JP6565755B2

JP6565755B2 - 発光装置

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Publication number: JP6565755B2
Application number: JP2016061390A
Authority: JP
Inventors: 利章山下
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2016-03-25
Filing date: 2016-03-25
Publication date: 2019-08-28
Anticipated expiration: 2036-03-25
Also published as: JP2017175036A; US10024505B2; US20170276299A1

Description

本発明は、発光装置に関する。

従来から、蛍光体含有部材を備えるレーザ装置が発光装置として種々提案されている（特許文献１、２等）。

特開２０１５−１９０４０号公報特開２０１１−１２３３６８号公報

しかし、従来のレーザ装置において、レーザ光は中心部の強度が極めて高いため、蛍光体を通過した光に色むらが生じる。

本願は、上記問題に鑑みてなされたものであり、レーザ素子を用いた発光装置において、色むらを低減することができる発光装置を提供することを目的とする。

本願は、以下の発明を含む。
半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子から出射されるレーザ光が通過する貫通孔が設けられた支持部材と、
前記貫通孔の内壁に固定された側面、前記レーザ光が入射する第１主面、該第１主面の対向面である第２主面及び中心から周縁に向かって薄膜となるように傾斜し、第２主面及び前記側面と連結する傾斜面を有する波長変換部材とを備え、
前記傾斜面は、前記第２主面側からの平面視において、前記第１主面における前記レーザ光が照射される領域と部分的に重なる位置に配置されていることを特徴とする発光装置である。

本開示によれば、レーザ素子を用いた発光装置において、色むらを低減することができる発光装置を提供することができる。

発光装置の一実施形態を説明するための概略断面図である。図１Ａの発光装置に用いられる支持部材の変形例を示す概略断面図である。図１Ａの発光装置に用いられる別の支持部材の変形例を示す概略断面図である。図１Ａの発光装置に用いられる波長変換部材の斜視図である。発光装置の別の実施形態を説明するための概略断面図である。発光装置の別の実施形態を説明するための概略断面図である。

以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための例示であって、本発明を以下に限定するものではない。また、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするために誇張していることがある。さらに、同一の名称、符号については、原則として同一もしくは同質の部材を示しており、重複した説明は適宜省略する。

実施形態１
本実施形態の発光装置１０は、図１に示すように、半導体レーザ素子１１と、支持部材１３と、波長変換部材１４とを備える。
支持部材１３は、波長変換部材１４を支持するための部材であり、半導体レーザ素子１１から出射されるレーザ光が通過する貫通孔１２が設けられている。
波長変換部材１４は、側面１４ａ、第１主面１４ｂ、第１主面１４ｂの対向面である第２主面１４ｃ及び傾斜面１４ｄを有する。側面１４ａは、貫通孔１２の内壁に固定されている。第１主面１４ｂは、レーザ光が入射する面である。傾斜面１４ｄは、中心から周縁に向かって薄膜となるように傾斜し、第２主面１４ｃと側面１４ａとの双方に連結する。
また、この発光装置１０では、さらに透光部材１５を、波長変換部材１４の第２主面１４ｃ側に備えていてもよい。この場合、透光部材１５は、第２主面１４ｃに一部接触して配置されており、貫通孔１２の内壁、傾斜面１４ｄ及び透光部材１５に囲まれて、空隙１６が配置されている。

発光装置１０は、このような構成を備えることにより、中心部における半導体レーザ素子１１からの光（例えば青色光）の色味を有効に弱めることができる。つまり、仮に波長変換部材が同じ厚みであれば、発光装置から取り出される光は、レーザ光の出力分布に応じて、中心部で半導体レーザ素子１１からの光が強く、相対的に周縁で波長変換光（例えば黄色光）が強いという分布になる。そこで、波長変換部材１４を、高い出力分布の部位で厚くし、比較的低い出力分布の部位で薄くする。これにより、レーザ光の出力分布における比較的高出力の部位では蛍光体が厚み方向に多くなるため波長変換が多く、比較的低出力の部位では蛍光体が厚み方向に少なくなるため波長変換が少なくなる。加えて、傾斜面１４ｄを設けることにより、波長変換部材１４中の光を第２主面１４ｃに向かう方向に反射することができる。これにより、第２主面１４ｃから出射する光を、傾斜面１４ｄで反射された光が混ざった混合光とすることができる。その結果、有効に色むらの改善を図り、所望の色の光（例えば白色光）を比較的均一な光分布で得ることが可能となる。

