JP6909695B2

JP6909695B2 - 波長変換部材および光源モジュール

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Publication number: JP6909695B2
Application number: JP2017192537A
Authority: JP
Inventors: 雄壮前野
Original assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2017-10-02
Filing date: 2017-10-02
Publication date: 2021-07-28
Anticipated expiration: 2037-10-02
Also published as: CN111149024B; CN111149024A; WO2019069871A1; JP2019066680A

Description

本発明は、波長変換部材および光源モジュールに関する。

ＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）や半導体レーザを光源として、蛍光体材料を含有した波長変換部材で波長変換して白色光を得る発光装置が用いられている。これらの発光装置では、光源から青色光や紫外光などの一次光を発光して波長変換部材に照射し、波長変換部材に含有された蛍光体が一次光により励起されて黄色光などの二次光を発光し、一次光と二次光が混色して白色光が外部に照射される。

特許文献１には、半導体レーザを光源として用いた車両用灯具が提案されている。光源として半導体レーザを用いると、大出力で波長幅の狭い一次光を得られるが、指向性が非常に強く光が照射される領域が小さいという特徴がある。したがって、光源としてＬＥＤを用いる場合と比較すると、波長変換部材の極めて小さい領域に大出力の一次光が照射されて白色光を出射し、指向性が高い発光装置が得られる。

特許文献２には、波長変換部材の周囲に光拡散反射部材を隣接させた光学部材を備え、半導体レーザからの一次光を波長変換部材に照射し、波長変換部材の側面から外部に向かう二次光を光拡散反射部材で反射する光半導体発光装置が記載されている。この従来技術では、波長変換部材に照射されて散乱された一次光と波長変換された二次光のうち、側方から外部に向かう光を再び波長変換部材方向に戻すため、一次光の利用効率と二次光の指向性をさらに高めることができる。

図７は従来の光学部材の構造を模式的に示す断面図であり、図７（ａ）は光拡散反射部材として樹脂を用いた例を示し、図７（ｂ）は光拡散反射部材としてセラミクスを用いた例を示している。図７（ａ）（ｂ）に示すように、従来の光学部材は波長変換部材１と、光拡散反射部材２とを備え、波長変換部材１の周囲に隣接して光拡散反射部材２を配置している。図７（ａ）に示した例では、光拡散反射部材２として低屈折率の樹脂３中に高屈折率の光散乱粒子４を分散している。図７（ｂ）に示した例では、光拡散反射部材２としてセラミクス材料５を用いており、セラミクス材料５の内部には多結晶粒界と気泡６が含まれている。これらの従来技術では、樹脂３と光散乱粒子４の屈折率差や、セラミクス材料５と気泡６の屈折率差で一次光および二次光を散乱反射している。

特開２０１２−２２１６３３号公報特開２０１５−０２３２１５号公報

しかし、図７（ａ）に示した樹脂３を用いた従来技術では、短波長の光である一次光が照射されることによる樹脂３の劣化や、波長変換部材１での波長変換に伴う熱による樹脂３の劣化が問題となり、樹脂３の耐久性を向上することが困難であった。また、図７（ｂ）に示したセラミクス材料５を用いた従来技術では、セラミクス材料５の焼結体の密度が高く、セラミクス材料５中に含まれる気泡６の密度が低いため、屈折率差で光を散乱できる界面が少なくなり、反射率を向上させることが困難であった。

そこで本発明は、耐久性に優れるとともに良好に一次光と二次光を反射できる光反射部を備えた波長変換部材および光源モジュールを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の波長変換部材は、所定波長の一次光を波長変換して二次光を出射する波長変換部と、前記波長変換部に隣接して配置され、前記一次光および前記二次光を反射する光反射部を備え、前記光反射部は、ＳｉＯ２とＴｉＯ２を複合化し３次元的に絡み合った構造を有するセラミクス焼結体で構成されていることを特徴とする。

このような本発明の波長変換部材では、波長変換部に隣接して配置された光反射部が、ＳｉＯ_２とＴｉＯ_２を複合化したセラミクス焼結体で構成されているため、耐久性に優れるとともに良好に一次光と二次光を反射することができる。

