JP2014212093A

JP2014212093A - 固体照明装置

Info

Publication number: JP2014212093A
Application number: JP2013089153A
Authority: JP
Inventors: 順一木下; Junichi Kinoshita
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2013-04-22
Filing date: 2013-04-22
Publication date: 2014-11-13

Abstract

【課題】空間伝送されたレーザー光の照射方向を補正可能な固体照明装置を提供する。
【解決手段】実施形態にかかる固体照明装置は、固体光源部と；ランプ部と；筒状支柱部と；光検出部と；照射方向制御部と；を具備する。固体光源部は、紫外〜青色の波長を有するレーザー光を放出する。ランプ部は、ヒートシンクと、波長変換層と、を有する。波長変換層は、レーザー光を吸収して生成された波長変換光と、レーザー光を散乱して生じた散乱光と、を放出する。筒状支柱部には、内部空間が設けられる。内部空間の底部には固体光源部が収納され、内部空間の先端部にはランプ部が収納される。光検出部には、内部空間に設けられる。検出部は、筒状支柱部の内部の戻り光によりランプ部の位置ずれを検出する。照射方向制御部には、内部空間に設けられる。照射方向制御部は、光検出部からの位置ずれ検出信号に基づいて、レーザー光の照射方向を制御する。
【選択図】図１

Description

後述する実施形態は、固体照明装置に関する。

ＬＥＤ（Light Emitting Diode）、ＬＤ（Laser Diode）、ＯＬＥＤ（Organic Light Emitting Diode）などの固体発光素子を用いた固体照明（ＳＳＬ：Solid-State Lighting）装置は、高効率・長寿命・点灯自動制御などが可能である。このため、様々な用途が広がっている。

ＬＥＤやＬＤからの青色光を蛍光体などの波長変換材料に照射すると、青色光の波長よりも長い波長の光を得ることができる。このため、混合光として、白色照明光を得ることができる。

しかし、ＬＥＤを用いる場合、チップの発熱やドループなどが問題となる。たとえば、ドループは電流密度が高くなると光出力が飽和または低下する現象であり、発熱の影響が少なくても生じる。

一方、ＬＤは、ドループが無い固体発光素子である。光広がり角が狭いＬＤを固体発光素子とすると、波長変換材料を効率よく照射でき、かつランプ部となる波長変換層とＬＤとを離間し、これらの温度を低減できる。しかしながら、広がり角を狭く保つために光ファイバーを光経路とすると、青色光の伝送損失が光ファイバー長とともに増大するのでエネルギー効率が低下する。

特開２００７−５２９５７号公報

本発明が解決しようとする課題は、空間伝送されたレーザー光の照射方向を補正可能な固体照明装置を提供することである。

実施形態にかかる固体照明装置は、固体光源部と；ランプ部と；筒状支柱部と；光検出部と；照射方向制御部と；を具備する。前記固体光源部は、紫外〜青色の波長を有するレーザー光を放出する。前記ランプ部は、ヒートシンクと、前記ヒートシンク上に設けられた波長変換層と、を有する。前記波長変換層は、前記レーザー光を吸収して前記レーザー光の波長よりも長い波長の波長変換光を放出するとともに、前記レーザー光を散乱して生じた散乱光を放出する。前記筒状支柱部には、内部空間が設けられる。前記内部空間の底部には前記固体光源が収納され、前記内部空間の先端部には前記ランプ部が収納される。前記光検出部には、前記内部空間に設けられる。前記検出部は、前記筒状支柱部の内部の戻り光により前記ランプ部の位置ずれを検出する。前記照射方向制御部には、前記内部空間に設けられる。前記照射方向制御部は、前記光検出部からの位置ずれ検出信号に基づいて、前記レーザー光の照射方向を制御する。

本発明の実施形態によれば、空間伝送されたレーザー光の照射方向を補正可能な固体照明装置を提供することができる。

図１（ａ）は第１の実施形態にかかる固体照明装置の内部の模式斜視図、図１（ｂ）は筒状支柱部が変形した状態の模式斜視図、図１（ｃ）は照射方向を補正した状態の模式斜視図、である。照射方向制御部４０の作用を説明する模式図である。図３（ａ）は比較例にかかる固体照明装置の内部の模式斜視図、図３（ｂ）はランプ部が位置ずれを生じた状態の内部の模式斜視図、である。第２の実施形態にかかる固体照明装置の内部の模式斜視図である。第２の実施形態の固体照明装置の照射方向制御部４０の作用を説明する模式図である。第３の実施形態にかかる固体照明装置の内部の模式斜視図である。第４の実施形態にかかる固体照明装置の機能を説明する模式図である。

