JP2014187326A

JP2014187326A - 固体照明装置

Info

Publication number: JP2014187326A
Application number: JP2013063047A
Authority: JP
Inventors: Masato Ishikawa; 真人石川
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2013-03-25
Filing date: 2013-03-25
Publication date: 2014-10-02
Also published as: EP2784382A2; US20140286365A1; CN104075251A; KR20140116774A

Abstract

【課題】照明光の異常が感度よく検出され、安全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、照射部１０と、散乱部２０と、波長変換層４０と、支持板５０と、戻り光導光部９０と、受光部９４と、制御回路８０とを有する。照射部はレーザー光を放出する。散乱部は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レーザー光を反射して散乱光７２として放出する光散乱材２０ｓを含む。波長変換層は入射した散乱光を吸収し散乱光の波長よりも長い波長を有する波長変換光７３を放出する。支持板は波長変換層が設けられた光入射面と、光出射面とを有し、散乱光と波長変換光とが戻り光となり内部を伝搬する。戻り光導光部には戻り光９２が導入される。受光部は戻り光を検出する。制御回路は受光部から出力された電気信号により、戻り光の光量が所定の範囲外であることを検出するとレーザー光の放出停止信号を照射部に向けて出力する。
【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。

白色固体照明(ＳＳＬ: Solid-State Lighting)装置は、ＬＥＤ(Light Emitting Diode)やＬＤ（Laser Diode）などの半導体発光素子や波長変換層を有している。

固体照明装置には、高輝度化・高出力化が強く要求される。このため、半導体発光素子の放出光や波長変換層による波長変換光は、ますます高出力であることが求められる。

このため、発光素子や波長変換層から放出される光が正常に放出されない場合、固体照明装置は、異常を検出可能な自己診断機能を有することが安全上望ましい。

照明装置内で生じる戻り光を用いると、照明光の異常を検出できる。但し、戻り光を検出する位置を適正に選択しないと、異常検出感度が不十分となる。

特開２０１１−６６０６９号公報

照明光の異常が感度よく検出され、安全性が高められた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、散乱部と、波長変換層と、支持板と、戻り光導光部と、受光部と、制御回路と、を有する。前記照射部は、レーザー光を放出する。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む。前記波長変換層は、第１の面から入射した前記散乱光を吸収し、前記散乱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。前記支持板は、前記波長変換層が設けられた光入射面と、前記光入射面とは反対の側となる光出射面と、を有し、前記散乱光の一部と前記波長変換光の一部とが戻り光となり内部を伝搬する。前記戻り光導光部の一方の端部には前記戻り光が導入される。前記受光部は、前記一方の端部とは反対の側となる第２の端部から放出される前記戻り光を検出する。前記制御回路は、前記受光部から出力された電気信号により、前記戻り光の光量が所定の範囲外であることを検出すると、前記レーザー光の放出停止信号を前記照射部に向けて出力する。

本発明によれば、照明光の異常が感度よく検出され、安全性が高められた固体照明装置が可能となる。

第１の実施形態にかかる固体照明装置の構成図である。比較例にかかる固体照明装置の構成図である。図３（ａ）は第２の実施形態にかかる固体照明装置の模式平面図、図３（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。第３の実施形態にかかる固体照明装置の構成図である。第４の実施形態にかかる固体照明装置の構成図である。第５の実施形態にかかる固体照明装置の構成図である。第６の実施形態にかかる固体照明装置の構成図である。自己診断システムを説明するタイミング図である。

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、波長変換層４０と、支持板５０と、戻り光導光部９０と、受光部９４と、制御回路８０と、を有する。

照射部１０は、半導体レーザー素子などの光源１２と、その駆動回路１３と、を有する。照射部１０は、光源１２からのレーザー光７０を伝送する導光部１１をさらに有してもよい。導光部１１を光ファイバーとすると、一方の端部に導入されたレーザー光を導光し、他方の端部から散乱部２０へ向けて放出することができる。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。

散乱部２０は、レーザー光７０の光軸１０ａと交差するように設けられた主面２０ｐを有する。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を含む。光散乱材２０ｓは、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｃａ_２Ｐ_２Ｏ_７、ＢａＳＯ_４などの微粒子（粒子径：１〜２０μｍなど）を含むことができる。また、散乱部２０は、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。

