JP2011014587A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光広がり角を調整可能にし、半導体レーザ素子からの出射光を効率良く発光装置から取り出すことができるとともに、波長変換部材の放熱性に優れた発光装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子を覆い、半導体レーザ素子からの光を出射する貫通孔を有するキャップと、半導体レーザ素子からの光を吸収して異なる波長の光を発光する波長変換部材と、を有する発光装置であって、貫通孔の内壁面に、波長変換部材が配置される水平面を有し、水平面よりも下側の内壁面が、下側から上側に向かって貫通孔が広口となるように傾斜あるいは湾曲している。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体レーザ素子と波長変換部材とを備えた発光装置に関するものである。

半導体レーザ素子を用いた発光装置として、光源である半導体レーザ素子からの光を波長変換する部材を用いた構造が知られている。
例えば、特許文献１には、半導体レーザ素子と蛍光物質を有し、蛍光物質が半導体レーザ素子からの光を受光し、半導体レーザ素子からの光より長波長の光を発光することができるように構成された発光装置が開示されている。半導体レーザ素子は、金属製のステムに固定され、キャップで覆われている。キャップの上面の取り出し窓の上に蛍光物質層が形成されている。この構成により、半導体レーザ素子からの出射光は、キャップの取り出し窓を通過後、蛍光体により波長変換され、これらの混色光を外部へ出射することができる。
特許文献２には、複数の半導体レーザ素子をヒートシンクに搭載し、各半導体レーザ素子の前方に拡散レンズを配設し、アルゴンガス等を封入した真空ガラス管の内壁面に蛍光体を塗布したものが開示されている。半導体レーザ素子から出力されるレーザビーム光は拡散レンズで拡散され、この拡散光により蛍光体の蛍光物質が励起され、白色光等の可視光が得られる。

特開平１１−８７７７８号公報（特に、図９５） 特開平７−２８２６０９号公報

特許文献１の発光装置においては、蛍光物質層によって半導体レーザ素子からの光が四方八方に散乱するため、所望の指向特性を実現することが困難である。また、蛍光体組成物で反射された光や発生した光が、発光素子側への戻り光となる問題がある。これにより光取り出し効率の低減や、戻り光が発光素子に照射され吸収されることによって発光素子の特性を悪化させてしまう虞がある。
特許文献２の発光装置においては、蛍光体の分布領域がガラス管の全面に及ぶため、装置より得られる光の輝度が小さい問題がある。
また、蛍光体を介して、半導体レーザ素子からの光を外部に放出する場合、蛍光体が光に起因する熱により劣化してしまい、光源からの光を十分に外部に放出できなくなったり、場合によっては蛍光体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等の問題がある。
本願発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、光広がり角を調整可能にし、半導体レーザ素子からの出射光を効率良く発光装置から取り出すことができるとともに、波長変換部材の放熱性に優れた発光装置を提供することを目的とする。

本発明は、半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子を覆い、該半導体レーザ素子からの光を出射する貫通孔を有するキャップと、前記半導体レーザ素子からの光を吸収して異なる波長の光を発光する波長変換部材と、を有する発光装置であって、前記貫通孔の内壁面に、前記波長変換部材が配置される水平面を有し、前記水平面よりも下側の前記内壁面が、下側から上側に向かって前記貫通孔が広口となるように傾斜あるいは湾曲している発光装置に関する。かかる構成によれば、光広がり角を調整可能にし、半導体レーザ素子からの出射光を効率良く発光装置から取り出すことができる。また、波長変換部材の放熱性に優れた発光装置とすることができる。

前記波長変換部材の下面の面積のうち、前記水平面に接触する面積の比率が２０％以上であることが好ましい。かかる構成によれば、波長変換部材とキャップとの接触面積を十分に確保することができるため、波長変換部材で生じる熱を効率よく放熱させることができる。

前記水平面よりも上側の前記内壁面が、下側から上側に向かって広口となるように傾斜あるいは湾曲していることが好ましい。かかる構成によれば、半導体レーザ素子からの出射光を効率良く発光装置から取り出すことができる。

前記水平面の上において、少なくとも前記内壁面と前記波長変換部材との間に、半導体レーザ素子からの光を反射させる光反射性部材が設けられていることが好ましい。かかる構成によれば、半導体レーザ素子からの出射光を効率良く発光装置から取り出すことができる。

前記貫通孔は、前記水平面よりも上側において、少なくとも前記波長変換部材と対向する領域の内壁面が前記水平面に対して略垂直であり、前記水平面よりも上側の貫通孔に、前記波長変換部材が嵌合されていることが好ましい。かかる構成によれば、波長変換部材とキャップとの接触面積を十分に確保することができるため、波長変換部材で生じる熱を効率よく放熱させることができる。