第１の発明は、固体光源部と；ランプ部と；筒状支柱部と；光検出部と；照射方向制御部と；を具備した固体照明装置である。前記固体光源部は、紫外〜青色の波長を有するレーザー光を放出する。前記ランプ部は、ヒートシンクと、前記ヒートシンク上に設けられた波長変換層と、を有する。前記波長変換層は、前記レーザー光を吸収して前記レーザー光の波長よりも長い波長の波長変換光を放出するとともに、前記レーザー光を散乱して生じた散乱光を放出する。前記筒状支柱部には、内部空間が設けられる。前記内部空間の底部には前記固体光源が収納され、前記内部空間の先端部には前記ランプ部が収納される。前記光検出部には、前記内部空間に設けられる。前記検出部は、前記筒状支柱部の内部の戻り光により前記ランプ部の位置ずれを検出する。前記照射方向制御部には、前記内部空間に設けられる。前記照射方向制御部は、前記光検出部からの位置ずれ検出信号に基づいて、前記レーザー光の照射方向を制御する。
この固体照明装置によれば、空間伝送されたレーザー光の照射方向が補正可能である。その結果、波長変換層２４を確実に照射することができる。また、レーザー光が空間（空気また気体）を伝送されるので、光ファイバー伝送における伝送損失よりも小さい伝送損失とできる。また、たとえば、５０ｍ以上の距離を小さい伝送損失で、伝送することができ、固体照明装置の長尺化にも対応することができる。

第２の発明は、固体光源部と、ランプ部と、筒状支柱部と、光検出部と、照射方向制御部と；を具備した固体照明装置である。前記固体光源部は、青紫色〜赤色の波長を有するレーザー光を放出する。前記ランプ部は、ヒートシンクと、前記ヒートシンク上に設けられ前記レーザー光を散乱して散乱光に転じる光散乱材が分散された光散乱層と、を有する。前記筒状支柱部は、内部空間が設けられ、前記内部空間の底部に前記固体光源部を収納し、前記内部空間の先端部に前記ランプ部を収納する。前記光検出部は、前記内部空間に設けられ、前記筒状支柱部の内部の戻り光により前記ランプ部の位置ずれを検出する。前記照射方向制御部は、前記内部空間に設けられ、前記光検出部からの位置ずれ検出信号に基づいて、前記レーザー光の照射方向を制御する。
この固体照明装置によれば、青紫色〜赤色の波長（４００〜７５０ｎｍ）のレーザー光が光散乱層により散乱され、散乱光を放出する。この結果、低コヒーレントで安全性が高められた可視光を放出することができる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記ランプ部と前記固体光源部との間の前記内部空間に設けられ、前記レーザー光を通過させる窓部が設けられた反射板をさらに具備し、前記ランプ部の前記位置ずれのために前記窓部を通過できず反射板により反射された光は前記戻り光となる固体照明装置である。
この固体照明装置によれば、ランプ部が位置ずれを生じても、レーザー光がヒートシンクを照射し損傷を与えることを抑制できる。

第４の発明は、第３の発明において、前記固体光源に対向する側の前記反射板の面には、光散乱層または波長変換層が設けられた固体照明装置である。
この固体照明装置によれば、より高い感度で戻り光ＲＬを検出できる。

第５の発明は、第３または第４の発明において、前記光検出部は、スキャンされた前記レーザー光が前記反射板で反射されて生じた前記戻り光を検出する固体照明装置である。
この固体照明装置によれば、照明光の戻り光を用いることなく、位置検出レーザー光を用いて位置ずれを検出する。この結果、常に窓部５２ａの位置をより高い精度で判別できる。

第６の発明は、第１〜第５の発明において、前記照射方向制御部は、可動ミラーを有し、前記固体光源部からのレーザー光は、前記可動ミラーに反射され、前記波長変換部を照射する固体照明装置である。
この固体照明装置によれば、低消費電力で照射方向を制御可能である。

第７の発明は、第１〜第６の発明において、位置ずれ検出信号に基づいて、ランプ部２０の位置ずれ方向、変位量、ずれの時間変化を含む変動量を算出する変動情報検出部をさらに具備する固体照明装置である。
この固体照明装置によれば、固体照明装置が立設された位置の気象情報や地震情報などを知ることができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態を説明する。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかる固体照明装置の内部の模式斜視図、図１（ｂ）は筒状支柱部が変形した状態の模式斜視図、図１（ｃ）は照射位置を修正した状態の模式斜視図、である。
固体照明装置は、固体光源部１０と、ランプ部２０と、光検出部３０と、照射方向制御部４０と、筒状支柱部５０と、を有する。