（半導体レーザ素子１１）
半導体レーザ素子１１は、レーザ光を発振することができるものであれば、特に制限なく使用することができる。例えば、３００ｎｍ〜５００ｎｍの発光ピーク波長を有するものが挙げられ、４３０ｎｍ〜４７０ｎｍ又は４００ｎｍ〜４７０ｎｍが好ましく、４２０ｎｍ〜４７０ｎｍがより好ましい。このような波長帯のレーザ光は、ＹＡＧ系蛍光体の励起に適している。このような波長帯のレーザ光を出射するレーザ素子としては、窒化物半導体を用いたレーザ素子が挙げられる。
１つの発光装置に、複数の半導体レーザ素子を備えていてもよい。

（支持部材１３）
支持部材１３は、波長変換部材１４を支持するために、下方（半導体レーザ素子１１が出射するレーザ光が入射する光入射側）から上方（光出射側）に向かって広がる貫通孔１２を有する。貫通孔１２が上方に向かって広がるように形成されていることにより、波長変換部材１４から下方に進行する一部の光を反射させて上方に取り出すことができる。言い換えると、支持部材１３の貫通孔１２が光の進行方向に沿って拡がる、つまり、貫通孔１２の直径又は長さが主要な光の進行方向に沿って大きくなっており、貫通孔１２がテーパ形状を構成する面を有することを意味する。

貫通孔１２は、支持部材１３の上方からの平面視において、円、楕円、多角形等の種々の形状とすることができる。レーザ光のスポットの形状は楕円形状であるから、なかでも、円又は楕円であることが好ましい。貫通孔１２は、下方から上方に向かう全部において、断面の直径が徐々に大きくなる形状でもよいし（図１Ａ参照）、また、貫通孔１２Ｂ、１２Ｃは、その一部のみが徐々に大きくなる形状であってもよい（図１Ｂ、図１Ｃ参照）。

貫通孔１２の大きさは、最も小さい部位（つまり、レーザ光の入射側）において、例えば、上述した半導体レーザ素子１１が出射するレーザ光の光軸を含む。貫通孔１２のレーザ光の入射側の大きさは、レーザ光のスポットの全部を含むことができる大きさ以上であることが好ましい。これにより、レーザ光の略全部を貫通孔１２に導入することができる。具体的には、レーザ光のスポットの１倍〜１０倍が挙げられ、１．５倍〜５倍が好ましい。また、貫通孔１２の大きさは、最も大きい部位（つまり、光出射側）において、レーザ光のスポットの２倍〜１２倍が挙げられ、２．５倍〜６倍が好ましい。これにより、貫通孔１２から外部へ取り出される光の輝度の低下を抑制することができる。
貫通孔１２の下方から上方に向かって広がる程度は、用いる波長変換部材の形状によって適宜設定することができる。貫通孔１２は、部分的に、波長変換部材の側面の形態と一致する部位を含むことが好ましい。これにより、波長変換部材との接触面積を向上させて、強固な固定を実現することができる。

支持部材１３は、貫通孔１２を有する平板状の形状であってもよいし、貫通孔を有する平板の周縁部において、平板を支持する筒状の部位を有していてもよい。例えば、図１に示すように、半導体レーザ素子１１が出射するレーザ光の光軸をとほぼ同軸に形成された貫通孔１２を有する円盤状の台座部１３ａと、台座部１３ａの下面、つまり、半導体レーザ素子１１側の面において、その周縁部を支持する円筒形状のスリーブ部１３ｂとを有していてもよい。台座部１３ａと、スリーブ部１３ｂとは、一体として形成されていてもよいし、別体を接合したものでもよい。