前記キャップの上面は、前記波長変換部材よりも上に位置していることが好ましい。かかる構成によれば、半導体レーザ素子からの出射光を効率良く発光装置から取り出すことができる。

本発明によれば、光広がり角を調整可能にし、半導体レーザ素子からの出射光を効率良く発光装置から取り出すことができるとともに、波長変換部材の放熱性に優れた発光装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る発光装置を示す概略斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る発光装置を示す概略断面図である。 本発明の第１実施形態に係る発光装置の一部を拡大した概略断面図である。 本発明の第２実施形態に係る発光装置を示す概略断面図である。 本発明の第３実施形態に係る発光装置を示す概略断面図である。 本発明の第３実施形態の変形例に係る発光装置を示す概略断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための、発光装置を例示するものであって、本発明は、発光装置を以下のものに特定しない。また、特定的な記載がない限りは、構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、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等は、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、複数の要素を一の部材で構成することもできるし、逆に、一の要素を複数の部材で構成することもできる。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る発光装置を示す概略斜視図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係る発光装置を示す概略断面図である。図３は、第１の実施形態に係る発光装置の一部を拡大した概略断面図である。

本実施形態に係る発光装置１００は、半導体レーザ素子１１０と、半導体レーザ素子１１０を載置する台座１２０と、半導体レーザ素子１１０を覆い、半導体レーザ素子１１０からの光を出射する貫通孔１４０を有するキャップ１３０と、半導体レーザ素子１１０からの光を吸収して異なる波長の光を発光する波長変換部材１５０と、を備えて構成される。

台座１２０は、リード電極１２３を有する台座底部１２１と、台座底部１２１に設けられる台座柱部１２２と、を有している。台座底部１２１は、略円盤形状であり、下面からリード電極１２３が突出するように延伸して設けられている。このリード電極１２３は外部電極と電気的に接続可能である。さらに、台座底部１２１の縁周近傍であって、台座底部１２１の上面から垂直方向に、円筒形状のキャップ１３０が接着されてなる。キャップ１３０は、キャップ側部１３２の上端を、環状のキャップ上部１３１が覆うようにして構成されている。キャップ上部１３１には、キャップ上部１３１の厚さ方向に開口する貫通孔１４０が形成されている。この貫通孔１４０は、その内壁面に波長変換部材が配置される水平面１４５を有している。また、この水平面１４５よりも下側の内壁面１４１ａが、下側から上側に向かって貫通孔が広口となるように傾斜あるいは湾曲している。また、本実施形態においては、水平面１４５よりも上側の内壁面１４２ａにおいても、下側から上側に向かって貫通孔が広口となるように傾斜あるいは湾曲した形状としてもよい。下側とは、貫通孔の両端口のうち、半導体レーザ素子からの出射光が入光する側を指し、上側とは、他端側を指す。

また、キャップ１３０の内部において、台座底部１２１の上面から直立して柱状の台座柱部１２２が設けられる。台座柱部１２２の側面には、半導体レーザ素子１１０がＡｕ−Ｓｎ等の接着部材を介して載置される。キャップ１３０に覆われる半導体レーザ素子１１０は、ワイヤ等を介して電気的にリード電極１２３と接続されており、外部電極と接続可能となる。
ここで、台座底部１２１及び台座柱部１２２とは、便宜上、場所に応じて個々に命名したものであって異部材とは限らない。両者は同一部材とすることも可能であり、これにより製品の部品点数を削減することができる。本明細書では、台座底部１２１と台座柱部１２２とから構成される部材を台座と称す。

半導体レーザ素子１１０は、キャップ１３０内の幅方向（図１における左右方向）におけるほぼ中央部に位置される。従って、必然的に、半導体レーザ素子１１０が載置される台座柱部１２２は、台座底部１２１の中央部より円周方向へ偏心した位置に載置されることになる。
さらに、半導体レーザ素子１１０は、光出射面を上面（図２における上側）に備えており、光出射面がキャップ上部１３１と対向するよう離間して載置される。
また、半導体レーザ素子１１０の出射光軸は、キャップ上部１３１に形成された貫通孔１４０の中心軸とほぼ重なる。つまり、半導体レーザ素子１１０から出射される光が、貫通孔１４０内に設けられた波長変換部材１５０を介して外部に放出される。

