JP2015122447A - Light-emitting device and illumination device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、波長変換部材に照射することによって発生する波長変換光を照明光として用いる発光装置および該発光装置を備えた照明装置に関する。 The present invention relates to a light-emitting device that uses wavelength-converted light generated by irradiating a wavelength conversion member as illumination light, and an illumination device including the light-emitting device.
近年、励起光源として半導体レーザ(LD;Laser Diode)等の半導体発光素子を用い、これらの励起光源から発生した励起光を、波長変換部材に照射することによって発生する波長変換光を照明光として用いる発光装置の研究が盛んになってきている。 In recent years, a semiconductor light emitting device such as a semiconductor laser (LD) is used as an excitation light source, and wavelength conversion light generated by irradiating the wavelength conversion member with excitation light generated from these excitation light sources is used as illumination light. Research on light-emitting devices has become active.
このような発光装置の一例として特許文献1に開示された光源装置がある。この装置は、図7の(a)に示すように、ライトガイドで導光した励起光を射出する部分であるライトガイド射出端部および凹レンズ等の励起光発散手段と、波長変換部材と、の距離や、励起光発散手段の有効領域および波長変換部材の波長変換領域の範囲などを最適化することで、励起光の利用効率を高くしている。
As an example of such a light emitting device, there is a light source device disclosed in
また、別の例として特許文献2に開示された半導体発光装置がある。この装置では、図7の(b)に示すように、キャップ本体上面のほぼ中央であって、キャップ本体の内外と貫通した開口が形成され、該開口の壁面が傾斜部を為している。この開口の開口幅は、入光部から光の進行方向にしたがって大きくなるテーパー状を為しており、LD素子からの出射光を半導体発光装置の外へ効率よく出射させるようになっている。
Another example is a semiconductor light emitting device disclosed in
また、さらに別の例として特許文献3に開示された発光装置がある。この装置では、図7の(c)に示すように、ライトガイドとライトガイド先端部材の少なくとも一部とが、波長変換部材に被覆されている。
Another example is a light emitting device disclosed in
しかしながら、上述のような従来技術には以下のような問題点がある。例えば、特許文献1に記載の装置では、ライトガイド射出端部と波長変換部材との間は、テーパーのついた保持部材に囲まれた、空気や凹レンズなどのライトガイドとは別の光学媒体が存在する空間となっている。よって、波長変換部材とライトガイド射出端部との間に凹レンズや空気などの別の光学媒体が存在していること等に起因して波長変換部材に対する励起光の照射効率が低下してしまうという問題点がある。また、特許文献2に記載の装置では、励起光を出射するLD素子と波長変換部材との間の距離が離れており、空気が存在する領域などが存在するため、励起光の波長変換部材に対する入射効率(または照射効率)が低下してしまうという問題点がある。以上のような問題点を解決するためには、ライトガイド射出端部やLD素子を、波長変換部材にできるだけ近づけることが好ましい。しかしながら、これらの文献の技術では、ライトガイドやLD素子の発光点の断面の直径が、波長変換部材のサイズと比較してかなり小さいため、ライトガイド射出端部やLD素子を、波長変換部材にそのまま近づけると、波長変換部材の一部分に励起光が集中し、波長変換部材の劣化を招く可能性がある。
However, the conventional techniques as described above have the following problems. For example, in the apparatus described in
次に、特許文献3には、ライトガイド先端部材と波長変換部材との接触面積を増加させるためにライトガイド先端部材の端面の面積を大きくする点が記載されている。しかしながら、同文献に記載の装置では、ライトガイドの光が出射される出射端部は、光の進行方向に垂直なライトガイドの断面の直径が、波長変換部材のサイズと比較してかなり小さいまま波長変換部材に接続されているため、波長変換部材の一部分に励起光が集中し、波長変換部材の劣化を招く可能性がある。
Next,
本発明は、上記の問題点に鑑みて為されたものであって、その目的は、導光部の出射端部を波長変換部材に近づけた場合における波長変換部材の劣化の抑制効果を向上させることができる発光装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and its purpose is to improve the effect of suppressing deterioration of the wavelength conversion member when the exit end of the light guide unit is brought close to the wavelength conversion member. An object of the present invention is to provide a light-emitting device that can be used.
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る発光装置は、透光性を有する材料を母材とする材料で形成された光伝搬部を有し、当該光伝搬部を伝搬した光を出射する導光部と、上記導光部から出射される光の波長を変換する波長変換部材と、を備え、上記光伝搬部の光出射側の端部である出射端部は、光の進行方向に垂直な断面の直径が上記波長変換部材の側に近づくにつれて単調に増加する構造を有していることを特徴としている。 In order to solve the above problems, a light-emitting device according to one embodiment of the present invention includes a light propagation portion formed using a material using a light-transmitting material as a base material, and propagates through the light propagation portion. A light guide part that emits light, and a wavelength conversion member that converts a wavelength of light emitted from the light guide part, and an emission end part that is an end part on the light emission side of the light propagation part is light The diameter of the cross section perpendicular to the traveling direction is monotonously increased as it approaches the wavelength conversion member side.
本発明の一態様によれば、導光部の出射端部を波長変換部材に近づけた場合における波長変換部材の劣化の抑制効果を向上させるという効果を奏する。 According to one aspect of the present invention, there is an effect of improving the effect of suppressing deterioration of the wavelength conversion member when the exit end portion of the light guide portion is brought close to the wavelength conversion member.
本発明を具現化する実施の形態について図1〜図6に基づいて説明すれば以下の通りである。以下、特定の実施形態で説明する構成以外の構成については、必要に応じて説明を省略する場合があるが、他の実施形態で説明されている場合は、その構成と同じである。また、説明の便宜上、各実施形態に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、適宜その説明を省略する。 An embodiment embodying the present invention will be described below with reference to FIGS. Hereinafter, descriptions of configurations other than those described in the specific embodiment may be omitted as necessary, but when described in other embodiments, the configurations are the same. For convenience of explanation, members having the same functions as those shown in each embodiment are given the same reference numerals, and the explanation thereof is omitted as appropriate.