支持部材１３の材料としては、セラミックや金属が挙げられる。セラミックとしては、例えばアルミナが挙げられる。金属としては、例えば、鉄、ニッケル、コバルト、アルミニウム及びそれらの合金、例えば、ステンレス鋼、Ｎｉ−Ｆｅ合金、コバール等が挙げられる。支持部材１３は、例えば、スリーブ部１３ｂをセラミックで構成し、台座部１３ａを金属で構成することができる。貫通孔１２の壁面には、例えば、銀を含む材料からなる反射層を設けてもよい。これにより光の取り出し効率をさらに向上させることができる。

（波長変換部材１４）
波長変換部材１４は、半導体レーザ素子１１からの光を波長変換するための部材である。波長変換部材１４は、少なくとも蛍光体（第１蛍光体）を含み、例えば半導体レーザ素子１１からの光をそれよりも長波長の光に波長変換する。
波長変換部材１４は、図１及び図２に示すように、側面１４ａと、第１主面１４ｂ、第１主面１４ｂの対向面である第２主面１４ｃ及び傾斜面１４ｄを有する。
側面１４ａは、貫通孔１２の内壁に固定されている。
第１主面１４ｂは、レーザ光が入射する面であり、第２主面１４ｃは、第１主面１４ｂの対向面である。第２主面１４ｃから出射する光が発光装置１０の発光として利用される。第１主面１４ｂ及び第２主面１４ｃは、いずれも平坦であることが好ましい。また、第１主面１４ｂ及び第２主面１４ｃは、実質的に互いに平行であることが好ましい。さらに、波長変換部材１４は、第１主面１４ｂ及び第２主面１４ｃが半導体レーザ素子１１の出射するレーザ光の光軸に実質的に垂直に交わるように、支持部材１３に固定されることが好ましい。

傾斜面１４ｄは、中心から周縁に向かって薄くなるように傾斜している。ここで、中心及び周縁とは、波長変換部材１４を光出射面側から見た平面視、つまり、第２主面側からの平面視において、その中心及び周縁を意味する。この平面視は、透過して観察される場合も包含する。傾斜面１４ｄは、第２主面１４ｃと側面１４ａとの双方に連結されている。傾斜面１４ｄは、第２主面１４ｃ側からの平面視において、第２主面１４ｃの一部のみを囲むように配置されていてもよいが、全部を囲むように配置されていることが好ましい。これにより、全周囲で傾斜面１４ｄによって色むらを低減することができる。傾斜面１４ｄは、例えば、第２主面１４ｃ側からの平面視において、波長変換部材１４の面積の１０％〜９０％の面積を占有し、好ましくは２０％〜８０％、さらには３０％〜７０％の面積を占有することがより好ましい。

傾斜面１４ｄは、平面であることが好ましい。すなわち、第２主面１４ｃと垂直な方向における断面視において、直線的な傾斜面であることが好ましい。その場合の第２主面１４ｃに対する角度、すなわち傾斜面１４ｄと第２主面１４ｃとがなす角度は、第２主面１４ｃに対して、９０°より大きければよく、例えば、１００°以上、１１５°以上、１２０°以上であることが好ましく、１７５°以下、１６０°以下、１５０°以下であることが好ましい。具体的には、９０°より大きく１７５°以下、１００°〜１６０°、１１０°〜１６０°が挙げられる。このような傾斜面により、第１主面１４ｂからの光を第２主面１４ｃに向かう方向に反射させることができ、第２主面１４ｃから取り出すことができる。
傾斜面１４ｄは、側面１４ａと傾斜面１４ｄとの結合部位から第２主面１４ｃまでの高さ（図１ＡのＨ）が、波長変換部材１４の最大厚みの１０〜７０％であることが好ましく、２０〜４０％がより好ましい。これにより、波長変換部材における傾斜面１４ｄのバランスをはかり、色むらを効果的に低減することができる。例えば、波長変換部材１４の最大厚みは、５０〜５００μｍが挙げられる。傾斜面の高さＨは、５〜３５０μｍが挙げられる。

