JP2013222552A - 固体照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型、軽量、低発熱であり、信頼性が高められた固体照明装置を提供する。
【解決手段】固体照明装置は、光源部と、導光部と、発光部と、を有する。光源部は、半導体レーザーを有し、青紫色〜青色の波長範囲の複数のレーザー光を放出する。導光部は、複数のレーザー光をそれぞれ導光する複数の導波路を有する。発光部は、第１の面を有する熱伝導部と、第１の面の中央部の上に設けられた波長変換層と、上面と側面と下面とを有し、前記下面の少なくとも一部が前記第１の面に当接する光学部と、を有する。発光部は、複数の導波路の一方の端部は上方からみて中央部の外側にそれぞれ配置され、一方の端部から光学部にそれぞれ入射した複数のレーザー光は波長変換層を照射する。複数のレーザー光を吸収した波長変換層から放出された波長変換光と、複数のレーザー光が前記発光部内で変換されて生じた散乱光と、は、光学部の上面から放出される。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、固体照明装置に関する。

固体発光素子を用いた白色固体照明(ＳＳＬ: Solid-State Lighting)装置は、ＬＥＤ(Light Emitting Diode)が主流である。

しかし、蛍光体を有する白色発光部とＬＥＤチップとは近接して設けられることが多い。このため、ＬＥＤチップの放熱と給電のための基板が必要である。

また、高輝度ＬＥＤは、チップサイズが０．５ｍｍ×０．５ｍｍ以上であり、かつ、ランバート（Lambert）分布であり発光放射角が広い。このため、光が発散しやすく、蛍光体層を効率よく照射することが困難である。

液晶プロジェクタ、舞台照明、街路灯、サーチライト、ヘッドライト、などの照明装置には、高輝度大光量光源が必要である。しかしながら、小型、軽量、低発熱量である発光部を、ＬＥＤで構成することは困難である。

特開２００７−５２９５７号公報

小型、軽量、低発熱であり、信頼性が高められた固体照明装置を提供する。

実施形態にかかる固体照明装置は、光源部と、導光部と、発光部と、を有する。前記光源部は、半導体レーザーを有し、青紫色〜青色の波長範囲の複数のレーザー光を放出する。前記導光部は、前記複数のレーザー光をそれぞれ導光する複数の導波路を有する。前記発光部は、第１の面を有する熱伝導部と、前記第１の面の中央部の上に設けられた波長変換層と、上面と側面と下面とを有し、前記下面の少なくとも一部が前記第１の面に当接する光学部と、を有する。前記発光部は、前記複数の導波路の一方の端部は上方からみて前記中央部の外側にそれぞれ配置され、前記一方の端部から前記光学部にそれぞれ入射した前記複数のレーザー光は導光されたのち前記波長変換層を照射する。前記複数のレーザー光を吸収した前記波長変換層から放出された波長変換光と、前記複数のレーザー光が前記発光部内で変換されて生じた散乱光と、は、前記光学部の前記上面から放出される。

小型、軽量、低発熱であり、信頼性が高められた固体照明装置が提供される。

第１の実施形態にかかる固体照明装置の構成を示す模式斜視図である。 図２（ａ）は第１の実施形態の発光部の模式斜視図、図２（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図２（ｃ）は発光部の変形例の模式断面図、図２（ｄ）は他の変形例の模式断面図、である。 図３（ａ）は側面入射構造の光学部の模式断面図、図３（ｂ）はその第１変形例の模式断面図、図３（ｃ）は第２変形例の模式図、である。 図４（ａ）はホログラム素子を有する光学部の模式断面図、図４（ｂ）はその変形例の模式断面図、図４（ｃ）はレンズさらに有する構造の模式断面図、である。 図５（ａ）は蛍光体層を形成する一方法を説明する模式断面図、図５（ｂ）は裏面入射構造への応用例の模式断面図、図５（ｃ）は側面入射構造への応用例の模式断面図、である。 固体照明装置の応用例の一例であるプロジェクタの構成を示す模式図である。 プロジェクタの機能を示すブロック図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、第１の実施形態にかかる固体照明装置の構成を示す模式斜視図である。
固体照明装置は、光源部１０と、導光部２０と、発光部３０と、を有している。

光源部（ライトエンジン）１０は、半導体レーザー１１と、駆動回路１２と、を有する。半導体レーザー１１は、窒化物系半導体材料からなり、青紫色〜青色の波長範囲のレーザー光を放出する。固体発光素子を半導体レーザーとすると、光ファイバーなどに高輝度で効率良く結合させることができる。半導体レーザーのチップの端面の発光点は１０μｍ以下のサイズであり、その放射角(ビーム広がり角:beam divergence)も２５度×４０度程度と狭い。

