JP7277841B2 - 発光装置 - Google Patents
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Description
例えば、青色レーザダイオードと波長変換部材とを組み合わせた光源であれば、波長変換部材が破損又は脱離した場合に、青色レーザ光が直接外部に出射されることになる。このため、波長変換部材の破損及び/又は脱離を検知して、レーザダイオードの発光を止めることなどの安全対策が提案されている(特許文献1~3等)。
そこで、本発明は、波長変換部材の欠損をより高精度に検出することができる発光装置の異常検出方法及びその検出方法を実現し得る構成を備えた発光装置を提供することを目的とする。
(1)励起光を発し、パルス駆動可能に制御し得る半導体レーザ素子と、
蛍光体を含み、前記励起光が照射されることにより蛍光を発する波長変換部材と、
前記波長変換部材の光取り出し側に配置され、前記励起光を検出し得る受光素子とを備える発光装置の異常検出方法であって、
前記半導体レーザ素子への電圧印加の開始から前記波長変換部材より取り出される光の光強度が最大となるまでの時間より短いパルス幅で印加電圧をパルス制御することにより前記半導体レーザ素子をパルス駆動してレーザ発振させ、前記励起光の光強度又は前記励起光及び前記蛍光の双方の光強度を測定し、
前記測定した光強度が所定の範囲内に含まれるか否かを判断することを含む発光装置の異常検出方法。
(2)励起光を発し、パルス駆動可能に制御し得る半導体レーザ素子と、
蛍光体を含み、前記励起光が照射されることにより蛍光を発する波長変換部材と、
前記波長変換部材の光取り出し側に配置され、光照射領域から光照射外領域へ移動可能に設置され、前記励起光に対応する波長の光を検出し得る受光素子とを備える発光装置。
また、このような異常検出方法を実現し得る構成を備えた発光装置を提供することができる。
なお、波長変換部材の欠損とは、蛍光体の一部にひび割れが生じたり、蛍光体の一部が欠け落ちたり、全て脱落したりする状態を指す。
本発明における一実施形態の発光装置10は、図1A及び1Bに示すように、半導体レーザ素子11と、波長変換部材12と、受光素子13とを備える。このような発光装置10は、通常、半導体レーザ素子11を収容し、波長変換部材12を支持するパッケージを備える。
このような構成を備えることにより、波長変換部材12における波長変換部材12の欠損によってレーザ光が直接外部に出射されるという発光装置10の異常をより確実且つ容易に検出することができる。これによって、半導体レーザ素子11の駆動を止めることなどの安全対策をより確実に講じることが可能となる。
半導体レーザ素子11は、励起光を出射する励起光源として機能する発光素子である。この半導体レーザ素子11は、パルス駆動、連続駆動のいずれにも制御することができる。この実施形態の発光装置10は、後述するとおり波長変換部材12の欠損をより精度良く検出することができることから、その光源として、発光出力が大きく、指向性が高い半導体レーザ素子11を用いることができる。半導体レーザ素子11の出力は、例えば、1W~数百Wの出力のものが挙げられる。
半導体レーザ素子11のピーク波長は、波長変換部材12と組み合わせ可能なものとして、例えば、300nm~500nmが挙げられる。波長変換部材12がYAG蛍光体等の黄色蛍光体を含有する場合には、半導体レーザ素子11は、400nm~470nmに発光ピーク波長を有するものが好ましく、420nm~470nmに発光ピーク波長を有するものがより好ましい。
発光装置10を構成するパッケージ14は、半導体レーザ素子11を収容するとともに、波長変換部材12を支持するものである。これに限らず、半導体レーザ素子11を収容するパッケージから離間して、波長変換部材12を支持する部材が設けられていてもよい。
発光装置10は、図1A及び1Bに示すように、半導体レーザ素子11を収容し、かつ半導体レーザ素子11と対向する部位に波長変換部材12を支持する複数の部材を一体化したパッケージ14を有することが好ましい。これにより、パッケージとは別に波長変換部材12の支持部材を設ける場合と比較して発光装置10を小型化することができる。
