JP2016058619A

JP2016058619A - 発光装置

Info

Publication number: JP2016058619A
Application number: JP2014185302A
Authority: JP
Inventors: 健太渡邉; Kenta Watanabe; 淳志元家; Atsushi Motoie; 俊雄森; Toshio Mori; 松尾　和尋; Kazuhiro Matsuo; 和尋松尾
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-09-11
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2016-04-21

Abstract

【課題】高い反射率を維持しつつ、放熱性を高めることができる発光装置を提供する。【解決手段】発光装置１は、レーザ励起のセラミック蛍光体２０と、セラミック蛍光体２０のレーザ照射面とは異なる面に接触して設けられた、光反射性を有する反射層３０とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、発光装置に関する。

従来、レーザ励起の蛍光体を利用した発光装置が知られている（例えば、特許文献１及び２を参照）。蛍光体は、レーザ光が照射された場合に、電子が励起されて基底状態に戻るときに光（蛍光）を発する。蛍光体から発せられた蛍光を所望の方向に出射することで、照明装置などに利用することができる。

例えば、特許文献１には、蛍光体にレーザ光を直射することで蛍光体から発せられた蛍光を、蛍光体の上方に設けられた透光窓から取り出す照明装置が開示されている。また、特許文献２には、蛍光体から発せられた蛍光を所定の方向に出射するための反射鏡を備えるレーザ光源装置が開示されている。

特開２０１２−５４２７２号公報特開２０１３−１２３５８号公報

しかしながら、上記従来の発光装置では、高い反射率を維持しつつ、放熱性を高めることが困難である。

そこで、本発明は、高い反射率を維持しつつ、放熱性を高めることができる装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る発光装置は、レーザ励起のセラミック蛍光体と、前記セラミック蛍光体のレーザ照射面とは異なる面に接触して設けられた、光反射性を有する反射層とを備える。

本発明によれば、高い反射率を維持しつつ、放熱性を高めることができる。

本発明の実施の形態に係る発光装置の概観斜視図である。本発明の実施の形態に係る発光装置の断面図である。本発明の実施の形態に係る発光装置のセラミック蛍光体とヒートシンクとの間の断面を模式的に示す図である。

以下では、本発明の実施の形態に係る発光装置について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態などは、一例であり、本発明を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、同じ構成部材については同じ符号を付している。

（実施の形態）
［発光装置］
まず、本実施の形態に係る発光装置について、図１及び図２を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係る発光装置１の概観斜視図である。図２は、本実施の形態に係る発光装置１の断面図である。

図１及び図２に示すように、発光装置１は、レーザ光源１０と、セラミック蛍光体２０と、反射層３０と、ヒートシンク４０と、接着層５０とを備える。

レーザ光源１０がセラミック蛍光体２０に向けてレーザ光１１を照射した場合に、セラミック蛍光体２０は、光２１を出射する。セラミック蛍光体２０は、ヒートシンク４０の戴置面４１に、反射層３０及び接着層５０を挟んで戴置されて固定されている。

なお、図１及び図２において、ヒートシンク４０の戴置面４１の法線方向をＺ軸方向とし、当該法線方向に平行で、かつ、互いに直交する２つの方向をそれぞれ、Ｘ軸方向及びＹ軸方向とする。つまり、戴置面４１は、ＸＹ平面に平行である。

以下では、本実施の形態に係る発光装置１の各構成部材について詳細に説明する。

［レーザ光源］
レーザ光源１０は、例えば、半導体レーザ又はＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）であり、駆動電流によって駆動されて所定の色（波長）のレーザ光を、セラミック蛍光体２０に向けて出射する。具体的には、レーザ光源１０は、紫外線、又は、紫若しくは青色の可視光をレーザ光１１として出射する。レーザ光１１は、セラミック蛍光体２０が含む蛍光体の励起光であり、レーザ光１１の照射強度及び波長は、蛍光体の電子を励起させる程度であれば、いかなるものでもよい。

