JP2014086566A

JP2014086566A - 光波長変換装置

Info

Publication number: JP2014086566A
Application number: JP2012234351A
Authority: JP
Inventors: Ji-Hao Liang; 吉鎬梁; Teruo Koike; 輝夫小池
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2012-10-24
Filing date: 2012-10-24
Publication date: 2014-05-12

Abstract

【課題】蛍光体部から発生した熱を効率よく放熱する光波長変換装置を提供する。
【解決手段】透明熱伝導体１１と、透明熱伝導体１１の底部に設けられた光反射層１４と、光反射層１４を介して透明熱伝導体１１を載置する放熱体１７ａ，１７ｂと、光反射層１４に対向する透明熱伝導体１１の表面上に設けられかつ蛍光体を含む蛍光体部１３と、透明熱伝導体１１の一部の表面上に設けられた光入射部１２と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を受けて蛍光を発する蛍光体を含んだ光波長変換装置に関する。

レーザダイオードから青色のレーザ光を蛍光体へ入射させ、当該蛍光体から波長が変換された白色光を出射させるように構成された光波長変換装置が知られている。例えば、特許文献１には、半導体発光素子と光透過体との間に光が進行する貫通孔が設けられ、当該貫通孔は半導体発光素子側よりも光透過体側の方が大きくなるようなテーパ形状をなしている半導体発光装置が開示されている。

特開２００８−１５３６１７号公報

蛍光体はレーザ光の波長を変換する際には熱が発生してしまう。また、集光光学系の使用により蛍光体へ入射するレーザ光の光密度（すなわち光強度）が高まり、蛍光体における光励起限度に近づくと、発熱量もより多くなる。さらに、レーザ光の強度が高まることに伴って蛍光体の温度も高くなり、その結果、発光効率が低下してしまう。また、レーザ光の強度が蛍光体の光励起限度を超えると蛍光体部などが破損してしまう。このため、高出力、高輝度な光波長変換装置の実現には放熱性等の点で課題を有していた。

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、放熱性に優れ、また発光効率が高く、信頼性に優れた等の高性能な光波長変換装置を提供することを目的としている。

本発明による光波長変換装置は、透明熱伝導体と、透明熱伝導体の底部に設けられた光反射層と、光反射層を介して透明熱伝導体を載置する放熱体と、光反射層に対向する透明熱伝導体の表面上に設けられかつ蛍光体を含む蛍光体部と、透明熱伝導体の一部の表面上に設けられた光入射部と、を含むことを特徴としている。

実施例１の光波長変換装置の構造を示す上面図（図１（ａ））及び断面図（図１（ｂ））である。実施例１の光波長変換装置を用いた場合の光源装置の概略（図２（ａ））及び当該装置内における光の進路（図２（ｂ））を示す図である。実施例２の光波長変換装置の構造を示す断面図である。実施例２の光波長変換装置を用いた場合の光源装置内における光の進路を示す図である。実施例３の光波長変換装置の構造を示す断面図である。実施例４の光波長変換装置の構造を示す断面図である。

図１（ａ）は本発明の実施例１の光波長変換装置１０の上面図であり、図１（ｂ）は光波長変換装置１０の構造を示す図１（ａ）の線Ｗ−Ｗに沿った（ｘ軸方向の）断面図である。光波長変換装置１０は透明熱伝導体（以下、単に熱伝導体と称する）１１を有している。熱伝導体１１は平行平板形状を有しているが、後述するように、主面の一方（上面）には凹凸構造が形成されており、主面の他方（底面）には光反射層が設けられている。また、熱伝導体１１の側面は当該主面に対して垂直な面として構成されている。熱伝導体１１は、例えば、サファイア、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの材料から構成されている。なお、熱伝導体１１は、透明のみならず、入射光に対して透光性であれば良い。