本実施形態に係る発光装置１００は、キャップの貫通孔１４０に、波長変換部材１５０が配置される水平面１４５を備えることにより、波長変換部材１５０を簡易に配置することができる。また、波長変換部材から半導体レーザ素子側へと戻る光を水平面によって反射させることができる。したがって、半導体レーザ素子１１０への戻り光を著しく低減でき、光源からの光取り出し効率を向上させることが可能である。また、この水平面の上に波長変換部材１５０を配置することにより、波長変換部材１５０とキャップ１３０との接触面積を十分に確保することができる。これにより、波長変換部材１５０で生じる熱を効率よく放熱させることができるため、波長変換部材１５０の劣化を抑制することができる。また、少なくとも水平面１４５よりも下側の内壁面１４１が、下側から上側に向かって貫通孔が広口となるように傾斜あるいは湾曲しているため、貫通孔１４０内の内壁面に照射された光が外部方向へ効率よく反射され、光取り出し効率の向上を図ることができる。また、水平面１４５よりも上側の内壁面１４２においても、下側から上側に向かって貫通孔が広口となるように傾斜あるいは湾曲した形状とすることにより、波長変換部材１５０から横方向に出射する光を、貫通孔１４０の内壁面によって効率的に反射させることができるため、半導体レーザ素子１１０からの出射光を効率良く発光装置から取り出すことができる。
以下に個々の部材について説明する。

（キャップ）
キャップは、半導体発光素子を被覆するためのものであり、特に、台座に半導体発光素子が配置されたものにおいて、半導体発光素子を気密封止するためのものである。また、キャップは、波長変換部材を保持している。

キャップの形状は、特に限定されるものではなく、例えば、有底の筒型（円柱又は角柱等）又は錐台型（円錐台又は角錐台等）、ドーム型及びこれらの変形形状等、種々の形状が挙げられる。本実施形態に係る発光装置では、キャップは、円筒形状のキャップ側部と、キャップ側部の上端を覆う環状のキャップ上部とを有している。キャップ側部の下端は台座底部に取り付けられる。キャップ上部は、半導体発光素子からの光を通過させる貫通孔を有している。

キャップ材質としては、例えば、Ｎｉ−Ｆｅ合金、コバール等のステンレス合金や、ＣｕＷ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、真鍮等が挙げられる。通常、キャップは台座に抵抗溶接や半田付け等で接着される。特に、熱伝導率が高く、且つ、プロジェクションを用いた抵抗溶接が可能であるＦｅ−Ｎｉ合金、コバール、Ｎｉ等が好ましい。

キャップは、光反射率を高めるため、キャップの材質よりも反射率の高い反射部材を施すこともできる。特に、キャップの上面や貫通孔の内壁面に反射部材を施すことが好ましい。また、キャップの酸化劣化を防止するため、Ｎｉ、Ａｇ等のメッキを施しても良い。
反射部材は、発光素子から出射された光又は波長変換部材から放出された光を反射させる効果を持つ。反射部材を設けることで、光取り出し効率の高い発光装置が作成可能となる。反射部材は、台座全面、キャップ全面に設けることができる。特に、波長変換部材が配置される部位、つまり、キャップの貫通孔の内壁の一部又は全面に配置されていることが好ましい。反射部材は、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｉｎ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｒｈ、Ｐｔ等の金属及びこれらの合金、ＡｌＮ、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＺｎＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔｉ_３Ｏ_５、Ｔｉ_２Ｏ_３、ＴｉＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＣｅＯ_５、ＺｎＳ、ＭｇＦ_２等の多層膜などを少なくとも１以上含むものが好ましい。

反射部材は、保護膜で被覆されていてもよい。保護膜は、反射部材の劣化を抑制する機能を持つ。保護膜を設けることにより、反射部材が外部と接することを防ぎ、反射部材の化学反応や汚染を防止することができる。保護膜は、光透過率の高い材料で形成されることが好ましい。特に、半導体レーザ素子からの光の透過率が７０％以上であるものが好ましい。これは、反射部材で反射された光を効率良く外部へ取り出すことができるためである。具体的には、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＮ、ＩＴＯ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯＮ，ＡｌＮ、ＡｌＯＮ、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｎＯ、ＺｒＯ_２、ＭｇＦ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＧａＮ、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂等又はこれらの組み合わせが挙げられる。保護膜は、透光性部材の屈折率と略同一の屈折率、又は透光性部材の屈折率と波長変換部材の屈折率との間の屈折率を有していることが好ましい。また、保護膜は、キャップと波長変換部材との接着に寄与することもできる。

（貫通孔）
キャップの貫通孔は、半導体レーザ素子からの光を出射させる穴である。貫通孔は、キャップの上部又は側部等のいずれの部位に形成されていてもよい。貫通孔の数については、本実施形態では１つの貫通孔を形成したものを例示しているが、これに限らず、２以上の複数個設けてもよい。
本実施形態に係る発光装置では、半導体レーザ素子の光出射方向側からみて、キャップ上部のほぼ中央に貫通孔が形成されていることが好ましい。また、貫通孔の開口幅における中心軸は、半導体レーザ素子からの光出射軸とほぼ同一であることが好ましい。これにより、波長変換率の向上及び光損失の低減を図ることができる。

