JP2014186980A - 固体照明装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】光取り出し効率が高められ、小型化が容易な固体照明装置を提供する。
【解決手段】固体照明装置は、照射部と、導光体と、反射部と、第１の波長変換層と、を有する。前記照射部は、レーザー光を放出する。前記導光部は、前記レーザー光が導入される入射面と、前記レーザー光の光軸と交差する傾斜面と、出射面と、を有する。前記傾斜面と前記出射面との間の厚さは、前記入射面から遠ざかるに従って小さくなる。前記反射部は、前記傾斜面に設けられる。前記第１の波長変換層は、前記傾斜面に設けられ、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放出し、前記レーザー光を散乱光として放出する。前記散乱光と、前記波長変換光と、の混合光は、前記出射面の上方に放出される。
【選択図】図１

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）装置の光源としては、ＬＥＤ（Light Emitting Diode)が主流である。
その場合、放熱と給電のための基板にＬＥＤチップを実装し、蛍光体を有する白色発光部がＬＥＤチップを覆うように設けることが多い。これに対して、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。
線状光源は、長い導光体に沿ってレーザー光を導光する。しかし、スポット光源や一般光源に長い導光体を用いると、高い光取り出し効率および小型化を実現することが容易ではない。
特開２０１２−０６４５９７号公報
光取り出し効率が高められ、小型化が容易な固体照明装置を提供する。
実施形態の固体照明装置は、照射部と、導光体と、反射部と、第１の波長変換層と、を有する。前記照射部は、レーザー光を放出する。前記導光部は、前記レーザー光が導入される入射面と、前記レーザー光の光軸と交差する傾斜面と、出射面と、を有する。前記傾斜面と前記出射面との間の厚さは、前記入射面から遠ざかるに従って小さくなる。前記反射部は、前記傾斜面に設けられる。前記第１の波長変換層は、前記傾斜面に設けられ、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放出し、前記レーザー光を散乱光として放出する。前記散乱光と、前記波長変換光と、の混合光は、前記出射面の上方に放出される。
本発明によれば、光取り出し効率が高められ小型化が容易な固体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固体照明装置の模式斜視図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線の沿った模式断面図、図１（ｃ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。 図２（ａ）は第２の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図、図２（ｂ）はＡ−Ａ線の沿った模式断面図、図２（ｃ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。 図３（ａ）は第３の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図、図３（ｂ）はＡ−Ａ線の沿った模式断面図、図３（ｃ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。 第３の実施形態の変形例の模式断面図である。 図５（ａ）は導光体の第１変形例、図５（ｂ）は導光体の第２変形例、図５（ｃ）は導光体の第３変形例、の模式断面図である。 図６（ａ）は第４の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図、図６（ｂ）はＡ−Ａ線の沿った模式断面図、図６（ｃ）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固体照明装置の模式斜視図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線の沿った模式断面図、図１（ｃ）はＢ−Ｂ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、導光体３０と、波長変換層４０と、反射部５０と、を有する。