熱伝導体１１の側面１１ｂにはレーザ光が入射する光入射部１２が設けられている。光入射部１２にはレーザ光の波長に応じた反射防止（ＡＲ）コーティングが施されている。熱伝導体１１の主面の一方（上面）には蛍光体部１３が設けられている。蛍光体部１３はレーザ光の波長を変換して蛍光を発する蛍光体を含んでいる。光入射部１２から入射したレーザ光は熱伝導体１１を経由して蛍光体部１３へ入射し、蛍光体によって波長が変換された後に蛍光を発する。

蛍光体は、例えばＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）又はＬｕＡＧ（ルテチウム・アルミニウム・ガーネット）を用いることができ、蛍光体部１３の発光面の寸法は、例えば幅０．２５ｍｍ（ｙ軸方向）、長さ１．０ｍｍ（ｘ軸方向）である。熱伝導体１１の光屈折率は蛍光体部１３の屈折率よりも大きく、例示すれば、熱伝導体１１の屈折率は約１．７−３．０であり、蛍光体部１３の屈折率は約１．５である。

蛍光体部１３に対向する熱伝導体１１の主面（底面）上には熱伝導性の光反射層１４が設けられている。また、光入射部１２を除いた熱伝導体１１の側面（側面１１ａ及び１１ｂ）は光拡散性材料からなる光拡散層１５によって覆われている。光反射層１４は、例えば銀を含む合金からなり、光拡散層１５としては、例えば白色樹脂を用いることができる。蛍光体部１３よりも光入射部１１に近い側の熱伝導体１１の主面（上面）には光拡散体部１６が設けられている。光拡散体部１６は、例えば光拡散層１５と同様の材料から構成される。

図１（ａ）及び図１（ｂ）に示されているように、熱伝導体１１と蛍光体部１３との間の接合面１３ａは凹凸構造を有している。同様に、熱伝導体１１と光拡散体部１６との接合面１６ａは接合部１３ａと凹凸構造を有している。当該凹凸構造は、例えば、熱伝導体１１がＧａＮから構成される場合においては円錐形状又は六角錐形状の構造を有し、熱伝導体１１がサファイアから構成される場合においては、例えばＰＳＳ（Patterned Sapphire Substrate）と呼ばれるテクスチャ構造を有している。当該テクスチャ構造は、所定の波長（媒体内波長すなわち熱伝導体１１内における波長）において光を回折させる効果を有しており、そのサイズは、例えば１００ｎｍ−１０μｍである。

熱伝導体１１上の凹凸構造に蛍光体部１３を接合する方法は、蛍光体部１３に含まれる蛍光体によって異なる。シリコンやエポキシなど樹脂系の蛍光体を用いる場合、蛍光体を熱伝導体１１の凹凸構造に塗布して接合する。蛍光体を塗布する範囲はマスキングによって決定する。ガラス系の蛍光体を用いる場合は、高温環境下で加圧することによって蛍光体を溶融させて当該凹凸構造に接合する。例えば、温度条件は２００℃−５００℃、加圧（プレス）条件は５−５０ｋｇ／ｃｍ^２である。

光拡散体部１６を構成する光拡散樹脂（例えば白色樹脂）である例えばＴｉＯ_２＋シリコン樹脂は、上記の樹脂系の蛍光体を接合する方法と同様の方法を用いて、熱伝導体１１上の凹凸構造に接合されることができる。

光反射層１４の底部には熱拡散性のサブマウント１７ａ及びヒートシンクなどの放熱部材１７ｂからなる放熱体１７が設けられている。サブマウント１７ａは、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の焼結体などからなり、放熱部材１７ｂは、例えばアルミニウム又は銅などからなる。サブマウント１７ａは、例えば金・スズ共晶、金・金接合、金バンプ、又は銀ペーストなどの伝熱密着材料を用いて放熱部材１７ｂに接合されている。

上記したように、光波長変換装置１０において、蛍光体部１３にレーザ光が入射して蛍光を発する際に熱が発生する。熱伝導体１１は、約４０Ｗ／ｍ・Ｋ（サファイアの場合）、約３００Ｗ／ｍ・Ｋ（炭化ケイ素の場合）などの高い熱伝導率を有しており、蛍光体部１３からの熱伝導を効率よく行う。従って、蛍光体部１３から発生した熱は、熱伝導体１１、光反射層１４、及び放熱体１７を介して効率よく放熱される。さらに、熱伝導体１１と蛍光体部１３との間には凹凸構造が設けられている。従って、熱伝導体１１と蛍光体部１３との間の接合面積が増加し、蛍光体部１３から発生した熱は効率よく熱伝導体１１へ伝導される。