また本発明の一態様では、前記光反射部には、ＴｉＯ_２が２０〜８０体積％範囲で含まれている。

また本発明の一態様では、前記ＳｉＯ_２または前記ＴｉＯ_２のうち、前記光反射部において占める体積％の小さい材料の平均粒径が１０μｍ以下である。

また本発明の一態様では、前記波長変換部はセラミクス蛍光体からなり、前記波長変換部の側面全体が、前記光反射部に接触し一体で焼結されている。

また上記課題を解決するために、本発明の光源モジュールは、上記何れか一つに記載の波長変換部材と、前記波長変換部材に対して前記一次光を照射する半導体発光素子を備えることを特徴とする。

本発明では、耐久性に優れるとともに良好に一次光と二次光を反射できる光反射部を備えた波長変換部材および光源モジュールを提供することができる。

第１実施形態における光源モジュール１０を示す模式断面図である。第１実施形態における波長変換部材２０の構造を模式的に示す部分拡大断面図である。第２実施形態における光源モジュール３０を示す模式断面図である。第３実施形態における光源モジュール４０を示す模式断面図である。第４実施形態における光源モジュール５０を示す模式断面図である。第５実施形態における波長変換部材６０の構造を模式的に示す部分拡大断面図である。従来の光学部材の構造を模式的に示す断面図であり、図７（ａ）は光拡散反射部材として樹脂を用いた例を示し、図７（ｂ）は光拡散反射部材としてセラミクスを用いた例を示している。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。図１は、本実施形態における光源モジュール１０を示す模式断面図である。

光源モジュール１０は、ステム１１と、発光素子１２と、側壁１３と、天面１４と、波長変換部材２０とを備える。光源モジュール１０では、発光素子１２から図中矢印で示すように一次光が波長変換部材２０に照射され、波長変換部材２０で波長変換された二次光と混色して白色光が図中矢印で示すように外部に出射される。図１では光源モジュール１０として所謂ＣＡＮ型パッケージのものを示したが、ＣＡＮ型パッケージに限定されず各種半導体レーザ用のパッケージを用いることができる。

ステム１１は、発光素子１２を搭載して側壁１３が固定される部材であり、図示しないリードピンやヒートシンクなどを備えて、外部から発光素子１２に電力が供給されるとともに、発光素子１２で発生した熱を外部に伝える。ステム１１を構成する材料は特に限定されないが、放熱性が良好な銅などの金属が望ましい。

発光素子１２は、電力が供給されてレーザ光を発振する半導体レーザである。発光素子１２を構成する材料は特に限定されないが、一次光として青色光や紫外光を照射する場合には窒化物系半導体が用いられる、また、発光素子１２の共振器構造や電極構造、電流狭窄構造などの素子構造も特に限定されず、必要な発光強度と発振波長を得るために適切な構造を採用することができる。本実施形態では一次光を発光する発光素子１２として半導体レーザを用いるものを示したが、波長変換部材２０で波長変換される一次光を出射する素子であれば半導体レーザに限定されず、発光ダイオードや有機ＥＬなどであってもよい。

側壁１３は、ステム１１上に立設された筒状の部材であり、ステム１１上で発光素子１２の周囲を囲んで配置される。天面１４は側壁１３上で発光素子１２を覆って配置された平板状部材であり、中央には開口部が設けられて波長変換部材２０が固定されている。側壁１３および天面１４を構成する材料は限定されないが、波長変換部材２０で発生した熱をステム１１に良好に伝えるためには熱伝導性に優れた金属材料が好ましい。

図２は、本実施形態における波長変換部材２０の構造を模式的に示す部分拡大断面図である。図２に示すように波長変換部材２０は、波長変換部２１と光反射部２２とが互いに接触して一体に成形された焼結体である。波長変換部材２０は側壁１３の開口部に固定されて光源モジュール１０からの光取り出し部として機能している。

波長変換部２１は、発光素子１２から照射される一次光により励起されて二次光を発する蛍光体材料を含有する部分であり、一次光と二次光とが混色して白色光を外部に照射する。ここでは一次光と二次光の混色で白色光を照射する例を示したが、複数の蛍光体材料を備えて複数色の二次光を発光して二次光同士の混色によって白色光を照射するとしてもよい。また、照射する光として白色光の例を示したが、その他の単色光であってもよく、複数色を混色した白色以外の色であってもよい。