波長変換層４０は、第１の面４０ａから入射した散乱光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７３を、第１の面４０ａとは反対の側となる第２の面４０ｂから放出する。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７３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７２の波長を３８０〜４９０ｎｍとし、波長変換光７３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。

支持板５０は、波長変換層４０が設けられた光入射面５０ａと、光入射面５０ａとは反対の側となる光出射面５０ｂと、を有し、散乱光７２の一部と波長変換光７３の一部とが内部を伝搬したのち戻り光９２ａとなり、外部に放出される。

戻り光導光部９０の一方の端部９０ａには、放出された戻り光９２ｂが導入される。戻り光導光部９０を光ファイバーとすると、光ファイバー内を導光された戻り光９２を他方の端部から放出する。

受光部９４は、光ファイバーの他方の端部９０ｂから放出された戻り光９２を検出する。受光部９４は、シリコンフォトダイオードなどとすることができる。

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とは斜めに交差する。つまり、散乱部２０は、レーザー光７０の光軸１０ａと斜め（垂直でないことを意味する）に交差するように設けられた主面２０ｐを有する。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。もし散乱部２０や波長変換部４０に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を抑制できる。このため、人間の目などに対して安全を確保できる。

また、制御回路８０は、受光部９４から出力された電気信号Ｓ１により、戻り光９２の光量が所定の範囲外であることを検出すると、レーザー光７０の放出停止信号Ｓ２を照射部１０を構成する駆動回路１３に向けて出力する。

図２は、比較例にかかる固体照明装置の構成図である。
光源と、駆動回路と、受光部と、制御回路と、は、図示しない。波長変換層１４０は、支持板１５０の光入射面１５０ａに設けられる。また、波長変換層１４１は、レーザー光１７０の光軸１１０ａと交差するように設けられている。波長変換層１４１からは、波長変換光１７３と、散乱光１７２と、が、支持板１５０に向けて放出される。

戻り光導光部を構成する光ファイバー１９０は、波長変換層１４１への入射側で戻り光１９２を検出するが、波長変換層１４０の出射側で戻り光を検出できない。このため、波長変換層１４０、１４１や支持板１５０が破損したとしても、戻り光１９２の変動レベルが小さく、異常検出感度が十分とは言えない。このため、安全性を確保することが困難である。これに対して、第１の実施形態は、受光部９４に入射する戻り光９２は、対象物に対する照明光の一部を直接モニターしている。このため、異常検出感度を高く保ち、安全性をさらに高めることができる。

図３（ａ）は第２の実施形態にかかる固体照明装置の模式平面図、図３（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
固体照明装置は、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３（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。本実施形態の形状はこれに限定されず、散乱部２０の形状は、多角形、台形などでもよい。また、凹部６０ａは、ベース部６０の上面６０ｄから円錐や角錐を切り取った残りであってもよい。

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。

また、波長変換部４０は、支持板５０の光入射面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。なお、支持板５０は、ガラスや透明セラミックなどとすることができる。

図３（ｂ）に表すように、支持板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。支持板５０の光入射面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、支持板５０を切り欠き部に介挿して接着してもよい。なお、散乱部２０を省略し、レーザー光７０をベース部６０の内壁６０ｂで反射させ、支持板５０に向けて放出してもよい。

図４は、第３の実施形態にかかる固体照明装置の構成図である。
支持板５０は、第１の面５０ａと第２の面５０ｂとの間に設けられた側面５０ｃをさらに有する。
戻り光導光部９０を構成する光ファイバーの一方の端部は斜め切断面９０ｃを有する。
支持板５０の側面５０ｃから放出された戻り光９２ｂは、斜め切断面９０ｃで反射されて光ファイバーに確実に導入される。

図５は、第４の実施形態にかかる固体照明装置の構成図である。
支持板５０の側面５０ｃは、支持板５０の光入射面５０ａに対して鋭角αである。支持板５０内を伝搬した戻り光９２ａにうち、傾斜した側面５０ｃに対する入射角が臨界角よりも大きい光は全反射され光ファイバーの一方の端部に向かって進む。

