JP2006303352A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、高出力かつ長寿命の発光装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明は、発光素子と、発光素子からの光を入射する入射端部及び出射する出射端部を備え屈曲可能に延長した導光部材２０と、導光部材から出射された光を透過する透光性部材４０とを有する発光装置において、導光部材の出射端部側おける側面を被覆するとともに導光部材の出射端部の少なくとも一部を底部とした凹部の側壁となる被覆部材３０を有し、透光性部材が凹部に延在していることを特徴とする。これにより、導光部材から出射した光による熱を、透光性部材だけでなく被覆部材にも逃がすことができるので、透光性部材の熱による劣化、変色は大幅に軽減される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、発光素子と屈曲可能に延長した導光部材と透光性部材とを有する発光装置に関する。

従来から、高い出力で色情報が正確に再現されるような発光装置が求められている。今日では、その光源として、発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」ともいう。）、レーザダイオード（以下「ＬＤ」ともいう。）などの発光素子を用いることが提案されている（例えば、特許文献１）。

ＬＥＤやＬＤは、小型で電力効率が良く、鮮やかな色で発光し、球切れなどの心配がない。特に、ＬＤは、ＬＥＤよりも発光出力が極めて高いため、より明るい発光装置を実現することができる。

特表２００３−５１５８９９号公報

しかしながら、ＬＥＤやＬＤからの光をエポキシ樹脂などの透光性部材を介して外部に放出する際、透光性部材が光に起因する熱により劣化してしまい、発光素子からの光を十分に外部に放出できなくなったり、場合によっては透光性部材が変色してしまい発光装置として使用できなくなったりするなどの問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、高出力かつ長寿命の発光装置を提供することを目的とする。

本発明は、発光素子と、発光素子からの光を入射する入射端部及び出射する出射端部を備え屈曲可能に延長した導光部材と、導光部材から出射された光を透過する透光性部材とを有する発光装置において、導光部材の出射端部側おける側面を被覆するとともに導光部材の出射端部の少なくとも一部を底部とした凹部の側壁となる被覆部材を有し、透光性部材が凹部に延在していることを特徴とする。

被覆部材は、透光性部材よりも熱伝導率が高いことが好ましい。

透光性部材は、発光素子からの光を異なる波長域に変換する波長変換部材を有することが好ましい。

発光素子は、レーザダイオードであることが好ましい。

本発明によれば、発光素子からの光に起因する熱による透光性部材の劣化を大幅に軽減することが可能となり、高出力かつ長寿命の発光装置を得ることができる。

以下、本発明の発光装置を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す発光装置は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、本発明を以下のものに特定しない。特定的な記載がない限りは、構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置などは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係などは、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

本発明の発光装置は、図１に示すように、発光素子１０と、導光部材２０と、被覆部材３０と、透光性部材４０とから主として構成される。本発明の発光装置では、導光部材２０の出射端部側における側面を被覆するとともに導光部材２０の出射端部の少なくとも一部を底部とした凹部の側壁となる被覆部材３０を有し、かつ透光性部材４０がその凹部に延在するよう配置されている。これにより、導光部材２０から出射した光による熱を、透光性部材４０だけでなく被覆部材３０にも逃がすことができるので、透光性部材４０の熱による劣化、変色は大幅に軽減される。

以下、本発明の発光装置を構成する主な要素について説明する。なお、本発明においては、図１に示すユニットを少なくとも２つ以上組み合わせて発光装置とすることもできる。

（発光素子）
発光素子１０は特に限定されるものではないが、好ましくはＬＤやＬＥＤを用いることができる。これらを使用することにより、初期駆動特性に優れ、振動やオン・オフ点灯の繰り返しに強く、発光出力の高い発光装置とすることができる。

特にＬＤを用いる場合、ＬＤ自体の発光出力が非常に高いので、発光装置としての発光出力も容易に向上するものの、出力向上により透光性部材４０が劣化し、変色してしまう。さらに、透光性部材４０に波長変換部材を含有させる場合、透光性部材４０だけでなく波長変換部材に対しても変色などの悪影響を与える可能性がある。本願発明は、透光性部材４０や波長変換部材への悪影響を大幅に軽減することができるので、ＬＤを用いる場合に特に効果的である。

図１に示すように、発光素子１０と導光部材２０との間に、レンズ２を設けることもできる。これにより、発光素子１０からの光１を集光させ、効率よく導光部材２０に導出することができる。レンズ２の材料は特に限定されず、例えば無機ガラスとすることができる。ここでは一枚のレンズを用いる例を示すが、複数枚用いることも可能である。

