JP6122674B2

JP6122674B2 - 波長変換装置

Info

Publication number: JP6122674B2
Application number: JP2013058162A
Authority: JP
Inventors: 和香子新野
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2033-03-21
Also published as: JP2014183269A

Description

本発明は、レーザーダイオード（ＬＤ：Laser Diode）素子等の発光素子とともに使用する波長変換装置に関する。

ＬＤ素子を搭載した発光装置が、ＣＤやＤＶＤ等の光学ドライブの光ピックアップ、コピー機やレーザープリンター等に従来から用いられてきた。近年では、自動車の前照灯等の自動車用照明にも利用されている。特許文献１には、ＬＤ素子からの発光を、波長変換材を含む透光性部材によって例えば白色に変換する発光装置が示されている。

特開２０１０−１６５８３４号公報

特許文献１に示す発光装置においては、ＬＤ素子から出射され、レンズによって集光されたレーザ光が、波長変換層に直接入射してしまうために、波長変換層での光の波長変換が十分になされず、発光装置からの出射光に色ムラが発生していた。
本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、発光素子から入射した光を効率良く波長変換し、色ムラの無い光を出射させることが可能な高性能な波長変換装置を提供することを目的とする。

本発明の波長変換装置は、光入射孔を有する保持体と、当該保持体上に当該光入射孔を覆うように搭載されている散乱部材と、当該散乱部材上に載置されている波長変換部材と、を有し、当該波長変換部材は、上面視において当該散乱部材の外縁より外側にまで及んでおり、当該波長変換部材の当該散乱部材上への載置面は、当該散乱部材の当該保持体上への搭載面に対向する面よりも大きいことを特徴とする。

実施例１の発光装置の断面図である。実施例１の波長変換装置の上面図である。図２Ａの２Ｂ−２Ｂ線に沿った断面図である。実施例２の波長変換装置の断面図である。実施例３の波長変換装置の断面図である。実施例４の波長変換装置の断面図である。実施例５の波長変換装置の断面図である。他の実施例の波長変換装置の断面図である。

以下に、本発明の実施例１に係る発光装置１０について、図１を参照しつつ説明する。図１は、発光装置１０の断面図である。図１において、発光装置１０内の後述する発光素子から出射し、後述する散乱部材に入射する光の経路を、実線矢印で示している。また、発光素子の出射光の光軸をａｘとしている。

支持体１１は、ステム１３を支持する第１の内壁部１１ａ、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、及び第２の内壁部の上方領域に配されており筒部材１７を支持する第３の内壁部１１ｃを有する中空円筒形状を有している。

ステム１３は、円盤状のステム底部１８及びステム底部１８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、青色レーザ光（例えば、波長４６０ｎｍ程度）を出射する青色ＬＤ素子であり、ステム柱体１９の側面に、上方に向けてレーザ光を出射するように配されている。ステム柱体１９の上方には、レンズ１５が配されている。レンズ１５は、発光素子２１から出射した光を収束する、例えば凸レンズである。

円筒部材１７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光が通過する中空部を有する円筒形の筒部材である。円筒部材１７上には、波長変換装置２３が配置されている。

図２Ａ波長変換装置の上面図を示し、図２Ｂに図２Ａの波長変換装置２３の２Ｂ−２Ｂ線に沿った断面図を示す。波長変換装置２３は、保持体２５、保持体２５によって保持されている散乱部材２７、波長変換部材２９及び反射部材３１からなっている。保持体２５は、例えば略円盤状であり、上面に凹部３３を有している。凹部３３の中央には、レンズ１５によって集光された光が通過する光入射孔３５が形成されている。光入射孔３５は、レンズ１５によって集光された光が通過できるならば、円状、矩形状、楕円状等任意の形状とすることが可能である。

散乱部材２７は、凹部３３の底面の中央部に、光入射孔３５を塞ぐように搭載されている下面が半径ｒ₁の円である円柱形の部材である。散乱部材２７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る。散乱部材２７と凹部３３の底面とは、例えばシリコーン樹脂接着材等の透明接着材によって固定されている。レンズ１５によって収束されて光入射孔３５を通過した光は、散乱部材２７に達し、散乱部材２７内の光散乱粒子によって散乱される。

