JP2014175096A

JP2014175096A - 照明装置

Info

Publication number: JP2014175096A
Application number: JP2013044736A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Ikeda; 善久池田; Yoshihiro Kimura; 吉博木村
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2014-09-22
Also published as: EP2775198A2; CN104033753A; US20140254128A1; KR20140109785A

Abstract

【課題】光取り出し効率および安全性が高められた照明装置を提供する。
【解決手段】照明装置は、レーザー光を放出する照射部と、散乱部と、波長変換部と、を有する。前記散乱部は、前記レーザー光の光軸と交差するように設けられた主面を有し、入射した前記レーザー光を反射して散乱光として放出する光散乱材を有する。前記波長変換部は、第１の面から入射した前記散乱光を吸収し、前記レーザー光の波長よりも長い波長を有する波長変換光を、前記第１の面とは反対の側となる第２の面から放出する。前記散乱光は、前記波長変換部内を散乱されつつ通過し、前記第２の面から放出される。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、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）装置の光源としては、ＬＥＤ（Light Emitting Diode)が主流である。

この場合、蛍光体を有する白色発光部がＬＥＤ（Light Emitting Diode)チップを覆うように設けられると、ＬＥＤチップの放熱と給電のための基板が必要である。もし、白色発光部が光学系のみで構成されれば、発熱も少なく、小型軽量化され、照明装置のデザインの自由度を高めることができる。

そのためには、たとえば、青紫色〜青色の波長範囲の半導体レーザーからのレーザー光を導光体などに効率よく結合させ、固体発光素子から離間した蛍光体などの波長変換層に照射して白色発光を得る構造とすればよい。

この場合、レーザー光のコヒーレンスを低減するために、レーザー光が光散乱層を透過したのちに散乱光を波長変換層に照射する構造が考えられる。この構造では、波長変換層が、レーザー光の光軸上となる。このため、もしも光散乱層および波長変換層の損傷などを生じると、レーザー光の一部が照明対象物を直接照射することがあり、安全性などの点でさらなる改善の余地がある。

また、光散乱層や波長変換層による反射光および波長変換光の一部は、照明する方向とは反対の方向に放出される。このため、光取り出し効率が低下する。

特開２０１２−０６４５９７号公報

光取り出し効率および安全性が高められた照明装置を提供する。

実施形態の照明装置は、レーザー光を放出する照射部と、散乱部と、波長変換部と、を有する。前記散乱部は、前記レーザー光の光軸と交差するように設けられた主面を有し、入射した前記レーザー光を反射して散乱光として放出する光散乱材を含有する。前記波長変換部は、第１の面から入射した前記散乱光を吸収し、前記レーザー光の波長よりも長い波長を有する波長変換光を、前記第１の面とは反対の側となる第２の面から放出する。前記散乱光は、前記波長変換部内を散乱されつつ通過し、前記第２の面から放出される。

本発明によれば、光取り出し効率および安全性が高められた照明装置が可能となる。

図１（ａ）は第１の実施形態にかかる照明装置の模式平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。第１実施形態にかかる照明装置のＡ−Ａ線に沿って切断した照明装置の模式断面図である。図３（ａ）は第１変形例の模式平面図、図３（ｂ）は第２変形例の模式断面図、である。第２の実施形態にかかる照明装置の模式断面図である。第３の実施形態にかかる照明装置の模式断面図である。図６（ａ）は第３の実施形態の第１変形例、図６（ｂ）は第３実施形態の第２変形例、の模式断面図、である。第４の実施形態にかかる照明装置の模式断面図である。第５の実施形態にかかる照明装置の模式断面図である。図９（ａ）は第６の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図、図９（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、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（ａ）は第１の実施形態にかかる照明装置の模式平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
固体照明装置は、照射部１０と、散乱部２０と、波長変換部４０と、を有する。照射部１０は、半導体レーザーなどの光源を有し、レーザー光７０を放出する。

レーザー光７０の波長は、たとえば、３８０〜４９０ｎｍの波長とすることができる。なお、照射部１０は、導光体（光ファイバーなど）１１をさらに有し、光源からのレーザー光を伝送したのち放出してもよい。

