特許 6560902 光源装置及びこれを用いた照明装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6560902

(24)【登録日】2019年7月26日

(45)【発行日】2019年8月14日

(54)【発明の名称】光源装置及びこれを用いた照明装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/024 20060101AFI20190805BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/024

【請求項の数】6

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2015-106113(P2015-106113)

(22)【出願日】2015年5月26日

(65)【公開番号】特開2016-219723(P2016-219723A)

(43)【公開日】2016年12月22日

【審査請求日】2018年3月28日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002303

【氏名又は名称】スタンレー電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100100011

【弁理士】

【氏名又は名称】五十嵐 省三

(72)【発明者】

【氏名】秋貞 研二

【審査官】 吉野 三寛

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−１３８０４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１６５８３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１７９５０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０３４０６５３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ５／００−５／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体発光素子と、
前記半導体発光素子を搭載するステムと、
前記半導体発光素子からの光の一部を波長変換し残りの光と混色して出射する波長変換部材と、
前記波長変換部材を支持するキャップと、
前記ステム及び前記キャップに接触して設けられたヒートシンクと、
前記ステムに固定され、レンズを支持するホルダと、
前記ホルダの上部を前記キャップの上部に接続する取付部材と
を具備する光源装置。

【請求項2】

前記ホルダは前記ステムの側面に固定された請求項１に記載の光源装置。

【請求項3】

前記ホルダは前記ステムの上面に固定された請求項１に記載の光源装置。

【請求項4】

前記ステムは前記ヒートシンクに埋込まれている請求項１に記載の光源装置。

【請求項5】

さらに、前記キャップに接触して設けられた冷却部材を具備する請求項１に記載の光源装置。

【請求項6】

請求項１〜５のいずれかに記載の光源装置と、
前記光源装置の出射光を所定方向に投影する投影光学ユニットと
を具備する照明装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、たとえばレーザ光を利用した光源装置及びこれを用いた照明装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、レーザダイオード（ＬＤ）素子を利用した光源装置においては、蛍光体を含む波長変換部材を設け、レーザ光の一部を吸収して波長変換し、波長変換された光と波長変換されない光とを混色して混色光たとえば疑似白色光を出射する。特に、ＬＤ素子は発光ダイオード（ＬＥＤ）素子に比較して光密度が大きいので、ＬＤ素子の発光部のサイズを小さくして高輝度にできる。従って、レンズの小型化もでき、この結果、光源装置も小型化できる。他方、レーザ光の波長変換部材の発熱量も大きくなり、従って、波長変換部材の熱密度が大きくなり、波長変換部材の放熱効率が低下する。波長変換部材の放熱効率が低下すると、波長変換部材の波長変換効率が低下して発光波長が変化し、白色光の色度が変化する。

【0003】

図６は第１の従来の光源装置を示す（参照：特許文献１）。

【0004】

図６においては、ＬＤ素子１０１がステム１０２に搭載され、窓部１０３ａを有する封止キャップ１０３によって封止されている。ステム１０２に設けられたホルダ１０４はレンズ１０５と共に波長変換部材１０６を支持する。この場合、波長変換部材１０６は保持部材１０７によってホルダ１０４の上部に固定される。１０８は外部リード端子である。図６の光源装置においては、ＬＤ素子１０１からの熱は放熱経路Ｐ１０１に沿ってステム１０２へ伝播し、他方、波長変換部材１０６からの熱は放熱経路Ｐ１０２に沿って保持部材１０７及びホルダ１０４を介してステム１０２へ伝播する。

【0005】

図７は第２の従来の光源装置を示す（参照：特許文献２）。

【0006】

図７においては、ＬＤ素子２０１がステム２０２に搭載され、封止キャップ２０３によって封止されている。ステム２０２に設けられたホルダ２０４はレンズ２０５を支持する。他方、ステム２０２のホルダ２０４の外側に設けられたキャップ２０７は波長変換部材２０６を支持する。２０８は外部リード端子である。図７の光源装置においては、ＬＤ素子２０１からの熱は放熱経路Ｐ２０１に沿ってステム２０２へ伝播し、他方、波長変換部材２０６からの熱は放熱経路Ｐ２０２に沿ってキャップ２０７を介してステム２０２へ伝播する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１０−１６５８３４号公報