波長変換部材２９は、散乱部材２７上に載置されている。波長変換部材２９は、下面が散乱部材２７の半径ｒ₁よりも大きい半径ｒ₂（すなわち、ｒ₂＞ｒ₁）の円である円柱形の部材である。すなわち、波長変換部材２９は、光出射方向からみた上面視、すなわちレーザ光の光軸ａｘに沿った方向から見た上面視において散乱部材２７よりも大きく、散乱部材２７の外縁よりも外側にまで及んでいる。波長変換部材２９は、例えば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、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。波長変換部材２９と散乱部材２７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、散乱部材２７を通過して散乱された光、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。

反射部材３１は、散乱部材２７及び波長変換部材２９の側面を覆うように凹部３３内に充填されている。反射部材３１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３１をシリコーン樹脂等の樹脂材で形成する場合、凹部３３内に散乱部材２７及び波長変換部材２９を配置した後に、凹部３３の内側面と散乱部材２７及び波長変換部材２９の側面との間に、反射部材３１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３１を形成してもよい。なお、散乱部材２７及び波長変換部材２９から反射部材３１方向に向かう光が、散乱部材２７及び波長変換部材２９と反射部材３１との界面において全反射して、反射部材３１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３１を形成する材料の屈折率を、散乱部材２７及び波長変換部材２９を形成する材料の屈折率より小さくすることが好ましい。

発光装置１０の波長変換装置２３においては、発光素子２１から出射して、レンズ１５によって集光された青色レーザ光（図中実線矢印）が、散乱部材２７において散乱されてから波長変換部材２９に入射するので、励起光（青色光）によって波長変換部材２９内の蛍光体が均一に効率良く励起され、かつ励起光と蛍光が良好に混合され、色ムラのない白色光を得ることが可能である。

また、上面視において波長変換部材２９が散乱部材２７よりも大きく、散乱部材２７の外縁よりも外側にまで及んでいるので、図中破線で示すような散乱部材２７から散乱部材２７の周囲の反射部材３１に漏洩した光も波長変換部材２９を通過させることが可能となり、波長変換部材２９を通過しないで発光装置から出射する青色励起光に起因する出射光の色ムラを防止することが可能である。

上面視における波長変換部材２９の半径ｒ₂は、例えば、拡散部材２７からの漏れ光が光出射面のどれくらいの領域にまで到達するか、及び波長変換材２９を通過せずに出射面から出る青色光をどの程度低減するのかによって決定されてもよい。例えば、青色光が波長変換材２９を通過せずに出射面から出ることを完全に防止したいならば、上面視において、波長変換部材２９の中心から漏れ光が到達する領域の最外縁までの距離（ここではｒ₃とする）をｒ₂（すなわち、ｒ₂＝ｒ₃）とすればよいし、青色光が波長変換材２９を通過せずに出射面から出ることを部分的に防止したいならば、その程度に応じて、ｒ₂をｒ₁＜ｒ₂＜ｒ₃となる任意の値とすればよい。

以下に、本発明の実施例２について、図３を用いて説明する。図３は、実施例２の発光装置１０の波長変換装置２３の断面図である。実施例２の発光装置１０は、波長変換装置２３の波長変換部材２９の形状が異なる以外は、実施例１の発光装置１０と同様の構造を有している。

図３に示すように、実施例２の発光装置１０の波長変換装置２３において、波長変換部材２９は、散乱部材２７への載置面である下面よりも上面が大きい逆円錐台形状を有しており、下面が散乱部材２７の上面と同一の形状を有している。すなわち、波長変換部材２９の側面２９ａが上方に向かって広がっている形状を有している。また、実施例１と同様に、上面視において波長変換部材２９が散乱部材２７よりも大きく、散乱部材２７の外縁よりも外側にまで及んでいる。

波長変換部材２９をこのような形状とすることで、実施例１と同様に散乱部材２７から散乱部材２７の周囲の反射部材３１に漏洩した光も波長変換部材２９を通過させることが可能となり、波長変換部材２９を通過しないで発光装置から出射する青色励起光に起因する出射光の色ムラを防止することが可能である。

また、波長変換部材２９より反射部材３１の屈折率が低い場合に、波長変換部材２９に入射した光の波長変換部材２９の側面２９ａへの入射角が大きくなり、側面２９ａにおいて全反射が発生しやすくなる。それによって、波長変換部材２９に入射した光を、光の出射方向である波長変換装置２３の上方により良好に出射することができ、波長変換装置２３の光取り出し効率を向上させることが可能となる。さらに、反射部材３１を樹脂のポッティングによって形成する場合において、ポッティングした樹脂が、波長変換部材２９の上面にまで這い上がることを防止し、製品の歩留まりを向上させることができる。