散乱部２０は、入射したレーザー光７０を反射して散乱光７２として放出する光散乱材２０ｓを含有する。散乱部２０は、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｃａ_２Ｐ_２Ｏ_７、ＢａＳＯ_４などの微粒子（粒子径：１〜２０μｍなど）を含む。セラミック板に上記微粒子を分散配置したものでもよい。

波長変換部４０は、入射した散乱光７２を吸収し、レーザー光７０の波長よりも長い波長を有する波長変換光を放出する。波長変換部４０は、ＹＡＧ（Yttrium−Aluminum-Garnet)などからなる蛍光体粒子などとすることができる。蛍光体粒子は、たとえば、３８０〜４９０ｎｍの散乱光７２を吸収し、黄色、緑色、赤色などの波長変換光を放出する。

波長変換部４０に吸収されず、波長変換部４０内で反射や散乱されながら透過した散乱光７２と、波長変換光と、は、波長変換部４０から放出されたのち、混合光７４を生じる。散乱光の波長を３８０〜４９０ｎｍとし、波長変換光を黄色光とすると、混合光７４は、白色光などとすることができる。

波長変換部４０は、散乱光７２を吸収し励起光Ｇ１の波長よりも長い波長を含む発光スペクトルを有する波長変換光を放出する。波長変換部２０は、たとえば、（Ｃａ、Ｓｒ）_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ、（Ｃａ、Ｓｒ）ＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕなどの窒化物系蛍光体や、Ｃａｘ（Ｓｉ、Ａｌ）_１２（Ｏ,Ｎ）_１６：Ｅｕ、（Ｓｉ、Ａｌ）_６（Ｏ、Ｎ）_８：Ｅｕ、ＢａＳｉ_２Ｏ_２Ｎ_２：Ｅｕ、ＢａＳｉ_２Ｏ_２Ｎ_２：Ｅｕなどの酸窒化物系蛍光体や、Ｌｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ、（Ｙ、Ｇｄ）_３（Ａｌ、Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ、（Ｓｒ、Ｂａ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ、Ｃａ_３Ｓｃ_２Ｓｉ_３Ｏ_１２：Ｃｅ、Ｓｒ_４Ａｌ_１４Ｏ_２５：Ｅｕなどの酸化物系蛍光体や、（Ｃａ、Ｓｒ）Ｓ：Ｅｕ、ＣａＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ、ＺｎＳ：Ｃｕ、Ａｌ等の硫化物系蛍光体などの中から、単体または少なくとも１種類以上混合させた蛍光体を用いることができる。

第１の実施形態では、レーザー光７０の光軸１０ａは、散乱部２０の主面２０ｐとは交差する。図１では、レーザー光７０の光軸１０ａと、散乱部２０の主面２０ｐと、は斜めに交差している例を示しているが、直角に交差した構成でもよい。主面２０ｐから散乱部２０に入射したレーザー光７０は、散乱部２０内に分散された光散乱材２０ｓにより反射されて散乱され放出される。このため、もし散乱部２０や波長変換部４０の損傷が生じたとしても、レーザー光７０が照明対象物を直接照射することが抑制できる。人間の目などに対して安全を確保できる。

照明装置は、ベース部６０をさらに有することができる。ベース部６０には、その上面６０ｄから後退した凹部６０ａが設けられる。凹部６０ａは、内壁６０ｂ、６０ｃを有する。散乱部２０は、凹部６０ａの内壁６０ｂに設けられる。また、照射部１０は、凹部６０ａの内壁６０ｃのうち、散乱部２０と対向する領域に設けられる。

図１（ａ）において、波長変換部４０は、略正方形である。また、散乱部２０は、凹部６０ａの内壁６０ｂに設けられ矩形である。

レーザー光７０の出力が高くなると、波長変換部４０や散乱部２０における発熱量が大きくなる。ベース部６０がＡｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｎｂなどの金属からなるものとすると、放熱が改善され、発光効率や信頼性が改善できる。レーザー光７０が、低出力の場合、ベース部６０は金属でなくてもよく、セラミック、熱伝導性樹脂などとすることができる。