波長変換部２１のサイズは、発光素子１２からの一次光が照射される領域よりも大きく、一次光を適切に二次光に波長変換できればよく、例えば厚さ数百μｍ程度で直径が０．１〜数ｍｍ程度である。波長変換部２１に含有される蛍光体材料は、光反射部２２と同時焼結するためセラミクス蛍光体であることが好ましい。具体的材料としては、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２、すなわちＹＡＧ(ＹｔｔｒｉｕｍＡｌｍｉｎｕｍＧａｒｎｅｔ)粉末を用いて作成されたセラミクス素地を焼結して得られるセラミクス蛍光体が最も好ましい。ＹＡＧ焼結体を波長変換部２１として用いることで、一次光の青色光を波長変換して二次光の黄色光を出射し、一次光と二次光の混色により白色を得られる。

本実施形態では、波長変換部２１として光反射部２２と一体に成形した焼結体の例を示したが、光反射部２２と別体に成形して組み合わせるとしてもよく、樹脂中に蛍光体粒子を分散した構造であってもよい。

光反射部２２は、波長変換部２１の周囲で側面全体に接触して波長変換部２１を保持する部材であり、ＳｉＯ_２とＴｉＯ_２を複合化したセラミクス焼結体で構成されている。光反射部２２は、波長変換部２１と一体に成形されて同時に焼結されることが好ましいが、波長変換部２１とは別体に成形して組み合わせるとしてもよい。

図２に示すように光反射部２２は、ＳｉＯ_２相２３の内部でＴｉＯ_２相２４が３次元的に絡み合った構造を有している。ＳｉＯ_２相２３は、波長変換部２１と接触して光反射部２２の全域にわたって連続的に形成されている相であり、内部にＴｉＯ_２相２４が３次元的に絡み合っている。図２では、ＳｉＯ_２相２３の内部でＴｉＯ_２相２４が３次元的に絡み合った構造を示したが、ＴｉＯ_２相２４の内部でＳｉＯ_２相２３が３次元的に絡み合った構造であってもよい。

光反射部２２に含まれるＳｉＯ_２相２３の屈折率は１．４程度であり、ＴｉＯ_２相２４の屈折率は２．５〜２．７程度であるから、ＳｉＯ_２相２３とＴｉＯ_２相２４の屈折率差は１．１〜１．３程度となる。このようにＳｉＯ_２相２３とＴｉＯ_２相２４の屈折率差を大きくすると、図２中に矢印で示したように、波長変換部２１から光反射部２２方向に進む光は、３次元的に絡み合ったＳｉＯ_２相２３とＴｉＯ_２相２４の界面で反射される。これにより、光反射部２２は全体として白色の領域となり、横方向への光漏れを防止でき、光は波長変換部２１方向に戻されて波長変換部２１から外部に取り出される。

光反射部２２に含まれるＴｉＯ_２相２４の比率は、２０〜８０体積％範囲が好ましい。ＴｉＯ_２相２４の比率が２０体積％未満または８０体積％を超えると、ＳｉＯ_２相２３とＴｉＯ_２相２４を複合化が不十分になり、屈折率差をもった界面の面積が小さくなるため十分な反射率を得ることが困難になる。また、光反射部２２に含まれるＳｉＯ_２相２３またはＴｉＯ_２相２４のうち、光反射部２２において占める体積％の小さいほうの材料の平均粒径が１０μｍ以下であることが好ましい。平均粒径を１０μｍより大きくすると、屈折率差をもった界面の面積が小さくなるため十分な反射率を得ることが困難になる。

本実施形態では、光反射部２２をＳｉＯ_２相２３とＴｉＯ_２相２４を複合化したセラミクス焼結体で構成していることから、ＳｉＯ_２相２３とＴｉＯ_２相２４が３次元的に絡み合った構造によりＳｉＯ_２相２３とＴｉＯ_２相２４の界面の面積が大きくなり、良好に一次光と二次光を反射することができる。また、光反射部２２はセラミクス焼結体であることから、樹脂と光散乱剤を用いた従来技術よりも熱や光に対する耐久性を向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図３を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図３は、本実施形態における光源モジュール３０を示す模式断面図である。