図２（ａ）及び図２（ｂ）は、実施例１の光波長変換装置１０を用いた場合の光源装置の概略及び当該装置における光の進路を示す図である。図２（ａ）に示されているように、例えば青色のレーザダイオードＬＤから出射されたレーザ光はレンズＬＺによって集光される。集光された光ビームの光軸ＡＸは熱伝導体１１の底面及び上面すなわち蛍光体部１３の底面及び光反射層１４の上面に平行である。レンズＬＺによって集光された光ビームＬＢは光入射部１２を介して熱伝導体１１へ入射する。

熱伝導体１１へ入射した光ビームＬＢは熱伝導体１１内において様々な経路を経て蛍光体部１３へ入射する。図２（ｂ）を参照しつつ、熱伝導体１１内における光ビームＬＢの様々な経路について具体的に説明する。

［経路Ｐ１について］光入射部１２から入射し、熱伝導体１１と光拡散体部１６との接合面１６ａへ進む光は、接合面１６ａの凹凸構造によって接合面１６ａから光反射層１４に向かって拡散及び反射される。

［経路Ｐ２について］熱伝導体１１と蛍光体部１３との接合面１３ａへ進む光は、その一部が接合面１３ａの凹凸構造によって接合面１３ａから光反射層１４の向きに拡散及び反射される。残りの光は蛍光体部１３内へ拡散されつつ入射し、蛍光体を励起する。

［経路Ｐ３について］光ビームＬＢの光軸ＡＸに平行に進む光は、光拡散層１５によって側面１１ａから光入射部１２、蛍光体部１３、及び光反射層１４に向かって拡散及び反射される。

［経路Ｐ４について］光軸ＡＸに対して光反射層１４の方向に傾斜した経路を経て光反射層１４へ進む光は、光反射層１４によって反射された後に側面１１ａへ進み、その後、側面１１ａにおいて拡散及び反射される。

［経路Ｐ５について］光軸ＡＸに対して光反射層１４の方向に経路Ｐ４よりも大きく傾斜した経路を経て光反射層１４へ進む光は、光ビームＬＢは光反射層１４によって反射された後に蛍光体部１３へ進み、経路Ｐ２と同様の経路を経る。

図示していないが、拡散及び反射を繰り返した後に、光入射部１２が設けられた熱伝導体１１の側面１１ｂへ進む光など、実際には無数の光の経路が存在する。従って、熱伝導体１１内に入射した光ビームＬＢは、熱伝導体１１を経て、光波長変換装置１０内の側面１１ａ、側面１１ｂ、光反射層１４の上面、接合面１３ａ、及び接合面１６ａなどの面において多重反射、内部反射、及び拡散反射を繰り返して蛍光体部１３へ入射する。

上記したように、熱伝導体１１へ入射した光ビームＬＢは、光波長変換装置１０内において拡散及び反射された後に蛍光体部１３へ入射する。熱伝導体１１の光屈折率は蛍光体部１３の光屈折率よりも高いため、熱伝導体１１から蛍光体部１３へ入射した光は、蛍光体部１３の底部に平行な方向に向かって屈折する。従って、当該屈折した光は蛍光体部１３内の蛍光体粒子に衝突（入射）する確率が高くなる。さらに、接合面１３ａの凹凸構造はレーザ光の熱伝導体１１における波長に対して回折効果を有するテクスチャ構造であり、また、１００ｎｍ−１０ｍのサイズで形成されているため、蛍光体部１３へ入射する光は接合面１３ａにおいて回折し、拡散性の高いより均一な光となる。従って、蛍光品質の高い蛍光が発せられる。また、レーザダイオードＬＤからのレーザ光が蛍光体部１３から直接出射されることが大きく低減される。