固体光源部１０は、半導体レーザーモジュールや固体レーザーなどを含む。また、固体光源部１０は、レーザー光を集光するレンズや駆動回路をさらに有することができる。レーザー光ＢＬは、紫外〜青色光の波長（３８０〜４９０ｎｍ）を有する。半導体レーザー光の広がり角は、４０°（遠視野像の垂直方向半値全角：θｖ）×２５°（遠視野像の水平方向半値全角：θｈ）などと狭い。

図１（ａ）に表すように、ランプ部２０は、金属などからなるヒートシンク２２と、ヒートシンク２２の上に設けられた波長変換層２４と、を有する。なお、波長変換層２４と、ヒートシンク２２と、の間に反射層を設けると光取り出し効率を高めることができる。

波長変換層２４は、レーザー光ＢＬを吸収して、レーザー光ＢＬの波長よりも長い波長の波長変換光ＹＬを放出する。また、波長変換層２４は、レーザー光ＢＬを散乱して散乱光ＳＬとして放出する。この結果、固体照明装置は、散乱光ＳＬと波長変換光ＹＬとが混合されて生じた照明光ＧＴを放出する。

図１（ｂ）は、風などの外力で筒状支柱部５０が破線矢印の方向に変形した状態を表す。光検出部３０は、フォトダイオードや判別回路などを有し、筒状支柱部５０の内部からの戻り光ＲＬを検出する。すなわち、戻り光ＲＬが所定レベルよりも大きいと、光検出部３０はランプ部２０の位置がずれたと判別し、位置ずれ検出信号ＳＥを出力する。戻り光ＲＬは，レーザー光ＢＬ、波長変換光ＹＬ、散乱光ＳＬなどとすることができる。

また、筒状支柱部５０には、固体光源部１０と、ランプ部２０と、光検出部３０と、照射方向制御部４０と、を収納する内部空間５０ａが設けられる。固体光源部１０は、筒状支柱部５０の第１の端部５０ｂに設けられる。ランプ部２０は、第１の端部５０ｂとは反対の側となる筒状支柱部５０の第２の端部５０ｃに設けられる。

筒状支柱部５０を金属とすると、機械的強度が高まるので、筐体部としても用いることができる。なお、図１では、第１の端部５０ｂが底部、第２の端部５０ｃが先端部となるように立設した状態を表す。また、筒状支柱部５０は、レーザー光ＢＬに対して遮光性を有することが安全上好ましい。

波長変換層２４は、散乱光を吸収し散乱光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。波長変換層２４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。もし、波長変換層２４が黄色蛍光体を有し、レーザー光ＢＬが青色光であるものとすると、照明光ＧＴは白色光とできる。

図２は、照射方向制御部の作用を説明する模式図である。
照射方向制御部４０は、可動ミラー４２などの照射方向変化手段と、駆動部４１と、を有する。駆動部４１は、小型モーターやＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems)モーターなど可動ミラー４２を変位する機構を有しており、位置ずれ検出信号ＳＥに応じて戻り光ＲＬが所定値よりも小さくなるように、照射方向変化手段により照射方向を変化させる。この様にして、空間伝送されたレーザー光ＢＬの照射方向が低消費電力の可動ミラー４２により補正され、波長変換層２４が確実に照射される。

なお、筒状支柱部５０が、たとえば、５０ｍなどと長くなると、レーザー光ＢＬがその垂直方向半値全角θｖおよび水平方向半値全角θｈで表されるように広がる。図２のように、導光体１２を介して集光レンズ１１で集光すると、平行光に近づけ広がりを低減することができる。

また、図１のように、ランプ部２０と固体光源部１０との間の内部空間５０ａに、窓部５２ａが設けられた反射板５２を配置することができる。レーザー光ＢＬのうち、位置ずれを生じた反射板５２の窓部５２ａを通過できず、反射板５２により反射された光は戻り光ＲＬとなる。

照射方向制御部４０は、可動ミラー４２の方向を変化させ、レーザー光ＢＬが窓部５２ａを通過し波長変換層２４を照射するように制御する。反射板５２を設けると、ランプ部２０が位置すれを生じても、レーザー光ＢＬがヒートシンク２２を照射し損傷を与えることを抑制できる。