【特許文献2】特許５２３３１７２号公報（特開２００８−３０５９３６号公報）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、上述の図６に示す第１の従来の光源装置においては、ホルダ１０４は、ニッケル、コバルト、鉄、真鍮、ステンレス、ニッケル／鉄合金、鉄／ニッケル／コバルト合金（コバール）等よりなり、その熱伝導率が比較的低い。たとえば、ステム１０２のＳＰＣと溶接可能、波長変換部材１０６との熱膨張係数差が小さい等の理由から、ホルダ１０４の材料としてコバールが選択される。この場合、ホルダ１０４のコバールの熱伝導率は１７Ｗ／ｍ・Ｋと低く、従って、放熱経路Ｐ１０２の熱抵抗が大きくなる。また、ステム１０２は、ＳＰＣ、銅、真鍮、タングステン、アルミニウム、銅／タングステン合金等よりなり、たとえば、ＳＰＣの熱伝導率は５０Ｗ／ｍ・Ｋ程度と小さい。しかも、封止キャップ１０３がステム１０２の上面の大部分を占有しているので、ステム１０２とホルダ１０４との接触面積も小さい。この結果、たとえば、空冷放熱の場合、熱伝導率９７〜２００Ｗ／ｍ・Ｋ程度のアルミニウム合金よりなるヒートシンクをステム１０２の底部に接続すると、ホルダ１０４とヒートシンクとの間のステム１０２の熱抵抗は大きくなる。このように、ホルダ１０４の放熱経路Ｐ１０１の熱抵抗及びステム１０２の熱抵抗が大きいので、波長変換部材１０６の温度が上昇し、従って、波長変換効率が低下して白色光の色度が変化するという課題がある。

【0009】

さらに、上述の図６に示す第１の従来の光源装置においては、ＬＤ素子１０１のステム１０２までの放熱経路Ｐ１０１と波長変換部材１０６のステム１０２までの放熱経路Ｐ１０２とは別経路であるが、放熱経路Ｐ１０１と放熱経路Ｐ１０２とはステム１０２によって間接的に繋がっている。従って、ＬＤ素子１０１を高出力とした場合、波長変換部材１０６で発生する熱量が増大し、その熱は放熱経路Ｐ１０２及びステム１０２内の放熱経路Ｐ１０３を経てＬＤ素子１０１に向い、ＬＤ素子１０１の放熱経路Ｐ１０１の熱と干渉し合い、ＬＤ素子１０１の放熱効果を低下させるという課題もある。

【0010】

他方、上述の図７に示す第２の従来の光源装置においても、キャップ２０７の熱伝導率が比較的小さい。従って、放熱経路Ｐ２０２の熱抵抗が大きくなる。また、ステム２０２の熱伝導率も小さい。しかも、ステム２０２の上面は広くなっているもののキャップ２０７との接触面積も小さい。この結果、たとえば、空冷放熱の場合、熱伝導率９７〜２００Ｗ／ｍ・Ｋ程度のアルミニウム合金よりなるヒートシンクをステム２０２の底部に接続すると、キャップ２０７とヒートシンクとの間のステム２０２の熱抵抗は大きくなる。このように、キャップ２０７の放熱経路Ｐ２０２の熱抵抗及びステム２０２の熱抵抗が大きいので、波長変換部材２０６の温度が上昇し、従って、波長変換効率が低下して白色光の色度が変化するという課題がある。

【0011】

さらに、上述の図７に示す第２の従来の光源装置においても、ＬＤ素子２０１のステム２０２までの放熱経路Ｐ２０１と波長変換部材２０６のステム２０２までの放熱経路Ｐ２０２とは別経路であるが、放熱経路Ｐ２０１と放熱経路Ｐ２０２とはステム２０２によって間接的に繋がっている。従って、ＬＤ素子２０１を高出力とした場合、波長変換部材２０６で発生する熱量が増大し、その熱は放熱経路Ｐ２０２及びステム２０２内の放熱経路Ｐ２０３を経てＬＤ素子２０１へ伝播し、ＬＤ素子２０１の放熱経路Ｐ２０１の熱と干渉し合い、ＬＤ素子２０１の放熱効果を低下させるという課題もある。

【課題を解決するための手段】

【0012】

上述の課題を解決するために、本発明に係る光源装置は、半導体発光素子と、半導体発光素子を搭載するステムと、半導体発光素子からの光の一部を波長変換し残りの光と混色して出射する波長変換部材と、波長変換部材を支持するキャップと、ステム及びキャップに接触して設けられたヒートシンクと、ステムに固定され、レンズを支持するホルダと、ホルダの上部をキャップの上部に接続する取付部材とを具備するものである。これにより、半導体発光素子からステムを介してヒートシンクへ到る放熱経路と波長変換部材からキャップを介してヒートシンクへ到る放熱経路とはほとんど干渉しない。また、波長変換部材から発生した熱は、熱伝導率の高い部材から構成されかつ一体で成形されたキャップによりヒートシンクへ到るので、放熱経路の熱抵抗が小さい。