貫通孔の内壁面は、貫通孔の中心軸と直交する水平面を有しており、この水平面の上に波長変換部材が配置される。水平面よりも下側の貫通孔の径は、波長変換部材の径（または幅）よりも小さく形成されている。これにより、波長変換部材からの光が半導体発光素子側へと戻り難くなっている。
図２において、波長変換部材の下面のうち、貫通孔の水平面と接触する部分の面積Ｓ_１の割合が、２０％以上であることが好ましく、さらに７０％以上であることがより好ましい。これにより、波長変換部材で発生する熱をキャップに伝達させやすくなり、放熱性を高めることができる。
貫通孔内において、水平面よりも下側を第１領域１４１とし、水平面よりも上側を第２領域１４２とする。貫通孔の第１領域１４１及び第２領域１４２は、開口幅における中心軸が略同一となることが好ましい。これにより、光を効率よく導光させることができる。

（貫通孔の第１領域）
貫通孔の第１領域は、貫通孔内において、水平面よりも下側の領域である。貫通孔の第１領域は、下側から上側に向かって貫通孔が広口となるように傾斜あるいは湾曲した内壁面を有している。

キャップの上方から見た第１領域の開口形状は、特に限定されず、例えば、円形、楕円形、長方形、正方形、菱形、多角形又はこれらに近似する形状とすることができる。なかでも、円形とすることが好ましい。第１領域の入光側と出光側とで、異なる開口形状であってもよい。
第１領域の入光側の開口の大きさは、半導体レーザ素子の出射光の広がり角、発光素子とキャップとの距離等によって適宜調整することができる。特に、少なくとも第１領域の入光側においては、半導体発光素子の出射光の外形及び大きさに合わせたものが好ましい。つまり、半導体発光素子からの出射光がほぼ全て貫通孔に進入できるものであればよい。ここで、ほぼ全てとは、全体の出射光の８０％以上を意味する。

貫通孔の第１領域の入光側から出光側への広がりの程度は、特に限定されるものではないが、例えば、内壁面が貫通孔内の水平面に対して６０〜８０度程度の傾斜角を有していることが好ましい。ここで、傾斜角とは断面形状における貫通孔内の水平面と第１領域の内壁面がなす角度を指す。このような傾斜角に設定することにより、波長変換部材から半導体レーザ素子側へ戻る光を、貫通孔の内壁面によって効率的に反射させることができるため、光の取り出し効率を向上させることができる。また、波長変換部材とキャップとの接触面積を十分に確保することができるため、放熱性を高めることができる。

貫通孔の第１領域は、下側から上側に向かって貫通孔が広口となるように湾曲した内壁面を有するものでもよい。この場合、貫通孔の第１領域は、入射側近傍では開口径の拡大率が大きく、出射側近傍ではその拡大率が小さいものが好ましい。例えば、貫通孔の内壁面がドーム状外面のように湾曲した曲面状のものが挙げられる。このように貫通孔の内壁面が曲面状であると、内壁面で反射された光を、貫通孔の出射側の中心方向へと屈折させることが可能になる。したがって、貫通孔内での光の反射回数を低減でき、光の損失を低減することができる。

（貫通孔の第２領域）
貫通孔の第２領域は、貫通孔内において、水平面よりも上側の領域である。本実施形態においては、貫通孔の第２領域は、下側から上側に向かって貫通孔が広口となるように傾斜あるいは湾曲した内壁面を有していることが好ましい。

キャップの上方から見た第２領域の開口形状は、特に限定されず、例えば、円形、楕円形、長方形、正方形、菱形、多角形又はこれらに近似する形状とすることができる。なかでも、円形とすることが好ましい。第２領域の入光側と出光側とで、異なる開口形状であってもよい。

貫通孔の第２領域の入光側から出光側への広がりの程度は、特に限定されるものではないが、例えば、貫通孔内の水平面に対して４５〜８０度程度の傾斜角を有していることが好ましい。この傾斜角とは断面形状における貫通孔内の水平面と第２領域の内壁面がなす角度を指す。このような傾斜角に設定することにより、波長変換部材から横方向に出射する光を、貫通孔の内壁面によって効率的に反射させることができるため、半導体レーザ素子からの出射光を効率良く発光装置から取り出すことができ、かつ輝度の高い発光装置を得ることが可能となる。

貫通孔の第２領域は、下側から上側に向かって貫通孔が広口となるように湾曲した内壁面を有するものでもよい。この場合、貫通孔の第２領域は、入射側近傍では開口径の拡大率が大きく、出射側近傍ではその拡大率が小さいものが好ましい。例えば、貫通孔の内壁面がドーム状外面のように湾曲した曲面状のものが挙げられる。このように貫通孔の内壁面が曲面状であると、内壁面で反射された光を、貫通孔の出射側の中心方向へと屈折させることが可能になる。したがって、貫通孔内での光の反射回数を低減でき、光の損失を低減することができる。