駆動回路１２は、半導体レーザー１１に所定の電圧または電流を供給する。また、所定の光出力となるような制御回路を有することもできる。さらに、戻り光を検出し、たとえば、異常を検出した場合に半導体レーザー１１の駆動を停止する機能を有することもできる。

また、光源部１０は、半導体レーザー１１からのレーザー光を、伝送する光ファイバー１４と、レーザー光を光ファイバー１４の端部に集光するためのレンズなどの光結合部１３を有することができる。さらに、放出光の異常検出のための戻り光ＲＬ１を検出する光センサーを有することができる。

レーザー光は、複数のビームを含む。複数のビームは、１つの半導体レーザーの出力を分岐してもよいし、独立のビームでもよい。複数の半導体レーザー１１から放出される複数のビームを用いると、より高い出力とすることができる。

導光部２０は、複数の導波路を有することができる。それぞれの導波路は、複数のレーザー光Ｇ１のうちのそれぞれを発光部３０へ伝送する。

発光部３０は、熱伝導部３４と、波長変換層３２と、光学部３９と、を有する。波長変換層３２は、熱伝導部３４の第１の面３４ａの中央部に設けられる。光学部３９は、第１の面３４ａおよび波長変換層３２の上に設けられ、上面と側面と下面とを有する。複数の導波路のそれぞれの一方の端部は、上方からみて中央部の外側に配置される。また、それぞれの一方の端部から光学部３９に入射した複数のレーザー光Ｇ１のそれぞれは導光されたのち波長変換層３２を照射する。

レーザー光の波長よりも長い波長を有する波長変換光は、複数のレーザー光を吸収した波長変換層３２から放出される。複数のレーザー光と、波長変換光と、の混合光は、光学部３９の上面から放出される。

なお、図１に示す第１の実施形態では、導波路が光ファイバーを含むものとし、導光部２０が多芯光ファイバーであるものとするが本発明はこれに限定されない。また、レーザー光は、光学部３９の側面側から入射することができるが、図１では裏面側から入射するものとする。

導波路は、第１のファイバーフェルール２９からなる一方の端部と、第２のファイバーフェルール２８と、光ファイバー２４と、を有する。第１のファイバーフェルール２９と第２のファイバーフェルール２８とは光結合する。

コネクタ２６は、嵌合部２７と、嵌合部２７を囲むように設けられた複数の開口部２６ａと、を有する。開口部２６ａには、第２のファイバーフェルール２８がそれぞれ挿入されている。

複数の第２のファイバーフェルール２８は、コネクタ２６の周辺領域に同心円状に等間隔で配置される。また、複数の第１のファイバーフェルール２９も同心円状に等間隔で配置される。第１のファイバーフェルール２９のそれぞれの直径を第２のファイバーフェルール２８のそれぞれの直径よりも大きくするとレーザー光は第１のファイバーフェルール２９に高い効率で入射する。なお、第１のファイバーフェルール２９の位置は、ストッパなどで制御可能である。その固定には、耐熱性接着剤やレーザー溶接などを用いることができる。

発光部３０は、波長変換光層（蛍光体層）３２と、熱伝導部３４と、光学部３９と、第１の半田層（図示せず）を有する。波長変換層３２は、熱伝導部３４の第１の面３４ａの中央部に設けられる。また、第１のファイバーフェルール２９が挿入される開口部３４ｃが、波長変換層３２の周囲に等間隔で配置される。たとえば、レーザー光が、青〜青紫光の波長範囲である場合、波長変換層３２を黄色蛍光体からなるものとすると、波長変換光として黄色光を得ることができる。この結果、混合光を白色光近傍とすることができる。

熱伝導部３４は、たとえば、高熱伝導率を有する金属などからなる。また、その第１の面３４ａは、青色光波長において、反射率が８０％以上と高いことが好ましい。

図２（ａ）は発光部の模式斜視図、図２（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図２（ｃ）は発光部の第１変形例の模式断面図、図２（ｄ）は第２変形例の模式断面図、である。
図２（ａ）、（ｂ）のように、光学部３９には、上面３９ｄと、側面と、下面３９ｅと、を有する。さらに、側面は、外側の第１の斜面３９ｂと、内側の第２の斜面３９ｃと、を含む。第１のファイバーフェルール２９は、熱伝導部３４に設けられた開口部３４ｃ内に挿入される。第１の斜面３９ｂは、第１のファイバーフェルール２９から出射したレーザー光ｇ１を反射し、波長変換層３２に向けて導光する。また、第２の斜面３９は、第１の斜面３９ｂで反射されたレーザー光を導光し効率よく波長変換層３２を照射する。青色レーザ光は、第２の斜面３９ｃで形成された空隙３９ａを通って、波長変換層３２を集中的に照射する。