また、傾斜面１４ｄは、平面視において透過して観察する場合、その中心側の端部が、第１主面１４ｂの端部よりも中心側に配置されていることが好ましい。このとき、第２主面１４ｃの端部、つまり、第２主面１４ｃと傾斜面１４ｄとの連結部が、平面視において透過して観察する場合に、第１主面１４ｂの９０％の面積の同心形状よりも中心側、８０％の面積の同心形状よりも中心側、６０％の面積の同心形状よりも中心側に配置されていることが好ましい。これにより、傾斜面１４ｄによって画定される後述する空隙において光のトラップを低減することができる。

傾斜面は、第２主面側からの平面視において、第１主面におけるレーザ光が照射される領域と部分的に重なる位置に配置されている。傾斜面は、レーザ光の中心部の直上、つまり、強度が最大値を示す部分の直上を除く位置に配置すればよい。具体的には、レーザ光の最大強度の９０％以上の強度を示す部分の直上を除く位置、さらには５０％以上の強度を示す部分の直上を除く位置に、傾斜面１４ｄを配置することが好ましい。

波長変換部材１４は、実質的に蛍光体のみで形成してもよいし、蛍光体とそれらを結着するバインダとにより形成してもよい。蛍光体は、例えば、ＹＡＧ系蛍光体が挙げられる。２種以上の蛍光体を用いてもよい。なかでも、レーザ光に対する耐久性が高く、青色レーザと組み合わせて白色光を得ることができるという観点から、ＹＡＧ系蛍光体が好ましい。バインダは無機材料であることが好ましい。これにより、レーザ素子から出射される光に起因するバインダの劣化、変色等を抑制することができる。無機材料としては、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、ＢａＯ、ガラス等が挙げられる。蛍光体は、波長変換部材１４の総重量に対して、例えば０．０５重量％〜１００重量％、より具体的には５重量％〜３０重量％で含有させることができる。

波長変換部材１４は貫通孔１２を塞ぐようにして設けられる。波長変換部材１４は、例えば、その全体が貫通孔１２の内に収容されるように配置する。

第１主面１４ｂ及び／又は第２主面１４ｃには、必要に応じて、機能性膜が設けられていてもよい。波長変換部材１４は、蛍光体、バインダ、必要に応じて光散乱材などの成分を混合し、焼結などの公知の方法に従って、所望の形状及び大きさで成形したものを用いることができる。波長変換部材１４は、貫通孔１２の内壁に、自体の溶融により、または低融点ガラスなどの接合部材を介して、支持部材１３に固定することができる。

（透光部材１５）
図１Ａに示すように、波長変換部材１４の第２主面１４ｃ側に透光部材１５を設けてもよい。透光部材１５は、波長変換部材１４からの光を透過することができ、かつ支持部材１３に固定することができるものが好ましい。透光部材１５は、波長変換部材１４の第２主面１４ｃを部分的に又は全体的に被覆する。透光部材１５は、波長変換部材１４から離間していてもよいが、波長変換部材１４に接していることが好ましい。支持部材１３に固定された透光部材１５が波長変換部材１４に接していることにより、波長変換部材１４の熱を、透光部材１５を経由して支持部材１３へ放熱させることができる。また、透光部材１５は、貫通孔１２外に配置されていてもよいし、部分的に貫通孔１２からはみ出していてもよく、また、全部が貫通孔１２内に配置されていてもよい。

透光部材１５は、フィルム状、シート状又は平板状等の平坦な形状であることが好ましいが、波長変換部材１４側の第３主面及び／又はこの第３主面とは反対側の第４主面の一部又は全部において凹凸があってもよい。いずれの場合においても、第３主面と第４主面とは、実質的に平行であることが好ましい。
光の取り出し効率を向上させるためには、透光部材１５は薄いことが好ましい。透光部材１５の最大膜厚は、例えば、波長変換部材の最大膜厚よりも薄い。

透光部材１５は、光を散乱させる性質を有することが好ましい。これにより、発光装置１０の発光の色むらをさらに低減させることができる。例えば、透光部材１５は、蛍光体（第２蛍光体）を含んでいてもよい。第２蛍光体は第１蛍光体と異なるものを選択することができ、第２蛍光体は、半導体レーザ素子１１からの光及び／又は波長変換部材１４からの蛍光によって励起可能なものを選択する。例えば、波長変換部材１４が黄色蛍光体を有し、透光部材１５が赤色蛍光体を有する。２種以上の蛍光体を用いてもよい。第２蛍光体の含有量は、例えば、透光部材１５の総重量に対して、例えば０．０５重量％〜５０重量％が挙げられ、１重量％〜１５重量％であることが好ましい。特に、波長変換部材１４に含まれる蛍光体重量よりも少ない量（つまり、単位体積あたりの重量が少ない）ことが好ましい。
透光部材１５は、光散乱材を含んでいてもよい。