光源モジュール３０は、ステム１１と、発光素子１２と、波長変換部材２０とを備える。光源モジュール３０では、発光素子１２から一次光が波長変換部材２０に照射され、波長変換部材２０で波長変換された二次光と混色して白色光が外部に出射される。

本実施形態でも、波長変換部材２０は波長変換部２１と光反射部２２とが互いに接触しており、光反射部２２はＳｉＯ_２相２３とＴｉＯ_２相２４を複合化したセラミクス焼結体で構成されている。図２では、波長変換部２１の側面が光反射部２２に接触し底面がステム１１に接触した例を示したが、光反射部２２に凹部を形成して凹部内に波長変換部２１を埋め込んだ構造であってもよい。

発光素子１２は、波長変換部２１の露出面側に配置されており、一次光を波長変換部２１に向けて照射する。波長変換部２１に入射した一次光は、蛍光体材料により波長変換されて露出面から外部に取り出される。

本実施形態でも、光反射部２２をＳｉＯ_２相２３とＴｉＯ_２相２４を複合化したセラミクス焼結体で構成していることから、ＳｉＯ_２相２３とＴｉＯ_２相２４が３次元的に絡み合った構造によりＳｉＯ_２相２３とＴｉＯ_２相２４の界面の面積が大きくなり、良好に一次光と二次光を反射することができる。また、光反射部２２はセラミクス焼結体であることから、樹脂と光散乱剤を用いた従来技術よりも熱や光に対する耐久性を向上させることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図４を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図４は、本実施形態における光源モジュール４０を示す模式断面図である。

本実施形態の光源モジュール４０は、ステム１１と、発光素子１２と、波長変換部材２０とを備え、発光素子１２として面発光するＬＥＤを用いている。また、光源モジュール４０はステム１１上に複数の発光素子１２が搭載され、発光素子１２の上部に波長変換部材２０が配置されて、波長変換部２１が発光素子１２の光出射位置を覆う構成とされている。複数の発光素子１２の側面には空隙４１が設けられている。このような光源モジュール４０では、発光素子１２から一次光が波長変換部材２０に照射され、波長変換部材２０で波長変換された二次光と混色して白色光が外部に出射される。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図５を用いて説明する。第３実施形態と重複する内容は説明を省略する。図５は、本実施形態における光源モジュール５０を示す模式断面図である。

本実施形態の光源モジュール５０は、ステム１１と、発光素子１２と、波長変換部材２０とを備え、発光素子１２として面発光するＬＥＤを用いている。また、光源モジュール５０はステム１１上に複数の発光素子１２が搭載され、発光素子１２の上部に波長変換部材２０が配置されて、波長変換部２１が発光素子１２の光出射位置を覆う構成とされている。複数の発光素子１２の側面には反射樹脂５１が充填されている。光源モジュール５０では、発光素子１２から一次光が波長変換部材２０に照射され、波長変換部材２０で波長変換された二次光と混色して白色光が外部に出射される。

反射樹脂５１は、樹脂材料中に光散乱粒子を分散し、樹脂と光散乱粒子の屈折率差により光を反射する部材である。反射樹脂５１を構成する樹脂材料は限定されず、例えばエポキシ樹脂やシリコーン樹脂を用いることができる。また、光散乱粒子を構成する材料も限定されず、例えばＴｉＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２，ＺｒＯ_２等が挙げられる。

本実施形態では、発光素子１２の側面を反射樹脂５１で充填していることから、発光素子１２の側面から出射した一次光は反射樹脂５１で反射されて発光素子１２方向に戻り、発光素子１２の上面側から取り出されて波長変換部２１に入射する。これにより、発光素子１２から出射した一次光を効率良く波長変換部２１に到達させて二次光に波長変換することができる。

また本実施形態でも、光反射部２２をＳｉＯ_２相２３とＴｉＯ_２相２４を複合化したセラミクス焼結体で構成していることから、ＳｉＯ_２相２３とＴｉＯ_２相２４が３次元的に絡み合った構造によりＳｉＯ_２相２３とＴｉＯ_２相２４の界面の面積が大きくなり、良好に一次光と二次光を反射することができる。また、光反射部２２はセラミクス焼結体であることから、樹脂と光散乱剤を用いた従来技術よりも熱や光に対する耐久性を向上させることができる。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図６を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図６は、本実施形態における波長変換部材６０の構造を模式的に示す部分拡大断面図である。図６に示すように本実施形態の波長変換部材６０は、波長変換部６１と光反射部６２とが互いに接触して一体に成形された焼結体である。