発光部３０に入射したレーザー光は、波長変換層３２により反射や拡散がされたり、光学部３９内での反射の繰り返しなどにより散乱光に変換される。このような青紫色〜青色の散乱光と、黄色光などの波長変換光ｇ２と、の主要部分は、上面３９ｄから取り出される（ＧＴ）。

図２（ｃ）に表すように、光学部３９の下面３９ｅ側から入射したレーザー光を、フォトニック結晶導波路８０により、最初に角度を急激に変化させることができる。フォトニック結晶導波路８０は、導波路以外では光の存在が物理的に禁制されるので、このように直角に近い角度に光路を曲げることができる。このため、研磨加工などにより第１の斜面３９ｂを形成することが不要である。

また、光学部３９がガラスからなる場合、不活性ガス雰囲気内で、光学部３９の下面３９ｅと熱伝導部３４の第１の面３４ａとを共晶金属などからなる半田や接着剤からなる接着層５５などを用いて当接配置することができる。このようにすると、空隙３９ａの内部に不活性ガスを満たし、波長変換層３２を気密封止できる。この構造により、波長変換層３２の劣化を防止できる。つまり、機械的強度も含め、ロバストで高い信頼性を有する発光部３０を実現できる。波長変換層３２は、たとえば、樹脂内に蛍光体粒子を分散させたものとすることができる。

また、図２（ｄ）に表すように、光学部３９は空隙が設けられず、高屈折率であり中央部近傍にテーパ部を有するコア部３９ｆと、コア部３９ｆを上下から挟むクラッド部３９ｈと、を有するものとすることができる。なお、コア部３９ｆ以外の部分をフォトニック結晶としてもよい。

図３（ａ）は側面入射構造の光学部の模式断面図、図３（ｂ）はその第１変形例の模式断面図、図３（ｃ）は第２変形例の模式図、である。
図３（ａ）に表すように、空隙３９ａを有する光学部３９の側面から内部へレーザー光を入射してもよい。光学部３９の側面およびその外周と熱伝導部３４の第１の面３４ａとは、接着剤などからなる接着層５５により接着することができる。なお、光学部３９の下面３９ｅの少なくとも一部と、熱伝導部３４の第１の面３４ａと、を当接し、光学部３９の上面３９ｄや側面３９ｂをカバーで抑えつつ、カバーと熱伝導部３４とをネジなどにより嵌合して固定してもよい。また、図３（ｂ）に表すように、空隙が設けられず、クラッド部３９ｈよりも高い屈折率を有するコア部３９ｆの側面から内部へレーザー光を入射してもよい。

図３（ｃ）に表すように、４つの光ファイバー２４を集積した角形ガラスフェルール２４ｆの出射端をそれぞれ斜め研磨する。角形ガラスフェルール２４ｆの斜面で折り曲げられたレーザー光が、光学部３９の側面にそれぞれ入射する。このため、構成部品数を減らし、簡素な構造となる。

図４（ａ）はホログラム素子を有する光学部の模式断面図、図４（ｂ）はその変形例の模式断面図、図４（ｃ）はレンズをさらに有する構造の模式断面図、である。
図４（ａ）に表すように、光学部３９の下面３９ｅに微小パターンからなるホログラム素子８２を設けると、波長変換層３２への照射を精度よく制御できる。

また、図４（ｂ）に表すように、コア部３９ｆの下面にホログラム素子８２を設けてもよい。すなわち、入射光がレーザー光であるので、微小パターンは、波動光学に基づいて設計した回折格子とすることができる。また、図４（ｃ）に表すように、光学部３９の上にレンズ８８を設けると、配光特性を制御できる。レンズ８８は、たとえば、凹面、凸面、非球面、などとできる。

図５（ａ）は波長変換層の構造の一例を説明する模式断面図、図５（ｂ）は裏面入射構造への応用例の模式断面図、図５（ｃ）は側面入射構造への応用例の模式断面図、である。
蛍光体層からなる波長変換層３２は、図２（ｂ）に表すように、熱伝導部３４の第１の面３４ａに、塗布することにより設けることができる。または、図５（ａ）のように、白色セラミック板や銀薄板などからなる反射部材８４の第１の面の上に設けることができる。また、反射部材の第２の面と、熱伝導部３４の第１の面３４ａとは、接着層５６で接着することができる。このようにすると、組立工程が容易となる。また、波長変換特性を予め評価することができるので、色度調整が容易となり、歩留まりを高めることもできる。