また、反射板５２の固体光源部１０の側の面には、光散乱層または波長変換層を設けることができる。光散乱層また波長変換層を設けることにより、より高い感度で、戻り光ＲＬを検出できる。

もし、青色レーザー光を光ファイバーなどを用いて伝送する場合、伝送損失は略３０ｄＢ／ｋｍと大きくなる。たとえば、５０ｍ伝搬すると、伝送損失は略３０％（略１．５５ｄＢに相当）となる。これは、波長が短いほど、Rayleigh散乱が増えるためである。照明光では、エネルギー効率を高く保つことが重要であるので、伝送損失は３０％以下とすることが好ましい。

これに対して、第１の実施形態では、レーザー光ＢＬは、空間（空気また気体）を伝搬する。このため、伝送損失は、光ファイバー伝送における伝送損失よりも極めて小さくできる。また、たとえば、５０ｍ以上の距離を小さい伝送損失で伝送可能であるため、固体照明装置の長尺化にも対応できる。

図３（ａ）は比較例にかかる固体照明装置の内部の模式斜視図、図３（ｂ）はランプ部が位置ずれを生じた状態の内部の模式斜視図、である。
たとえば、長さが５０ｍの長尺の筒状支柱部１５０の先端部にランプ部１３８を設ける場合、筒状支柱部１５０は風などの外力により変形しやすい。もし、直進するレーザー光ＢＬに対して、筒状支柱部の中心軸がなす角度αが０．１度であると、固体光源部１２０から５０ｍ離間したランプ部１３８は、略８．５ｃｍの位置ずれを生じる。このため、波長変換層１３０を十分には照射できず、ヒートシンク１４０などを照射し、筒状支柱部１５０の内部を損傷させることがある。また、位置ずれにより、波長変換されないレーザー光ＢＬが筒状支柱部５０の外部に漏れると、安全上好ましくない。

これに対して、第１の実施形態の固体照明装置では、内部空間５０ａに設けられた光検出部３０と、照射方向制御部４０と、が具備されている。このため、図１（ｃ）に表すように、光検出部３０は戻り光ＲＬによりランプ部２０の位置ずれを検出する。さらに、照射方向制御部４０が、たとえば、回転ミラー４２の角度を変化してレーザー光ＢＬの照射方向を補正し、確実に波長変換層２４を照射できる。

図４は、第２の実施形態にかかる固体照明装置の内部の模式斜視図である。
第２の実施形態では、波長変換層２４を照射するレーザー光ＢＬとは異なる位置検出レーザー光ＤＬによりランプ部２０の位置ずれを検出する。このため、照明光ＧＴの戻り光ＲＬを用いることなく、常に窓部５２ａの位置を精度高く判別することができる。

図５は、第２の実施形態の固体照明装置の照射方向制御部４０の作用を説明する模式図である。
固体照明装置は、位置検出レーザー光ＤＬを放出する（位置検出用）光源部１３と、トラッキング用回転ミラー４３と、をさらに有する。光源部１３は、可視光〜赤外光などの波長の位置検出レーザー光ＤＬを放出する。位置検出レーザー光ＤＬは、たとえば、トラッキング用回転ミラー４３により、反射板５２に設けられた窓部５２ａ近傍の領域を高速で常にスキャンする。

固体照明装置は、位置検出レーザー光ＤＬの戻り光ＲＬを光検出部３０で検出し、位置ずれ検出信号ＳＥを照射方向制御部４０に向けて出力する。照射方向制御部４０は、回転ミラー４２を変位させ、レーザー光ＢＬの照射方向を変化させ、正確に波長変換層２４を照射する。

図６は、第３の実施形態にかかる固体照明装置の内部の模式斜視図である。
ランプ部２０は、ヒートシンク２２と、ヒートシンク２２上に設けられた光散乱層２５と、を有する。固体光源部１０は、青紫色〜赤色の波長（４００〜７５０ｎｍ）のレーザー光ＢＬを放出する。レーザー光ＢＬは、光散乱層２５を照射し、散乱され、散乱光ＳＬとなる。このようにして、低コヒーレントで安全性が高められた照明光ＧＴを放出することができる。

光散乱層２５は、ガラス板、透明樹脂板、セラミック板などに、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｃａ_２Ｐ_２Ｏ_７、ＢａＳＯ_４などの微粒子などからなる光散乱材を塗布し硬化したものなどとすることができる。