発光装置10では、基部14Aの上面から直立した柱状の部材の側面にサブマウント15が載置されている。サブマウント15の表面には、半導体レーザ素子11が固定されている。このように、半導体レーザ素子11を基部14Aの上面側に固定されたサブマウント15の側面に固定すると、容易に装置を小型にすることができる。
キャップ14B、下側支持部材14C及び上側支持部材14Dは、SUS、コバール、CuW、Ni、Co,Fe、真鍮等を用いることができる。特に、熱伝導率が高いSUS、コバール等が好ましい。これらの部材の表面にNi等のメッキが施されていてもよい。
パッケージ14の形状、大きさ等は、使用目的、意図する作用及び/又は効果によって、適宜設定することができる。
なお、半導体レーザ素子を載置するサブマウント15は、基部14Aと絶縁するために、炭化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム等の高熱伝導率で絶縁性である材料を用いることが好ましい。
波長変換部材12は、半導体レーザ素子11が出射するレーザ光の略全部を入射することができるように、半導体レーザ素子11の励起レーザ光の出射端の前方に配置されている。レーザ光の経路上にレーザ光を反射する反射部材を配置する場合は、半導体レーザ素子11の光出射端面の前方以外の場所に波長変換部材12を配置してもよい。波長変換部材12は、半導体レーザ素子11からの光を励起光として他の波長の光(蛍光)を発光することが可能な蛍光体を含む。この実施形態の発光装置10は、パッケージ14のホルダ14Eの貫通孔を塞ぐように波長変換部材12が設けられている。これにより、半導体レーザ素子11の光と波長変換部材12で波長変換された光との混色光、例えば、白色光を、発光装置10の発光として外部に取り出すことができる。半導体レーザ素子の種類及び蛍光体の種類を選択することにより、取り出したい光の色を適宜調整することができる。
波長変換部材12は、半導体レーザ素子11からの光が入射する光入射面と、光入射面とは異なる面である光取り出し面とを有することができる。このような透過型の波長変換部材12を用いる場合は、光入射面と光取り出し面が同じ面である反射型の波長変換部材を用いる場合よりも、波長変換部材が欠損した際にレーザ光が直接外部に取り出される可能性が高い。このため、波長変換部材12の欠損の高精度な検出がより求められる。
蛍光体は、1種で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
波長変換部材12は、必要に応じて、光散乱材を含んでいてもよい。
受光素子13は、波長変換部材12の光取り出し側に配置され、半導体レーザ素子11が発する励起光を入射し得る部位に配置され、励起光を検出し得る素子である。例えば、上述したように、白色の光を得るための発光装置10では、受光素子13は、青色の光を検出することができるものが挙げられる。
受光素子としては、半導体受光素子であるSiフォトダイオード等のほか、光電管、光電子増倍管等を用いることができる。
受光素子13は、用いる半導体レーザ素子11が発する励起光を光電変換して検出することが可能であるものを用いる。本明細書において、特定の色の光を光電変換して検出することが可能とは、その光の波長スペクトルのうち少なくとも一部の波長に対して、典型的には少なくともピーク波長に対して、感度を有することを指す。例えばフォトダイオードであれば、その光のピーク波長に対する受光感度(A/W)が0.1以上のものが好ましく、0.2以上のものがより好ましい。
発光装置10は、励起光等の光強度を検出する受光素子13の検出値に基づいて、半導体レーザ素子11への電圧印加を止めることが可能な制御手段を有することができる。これにより、発光装置10の異常が検出されれば、例えば半導体レーザ素子11の通常駆動の開始を許可しないなど、半導体レーザ素子11の動作を停止させることができるため、レーザ光の外部放出を回避することができる。
