JP6741982B2 - 発光素子および照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、基板上に蛍光体層が積層された発光素子およびこれを備える照明装置に関する。

従来、基板上に蛍光体層が積層された発光素子に対して、導光部材により伝送されるレーザー光を励起光として照射することにより、蛍光体層を発光させ、所望の光色に変換して照明する照明装置がある（例えば特許文献１参照）。

特開２０１５−６５１４２号公報

近年、蛍光体層で発生する熱をより効率的に放熱することが望まれている。発光素子を大きくして放熱面積を高めることも考えられるが照明装置自体の大型化を招くことになり好ましくない。

そこで本発明は、発光素子の大型化を抑えつつ、発光素子における放熱効率を高めることを目的とする。

本発明の一態様に係る発光素子は、少なくとも一種類の蛍光体を含む蛍光体層と、蛍光体層よりも熱伝導率の高い基板であって、蛍光体層が１つの主面側に配置された基板と、蛍光体層と基板との間に介在して蛍光体層と基板とを金属接合する接合部とを備え、基板と接合部とには、基板の主面に交差する方向に連続する貫通孔が形成されており、貫通孔は、蛍光体を励起させるための、基板側から入射する励起光の光路である。

本発明によれば、発光素子の大型化を抑えつつ、発光素子における放熱効率を高めることができる。

実施の形態に係る照明装置の概略構成を示す模式図である。 実施の形態に係る発光素子の概略構成を示す断面図である。 実施の形態に係る発光素子の組み立て前の状態を示す断面図である。 変形例１に係る発光素子の概略構成を示す断面図である。 変形例２に係る発光素子の概略構成を示す断面図である。 変形例３に係る発光素子の概略構成を示す断面図である。 変形例４に係る発光素子の概略構成を示す断面図である。

以下では、本発明の実施の形態に係る発光素子について、図面を用いて説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。従って、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態等は、一例であり、本発明を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、同じ構成部材については同じ符号を付している。

以下、実施の形態について説明する。

［照明装置］
まず、実施の形態に係る照明装置について説明する。

図１は、実施の形態に係る照明装置の概略構成を示す模式図である。

図１に示すように、照明装置１は、光源部２と、導光部材３と、発光素子４とを備える。

光源部２は、レーザー光を発生させ、例えば光ファイバーなどの導光部材３を介して発光素子４にレーザー光を供給する装置である。例えば、光源部２は、青紫〜青色（４３０〜４９０ｎｍ）の波長のレーザー光を放射する半導体レーザー素子である。

発光素子４は、導光部材３から伝送され、当該発光素子４の背面側から照射されたレーザー光を励起光として、白色光を表面側に放射する発光素子である。

［発光素子］
以下、発光素子４について詳細に説明する。

図２は、実施の形態に係る発光素子４の概略構成を示す断面図である。

図２に示すように、発光素子４は、基板４１と、接合部４２と、蛍光体層４３とを備えている。

基板４１は、平面視形状が例えば矩形状或いは円形状の基板である。そして基板４１は、蛍光体層４３よりも熱伝導率の高い基板である。これにより、蛍光体層４３から伝導した熱を基板４１から効率的に放熱できるようになっている。具体的には、基板４１は、Ｃｕ、Ａｌなどの金属材料から形成されている。なお、基板４１は、蛍光体層４３よりも熱伝導率が高いのであれば、金属材料以外から形成されていてもよい。金属材料以外の材料としては、ガラス、サファイアなどが挙げられる。また、より放熱性を高めるべく、基板４１に対して、例えば鏡面ヒートシンクなどのヒートシンクを当接して取り付けていてもよい。

蛍光体層４３は、接合部４２を介して基板４１の１つの主面４１１側に配置されている。蛍光体層４３は、平面視形状が基板４１と同じ形状に形成されている。また、蛍光体層４３は、例えば、レーザー光によって励起されて蛍光を発する蛍光体の粒子（蛍光体粒子４３１）を分散状態で備えており、レーザー光の照射により蛍光体粒子４３１が蛍光を発する。このため、蛍光体層４３の外方の主面が発光面となる。

本実施の形態の場合、蛍光体層４３は白色光を放射するものであり、レーザー光の照射によって赤色を発光する第一蛍光体、青色を発光する第二蛍光体、緑色を発光する第三蛍光体の３種類の蛍光体粒子が適切な割合で含まれている。

蛍光体の種類および特性は特に限定されるものではないが、比較的高い出力のレーザー光が励起光となるため、熱耐性が高いものが望ましい。また、蛍光体を分散状態で保持する基材の種類は特に限定されるものではないが、励起光の波長および蛍光体から発光する光の波長に対して透明性の高い基材であることが望ましい。具体的には、ガラス又はセラミックなどからなる基材が挙げられる。

