JP6827211B2 - レーザ発光装置、及び、照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ発光装置、及び、これを備える照明装置に関する。

従来、レーザ光源を用いた照明装置が知られている。特許文献１には、ＬＥＤ光源を用いたＬＥＤ照明モジュールと、レーザ光源を用いたレーザ照明モジュールとを備える照明装置が開示されている。

特開２０１３−２５４６８９号公報

ところで、レーザ光源を用いたレーザ発光装置においては、レーザ光源の放熱性を高めることが課題である。

本発明は、放熱性が高められたレーザ発光装置、及び、照明装置を提供する。

本発明の一態様に係るレーザ発光装置は、レーザ光源と、前記レーザ光源に熱的に接続され、前記レーザ光源を収容するヒートシンクと、前記レーザ光源が発するレーザ光を前記ヒートシンクの外部に導光する光ファイバとを備え、前記レーザ光源は、前記ヒートシンクのうち、前記レーザ光源の光軸方向における中央部に収容される。

本発明の一態様に係る照明装置は、前記レーザ発光装置と、前記レーザ光源に電力を供給する電源装置と、前記光ファイバによって導光された前記レーザ光を波長変換して所定の色の光を発する灯具とを備える。

本発明によれば、放熱性が高められたレーザ発光装置、及び、照明装置が実現される。

図１は、実施の形態に係る照明装置の外観斜視図である。 図２は、実施の形態に係る照明装置の使用態様を示す断面図である。 図３は、レーザ光源を収容したヒートシンクの断面図である。 図４は、ヒートシンクの分割の一例を示す模式図である。 図５は、ヒートシンクの分割の別の例を示す模式図である。 図６は、変形例に係るヒートシンクの模式図である。

以下、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、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。

なお、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、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化される場合がある。

以下の実施の形態の図面においては、Ｚ軸方向は、例えば上下方向（鉛直方向）であり、Ｚ軸＋側は、上側と記載される場合がある。また、Ｚ軸−側は、下側と記載される場合がある。また、Ｘ軸方向及びＹ軸方向は、Ｚ軸に垂直な平面（水平面）上において、互いに直交する方向である。

（実施の形態）
［照明装置の構成］
以下、実施の形態に係る照明装置の構成について説明する。図１は、実施の形態に係る照明装置の外観斜視図である。図２は、実施の形態に係る照明装置の使用態様を示す断面図である。なお、図２では、電源装置３０のみ断面ではなく側面が図示されている。

図１及び図２に示されるように、照明装置１００は、建物の天井４０に取り付けられるダウンライトである。照明装置１００は、レーザ発光装置１０と、灯具２０と、電源装置３０とを備える。レーザ発光装置１０と灯具２０とは、光ファイバ１３によって光学的に接続される。レーザ発光装置１０と電源装置３０とは電源ケーブル１４によって電気的に接続される。

照明装置１００は、灯具２０が天井４０の開口部４１に対して挿入された状態で、天井４０の上面に載置される。つまり、照明装置１００は、灯具２０の一部を除いて天井裏に配置される。

［レーザ発光装置］
次に、レーザ発光装置１０について詳細に説明する。レーザ発光装置１０は、レーザ光源１１と、ヒートシンク１２と、光ファイバ１３と、電源ケーブル１４とを備える。

レーザ光源１１は、レーザ光を発する光源である。レーザ光源１１は、例えば、青紫または青色のレーザ光を発する半導体レーザである。レーザ光源１１の発光中心波長は、例えば、４３０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下である。レーザ光源１１は、紫外光を発してもよい。レーザ光源１１は、具体的には、ＣＡＮパッケージ型の素子であるが、チップ型の素子であってもよい。なお、図中では、レーザ光源１１の光軸がＹ軸に沿うように図示が行われている。つまり、明細書中では、光軸方向は、Ｙ軸方向と同じ意味である。

ヒートシンク１２は、発光中のレーザ光源１１の放熱に用いられる構造体である。ヒートシンク１２は、レーザ光源１１で発生した熱をヒートシンク１２に逃がすことができる。ヒートシンク１２は、レーザ光源１１の光軸方向（Ｙ方向）を長手方向とする長尺状（棒状）である。ヒートシンク１２は、より具体的には、レーザ光源１１の光軸方向を高さ方向とする円柱状である。なお、ヒートシンク１２の形状は、特に限定されない。例えば、ヒートシンク１２は、角柱状であってもよい。ヒートシンク１２は、例えば、アルミニウムまたは銅などの熱伝導性が比較的高い金属により形成される。

ヒートシンク１２は、全長にわたって、光軸方向から見た断面形状が開口部４１よりも小さくなっている。このため、設置者は、ヒートシンク１２を室内側から開口部４１を通じて天井裏に入れることができる。