貫通孔の第２領域内には、波長変換部材の少なくとも一部が配置されていてもよいが、第２領域内に波長変換部材の全体が配置されることが好ましい。すなわち、キャップの上面は、波長変換部材よりも上に位置していることが好ましい。これにより、半導体レーザ素子からの出射光を効率良く発光装置から取り出すことができる。

（波長変換部材）
波長変換部材は、半導体レーザ素子から出射された光が照射されることで、その出射された光を異なる波長の光に変換させる機能を有する。
波長変換部材は、入射された光の少なくとも一部を波長変換可能な蛍光体を有するものである。具体的には、例えば、蛍光体の単結晶、多結晶もしくは蛍光体粉末の焼結体等の蛍光体インゴットから切り出したものや、樹脂、ガラス、無機物等に蛍光体粉末を混合して焼結したものが挙げられる。半導体レーザ素子からの光が波長変換部材を通過する際に、波長変換物質としての蛍光体を励起することで、半導体レーザ素子の発光波長とは異なった波長を持つ光が得られ、この結果、波長変換されない光との混色により、所望の色相を有する出射光とすることができる。

青色発光素子と好適に組み合わせて白色発光とでき、波長変換部材に用いられる代表的な蛍光体としては、例えば、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）系、ＢＯＳ（Barium ortho-Silicate）系等の蛍光体などが好適に用いられる。白色に発光可能な発光装置とする場合、波長変換部材に含有される蛍光体の濃度によって白色となるよう調整される。蛍光体の濃度は、適宜変更可能であるが、例えば、３〜５０％程度である。波長変換部材の厚みが薄いほうが光取り出し効率が良いため好ましいが、薄くなるほど強度が下がるため、前述の蛍光体濃度と厚みの好ましい範囲内にて、適宜調整されるのが好ましい。

波長変換部材は、半導体レーザ素子からの光を入射する面となる下面と、半導体レーザ素子からの光を出射する面となる上面とを有している。波長変換部材の上面および下面は、互いに略平行な平坦面であってもよいし、平坦面に凹凸形状を有する構造であってもよいし、曲面を有してもよい。例えば、光出射面側にレンズ形状を構成してもよい。また、例えば、波長変換部材の上面をレンズ形状とし、半導体レーザ素子からの光を集光することもできるし、凹凸構造として半導体レーザ素子からの光を拡散させることもできる。入射面側になる波長変換部材の下面に凹凸を設けることもできる。波長変換部材の下面に形成される凹凸により、半導体レーザ素子からの入射光を散乱させることができ、輝度ムラや色ムラが低減されやすい。

波長変換部材の上面及び下面の形状は、円形、楕円形、長方形、正方形、菱形、多角形又はこれらの形状に近似する形状とすることができる。なかでも、円形とすることが好ましい。これにより、発光装置の色度ばらつきを低減することができる。

波長変換部材には、光拡散部材を含有してもよい。光拡散部材は、半導体発光素子から出射された光や、波長変換部材にから出射された光を拡散させる機能を持つ。これにより、色ムラを低減し色分布の良好な光源を得ることができる。例えば、光拡散部材として、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素、二酸化珪素、重質炭酸カルシウム、軽質炭酸カルシウム、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、銀などを用いることができる。波長変換部材に対する光拡散部材の含有量は、体積比率にして５〜２０％とすることが好ましい。

波長変換部材は、光の入射面となる波長変換部材の下面と、キャップの貫通孔の水平面とが、接合されている。接合は、Ａｕ−Ｓｎ等の共晶接合材又は接着材を用いて行うことができる。ここでいう「接合」とは、直接接合しているものに限らず、接着剤やその他の部材を介して接合されているものも含むものとする。

（波長変換部材の応用例）
以下に、本実施形態に係る波長変換部材の応用例について説明する。
波長変換部材は、無機物粉末と蛍光体粉末を混合して焼結させ、焼結体としたものを用いることができる。波長変換部材は、外部に露出する表層近傍は凹凸状に形成されていることが好ましい。この凹凸を構成する凹部は、深さや内面の形状が一様ではなく、すなわち不規則とする。また表層における凹凸形成領域では、無機物粒子の粒子間に空隙を生じるように積層されており、つまり多孔質状に加工された表層を構成する。そして表層の最表面では、この空隙の少なくとも一部が外部に連通しており、すなわち開口した凹みを形成して波長変換部材の凹部を構成している。

この凹部は、波長変換部材の材料成分の粒子、特に蛍光体粒子が抜脱したような形状であって、つまり凹部の内面形状の少なくとも一部が、波長変換部材の材料成分における粒子の表面形状に略沿うか、あるいは波長変換部材の材料成分の粒子の表面形状と相似関係を満たす。