なお、実施例２においては、波長変換部材２９の下面が散乱部材２７の上面と同一形状であることとしたが、波長変換部材２９の下面が散乱部材２７の上面よりも大きくともよい。

以下に、本発明の実施例３について、図４を用いて説明する。図４は、実施例３の発光装置１０の波長変換装置２３の断面図である。実施例３の発光装置１０は、波長変換装置２３の散乱部材２７及び波長変換部材２９の構成が異なる以外は、実施例１の発光装置１０と同様の構造を有している。

図４に示すように、実施例３の発光装置１０の波長変換装置２３において、散乱部材２７は、保持体２５への搭載面である下面よりも上面が大きい逆円錐台形状を有している。すなわち、散乱部材２７の側面２７ａが上方に向かって広がっている形状を有している。また、波長変換部材２９も、散乱部材２７への載置面である下面よりも上面が大きい逆円錐台形状を有しており、下面が散乱部材２７の上面と同一の形状を有している。すなわち、波長変換部材２９の側面２９ａが上方に向かって広がっている形状を有している。また、実施例１と同様に、上面視において波長変換部材２９が散乱部材２７よりも大きく、散乱部材２７の外縁よりも外側にまで及んでいる。

散乱部材２７及び波長変換部材２９をこのような形状とすることで、実施例１と同様に散乱部材２７から散乱部材２７の周囲の反射部材３１に漏洩した光も波長変換部材２９を通過させることが可能となり、波長変換部材２９を通過しないで発光装置から出射する青色励起光に起因する出射光の色ムラを防止することが可能である。

また、散乱部材２７及び波長変換部材２９より反射部材３１の屈折率が低い場合に、散乱部材２７及び波長変換部材２９に入射した光の側面２７ａ及び側面２９ａへの入射角が大きくなり、側面２７ａ及び側面２９ａにおいて全反射が発生しやすくなる。それによって、散乱部材２７及び波長変換部材２９に入射した光が、光の出射方向である波長変換装置２３の上方により良好に出射されることで、波長変換装置２３の光取り出し効率を向上させることが可能となる。さらに、実施例２の波長変換装置２３と同様に反射部材３１を樹脂のポッティングによって形成する場合において、ポッティングした樹脂が、波長変換部材２９の上面にまで這い上がることを防止し、歩留まりを向上させることができる。

なお、実施例３においては、波長変換部材２９の下面が散乱部材２７の上面と同一形状であることとしたが、波長変換部材２９の下面が散乱部材２７の上面よりも大きくともよい。

以下に、本発明の実施例４について、図５を用いて説明する。図５は、実施例４の発光装置１０の波長変換装置２３の断面図である。実施例４の発光装置１０は、波長変換装置２３の波長変換部材２９の形状が異なる以外は、実施例１の発光装置１０と同様の構造を有している。

図５に示すように、実施例３の発光装置１０の波長変換装置２３において、波長変換部材２９は、散乱部材２７への載置面である下面よりも上面が小さい円錐台形状を有しており、下面が散乱部材２７の上面よりも大きな形状を有している。すなわち、波長変換部材２９の側面２９ａが上方に向かって狭まっている形状を有している。また、実施例１と同様に、上面視において波長変換部材２９が散乱部材２７よりも大きく、散乱部材２７の外縁よりも外側にまで及んでいる。

また、波長変換部材２９を下面よりも上面が小さい円錐台形状とすることで、実施例１、実施例２及び実施例３の波長変換部材２９と異なり、波長変換部材２９の光出射面である上面をより小さく、例えば、散乱部材２７の上面より小さくすることができるので、より光束密度の高い出射光を得ることが可能となる。

さらに、波長変換部材２９が下面よりも上面が小さい円錐台形状であるので、波長変換部材２９の側面２９ａによって、励起光または蛍光が波長変換部材２９内で複数回反射することによって、励起光と蛍光が良好に混合され、出射光の色ムラがさらに低減され得る。

以下に、本発明の実施例５について、図６を用いて説明する。図６は、実施例５の発光装置１０の波長変換装置２３の断面図である。実施例５の発光装置１０は、波長変換装置２３の散乱部材２７及び波長変換部材２９の構成が異なる以外は、実施例１の発光装置１０と同様の構造を有している。