また、支持板５０の傾斜した側面５０ｃに反射層９６をさらに設けることができる。反射層９６を青色光に対する反射率が高いＡｇやＡｌからなるものとすると、側面５０ｃに入射した光の多くを反射することができ、戻り光９２をよりより高い感度で検出できる。

図６は、第５の実施形態にかかる固体照明装置の構成図である。
散乱部の代わりに、第１波長変換層４０の主面にレーザー光７０を照射してもよい。レーザー光７０は、レーザー光７０の波長よりも長い波長を有する第１波長変換光と、第１波長変換層４０内でレーザー光７０から転じた散乱光７２とを支持板５０に向けて放出する。固体照明装置は、支持板５０の光入射面５０ａの側に散乱材を含む散乱部２０または第２波長変換層４１をさらに有してもよい。散乱部２０が設けられた場合、第１波長変換光および散乱光７２がさらに散乱され、光出射面５０ｂから放出される。

また、第２波長変換層４１が設けられた場合、第１波長変換層４０からの散乱光７２を吸収し、散乱光７２よりも波長の長い第２波長変換光が支持板５０の光出射面５０ｂから放出される。同時に、第１波長変換光および散乱光７２も光出射面５０ｂから放出される。

図７は、第６の実施形態にかかる固体照明装置の構成図である。
第６の実施形態にかかる固体照明装置は、複数の半導体レーザー素子などからなる光源１２を有する。複数の半導体レーザー素子と、複数の光ファイバーと、を含む場合、いずれか１つの光路に異常が生じても戻り光９２の変化量は全体からみれば小さいので異常検出感度が十分ではない。また、複数の半導体レーザー素子を有する固体照明装置の場合、異常発生箇所を特定することが必要である。第５の実施形態は、異常を生じた半導体レーザー素子を特定する自己診断システムを備えた固体照明装置である。

図７において、固体照明装置は、３つの半導体レーザー素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃと、青色レーザー光ＢＬをそれぞれ導光する３つの光ファイバー１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、と、を有している。半導体レーザー素子からのそれぞれの青色レーザー光ＢＬは、対向する光ファイバー１１の一方の端面にそれぞれ入射し導光されたのち、光ファイバー１１の他方の端面からそれぞれ出射し、散乱部２０を照射する。

戻り光９２は、戻り光導光部９０（光ファイバー）内を導光され、青色カットフィルタ９３に入射する。戻り光９２のうち、青色光ＢＬ近傍の発光スペクトルがカットされた成分は、受光部９４に入射する。

図８は、自己診断システムを説明するタイミング図である。
駆動回路１３は、パルス幅がＴｐである基本パルス信号を、繰り返し周波数ｆで発生している。繰り返し周波数ｆは、たとえば、人間の目で感知困難である数百Ｈｚとすることができる。時間Ｔ１〜（Ｔ１＋Ｔｐ）の間は、第１の半導体レーザー素子１２ａのみがオンとなる。第１の半導体レーザー素子１２ａの光量が所定の範囲であることを受光部９４が検出すれば、動作が正常であると判断する。

他方、時間Ｔ４〜（Ｔ４＋Ｔｐ）の間に表すように、第１の半導体レーザー素子１２ａの光量が所定の範囲外であることを受光部９４が検出すれば、光ファイバー１１ａの破損か、波長変換層４０の破損か、半導体レーザー素子１２ａの劣化か、などの異常と判断する。

同様に、時間Ｔ２〜（Ｔ２＋Ｔｐ）の間は、第２の半導体レーザー素子１２ｂのみがオンとなり、時間Ｔ３〜（Ｔ３＋Ｔｐ）の間は、第３の半導体レーザー素子１２ｃのみがオンとなる。基本パルス信号の発生が一巡したのち、この過程が繰り返される。この結果、固体照明装置５の動作が正常であるか否かの自己診断が可能である。

すなわち、半導体レーザー素子１２と、光ファイバー１１と、波長変換層４０と、を含む複数の独立した光路が設けられている場合、異常を生じた光路を特定し、レーザー光７０の放出停止信号Ｓ２を照射部１０へ向けて出力する。このため、異常を生じた光路の半導体レーザー素子の駆動を停止することにより、固体照明装置の安全性を高めることができる。