〔実施形態1:発光装置10〕
まず、図1に基づき、本発明の実施形態1に係る発光装置(照明装置)10の構造について説明する。図1は、発光装置10の構造を示す断面図である。本実施形態の発光装置10は、励起光源として半導体レーザ(LD)を用い、この励起光源から発生した励起光(レーザ光)を、波長変換部材に照射することによって発生する波長変換光(蛍光)を照明光として用いる発光装置である。図1に示すように、発光装置10は、励起光源1、光ファイバ2、被覆部4、導光部5、波長変換部材6、およびリフレクター(反射鏡)7を備える。
[Embodiment 1: Light-emitting device 10]
First, based on FIG. 1, the structure of the light-emitting device (illuminating device) 10 which concerns on
(励起光源1)
励起光源1は、励起光を発生させる装置であり、LDを少なくとも1つ備えている。LDを1つのみ用いてもよいが、高出力のレーザ光を得るためには、複数のLDを用いる方が容易である。本実施形態のLDの発振波長は、440nm以上〜460nm以下(青色領域)の波長範囲の波長であるが、これに限定されない。例えば、LDの発振波長は、370nm以上420nm以下(近紫外領域から青紫色領域)の波長範囲の波長でも良く、近紫外領域から青色領域(350nm以上460nm以下)の波長範囲に発光ピーク波長を有するものであれば良い。また、本実施形態のLDの光出力は1.2Wであり、動作電圧は4.7V、動作電流は0.8Aである。
(Excitation light source 1)
The
なお、本実施形態の励起光源1は、LDから構成されているが、励起光源1は、LD以外の光源から構成されていても良い。LDの代わりに、高出力のLED(Light Emitting Diode)チップを用いても良い。
In addition, although the
(光ファイバ2)
光ファイバ2は、励起光源1から出力される励起光を導光部5へと導く導光部材である。励起光源1は、光ファイバ2を介して導光部5に光学的に接続されている。光ファイバ2の母材は石英ガラス(酸化ケイ素酸;屈折率1.45〜1.48)であり、必要に応じてドーパントが添加される。光ファイバ2は、中芯のコアを、当該コアよりも屈折率の低いクラッドで覆った2層構造をしている。コアの屈折率は、1.463〜1.467であり、クラッドの屈折率は、1.45〜1.46である。また、本実施形態の光ファイバ2は、コアの径が114μm、クラッドの径が125μm、開口数NA(Numerical Aperture)が0.20の構造を有しているが、光ファイバ2の構造は上述のものに限定されない。
(Optical fiber 2)
The
また、本実施形態の光ファイバ2の光の進行方向に対して垂直な断面の形状は円形であるが断面の形状はこれに限定されない。例えば、断面の形状は矩形などであっても良い。なお、本実施形態の発光装置10では、光ファイバ2により、波長変換部材6と励起光源1(半導体レーザ)との間の距離が離れている。これにより波長変換部材6と励起光源1での発熱を分離できるので、波長変換部材6は、励起光源1の発熱の影響を受けなくて済む。これにより、励起光源1を除く発光装置10全体の大きさを小さくすることができる。
Moreover, although the shape of the cross section perpendicular | vertical with respect to the advancing direction of the
(被覆部4,導光部5)
導光部5は、中芯にコア(光伝搬部)5bを有し、光ファイバ2から受け取った励起光を導光部5の先端部(出射端部,光伝搬部)5aに導光する導光部材である。先端部5aは、コア5bと光学的に接続されている。導光部5は、透光性を有する材料を母材(例えば、石英ガラス)とする材料で構成されており、母材には必要に応じてドーパントが添加される。なお、導光部5の母材は、石英などの無機ガラス以外の樹脂材料などであっても良いが、該樹脂材料などと波長変換部材6との屈折率差はできるだけ小さくすることが好ましい。また、導光部5は、中芯のコア5bを、当該コア5bよりも屈折率の低いクラッド5cで覆った2層構造をしている。上述した光ファイバ2と同様に、コア5bの屈折率は、1.463〜1.467であり、クラッド5cの屈折率は、1.45〜1.46である。先端部5aは、導光部5のコア5bで導光した励起光が出射される部分であり、その屈折率は、1.463〜1.467である。
(
The
図1に示すように、この先端部5aは、光の進行方向に垂直な断面の直径が波長変換部材6の側に近づくにつれて単調に増加する構造(リフレクター構造)を有している。このため、先端部5aに導光される光のスポット径を拡大することができる。これにより、先端部5aを波長変換部材6に近づけても、波長変換部材6の一部の狭い範囲に部分的に励起光の強度が集中することを抑制できるので、波長変換部材6の劣化を抑制することができる。以上により、先端部5aを波長変換部材6に近づけた場合における波長変換部材6の劣化の抑制効果を向上させることができる。
As shown in FIG. 1, the
次に、例えば、図2の(a)に示す比較例1のような構造の発光装置では、励起光を波長変換部材に照射しても、励起光の一部は波長変換部材に反射されて照明光の進行方向の後方に戻ってしまい、発光装置としての発光効率が低下してしまうという問題点がある。また、比較例1の発光装置では、波長変換部材中の蛍光体からの蛍光も、照明光の進行方向の前方だけでなく後方へも進むため、発光装置としての光の取り出し効率が低下してしまうという問題点もある。 Next, for example, in the light emitting device having the structure as in Comparative Example 1 shown in FIG. 2A, even when the wavelength conversion member is irradiated with the excitation light, a part of the excitation light is reflected by the wavelength conversion member. There is a problem in that it returns to the rear in the traveling direction of the illumination light, and the luminous efficiency of the light emitting device is lowered. Further, in the light emitting device of Comparative Example 1, the fluorescence from the phosphor in the wavelength conversion member also travels not only forward but also backward in the traveling direction of the illumination light, so that the light extraction efficiency as the light emitting device is reduced. There is also a problem that it ends up.