なお、図１には、１つのレーザ光源１０を示しているが、図２に示すように、発光装置１は、複数のレーザ光源１０を備えてもよい。複数のレーザ光源１０は、互いに異なる方向からセラミック蛍光体２０にレーザ光１１を照射するように配置されている。例えば、複数のレーザ光源１０は、セラミック蛍光体２０を囲むように環状に並んで配置されていてもよい。

［セラミック蛍光体］
セラミック蛍光体２０は、レーザ励起のセラミック蛍光体であって、蛍光体を含有する板状のセラミックから形成される。具体的には、図１及び図２に示すように、セラミック蛍光体２０は、互いに対向する２つの主面を有する一枚の平板状のセラミックから形成される。蛍光体は、セラミック蛍光体２０の全体に散りばめられている。２つの主面の一方（上面）は、レーザ光１１の照射側の面、すなわち、レーザ照射面である。２つの主面の下方（下面）には、反射層３０が設けられている。

図１に示すように、セラミック蛍光体２０の平面視形状は、例えば、矩形である。なお、本実施の形態において、平面視とは、レーザ光１１の照射側から見た場合（すなわち、Ｚ軸正方向から見た場合）を意味する。セラミック蛍光体２０の平面視形状は、矩形に限らず、正方形、円形若しくは楕円形など、他の形状でもよい。

本実施の形態では、セラミック蛍光体２０は、アルミナ（酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３））などのセラミックから構成される平板である。なお、セラミックとしては、アルミナに限らず、ジルコニア（酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２））、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などを用いることもできる。

セラミック蛍光体２０は、セラミック粒子を焼結させることによって構成される。具体的には、アルミナ粒子などのセラミック原料と、散乱体又は焼結助剤（添加剤）と、蛍光体とを混合したものにバインダを加えて加熱成形し、その後、焼成することにより、セラミック蛍光体２０は作製される。

蛍光体は、黄色蛍光体、赤色蛍光体若しくは緑色蛍光体、又は、これらの組み合わせなど、いかなるものでもよい。例えば、蛍光体としては、ＹＡＧ系の蛍光体粒子、カズン（ＣａＡｌＳｉＮ_３：ＣＡＳＮ）などを利用することができる。

セラミック蛍光体２０は、レーザ光１１が照射された場合に、蛍光体の電子が励起される。励起された電子が基底状態に戻るときに光（蛍光）を発する。蛍光は、一部はそのままレーザ光１１の照射側に出射され、一部は、反射層３０によって反射されてレーザ光１１の照射側に出射される。

また、セラミック蛍光体２０からの光２１は、蛍光体が発する蛍光と、励起光であるレーザ光１１とを含んでもよい。つまり、発光装置１は、蛍光とレーザ光１１との合成光を、光２１として外部に出射してもよい。例えば、レーザ光１１として青色光を利用した場合、レーザ光１１は、セラミック蛍光体２０内部で散乱され、一部は蛍光体に吸収及び変換されることなく、青色光として放出される。したがって、セラミック蛍光体２０は、当該青色光と、蛍光体から発せられる蛍光（例えば、黄色光）とを利用することで、白色の光２１を出射することができる。

［反射層］
反射層３０は、光反射性を有し、セラミック蛍光体２０のレーザ照射面（上面）とは異なる面に接触して設けられている。具体的には、反射層３０は、レーザ照射面とは反対側の面（下面）に接触して設けられている。より具体的には、反射層３０は、セラミック蛍光体２０の下面全体に接触するように設けられた金属薄膜である。

反射層３０は、セラミック蛍光体２０から出射される光２１を反射する。具体的には、反射層３０は、レーザ光１１と、セラミック蛍光体２０が含有する蛍光体から発せられた蛍光とを反射する。反射層３０が蛍光を反射することにより、上面側への光の取り出し効率を高めることができる。また、反射層３０がレーザ光１１を反射することにより、反射したレーザ光１１によってセラミック蛍光体２０の蛍光体の電子をさらに励起させることができる。これにより、蛍光の光量を増やすことができるので、光の取り出し効率を更に高めることができる。