また、蛍光体層４３は、１種類の蛍光体による多結晶体又は単結晶体であってもよい。

接合部４２は、第１電極層４２１と、第２電極層４２２と、金属接合層４２３とを備えている。

第１電極層４２１は、基板４１における蛍光体層４３側の主面４１１に積層されている。第１電極層４２１は、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｔｉなどの金属材料から形成されている。第１電極層４２１は、例えばスパッタリング、メッキなどの周知の製膜方法によって、基板４１の主面４１１に金属材料を製膜することにより形成されている。

第２電極層４２２は、蛍光体層４３における基板４１側の主面４３２に積層されている。第２電極層４２２は、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｔｉなどの金属材料から形成されている。第２電極層４２２は、例えばスパッタリング、メッキなどの製膜方法によって、蛍光体層４３の主面４３２に金属材料を製膜することにより形成されている。

金属接合層４２３は、第１電極層４２１における蛍光体層４３側の主面４２１１および第２電極層４２２における基板４１側の主面４２２１に積層されている。金属接合層４２３は、金属接合可能な金属材料により形成されている。金属接合可能な金属材料とは、例えばＡｕＳｎ系、ＡｕＧｅ系、ＳｎＡｇＣｕ系のはんだ材料などが挙げられる。

ここで、発光素子４の組み立て前の状態について説明する。

図３は、実施の形態に係る発光素子４の組み立て前の状態を示す断面図である。

図３に示すように、発光素子４の組み立て前においては、基板４１に対して第１電極層４２１が予め一体化されていて、蛍光体層４３に対して第２電極層４２２およびはんだ材料４２３ａが予め一体化されている。そして、はんだ材料４２３ａに対して第１電極層４２１を当接させてから、加熱によりはんだ材料４２３ａを溶かして、第１電極層４２１と第２電極層４２２とを金属接合する。これにより、はんだ材料が、第１電極層４２１と第２電極層４２２との間に介在され、第１電極層４２１と第２電極層４２２とを接合する金属接合層４２３となる。

なお、発光素子４の組み立て前において、はんだ材料４２３ａは、第２電極層４２２に予め一体化されていてもよい。また、はんだ材料４２３ａは、第１電極層４２１および第２電極層４２２とは別体であって組み立て時に第１電極層４２１および第２電極層４２２に取り付けられてもよい。

そして、金属接合後においては、図２に示すように基板４１および接合部４２に対して、基板４１の主面４１１の法線方向に連続する貫通孔５が形成されている。この貫通孔５は、蛍光体層４３の蛍光体粒子４３１を励起させるため、基板４１側から入射するレーザー光の光路となる。なお、貫通孔５は、金属接合後に形成されなくとも、金属接合前に基板４１、第１電極層４２１、はんだ材料４２３ａ及び第２電極層４２２に予め形成していてもよい。

ここで、貫通孔５は、主面４１１に交差する方向ならば如何なる方向に連続していてもよい。また、貫通孔５は、レーザー光の進行を妨げないのであれば如何なる形状であってもよい。

［照明装置の動作］
次に、照明装置１の動作について説明する。

光源部２から導光部材３を介してレーザー光が発光素子４の貫通孔５内に照射されると、レーザー光は貫通孔５を通過して蛍光体層４３に進入する。蛍光体層４３内で蛍光体粒子４３１に当たったレーザー光は、蛍光体粒子４３１によって白色光に変換されて、蛍光体層４３から放射される。

レーザー光の照射中においては、蛍光体粒子４３１は発熱するが、その熱は、接合部４２を介して、基板４１に伝わって放熱される。

［効果など］
以上のように、本実施の形態によれば、照明装置１は、発光素子４と、発光素子４の蛍光体粒子４３１を励起するための励起光を照射する光源部２とを備えている。そして、発光素子４は、少なくとも一種類の蛍光体粒子４３１を含む蛍光体層４３と、蛍光体層４３よりも熱伝導率が高く、蛍光体層４３が１つの主面４１１側に配置された基板４１と、蛍光体層４３と基板４１との間に介在して蛍光体層４３と基板４１とを金属接合するための接合部４２とを備えている。基板４１と接合部４２とには、基板４１の主面４１１に交差する方向に連続する貫通孔５が形成されている。貫通孔５は、蛍光体粒子４３１を励起させるため、基板４１側から入射するレーザー光の光路となる。