一方、本実施形態の発光装置10では、上述した先端部5aのリフレクター構造と、被覆部4および導光部5間の界面が鏡面となること、とを組合せることによって、導光部5側に戻ってきた波長変換光(蛍光)および励起光を反射し、発光装置10の照明光の進行方向の前方へ出射させ易くしている。このため、発光装置としての発光効率および光の取り出し効率を向上させることができる。
On the other hand, in the
次に、図1に示すように本実施形態の先端部5aの側の端面(導光部端面SUF3)は、波長変換部材6の励起光が照射される光照射側の面(発光部表面SUF2)に近接させている。このため、波長変換部材6と先端部5aとの間の距離が離れていること、もしくは波長変換部材と出射端部との間に別の光学系などが存在することに起因する励起光の照射効率(または入射効率)の低下を抑制することができる。より具体的には、本実施形態の先端部5aの導光部端面SUF3は、波長変換部材6の発光部表面SUF2に接触させている。または、先端部5aは、波長変換部材6の発光部表面SUF2の側から波長変換部材6の内部に向けて挿入されている。これにより、波長変換部材6(発光部表面SUF2)と先端部5a(導光部端面SUF3)との界面での光のロスを低減させている。
Next, as shown in FIG. 1, the end surface (light guide unit end surface SUF3) on the
次に、被覆部4は、導光部5の光軸方向に沿う側面の周囲を被覆するものである。被覆部4の材質は、熱伝導性が高く、光反射性の良い材料が好ましく、例えば、Al等の金属材料を例示することができる。これにより導光部5の光軸方向に沿う側面の周囲を後述するヒートシンク9に熱的に接続して放熱性を高めることができる。また、被覆部4で導光部6を被覆することにより、被覆部4と導光部5との界面(被覆部表面SUF1)が鏡の役割を果たし、波長変換部材6からの戻り光(励起光または波長変換光)を再度波長変換部材6へ入射させ易くなる。
Next, the covering
(波長変換部材6)
波長変換部材6は、入射光(励起光)の波長を変換し、入射光とは異なる波長を有する光を出射する部材である。本実施形態の波長変換部材6は、蛍光体を封止剤(または保持部材)で封止したものである。本実施形態では、黄色〜橙色に発光するCa−α‐SiAlON:Eu蛍光体(サイアロン蛍光体)を用いている。
(Wavelength conversion member 6)
The
α−サイアロンは、高硬度、高強度、耐熱性に優れるため、高温構造材料として研究されてきた材料である。この結晶はα−窒化ケイ素と同じ結晶構造をもつ固溶体であり、一般式Si12−(m+n)Al(m+n)OnN16−n(m+n<12,0<m ,n<11;m ,nは整数)で表される28原子からなる単位構造の中に2箇所の空隙があり、ここに各種金属を侵入固溶させることが可能である。希土類元素を固溶させることで蛍光体になる。カルシウム(Ca)とユーロピウム(Eu)とを固溶させると、最も一般的に用いられている黄色発光蛍光体(以下、単に「黄色蛍光体」という)であるYAG:Ce蛍光体よりも長波長の黄色から橙色の範囲で発光する特性の良いCa−α−SiAlON:Eu蛍光体が得られる。この橙色発光と励起光源1から出射されるレーザ光の青色との混色で白色光(疑似白色)が出力され、良質な電球色の発光が得られる。
α-Sialon is a material that has been studied as a high-temperature structural material because it has high hardness, high strength, and excellent heat resistance. The crystals are solid solution having the same crystal structure as silicon α- nitride, the general formula Si 12- (m + n) Al (m + n) O n N 16-n (m + n <12,0 <m, n <11; m, There are two voids in the unit structure consisting of 28 atoms represented by (n is an integer), and various metals can enter and dissolve therein. A phosphor is obtained by dissolving a rare earth element. When calcium (Ca) and europium (Eu) are dissolved, a longer wavelength than the YAG: Ce phosphor, which is the most commonly used yellow-emitting phosphor (hereinafter simply referred to as “yellow phosphor”). Ca-α-SiAlON: Eu phosphor having good characteristics of emitting light in the yellow to orange range. White light (pseudo white) is output as a mixture of the orange light emission and the blue color of the laser light emitted from the
波長変換部材6の形状は特に限定されないが、例えば円盤状のものを用いることができる。本実施例では、厚み0.5〜3mmの円盤状のものを用いた。封止剤(波長変換部材6の母材)に対する蛍光体の混合量は、発光装置としての色温度が概3000Kとなるように混合量を調整した。
Although the shape of the
封止剤(波長変換部材6の母材)は、有機成分を含まない石英ガラス(酸化ケイ素;屈折率1.45〜1.48)などの無機ガラスであることが好ましいが、極端に高出力・高光密度での励起光を用いないのであれば、シリコーン樹脂などの樹脂や、有機ハイブリッドガラスであっても良い。 The sealant (the base material of the wavelength conversion member 6) is preferably an inorganic glass such as quartz glass (silicon oxide; refractive index: 1.45 to 1.48) that does not contain an organic component, but has an extremely high output. As long as excitation light at high light density is not used, a resin such as silicone resin or organic hybrid glass may be used.