波長変換部材の表層では、蛍光体粒子の分布域上を無機物粒子が被覆しており、この無機物粒子の被覆領域が表層を構成して外部に露出している。また表層は複数の細孔を備えており、したがって表層から離間した中央層では蛍光体粒子が表層よりも多く分布している。言い換えると、中央層では表層よりも空隙率が低い。蛍光体粒子は、波長変換部材の表層において中央層よりも少なくなる状態に分布され、中央層では略均等に拡散した状態に配置される。また、本明細書において空隙率とは、波長変換焼結体の全容積に対する、その中に含まれるすきまの容積の割合を意味する。尚、成型時に空隙を有する焼結体の場合には、主に観察断面における蛍光体粒子の密度が、表層側が中央層側に比べて低くし、例えば０．１倍以下、好ましくは０．０１倍以下に低くした透過領域を設け、更には表層に密度がほぼ０の蛍光体非含有の透過領域を設けることが好ましい。

波長変換部材内において、蛍光体が上面から離間していることにより、蛍光体粒子へと進行して波長変換された光が波長変換部材の上面に到達するまでの光路を稼ぐことができ、波長変換光が波長変換部材の上面での凹凸形状、更には透過領域によって十分に散乱、拡散される。これにより波長変換光の色相が半導体レーザ素子の光軸上で際立つことなく、略一様な混色光を得られる。特に、上面から、蛍光体粒子の分布領域の上端までの深さを、波長変換部材の総膜厚の５％ないし４０％とすることで、上記、凹凸面による、更には透過領域による波長変換光の光拡散性を有効に高められる。深さが５％よりも小さければ、散乱性が弱くなる。一方、４０％よりも大きければ、混色光における二次光の比率が微小となって所望の混色光を得られない。尚、凹凸領域は、透過領域の一部として図示しているが、全部で有っても良く、例えば透過領域の２０〜８０％としてもよい。

このような波長変換部材は、例えばエッチング処理により、無機物粒子と蛍光体粒子のレート差を利用して、優先的、選択的に蛍光体粒子を除去して、波長変換部材の表層側に無機物領域、凹凸領域を設けることができる。そのため、両者をそのような関係のものを選択することが好ましい。

（半導体レーザ素子）
半導体レーザ素子としては、種々のものが利用できる。半導体レーザ光は指向性が高いため、光を一方向へ導波しやすい。したがって、半導体レーザ素子から出射した光は、発光装置から効率よく外部へ取り出すことが可能となる。半導体レーザは、３００ｎｍ〜５００ｎｍに発光ピーク波長を持つものを使用できるが、４００ｎｍ〜４７０ｎｍに発光ピーク波長を持つものが好ましい。本発明においては、半導体レーザ素子は、１つのみ配置されてもよいし、２以上配置されてもよい。複数の半導体レーザ素子が配置される場合は、それらの波長は、同じ波長帯でもよいし、異なっていても良い。特にＲＧＢに対応する半導体レーザ素子を同じ放熱部材上に配置したものでもよい。

（台座）
台座は、半導体レーザ素子を載置させる部材である。形状は特に限定されるものではないが、正方形、長方形、円盤、半円、多角形等が挙げられる。また、部材としては、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、真鍮、コバール、ＣｕＷ、ステンレス等のメタル、もしくは、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ダイヤモンド等のセラミックが挙げられる。
また、台座は複数の部材、部位から構成されても構わない。部材、部位間はＡｕ−Ｓｎ等の蝋付け、抵抗溶接、半田付け等で接合される。
また、台座内にリード等を設けるため、絶縁材を用いても構わない。絶縁材としては、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＳｉＣ等のセラミックや、シリコーン、エポキシ、ポリエーテルエーテルケトン（ｐｅｅｋ）等の樹脂、または、低融点ガラス等を用いることができる。

＜第２の実施形態＞
図４は、本発明の第２の実施形態に係る発光装置を示す概略断面図である。
第２の実施形態に係る発光装置は、前述した第１の実施形態の発光装置と比べて、キャップの貫通孔の構成が異なる。なお、第１の実施形態と重複するところもあり、一部説明を省略することもある。

本実施形態に係る発光装置２００は、半導体レーザ素子２１０と、半導体レーザ素子２１０を載置する台座２２０と、半導体レーザ素子２１０を覆い、半導体レーザ素子２１０からの光を出射する貫通孔２４０を有するキャップ２３０と、半導体レーザ素子２１０からの光を吸収して異なる波長の光を発光する波長変換部材２５０と、を備えて構成される。キャップ２３０の貫通孔２４０は、その内壁面に波長変換部材２５０が配置される水平面２４５を有している。また、この水平面２４５よりも下側の内壁面２４１が、下側から上側に向かって貫通孔が広口となるように傾斜あるいは湾曲している。