ヒートシンク１２は、内部にレーザ光源１１を収容し、レーザ発光装置１０の外郭筐体として機能する。ヒートシンク１２は、具体的には、光軸方向における中央部にレーザ光源１１を収容する。言い換えれば、レーザ光源１１は、ヒートシンク１２に埋め込まれる。また、ヒートシンク１２は、レーザ光源１１に熱的に接続される。例えば、ヒートシンク１２とレーザ光源１１とは表面同士が直接接続されるが、放熱用のシリコーンなどの放熱材または放熱性の高い接着材を介して接続されてもよい。

ヒートシンク１２の側面には、電源ケーブル１４が挿通される開口が設けられる。この開口の位置は、特に限定されない。電源ケーブル１４が挿通される開口は、例えば、ヒートシンク１２のＹ軸−側の端部（光軸方向における一方の端部）に設けられてもよい。

ヒートシンク１２のＹ軸＋側の端部（光軸方向における他方の端部）には、光ファイバ１３が挿通される開口が設けられる。この開口の位置は、特に限定されない。光ファイバ１３が挿通される開口は、ヒートシンク１２の側面に設けられてもよい。

光ファイバ１３は、レーザ光源１１が発するレーザ光をヒートシンク１２の外部に導光する。光ファイバ１３の入射口は、ヒートシンク１２の内部に配置される。光ファイバの入射口には、レーザ光源１１が発するレーザ光が入射される。光ファイバ１３の出射口は、灯具２０の内部に配置される。出射口から出射されるレーザ光は、灯具２０の内部に配置された波長変換材２４に出射される。

電源ケーブル１４は、電源装置３０から供給される電力をレーザ光源１１に供給するためのケーブルである。電源ケーブル１４の一方の端部は、電源装置３０内の電源回路に接続され、電源ケーブル１４の他方の端部は、ヒートシンク１２に設けられた開口を通じてレーザ光源１１に接続される。

［灯具］
次に、灯具２０について説明する。灯具２０は、開口部４１に嵌められ、光ファイバ１３によって導光されたレーザ光を波長変換して所定の色の光を発する。灯具２０は、筐体２１と、保持部２２と、波長変換材２４と、レンズ２５とを備える。

筐体２１は、保持部２２、波長変換材２４、及び、レンズ２５を収容する、下側が開口した有底円筒状の部材である。筐体２１の外径は、開口部４１の直径よりもわずかに小さく、筐体２１は、開口部４１に嵌めこまれる。筐体２１は、より詳細には、取り付けばね（図示せず）によって開口部４１に固定される。筐体２１は、例えば、アルミニウムまたは銅などの熱伝導性が比較的高い金属により形成される。

保持部２２は、光ファイバ１３を保持する円柱状の部材であり、一部が筐体２１内に収容されている。保持部２２は、筐体２１の上部に配置される。光ファイバ１３は、保持部２２の中心軸に沿って形成された貫通孔に通された状態で保持される。保持部２２は、光ファイバ１３の出射口が下方を向くように光ファイバ１３を保持する。保持部２２は、例えば、アルミニウムまたは銅などによって形成されるが、樹脂によって形成されてもよい。

波長変換材２４は、筐体２１内の、光ファイバ１３の出射口に対向する位置に収容されている。波長変換材２４は、光ファイバ１３の出射口から出射されたレーザ光を波長変換して、所定の色の光を発する光学部材である。所定の色の光は、例えば、白色光であるが、特に限定されない。

波長変換材２４は、具体的には、基板と、当該基板に積層された蛍光部とを備えている。基板は、蛍光部を保持する部材である。基板は、例えばガラス、サファイアなどの透光性材料によって形成される。蛍光部は、樹脂またはガラスなどの透光性を有する基材の内部に蛍光体の粒子が分散された部材である。蛍光体は、レーザ光によって励起されて蛍光を発する。なお、蛍光部は、蛍光体の粒子が固められた部材であってもよい。

実施の形態では、蛍光部に含まれる蛍光体には、レーザ光によって励起されて赤色光を発する第一蛍光体、レーザ光によって励起されて青色光を発する第二蛍光体、レーザ光によって励起されて緑色光を発する第三蛍光体の３種類の蛍光体が含まれる。３種類の蛍光体は、波長変換材２４から所望の白色光が発せられるように適切な割合で含まれる。

蛍光部に含まれる蛍光体の種類は特に限定されない。例えば、蛍光部には、レーザ光によって励起されて黄色光を発する黄色蛍光体と、レーザ光によって励起されて赤色光を発する赤色蛍光体との２種類の蛍光体が含まれてもよい。この場合も、２種類の蛍光体は、波長変換材２４から所望の白色光が発せられるように適切な割合で含まれる。