裏面入射構造の場合、図５（ｂ）に表すように、光学部３９は、波長変換層３２を囲むように設けられる。また、図５（ｃ）は、側面入射構造を表す。このような構造とすると、製造工程が簡素となり、量産性を高めることができる。

もし、ＬＥＤ、ハロゲン電球、ＨＩＤ（High Intensity Discharge)などの大光量高輝度光源を用いる灯具およびプロジェクタなどの照明装置は、その光源の発熱のため、筐体のサイズが大きくなる。特に、プロジェクタは、冷却ファンなどを含み、液晶やレンズなどの光学部品、および、回路などが筐体に一体的に内蔵している。これらの高価な部品の放熱対策も必要になる。

また、机の上にプロジェクタを置いた場合、冷却ファンからの排熱が不快であり、ファンの音がうるさい。これに対して、第１の実施形態では、放熱が容易で、小型軽量の大光量高輝度照明装置を提供することができる。

また、第１の実施形態の固体照明装置は、１０００ルーメンを超える光束を数ｍｍ以下の直径で発光し、大光量高輝度白色光源を実現できる。発光部３０における発熱領域は、蛍光体層３２のみであり、小型で軽量な白色発光領域を実現できる。

図６は、固体照明装置の応用例の一例であるプロジェクタの構成を示す模式図である。
発熱の大きい半導体レーザーと、駆動回路と、は、光源部１０に収納されている。光ファイバー２４などの導光部２０により、光源部１０と接続された発光部３０は、大光量高輝度発光が可能であるにもかかわらず、小型軽量で低発熱とできる。光源部１０を、たとえば、机の下などに設置すれば、机上は広くなり、冷却ファンによる排熱や騒音を抑制できる。

映像をスクリーン６４に投影する投影部６０には、発光部の前に液晶デバイスなどからなるシャッターが設けられる。液晶デバイスは、消費電力が低いので、発熱は少ない。また、マイクロ波でワイアレス給電する場合、光ファイバー２４には光信号伝送用のコネクタを設ければよい。もちろん、電気信号伝送用のコネクタを設けることもできる。発光部３０は自在に首の角度を調整できるように、自在パイプの中に光ファイバー束を通すと、照射位置の調整がワンタッチで可能である。

図７は、プロジェクタの機能を示すブロック図である。
プロジェクタは、投影部６０と、固体照明装置５と、掃引信号駆動部７１と、戻り光センサー部７３と、映像信号駆動部７２と、を有する。投影部６０は、映像部６３と、掃引光学部６１と、外部信号センサー部６２と、を有する。また、映像部６３は、液晶シャッターを有してもよい。

光源部１０から放出されたレーザー光Ｇ１は、導光部２０を伝搬し、発光部３０へ入射する。発光部３０から放出された白色光ＷＬは、映像部６３に対するバックライトとして作用する。また、光源部１０は、掃引光学部６１へレーザー光Ｇ２を伝送することができる。

光学部３０からの戻り光ＲＬ１は、導光部２０を通り、戻り光センサー部７３へ入射する。戻り光ＲＬ１は、光学部３９で反射されたレーザー光および波長変換光を含む。たとえば、戻り光の黄色光成分の強度が、青色光成分の強度に対して低下した場合、戻り光センサー部７３がこの低下を検出し、光源部１０内の半導体レーザーの駆動を停止することができる。すなわち、固体照明装置５は、放出光が異常モードになったことを検出する自己診断機能を有するので、青色光などが過剰に放出されることを防ぎ安全を確保することができる。

映像部６３には、映像信号駆動部７２からの映像信号Ｓ１が入力され、スクリーン６４に向けて映像を投影する。また、掃引光学部６１へは、掃引信号駆動部７１からの掃引信号Ｓ２が入力される。

また、信号伝送系を光のみにする場合、高出力レーザーの出力の一部を利用して発光ヘッド側で光発電を行い、制御信号用電力も光ファイバーなどで伝送することも可能である。

第１の実施形態にかかる固体照明装置５は、小型、軽量、低発熱であり、信頼性を高めることが容易である。また、レーザー光を光ファイバーケーブルで照明の発光部まで導光させる照明システムとしたことで、ＬＥＤや、フィラメント電球・ＨＩＤランプなどを用いた照明システムと異なり照明の発光部近傍に電気配線する必要がなくなる。その結果として、これまで、設置・配線に防水防爆対策や、特殊装備の着用を必要とする環境箇所・電気配線が困難な箇所などに広く用いることができる。たとえば、舞台照明の場合、プロジェクションやスポット照明に使用できる。この場合、微小発光部のローカル部分の色や輝度を調光でき、分解能は低いが演出としては大きな効果が得られる。