【0013】

また、本発明に係る照明装置は、上述の光源装置と、光源装置の出射光を所定方向に投影する投影光学ユニットとを具備するものである。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、半導体発光素子の放熱経路と波長変換部材の放熱経路とはほとんど干渉しないので、波長変換部材の放熱効率を向上できる。また、波長変換部材の放熱経路の熱抵抗を小さくすることができ、放熱性能を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明に係る光源装置の第１の実施の形態を示す斜視図である。

【図2】図１の光源装置の断面図である。

【図3】図２の波長変換部材及び保持部材の詳細を示す断面図である。

【図4A】図２の光源装置の第１の変更例を示す断面図である。

【図4B】図２の光源装置の第２の変更例を示す断面図である。

【図4C】図２の光源装置の第３の変更例を示す断面図である。

【図5】本発明に係る光源装置の第２の実施の形態を示す断面図である。

【図6】第１の従来の光源装置を示す断面図である。

【図7】第２の従来の光源装置を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

図１は本発明に係る光源装置の第１の実施の形態を示す斜視図、図２は図１の光源装置の断面図である。

【0017】

図１、図２においては、ＬＤ素子１がステム２に搭載され、ステム２の側面に接触して設けられたホルダ３はレンズ４を支持する。ステム２はヒートシンク５のプレート部５１に接触している。ヒートシンク５は、プレート部５１に加えて、ザグリ部５２ａを設けたベース部５２及びフィン部５３よりなる。他方、ヒートシンク５のプレート部５１に設けられたキャップ６は保持部材８を介して波長変換部材７を支持する。キャップ６は上部６１、脚部６２及び土台部６３を一体に構成しており、この場合、土台部６３を広くしてキャップ６とヒートシンク５との接触面積を大きくする。また、図１に示すごとく、キャップ６は円形の一部を切り落とした形成をなしている。これは、光源装置を複数個近接して配置した場合に、波長変換部材７の間の距離を小さくするためである。しかし、キャップ６はホルダ３の軸回りを３６０°囲む形状にしてもよい。ホルダ３とキャップ６の上部６１との間は取付部材９によって接着剤または圧入を用いて固定される。取付部材９はホルダ３の中心とキャップ６の中心とを合致させる調整機構を果たしている。

【0018】

ヒートシンク５のベース部５２のザグリ部５２ａには、給電基板１０が収容され、給電基板１０とステム２との間には、リード端子１１が接続される。

【0019】

ステム２は、ＳＰＣ（熱伝導率は５０Ｗ／ｍ・Ｋ）、銅、真鍮、タングステン、アルミニウム、銅／タングステン合金等よりなり、ステム２の熱伝導率は小さい。

【0020】

ホルダ３及び取付部材９は、ニッケル、コバルト、鉄、真鍮、ステンレス（ＳＵＳ）（熱伝導率１６Ｗ／ｍ・Ｋ）、ニッケル／鉄合金、鉄／ニッケル／コバルト合金（コバール）（熱伝導率１７Ｗ／ｍ・Ｋ）等よりなり、やはり、ホルダ３及び取付部材９の熱伝導率は小さい。

【0021】

ヒートシンク５及びキャップ６は、アルミニウム（熱伝導率１４０Ｗ／ｍ・Ｋ）、銅（熱伝導率３９０Ｗ／ｍ・Ｋ）等よりなり、ヒートシンク５及びキャップ６の熱伝導率は大きい。

【0022】

図３は図２の波長変換部材７及び保持部材８の詳細を示す断面図である。

【0023】

波長変換部材７は、蛍光体層７１、拡散板７２及び金属反射層７３を有する。蛍光体層７１はたとえばＹＡＧ蛍光体を酸化アルミニウムに分散したＹＡＧセラミック焼結体である。拡散板７２はアルミナ等の光散乱粒子を含む透光性材料（ガラス）等よりなる。金属反射層７３は高反射率のアルミニウム等よりなる。レーザ光Ｌは金属反射層７３の開口から入射し、拡散板７２によって拡散され、蛍光体層７１の全体に亘って入射する。この場合、拡散板７２によって拡散されて蛍光体層７１と反対方向に向かった光は金属反射層７３によって反射されて蛍光体層７１に再び向かうことになる。