なお、蛍光部に含まれる蛍光体は、比較的高い出力のレーザ光が励起光となるため、耐熱性が高いほうがよい。また、蛍光部の基材の種類は特に限定されないが、白色光の出射効率を高めるために透明度が高いとよい。また、基材には、比較的高い出力のレーザ光が入射するため、基材は、耐熱性が高いほうがよい。

レンズ２５は、筐体２１の下部に配置され、波長変換材２４から発せられた光の配光を制御する光学部材である。レンズ２５の波長変換材２４と対向する面は、波長変換材２４から発せられた光を極力漏らすことなくレンズ２５内に取り込むことができる形状となっている。

［電源装置］
次に、電源装置３０について説明する。電源装置３０は、レーザ発光装置１０（レーザ光源１１）に電力を供給する装置である。電源装置３０の内部には、電源回路が収容される。電源回路は、レーザ発光装置１０を発光させるための電力を生成し、生成した電力を電源ケーブル１４を通じて灯具２０に供給する。電源回路は、具体的には、電力系統から供給される交流電力を直流電力に変換して出力するＡＣ−ＤＣ変換回路であり、レーザ光源１１には直流電流が供給される。

電源装置３０は、光軸方向（Ｙ軸方向）を長手方向とする略直方体状である、電源装置３０は、光軸方向における全長にわたって、光軸方向から見た断面形状が開口部４１よりも小さくなっている。このため、設置者は、電源装置３０を室内側から開口部４１を通じて天井裏に入れることができる。

［ヒートシンク内のレーザ光源の配置］
次に、ヒートシンク１２内のレーザ光源１１の配置について説明する。図３は、レーザ光源１１を収容したヒートシンク１２の断面図である。

レーザ発光装置１０においては、レーザ光源１１の取り付け面側（背面側、Ｙ軸−側）にヒートシンクを接続する構成が一般的である。ここで、放熱性を確保するためにヒートシンクをＹ軸−側に大きくする構成が考えられるが、Ｙ軸−方向に向かって熱が逃げる距離には限界がある。つまり、Ｙ軸−側にヒートシンクを大きくすることで放熱性を高めることには限界がある。

そうすると、レーザ光源１１の取り付け面側に配置されるヒートシンクをＺ−Ｘ平面に沿って外側に大きくする構成が考えられるが、このような構成は、レーザ光源１１が開口部４１を通らなくなってしまう可能性がある。

そこで、図３に示されるように、レーザ発光装置１０においては、ヒートシンク１２は、レーザ光源１１の取り付け面側だけでなく、レーザ光源１１の発光面側（前面側、Ｙ軸＋側）にも熱的に接続される。これにより、ヒートシンク１２は、取り付け面側及び発光面側の両方にレーザ光源１１の熱を逃がすことができる。なお、ヒートシンク１２は、レーザ光源１１の側面に熱的に接続されてもよい。

レーザ発光装置１０では、さらに、レーザ光源１１の熱が逃げる範囲の限界を考慮してヒートシンク１２の光軸方向における中央部にレーザ光源１１が収容される。単一の材料からなるヒートシンクであれば、Ｙ軸＋方向に向かって熱が逃げる距離と、Ｙ軸−方向に向かって熱が逃げる距離とはほぼ等しくなる。したがって、ヒートシンク１２の光軸方向における長さをなるべく短くして、なおかつレーザ光源１１の放熱性をなるべく向上させるためには、ヒートシンク１２の光軸方向における中央部にレーザ光源１１が収容されることが有用である。

また、光軸方向における中央部にレーザ光源１１が収容されるヒートシンク１２は、レーザ光源１１の取り付け面側にのみ接続される一般的なヒートシンクと同じ長さであれば、このようなヒートシンクよりも効率的にレーザ光源１１の熱を逃がすことができる。つまり、ヒートシンク１２によれば、放熱性が高められたレーザ発光装置１０が実現される。

また、ヒートシンク１２を、光軸方向を長手方向とする長尺状に形成することにより、光軸方向から見たヒートシンク１２の断面積が小さいまま放熱性を高めることができる。そうすると、小さな開口部４１に通すことができるレーザ発光装置１０が実現される。

なお、ヒートシンク１２の光軸方向における中央部とは、中央付近の部分を意味し、厳密に解釈されるものではない。図３に示されるように、ヒートシンク１２の一端（Ｙ軸−側の端）から他端（Ｙ軸＋側の端）までの長さをＬとすると、中央部は、例えば、ヒートシンク１２の一端からの長さが（１／５）×Ｌ以上、（４／５）×Ｌ以下の範囲（全長が（３／５）×Ｌの範囲）である。中央部は、ヒートシンク１２の一端からの長さが（１／３）×Ｌ以上、（２／３）×Ｌ以下の範囲（全長が（１／３）×Ｌの範囲）であってもよい。