第１〜第６の実施形態によれば、レーザー光７０の光軸１０ａは、散乱部２０の主面２０ｐとは斜めに交差する。このため、散乱部２０や波長変換部４０に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を抑制できる。さらに、受光部９４に入射する戻り光９２は、対象物を照射する照明光の一部を直接モニターしている。このため、異常検出感度を高く保つことができる。これらの結果、安全性が高められた固体照明装置が可能となる。

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（照射部の）導光部、１２光源、２０散乱部、２０ｐ主面、２０ｓ光散乱材、４０波長変換層、４０ａ第１の面、４０ｂ第２の面、５０支持板、５０ａ光入射面、５０ｂ光出射面、５０ｃ側面、７０レーザー光、７２散乱光、７３波長変換光、７４混合光、８０制御回路、９０戻り光導光部、９０ｃ斜め切断面、９０ａ斜め切断面、９２戻り光、９４受光部、９６反射層、Ｓ２放出停止信号

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む散乱部と、
第１の面から入射した前記散乱光を吸収し、前記散乱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層と、
前記波長変換層が設けられた光入射面と、前記光入射面とは反対の側となる光出射面と、を有し、前記散乱光の一部と前記波長変換光の一部とが戻り光となり内部を伝搬する支持板と、
一方の端部に前記戻り光が導入される戻り光導光部と、
前記一方の端部とは反対の側となる第２の端部から放出される前記戻り光を検出する受光部と、
前記受光部から出力された電気信号により、前記戻り光の光量が所定の範囲外であることを検出すると、前記レーザー光の放出停止信号を前記照射部に向けて出力する制御回路と、
を備えた固体照明装置。
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吸収し前記レーザー光の波長よりも長い波長を有する第１波長変換光と、前記レーザー光から転じた散乱光と、を前記主面の上方に放出する第１波長変換層と、
前記第１波長変換光と前記散乱光とが入射する光入射面と、前記光入射面とは反対の側となる光出射面と、を有し、前記散乱光の一部と前記第１波長変換光の一部とが戻り光となり内部を伝搬する支持板と、
一方の端部に前記戻り光が導入される戻り光導光部と、
前記一方の端部とは反対の側となる第２の端部から放出される前記戻り光を検出する受光部と、
前記受光部から出力された電気信号により、前記戻り光の光量が所定の範囲外であることを検出すると、前記レーザー光の放出停止信号を前記照射部に向けて出力する制御回路と、
を備えた固体照明装置。
前記支持板の前記光入射面に設けられ、前記散乱光を吸収し前記散乱光の波長よりも長い波長を有する第２波長変換光を前記光入射面に入射し、かつ前記散乱光をさらに散乱して前記光入射面に入射する第２波長変換層をさらに備えた請求項２記載の固体照明装置。
前記支持板の前記光入射面に設けられ、前記第１波長変換光と前記散乱光とをさらに散乱する光散乱材を含む散乱部をさらに備えた請求項２記載の固体照明装置。
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、前記レーザー光を上方に反射する反射層と、
前記反射層による反射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と、前記レーザー光から転じた散乱光と、を放出する波長変換層と、
前記波長変換層が設けられた光入射面と、前記光入射面とは反対の側となる光出射面と、を有し、前記散乱光の一部と前記波長変換光の一部とが戻り光となり内部を伝搬する支持板と、
一方の端部に前記戻り光が導入される戻り光導光部と、
前記一方の端部とは反対の側となる第２の端部から放出される前記戻り光を検出する受光部と、
前記受光部から出力された電気信号により、前記戻り光の光量が所定の範囲外であることを検出すると、前記レーザー光の放出停止信号を前記照射部に向けて出力する制御回路と、
を備えた固体照明装置。
前記戻り光導光部は、光ファイバーを含む請求項１〜５のいずれか１つに記載の固体照明装置。
前記支持板は、前記光入射面と前記光出射面との間に設けられた側面をさらに有し、
前記光ファイバーの前記一方の端部は斜め切断面を有し、
前記側面から放出された前記戻り光は、前記斜め切断面で反射されて前記光ファイバーに導入される請求項６記載の固体照明装置。
前記支持板の前記側面は、前記支持板の前記光入射面に対して鋭角である請求項６記載の固体照明装置。
前記支持板の前記側面に設けられた反射層をさらに有する請求項８記載の固体照明装置。