照明装置は、第１の保持板５０をさらに有することができる。第１の保持板５０は、第１の面５０ａと、第１の面５０ａとは反対の側の第２の面５０ｂと、を有する。

また、波長変換部４０は、第１の保持板５０の第１の面５０ａの上に塗布され硬化された塗布層とすることができる。第１の保持板５０の第２の面５０ｂは、光出射面となる。なお、第１の保持部５０は、ガラスや透明セラミックなどとすることができる。

第１の保持板５０は、ベース部６０の凹部６０ａを閉空間とするように設けられる。第１の保持板５０の第１の面５０ａと、ベース部６０の上面６０ｄとを接着すると、レーザー光７０を吸収して波長変換部４０に生じた熱をベース部６０に放熱することができる。このため、波長変換部４０の温度上昇による変換効率の低下を抑制することができる。なお、ベース部６０の上面６０ｄに切り欠き部を設け、第１の保持板５０を切り欠き部に介挿して接着してもよい。

図２は、第１実施形態にかかる照明装置のＡ−Ａ線に沿って切断した照明装置の模式断面図である。
光源が半導体レーザーである場合、導光体１１の一方の端面は、斜め研磨面とすることができる。端面で折り曲げられたレーザー光７０は、散乱部２０を照射する。

図３（ａ）は第１の実施形態の第１変形例の模式平面図、図３（ｂ）は第２変形例の模式断面図、である。
散乱部２０は、図３（ａ）では台形状であり、図３（ｂ）ではベース板６０が半円錐状に切り取られた凹部が設けられ、散乱部２０はその内壁に設けられる。なお、散乱部２０は、上方からみて、多角形や楕円の一部などでもよい。

図４は、第２の実施形態にかかる照明装置の模式断面図である。
照明装置は、凹部６０ａの内壁６０ｂ設けられた第２の保持板６４をさらに有することができる。第２の保持板６４は、たとえば、ガラス板、透明樹脂板、セラミック板などで、その表面に、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｃａ_２Ｐ_２Ｏ_７、ＢａＳＯ_４などの微粒子を、塗布し硬化することができる。または、第２の保持板６４をベース部６０に接着したのち、散乱部を形成することもできる。セラミック板を、白色（反射性）セラミックとしてもよい。

図５は、第３の実施形態にかかる照明装置の模式断面図である。
照明装置は、凹部６０ａ内に反射部６６をさらに有することができる。反射部６６は、ベース部６０の凹部６０ａの内壁６０ｂと、散乱部２０と、の間に設けることができる。また、反射部６６は、ＡｇやＡｌのように、４９０ｎｍでの光反射率が高い金属とすることができる。

図６（ａ）は第３の実施形態の第１変形例、図６（ｂ）は第３実施形態の第２変形例、の模式断面図、である。
図６（ａ）において、反射部６６は、凹部６０ａの内壁６０ｂと、第２の保持板６４と、の間に設けられる。

また、図６（ｂ）において、反射部６６は、第２の保持板６４と、散乱部２０と、の間に設けられる。ＡｇやＡｌは、４９０ｎｍ以下の波長でも光反射率が低下せず高く保てる。このため、波長変換部４０へ向かって散乱光をより多く反射できる。このため、光取り出し効率を高めることができる。

図７は、第４の実施形態にかかる照明装置の模式断面図である。
照明装置は、第１の保持板５０の第１の面５０ａに第２の散乱部２０ｂ、第２の保持板６４に第１の散乱部２０ａ、を有している。第１の散乱部２０ａにより反射および散乱された散乱光７２は、第２の散乱部２０ｂによりさらに散乱されて、第１の保持板５０の第２の面５０ｂに設けられた波長変換部４０を励起する。

このため、波長変換効率をさらに高めることができる。なお、本図に表すように、照射部１０は、半導体レーザーからのレーザー光７０を導光体１１を介して第１の散乱部２０ａを照射してもよい。

図８は、第５の実施形態にかかる照明装置の模式断面図である。
照明装置は、略五角形断面の凹部を有する。導光体１１から放出されたレーザー光７０は、第１の散乱部２０ａを照射する。入射したレーザー光７０は、第１の散乱部２０ａ内で反射されつつ散乱されて放出される。