本実施の形態では、反射層３０は、金属蒸着膜である。つまり、反射層３０は、蒸着法によって金属材料をセラミック蛍光体２０の下面に堆積することで形成される。蒸着法としては、例えば、真空蒸着法、ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）又はイオンビームアシスト法などを用いることができる。なお、反射層３０は、蒸着法に限らず、塗布法、スパッタリング法、ＧＣＩＢ（ＧａｓＣｌｕｓｔｅｒＩｏｎＢｅａｍ）などを用いてもよい。反射層３０の膜厚は、例えば、０．１μｍ〜１μｍである。

反射層３０は、光の反射率が高く、かつ、光の吸収率が低い。なお、反射層３０による光の反射は、鏡面反射に限らず、拡散反射でもよい。反射層３０の光の反射率は、例えば、８０％以上であり、好ましくは、９０％以上である。反射層３０の光の吸収率は、例えば、２０％以下であり、好ましくは、１０％以下である。

本実施の形態では、反射層３０は、熱伝導材料（サーマルインターフェースマテリアル：ＴＩＭ）から構成される。例えば、反射層３０は、アルミニウム、銀などの金属材料から形成される。具体的には、反射層３０としては、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ〜４００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料を用いることができる。反射層３０としては、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）又は酸化チタン（ＴｉＯ_２）を使用しない。

［ヒートシンク］
ヒートシンク４０は、セラミック蛍光体２０が戴置される放熱体の一例である。ヒートシンク４０は、セラミック蛍光体２０が含有する蛍光体で発熱する熱を外部（大気中）に放熱するための放熱部材である。したがって、ヒートシンク４０は、金属などの熱伝導率の高い材料を用いて形成することが好ましい。ヒートシンク４０は、例えば、アルミニウム合金を用いたアルミダイカスト製である。また、ヒートシンク４０には、例えば、複数の放熱フィン（図示せず）が設けられていてもよい。

ヒートシンク４０の戴置面４１は、ヒートシンク４０が有する面の１つであり、セラミック蛍光体２０が戴置される面である。具体的には、セラミック蛍光体２０は、反射層３０と接着層５０とを間に挟むようにして戴置面４１に戴置される。より具体的には、下面に反射層３０が形成されたセラミック蛍光体２０が、接着性の材料（接着層５０）が塗布された戴置面４１に戴置される。これにより、セラミック蛍光体２０を容易にヒートシンク４０に固定することができる。

［接着層］
接着層５０は、熱伝導材料から構成され、反射層３０とヒートシンク４０とを接着する。具体的には、接着層５０としては、半田又は銀ペーストなどである。なお、接着層５０としては、金属材料に限らず、グリス、サーコンシートなどの樹脂材料を用いてもよい。例えば、接着層５０としては、熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ〜１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料を用いることができる。

［熱伝導性］
ここで、本実施の形態に係る発光装置１において、セラミック蛍光体２０から発せられる熱の伝導性について、図３を用いて説明する。図３は、本実施の形態に係る発光装置１のセラミック蛍光体２０とヒートシンク４０との間の断面を模式的に示す図である。

図３に示すように、セラミック蛍光体２０の下面は、微小な凹凸２２が形成されている。反射層３０は、凹凸２２を覆い、セラミック蛍光体２０の下面を平坦化するように設けられる。

同様に、ヒートシンク４０の戴置面４１も微小な凹凸４２が形成されている。接着層５０は、凹凸４２を覆い、ヒートシンク４０の戴置面４１を平坦化するように設けられている。

例えば、反射層３０及び接着層５０が設けられていない場合は、セラミック蛍光体２０の凹凸２２とヒートシンク４０の凹凸４２とが接するので、セラミック蛍光体２０とヒートシンク４０との接触面積が小さくなる。また、凹凸２２と凹凸４２とが接触しない部分では、間に空気が含まれるので、熱伝導率が悪くなる。

これに対し、本実施の形態では、反射層３０と接着層５０とは、互いの平坦な面同士が接触するので、反射層３０と接着層５０との接着面積は大きくなる。したがって、セラミック蛍光体２０で発した熱は、反射層３０及び接着層５０を効率良く伝達されて、ヒートシンク４０に伝達される。

