JP7393685B2 - 光学部材及び発光装置 - Google Patents
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Description
第1実施形態に係る光学部材及び発光装置光学部材について説明する。
図1~図4に示すように、光学部材100Aは、変換部材2と、変換部材2の光取出面2aに配置された導電性細線4Aと、パターン接続用電極5と、を備える。また、光学部材100Aは、導体部11を備えることが好ましい。また、光学部材100Aは、放熱部材9を備えてもよい。
発光装置200Aは、光学部材100Aと、レーザ素子25と、を備え、パッケージ21を備えることが好ましい。なお、発光装置200Aは、検出回路を備えることができる。
以下、光学部材100A及び発光装置200Aの各構成要素について説明する。
(変換部材)
変換部材2は、一例として長方体形状に形成され、光取出面2aとなる表面を長方体形状の一面に有している。変換部材2は、励起光であるレーザ光を異なる波長の光に変換可能な部材である。レーザ光はレーザ素子25から出射される。変換部材2は、光取出面2aと反対となる裏面を、レーザ素子25からのレーザ光を入射する光照射面2bとしている。
導電性細線4Aは、変換部材2の光取出面2aに当接して、平面視において互いに交差するように配置された線状体である。具体的には、導電性細線4Aは、複数の直線状細線4aが格子状に交差した格子形状に設けられている。また、導電性細線4Aは、その両端部で、通電のためのパターン接続用電極5に接続されている。これにより、導電性細線4Aはパターン接続用電極5に電気的に接続されている。
導電性細線4Aは、変換部材2の脱落等の全体的な損傷だけでなく、軽微なひび割れ、破損等の部分的な損傷を検出できるように、変換部材2の光取出面2aの全体にわたって当接していることが好ましい。
導体部11は、導電性細線4Aに通電するためのもので、変換部材2を貫通して形成され、一方のパターン接続用電極5と対面する位置、及び、他方のパターン接続用電極5と対面する位置に形成されている。導体部11は、一端はバンプ12と接続し、他端は導電性細線4Aの両端部に接続されたパターン接続用電極5に接続している。導体部11は、タングステン、モリブデン、金、銀、錫、アルミニウム等の導電性材料から形成することができる。また、導体部11の形状は、例えば棒状とすることができる。また、バンプ12は、金、銀、銅等の電極材料からなる。バンプ12の形状は、例えば、半球状とすることができる。
放熱部材9は、変換部材2の光照射面2bに対向する側に配置され、レーザ素子25からのレーザ光を透過する透光性の部材である。放熱部材9は、変換部材2の平面視における面積より大きく形成され、サファイアからなることが好ましい。放熱部材9を備えることによって、変換部材2からの熱を効率よく放熱させることができる。放熱部材9の厚みは、例えば、0.2~1mmが挙げられ、好ましくは0.4~0.6mmとする。
光学部材100Aにおいて、放熱部材9と変換部材2との接合には、放熱部材9の表面に形成された基板パターン6が用いられる。基板パターン6は、変換部材2に形成されたバンプ12と接続して放熱部材9と変換部材2との接合する役割と共に、外部の電源と接続してバンプ12及び導体部11を介して導電性細線4Aに通電する役割を有する。基板パターン6は、金、銀、銅等の電極材料からなることが好ましい。基板パターン6の厚みは、例えば、0.1~5μmとすることができる。
以上説明した構成を備える光学部材100Aは、導電性細線4Aを有することで、レーザ光の漏れに繋がる異常をより精度良く検出することが可能である。
発光装置200Aは、前記した構成を備える光学部材100Aをパッケージ21に設置して、パッケージ21内に設けたレーザ素子25からのレーザ光を変換して光を照射するものである。発光装置200Aは、光学部材100Aにレーザ光を照射するレーザ素子25と、このレーザ素子25を収納する凹部27を有するパッケージ21と、パッケージ21の凹部27の蓋部24を主に備えている。なお、発光装置200Aは、ここでは検出回路を備えることで説明する。