第２の散乱部２０ｂ、第３の散乱部２０ｃ、第４の散乱部２０ｄなどでも同様に散乱と放出が繰り返される。このように多重散乱された光は、効率よく波長変換部４０に入射する。このため、散乱光７２の光反射率を高め、波長変換効率がさらに高められる。

図９（ａ）は第６の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図、図９（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。
照明装置は、照射部１０と、散乱部２０と、第１の保持板５０と、波長変換部４０と、照射領域移動手段２４と、を有する。

照射部１０の導光体（光ファイバー）１１は、レーザー光を散乱部２０に向かって放出する。散乱部２０は、たとえば、光散乱材の含有量が異なる第１〜第６の領域２０ａ〜２０ｆ領域を有する。照射領域移動手段２４は、照射部１０から光散乱部２０ａ〜２０ｆに向けて放出されるレーザー光の照射領域の位置を移動させる。

たとえば、第１領域２０ａとその反対の側の第４領域２０ｄとは、略同一となる第１の発光強度を有する散乱光を放出するものとする。また、第２領域２０ｂとその反対の側の第５領域２０ｅとは第１の発光強度とは異なる第２の発光強度を有する散乱光を放出するものとする。さらに、第３領域２０ｃとその反対の側の第６領域２０ｆとは、第１および第２の発光強度とは異なる第３の発光強度を有する散乱光を放出するものとする。

ベース部６０を、導光体１１の軸方向を中心軸１１ｃとして回転させて、レーザー光７０の照射位置を、第１領域２０ａと第４領域２０ｄとの位置、または第２領域２０ｂと第４領域２０ｅとの位置、または第３領域２０ｃと第６領域２０ｆとの位置に切り替えることで、散乱光の発光強度を変える。散乱光の発光強度の変化に応じて波長変換光の強度も変化し、混合光７４の色度を変えることができる。たとえば、青紫色〜青色の散乱光と、波長変換光である黄色光と、の混合光の色度を制御できる。

第１〜第６の実施形態にかかる照明装置は、光取り出し効率および安全性を高めることが容易である。このため、一般照明、スポットライト、車載用照明などに広く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。

１０照射部、１０ａ光軸、１１導光体、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ散乱部、２０ｓ光散乱材、４０波長変換部、４０ａ第１の面、４０ｂ第２の面、５０第１の保持板、５０ａ第１の面、５０ｂ第２の面、６０ベース部、６０ａ凹部、６０ｂ、６０ｃ内壁、６０ｄ上面、６４第２の保持板、６６反射部、７０レーザー光、７２散乱光、７４混合光

Claims

レーザー光を放出する照射部と、
前記レーザー光の光軸と交差するように設けられた主面を有し、入射した前記レーザー光を反射して散乱光として放出する光散乱材を含有する散乱部と、
第１の面から入射した前記散乱光を吸収し、前記レーザー光の波長よりも長い波長を有する波長変換光を、前記第１の面とは反対の側となる第２の面から放出する波長変換部と、
を備え、
前記散乱光は、前記波長変換部内を散乱されつつ通過し、前記第２の面から放出される照明装置。
上面を有し、前記上面から後退した凹部が設けられたベース部をさらに備え、
前記散乱部は、前記凹部の内壁に設けられ、
前記照射部は、前記散乱部に向かって前記レーザー光を放出する請求項１記載の照明装置。
前記ベース部の前記上面に接着される第１の面と、前記第１の面とは反対の側の第２の面と、を有する第１の保持板をさらに備え、
前記波長変換部は、前記第１の保持板の前記第１の面に設けられた塗布層であり、
前記第１の保持板の前記第２の面は、光出射面とされる請求項２記載の照明装置。
前記ベース部の前記内壁と前記散乱部との間に設けられた反射部をさらに備えた請求項２または３に記載の照明装置。
前記凹部の前記内壁に設けられた第２の保持板をさらに備え、
前記散乱部は前記第２の保持板の表面に設けられた請求項２または３に記載の照明装置。
前記ベース部の前記凹部の前記内壁と前記第２保持板との間、または前記第２保持板と前記散乱部との間、に設けられた反射部をさらに備えた請求項５記載の照明装置。
前記第２の保持板は、白色セラミックを含む請求項５または６に記載の照明装置。