［効果など］
本実施の形態に係る発光装置１のように、レーザ励起のセラミック蛍光体２０を用いる場合は、セラミック蛍光体２０で発生する熱をヒートシンク４０に効率良く伝導することが求められる。例えば、セラミック蛍光体２０とヒートシンク４０とを直接接触させることで、セラミック蛍光体２０で発生する熱を効率良くヒートシンク４０に伝導させることができる。

ここで、セラミック蛍光体２０とヒートシンク４０とを直接接触させるためには、セラミック蛍光体２０をヒートシンク４０に対して押圧する必要がある。しかしながら、セラミック蛍光体２０は、セラミックから構成されるので押圧力に弱い。例えば、強い力でセラミック蛍光体２０をヒートシンク４０に押し当てた場合、熱膨張などに耐え切れずに破壊されてしまう恐れがある。

この点を鑑みて、セラミック蛍光体２０を押圧することでヒートシンク４０に固定するのではなく、熱伝導率の高い接着性材料を用いてセラミック蛍光体２０をヒートシンク４０に固定することが考えられる。

一般的に、接着性材料としては、グリス又はサーコンシートが用いられる。しかしながら、グリス又はサーコンシートは、主成分が樹脂で構成されているので、高エネルギーのレーザ光１１が照射された場合に、局所的に耐熱温度を超えてしまう恐れがある。また、グリス又はサーコンシートは、セラミック蛍光体２０の下面側に透過したレーザ光１１を吸収してしまうので、励起される電子の数が減少し、結果として、取り出される光２１（蛍光）が少なくなる。

以上の点から、セラミック蛍光体２０とヒートシンク４０とを、樹脂からなる接着性材料を用いて直接接着することができない。

これに対して、本実施の形態に係る発光装置１は、レーザ励起のセラミック蛍光体２０と、セラミック蛍光体２０のレーザ照射面とは異なる面に接触して設けられた、光反射性を有する反射層３０とを備える。また、セラミック蛍光体２０は、互いに対向する２つの主面を有する板状のセラミックから構成され、２つの主面の一方は、レーザ照射面であり、反射層３０は、２つの主面の他方に設けられている。

これにより、セラミック蛍光体２０のレーザ照射面とは反対側に反射層３０が設けられているので、光２１（レーザ光１１及び蛍光）は、反射層３０によって反射される。したがって、励起される電子の数を増加することができ、かつ、蛍光を外部に出射させることができる。よって、光の取り出し効率の低下を抑制することができる。

また、反射層３０によって光２１が反射されるので、反射層３０のセラミック蛍光体２０とは反対側には、光を吸収する樹脂などの接着性部材を設けることができる。これにより、セラミック蛍光体２０をヒートシンク４０に固定することができる。

さらに、反射層３０によってセラミック蛍光体２０の微小な凹凸２２を覆うことができる。これにより、セラミック蛍光体２０とヒートシンク４０との間に空気が介在するのを抑制することができるので、熱伝導性を向上させることができる。

また、例えば、反射層３０は、金属蒸着膜である。

これにより、反射層３０が金属蒸着膜で構成されるので、セラミック蛍光体２０の凹凸２２を適切に覆うことができる。したがって、熱伝導性を向上させることができる。

また、金属蒸着膜からなる反射層３０をセラミック蛍光体２０に形成することで、セラミック基板（セラミック蛍光体２０及び反射層３０）の強度が向上し、セラミック基板をヒートシンク４０などに強く固定することができる。また、セラミック基板の強度が向上するので、セラミック基板は割れにくくなり、セラミック基板を容易に取り扱うことができる。

さらに、セラミック基板の表裏の区別が明確になるので、組み立て作業性を向上させることができる。特に、セラミック蛍光体２０の表面にＡＲ（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ）コート、又は、耐酸化若しくは耐湿コートなどを施した場合に有用である。