（導光部材）
導光部材２０は、光を入射する入射端部と出射する出射端部を備え、所望の長さを有するとともにその形状を自由に変形させることができる。つまり、直角に曲げたり湾曲させたりすることができ、屈曲可能に構成されているため、所望の位置に光を導出することができる。

導光部材２０の材質は特に限定されるものではないが、ガラスやプラスチックから構成された光ファイバを用いることが好ましい。光ファイバは、通常、屈折率の低いクラッドが屈折率の高いコアを被覆するようにして構成される。また、導光部材２０の入射端部及び出射端部の形状は特に限定されず、平面、凸レンズ状、凹レンズ状、部分的に凹凸を設けた形状など、種々の形状とすることができる。

なお、本明細書において、導光部材２０の出射端部とは、必ずしも端部における光が出射する部分を限定的に指すのではなく、あくまで光が出射する側の端部を指す。具体的には、例えば、クラッドがコアを内部に被覆するように構成された光ファイバを導光部材２０として用いる場合、光が出射される部分は主にコアであるが、本明細書においてはコア及びクラッドを含めた光を出射する側の端部を出射端部とする。入射端部も同様である。

（透光性部材）
透光性部材４０は、発光素子１０からの光を透過するものであり、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などの有機部材、低融点ガラス、結晶化ガラスなどの無機部材が挙げられる。中でも、シリコーン樹脂は、ある程度の光や熱に対する耐久性と形成の容易性を有するので好ましい。透光性部材４０の形状は特に限定されず、凸レンズ状など種々の形状とすることができる。

透光性部材４０には、波長変換部材を含有させることもできる。波長変換部材は、例えば蛍光体からなり、発光素子１０からの光の少なくとも一部を吸収し、異なる波長領域に波長を変換して、赤色、緑色、青色などに発光スペクトルを有する光を放出し得るものである。波長変換部材を有する場合、発光素子１０からの光と１以上の波長変換部材からの光が合成されたり、２以上の波長変換部材からの光が合成されたりして、白色系の色とすることもできる。なお、良好な演色性を得るためには、照射光の平均演色評価数（Ｒａ）が７０以上、さらに８０以上となるような材料によって構成されることが好ましい。

ここで、透光性部材４０は発光素子１０からの光を透過させるものであるが、一部の光は透過されずに吸収され熱に変換される。また、透光性部材４０が波長変換部材を有する場合、波長変換部材が吸収した一部の光は波長変換されずに熱となる。一方、導光部材２０は、光を導出するとともに屈曲可能な程度に細いので、出射端部側に配置された透光性部材４０や波長変換部材への光の集中、それにともなう発熱は著しい。したがって、本発明は、好ましくは３０００μｍ以下、より好ましくは１０００μｍ以下、さらに好ましくは４００μｍ以下、さらに好ましくは２００μｍ以下の直径を有する屈曲可能な程度に細い導光部材２０を用いる構成において非常に効果的である。

また、光による波長変換部材の熱量は、通常は、透光性部材４０の熱量より遥かに大きいので、本発明は透光性部材４０が波長変換部材を有する場合に特に効果的である。

本発明における透光性部材４０には、任意に、ＳｉＯ_２などのフィラーを含有させることもできる。フィラーは、外部から照射された光を反射、散乱させるためのものである。これにより、混色が良好になるとともに色むらを低減させることができる。また、透光性部材４０にフィラーを混合することにより、その粘度を調整することができるので、導光部材２０や被覆部材３０に容易に配置させることができる。

（被覆部材）
被覆部材３０は、導光部材２０における出射端部側の側面つまり周囲を被覆するものである。より詳細には、被覆部材３０は、導光部材２０の出射端部の少なくとも一部を底部とした凹部の側壁となるよう構成されている。本発明における凹部の側壁は、好ましくは０．３μｍ以上、より好ましくは０．６μｍ以上、さらに好ましくは１、２μｍ以上とすることができる。これにより、本発明の効果をより容易に得ることができる。導光部材２０と被覆部材３０で形成される凹部の底部は、平面だけでなく曲面や点状など、種々の形状とすることができる。凹部の側壁高さ及び凹部の深さは、例えば、レーザ顕微鏡、プローブ顕微鏡、段差計などを用いて測定することができる。