レーザ素子25は、変換部材2にレーザ光を照射するように配置された素子である。レーザ素子25は、出射するレーザ光が短波長であるほど高エネルギーとなり、レーザ光の漏れの検出がより要されるため、短波長のレーザ光を出射する素子をレーザ素子25として用いることが好ましい。そのようなレーザ素子としては、窒化物半導体からなる半導体レーザ素子が挙げられる。そして、レーザ素子25は、光路中にレーザ光を変換部材2に照射させるための構成、例えば反射部材26を、併せて備えることができる。
ここで、反射部材26は、三角柱や四角錐台等の形状をしたガラス等からなる本体部の斜面に反射膜が設けられた部材を用いることができる。本体部の底面に対する斜面の角度は、レーザ光を直交する方向に導くため、約45度であることが好ましい。
パッケージ21は、レーザ素子25を包囲している。パッケージ21は、凹部27等の収納部を有し、その収納部にレーザ素子25及び反射部材26を配置して収納する収納体である。パッケージ21は、主として、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素等のセラミックス又はCu等の金属からなる収納本体部22と、収納本体部22に溶接等により接合された蓋部24と、を備えている。収納本体部22は、上面側が開口した凹部27を有することができる。その凹部開口周縁に、蓋部24と溶接するための、主成分として鉄を含む枠状の溶接部23を有してもよい。収納本体部22は、凹部27の開口に連続する四方の上面の少なくとも1面が他の面より広くなるように形成され、電極部28が配置されている。電極部28は、アノードとカソードを、平面視で光学部材1Aを挟む位置に配置してもよい。また、収納本体部22が金属からなる場合は、電極部28として、例えばリード端子を用いる。
検出回路は、導電性細線4Aの破損に起因した抵抗値の変化を検出する回路である。発光装置200Aでは、導電性細線4A及びレーザ素子25の通電回路に接続される回路である。このような検出回路を備えることによって、変換部材2の破損を、導電性細線4Aの破損に起因した抵抗値の変化で検出できる。そして、導電性細線4Aの抵抗値の変化を検出した際に、変換部材2に破損が生じたと判断して、レーザ素子25の駆動を停止することによって、レーザ光の漏れを防止することができる。
発光装置200Aでは、光学部材100Aのパッケージ21への固定には、例えば、金、錫、銀等の金属材料からなる接合層を用いることができる。
(1)変換部材の作製工程
変換部材2となる粉末材料を焼結することで変換部材2を製造する。焼結法としては、例えば、放電プラズマ焼結法(SPS法:spark plasma sintering法)又はホットプレス焼結法(HP法:hot pressing法)を用いることができる。
変換部材2を製造後、変換部材2の光取出面2aから光照射面2bに貫通する貫通孔を作製する。次に、貫通孔に導体部11を充填し、充填された導体部11の光照射面側の端部にバンプ12を形成する。
バンプ12の形成後、変換部材2の光取出面2aに、導電性細線4Aと、その両端部に接続するパターン接続用電極5とを形成して、光学部材100Aとする。
ここで、導電性細線4A及びパターン接続用電極5は、パターン接続用電極5と導体部11の端部が電気的に接続する位置に形成する。また、導電性細線4Aとパターン接続用電極5の形成方法としては、スパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、化学蒸着法、塗工法、印刷法等を用いることができる。導電性細線4Aの形成方法としては、特開2016-004544号公報に記載されている方法等を用いることができる。
光学部材100Aでは、導電性細線4A及びパターン接続用電極5の形成後、フォトリソグラフィ法及びエッチング法等によって基板パターン6が表面に形成された放熱部材9を準備し、基板パターン6及びバンプ12を介して、変換部材2に放熱部材9を接合する。
発光装置200Aは、パッケージ21に取り付けられた蓋部24の支持部24aに、予め、光学部材100Aが接合された放熱部材9を接合することで形成される。
