は、凹部２９の底面の中央部に、入射孔３１を塞ぐように配されている矩形の底面を有する角柱状すなわち直方体の部材である。透光性部材４１は、例えば、波長変換材料としてＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット：Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）に付活剤としてＣｅ（セリウム）を導入したＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体等からなる黄色蛍光体粒子を含んでいるガラス、酸化アルミニウム、シリコーン樹脂またはエポキシ樹脂等の透光性材料からなっている。透光性部材４１と凹部２９の底面との固定には、例えば、シリコーン樹脂接着材、ガラス接着材等の透明接着材が用いられている。
黄色蛍光体は、発光素子２１から発せられたレーザ光、例えば、約４６０ｎｍの青色励起光を吸収して、約５６０ｎｍの発光ピーク波長を有する黄色光を発する。従って、発光素子２１から発せられて蛍光体に吸収されなかった青色光と蛍光体から発せられる黄色光とが混ざり合うことによって白色光が得られる。なお、上記ＹＡＧ：Ｃｅのような黄色蛍光体のみならず、必要に応じて他の蛍光色を発する蛍光体を使用することもできる。例えば、赤色蛍光体と緑色蛍光体とを混合したものを透光性部材４１に含ませ、これらの蛍光体を青色のレーザ光によって励起することにより、レーザ光と蛍光とを合わせて白色光を得ることができる。また、発光素子２１として波長３８０〜４００ｎｍ程度の近紫外光を発するレーザ素子を用いる場合には、この波長の光を受けて青色蛍光、緑色蛍光、赤色蛍光をそれぞれ発する３種類の蛍光体を混合したものを透光性部材４１に含ませ、これらをレーザ光で励起することによって白色光を得ることができる。さらに、白色光に限らず、例えば琥珀色や赤色といった白色以外の発光も、用いる蛍光体の選択次第で得ることができる。
反射部材４３は、透光性部材４１の側面を覆うように凹部２９内に形成されている。反射部材４３は、シリカ、アルミナ、チタニア等からなる光散乱粒子を含んでいるシリコーン樹脂またはエポキシ樹脂等からなっている。反射部材４３をシリコーン樹脂等の樹脂材で形成する場合、凹部２９内に透光性部材４１を配置した後に、凹部２９の内側面と透光性部材４１の側面との間に、反射部材４３を形成する光散乱粒子を含む樹脂材をポッティングして、加熱硬化することで反射部材４３を形成してもよい。なお、透光性部材４１から反射部材４３方向に向かう光が、透光性部材４１と反射部材４３との界面において全反射して、反射部材４３内にできるだけ漏れ出すことのないようにするため、反射部材４３を形成する材料の屈折率は、透光性部材４１を形成する材料の屈折率より低くすることが好ましい。
発光装置１０においては、発光素子２１から出射してレンズによって収束されたレーザ光が透光性部材４１内で蛍光体を励起する際に熱が生じる。この熱は、特に透光性部材４１の下部、すなわちレーザ光が入射する表面（下面）近傍で多く発生する。発光装置１０においては、透光性部材４１を保持する保持体２７を第２の筒部材２５の内側に嵌合させる構造をとることによって、透光性部材４１の下方の多くの領域に熱伝達経路となり得る固定（嵌合）構造を兼ねた熱伝達構造を設けることができ、熱の主たる発生源である透光性部材４１の下面から、放熱部である放熱突起２５ａへの熱伝達経路（図中太線矢印）を短くして、放熱経路の熱抵抗を低減することが可能である。また、透光性部材４１を保持する保持体２７を単一部材で形成し、放熱経路上に存在する部材間の界面の数を減少させることによっても、放熱経路の熱抵抗を低減することが可能である。このように、発光装置１０においては、透光性部材４１からの放熱性が良好であるので、透光性部材４１の温度を低く抑えることができ、温度上昇の故の蛍光体の励起効率の低下を防止することが可能である。
なお、発熱部である透光性部材４１から放熱部ある放熱突起２５ａへの熱伝達経路を確保すべく、保持体２７が第２の筒部材２５の放熱突起２５ａが形成されている領域まで延在し、保持体２７の外側面が、第２の筒部材の放熱突起２５ａが形成されている領域の内側面と接触していることが好ましい。
ここで、発光装置１０の組み立てについて、図２Ａ及び図２Ｂを用いて説明する。発光装置１０を組み立てる際には、まず、レンズ１５を取り付けた基体１１に発光素子２１を搭載したステム１３を溶接等で固定する（図２Ａ）。
次に、第１の筒部材２３を基体１１の上面に載置し、さらに、第２の筒部材２５を第１の筒部材２３に挿入して嵌合させる。そして、保持体２７を第２の筒部材２５に挿入して嵌合させる。この際、第１の筒部材２３は、基体１１には固定されておらず、光軸ａｘと平行な面内方向（図中、白抜き矢印方向）で移動自在であり、第２の筒部材は、第１の筒部材２３に固定されておらず、光軸ａｘに沿った方向（図中、斜線矢印方向）に移動自在であり、かつ光軸ａｘ周りに回転自在である。また、保持体２７は、光軸ａｘ周りに回転自在である（図２Ｂ）。