なお、波長変換部材6の劣化は、波長変換部材6に含まれる蛍光体の封止剤(例えば、シリコーン樹脂)の劣化が主たる原因であると考えられる。すなわち、上記のサイアロン蛍光体は、レーザ光が照射されると60〜80%の効率で蛍光を発生させるが、残りは熱となって放出される。この熱によって封止剤が劣化すると考えられる。従って、封止剤としては、熱耐性の高い封止剤が好ましい。また、導光部5と波長変換部材6との屈折率差を小さくするためには、導光部5の母材と、封止剤とを同じ材料とすることが好ましい。そこで、本実施形態の波長変換部材6では、熱耐性が高く、かつ導光部5の母材と同じ材料である石英ガラスを封止剤として用いている。これにより、波長変換部材6の耐熱性を高くするとともに、導光部5と波長変換部材6との屈折率差を小さくでき、波長変換部材6と導光部5との界面での光のロスを低減させることができる。以上により、波長変換部材6の劣化および波長変換部材6に対する励起光の照射効率の低下を抑制することができる。
The deterioration of the
次に、一般に、照明光として用いられる白色(または擬似白色)光は、R(赤色)、G(緑色)およびB(青色)の3種類の色の混色、または補色の関係を満たす2種類の色の混色などで実現できる。例えば、波長変換部材6に含まれる蛍光体が発する蛍光の色と、励起光源1から出射されるレーザ光の色との混色で、白色(または擬似白色)光を実現できる。より具体的には、本実施形態の発光装置10は、上述した波長変換部材6に含まれる黄色蛍光体から出射される蛍光の黄色、および励起光源1から出射されるレーザ光の青色との混色で、白色光(疑似白色)が出力されるようにしている。上述したように、本実施形態では、黄色蛍光体として、α‐SiAlON:Eu蛍光体を用いているが蛍光体の種類はこれに限定されない。
Next, in general, white (or pseudo-white) light used as illumination light is a mixture of three colors of R (red), G (green), and B (blue), or two types satisfying a complementary color relationship. This can be achieved by mixing colors. For example, white (or pseudo-white) light can be realized by mixing the color of the fluorescence emitted from the phosphor included in the
例えば、波長変換部材6は、青色発光蛍光体(以下、単に「青色蛍光体」という)、緑色発光蛍光体(以下、単に「緑色蛍光体」という)、および赤色発光蛍光体(以下、単に「赤色蛍光体」という)が、封止剤の中に分散されたものであっても良い。波長変換部材6に含まれる蛍光体として、緑色蛍光体、および赤色蛍光体を使用した場合は、励起光源1から出射されるレーザ光の青色との混色で、白色光が出力される。この場合の方が演色性の高い白色光が得られる。
For example, the
また、励起光源1に近紫外領域から青紫色領域(370nm以上420nm以下)のレーザ光を用いてもよく、この場合の波長変換部材6に含まれる蛍光体として、青色蛍光体、緑色蛍光体、および赤色蛍光体を使用することにより、励起光源1から出射されるレーザ光の青紫色との混色で、白色光が出力される。この場合の方がさらに演色性の高い良質な白色光が得られる。
Moreover, you may use the laser beam of a near ultraviolet region to a blue-violet region (370 nm or more and 420 nm or less) for the
また、本実施形態の波長変換部材6の光が照射される光照射側の面(発光部表面SUF2)は、後述するリフレクター7の光反射凹面の焦点付近の底部に接合されている。このため、波長変換部材6は、リフレクター7の光反射凹面の底部付近において光反射凹面の形状に沿って円盤状の形状(または底部を封止する形状)を為している。以上により波長変換部材6とリフレクター7とが一体化されるため、波長変換部材6からの光の取り出し効率を高めることができる。
In addition, the light irradiation side surface (light emitting unit surface SUF2) on which the light of the
(リフレクター7)
リフレクター7は、波長変換部材6が出射した波長変換光(蛍光)の一部を反射することにより、所定の立体角内を進む光線束を形成するものである。すなわち、リフレクター7は、波長変換部材6からの蛍光を反射することにより、発光装置10の前方(光軸方向)へ進む光線束を形成する。このリフレクター7は、例えば、金属薄膜がその表面に形成された曲面形状(カップ状曲面)の部材であり、光を反射する光反射凹面を有し、反射した蛍光(照明光)の進行方向に開口している。
(Reflector 7)
The
〈発光装置10の効果〉
ここで、本実施形態の発光装置10の効果を検証するため、比較例の発光装置を試作し、発光装置10が奏する効果と、比較例の発光装置が奏する効果と、を比較したので、以下、その比較結果について説明する。
<Effect of the
Here, in order to verify the effect of the
図2の(a)に示す比較例1の発光装置は、発光装置10と比較して、LD素子と波長変換部材との間に導光部材が存在していない点で異なっている。このため、比較例1の発光装置では、発光装置10における、先端部5aがリフレクター構造となっている点、導光部5と波長変換部材6との屈折率差が小さい点、および先端部5aが、波長変換部材6に接触している、または波長変換部材6に挿入されている点、から得られるメリットは享受できない。
The light emitting device of Comparative Example 1 shown in FIG. 2A differs from the
一方、図2の(b)に示す比較例2の発光装置は、発光装置10と比較して、先端部5aがリフレクター構造となっていない点が異なっている。すなわち、比較例2の発光装置では、発光装置10における、先端部5aがリフレクター構造となっている点から得られるメリットは享受できない。
On the other hand, the light emitting device of Comparative Example 2 shown in FIG. 2B is different from the
以下の表1に、比較例1の発光装置から出射される照明光の全光束を基準として、実施形態1の発光装置10から出射される照明光の全光束を比較した結果、および比較例2の発光装置から出射される照明光の全光束を基準として、実施形態1の発光装置10から出射される照明光の全光束を比較した結果を示す。なお、励起光源であるLDの光出力は同出力とした。実施形態1は、比較例1に比べて、全光束は1.5倍に向上した。また、実施形態1は、比較例2に比べて、全光束は1.3倍に向上した。この比較結果より、先端部5aをリフレクター構造とすることで照明光の全光束を顕著に向上させることができることが分かる。
Table 1 below shows the result of comparing the total luminous flux of the illumination light emitted from the light-emitting
〈従来技術の問題点と発光装置10の効果との関係〉
上述した特許文献1に記載の光源装置〔図7の(a)参照〕では、波長変換部材の蛍光体を封止する封止剤は、シリコーン樹脂(屈折率は1.4)である。このため、ライトガイド射出端部と波長変換部材との間に、励起光発散手段としての凹レンズを備えていても、励起光の光出力(パワー)を上げれば、封止剤がすぐに劣化してしまうという問題点がある。しかしながら、本実施形態の発光装置10では、上述したように、波長変換部材6における蛍光体の封止剤は、石英ガラスである。また、蛍光体は酸窒化物系蛍光体である。このため、レーザ光の光出力を上げても劣化しにくい。
<Relationship between problems of conventional technology and effects of light emitting