照射部１０は、レーザー光７０を放出する半導体レーザー１２と、入射導光部１１と、を有することができる。レーザー光７０の波長は、紫外光（３８０ｎｍ）〜青色光（４９０ｎｍ）などの波長とすることができる。導光部１１は、たとえば。光ファイバーなどとすることができる。
導光体３０は、レーザー光７０が導入される入射面３０ａと、レーザー光７０の光軸１０ａと交差する傾斜面３０ｂと、出射面３０ｃと、を有する。傾斜面３０ｂと出射面３０ｃとの間の（出射面３０ｃの垂直方向の）厚さＴ１は、入射面３０ａから遠ざかるに従って小さくなるようにする。
なお、導光体３０は、側面３０ｅをさらに有することができる。図１の導光体３０の形状は五面体であるが、形状は多面体に限定されない。たとえば、側面３０ｅや傾斜面３０ｂは曲面を含んでもよい。入射面３０ａのうち、レーザー光７０の導入領域３０ｄに反射防止膜を設けるとレーザー光７０の入射効率を高めることができる。
導光体３０は、透光性を有し、透明セラミックス、ガラス、石英、透明樹脂、などとすることができる。たとえば、ＹＡＧ(Yttrium Aluminum Garnet)からなる透明セラミックスは、屈折率が略１．８３、熱伝導率が略１１．７Ｗ／（ｍ・Ｋ）などであり、紫外光〜可視光までの波長において、高い透光性を有する。すなわち、導光体３０は、少なくとも可視光を透過する材料であって、たとえば、光透過率は６０％以上が好ましい。
反射部５０は、導光体３０の傾斜面３０ｂや側面３０ｅに設けられる。また、導光体３０の入射面３０ａのうち、レーザー光７０の導入領域３０ｄを除いた領域にも設けると、レーザー光７０が外部に放出されることが抑制され、固体照明装置の安全性を高めることができる。
反射部５０は、Ａｇ、Ａｌなど紫外光〜青色光に対する光反射率が高い金属、または異なる誘電率を有する２つの膜を含む誘電体多層膜などとすることができる。誘電体多層膜の構造をブラッグ反射器などとすると、所望の波長で９０％以上の光反射率とすることができる。
第１の実施形態において、波長変換層４０は、導光体３０の出射面３０ｃに設けられるものとする。波長変換層４０は、黄色蛍光体（Ｙ）、赤色蛍光体（Ｒ）、緑色蛍光体（Ｇ）などとすることができる。
レーザー光の広がり角を表す半値全角（ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum)は、たとえば、垂直方向（θｖ）で略４０度、水平方向（θｈ）で略１５度などであり、ＬＥＤ（Light Emitting Diode)の広がり角よりも小さい。このため、光ファイバーなどへの入射効率を高くできる。
光ファイバーなどの入射導光部１１の斜め切断面１１ａから放出されたレーザー光７０は、導光体３０に導入され、内部で広がりながら傾斜面３０ｂ（図１（ｂ））や側面３０ｅ（図１（ｃ））に当たり、反射部５０で反射され、さらに広がりながら波長変換層４０に入射する。
波長変換層４０に入射したレーザー光７０は、散乱されつつ一部は波長変換層４０に吸収され波長変換光７３を放出する。また、レーザー光７０の他の一部は、波長変換層４０内で散乱光となって放出される。散乱光と波長変換光７３とは、混合光７４と照明光となる。たとえば、青色レーザー光が照射された黄色蛍光体は黄色光を放出し、黄色蛍光体により散乱されて生じた青色散乱光と混合されて白色光などを放出する。
波長変換層４０は、たとえば、（Ｃａ、Ｓｒ）２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ、（Ｃａ、Ｓｒ）ＡｌＳｉＮ３：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、ＢａＳｉ２Ｏ２Ｎ２：Ｅｕ、ＢａＳｉ２Ｏ２Ｎ２：Ｅｕなどの酸窒化物系蛍光体や、Ｌｕ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ、（Ｙ、Ｇｄ）３（Ａｌ、Ｇａ）５Ｏ１２：Ｃｅ、（Ｓｒ、Ｂａ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ、Ｃａ３Ｓｃ２Ｓｉ３Ｏ１２：Ｃｅ、Ｓｒ４Ａｌ１４Ｏ２５：Ｅｕなどの酸化物系蛍光体や、（Ｃａ、Ｓｒ）Ｓ：Ｅｕ、ＣａＧａ２Ｓ４：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が、効率よく導光体３０の入射面３０ａに導入される。導入されたレーザー光７０は、傾斜面３０ｂに設けられた反射部５０で反射され、波長変換層４０に効率よく入射できる。このため、導光体３０のサイズを小型に保ちつつ、光取り出し効率を高めることができる。