透光部材１５は、ガラスなどの材料に蛍光体、光散乱材などの任意の成分を必要に応じて配合したものを所定の形状及び大きさに成形したものを用いることができる。透光部材１５を構成する主材料としては、ソーダガラス（又はソーダ石灰ガラス）、ホウ珪酸ガラス、鉛ガラス等のガラスが挙げられる。

（空隙１６）
発光装置１０では、支持部材１３の貫通孔１２に、波長変換部材１４を配置させることにより、貫通孔１２の内壁と傾斜面１４ｄとの間に空隙１６が配置される。さらに透光部材１５が配置される場合は、空隙１６は貫通孔１２の内壁、傾斜面１４ｄ及び透光部材１５に囲まれたものである。空隙１６の大きさ及び形状は、主として、支持部材１３の貫通孔１２の形状及び波長変換部材１４の傾斜面の形態によって適宜調整することができる。なお、この空隙１６には、空気等の気体が充填されていることが好ましい。

レーザ光の中心部における半導体レーザ素子からの光（例えば青色光）の色味を弱めるためには、波長変換部材において、レーザ光の中心部に相当する部位において、蛍光体濃度を高くすればよい。しかし、一様に蛍光体濃度を高くすると、中心部以外の部位で、半導体レーザ素子からの光に対する蛍光体の発光の比率が強くなり、色むらが改善できない。また、１つの波長変換部材において蛍光体濃度を変動させることは、製造が困難である。特に、レーザ光は高エネルギーであるために、その材料に制約がある。
そこで、上述したような空隙１６を配置する。すなわち波長変換部材１４の第２主面１４ｃ側の周縁部分を除去し、中心から周縁に向かって薄膜となるように傾斜させる形状とする。これにより、波長変換部材１４の中央付近の全厚み方向の蛍光体含有量と、周縁付近の全厚み方向の蛍光体含有量とを変動させることができるため、色むらを効果的に改善することができる。言い換えると、中心部で波長変換された光の強度が大きく、周辺部で小さいという、レーザ光の出力分布に適合した、蛍光体の分布を実現することができる。

また、空隙１６の配置を実現するために、波長変換部材１４のみを加工するという極簡便な手法によって、適所に空隙１６を配置することができる。

さらに、板状の波長変換部材を用い、上述したような空隙が配置されない構造では、貫通孔を設けた支持部材に光が滲み出し、貫通孔の周囲も鈍い光を放つが、空隙１６を設けることで、このような光の漏れを緩和することができる。つまり、傾斜面１４ｄと接する空隙１６を設けることにより、波長変換部材１４から出射される光が、傾斜面１４ｄで反射されやすくなる。これにより、中心部に光を集めることができ、輝度向上を図ることができる。

（その他の部材）
発光装置１０においては、半導体レーザ素子１１は、上述した支持部材１３等とともに、パッケージ形態で用いられる。つまり、半導体レーザ素子１１は、ヒートシンク２１を用いて板状のステム２２に固定されており、半導体レーザ素子１１を含む。内部空間２３は、ステム２２と支持部材１３によって密閉されている。ステム２２には、外部電力と電気的に接続するための複数のリード端子２４がそれぞれステム２２に設けた複数の貫通孔２５を通して配置されている。貫通孔２５は、低融点ガラスなどの材料から構成される封止材でさらに密閉することができる。半導体レーザ素子１１は、ワイヤー等の導電部材を介してリード端子２４と電気的に接続されている。半導体レーザ素子１１と波長変換部材１４との間には、例えば、レーザ光を集光させることのできるレンズなどの部材を設けてもよい。レーザ光が光ファイバを経由する場合は、光ファイバ中を伝搬することでレーザ光の中心と外周の強度差が緩和されやすい。しかし、レーザ光が光ファイバを介さずに波長変換部材１４に照射される構造であれば、レーザ光は中心と外周の強度差が大きいまま照射されやすい。このため、特に、光ファイバを用いない場合に傾斜面１４ｄを設けることが好ましい。あるいは、発光装置１０の外部には、発光装置１０から出射したレーザ光と蛍光との混色光の配向を制御するレンズを設けてもよい。