上記したように、本実施例においては、蛍光体部１３と光反射層１４とが熱伝導体１１の互いに対向する主面上に設けられているので、蛍光体からの熱が熱伝導体１１を経て放熱体１７によって効率よく放熱される。従って、高出力のレーザ光を使用した場合であっても放熱性に優れ、高性能かつ発光効率の高い光波長変換装置を提供することができる。また、小型化しても放熱性に優れている。

さらに、熱伝導体１１における蛍光体部１３に対向しない表面（側面）に光入射部１２が設けられており、光入射部１２に近い熱伝導体１１の上面に光拡散体部１６が設けられているため、蛍光体部１３へ直接入射する光を抑制することができる。従って、レーザ光が蛍光体部１３から直接出射されることが防止され、いわゆるアイセーフ効果の高い光波長変換装置を提供することができる。

また、光反射層１４、光拡散層１５、及び光拡散体部１６を設け、熱伝導体１１と蛍光体部１３との間に屈折率差及びその接合面１３ａに凹凸構造を設けているため、レーザ光は多重反射、内部反射、及び拡散反射する。従って、均一な蛍光を発することが可能となり、蛍光品質を損なう原因であるスペックルノイズなどを抑制する効果が高い。

なお、本実施例においては、熱伝導体が平行平板形状を有している場合について説明したが、他の形状を有していても良い。例えば、熱伝導体の主面（すなわち上面及び底面）は互いに傾斜した傾斜面又は曲面であっても良い。図１（ａ）及び図１（ｂ）においては、熱伝導体の上面全体に凹凸構造が形成されている場合を示したが、当該凹凸構造は熱伝導体の一部に設けられていても良い。例えば、平行平板形状を有する熱伝導体の上面の一部に蛍光体部が設けられ、その一部すなわち熱伝導体と蛍光体部との接合面のみに凹凸構造が形成されていてもよい。熱伝導体と蛍光体部との接合面及び熱伝導体と光拡散体部との接合面が凹凸構造を有している場合について説明したが、当該接合面は凹凸構造を有しない平坦面であっても一定の拡散効果を得ることができる。光入射部が熱伝導体の側面に設けられている場合について説明したが、光入射部は熱伝導体の任意の表面上に設けられることができる。また、光入射部には反射防止コーティングが施されなくても良い。

上記したように、実施例１においては、蛍光体部が熱伝導体を介して光反射層に対向するように設けられ、光反射層の底部に放熱体が設けられ、熱伝導体の一部の表面上に光入射部が設けられている構成を有している。従って、放熱性能に優れ、アイセーフ効果及び蛍光品質が高く、高発光効率等の光波長変換装置を提供することができる。また、信頼性の高い高性能の光波長変換装置を提供することができる。

図３は、本発明の実施例２の光波長変換装置の構造を示す断面図である。光波長変換装置２０は、熱伝導体２１（側面２１ａを含む）、光入射部２２、蛍光体部２３、光反射層２４、光拡散層２５、光拡散体部２６、及び放熱体２７（サブマウント２７ａ及び放熱部材２７ｂ）を有している。光波長変換装置２０の光入射部２２に対向する熱伝導体２１の側面２１ａは、熱伝導体２１の底面（光反射層２４との接合面）に対して傾斜した傾斜面として構成されている。

より詳細には、側面２１ａは、蛍光体部２３の底面と側面２１ａとがなす角が鋭角となるように構成されている。以下においては、便宜上、蛍光体部２３の底面上の点を点Ａ、当該底面と側面２１ａとの交点を点Ｂ、側面２１ａと熱伝導体２１の底面との交点を点Ｃ、熱伝導体２１の底面上の点を点Ｄとして説明する。図３に示されているように、側面２１ａは、線ＡＢと線ＢＣとがなす内角である角ＡＢＣ（内角θ）が鋭角（０＜θ＜９０°）となるように構成されている。従って、線ＢＣと線ＣＤとがなす内角である角ＢＣＤ（内角１８０−θ）は鈍角となる。