図２（ａ）は第２の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図、図２（ｂ）はＡ−Ａ線の沿った模式断面図、図２（ｃ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。
導光体３０の傾斜面３０ｂへ入射するレーザー光７０のうち、入射角が臨界角以上の光は傾斜面３０ｂで全反射され波長変換層４０へ到達する。すなわち、傾斜面３０ｂ自体が反射部を構成することができる。
図３（ａ）は第３の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図、図３（ｂ）はＡ−Ａ線の沿った模式断面図、図３（ｃ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。
固体照明装置は、入射導光部１１を含む照射部と、導光体３０と、波長変換層４０と、ベース部８０と、を有する。
ベース部８０には、その上面８０ｆから後退した凹部８０ａが設けられる。凹部８０ａは、傾斜面８０ｂ、内壁８０ｃ、側面８０ｅを有する。またベース部８０には、入射導光部１１が介挿される中空部８０ｈが設けられる。中空部８０ｈに介挿された入射導光部１１の先端部は、導光体３０の入射面３０ａに向けてレーザー光７０を放出する。
なお、図３（ｂ）では、入射導光部１１は、光ファイバーとし、その先端部は斜め切断面１１ａとし、レーザー光７０を斜め切断面１１ａで全反射させて放出する。光ファイバーを用いる場合、ベース部８０の中空部８０ｈの形状は、図３（ｂ）に限定されない。たとえば、ベース部８０の上面８０ｆと略平行とし、光ファイバーの端面で反射させずに直接放出させることもできる。
また、レーザー光７０の出力が高くなると、波長変換層４０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。
また、ベース部８０の傾斜面８０ｂの表面を光反射率の高い金属層とすると、反射部として作用する。
図４は、第３の実施形態の変形例の模式断面図である。
導光体３０の傾斜面３０ｂと、ベース部８０の傾斜面８０ｂと、の間に、反射部５０を設けることができる。この場合、導光体３０の傾斜面３０ｂに微小凹凸面を設けると、反射光をさらに散乱して、低コヒーレントにすることができる。
また、導光体３０の傾斜面３０ｂと、ベース部８０の傾斜面８０ｂと、の間に、第２の波長変換層４１をさらに設けることができる。第２の波長変換層４１をベース部８０の傾斜面８０ｂに設けると、第２の波長変換層４０で生じた熱の放熱を容易にし、第２の波長変換層４１の変換効率を高めることができる。
また、導光体３０の傾斜面３０ｂと、ベース部８０の傾斜面８０ｂと、の間に、光散乱
層４２をさらに設けることができる。光散乱層４２は、入射したレーザー光７０を反射して散乱光として放出する光散乱材を含有する。光散乱層４２は、Ａｌ２Ｏ３、Ｃａ２Ｐ２Ｏ７、ＢａＳＯ４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。光散乱層４２により、レーザー光７０は、さらに低コヒーレント光とでき、安全性がさらに高められる。
また、ベース部８０の傾斜面８０ｂの表面に微小凹凸面を設けても良い。この場合、反射部５０、第２の波長変換層４１、または、光散乱層４２を通過したレーザー光７０の一部が、傾斜面８０ｂの微小凹凸面で散乱され、さらに低コヒーレント光とでき、安全性が高められる。
図５（ａ）は導光体の第１変形例、図５（ｂ）は導光体の第２変形例、図５（ｃ）は導光体の第３変形例、の模式断面図である。
図５（ａ）に表すように、入射するレーザー光７０の光軸１０ａが、導光体３０の出射面３０ｃと略平行であり、かつ導光体３０の傾斜面３０ｂに対して略４５度で交差する場合、反射したレーザー光７０の光軸１０ａは出射面３０ｃと略直交する。
図５（ｂ）に表すように、入射するレーザー光７０の光軸１０ａが、導光体３０の出射面３０ｃと略平行であり、かつ導光部３０の傾斜面３０ｂに対して４５度よりも大きい角度で交差する場合、反射したレーザー光７０の光軸１０ａは出射面３０ｃに対して斜めに交差し反射光は進行方向に広がる。