これによって、受光素子13で検出された励起光等の光強度が、所定の範囲内を外れた場合に、何らかの原因で波長変換部材が欠損したと判断され、半導体レーザ素子11の駆動が停止される。所定の範囲は、例えば、複数の正常品について励起光等の光強度の最大値を測定し、それらの平均値と標準偏差(σ)を算出し、標準偏差の任意の倍数(例えば5σ)を平均値に加算した値を上限値として設定することができる。例えば、正常品における励起光等の光強度の最大値の1.3倍未満の範囲を所定の範囲とすることができる。
制御手段は、停止信号を電源に出力することに代えて、電源の供給路に自己保持型のリレースイッチを介在させ、電力供給自体を遮断するようにしてもよい。
この実施形態の発光装置は、例えば、光反射部材、レンズ(集光レンズ20、コリメートレンズ等)、ファイバー等の部材を単独で又は組み合わせて用いてもよい。また、波長変換部材12を経た後の光を、レンズ等を用いて集光してもよい。このような部材を利用することにより、発光装置10が発する光のスポットのサイズ及び形状を調整することができる。
本実施形態の発光装置の異常検出方法では、上述したような発光装置10を用いる。
まず、この発光装置10における半導体レーザ素子11を所定のパルス幅でパルス駆動してレーザ発振させる。次いで、発振されたレーザ光が励起光として波長変換部材12に到達し、その一部が波長変換部材12から外に出るため、この励起光等の光強度を測定する。その後、励起光の測定した光強度が所定の範囲内に含まれるか否かを判断する。
これによって、発光装置10の異常、具体的には波長変換部材が欠損することにより、正常時よりも強い励起光が外部に取り出されるという異常を検出することができる。パルス駆動させることにより、実質的に蛍光が混合されていない励起光成分のみの光の強度を測定することができるため、波長変換部材12の軽微な欠損であっても異常であると判定することが可能となる。
なお、図1Aに示すように受光素子13を波長変換部材12からの光を塞ぐ位置に配置して異常検出方法を行う場合は、発光装置10の異常検出方法が終了した後においては、図1Bに示すように、受光素子13は、光の照射領域外に移動する。そして、発光装置10の駆動をパルス駆動から連続駆動に切り替える等して、通常点灯を行う。
異常検出方法においては、半導体レーザ素子11をレーザ発振させるために、半導体レーザ素子11をパルス駆動する。つまり、半導体レーザ素子11に印加する電圧を所定のパルス幅でパルス制御することによりパルス駆動する。パルス駆動は、通常、制御回路によって制御される。
所定のパルス幅とは、半導体レーザ素子11への電圧印加の開始から、半導体レーザ素子11から出射された励起光が波長変換部材12に照射され、波長変換部材12に含有される蛍光体によって波長変換された後、波長変換部材12から取り出される光の光強度が最大となるまでの時間より短いパルス幅とすることが挙げられる。また、後述のとおり、波長変換部材12から取り出される光の光強度が最大となるまでの時間には、蛍光体の応答速度が関係していると推測されるため、別の観点から、蛍光体の応答時間よりも短いパルス幅でもよい。蛍光体の応答時間とは、蛍光体に励起光が照射されてから蛍光が最大強度となるまでの時間を指す。
特に、半導体レーザ素子11への電圧印加の開始から、波長変換部材から取り出される光の光強度が最大値の半分に到達するまでの時間又はそれよりも短いパルス幅で行うことが好ましい。これにより、測定する光に含まれる蛍光成分をより小さくすることができる。具体的には、印加電圧のパルス制御を、5~50nsのパルス幅で行うことが挙げられる。この範囲の短いパルス幅とすることにより、発光装置10が発する光における蛍光の割合を小さくすることができるため、より高精度で励起光の強弱を判定することができる。さらには、5~20nsのパルス幅で行うことが好ましい。なお、本明細書において電圧印加におけるパルス幅とは、電圧の印加開始から電圧をゼロに戻すまでの時間(オン時間)を指す。