図４は、実施例２の光波長変換装置２０を用いた場合の光源装置における光の進路を示す図である。実施例１と同様に、光ビームＬＢは、光入射部２２を介して熱伝導体２１へ入射し、熱伝導体２１内において様々な経路を経て蛍光体部２３へ入射する。図４に示されているように、本実施例においては、熱伝導体２１と光拡散体部２６との接合面へ進む光（経路Ｐ１ａ）、熱伝導体２１の側面２１ｂに垂直に（熱伝導体２１の底面に平行に）進む光（経路Ｐ３ａ）、及び光反射層２４へ進む光（経路Ｐ５ａ）についてのみ説明する。

経路Ｐ１ａ、Ｐ３ａ、及びＰ５ａを進む光は、それぞれ実施例１における経路Ｐ１、Ｐ３、及びＰ５と同様の経路を進む。しかし、実施例１とは異なり、角ＡＢＣは鋭角である。従って、経路Ｐ１ａ及びＰ５ａを進む光の一部並びに経路Ｐ３ａを進む光は、傾斜面２１ａにおいて拡散及び反射された後に、蛍光体部２３に向けて進む確率が高い。図示していないが、他の経路を経た後に傾斜面２１ａにおいて拡散及び反射された光も同様にその多くは蛍光体部２３の向きへ進むこととなる。すなわち、傾斜面２１ａにおいて拡散及び反射された光の大部分が蛍光体部２３へ入射することとなる。従って、本実施例によれば、上記した効果に加え、特に、発光効率が向上した光波長変換装置を提供することができる。

図５は、本発明の実施例３の光波長変換装置の構造を示す断面図である。光波長変換装置３０は、熱伝導体３１（側面３１ａを含む）、光入射部３２、蛍光体部３３、光反射層３４、光拡散層３５、光拡散体部３６、及び放熱体３７（サブマウント３７ａ及び放熱部材３７ｂ）を有している。光波長変換装置３０の光入射部３２に対向する熱伝導体３１の側面３１ａは、熱伝導体３１の底面（光反射層３４との接合面）に対して傾斜した傾斜面として構成されている。

より詳細には、側面３１ａは、蛍光体部３３の底面と、光入射部３２に対向する熱伝導体３１の側面３１ａとがなす角が鈍角となるように構成されている。図５に示されているように、線ＡＢと線ＢＣとがなす内角である角ＡＢＣ（内角θ）が鈍角（９０°＜θ＜１８０°）となるように構成されている。従って、線ＢＣと線ＣＤとがなす内角である角ＢＣＤ（内角１８０−θ）は鋭角となる。なお、実施例２と同様に、点Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤは説明の便宜上示したものである。

本実施例において、熱伝導体３１の蛍光体部３３側の主面（上面）の面積は、光反射層３４側の主面（底面）の面積よりも小さい。また、図示していないが、傾斜面３１ａにおいて拡散及び反射された光は、光反射層３４に向かって進む確率が高い。すなわち、傾斜面３１ａにおいて拡散及び反射された光の大部分が光反射層３４において内部反射することとなり、熱伝導体３１内における光の拡散効果が高い。さらに、熱伝導体３１の底面が上面よりも広く設けられているため、蛍光体部３３から発生した熱を多く放熱体３７へ伝達することが可能となる。従って、本実施例によれば、特に、拡散効率及び放熱効率が向上した光波長変換装置を提供することができる。

図６は、本発明の実施例４の光波長変換装置の構造を示す断面図である。光波長変換装置４０は、熱伝導体４１、光入射部４２、蛍光体部４３、光反射層４４、光拡散層４５、光拡散体部４６、及び放熱体４７（サブマウント４７ａ及び放熱部材４７ｂ）を有している。図６に示されているように、光波長変換装置４０における光入射部４２が設けられた熱伝導体４１の側面は、熱伝導体４１の底面（光反射層４４との接合面）に対して傾斜した傾斜面として構成されている。より詳細には、光入射部４２が設けられた熱伝導体４１の側面は、蛍光体部４３の底面と、光入射部４２が設けられた熱伝導体４１の側面とがなす内角（θ）が鈍角となるように構成されている。