図５（ｃ）は、入射するレーザー光７０の光軸１０ａを下方に向け、かつ反射光の光軸を出射面３０ｃと直交させる構造を表す。すなわち、導光体３０へ入射するレーザー光７０の光軸１０ａの方向と、傾斜面３０ｂの傾きと、は、照明光に要求される指向特性に応じて適正に設定することができる。
図６（ａ）は第４の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図、図６（ｂ）はＡ−Ａ線の沿った模式断面図、図６（ｃ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。
半導体レーザーの水平方向広がり角θｈが１０度程度と小さい場合、水平方向にレーザー光７０が広がっても、側面３０ｅに当たる光量は少ない。このため、入射面３０ａの形状を幅が狭い矩形とし、導光体３０を小型にできる。
第１〜第４の実施形態によれば、光取り出し効率が高められ、小型化が容易な固体照明装置が可能となる。これらの固体照明装置は、一般照明、スポット照明、信号機、車載用照明などに広く使用できる。
また、第１〜第４の実施形態において、反射部５０は同一の構成の例を示したが、例えば、導光体３０の傾斜面３０ｂと側面３０ｅとで異なる構成としても良い。例えば、レーザー光７０が主に照射される傾斜面３０ｂには、光反射率が高い、Ａｇ、Ａｌなどの反射層や全反射面を第１の反射部として形成し、また、側面３０ｅには、Ａｌ２Ｏ３、Ｃａ２Ｐ２Ｏ７、ＢａＳＯ４などの拡散機能を有する第２の反射部とすることもできる。これにより、第１の反射部によりレーザー光７０を波長変換層４０に効率良く導くと共に、第２の反射部により、一部のレーザー光７０や波長変換層４０より反射される光などをさらにに散乱させて、低コヒーレントにすることができる。
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、３０ 導光体、３０ａ 入射面、３０ｂ 傾斜面、３０ｃ 出射面、３０ｄ 導入領域、３０ｈ 中空部、４０、４１ 波長変換層、４２ 光散乱層、５０ 反射部、７０ レーザー光、７３ 波長変換光、７４ 混合光、８０ ベース部、８０ａ 凹部、８０ｆ 上面、８０ｈ 中空部、Ｔ１ （導光体の）厚さ

Claims (8)

  1. レーザー光を放出する照射部と、
    前記レーザー光が導入される入射面と、前記レーザー光の光軸と交差する傾斜面と、出射面と、を有し、前記傾斜面と前記出射面との間の厚さが前記入射面から遠ざかるに従って小さくなる導光体と、
    前記傾斜面に設けられた反射部と、
    前記傾斜面に設けられ、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放出し、前記レーザー光を散乱光として放出する第１の波長変換層と、
    を備え、
    前記散乱光と、前記波長変換光と、の混合光を前記出射面の上方に放出する固体照明装置。
  2. 前記反射部は、誘電体多層膜または金属層である請求項１記載の固体照明装置。
  3. 前記傾斜面と前記反射部との間に設けられ、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む散乱層をさらに備えた請求項１または２に記載の固体照明装置。
  4. 前記傾斜面と前記反射部との間に設けられ、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主斜面に向けて放出し、前記レーザー光を反射して散乱光として前記出射面に向けて放出する第２の波長変換層をさらに備えた請求項１または２に記載の固体照明装置。
  5. 前記反射部は、前記レーザー光を全反射させる前記導光体の前記傾斜面である請求項１記載の固体照明装置。
  6. 前記入射面は、反射防止膜が設けられた光導入領域を有する請求項１〜５のいずれか１つに記載の固体照明装置。
  7. 前記導光体は、透光性セラミックス、ガラス、石英、透光性樹脂のいずれかを含む請求項１〜６のいずれか１つに記載の固体照明装置。
  8. 上面を有し、前記上面から後退し前記導光体がはめ込まれる凹部と、前記レーザー光が前記入射面に向けて伝搬する中空部と、が設けられたベース部をさらに備えた請求項１〜７のいずれか１つに記載の固体照明装置。
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