また、例えば、反射層３０は、熱伝導材料から構成される。

これにより、セラミック蛍光体２０で発した熱を、反射層３０を介して効率良くヒートシンク４０に伝えることができる。

また、例えば、発光装置１は、さらに、ヒートシンク４０と、熱伝導材料から構成され、反射層３０とヒートシンク４０とを接着する接着層５０とを備える。

これにより、セラミック蛍光体２０で発した熱を、反射層３０及び接着層５０を介して効率良くヒートシンク４０に伝えることができる。

なお、本実施の形態に係る発光装置１では、接着層５０を備えなくてもよい。この場合であっても、反射層３０の下面は平面であるので、反射層３０がない場合に比べてヒートシンク４０の戴置面４１との接触面積を増加することができる。したがって、熱伝導性を向上させることができる。

（その他）
以上、本発明に係る発光装置について、上記実施の形態及びその変形例に基づいて説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。

例えば、上記の実施の形態では、発光装置１がレーザ光源１０を備える例について示したが、発光装置１は、レーザ光源１０を備えていなくてもよい。例えば、別のレーザ光源から照射されたレーザ光によってセラミック蛍光体２０が光２１を発してもよい。

また、例えば、上記の実施の形態では、発光装置１がヒートシンク４０を備える例について示したが、発光装置１は、ヒートシンク４０などの放熱体を備えていなくてもよい。例えば、セラミック蛍光体２０は、放熱体以外の部材に戴置されてもよく、あるいは、クリップのような把持部材によって把持されてもよい。ヒートシンク４０がない場合であっても、反射層３０によって光２１を反射させることができるので、光の取り出し効率を高めることができる。

また、例えば、上記の実施の形態では、蛍光体を混合したセラミック粒子を焼結することでセラミック蛍光体２０を形成する例について示したが、これに限らない。例えば、セラミック蛍光体２０は、セラミックの薄膜成長によって作製されてもよい。

また、例えば、上記の実施の形態では、セラミック蛍光体２０が一枚の平板である例について示したが、これに限らない。セラミック蛍光体２０は、平板に限らず、平板の一部が欠けたような多面体でもよい。

また、例えば、上記の実施の形態では、セラミック蛍光体２０の２つの主面の一方からレーザ光１１を照射する例について示したが、セラミック蛍光体２０の端面からレーザ光１１を照射してもよい。

また、例えば、上記の実施の形態では、セラミック蛍光体２０の全体に蛍光体を含有させる例について示したが、セラミック蛍光体２０は、一部の領域のみに蛍光体を含有してもよい。

具体的には、セラミック蛍光体２０は、レーザ励起の蛍光体を含有する発光部と、発光部を囲むように設けられた、発光部からの光を反射する反射部とを備えてもよい。より具体的には、発光部と反射部とは同一層内に設けられていてもよい。例えば、アルミナ粒子（セラミック粒子）を焼成する際に、所定の領域にのみ蛍光体を添加することで、同一層内に、蛍光体を含有する発光部と蛍光体を含有しない反射部とを形成することができる。

なお、上記の実施の形態に係る発光装置１は、例えば、照明装置、プロジェクタ、レーザポインタなどの各種発光装置に利用することができる。

その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。

１発光装置
１０レーザ光源
１１レーザ光
２０セラミック蛍光体
２１光
３０反射層
４０ヒートシンク
５０接着層

Claims

レーザ励起のセラミック蛍光体と、
前記セラミック蛍光体のレーザ照射面とは異なる面に接触して設けられた、光反射性を有する反射層とを備える
発光装置。
前記セラミック蛍光体は、互いに対向する２つの主面を有する板状のセラミックから構成され、
前記２つの主面の一方は、前記レーザ照射面であり、
前記反射層は、前記２つの主面の他方に設けられている
請求項１に記載の発光装置。
前記反射層は、金属蒸着膜である
請求項１又は２に記載の発光装置。
前記反射層は、熱伝導材料から構成される
請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光装置。
前記発光装置は、さらに、
放熱体と、
熱伝導材料から構成され、前記反射層と前記放熱体とを接着する接着層とを備える
請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光装置。