図７は、第４の実施形態にかかる固体照明装置の機能を説明する模式図である。
第４の実施形態にかかる固体照明装置は、固体光源部１０と、ランプ部(図示せず）と、光検出部３０と、変動情報検出部３２と、照射方向制御部４０と、筒状支柱部（図示せず）と、を有する。変動情報検出部３２には、位置ずれ検出信号ＳＥが入力される。変動情報検出部３２は、位置ずれ検出信号ＳＥに基づいて、ランプ部の位置ずれ方向、変位量、ずれの時間変化を含む変動量を算出し、変動情報ＳＳを照射方向制御部４０へ向けて出力する。また、固体照明装置は、入力された変動情報ＳＳを表示する表示装置４４をさらに有することができる。

変動情報ＳＳは、固体照明装置が立設された位置の気象情報（風力、風向など）や地震情報などを含む。表示装置４４を設けると、これらの情報を表示可能である。たとえば、固体照明装置を高速道路などに沿って配置すると、複数の位置におけるこれらの情報を集計して、表示装置４４によりそれぞれ表示できる。

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固体光源部、１３（位置検出用）光源部、２０ランプ部、２２ヒートシンク、２４波長変換層、２５光散乱層、３０光検出部、３２変動情報検出部、４０照射方向制御部、４１駆動部、４２可動ミラー、４３トラッキング用回転ミラー、５０筒状支柱部、５０ａ内部空間、５０ｂ第１の端部、５０ｃ第２の端部、５２反射板、５２ａ窓部、ＢＬレーザー光、ＳＬ散乱光、ＹＬ波長変換光、ＲＬ戻り光、ＤＬ位置検出レーザー光、ＧＴ照明光、ＳＥ位置ずれ検出信号、ＳＳ変動情報、θｖ垂直方向半値全角

Claims

紫外〜青色の波長を有するレーザー光を放出する固体光源部と；
ヒートシンクと、前記ヒートシンク上に設けられた波長変換層と、を有するランプ部であって、前記波長変換層は、前記レーザー光を吸収して前記レーザー光の波長よりも長い波長の波長変換光を放出するとともに、前記レーザー光を散乱して生じた散乱光を放出する、ランプ部と；
内部空間が設けられ、前記内部空間の底部に前記固体光源部を収納し、前記内部空間の先端部に前記ランプ部を収納する、筒状支柱部と；
前記内部空間に設けられ、前記筒状支柱部の内部の戻り光により前記ランプ部の位置ずれを検出可能な光検出部と；
前記内部空間に設けられ、前記光検出部からの位置ずれ検出信号に基づいて、前記レーザー光の照射方向を制御する照射方向制御部と；
を具備する固体照明装置。
青紫色〜赤色の波長を有するレーザー光を放出する固体光源部と；
ヒートシンクと、前記ヒートシンク上に設けられ前記レーザー光を散乱して散乱光に転じる光散乱材が分散された光散乱層と、を有するランプ部と；
内部空間が設けられ、前記内部空間の底部に前記固体光源部を収納し、前記内部空間の先端部に前記ランプ部を収納する、筒状支柱部と；
前記内部空間に設けられ、前記筒状支柱部の内部の戻り光により前記ランプ部の位置ずれを検出可能な光検出部と；
前記内部空間に設けられ、前記光検出部からの位置ずれ検出信号に基づいて、前記レーザー光の照射方向を制御する照射方向制御部と；
を具備する固体照明装置。
前記ランプ部と前記固体光源部との間の前記内部空間に設けられ、前記レーザー光を通過させる窓部が設けられた反射板をさらに具備し、
前記ランプ部の前記位置ずれのために前記窓部を通過できず反射板により反射された光は前記戻り光となる請求項１または２に記載の固体照明装置。
前記固体光源に対向する側の前記反射板の面には、光散乱層または波長変換層が設けられた請求項３記載の固体照明装置。
位置検出レーザー光を放出する光源部と、
前記位置検出レーザー光をスキャンするトラッキング用回転ミラーと、
をさらに具備し、
前記光検出部は、スキャンされた前記位置検出レーザー光が前記反射板で反射されて生じた前記戻り光を検出する請求項３または４に記載の固体照明装置。
前記照射方向制御部は、可動ミラーを有し、
前記固体光源部からのレーザー光は、前記可動ミラーに反射され、前記波長変換部を照射する請求項１〜５のいずれか１つに記載の固体照明装置。
入力された前記位置ずれ検出信号に基づいて、前記ランプ部の位置ずれ方向、変位量、ずれの時間変化を含む変動量を算出する変動情報検出部をさらに備えた請求項１〜６のいずれか１つに記載の固体照明装置。