ここで、蛍光体層４３と、基板４１とを樹脂によって接着した場合、その樹脂が熱的に障壁となって放熱効率が低下してしまう。しかし、上述したように、蛍光体層４３よりも熱伝導率の高い基板４１と、蛍光体層４３とが接合部４２によって金属接合されているので、蛍光体層４３から基板４１へスムーズに伝熱することができ、放熱効率を高めることができる。

そして、基板４１と接合部４２とには、基板４１側から入射するレーザー光の光路となる貫通孔５が形成されているので、レーザー光の進行方向に白色光を放出することができる。また、基板４１の背面側に光源部２および導光部材３を配置することができるので、照明装置１全体をコンパクトにすることができる。

なお、放熱効率をより高めるには、接合部４２の全体的な熱伝導率を蛍光体層４３より高くすればよい。具体的には、接合部４２をなす第１電極層４２１、第２電極層４２２及び金属接合層４２３のそれぞれを、蛍光体層４３よりも熱伝導率が高い材料で形成すればよい。

また、接合部４２は、基板４１における主面４１１に積層された第１電極層４２１と、蛍光体層４３における基板４１側の主面４３２に積層された第２電極層４２２と、第１電極層４２１と第２電極層４２２との間に介在され、第１電極層４２１と第２電極層４２２とを接合する金属接合層４２３と、を有する。

このように、金属接合層４２３が第１電極層４２１と第２電極層４２２とによって挟まれているので、製造時に第１電極層４２１と第２電極層４２２とに電流を印加することで、金属接合層４２３による金属接合を容易に実現することができる。

［変形例１］
次に、本実施の形態に係る変形例１について説明する。

図４は、変形例１に係る発光素子４Ａの概略構成を示す断面図であり、具体的には図２に対応した図である。なお、以降の説明においては、実施の形態に係る発光素子４と同等の部分には同じ符号を付してその説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

図４に示すように、変形例１の発光素子４Ａは、上記実施の形態の発光素子４に対して反射層４４を追加したものである。具体的には反射層４４は、蛍光体層４３における基板４１側の主面４３２に対して、貫通孔５を覆うように積層されている。つまり、反射層４４は、蛍光体層４３と接合部４２との間に介在している。そして、反射層４４は、レーザー光を透過し、かつ蛍光体粒子４３１から放射された光を反射するダイクロイックミラーであり、例えば誘電体多層膜である。

このような反射層４４が発光素子４Ａに設けられているので、貫通孔５から入射したレーザー光を遮らず蛍光体層４３に進入させることができる。また、蛍光体粒子４３１から発せられた白色光を反射層４４で反射させて、蛍光体層４３の外方へと放出することができる。つまり、反射層４４がなければ接合部４２で吸収され得る白色光を、反射層４４によって外方へと放出することができるので、発光効率を高めることができる。また、白色光を吸収することによる発熱も抑制することができる。

［変形例２］
次に、本実施の形態に係る変形例２について説明する。

図５は、変形例２に係る発光素子４Ｂの概略構成を示す断面図であり、具体的には図４に対応した図である。

図５に示すように、変形例２の発光素子４Ｂは、変形例１の発光素子４Ａに対して反射抑制層４５を追加したものである。具体的には反射抑制層４５は、反射層４４における基板４１側の主面４４１に対して、貫通孔５を覆うように積層されている。反射抑制層４５は、レーザー光を透過し、かつ当該透過したレーザー光が反射層４４の主面４４１で反射することを抑制する。反射抑制層４５としては、例えばＡＲコート層が挙げられる。ＡＲコート層は、反射層４４よりも屈折率の低い材料により形成されている。

このような反射抑制層４５が設けられているので、貫通孔５から入射したレーザー光が反射層４４の主面４４１で反射して戻り光となってしまうことを抑制することができ、発光効率を高めることができる。なお、反射抑制層４５は、反射層４４の主面４４１における貫通孔５を覆う領域のみに設けてもよいし、レーザー光が照射される領域にのみ設けてもよい。

［変形例３］
次に、本実施の形態に係る変形例３について説明する。

図６は、変形例３に係る発光素子４Ｃの概略構成を示す断面図であり、具体的には図２に対応した図である。

図６に示すように、変形例３の発光素子４Ｃは、蛍光体粒子４３１が蛍光体層４３ｃにおける基板４１側に配置されている。蛍光体層４３ｃは、二層構造になっており、例えばガラスなどの透過性の板材からなる第１層４３３に対して、多数の蛍光体粒子４３１を含有する無機バインダ４３５を積層することで第２層４３４を形成している。第２層４３４が基板４１側に配置され、第１層４３３が基板４１とは反対側に配置されることにより、蛍光体粒子４３１が蛍光体層４３ｃにおける基板４１側に配置されている。