半導体レーザ素子のパルス駆動は、1周期、つまり、所定のパルス幅での電圧印加により1度だけ点灯してもよいが、検知精度を向上させるためには複数周期を繰り返すことが好ましい。例えば、5~10周期程度のパルス電圧印加が挙げられる。この場合、電圧をゼロに戻してから再び電圧印加を開始するまでの時間(オフ時間)は、オン時間、すなわちパルス幅と同程度としてもよい。例えば、オフ時間は10~30nsとする。具体的には5~20nsのパルス幅と、10~30nsのパルス幅との2周期でパルス制御を繰り返すことができる。3周期以上でパルス制御を繰り返してもよい。
このように実測値を得ることにより、異常検出方法に必要なパルス幅をより高精度で特定することができる。なお、実測値は、試験用の半導体レーザ素子等を用いることにより得てもよい。
上述したように、所定のパルス駆動によって半導体レーザ素子11をレーザ発振させた後、波長変換部材12から出射される励起光等の光強度を測定する。
つまり、一般に、半導体レーザ素子は、図2Aに示すようなパルス幅で電圧を印加すると、図2Bに示すように、半導体レーザ素子から出射される励起光は、電圧の印加開始から若干遅れて発振される。半導体レーザ素子への電圧印加開始から、半導体レーザ素子が発した光の光強度が最大となるまでの時間、すなわち半導体レーザ素子の応答遅延時間は、例えば5ns以下である。一方、例えば、半導体レーザ素子と波長変換部材12を組み合わせた発光装置では、図2Cに示すように、波長変換部材から取り出される光(例えば白色光)の光強度は徐々に増加し、最大値に到達する。波長変換部材から取り出される光の光強度が最大となるまでの時間、すなわち発光装置の応答遅延時間は、例えば300~400ns程度である。このように発光装置の応答遅延時間が半導体レーザ素子の応答遅延時間よりも長くなる理由は、半導体レーザ素子の応答速度と蛍光体の応答速度の差があるためや、波長変換部材に含有される蛍光体のすべてが励起されるまでにある程度時間を要するためであると考えられる。
これら電圧印加、励起光及び白色光の出射タイミングの違い、つまり、半導体レーザ素子と波長変換部材の応答速度の差を利用することにより、励起光等の光強度の測定によって、波長変換部材からの励起光の漏れの程度を高精度に検出することが可能となる。図2D~図2Eに、図2A~図2Cよりも短いパルス幅で電圧を印加する場合の、電源波形、レーザ光、白色光、をそれぞれ示す。図2D~図2Eに示すように、半導体レーザ素子を十分に短いパルス幅で駆動させることにより、発光装置の応答遅延時間内の光を容易に測定することができる。この光は完全発光時と比較して蛍光が少なく励起光が相対的に多い光であるので、完全発光時に測定するよりも精度良く励起光の強弱を判定することができる。
受光素子は、波長変換部材12からの光の強度が大きくなる位置に配置するほど検出精度が高くなる。このため、図1Bに示すように、波長変換部材12の直上に、受光素子13を配置することが好ましい。しかし、このような受光素子13の配置は、発光装置10の通常の使用の場合には、大幅な光取り出し効率の低下を招くこととなる。このようなことから、励起光等の光強度の測定時にのみ、受光素子13を波長変換部材12の直上に配置し、その後の半導体レーザ素子11の定格駆動時には、受光素子13を、光照射領域外に移動させることが好ましい。これによって、定格駆動時における発光装置10の光取り出し効率の低下を回避して、より確実な光漏れの検知を行うことができる。
上述したように測定した励起光等の光強度が所定の範囲内に含まれるか否かを判断する。ここでの所定の範囲内とは、光漏れが発生していない正常な発光装置10を用いて、同様の方法により、半導体レーザ素子11をパルス駆動し、波長変換部材12から取り出される励起光等の光強度を測定することによって得られた値に基づいて決定することができる。このように決定した所定の範囲よりも、高い値を示す場合には、波長変換部材12における何らかの欠損が発生し、励起光が漏れていると判断することができる。例えば、正常な発光装置10の光強度の110%以上の光強度を光漏れが発生した異常な値とすることができる。発光装置10が発する光の光強度が安全であると考えられる範囲に留まっていればよいため、正常な発光装置10の光強度の120%以上の光強度又は130%以上の光強度を異常値とすることも可能である。また、別の観点から、光漏れが発生している発光装置では、半導体レーザ素子への電圧印加直後の光強度が、その後よりも大きい傾向があることから、1回の電圧印加で測定される光強度の初期値がその後よりも高い場合に、正常な発光装置でないと判断してもよい。