実施形態２
この実施形態の発光装置３０は、図３Ａ及び３Ｂに示すように、半導体レーザ素子１１と波長変換部材１４との間に光ファイバ３１が配置されている。これにより、半導体レーザ素子１１からの光を、光ファイバ３１を通して波長変換部材１４に伝搬して波長変換部材１４に照射することができる。よって、両者の相対的な位置関係を比較的自由に設計することができる。光ファイバ３１は、例えば、石英ガラスから構成することができる。
光ファイバ３１の端部、つまり、半導体レーザ素子１１側の端部には、図３Ａに示すように、光ファイバ３１と半導体レーザ素子１１又はこれを含むデバイスとの接続を容易にするためにコネクタ３３が配置されている。コネクタ３３と半導体レーザ素子１１又はこれを含むデバイスとの間には、例えば、レンズ３４等が配置されていてもよい。
図３Ｂに示すように、光ファイバ３１の他の端部、つまり、光ファイバ３１の波長変換部材１４側の端部は、支持部材１３と接続するために先端部材３２が配置されている。先端部材３２は、光ファイバ３１の外周を取り囲むように配置されている。

本開示の発光装置は、波長変換した光が求められる種々の用途、特に高出力の白色光が求められる用途において利用することができる。例えば、内視鏡装置及びファイバスコープ用の照明装置、屋内外で用いられる照明装置、車輌用の照明装置（例えば、ヘッドライトなど）の光源として利用することができる。

１０、３０発光装置
１１半導体レーザ素子
１２貫通孔
１２Ｂ貫通孔
１２Ｃ貫通孔
１３支持部材
１３ａ台座部
１３ｂスリーブ部
１４波長変換部材
１４ａ側面
１４ｂ第１主面
１４ｃ第２主面
１４ｄ傾斜面
１５透光部材
１６空隙
２１ヒートシンク
２２ステム
２３内部空間
２４リード端子
２５貫通孔
３１光ファイバ
３２先端部材
３３コネクタ
３４レンズ
Ｈ高さ

Claims

半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子から出射されるレーザ光が通過する貫通孔が設けられた支持部材と、
前記貫通孔の内壁に固定された側面、前記レーザ光が入射する第１主面、該第１主面の対向面である第２主面及び中心から周縁に向かって薄膜となるように傾斜し、第２主面及び前記側面と連結する傾斜面を有する波長変換部材とを備え、
前記傾斜面は、前記第２主面側からの平面視において、前記第１主面における前記レーザ光が照射される領域と部分的に重なる位置に配置されていることを特徴とする発光装置。
さらに、前記波長変換部材の第２主面側に配置された透光部材と、
前記貫通孔の内壁、前記傾斜面及び前記透光部材に囲まれた空隙とを備える請求項１に記載の発光装置。
前記波長変換部材は、第１蛍光体を含有し、前記透光部材は、第１蛍光体とは異なる第２蛍光体を含有する請求項２に記載の発光装置。
前記波長変換部材は、前記透光部材の最大膜厚よりも大きな最大膜厚を有する請求項３に記載の発光装置。
前記傾斜面は、前記第２主面側からの平面視において、前記第２主面を囲むように配置されている請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光装置。
前記傾斜面は、平面である請求項１〜５のいずれか１項に記載の発光装置。
前記第２主面と垂直な方向における断面視において、前記傾斜面と前記第２主面とがなす角度が９０°より大きく１７５°以下である請求項１〜６のいずれか１項に記載の発光装置。
前記傾斜面は、前記第２主面側からの平面視において、前記波長変換部材の面積の２０〜８０％の面積を占有する請求項１〜７のいずれか１項に記載の発光装置。