In the light source device described in
次に、特許文献1に記載の光源装置では、ライトガイド出射端部と波長変換部材との間は、テーパーのついた保持部材に囲まれた空間となっている。このため、波長変換部材とライトガイド出射端部との間に凹レンズや空気が存在すること、ライトガイド射出端部、空気および波長変換部材(シリコーン樹脂;屈折率1.4)のそれぞれの屈折率差が有意な大きさをもつこと、ライトガイド射出端部と波長変換部材との間の距離が離れていること等に起因して波長変換部材に対する励起光の照射効率が低下してしまうという問題点がある。また、上述した特許文献2に記載の半導体光源装置〔図7の(b)参照〕では、励起光を出射するLD素子と、波長変換部材との間の距離が離れており、空気や波長変換部材が存在している領域などの屈折率が大きく異なる領域(≧1.4)が存在するため、励起光の波長変換部材への入射効率が低いという問題点がある。さらに上述した特許文献3に記載の発光装置〔図7の(c)参照〕では、波長変換部材の蛍光体を封止する封止剤は、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、およびガラス等の無機材料が例示されているものの、導光部5と波長変換部6との屈折率差については何も言及されていない。
Next, in the light source device described in
一方、本実施形態の発光装置10では、導光部5の母材と、波長変換部材6の蛍光体の封止剤の材料を同じ石英(酸化ケイ素)とすることで、波長変換部材6と導光部5の屈折率差を小さくしているので、該屈折率差が有意な大きさであることに起因する照射効率の低下を抑制することができる。また、本実施形態の発光装置10では、先端部5aの導光部端面SUF3を、波長変換部材6の発光部表面SUF2に接触させるか、または、先端部5aを波長変換部材6の発光部表面SUF2から波長変換部材6の内部へ挿入させている。このため、波長変換部材6と先端部5aとの界面での光のロスを低減させることができる。
On the other hand, in the
次に、上述した特許文献2に記載の半導体発光装置〔図7(b)参照〕では、開口の傾斜部の入光部とLD素子との間の距離が離れているため、入光部を超えてLD素子側へ戻ってきた励起光および蛍光が、再び波長変換部側へ戻る確率が低下してしまうという問題点がある。しかしながら、本実施形態の発光装置10では、上述したように、波長変換部材6と先端部5aとを近接させるとともに、先端部5aをリフレクター構造としているので、導光部5側に戻ってきた戻り光(蛍光および励起光)を反射し、光軸方向の前方へ出射させることができる。また、特許文献3では、波長変換部材との接触面積を増加させるためにライトガイド先端部材の端面の面積を大きくすることが記載されているものの、ライトガイドの出射端部がリフレクター構造にはなっていないため、本実施形態の発光装置10の上述した戻り光を反射させる効果は得られない。また、同文献に記載の発光装置では、本実施形態の発光装置10のように、波長変換部材をリフレクターと一体化する観点については何も記載されていない。このため、同文献に記載の発光装置では、本実施形態の発光装置10と比較して、波長変換部材からの光の取り出し効率が低下してしまう可能性がある。
Next, in the semiconductor light emitting device described in
〔実施形態2:発光装置20〕
次に、図3に基づき、本発明の実施形態2に係る発光装置(照明装置)20の構造について説明する。図3は、発光装置20の構造を示す断面図である。本実施形態の発光装置20は、先端部5aの光出射側の端面(導光部端面SUF3)が、中央付近が突出する凸曲面(凸面)を為し、凸部5bを形成している点で、上述した実施形態1の発光装置10と異なっている。なお、発光装置20のその他の構成は、発光装置10と同様なので、ここでは説明を省略する。
[Embodiment 2: Light-emitting device 20]
Next, based on FIG. 3, the structure of the light-emitting device (illuminating device) 20 which concerns on
(先端部5a)
本実施形態では、先端部5aは、波長変換部材6の発光部表面SUF2の側から内部に向けて挿入されている。これにより、波長変換部材6と先端部5aとの界面での光のロスを低減させている。また、本実施形態では、先端部5aの導光部端面SUF3が、中央付近が突出する凸曲面(凸面)を為し、凸部5bを形成している。これにより、発光装置10よりも先端部5aと、波長変換部材6との接触面積を増加させている。よって、波長変換部材6に照射される励起光の密度が低減され、波長変換部材の放熱性が少し改善され、波長変換部材6に対する励起光の照射効率の低下をより抑制することができる。なお、本実施形態では、凸部5bの形状を凸曲面形状としているが、これに限定されない。例えば、凸部5bの形状は円錐台状、角錐台状、円錐状、角錐状などであっても良い。
(
In this embodiment, the front-end | tip
〈発光装置20の効果〉
ここで、本実施形態の発光装置20の効果を検証するため、実施形態1および2の発光装置10,20のそれぞれを試作し、発光装置10が奏する効果と、発光装置20が奏する効果と、を比較したので、以下、その比較結果について説明する。
<Effect of the
Here, in order to verify the effect of the light-emitting
以下の表2に、実施形態1の発光装置から出射される照明光の最大光束を基準として、実施形態2の発光装置20から出射される照明光の最大光束を比較した結果を示す。なお、励起光源であるLDの光出力は同出力とした。実施形態2は、実施形態1に比べて、最大光束は1.05倍に向上した。この比較結果より、先端部5aの導光部端面SUF3を凸面とするだけで発光装置10と比較して照明光の最大光束を約5%向上させることができることが分かる。
Table 2 below shows the result of comparing the maximum luminous flux of the illumination light emitted from the
〔実施形態3:発光装置30〕
次に、図4の(a)に基づき、本発明の実施形態3に係る発光装置(照明装置)30の構造について説明する。図4の(a)は、発光装置30の構造を示す断面図である。本実施形態の発光装置30は、先端部5aの側の端面(導光部端面SUF3)に透光性を有する熱伝導性部材8が設けられている点で、上述した実施形態1の発光装置10と異なっている。
[Embodiment 3: Light-emitting device 30]
Next, based on (a) of FIG. 4, the structure of the light-emitting device (illuminating device) 30 which concerns on
さらに、実施形態3で使用する励起光源1は、LDの光出力を高くするために、励起光源を5個備え、発光装置30または図4の(b)に係る発光装置10とバンドルファイバ2で光学的に接続されている点で、上述した実施形態1の発光装置10と異なっている。なお、発光装置30のその他の構成は、発光装置10と同様なので、ここでは説明を省略する。
Furthermore, the
(熱伝導性部材8)
図4の(a)に示すように、本実施形態の熱伝導性部材8は、導光部端面SUF3と発光部表面SUF2との間に配置され、これらの各面の間に挟みこまれている。熱伝導性部材8は、高い熱伝導率を有する部材であり、本実施形態では、サファイア(Al2O3;熱伝導率42W/m・K)板を用いている。しかしながら、熱伝導性部材8の材質はこれに限定されず、マグネシア(MgO)などであって良い。以上の材料を用いることにより、熱伝導率20W/m・K以上を実現できる。
(Thermal conductive member 8)
As shown in FIG. 4A, the heat
熱伝導性部材8の熱伝導率は、波長変換部材6の封止剤および導光部5の母材である石英ガラスの熱伝導率1.4〜1.5W/m・Kよりも高くすることが好ましい。これにより、波長変換部材6の放熱性を高めることができる。その結果、LDの光出力を高くしても、波長変換部材6の劣化が起こらない。