波長変換部６１は、発光素子１２から照射される一次光により励起されて二次光を発する蛍光体材料を含有する部分であり、一次光と二次光とが混色して白色光を外部に照射する。本実施形態では、波長変換部６１として光反射部６２と一体に成形した焼結体の例を示したが、光反射部６２と別体に成形して組み合わせるとしてもよく、樹脂中に蛍光体粒子を分散した構造であってもよい。

光反射部６２は、波長変換部６１の周囲で側面全体に接触して波長変換部６１を保持する部材であり、セラミクス焼結体で構成されている。光反射部６２は、波長変換部６１と一体に成形されて同時に焼結されることが好ましいが、波長変換部６１とは別体に成形して組み合わせるとしてもよい。光反射部６２を構成するセラミクス材料は限定されないが、光の吸収端が４００ｎｍ以下で可視光を吸収しないものが好ましく、例えばＴｉＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２，ＺｒＯ_２，Ｙ_２Ｏ_３，ＹＡＧ等が挙げられる。

図６に示すように、光反射部６２はセラミクス相６３中に閉気孔６４を多数含んでいる。閉気孔６４はセラミクス材料を含まない気泡であるため屈折率が低く、セラミクス相６３との屈折率差が大きい。そのため、光反射部６２に入射した光はセラミクス相６３と閉気孔６４との界面で良好に散乱反射し、光反射部２２は全体として白色の領域となる。これにより、光反射部６２は横方向への光漏れを防止でき、光は波長変換部２１方向に戻されて波長変換部２１から外部に取り出される。

また、光反射部２２中における閉気孔６４の比率は、１０〜５０体積％の範囲であることが好ましい。閉気孔６４が１０体積％未満である場合には、セラミクス相６３と閉気孔６４の界面の面積が少ないため反射率を高めることが困難である。また、閉気孔６４が５０体積％より多い場合には、光反射部２２の機械的強度を保つことが困難になる。

本実施形態では、光反射部２２として光の吸収端が４００ｎｍ以下のセラミクス相６３中に、１０〜５０体積％の閉気孔６４が含まれるものを用いている。これによりセラミクス相６３と閉気孔６４の界面の面積が大きくなり、良好に一次光と二次光を反射することができる。また、光反射部２２はセラミクス焼結体であることから、樹脂と光散乱剤を用いた従来技術よりも熱や光に対する耐久性を向上させることができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１０，３０，４０，５０…光源モジュール
１１…ステム
１２…発光素子
１３…側壁
１４…天面
２０，６０…波長変換部材
２１，６１…波長変換部
２２，６２…光反射部
２３…ＳｉＯ_２相
２４…ＴｉＯ_２相
４１…空隙
５１…反射樹脂
６３…セラミクス相
６４…閉気孔

Claims

所定波長の一次光を波長変換して二次光を出射する波長変換部と、
前記波長変換部に隣接して配置され、前記一次光および前記二次光を反射する光反射部を備え、
前記光反射部は、ＳｉＯ_２とＴｉＯ_２を複合化し３次元的に絡み合った構造を有するセラミクス焼結体で構成されていることを特徴とする波長変換部材。
請求項１に記載の波長変換部材であって、
前記光反射部には、ＴｉＯ_２が２０〜８０体積％範囲で含まれていることを特徴とする波長変換部材。
請求項１または２に記載の波長変換部材であって、
前記ＳｉＯ_２または前記ＴｉＯ_２のうち、前記光反射部において占める体積％の小さい材料の平均粒径が１０μｍ以下であることを特徴とする波長変換部材。
請求項１から３の何れか一つに記載の波長変換部材であって、
前記波長変換部はセラミクス蛍光体からなり、
前記波長変換部の側面全体が、前記光反射部に接触し一体で焼結されていることを特徴とする波長変換部材。
請求項１から４の何れか一つに記載の波長変換部材と、
前記波長変換部材に対して前記一次光を照射する半導体発光素子を備えることを特徴とする光源モジュール。