【0024】

他方、保持部材８は、サブマウント８１、内側スリーブ８２、外側スリーブ８３及び内側スリーブ８２と外側スリーブ８３との間に充填された白色樹脂層８４を有する。波長変換部材７と保持部材８のサブマウント８１との接合はバンブ８５またはＡｕＳｎ接合等の金属接合によって行われる。サブマウント８１は波長変換部材７を直接支持するもので、たとえばセラミックよりなる。内側スリーブ８２、外側スリーブ８３は白色樹脂層８４を堰き止めるためのものであり、チクリ性樹脂またはガラスよりなる。白色樹脂層８４はレーザ光Ｌの外部への漏れを防止して発光部と非発光部との輝度差を大きくする。

【0025】

波長変換部材７の蛍光体層７１内で発生した熱は、放熱経路Ｐ２に沿って拡散板７２から金属反射層７３、バンプ８５、サブマウント８１、キャップ６の上部６１へ伝播する。

【0026】

図２に戻ると、ＬＤ素子１からの熱は、放熱経路Ｐ１に沿ってステム２を介してヒートシンク５のプレート部５１に伝播し、さらにヒートシンク５のベース部５２を介してフィン部５３に伝播し、対流、放射によって周囲雰囲気に放熱される。他方、波長変換部材７からの熱は、放熱経路Ｐ２を介してキャップ６の上部６１に入射する。キャップ６の上部６１の放熱経路Ｐ２は、２つの放熱経路Ｐ２１、Ｐ２２に分けられる。
放熱経路Ｐ２１：キャップ６の上部６１→キャップ６の脚部６２→キャップ６の土台部６３→ヒートシンク５のプレート部５１
放熱経路Ｐ２２：キャップ６の上部６１→取付部材９→ホルダ３→ステム２→ヒートシンク５のプレート部５１
いずれの放熱経路Ｐ２１、Ｐ２２の熱もヒートシンク５のベース５２を介してフィン部５３に伝播し、対流、放射によって周囲雰囲気に放熱される。

【0027】

放熱経路Ｐ２１はステム２を介さずにヒートシンク５に通じているので、放熱経路Ｐ２１の熱はステム２を介する放熱経路Ｐ１の熱とほとんど干渉しない。従って、放熱経路Ｐ２１の熱はＬＤ素子１へほとんど伝播しない。この結果、放熱経路Ｐ２１の熱はＬＤ素子１の放熱効果を低下させない。

【0028】

他方、放熱経路Ｐ２２の熱は取付部材９、ホルダ３及びステム２を介してヒートシンク５に伝播する。従って、放熱経路Ｐ２２の熱はＬＤ素子１の放熱経路Ｐ１の熱と干渉してＬＤ素子１の放熱効果を低下させる。この点から、放熱経路Ｐ２２の熱抵抗はできるだけ大きい方がよい。このため、取付部材９の熱抵抗は、大きく、たとえば、上述のごとく、コバール等よりなる。この場合、放熱経路Ｐ２１の熱抵抗と放熱経路Ｐ２２の熱抵抗との比は多くとも０．５以下、好ましくは０．３以下である。理想的には、取付部材９は断熱部材で構成することが好ましい。

【0029】

たとえば、キャップ６の材料としてアルミニウム（熱伝導率１４０Ｗ／ｍ・Ｋ）または銅（熱伝導率３９０Ｗ／ｍ・Ｋ）を選択すると、サイズ、形状にも依存するが、波長変換部材７直下のキャップ６の上部６１からヒートシンク５のプレート部５１上部までつまり放熱経路Ｐ２１の熱抵抗は約３〜６℃／Ｗである。これに対し、ホルダ３及び取付部材９の材料を、レンズ４と溶接可能、熱膨張率差が小さいという理由からＳＵＳ（熱伝導率１６Ｗ／ｍ・Ｋ）またはコバール（熱伝導率１７Ｗ／ｍ・Ｋ）を選択すると、サイズ、形状にも依存するが、波長変換部材７直下のキャップ６の上部６１から取付部材９及びホルダ３を介してヒートシンク５のプレート部５１の上部までつまり放熱経路Ｐ２２の熱抵抗は約２０〜３０℃／Ｗである。この場合、放熱経路Ｐ２１の熱抵抗／放熱経路Ｐ２２の熱抵抗は０．１〜０．３となる。このように、熱抵抗が小さい放熱経路Ｐ２１によって波長変換部材７の温度を著しく低くすることができる。