The thermal conductivity of the thermal
また、熱伝導性部材8は、透光性を有する材料で構成し、先端部5aから出射される励起光を透過させて波長変換部材6に照射させるようにする。波長変換部材6に対する励起光の照射効率の低下を抑制するためには、熱伝導性部材8、波長変換部材6および導光部5のそれぞれの屈折率差は小さい方が好ましい。本実施形態では、熱伝導性部材8は、サファイア板であり、その屈折率は、1.75である。波長変換部材6および導光部5のそれぞれの屈折率は、母材とほぼ等しいものとすると、1.45〜1.48程度である。サファイア板の屈折率(1.75)は、波長変換部材6および導光部5のそれぞれの屈折率、ならびに、石英ガラスの屈折率(1.45〜1.48)および光ファイバ2(コア;1.463〜1.467,クラッド;1.45〜1.46)の屈折率よりも約0.3高い。しかしながら、図2の(a)に示す比較例1の発光装置のように波長変換部材とLD素子との間に空気(屈折率=1.0)が介在する場合と比べると、屈折率差は半分以下であり、その影響は軽減される。
Moreover, the heat
また、高い熱伝導性を有する熱伝導性部材8によれば、先端部5aと波長変換部材6とを熱的に接続し、波長変換部材6で生じた熱を逃がすことができるので波長変換部材6の放熱性を高めることができる。このため、励起光の光出力を大きくしても波長変換部材6の劣化を抑制することができる。熱伝導性部材8の厚さ(発光部表面SUF2と導光部端面SUF3との間の距離にほぼ等しい)は、0.2mm以上、1.5mm以下であることがより好ましい。0.2mm以上であれば、波長変換部材6の放熱を十分にでき、波長変換部材6の劣化を防止できる。一方、熱伝導性部材8が、1.5mmを超えると、熱伝導性部材8に向けて照射された励起光が、熱伝導性部材8において吸収される率が大きくなり、励起光の利用効率が顕著に下がる。また、熱伝導性部材8を以上のように適切な厚さで波長変換部材6に接合させることにより、特に波長変換部材6での発熱が1W(ワット)を大きく超えるような極めて強いレーザ光を照射しても、その発熱が迅速、かつ、効率的に放熱され、熱伝導性部材8および波長変換部材6が損傷(劣化)してしまうことを防止できる。
Further, according to the heat
〈発光装置30の効果〉
ここで、本実施形態の発光装置30の効果を検証するため、実施形態1および3の発光装置10,30のそれぞれを試作し、発光装置10が奏する効果と、発光装置30が奏する効果と、を比較したので、以下、その比較結果について説明する。図4の(b)は、発光装置10,30に関し、励起光源(LD)の光出力(W)と、発光装置10,30から出力される光の全光束比のとの関係を示すグラフである(LDの光出力が3Wのときの発光装置10の全光束を1.0とする。)。同図に示すように、本実施形態の発光装置30は、LDの光出力が大きくなっても、LDの光出力と全光束との関係を示すグラフの線形性の崩れはあるものの、その程度は小さい。これに対して、発光装置10では、LDの光出力が、3Wを超える付近から、グラフの線形性が顕著に崩れている。以上により、本実施形態の発光装置30によれば、実施形態1の発光装置10と比較して、LDの光出力を高くしても、それに応じた高光束の照明光を出射させることができることが分かる。例えば、LDの光出力が、5Wのとき、発光装置30の全光束は、発光装置10の全光束の約1.3倍と顕著に高い。
<Effect of light emitting
Here, in order to verify the effect of the light-emitting
〔実施形態4:発光装置40〕
次に、図5の(a)に基づき、本発明の実施形態4に係る発光装置(照明装置)40の構造について説明する。図5の(a)は、発光装置40の構造を示す断面図である。本実施形態の発光装置40は、波長変換部材6aに含まれる蛍光体の濃度が発光装置30の波長変換部材6に含まれる蛍光体の濃度よりも高い点、および波長変換部材6aの照明光の進行方向に対する厚みd2が、発光装置30の波長変換部材6の照明光の進行方向に対する厚みd1よりも薄い点で、上述した実施形態3の発光装置30と異なっている。また、励起光源1は、実施形態3と同様に、LDを5個使用している。なお、発光装置40のその他の構成は、実施形態3における発光装置30(または発光装置10)と同様なので、ここでは説明を省略する。
[Embodiment 4: Light-emitting device 40]
Next, based on (a) of FIG. 5, the structure of the light-emitting device (illuminating device) 40 which concerns on
(波長変換部材6a)
本実施形態の発光装置40では、波長変換部材6の厚みd2が、0.02〜0.2mm程度と、波長変換部材6の厚みd1よりも薄くしている。封止剤(波長変換部材6の母材)に対する蛍光体の混合量は、発光装置としての色温度が概3000Kとなるように混合量を調整した。波長変換部材の厚みが薄い分だけ、波長変換部材の単位体積あたりの蛍光体の混合量は多くなっている。
(
In the light emitting device 40 of this embodiment, the thickness d2 of the
蛍光体を封止する封止剤である石英ガラス(熱伝導率=約1.4W/m・K)よりも酸窒化物蛍光体の熱伝導率(=約20W/m・K)の方が高いので、蛍光体の濃度が濃く、波長変換部材の厚みが薄くなると、熱伝導性部材8への熱伝導性が高まり、波長変換部材からの発熱を抑制でき、より高出力での励起光の照射が可能となる。
The thermal conductivity (= about 20 W / m · K) of the oxynitride phosphor is higher than that of quartz glass (thermal conductivity = about 1.4 W / m · K) which is a sealing agent for sealing the phosphor. Since the phosphor concentration is high and the wavelength conversion member is thin, the thermal conductivity to the heat
〈発光装置40の効果〉
ここで、本実施形態の発光装置40の効果を検証するため、実施形態1、3および4の発光装置10,30,40のそれぞれを試作し、各発光装置が奏する効果を比較したので、以下、その比較結果について説明する。図5の(b)は、発光装置10,30,40に関し、励起光源(LD)の光出力(W)と、発光装置10,30,40から出力される光の全光束比との関係を示すグラフである(LDの光出力が3Wのときの発光装置10の全光束を1.0とする。)。同図に示すように、本実施形態の発光装置40は、LDの光出力が大きくなっても、LDの光出力と全光束との関係を示すグラフの線形性はほとんど崩れていない。これに対して、発光装置10では、LDの光出力が、3W付近から、顕著にグラフの線形性が崩れている。一方、発光装置30では、グラフの線形性の崩れは、発光装置10よりも緩やかであるが、4W付近から、グラフの線形性が若干崩れている。以上により、本実施形態の発光装置40によれば、実施形態1および3の発光装置10,30と比較して、LDの光出力を高くしても、それに応じた高光束の照明光を出射させることができることが分かる。例えば、LDの光出力が、5Wのときの発光装置40の全光束は、発光装置10に対して約1.6倍、発光装置30に対して約1.25倍程度、全光束が向上する。
<Effect of light emitting device 40>
Here, in order to verify the effect of the light-emitting device 40 of the present embodiment, each of the light-emitting
〔実施形態5:照明装置50a〕
次に、図6の(a)に基づき、本発明の実施形態5に係る発光装置(照明装置)50aの構造について説明する。
[Embodiment 5:
Next, based on (a) of FIG. 6, the structure of the light-emitting device (illuminating device) 50a which concerns on