本実施例において、熱伝導体４１の蛍光体部４３側の主面（上面）の面積は、光反射層４４側の主面（底面）の面積よりも小さい。また、図示していないが、入射した光ビームは光反射層４４に向かって進む確率が高い。すなわち、入射した光ビームの大部分が光反射層４４において内部反射することとなり、熱伝導体４１内における光の拡散効果が高い。さらに、熱伝導体４１の底面が上面よりも広く設けられているため、蛍光体部４３から発生した熱を多く放熱体４７へ伝達することが可能となる。従って、本実施例によれば、特に、拡散効率及び放熱効率が向上した光波長変換装置を提供することができる。

上記したように、本発明によれば、放熱性に優れ、発光効率の高い光波長変換装置を提供することができる。また、アイセーフ効果が高く、蛍光品質にも優れた光波長変換装置を提供することができる。さらに、放熱性が向上することに伴って、発熱部分である蛍光体部のみならず他の構成部材の部材寿命が延びる及び安定するなど、信頼性の高い光波長変換装置を提供することができる。

なお、実施例１−４においては、光源として半導体レーザ光を用いた場合について説明したが、他の光源を用いた場合であっても適用可能である。

１０、２０、３０、４０光波長変換装置
１１、２１、３１、４１透明熱伝導体
１２、２２、３２、４２光入射部
１３、２３、３３、４３蛍光体部
１４、２４、３４、４４光反射層
１５、２５、３５、４５光拡散層
１６、２６、３６、４６光拡散体部
１７、２７、３７、４７放熱体
１３ａ、１６ａ接合面の凹凸構造

Claims

レーザ光を受光して波長が変換された光を出射する光波長変換装置であって、
透明熱伝導体と、
前記透明熱伝導体の底部に設けられた光反射層と、
前記光反射層を介して前記透明熱伝導体を載置する放熱体と、
前記光反射層に対向する前記透明熱伝導体の表面上に設けられかつ蛍光体を含む蛍光体部と、
前記透明熱伝導体の一部の表面上に設けられた光入射部と、を含むことを特徴とする光波長変換装置。
前記透明熱伝導体はサファイア、窒化ガリウム、酸化ガリウム、及び炭化ケイ素のうち少なくとも１つからなることを特徴とする請求項１に記載の光波長変換装置。
前記光入射部、前記蛍光体部、及び前記光反射層を除いた前記透明熱伝導体の表面は光拡散性材料からなる光拡散層によって覆われていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光波長変換装置。
前記透明熱伝導体と前記蛍光体部との接合面は凹凸構造を有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の光波長変換装置。
前記透明熱伝導体は平板形状を有し、前記蛍光体部及び前記光反射層は前記透明熱伝導体の互いに対向する主面上に設けられ、前記光入射部は前記透明熱伝導体の側面上に設けられ、前記蛍光体部が設けられた前記透明熱伝導体の主面であって前記蛍光体部よりも前記光入射部に近い部分には光拡散性材料からなる光拡散体部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の光波長変換装置。
前記蛍光体部の底面と、前記光入射部に対向する前記透明熱伝導体の側面と、がなす内角が鋭角となるように、前記光入射部に対向する前記透明熱伝導体の側面は、前記透明熱伝導体の底面に対して傾斜していることを特徴とする請求項５に記載の光波長変換装置。
前記蛍光体部の底面と、前記光入射部に対向する前記透明熱伝導体の側面と、がなす内角が鈍角となるように、前記光入射部に対向する前記透明熱伝導体の側面は、前記透明熱伝導体の底面に対して傾斜していることを特徴とする請求項５に記載の光波長変換装置。
前記蛍光体部の底面と、前記光入射部が設けられた前記透明熱伝導体の側面と、がなす内角が鈍角となるように、前記光入射部が設けられた前記透明熱伝導体の側面は、前記透明熱伝導体の底面に対して傾斜していることを特徴とする請求項５に記載の光波長変換装置。