図６に示すように、実施例５の発光装置１０の波長変換装置２３において、散乱部材２７は、保持体２５への搭載面である下面よりも上面が大きい逆円錐台形状を有している。すなわち、散乱部材２７の側面２７ａが上方に向かって広がっている形状を有している。また、波長変換部材２９は、散乱部材２７への載置面である下面よりも上面が小さい円錐台形状を有しており、下面が散乱部材２７の上面よりも大きくなっている。すなわち、波長変換部材２９の側面２９ａが上方に向かって狭まっている形状を有している。

散乱部材２７及び波長変換部材２９をこのような形状とすることで、散乱部材２７より反射部材３１の屈折率が低い場合に、散乱部材２７に入射した光の側面２７ａへの入射角が大きくなり、側面２７ａにおいて全反射が発生しやすくなる。それによって、散乱部材２７に入射した光が、光の出射方向である波長変換装置２３の上方に向けて良好に出射されることで、波長変換装置２３の光取り出し効率を向上させることが可能となる。

さらに、波長変換部材２９を下面よりも上面が小さい円錐台形状とすることで、実施例１、実施例２及び実施例３の波長変換部材２９と異なり、波長変換部材２９の光出射面である上面をより小さく、例えば、散乱部材２７の上面より小さくすることができるので、より光束密度の高い出射光を得ることが可能となる。

また、波長変換部材２９が下面よりも上面が小さい円錐台形状であるので、波長変換部材２９の側面２９ａによって、励起光または蛍光が波長変換部材２９内で複数回反射されることによって、励起光と蛍光が良好に混合され、出射光の色ムラがさらに低減され得る。

上記実施例において、散乱部材２７及び波長変換部材２９は、円柱状または円錐台状としたが、上面視において波長変換部材２９が散乱部材２７よりも大きく、散乱部材２７の外縁よりも外側にまで及んでいるという条件が満たされるならば、散乱部材２７及び波長変換部材２９が他の形状をとることとしてもよい。例えば、矩形等の多角形状の光出射面を形成したい場合には、散乱部材２７及び波長変換部材２９を角柱状または角錐台状とし、楕円形状の光出射面を形成したい場合には、楕円柱状または楕円錐台状とする等、散乱部材２７及び波長変換部材２９は任意の形状とすることができる。

また、上記実施例において、波長変換部材２９の上面及び／または下面が散乱部材２７の上面よりも大きいこととしたが、上面視において波長変換部材２９が散乱部材２７よりも大きく、散乱部材２７の外縁よりも外側にまで及んでいるならば、波長変換部材２９の上面及び／または下面が散乱部材２７の上面よりも大きくともよい。例えば、図７に示すように、波長変換部材２９を、高さ方向における中央部において膨らんだ形状とすることで、上面視において波長変換部材２９が散乱部材２７よりも大きく、散乱部材２７の周囲にまで及んでいる構成としてもよい。

また、上記実施例においては、散乱部材２７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を散乱部材として用いてもよい。

また、上記実施例においては、散乱部材２７及び波長変換部材２９の側面を覆うように反射部材３１を配することとしたが、反射部材３１はなくともよい。反射部材３１が無い場合でも、上面視において波長変換部材２９が散乱部材２７よりも大きく、散乱部材２７の外縁よりも外側にまで及んでいる構成とすることで、散乱部材２７から散乱部材２７の周囲に漏洩した光も波長変換部材２９を通過させることが可能となり、波長変換部材２９を通過しないで発光装置から出射する青色励起光に起因する出射光の色ムラを防止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としたが、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、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。

１０発光装置
１１支持体
１３ステム
１５レンズ
１７円筒部材
１８ステム底部
１９ステム柱体
２１発光素子
２３波長変換装置
２５保持体
２７散乱部材
２９波長変換部材
３１反射部材
３３凹部
３５光入射孔

Claims

光入射孔を有する保持体と、
前記保持体上に前記光入射孔を覆うように搭載されている散乱部材と、
前記散乱部材上に載置されている波長変換部材と、を有し、
前記波長変換部材は、上面視において前記散乱部材の外縁より外側にまで及んでおり、
前記波長変換部材の前記散乱部材上への載置面は、前記散乱部材の前記保持体上への搭載面に対向する面よりも大きいことを特徴とする波長変換装置。
前記散乱部材は、前記保持体上への前記搭載面が前記搭載面に対向する面よりも小さい逆錐台形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。
前記波長変換部材は、前記散乱部材上への前記載置面が前記載置面に対向する面よりも大きい錐台形状を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長変換装置。