本実施形態の照明装置50aは、上述した実施形態10〜40のいずれかの発光装置と、ヒートシンク9を備える構成とし、スポットライト等の照明装置に応用したものである。本実施形態の照明装置50aでは、光ファイバ2により、波長変換部材6,6aと励起光源1(半導体レーザ)との間の距離が離れている。これにより波長変換部材6,6aと励起光源1での発熱を分離できるので、波長変換部材6,6aは、励起光源1の発熱の影響を受けなくて済む。これにより、励起光源1を除く、ヒートシンク9を含めた発光装置部(発光装置10〜40)全体(灯具)の大きさを小さくすることができる。また、本実施形態の照明装置50aでは、さらに導光部5の断面方向の周囲をヒートシンク9に熱的に接続して放熱性を高めている。
The illuminating
〔変形例:照明装置50b〕
図6の(b)に示す変形例の照明装置50bのように励起光源1を複数備え、発光装置10〜40のいずれか一つとバンドルファイバ2aで光学的に接続する構成を採用しても良い。なお、本変形例では、励起光源1の数は3つであるが、励起光源1の数は、2つ以上であれば良い。これにより、ヒートシンク9を含めた発光装置部(発光装置10〜40)全体(灯具)の大きさを変えることなく、簡単に照明装置50bの照明光の光出力を高めることができる。
[Modification:
A configuration in which a plurality of
〔まとめ〕
本発明の態様1に係る発光装置(10〜40)は、透光性を有する材料を母材とする材料で形成された光伝搬部を有し、当該光伝搬部を伝搬した光を出射する導光部(5)と、上記導光部から出射される光の波長を変換する波長変換部材(6)と、を備え、上記光伝搬部の光出射側の端部である出射端部(先端部5a)は、光の進行方向に垂直な断面の直径が上記波長変換部材の側に近づくにつれて単調に増加する構造を有している。
[Summary]
The light emitting device (10 to 40) according to the first aspect of the present invention includes a light propagation portion formed of a material having a light-transmitting material as a base material, and emits light propagated through the light propagation portion. A light guide part (5) and a wavelength conversion member (6) for converting the wavelength of light emitted from the light guide part, and an emission end part (end part on the light emission side of the light propagation part) The
上記構成によれば、導光部は、透光性を有する材料を母材とする材料で形成された光伝搬部を有している。また、光伝搬部の光出射側の端部である出射端部は、光の進行方向に垂直な断面の直径が波長変換部材の側に近づくにつれて単調に増加する構造を有している。このため、出射端部に導光される光のスポット径を拡大することができる。これにより、出射端部を波長変換部材に近づけても、波長変換部材の一部の狭い範囲に部分的に励起光の強度が集中することを抑制できるので、波長変換部材の劣化を抑制することができる。以上により、導光部の出射端部を波長変換部材に近づけた場合における波長変換部材の劣化の抑制効果を向上させることができる。 According to the said structure, the light guide part has the light propagation part formed with the material which uses as a base material the material which has translucency. In addition, an emission end portion that is an end portion on the light emission side of the light propagation portion has a structure that monotonously increases as the diameter of the cross section perpendicular to the light traveling direction approaches the wavelength conversion member side. For this reason, the spot diameter of the light guided to the exit end can be enlarged. As a result, even if the emission end portion is brought close to the wavelength conversion member, it is possible to suppress the concentration of the excitation light from being partially concentrated in a narrow range of a part of the wavelength conversion member, thereby suppressing deterioration of the wavelength conversion member. Can do. As described above, it is possible to improve the effect of suppressing the deterioration of the wavelength conversion member when the exit end of the light guide unit is brought close to the wavelength conversion member.
本発明の態様2に係る発光装置は、上記態様1において、上記出射端部の端面は、上記波長変換部材に接触していても良い。
In the light emitting device according to
上記構成によれば、波長変換部材と出射端部との界面での光のロスを低減させることができ、波長変換部材に対する励起光の照射効率の低下を抑制することができる。 According to the said structure, the loss of the light in the interface of a wavelength conversion member and an output edge part can be reduced, and the fall of the irradiation efficiency of the excitation light with respect to a wavelength conversion member can be suppressed.
本発明の態様3に係る発光装置は、上記態様1において、上記出射端部は、上記波長変換部材の光が照射される光照射側の面の側から上記波長変換部材の内部に向けて挿入されていても良い。
The light-emitting device according to
上記構成によれば、波長変換部材と出射端部との界面での光のロスを低減させることができ、波長変換部材に対する励起光の照射効率の低下を抑制することができる。 According to the said structure, the loss of the light in the interface of a wavelength conversion member and an output edge part can be reduced, and the fall of the irradiation efficiency of the excitation light with respect to a wavelength conversion member can be suppressed.