凹部の底部は、導光部材２０の出射端部のみから構成される必要はなく、少なくとも導光部材３０の出射端部を含んでいればよい。例えば、導光部材２０の出射端部と被覆部材３０の一部が略面一になるよう、凹部の底部を構成することもできる。このような構成においても、本発明の効果を得ることができる。しかしながら、本発明の効果をより効果的かつ再現性よく得るには、凹部の底部は、実質的に導光部材２０の出射端部のみから構成されることが好ましい。また、凹部の側壁は、底部に対して略垂直であることが好ましいが、傾斜していてもよい。

被覆部材３０と導光部材２０で構成される凹部に延在する透光性部材４０は、凹部に延在するだけでなく被覆部材３０の端部の少なくとも一部に配置されていることが好ましい。例えば、図２のように、被覆部材３０の端部の全部に透光性部材４０を配置することにより、被覆部材３０の凹部側壁の部分からだけでなく、被覆部材３０の端部からも、透光性部材４０に生じる熱を逃がすことができる。なお、被覆部材３０と導光部材２０で凹部を形成しない場合、例えば、被覆部材３０と導光部材２０が端部において面一である場合であっても、導光部材２０の端部だけでなく被覆部材３０の端部の少なくとも一部に透光性部材４０を配置することにより、透光性部材４０に生じる熱を被覆部材３０の端部から逃がすことができる。つまり、被覆部材３０と導光部材２０で凹部を形成しない場合であっても、透光性部材４０の劣化を軽減することができる。しかしながら、図２のように、透光性部材４０を凹部に延在させ且つ被覆部材３０の端部の少なくとも一部に配置させることにより、より効果的に透光性部材４０の劣化を軽減させることができるので好ましい。

なお、凹部の側壁となる被覆部材３０と透光性部材４０は熱的に接続されていればよく、必ずしも被覆部材３０と透光性部材４０が直接かつ完全に接していなくてもよい。例えば、凹部側壁において、被覆部材３０と透光性部材４０が部分的に接するような構成や、被覆部材３０と透光性部材４０との間に何かしらの熱伝導性部材を介して間接的に接するように構成することもできる。被覆部材３０の端部と透光性部材４０についても同様である。

被覆部材３０は、熱伝導率を有するものであればどのような材料でもよいが、特に透光性部材４０の熱伝導率よりも被覆部材３０の熱伝導率が高くなるよう構成することが好ましい。これにより、より積極的に被覆部材３０に放熱させ、透光性部材４０の熱による悪影響を軽減することができる。

被覆部材３０は、０．１Ｗ／ｍ・℃以上の熱伝導率を有するものが好ましい。また、発光素子１０からの光及び／又は波長変換部材により波長変換された光のピーク波長に対して８０％以上の反射率を有するものが好ましい。具体的には銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、ジルコニア（ＺｒＯ₂）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミ（ＡｌＮ）、硫酸バリウム（ＢａＳＯ_４）、カーボン、ステンレス鋼、ホウケイ酸ガラスなどが挙げられる。なかでも、ジルコニアは、反射率が高く、導光部材が通るように加工することが容易であるので好ましい。さらに、アルミナは、可視光全域に対する反射率が高く且つ熱伝導率が高いので、白色系の発光色を発する発光装置とする場合に特に好ましい。

また、被覆部材３０は、単一の部材である必要はなく、複数の部材から構成することもできる。例えば、導光部材２０の出射端部側おける側面を被覆する第１の部材と、導光部材２０の出射端部の少なくとも一部を底部とした凹部の側壁となる第２の部材と、から被覆部材２０を構成させてもよい。第２の部材は、第１の部材よりも熱伝導率の高い部材であることが好ましい。これにより、透光性部材４０から被覆部材３０への放熱性をより向上させることができる。

被覆部材３０は、透光性部材４０を配置する面に、ミラーをつけて鏡面反射をさせるか、所定の凹凸を形成して光を乱反射させるなどの加工をしてもよい。これにより、発光素子の光及び／又は波長変換された光が反射によって導光部材２０側に戻ってきた場合に、被覆部材３０によって再度反射させることにより、発光素子からの光及び／又は波長変換された光を有効に外部に取り出すことができる。また、凹凸が形成されている場合には、透光性部材４０の被覆部材３０への密着性が向上し、透光性部材４０の放熱を増大させるとともに、透光性部材４０の剥がれや劣化を防止することができる。なお、鏡面反射及び／又は凹凸を有する面は、被覆部材３０のみならず、導光部材２０の出射端部の少なくとも一部に設けてもよい。

以下に、本発明の一実施の形態について説明する。

（実施の形態）
本実施の形態の発光装置は、図１に示すように、発光素子１０と、導光部材２０と、被覆部材３０と、透光性部材４０から主に構成されている。発光素子１０の前面には、発光素子１０からの光１を集光するためのレンズ２を設けてある。