例えば、パッケージ21は、凹部27内にレーザ素子25及び反射部材26が設置され、その後、蓋部24の支持部24aが凹部27の開口周縁に設けた溶接部23と接合される。そして、光学部材100Aが接合されている放熱部材9を支持部24aと接合することで、発光装置200Aが形成される。
次に、第2実施形態に係る光学部材及び発光装置について説明する。
図5~図7に示すように、光学部材150Aは、変換部材2と、保持部材3と、変換部材2の光取出面2aに配置された導電性細線4Aと、を備える。また、光学部材150Aは、パターン接続用電極5、放熱部材を備えることができる。
発光装置200Bは、光学部材150Aと、レーザ素子25と、を備える。発光装置200Bは、さらにパッケージ21を備えることができる。なお、発光装置200Bは、検出回路を備えることが好ましい。
以下、光学部材150A及び発光装置200Bの各構成要素について説明する。なお、保持部材3を介して光学部材150Aを設けること以外は、図1~図4に示す光学部材100A及び発光装置200Aと同様である。
光学部材150Aは、変換部材2を保持する保持部材3を備える。また、光学部材150Aは、保持部材3を備えるため、導電性細線4Aに通電するためのパターン接続用電極5を保持部材3の光取出面側の表面3aに配置することができる。そのため、光学部材150Aでは、変換部材2に通電のための導体部11(図2参照)を備える必要がない。さらに、光学部材150Aでは、通電のために、光取出面側に配置されたパターン接続用電極5に基板パターン6を接続して通電できるため、導電性細線4Aへの通電が容易となる。なお、パターン接続用電極5と基板パターン6との接続は、積層による接続、又は、ボンディングワイヤーによる接続が用いられる。また、導電性細線4Aを基板パターン6に直接接続してもよい。
保持部材3は、変換部材2を保持し、変換部材2の光取出面2a及び光照射面2bと同一平面上に連続する表面3a及び裏面3cを有する部材である。変換部材2は、その光取出面2a及び光照射面2bが保持部材3から露出するように保持される。保持部材3は、その厚み方向に貫通する貫通孔3bを有し、その貫通孔3bに挿入した状態で変換部材2と共に連結されることで、変換部材2を保持している。貫通孔3bの形状としては、変換部材2の形状に対応させることが好ましく、例えば、柱形状、錐形状、円錐台、角錐台又はこれらを組み合わせた形状とすることができ、平面視で三角形及び四角形等の多角形のほか、円形または楕円形とすることができる。
光学部材150Aでは、格子状の導電性細線4Aが変換部材2の光取出面2aに形成されるため、変換部材2の破損を導電性細線4Aの破損よって検出可能となる。その結果、レーザ光の漏れに繋がる異常をより精度良く検出することができる。
図6、図7に示すように、発光装置200Bは、第1実施形態の発光装置200A(図3、図4参照)において、光学部材100Aの代わりに、光学部材150Aを用いること以外は、発光装置200Aと同様である。このような構成を備える発光装置200Bは、光学部材150Aを用いることにより、導電性細線4Aを外部電極または回路へ容易に接続できる。
(1)変換部材の作製工程
変換部材2となる粉末材料を、SPS法又はHP法を用いて焼結することで変換部材2を製造する。
(2)保持部材の配置工程
変換部材2を製造後、変換部材2の外側に、スリップキャスト法等を用いて保持部材3となる成形体を作製する。
(3)変換部材と保持部材の焼結工程
成形体を作製後、焼結した変換部材2と保持部材3となる成形体との複合体を、SPS法又はHP法を用いて焼結する。
(4)導電性細線の配置工程
複合体の焼結後、変換部材2の光取出面2aに、導電性細線4Aを配置する。同時に、導電性細線4Aの両端部に接続するパターン接続用電極5を、変換部材2と保持部材3との境界部近傍の保持部材側の表面3aに配置して、光学部材150Aとする。
次に、各実施形態に係る構成の変形例について、図8A~図14Bを参照して説明する。
<第1実施形態に係る光学部材>
(導電性細線の形状の変形例)