本発明の態様4に係る発光装置は、上記態様1〜3のいずれかにおいて、上記波長変換部材の母材と、上記導光部の母材とが同じ材料であっても良い。
In the light emitting device according to
上記構成によれば、波長変換部材と出射端部との界面での光のロスを低減させることができ、波長変換部材に対する励起光の照射効率の低下を抑制することができる。 According to the said structure, the loss of the light in the interface of a wavelength conversion member and an output edge part can be reduced, and the fall of the irradiation efficiency of the excitation light with respect to a wavelength conversion member can be suppressed.
本発明の態様5に係る発光装置は、上記態様1〜4のいずれかにおいて、光反射性を有し、上記導光部を被覆する被覆部を備えていても良い。
The light-emitting device which concerns on
上記構成によれば、被覆部と導光部との界面が鏡の役割を果たし、上記のように、出射端部は、光の進行方向に垂直な断面の直径が波長変換部材の側に近づくにつれて単調に増加する構造を有しているため、波長変換部材からの戻り光(励起光または波長変換光)を再度波長変換部材へ入射させ易くなる。このため、発光装置としての発光効率および光の取り出し効率を向上させることができる。 According to the said structure, the interface of a coating | coated part and a light guide part plays the role of a mirror, and as above-mentioned, the exit end part has the diameter of the cross section perpendicular | vertical to the advancing direction of light, and approaches the wavelength conversion member side. Therefore, the return light (excitation light or wavelength converted light) from the wavelength conversion member can easily enter the wavelength conversion member again. For this reason, the light emission efficiency as a light-emitting device and the light extraction efficiency can be improved.
本発明の態様6に係る発光装置は、上記態様1〜5のいずれかにおいて、上記導光部の上記出射端部の側の端面は、上記波長変換部材の側に突出する凸面で構成されていても良い。
The light emitting device according to
上記構成によれば、導光部の出射端部の側の端面が平面であるときよりも波長変換部材との接触面積を増加させることができる。このため、波長変換部材に照射される励起光の密度が低減され、波長変換部材の放熱性が改善され、波長変換部材に対する励起光の照射効率より向上させることができる。 According to the said structure, a contact area with a wavelength conversion member can be increased rather than when the end surface at the side of the output end part of a light guide part is a plane. For this reason, the density of the excitation light irradiated to the wavelength conversion member is reduced, the heat dissipation of the wavelength conversion member is improved, and the irradiation efficiency of the excitation light to the wavelength conversion member can be improved.
本発明の態様7に係る発光装置は、上記態様1において、上記導光部の出射端部の側の端面に透光性を有する熱伝導性部材が設けられていても良い。
In the light emitting device according to
上記構成によれば、導光部の出射端部の側の端面と波長変換部材とを熱的に接続し、波長変換部材で生じた熱を逃がすことができるので波長変換部材の放熱性を高めることができる。このため、励起光の光出力を大きくしても波長変換部材の劣化を抑制することができる。 According to the above configuration, the wavelength conversion member can be thermally connected to the end face of the light guide portion on the emission end side, and the heat generated in the wavelength conversion member can be released, so the heat dissipation of the wavelength conversion member is improved. be able to. For this reason, deterioration of the wavelength conversion member can be suppressed even if the optical output of the excitation light is increased.
本発明の態様8に係る照明装置は、上記態様1〜7のいずれかの発光装置と、波長変換部材から出射される光を反射する光反射凹面を有する反射鏡と、を備えており、上記波長変換部材の光が照射される光照射側の面は、上記光反射凹面の焦点付近の底部に接合されていても良い。
An illuminating device according to
上記構成によれば、波長変換部材と、光反射凹面の焦点付近の底部と、が一体化されているため、波長変換部材からの光の取り出し効率を高めることができる。 According to the above configuration, since the wavelength conversion member and the bottom near the focal point of the light reflecting concave surface are integrated, the light extraction efficiency from the wavelength conversion member can be increased.
〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
[Additional Notes]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope shown in the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention. Furthermore, a new technical feature can be formed by combining the technical means disclosed in each embodiment.
本発明は、発光装置や照明装置、特にスポットライト等の照明装置に適用することができる。 The present invention can be applied to light-emitting devices and lighting devices, particularly lighting devices such as spotlights.
1 励起光源
4 被覆部
5 導光部
5a 先端部(出射端部,光伝搬部)
5b コア(光伝搬部)
6,6a 波長変換部材
7 リフレクター(反射鏡)
8 熱伝導性部材
10〜40 発光装置(照明装置)
50a 照明装置
50b 照明装置
SUF1 被覆部表面
SUF2 発光部表面
SUF3 導光部端面(凸面)
DESCRIPTION OF
5b Core (light propagation part)
6, 6a
8 Thermally
Claims (8)
上記導光部から出射される光の波長を変換する波長変換部材と、を備え、
上記光伝搬部の光出射側の端部である出射端部は、光の進行方向に垂直な断面の直径が上記波長変換部材の側に近づくにつれて単調に増加する構造を有していることを特徴とする発光装置。 A light propagation part formed of a material having a light-transmitting material as a base material, and a light guide part that emits light propagated through the light propagation part;
A wavelength conversion member that converts the wavelength of light emitted from the light guide unit,
The exit end, which is the end on the light exit side of the light propagation part, has a structure in which the diameter of the cross section perpendicular to the light traveling direction increases monotonously as it approaches the wavelength conversion member side. A light emitting device characterized.
上記波長変換部材から出射される光を反射する光反射凹面を有する反射鏡と、を備えており、
上記波長変換部材の光が照射される光照射側の面は、上記光反射凹面の焦点付近の底部に接合されていることを特徴とする照明装置。 A light emitting device according to any one of claims 1 to 7,
A reflecting mirror having a light reflecting concave surface that reflects the light emitted from the wavelength conversion member, and
The illumination device, wherein a surface of the wavelength conversion member on which light is irradiated is joined to a bottom near the focal point of the light reflecting concave surface.
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