また、ヒートシンク１２内にレーザ発光装置１０を収容するために、ヒートシンク１２は、分割可能であるとよい。例えば、ヒートシンク１２は、図４に示されるように光軸方向に垂直な平面（Ｚ−Ｘ平面）を境に２つに分割可能であってよいし、図５に示されるように光軸方向に平行な平面（例えば、Ｙ−Ｚ平面）を境に２つに分割可能であってもよい。図４及び図５は、ヒートシンク１２の分割の例を示す模式図である。なお、分割された２つのヒートシンクは、例えば、ネジまたは接着材などの固定部材によって固定される。

［変形例］
ヒートシンク１２の外表面には、凹凸が設けられてもよい。例えば、ヒートシンク１２の外表面は、ディンプル状に加工されてもよいし、ヒートシンク１２の外表面には、フィンが形成されてもよい。

これにより、ヒートシンク１２と空気との接触面積が増えるため、ヒートシンク１２から空気への熱の拡散を促進することができる。

また、図６に示されるヒートシンク１２ａのように、ヒートシンク１２ａの外表面には、光軸方向に沿う溝が設けられてもよい。図６は、変形例に係るヒートシンクの模式図である。なお、溝は、少なくとも１つ設けられればよい。また、溝は、ヒートシンク１２の一端から他端にわたって設けられる必要はなく、部分的に設けられてもよい。

これにより、ヒートシンク１２ａと空気との接触面積が増えるため、ヒートシンク１２ａから空気への熱の拡散を促進することができる。

［効果等］
以上のように、レーザ発光装置１０は、レーザ光源１１と、レーザ光源１１に熱的に接続され、レーザ光源１１を収容するヒートシンク１２と、レーザ光源１１が発するレーザ光をヒートシンク１２の外部に導光する光ファイバ１３とを備える。レーザ光源１１は、ヒートシンク１２のうち、レーザ光源１１の光軸方向における中央部に収容される。

このようなレーザ発光装置１０は、発光中のレーザ光源１１の熱を効率的に逃がすことができる。つまり、放熱性が高められたレーザ発光装置１０が実現される。

また、ヒートシンク１２は、光軸方向を長手方向とする長尺状であってもよい。

これにより、光軸方向から見たヒートシンク１２の断面積が小さいまま放熱性を高めることができる。よって、小さな開口部４１に通すことができるレーザ発光装置１０が実現される。

また、ヒートシンク１２の外表面には、凹凸が設けられてもよい。

これにより、ヒートシンク１２と空気との接触面積が増えるため、ヒートシンク１２から空気への熱の拡散を促進することができる。

また、上記ヒートシンク１２ａのように、ヒートシンク１２の外表面には、光軸方向に沿う溝が設けられてもよい。

これにより、ヒートシンク１２と空気との接触面積が増えるため、ヒートシンク１２から空気への熱の拡散を促進することができる。

また、照明装置１００は、レーザ発光装置１０と、レーザ光源１１に電力を供給する電源装置３０と、光ファイバ１３によって導光されたレーザ光を波長変換して所定の色の光を発する灯具２０とを備える。

これにより、放熱性が高められた照明装置１００が実現される。

（まとめ）
以上、本発明のレーザ発光装置及び照明装置について、実施の形態に基づいて説明した。なお、本発明は、これらの実施の形態またはその変形例に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態またはその変形例に施したもの、あるいは異なる実施の形態またはその変形例における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。

例えば、上記実施の形態では、照明装置がダウンライトである例について説明されたが、本発明は、ダウンライト以外の照明装置にも適用可能である。

１０ レーザ発光装置
１１ レーザ光源
１２、１２ａ ヒートシンク
１３ 光ファイバ
２０ 灯具
３０ 電源装置
１００ 照明装置

Claims (5)

1. ＣＡＮパッケージ型のレーザ光源と、
   前記レーザ光源に熱的に接続され、前記レーザ光源が埋め込まれるヒートシンクと、
   前記レーザ光源が発するレーザ光を前記ヒートシンクの外部に導光する光ファイバとを備え、
   前記レーザ光源は、前記ヒートシンクのうち、前記レーザ光源の光軸方向における中央部に収容され、
   前記ヒートシンクは、前記レーザ光源の光軸周りの外周面に直接または放熱部材を介して接触する
   レーザ発光装置。
2. 前記ヒートシンクは、前記光軸方向を長手方向とする長尺状である
   請求項１に記載のレーザ発光装置。
3. 前記ヒートシンクの外表面には、凹凸が設けられる
   請求項１または２に記載のレーザ発光装置。
4. 前記ヒートシンクの外表面には、前記光軸方向に沿う溝が設けられる
   請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ発光装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ発光装置と、
   前記レーザ光源に電力を供給する電源装置と、
   前記光ファイバによって導光された前記レーザ光を波長変換して所定の色の光を発する灯具とを備える
   照明装置。

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