半導体レーザ素子11から発振された励起光は、波長変換部材12に照射され、波長変換部材12に含有される蛍光体により、それよりも長い波長を有する蛍光に変換される。また、半導体レーザ素子11から発振された励起光の他の一部は、蛍光体により波長変換されずに、波長変換部材12の外に取り出される。これにより、波長変換部材12から取り出される発光装置10の発光は、蛍光と励起光との混合により、例えば白色光として取り出される。
図1Aで示す正常な波長変換部材12を備える発光装置10と、種々の波長変換部材の欠損を有する発光装置A~Jとを用いて、励起光等の光強度の変化を測定した。ここでは、半導体レーザ素子11として、発振波長(ピーク波長)が約450nmの青色レーザ光を発振する青色レーザ素子を用いた。測定条件は、バイアス電流を200mA、振幅を10Vとした。半導体レーザ素子11の立ち上がり時間(応答遅延時間)は約2nsであった。
波長変換部材12は、YAG蛍光体を含有するセラミックを用いた。
本実験例では、受光素子13を設置する代わりに、放射感度が400~700nmの波長域の全体において1mA/W以上である光オシロスコープを用いて測定した。
正常な波長変換部材12を備える発光装置10の立ち上がり時間(応答遅延時間)は約350nsであった。
これによって、半導体レーザ素子11をレーザ発振させてフォトダイオードにより光強度を測定した。
以下の表にそれらの結果を示す。以下の表においては、図1Aの発光装置10の波長変換部材12の光取出し面側から見た概略図によって、上側支持部材14Dに固定された波長変換部材12及びホルダ14Eの欠損を示す。なお、発光装置C~Jにおいては、ホルダ14Eの欠損により、その下に配置された下側支持部材14Cの一部が露出しており、各概略図において下側支持部材14Cをその表面の凹凸とともに表す。また、以下の表において、光強度とは、後述する図5Aに示すように発光装置10の光強度の最大値を1.0として、それに対する相対的な光強度の最大値を示す。
図5Aに示すように、正常な波長変換部材を備える発光装置10では、電圧印加の初期
(例えば、5ns以内)において測定される励起光等の光強度(例えば、0.8)が、それに遅れて測定される励起光等の光強度とほぼ同等であるのに対して、図5B及びCのように、波長変換部材に欠損した発光装置A及びGでは、電圧印加の初期において測定される励起光等の光強度が、発光装置10のそれよりも高い値で測定された(それぞれ1.7及び4.1)。また、これらの発光装置A及びGにおいて、パルス制御の初期から遅れて測定される励起光等の光強度は、初期の光強度に比較して相当低い値で測定された(それぞれ1.2及び1.8)。
11 半導体レーザ素子
12 波長変換部材
13 受光素子
14 パッケージ
14A 基部
14B キャップ
14C 下側支持部材
14D 上側支持部材
14E ホルダ
15 サブマウント
16 リード端子
17 判定部
18 電源
19 制御部
20 集光レンズ
Claims (3)
- 励起光を発し、パルス駆動可能に制御し得る半導体レーザ素子と、
蛍光体を含み、前記励起光が照射されることにより蛍光を発する波長変換部材と、
前記波長変換部材の光取り出し側に配置され、光照射領域から光照射外領域へ移動可能に設置され、前記励起光に対応する波長の光を検出し得る受光素子と、
前記受光素子を前記光照射領域から前記光照射外領域へ移動させることが可能な移動手段と、
を備える発光装置。 - 前記半導体レーザ素子を収容し、前記波長変換部材を支持するパッケージをさらに備え、
前記受光素子は、前記パッケージ外に配置されている請求項1に記載の発光装置。 - 前記波長変換部材は、前記半導体レーザ素子からの光が入射する光入射面と、前記光入射面とは異なる面である光取り出し面とを有する請求項1又は2に記載の発光装置。
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