このように、蛍光体粒子４３１が蛍光体層４３ｃにおける基板４１側に偏って配置されているので、いずれの蛍光体粒子４３１と基板４１との間隔を狭めることができる。このため、基板４１側に効率的に伝熱することができる。

また、蛍光体層４３ｃが二層構造であるので、蛍光体粒子４３１を含有する第２層４３４を第１層４３３で保護することも可能である。

なお、蛍光体層４３ｃを二層構造にしなくとも、蛍光体層を形成する際に、当該蛍光体層の一方の主面側に蛍光体粒子を凝集させて、当該主面を基板４１側に配置してもよい。

［変形例４］
次に、本実施の形態に係る変形例４について説明する。

図７は、変形例４に係る発光素子４Ｄの概略構成を示す断面図であり、具体的には図２に対応した図である。

上記実施の形態では、接合部４２が第１電極層４２１、第２電極層４２２および金属接合層４２３を備えている場合を例示して説明した。この変形例４の発光素子４Ｄは、焼結された銀ナノ粒子によって接合部４２ｄが形成されている。

図５に示すように、接合部４２ｄは蛍光体層４３と基板４１との間に介在している。前述したように接合部４２ｄは、銀ナノ粒子を焼結して形成されているので、第１電極層４２１と、第２電極層４２２とがなくとも、金属接合することが可能である。また銀ナノ粒子は、焼結されることにより反射率が高められているので、反射層としても機能することができる。

［その他の実施の形態］
以上、本発明に係る照明装置について、上記実施の形態および変形例１〜４に基づいて説明したが、本発明は、上記の実施の形態および各変形例に限定されるものではない。

上記実施の形態および各変形例では、発光素子４が照明装置１に適用された場合を例示して説明したが、発光素子４は、その他の照明系に用いることも可能である。その他の照明系としては、例えば、プロジェクタ、車載用ヘッドライト等が挙げられる。プロジェクタに適用される場合、発光素子４は蛍光体ホイールとして用いられる。

また、蛍光体層４３における主面４３２とは反対側の面、つまり光出射側の面に対して、例えばＡＲコート層などの反射抑制層を積層してもよい。これにより、光取り出し効率を高めることが可能である。

その他、実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で実施の形態および各変形例における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。

１ 照明装置
２ 光源部
４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ 発光素子
５ 貫通孔
４１ 基板
４２，４２ｄ 接合部
４３，４３ｃ 蛍光体層
４４ 反射層
４５ 反射抑制層
４１１ 主面
４２１ 第１電極層
４２２ 第２電極層
４２３ 金属接合層
４３１ 蛍光体粒子（蛍光体）

Claims (5)

1. 少なくとも一種類の蛍光体を含む蛍光体層と、
   前記蛍光体層よりも熱伝導率の高い基板であって、前記蛍光体層が１つの主面側に配置された基板と、
   前記蛍光体層と前記基板との間に介在して前記蛍光体層と前記基板とを金属接合する接合部とを備え、
   前記基板と前記接合部とには、前記基板の前記主面に交差する方向に連続する貫通孔が形成されており、
   前記貫通孔は、前記蛍光体を励起させるための、前記基板側から入射する励起光の光路であり、
   前記蛍光体は、前記蛍光体層における前記基板側に偏って配置されており、
   前記接合部は、
   前記基板における前記主面に積層された第１電極層と、
   前記蛍光体層における前記基板側の主面に積層された第２電極層と、
   前記第１電極層と前記第２電極層との間に介在され、前記第１電極層と前記第２電極層とを接合する金属接合層と、を有し、
   前記第１電極層、前記第２電極層及び前記金属接合層は、前記貫通孔の全周を囲っている
   発光素子。
2. 前記蛍光体層における前記基板側の主面には、前記励起光を透過し、かつ前記蛍光体から放射された光を反射する反射層が、前記貫通孔を覆うように積層されている
   請求項１に記載の発光素子。
3. 前記反射層における前記基板側の主面には、前記励起光を透過し、かつ当該透過した前記励起光が前記反射層で反射することを抑制する反射抑制層が、前記貫通孔を覆うように積層されている
   請求項２に記載の発光素子。
4. 前記蛍光体は、前記蛍光体層における前記基板側のみに配置されている
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の発光素子。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の発光素子と、
   前記発光素子の前記蛍光体を励起するための励起光を照射する光源部と、を備える
   照明装置。

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