【0030】

図４Ａは図２の光源装置の第１の変更例を示す。図４Ａにおいては、ホルダ３をステム２の上面に設けてある。図２のホルダ３とステム２の側面との接合部の機械的強度に比較して図４Ａのホルダ３とステム２の上面との接合部の機械的強度は劣る。しかし、ホルダ３は取付部材９によってキャップ６の上部６１に固定されているので、図４Ａのホルダ３とステム２の上面との接合部の機械的強度で十分である。さらに、図４Ａの光源装置においては、キャップ６の直径ＤＡは図２のキャップ６の直径Ｄより小さくなり、従って、図４Ａの放熱経路Ｐ２１は図２の放熱経路Ｐ２１より短くなり、図４Ａの放熱経路Ｐ２２は図２の放熱経路Ｐ２２より短くなる。この結果、図４Ａの放熱経路Ｐ２１の熱抵抗は小さくなり、従って、波長変換部材７の温度をさらに低下させることができる。さらに、光源装置を小型化できる。

【0031】

図４Ｂは図２の光源装置の第２の変更例を示す。図４Ｂにおいては、図４Ａのステム２をヒートシンク５のプレート部５１の段差５１ａに埋込んである。これにより、図４Ｂのキャップ６の高さＨＢは図４Ａのキャップ６の高さＨＡより小さくなる。従って、図４Ｂの放熱経路Ｐ２１は図４Ａの放熱経路Ｐ２１より短くなる。この結果、図４Ｂの放熱経路Ｐ２１の熱抵抗はさらに小さくなり、従って、波長変換部材７の温度をさらに低下させることができる。さらに、光源装置を小型化できる。さらにまた、ステム２とヒートシンク５のプレート部５１との接触面積が増大するので、ＬＤ素子１の放熱効率を大きくできる。

【0032】

図４Ｃは図２の光源装置の第３の変更例を示す。図４Ｃにおいては、図４Ａのステム２をヒートシンク５のプレート部５１の開口５１ｂに埋込んである。プレート部５１の開口５１ｂの場合、ステム２とプレート部５１との接触面積が減少するが、プレート部５１の段差５１ａより開口５１ｂの方が加工し易い。図４Ｂの場合と同様に、図４Ｃのキャップ６の高さＨＣは図４Ａのキャップ６の高さＨＡより小さくなる。従って、図４Ｃの放熱経路Ｐ２１は図４Ａの放熱経路Ｐ２１より短くなる。この結果、図４Ｃの放熱経路Ｐ２１の熱抵抗はさらに小さくなり、従って、波長変換部材７の温度をさらに低下させることができる。さらに、光源装置を小型化できる。

【0033】

図５は本発明に係る光源装置の第２の実施の形態を示す断面図である。

【0034】

図５においては、図２の構成要素に、冷却部材１３をキャップ６の上部６１に付加してある。これにより、波長変換部材７からの熱は放熱経路Ｐ２１を伝播する際に、その一部は冷却部材１３にも伝播する。従って、波長変換部材７の温度をさらに低下させることができる。尚、冷却部材１３はキャップ６の上部６１の形状に合わせて脚部６１の全周または一部に設けられる。

【0035】

尚、上述の光源装置を投影光学ユニットと組合わせることにより種々の照明装置を構成することができる。たとえば、プロジェクタ型、リフレクタ型の車両用前照灯を構成することができる。

【0036】

また、本発明はＬＤ素子以外の半導体発光素子たとえば高輝度のＬＥＤ素子にも適用できる。

【0037】

さらに、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲内のいかなる変更にも適用し得る。

【産業上の利用可能性】

【0038】

本発明は車両用前照灯以外の車両用灯具及び一般照明の照明装置に利用できる。

【符号の説明】

【0039】

１：ＬＤ素子
２：ステム
３：ホルダ
４：レンズ
５：ヒートシンク
５１：プレート部
５１ａ：段差
５１ｂ：開口
５２：ベース部
５２ａ：ザグリ部
５３：フィン部
６：キャップ
６１：上部
６２：脚部
６３：土台部
７：波長変換部材
７１：蛍光体層
７２：拡散板
７３：金属反射層
８：保持部材
８１：サブマウント
８２：内側スリーブ
８３：外側スリーブ
８４：白色樹脂層
９：取付部材
１０：給電基板
１１：リード端子
１３：冷却部材
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ２１、Ｐ２２：放熱経路
１０１：ＬＤ素子
１０２：ステム
１０３：封止キャップ
１０３ａ：窓部
１０４：ホルダ
１０５：レンズ
１０６：波長変換部材
１０７：保持部材
１０８：外部リード端子
Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３：放熱経路
２０１：ＬＤ素子
２０２：ステム
２０３：封止キャップ
２０４：ホルダ
２０５：レンズ
２０６：波長変換部材
２０７：キャップ
２０８：外部リード端子
Ｐ２１、Ｐ２２、Ｐ２３：放熱経路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5】

【図6】

【図7】