さらに、本実施形態の発光装置２００は、水平面よりも上側において、少なくとも波長変換部材２５０と対向する領域の内壁面が水平面２４５に対して略垂直である。さらに、水平面よりも上側の貫通孔に、波長変換部材が嵌合されている。これにより、波長変換部材で生じる熱を波長変換部材の側面からキャップに伝達させることができるため、放熱性を高めることができる。
本実施形態の発光装置は、水平面よりも上側において、波長変換部材よりも上に位置する内壁面を、下側から上側に向かって貫通孔が広口となるように傾斜あるいは湾曲させてもよい。これにより、この内壁面に照射された光を外部方向へ効率よく反射させることができる。

＜第３の実施形態＞
図５は、本発明の第３の実施形態に係る発光装置を示す概略断面図である。
第３の実施形態に係る発光装置は、前述した第１の実施形態の発光装置と比べて、キャップの貫通孔の構成が異なる。なお、第１の実施形態と重複するところもあり、一部説明を省略することもある。

本実施形態に係る発光装置３００は、半導体レーザ素子３１０と、半導体レーザ素子３１０を載置する台座３２０と、半導体レーザ素子３１０を覆い、半導体レーザ素子３１０からの光を出射する貫通孔３４０を有するキャップ３３０と、半導体レーザ素子３１０からの光を吸収して異なる波長の光を発光する波長変換部材３５０と、を備えて構成される。キャップ３３０の貫通孔３４０は、その内壁面に波長変換部材が配置される水平面３４５を有している。また、この水平面３４５よりも下側の内壁面３４１が、下側から上側に向かって貫通孔が広口となるように傾斜あるいは湾曲している。

さらに、本実施形態の発光装置３００は、水平面３４５の上において、少なくとも貫通孔３５０の内壁面と波長変換部材３５０との間に、半導体レーザ素子３１０からの光を反射させる光反射性部材３６０が設けられている。
光反射性部材３６０は、発光素子３１０からの光を反射可能な部材からなる。貫通孔３４０内において、光反射性部材３６０は、波長変換部材３５０の側面を包囲するように設けられていることが好ましい。言い換えると、光反射性部材３６０は、水平面の上において、貫通孔３５０の内壁面と波長変換部材３５０との間に充填されていることが好ましい。これにより、波長変換部材３５０と光反射性部材３６０との界面で、波長変換部材からの光を波長変換部材３５０内に反射させる。このように、波長変換部材３５０内を光が伝播し、最終的に波長変換部材の上面から、外部へと出射される。

光反射性部材３６０の材料としては、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、アクリル樹脂、また、これらの樹脂を少なくとも一種以上含むハイブリッド樹脂等の樹脂に反射性物質を含有させることで形成することができる。反射性物質の材料としては、酸化チタン、二酸化ケイ素、二酸化チタン、二酸化ジルコニウム、チタン酸カリウム、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、ムライトなどを用いることができる。その含有濃度、密度により光の反射量、透過量が異なるため、発光装置の形状、大きさに応じて、適宜濃度、密度を調整するとよい。例えば、比較的小さい発光装置の場合には、光反射性部材の肉厚を小さくする必要があり、その薄肉部で光の漏れを抑制するために、反射性物質の濃度を高くすることが好ましい。一方で、光反射性部材３６０の塗布、成形などの製造工程において、反射性物質の濃度が高くなると製造上の困難性がある場合には、その濃度を適宜調整する。例えば、反射性物質の含有濃度を３０ｗｔ％以上、その肉厚を２０μｍ以上とするのが好ましい。

また、反射性に加え、放熱性を併せ持つ材料とすると反射性能を持たせつつ、放熱性を向上させることができる。このような材料として、熱伝導率の高い窒化アルミニウムや窒化ホウ素が挙げられる。また、反射性物質とは別に、放熱性を高める目的で放熱性物質を添加してもよい。これらの放熱材料の、樹脂に対する含有濃度は、例えば５ｗｔ％以上であり、これにより、光反射性部材３６０の熱伝導率を、３Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすることが好ましい。

光反射性部材３６０の成形方法は、特に限定されず、例えば、射出成形、ポッティング成形、樹脂印刷法、トランスファーモールド法、圧縮成形などで成形することができる。

＜第３の実施形態の変形例＞
図６は、本発明の第３の実施形態の変形例に係る発光装置を示す概略断面図である。
光反射性部材３６０は、波長変換部材３５０の上面の一部を覆うように形成されていてもよい。この変形例において、光反射性部材３６０は、波長変換部材３５０の上面の周縁部を被覆する被覆部３６２を備えている。光反射性部材３６０の被覆部３６２は、波長変換部材３５０を係止可能であって、略中央に開口部３６４を有する。これにより、波長変換部材３５０の脱落を防止することができる。また、被覆部３６２の開口部３６４は、発光装置の外側に向かって拡開するように傾斜あるいは湾曲していてもよい。これにより、光取り出し効率の向上を図ることができる。