図8Aに示すように、第1実施形態に係る光学部材100Aの変形例である光学部材100Bは、導電性細線4Aの代わりに導電性細線4Bを配置すること以外は、光学部材100Aと同様である。導電性細線4Bは、平面視において直線状細線4aが格子状に交差した格子形状を有する。そして、導電性細線4Bは、4つの交差点Pで囲まれた開口部Sが菱形形状を有する。開口部Sの面積は、導電性細線4Bに照射されるレーザ光の照射像の面積の5~90%であることが好ましい。
なお、開口部Sは、4つの交差点Pで囲まれた例を挙げているが、3つ交差点で囲まれた三角形状の開口部、5つ以上の交差点で囲まれた多角形状の開口部であってもよい。その場合であっても、開口部の面積は上述と同様の範囲が好ましい。
導電性細線4Cは、第2円周状細線4cが、平面視においてレーザ素子25(図3参照)からのレーザ光が照射される照射領域に配置されていないことが好ましい。具体的には、第2円周状細線4cの変換部材2における接触位置が、レーザ光の照射領域よりも外側に配置されていることが好ましい。
光学部材100Cは、導電性細線4Cを配置することによって、変換部材2の破損をより精度良く検出可能であると共に、レーザ光の照射領域に導電性細線4Cが配置されないため、変換部材2から取り出される光の出力が向上する。
光学部材100Dは、異なる形状の第2円周状細線4cと矩形状細線4eとを有する導電性細線4Dを配置することによって、一方の細線形状では検出し難い変換部材2の破損であっても、他方の細線形状で検出可能となるため、変換部材2の破損をより精度良く検出可能である。また、光学部材100Dは、レーザ光の照射領域に導電性細線4Dが配置されないため、変換部材2から取り出される光の出力が向上する。
光学部材100B、100C、100Dの製造方法は、前記した光学部材100Aの製造方法と同様である。
次に、図9に示すように、第1実施形態に係る光学部材100Aの変形例である光学部材100Eは、導電性細線4Aが変換部材2の光照射面2bに配置されること以外は、光学部材100Aと同様である。光学部材100Eでは、導電性細線4Aに通電するための導体部11(図2参照)を備える必要はなく、外部電源と接続する基板パターン6(図3参照)と電気的に接続するバンプ12のみを備えていればよい。
(1)変換部材の作製工程
変換部材2となる粉末材料を、SPS法又はHP法等を用いて、焼結することで2つの変換部材2を製造する。
(2)導体部の配置工程
変換部材2を製造後、1つの変換部材2に、厚さ方向に貫通する貫通孔を作製する。次に、貫通孔に導体部11を充填し、充填された導体部11の下端部にバンプ12を形成する。
(3)導電性細線の配置工程
バンプ12の形成後、導体部11及びバンプ12を形成した変換部材2の上面に、導電性細線4Aと、その両端部に接続するパターン接続用電極5とを配置する。配置方法は、前記の光学部材100Aと同様である。
導電性細線4Aを配置した変換部材2と、もう1つの変換部材2とを積層、プレス後、焼結して光学部材100Fとする。
なお、光学部材100Gは、導電性細線4Eと導電性細線4Fとの交差形状が、導電性細線4Aの四角形状の格子形状だけでなく、導電性細線4B(図8A参照)の菱形形状の格子形状であってもよい。
但し、(3)導電性細線の配置工程において、一方の変換部材2の上面に導電性細線4F及びパターン接続用電極5を配置する。他方の変換部材2の上面に、導電性細線4E及びパターン接続用電極5を配置する。2つの変換部材2のそれぞれに、上面から下面に貫通する貫通孔を作製し、貫通孔に導体部11を充填する。
また、(4)焼結工程において、2つの変換部材2を積層、プレス後、焼結する。そして、充填された導体部11の下端部にバンプ12を形成して光学部材100Gとする。
光学部材100Hは、導電性細線4G及び導電性細線4Hが上下異なる変換部材2の位置に配置されているため、変換部材2の表面だけでなく内部に生じる破損まで検出でき、変換部材2の破損をより精度良く検出可能である。光学部材100Hは、光学部材100Gと同様の効果を得ることができる。つまり、平面視において導電性細線4G及び導電性細線4Hの重ね合わせた形状と同程度に、変換部材2に生じる破損を精度良く検出可能であり、かつ、断線等が生じた場合の抵抗値の上昇率は、その重ね合わせた形状の導電性細線よりも増大するので、変換部材2に生じる破損を精度良く検出可能である。また、光学部材100Hは、光学部材100Gのようにレーザ素子25の照射領域に細線が配置されることがないため、変換部材2から取り出される光の出力が向上する。