その後、発光素子２１を点灯させて、発光素子２１から出射してレンズ１５によって集光された光の集光点が入射孔３１の上面の中心、すなわち凹部２９の底面の中心と一致するように、第１の筒部材２３及び第２の筒部材２５を移動させてアラインメントする。当該アラインメントの後、アラインメントした際の位置関係を保持しつつ、基体１１と第１の筒部材２３とを溶接等で固定し、かつ第１の筒部材２３と第２の筒部材２５とを溶接等で固定する。
その後、一旦、保持体２７を第２の筒部材２５から取り外し、入射孔３１を塞ぐように凹部２９の底面の中央に透光性部材４１を固定する。この透光性部材４１の固定には、シリコーン樹脂接着材等の透明接着材が用いられてもよい。そして、凹部２９の内側面と透光性部材４１の側面との間に、反射部材４３を形成する光散乱粒子を含む樹脂材をポッティングして、加熱硬化する。
次に、保持体２７の表面のうち、嵌合時に第２の筒部材２５に接する領域に、例えば、銀フィラー等の熱伝導性の高いフィラーを含むシリコーン接着材等を塗布し、保持体２７を第２の筒部材２５に挿入して嵌合させ、塗布した接着材を、例えば熱硬化することによって保持体２７と第２の筒部材２５とを固定する。
最後に、保持体２７のフランジ２７ａの下面と第２の筒部材２５の上面とを、例えば溶接することで、発光装置１０が完成する。
上述したように、発光素子１０において、保持体２７と第２の筒部材２５は、螺合では無く嵌合する故に、最終的に発光装置１０が完成した際の保持体２７と第２の筒部材２５との相対的位置、すなわち保持体２７と発光素子２１及びレンズ１５との相対位置は、上記アラインメントした際の相対位置と非常に高精度に一致させることが可能である。また、保持体２７と第２の筒部材２５が螺合では無く嵌合する故に、特に、入射孔３１及び／または透光性部材４１が、光軸ａｘに沿って上方から見た上面視において円形以外である場合において、入射孔３１及び／または透光性部材４１の精密な配向が必要な際に、保持体２７、ひいては入射孔３１及び透光性部材４１の光軸ａｘに対する回転位置の調整を非常に容易に行うことが可能である。
また、上述したように、発光装置１０においては、透光性部材４１を保持する保持体２７を第２の筒部材２５の内側に嵌合させる構造をとり、透光性部材４１の下方に熱伝達経路となり得る部材が存在する領域を増加させることによって、熱の主たる発生源である透光性部材４１の下面から、放熱突起２５ａへの熱伝達経路を短くすることができ、放熱経路の熱抵抗を低減することが可能である。また、透光性部材４１を保持する保持体２７を単一部材で形成し、放熱経路上に存在する部材間の界面の数を減少させることによっても、放熱経路の熱抵抗を低減することが可能であり、それによって、透光性部材４１の温度上昇の故の蛍光体の励起効率の低下を防止することが可能である。
以下に、本願の実施例２に係る発光装置１０について図３を用いて説明する。実施例２の発光装置１０は、保持部２７の形状が異なる以外は実施例１の発光装置１０と同様の構成を有している。図３は、実施例２の発光装置１０の断面図である。図３においては、図１Ｂと同様に、発光装置１０内の発光素子から出射し、透光性部材部材に入射する光の経路を実線矢印（細線）で示し、発光素子の出射光の光軸をａｘとしている。また、透光性部材において発生した熱の放熱経路を実線矢印（太線）で示す。
図３に示すように、実施例２の発光装置１０は、貫通孔３３の導光孔３５が入射孔３１と連続した形状を有している。実施例２の発光装置１０において、貫通孔３３は、発光素子２１から出射してレンズ１５において集光されて透光性部材４１に入射するレーザ光の経路を遮らない程度に、透光性部材４１の下面に至るまで漸次上方に窄まっていく円錐台または楕円錐台形状を有している。すなわち、貫通孔３３は、発光素子２１側の一方の面よりも当該一方の面と反対側の他方の面、すなわち透光性部材４１の下面に接している面の方が小さい錐台形状を有している。このようにすることで、集光されたレーザ光の透光性部材４１への入射経路を確保しつつ、透光性部材４１からの放熱経路をさらに広く確保することができ、熱の主たる発生源である透光性部材４１の下面から、放熱突起２５ａへの熱伝達経路をさらに短くすることができ、放熱経路の熱抵抗を低減することが可能である。
上記実施例においては、透光性部材４１は波長変換材料を含む部材としたが、波長変換材料以外に、例えば、シリカ、アルミナ、チタニア等からなる光散乱粒子等の光散乱材料を含むこととしてもよいし、発光素子２１から出射したレーザ光の光色を変更する必要がない場合には、透光性部材４１を、波長変換材料を含まず、光散乱材料だけを含む部材としてもよい。