以下、本発明に係る実施例について詳述する。なお、本発明は以下に示す実施例のみに
限定されないことは言うまでもない。

図２は、実施例１に係る発光装置を示す概略断面図である。
実施例１に係る発光装置は、半導体レーザ素子１１０と、半導体レーザ素子１１０を載置する台座１２０と、半導体レーザ素子１１０を覆い、半導体レーザ素子１１０からの光を出射する貫通孔１４０を有するキャップ１３０と、半導体レーザ素子１１０からの光を吸収して異なる波長の光を発光する波長変換部材１５０と、を備えて構成される。

台座１２０は、リード電極１２３と台座底部１２１と台座柱部１２２により構成される。台座底部１２１、台座柱部１２２は、それぞれ鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）を主成分とする。リード１２３は、低融点ガラスによって台座底部１２１に固定される。半導体レーザ素子１１０としては、発光スペクトルのピーク波長が４４５ｎｍ近傍のＧａＮ系の半導体レーザを用いる。キャップ１３０は、円筒の上端が環状の上面により被覆された形状を有しており、半導体発光素子１１０の光出射面に対向する部位に、半導体発光素子１１０からの出射光が通過する貫通孔１４０が形成されている。
この貫通孔１４０は、その内壁面に波長変換部材が配置される水平面１４５を有している。また、この水平面１４５よりも下側（第１領域１４１）の内壁面１４１ａが、下側から上側に向かって貫通孔が広口となるように傾斜あるいは湾曲している。また、水平面１４５よりも上側（第２領域１４２）の内壁面１４２ａにおいても、下側から上側に向かって貫通孔が広口となるように傾斜あるいは湾曲している。
貫通孔の第１領域１４１の直径は、入光側で３５０μｍ、出光側で１０００μｍであり、第１領域の内壁面の傾斜角は、３０°である。貫通孔の第２領域１４２の直径は、入光側で３０００μｍ、出光側で３１５０μｍであり、第２領域の内壁面の傾斜角は、６０°である。半導体レーザ素子の光出射面からキャップ１３０までの距離は、ほぼ１５０μｍである。キャップ上部１３１の厚みは、８２０μｍ程度である。また、キャップ１３０の貫通孔１４０の内壁面から、キャップ１３０の外側の表面の一部に、Ａｇからなる反射部材を設けている。反射部材の上には、ＳｉＯ_２からなる保護膜を形成している。

本実施例における波長変換部材１５０は、ＹＡＧとアルミナを混合して焼結することで形成された蛍光体板である。波長変換部材１５０は、光拡散部材として、酸化イットリウム（信越化学社製、ＵＵＨＰ）が含有されている。光拡散部材の含有量は、波長変換部材に対する体積比率が２０％となるように調節している。波長変換部材１５０は、略円盤形状である。

以上のようにして作成された発光装置は、半導体発光素子が出射する光と、波長変換部材によって変換される光との混色により白色が得られる。また、広がり角が調整された光を出射することができ、光取り出し効率が高く、さらに、波長変換部材の放熱性に優れた発光装置を実現することができる。

１１０、２１０、３１０ 半導体レーザ素子
１２０、２２０、３２０ 台座
１２１、２２１、３２１ 台座底部
１２２、２２２、３２２ 台座柱部
１２３、２２３、３２３ リード
１３０、２３０、３３０ キャップ
１３１、２３１、３３１ キャップ上部
１３２、２３２、３３２ キャップ側部
１４０、２４０、３４０ 貫通孔
１４１ 第１領域
１４２ 第２領域
１４５、２４５、３４５ 水平面
１５０、２５０、３５０ 波長変換部材
３６０ 光反射性部材
３６２ 被覆部
３６４ 開口部

Claims (6)

1. 半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子を覆い、該半導体レーザ素子からの光を出射する貫通孔を有するキャップと、前記半導体レーザ素子からの光を吸収して異なる波長の光を発光する波長変換部材と、を有する発光装置であって、
   前記貫通孔の内壁面に、前記波長変換部材が配置される水平面を有し、
   前記水平面よりも下側の前記内壁面が、下側から上側に向かって前記貫通孔が広口となるように傾斜あるいは湾曲していることを特徴とする発光装置。
2. 前記波長変換部材の下面の面積のうち、前記水平面に接触する面積の比率が２０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記水平面よりも上側の前記内壁面が、下側から上側に向かって広口となるように傾斜あるいは湾曲していることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光装置。
4. 前記水平面の上において、少なくとも前記内壁面と前記波長変換部材との間に、半導体レーザ素子からの光を反射させる光反射性部材が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発光装置。
5. 前記貫通孔は、前記水平面よりも上側において、少なくとも前記波長変換部材と対向する領域の内壁面が前記水平面に対して略垂直であり、
   前記水平面よりも上側の貫通孔に、前記波長変換部材が嵌合されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光装置。
6. 前記キャップの上面は、前記波長変換部材よりも上に位置していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発光装置。

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