JPWO2017110031A1 - 発光素子および照明装置 - Google Patents

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Abstract

発光素子(4)は、少なくとも一種類の蛍光体(蛍光体粒子(451))を含む蛍光体層(45)と、蛍光体層(45)よりも熱伝導率の高い基板であって、蛍光体層(45)が1つの主面(411)側に配置された基板(41)と、蛍光体層(45)と基板(41)との間に介在して蛍光体層(45)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。接合部(42)と蛍光体層(45)との間には、蛍光体層(45)における基板(41)側の主面(452)に積層された透光性の密着層(44)と、密着層(44)における基板(41)側の主面(441)に積層された反射層(43)と、が介在している。

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。
そこで本発明は、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ための接合部とを備え、接合部と蛍光体層との間には、蛍光体層における基板側の主面に積層された透光性の密着層と、密着層における基板側の主面に積層された反射層と、が介在している。
本発明によれば、発光素子における放熱効率を高めることができる。
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2は、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。 図3は、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。 図4は、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。 図5は、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。 図6は、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。 図7は、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。 図8は、変形例5に係る発光素子の概略構成を示す断面図である。 図9は、変形例6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、表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、反射層43と、密着層44と、蛍光体層45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45よりも熱伝導率の高い基板である。これにより、蛍光体層45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45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45は、接合部42、反射層43及び密着層44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45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45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451)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451が蛍光を発する。このため、蛍光体層45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45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45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。
密着層44は、蛍光体層45における基板41側の主面452に積層されている。密着層44は、透光性を有する化合物から形成されており、蛍光体層45と反射層43とに密着している。密着層44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、蛍光体層45の主面452に化合物を製膜することにより形成されている。具体的に、密着層44をなす化合物としては、酸化物、ハロゲン化物、窒化物、フッ化物などが挙げられる。酸化物としては、例えば、ITO、IZO、Alなどの金属酸化物が挙げられる。金属酸化物を用いることにより、蛍光体層45と反射層43との両者に対する密着性を高めることが可能である。
反射層43は、密着層44における基板41側の主面441に積層されている。反射層43は、レーザー光と、蛍光体粒子451から放射された光とを反射する。このため、反射層43は、レーザー光と、蛍光体粒子451から放射された光とに対して反射率の高い材料により形成されている。具体的に、反射率の高い材料としては、Ag、Alなどの金属材料である。反射層43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、密着層44の主面441に金属材料を製膜することにより形成されている。また、これらの金属材料から形成された層に対して、例えば誘電体多層膜などの増反射膜を製膜してもよい。
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45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、反射層43における基板41側の主面431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、反射層43の主面431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45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45に対して密着層44、反射層43、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。
[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の蛍光体層45に照射されると、一部のレーザー光は直接蛍光体粒子451に当たる。また、蛍光体粒子451に直接当たらなかった一部のレーザー光は、密着層44を介して反射層43で反射され、蛍光体粒子451に当たる。蛍光体粒子451に到達したレーザー光は、蛍光体粒子451によって白色光に変換されて、放射される。蛍光体粒子451から放射された白色光の一部は、蛍光体層45から直接外方に放出される。また、蛍光体粒子451から放射された光のその他の一部は、密着層44を介して反射層43で反射されることで、蛍光体層45から外方へ放出される。
レーザー光の照射中においては、蛍光体粒子451は発熱するが、その熱は、密着層44、反射層43、第2電極層422、金属接合層423および第1電極層421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451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451を含む蛍光体層45と、蛍光体層45よりも熱伝導率が高く、蛍光体層45が1つの主面411側に配置された基板41と、蛍光体層45と基板41との間に介在して蛍光体層45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。接合部42と蛍光体層45との間には、蛍光体層45における基板41側の主面452に積層された透光性の密着層44と、密着層44における基板41側の主面441に積層された反射層43とが介在している。
ここで、蛍光体層45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45よりも熱伝導率の高い基板41と、蛍光体層45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45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、蛍光体層45に対しては透光性の密着層44を介して反射層43が積層されているので、蛍光体粒子451から発せられた白色光を反射層43で反射させて、蛍光体層45の外方へと放出することができる。つまり、反射層43がなければ接合部42で吸収され得る白色光を、反射層43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。
ここで、蛍光体層45に対して反射層43を直接積層した場合では、反射層43と蛍光体層45との間に微小な隙間が形成される場合がある。このような微小な隙間があると蛍光体層45から基板41への伝熱性が弱まってしまう。しかしながら、蛍光体層45と反射層43とが密着層44に密着しているので、隙間を起因とした伝熱性の低下を抑制することができる。したがって、放熱効率を高めることができる。
なお、放熱効率をより高めるには、第1電極層421、密着層44、反射層43、第2電極層422及び金属接合層423のそれぞれを、蛍光体層45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、反射層43における基板41側の主面431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。
また、密着層44は、金属酸化物から形成されている。
このように、密着層44が金属酸化物から形成されているので、蛍光体層45と反射層43との両者に対する密着性を高めることができる。
[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。
上記実施の形態では、蛍光体粒子451を蛍光体層45の全体に概ね均等に分散している場合を例示して説明した。しかし、この変形例1では、蛍光体粒子451が蛍光体層45aにおける基板41側に配置された発光素子4Aについて説明する。
図4に示すように、蛍光体層45a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453に対して、多数の蛍光体粒子451を含有する無機バインダ455を積層することで第2層454を形成している。第2層454が基板41側に配置され、第1層453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451が蛍光体層45a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451が蛍光体層45a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451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45aが二層構造であるので、蛍光体粒子451を含有する第2層454を第1層453で保護することも可能である。
なお、蛍光体層45a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2では、接合部42bが焼結された銀ナノ粒子から形成されている発光素子4Bについて説明する。
図5に示すように、接合部42bは密着層44と基板41との間に介在している。前述したように接合部42b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。つまり、実施の形態に係る発光素子4にあった反射層43を省略することができるので、製造効率を高めることができる。
[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、発光素子4Cにおいては、基板41と、接合部42と、反射層43と、密着層44とに、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には、蛍光体層45の蛍光体粒子451を励起させるため、基板41側から入射する励起光(レーザー光)の光路とすることができる。これにより、励起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、変形例3では、基板41の主面411の法線方向に貫通孔5が連続している場合を例示して説明したが、主面411に交差する方向ならば如何なる方向に貫通孔5は連続していてもよい。
[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。
この変形例4に係る発光素子4Dは拡散層46を備えている点で、上記実施の形態に係る発光素子4と異なる。具体的には、図7に示すように、発光素子4Dには、蛍光体層45と密着層44との間に、光を拡散する拡散層46が介在している。拡散層46は、励起光であるレーザー光及び蛍光体粒子451が発した蛍光を拡散する。拡散層46は、例えば、例えばガラスなどの無機封止材に対して、シリカ系粒子またはチタン系粒子などの拡散粒子を分散させることで形成されている。このように、拡散層46が蛍光体層45と反射層43との間に介在しているので、レーザー光及び蛍光を拡散層46で拡散して混色することができる。したがって、均一な白色光を実現することができる。
なお、この変形例4では、拡散層46が蛍光体層45と密着層44との間に介在している場合を例示して説明した。しかし、拡散層46は、蛍光体層45と反射層43との間に介在していればよい。つまり、拡散層46は、密着層44と反射層43との間に介在していてもよい。
[変形例5]
次に、本実施の形態に係る変形例5について説明する。
図8は、変形例5に係る発光素子4E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。
この変形例5に係る発光素子4Eは、蛍光体層45eの表面が凹凸パターン455を有している点で、上記実施形態に係る発光素子4と異なる。具体的には、図8に示すように、蛍光体層45eにおける基板41とは反対側の表面453のうち、レーザー光が照射される領域R1には、微細な凹凸454が繰り返された凹凸パターン455が形成されている。凹凸パターン455は、例えばナノインプリント技術またはブラスト加工などによって形成されている。この凹凸パターン455による表面粗さは、レーザー光の波長以上の表面粗さとすればよい。これにより、蛍光体層45eの表面453の領域R1では、レーザー光が拡散されるので、均一な白色光を実現することができる。
なお、変形例5では、蛍光体層45eの表面453のうち、領域R1のみに凹凸パターン455が形成されている場合を例示したが、凹凸パターン455は、少なくとも領域R1に形成されていればよい。つまり、蛍光体層45eの表面453の全面に凹凸パターン455が形成されていてもよい。
[変形例6]
次に、本実施の形態に係る変形例6について説明する。
図9は、変形例6に係る発光素子4F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。
この変形例6に係る発光素子4Fは、蛍光体層45fの主面452fが凹凸パターン459を有している点で、上記実施形態に係る発光素子4と異なる。具体的には、図9に示すように、蛍光体層45fにおける基板41側の主面452fのうち、レーザー光が照射される領域R2には、微細な凹凸458が繰り返された凹凸パターン459が形成されている。凹凸パターン459は、例えばナノインプリント技術またはブラスト加工などによって形成されている。この凹凸パターン459による表面粗さは、レーザー光の波長以上の表面粗さとすればよい。これにより、蛍光体層45fの主面452fの領域R2では、レーザー光が拡散されるので、均一な白色光を実現することができる。
なお、変形例6では、蛍光体層45fの主面452fのうち、領域R2のみに凹凸パターン459が形成されている場合を例示したが、凹凸パターン459は、少なくとも領域R2に形成されていればよい。つまり、蛍光体層45fの主面452fの全面に凹凸パターン459が形成されていてもよい。
[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1〜6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変形例1〜6に限定されるものではない。
上記実施の形態および変形例1〜6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45における主面452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、実施の形態および変形例1〜6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 発光素子
5 貫通孔
41 基板
42,42b 接合部
43 反射層
44 密着層
45,45a 蛍光体層
46 拡散層
411,441 主面
421 第1電極層
422 第2電極層
423 金属接合層
451 蛍光体粒子(蛍光体)
452,452e 主面
453e 表面