また、保持体２７、透光性部材４１及び反射部材４３の断面図である図４に示すように、透光性部材４１の下部に光散乱領域４１ａを配し、透光性部材の上部に波長変換領域４１ｂを配することしてもよい。この場合、光散乱領域４１ａは、例えば、シリカ、アルミナ、チタニア等からなる光散乱粒子を含んでいる透光性セラミック材（ガラス、石英、アルミナ等）、またはシリコーン樹脂もしくはエポキシ樹脂等の透光性材料からなっていてもよい。また、波長変換領域４１ｂは、波長変換材料としてＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット：Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）に付活剤としてＣｅ（セリウム）を導入したＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体等からなる黄色蛍光体粒子を含んでいるガラス、酸化アルミニウム、シリコーン樹脂またはエポキシ樹脂等の透光性材料からなっていてもよい。なお、光散乱領域４１ａは、光散乱粒子を含んでいるものとしたが、セラミック、透光性樹脂、またはガラス等の透光性材料の表面に粗し加工したものからなっていてもよい。
上記実施例において、透光性部材４１は角柱状としたが、透光性部材４１は、発光装置の照射光の形状に応じて、光出射面の形状を変更すべく他の任意の形状をとることとしてもよい。例えば、円形の光出射面を形成する場合には、透光性部材４１を円柱状または円錐台状とし、楕円形の光出射面を形成する場合には透光性部材４１を楕円柱状または楕円錐台状とし、多角形状の光出射面を形成する場合には透光性部材４１を多角柱状または多角錐台状としてもよい。
また、上記実施例において、入射孔３１を楕円柱状または円錐台状とし、導光孔３５を円柱状または円錐台状としたが、入射孔３１及び導光孔３５の形状は、用いる発光素子の種類または発光装置の用途等により、上記した円柱状、楕円柱状、円錐台状の他に、楕円錐台状、多角柱状、多角錐台状等様々な形状とすることが可能である。
また、上記実施例においては、青色発光素子及び黄色蛍光体を用いて白色光を得るもの等を例示したが、発光素子の発光色と蛍光体の蛍光色は得るべき出射光の色及び用途等によって任意に選択可能である。
また、上記実施例においては、透光性部材４１の側面を覆うように反射部材４３を配することとしたが、反射部材４３は形成しなくともよい。
また、上記実施例においては、発光素子としてＬＤ素子を用いる場合を例にして説明したが、ＬＥＤ素子等他の発光素子を用いることとしてもよい。
上述した実施例における種々の数値、寸法、材料等は、例示に過ぎず、用途及び使用される発光素子等に応じて、適宜選択することができる。
１１ 基体
１３ ステム
１５ レンズ
１７ ステム底部
１９ ステム柱体
２１ 発光素子
２３ 第１の筒部材
２５ 第２の筒部材
２５ａ 放熱突起
２７ 保持体
２７ａ フランジ
２９ 凹部
３１ 入射孔
３３ 貫通孔
３５ 導光孔
４１ 透光性部材
４３ 反射部材
１３ ステム
１５ レンズ
１７ ステム底部
１９ ステム柱体
２１ 発光素子
２３ 第１の筒部材
２５ 第２の筒部材
２５ａ 放熱突起
２７ 保持体
２７ａ フランジ
２９ 凹部
３１ 入射孔
３３ 貫通孔
３５ 導光孔
４１ 透光性部材
４３ 反射部材
Claims (3)
- 基体と、
前記基体に保持されている発光素子と、
前記基体に保持され前記発光素子の上方に配されて前記発光素子からの出射光を集光するレンズと、
前記基体上に配されている第１の筒部材と、
前記第１の筒部材と嵌合している第２の筒部材と、
前記第２の筒部材内に挿入されることで前記第２の筒部材と嵌合しており、前記レンズにより集光された光が通過する貫通孔を有している保持体と、
前記保持体上に前記貫通孔を塞ぐように形成されている透光性部材と、を備え、
前記第２の筒部材は、その外側面に突出した放熱部を有し、
前記保持体は、上部のフランジ部と、下部の挿入嵌合部とで構成された単一部材の構造体であり、
前記フランジ部の下面は、前記第２の筒部材の上面に配置され、
前記挿入嵌合部の外側面は、前記第２の筒部材の内側面に嵌合しており、前記第２の筒部材の少なくとも前記放熱部が形成されている領域の内側面まで延在している
ことを特徴とする発光装置。 - 前記貫通孔は、前記発光素子側の一方の面よりも前記一方の面と反対側の他方の面の方が小さい錐台形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
- 前記保持体と前記第２の筒部材とは、熱伝導性接着材によって固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
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