発光素子１０として４４５ｎｍ近傍に発光ピーク波長を有するＧａＮ系の半導体からなるＬＤ、導光部材２０として石英製のＳＩ型１１４（μｍ：コア径）／１２５（μｍ：クラッド径）光ファイバ、被覆部材３０としてジルコニア（ＺｒＯ_２）からなる直系０．７ｍｍのもの、透光性部材４０としてシリコーン樹脂を用いた。さらに、透光性部材４０には、シリコーン樹脂１．１ｇに対して、波長変換部材として、緑色に発光するＬｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ、０．５４ｇと、赤色に発光する（Ｓｒ、Ｃａ）_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ、０．１ｇの２種の蛍光体が含有されている。なお、本実施の形態において、ジルコニアはシリコーン樹脂に比べて３倍程度高い熱伝導率を有する。

図２に示すよう、本実施の形態では、導光部材２０の出射端部全域を一平面の底部とし、被覆部材３０を側壁とした凹部が設けられている。凹部を形成するには、例えば、導光部材２０と被覆部材３０が異なる材料からなることを利用し、研磨剤などを用いて選択的に導光部材２０を研磨することにより形成することができる。ここでは、被覆部材３０の端部から略１．６μｍ凹んだ凹部を形成した。

このようにして凹部を設けた後、導光部材２０及び被覆部材３０の出射端部側に透光性部材４０をポッティングにより配置した。ここでは、より完全に透光性部材４０を凹部内に延在させるために、ポッティング後に減圧処理を施した。

比較例として、出射端部側において導光部材２０と被覆部材３０が一平面つまり面一である以外同様の構成の発光装置を作製した。

図３に、本実施の形態の発光装置と比較例の発光装置において、ＬＤを８０〜４３０ｍＡで駆動させて、その特性を評価した。図３に示したように、本実施の形態の発光装置は、比較例の発光装置に比較して光束の最高値が２０％程度向上し、発光出力が向上することが確認された。図３によれば、比較例の発光装置は、駆動電流が約３７０ｍＡを境に、急激に光束が低下した。この主な理由は、透光性部材４０が熱により劣化し変色してしまったためである。それに対して本実施の形態においては、駆動電流が約４２０ｍＡまで飽和することなく光束が向上することが確認された。以上の結果から、本発明の発光装置では、比較例に比較して、透光性部材４０がより劣化しにくいことがわかった。

以上の実施の形態では、導光部材２０の出射端部を一平面としたが、例えば断面がＶ字型になるよう円錐状に凹ませた出射端部としても、発光出力が向上することを確認した。また、透光性部材４０に波長変換部材を含有させて構成しているが、波長変換部材を含有させずに用いても本発明の効果を得ることができる。さらに、リフレクターを設けて、透光性部材４０からの光を強制的に所望の方向へ反射させることもできる。

本発明の発光装置は、照明器具、車両搭載用照明、ディスプレイ、インジケータなどに利用することができる。また、生体内部を撮像する内視鏡装置、狭い隙間及び暗い空間を照明することができるファイバースコープなど、各種工業用の装置にも利用することができる。

本発明の発光装置の構造を説明するための構成図である。 実施の形態における導光部材の出射端部近傍の構造を示す断面図である。 実施の形態における発光装置の光束−駆動電流の関係を示すグラフである。

符号の説明

１・・・光
２・・・レンズ
１０・・・発光素子
２０・・・導光部材
３０・・・被覆部材
４０・・・透光性部材

Claims (4)

1. 発光素子と、発光素子からの光を入射する入射端部及び出射する出射端部を備え屈曲可能に延長した導光部材と、導光部材から出射された光を透過する透光性部材と、を有する発光装置において、
   前記発光装置は、導光部材の出射端部側おける側面を被覆するとともに導光部材の出射端部の少なくとも一部を底部とした凹部の側壁となる被覆部材を有し、
   前記透光性部材は、前記凹部に延在していることを特徴とする発光装置。
2. 請求項１に記載の発光装置において、
   前記被覆部材は、前記透光性部材よりも熱伝導率が高いことを特徴とする発光装置。
3. 請求項１又は２に記載の発光装置において、
   前記透光性部材は、発光素子からの光を異なる波長域に変換する波長変換部材を有することを特徴とする発光装置
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の発光装置において、
   前記発光素子は、レーザダイオードであることを特徴とする発光装置。
   
   

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