Claims (10)

  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ための接合部とを備え、
    前記接合部と前記蛍光体層との間には、
    前記蛍光体層における前記基板側の主面に積層された透光性の密着層と、
    前記密着層における前記基板側の主面に積層された反射層と、が介在している
    発光素子。
  2. 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、
    前記反射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、を有する
    請求項1に記載の発光素子。
  3. 前記接合部は、焼結された銀ナノ粒子からなる
    請求項1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. 前記密着層は、金属酸化物から形成されている
    請求項1〜4のいずれか一項に記載の発光素子。
  6. 前記基板と、前記接合部と、前記反射層と、前記密着層とには、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、前記基板側から入射する励起光の光路となる
    請求項1〜5のいずれか一項に記載の発光素子。
  7. 前記蛍光体層と前記反射層との間には、光を拡散する拡散層が介在している
    請求項1〜6のいずれか一項に記載の発光素子。
  8. 前記蛍光体層における前記基板とは反対側の表面のうち、前記蛍光体を励起させるための励起光が照射される領域は、当該励起光の波長以上の表面粗さを有する
    請求項1〜7のいずれか一項に記載の発光素子。
  9. 前記蛍光体層における前記基板側の前記主面のうち、前記蛍光体を励起させるための励起光が照射される領域は、当該励起光の波長以上の表面粗さを有する
    請求項1〜7のいずれか一項に記載の発光素子。
  10. 請求項1〜9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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