光学部材100Hの製造方法は、前記した光学部材100Gの製造方法と同様である。
なお、導電性細線の形状の変形例と導電性細線の配置位置の変形例を組み合わせてもよい。
(導電性細線の形状の変形例)
次に、第2実施形態に係る光学部材150Aは、導電性細線4Aの代わりに、図8A~図8Cに示す導電性細線4B~4Dを用いてもよい。
図13に示すように、第2実施形態に係る光学部材150Aの変形例である光学部材150Bは、導電性細線4Aが変換部材2の光照射面2bに配置されること以外は、光学部材150Aと同様である。光学部材150Bでは、導電性細線4Aに通電するための導体部11を備える。導体部11は、外部電源と接続するため、基板パターン6(図6、図7参照)と電気的に接続する。なお、導体部11、基板パターン6については、光学部材100Aと同様である。
また、光学部材150Cの別の製造方法としては、第1実施形態の光学部材100F(図10参照)と保持部材3とをガラス接着によって一体化する方法であってもよい。
なお、導電性細線の形状の変形例と導電性細線の配置位置の変形例を組み合わせてもよい。
150A、150B、150C 光学部材
200A、200B 発光装置
2 変換部材
2a 光取出面(表面)
2b 光照射面(裏面)
3 保持部材
3a 表面
3c 裏面
4A、4B、4C、4D、4E、4F、4G、4H 導電性細線
5 パターン接続用電極
6 基板パターン
9 放熱部材
11 導体部
21 パッケージ
25 レーザ素子
Claims (12)
- 励起光であるレーザ光を異なる波長の光に変換可能である変換部材と、
前記変換部材の光照射面、光取出面、又は、前記光照射面と前記光取出面との間の少なくともいずれかに配置され、前記変換部材に当接して、それぞれが前記変換部材の厚さ方向における同じ位置で交差する導電性細線と、
前記導電性細線に電気的に接続するパターン接続用電極と、
を備える光学部材。 - 前記パターン接続用電極は、前記光照射面又は前記光取出面に配置されている請求項1に記載の光学部材。
- 前記導電性細線は、金属材料からなる請求項1又は請求項2に記載の光学部材。
- 前記導電性細線は、タングステン、モリブデン、銀及びアルミニウムのいずれか1つからなる請求項3に記載の光学部材。
- 前記導電性細線は、ワイヤである請求項3又は請求項4に記載の光学部材。
- 前記導電性細線は、幅が0.2~5.0μmである請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の光学部材。
- 前記導電性細線は、格子形状であって、交差点で囲まれる開口部の面積が、前記導電性細線に照射されるレーザ光の照射像の面積の5~90%である請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の光学部材。
- 前記変換部材を保持する保持部材を有する請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の光学部材。
- 前記保持部材は光反射性セラミックスからなる請求項8に記載の光学部材。
- 請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の光学部材と、
前記変換部材の前記光照射面にレーザ光を照射するように配置されるレーザ素子と、
を備える発光装置。 - 前記レーザ素子を包囲するパッケージをさらに備え、
前記レーザ光が前記変換部材に到達するように、前記光学部材が前記パッケージに固定されている請求項10に記載の発光装置。 - 前記導電性細線の破損を検出する検出回路をさらに備える請求項10又は請求項11に記載の発光装置。
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