発光部の発熱が大きい照明装置の場合、スポットやプロジェクション型の舞台照明とレーザー光掃引による演出とは、別の大型装置を用いる必要があった。これに対して、第１および第２の実施形態によれば、１台の小型ヘッドを用いて、両方の機能を実現することができる。このため、舞台やスタジオのコンセプトを大きく変えることができ、その効果は大きい。

また、外部信号光センサー部６２が赤外線などの外部光信号を検出すると、光源部１０に向けて、赤外線や電気などの信号ＲＬ２を伝送し、半導体レーザー１１のオンまたはオフに制御することができる。このような固体照明装置は、防爆設備用照明や画像録画可能な防犯照明などとして用いることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

５ 固体照明装置、１０ 光源、１１ 半導体レーザー、２０ 導光部、３０ 発光部、３２ 波長変換層、３４ 熱伝導部、３４ｃ 開口部、３９ 光学部、３９ｄ （光学部の）上面、３９ｅ （光学部の）下面、５５ 接着層、５６ （第２の）接着層８０ フォトニック結晶、８２ ホログラム素子、８４ 反射部材

Claims (12)

1. 半導体レーザーを有し、青紫色〜青色の波長範囲の複数のレーザー光を放出する光源部と、
   前記複数のレーザー光をそれぞれ導光する複数の導波路を有する導光部と、
   第１の面を有する熱伝導部と、前記第１の面の中央部の上に設けられた波長変換層と、上面と側面と下面とを有し、前記下面の少なくとも一部が前記第１の面に当接する光学部と、を有する発光部であって、前記複数の導波路の一方の端部は上方からみて前記中央部の外側にそれぞれ配置され、前記一方の端部から前記光学部にそれぞれ入射した前記複数のレーザー光は導光されたのち前記波長変換層を照射する発光部と、
   を備え、
   前記複数のレーザー光を吸収した前記波長変換層から放出された波長変換光と、前記複数のレーザー光が前記発光部内で変換されて生じた散乱光と、は、前記光学部の前記上面から放出される固体照明装置。
2. 前記発光部は、前記第１の面のうち前記波長変換層が設けられない領域と前記光学部の前記下面とを接着する半田または接着剤からなる接着層をさらに有する請求項１記載の固体照明装置。
3. 前記光学部の前記下面と前記波長変換層との間には空隙が設けられ、
   前記接着層は、前記光学部の前記下面のうち前記空隙が設けられない領域と前記熱伝導部の前記第１の面とを接着する請求項２記載の固体照明装置。
4. 前記熱伝導部の前記第１の面には、前記波長変換層を囲む複数の開口部が設けられ、
   前記一方の端部のそれぞれは、前記複数の開口部の内部にそれぞれ配置され、
   前記複数のレーザー光は、前記光学部の前記下面の側へそれぞれ入射する請求項１〜３のいずれか１つに記載の固体照明装置。
5. 前記光学部に入射した前記複数のレーザー光は、前記光学部の前記側面のうち、傾斜した領域で反射されたのち前記波長変換層をそれぞれ照射する請求項４記載の固体照明装置。
6. 前記光学部は、フォトニック結晶を含み、
   前記光学部に入射した前記複数のレーザー光は、前記フォトニック結晶中に構成された曲がり導波路により最初に方向変換されたのち前記波長変換層をそれぞれ照射する請求項４記載の固体照明装置。
7. 前記複数の導波路の前記一方の端部は、前記光学部の前記側面の側にそれぞれ配置され、
   前記複数のレーザー光は、前記光学部の内部へそれぞれ入射する請求項１〜３のいずれか１つに記載の固体照明装置。
8. 前記光学部は、コア部と、前記コア部の屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド部と、を有する導波路を有する請求項７記載の固体照明装置。
9. 前記コア部は、テーパ部を有する請求項８記載の固体照明装置。
10. 前記光学部は、フォトニック結晶からなる導波路を有する請求項７記載の固体照明装置。
11. 前記光学部は、ホログラム素子を有する請求項１〜１０のいずれか１つに記載の固体照明装置。
12. 前記発光部は、第１の面と前記第１の面とは反対の側の第２の面を有する反射部材をさらに有し、
    前記反射部材の前記第１の面には前記波長変換層が設けられ、
    前記反射部材の前記第２の面と前記熱伝導部の前記第１の面とは接着された請求項１〜１１のいずれか１つに記載の固体照明装置。

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